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助力防控病毒传播:一种动态空气消毒组件的构想(二)

已有 279 次阅读 2020-5-20 20:20 |系统分类:观点评述

(二)、紫外线(UVC)消毒

广义的紫外消毒分成两类:紫外线消毒和臭氧消毒,前者是利用波长在200~275纳米范围内的短波紫外线(UVC)直接对空气、液体以及物体表面进行照射,以破坏病原体的生物结构(其中254纳米的消毒作用最强);后者利用主波长为185纳米的紫外线(UVD)直接将空气中的氧气(O2)变成臭氧(O3),再利用臭氧的强氧化性实现化学消毒。紫外线(UVC)具有消毒时间短(对付流感病毒仅需不到1秒)、应用范围广(几乎对所有病原体有效,并对金属、橡胶等制品无腐蚀性)、不存在抗药性、无二次污染等一系列优点,已广泛应用于医疗、食品加工和水处理等领域。


紫外线消毒又分为静态和动态两种方式。在医院等一些公共场所安装的紫外灯就是通过直接照射的方式对室内空气和物体表面进行静态消毒,但只能在无人或者人员全防护(身体部位不得直接暴露在紫外光下)的场合下使用,这是由于UVC会对生物细胞产生严重的破坏作用,直接照射眼睛和裸露的皮肤可导致灼伤病变,不过UVC的穿透能力很弱,普通透明玻璃、衣服、纸张和塑料等均可以起到阻挡作用。另外静态消毒还有两个局限:1、静态消毒结束后,病毒可能会随着感染者重新进入室内 ,导致室内的病毒浓度再次回升;2、紫外光源的辐射强度与照射距离成反比,且光线只沿直线传播,采用静态消毒法不易做到整个室内空间的辐照均匀,还可能会有阴影区,导致消毒有死角、不彻底。


相对于静态消毒法,通过循环风将空气引入到设备内部进行封闭消毒的动态消毒法则具有更多优势,比如:1、动态法避免了UVC对人体的伤害,可以实现无特殊防护的情况下人机同处一室;2、可在人员正常活动的情形下使用,实现了对室内空气持续同步地进行消毒,可以更好地抑制病毒扩散;3、将空气引入到狭小封闭的空间内,再用UVC近距离照射,在辐射强度与覆盖程度方面比静态消毒法更有保障。

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图三、当前市售紫外线动态空气消毒设备的工作原理示意图

其中,1、进气部分,3、出气部分,4、消毒部分,4-1、UVC消毒。

 

当前市场上的紫外线动态空气消毒设备其工作原理大致如图三所示。紫外线消毒的效率是由单位面积所受的照射剂量(即UVC强度与辐照时间二者的乘积)来衡量的,一定时间内UVC辐照越强,消毒效率就越高。若想在单位时间内提高辐照强度,一是可以选用功率更大的紫外消毒灯,相应的成本价格也会提高;二是采用图一的设计思路,只需在狭窄通道内实现UVC更近距离的辐照(如图四)。

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图四、紫外线动态空气消毒组件示意图

其中1、进气部分,2、狭窄通道部分,3、出气部分,4-1、UVC消毒。

 

当前广泛采用的紫外消毒灯主要是一种低压汞灯,这种汞灯存在制造工艺要求高、紫外光强度衰减快,以及潜在的汞污染等问题,这增加了紫外消毒过程中的耗材使用与后处理成本。相对而言,新型的LED紫外消毒灯体积更小(如图五所示),在制造成本、功率稳定和使用寿命上也更具优势,还能避免潜在的汞污染问题,但热敏感性是制约其大规模应用的一个重要因素,在使用过程中须将LED芯片产生的热量及时散除,以保证其能够持续地正常工作。然而在图四构想的动态空气消毒组件中,这个问题也许很容易解决。

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图五、低压汞灯(左)与LED紫外消毒灯(右)外形及尺寸对比

 

在图四中,假设单位时间内进入该组件的空气流量为Q(单位:立方米/秒),通道横截面积为S(单位:平方米),空气流速为v(单位:米/秒)。则三者关系为:Q1 = v1·S1 = Q2 = v2·S2 = Q3 = v3·S3。即1、2、3这三个区域单位时间内的空气流量相同,空气流速与通道横截面积成反比。由此可知区域2空气流速最快,且通道越狭窄空气流速就越快。流体的对流换热系数随着流速的增大而升高,有利于在更短时间内快速实现热交换;也就是说,狭窄通道内快速流动的空气更有利于进行热传递。


图六可视为图四的局部示意图,采用了LED-UVC灯在狭窄通道内进行空气消毒。LED-UVC灯的体积优势使其比低压汞灯更适合安装在狭小的空间里,从而有利于压缩消毒组件的整体尺寸;在通道中实施近距离辐照也有利于单位时间内保持较高的消毒效率;LED芯片在运行过程中产生的热量可随着狭窄通道内快速流动的空气被及时消散,从而保证LED-UVC能够长时间正常稳定地工作。

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图六、紫外线动态空气消毒组件局部示意图

其中,2、狭窄通道部分,4-1、UVC消毒(UVC-LED)。


注:图五来自于网络,无商业用途。




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1 苏保霞

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