專利名稱：Uv空氣處理方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明整體涉及感染和微生物控制方法及其相關(guān)裝置。
背景技術(shù)：
病原微生物、霉菌、霉菌、孢子和有機(jī)和無機(jī)污染物在環(huán)境中普遍存在。環(huán)境空間 中的微生物控制和消毒對(duì)于改善健康是期望的。過去已經(jīng)采用多種方法試圖凈化空氣和消 毒表面。例如已知，通過如光催化氧化過程產(chǎn)生的活性氧化類物質(zhì)(R0S)可使有機(jī)污染物 氧化和殺滅微生物。更特別是，已知羥基自由基、氫過氧自由基、氯和臭氧、光催化反應(yīng)的終 產(chǎn)物能夠使有機(jī)化合物氧化和殺滅微生物。然而，已知的方法和裝置存在局限性，不僅是因 為效力的局限性還因?yàn)槭前踩詥栴}。R0S是用于描述由將濕潤的周圍空氣暴露于紫外線產(chǎn)生的高度活化的空氣的術(shù) 語。紫外范圍內(nèi)的光在吸收時(shí)具有足以破壞化學(xué)鍵能量的頻率發(fā)射光子。在250-255nm波 長的紫外線常規(guī)用作生物殺滅劑。低于約181nm、最高至182-187nm的光與電暈放電競爭其 產(chǎn)生臭氧的能力。臭氧化和UV射線均被用于公用水系統(tǒng)消毒。臭氧目前被用于處理工業(yè) 廢水和冷卻塔。一般已知過氧化氫具有抗微生物性質(zhì)并且已被用于水溶液的消毒和微生物控制。 然而，之前在氣相中使用過氧化氫的試圖，受到產(chǎn)生純化過氧化氫氣體(PHPG)的技術(shù)壁壘 的牽制。過氧化氫的氣化水溶液產(chǎn)生含過氧化氫水溶液的微滴氣霧劑。用于“干燥”氣化 過氧化氫溶液的各種方法最多產(chǎn)生水化形式的過氧化氫。這些水化過氧化氫分子被水分子 環(huán)繞，該水分子通過靜電引力和倫敦力結(jié)合。因此，過氧化氫分子通過靜電方法直接與環(huán)境 相互作用的能力被結(jié)合的分子水大大削弱，其有效改變被包囊的過氧化氫分子的基礎(chǔ)靜電 構(gòu)型。此外，可實(shí)現(xiàn)的最低濃度的氣化過氧化氫一般充分高于1. Oppm的0SHA工作場所安 全限度，使得這些方法不適宜用于占據(jù)區(qū)域。已經(jīng)被證明用于破壞流體中的有機(jī)污染物的光催化劑，包括但不限于Ti02、ZnO、 Sn02、W03、CdS、Zro2、SB204和Fe203。二氧化鈦化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有用于UV/可見光光活化的 合適的能帶隙并且相對(duì)不貴。因此，二氧化鈦的光催化化學(xué)在最近三十年已經(jīng)被廣泛研究， 用于清除污染空氣和水中的有機(jī)和無機(jī)化合物。因?yàn)楫?dāng)被足夠能量的紫外線活化時(shí)，光催化劑可自吸附的水產(chǎn)生羥基自由基，它 們顯示承諾使用于PHPG的產(chǎn)生，以便在應(yīng)用于氣相時(shí)釋放進(jìn)入環(huán)境。然而，現(xiàn)有的光催化 作用申請(qǐng)集中在產(chǎn)生含許多不同反應(yīng)性化學(xué)物質(zhì)的等離子體。此外，在光催化等離子體中 的大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)與過氧化氫反應(yīng)，并且通過破壞過氧化氫的反應(yīng)抑制過氧化氫氣體的產(chǎn) 生。還有，被導(dǎo)入等離子體的任何有機(jī)氣體，通過與過氧化氫直接反應(yīng)和通過它們的氧化產(chǎn) 物與過氧化氫的反應(yīng)兩者，抑制過氧化氫產(chǎn)生。光催化反應(yīng)器本身也限制PHPG產(chǎn)生以釋放進(jìn)入環(huán)境。因?yàn)檫^氧化氫比氧具有更 大的化學(xué)潛力被還原為犧牲的氧化劑，當(dāng)其遷移至光催化反應(yīng)器的下游時(shí)，在其盡可能迅 速地通過水的氧化產(chǎn)生時(shí)，優(yōu)選被還原。氧化
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2 光子 +2H20 — 20H*+2H++2e-20H* —H202還原H202+2H++2e" — 2H20另外，幾個(gè)副反應(yīng)產(chǎn)生變成光催化等離子體一部分的各種物質(zhì)，且如上所述，抑制 PHPG產(chǎn)生以釋放進(jìn)入環(huán)境。用于活化光催化劑的光的波長也具有足夠的能量使過氧化氫分子中的過氧鍵光 解，并且在PHPG產(chǎn)生以釋放進(jìn)入環(huán)境中也為抑制劑。此外，使用產(chǎn)生臭氧的光的波長的實(shí) 踐，引導(dǎo)還另一種物質(zhì)進(jìn)入破壞過氧化氫的光催化等離子體。03+H202 — H20+202在實(shí)踐中，光催化應(yīng)用已經(jīng)集中在常常含臭氧、用于使有機(jī)污染物和微生物氧化 的等離子體的產(chǎn)生。此類等離子體主要在反應(yīng)器本身的范圍內(nèi)有效，因?yàn)槌龇磻?yīng)器的范 圍其化學(xué)穩(wěn)定性受限和主動(dòng)使它們可含有的過氧化氫氣體的量的限度降級(jí)。此外，因?yàn)榈?離子體主要在反應(yīng)器本身的范圍內(nèi)有效，許多設(shè)計(jì)使停留時(shí)間最大化以方便有機(jī)污染物和 微生物在通過反應(yīng)器時(shí)的完全氧化。由于過氧化氫具有如此高的被還原的可能性，最大停 留時(shí)間導(dǎo)致最小的過氧化氫輸出。還有，光催化作用大多數(shù)應(yīng)用產(chǎn)生對(duì)環(huán)境不利的化學(xué)物質(zhì)。