УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНАКТИВАЦИИ ВИРУСОВ И МИКРООРГАНИЗМОВ В ВОЗДУШНОМ ПОТОКЕ
DEVICE FOR INACTIVATION OF VIRUSES AND MICROORGANISMS IN AIR STREAM

Изобретение относится к области обеззараживания воздуха, а именно к устройствам для инактивации находящихся в обрабатываемом воздушном потоке вирусов и микроорганизмов путем воздействия на них электрических полей и может быть использовано в системах обеззараживания воздуха помещений, в которых необходимо обеспечить биобезопасность приточного или рециркуляционного воздуха.
Известно устройство для стерилизации и тонкой фильтрации газа по патенту RU 2026751, согласно которому находящиеся в воздушном потоке микроорганизмы сначала обрабатываются ионами одного, а затем другого знака, после чего они высаживаются на электростатическом фильтре, где происходит их инактивация. Для повышения эффективности обеззараживания в устройстве могут использоваться два ионизатора типа «игла-цилиндр» с различной полярностью коронирующих электродов.
Однако в подобных устройствах инактивация микроорганизмов осуществляется только при условии их задержки на электростатическом фильтре, что нежелательно, так как в случае высокой стойкости микроорганизмов к такому воздействию может происходить их накапливание и «залповые» выбросы живых микроорганизмов из установки в помещение.
Известно устройство для инактивации и тонкой фильтрации вирусов и микроорганизмов в воздушном потоке по патенту RU 2344882, содержащее высоковольтный источник питания и расположенные последовательно по ходу потока средство предварительной обработки воздуха, образованное из разноименно заряженных токопроводящих фильтрующих элементов, между которыми установлена пластина из диэлектрического высокопористого проницаемого материала, двухсекционную камеру инактивации типа «игла-цилиндр», каждая секция которой выполнена в виде соосно расположенных игольчатого коронирующего и цилиндрического некоронирующего электродов, каждый из которых электрически связан с соответствующей пластиной из токопроводящего фильтрующего материала, и осадитель, выполненный из расположенных параллельно друг другу разноименно заряженных пластин из высокопористого проницаемого токопроводящего материала, между которыми расположены пластины из высокопористого проницаемого диэлектрического материала. При этом по меньшей мере первый по ходу потока токопроводящий фильтрующий элемент средства предварительной обработки выполнен в виде цилиндрического электрода с основанием в виде пластины из токопроводящего пористого проницаемого материала, прилегающий к пластине из диэлектрического высокопористого проницаемого материала, расположенной на расстоянии от свободного торца цилиндрического электрода, к которой примыкает электрически связанный с ней игольчатый коронирующий электрод, расположенный соосно цилиндрическому электроду и направленный острием в сторону диэлектрической пластины, при этом цилиндрический и игольчатый электроды подключены к противоположным полюсам высоковольтного источника питания. Каждая секция двухсекционной камеры инактивации выполнена в виде соосно расположенных игольчатого коронирующего и цилиндрического некоронирующего электродов, каждый из которых электрически связан с соответствующей пластиной из токопроводящего фильтрующего материала.
В устройстве используются пористые проницаемые электроды, имеющие объемную структуру, например структуру открыто ячеистого объемного материала (пенометалла).
При работе этого устройства в коронирующих узлах устройства создается необходимая концентрация ионов соответствующих знаков. В средстве предварительной обработки происходит зарядка биоаэрозолей и осуществляется воздействие на них электрическими полями разной напряженности и градиента. На острие игольчатых коронирующих электродов осуществляется воздействие на микроорганизмы «холодной плазмой».
В данном устройстве сначала осуществляется грубая фильтрация воздуха от крупных частиц. Затем микроорганизмы и вирусы заряжаются ионами одного знака, потом ионами противоположного знака.
После средства предварительной обработки воздушный поток поступает в двухсекционную камеру инактивации, снабженную двумя однополярными или разнополярными коронирующими электродами.
