纳米光触媒在医用中心负压吸引系统废气净化排放中的应用研究
引言
医用中心负压吸引系统由负压吸引站的真空泵机组作为负压源，通过真空泵的抽吸使吸引系统管路达到所需的-0.02～-0.07 mPa负压值，在手术室、抢救室、治疗室和各病房的终端处产生吸力，用于吸除病人体内的痰、血、脓及其他污染物，其吸出物含有大量病菌，且大部分为传染性病菌，如何系统处理这些带有病菌的废气，是我们亟待研究解决的问题。
多数医院中心负压吸引系统排放口在真空站房室内，且很多医院的负压站房建在负一层，废气很难引至室外排放；有的医院虽然排放口在负压站房室外，但任由含菌气体自然排放，严重污染周围环境。医用中心负压吸引系统含菌气体排放现状应该引起医疗机构与监管部门的高度重视。造成中心负压吸引系统有害气体排放难以处理的原因还有以下几点：
（1）没有制定相关规范，或规范不明确。中心负压吸引系统纳入医疗器械监管后，行业标准《YY/T 0186-1994》[1]医用中心吸引系统通用技术条件（见YY/T 0186-1994，4.2.6由排放口所排出的空气，每立方米细菌数量不得超过500个），末对系统废气放排方式作规定，而国标《GB50751-2012》[2]医用气体工程技术规范仅对排放口的位置作了限制，且仅对系统采用被动性规避式有害排放（见GB50751-2012，4.4.4.4排放口位于室外，不得与医用空气进气口位于同一高度，且与建筑物的门窗、其他开口的距离不少于3 m；4.4.4.5排气口气体的发散不应受季风、附件建筑、地形及其他因素的影响，排出的气体不应转移至其他人员工作或生活区域）。
（2）中心吸引真空泵排气端不能有气阻的技术特点束缚了污染气体的净化处理，除尘式过滤与活性炭过滤都很难用于吸引真空泵排气端。
（3）医院感染管理多为临床人员，很难关注到真空站房，而负压吸引系统的建设、运行与管理多为设备人员，很难关注到传染源的问题，由此造成了专业结合时的盲区。
（4）传统的除尘式空气处理如高密度滤网、滤芯、滤袋以及活性炭，气阻过大，而且使用寿命短，需经常更换，维护困难，运行成本高。
为筛选出有效的中心吸引系统废气净化处理技术，研究比较了几种空气净化、杀菌、消毒方式（表1）。通过研究发现，纳米光触媒介质对排放气体净化有非常好的效果，所以本文采用这种方式用于中心负压吸引系统废气净化排放研究。
1 材料与方法
目前对空气净化处理技术主要有两种：一种是除尘式净化，净化对象是尘埃，以空气中尘埃粒子的多少为评判标准；另一种是除菌式净化，净化对象是有机粒子，以空气中含菌量作为评判标准，本文涉及的均指除菌式净化。
1.1 纳米光触媒对中心负压吸引系统排放的废气进行净化处理的进展及具体方法
纳米光触媒对中心负压吸引系统排放的废气进行净化处理是笔者和安徽泓瑞公司最新开发的技术成果，已经获得国家发明专利（专利号：CN105214124B）。
具体方法：在中心吸引站房气水分离器的排气管末端置入一个纳米光触媒净化箱，废气经纳米光触媒净化箱净化处理后排放。净化排放系统装置图，如图1所示。进入净化箱废气引管11将污染废气送入净化箱7，经充分净化处理后由排气口9排出。气体净化装置釆用纳米光触媒催化技术[3]，具有杀菌能力强，能对气体中各种有害物质进行分解而本身不消耗、不退化。
1.2 光触媒作用机理
光触媒（Photocatalyst）是光（Photo/Light）+触媒（催化剂，catalyst）的合成词。光触媒并不是一种物质，而是指的一种光能转变为化学物质的过程和现象[4]。它包括三个要点，即光、光触媒材料和光触媒材料的载体。一般我们所说的光触媒就是指的光触媒材料（下文中也采用这种说法）。作为光触媒材料的物质有很多种，目前二氧化钛[5]被认为是最有前途的绿色环保型光催化剂。光触媒纳米材料在光的照射下，把光能转变成化学能，促进有机物的合成或使有机物降解的过程[6-9]。
图1 医用负压吸引净化排放系统装置图