其中首先是臭氧本身， 即許多系統(tǒng)的蓄意產(chǎn)物。此外，因?yàn)橥ㄟ^反應(yīng)器的有機(jī)污染物在一次暴露中很少被氧化，必 須經(jīng)多次空氣交換以實(shí)現(xiàn)完全氧化生成二氧化碳和水。當(dāng)發(fā)生不完全氧化時(shí)，醛、醇、羧酸、 酮和其它部分氧化的有機(jī)物質(zhì)的混合物由反應(yīng)器產(chǎn)生。光催化反應(yīng)器常常通過將大的有機(jī) 分子分解為許多小的有機(jī)分子，例如甲醛，可在實(shí)際上增加空氣中有機(jī)污染物的總濃度?？傊?，PHPG產(chǎn)生以釋放進(jìn)入環(huán)境在現(xiàn)有技術(shù)中沒有實(shí)現(xiàn)。將過氧化氫水溶液氣化 的方法最多產(chǎn)生水化形式的過氧化氫。還有，雖然光催化系統(tǒng)能夠產(chǎn)生過氧化氫，但是它們 具有嚴(yán)重抑制PHPG產(chǎn)生以釋放進(jìn)入環(huán)境的許多限制。發(fā)明簡述在本發(fā)明的一個(gè)方面，公開了提供環(huán)境的微生物控制和/或消毒/處理 (remediation)的方法。該方法一般包括(a)提供優(yōu)選產(chǎn)生過氧化氫氣體的光催化池 (cell) ； (b)產(chǎn)生基本上沒有，如水化作用、臭氧、等離子體物質(zhì)和/或有機(jī)物質(zhì)的純化過氧 化氫氣體(PHPG)和(c)將主要包含PHPG的氣體導(dǎo)入環(huán)境，以便PHPG在環(huán)境中，優(yōu)選在表 面上和空氣中兩者均起著提供微生物控制和/或消毒/處理的作用。在某些實(shí)施方案中，該方法包括(a)在以至于形成基本上沒有，如水化作用、臭 氧、等離子體物質(zhì)和/或有機(jī)物質(zhì)的純化過氧化氫氣體(PHPG)的條件下，在濕潤、純化的周 圍空氣的存在下，將金屬或金屬氧化物催化劑暴露于紫外線中；和(b)將PHPG導(dǎo)入環(huán)境，以 便過氧化氫氣體在環(huán)境中，優(yōu)選表面上和空氣中兩者均起著提供感染控制和/或消毒/處 理的作用。本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及用于產(chǎn)生基本上沒有，如水化作用、臭氧、等離子體物質(zhì) 和/或有機(jī)物質(zhì)的PHPG的擴(kuò)散器裝置。該擴(kuò)散器裝置一般包括(a)紫外光源；(b)金屬氧 化物催化劑基體結(jié)構(gòu)；和(c)空氣擴(kuò)散機(jī)構(gòu)。本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及一旦其被釋放進(jìn)入環(huán)境，通過PHPG自周圍空氣中氧化/
4除去V0C。本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及一旦其被釋放進(jìn)入環(huán)境，通過PHPG自周圍空氣中除去臭氧。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來講，通過閱讀本發(fā)明內(nèi)容，本發(fā)明的這些和其它方面將是 顯而易見的。附圖簡述

圖1是本發(fā)明擴(kuò)散器裝置的具體實(shí)施方案的橫截面。圖2是本發(fā)明擴(kuò)散器裝置的具體實(shí)施方案的剖視圖。優(yōu)選實(shí)施方案的詳述本發(fā)明整體涉及微生物控制和/或消毒/處理方法及其相關(guān)的裝置。在某些實(shí)施 方案中，光催化處理可被用于本文描述的方法和裝置中。光催化處理的基礎(chǔ)性質(zhì)是在化學(xué)反應(yīng)中通過光吸收產(chǎn)生活性中間體。這在當(dāng)適當(dāng) 波長的光子撞擊光催化劑時(shí)發(fā)生。將該光子的能量賦予價(jià)帶電子，促進(jìn)電子至導(dǎo)帶，從而在 價(jià)帶中留下“孔”。在缺乏吸附的化學(xué)物質(zhì)時(shí)，促進(jìn)的電子將損毀并與價(jià)帶孔重新結(jié)合。當(dāng) 價(jià)帶孔捕獲吸附至光催化劑的活性表面位點(diǎn)的可氧化物質(zhì)-優(yōu)選分子水的電子時(shí)，防止重 新結(jié)合。同時(shí)，吸附于催化劑表面上的可還原物質(zhì)_優(yōu)選分子氧_可捕獲導(dǎo)帶電子。在引發(fā)光催化處理時(shí)，或在光催化反應(yīng)器的進(jìn)入點(diǎn)，發(fā)生以下反應(yīng)。氧化2 光子 +2H20 — 20H*+2H++2e-20H* — H202還原02+2H++2e" — H202然而，一旦產(chǎn)生過氧化氫，光催化劑優(yōu)選還原過氧化氫而不是分子氧，并且該反應(yīng) 向以下平衡移動(dòng)，其發(fā)生在大多數(shù)反應(yīng)器體積之內(nèi)。氧化 2 光子 +2H20 — 20H*+2H++2e-20H* — H202還原H202+2H++2e" — 2H20在本發(fā)明的上下文中，純化過氧化氫氣體(PHPG)可采用光催化處理產(chǎn)生，所述處 理具有確保其在被迫經(jīng)歷隨后的光催化劑還原之前，能夠從反應(yīng)器除去過氧化氫的目的設(shè) 計(jì)的形態(tài)學(xué)。拒絕現(xiàn)成可利用的吸附的過氧化氫氣體，光催化劑然后被迫優(yōu)先還原氧氣而 不是過氧化氫。然后，在光催化處理中，過氧化氫氣體一般可通過水的氧化和分子氧的還原 兩者同時(shí)產(chǎn)生。無意受到限制，在操作中可使產(chǎn)生的過氧化氫的量加倍，然后在其絕大部分 可被還原之前從系統(tǒng)中除去，從而導(dǎo)致比在同樣條件下從標(biāo)準(zhǔn)光催化反應(yīng)器附帶產(chǎn)出的未 純化過氧化氫大最高達(dá)150倍的PHPG輸出。在目的設(shè)計(jì)的形態(tài)學(xué)中，主要的反應(yīng)變成氧化2 光子 +2H20 — 20H*+2H++2e-20H* — H202
