氣體二氧化氯空間消毒動力學(xué)模型及消毒條件監(jiān)測技術(shù)研究.pdf

1、近年來，埃博拉出血熱、中東呼吸綜合征、重癥急性呼吸綜合征等烈性傳染病的流行受到了全世界的高度關(guān)注。這些烈性傳染病的爆發(fā)和傳播嚴(yán)重威脅人類生命安全，引發(fā)公共衛(wèi)生安全風(fēng)險?？臻g消毒是切斷傳染病傳播途徑，防止交叉感染，保證人員安全的重要措施。因此，發(fā)展可實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)空氣和物體表面徹底消毒的高效消毒技術(shù)是十分必要的。
　　與液體消毒劑相比，氣體消毒劑具有處理面積大、穿透能力強(qiáng)、操作方便等優(yōu)勢，更適用于空間消毒。其中，氣體二氧化氯具有強(qiáng)氧化性

2、，無致癌、致畸性，具有快速、高效、安全、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種具有寬廣前景的新型消毒氣體。但目前國內(nèi)外氣體二氧化氯消毒技術(shù)的研究主要在于對應(yīng)用效果的評價，而對消毒歷程、消毒動力學(xué)行為和消毒機(jī)理的研究較少，關(guān)鍵因素對氣體二氧化氯消毒效果的影響規(guī)律還不明晰，使得該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中缺少預(yù)測消毒效果、設(shè)計有效消毒條件的理論依據(jù)。因此，有必要建立氣體二氧化氯空間消毒動力學(xué)模型，并基于此深入研究氣體二氧化氯的消毒歷程以及關(guān)鍵因素對消毒效果的影響規(guī)

3、律和作用機(jī)理。此外，由于環(huán)境濕度等關(guān)鍵因素對消毒效率具有顯著影響，消毒條件監(jiān)測也是氣體二氧化氯消毒的關(guān)鍵技術(shù)，解決氣體二氧化氯消毒環(huán)境中消毒條件監(jiān)測的難題具有十分重要的意義。
　　本研究基于氣體二氧化氯空間消毒實(shí)驗(yàn)平臺，建立了氣體二氧化氯空間消毒動力學(xué)模型和基于響應(yīng)面法的氣體二氧化氯空間消毒多因素預(yù)測模型，并探究了氣體濃度、環(huán)境濕度、消毒時間等關(guān)鍵因素對消毒歷程的影響規(guī)律和作用機(jī)理，為評價消毒效果、指導(dǎo)消毒實(shí)踐提供了理論依據(jù)。另外

4、，基于可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)，開展了氣體二氧化氯消毒條件監(jiān)測技術(shù)研究，建立了基于TDLAS技術(shù)的消毒環(huán)境溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對消毒環(huán)境溫濕度的在線、準(zhǔn)確、可靠監(jiān)測，為氣體二氧化氯空間消毒技術(shù)與裝備的應(yīng)用推廣提供了技術(shù)保障。
　　開展了氣體二氧化氯空間消毒實(shí)驗(yàn)平臺與方法研究。依據(jù)開展氣體二氧化氯空間消毒實(shí)驗(yàn)研究的需求，建立了氣體二氧化氯空間消毒實(shí)驗(yàn)平臺，平臺具有很好的氣密性，能夠?qū)崿F(xiàn)空間環(huán)境的實(shí)際模擬、消毒條件

5、的在線監(jiān)測和消毒氣體的持續(xù)發(fā)生。建立了氣體二氧化氯空間消毒實(shí)驗(yàn)方法，確定了具有代表性的指示微生物，明確了生物指示劑制備方法、空間消毒實(shí)驗(yàn)流程以及細(xì)菌洗脫計數(shù)方法。實(shí)驗(yàn)平臺與方法的研究為氣體二氧化氯空間消毒實(shí)驗(yàn)提供了標(biāo)準(zhǔn)的空間環(huán)境、理想的消毒條件、安全的操作方式和規(guī)范的實(shí)驗(yàn)方法，是本研究重要的硬件基礎(chǔ)與技術(shù)保障。
　　基于氣體二氧化氯空間消毒實(shí)驗(yàn)平臺，開展了氣體二氧化氯空間消毒動力學(xué)模型研究。首先，在不同氣體濃度下進(jìn)行了氣體二氧化氯

6、對枯草桿菌黑色變種芽孢（以下簡稱為枯黑芽孢）和白色葡萄球菌的消毒實(shí)驗(yàn)研究，并基于一階線性模型和Hom、Weibull、I-Q等五種非線性模型分別建立了不同氣體濃度下的消毒動力學(xué)模型。結(jié)果表明，Weibull模型與其他模型相比具有公式簡潔、參數(shù)意義明確、擬合度高等優(yōu)點(diǎn)；氣體二氧化氯對微生物的滅活速率隨著氣體濃度的增加而增加；氣體二氧化氯對芽孢和細(xì)菌繁殖體的滅活均是非線性的過程，芽孢的存活曲線為肩峰形狀，滅活速率先慢后快，而細(xì)菌繁殖體則為拖

