英文原题：Reactive Air Disinfection Technologies: Principles and Applications in Bioaerosol Removal
通讯作者：张文，新泽西理工学院
作者：Fangzhou Liu, Qingquan Ma, Makid Maskawat Marjub, Ashley Kate Suthammanont, Shaobin Sun, Hong Yao, Yi Tao, Wen Zhang
近日，新泽西理工学院张文教授团队与其合作机构在ACS ES&T Engineering杂志发表了综述文章、并系统地总结了空气消毒以及生物气溶胶中病毒或细菌等去除或灭活等方面的技术。该文章介绍了不同的具有反应活性的空气净化技术的原理，应用和局限性。例如紫外线消毒，光催化，臭氧消毒，电化学/静电消毒，摩擦电效应消毒，等离子空气消毒和微波消毒。
随着COVID-19和其他传染病继续在全球传播，清除密闭空间中的空气传播的病原体对于遏制传播和降低人类感染率变得越来越重要。然而，市售的空气净化器大多基于尺寸排阻或吸附，这在去除病毒颗粒方面越来越不足，因为大多数过滤器虽然在去除微米尺寸的颗粒（例如灰尘、皮屑、花粉、真菌和其他常见过敏原）方面明显有效，但可能无法捕获小病毒或生物气溶胶，这取决于许多因素，例如过滤材料和孔径，空气中颗粒的大小、形状和浓度，以及通过过滤器的气流速度。此外，维护不当的供暖通风和空调（HVAC）系统中的空气过滤器可能会导致活病原体积聚和病毒通过空气循环进行二次传播。过滤器上捕获的生物气溶胶也可能重新悬浮或排放，并明显增加感染的风险。一些商用空气净化器可能会使用紫外线照射来增强消毒效果。然而，这种紫外线/过滤器组合对病毒灭活的有效性将受到紫外线强度、曝光时间和紫外线穿透的影响。因此，在全球社会恢复正常运作的同时，需要开发和研究具有成本效益的新型空气消毒技术，这些技术可能对公众健康具有至关重要的意义，尤其是在空气污染的长期共存下。
本综述回顾了目前市场上可用的或在实验室和工业环境中展示的最先进的空气净化工艺和技术，包括臭氧氧化、紫外线消毒和光催化。这些反应性空气净化过程可与基于吸附或过滤的系统结合使用，以增强除颗粒物理捕获或去除挥发性有机化合物（VOC）之外的消毒效果。本文旨在对各种反应性空气净化技术提供简明而全面的概述，简要讨论它们的原理、应用和局限性，为进一步开发新的空气净化工艺以解决新出现的空气传播污染物问题提供参考。
图1. 紫外线灯与空气过滤结合的反应器
紫外线 (UV) 已广泛用于水和空气消毒。在紫外线照射下（尤其是在 254 nm 的杀菌紫外线波长下），微生物吸收紫外线光子，导致其脱氧核糖核酸 (DNA) 受损， 灭活的主要机制是通过吸收相邻胸腺嘧啶残基之间的光子形成嘧啶二聚体，从而阻止微生物复制。波长 <200 nm 的真空紫外线 (VUV) 表现出更强的杀菌效果，因为它具有更高的 光子能量 (6.70 eV) 高于紫外线照射（254 和 365 nm）的能量（4.88 和 3.40 eV）。相比于高耗能，寿命短的紫外灯，随着可见光驱动催化剂 （如Ag3AsO4 和碳或氮掺杂二氧化钛）的发展，可见光驱动的光催化消毒正受到越来越多的关注。但是光催化或光催化剂会受到表面污染或失活的影响，这限制了在实际中的应用。
图 2. 典型的臭氧气溶胶消毒反应器组件示意图。
臭氧消毒是一种广泛应用于各个行业的技术，包括食品消毒、水处理和牙齿清洁。臭氧是一种强氧化剂，其不仅可以通过氧化病毒外部包膜，还可以通过过氧化其外部蛋白从而损害病毒对宿主细胞的粘附来灭活病毒。此外，脂质包膜中存在的不饱和脂肪酸可被臭氧氧化，从而导致单链RNA的破坏。尽管有良好的穿透性，但是长时间暴漏在臭氧中对人体肺部的危害以及其昂贵的生产，运行和维护价格 使臭氧空气消毒技术处于初级阶段。
图 3. 摩擦纳米发电机驱动的带电电极过滤器空气消毒设计。
该综述总结了使用带电介质（例如表面或颗粒）对空气进行消毒的过程。这个过程涉及使用电能和静电力来分离和消除有害病原体。比如利用羟基自由基、电穿孔和焦耳热的作用使细菌失活。静电除尘器可以通过利用静电引力和高压电晕放电而产生包括臭氧在内的活性物质失活细菌、孢子和病毒。近期，摩擦电空气净化器利用环境机械能通过摩擦电效应和静电感应的耦合产生高电压，从而能够吸收和降解气相污染物。应用纳米线 （例如 Ag、CuO 和 ZnO ）可显着增强线尖处的电场 (>107 V m–1)。摩擦电空气过滤器和商业化产品已被用于去除二氧化硫 (SO2)、一氧化碳 (CO)、二氧化氮 (NO2) 和甲醛以及 PM2.5.。然而，很少有研究探讨它们对空气传播病原体的失活效果。其主要的消毒机制之一是电穿孔：应用足够强的电场致使微生物（细菌膜和病毒衣壳）外表面发生结构变化并发生灭活。
图 4. 用于生物气溶胶消毒的不同等离子体应用示意图。
等离子体被认为是继固态、液态和气态之后的第四种物质状态，被定义为由放电作用（例如 DBD、电晕放电、等离子射流和滑动电弧放电）产生的部分或完全电离的气体。等离子体中的高能电子可以通过激发、解离和电离气体分子产生 活性氧物质（ROS） 和活性氮物质 (RNS)，从而导致病原体失活 。在低于 40°C 的条件下工作的低温大气等离子体 (CAP) 已被应用在水处理、除臭和空气净化。然而，使用高压等离子进行空气消毒可能具有安全隐患，而且臭氧、一氧化碳或氮氧化物等二次污染物的形成可能会对处理后的空气质量产生负面影响。
图 5. 微波气溶胶消毒实验装置示意图。
在过去的几十年里，微波在食品消毒和污泥消化领域得到了广泛研究。微波是频率在 300 MHz 和 300 GHz 之间的电磁波，可以通过热效应和非热效应使微生物失活。热效应是由于细胞内液和细胞外液吸收微波能量，导致极性分子振动并产生热量而产生的 . 非热效应的发生是由于电场与反应介质中特定（极性）分子的直接的相互作用。除了直接微波辐射，研究人员还将空气过滤与微波相结合，实现空气传播病毒的灭活。微波功率、微波频率和照射时间是影响生物气溶胶微波消毒效果的主要因素。
最后文章指出在全球社会恢复正常运作的同时，仍然迫切需要开发和研究具有成本效益的新型空气消毒技术，这些技术对未来公众健康具有至关重要的意义。这篇综述重点介绍了化学或催化反应空气消毒技术。这些技术的成功实施需要新材料、催化剂、反应器设计和工艺操作的创新。例如，化学掺杂的 TiO2 和新型二维平板纳米材料（如 MXenes）被证明可以增强光催化空气消毒效果。此外，微波辐射通过结合使用颗粒活性炭 (GAC) 空气过滤器，可以为病毒颗粒提供吸附/反应位点，并同时利用陷阱加热途径实现空气消毒。
相关论文发表在ACS ES&T Engineering上，新泽西理工学院博士研究生刘方洲为文章的第一作者，张文教授为通讯作者。
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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