Эффективность обеззараживания воздуха рабочей зоны фотокаталитическим рециркулятором

Введение. В соответствии с гигиеническими требованиями в помещениях организаций здравоохранения должны обеспечиваться нормируемые значения санитарно-микробиологических показателей воздушной среды, микроклиматических параметров воздуха¹ , а также физических и химических факторов [1][2]. В создании оптимальных микроклиматических, химических и микробиологических показателей воздушной среды важную роль играет вентиляция помещений. Общеобменная и местная вентиляции способствуют обеззараживанию и обезвреживанию воздушной среды помещений путем удаления и разбавления химических и биологических загрязнителей и увеличения подвижности воздуха [3][4].

Для обезвреживания и обеззараживания воздуха используются также воздухоочистители, кондиционеры и бактерицидные облучатели [1][5–7]. Для обеззараживания воздуха широко применяется электромагнитное излучение ультрафиолетового диапазона с длиной волн от 205 до 315 нм в открытых и закрытых бактерицидных облучателях [8][9]. Рециркуляторы закрытого типа с безозоновыми лампами не загрязняют воздушную среду ультрафиолетовым светом и озоном и приводят к снижению количества бактерий и грибов в воздухе за счет достаточных бактерицидных доз более 25 мДж/см2 и кратности воздухообмена не менее 4 [10][11]. Для очистки воздуха от биологических и химических загрязнителей разрабатываются наноматериалы, обезвреживающее и обеззараживающее действие которых обусловлено фотокаталитическим и гидролитическим эффектами [12–14]. В создании наноматериалов широко используется титана диоксид, обладающий уникальной смачиваемостью, оптическими свойствами, высокой окисляемостью и биологической совместимостью. Практически любые органические загрязнители, адсорбированные на диоксидотитановых поверхностях, окисляются под действием ультрафиолетового света до углекислого газа и воды, а вода, осевшая на такое стекло, растекается по поверхности и испаряется [15][16]. Активированные ультрафиолетом нанопокрытия из диоксида титана эффективно очищают воду от колиформных бактерий и воздух от органических растворителей и микроорганизмов [17–21].

На основе закрытого рециркулятора бактерицидного ультрафиолетового нами разработано инновационное устройство, которое кроме безозоновых ультрафиолетовых бактерицидных ламп и вентилятора содержит фотокаталитический фильтр с нанослоем диоксида титана² . За счет дополнительного фотокатализа устройство более эффективно обеззараживает воздух, а также разлагает вредные химические вещества. За 6 ч работы устройство в режиме рециркуляции в помещении снижает в 4 раза общую микробную обсемененность воздуха, в 7 раз – количество плесневых грибов, в 10 раз – золотистых стафилококков и оптимизирует микроклимат [22]. На основе разработанного устройства ОАО «Витязь» осуществляет серийное промышленное производство зарегистрированных в качестве медицинских изделий в Республике Беларусь фотокаталитических рециркуляторов воздуха закрытого типа «Витязь 01 ФК», «Витязь Р1522 ФК», «Витязь Р3622 ФК», «Витязь Р9511 ФК»³ .

Фотокаталитические рециркуляторы, расположенные в помещении по ходу естественного движения воздуха, обеззараживают и обезвреживают всасываемый воздух, придают ему подвижность и заполняют весь объем очищенным воздухом по «общей» или «разбавляющей» схеме, чем сводят к минимуму содержание загрязнителей в воздушной среде. Но указанный способ вентиляции не обеспечивает надлежащей защиты от интенсивных загрязнений вблизи их источников. В таких случаях требуется наличие местной системы вентиляции, которая позволяет эффективно удалять загрязнители с места их образования или подавать чистый воздух на рабочее место. Для местной приточно-вытяжной вентиляции нами разработан фотокаталитический рециркулятор с дополнительными воздуховодами. Однако применение указанного приточно-вытяжного фотокаталитического рециркулятора для обеззараживания воздушной среды на рабочем месте окончательно не изучено.

Цель исследования: изучить эффективность обеззараживания воздуха рабочей зоны разработанным приточно-вытяжным фотокаталитическим рециркулятором.