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還原02+2H++2e" — H202然而，不受理論的限制，應(yīng)該注意本發(fā)明的微生物控制和/或消毒/處理方法和裝 置不是由于光催化處理而實(shí)現(xiàn)的，而是通過一旦其釋放進(jìn)入環(huán)境中的PHPG的作用實(shí)現(xiàn)的。使用允許在其可被還原之前立即除去過氧化氫氣體的形態(tài)學(xué)，可以本領(lǐng)域已知的 任何合適的方式產(chǎn)生PHPG，所述方式包括但不限于同時(shí)氧化氣體形式的水和還原氧氣氣 體的本領(lǐng)域已知的任何合適的方法，包括氣相光催化作用，如使用金屬催化劑，例如二氧化 鈦、氧化鋯、摻雜輔助催化劑(例如銅、銠、銀、鉬、金等)的二氧化鈦，或其它合適的金屬氧 化物光催化劑。PHPG也可通過采用陽極和陰極的電解方法產(chǎn)生，該陽極和陰極由任何合適 的金屬制成，或由金屬氧化物陶瓷構(gòu)成，該金屬氧化物陶瓷采用允許在其可被還原之前立 即除去過氧化氫氣體的形態(tài)學(xué)?；蛘?，PHPG可使用允許在其可被還原之前立即除去過氧化 氫氣體的形態(tài)學(xué)，在合適的支持基體上，通過氣態(tài)水和氧分子的高頻率激發(fā)產(chǎn)生。在本發(fā)明的一個(gè)方面，公開了提供環(huán)境的微生物控制和/或消毒/處理的方法。該 方法一般包括(a)產(chǎn)生包含基本上沒有，如水化作用、臭氧、等離子體物質(zhì)和/或有機(jī)物質(zhì) 的純化過氧化氫氣體(PHPG)的氣體；和(b)將包含PHPG的氣體導(dǎo)入環(huán)境，以便PHPG在環(huán) 境中，優(yōu)選在表面上和空氣中兩者均起著提供微生物控制和/或消毒/處理的作用。在某些實(shí)施方案中，所述方法包括(a)在以至于形成基本上沒有，如水化作用、臭 氧、等離子體物質(zhì)和/或有機(jī)物質(zhì)的純化過氧化氫氣體(PHPG)的條件下，在濕潤、純化的周 圍空氣的存在下，將金屬或金屬氧化物催化劑暴露于紫外線中；和(b)將PHPG導(dǎo)入環(huán)境，以 便PHPG在環(huán)境中，優(yōu)選在表面上和空氣中兩者均起著提供感染控制和/或消毒/處理的作 用，從周圍空氣中除去臭氧和從周圍空氣中除去V0C。在一個(gè)實(shí)施方案中，紫外線產(chǎn)生至少一種波長，其范圍在約181nm以上，約185nm 以上，約187nm以上，約182nm至約254nm之間，約187nm至約250nm之間，約188nm至約 249nm之間等。本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及用于產(chǎn)生基本上沒有，如水化作用、臭氧、等離子體物質(zhì) 和/或有機(jī)物質(zhì)的純化過氧化氫氣體(PHPG)的擴(kuò)散器裝置。參考圖1和2，該擴(kuò)散器裝置 一般包括(a)紫外光源4 ； (b)金屬或金屬氧化物催化劑基體結(jié)構(gòu)3 ；和(c)空氣擴(kuò)散機(jī)構(gòu) 5、6和/或7?？諝鈹U(kuò)散機(jī)構(gòu)可為風(fēng)扇5或用于使流體，如空氣通過擴(kuò)散器裝置運(yùn)動(dòng)的任何其它 合適的機(jī)構(gòu)。依照本發(fā)明的某些方面，空氣擴(kuò)散機(jī)構(gòu)的選擇、設(shè)計(jì)、大小和操作應(yīng)該使流體 如空氣一般如實(shí)際上一樣迅速的流動(dòng)穿過擴(kuò)散器裝置。不打算受理論的限制，相信PHPG離 開擴(kuò)散器裝置的最佳水平在快速流體流動(dòng)的條件下產(chǎn)生。紫外光源4 一般可產(chǎn)生至少一種波長范圍，該波長范圍足以激活濕潤的周圍空氣 的光催化反應(yīng)，但沒有光解氧氣以致于引發(fā)臭氧的形成。在一個(gè)實(shí)施方案中，紫外線產(chǎn)生至 少一種波長，其范圍在約181nm以上，約185nm以上，約187nm以上，在約182nm至約254nm 之間，約187nm至約250nm之間，約188nm至約249nm之間等。此類波長將一般產(chǎn)生PHPG， 該P(yáng)HPG包含基本上不含臭氧的過氧化氫。依照本發(fā)明，術(shù)語“基本上不含臭氧”一般是指臭氧的量低于約0. 015ppm，低至臭 氧的L0D(檢測水平)以下的水平。此類水平低于人體健康一般接受的限度。在這一點(diǎn)，美國食品與藥品監(jiān)督管理局(FDA)要求室內(nèi)醫(yī)學(xué)裝置的臭氧輸出不多于0.05ppm的臭氧。美 國職業(yè)安全與健康管理局(0SHA)要求工人不得暴露于平均濃度多于0. lOppm的臭氧中8 小時(shí)。美國國家職業(yè)安全與健康研究所(NI0SH)推薦臭氧的上限為0. lOppm，任何時(shí)間不得 超過。EPA針對(duì)臭氧的國家周圍空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為最大8小時(shí)平均室外濃度為0. 08ppm。然而，在某些實(shí)施方案中，通過以下反應(yīng)，PHPG可被用于從周圍環(huán)境中除去臭氧03+H202 — H20+202在某些實(shí)施方案中，通過用PHPG直接氧化VOC，PHPG可被用于從周圍環(huán)境中除去 V0C。