將有機基試劑注入弱離子化氣體以產生化學活性物種的系統和方法

專利名稱：將有機基試劑注入弱離子化氣體以產生化學活性物種的系統和方法
技術領域：
本發明涉及活性物種的產生，特別是，涉及將有機基試劑注入弱離子化氣體以產生化學活性物種，例如離子和自由基的系統和方法。
背景技術：
環氧乙烷(EO)自1950年代以來廣泛用作對于殺菌溫度和濕度敏感的設備和儲物的低溫殺菌劑。人們相信使用環氧乙烷可以通過被稱為“烷基化”的機理完成殺菌。烷基化過程中乙基取代了維持生命所需的分子中的氫原子。這一取代禁止了蛋白質和DNA等分子的正常的生命維持功能。在低溫殺菌過程中足量的EO用于中斷或禁止微生物的生命。
迄今，EO殺菌劑典型地與氯氟烴殺菌劑(如，CFC-12)結合使用。在1995年氯氟烴殺菌劑由于其對地球臭氧層的破壞，被環境法案所淘汰。但是，由于下列原因，EO醫療器械殺菌時使用EO仍很流行其能夠達到難以達到的位置并破壞微生物；其與大量不同物質具有相容性和穿透性；及在替代現有系統時費用低。盡管有如上優點，EO作為殺菌劑仍有許多缺點，包括(i)考慮到患者和工作人員的安全，需要在曝露于EO中后進行充氣；(ii)相對較長的循環時間以確保殺菌效果并提供安全的充氣；(iii)使用EO具有高的毒性和反應危險性；和(iv)純EO具有可燃性。
隨著對與其他殺菌方法相關聯的加熱和其他化學處理敏感的需要進行殺菌的材料和儀器的使用越來越多，環境法案為殺菌工業留下了一個日益擴大的真空。人們開始關注于尋找一種替代的殺菌劑，其可不再使用EO而又能提供相同的效率。為滿足醫療工業的這一需求，開發出了大量替代的殺菌方法，包括使用(i)純EO(其為高度易燃的)；(ii)不可燃的EO/HCFC混合物；和/或(iii)無熱量等離子體。
特別的，Johnson&Johnson開發出了Sterrad低溫氣體殺菌工藝，它使用勢壘放電等離子體技術。其機理是使用過氧化劑，過氧化氫。盡管氧化劑比烷基化試劑(如，EO)更具化學活性，使其在低溫下更為有效，但氧化劑缺點在于其穿透殺菌對象所有部分(特別是諸如狹長內腔)的能力較差。過氧化劑殺滅維持生命的分子時不需要很大的量。由于其被食品和藥品管理局認可作為殺菌劑，Sterrad設備逐漸被藥品研究所接受。但是，Sterrad設備不適合用于包裝物或其他含有纖維素的物品，因為它們會吸收殺菌劑。Sterrad設備的其他缺點包括(i)由于需要在真空室中操作，加載量受到限制；(ii)無法穿透狹長內腔；(iii)費用和操作成本相對較高；和(iv)循環時間相對較慢。
因此需要開發改善的系統和方法，應可提供相同水平的效率而避免所有合用EO的缺點。另外，需要開發處理含有不需要的化學和/或生物污染物的固體，流體，氣體，蒸汽或其任意組合物的系統和方法。
發明簡述本發明涉及處理物品以殺滅其中不需要的化學和/或生物污染物的方法，該方法克服了傳統方法所具有的不足。
特別地，本發明涉及將有機基試劑注入弱離子化氣體以產生化學活性物種，例如離子和自由基的系統和方法。有機基試劑可以是有機添加劑(例如，醇(如C1-C5醇或優選C1-C3醇)或C2-C6烯(如乙烯))與氧化劑(如氧氣)在被注入弱離子化氣體之前混合形成的結合物。另外，有機基試劑在存在空氣時(非真空室)可作為有機添加劑獨自注入，此時所含空氣作為氧化劑起作用。同樣，有機基試劑可包括自身含有氧化組份如乙醇的有機添加劑。此時，有機組份的氧化組份在注入弱離子化氣體中時形成羥基，原子氧或其他氧化物種，這足以消除其他氧化劑使用的必要性。不考慮所用有機基試劑，當出現在弱離子化氣體中時，有機添加劑與氧化劑反應引發化學活性物種的產生。這一系統和方法可用于殺菌，而所產生的化學活性物種提高的濃度可加速并改善表面和/或流體中不需要的化學和/或生物污染物的整體殺滅速率。
另外，本發明涉及提高用于處理物品的弱離子化氣體所產生的化學活性物種的濃度的方法。弱離子化氣體由一個反應器產生。有機基試劑，包括有機添加劑和氧化劑，被引入弱離子化氣體中以提高化學活性物種的生成。待處理物品曝露在所產生的化學活性物種中以殺滅不需要的化學和/或生物污染物。
