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超声波消毒灭菌技术在家居环境中的应用

14天前

本文重点关注超声波的消毒灭菌特性,探讨其在家居环境中应用的可能性。

超声波指频率高于20000Hz的声波,因其频率下限超出人类的听觉上限而得名。作为一种声波,它的方向性好,穿透能力强,易于获得较集中的声能,在水中传播距离远。目前,超声波可以用于测量、焊接、清洗、消毒灭菌等,已经在医学、军事、工业、农业等领域有较多应用。本文重点关注超声波的消毒灭菌特性,探讨其在家居环境中应用的可能性。

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超声波技术特点


使用超声波技术消毒灭菌的特点是速度快,无外来添加物,对人体无害,对物品无损伤。但灭菌作用不彻底,影响因素较多。虽然单独使用超声波消毒灭菌的效果有限,但超声波与其他消毒灭菌方法联合使用,则具有很大的潜力,其辅助消杀效果非常显著。


近年以来,超声波协同臭氧、纳米二氧化钛、微波、激光、紫外线、热、压力灭菌效果的研究都取得了进展。作为一种有效的辅助灭菌方法,超声波已经成功用于废水处理、饮用水消毒等领域,在液体食品灭菌中的应用也有较多的研究。


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超声波消毒灭菌技术原理


2.1 超声波单独消毒灭菌

一般认为,单独使用超声波时,消毒灭菌效力主要由超声波产生的空化作用产生。空化作用是指,在超声波处理过程中,当高强度的超声波在液体介质中传播时,产生纵波,从而产生交替压缩和膨胀的区域,这些压力改变的区域易引起空穴现象(指在液流中当某点压力低于液体所在温度下的空气分离压时,原来溶于液体中的气体会分离出来产生气泡的现象),并在介质中形成微小气泡核。微小气泡核在绝热收缩及崩溃的瞬间,其内部呈现5000℃以上的高温及 50000kPa 的压力,从而使液体中某些细菌致死,病毒失活,甚至使体积较小的一些微生物的细胞壁破坏,但是作用的范围有限。


超声波单独作用时,容易作用不彻底,且影响因素较多。若增加超声波强度,会提高其灭菌率,但会造成设备的严重损耗。


2.2 超声波辅助其他消杀技术

(1)超声波协同臭氧技术

臭氧是一种氧化性很强的强氧化剂,臭氧在超声的协同作用下,有更好的杀菌效果。在相同处理时间下,采用超声波协同臭氧的杀菌率高于单独臭氧处理的杀菌率,当臭氧使用量相同时,可缩短超声处理时间,从而节省超声能量。超声能使臭氧气泡粉碎成微气泡,极大地提高溶解速度,增加了臭氧的浓度,高浓度的臭氧能迅速氧化杀灭细菌。


(2)超声波协同纳米二氧化钛(光触媒)

纳米二氧化钛在紫外光催化下具有洁净和杀菌作用,同样的,在超声波的辐射下,纳米二氧化钛也具有灭菌的作用。有研究认为,纳米二氧化钛催化剂与超声波具有明显的协同杀菌作用,pH 值升高对超声波杀菌效果有轻微影响,其杀菌效果比纳米二氧化钛催化紫外光杀菌效果好。


(3)超声波协同激光灭菌

激光杀菌最大的弱点就是它的方向性极强,光束细,辐射面积小,从而使得某些细菌能避开袭击。原来方向性极强的激光穿过超声场时,受到声波的干扰,强化了激光的反射、折射和散射,尤其是超声空化更加剧了上述作用,并引起了激光的强烈发散,大大扩大了激光的作用范围。


(4)超声波协同紫外线灭菌

紫外线具有较高的杀菌效率,且不会对周围的环境产生二次污染,但其穿透能力较弱,超声波与紫外线协同则可以实现高效杀菌,超声波振动清洗、振动剪切和空化作用,可实现石英防水套管动态清洗、分割破碎悬浮颗粒、产生大量空化气泡,进而提高紫外线的透光率和杀菌率。


(5)热超声波、压力超声波以及压热超声波

超声波如果和热处理、压力或压热联合使用, 从而出现了热超声波(热+超声波)、压力超声波(压力+超声波)以及压热超声波(热和压力+超声波)等技术, 这些技术能提高杀菌率。当超声波和热处理、压力协同作用时,可以加快灭菌速度,缩短处理时间。