Материалы и методы. Исследования выполнены в рамках НИР «Разработка и совершенствование методов диагностики, лечения и профилактики инфекционных болезней человека» № ГР 20191502 на базе кафедры клинической микробиологии учреждения образования «Витебский государственный ордена Дружбы народов медицинский университет» в боксе объемом 33,9 м3 в теплый период года при атмосферном давлении 745 мм рт. ст. на рабочем месте лаборанта в зоне дыхания на высоте 110 см на расстоянии 1 и 2 м от рециркулятора при отключении естественной и искусственной вентиляции во время микробиологических исследований со стандартными штаммами S. aureus ATCC 25923.

Обеззараживание воздуха осуществляли разработанным приточно-вытяжным фотокаталитическим рециркулятором, содержащим металлическую камеру объемом 0,04284 м3 полуцилиндрической формы с фотокаталитическим фильтром в виде горизонтальной и вертикальной металлических пластин площадью 0,11525 м2 , покрытых нанослоем фотокатализатора диоксида титана, и двух безозоновых бактерицидных ультрафиолетовых ламп Philips типа TUV 25W. Указанные лампы производят коротковолновое ультрафиолетовое излучение с пиковым значением на длине волны 253,7 нм и бактерицидным потоком 7 Вт и отфильтровывают озонообразующую спектральную линию с длиной волны 185 нм. Входное площадью 0,0104 м2 и выходное площадью 0,0090 м2 отверстия камеры закрыты вентиляционными решетками, у входного отверстия встроен электрический вентилятор. Через вентиляционную решетку входного отверстия вентилятором в камеру устройства подается воздух со скоростью 1,2 ± 0,09 м/с, органические соединения и микроорганизмы которого фотоокисляются на нанофильтре, дополнительно облучаются ультрафиолетовым светом и очищенный воздух выводится из камеры через вентиляционную решетку выходного отверстия. Для целенаправленной подачи очищенного воздуха на рабочее место применяли дополнительные воздуховоды длиной 2 м диаметром 125 мм, которые крепили снаружи вентиляционной решетки выходного отверстия, удаления загрязненного воздуха – снаружи входного отверстия устройства. В контроле использовали серийный фотокаталитический рециркулятор закрытого типа «Витязь 01 ФК» производства ОАО «Витязь».

Выполнено 3 серии опытов.

В 1-й серии опытов рассчитывали поверхностную и объемную плотности бактерицидного потока, поверхностную и объемную плотности бактерицидной энергии у приточно-вытяжного и серийного фотокаталитических рециркуляторов, а в камере разработанного устройства – дополнительно энергетическую освещенность и энергетическую экспозицию ультрафиолетового излучения спектра С.

Во 2-й серии опытов микробиологические исследования проводили у вентиляционной решетки входного отверстия приточно-вытяжного фотокаталитического рециркулятора с дополнительными воздуховодами и у решетки выходного отверстия, а также у выходного отверстия дополнительных воздуховодов на рабочем месте на расстоянии 1 и 2 м определяли общее микробное число (ОМЧ) и скорость движения воздуха. В контроле микробиологические исследования выполняли у вентиляционной решетки входного отверстия серийного фотокаталитического рециркулятора без дополнительных воздуховодов и у решетки выходного отверстия, а также на расстоянии 1 и 2 м от нее определяли ОМЧ и скорость движения воздуха.

В 3-й серии опытов микробиологические исследования проводили на рабочем месте у дополнительных воздуховодов на расстоянии 1 и 2 м от приточно-вытяжного фотокаталитического рециркулятора и у входного отверстия дополнительных воздуховодов в зоне дыхания лаборанта определяли ОМЧ и скорость движения воздуха. В контроле микробиологические исследования проводили на рабочем месте на расстоянии 1 м и 2 м от серийного фотокаталитического рециркулятора без дополнительных воздуховодов и в зоне дыхания лаборанта определяли ОМЧ и скорость движения воздуха.

ОМЧ определяли аспирационным методом [23] с помощью аппарата Кротова⁴ , скорость движения воздуха – измерителем скорости движения воздуха, температуры и влажности «ТКА-ПКМ» (60)⁵ , энергетическую освещенность (Ее ) и энергетическую экспозицию (Не ) ультрафиолетовым светом спектра С – УФ-радиометром с ослабляющим фильтром «ТКА-ПКМ» (13)⁶ .

