Die Eigenschaften von UV-Strahlung hĂ€ngen von der WellenlĂ€nge ab, und das UV-Licht verschiedener Quellen unterscheidet sich im Spektrum. Lassen Sie uns besprechen, welche Quellen von UV-Strahlung existieren und wie man sie anwenden kann, um die bakterizide Wirkung zu maximieren und die Risiken unerwĂŒnschter biologischer Effekte zu minimieren.
Abb. 1. Auf dem Foto wird kein Desinfektionsvorgang mit UVC-Strahlung gezeigt, wie man vielleicht denken könnte, sondern ein Training zur Verwendung von SchutzanzĂŒgen mit der Identifizierung von lumineszierenden Flecken von LehrkörperflĂŒssigkeiten unter UVA-Strahlen. UVA ist sanfte UV-Strahlung und hat keine bakterizide Wirkung. Geschlossene Augen sind eine gerechtfertigte SicherheitsmaĂnahme, da das breite Spektrum der verwendeten UVA-Leuchtstofflampe sich mit UVB ĂŒberschneidet, die gefĂ€hrlich fĂŒr das Sehvermögen ist (Quelle: Simon Davis/DFID).
Die WellenlĂ€nge des sichtbaren Lichts entspricht der Energie des Quants, bei der gerade erst photochemische Reaktionen möglich werden. Quanten des sichtbaren Lichts regen photochemische Reaktionen in spezifischem lichtempfindlichem Gewebe an â in der Netzhaut des Auges.
Ultraviolett ist unsichtbar, seine WellenlĂ€nge ist kĂŒrzer, die Frequenz und die Energie des Quants sind höher, die Strahlung ist hĂ€rter, und die Vielfalt der photochemischen Reaktionen und biologischen Effekte ist gröĂer.
Ultraviolett unterscheidet sich in:
- Langwelliges/weiches/nĂ€he UVA (400âŠ315 nm);
- Mittelstark â UVB (315âŠ280 nm);
- Kurzwelliges/fernes/hartes â UVC (280âŠ100 nm).
Bakterizide Wirkung von Ultraviolett
Die bakterizide Wirkung geht von harten UV-Strahlen â UVC â aus, und in geringerem MaĂe von mittelharten UV-Strahlen â UVB. In der Kurve der bakteriziden Effizienz ist zu sehen, dass nur ein enger Bereich von 230âŠ300 nm eine eindeutige bakterizide Wirkung hat, was etwa einem Viertel des als Ultraviolett bezeichneten Bereichs entspricht.
Abb. 2 Bakterizide Effizienzkurven aus []
Quanten mit WellenlĂ€ngen in diesem Bereich werden von NukleinsĂ€uren absorbiert, was zur Zerstörung der Struktur von DNA und RNA fĂŒhrt. Neben der bakteriziden Wirkung (die Bakterien abtötet) hat dieser Bereich auch eine viruzide (gegen Viren gerichtete), fungizide (gegen Pilze gerichtete) und sporozide (Sporen abtötende) Wirkung. Dazu gehört auch der RNA-haltige Virus SARS-CoV-2, der die Pandemie 2020 ausgelöst hat.
Die bakterizide Wirkung des Sonnenlichts
Die bakterizide Wirkung von Sonnenlicht ist relativ gering. Schauen wir uns das Sonnenlichtspektrum ĂŒber und unter der AtmosphĂ€re an:
Abb. 3. Das Spektrum der Sonnenstrahlung ĂŒber der AtmosphĂ€re und auf Meereshöhe. Der gewalttĂ€tigste Teil des ultravioletten Bereichs erreicht die ErdoberflĂ€che nicht (entnommen aus Wikipedia).
Es ist wichtig, auf das in Gelb hervorgehobene ĂŒberatmosphĂ€rische Spektrum zu achten. Die Energie eines Photons am linken Rand des ĂŒberatmosphĂ€rischen Sonnenstrahls mit einer WellenlĂ€nge von weniger als 240 nm entspricht der chemischen Bindungsenergie von 5,1 eV im MolekĂŒl Sauerstoff "O2". Molekularer Sauerstoff absorbiert diese Photonen, die chemische Bindung bricht, es entsteht atomarer Sauerstoff "O", der sich wieder zu SauerstoffmolekĂŒlen "O2" und teilweise zu Ozon "O3" verbindet.