В двухсекционной камере инактивации происходит многократная перезарядка биоаэрозоля под действием ионов, электрического контакта с электродами разного знака и поверхностью поляризованного диэлектрического фильтрующего материала. После прохождения через камеру инактивации имеющиеся в воздушном потоке микроорганизмы и вирусы будут находиться в инактивированном состоянии.
После прохождения камер инактивации частицы, получившие достаточный для осаждения заряд, задерживаются в электростатическом осадителе.
Наиболее близким к настоящему изобретению является устройство обеззараживания воздуха по патенту RU 2541004, реализующее способ, согласно которому создают поток подлежащего обеззараживанию воздуха, воздействуют на него расположенными последовательно по потоку постоянными электрическими полями, чередующимися по направлению вектора напряженности и создаваемыми поперечно расположенными проницаемыми для воздушного потока электродами; и фильтруют обработанный поток воздуха посредством электростатического фильтра. На поверхности электродов имеются концентраторы электрического поля в виде выступов, диаметр основания которых не превышает 30 мкм, на поверхности которых имеются нановыступы с диаметром основания не более 100 нм, а напряженность каждого из чередующихся постоянных электрических полей между соответствующими электродами выбирают из условия осуществления электропорации клеток микроорганизмов или их инактивации.
В результате воздействия на клетку микроорганизма постоянных электрических полей, направленных в разные стороны, и высокой локальной их напряженности вблизи концентраторов электрического поля, происходит многократное изменение величин и знаков электрических потенциалов на поверхности и внутри клетки, в результате чего происходят гибель микроорганизмов и разрушение их структуры.
Для повышения эффективности работы по ходу воздушного потока организуются несколько зон с повышенной концентрацией ионов разных знаков заряда, генерируемых в камерах ионизации с коронирующими устройствами типа «игла-цилиндр».
Недостатком данного устройства является выделение значительного количества озона в результате обработки воздуха ионами разных знаков потенциала. Избыточный озон осложняет использование устройства в присутствии людей и системах вентиляции помещений.
Задачей изобретения является повышение эффективности работы устройств обеззараживания воздуха, осуществляющих инактивацию вирусов и микроорганизмов, находящихся в обрабатываемом воздушном потоке, путем воздействия постоянных электрических полей, а именно чередующимся воздействием полей с однородной и неоднородной напряженностью и обеспечение возможности его работы в условиях изменения направления движения воздушного потока.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для обеззараживания воздуха от вирусов и микроорганизмов, содержащем высоковольтный источник питания, не менее пяти установленных последовательно по ходу воздушного потока пористых электродов в виде проницаемых для воздуха токопроводящих пористых пластин, расположенных поперек потока, и установленные между ними диэлектрические высокопористые пластины, при этом электроды подключены к высоковольтному источнику питания так, что они имеют чередующуюся полярность, согласно изобретению часть пористых электродов расположены парами, в каждой из которых между пористыми электродами расположены не менее двух высокопористых диэлектрических пластин, которые примыкают друг к другу, так что при работе устройства между пористыми электродами в каждой из их пар образуется зона с однородной напряженностью постоянного электрического поля, причем одна из указанных пар по ходу воздушного потока расположена первой, а другая – последней, а между парами пористых электродов установлены одиночные пористые электроды и по меньшей мере один расположенный параллельно направлению воздушного потока обоюдоострый игольчатый электрод, острые концы которого направлены в противоположные стороны, причем указанный по меньшей мере один игольчатый электрод и один из близлежащих пористых электродов электрически соединены между собой, так что при работе устройства между пористыми электродами и игольчатыми электродами образуются зоны с неоднородной напряженностью постоянного электрического поля.
Предпочтительно, между игольчатым электродом и по меньшей мере одним из пористых электродов установлена пористая дополнительная диэлектрическая пластина. Дополнительная высокопористая диэлектрическая пластина может быть установлена между одним концом по меньшей мере одного игольчатого электрода и одноименно заряженным пористым электродом. При этом один конец игольчатого электрода может находиться внутри дополнительной высокопористой диэлектрической пластины.
