细菌病毒的静电去除原理

http://www.water.hc360.com2020年02月25日16:56 来源:中国航天科技集团北京航天河科技发展有限公司T|T

     慧聪水工业网 最近,有专家提出了一个吓人的说法:新型冠状病毒肺炎的传播途径或存在气溶胶传播,此消息迅速引发网民热议,带火了“气溶胶”这个词汇。不过又有专家表示,气溶胶和消化道等传播途径尚待明确。这里不去探讨这种新型冠状病毒能否通过气溶胶传播。本文只来讨论一下附着在气溶胶物质上的细菌病毒是如何传播,以及应该如何防治。

一、细菌病毒的附着与传播

气溶胶是指悬浮在气体介质中的固态或液态颗粒所组成的气态分散系统,它以固体或液体为分散相,以气体为分散介质。云、雾、尘埃、烟这些形态,都是气溶胶的具体实例。气溶胶中的微粒与正常的固体液体物质最大的区别在意,其微粒作布朗运动,不因重力而沉降,可悬浮在大气中长达数月、数年之久。

而细菌、病毒这些生物体都属于微生物,细菌的直径大约在 0.5μm~5μm 之间,病毒则更小,直径只有在 20nm~300nm,气溶胶中一旦掺杂进他们,就形成了一种特殊的气溶胶:微生物气溶胶。细菌在气溶胶中可以单独存在,也可以附着在其它微粒表面,病毒一般是附着在从宿主体内喷出的微小液滴上,病毒虽然只能在宿主细胞内繁殖,但再体外的气溶胶中仍然可以存活一段时间。一部分细菌或病毒如果随气溶胶侵入人体,就可能会进行大量繁殖导致患病。

防止气溶胶病毒传播的方法,主要有四种方式:

第一,直接大量通风。带有细菌病毒的气溶胶其实到处都是,但不是只要有细菌病毒就会导致人患病,而是需要达到一定浓度,称为“致病浓度”,一般在 这个浓度以下,细菌病毒几乎没有概率进入到人体中,即使入侵,由于量及其微 小,很快就会被免疫系统消灭掉而不会导致任何后果。直接大量通风,可以迅速 稀释微生物气溶胶的浓度,使它迅速降低到致病浓度以下,避免患病的可能。当 然有些室内环境没有条件开窗通风,或者在冬天直接开窗会使室内温度变得太低, 这种情况可以使用新风系统来通风,带有温度控制的新风系统还可以有效降低对

室内温度的影响。

第二是隔离防护。在室内或解除病患的区域,简单有效的隔离防护就是戴 口罩,因为人的呼吸会导致人体内部与外部环境存在大量的空气交换,这里会携带大量的气溶胶,因此,如果气溶胶可以传播细菌病毒,呼吸是主要的途径。符合防护标准的口罩可以有效的隔离,关于口罩的选用可以在知乎上搜索“口罩”有比较详细的答案和数据支撑,在此我们简单总结一下:棉布口罩没有什么用; N95口罩或更高标准的医用防护口罩通常没有必要,请尽量留给病患和医护人员; 普通人带医用外科口罩或一次性医用口罩可以起到防护作用。当然,除了呼吸外也有别的传播途径,比如眼睛的虹膜,所以病区的医护人员要带护目镜,再或者 附着在人体皮肤(皮肤有很好的隔离作用,不会直接皮肤入侵)或物体上,再在他们接触呼吸系统时入侵,所以最危险的地方要穿防护服。

第三,沉降和吸附。但隔离防护只能是临时性的解决问题,防护设备和口罩不能 24 小时佩戴,在室内,我们如果对气溶胶颗粒进行捕获和杀灭是解决问题的根本办法。气溶胶做布朗运动,特性之一就是不会受重力影响主动沉降,但如果降雨或降雪,会迫使他们沉降。在室内,可以通过空气净化器进行吸附,过滤式净化器可以吸附微米级以上的大颗粒的气溶胶微粒,包括细菌,但更小的微粒包括病毒,由于过滤网不够细往往容易被漏过去,而静电式的空气净化器可以吸附小型的微粒,具体原理将在后续详细介绍。

