УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКОГО ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Полезная модель относится к области обеззараживания поверхностей, а именно к устройствам для обеззараживания предметов и поверхностей помещений от болезнетворных бактерий, вирусов и другой патогенной микрофлоры ультрафиолетовым (УФ) излучением в присутствии фотокатализатора. Данное устройство может быть использовано для экспрессной дезинфекции общественных помещений (например, внутренних стен лечебных, образовательных, культурных, спортивных, дошкольных учреждений), транспорта, мебели, оборудования. Предлагаемое устройство может также найти применение в чрезвычайных ситуациях, требующих срочной высокоэффективной дезинфекции объектов и поверхностей различного назначения.
2
Как известно, при воздействии УФ излучения на фотокатализатор диоксид титана (TiO) с энергией фотона, большей или равной ширине запрещенной зоны (3,02-3,23 эВ), в водной среде генерируются высокореакционные радикалы, из которых гидроксильный радикал ОН° считается наиболее важным окисляющим агентом, обеспечивающим инактивацию клетки [1].
2
Известно устройство для очистки и обеззараживания поверхностей, состоящее из чистящей насадки в виде щетки, источника УФ излучения с электропитанием и световода со светоотражающим покрытием, способного проводить УФ излучение (Патент US 6094767 от 01.08.2000). Принцип действия устройства основан на облучении гибких щетинок, содержащих частицы фотокатализатора TiO, УФ излучением лампы через специальный световод.
Недостатки:
а) высокая стоимость фотокаталитически активных гибких щетинок щетки со специальным покрытием, содержащим частицы катализатора, а также световода и насадки для щетки из оптоволокна или светоотражающего материала и низкая механическая прочность.
б) Ограниченность типов обеззараживаемых поверхностей (преимущественно, твердая).
Известно устройство и способ фотокаталитического обеззараживания химически и биологически опасного материала, включая его поверхности (Патент US 7491339 B2 от 17.02.2009). Устройство представляет собой конструкцию, состоящую из камеры для непосредственной обработки загрязненного материала, бака для хранения среды-носителя, загрузочного бункера для катализатора, смесителя среды и катализатора, циркуляционного насоса, системы для восстановления катализатора, источника излучения. Загрязненный материал облучают в камере в присутствии взвешенных частиц катализатора в струе среды-носителя, обеспечиваемой циркуляционным насосом.
Недостатки:
а) Ограниченность типов обеззараживаемых предметов и поверхностей, имеющих небольшие размеры, например, хирургические инструменты и медицинская спецодежда.
б) Сложность конструкции и применение дорогостоящего оборудования - основных узлов системы.
в) Необходимость привлечения квалифицированного оператора для контроля работы системы.
2
Известно устройство для очистки и обеззараживания загрязненных территорий методом хемосорбции, а именно распылением наночастиц MgO и/или его гидроксида, а также в смеси с TiO в присутствии газового или жидкого пропеллента (Патент US 7279129 B2 от 09.10.2007). Устройство представляет собой пульверизатор в виде металлического контейнера под давлением, оснащенного форсункой с затвором.
Недостатки:
а) низкая эффективность хемосорбции по сравнению с фотокаталитической обработкой.
б) токсичность предлагаемых оксидов и гидроксидов щелочных и щелочноземельных металлов, их химическая нестабильность в окружающей среде и необходимость нейтрализации после обработки.
Известно устройство и способ дезактивации химических и биологических загрязнителей пероксидом водорода и продуктами его фотокаталитического разложения при высоких температурах (Патент US 2006/0270887 A1 от 30.11.2006). Устройство содержит резервуар с пероксидом водорода, каталитический реактор для частичного или полного разложения пероксида и выпускное отверстие для направленного разбрызгивания горячего потока дезинфицирующего раствора, состоящего из водяного пара, кислорода и части неразложившегося пероксида водорода. Устройство может быть установлено на наземном, воздушном или водном транспортном средстве и применимо для обеззараживания больших зон загрязнения.
Недостатки:
а) сложная и дорогая конструкция за счет байпасных проходов для приема различных частей потока.
б) высокая стоимость применяемого катализатора - серебра и его сплавов.
в) высокие рабочие температуры выпускаемого потока (до 280°C).