另外，本發明還涉及實施上述方法的系統。
附圖簡述從以下詳細描述和本發明說明性實施方案中的附圖，本發明前述及其他特點將變得更為明顯，附圖中相似的參考數目在全部附圖中指代相似的對象，其中

圖1為反應系統示意圖，其中根據本發明，有機基試劑被注入弱離子化氣體中以產生化學活性物種。
圖2為示例性的毛細管放電(discharge)反應器的截面圖，其中根據本發明，有機基試劑被注入弱離子化氣體中以產生化學活性物種。
圖2b為示例性的毛細管放電反應器的截面圖，該反應器帶有與毛細管沒有流體聯系的輔助通道，其中根據本發明，有機基試劑被注入弱離子化氣體中以產生化學活性物種。
圖2c為示例性的毛細管放電反應器的截面圖，該反應器帶有與毛細管具有流體聯系的輔助通道，其中根據本發明，有機基試劑被注入弱離子化氣體中以產生化學活性物種。
圖3a為示例性的狹縫(slot)放電反應器的部分縱向截面圖，其中根據本發明，有機基試劑被注入弱離子化氣體中以產生化學活性物種。
圖3b是圖3a狹縫放電反應器的頂視圖。
圖4a是示例性的環形縫隙(slit)放電反應器的透視圖，縫隙定位在第一電極的縱向，其中根據本發明，有機基試劑被注入弱離子化氣體中以產生化學活性物種。
圖4b是圖4a中第一內電極的另一種結構的透視圖，其中縫隙定位在第一電極的徑向；及圖4c是環形縫隙放電反應器另一個示例性實施方案中的一部分的透視圖，其中縫隙形成在旋轉于內管周圍的相鄰電極之間。
發明詳述本發明方法將有機添加劑(如，液體，氣體和/或蒸汽)注入生成的弱離子化氣體中，優選但不一定要在大氣壓下，以生成化學活性物種(如，離子和自由基)，可以加速并改善對表面和/或流體(例如，液體，氣體，蒸汽，或其任意組合)中不需要的化學和/或生物污染物的整體殺滅速率。可使用任何可生成“弱離子化氣體”的反應器結構，“弱離子化氣體”定義為氣體放電等離子體或非等離子體介質(帶電的及中性顆粒混合物)，其中中性顆粒濃度(體積濃度)與帶電顆粒濃度之比大于約1000比1。弱離子化氣體可以，但不需要一定是“等離子體”，等離子體定義為含有正，負和中性顆粒的氣體，其中給定體積中負電荷的數量密度大約與正電荷的數量密度相同。這些反應器由能量源，如直流(DC)，交流(AC)或射頻(RF)能量源提供能量。在詳述中描述了幾個示例性反應器的結構，但是其他結構也是可以預料的且在本發明范圍之內。
反應器的結構使得通常被污染了不需要的化學品(如原子態元素或化合物)和/或生物試劑(如蛋白質或DNA)的待處理物品(如，固體或象液體，蒸汽，氣體或其任何組合一類的流體)被曝露在所生成的弱離子化氣體中，在其中發生氧化，還原，離子誘導反應，和/或電子誘導反應等不同過程，足以使選擇性的化學過程或反應機理進行。將有機基試劑注入所產生的弱離子化氣體以加強一或多種這樣的化學過程。有機基試劑典型的是有機添加劑(例如，醇，乙醇或乙烯))與氧化劑(如氧氣)在被注入弱離子化氣體之前混合形成的結合物。另外，有機基試劑在存在空氣(非真空室)因而自身含有氧時，可作為有機添加劑注入弱離子化氣體中。使用含有自身具有氧化組份如EO或乙醇的有機添加劑的有機基試劑也在本發明范圍之內。此時有機組份的氧化組份在注入弱離子化氣體中時形成羥基，原子氧或其他氧化物種。所產生的這些氧化物種足以消除其他另外的氧化劑使用的必要性。但是，如果需要另外的氧化，可向弱離子化氣體中注入附加的氧化劑(例如，氧)，其注入時間可與含有氧化組份的有機添加劑的注入同時或更晚，目的在于提高氧化物種濃度從而提高總體的表現和效率。在任何過程中，有機蒸汽在弱離子化氣體存在下與氧化劑(來自空氣，作為有機添加劑的補充的來源或其組份)反應引發化學活性物種如離子和自由基的生成。所選注入弱離子化氣體中的有機添加劑可在略微，如果發生的話，加熱本體氣體情況下，用于促進或引發特別化學反應。