Полученные результаты исследования обрабатывали статистически с помощью пакета прикладных программ Statistica, Excel, достоверность сдвигов учитывали при р < 0,05. Данные представлены в виде M ± m, где M – среднее значение, m – стандартная ошибка среднего значения [24].

Результаты. Результаты исследования 1-й серии опытов показали, что всасываемый в камеру разработанного приточно-вытяжного и серийного фотокаталитических рециркуляторов воздух подвергался воздействию ультрафиолетового излучения с объемной плотностью бактерицидного потока 326,78 Вт/м3 и объемной плотностью бактерицидной энергии 326,78 Дж/м3 , а также фотоокислению на нанофильтре с поверхностной плотностью бактерицидного потока 52,06 Вт/м2 и поверхностной плотностью бактерицидной энергии 52,06 Дж/м2 . У разработанного приточно-вытяжного фотокаталитического рециркулятора энергетическая освещенность (Ее ) ультрафиолетовым светом спектра С внутри камеры под каждой лампой на расстоянии 0,5 см была 44,9 ± 4,7 c максимумом (Емах) 62, 5,5 см на поверхности нанофильтра – 15,7 ± 1,7 с максимумом 21, на расстоянии 8 см над лампой на внутренней поверхности камеры – 12,9 ± 0,9 с максимумом 16 Вт/м2 , а энергетическая экспозиция (Не) 46,1 ± 1,9, 16,1 ± 1,2, 14,3 ± 1,2 Дж/м2 соответственно.

На середине нанофильтра на высоте 2,5 см от поверхности между двумя лампами энергетическая освещенность была 2,3 ± 0,3 с максимумом 3 Вт/м2 , энергетическая экспозиция – 2,6 ± 0,6 Дж/м2 .

Во 2-й серии у вентиляционной решетки входного отверстия приточно-вытяжного фотокаталитического рециркулятора с дополнительными воздуховодами было 779,2 ± 39,3 КОЕ/м3 , в подаваемом устройством по дополнительным воздуховодам на рабочее место в зону дыхания лаборанта воздухе на расстоянии 1 и 2 м – 38,4 ± 2,04 и 35,2 ± 1,5 КОЕ/м3 , скорость движения воздуха – 0,2 ± 0,02 и 0,16 ± 0,02 м/с соответственно.

В контроле при выполнении микробиологических исследований у вентиляционной решетки входного отверстия серийного изделия без дополнительных воздуховодов ОМЧ составило 779,2 ± 39,3 КОЕ/м3 . У вентиляционной решетки выходного отверстия ОМЧ было снижено в 10,15 раза, на рабочем месте в зоне дыхания лаборанта в подаваемом воздухе на расстоянии 1 м – в 18,38 раза, 2 м – 194,2 раза по сравнению с ОМЧ у решетки входного отверстия (р < 0,001) (рисунок). Скорость движения воздуха у выходного отверстия серийного фотокаталитического рециркулятора была 2,11 ± 0,1 м/с, на расстоянии 1 м – 0,76 ± 0,04 м/с, 2 м – 0,41 ± 0,04 м/с.

В 3-й серии опытов при выключенном приточно-вытяжном фотокаталитическом рециркуляторе с дополнительными воздуховодами на рабочем месте лаборанта в зоне дыхания на расстоянии 1 и 2 м было 779,2 ± 39,3 и 792,8 ± 32,9 КОЕ/м3 , скорость движения воздуха – 0,02 ± 0,006 и 0,012 ± 0,002 м/с соответственно. После включения устройства в удаляемом через дополнительные воздуховоды с зоны дыхания лаборанта воздухе на расстоянии 1 и 2 м количество микроорганизмов было снижено в 27,8 и 23,6 раза, скорость движения воздуха – повышена в 8 и 8,3 раза соответственно (таблица). У выходного отверстия разработанного устройства ОМЧ была 17,6 ± 2,04 КОЕ/м3 .

В контроле при выключенном серийном фотокаталитическом рециркуляторе без дополнительных воздуховодов на рабочем месте лаборанта в зоне дыхания на расстоянии 1 м было 779,2 ± 39,3 КОЕ/м3 , 2 м – 792,8 ± 32,9 КОЕ/м3 , скорость движения воздуха – 0,02 ± 0,006 и 0,012 ± 0,002 м/с соответственно. После включения рециркулятора ОМЧ и подвижность воздуха на рабочем месте оставались на том же уровне.