г) применение опасного для персонала концентрированного раствора пероксида водорода.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является устройство для фотосенсибилизированного УФ обеззараживания поверхностей и аэрозольных облаков (Патент US 7569181 B2 04.08.2009), взятый в качестве прототипа. Принцип действия устройства основан на распылении раствора фотосенсибилизатора, электростатически заряженного под действием коронного разряда, на обеззараживаемую поверхность с последующим облучением поверхности и полученного аэрозоля УФ излучением. Устройство содержит резервуар для раствора фотосенсибилизатора, высоковольтный источник питания, электрический пульверизатор для получения аэрозоля и его распыления на обеззараживаемую поверхность, электроды для получения коронного разряда, источник УФ излучения с охлаждением, узел температурного контроля, связанный с системой охлаждения лампы и резервуаром для нагрева раствора фотосенсибилизатора теплом, производимым лампой в процессе работы. УФ излучение генерируется высокотемпературными электрическими дугами импульсных ламп, главным образом, ксеноновых. На бактерицидный диапазон длин волн 205-315 нм приходится 25-30% всего излучения импульсных ксеноновых ламп, излучающих в диапазоне 100-1100 нм. Соответственно, бактерицидная эффективность ксеноновых импульсных ламп составит 10-13% от суммарного излучения лампы. С учетом потерь на пропускание колбы лампы и тепловых потерь бактерицидная эффективность составит около 10% от вкладываемой в лампу электрической энергии. Кроме того, импульсные источники УФ излучения характеризуются высокой мгновенной мощностью (до 10 МВт), небольшим сроком службы около 1000 ч и громоздким и опасным для персонала высоковольтным источником питания. Эти лампы также требуют интенсивного теплоотвода, что делает конструкцию аппаратов на их основе достаточно сложной.
2
3
В качестве фотосенсибилизаторов в прототипе рекомендуются вещества, содержащих -OH или -OOH группу: пероксид водорода, надуксусная, пропионовая, надпропионовая кислоты и их смеси. Их использование, как известно, требует специальных мер безопасности с привлечением квалифицированных специалистов, поскольку вещества этого ряда являются химически нестабильными или токсичными. Например, несмотря на то, что надуксусная кислота в виде аэрозоля обладает мощной антимикробной активностью, ее концентрированные растворы считаются пожаро- и взрывоопасными. Кроме того, для прекращения действия надуксусной кислоты необходимо применение различных нейтрализующих веществ (NaCO или NaOH).
Недостатки:
а) низкий световой КПД ксеноновых ламп.
б) высокая импульсная мощность ламп и высокое напряжение (до 100000 В), генерация электрического поля с высокой напряженностью, опасные для персонала.
в) низкий энергетический КПД всей установки из-за теплоотвода.
г) использование химически нестабильных и токсичных веществ, в том числе взрывоопасной надуксусной кислоты.
9
При положительных качествах известного устройства, в частности, наличии эффективного пульверизатора для распыления дезинфицирующего раствора и генерации гидроксильных радикалов, инактивирующих микроорганизмы, за счет фотолиза пероксида водорода и надкислот, устройство имеет существенный недостаток, а именно большая продолжительность облучения поверхностей для достижения ее полного обеззараживания. Так, при облучении штамма Escherichia coli JC5088 лампами мощностью 100 кВт, излучающих при 254 нм, в присутствии пероксида водорода и/или ZEROTOL™ (коммерческой смеси перекиси и надуксусной кислоты) уменьшение исходной численности клеток при 10 КОЕ/мл на 7 и более порядков было достигнуто за 1000-20000 секунд (0,3-5,5 часов).
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является улучшение эксплуатационных характеристик, к которым относится повышение степени безопасности для оператора и существенное снижение времени обеззараживания поверхностей с обеспечением полной инактивации патогенной микрофлоры (до 45 секунд для Е. coli). Заявленная полезная модель является реализацией разработанного нами ранее способа фотокаталитического обеззараживания поверхностей (заявка №2009140107, Положительное решение о выдаче патента от 24.06.2010).
2
Указанный результат достигается тем, что устройство включает в себя резервуар с герметичной крышкой, содержащий водную суспензию наночастиц TiO со средним диаметром 23,3 нм в концентрации 0,5 г/л, воздушный компрессор, обеспечивающий небольшое избыточное давление в резервуаре, пульверизатор на гибком шланге для распыления водной суспензии на обрабатываемую поверхность, источник узкополосного УФ излучения в бактерицидном диапазоне. Ультразвуковой генератор посылает электрические импульсы ультразвуковой частоты на герметичный пьезокерамический излучатель, помещенный на дно резервуара. Это обеспечивает эффективное диспергирование и активацию наночастиц фотокатализатора в воде. В качестве источника узкополосного УФ излучения используют KrCl-эксилампу, излучающей при 222 нм.
