Способ получения дезинфицирующего раствора и устройство для его реализации
METHOD OF PRODUCING DISINFECTANT SOLUTION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники
Заявляемая группа технических решений относится к области дезинфекции материалов и предназначена для быстрой активации воды низкотемпературной плазмой атмосферного давления с превращением воды в сильнодействующий дезинфицирующий раствор.
Уровень техники
Известно, что вода при обработке низкотемпературной плазмой приобретает дезинфицирующие свойства (Rohit Thirumdasa, Anjinelyulu Kothakotab, Uday Annapurec, Plasma activated water (PAW): Chemistry, physico-chemical properties, applications in food and agriculture DOI:10.1016/j.tifs.2018.05.007, [1]). Серьезным недостатком существующих методов обработки водных растворов низкотемпературной плазмой является длительное время экспозиции, доходящее до нескольких часов на мл. Дезинфицирующие свойства воды обработанной плазмой связаны с образованием в разряде OH радикалов, которые в свою очередь вступают в реакцию с азотом воздуха и образуют долгоживущие радикалы. Длительное время экспозиции связано с небольшим сечением реакции по диссоциации молекулы воды свободными электронами и высочайшей химической реактивностью OH радикалов.
Известен, например, способ существенного повышения дезинфицирующих свойств перекиси водорода в плазменном разряде (патент США US5785934A на изобретение, МПК A61L2/04, A61L2/06, A61L2/10, A61L2/14, A61L2/16, A61L2/18, A61L2/20, A61L2/24, A61L2/26, B01J7/00, B65D65/38, B65D65/40, B65D81/24, C01B15/01, C01B15/03, C01B15/037, C01B15/06, C01B15/08, C01B15/10, C01B15/14, C01B15/16, C01D7/00, 28.07.1998, [2]). Как и в заявляемом способе пары перекиси водорода поступают в камеру от источника перекиси водорода. Стерилизуемые изделия подвергают воздействию плазмы путем подачи энергии от источника радиочастотного питания к электроду радиочастот.
У аналога [2] нагревают источник перекиси водорода. При этом радиочастотная энергия, используемая для генерации плазмы, может быть импульсной или непрерывной. Изделия оставляют в плазме в течение периода для полной стерилизации и/или удаления остаточной перекиси водорода. В определенных вариантах осуществления используется от 5 до 30 минут плазмы.
Также известна система активации жидкости (патент США US7008592 (B2) на изобретение, МПК A61L2/00; A61L2/14; A61L2/20; A61L2/22; A61L9/14; A61L9/22; B08B5/00; B08B5/02; B08B7/00, 07.03.2006, [3]). Как и в заявляемом способе исходное вещество подают в генератор, который образует туман. Затем туман очищающей жидкости активируют электрическим полем переменного или постоянного тока, или электрической дугой переменного тока, или импульсным электрическим полем постоянного тока, или электрической дугой постоянного тока, или электронным лучом, ионным лучом, или микроволновым лучом, или радиочастотным лучом и лучом ультрафиолетового света, создаваемым посредством лазера или другим источником источника.
У аналога [3] в качестве исходного вещества используют перекись водорода, перуксусную кислоту, перкарбонат натрия и глутаровый альдегид.
Указанный аналог [3] является по совокупности существенных признаков наиболее близким аналогом того же назначения к заявляемому способу. Поэтому он принят в качестве прототипа заявляемого способа.
Из аналога [2] известно устройство, которое содержит камеру с радиочастотным электродом и источник пероксида водорода. У аналога [2] камера выполнена с возможностью вакуумирования насосом.
Из аналога [3] известно устройство содержащее генератор тумана и активатор тумана. Генератор тумана может быть выполнен в виде ультразвукового распылителя низкого давления или распылительной головки высокого давления. Активатор может быть выполнен в виде пары электрических разрядных пластин, между которыми проходит туман чистящей жидкости. У аналога [3] исходными веществами являются перекись водорода, перуксусная кислота, перкарбонат натрия и глутаровый альдегид.