Предпочтительно, чтобы толщина дополнительной высокопористой диэлектрической пластины была больше толщины высокопористых диэлектрических пластин, расположенных между пористыми электродами.
Предпочтительно, чтобы диэлектрические высокопористые пластины были выполнены с игольчатой структурой поверхности и имели диэлектрическую проницаемость не более 10, а размеры их пор составляют от 0,5 до 5 мм.
Количество зон с однородной и неоднородной напряженностью постоянного электрического поля, может составлять не менее двух каждого вида.
Диэлектрические высокопористые пластины в каждой паре электродов могут иметь одинаковые или различные диэлектрические свойства, толщины и параметры пористой структуры.
Вокруг по меньшей мере одного игольчатого электрода может быть установлена электропроводная обечайка, электрически связанная или электрически не связанная с источником высоковольтного питания.
Внутренняя поверхность одной или нескольких электропроводных обечаек, а также наружная поверхность игольчатых электродов могут иметь диэлектрическое покрытие.
Предпочтительно, чтобы расстояние между отрицательно заряженными игольчатыми электродами и противоположно заряженным пористым электродом отличалось от расстояния между положительно заряженными игольчатыми электродами и противоположно заряженным пористым электродом.
Предпочтительно, чтобы высоковольтный источник питания был выполнен с возможностью стабилизации по току.
Устройство может быть выполнено с возможностью изменения полярности игольчатых электродов на противоположную при изменении направлении движения обрабатываемого воздушного потока.
По меньшей мере в одной зоне неоднородного электрического может быть расположено несколько игольчатых электродов.
Количество игольчатых электродов и их размещение в каждой зоне неоднородного электрического поля могут быть различными.
Данная конструкция осуществляет поочередное воздействие на находящиеся в обрабатываемом воздухе вирусы и микроорганизмы постоянными электрическими полями с однородной и неоднородной напряженностью с выделением незначительной концентрации озона.
После такого воздействия в вирусах и микроорганизмах происходят необратимые структурные изменения, приводящие к их гибели (инактивации).
Многократные изменения напряженностей полей от максимальных значений до нуля, приводит к повышению эффективности инактивации вирусов и микроорганизмов.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 схематично показан простейший вариант выполнения устройства согласно изобретению;
на фиг. 2 – вариант выполнения устройства с дополнительными диэлектрическими пористыми пластинами между одним острием игольчатого электрода и пористым электродом;
на фиг. 3 – то же, но с расположением концов игольчатых электродов внутри дополнительных высокопористых диэлектрических пластин;
на фиг. 4 – вариант выполнения устройства с разным количеством игольчатых электродов в зонах неоднородных постоянных электрических полей;
на фиг. 5 – вариант выполнения устройства с дополнительными обечайками вокруг игольчатых электродов;
на фиг. 6 – вариант выполнения устройства с дополнительными пористыми электродами и с дополнительными диэлектрическими пластинами между двумя остриями игольчатых электродов и пористыми электродами.