第四,杀灭。细菌、病毒都是生命体,由有机物组成,以细胞的形态存活。微生物气溶胶之所以有巨大的危害性,就是因为他们是生命,可以大量繁殖。我们可以破坏它们的生命必备特征,比如细胞结构或者蛋白质结构来使得它们死亡,从此失去活性而不能繁殖。不能繁殖的微生物本身就对人的威胁极小,不会再进 行传染。下面来讨论一下杀灭细菌病毒的几种方法。

二、气溶胶细菌病毒的杀灭方法

2.1高温

细菌、病毒都是生物,主要有蛋白质和核酸等高分子有机物组成。高温可以使得微生物菌体中的蛋白质、核酸发生变性,使之失去活性不能再繁殖。多睡细菌病毒都不耐热,因此对于气溶胶形态的细菌病毒,可采用高温蒸汽、红外线、

微波加热等方法杀灭。根据当前的研究状况,新型冠状病毒在室温下即使脱离宿主也可以存活数小时以上,但加热到 56℃时 30 分钟即可有效杀灭,加热到 100℃ 两分钟以上病毒就会死亡。因此高温是简单有效的消毒方式,但是人体同样也不耐高温,所以只能在无人情况下使用。

2.2紫外线

紫外线可以使细菌病毒的遗传物质的 DNA、RNA 中的各种结构键断裂或发生光化学聚合反应,例如使其中的胸腺嘧啶发生二聚,直接破坏掉他的遗传物质, 从而使各种病毒、细菌丧失复制繁殖能力,达到杀毒灭菌的效果。太阳光中就含有紫外线,室内很难有足量的阳光射入,则可以用紫外灯进行消毒。但过量紫外线也会对人造成有害影响,因此紫外灯消毒操作需要在无人的时候进行。

2.3化学法

化学消毒灭菌法是利用化学药物渗透细菌体内,破坏其生理功能,抑制细菌代谢生长,从而起到消毒的作用。对于气溶胶形态的细菌病毒日常用化学消毒灭菌可以采用熏蒸或喷洒等方式。所用到的消毒剂包括酒精、84消毒液、其它含氯消毒剂等。但是在使用化学消毒灭菌是要格外注意安全,酒精是易燃物,室温下即可达到闪点,必须严格避免明火甚至是电路、静电火花的产生。84 等含氯消毒剂不仅能杀毒灭菌,对人也有巨大伤害,因此消毒时必须将门窗紧闭数小时,消毒后再打开门窗进行充分通风后,人才可以进入。

2.4臭氧

臭氧是一种强氧化剂,可以迅速杀灭细菌病毒,其杀灭方式有三种:第一, 能氧化分解细菌病毒内部葡萄糖所需的酶, 使其灭活死亡;第而,透过细胞膜组织,作用于外膜的脂蛋白和内部的脂多糖,使细菌发生通透性畸变而溶解死亡; 第三,破坏细菌病毒的细胞器和 DNA/RNA ,使细菌的新陈代谢受到破坏, 导致死亡。

臭氧杀菌消毒的速度快,且在过程中仅产生无毒的氧化物,多余的臭氧及其不稳定,很快会自然还原成为氧气,不存在残留物, 没有任何遗留污染的问题。但是,过量的臭氧对人体呼吸系统产生损害,因此,在使用臭氧消毒杀菌的过程中,人不能长时间处在这个环境下,需要在臭氧分解后再行进入。

2.5负离子

负离子也称负氧离子,是氧气分子得到自由电子后带负电形成的,具有清新空气、杀菌、医疗和保健作用, 被称为“空气中的维生素”。负离子带电,当其与细菌病毒结合时,会使其细胞壁和细胞膜物质发生电解,破坏表面的结构而导致其死亡。另外,负离子可以和细菌病毒结合使其带电,容易收到环境中的静电作用而沉降。负离子在正常浓度范围内,对人体无害且有益,是非常安全的杀菌方式。

三、静电除尘技术

静电除尘技术的基本原理,是使得空气中气溶胶微粒带上电荷,再加之静电场,使得带电颗粒在电场力的作用下偏移,最终吸附到集尘极板上。实现静电除尘,至少需要以下两个模块:电离极(负责电离空气),集尘极(产生偏置静电场)。

