一种电化学消杀新型冠状病毒的装置与方法

技术领域

本发明涉及电化学技术领域，具体涉及一种电化学消杀新型冠状病毒的装置与方法。

背景技术

由SARS-CoV-2病毒引起的新冠肺炎疫情(COVID-19)给全人类的生命安全带来巨大的挑战。正确佩戴口罩、社会隔离、及时消毒处理能够很大程度地阻断病毒传播从而保障公共卫生安全。国家卫健委在《新型冠状病毒肺炎诊疗方案(试行第八版)》中指出，引起新冠肺炎的SARS-CoV-2病毒的主要传播途径是“经呼吸道飞沫和密切接触传播”。目前，在定点医院、隔离场所以及冷链物流产生大量携带新冠病毒的气溶胶和废水，具有很高的传染性。更为重要的是，SARS-CoV-2病毒能够在污水中存活数天之久(Nat.Sustain.2020,3,981；Nat.Biotechnol.2020,38,1164)。

因此，对气溶胶及废水中新冠病毒的消杀是阻断病毒传播的关键。目前，主要采用含氯消毒剂(J.Oral.Maxillofac.Surg.2020,78,1461)、紫外光照射(ACS Nano 2020,14,7704)等方法对环境中的病毒进行消杀。然而，在疫情防控常态化的趋势下，含氯消毒剂的大量使用会给生态环境带来了严重污染(Science 2020,368,146)。因此，迫切需要开发一种绿色、高效的新冠病毒灭活方法。

发明内容

基于以上技术问题，本发明提出了一种电化学消杀新型冠状病毒的装置与方法，利用装置电解过程中阳极产生的活性氧物种实现对新冠病毒的彻底消杀，其灭活效率可达99.98％以上，且不排放其他有毒污染物质，具有绿色、高效和易于操作的特点。

本发明采用的技术手段如下：

一种电化学消杀新型冠状病毒的装置，包括壳体、电解槽和进样系统，壳体外底部设有底座；壳体内部竖直方向上设有挡板，将内腔分为腔室Ⅰ和腔室Ⅱ；

腔室Ⅰ底部设有电解槽，顶部设有出样口；出样口下方设有过滤膜Ⅰ，过滤膜Ⅰ长度大于出样口，气体经过滤膜Ⅰ从出样口排出；电解槽与过滤膜Ⅰ之间由下至上分别设有一级过滤挡板、二级过滤挡板和三级过滤挡板，每级过滤挡板间隔10～12mm；

一级过滤挡板一端与挡板连接，另一端距离挡板对侧壳体8～10mm；二级过滤挡板一端与挡板对侧壳体连接，另一端距离挡板8～10mm；三级过滤挡板一端与挡板连接，另一端距离挡板对侧壳体8～10mm；电解产生的气泡可能会携带一部分液体，当气泡上升时，气泡从过滤挡板与腔室Ⅰ内壁间的空隙通过，依次与一级过滤挡板、二级过滤挡板和三级过滤挡板接触，气泡携带的液体则通过过滤挡板留在电解槽内；

电解槽的阴极与阳极之间设有离子交换膜，将电解槽分为阴极区和阳极区；阴极和阳极分别与电极接线柱相连，电极接线柱外接电源；

腔室Ⅱ内设有过滤腔与进样系统；过滤腔在腔室Ⅱ内竖直方向上设置，侧壁设有进样口，进样口对侧壁底部设有开口；过滤腔内部设有过滤膜Ⅱ；进样系统包括进样管路；进样管路一端与过滤腔的开口连通，另一端设有端口；端口位于电解槽的阳极区，朝向阳极，与阳极距离为10～20mm。

进一步地，进样系统还包括机械泵和单向阀；单向阀保障进样由腔室Ⅱ至腔室Ⅰ中阳极处，可防止管路倒流；机械泵用于控制进样流速；过滤腔的开口通过进样管路依次与机械泵、单向阀连通；

进一步地，电解槽的阴极和阳极为高活性的整体式电极；所述整体式电极为泡沫铁、泡沫镍、泡沫铜、泡沫铁镍、碳纤维布或钛网中任意一种，或者所述整体式电极为在泡沫铁、泡沫镍、泡沫铜、泡沫铁镍、碳纤维布或钛网其中一种的表面原位生长相应的硫化物、氮化物、磷化物、氧化物或石墨烯封装金属中至少一种物质的电极。

进一步地，过滤膜Ⅰ与过滤膜Ⅱ独立的为聚四氟乙烯PTFE、聚偏氟乙烯PVDF、聚碳酸酯PCTE、聚乙烯PE、聚丙烯PP、玻璃纤维Whatman或石英纤维中的至少一种；过滤膜Ⅰ与过滤膜Ⅱ的孔径为0.1～10μm。