Как показано на фиг. 1, устройство содержит установленные последовательно по ходу обрабатываемого воздушного потока А и расположенные поперек потока пористые электроды 1, 6 в виде проницаемых для воздуха токопроводящих пористых пластин толщиной не менее 3 мм из пористых проницаемых токопроводящих материалов с игольчатыми выступами на поверхности, диаметром не более 1 мм, подключенные к разноименным полюсам высоковольтного источника питания 4 так, что пористые электроды 1, 6 имеют чередующуюся полярность. Высоковольтный источник питания 4 выполнен с возможностью стабилизации по току. В показанном варианте выполнения количество пористых электродов 1, 6 равно пяти, однако их количество может быть и большим. Часть пористых электродов (пористые электроды 1) расположены парами, в каждой из которых между пористыми электродами 1 расположены не менее двух высокопористых диэлектрических пластин 2 из пористого проницаемого диэлектрического материала, которые примыкают друг к другу, так что при работе устройства между пористыми электродами 1 в каждой из их пар образуется зона с однородной напряженностью постоянного электрического поля. Диэлектрические пластины 2 в каждой из указанных пар пористых электродов 1 могут иметь одинаковые или разные диэлектрические свойства, толщины и параметры пористой структуры, однако их диэлектрическая проницаемость не должна превышать 10, толщина этих пластин 2 должна составлять не менее 3 мм, а размеры пор диэлектрических пластин 2 должны составлять от 0,5 до 5 мм. Диэлектрические высокопористые пластины выполнены с игольчатой структурой поверхности. В показанном варианте выполнения количество пар пористых электродов 1, а, следовательно, и количество зон с однородной напряженностью постоянного электрического поля, равно двум, однако их количество может быть и большим. В любом случае одна из указанных пар по ходу воздушного потока расположена первой, а другая – последней.
Между парами пористых электродов 1 установлены одиночный пористый электрод 6 и по меньшей мере один расположенный параллельно направлению воздушного потока обоюдоострый игольчатый электрод 3 диаметром не более 0,3 мм, острые концы которого направлены в противоположные стороны. Указанный по меньшей мере один игольчатый электрод 3 и один из близлежащих пористых электродов 1 электрически соединены между собой, так что при работе устройства между пористыми электродами 1 и игольчатыми электродами 3 образуются зоны с неоднородной напряженностью постоянного электрического поля. Наружная поверхность игольчатых электродов 3 может иметь диэлектрическое покрытие. Расстояние между отрицательно заряженными игольчатыми электродами 3 и противоположно заряженным пористым электродом 1 может отличаться от расстояния между положительно заряженными игольчатыми электродами 3 и противоположно заряженным пористым электродом 1. Устройство может быть выполнено с возможностью изменения полярности игольчатых электродов 3 на противоположную при изменении направлении движения обрабатываемого воздушного потока.
Между одним острием игольчатых электродов 3 и пористыми электродами 1 могут быть установлены дополнительные пористые диэлектрические пластины 5, как показано на фиг. 2.
При прохождении микробных клеток через чередующееся воздействие электрического поля с однородной и неоднородной напряженностями происходит деформация или разрушение их структуры под действием пондеромоторных сил.
Как показано на фиг. 3, один конец игольчатых электродов 3 может находиться внутри дополнительных высокопористых диэлектрических пластин 5, толщина которых может превышать толщину высокопористых диэлектрических пластин 2.
На фиг. 4 показан вариант выполнения устройства, в котором в отличие от варианта выполнения устройства по фиг. 2 установлены два одиночных пористых электрода 6, так что при работе устройства образуются три зоны с неоднородной напряженностью электрического поля. При этом в разных зонах с неоднородной напряженностью электрического поля расположено разное количество игольчатых электродов 3.
Вариант выполнения устройства, показанный на фиг. 5, отличается от изображенного на фиг. 2 тем, что дополнительно содержит электропроводные обечайки 7 вокруг игольчатых электродов 3, которые электрически соединены с пористыми электродами 1 с электрическим потенциалом, противоположным по знаку потенциалу игольчатых электродов 3. Внутренняя поверхность одной или нескольких электропроводных обечаек 7 может иметь диэлектрическое покрытие. При необходимости уменьшения тока короны игольчатых электродов 3 между ними и противоположно заряженными соседними пористыми электродами 1 электропроводные обечайки 7 могут быть электрически не связаны с источником высоковольтного питания 4.
Вариант выполнения устройства, показанный на фиг. 6, отличается от варианта выполнения устройства по фиг. 2 тем, что добавлены дополнительные пористые электроды 1, образующие соответствующие пары с пористыми электродами 1 первой и последней по потоку парами пористых электродов 1, и дополнительные диэлектрические пластины 5, установленные между двух остриев игольчатых электродов 3 и пористыми электродами 1.
