納米光觸媒在醫(yī)用中心負(fù)壓吸引系統(tǒng)廢氣凈化排放中的應(yīng)用研究

陶長(zhǎng)龍

安徽醫(yī)科大學(xué)滁州臨床學(xué)院 滁州市第一人民醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程部，安徽 滁州 239000

引言

醫(yī)用中心負(fù)壓吸引系統(tǒng)由負(fù)壓吸引站的真空泵機(jī)組作為負(fù)壓源，通過(guò)真空泵的抽吸使吸引系統(tǒng)管路達(dá)到所需的-0.02～-0.07 mPa負(fù)壓值，在手術(shù)室、搶救室、治療室和各病房的終端處產(chǎn)生吸力，用于吸除病人體內(nèi)的痰、血、膿及其他污染物，其吸出物含有大量病菌，且大部分為傳染性病菌，如何系統(tǒng)處理這些帶有病菌的廢氣，是我們亟待研究解決的問(wèn)題。

多數(shù)醫(yī)院中心負(fù)壓吸引系統(tǒng)排放口在真空站房室內(nèi)，且很多醫(yī)院的負(fù)壓站房建在負(fù)一層，廢氣很難引至室外排放；有的醫(yī)院雖然排放口在負(fù)壓站房室外，但任由含菌氣體自然排放，嚴(yán)重污染周圍環(huán)境。醫(yī)用中心負(fù)壓吸引系統(tǒng)含菌氣體排放現(xiàn)狀應(yīng)該引起醫(yī)療機(jī)構(gòu)與監(jiān)管部門(mén)的高度重視。造成中心負(fù)壓吸引系統(tǒng)有害氣體排放難以處理的原因還有以下幾點(diǎn)：

（1）沒(méi)有制定相關(guān)規(guī)范，或規(guī)范不明確。中心負(fù)壓吸引系統(tǒng)納入醫(yī)療器械監(jiān)管后，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《YY/T 0186-1994》[1]醫(yī)用中心吸引系統(tǒng)通用技術(shù)條件（見(jiàn)YY/T 0186-1994，4.2.6由排放口所排出的空氣，每立方米細(xì)菌數(shù)量不得超過(guò)500個(gè)），末對(duì)系統(tǒng)廢氣放排方式作規(guī)定，而國(guó)標(biāo)《GB50751-2012》[2]醫(yī)用氣體工程技術(shù)規(guī)范僅對(duì)排放口的位置作了限制，且僅對(duì)系統(tǒng)采用被動(dòng)性規(guī)避式有害排放（見(jiàn)GB50751-2012，4.4.4.4排放口位于室外，不得與醫(yī)用空氣進(jìn)氣口位于同一高度，且與建筑物的門(mén)窗、其他開(kāi)口的距離不少于3 m；4.4.4.5排氣口氣體的發(fā)散不應(yīng)受季風(fēng)、附件建筑、地形及其他因素的影響，排出的氣體不應(yīng)轉(zhuǎn)移至其他人員工作或生活區(qū)域）。

（2）中心吸引真空泵排氣端不能有氣阻的技術(shù)特點(diǎn)束縛了污染氣體的凈化處理，除塵式過(guò)濾與活性炭過(guò)濾都很難用于吸引真空泵排氣端。

（3）醫(yī)院感染管理多為臨床人員，很難關(guān)注到真空站房，而負(fù)壓吸引系統(tǒng)的建設(shè)、運(yùn)行與管理多為設(shè)備人員，很難關(guān)注到傳染源的問(wèn)題，由此造成了專業(yè)結(jié)合時(shí)的盲區(qū)。

（4）傳統(tǒng)的除塵式空氣處理如高密度濾網(wǎng)、濾芯、濾袋以及活性炭，氣阻過(guò)大，而且使用壽命短，需經(jīng)常更換，維護(hù)困難，運(yùn)行成本高。