7、尾形狀，滅活速率先快后慢；與細(xì)菌繁殖體相比，芽孢對氣體二氧化氯具有更強(qiáng)的抵抗力，達(dá)到滅菌保證水平的預(yù)測消毒時間更長。
　　然后，在不同相對濕度下進(jìn)行了氣體二氧化氯對枯黑芽孢和白色葡萄球菌的消毒實(shí)驗(yàn)研究。以Weibull模型為基準(zhǔn)模型，提出了含濕度系數(shù)的Weibull-H模型，并分別利用該模型和一階線性模型對消毒實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了擬合。結(jié)果表明， Weibull-H模型與一階線性模型相比對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有更高的擬合度；氣體二氧化氯對微生物的

8、消毒效率同樣隨相對濕度的增加而增加；相對濕度對微生物滅活速率的影響是非線性的，在70％-90%的高濕環(huán)境下氣體二氧化氯的消毒效率具有顯著提升；與細(xì)菌繁殖體相比，高濕環(huán)境對芽孢滅活的促進(jìn)作用更為明顯。
　　在單因素實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，為研究多因素之間的交互作用，并預(yù)測多因素共同作用下氣體二氧化氯的消毒效果，開展了基于響應(yīng)面法的氣體二氧化氯空間消毒多因素預(yù)測模型研究?；贐ox-Behnken中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計，建立了以氣體濃度、相對濕度

9、和消毒時間為實(shí)驗(yàn)因素的多元二次回歸預(yù)測模型。結(jié)果表明，預(yù)測模型具有較高的擬合度和預(yù)測準(zhǔn)確度，決定系數(shù) R2為0.99；增加氣體濃度、環(huán)境濕度和消毒時間均能有效提高微生物的滅活速率，氣體濃度與環(huán)境濕度、環(huán)境濕度與消毒時間之間的交互作用分別存在協(xié)同效應(yīng)。預(yù)測模型提供了不同消毒條件下的響應(yīng)面和相應(yīng)的等高線，能夠有效預(yù)測多因素共同作用下達(dá)到滅菌保證水平的消毒條件，為氣體二氧化氯消毒的實(shí)際應(yīng)用提供了指導(dǎo)和參考。
　　為評價氣體二氧化氯對典型

10、生物安全設(shè)備的消毒效果和對 HEPA過濾器的穿透能力，同時進(jìn)一步驗(yàn)證消毒動力學(xué)模型和多因素預(yù)測模型的實(shí)際應(yīng)用效果，開展了氣體二氧化氯空間消毒應(yīng)用研究與模型驗(yàn)證。使用基于二元固體制劑的氣體二氧化氯發(fā)生技術(shù)與便攜式消毒裝置，分別對生物安全柜和高效空氣過濾單元開展了消毒評價實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，氣體二氧化氯能夠?qū)崿F(xiàn)生物安全柜和高效空氣過濾單元的徹底消毒，采用壓力擴(kuò)散或主動循環(huán)的方式均能使氣體二氧化氯有效地穿透HEPA過濾器并完成過濾器下游區(qū)域的徹底

11、消毒，而且主動循環(huán)與壓力擴(kuò)散相比具有更快的穿透速度和更高的消毒效率。兩類模型的預(yù)測結(jié)果與實(shí)際消毒結(jié)果一致，多因素預(yù)測模型與消毒動力學(xué)模型相比具有更高的準(zhǔn)確性和更廣的適用范圍。
　　開展了基于TDLAS技術(shù)的氣體二氧化氯消毒條件監(jiān)測技術(shù)研究。建立了消毒環(huán)境溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，該監(jiān)測系統(tǒng)使用中心波長位于1370 nm的可調(diào)諧激光器作為光源，開發(fā)在線監(jiān)測式氣室作為氣體吸收池，使用光電探測器采集含有水氣含量信息的光信號并將光信號傳入接收與處理

12、系統(tǒng)進(jìn)行后處理，基于水氣吸收譜線的一次諧波信號進(jìn)行消毒環(huán)境相對濕度的反演計算，并基于氣室側(cè)壁的數(shù)字溫度傳感器監(jiān)測消毒環(huán)境溫度。對該監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定和性能測試實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，基于TDLAS技術(shù)的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)具有良好的精度，能適用于不同條件下的氣體二氧化氯消毒環(huán)境，與傳統(tǒng)的電子式溫濕度傳感器相比具有更好的穩(wěn)定性和耐腐蝕性，提供了一種在氣體二氧化氯消毒環(huán)境或其它腐蝕環(huán)境下在線、可靠、準(zhǔn)確監(jiān)測溫濕度的新方法。
　　綜上所述，本研究開展

13、了不同條件下的氣體二氧化氯空間消毒實(shí)驗(yàn)，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了多種消毒動力學(xué)模型和多因素預(yù)測模型，完成了氣體二氧化氯對典型生物安全設(shè)備的消毒評價實(shí)驗(yàn)，并基于此實(shí)驗(yàn)結(jié)果對上述兩類模型進(jìn)行了準(zhǔn)確性和實(shí)用性驗(yàn)證，此外還建立了基于 TDLAS技術(shù)的消毒環(huán)境溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。通過上述研究，揭示了氣體二氧化氯對芽孢和細(xì)菌繁殖體的非線性消毒歷程以及消毒動力學(xué)行為，明確了各個關(guān)鍵因素及其交互作用對消毒效果的影響規(guī)律和作用機(jī)理，提供了達(dá)到滅菌保證水平的預(yù)測消毒