納米光觸媒在醫用中心負壓吸引系統廢氣凈化排放中的應用研究

陶長龍

安徽醫科大學滁州臨床學院 滁州市第一人民醫院 醫學工程部，安徽 滁州 239000

引言

醫用中心負壓吸引系統由負壓吸引站的真空泵機組作為負壓源，通過真空泵的抽吸使吸引系統管路達到所需的-0.02～-0.07 mPa負壓值，在手術室、搶救室、治療室和各病房的終端處產生吸力，用于吸除病人體內的痰、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，如何系統處理這些帶有病菌的廢氣，是我們亟待研究解決的問題。

多數醫院中心負壓吸引系統排放口在真空站房室內，且很多醫院的負壓站房建在負一層，廢氣很難引至室外排放；有的醫院雖然排放口在負壓站房室外，但任由含菌氣體自然排放，嚴重污染周圍環境。醫用中心負壓吸引系統含菌氣體排放現狀應該引起醫療機構與監管部門的高度重視。造成中心負壓吸引系統有害氣體排放難以處理的原因還有以下幾點：

（1）沒有制定相關規范，或規范不明確。中心負壓吸引系統納入醫療器械監管后，行業標準《YY/T 0186-1994》[1]醫用中心吸引系統通用技術條件（見YY/T 0186-1994，4.2.6由排放口所排出的空氣，每立方米細菌數量不得超過500個），末對系統廢氣放排方式作規定，而國標《GB50751-2012》[2]醫用氣體工程技術規范僅對排放口的位置作了限制，且僅對系統采用被動性規避式有害排放（見GB50751-2012，4.4.4.4排放口位于室外，不得與醫用空氣進氣口位于同一高度，且與建筑物的門窗、其他開口的距離不少于3 m；4.4.4.5排氣口氣體的發散不應受季風、附件建筑、地形及其他因素的影響，排出的氣體不應轉移至其他人員工作或生活區域）。

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

（3）醫院感染管理多為臨床人員，很難關注到真空站房，而負壓吸引系統的建設、運行與管理多為設備人員，很難關注到傳染源的問題，由此造成了專業結合時的盲區。

（4）傳統的除塵式空氣處理如高密度濾網、濾芯、濾袋以及活性炭，氣阻過大，而且使用壽命短，需經常更換，維護困難，運行成本高。

為篩選出有效的中心吸引系統廢氣凈化處理技術，研究比較了幾種空氣凈化、殺菌、消毒方式（表1）。通過研究發現，納米光觸媒介質對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壓吸引系統廢氣凈化排放研究。

1 材料與方法

目前對空氣凈化處理技術主要有兩種：一種是除塵式凈化，凈化對象是塵埃，以空氣中塵埃粒子的多少為評判標準；另一種是除菌式凈化，凈化對象是有機粒子，以空氣中含菌量作為評判標準，本文涉及的均指除菌式凈化。

1.1 納米光觸媒對中心負壓吸引系統排放的廢氣進行凈化處理的進展及具體方法

納米光觸媒對中心負壓吸引系統排放的廢氣進行凈化處理是筆者和安徽泓瑞公司最新開發的技術成果，已經獲得國家發明專利（專利號：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納米光觸媒凈化箱，廢氣經納米光觸媒凈化箱凈化處理后排放。凈化排放系統裝置圖，如圖1所示。進入凈化箱廢氣引管11將污染廢氣送入凈化箱7，經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[3]，具有殺菌能力強，能對氣體中各種有害物質進行分解而本身不消耗、不退化。

1.2 光觸媒作用機理

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，而是指的一種光能轉變為化學物質的過程和現象[4]。它包括三個要點，即光、光觸媒材料和光觸媒材料的載體。一般我們所說的光觸媒就是指的光觸媒材料（下文中也采用這種說法）。作為光觸媒材料的物質有很多種，目前二氧化鈦[5]被認為是最有前途的綠色環保型光催化劑。光觸媒納米材料在光的照射下，把光能轉變成化學能，促進有機物的合成或使有機物降解的過程[6-9]。

圖1 醫用負壓吸引凈化排放系統裝置圖

其作用機理是：光觸媒在紫外光照射下，價帶電子被激發到導帶，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，其自由基具有很強的氧化分解能力，能破壞有機物中的C-C鍵、C-H鍵、C-N鍵、C-O鍵、O-H鍵、N-H鍵，將有機物分解為CO2與H2O，同時破壞細菌的細胞膜，固化病毒的蛋白質，改變細菌、病毒的生存環境，從而殺死細菌、病毒，并有效分解霉菌；通過氫氧自由基分解氣體中的有機物氣體，除去空氣中的臭味；對空氣中的甲醛、苯、氨及其他揮發性有機化合物有強大的氧化分解作用，使之變為CO2和H2O，從而達到凈化空氣的效果[10]；光觸媒還能釋放氧負離子，還人們一個真正綠色的生存環境[11]。由于光觸媒涂層的高親水性，可形成防霧涂層，同時由于其強大的氧化作用，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，大大延長被涂面的使用壽命。