2.3 超声波清洗技术

超声波清洗技术通过超声波发生器产生高频率的振荡信号,能量转换后形成机械振荡在清洗介质中疏密相间的沿一定方向传播,传播过程中由于振荡作用使液体清洗介质产生数以万计的微小气泡,当声压达到极限值时,气泡迅速增大,破裂,清洗介质闭合,在气泡破裂的瞬间产生的强大冲击波能够破坏污垢层,于此同时气泡破裂产生的微小射流喷嘴能够进一步剥离膜面污染物,即空化作用和机械作用。


相比于其他清洗技术,超声波清洗技术具有清洗彻底、用时短、能够清洗传统清洗方法难以清洗到的微小污染角落的特点。因此在医疗行业中,常使用超声波清洗技术配合清洁剂、消毒剂等液体介质进行医疗设备消毒。超声清洗技术能够保证医疗设备清洗消毒过程中各个缝隙、空洞都做到彻底清洗消毒作业,且材质不受损害。


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在家居环境中的应用

3.1 食材清洗

基于超声波的清洗能力,其可以应用于日常果蔬、肉类等食材的清洗,以去除食材表面附着的各种病毒、细菌和农药残余等物质。目前市面上已有厨房清洗机、果蔬清洗机等产品。


目前市面上大多数清洗机采用的是超声波+臭氧的清洗模式。不过清洗机在清洗不同种类的果蔬时效果也很不一样,比如草莓这一类农药基本残留在表面的果蔬有着很好的效果;而苹果、茄子、青椒等农药吸附较深的果蔬时,效果则会大打折扣。


3.2 食品灭菌处理

传统的巴氏消毒是当前广泛用于食品灭菌的技术,其热处理能杀死微生物的营养体。然而,它的有效性依赖于处理温度和时间,时间的长短和温度的高低也和食品的营养损失,不良风味的形成以及功能性特征的减少成比例。超声波和热联合使用能加快食品灭菌速度, 这样既缩短热处理时间又减少了对食品成分的破坏。


研究表明相比于巴氏杀菌果汁,超声杀菌可以较好的保持果蔬汁的口感,同时降低对果蔬汁品质的破坏。巴氏杀菌与超声波杀菌均在一定程度上破坏了橙汁的抗氧化活性,超声处理后果汁的抗氧化效果要强于巴氏杀菌处理后的果汁。


目前超声波对食品的灭菌主要是应用在食品工业中,适合家用的产品还没有出现,随着消费者对消毒灭菌类家电产品的需求,或许日后可以研发相应的家用食品处理器。


3.3 饮用水处理

目前,饮用水消毒的方式主要有加氯消毒、紫外线消毒以及臭氧消毒。超声波对于紫外线消毒、臭氧消毒等技术都有较好的辅助作用。同时有研究表明,超声对氯化消毒也有较好的辅助作用,经超声预处理后,出水中的余氯浓度明显降低,有效地提高氯化消毒剂的使用效率。


目前,超声波辅助处理水还仅限于给水工程的应用,在家用范围内超声辅助处理的应用还没有见到,尚待研究。


3.4 衣、物洗涤

基于超声波清洗技术,目前市面上已有一些超声波洗衣机、迷你洗衣机、首饰清洗机、杯具清洗器等产品。超声波洗衣机是在洗衣机内部装配超声波高频振荡器,应用超声波原理,产生高频振荡波,使水流及衣物间产生大量微小气泡,利用气泡破裂时产生的气压冲击波,使污垢与衣物彻底分离,自动完成洗涤工况,可不用或少用洗涤剂,改善环境污染,节约水资源,洗涤效果很好。


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总结

综上所述,利用超声波消毒灭菌还是一种新兴技术,虽然其单独作用灭菌效果有限,但辅助其他技术协同灭菌时可以起到较好的效果,因此,对超声波技术进行进一步的研究有一定的实用意义。


可以看到,目前在家用领域,已经有基于超声波的清洗机、洗衣机等家用产品问世,但是,基本上都是基于其清洗功能,对于消毒灭菌的应用还很罕见。超声消毒灭菌技术在食品工业、医疗等领域已经开展了很多研究并且也有较为广泛的应用,但是还没有应用到家用产品上来。想要将超声波消毒灭菌技术成熟、量产化的应用到家用产品中,还需要进行大量的研究。



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家电科技介绍

《家电科技》期刊创刊于1981年,是由中国轻工业联合会主管、中国家用电器研究院主办的国家级学术期刊,被《中国核心期刊(遴选)数据库》收录,是家电及相关行业公认的权威科技期刊。

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