详述了臭氧的消毒机理,浓度变化和控制及消毒柜的性能参数。
1 臭氧食具消毒柜的工作原理
臭氧消毒柜是利用臭氧作为杀菌气体,对食(饮)具进行消毒处理的家用电器。
1.1 臭氧的生成
在臭氧发生器放电管(又称臭氧管)的两极间建立高压电场,极间空气中自然存在的离子,从电场中获得能量而被激发,在激烈运动中与空气中的中性分子非弹性碰撞,并进行能量交换,使气体分子最外层轨道上的电子得到能量而摆脱原子核的引力,成为自由电子。失去电子的气体分子成为正离子。自由电子在电场中与其它气体分子碰撞时被俘获而结合成负离子。这便是气体电离过程。
由于空气中氧的电子亲合力(俘获自由电子的能力)E0=1.13～1.47电子伏,远大于氮的电子亲合力E0≤0.05电子伏,因此,自由电子大部分被氧俘获,当电场相对较弱时,电子动能较小,而生成负氧离子(
),其过程可表示为:
e—为自由电子;M—为任何第三种能量传递体。对生物具有良好的生物和生理效应,据此,制成负氧离子发生器。
进一步提高放电管极间电压,当电场足够强时,自由电子具有更大的动能,在第三种能量传递体存在的条件下,便能激励产生臭氧(O3),其反应为:
1.2 臭氧的理化特性
臭氧是氧的同素异形体,具有独特的理化特性,使其成为广谱、高效杀菌剂。主要理化特性可归纳为以下几点:
①O3是强氧化剂,对有机物,一般橡胶制品、活泼金属制品等有很强的氧化作用,抑菌灭菌能力强。
②O3很不稳定,易分解成O2,在空气中其半衰期约为30min。用于食具消毒,食具上绝对不残留二次污染物质。
③易溶于水,在常温和标准大气压下,O3在水中的溶解度是O2的13倍。溶于水具有极强的杀菌能力。
④O3比空气重,是空气的1.658倍。
O3是有色有味气体,自然条件下呈淡蓝色,有腥臭味,故称臭氧。
1.3 消毒机理及消毒效果
臭氧消毒是以物理方法产生一定浓度的臭氧气体,依赖生物化学反应杀灭致病微生物。
研究表明,O3杀灭细菌、芽孢、霉菌类微生物的作用机理是O3导致其生物化学损伤。首先损伤细胞膜,使细胞内核酸、蛋白质等渗漏,并使维持细胞基础代谢及其重要合成物质——酶失去活性,导致其新陈代谢障碍,O3还能破坏细胞内遗传物质,直至将其杀灭。O3对病毒的杀灭作用机理,一般认为是O3直接破坏其核糖核酸(RNA)或脱氧核糖核酸(DNA)物质而将其杀灭。
臭氧消毒为气相消毒,与直线照射的紫外线消毒相比,不存在“阴影区”或消毒死角,用于食具消毒效果好。不耐高温的塑料食(饮)具,应采用O3消毒。为达到预期的消毒效果,消毒柜内密闭空间需保持一定的O3体积浓度(或质量浓度)及消毒持续时间。因为O3分子接触细菌,才能杀菌,不仅需要一定的浓度,还需要足够的使O3分子充分扩散的时间,消毒过程具有累积性。O3的杀菌能力还与湿度、温度及压力等空气状态参数有关。
医学研究单位和各地卫生防疫站的测试结果表明,O3具有非凡的杀灭致病微生物的能力。例如,O3在空气中的杀菌效果:消毒时间30min,对金黄色葡萄球菌(ATCC6538)、大肠杆菌(ATCC8404)、杆草杆菌黑色变种芽胞(ATCC9372)的LD99值,分别为0.48、0.42、1.54mg/m3。试验发现杀灭物体表面附着的微生物比杀灭空气中的微生物,需要相对较高的O3浓度和消毒时间。因为消毒效果受物体性质、表面粗糙度和有机物污染的影响,表面易被氧化的物质消耗了部份O3,降低了物体表面的O3浓度。
O3浓度13.6mg/,消毒时间10min,对物体表面上的甲型肝炎表面抗原(HAAg)的灭活率为100%。乙型肝炎表面抗原(HBsAg)则较难杀灭,O3浓度13.6mg/,消毒60min,灭活率为99.96%。
2 臭氧消毒柜的性能参数
臭氧消毒柜的主要性能是消毒效果,消毒效果与O3浓度及消毒时间有关,但难以定量表达。浓度及时间的规定值因消毒对象和要求而异,应由试验确定。O3泄漏量和残留O3排放量浓度,是关系到人身免受伤害的安全值,需加以控制。
2.1 消毒浓度CN(mg/)
指消毒柜内保持臭氧浓度的规定值。浓度规定值因消毒对象而异,应根据食具消毒的实际需要而定。消毒效果指标应按食(饮)具消毒卫生标准GB14934-94执行。脱离我国现有经济技术条件,过高追求消毒效果指标,将给产品设计、材料选择和加工工艺、安全防护及产品成本等带来一系列问题。
2.2 消毒时间tc(min)
指消毒柜内臭氧浓度保持在规定值以上的时间。实际上消毒时间的概念值应进一步探讨。O3消毒具有进行性、累积性的特点,O3生成之时,消毒过程已经开始进行,某些病菌在某一浓度下,短时便能被杀灭。消毒时间同样应由试验确定。
2.3 泄漏量CL(mg/)
