Uwzględnienie kondensacji

Rysunek 1: Dwa teoretyczne cykle biodekontaminacji (oba przy temperaturze 23 °C) z różną zawartością wilgoci na początku kondycjonowania. Podczas fazy dekontaminacji część vH2O2 jest rozkładana. W tym przypadku 10 % vH2O2 jest rozkładane od wartości początkowej, a więcej H2O2 odparowuje w celu wyrównania. Podobna sytuacja występuje przy użyciu dwóch różnych stężeń roztworu H2O2: 12 % w górnych wykresach i 59 % w dolnych wykresach.

Rysunek 1: Dwa teoretyczne cykle bio-dekontaminacji, (oba przy temperaturze 23 °C) z różnymi poziomami wilgotności na początku kondycjonowania. Podczas fazy dekontaminacji część vH2O2 ulegnie rozkładowi. W tym przypadku 10 % vH2O2 rozłożyło się z jego początkowej wartości, a więcej H2O2 jest odparowywane, aby to zrekompensować. Podobna sytuacja jest przedstawiona na podstawie dwóch różnych stężeń roztworu H2O2: 12 %-m na górnych wykresach i 59 %-m na dolnych wykresach.

Abbildung 1: Dwa teoretyczne cykle biodekontaminacji (oba z temperaturą 23 °C) z różną zawartością wilgoci na początku kondycjonowania. Podczas fazy dekontaminacji część vH2O2 jest rozkładana. W tym przypadku 10 % vH2O2 jest rozkładane od wartości początkowej, a więcej H2O2 odparowuje w celu wyrównania. Podobna sytuacja występuje przy użyciu dwóch różnych stężeń roztworu H2O2: 12 % w górnych wykresach i 59 % w dolnych wykresach.

Rysunek 1: Dwa teoretyczne cykle bio-dekontaminacji, (oba przy temperaturze 23 °C) z różnymi poziomami wilgotności na początku kondycjonowania. Podczas fazy dekontaminacji część vH2O2 ulegnie rozkładowi. W tym przypadku 10% vH2O2 uległo rozkładowi od wartości początkowej, a więcej H2O2 jest parowane, aby to zrekompensować. Podobna sytuacja jest przedstawiona na podstawie dwóch różnych stężeń roztworu H2O2: 12%-m na górnych wykresach i 59%-m na dolnych wykresach.

Rysunek 2: Dwa cykle biodekontaminacji z różnymi stężeniami wodnego H₂O₂ (T = 23 °C). W tym przypadku 10 % vH₂O₂ jest rozkładane od wartości początkowej, a więcej H₂O₂ jest odparowywane w celu wyrównania i utrzymania stałego poziomu vH₂O₂.

Rysunek 2: Dwa cykle bio-dekontaminacji z różnymi roztworami ciekłego H₂O₂ (T = 23 °C). W tym przypadku 10 % vH₂O₂ uległo dekompozycji od wartości początkowej, a więcej H₂O₂ jest odparowywane, aby zrekompensować stratę i utrzymać poziom vH₂O₂ na stałym poziomie.

Abbildung 3: Zwei Biodekontaminationszyklen mit unterschiedlichen Temperaturen. In diesem Fall werden 10 % von vH2O2 vom Anfangswert zersetzt und mehr H2O2 zum Ausgleich und zur konstanten Aufrechterhaltung des vH2O2-Gehalts verdampft.

Rysunek 3: Dwa cykle bio-dekontaminacji w różnych temperaturach. W tym przypadku 10% vH2O2 uległo rozkładowi od wartości początkowej, a więcej H2O2 jest odparowywane, aby wyrównać i utrzymać poziom vH2O2 na stałym poziomie.

