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低温等离子体的空气消毒杀菌技术简述

低温等离子体的空气消毒杀菌技术简述

  • 发布时间:2024-03-15
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低温等离子体的空气消毒杀菌技术简述

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等离子体看似“神秘”,其实是宇宙中一种常见的物质。在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体,它占了整个宇宙的99%。最常见的等离子体是高温电离气体,如电弧、霓虹灯和日光灯中的发光气体,又如闪电、极光等。而在地球上,等离子体物质远比固体、液体、气体物质少,需要通过人工方式合成和应用。

 

1. 低温等离子体简介

等离子体(plasma)是由物质微观组成中的原子或分子被电离后形成的电中性气态物质,被认为是物质除固体、气体、液体外的“第四态”。组成物质的基本粒子原子由带正电的原子核和围绕它的、带负电的电子构成。当被加热到足够高的温度或其他原因,外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子,就像下课后的学生跑到操场上随意玩耍一样。电子离开原子核,这个过程就叫做“电离”。这时,物质就变成了由带正电的原子核和带负电的电子组成的、一团均匀的“浆糊”,这些离子浆中正、负电荷总量相等,因此它是近似电中性的,这种以离子浆状态下的物质微观组成就叫等离子体。

根据热力学状态的不同和粒子温度的相对高低,等离子体可分为热等离子体(hot plasma)和冷等离子体(cold plasma)。热等离子体电离率高(接近100%),离子与电子温度的表观温度可达几千度,属于热平衡等离子体;而冷等离子体电离率较低(10E-4~10%),其放电过程中虽然电子温度很高,但重粒子部分的温度很低,整个体系呈现低温状态,其表观温度可接近于室温,因而又统称为低温等离子体(Low temperature plasma,LTP)。

低温等离子体含有“离子态“的高能电子、自由基等活性粒子,已被发现具备许多活化特性,并在低温状态下营造,可极大的降低成本,近年来低温等离子体技术正被生物医学、材料处理、能源转化、环境治理、航空航天、农业食品等众多领域重视。

2. 低温等离子体

在大气压下通过各种形式的放电产生的气体温度接近室温的低温等离子体,产生等离子体的方式多种,其主要产生方式有:

1)介质阻挡放电;(Dielectric Barrier Discharge,DBD)

2)基于DBD的大气压等离子体射流;(Atmospheric Plasma Jet,APPJ)

3)辉光放电;

4)电晕放电;

产生等离子体的放电方式有多种,但从放电等离子体产生和作用的区域来讲,可以分为“点”“线”“面”3种。如电晕放电通常是针板结构,针电极上加高压在针尖处形成极不均匀电场,从而发生电晕放电,放电区域的等离子体仅存在于针尖附近,因此可以看作是“点”等离子体。线状电晕放电结构或同轴线筒结构的介质阻挡放电,放电产生的等离子体集中在轴心的线状电极附近,可以看作是“线”等离子体。而由网状电极结构组成的介质阻挡放电,放电产生的等离子体可以覆盖整个电极表面,可以看作是“面”等离子体。

3. 低温等离子体杀菌消毒作用

低温等离子体中包含有大量带电粒子(OH−、H3O+等)、活性氧(ROS)、活性氮(RNS)、激发态的O2和N2,以及紫外线。除了紫外辐射杀菌作用外,这些高能电子及自由基等活性基团都有杀菌作用,对空气中浮游菌、物体表面附着菌拥有良好的杀灭效果。有研究表明,等离子体使革兰氏阳性和革兰氏阴性菌株、酵母甚至病毒均能失活。等离子体靶向破坏微生物的各种结构,蚀刻细胞壁,破坏生物膜和过氧化脂质,并且细菌DNA和RNA可能会受到氧化损伤、碱基修饰和链断裂的影响。此外,微生物体大分子(如蛋白质)还可能会被断开或修改,这些都是等离子体消毒杀菌的特殊机制。

大气压低温等离子体能有效地降低环境中的致敏原和细菌,是一种高效的空气净化技术。有研究报道,使用介质阻挡放电等离子体源直接灭活含有表皮葡萄球菌或纯化的SARS-CoV-2 RNA的生物气溶胶,结果表明,在停留时间小于0.2s的情况下,生物气溶胶中含有的细菌和病毒浓度可降低3.7个数量级,可见大气压低温等离子体对新冠病毒等病原体是一种有效的空气消毒手段。另有最新研究直接证明了低温等离子体灭活多种物体表面的SARS-CoV-2病毒的可行性。

区别于其他化学或物理消毒方式,等离子体杀菌消毒有以下特点:

1) 快速。灭菌速度快, 可在几分钟内就可达到灭菌效果,适合突发公共卫生事件下的紧急处理;

2) 灭菌温度低且副产物少。不需要解毒时间,对环境和操作人员相对安全;

3) 灭菌效率高。可除空气和物体表面的有害细菌和病毒沉积颗粒等;

4) 可空间覆盖。可以对复杂空间、外形的各个角度进行有效灭菌消杀。

5) 功耗小。

 

结语

大气压低温等离子体是一种绿色快速高效的消毒技术,可适用于空气在线消杀和物表消毒方式,这对建筑室内场所的新冠气溶胶病毒传播防控是一个较好的选择。其放电产生等离子体的同时也会产生臭氧、氮氧化物等副产物,此外产生等离子体一般都需要加高电压,有一定的危险性。若控制好臭氧、氮氧化物等副产物,该技术可以实现人机共存。

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