為篩選出有效的中心吸引系統(tǒng)廢氣凈化處理技術(shù)，研究比較了幾種空氣凈化、殺菌、消毒方式（表1）。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，納米光觸媒介質(zhì)對(duì)排放氣體凈化有非常好的效果，所以本文采用這種方式用于中心負(fù)壓吸引系統(tǒng)廢氣凈化排放研究。

1 材料與方法

目前對(duì)空氣凈化處理技術(shù)主要有兩種：一種是除塵式凈化，凈化對(duì)象是塵埃，以空氣中塵埃粒子的多少為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)；另一種是除菌式凈化，凈化對(duì)象是有機(jī)粒子，以空氣中含菌量作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，本文涉及的均指除菌式凈化。

1.1 納米光觸媒對(duì)中心負(fù)壓吸引系統(tǒng)排放的廢氣進(jìn)行凈化處理的進(jìn)展及具體方法

納米光觸媒對(duì)中心負(fù)壓吸引系統(tǒng)排放的廢氣進(jìn)行凈化處理是筆者和安徽泓瑞公司最新開(kāi)發(fā)的技術(shù)成果，已經(jīng)獲得國(guó)家發(fā)明專利（專利號(hào)：CN105214124B）。

具體方法：在中心吸引站房氣水分離器的排氣管末端置入一個(gè)納米光觸媒凈化箱，廢氣經(jīng)納米光觸媒凈化箱凈化處理后排放。凈化排放系統(tǒng)裝置圖，如圖1所示。進(jìn)入凈化箱廢氣引管11將污染廢氣送入凈化箱7，經(jīng)充分凈化處理后由排氣口9排出。氣體凈化裝置釆用納米光觸媒催化技術(shù)[3]，具有殺菌能力強(qiáng)，能對(duì)氣體中各種有害物質(zhì)進(jìn)行分解而本身不消耗、不退化。

1.2 光觸媒作用機(jī)理

光觸媒（Photocatalyst）是光（Photo/Light）+觸媒（催化劑，catalyst）的合成詞。光觸媒并不是一種物質(zhì)，而是指的一種光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)物質(zhì)的過(guò)程和現(xiàn)象[4]。它包括三個(gè)要點(diǎn)，即光、光觸媒材料和光觸媒材料的載體。一般我們所說(shuō)的光觸媒就是指的光觸媒材料（下文中也采用這種說(shuō)法）。作為光觸媒材料的物質(zhì)有很多種，目前二氧化鈦[5]被認(rèn)為是最有前途的綠色環(huán)保型光催化劑。光觸媒納米材料在光的照射下，把光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能，促進(jìn)有機(jī)物的合成或使有機(jī)物降解的過(guò)程[6-9]。

圖1 醫(yī)用負(fù)壓吸引凈化排放系統(tǒng)裝置圖

其作用機(jī)理是：光觸媒在紫外光照射下，價(jià)帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，形成了電子和空穴，與其表面的O2和H2O作用，生成超氧化物陰離子自由基O2-和羥基自由基-OH，其自由基具有很強(qiáng)的氧化分解能力，能破壞有機(jī)物中的C-C鍵、C-H鍵、C-N鍵、C-O鍵、O-H鍵、N-H鍵，將有機(jī)物分解為CO2與H2O，同時(shí)破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜，固化病毒的蛋白質(zhì)，改變細(xì)菌、病毒的生存環(huán)境，從而殺死細(xì)菌、病毒，并有效分解霉菌；通過(guò)氫氧自由基分解氣體中的有機(jī)物氣體，除去空氣中的臭味；對(duì)空氣中的甲醛、苯、氨及其他揮發(fā)性有機(jī)化合物有強(qiáng)大的氧化分解作用，使之變?yōu)镃O2和H2O，從而達(dá)到凈化空氣的效果[10]；光觸媒還能釋放氧負(fù)離子，還人們一個(gè)真正綠色的生存環(huán)境[11]。由于光觸媒涂層的高親水性，可形成防霧涂層，同時(shí)由于其強(qiáng)大的氧化作用，可在一定程度上氧化掉表面的油污，保持自身清潔。二氧化鈦光觸媒具有吸收紫外線的特性，可使被涂面免遭紫外線的老化作用，大大延長(zhǎng)被涂面的使用壽命。