在某些實(shí)施方案中，PHPG可被用于微生物控制，包括但不限于作為生物殺滅劑， 用于室內(nèi)空氣處理，作為霉菌和/或真菌消除劑，作為細(xì)菌消除劑和/或作為病毒消除劑。 PHPG方法可產(chǎn)生足以實(shí)施期望的微生物控制和/或消毒/處理處理的過氧化氫氣體。足量 一般為本領(lǐng)域技術(shù)人員已知，并且可根據(jù)待純化的固體、液體或氣體以及具體的消毒/處 理性質(zhì)而變化。在某些實(shí)施方案中，在待消毒的環(huán)境中，提及空氣及相關(guān)環(huán)境(包括其中的表 面)的微生物控制和/或消毒/處理，PHPG的量可從約0. 005ppm至約0. lOppm變化，更 特別是從約0. 02ppm至約0. 05ppm變化。此類量證明可有效的抗如貓杯狀病毒(Feline Calicivirus) (EPA批準(zhǔn)的諾如病毒(Norovirus)的代用品)、耐甲氧西林金黃色葡萄球菌 (Staphylococcus Aureus (MRSA))、而才萬古霉素糞腸球菌(EnterococcusFaecalis (VRE))、 艱難梭菌(Clostridium Diff icile (C-Diff))、嗜熱脂肪地芽胞桿菌(Geobacillus Stearothermophilus)和黑曲霉(Aspergillus Niger)。PHPG的此類量安全的用于占用場 所(包括但不限于學(xué)校、醫(yī)院、辦公室、住宅和其它公共場所)，消毒污染表面的微生物、殺 滅空中傳播的病原體和提供微生物控制，如用于預(yù)防流行性感冒的擴(kuò)散，控制醫(yī)院感染和 減少普通疾病的傳播。在本發(fā)明的某些方面，周圍空氣的濕度優(yōu)選在約相對(duì)濕度(RH)以上，在約5% RH以上，在約10% RH以上等。在某些實(shí)施方案中，周圍空氣的濕度可在約10%至約99% RH之間。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的方法包括調(diào)節(jié)周圍空氣的濕度在約5%至約99% RH， 或約10至約99% RH的范圍內(nèi)。金屬或金屬氧化物催化劑可選自二氧化鈦、銅、氧化銅、鋅、氧化鋅、鐵和氧化鐵或 其混合物，更優(yōu)選，催化劑是二氧化鈦。更特別是，二氧化鈦是半導(dǎo)體，吸收電磁波譜的近紫 外部分的光。二氧化鈦以兩種形式合成_銳鈦礦和金紅石_它們實(shí)際上是相同的母體晶體 結(jié)構(gòu)的不同平面。所采取的形式是制備方法和所使用的原料的函數(shù)。銳鈦礦吸收波長小于 380nm的光子，而金紅石吸收波長小于405nm的光子。大約4 iim厚的二氧化鈦層將吸收100%的入射的低波長光。二氧化鈦已知具有每 平方厘米大約9-14X 1014個(gè)活性表面位點(diǎn)。活性表面位點(diǎn)是在表面上的等位未飽和位點(diǎn)， 其能夠結(jié)合氫氧根離子或其它堿性物質(zhì)。其光催化活性受其結(jié)構(gòu)(銳鈦礦或金紅石)、表面 積、尺寸分布、孔隙率和其表面上的羥基密度的影響。銳鈦礦一般認(rèn)為是比金紅石更具活性 的光催化劑。已知比金紅石更強(qiáng)地吸附分子氧，和在閃照射后比金紅石保留更長的光傳導(dǎo) 性。銳鈦礦和金紅石分別具有3. 2和3. 0電子伏特(eV)的帶隙能量。許多試劑已經(jīng)顯示對(duì)光催化作用具有影響?？蓪⒋祟愒噭┘又练磻?yīng)環(huán)境中以影響光催化處理。如本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到的那樣，某些試劑增強(qiáng)該處理，而其它的將其減弱。 還其他的用于促進(jìn)一個(gè)反應(yīng)，同時(shí)抑制另一個(gè)反應(yīng)。根據(jù)酸堿化學(xué)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)堿性試劑可結(jié)合于催化劑上的活性位點(diǎn)。不受理論的限 制，比分子氧更強(qiáng)地吸附在催化劑上的可還原試劑可替換為電子受體。小分子化學(xué)物質(zhì)、金 屬和離子均已經(jīng)顯示該能力。在這些情況下，對(duì)PHPG形成的影響由效力決定，通過該效力， 試劑相對(duì)于分子氧和過氧化氫接受電子。—些添加劑在副反應(yīng)或在不能進(jìn)行需要的反應(yīng)的較少反應(yīng)性自由基的形成中涉 及自由基物質(zhì)。還其它的物理上改變光催化劑，改變其性能。依照本發(fā)明，可選擇添加劑， 以優(yōu)化PHPG的形成(任選同時(shí)使臭氧、等離子體物質(zhì)或有機(jī)物質(zhì)的形成最少化或消除)。在一個(gè)方面，如上所述，添加劑可包括輔助-催化劑。輔助-催化劑可為金屬或沉 積于催化劑表面上以改善選擇的PHPG反應(yīng)的效率的涂層。輔助催化劑可通過兩種方式改 變催化劑的物理特性。首先，它們可提供新的能量水平用于導(dǎo)帶電子占據(jù)。其次，輔助-催 化劑可擁有與支持光催化劑不同的吸收特性。這可引起其中競爭性反應(yīng)在輔助-催化劑上 發(fā)生，與在催化劑本身上發(fā)生不同的順序。輔助催化劑一般在少于5%的表面覆蓋時(shí)最有 效。典型的輔助-催化劑可選自鉬、銀、鎳、鈀和許多其它金屬化合物。酞菁染料也被 證明具輔助催化能力。依照本發(fā)明的擴(kuò)散器裝置可為任何合適的形狀或大小，包括球形、半球形、立方 體、三維矩形等。也可將擴(kuò)散器裝配成許多奇怪的形狀，例如泰迪熊、豬儲(chǔ)蓄罐、模擬收音機(jī) 的形狀等。擴(kuò)散器裝置的芯可由紫外光源組成?？蓪⒆贤夤庠?置于擴(kuò)散器裝置的中心或 內(nèi)部，根據(jù)裝置的大小和其預(yù)定的應(yīng)用可具有不同的強(qiáng)度。