臭氧在瓦楞纸中渗透实验及分子模拟

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近年来,臭氧消毒技术因其绿色安全、杀菌效率高等优点,在各个行业都得到了广泛的应用。在医疗和食品行业中,为了保证生产过程的无菌,经常需要对包装材料进行消毒。传统的包装材料灭菌技术在消毒过程中往往会出现污染环境、操作复杂等缺点,而臭氧是一种杀菌效果良好且无污染的气体,所以研究臭氧对包装材料的消毒是非常有意义的。瓦楞纸作为使用最广泛的包装材料之一,在快递、医疗和食品等行业均有使用。2020年以来,在新冠肺炎疫情的影响下,快递行业因其流通量大、接触面广的特点,使其成为了新冠病毒传播的一个重要途径。新冠病毒能够附着在快递包装的表面,并且能够存活一定的时间,所以对快递包装的杀菌消毒是预防病毒传播的一个重要步骤。臭氧作为一种具有杀菌消毒能力的气体,能够有效杀死新冠病毒,所以本文主要研究了臭氧对瓦楞纸这种包装材料的渗透性。本文搭建了臭氧透过瓦楞纸过程中的数据采集装置,并且设计了L9(3~3)的正交实验。研究在渗透过程中的温度、瓦楞纸类型和臭氧浓度三种因素对臭氧穿透瓦楞纸后对其浓度的影响。对实验结果进行极差分析后得到了三种因素的影响程度大小依次为:臭氧浓度、瓦楞纸类型、温度。通过方差分析得到以上三个因素对实验结果的影响均是高度显著的,且与极差分析中得到的三个因素的影响程度次序相同。根据实验数据表明,在一定条件下臭氧透过瓦楞纸后其浓度依然能够达到杀菌消毒的水平。瓦楞纸中的主要成分为纤维素,通过分子模拟技术,利用蒙特卡洛法(GCMC)和分子动力学法(MD)模拟单组分O3气体和O3/O2混合气体在纤维素中吸附及扩散行为。在单组分O3气体的吸附过程中,纤维素对O3的吸附量随着温度的上升而减少,随着压力的增大而增加,当压力增大到一定程度后,吸附量将趋于平缓;扩散过程中,在273~313K温度范围内,O3在纤维素中的扩散系数随着温度升高而增大。298K温度下,在2.5~10MPa压力范围内,O3在纤维素中的扩散系数随着压力的增加而增大。O3/O2混合气体在纤维素的吸附过程中,纤维素对O3和O2的吸附作用随温度和压力变化趋势与单组分O3是一致的,但纤维素对O3的吸附能力要大于O2;扩散过程中,O3和O2在纤维素中的扩散系数随温度和压力变化趋势与单组分O3是一致的,但O2在纤维素中的扩散能力要大于O3。而造成O3和O2在纤维素中吸附和扩散性能不同的原因是纤维素与O3之间的分子作用力要大于O2,此结论可以通过O3和O2的沸点、相对分子质量和径向分布函数验证。
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