表1 幾種空氣凈化介質(zhì)比較

2 納米光觸媒凈化裝置研究

2.1 納米光觸媒凈化裝置結(jié)構(gòu)

納米光觸媒凈化箱為一密閉的空間，內(nèi)由氣體導(dǎo)流板、分層凈化區(qū)域、出口排風(fēng)機(jī)組成。綜合利用紫外線滅菌、光觸媒光催化殺菌、活性炭吸附技術(shù)使箱內(nèi)氣體得到凈化。凈化箱采用三道紫外線光源，二層雙面光觸媒網(wǎng)板（相當(dāng)于3層光觸媒板）與一層活性炭濾網(wǎng)板構(gòu)造，如圖2所示。

圖2 納米光觸媒凈化裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)及氣體凈化氣流流向圖

2.2 氣體凈化流程

醫(yī)用中心負(fù)壓吸引系統(tǒng)排放的污染氣體由入口1進(jìn)入凈化箱A室，氣體在A室受到強(qiáng)紫外線光源3的捕殺，經(jīng)光觸媒網(wǎng)板6流進(jìn)入B室，因?yàn)榫W(wǎng)板6受到光源3的激發(fā)，有害的有機(jī)物質(zhì)穿過(guò)網(wǎng)板6時(shí)，會(huì)被分解成CO2和H2O。由于氣體流動(dòng)速度造成網(wǎng)板6對(duì)有害物質(zhì)分解不徹夠底，箱內(nèi)紫外線光源4與光觸媒網(wǎng)板6和7組成凈化B室進(jìn)一步消滅剩余的有害物質(zhì)。氣體由B室流向C室時(shí)經(jīng)紫外線光源5與光觸媒7再次消滅剩余的有害物質(zhì)。最后氣體由C室流向D室時(shí)，經(jīng)活性炭板徹底吸附有害殘余，使得進(jìn)入的污染氣體凈化為干凈無(wú)味的氣體由排風(fēng)機(jī)9排出，使得排出的氣體凈化率大于90%。

2.3 效果評(píng)價(jià)

2.3.1 凈化度

為了衡量空氣處理裝置對(duì)空氣處理效果，把凈化度（Q）作為衡量空氣處理裝置、產(chǎn)品、材料與技術(shù)方法的指標(biāo)，見(jiàn)公式(1)。

其中，Q為凈化度，C為出口1 m3氣體含菌量，R為入口1 m3氣體含菌量。廢氣處理裝置對(duì)氣體的處理程度用出口氣體雜質(zhì)含量與入口氣體雜質(zhì)含的比值來(lái)評(píng)價(jià)。

2.3.2 影響凈化度（Q）的因數(shù)

凈化度（Q）與下列參數(shù)有關(guān)：

（1）光觸媒網(wǎng)板層數(shù)（N）。氣體通過(guò)1層光觸媒網(wǎng)板和通過(guò)多層光觸媒網(wǎng)板所得到的凈化程度是不同的，層數(shù)越多，凈化程度越高。換句話說(shuō)，氣體循環(huán)流過(guò)光觸媒網(wǎng)板的次數(shù)越多，氣體凈化的程度越高。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到不同層數(shù)下氣體被凈化的數(shù)值（表2）。由表2可見(jiàn)，當(dāng)光觸媒網(wǎng)板層數(shù)達(dá)到4層后，再増加層數(shù)，則凈化效果增加不明顯。當(dāng)光照理想，氣體流速足夠時(shí)，四層光觸網(wǎng)板滅菌率達(dá)98%，能達(dá)到理想的凈化效果。