Аналог [3] принят в качестве прототипа заявляемого устройства.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении группы технических решений является необходимость повторной активации газовой смеси.
Недостатком аналога [2], является то, что энергия, необходимая электрону диссоциации молекулы перекиси водорода существенно ниже воды – 0,6 эВ против 8,8 эВ. Однако для достижения требуемого эффекта требуются высокие концентрации перекиси водорода около 8%, что значительно ограничивает применение данного метода.
Недостатком аналога [3], является то, что стерилизацию осуществляют при помощи OH радикалов.
Раскрытие сущности технического решения
2
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемой группой технических решений, является максимизации выхода долгоживущих радикалов и повышение образования озона, питающего цикл OH ↔ HO.
Сущность заявленного способа состоит в том, что влажный воздух подают в разрядную камеру с электродами. Затем воздух проходит через разряд и насыщается активными частицами. Отличается тем, что воздух подают в пространство между внешней и внутренней трубками разрядной камеры, а затем в камеру пьезоэлемента, в которой воздух смешивается с мелкодисперсным туманом от испарителя, и вместе с ним поступает во внутреннюю трубку разрядной камеры, где происходит повторная активация газовой смеси.
Вышеуказанная сущность является совокупностью существенных признаков заявленного способа, обеспечивающих достижение заявленного технического результата.
В частном случае к электродам разрядной камеры подают высоковольтное переменное напряжение с амплитудой более 10 кВ и частотой более 5 кГц.
Сущность заявленного устройства состоит в том, что устройство для получения дезинфицирующего раствора содержит разрядную камеру с электродами и испарителем. Отличается тем, что разрядная камера содержит камеру пьезоэлемента, внешнюю и внутреннюю трубки из тугоплавкого диэлектрика. При этом пространство между внутренней трубкой и внешней трубкой сообщено с камерой пьезоэлемента, причем выход газовой смеси камеры пьезоэлемента сообщен с внутренней трубкой.
Вышеуказанная сущность является совокупностью существенных признаков заявленного устройства для получения дезинфицирующего раствора, обеспечивающих достижение заявленного технического результата.
В частных случаях допустимо выполнять устройство следующим образом.
Устройство преимущественно содержит бак и вентилятор.
Испаритель может быть выполнен ультразвуковым.
Автором заявленной группы технических решений изготовлены опытные образцы этих решений, испытания которых подтвердили достижение технического результата.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 показана общая схема устройства для получения дезинфицирующего раствора; на фиг. 2 – схема разрядной камеры.
Осуществление способа получения дезинфицирующего раствора.
Способ получения дезинфицирующего раствора осуществляют следующим образом.
К внешнему и внутреннему электродам (7) и (8) разрядной камеры (2) устройства для получения дезинфицирующего раствора (фиг. 1, 2) подают высоковольтное переменное напряжение с амплитудой более 10 кВ и частотой более 5 кГц. Между электродами (7), (8) и внутренней трубкой (9) зажигается барьерный диэлектрический разряд. Влажный воздух, нагнетают вентилятором (4) через отверстия (11) во внешний контур разрядной камеры (пространство между внутренней трубкой (9) и внешней трубкой (6)). Воздух проходит через разряд, при этом учитывая его высокую влажность, насыщается активными частицами. Через отверстия (10) воздух поступает в камеру пьезоэлемента (5) где смешивается с мелкодисперсным туманом и вместе с ним поступает во внутреннюю трубку (9) разрядной камеры (2), где происходит его повторная активация. Из трубки (9) разрядной камеры (2) выходит активированный туман, обладающий сильнейшими антимикробными свойствами. Туман может быть использован для дезинфекции поверхностей, рук, а также стерилизации продуктов питания.