通過實施例，本發明針對有機添加劑注入弱離子化氣體中以對被沾污的表面，液體，氣體，蒸汽和/或空氣流進行殺菌的應用進行描述。但是，將該系統和方法用于其他殺菌應用也在本發明范圍之內。
下文所述實施方案中，用于產生弱離子化氣體的反應器的尺寸的選擇，如所希望的，應使污染物曝露在所產生活性物種中的停留時間足以將不希望的化學和/或生物污染物殺滅到所希望的濃度，如，達到分子級。有機添加劑可直接注入反應器中，在其中產生弱離子化氣體。弱離子化氣體反應器大小及尺寸的選擇應能夠用有機添加劑發生選定的化學反應，而且弱離子化氣體產生的活性物種的壽命應長得超出弱離子化氣體產生區段且足以在反應器下游進行殺菌或氧化過程(如，可使所產生活性物種在其生命周期內與放置在反應器下游過濾器表面的污染物反應并將其殺滅)。
以下為與化學物種產生對應的弱離子化氣體加強化學中存在的四個反應機理示例。所有機理的共同點在于電子碰撞解離和離子化以形成反應性基團。向弱離子化氣體中注入有機基試劑促進了這些化學反應中的一個或多個，從而提高了某些所產生化學活性物種的濃度，進而改善了殺菌和去污染過程。向弱離子化氣體中注入有機基試劑產生了以下反應鏈中的一個或多個并生成了化學活性物種1.離子和離子簇的形成
當有機基試劑中存在乙醇時，水合氫離子簇可將乙醇質子化
EtOH2+(H2O)b這樣的離子簇具有相對較長的壽命，可存活至轉移到待殺菌表面上之后，并用Et基團取代細菌DNA上的氫原子，從而殺死目標微生物。其他有機離子，如·C2H4OH+，·C2H3OH+，·CH2OH+，·CHOH+，CH3OH+，·C2H5+可以形成并結簇。這些有機離子各自在殺菌過程中的角色取決于其壽命及化學活性。
2.自由基形成
其他大量反應可能導致NO2，HO2·及其他活性物種，如H2O2的形成。
存在有機物時，會發生有機基團的形成
注入弱離子化氣體中的有機物和氧還促進了其他有機基團的形成，如過氧基(RO2)，烷氧基(RO)，酰基過氧化酰基(RC(O)OO)，及副產物，如氫過氧化物(ROOH)，過硝酸酯(RO2NO2)，有機硝酸酯(RONO2)，過氧酸(RC(O)OOH)，羧酸(RC(O)OH)，過氧酰基硝酸酯(RC(O)O2NO2)，及其他含氧有機基團。無論使用何種有機添加劑，均可得到預定濃度的各有機基團，唯一的區別在于根據所用有機添加劑的不同，各有機基團的濃度會有不同。初級的實驗結果似乎表明使用乙烯可以得到最有效的殺菌，但是，可使用其他有機添加劑以形成部分氧化的產物，包括乙醇。因此，殺菌方法在將有機基試劑注入弱離子化氣體時可以得到改善。
迄今，已有殺菌方法依賴于弱離子化氣體中形成的氧，氫或氮基活性基物種，或直接依賴于電場，等離子體或輻射。相反，本發明殺菌方法依賴于將有機基試劑注入弱離子化氣體中所產生的化學活性物種。基于O，H，N的活性物種(如，NO2·，H2O2，O3及相應的基團如HO2·，OH·)作為殺菌劑效率明顯低于將有機基試劑注入弱離子化氣體時產生的化學活性物種。
圖1是根據本發明將有機基試劑注入弱離子化氣體中以產生化學活性物種的示意圖。氧化劑1(如，空氣或氧氣)與有機添加劑2(如，乙烯，醇)混合以形成有機基試劑9。對于實施例，有機基試劑9可以是乙烯與氧相混合，或乙醇在空氣中。不是引入獨立于有機添加劑的氧化劑，有機添加劑自身可能就具有氧組份。例如，EO或乙醇可用作有機添加劑并注入弱離子化氣體中從而產生羥基基團，原子氧或其他作為氧化劑的氧化物種。這些羥基基團消除了再獨立地引入氧化劑的需要。為提高效能，甚至在使用含有氧組份的有機基試劑時，仍可，但不是必需的，獨立地注入另外的氧化劑。
有機基試劑9可以是液體，蒸汽或其任意組合。另外，有機基試劑9優選通過定位于初級或第一電極上的開口被注入弱離子化氣體反應器3中，如下面將詳述的那樣，并在那里產生最高濃度的殺菌物種，包括化學活性物種。