消毒柜在额定电压下工作一个周期,在臭氧发生器工作的状态下,在无气流干扰的一定的密闭空间内,在距柜表面规定的周围空间,采样分析,臭氧气体外泄量不得大于0.2mg/。人在0.2mg/浓度的臭氧中停留1～2小时,即引起呼吸道的不适。
2.4 残留臭氧排放量CC(mg/)
消毒工作一个周期,允许打开柜门时,臭氧残留量应不大于0.2mg/。
3 浓度变化规律C=f(t)
3.1 激发与分解曲线
激发生成O3和停止激发O3分解的过程中,柜内O3浓度随时间的变化规律,因涉及物理、化学及生物化学等多种因素,很难定量的表达。
实验表明,臭氧发生器工作时,若单位时间内累计生成的臭氧质量N(mg/h)及柜容积V()一定,则浓度C(mg/)随时间t(min)的增长而升高,具有与温升曲线类似的形状。停止激发后O3分解,浓度随时间下降,最终达到本底浓度(C0≈10～20ppb)。下降曲线与冷却曲线相似。浓度曲线如图1所示。
3.2 影响浓度的因素
①负载量VC() 由于采用体积浓度,在分析负载量对浓度的影响时,考虑食具占有容积VC()更有实际意义。当柜容积为VJ(),则消毒空间的容积VS()为:
式中r=VC/VJ—食具占空比,反映负载量的大小。
浓度可表示为:
式中t—臭氧发生器工作时间(h)。
由(3)式可知,当N·VJ一定,负载量大时,在一定的时间内,则浓度值高。如同电热型消毒柜需要规定标称负载。
②臭氧产生量N(mg/h) 从(3)式亦可知,当负载量一定,在一定的时间内,若O3产生量N值大,可达到的浓度值也高。浓度曲线表明,浓度增加量呈非线性。氧气成分占干空气重量的23.14%;占体积的20.95%,在一定大气压力下,一定体积的空气中,含氧量是一定的。O2被激发,生成原子氧O,再生成臭氧O3,O3的生成量主要取决于原子氧的数量。在消毒过程中,O3生成的同时,存在着氧化分解和少量泄漏现象。
③激发时间t(min) 消毒柜结构、负载量标称值、臭氧产生量确定后,激发时间越长,能达到的浓度越高。达到消毒浓度规定值所需时间,只能通过试验确定。停止激发,浓度随时间下降到允许残留浓度时,完成一个消毒周期。目前的消毒柜都是以时间控制浓度。
④空气状态参数对浓度的影响 温度、湿度及大气压力等空气状态参数对臭氧浓度的影响已为试验证明。
消毒柜内浓度场中存在的浓度梯度,是引起臭氧气体分子从高浓度向低浓度扩散的原因。扩散速度与分子热运动有关,温度升高,气体分子的平均动能增大,扩散加快。适当提高温度,O3产生量增大。例如,同一消毒器,开机5min,温度为20～25℃时,O3浓度65ppm,33～35℃时,O3浓度为79ppm。
在相同温度下,相对湿度较低时的O3产生量高于相对湿度较高时的O3产生量,开机不久一段时间内,差别更显著。O3易溶于水,但是在高湿度下,对难以杀灭的芽胞的消毒效果更好。
高原地区大气压力低,空气中含氧量低。在一定时间内,能达到的浓度值将低于在平原地区的浓度值。
4 臭氧浓度控制
4.1 控制电路
控制电路的功能是定时向臭氧发生器放电管提供1300～1500V脉冲高压,频率为10kHz左右,即提供激发能量。电路可设计成多种形式,一般包括降压、整流、滤波、高频振荡、定时、升压及臭氧管几部分。有的产品采用LC串联谐振电路,产生衰减振荡重复频率为50Hz的高压脉冲波,供给放电管。构成电路的元器件,应进行防潮、防臭氧腐蚀处理。
4.2 浓度控制方式
柜容积和臭氧管确定后,浓度控制实际上就是激发时间的控制和激发方式的选择问题。
①连续激发方式 连续激发,浓度持续上升,达到消毒浓度规定值以后,为了满足标准规定的消毒时间的要求,O3发生器仍需继续工作一段时间。停止激发时的浓度一定要大于规定值。如图2所示。
维持长时间高浓度,消毒效果好,但是,高浓度的负面影响,也不容忽视。
②连续——间歇激发方式 首先,连续工作,当浓度达到并超过消毒浓度规定值后,自动转换为间歇激发方式,保持柜内平均浓度近似不变。间歇激发时间大致等于消毒时间规定值。停止的激发浓度下降到允许残留浓度时,即完成一个工作周期。见图3。
③残留浓度控制 目前,臭氧消毒柜还不具备浓度连续检测和显示功能。O3发生器停止工作后,O3分解浓度下降到安全值(0.2mg/)所需要的时间,受温度等因素影响,需经大量试验确定。自动工作的消毒柜,仅在产品说明书中指示,何时方可打开柜门,不仅给用户带来不便,也无安全保证。如果用延时熄灭的指示灯作为允许开门的提示信号,会更方便。加装门开关,门未关严,不能启动,可使产品更安全。
臭氧消毒是一种较理想的消毒方法,应用也越来越广。还有许多理论和实际问题,有待进一步深入研究。