进一步地，电解槽体积为10mL～10L；阴极和阳极的面积为1～400cm

本发明还提供一种电化学消杀新型冠状病毒的方法，包括以下步骤：

(1)将整体式电极作为阴阳两极插入电解液液面以下，连接好电极接线柱；

(2)通过机械泵将携带新冠病毒的气溶胶或废水经过滤膜Ⅱ初步过滤后，鼓入电解槽阳极处；

(3)开始电解，利用电解过程中阳极原位产生的活性氧物种实现对新冠病毒的消杀。

进一步地，电解液为无机盐电解液；无机盐电解液中的金属阳离子为钠、镁、铝、钾或钙中的至少一种；无机盐为所述金属阳离子的硝酸盐、硫酸盐、氯化盐、碳酸盐、碳酸氢盐、磷酸盐、磷酸氢盐或醋酸盐中的至少一种。

进一步地，无机盐电解液浓度为0.01～10mol/L；二种以上金属阳离子盐中任意两种金属阳离子盐的摩尔比为1:20～20:1。

进一步地，机械泵流速为10～500ml/min。

进一步地，电解可采用恒流模式或恒压模式；恒流模式的电流≤10A；恒压模式的电压≤30V。

本发明还提供一种电化学消杀新型冠状病毒的装置在病菌消杀、空气净化与污水处理领域中的应用

较现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.本申请利用电解过程中阳极产生的活性氧物种实现对新冠病毒的彻底消杀，整个过程不排放其他有毒污染物质，具有绿色、高效和易于操作的特点。

2.本申请电解池采用整体式电极材料，具有优异的稳定性能，可保障装置长时间运行(见图2)。

3.本申请电化学装置能够对新冠病毒进行彻底消杀，其灭活效率可达99.98％以上。

4.本申请电化学装置与方法在病菌消杀、空气净化与污水处理领域展现出广阔的应用前景。

附图说明

图1为本申请装置的整体结构示意图。

图中：1、壳体；2、挡板；3、出样口；4、过滤膜Ⅱ；5、进样口；6、阴极；7、阳极；8、离子交换膜；9、进样管路；10、电极接线柱；11、一级过滤挡板；12、二级过滤挡板；13、三级过滤挡板；14、单向阀；15、机械泵；16、过滤膜Ⅰ；17、端口。

图2为泡沫镍整体式电极在4V恒电位条件下运行1000小时过程中电流的变化曲线图。

具体实施方式

下面通过实施例对整个电化学装置与方法做一详细的说明，但是本发明的权利要求范围不受这些实施例的限制。同时，实施例只是给出了实现此目的的部分条件，但并不意味着必须满足这些条件才可以达到此目的。

如图1所示，一种电化学消杀新型冠状病毒的装置，包括壳体1、电解槽和进样系统，壳体1外底部设有底座；壳体1内部设有挡板2，将内腔分为腔室Ⅰ和腔室Ⅱ；

腔室Ⅰ底部设有电解槽，顶部设有出样口3；出样口3下方设有过滤膜Ⅰ16；电解槽与过滤膜Ⅰ16之间由下至上分别设有一级过滤挡板11、二级过滤挡板12和三级过滤挡板13，每级过滤挡板上下间隔10mm；

一级过滤挡板11一端与挡板连接，另一端距离挡板对侧壳体10mm；二级过滤挡板12一端与挡板对侧壳体连接，另一端距离挡板10mm；三级过滤挡板13一端与挡板连接，另一端距离挡板对侧壳体10mm；电解产生的气泡可能会携带一部分液体，当气泡上升时，气泡从多级过滤挡板与腔室Ⅰ内壁间的空隙通过，依次与一级过滤挡板11、二级过滤挡板12和三级过滤挡板13接触，气泡携带的液体则通过过滤挡板留在电解槽内；

电解槽的阴极6与阳极7之间设有离子交换膜8，将电解槽分为阴极区和阳极区；阴极6和阳极7分别与两个电极接线柱10相连，两个电极接线柱10外接电源；

腔室Ⅱ内设有过滤腔与进样系统；过滤腔在腔室Ⅱ内竖直方向上设置，侧壁设有进样口5，进样口5对侧壁底部设有开口；过滤腔内设有过滤膜Ⅱ4；进样系统包括进样管路9、机械泵15和单向阀14；过滤腔的开口通过进样管路9依次与机械泵15、单向阀14连通；进样管路9末端设有端口17；端口17位于电解槽的阳极区，朝向阳极7，与阳极7距离为15mm。