注：1. 引自病房的吸引总管；2. 细菌过滤器；3. 负压缓冲罐；4. 连接管道；5. 负压泵；6. 汽水分离器；7. 净化箱体；8. 避震喉；9. 净化后的气体排放口；10. 排风扇；11. 进入净化箱废气引管。
其作用机理是：光触媒在紫外光照射下，价带电子被激发到导带，形成了电子和空穴，与其表面的O2和H2O作用，生成超氧化物阴离子自由基O2-和羟基自由基-OH，其自由基具有很强的氧化分解能力，能破坏有机物中的C-C键、C-H键、C-N键、C-O键、O-H键、N-H键，将有机物分解为CO2与H2O，同时破坏细菌的细胞膜，固化病毒的蛋白质，改变细菌、病毒的生存环境，从而杀死细菌、病毒，并有效分解霉菌；通过氢氧自由基分解气体中的有机物气体，除去空气中的臭味；对空气中的甲醛、苯、氨及其他挥发性有机化合物有强大的氧化分解作用，使之变为CO2和H2O，从而达到净化空气的效果[10]；光触媒还能释放氧负离子，还人们一个真正绿色的生存环境[11]。由于光触媒涂层的高亲水性，可形成防雾涂层，同时由于其强大的氧化作用，可在一定程度上氧化掉表面的油污，保持自身清洁。二氧化钛光触媒具有吸收紫外线的特性，可使被涂面免遭紫外线的老化作用，大大延长被涂面的使用寿命。
表1 几种空气净化介质比较
介质 功能 技术特点 优势 劣势 效果紫外线杀菌灯利用紫外线的杀毒、杀菌功能起净化空气的作用波长为254 nm和285 nm的紫外线能起很好的杀菌效果，但较难控制有一定的杀菌功效在杀菌的同时对人体也产生了一定的伤害一定的杀菌功能，但对有害气体没有分解作用臭氧杀菌器利用臭氧的杀菌功能浓度达到0.1 PPM以上，可起杀菌、除异味作用有杀菌、除异味的作用浓度超过0.15 PPM会发生恶臭，并温度超过30℃，可能致癌对浓度难以控制，目前较少使用活性炭 能吸附挥发性有机物持久性差，需定期更换 吸附，细菌毒素仍残留纳米光触媒物理吸附 初期反应速度快高效杀菌、灭菌、除臭、分解甲醛、苯等有机物纳米光触媒催化技术 超强净化，高效耐用无超强抗菌杀菌能力，能有效分解有害气体，除臭、消毒
2 纳米光触媒净化装置研究
2.1 纳米光触媒净化装置结构
纳米光触媒净化箱为一密闭的空间，内由气体导流板、分层净化区域、出口排风机组成。综合利用紫外线灭菌、光触媒光催化杀菌、活性炭吸附技术使箱内气体得到净化。净化箱采用三道紫外线光源，二层双面光触媒网板（相当于3层光触媒板）与一层活性炭滤网板构造，如图2所示。
图2 纳米光触媒净化装置内部结构及气体净化气流流向图
注：1. 废气进口；2. 预处理紫外线照射区；3～5. 紫外线灯；6～7. 双面光触媒网板；8. 活性炭滤网板；9. 出口排风机；10.导流板；11. 预排区；12. 箱体。A～D为气体净化气流流向区域。
2.2 气体净化流程
医用中心负压吸引系统排放的污染气体由入口1进入净化箱A室，气体在A室受到强紫外线光源3的捕杀，经光触媒网板6流进入B室，因为网板6受到光源3的激发，有害的有机物质穿过网板6时，会被分解成CO2和H2O。由于气体流动速度造成网板6对有害物质分解不彻够底，箱内紫外线光源4与光触媒网板6和7组成净化B室进一步消灭剩余的有害物质。气体由B室流向C室时经紫外线光源5与光触媒7再次消灭剩余的有害物质。最后气体由C室流向D室时，经活性炭板彻底吸附有害残余，使得进入的污染气体净化为干净无味的气体由排风机9排出，使得排出的气体净化率大于90%。
2.3 效果评价
2.3.1 净化度
为了衡量空气处理装置对空气处理效果，把净化度（Q）作为衡量空气处理装置、产品、材料与技术方法的指标，见公式(1)。
其中，Q为净化度，C为出口1 m3气体含菌量，R为入口1 m3气体含菌量。废气处理装置对气体的处理程度用出口气体杂质含量与入口气体杂质含的比值来评价。
2.3.2 影响净化度（Q）的因数
净化度（Q）与下列参数有关：