作為實(shí)例，在某些實(shí)施方案中， 參考圖1，紫外光源4如形狀上可為管狀，可包含在伸長的楔形或管狀擴(kuò)散器殼2內(nèi)。在某 些構(gòu)型中，按需要，反射器1可用于通過其特殊的形狀將光聚焦于裝置內(nèi)部的特定方向。擴(kuò)散器裝置的殼2可由任何合適的基體材料，包括瓷、陶、聚合物等形成。作為實(shí) 例，聚合物可為多孔或打孔的聚合物，其為疏水性的和抗由254nm至182nm范圍的紫外線導(dǎo) 致的降解。對(duì)該范圍內(nèi)的一些波長但不是全部具有抗性的聚合物可與紫外燈聯(lián)合使用，該 紫外燈僅在它們對(duì)其具有抗性的范圍內(nèi)產(chǎn)生光。可將擴(kuò)散器殼模塑成任何期望的大小和形 狀，并且以任何期望的顏色形成。在某些實(shí)施方案中，可將發(fā)出磷光的材料摻入殼材料中， 以便在吸收紫外線后發(fā)射可見光。在一個(gè)實(shí)施方案中，擴(kuò)散器殼的內(nèi)表面一般可被用作涂覆光催化劑的基體，其在 某些實(shí)施方案中可包括摻雜一種或多種其他金屬的二氧化鈦。作為實(shí)例，光催化劑可以漆 涂覆至擴(kuò)散器基體的內(nèi)部。該涂覆一般應(yīng)該涂覆成使其防止擴(kuò)散器基體內(nèi)的孔堵塞。在一 個(gè)實(shí)施方案中，可在光催化劑漆涂覆后，將空氣施加于基體，并迫使通過基體的孔，兩者均 導(dǎo)致涂層干燥和通過強(qiáng)迫空氣維持孔清潔。對(duì)于光催化涂層和擴(kuò)散器基體的組合，可優(yōu)選 不透明足以防止紫外線從裝配好的擴(kuò)散器裝置中逃逸。在另一個(gè)實(shí)施方案中，擴(kuò)散器殼和催化劑基體是分開的組件，并且基體層位于剛 好里面，并且非常接近于擴(kuò)散器殼的內(nèi)表面。通過使透氣性光催化反應(yīng)器表面薄薄地散布在垂直于氣流的大面積上，而不是通 過將其壓入經(jīng)設(shè)計(jì)使之在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間最大化的體積優(yōu)化的形態(tài)學(xué)，擴(kuò)散器設(shè)計(jì)使PHPG產(chǎn)生優(yōu)化。通過將反應(yīng)器形態(tài)學(xué)裝配成薄的帆樣透氣性結(jié)構(gòu)，正好處于擴(kuò)散器內(nèi)殼的 里面，由于經(jīng)催化劑產(chǎn)生的過氧化氫分子向外通路的長度變得非常短，并且它們?cè)诜磻?yīng)器 結(jié)構(gòu)內(nèi)的停留時(shí)間減少為秒的分?jǐn)?shù)，防止絕大部分的過氧化氫分子不被在隨后吸附在催化 劑上和被還原回水。還有，通過將催化劑基體置于正好在擴(kuò)散器殼的內(nèi)表面里面，不僅反應(yīng) 器表面積被最大化，而且產(chǎn)生的PHPG也幾乎立即離開擴(kuò)散器，并且因此避免光解不延長時(shí) 間地暴露于紫外光源。通過該形態(tài)學(xué)，PHPG輸出濃度實(shí)現(xiàn)高達(dá)0. 08ppm。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，由于在相互反應(yīng)后降解為水和氧氣的PHPG分子之間的靜 電引力，PHPG濃度可自我調(diào)節(jié)。每當(dāng)PHPG的濃度導(dǎo)致在距離上比PHPG分子的靜電引力范 圍更靠近的分子內(nèi)間隔，發(fā)生PHPG自我調(diào)節(jié)。當(dāng)該情況出現(xiàn)時(shí)，PHPG分子被相互吸引和降 解直至濃度充分下降，分子內(nèi)間隔大于PHPG分子的靜電引力范圍。通過這種方法，將PHPG 濃度維持在充分低于0SHA工作場所安全限度百萬分之1. 0的水平。應(yīng)該注意，該P(yáng)HPG優(yōu)化的形態(tài)學(xué)也使可進(jìn)入和通過該系統(tǒng)的任何有機(jī)污染物停 留時(shí)間減至最少，突然地降低它們被氧化的可能性。通過設(shè)計(jì)，有效地使PHPG產(chǎn)生優(yōu)化的 光催化系統(tǒng)較少可能使有機(jī)污染物在它們通過催化劑結(jié)構(gòu)時(shí)氧化；并且用于有機(jī)污染物的 氧化優(yōu)化的光催化系統(tǒng)將通過設(shè)計(jì)抑制過氧化氫氣體產(chǎn)生。擴(kuò)散器裝置也一般包括流體擴(kuò)散機(jī)構(gòu)。該流體擴(kuò)散機(jī)構(gòu)一般起使流體，例如空氣 運(yùn)行通過擴(kuò)散器裝置的作用。更特別是，該空氣擴(kuò)散機(jī)構(gòu)將一般導(dǎo)引流體進(jìn)入擴(kuò)散器裝置， 然后將通過擴(kuò)散器基體擴(kuò)散出去。在一個(gè)實(shí)施方案中，參考圖2，流體擴(kuò)散機(jī)構(gòu)將導(dǎo)引流體 通過進(jìn)氣閥7至在擴(kuò)散器裝置中開口 5內(nèi)設(shè)計(jì)的小風(fēng)扇(未顯示)。風(fēng)扇在上游側(cè)也可具 有可替代的疏水性氣體和/或灰塵過濾器6，以防止有機(jī)氣體和/或灰塵進(jìn)入擴(kuò)散器裝置， 從而保證PHPG維持基本上不含有機(jī)物質(zhì)。基于需求，在某些實(shí)施方案中，對(duì)于流體擴(kuò)散機(jī) 構(gòu)來講，可能需要在擴(kuò)散器內(nèi)產(chǎn)生輕微過壓所需要的最小動(dòng)力；在其它的實(shí)施方案中，快的 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可能更理想。