Obraz 4: ppm vH2O2 jako funkcja odczytów czujnika RS/RH przy 5,0 °C / Figure 4: ppm vH2O2 as a function of RS/RH sensor readings at 5.0 °C

Obraz 5: ppm vH2O2 jako funkcja odczytów czujnika RS/RH przy 50,0 °C / Figure 5: ppm vH2O2 jako funkcja odczytów czujnika RS/RH przy 50,0 °C

Rysunek 6: Maksymalna wartość vH2O2-ppm przy różnych temperaturach, wywołana przy 35 % i 59 % H2O2.

Rysunek 6: Maksymalne ppm vH2O2 w różnych temperaturach wyprodukowane z 35% i 59 obj-% H2O2.

Rysunek 7: Punkty kondensacji przy podanych temperaturach i ppm vH2O2 (w każdym punkcie rS = 100 %, maksymalny %rF zmienia się zgodnie z krzywkami)

Rysunek 7. Punkty kondensacji przy podanych temperaturach i ppm vH2O2 (w każdym punkcie RS = 100 %, maksymalny %RH zmienia się w zależności od krzywych)

W tym artykule omówione zostaną najważniejsze parametry wpływające na punkt kondensacji oraz maksymalne ppm H2O2 w zastosowaniach z parowym wodnym tlenkiem. Zaproponowano cztery zasady, które mogą służyć jako wytyczne dla powtarzalnych, skutecznych procesów biodekontaminacji.

Wapnowany wodny tlenek (vH2O2) jest często używany do przeprowadzania biodekontaminacji w izolatorkach, komorach testowych i tunelach materiałowych. Ze względu na znaną skuteczność w temperaturze pokojowej, szeroką kompatybilność materiałową oraz brak pozostałości, biodekontaminacja za pomocą vH2O2 jest również często stosowana w szpitalach, metrze, samolotach i innych zastosowaniach wymagających niezawodnej dekontaminacji.

Kontrola kondensacji jest najważniejszym elementem każdego procesu biodekontaminacji. Powinno się unikać kapania kondensatu, ponieważ nagromadzenie skoncentrowanego płynnego wodnego tlenku może mieć negatywny wpływ na materiały, czas wentylacji i jednolitą skuteczność dekontaminacji.

Zrozumienie, jak parametry procesu wpływają na kondensację, dostarcza również informacji na temat maksymalnej koncentracji wodnego tlenku, którą można utrzymać w stanie pary. Wilgotność, temperatura i ppm wapniowego tlenku (H2O2) mają łączny wpływ na punkt kondensacji – punkt, w którym powietrze jest nasycone. Gdy kondensacja zostanie osiągnięta, ppm vH2O2 nie mogą już być zwiększone.

Wilgotność względna i nasycenie względne

W idealnym przypadku każdy etap cyklu biodekontaminacji jest kontrolowany i monitorowany. Do parametrów monitorowanych należą zazwyczaj temperatura, ppm vH2O2 oraz wilgotność (mierzona jako wilgotność względna i nasycenie względne). Ponieważ woda (H2O) i wodny tlenek (H2O2) mają podobną strukturę molekularną, obie wpływają na punkt kondensacji powietrza. Wilgotność względna (rF) wskazuje jednak jedynie zawartość pary wodnej w powietrzu przy danej temperaturze, podczas gdy nasycenie względne pokazuje zarówno zawartość pary wodnej, jak i pary wodnego tlenku w powietrzu.

W powietrzu zawierającym parę wodnego tlenku kondensacja występuje przed osiągnięciem 100 % wilgotności względnej. Dlatego punkt kondensacji można wiarygodnie przewidzieć poprzez pomiar nasycenia względnego (rS). Gdy nasycenie względne osiągnie wartość 100 % rS, mieszanina par ulega kondensacji. Wilgotność względna i nasycenie względne różnią się w obecności vH2O2. Różnicę między rF a rS dodatkowo wpływa ilość dostępnego vH2O2.