На чертеже (Фиг.1) изображена схема предлагаемого устройства, включающая резервуар с герметичной крышкой 1, заполненный водной суспензией наночастиц фотокатализатора, ультразвуковой генератор 2, воздушный компрессор 3, пьезокерамический излучатель в герметическом водозащищенном корпусе 4, пульверизатор на гибком шланге 5, ультрафиолетовую эксилампу на телескопическом держателе 6, мобильную платформу на колесах 7.
2
Данное устройство работает следующим образом. В резервуар 1 с водой вносят нанокристаллический порошок TiO, включают ультразвуковой генератор 2, воздушный компрессор 3 и пульверизатором 5 оператор вручную распыляет водную суспензию фотокатализатора на обеззараживаемую поверхность. Далее включают УФ эксилампу 6 и также вручную оператор облучает эксилампой предварительно обработанную пульверизатором поверхность на расстоянии 5-10 см от лампы. Данное устройство размещено на мобильной платформе на колесах 7 с подводом электропитания и легко перемещается одним оператором.
2
Преимуществами заявляемого устройства являются существенное сокращение времени облучения для достижения 100%-ного эффекта обеззараживания, простота и безопасность технологии обеззараживания. Это обеспечивает возможность его применения и в чрезвычайных ситуациях, когда требуется немедленная дезинфекция зараженных поверхностей. Диоксид титана с наноразмерными частицами является доступным, нетоксичным, высокостабильным и относительно недорогим материалом. Как показали результаты исследования [2], наночастицы TiO (диаметром до 100 нм) обладают более высокой бактерицидной активностью, чем более крупные частицы.
Вместо импульсных ксеноновых ламп с низкой бактерицидной эффективностью нами предлагается использовать современные источники УФ излучения - эксилампы, излучающие на переходах эксимерных и эксиплексных молекул. Главным их преимуществом является узкий спектр излучения, более 80% от общей мощности которого сосредоточено в узкой (до нескольких нм на полувысоте) спектральной полосе соответствующей молекулы. Например, эксилампа на молекулах KrCl излучает всю энергию в бактерицидном диапазоне с максимумом на длине волны 222 нм, и, таким образом, обладает максимальным КПД в бактерицидном диапазоне (до 30%). Кроме того, эксилампы не содержат ртуть, отличаются большой энергией фотона (3,5-10 эВ), сроком службы (1000-10000 часов), более просты и безопасны для работы оператора.
2
Для безопасной работы предлагаемого устройства оператору достаточна защита глаз УФ-непроницаемыми (стеклянными) очками и органов дыхания от частиц TiO маской (респиратором).
4
2
2
2
Нами были проведены эксперименты по обеззараживанию поверхности стекла, зараженного кишечной палочкой Escherichia coli, а также клетками или спорами Bacillus cereus, генетическим аналогом Bacillus anthracis (возбудитель сибиркой язвы). Исходная концентрация клеток (спор) на поверхности составила 2×10 КОЕ/см. Расход фотокатализатора составил 6,1 г/м. Показано, что полное обеззараживание поверхности в присутствии водной суспензии наночастиц TiO происходило за 40-60 секунд.
Результаты испытаний приведены в таблице.
Микроорганизм
Доза УФ излучения KrCl-эксилампы для инактивации 100% клеток (спор), мДж/см<sup>2</sup>
Время, необходимое для инактивации 100% клеток (спор), сек
Е. coli
146
45
В. cereus (клетки)
130
40
В. cereus (споры)
194
60
Использование предлагаемого устройства позволяет существенно уменьшить время облучения поверхностей и повысит эффективность обеззараживания.
Использованные источники:
2
1. Benabbou A.K., Derriche Z., Felix C, Lejeune P., Guillard C. (2007) Photocatalytic inactivation of Escherichia coli. Effect of concentration of TiO and microorganism, nature, and intensity of UV irradiation // Appl. Catal. B: Environ. Vol.76. P.257-263.
2. Prasad G.K., Agarwal G.S., Singh B., Rai G.P., Vijayaraghavan R. (2008) Photocatalytic inactivation of Bacillus anthracis by titania nanomaterials // Journal of Hazardous Materials, Vol.165, №1-3 - P.506-510.