表2 Q值與光觸媒層數(shù)（N）關(guān)系

（2）光功率（紫外線照射強(qiáng)度）。不同波長(zhǎng)的光源與光照強(qiáng)度對(duì)光觸媒網(wǎng)板催化作用是不同的[12]，當(dāng)箱體一定時(shí)，我們用380 nm以下光源的光功率來(lái)衡量光對(duì)觸媒網(wǎng)板的催化作用，光功率越大，廢氣凈化程度越高。夏季室外太陽(yáng)光中紫外線照射強(qiáng)度可達(dá)0.5～0.6 mW/cm2，春秋季平均在0.3～0.4 mW/cm2之間，冬季平均在0.2～0.3 mW/cm2。而光觸媒材料在0.02 mW/cm2照射強(qiáng)度下就能被催化，0.205 mW/cm2可達(dá)到全面催化。當(dāng)照射強(qiáng)度超過(guò)春秋季太陽(yáng)光劑量時(shí)，達(dá)到催化過(guò)剩，稱之為光線飽和，也就是光觸媒材料已被充分催化，再增加照射強(qiáng)度不會(huì)改變凈化效果。下列是可充作光源用的紫處線殺菌燈的功率與照射強(qiáng)度一覽表[13]，見(jiàn)表3和表4。

表3 GB19258-2003雙端紫外線殺菌燈紫外線輻射照度額定值

表4 GB19258-2003單端紫外線殺菌燈紫外線輻射照度額定值

（3）氣體流速。氣體以不同的速度流經(jīng)光觸媒網(wǎng)板時(shí)，網(wǎng)板對(duì)氣體中有機(jī)物分解率是不同的。流速為0時(shí)，光觸媒網(wǎng)板對(duì)氣體中有機(jī)物分解率達(dá)100%；流速為無(wú)窮大時(shí)，光觸媒網(wǎng)板對(duì)氣體中有機(jī)物分解率就是零。氣體流速用m/s來(lái)衡量。

2.3.3 凈化程度關(guān)系式

當(dāng)納米光觸媒材料一定時(shí)，經(jīng)研究納米光觸媒廢氣處理裝置對(duì)廢氣處理的凈化程度關(guān)系式為：

納米光觸媒凈化技術(shù)中氣體凈化程度（J）與氣體通過(guò)納米光觸媒網(wǎng)板的流速（V）成反比；在不飽和光照下，與納米光觸媒材料受到紫外光激發(fā)光功率（W）成正比；與納米光觸媒網(wǎng)板層數(shù)對(duì)應(yīng)的Q值成正比（本發(fā)明中納米光觸媒層為3層，Q=0.95）。

3 結(jié)論與探討

納米光觸媒技術(shù)常用于空氣凈化[14]和污水處理[15]等方面，我們將其設(shè)計(jì)成納米光觸媒凈化裝置，用于醫(yī)院中心負(fù)壓吸引系統(tǒng)的廢氣排放凈化處理，可操作性強(qiáng)，凈化廢氣充分、安全、高效、可靠，具有創(chuàng)新性。本凈化裝置使用紫外光燈與光觸媒催化復(fù)合潔凈技術(shù)[16]，具有凈化空氣能力強(qiáng)、效果持久穩(wěn)定、無(wú)二次污染、維持費(fèi)用低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)越性[17-18]，使中心吸引系統(tǒng)廢氣高度凈化后排放，達(dá)到安全環(huán)保的目的。

在一年多的數(shù)據(jù)測(cè)試中，我們得出的數(shù)據(jù)并非100%準(zhǔn)確，這與納米光觸媒凈化裝置的使用環(huán)境有關(guān)系，如機(jī)房本身面積較小、散熱不好、紫外線燈管老化損壞、機(jī)房的電壓不穩(wěn)定導(dǎo)致紫外線的光功率波動(dòng)等均會(huì)影響測(cè)試效果，從而得出的結(jié)論有偏差。

此外，我們發(fā)明的納米光觸媒凈化裝置，不僅只應(yīng)用于醫(yī)用負(fù)壓吸引系統(tǒng)氣體的排放凈化，還可應(yīng)用于大型化工廠的可集中回收尾氣、手術(shù)室的麻醉回收氣體、其他有毒有害氣體的集中凈化排放等等，為可集中處理的氣體凈化排放提供了創(chuàng)新思路、合理途徑和重要方法。