Jak wspomniano, koncentracja par wodnego tlenku nie może już wzrosnąć po wystąpieniu kondensacji i osiągnięciu 100 % nasycenia względnego. W rzeczywistości koncentracja pary wodnego tlenku często maleje, ponieważ kondensacja wyciąga vH2O2 z powietrza. Podczas kapania kondensatu na końcu fazy dekontaminacji, wartości ppm vH2O2 mogą początkowo wzrastać podczas wentylacji, ponieważ krople ponownie uwalniają vH2O2 do powietrza.

Fazy biodekontaminacji vH2O2

Cykle biodekontaminacji z użyciem parowego wodnego tlenku obejmują zazwyczaj cztery odrębne etapy:

Krok 1: Osuszanie:
Tworzone są warunki fizyczne początkowej temperatury, wilgotności i cyrkulacji powietrza. Obszar poddawany dekontaminacji może wymagać osuszenia przed kondycjonowaniem, aby zmniejszyć kondensację. Obniżenie wilgotności do określonego procentu przed fazą kondycjonowania skutkuje większą powtarzalnością wyników. W tym etapie jeszcze nie wprowadza się pary H2O2.

Krok 2: Kondycjonowanie:
Para wodnego tlenku jest wytwarzana z wodnego roztworu H2O2 i H2O i wstrzykiwana do obszaru, aż osiągnięta zostanie pożądana koncentracja ppm vH2O2. Koncentracje procesowe mogą się wahać od 140 do 1400 ppm, w zależności od obciążenia mikrobiologicznego.

Krok 3: Biodekontaminacja lub czas przebywania:
Powierzchnie i mikroorganizmy są wystawione na działanie śmiertelnych koncentracji parowego tlenku wodoru przez wystarczająco długi czas. Para H2O2 rozkłada się na wodę i tlen. Można to zrównoważyć poprzez wstrzykiwanie pary H2O2 podczas tego etapu. Pomiar ppm vH2O2 może służyć do sterowania dawkami wstrzykiwań, utrzymując stały poziom ppm vH2O2.

Krok 4: Wentylacja:
Ostatni etap obniża pozostałą parę H2O2 do bezpiecznego poziomu. vH2O2 może być rozkładany na parę wodną i tlen za pomocą katalizatora.

Parametry procesu wpływające na kondensację

Na poniższych wykresach zmieniamy wilgotność, stężenie roztworu H2O2, temperaturę oraz ppm vH2O2. Ilustruje to, jak te czynniki wpływają zarówno na punkt kondensacji (nasycenie względne = 100 % rS), jak i na maksymalną osiągalną koncentrację parowego tlenku wodoru podczas fazy biodekontaminacji. Wykresy te są uproszczonym przedstawieniem rzeczywistych procesów biodekontaminacji, pokazując, jak krytyczne parametry procesu wpływają na wyniki.

Wilgotność, punkt kondensacji i maksymalna możliwa ppm vH2O2

Obniżenie początkowej wilgotności zwiększa ilość pary H2O2, którą można użyć przed kondensacją.

Poniższe wykresy (rysunek 1) pokazują, jak osuszanie wpływa na maksymalną osiągalną ppm vH2O2. Na rysunkach 1a i 1b użyto roztworu H2O2 o stężeniu 12 % m; rysunki 1c i 1d przedstawiają roztwór o stężeniu 59 % m. Na rysunkach 1a i 1b przedstawiono dwa podobne cykle biodekontaminacji; pomarańczowe linie pokazują procesy bez osuszania i z fazą kondycjonowania rozpoczynającą się od wilgotności względnej 50 %. Niebieskie linie wskazują procesy, w których osuszanie zakończyło się na 10 % rF przed fazą kondycjonowania. Na rysunkach 1a i 1c widoczne są skutki osuszania na zawartość wilgoci – pokazane jako wilgotność względna i nasycenie względne – podczas fazy kondycjonowania i czasu przebywania. Rysunki 1b i 1d pokazują wpływ osuszania na maksymalną możliwą parową koncentrację H2O2 podczas fazy kondycjonowania i czasu przebywania.