Das ĂŒberatmosphĂ€rische UVC erzeugt in den oberen Schichten der AtmosphĂ€re Ozon, das als Ozonschicht bezeichnet wird. Die chemische Bindungsenergie im OzonmolekĂŒl ist geringer als im SauerstoffmolekĂŒl, weshalb Ozon Photonen mit geringerer Energie als Sauerstoff absorbiert. WĂ€hrend Sauerstoff nur UVC absorbiert, nimmt die Ozonschicht sowohl UVC als auch UVB auf. Das bedeutet, dass die Sonne mit dem Ă€uĂersten Ende des ultravioletten Spektrums Ozon erzeugt, und dieses Ozon absorbiert dann den gröĂten Teil der harten Solar-UV-Strahlung, wodurch die Erde geschĂŒtzt wird.
Jetzt vorsichtig, unter BerĂŒcksichtigung der WellenlĂ€ngen und des MaĂstabs, kombinieren wir das Sonnenlichtspektrum mit dem Spektrum der bakteriziden Wirkung.
Abb. 4 Das Spektrum der bakteriziden Wirkung und das Spektrum der Sonnenstrahlung.
Es ist zu erkennen, dass die bakterizide Wirkung von Sonnenlicht gering ist. Der Spektralbereich, der bakterizide Wirkungen entfalten kann, wird fast vollstÀndig von der AtmosphÀre absorbiert. Zu verschiedenen Jahreszeiten und in unterschiedlichen Breiten variiert die Situation etwas, ist aber qualitativ Àhnlich.
Die Gefahr des UV-Lichts
Der FĂŒhrer eines groĂen Landes schlug vor: âUm COVID-19 zu heilen, sollte Sonnenlicht in den Körper gebracht werdenâ. Allerdings zerstört bakterizides UV-Licht RNA und DNA, einschlieĂlich menschlicher. Wenn Sonnenlicht "in den Körper gebracht" wird, wird die Person sterben.
Die Epidermis, insbesondere die Hornschicht abgestorbener Zellen, schĂŒtzt das lebende Gewebe vor UVC. Unterhalb der Epidermisschicht dringt weniger als 1 % der UVC-Strahlung durch [WHO]. LĂ€ngere Wellen von UVB und UVA dringen tiefer ein.
WĂ€re es kein Sonnenultraviolett vorhanden, hĂ€tten Menschen möglicherweise keine Epidermis und keine Hornhaut, und die KörperoberflĂ€che wĂ€re schleimig wie die von Schnecken. Da Menschen jedoch unter der Sonne evoluiert sind, sind nur diejenigen OberflĂ€chen, die vor Sonne geschĂŒtzt sind, schleimig. Die empfindlichste schleimige OberflĂ€che ist das Auge, das ĂŒber Jahrhunderte hinweg durch Lider, Wimpern, Augenbrauen, Gesichtsmuskulatur und der Gewohnheit, nicht in die Sonne zu schauen, geschĂŒtzt wurde.
Als man zum ersten Mal lernte, die Linse durch eine kĂŒnstliche zu ersetzen, sahen sich AugenĂ€rzte dem Problem von NetzhautschĂ€den gegenĂŒber. Sie fingen an, die Ursachen zu untersuchen und stellten fest, dass die lebende menschliche Linse fĂŒr Ultraviolett nicht durchsichtig ist und die Netzhaut schĂŒtzt. Daraufhin begannen sie, auch kĂŒnstliche Linsen fĂŒr Ultraviolett undurchsichtig zu machen.
Das Bild eines Auges unter ultravioletten Strahlen zeigt die Undurchsichtigkeit der Linse gegenĂŒber Ultraviolett. Man sollte das eigene Auge nicht mit Ultraviolett beleuchten, da die Linse im Laufe der Zeit trĂŒb wird, unter anderem durch die ĂŒber die Jahre angesammelte Dosis an Ultraviolettstrahlung, und letztendlich einen Austausch benötigt. Daher nutzen wir die Erfahrung mutiger Menschen, die die Sicherheit ignorierten, sich mit einer Ultraviolett-Taschenlampe bei einer WellenlĂ€nge von 365 nm ins Auge leuchteten und das Ergebnis auf YouTube veröffentlichten.
