智能微型消毒倉殺菌原理與設(shè)計

張衛(wèi)香　羅天平　王桂如　黃佳麗

摘 要：針對高校女生炎癥高發(fā)病及流行問題，設(shè)計了適合集體宿舍環(huán)境個人使用的折疊式智能微型消毒倉。采用紫外線和臭氧雙能殺菌，精巧設(shè)計了紫外線和臭氧殺菌優(yōu)勢互補和能量增強及傳遞轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。運用體積識別和質(zhì)量識別自動控制消毒能量和消毒時間，能殺滅女生內(nèi)褲、衛(wèi)生紙巾99.999%的病毒和細(xì)菌。

關(guān)鍵詞：折疊消毒倉；智能控制；紫外線臭氧雙能殺菌

中圖分類號：TM923 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）04-0039-02

Abstract： In order to solve the problem of high incidence of inflammation and prevalence among female students in colleges and universities， a foldable intelligent miniature disinfection bin suitable for individual use in dormitory environment was designed. Ultraviolet and ozone are used to sterilize bacteria. The advantages of ultraviolet and ozone sterilization are complementary to each other， and the energy is enhanced and the transfer structure is transferred. The use of volume recognition and quality identification to automatically control disinfection energy and disinfection time can kill 99.999% of viruses and bacteria in girls' underwear and sanitary napkins.

Keywords： foldable disinfection bin； intelligent control； ultraviolet and ozone dual sterilization

近年來，我國女性炎癥發(fā)病呈現(xiàn)整體上升和平均年齡下降趨勢。抽樣調(diào)查顯示女大學(xué)生罹患女性炎癥高達(dá)80%，其中一年內(nèi)發(fā)生5次以上的達(dá)到34%。對集體宿舍女生貼身衣物經(jīng)常消毒是防止女性炎癥發(fā)生和阻斷流行并保障女生健康的有效措施。微型智能消毒倉即針對這一社會問題設(shè)計。設(shè)計目標(biāo)為，可折疊收納、微型、高效滅菌消毒、智能控制、無殘留、低溫安全。高效滅菌消毒采用密閉空間高強度紫外線和高濃度臭氧雙維消毒結(jié)構(gòu)，智能控制采用傳感識別自動控制結(jié)構(gòu)，采用新材料、新結(jié)構(gòu)實現(xiàn)打開消毒折疊方便收納、攜帶。

1 密閉空間高強度紫外線消毒原理

太陽光里波長在200～380nm之間的叫做紫外線，紫外線通常分為三個區(qū)域：315～380nm為UVA紫外線，280～315nm為UVB紫外線，200～280nm為UVC。實驗證明，UVC紫外線具有殺菌作用。本世紀(jì)生物學(xué)研究成果表明，導(dǎo)致女性炎癥的支原體、衣原體、鏈球菌等微生物的脫氧核糖核酸（DNA）對UVC紫外線有很強的吸收性，UVC紫外線傳遞的能量集中作用微生物DNA上，使得微生物核酸發(fā)生突變。一種情況是直接損害微生物細(xì)胞，抑制細(xì)胞的活性使微生物直接死亡；另一種情況阻止其復(fù)制、轉(zhuǎn)錄等一系列的繁殖活動。起到殺菌消毒的作用。精準(zhǔn)光譜測試，UVC紫外線中對微生作用最強烈的是248nm-254nm之間的紫外線。

紫外線消毒的另一個效果指標(biāo)是照射強度，照射強度及作用能量，足夠能量才能造成微生物DNA損壞。紫外線照射后的細(xì)菌的殘存率可以用下面的公式表示出來。

S=P/PO=e-Et/Q

S：細(xì)菌的殘存率

PO：紫外線照射前細(xì)菌數(shù)量

P：紫外線照射后細(xì)菌數(shù)量

t：照射的時間（s）

Q：當(dāng)細(xì)菌的殘存率S在1e=36.8%時所需要的紫外光照射量。

下表為實驗取得殺滅不同微生物所需UV照射劑量

紫外線殺菌的實質(zhì)是光化學(xué)反應(yīng)，符合一級反應(yīng)動力學(xué)模型。根據(jù)已有的試驗研究結(jié)果，照射強度在60000μJ/cm2對病毒殺滅率的可達(dá)99.999%。

2 密閉空間高濃度臭氧消毒原理

臭氧（O3）是具有3個氧原子的氧氣（O2）的同素異形體。1840年德國C.F.舍拜恩在電解稀硫酸時發(fā)現(xiàn)該氣體并命名為臭氧。研究表明，臭氧是廣譜、高效、快速殺菌劑，它可迅速殺滅使人和動物致病的各種病菌、病毒及微生物，利用它的強氧化性，可以在較短時間內(nèi)破壞細(xì)菌、病毒和其他微生物的生物結(jié)構(gòu)，使之失去生存能力。

臭氧的殺菌機理在于它的強氧化功能。臭氧可以直接氧化分解細(xì)菌內(nèi)部葡萄糖所需的特殊酶，使細(xì)菌滅活死亡。導(dǎo)致女性炎癥的主要微生物包括支原體、衣原體、細(xì)菌和陰道滴蟲等。臭氧可以透過細(xì)胞膜組織侵入細(xì)胞內(nèi)，對細(xì)胞外膜的脂蛋白和內(nèi)部的脂多糖進(jìn)行氧化分解，導(dǎo)致細(xì)胞器和DNA鏈斷裂，使得致病的微生物發(fā)生通透性畸變而溶解死亡。臭氧滅菌為溶菌級殺菌，殺菌徹底，無殘留，可殺滅細(xì)菌繁殖體和芽孢、病毒、真菌等，并可破壞肉毒桿菌毒素，還對霉菌也具有極強的殺滅作用。