Wapnowany wodny tlenek jest wstrzykiwany do komory do momentu osiągnięcia kondensacji. Widać, że przy wyższej wilgotności względnej na początku fazy kondycjonowania (brak osuszania) kondensacja występuje wcześniej. Im niższa % rF na początku kondycjonowania, tym wyższe ppm vH2O2 można osiągnąć przed kondensacją.

Podczas fazy dekontaminacji część vH2O2 rozkłada się na wodę i tlen. Ilość rozkładającego się vH2O2 zależy od warunków takich jak materiały, temperatura, wilgotność i przepływ powietrza. Rzeczywista szybkość rozkładu pod określonymi warunkami musi być zmierzona. W kolejnych wykresach przyjęliśmy, że 10 % vH2O2 z początku uległo rozkładowi, a więcej H2O2 odparowano w celu wyrównania.

Stężenie roztworu H2O2, punkt kondensacji i maksymalna ppm vH2O2

Wraz ze wzrostem stężenia roztworu H2O2, rośnie ilość pary H2O2, którą można wprowadzić przed kondensacją.

Poniższe wykresy przedstawiają dwa podobne cykle biodekontaminacji z różnymi roztworami H2O2. Czarna linia reprezentuje cykl z roztworem o stężeniu 59 % m H2O2, a niebieska – z roztworem o stężeniu 12 % m H2O2. Oba cykle mają początkową wilgotność 50 % rF i są osuszane do 10 % rF przed fazą kondycjonowania.

Wapnowany wodny tlenek jest wstrzykiwany do komory, aż do osiągnięcia kondensacji. Ponieważ niższe stężenie roztworu (12 % m) zawiera 88 % wody, komora szybciej osiąga 100 % nasycenia względnego niż ta z wyższym stężeniem (59 % m). Po osiągnięciu kondensacji, ppm vH2O2 nie mogą już wzrosnąć. Maksymalna ppm vH2O2 z roztworem 59 % m wynosi 1400 ppm (czarna linia), a z roztworem 12 % m – 700 ppm.

Temperatura, punkt kondensacji i maksymalna ppm vH2O2

Podniesienie temperatury zwiększa ilość pary wodnej i wodnego tlenku, którą powietrze może utrzymać, co powoduje wzrost maksymalnej ppm vH2O2.

Pod warunkami opisanymi wcześniej, temperatura cyklu biodekontaminacji została utrzymana na poziomie 23 °C. Przy danej temperaturze powietrze może pomieścić określoną ilość pary, niezależnie od tego, czy jest to H2O, czy H2O2. Zmieniając temperaturę, modyfikujemy zarówno punkt kondensacji, jak i maksymalną koncentrację parowego tlenku wodoru.

Na rysunkach 3a i 3b przedstawiono dwa podobne cykle biodekontaminacji. Czarna linia oznacza temperaturę 40 °C, a niebieska – 23 °C. W obu przypadkach przeprowadzono osuszanie, aby obniżyć wilgotność do 10 %, oraz użyto roztworu H2O2 o stężeniu 59 %. Czarna linia na rysunku 3b pokazuje, że temperatura 40 °C pozwala na wyższy ppm vH2O2 niż temperatura 23 °C, przedstawiona przez niebieską linię.

Możemy dalej badać wpływ temperatury, analizując wilgotność, zarówno wilgotność względną, jak i nasycenie względne. Na rysunku 4 widzisz ppm vH2O2 przy temperaturze 5 °C. Wilgotność względna jest na osi x, a wilgotność względna na osi y. Linie współrzędnych wewnątrz osi x i y reprezentują stężenie pary H2O2 od 0 do około 500 ppm. Linia przy 0 ppm oznacza parę wyprodukowaną wyłącznie z czystej wody. Wraz ze wzrostem stężenia roztworu H2O2, ppm vH2O2 również rośnie. Teoretycznie, linia wzdłuż osi x reprezentuje parę wyprodukowaną z 100 % H2O2. Kondensacja występuje, gdy wilgotność względna osiągnie 100 %, a ppm vH2O2 nie mogą już wzrosnąć. Przy temperaturze 5 °C, początkowej wilgotności 0 % rF i parowaniu roztworu H2O2 o stężeniu 100 %, teoretyczna maksymalna ppm vH2O2 wynosi 548 ppm.