Abb. 5 Szene aus einem Video des YouTube-Kanals âKreosanâ.
Leuchtende Ultraviolett-Taschenlampen mit einer WellenlÀnge von 365 nm (UVA) sind populÀr. Sie werden von Erwachsenen gekauft, gelangen jedoch unweigerlich in die HÀnde von Kindern. Kinder leuchten sich mit diesen Taschenlampen in die Augen, betrachten den leuchtenden Kristall aufmerksam und lange. Solche Handlungen sollten unbedingt verhindert werden. Wenn dies jedoch passiert ist, kann man sich beruhigen, denn Katarakt wird in Studien an MÀusen zuverlÀssig durch UVB-Bestrahlung der Linse ausgelöst, aber der katarrhogene Effekt von UVA ist instabil [].
Und dennoch ist das genaue Wirkungsspektrum des Ultravioletts auf die Linse unbekannt. Wenn man bedenkt, dass Katarakt eine stark verzögerte Wirkung ist, benötigt man ein gewisses Maà an Verstand, um sich nicht im Voraus mit Ultraviolett ins Auge zu leuchten.
Relativ schnell entzĂŒnden sich die SchleimhĂ€ute des Auges unter UV-Licht, dies wird als Photokeratitis und Photoconjunctivitis bezeichnet. Die SchleimhĂ€ute werden rot und es entsteht das GefĂŒhl von "Sand in den Augen". Der Effekt klingt nach ein paar Tagen ab, aber wiederholte Verbrennungen können zu einer TrĂŒbung der Hornhaut fĂŒhren.
Die WellenlĂ€ngen, die diese Effekte hervorrufen, stimmen ungefĂ€hr mit der gewichteten Funktion der UV-GefĂ€hrdung ĂŒberein, die im Standard fĂŒr photobiologische Sicherheit [IEC 62471] angegeben ist, und stimmen ungefĂ€hr mit dem Bereich der bakteriziden Wirkung ĂŒberein.
Abb. 6 Spektren der UV-Wirkung, die Photoconjunctivitis und Photokeratitis auslösen [] und die gewichtete Funktion der aktinischen UV-GefĂ€hrdung fĂŒr Haut und Augen aus [].
Die Schwellenwerte fĂŒr Photokeratitis und Photoconjunctivitis liegen bei 50-100 J/mÂČ, dieser Wert ĂŒberschreitet nicht die bei der Desinfektion verwendeten Dosen. Die SchleimhĂ€ute des Auges mit Ultraviolett zu desinfizieren, ohne EntzĂŒndungen zu verursachen, ist nicht möglich.
Erythem, also der "Sonnenbrand", wird durch Ultraviolettstrahlung im Bereich bis 300 nm gefĂ€hrlich. Laut einigen Quellen betrĂ€gt die maximale spektrale Effizienz fĂŒr Erythem bei WellenlĂ€ngen um 300 nm []. Die minimale Dosis, die ein kaum bemerkbares Erythem MED (Minimale Erythem-Dosis) fĂŒr verschiedene Hauttypen verursacht, schwankt zwischen 150 und 2000 J/mÂČ. FĂŒr Menschen in der mittleren Klimazone kann man MED als etwa 200âŠ300 J/mÂČ betrachten.
UVB im Bereich von 280-320 nm, mit einem Maximum etwa bei 300 nm, verursacht Hautkrebs. Es gibt keinen Schwellenwert, je höher die Dosis, desto gröĂer das Risiko, und der Effekt tritt verzögert auf.
Abb. 7 Kurven der UV-Wirkung, die Erythem und Hautkrebs verursachen.
Fotoinduziertes Altern der Haut wird durch Ultraviolettstrahlung im gesamten Bereich von 200âŠ400 nm verursacht. BerĂŒhmt ist das Foto eines Lkw-Fahrers, der wĂ€hrend der Fahrt ĂŒberwiegend von links durch Sonnen-UV-Strahlung bestrahlt wurde. Der Fahrer hatte die Gewohnheit, das Fenster auf der Fahrerseite herunterzulassen, wĂ€hrend die rechte GesichtshĂ€lfte durch die Windschutzscheibe vor Sonnen-UV-Strahlung geschĂŒtzt war. Der Altersunterschied der Haut zwischen der rechten und der linken Seite ist beeindruckend:
Abb. 8 Foto des Fahrers, der 28 Jahre lang mit heruntergelassenem Fenster gefahren ist [].