（1）光触媒网板层数（N）。气体通过1层光触媒网板和通过多层光触媒网板所得到的净化程度是不同的，层数越多，净化程度越高。换句话说，气体循环流过光触媒网板的次数越多，气体净化的程度越高。通过实验得到不同层数下气体被净化的数值（表2）。由表2可见，当光触媒网板层数达到4层后，再増加层数，则净化效果增加不明显。当光照理想，气体流速足够时，四层光触网板灭菌率达98%，能达到理想的净化效果。
表2 Q值与光触媒层数（N）关系
N (层) C (个/m³) R (个/m³) Q值1 371 1000 0.63 2 139 1000 0.86 3 49 1000 0.95 4 21 1000 0.98 5 11 1000 0.99
（2）光功率（紫外线照射强度）。不同波长的光源与光照强度对光触媒网板催化作用是不同的[12]，当箱体一定时，我们用380 nm以下光源的光功率来衡量光对触媒网板的催化作用，光功率越大，废气净化程度越高。夏季室外太阳光中紫外线照射强度可达0.5～0.6 mW/cm2，春秋季平均在0.3～0.4 mW/cm2之间，冬季平均在0.2～0.3 mW/cm2。而光触媒材料在0.02 mW/cm2照射强度下就能被催化，0.205 mW/cm2可达到全面催化。当照射强度超过春秋季太阳光剂量时，达到催化过剩，称之为光线饱和，也就是光触媒材料已被充分催化，再增加照射强度不会改变净化效果。下列是可充作光源用的紫处线杀菌灯的功率与照射强度一览表[13]，见表3和表4。
表3 GB19258-2003双端紫外线杀菌灯紫外线辐射照度额定值
注：紫外线辐射照度的测定距离为1.000 m。
标称功率(W) 4 6 8 13 15 18 20 30 36 40辐射照度(µW/cm2) 12 18 28 41 44 66 75107 110117
表4 GB19258-2003单端紫外线杀菌灯紫外线辐射照度额定值
注：紫外线辐射照度的测定距离为1.000 m。
标称功率(W) 7 9 11 18 24 36 55 (T5)辐射照度(µW/cm2) 16 23 38 57 94 147 170
（3）气体流速。气体以不同的速度流经光触媒网板时，网板对气体中有机物分解率是不同的。流速为0时，光触媒网板对气体中有机物分解率达100%；流速为无穷大时，光触媒网板对气体中有机物分解率就是零。气体流速用m/s来衡量。
2.3.3 净化程度关系式
当纳米光触媒材料一定时，经研究纳米光触媒废气处理装置对废气处理的净化程度关系式为：
纳米光触媒净化技术中气体净化程度（J）与气体通过纳米光触媒网板的流速（V）成反比；在不饱和光照下，与纳米光触媒材料受到紫外光激发光功率（W）成正比；与纳米光触媒网板层数对应的Q值成正比（本发明中纳米光触媒层为3层，Q=0.95）。
3 结论与探讨
纳米光触媒技术常用于空气净化[14]和污水处理[15]等方面，我们将其设计成纳米光触媒净化装置，用于医院中心负压吸引系统的废气排放净化处理，可操作性强，净化废气充分、安全、高效、可靠，具有创新性。本净化装置使用紫外光灯与光触媒催化复合洁净技术[16]，具有净化空气能力强、效果持久稳定、无二次污染、维持费用低、操作简单等优越性[17-18]，使中心吸引系统废气高度净化后排放，达到安全环保的目的。
在一年多的数据测试中，我们得出的数据并非100%准确，这与纳米光触媒净化装置的使用环境有关系，如机房本身面积较小、散热不好、紫外线灯管老化损坏、机房的电压不稳定导致紫外线的光功率波动等均会影响测试效果，从而得出的结论有偏差。
此外，我们发明的纳米光触媒净化装置，不仅只应用于医用负压吸引系统气体的排放净化，还可应用于大型化工厂的可集中回收尾气、手术室的麻醉回收气体、其他有毒有害气体的集中净化排放等等，为可集中处理的气体净化排放提供了创新思路、合理途径和重要方法。
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