能量源4如DC，AC，高頻，RF，微波，或脈沖，取決于特定的等離子源設計，驅動反應器3。待處理物品5，典型地為待處理流體如液體，氣體或蒸汽，可與有機基試劑9一同通入或接近在其中生成弱離子化氣體的等離子體反應器3。其好處在于待處理物品5會曝露在高濃度的所產生化學活性物種中，后者存在于等離子氣體產生的區域內。另外，或除此之外，待處理物品5’(通常為固體物品)可放置在弱離子化氣體產生區域之后(例如，其下游)，而仍能夠在化學活性物種壽命期之內曝露在其中，該化學活性物種通過將有機基試劑注入弱離子化氣體中產生。在一個特別的實施例中，待處理物品5’為一個放置在殺菌倉內的微粒過濾器和/或被污染的物品(如，被污染的固體表面，被污染的液體，被污染的氣體，或其任意組合)并曝露在殺菌活性物種中，該殺菌活性物種通過弱離子化氣體和注入的有機基試劑產生。待處理物品5，5’可以，但不是必需，是相同的。例如，作為待處理物品5的氣體將通過毛細管，并在其中曝露于在其中產生的化學活性物種中，同時待處理固體物品5’的表面可被放置在能夠直接曝露在所產生化學活性物種產生點下游的地方。
弱離子化氣體和所注入有機基試劑產生的殺菌物種與待處理物品5，5’上沉積或其所含有的化學或生物污染物(例如，DNA和其他微生物的結構單元)進行反應。例如，通過曝露在所產生的化學活性物種中，用烷基(CnH2n+1)將細菌DNA的氫原子置換以使微生物失活或破壞。相信此處所述本發明方法的殺菌作用對應于烷基化，但是，其他機理及化學活性物種也可存在。本發明殺菌系統和方法提高了總體效力同時降低傳統有毒殺菌劑帶來的健康和環境危害，這是因為使用了有機添加劑存在下由弱離子化氣體產生的生物活性同時又是短壽命的化學活性物種。
預期弱離子化氣體生成反應器具有多種結構。將詳細描述幾種示例性大氣壓下非熱型等離子體反應器結構，但是，如果需要，可使用其他結構。圖2a為示例性的毛細管放電反應器的截面圖，如2000年12月15日提交的，序列號為09/738,923的美國專利申請所述，其專利權人與本發明相同。僅為了說明目的，所繪反應器200具有一個第一電介體(dielectric)205，其上有兩個毛細管穿過其中和一個與第一電介體205分離的第二電介體215以形成與毛細管210有流體接觸的通道235。第二電極板225與第二電介體215聯接。盡管圖2a中示出了兩個毛細管210，反應器200可設計為，如所需要，第一電介體205含有一個或多個毛細管。第一和第二電介體205，215可以相同或不同。如圖2a所示，第二電極225為一平板，但是，可使用任何其他形狀，包括與第一電極220相似的分段電極。而且，第二電極和第二電介體還可以取消。
第一電極220與第一電介體205相聯。在一個優選實施方案中，第一電極220是與各毛細管210流體接觸的多個電極段。在圖2a所示實施例中，電極段形狀為中空的圓柱，環或墊圈，其部分插入各毛細管210中。在另一個實施方案中，第一電極220可放置在電介體205之上并與之平齊，或以任何需要的深度嵌入毛細管210之中。能量源230與第一和第二電極220，225相聯。
由于圖2a所示第一電極220的電極段為中空的，有機基試劑可通入或注入其中并進入定位于第一電介體205中的毛細管210中。通過能量源230分別向第一和第二電極220，225上施加電壓，毛細管210和通道235中產生弱離子化氣體。向所產生的弱離子化氣體中引入有機基試劑，在毛細管210和/或通道235中產生化學活性物種，這促進了破壞污染物和殺菌所需的化學反應。
操作中，待處理物品5(典型地為待殺菌的被污染的流體)優選與有機基試劑一同通過第一電極220的電極段的開口，并進入各毛細管210中，在其中產生弱離子化氣體。弱離子化氣體中有機基試劑的存在提高了所生成化學活性物種的濃度。在毛細管210中所產生化學活性物種具有最高的濃度。因此，最有效的殺菌應該是將待處理的被污染的物品通過這些產生的離子，自由基和活性物種濃度最高的部分(如，在毛細管自身當中)。而且，或另外，待處理物品5’(典型的為被污染的固體)可通過通道235或放置在接近毛細管出口處，輝光后含有所產生的化學活性物種的弱離子化氣體就從那里排出(相對于第一電極的位置)。由于殺菌性活性物種的壽命相對較短(例如，殺菌性活性物種的壽命范圍為幾個毫秒，因此在失活之前僅能流過幾個毫米)，因此將待處理物品5，5’放置在通道235中時與待處理物品通過第一電極220和毛細管220的開口(在那里化學活性物種的濃度最高)相比，去污染效率明顯更差一些。