细菌病毒的静电去除原理

3.1电离

通常情况下,空气是不导电的,空气中的气溶胶颗粒也是电中性的,但是如果电场特别强,空气分子中的正负电荷受到方向相反的强电场力,有可能被“撕” 开,这个现象叫做空气的电离。通常实现空气电离的方法是采用尖端放电原理,导体尖锐处曲率大,电力线密集,电势梯度大,因此尖端附近的电场非常强,当加入一个较高电压(大于6000V)时,尖端处静电场的强度可以达到电离空气的水平。

细菌病毒的静电去除原理

空气被电离后,形成了一部分带有正电荷的分子,和一部分自由电子,这些自由电子可以和其它中性分子结合,也可以附着到一些气溶胶微粒上。一部分自由电子则与空气分子相结合,其中氧气分子极容易获得自由电子,形成带负电的氧气分子,称为“负氧离子”,也简称负离子。而另外一部分自由电子就会与气溶胶微粒相结合,空气中的气溶胶微粒直径多在 0.001μm 到 100μm 之间,容易获得自由电子而带上负电荷。通过精细化的结构设计,将产生静电场的尖端和平板电极合理排布,并加之合适的静电高压,可以让通过的气溶胶颗粒 95%都能与自由电子结合。这样,我们就把本来不容易受重力影响的气溶胶颗粒,变成了带负电的,容易受到电场力影响的颗粒团。

3.2静电吸附

气溶胶颗粒带上负电荷以后,就可以采用静电场的方式使之产生偏移,直到吸附了。我们采用 6000V 的高压集尘模块,内部形成一个个平板电极,一端为正极一端为负极,就形成了均匀的平行电场(方向由正电极板指向负电极板)。当带负电的气溶胶颗粒通过这个电场时,会受到电场力的影响而发生偏转。假设颗粒的初始速度是沿着与电极的平行方向水平移动,而由于它带负电,收到的电场力方向与电场方向相反,指向正极板。在均匀强度的电场力作用下,颗粒将做抛物线运动,最终落在正极板上。而由于电场力,落在极板上的带负电颗粒仍然受力,被正电极板牢牢吸住,很难挣脱,便完成了静电吸附。这样一来,气溶胶颗粒通过平板电极之间,就会被吸附在正极板上,不再漂浮在空气中。

细菌病毒的静电去除原理

3.3净化率

不是所有的气溶胶颗粒只要通过平板电极就会被吸附,而是一部分吸附,一部分漏过去,这里涉及一个净化率的问题。颗粒单次通过集尘极板时,被吸附的比例,我们称为一次净化率。影响一次净化率的参数主要有以下几项:电离的强度、电场力的强度、颗粒的水平方向速度、正负极板间的距离、以及极板的宽度。颗粒的质量也是因素之一,但由于这里讨论的是气溶胶颗粒,质量都比较小,在此不列入讨论。

电离是是气溶胶颗粒带电的过程,首先必须要带电才能被吸附。电离电极的电压越高、场强越大,空气被电离出的自由电子就越多,颗粒带电的概率也就越大。但如果电压过高且极板距离太近,会直接击穿空气产生电火花。因此在电离极的制造过程中,需要设计和调试到合适值,使得绝大多数颗粒都能够带电。

如下图所示,当带负电的气溶胶颗粒通过平行电极板时,如果沿路径 A 走, 会被吸附到正极板上,但如果水平方向初速度过大或者电场力过小、其行进会可能会变成 B 的路径,就会落到极板外面,也就是没有被吸附成功。这里初速度取决于风速,当然是风速越低吸附成功率越高,但风速低又会导致净化速度太慢。电场力取决于电场强度和电荷量,电荷量由刚才所说的电离的效率决定,电场强度由集尘极板的电压决定,同样的,电压越高强度越大越好,但过高又会击穿。观察漏过去的路径 B,如果将正负电极的距离缩短到虚线位置,那么颗粒就会落到 C 箭头处被吸附到,所以极板是越近越好,但又不能过近,否则还是会导致空气击穿。另外,也可以延长极板的宽度,如果将极板延长到图中右下角的虚线位置,那么路径 B 的颗粒就会落到 D 处被吸附,所以极板是越宽越好,但需要考虑到模块整体尺寸的限制。