Wenn man grob einschÀtzt, dass das Hautalter auf verschiedenen Seiten des Gesichts dieser Person um zwanzig Jahre variiert und dies die Folge davon ist, dass dieselbe Seite des Gesichts etwa zwanzig Jahre lang von der Sonne beschienen wurde, wÀhrend die andere nicht, kann man vorsichtige Schlussfolgerungen ziehen: Ein Tag in direkter Sonneneinstrahlung lÀsst die Haut um einen Tag altern.
Aus den Referenzdaten [] ist bekannt, dass in den mittleren Breiten im Sommer unter direkter Sonneneinstrahlung die minimale erythematische Dosis von 200 J/mÂČ schneller als in einer Stunde erreicht wird. Vergleicht man diese Zahlen mit der getĂ€tigten Schlussfolgerung, kann man noch eine weitere Schlussfolgerung ziehen: Die Alterung der Haut bei intermittierender und kurzfristiger Arbeit mit UV-Lampen stellt keine signifikante Gefahr dar.
Wie viel UV-Licht ist fĂŒr die Desinfektion notwendig
Die Anzahl der ĂŒberlebenden Mikroorganismen auf OberflĂ€chen und in der Luft nimmt exponentiell mit steigender UV-Dosis ab. Zum Beispiel betrĂ€gt die Dosis, die 90 % der Tuberkulosemikobakterien abtötet, 10 J/mÂČ. Zwei solcher Dosen töten 99 %, drei Dosen 99,9 % usw.
Abb. 9 AbhĂ€ngigkeit des Anteils der ĂŒberlebenden Tuberkulosemikobakterien von der Dosis der ultravioletten Strahlung bei einer WellenlĂ€nge von 254 nm.
Die exponentielle AbhĂ€ngigkeit ist bemerkenswert, da selbst eine geringe Dosis einen groĂen Teil der Mikroorganismen abtötet.
Unter den in [] aufgefĂŒhrten pathogenen Mikroorganismen ist Salmonella am resistentesten gegenĂŒber UV-Licht. Die Dosis, die 90 % ihrer Bakterien abtötet, betrĂ€gt 80 J/mÂČ. Laut der Ăbersicht [Kowalski2020] betrĂ€gt der Mittelwert der Dosis, die 90 % der Coronaviren abtötet, 67 J/mÂČ. FĂŒr die meisten Mikroorganismen ĂŒberschreitet diese Dosis jedoch nicht 50 J/mÂČ. FĂŒr praktische Zwecke kann man sich merken, dass die Standarddosis, die mit einer Effizienz von 90 % desinfiziert, 50 J/mÂČ betrĂ€gt.
Nach der genehmigten Methode des Gesundheitsministeriums der Russischen Föderation zur Verwendung von UV-Licht zur Desinfektion der Luft [] ist eine maximale Desinfektionseffizienz von âdrei Neunenâ oder 99,9 % fĂŒr OperationssĂ€le, Entbindungsheime usw. erforderlich. FĂŒr Klassenzimmer, öffentliche GebĂ€ude usw. reicht eine âeine Neunâ, das heiĂt 90 % der vernichteten Mikroorganismen. Dies bedeutet, dass je nach Kategorie des Raums eine bis drei Standarddosen von 50âŠ150 J/mÂČ ausreichend sind.
Beispiel fĂŒr die Berechnung der erforderlichen Bestrahlungszeit: Angenommen, es ist erforderlich, die Luft und die OberflĂ€chen in einem Raum mit den Abmessungen 5 Ă 7 Ă 2,8 Meter zu desinfizieren, wozu eine offene Philips TUV 30W-Lampe verwendet wird.
