由新冠病毒引起的新冠肺炎疫情仍在全球蔓延，阻断其气溶胶传播对控制疫情具有重要意义。传统等离子空气消毒装置具有动态和快速的优点，但消毒效果受到单一手段限制，维护过程存在二次感染风险。本文根据新冠病毒的生理特性，改进传统等离子空气消毒技术，设计了基于热耦合电晕放电技术的空气消毒装置。采用阵列线-板电极结构实现电晕放电，采用极板内嵌发热丝实现集中加热。对放电参数进行测量，发现在高至5.6W的放电功率下可以稳定运行，放电规律服从汤森关系。对热参数测量和仿真表明，集中加热相比空气整体加热，加热效率提高17倍，同时对环境温度影响极小。使用解淀粉芽孢杆菌和枯草杆菌噬菌体作为模型病菌对消毒性能进行验证，结果表明热耦合电晕放电能有效提高病菌杀灭效果，极板残留病毒去除率提升99.97%，从而降低二次感染风险。本文研究为气溶胶传播的新冠病毒杀灭提供装置基础，为阻断其气溶胶传播途径提供技术参考。

2019年底爆发的新冠病毒肺炎疫情已经蔓延全球[1,2]，截至2020年7月，累计感染人数已超千万，累计死亡人数已超50万，给世界人民造成空前灾难。新冠病毒的传播途径主要为飞沫传播、接触传播和气溶胶传播[3]。其中，气溶胶传播颗粒很小，可以悬浮在空气中，由此研发阻断新冠病毒气溶胶传播途径的装置变得迫切。研究表明，新冠病毒对加热及多数消毒剂敏感，例如，56℃加热30min、75%酒精、乙醚、含氯消毒剂、过氧乙酸和氯仿等脂溶剂均可有效灭活病毒[4,5]。当前市面上的空气消毒装置种类繁多，按消毒技术分类，主要包括紫外线、臭氧、加热以及等离子体消毒等。这些方式都具有良好的消毒效果，但是臭氧、紫外线对人体有害，无法实现人员在场的实时消毒，而空气加热消毒一般热源要求高，造成运行成本高、加热效率低[6]。等离子体消毒凭借其动态、快速的消毒效果以及经济的运行方式近年来逐渐发展成为热点[7]。例如，浙江大学的李加丰等研究等离子放电具有荷电、氧化、凝并、除尘等特性，在空气净化中可以进行良好应用[8]，桂林电子科技大学的陈彦伶等设计出一种阵列式“多针－网”离子风灭菌装置，可通过改变级数来高效杀灭革兰氏阴性菌[9]，此外，研究表明等离子消毒可以进行无须人员撤离的动态实时消毒[10]。虽然等离子消毒具有很好的效果，但是由于等离子体消毒装置在运行过程中一般会对细菌和病毒等病原体进行收集[11,12,13]，由于单一技术很难做到百分之百的杀灭，残余的细菌和病毒会聚集在装置内部，长时间运行会降低杀灭效果。此外，在装置维护中，富集在装置内的烈性病菌具有对人员造成感染的风险，特别是对于一些烈性致病微生物例如新冠病毒更加需要重视，因为研究表明新型冠状病毒在塑料表面可保持72小时内有感染力，在不锈钢表面可以存活48小时，在纸板上可保持24小时的感染力，在铜表面可保持4小时的感染力[14]。因此，非专业人员在进行杀病毒装置的维护时具有二次感染的风险，目前常见等离子消毒装置存在一定局限性。

本文针对新冠病毒理化特性以及现有等离子空气消毒装置的不足，提出了一种基于热耦合电晕放电技术的空气消毒装置。该装置通过空气循环系统抽入含病毒空气，利用高压电晕放电产生等离子体和臭氧对病毒进行杀灭。与此同时，病毒在等离子作用下带电偏转至收集极，然后对收集极进行集中加热可使病毒发生热失活。通过测定放电功率、离子风风速、臭氧生成浓度以及加热功率等参数对装置的效能进行优化，并使用解淀粉芽孢杆菌和噬菌体作为模型细菌和病毒对装置的消毒能力进行验证。本文为后续新冠病毒杀灭实验奠定基础，也为新冠病毒气溶胶传播的阻控提供新思路。

1装置设计

图1为装置组成示意图。装置主要由高压电晕放电室、直流高压电源、雾化装置、风机、加热控制以及测试测量附件组成，其中图1只显示出主体部分。在装置工作时，首先由雾化装置产生模拟的病毒气溶胶，然后经过风机将气溶胶颗粒引入高压电晕放电室。在高压电晕放电室中，电晕放电产生的等离子体和臭氧与病毒气溶胶颗粒发生电离、氧化等作用使得病毒失活，同时等离子体可使含病毒气溶胶颗粒携带电荷，在电场的作用下偏转至收集极，对收集极进行高效加热可使病毒发生热失活。为了增强放电效果[15,16]，高压电晕放电室的电极主体由线-板阵列电极构成，其中高压发生极（线电极）由5根阵列细线构成，收集极由6片阵列电极板构成。为了产生长时间稳定电晕，线电极采用耐高温腐蚀的钨丝材料制成，同时受钨丝强度限制以及为了兼顾电晕效果，经过优化后采用钨丝的直径为0.1mm。收集极采用铝片制成，相邻极板的间距为20mm。线-板电极间距自由可调，实验中设置为25mm。在收集极铝片内部嵌入加热丝，使用电子调压装置对加热丝的功率进行控制。为了便于观察和确保实验安全，高压电晕放电室整体使用有机玻璃腔体进行封装，同时套入金属屏蔽外壳实现安全接地。