依照本發(fā)明的某些方面，如當(dāng)用本文中描述的范圍內(nèi)的紫外線活化時(shí)，通過使吸 附的水分子光催化氧化，PHPG可以基本上沒有臭氧、等離子體物質(zhì)和/或有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生。在 一個(gè)實(shí)施方案中，在其內(nèi)部涂布光催化劑的擴(kuò)散器基體(或在內(nèi)部上襯有薄的、帆樣透氣 性光催化劑結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散器殼)，可被置于紫外燈之上和周圍。擴(kuò)散器中的開口可起到使紫 外線的電源和結(jié)構(gòu)性支撐將匹配的框架作用。當(dāng)裝配時(shí)，擴(kuò)散器裝置可起到以下功能(a) 流體擴(kuò)散機(jī)構(gòu)導(dǎo)引空氣通過有機(jī)蒸氣和灰塵過濾器進(jìn)入擴(kuò)散器，引起過壓；(b)空氣通過 基體和/或擴(kuò)散器殼中的孔或排出口離開擴(kuò)散器；(c)空氣中所含的水分吸附至光催化劑 上；(d)當(dāng)發(fā)光時(shí)，由燈產(chǎn)生的紫外線活化光催化劑，導(dǎo)致其使吸附的水氧化和還原吸附的 氧氣，產(chǎn)生PHPG;和(e)然后，在擴(kuò)散器裝置的內(nèi)部產(chǎn)生的PHPG通過其孔或排出口快速排 出擴(kuò)散器進(jìn)入周圍的環(huán)境。在一些實(shí)施方案中，可由Medium Pressure Mercury Arc (MPMA)燈產(chǎn)生PHPG。MPMA 燈不僅發(fā)射出紫外線，而且也發(fā)射出可見光和紅外波譜內(nèi)的波長。重要的是，當(dāng)選擇燈時(shí)， 應(yīng)該嚴(yán)格檢查紫外波譜中的輸出。有時(shí)用圖形表達(dá)紫外波譜輸出，在重要的紫外波長處顯 示成比例的輸出。根據(jù)其功能性選擇寬波譜的MPMA燈。在其它的實(shí)施方案中，可由Ultraviolet Light Emitting Diodes (UVLED' s)產(chǎn) 生PHPG。UV LED更為緊湊，并且可以各種尺寸和方式排列UV LED的庫，使之能夠產(chǎn)生更小、
9更耐用的系統(tǒng)。在其它的實(shí)施方案中，可通過單獨(dú)或成組管理裝置的控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)PHPG輸出。 此類控制系統(tǒng)可通過以下方式調(diào)節(jié)操作(a)開關(guān)裝置；(b)調(diào)節(jié)光強(qiáng)度和/或風(fēng)扇速度； (c)直接通過自動(dòng)化的比色裝置、通過自動(dòng)化的Draeger指示器、通過使聚集在脫水器中的 PHPG快速氣化、通過檢測對(duì)過氧化氫聚集敏感的基體的傳導(dǎo)率的變化，或通過熱手段，檢測 由PHPG和被靜電吸引的穩(wěn)定反應(yīng)物之間的放熱反應(yīng)放出的熱量，監(jiān)測周圍環(huán)境的PHPG水 平；和(d)直接通過相對(duì)濕度監(jiān)測周圍環(huán)境的PHPG水平。
實(shí)施例不打算受下列實(shí)施例的限制，將本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案構(gòu)造如下(a)將所述裝 置構(gòu)造成長度為20英寸和半徑為8. 5英寸的四分之一圓柱體的形狀；(b)該四分之一圓 柱體被設(shè)計(jì)成適應(yīng)構(gòu)成的90度角，其中壁接觸頂板，四分之一圓柱體的垂直邊適宜平齊壁 和頂板，和圓柱體的彎曲面向外并向下進(jìn)入空間；(c)在從下面看時(shí)，四分之一圓柱體的右 端支撐最大輸出為每分鐘240立方英尺的可變速的風(fēng)扇和高效率的、疏水性活性炭的入口 過濾器；(d)四分之一圓柱體左端支撐用于風(fēng)扇和14英寸的Medium Pressure Mercury Arc(MPMA)燈的動(dòng)力連接，放置成使燈位于四分之一圓柱體的中心內(nèi)和平行于其長度；(e) 將通風(fēng)的金屬反射器置于MPMA燈之后，以反射光至四分之一圓柱的彎曲面的內(nèi)表面；和 (f)圓柱體的彎曲面上開孔以允許空氣而不是光流出裝置。將彎曲的帆樣光催化劑結(jié)構(gòu)置于剛好里面，并平行于四分之一圓柱體的彎曲面的 內(nèi)表面；(a)催化劑基體為18英寸長、11英寸高，加外框和具有從頂?shù)降?. 25英寸半徑的 曲率；(b)由玻璃纖維形成和用結(jié)晶二氧化鈦粉末涂布；和(c)將二氧化鈦施用于玻璃纖 維，涂5層，以保證完全覆蓋所有纖維，然后在烘箱中燒結(jié)以促成光催化劑結(jié)晶，相互結(jié)合 和結(jié)合至玻璃纖維。在操作期間，打開風(fēng)扇和MPMA燈(a)攝入空氣通過高效率的、疏水性活性炭的入 口過濾器被吸入裝置，其通過吸附揮發(fā)性有機(jī)碳?xì)浠衔?V0C)除去，不除去攝入空氣的 水分；(b)將攝入空氣提供給裝置的背面，其中開孔的金屬反射器將其改變方向均勻地朝 向光催化劑結(jié)構(gòu)，和四分之一圓柱體的開孔面的內(nèi)部；(c)攝入空氣的水分和氧氣吸附至 光催化劑，該光催化劑被MPMA燈的254nm光活化；(d)活化的光催化劑使水氧化至羥基自 由基，然后組合形成過氧化氫，而分子氧同時(shí)經(jīng)光催化劑還原為過氧化氫；和(e)所產(chǎn)生的 純化過氧化氫氣體(PHPG)立即被流出光催化劑的空氣攜帶，通過裝置的不能透光的開孔 面并排出室外。因此產(chǎn)生的純化過氧化氫氣體(PHPG) (a)基本上沒有結(jié)合的水，因?yàn)槠浣?jīng)催化 方法產(chǎn)生而不是經(jīng)由水溶液氣化產(chǎn)生；(b)PHPG基本上沒有臭氧，因?yàn)镸PMA燈不使用能夠 光解分子氧的任何波長；(c)PHPG基本上沒有等離子體物質(zhì)，因?yàn)楣獯呋瘎┑男螒B(tài)學(xué)允許 在其隨后可被光催化還原之前，從其表面快速除去過氧化氫；(d) PHPG受到保護(hù)免受紫外 (UV)光解，因?yàn)槠湓陔x開光催化劑表面后立即通過四分之一圓柱體的不能透光的開孔面排 出；和(e)PHPG基本上沒有有機(jī)物質(zhì)，因?yàn)閂0C被高效率的、疏水性活性炭的入口過濾器吸 附。所述裝置經(jīng)歷由兩家公認(rèn)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和實(shí)施的實(shí)驗(yàn)測試，以(a)檢測純化過