In der technischen Beschreibung der Lampe ist ein bakterizider Fluss von 12 W angegeben []. Im Idealfall geht der gesamte Fluss strikt auf die zu desinfizierenden OberflĂ€chen, aber in der RealitĂ€t geht die HĂ€lfte des Flusses nutzlos verloren, beispielsweise wird die Wand hinter der Leuchte ĂŒbermĂ€Ăig intensiv beleuchtet. Daher rechnen wir mit einem nĂŒtzlichen Fluss von 6 W. Die gesamte bestrahlte FlĂ€che der OberflĂ€chen im Raum betrĂ€gt â Boden 35 mÂČ + Decke 35 mÂČ + WĂ€nde 67 mÂČ, insgesamt 137 mÂČ.
Im Durchschnitt betrĂ€gt der Fluss der bakteriziden Strahlung auf den OberflĂ€chen 6 W/137 mÂČ = 0,044 W/mÂČ. In einer Stunde, das heiĂt in 3600 Sekunden, ergibt sich fĂŒr diese OberflĂ€chen eine Dosis von 0,044 W/mÂČ Ă 3600 s = 158 J/mÂČ oder gerundet 150 J/mÂČ. Das entspricht drei Standarddosen von 50 J/mÂČ oder âdrei Neunâ â 99,9 % bakterizider EffektivitĂ€t, also den Anforderungen fĂŒr OperationsrĂ€ume. Da die berechnete Dosis, bevor sie auf die OberflĂ€chen fĂ€llt, durch das Volumen des Raumes geht, wird auch die Luft mit der gleichen EffektivitĂ€t desinfiziert.
Wenn die Anforderungen an die SterilitĂ€t nicht hoch sind und eine âneunâ ausreicht, benötigt man fĂŒr das betrachtete Beispiel dreimal weniger Bestrahlungszeit â gerundet 20 Minuten.
UV-Schutz
Die HauptmaĂnahme zum Schutz wĂ€hrend der UV-Desinfektion besteht darin, den Raum zu verlassen. In der NĂ€he einer arbeitenden UV-Lampe zu bleiben und wegzuschauen hilft nicht, die SchleimhĂ€ute der Augen werden trotzdem bestrahlt.
Eine teilweise SchutzmaĂnahme fĂŒr die SchleimhĂ€ute der Augen können BrillenglĂ€ser sein. Die Aussage âGlas lĂ€sst kein Ultraviolett durchâ ist falsch, ein gewisser Anteil wird durchgelassen, wobei verschiedene Glasmuster unterschiedlich durchlĂ€ssig sind. Aber im Allgemeinen nimmt der Transmissionfaktor mit abnehmender WellenlĂ€nge ab und UVC wird effektiv nur von Quarzglas durchgelassen. BrillenglĂ€ser sind in jedem Fall kein Quarzglas.
Es kann mit Sicherheit gesagt werden, dass BrillenglÀser mit der Kennzeichnung UV400 kein Ultraviolett durchlassen.
Abb. 10 Transmission Spektrum von BrillenglÀsern mit den Indizes UV380, UV400 und UV420. Bild von der Website []
Ein weiterer SchutzmaĂnahme ist die Verwendung von UVC-Bakterizidstrahlern, die keine potenziell gefĂ€hrlichen, aber fĂŒr die Desinfektion ineffektiven UVB- und UVA-Bereiche emittieren.
Ultraviolettstrahler
UV-Dioden
Am hĂ€ufigsten sind Ultraviolettdioden mit 365 nm (UVA) verbreitet, die fĂŒr "Polizeilampen" vorgesehen sind, die Lumineszenz erzeugen, um unsichtbare Verunreinigungen ohne Ultraviolettlicht zu erkennen. Eine Desinfektion mit diesen Dioden ist nicht möglich (siehe Abb. 11).
Zur Desinfektion können kurzwellige UVC-Dioden mit einer WellenlĂ€nge von 265 nm verwendet werden. Die Kosten fĂŒr ein Modul mit Dioden, das eine Quecksilberbakterizidlampe ersetzen könnte, ĂŒbersteigen die Kosten der Lampe um das Dreifache, weshalb solche Lösungen in der Praxis nicht zur Desinfektion groĂer FlĂ€chen verwendet werden. Es entstehen jedoch kompakte GerĂ€te mit UV-Dioden zur Desinfektion kleiner FlĂ€chen â Werkzeuge, Telefone, Hautverletzungen usw.
Quecksilber-Niederdrucklampen
Die Quecksilber-Niederdrucklampe ist der Standard, mit dem alle anderen Quellen verglichen werden.