电解槽的阴极6和阳极7为整体式电极；所述整体式电极为泡沫铁、泡沫镍、泡沫铜、泡沫铁镍、碳纤维布或钛网中任意一种，或者所述整体式电极为在泡沫铁、泡沫镍、泡沫铜、泡沫铁镍、碳纤维布或钛网其中一种的表面原位生长相应的硫化物、氮化物、磷化物、氧化物或石墨烯封装金属中至少一种物质的电极。

过滤膜Ⅰ16与过滤膜Ⅱ4独立的为聚四氟乙烯PTFE、聚偏氟乙烯PVDF、聚碳酸酯PCTE、聚乙烯PE、聚丙烯PP、玻璃纤维Whatman或石英纤维中的至少一种；过滤膜Ⅰ与过滤膜Ⅱ的孔径为0.1～10μm。

一种电化学消杀新型冠状病毒的方法，包括以下步骤：

(1)将一种金属阳离子盐或二种以上金属阳离子盐以一定浓度比例溶解于水溶液中，直到溶液澄清透明，并加入电解槽中；无机盐浓度优选为0.1～5mol/L，电解液体积优选为5～100mL；

(2)将整体式电极作为阴阳两极插入电解液液面以下，并连接好电极夹；整体式电极面积优选为1～100cm

(3)通过进样系统将一定体积的含病毒溶液通入电解槽阳极处；

(4)设置一定电压或电流电解处理一定时间；优选电压为2～8V；优选电流为0.1～2A；

(5)取20μL溶液样，立即用感染培养基(含10％胎牛血清、100IU/mL青霉素和100μg/mL链霉素的DMEM)以1:10梯度稀释，用于病毒滴度测定；

通过最常用的50％组织培养感染剂量法检测病毒的TCID

实施例1泡沫镍整体式电极在相同处理时间下，不同电压对新冠病毒电化学灭活效率的影响

1.将4.9mL体积2mol/L浓度的Na

2.将泡沫镍(Ni foam)作为阴阳两极插入电解液中，并连接好电极夹；

3.通过进液系统将0.1mL的病毒溶液通入电解槽阳极处；

4.设置不同电压电解处理5min后；

5.取20μL溶液样，用感染培养基以1:10梯度稀释后用于病毒滴度测定。

泡沫镍作为整体式电极，在电解处理5min条件下，随着电压的升高，溶液中病毒的滴度下降得越多，当电压超过5V后，病毒的滴度下降到最低检测限以下，其新冠病毒的灭活效率高达≥99.98(见表1)。

表1

实施例2泡沫镍整体式电极在相同电压下，不同通电时间对新冠病毒电化学灭活效率的影响

1.将4.9mL体积2mol/L浓度的Na

2.将泡沫镍(Ni foam)作为阴阳两极插入电解液中，并连接好电极夹；

3.通过进液系统将0.1mL的病毒溶液通入电解槽阳极处；

4.设置8V电压电解处理不同时间后；

5.取20μL溶液样，用感染培养基以1:10梯度稀释后用于病毒滴度测定。

泡沫镍作为整体式电极，8V恒电压电解处理90s后，新冠病毒的灭活效率达99％以上(见表2)。

表2

实施例3

1.将4.9mL体积2mol/L浓度的Na

2.将泡沫镍(Ni foam)作为阴阳两极插入电解液中，并连接好电极夹；

3.通过进液系统将0.1mL的病毒溶液通入电解槽阳极处；

4.设置5V电压电解处理2min后；

5.取20μL溶液样，用感染培养基以1:10梯度稀释后用于病毒滴度测定。

泡沫镍作为整体式电极，5V恒电压电解处理2min后，新冠病毒的灭活效率达99％(见表3)。

实施例4

1.将4.9mL体积2mol/L浓度的Na

2.将泡沫铁(Fe foam)作为阴阳两极插入电解液中，并连接好电极夹；

3.通过进液系统将0.1mL的病毒溶液通入电解槽阳极处；

4.设置5V电压电解处理2min后；

5.取20μL溶液样，用感染培养基以1:10梯度稀释后用于病毒滴度测定。

泡沫铁作为整体式电极，5V恒电压电解处理2min后，新冠病毒的灭活效率达99.32％(见表3)。

实施例5

1.将4.9mL体积2mol/L浓度的Na

2.将泡沫铁镍(FeNi foam)作为阴阳两极插入电解液中，并连接好电极夹；

3.通过进液系统将0.1mL的病毒溶液通入电解槽阳极处；

4.设置5V电压电解处理2min后；

5.取20μL溶液样，用感染培养基以1:10梯度稀释后用于病毒滴度测定。

泡沫铁镍作为整体式电极，5V恒电压电解处理2min后，新冠病毒的灭活效率达99.50％(见表3)。

表3