Активация воды в предложенном устройстве становится возможна благодаря взаимодействию свободных электронов с атомами азота, кислорода и воды, образуя реактивные формы кислорода и азота:
2
N + e → 2N + e
2
O + e → 2O + e
N + O → NO
2
N + O → NO + O
3
2
NO + O → NO + O
2
2
NO + N → NO + O
В присутствии паров воды в плазменном разряде происходит синтез небольшого количества азотной кислоты и перекиси водорода:
2
3
3
2
NO + O→ NO+ O
2
2
3
NO + NO → NO
2
3
2
5
NO + NO + M → NO+ M
2
5
2
3
NO + HO → 2HNO
2
3
2
2
NO + HO → 2HNO
3
2
2
2
2
O + HO → HO + O
В вышеперечисленных реакциях особенно важным становится одновременное присутствие в разряде молекул воды, азота и кислорода.
Одним из наиболее важных активных частиц плазмохимии, является радикал OH. Наиболее вероятными реакциями образования OH, являются:
Реакция диссипативного прилипания:
2
-
e + HO → H + OH
1
Реакция воды с атомом кислорода D:
1
O + e→O(D) + e
3
2
1
O + hν→O + O(D)
1
2
O(D) + HO→OH + OH
2
OH – крайне активный радикал, время жизни которого невелико. Однако в присутствии озона время жизни увеличивается нескольких секунд благодаря циклу OH↔HO:
3
2
2
OH + O→ HO + O
2
3
2
HO + O→ OH + 2O
В присутствии азотистой кислоты, перекиси водорода, оксида азота и OH радикалов может происходить синтез перексинитрита и пероуксусной кислоты
2
2
2
2
HNO + HO→ ONOOH + HO
•
2
OH + NO↔ ONOOH
-
+
ONOO + H ↔ ONOOH
2
2
3
2
2
2
Таким образом происходит синтез короткоживущих (OH, O) и долгоживущих соединений (OH↔HO, NO, NO, NO, NO, HO, ONOOH), которые являются сильнейшими антибактериальными агентами.
Реализация заявляемого способа не ограничивается приведенным выше примером.
Осуществление устройства для получения дезинфицирующего раствора.
Устройство (фиг. 1) содержит бак (1), разрядную камеру (2), ультразвуковой испаритель (3) и вентилятор (4). Исходной жидкостью в баке может выступать – вода или слабый раствор перекиси водорода (0,3-0,5%).
Разрядная камера (2) состоит из камеры пьезоэлемента (5), внешней трубки разрядной камеры из тугоплавкого диэлектрика (6), внешнего электрода (7), внутреннего электрода (8), внутренней трубки разрядной камеры из тугоплавкого диэлектрика (9), отверстий для воздуха камеры пьезоэлемента (10), отверстий для воздуха внешней трубки (11). Электроды (7) и (8) могут представлять из себя стеки из проводящего материалы, спирали из проводящей проволоки, трубки из проводящего материала или любые другие проводники ячеистой структуры.
Примеры конкретного выполнения устройства
Пример 1. Исходным раствором для испарителя (3) устройства является слабый раствор перекиси водорода до 1%.
Пример 2. Исходным раствором для испарителя (3) устройства является слабый спиртовой раствор до 10%.
Описание работы и порядок использования устройства.
К внешнему и внутреннему электродам (7), (8) разрядной камеры (2) (фиг. 1, 2) подают высоковольтное переменное напряжение с амплитудой более 10 кВ и частотой более 5 кГц. Между электродами (7), (8) и внутренней трубкой (9) зажигается барьерный диэлектрический разряд. Влажный воздух, нагнетают вентилятором (4) через отверстия (11) во внешний контур разрядной камеры (пространство между внутренней трубкой (9) и внешней трубкой (6)). Воздух проходит через разряд, при этом учитывая его высокую влажность, насыщается активными частицами. Через отверстия (10) воздух поступает в камеру пьезоэлемента (5) где смешивается с мелкодисперсным туманом и вместе с ним поступает во внутреннюю трубку (9) разрядной камеры (2), где происходит его повторная активация. Из трубки (9) разрядной камеры (2) выходит активированный туман, обладающий антимикробными свойствами.
Промышленная применимость
Заявляемая группа технических решений реализована с использованием промышленно выпускаемых устройств и материалов и может быть применена на любом предприятии, где требуется дезинфекция материалов.