Обсуждение. Результаты исследования позволяют заключить, что в камере разработанного приточно-вытяжного фотокаталитического рециркулятора создаются высокие энергетическая освещенность и экспозиция ультрафиолетового излучения спектра С. Создаваемые высокие поверхностная и объемная плотность бактерицидного потока и бактерицидной энергии у фотокаталитических рециркуляторов соответствуют экспериментальным значениям антимикробной поверхностной и объемной доз при 95 % бактериальной эффективности для золотистого стафилококка⁷ . Ультрафиолетовый спектр C, как доказано в некоторых исследованиях, разрушает биопленки бактериальных патогенов [25].

Приточно-вытяжной фотокаталитический рециркулятор эффективно обеззараживал воздух на 90,19 % за один цикл по сравнению с исходным уровнем (р < 0,001). Снижение количества S. aureus на 92 % в помещении объемом 50 м3 отмечено нами при непрерывной работе фотокаталитического рециркулятора в течение 6–8 часов [22]. Приточно-вытяжной фотокаталитический рециркулятор с дополнительными воздуховодами подавал в зону дыхания лаборанта на рабочее место на расстояние 1 и 2 м обеззараженный на 94,99 % и 95,53 % воздух через дополнительные воздуховоды с допустимой скоростью движения⁸ . Данные результаты свидетельствуют об эффективности обеззараживания и подачи очищенного воздуха на рабочее место разработанным приточно-вытяжным фотокаталитическим рециркулятором с дополнительными воздуховодами. В контроле в подаваемом серийным фотокаталитическим рециркулятором без дополнительных воздуховодов воздухе на рабочем месте на расстоянии 1 м ОМЧ было снижено на 94,59 %, на расстоянии 2 м – на 99,49 % (р < 0,001). Скорость движения воздуха на рабочем месте была выше в 3,85 и 2 раза (р < 0,001) соответственно по сравнению с допустимым уровнем 0,2 м/с, что, вероятно, и обусловило рассеивание микробов в воздухе и снижение их количества на рабочем месте. Необходимо подчеркнуть, что высокая скорость подачи воздуха на рабочее место серийным изделием препятствует его применению для местной вентиляции.

При использовании для удаления загрязненного воздуха с рабочего места лаборанта приточно-вытяжного фотокаталитического рециркулятора с дополнительными воздуховодами на расстоянии 1 и 2 м ОМЧ на рабочем месте было ниже на 96,55 % и 95,97 % соответственно по сравнению с исходным уровнем при допустимой скорости движения воздуха. Это указывает на высокую эффективность разработанного приточно-вытяжного фотокаталитического рециркулятора с дополнительными воздуховодами для удаления загрязненного воздуха с рабочего места. Удаляемый через дополнительные воздуховоды воздух также эффективно обеззараживался устройством в среднем на 97,76 %. Следует отметить, что в контроле при применении серийного фотокаталитического рециркулятора без дополнительных воздуховодов для удаления загрязненного воздуха с рабочего места лаборанта на расстоянии 1 и 2 м ОМЧ достоверно не отличалось от исходного уровня, подвижность воздуха практически отсутствовала, что свидетельствует о неэффективности серийного изделия для удаления загрязненного воздуха с рабочего места.

Заключение

1. В камере разработанного приточно-вытяжного фотокаталитического рециркулятора создаются высокие энергетическая освещенность и экспозиция ультрафиолетового излучения спектра С, а также поверхностная и объемная плотность бактерицидного потока и бактерицидной энергии, обусловливающие эффективное обеззараживание воздуха на 90,19 % за один цикл по сравнению с исходным уровнем (р < 0,001).
2. Для эффективного обеззараживания воздуха на рабочем месте целесообразно применять разработанный приточно-вытяжной фотокаталитический рециркулятор с дополнительными воздуховодами, обеспечивающий на рабочем месте приток обеззараженного на 95 % воздуха и вытяжку 96 % загрязненного воздуха с допустимой скоростью.
3. Серийный фотокаталитический рециркулятор без дополнительных воздуховодов непригоден для обеззараживания воздуха на рабочем месте вследствие высокой скорости воздуха при подаче и отсутствия подвижности воздуха при удалении