如圖2a所示的毛細管放電反應器可進行修改，包括在第一電介體205中定位輔助通道。這一結構特別適用于這樣的應用其中使用了固體或非多孔性第一電極220，但不排除中空或非多孔性第一電極220的使用。圖2b所示毛細管放電反應器具有單一毛細管210與固體的大頭針形狀的環形電極220，其終點位置部分插入毛細管中。輔助通道215的位置在毛細管210兩側穿過第一電介體205。在圖2b所示實施方案中，輔助通道215與毛細管210沒有流體接觸。另一種結構示于圖2c，其中平頭固體的大頭針形狀的環形電極220部分插入毛細管210中，毛細管210與輔助通道215有流體接觸。無論哪種結構中，各毛細管和/或輔助通道的數量，形狀，尺寸或取向角度均可根據需要進行修改。無論在圖2b和2c所示的哪種結構中，均可向通道215中引入有機基試劑以穩定弱離子化氣體或提高所產生的用于促進化學反應的化學活性物種的濃度。如果使用中空或多孔性第一電極，有機基試劑可注入通過和/或進入毛細管210，而且，或相反，被注入輔助通道215中。待處理物品5(典型的為被污染的流體)可與有機基試劑一同引入并通過第一電極220(如果其為中空的或多孔的)和毛細管210和/或定位于第一電介體中的輔助通道215。
作為毛細管放電反應器的另一種結構，可使用狹縫放電反應器，如2003年2月19日提交的，序列號為10/371,243的美國專利申請所述，其專利權人與本發明相同。示例性的狹縫放電反應器的部分縱向截面圖示于圖3a，同時頂視圖示于圖3b。第一電介體305中放置了一個或多個狹縫310。“狹縫”定義為長度大于寬度，且最大長度僅局限于其所定位的電介體的尺寸的孔(aperture)或開口。例如，第一電介體板中狹縫的寬度為約1/32英寸，長度約為16英寸(即，長寬比為512∶1)。狹縫尾端和電介體板尾端之間可保留一英寸的邊界。狹縫的放置以使相鄰狹縫之間分開約1/8英寸。這一實施例和其尺寸不是為了限制本發明范圍。在一個優選實施方案中，長寬比至少為約10∶1。更大的長寬比也是可能的，甚至尺寸比可以幾何級數增長如至少大約100∶1或至少大約1000∶1。在另一個實施方案中，長寬比為約10∶1至約100∶1，1000∶1或10,000∶1或約100∶1至約1000∶1或10,000∶1。這些僅是幾個實施例，其他長寬比也是可以預期的而且在本發明范圍之內。
在圖2a-2c所示毛細管放電反應器結構中，毛細管尺寸在x-y平面上基本上彼此相同，該平面定義為基本上與毛細管的縱向或軸向呈橫向的側平面。這樣，如果有的話，電子沿毛細管向下遷移時軸向的差異就很小，因為從毛細管中產生之前猝滅(與壁的碰撞)的可能性在x和y方向是基本相同的。使用狹縫時，長度，例如在y-方向的基本上大于寬度，例如在x-方向上的。優選，狹縫的長寬比至少為約10∶1。長度基本上大于寬度的結果是電子在沿z方向沿狹縫向下遷移通過電介體時，在從毛細管中產生之前猝滅或與壁碰撞的可能性明顯降低。這一與壁碰撞可能性的降低意味著更少的猝滅及因此單位狹縫截面積中更高的等離子密度，所謂更高是與毛細管結構的單位面積上的等離子密度相比。盡管抑制了猝滅，狹縫仍能有效抑制輝光至電弧的轉變。
毛細管一個跟一個裝填成為一個系列時無論其數量是多少，本發明的狹縫結構與毛細管放電結構相比所產生的弱離子化氣體的體積都更大。因此，使用狹縫結構與毛細管結構相比可得到的弱離子化氣體的面積和體積都是明顯更大。所產生弱離子化氣體體積增加的結果是更大體積的待處理流體/氣體可以曝露在弱離子化氣體中。而且，這一狹縫結構的生產容易而且不貴。