Устройство работает следующим образом.
Подлежащий обеззараживанию воздух А содержит разные виды вирусов и микроорганизмов, имеющих разные размеры, структуру, свойства и электрический заряд.
При подаче высокого постоянного напряжения на электроды 1, 3, 6 (фиг. 1) между ними образуется постоянное электрическое поле заданной напряженности. Между пористыми электродами 1 создаются поля с однородной напряжённостью. При размещении между ними пористых диэлектрических пластин 2 напряженность поля может быть увеличена. Наличие на поверхности пористых пластин острых выступов позволяет создать около них зоны с более высокой локальной напряженностью электрического поля.
Размещение между пористыми электродами обоюдоострых игольчатых электродов 3 позволяет создать поле с неоднородной напряженностью. Распределение неоднородностей полей между электродами можно регулировать изменением их количества и расположения, установкой дополнительных диэлектрических пористых пластин между остриями игольчатых электродов 3 и пористыми электродами (фиг. 2, 3, 5).
При прохождении обрабатываемого воздушного потока А через устройство, находящиеся в нем вирусы и микроорганизмы под действием постоянных электрических полей и кратковременных контактов с заряженными поверхностями пористых электродов 1, 6 и диэлектрических пластин 2, 5 приобретают электрический заряд, который накапливается на их поверхности и создает разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностями оболочек структур микроорганизмов. При достижении определенных величин разницы потенциалов структура микроорганизмов разрушается и микроорганизм инактивируется.
Размещение между пористыми электродами диэлектрических пористых пластин с игольчатой поверхностью позволяет повысить локальную напряженность поля на выступах, а размещение последовательно нескольких таких пластин – увеличить количество локальных скачков напряженности полей со смещением их векторов. Контакт микробного аэрозоля с поверхностью диэлектрических пластин повышает эффективность его зарядки и приводит к изменению внутреннего потенциала клетки. Увеличение количества игольчатых выступов – концентраторов напряженности на поверхности пластин-электродов и диэлектрических пластин, позволяет повысить эффективность инактивации микроорганизмов по всему сечению воздушного потока.
Инактивация вирусов и микроорганизмов путем дезинтеграции их структур воздействием полей с однородной и неоднородной напряженностью, исключает привыкание их к такому физическому воздействию, мутации или последующее восстановление жизнедеятельности («оживление»), т.е. осуществляется необратимая гибель вирусов и микроорганизмов.
Количество зон с однородной и неоднородной напряженностями постоянных электрических полей, очередность их размещения в устройстве определяются исходя из заданной скорости воздушного потока, концентрации и свойств находящегося в воздухе микробного аэрозоля, требуемой эффективности обеззараживания.
Для повышения эффективности обеззараживания воздуха и стабильности работы устройства, внутри зон неоднородной напряженности поля вокруг игольчатых могут быть установлены электропроводные обечайки 7, электрически связанные с одним из близлежащих пористых электродов (фиг. 4) или электрически не связанных ни с одним из электродов (не показано).
Кроме этого, наружная поверхность игольчатых электродов 3 и внутренняя поверхность электропроводных обечаек 7 могут иметь диэлектрическое покрытие. Это позволяет создать внутри зон неоднородной напряженности необходимое распределение напряженности электрического поля.
В результате использования изобретения обеспечивается быстрая, эффективная и надежная инактивация любых видов вирусов и микроорганизмов, находящихся в обрабатываемом воздухе. При этом обеспечивается минимальное выделение в воздух вредных веществ и исключение накопления внутри устройства живых микроорганизмов.
Для повышения ресурса работы устройства в месте забора воздуха может устанавливаться фильтр грубой очистки, а на выходе – фильтр тонкой очистки или высокоэффективный фильтр.