Der gröĂte Teil der Strahlungsenergie von QuecksilberdĂ€mpfen bei Niederdruck im elektrischen Entladung fĂ€llt auf die WellenlĂ€nge von 254 nm, die ideal fĂŒr Desinfektion geeignet ist. Ein kleiner Teil der Energie wird bei einer WellenlĂ€nge von 185 nm emittiert, die intensiv Ozon erzeugt. Eine sehr geringe Menge Energie wird bei anderen WellenlĂ€ngen, einschlieĂlich des sichtbaren Bereichs, emittiert.
In herkömmlichen Quecksilber-Leuchtstofflampen mit weiĂem Licht lĂ€sst das Glas der Lampe die von QuecksilberdĂ€mpfen emittierte Ultraviolettstrahlung nicht passieren. Aber der Leuchtstoff, ein weiĂes Pulver an den WĂ€nden der Lampe, leuchtet im sichtbaren Bereich unter dem Einfluss von Ultraviolett.
UVB- oder UVA-Lampen sind Àhnlich aufgebaut, das Glas der Lampe lÀsst die Spitzen von 185 nm und 254 nm nicht passieren, aber der Leuchtstoff strahlt unter dem Einfluss von kurzwelligem Ultraviolett nicht sichtbares Licht und langwelliges Ultraviolett aus. Dies sind technische Lampen. Da das Spektrum der UVA-Lampen dem Sonnenlicht Àhnelt, werden solche Lampen auch zum BrÀunen verwendet. Der Vergleich des Spektrums mit der Kurve der bakteriziden EffektivitÀt zeigt, dass die Verwendung von UVB- und erst recht UVA-Lampen zur Desinfektion unpraktisch ist.
Abb. 11 Vergleich der bakteriellen Wirkungsgradkurve, des Spektrums der UVB-Lampe, des Spektrums der UVA-Solarlampe und des Spektrums der 365-nm-Diode. Die Spektren der Lampen stammen von der Webseite der amerikanischen Farbherstellervereinigung [].
Es ist anzumerken, dass das Spektrum der UVA-Leuchtstofflampe breit ist und den UVB-Bereich erfasst. Das Spektrum der 365-nm-Diode ist deutlich schmaler, es ist das âechte UVAâ. Wenn UVA benötigt wird, um Lumineszenz zu dekorativen Zwecken zu erzeugen oder um Verunreinigungen nachzuweisen, ist die Verwendung der Diode sicherer als die Verwendung einer ultravioletten Leuchtstofflampe.
Die Quecksilber-Bakterizidlampe mit niedrigem Druck UVC unterscheidet sich von Leuchtstofflampen dadurch, dass an den WĂ€nden der GlĂŒhbirne kein Leuchtstoff vorhanden ist und die GlĂŒhbirne ultraviolettes Licht durchlĂ€sst. Die Hauptlinie von 254 nm wird immer durchgelassen, wĂ€hrend die ozonbildende Linie von 185 nm im Spektrum der Lampe bleiben oder von einem GlasgehĂ€use mit selektiver DurchlĂ€ssigkeit ausgeschlossen werden kann.
Abb. 12 Der Strahlungsbereich ist auf der Kennzeichnung der ultravioletten Lampen angegeben. Eine Bakterizidlampe UVC kann an dem Fehlen von Leuchtstoff in der GlĂŒhbirne erkannt werden.
Ozon hat eine zusĂ€tzliche bakterizide Wirkung, ist aber krebserregend. Daher werden zur Vermeidung der Wartezeit auf die Abklingzeit von Ozon nach der Desinfektion Lampen verwendet, die kein Ozon erzeugen und keine Linie von 185 nm im Spektrum haben. Diese Lampen haben ein nahezu ideales Spektrum â eine Hauptlinie mit hoher bakterizider Wirksamkeit von 254 nm, eine sehr schwache Strahlung in nicht-bakteriziden Bereichen des ultravioletten Lichts und eine geringe âSignalâ-Strahlung im sichtbaren Bereich.
Abb. 13. Das Spektrum der Quecksilberlampe mit niedrigem Druck UVC (bereitgestellt von lumen2b.ru) ist mit dem Spektrum der Sonnenstrahlung (aus der Wikipedia) und der Kurve der bakteriellen Wirksamkeit (aus dem ESNA Lighting Handbook []).