Wszystkie warunki na rysunku 5 są takie same jak na rysunku 4 (0 % rF, roztwór 100 % m), a jedynie temperatura została zmieniona na 50 °C. Maksymalna teoretyczna ppm vH2O2 wynosi teraz 13 019.

Rysunek 6 pokazuje maksymalne ppm vH2O2 przy różnych temperaturach i dla różnych stężeń roztworu H2O2. Porównujemy dwa często stosowane stężenia: 35 % i 59 %. Niebieska linia trendu reprezentuje roztwór 35 % H2O2. Przy temperaturze 40 °C maksymalna ppm vH2O2 wynosi 4 210. Przy tej samej temperaturze (40 °C), roztwór 59 % osiąga maksymalnie 5 461 ppm.

Stężenie pary H2O2 i punkt kondensacji

Wraz ze wzrostem stężenia roztworu H2O2, maleje ilość pary wodnej, którą powietrze może utrzymać, co powoduje wcześniejszą kondensację.

Każdy punkt na wykresie 7 reprezentuje punkt kondensacji i oznacza, że osiągnięto 100 % nasycenia względnego. Temperatura jest na osi x, a ppm vH2O2 na osi y. Krzywa na wykresach pokazuje maksymalną wilgotność względną przy danej temperaturze i stężeniu ppm vH2O2.

Jak widać, przy 20 °C i 300 ppm wodnego tlenku wodoru wilgotność względna wynosi 60 %, a nasycenie względne 100 %. Jeśli zwiększymy ppm vH2O2 do 600 przy 20 °C, wilgotność względna spadnie do 39 %, a nasycenie względne nadal będzie 100 %.

Podnosząc temperaturę do 40 °C przy stężeniu 300 ppm, wilgotność względna osiąga 87 %, a nasycenie względne 100 %. Im wyższa temperatura, tym więcej pary wodnej może pochłonąć powietrze. Wilgotność względna wzrasta.

Cztery zasady parametrów procesu vH2O2

1. Obniżenie początkowej wilgotności zwiększa ilość pary H2O2, którą można wykorzystać przed kondensacją.

2. Wzrost stężenia roztworu H2O2 powoduje wzrost ilości pary H2O2, którą można wprowadzić przed kondensacją.

3. Podniesienie temperatury zwiększa ilość pary wodnej i wodnego tlenku, którą powietrze może utrzymać, co zwiększa maksymalne ppm vH2O2.

4. Wzrost stężenia pary H2O2 powoduje zmniejszenie ilości pary wodnej, którą powietrze może pochłonąć, co skutkuje wcześniejszą kondensacją.

Wnioski

Wykazaliśmy, jak dogłębna wiedza na temat relacji między krytycznymi parametrami procesu umożliwia opracowanie skutecznych, powtarzalnych cykli biodekontaminacji vH2O2. Pomiar pojedynczych parametrów często jest niewystarczający do monitorowania i nie jest skuteczny w sterowaniu procesem. Pokazaliśmy również, dlaczego nasycenie względne jest kluczową wartością dla dokładnego przewidywania kondensacji. Dlatego unikalna technologia Vaisala PEROXCAP® mierzy wiele parametrów w jednym pomiarze, w tym ppm pary wodnego tlenku, temperaturę, punkt rosy, ciśnienie pary i wilgotność (wilgotność względna oraz nasycenie względne).