圖3a和3b分別示出了示例性的單電極段320和相關的第一電介體305中的狹縫310的部分縱向截面圖和頂視圖。盡管只示出了一個狹縫及其相關電極段，同樣的電極段結構和安排可用于具有多個狹縫的反應器中。圖3a為示例性矩形邊框電極段320的部分截面圖，該電極與其320’部分有一個T型交叉，320’部分部分插入定位于第一電介體305中的各狹縫中。肩部組件確保第一電極320基本均勻且穩固地插入狹縫310中，但是，肩部區段325不是必需的且第一電極可以是圓柱形中空管的形狀。第一電極320形狀的其他結構及其與狹縫310間的關系可以根據需要進行改動。由于矩形邊框電極段320是開口或中空的，有機基試劑和/或待處理物品5可通過第一電極320自身的開口340進入第一電介體305的狹縫310中。此時，通過曝露在等離子體中進行的待處理物品5的處理可在狹縫310中進行，狹縫中存在的化學活性物種濃度最高。另外，或除此之外，有機基試劑和/或待處理物品5’可通過或放置在通道335中，通道分別位于第一和第二電介體305，315之間。
弱離子化氣體反應器的另一種結構是縫隙放電反應器，如2002年11月2日提交的，序列號為10/287,772的美國專利申請所述，其專利權人與本發明相同。圖4a是環形縫隙放電反應器第一個實施方案的透視圖。第一或初級電介體環形管405沿徑向分割為四個軸向部分，相鄰部分相互間分隔開預定的距離以形成縫隙410，縫隙沿徑向放置。具有四個分片的初級或第一電極420呈星形放置，各片沿徑向伸展穿過第一電極電介體環形管405并接近放置，并與相應縫隙410有流體接觸。接收或第二環形電極425，與放置在第一電介體405和第二環形電極425之間的第二環形電介體415將第一電介體405封裝。第一電極420和第二環形電極425與能量源440相聯。在第一和第二電介體405，415之間形成通道435，它接收有機基試劑和/或待處理物品。另外，或除此之處，有機基試劑和/或待處理物品可通過第一電極420與內第一電介體405之間的通道445接收。圖4a所示出了第一電介體405沿徑向分割為四個軸向段，但是，可以預期且仍在本發明范圍之內，可將第一電介體分割為任何數目的二或更多段，這可以，但不是必需，是相等的尺寸，從而第一電極420優選具有與第一電介體中縫隙410數目相同的片數。
圖4b示出了對圖4a所示內第一電極結構的修改不是分割以在其中形成徑向縫隙(圖4a)，而是將第一電介體405橫向分割為幾段，從而將內側電介體圓柱管分隔為一系列的環405。如圖4b所示，第一電介體405橫向分割為四段或四個環，相鄰部分以預定的距離分開以在期間形成縫隙410。與本發明相一致，內第一電極405可容易地分割為任何數量的環，環的尺寸可以相同或不同。在另一個實施方案中，縫隙410可定義為穿過圓柱形內第一電介體405的螺旋形，作為第一電極的導線放置在與螺旋縫隙準直或交叉的位置。
圖4c示出了縫隙放電反應器的另一個實施方案，其中多個第一電介體棒450放射狀地放置在內圓柱管455的外周，內管優選具有中空的中心以允許有機基試劑和/或待處理物品通過。如圖4c所示在內圓柱管455的外周放置了十二個棒，但棒的數量根據需要可以不同。內圓柱管455可用導電性或介電性的材料制成。電介體棒450的擺放使相鄰棒分開形成縫隙，使有機基試劑和/或待處理物品可以通過，通過時呈放射狀地向外分配。在一個優選實施方案中，相鄰電介體棒間形成的縫隙的寬度小于或等于約1mm以得到所需要的阻塞效果，這樣可以基本減少，如果不能完全消除，輝光至電弧的轉變。內圓柱管455由電介體材料制成時，可將導線或棒460插入相鄰電介體棒450之間的縫隙里作為電極。接收或第二環形圓柱電極465，優選被接收或第二環形電介體470封裝，放置在接近電介體棒450處且在內圓柱電極管和接收電極455，465之間施加電壓差。如果使用AC或RF能量源，則接收或第二電極465被封裝在第二電介體層470中或浸入非導電性液體中。另一方面，如果使用DC電源，不使用第二電介體且接收和第二電極465被浸入導電性液體中。任意形狀，排列或數量的孔475定位在第一電極455上以允許有機基試劑和/或待處理物品通過并在第一電極455內側的中空管道中回收。