10氧化氫氣體(PHPG)的輸出；(b)確定輸出基本上沒有臭氧；(c)確定輸出基本上沒有V0C; (d)檢測PHPG抗貓杯狀病毒(FelineCalicivirus) (EPA批準(zhǔn)的諾如病毒(Norovirus)的代 用品)、耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(Staphylococcus Aureus (MRSA))、耐萬古霉素糞腸球 菌(Enterococcus Faecalis (VRE))、艱難梭菌(Clostridium Difficile (C-Diff))、嗜熱脂 肪地芽胞桿菌(Geobacillus Stearothermophilus)(由保險(xiǎn)行業(yè)使用的用于驗(yàn)證成功微生 物處理的穩(wěn)定的細(xì)菌)和黑曲霉(Aspergillus Niger)(常見真菌)的效力；和(e)在各種 環(huán)境相對(duì)濕度，包括于70至72華氏度下35%至40%、于81至85華氏度下56%至59%和 78華氏度下98%下測試。用于臭氧、V0C、溫度和濕度的檢測全部采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備完成。由于至今尚沒有易于 可用的設(shè)備檢測低于0. lOppm水平的過氧化氫氣體，所以設(shè)計(jì)了新的方法(a)通常用于 檢測水溶液中的近似濃度的過氧化氫測試條，發(fā)現(xiàn)檢測PHPG隨時(shí)間的存在；(b)通常設(shè)計(jì) 用于在暴露20秒后讀取的過氧化氫測試條，發(fā)現(xiàn)聚集PHPG和提供精確至0. Olppm的PHPG 濃度的近似讀數(shù)，例如當(dāng)將少于一個(gè)小時(shí)的暴露時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)化后，將在5分鐘的時(shí)間中聚集 0. 5ppm的測試條暴露15個(gè)20秒間隔，指示0. 5ppm的近似濃度除以15，或0. 033ppm ； (c) Draeger檢測管，其設(shè)計(jì)成檢測抽吸2000立方厘米空氣后低至0. lOppm的過氧化氫濃度， 發(fā)現(xiàn)提供精確度在0. 005ppm內(nèi)的較低濃度的讀數(shù)，例如在通過校正泵抽吸更大體積時(shí)，抽 吸4000立方厘米后指示0. lOppm的Draeger檢測管檢測PHPG近似濃度為0. 05ppm,而抽吸 6000立方厘米后指示0. lOppm的Draeger檢測管檢測PHPG近似濃度為0. 033ppm ；和(d) 發(fā)現(xiàn)采用過氧化氫測試條和Draeger檢測管兩者的檢測結(jié)果彼此非常接近。在設(shè)計(jì)為在各種濕度下檢測過氧化氫水平的測試中，收集到以下數(shù)據(jù) PHPG檢測數(shù)據(jù)指示，所產(chǎn)生的PHPG的濃度高度取決于相對(duì)濕度。這是可預(yù)測 的，因?yàn)镻HPG的產(chǎn)生直接取決于空氣中水分子的可用性。應(yīng)該注意，美國衛(wèi)生服務(wù)部(US Department of Health and HumanServices)要求醫(yī)院手術(shù)室維持30%至60%之間的相對(duì)濕度。PHPG檢測數(shù)據(jù)也隨著時(shí)間保持恒定，并指示平衡的上限大約為0. 08ppm。每當(dāng)它 們的分子內(nèi)間隔變得小于它們相互的靜電引力范圍時(shí)，由于PHPG分子相互的靜電引力，這 也是可預(yù)測的。在該條件下，過量的PHPG自身反應(yīng)以產(chǎn)生氧氣和水分子。該O.OSppm的上 限也充分低于1. Oppm的0SHA工作場所安全限度，從而可安全呼吸，指示PHPG系統(tǒng)可安全 和持續(xù)地用于占據(jù)區(qū)域。所有測試還指示在裝置的輸出中完全沒有臭氧。
在V0C測試中，2500立方英尺房間設(shè)立周圍濃度近似于7ppm的2_丙醇。發(fā)現(xiàn)該 裝置快速降低整個(gè)房間中的V0C水平。
在微生物定性測試中，在幾個(gè)測試中將用嗜熱脂肪地芽胞桿菌(Geobacillus Stearothermophilus)接種的芯片置于環(huán)境中，和在所有情況下顯示在數(shù)小時(shí)內(nèi)細(xì)菌顯著 減少。在明尼蘇達(dá)伊根(Eagan)的ATS實(shí)驗(yàn)室的定量的微生物測試中，收集到以下數(shù)據(jù)。 應(yīng)該注意，這些給人深刻印象的殺滅率是在于相對(duì)濕度35%至40%產(chǎn)生的僅僅0. 005ppm 至0. Olppm的PHPG濃度下實(shí)現(xiàn)的。