本消毒倉密閉空間設(shè)計為12.25dm3，采用高頻放電生成臭氧和紫外線擊碎氧原子合成臭氧雙重方式，可以很短時間內(nèi)實現(xiàn)3-4ppm臭氧高濃度小環(huán)境，迅速彌漫到整個滅菌空間，滲透到消毒紡織物內(nèi)層。由于氧化分解微生物的作用時間很短，滅菌消毒時間取決于臭氧滲透入紡織物深層的時間和臭氧原子活動與微生物結(jié)合幾率時間。經(jīng)測試，臭氧濃度3ppm，作用時間20分鐘，細(xì)菌殺滅率為99.9%。

安全性，密閉空間打開后，臭氧會溢出大環(huán)境，對于10m2以上的房間，臭氧溢出混合后正好處于空氣清新閥值0.02ppm以下。具有殘余正向綜合效益。附著在紡織物上的臭氧可以自動還原為氧原子，不存在任何有毒殘留。

3 雙能結(jié)合殺菌消毒原理

紫外線和臭氧殺菌的共同問題是對人的影響：紫外線照射強度過低殺菌效果微弱，紫外線照射強度過高會對人體皮膚造成傷害；臭氧濃度在0.01-0.02PPm時會給人空氣清新的感覺，卻幾乎沒有殺菌效果，當(dāng)臭氧濃度達(dá)到0.15ppm時會感受到臭味并對呼吸道產(chǎn)生刺激，理想殺菌的臭氧濃度應(yīng)該在1.5ppm以上，如果人在這個環(huán)境里會對人造成功能性損害。本設(shè)計巧妙地解決了這個兩難問題：設(shè)計了一個12.25dm3活動的相對密閉的微型消毒倉，在這個密閉小空間里生成超強照度的紫外線和超高濃度的臭氧形成強力高效的殺菌消毒環(huán)境，就在人的身邊，卻對人及其它小動物毫無影響。

本設(shè)計很巧妙地結(jié)合了化學(xué)能和光能殺菌優(yōu)勢。紫外線殺菌的缺陷是存在光線照射不到的死角，雖然倉內(nèi)采用了全漫反射涂層消除了表層死角，我們的消毒標(biāo)的主要是紡織物，松軟紡織物內(nèi)層將存在大量死角，而且是細(xì)菌病毒的好場所。彌漫在消毒倉內(nèi)超高濃度臭氧可以滲透到紡織物內(nèi)層，殺滅內(nèi)層微生物。

在能量傳遞轉(zhuǎn)換組合上，巧妙地設(shè)計了能量增強、轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。消毒倉內(nèi)壁為全漫反射涂層，紫外線在倉內(nèi)形成全漫反射，在消毒標(biāo)的物表面形成多維照度疊加，增強照度強度。根據(jù)朗伯定律10W石英發(fā)光管即可以在消毒倉內(nèi)形成大于60000μJ/cm2照射強度，殺滅照射面99.99%的微生物。同時，60000μJ/cm2的紫外線能量會將空氣中的氧分子擊碎成氧原子，受能的氧原子會組合成臭氧（O3），增加倉內(nèi)臭氧濃度。

消毒倉內(nèi)臭氧依靠紫外光能轉(zhuǎn)換無法達(dá)到3ppm的設(shè)計目標(biāo)，單獨增加了高頻電離生成臭氧裝置?？梢栽?分鐘內(nèi)將消毒倉內(nèi)臭氧濃度提高到3ppm。

4 傳感識別自動控制及折疊結(jié)構(gòu)設(shè)計

本微型消毒倉采用傳感識別自動控制結(jié)構(gòu)。根據(jù)待消毒物品的質(zhì)地和大小自動控制紫外線發(fā)射功率、臭氧發(fā)生器放電時間和頻率及消毒時間。傳感器采用圖像傳感器和壓力傳感雙信息采集。圖像傳感器識別消毒物品的大小，壓力傳感器識別消毒物品的重量。體積信息和重量信息可以計算出消毒物品的質(zhì)地。將消毒物品大小和重量換算成紫外線強度控制、臭氧濃度控制和消毒時間控制。實現(xiàn)高效精準(zhǔn)殺菌消毒。也可以手動控制紫外線強度、臭氧濃度和消毒時間。組合設(shè)計，一鍵控制，操作簡單。

采用折疊、撐開結(jié)構(gòu)，折合即成一本16開的書，便于收納和出行攜帶。打開即成一個微型消毒倉。消毒倉由底座盒子、內(nèi)撐金屬骨架和內(nèi)反光布罩組成。石英紫外線光管、臭氧發(fā)生器、可折疊金屬骨架、開關(guān)及控制器均安裝在底座盒子里。內(nèi)帶反光涂層且不透光的布罩下端連著底座盒子，頂部有可打開的布罩蓋子。外觀結(jié)構(gòu)如圖1：

該智能微型消毒倉專門為集體宿舍女生和出差女性設(shè)計，女性可以很方便地將內(nèi)褲和紙巾放置在倉內(nèi)消毒，消毒一次可以使用一周。消毒倉對細(xì)菌、病毒等微生物殺滅率在99.99%水平，可以使得女性敏感部位衣物絕對處于無菌狀態(tài)。阻斷女性炎癥傳播，提高女大學(xué)生健康水平。持外，本消毒倉也可以用于兒童手絹、嬰兒內(nèi)衣消毒，還可以用于即食水果消毒等。適用人群基數(shù)大兩億人，具有良好的市場前景。

參考文獻(xiàn)：

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