上述弱離子化氣體反應器結構均具有定位于電介體組件之上或在其間形成的穿孔(perforation)。但是，可以預期且仍在本發明范圍之內使用有機基試劑的反應器，該反應器在電介體上可以沒有穿孔，如傳統的電暈放電或勢壘放電反應器。
另外，反應器不需要使用電介體，而此時有機基試劑可通過定位于電極之上或在電極段之間形成的穿孔。簡言之，本發明有機基試劑被弱離子化氣體激發。激發發生在有機基試劑被注入，接收或通過電介體和電極的穿孔時。激發還發生在有機基試劑在接近輝光后的弱離子化氣體處被注入或混合時。這簡單地意味著有機基試劑必須存在于所產生的弱離子化氣體之中以參與化學活性物種的生成。
此處所述的本發明系統和方法可用于任何待處理物品上不需要的化學和/或生物污染物的處理，銷毀，殺滅，消除，純化或去污染，無論該物品為固體，液體，氣體，蒸汽或其任意組合。但是殺菌是本發明方法和系統一個特別的應用在破壞微生物試劑。示出并描述了本發明幾個特別的殺菌系統和方法的應用，但不是完全性的且不意味著對本發明的限制。一個值得注意的應用是將本發明用于清潔或處理使用后的過濾介質。弱離子化氣體生成反應器放置在相對于過濾器的上游，從而同時捕捉殺滅生物微粒物質，如孢子和細菌。本系統還適合用于氣霧態或氣態化學試劑的捕捉和銷毀。含有孢子/細菌的空氣流濾過可以在其表面捕捉孢子和細菌的過濾器。然后，過濾器通過曝露在輝光后生成的化學活性物種中處理至少一次，優選連續或周期性地處理以銷毀孢子。由于孢子在表面上具有相對較長的停留時間，因此無需降低空氣流通速率而仍可保證相對高的殺滅率。優選使用HEPA過濾器，因為它對低至約0.3微米顆粒的效率約為99.97％。炭疽孢子，例如，直徑約為3微米。武器化的炭疽顆粒數量級在1-3微米。因此，基本上所有這樣的顆粒均可捕集在過濾器的外表面上，在那里所希望的有機基試劑和弱離子化氣體產生的化學活性物種的化學反應具有充分的效果。
所有引用的，公開，未決和授權的專利均全文在此引入作為參考。本申請還將下列專利引入作為參考2000年12月15日提交的，序列號為09/738,923的美國專利申請；1999年12月15日提交的，美國臨時申請60/171,198；1999年12月21日提交的，美國臨時申請60/171,324；2002年11月2日提交的，序列號為10/287,772的美國專利申請；2001年11月2日提交的，美國臨時申請60/336,866；2003年2月19日提交的，序列號為10/371,243的美國專利申請；2002年2月19日提交的，美國臨時申請60/358,340；2002年11月4日提交的，序列號為10/287,771的美國專利申請；2001年11月2日提交的，美國臨時申請60/336,868。
因此，由于其優選實施方案中已經示出了，描述了并指出了本發明基本的新穎特點，可以理解本領域技術人員可以對所示裝置的形式和細節，以及其操作進行各種省略，替代和改變，而不背離本發明的實質和范圍。例如，明確地希望所有元件和/或步驟的組合，只要其完成基本相同的功能，以基本相同的方式，達到相同的結果，就在本發明范圍之內。將一個所述實施方案中的元件用另一個中的替代也是完全希望且在預期之中的。還可理解附圖不需要按照刻度繪制，而僅僅是概念性的。因此其目的僅受到所附權利要求所指明范圍的限制。
權利要求
1.提高用于處理物品的弱離子化氣體產生的化學活性物種濃度的方法，所述方法包括以下步驟用反應器產生弱離子化氣體；和在弱離子化氣體存在下引入有機基試劑以提高化學活性物種的產生，其中有機基試劑包括有機添加劑和氧化劑。
2.權利要求1的方法，其中有機添加劑和氧化劑混合在一起形成有機基試劑。
3.權利要求2的方法，其中有機添加劑是乙醇或乙烯之一，而氧化劑是氧或空氣之一。
4.權利要求1的方法，其中引入步驟包括將有機添加劑在用作氧化劑的空氣存在下注入弱離子化氣體中。