在較高的濕度時(shí)，產(chǎn)生較高濃度的PHPG，并且微生物減少率將增加。以上在56% 至59%相對(duì)濕度下收集的數(shù)據(jù)顯示，可實(shí)現(xiàn)比用于該定量測試的高至少八倍的PHPG濃度。還有，對(duì)比測試顯示，PHPG測試裝置產(chǎn)生比從標(biāo)準(zhǔn)光催化池伴隨輸出的未純化過 氧化氫大最高達(dá)150倍的PHPG平衡濃度?？傊?，已經(jīng)在某些特定程度上，用特別的實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，應(yīng)該理解 該描述僅采用實(shí)施例的方式給出，并且在不背離本發(fā)明的精神和范圍下，可對(duì)構(gòu)造、制作和 使用，包括零件的組合和排列的細(xì)節(jié)作出各種變化。
權(quán)利要求
一種用于環(huán)境的微生物控制和/或消毒/處理的方法，所述方法包括(a)產(chǎn)生包含純化過氧化氫氣體(PHPG)的氣體，該純化過氧化氫氣體基本上沒有水化作用、臭氧、等離子體物質(zhì)和/或有機(jī)物質(zhì)；(b)將PHPG導(dǎo)入環(huán)境，以便過氧化氫氣體在環(huán)境表面上和空氣中兩者均起著提供微生物控制和/或消毒/處理的作用。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所產(chǎn)生的PHPG被靜電吸引至微生物上帶正電荷和帶負(fù)電荷 的結(jié)構(gòu)和/或位點(diǎn)，從而與水化的過氧化氫或者臭氧比較，提高其在微生物控制和/或消毒 /處理上的效力。
3.權(quán)利要求1的方法，其中產(chǎn)生的PHPG濃度在0.005ppm至0. IOppm之間。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述環(huán)境的微生物控制和/或消毒/處理包括室內(nèi)空氣處 理、凈水器、霉菌消除劑、細(xì)菌消除劑和病毒消除劑。
5.權(quán)利要求1的方法，其中空氣的濕度百分比在5-99%的范圍內(nèi)，或在其中調(diào)節(jié)。
6.一種用于環(huán)境的微生物控制和/或消毒/處理的方法，所述方法包括(a)在以至于 形成基本上沒有水化作用、臭氧、等離子體物質(zhì)和有機(jī)物質(zhì)的純化過氧化氫氣體(PHPG)的 條件下，在濕潤、純化的周圍空氣的存在下，將金屬或金屬氧化物催化劑暴露于紫外線中； (b)將PHPG導(dǎo)入環(huán)境，以便過氧化氫氣體在環(huán)境表面上和空氣中兩者均起著提供感染控制 和/或消毒/處理的作用。
7.權(quán)利要求6的方法，其中所述環(huán)境的微生物控制和/或消毒/處理包括室內(nèi)空氣處 理、凈水器、霉菌消除劑、細(xì)菌消除劑和病毒消除劑。
8.權(quán)利要求6的方法，其中空氣的濕度百分比在5-99%的范圍內(nèi)，或在其中調(diào)節(jié)。
9.權(quán)利要求6的方法，其中所述金屬或金屬氧化物催化劑是二氧化鈦。
10.權(quán)利要求6的方法，其中所述PHPG產(chǎn)生也導(dǎo)致通過這些物質(zhì)與PHPG的直接化學(xué)反 應(yīng)，從周圍空氣中除去臭氧和VOC兩者，所述除去包括(a)與臭氧反應(yīng)以產(chǎn)生氧氣和水，和 (b)與VOC反應(yīng)以產(chǎn)生二氧化碳和水。
11.一種用于產(chǎn)生PHPG的擴(kuò)散器裝置，所述擴(kuò)散器裝置包括(a)紫外光源；(b)金屬 或金屬氧化物催化劑基體結(jié)構(gòu)；和(d)空氣擴(kuò)散機(jī)構(gòu)。
12.權(quán)利要求11的裝置，其中所述催化劑在其基體上的形態(tài)是薄的、帆樣透氣性結(jié)構(gòu)， 處于與穿過擴(kuò)散器裝置的氣流垂直的位置；和其中所述形態(tài)改變催化劑的反應(yīng)平衡，以便其從水的氧化和從分子氧的還原均產(chǎn)生過 氧化氫；和通過引起過氧化氫在其可被還原之前從催化劑快速流出并遠(yuǎn)離催化劑，所述形 態(tài)基本上防止過氧化氫經(jīng)催化劑的還原。
13.權(quán)利要求11的裝置，其中所述空氣擴(kuò)散機(jī)構(gòu)是風(fēng)扇。
14.權(quán)利要求11的裝置，其中所述紫外光源產(chǎn)生至少一種波長范圍。
15.權(quán)利要求11的裝置，其中所述紫外線產(chǎn)生多于一種的波長范圍。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于提供環(huán)境的微生物控制和/或消毒/處理的方法和裝置。所述方法一般包括產(chǎn)生基本上沒有，如水化作用、臭氧、等離子體物質(zhì)和/或有機(jī)物質(zhì)的純化過氧化氫氣體(PHPG)；和將主要包含PHPG的氣體導(dǎo)入環(huán)境，以便PHPG在環(huán)境，優(yōu)選在表面上和空氣中兩者均起著提供微生物控制和/或消毒/處理的作用。過氧化氫蒸氣產(chǎn)生于周圍空氣中的氧氣和水。此外，公開了用于產(chǎn)生PHPG的擴(kuò)散器裝置，后者包括紫外光源；金屬或金屬氧化物光催化劑(如TiO2)、催化劑基體結(jié)構(gòu)；和空氣擴(kuò)散機(jī)構(gòu)，其中在其基體上的催化劑的形態(tài)是薄的帆樣透氣性結(jié)構(gòu)，處于與穿過擴(kuò)散器裝置的氣流垂直的位置；和假設(shè)其中所述形態(tài)改變催化劑的反應(yīng)平衡，以致其從水氧化和從分子氧還原均產(chǎn)生過氧化氫。
文檔編號(hào)A61L9/20GK101854958SQ200880111346
公開日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2008年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月7日
發(fā)明者J·D·李 申請(qǐng)人:李抗菌解決方案公司