表1 幾種空氣凈化介質比較

2 納米光觸媒凈化裝置研究

2.1 納米光觸媒凈化裝置結構

納米光觸媒凈化箱為一密閉的空間，內由氣體導流板、分層凈化區域、出口排風機組成。綜合利用紫外線滅菌、光觸媒光催化殺菌、活性炭吸附技術使箱內氣體得到凈化。凈化箱采用三道紫外線光源，二層雙面光觸媒網板（相當于3層光觸媒板）與一層活性炭濾網板構造，如圖2所示。

圖2 納米光觸媒凈化裝置內部結構及氣體凈化氣流流向圖

2.2 氣體凈化流程

醫用中心負壓吸引系統排放的污染氣體由入口1進入凈化箱A室，氣體在A室受到強紫外線光源3的捕殺，經光觸媒網板6流進入B室，因為網板6受到光源3的激發，有害的有機物質穿過網板6時，會被分解成CO2和H2O。由于氣體流動速度造成網板6對有害物質分解不徹夠底，箱內紫外線光源4與光觸媒網板6和7組成凈化B室進一步消滅剩余的有害物質。氣體由B室流向C室時經紫外線光源5與光觸媒7再次消滅剩余的有害物質。最后氣體由C室流向D室時，經活性炭板徹底吸附有害殘余，使得進入的污染氣體凈化為干凈無味的氣體由排風機9排出，使得排出的氣體凈化率大于90%。

2.3 效果評價

2.3.1 凈化度

為了衡量空氣處理裝置對空氣處理效果，把凈化度（Q）作為衡量空氣處理裝置、產品、材料與技術方法的指標，見公式(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。廢氣處理裝置對氣體的處理程度用出口氣體雜質含量與入口氣體雜質含的比值來評價。

2.3.2 影響凈化度（Q）的因數

凈化度（Q）與下列參數有關：

（1）光觸媒網板層數（N）。氣體通過1層光觸媒網板和通過多層光觸媒網板所得到的凈化程度是不同的，層數越多，凈化程度越高。換句話說，氣體循環流過光觸媒網板的次數越多，氣體凈化的程度越高。通過實驗得到不同層數下氣體被凈化的數值（表2）。由表2可見，當光觸媒網板層數達到4層后，再増加層數，則凈化效果增加不明顯。當光照理想，氣體流速足夠時，四層光觸網板滅菌率達98%，能達到理想的凈化效果。

表2 Q值與光觸媒層數（N）關系

（2）光功率（紫外線照射強度）。不同波長的光源與光照強度對光觸媒網板催化作用是不同的[12]，當箱體一定時，我們用380 nm以下光源的光功率來衡量光對觸媒網板的催化作用，光功率越大，廢氣凈化程度越高。夏季室外太陽光中紫外線照射強度可達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照射強度下就能被催化，0.205 mW/cm2可達到全面催化。當照射強度超過春秋季太陽光劑量時，達到催化過剩，稱之為光線飽和，也就是光觸媒材料已被充分催化，再增加照射強度不會改變凈化效果。下列是可充作光源用的紫處線殺菌燈的功率與照射強度一覽表[13]，見表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光觸媒網板時，網板對氣體中有機物分解率是不同的。流速為0時，光觸媒網板對氣體中有機物分解率達100%；流速為無窮大時，光觸媒網板對氣體中有機物分解率就是零。氣體流速用m/s來衡量。

2.3.3 凈化程度關系式

當納米光觸媒材料一定時，經研究納米光觸媒廢氣處理裝置對廢氣處理的凈化程度關系式為：

納米光觸媒凈化技術中氣體凈化程度（J）與氣體通過納米光觸媒網板的流速（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光功率（W）成正比；與納米光觸媒網板層數對應的Q值成正比（本發明中納米光觸媒層為3層，Q=0.95）。

3 結論與探討

納米光觸媒技術常用于空氣凈化[14]和污水處理[15]等方面，我們將其設計成納米光觸媒凈化裝置，用于醫院中心負壓吸引系統的廢氣排放凈化處理，可操作性強，凈化廢氣充分、安全、高效、可靠，具有創新性。本凈化裝置使用紫外光燈與光觸媒催化復合潔凈技術[16]，具有凈化空氣能力強、效果持久穩定、無二次污染、維持費用低、操作簡單等優越性[17-18]，使中心吸引系統廢氣高度凈化后排放，達到安全環保的目的。

在一年多的數據測試中，我們得出的數據并非100%準確，這與納米光觸媒凈化裝置的使用環境有關系，如機房本身面積較小、散熱不好、紫外線燈管老化損壞、機房的電壓不穩定導致紫外線的光功率波動等均會影響測試效果，從而得出的結論有偏差。

此外，我們發明的納米光觸媒凈化裝置，不僅只應用于醫用負壓吸引系統氣體的排放凈化，還可應用于大型化工廠的可集中回收尾氣、手術室的麻醉回收氣體、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新思路、合理途徑和重要方法。