5.權利要求1的方法，其中有機基試劑是含有用作氧化劑的氧組份的有機添加劑。
6.權利要求5的方法，其中引入步驟進一步包括將補充的氧化劑注入弱離子化氣體中。
7.權利要求1的方法，其中化學活性物種包括過氧基(RO2)·，烷氧基(RO)·，酰基過氧化酰基(RC(O)OO)·，氫過氧化物(ROOH)，過硝酸酯(RO2NO2)，有機硝酸酯(RONO2)，過氧酸(RC(O)OOH)，羧酸(RC(O)OH)，過氧酰基硝酸酯(RC(O)O2NO2)。
8.權利要求1的方法，其中反應器包括在其中定位有孔的電介體和放置為與孔有流體聯接的電極，有機基試劑通過孔和電極引入，從而在孔中與弱離子化氣體發生相互作用而生成化學活性物種。
9.權利要求8的方法，其中曝露步驟包括使待處理物品通過孔和電極以遇到在那里產生的化學活性物種。
10.權利要求1的方法，其中待處理物品為固體，液體，氣體中的一種。
11.權利要求1的方法，其中所述方法用于待處理物品的殺菌以殺滅至少一種化學或生物污染物。
12.權利要求1的方法，進一步包括將待處理物品曝露在產生的化學活性物種之中。
13.提高用于處理物品的弱離子化氣體產生的化學活性物種濃度的系統，該系統包括用于產生弱離子化氣體的反應器，該反應器接收有機基試劑；和有機基試劑源，該反應器適于在弱離子化氣體存在下接收有機基試劑以提高化學活性物種的產生；其中有機基試劑包括有機添加劑和氧化劑。
14.權利要求13的系統，其中有機基試劑是有機添加劑和氧化劑的混合物。
15.權利要求14的系統，其中有機添加劑是乙醇或乙烯之一，而氧化劑是氧或空氣之一。
16.權利要求13的系統，其中有機添加劑在用作氧化劑的空氣存在下被弱離子化氣體接收。
17.權利要求13的系統，其中有機基試劑是含有用作氧化劑的氧組份的有機添加劑。
18.權利要求17的系統，其中有機基試劑進一步含有補充的氧化劑，并安排使之可以被弱離子化氣體接收。
19.權利要求13的系統，其中化學活性物種包括過氧基(RO2)·，烷氧基(RO)·，酰基過氧化酰基(RC(O)OO)·，氫過氧化物(ROOH)，過硝酸酯(RO2NO2)，有機硝酸酯(RONO2)，過氧酸(RC(O)OOH)，羧酸(RC(O)OH)，過氧酰基硝酸酯(RC(O)O2NO2)。
20.權利要求13的系統，其中反應器包括在其中定位有孔的電介體和放置為與孔有流體聯接的電極，有機基試劑通過孔和電極引入，從而在孔中與弱離子化氣體發生相互作用而生成化學活性物種。
21.權利要求20的系統，其中孔和電極適于在其中接收待處理物品，從而使之與在其中產生的化學活性物種相遇。
22.權利要求13的系統，其中待處理物品為固體，液體，氣體中的一種。
23.權利要求13的系統，其中所述系統用于待處理物品的殺菌以殺滅至少一種化學或生物污染物。
24.權利要求13的系統，其中反應器相對于待處理物品的安置應使所產生化學活性物種能夠與待處理物品發生相互作用。
全文摘要
將有機基試劑注入弱離子化氣體以產生化學活性物種的系統和方法。有機基試劑可以是有機添加劑(如醇或乙烯)與氧化劑(如氧氣)在被注入弱離子化氣體之前混合形成的結合物。另外，有機基試劑在存在空氣時(非真空室)可作為有機添加劑獨自注入，此時所含空氣作為氧化劑起作用。同樣，有機基試劑可包括自身含有氧化組份如乙醇組成的有機添加劑。此時，有機組份的氧化組份在注入弱離子化氣體中時形成羥基，其足以用作氧化劑，從而消除了使用其他氧化劑的必要性。不考慮所用有機基試劑，當出現在弱離子化氣體中時，有機添加劑與氧化劑反應引發化學活性物種的產生。這一系統和方法可用于殺菌，而所產生的化學活性物種提高的濃度可加速并改善表面和/或流體中不需要的化學和/或生物污染物的整體殺滅速率。
文檔編號A61L2/14GK1642581SQ03806212
公開日2005年7月20日 申請日期2003年4月2日 優先權日2002年4月2日
發明者S·巴伯科－馬爾伊, R·克羅維 申請人:等離子體溶膠公司