细菌病毒的静电去除原理

我们发现,要提高一次净化率,这几个参数却都是矛盾体,太小净化率低, 过大又会导致其它问题,在实际产品制造中,需要经过精心设计和调试,确保得到最优值。

在实际情况下,室内空气不是单次通过,而是循环通过集尘极板的,循环后的综合净化率我们用 CADR 值来评估(洁净空气输出比率),这个值计算方法比较复杂,通过衰变率来测定,它是评价空气净化系统的重要指标,代表着空气净化的效率,值越大表示效率越高。在选用净化器时,可以根据房间的大小和人口的数量来合理选择。

3.4优点和缺点

静电除尘技术相对于传统的过滤技术,有一些比较明显的优点和缺点。其主要优点如下:

第一,不产生耗材。颗粒吸附在集尘极板上后,积累到一定量时,只需要将极板拿下来冲洗一下,就可以重复使用了,不需要更换滤芯,因此可以重复使用, 不产生耗材,比较经济和环保。

第二,可以吸附更小的微粒。过滤式通过微孔来拦住颗粒,小于滤芯孔径的微粒容易直接通过,而静电技术由于其原理,可以吸附更小直径的颗粒,不受滤芯孔径的限制。

第三,节能静音。过滤式的为了拦住颗粒,就需要把滤芯孔径做的比较小, 这样就带来的较大的风阻,也就产生了噪音。同时为了克服风阻,还需要用较大功率的电机提高风压,比较耗电。而静电式的由于不需要微孔,所以风阻较小, 噪音较小,因此也不需要大功率风机,较为节能。

第四,产生负氧离子。空气的电离会产生负氧离子,可以杀菌和清新空气, 对人体有好处,这是过滤式无法做到的。

但静电吸附技术也有一些缺点。

第一,结构复杂。过滤式简单来说就是一个风机加滤芯,结构简单。而静电式的除了风机外,还要有各种电极和控制系统,其结构精细复杂。我们知道越简单的结构越稳定,结构复杂不仅会增大设计难度和故障率,也会提高生产成本。

第二,一次净化率较低。只要比过滤式的孔径大的颗粒,在通过式基本都会被拦截,一次净化率很高。但静电吸附技术由于前一章讨论过的原因,一次净化率相对低一些。但经过设计,综合净化率 CADR 值可以与过滤式相当。

第三,产生臭氧。电离过程中会产生臭氧,微量的臭氧可以杀菌杀病毒,但过量臭氧会对人体呼吸系统产生不利影响,所以一般的静电式净化器不仅要在材料和结构上降低臭氧的产生,而且在最后一极,都会增加去除臭氧的滤芯。

四、静电除尘技术对细菌病毒的作用

根据静电除尘技术的原理,该方案也可以去除空气中悬浮的细菌病毒,具体通过吸附、负离子和臭氧三种方式实现。

气溶胶吸附:细菌病毒以独立或附着在气溶胶颗粒上的形式漂浮在空气中, 静电吸附模块可以将绝大多数的气溶胶颗粒吸附到集尘板上,使之不再悬浮。

负离子:静电电离过程中产生的大量负氧离子,可以杀灭一部分细菌病毒, 使之失去生命活性。

臭氧:刚才提到,产生臭氧是静电式净化器的缺点之一。但对于细菌病毒, 臭氧也是一种有效的杀灭剂。如果需要臭氧杀菌消毒,可以去下净化器后极的除臭氧滤芯工作,但如果室内有人是不能长时间开,简单的判定方法可以闻到轻微的臭氧气味为准,此时必须采用除臭氧模块或关闭净化器。如果室内无人,可以产生大量臭氧来杀菌,由于臭氧的不稳定性,关闭净化器后半小时内就会自然分解。

有条件的环境下,可以采用静电新风系统。静电新风系统是一种综合解决方案,它既可以使没有条件直接开窗通风的室内可以大量引入新鲜空气来稀释微生物气溶胶的浓度,又可以实现上述三种作用,对细菌病毒进行吸附和杀灭,是净化室内环境最优的选择。

最后总结一下,假设气溶胶真的能传播新型冠状病毒,那么在室内预防的办法如下:首要选是直接大量通风,引入干净的新鲜空气;如果不能直接开窗形成对流风,或这外部空气不干净、担心温度影响太大的情况,可以采用静电新风系统通风和净化;如果不能引入新风,可采用静电空气净化器进行吸附和杀菌;最后, 在没有上述条件的区域以及人员密集区域,或者直接面对面讲话时,要佩戴口罩等防护用具。

责任编辑:童志威

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