Das blaue Licht der Bakterizidlampen zeigt an, dass die Quecksilberlampe eingeschaltet ist und funktioniert. Das Licht ist schwach, und das erweckt den falschen Eindruck, dass es sicher ist, in die Lampe zu schauen. Wir spĂŒren nicht, dass die Strahlung im UVC-Bereich 35âŠ40 % der gesamten von der Lampe verbrauchten Leistung ausmacht.
Abb. 14 Ein geringer Anteil der Strahlungsenergie der QuecksilberdÀmpfe fÀllt auf den sichtbaren Bereich und zeigt sich als schwaches blaues Licht.
Die bakterizide Quecksilberlampe mit niedrigem Druck hat die gleiche Fassung wie eine gewöhnliche Leuchtstofflampe, ist jedoch anders dimensioniert, damit sie nicht in normale Leuchten eingesetzt werden kann. Die Leuchte fĂŒr die bakterizide Lampe unterscheidet sich neben den Abmessungen darin, dass alle Kunststoffteile UV-bestĂ€ndig sind, die DrĂ€hte vor UV-Strahlung geschĂŒtzt sind und kein Streulicht vorhanden ist.
FĂŒr hĂ€usliche bakterizide Anwendungen verwendet der Autor eine bakterizide Lampe mit 15 W, die zuvor zur Desinfektion von NĂ€hrlösung in einer Hydroponikanlage eingesetzt wurde. Ein entsprechendes Modell kann unter dem Suchbegriff âaquarium uv sterilisatorâ gefunden werden. Bei Betrieb der Lampe entsteht Ozon, was nicht ideal ist, aber fĂŒr die Desinfektion, beispielsweise von Schuhen, nĂŒtzlich ist.
Abb. 15 Quecksilberlampen mit niedrigem Druck mit Fassungen verschiedener Typen. Bilder von der Website Aliexpress.
Quecksilberlampen mit mittlerem und hohem Druck
Ein Anstieg des Dampfdrucks von Quecksilber fĂŒhrt zu einer komplexeren Spektrum, das breiter wird und mehr Linien zeigt, auch bei den WellenlĂ€ngen, die Ozon erzeugen. Das Einbringen von Zusatzstoffen in das Quecksilber fĂŒhrt zu einer noch gröĂeren KomplexitĂ€t des Spektrums. Es gibt viele Varianten solcher Lampen, und das Spektrum jeder ist einzigartig.
Abb. 16 Beispiele fĂŒr Spektren von Quecksilberlampen mit mittlerem und hohem Druck
Ein Anstieg des Drucks verringert den Wirkungsgrad der Lampe. Im Falle der Marke Aquafineuv strahlt die Lampe mit mittlerem Druck im Bereich des UVC bereits 15-18 % der verbrauchten Leistung aus, anstatt 40 % wie es bei Lampen mit niedrigem Druck der Fall ist. Und die Kosten der AusrĂŒstung basierend auf einem Watt UVC-Strahlung ergeben höhere Preise [].
Der RĂŒckgang des Wirkungsgrads und die Erhöhung der Kosten fĂŒr die Lampe werden durch die kompakte Bauweise kompensiert. Zum Beispiel erfordern die Desinfektion von Strömungswasser oder das Trocknen von schnell aufgetragenem Lack in der Druckindustrie kompakte und leistungsstarke Quellen, wobei die spezifischen Kosten und die Effizienz weniger wichtig sind. Aber eine solche Lampe zur Desinfektion zu verwenden, ist nicht korrekt.
UV-Strahler aus der DĐ L-Brenner und DĐ T-Lampe
Es gibt einen âvolkswirtschaftlichenâ Weg, relativ kostengĂŒnstig eine leistungsstarke UV-Quelle zu erhalten. Ausgemusterte, aber immer noch verkaufte DRL-Lampen mit weiĂem Licht von 125 bis 1000 W. In diesen Lampen befindet sich in der Ă€uĂeren Glaskolben eine âBrennerâ â eine Hochdruck-Quecksilberlampe. Sie strahlt breitbandiges Ultraviolett aus, das von der Ă€uĂeren Glaskolben zurĂŒckgehalten wird, aber den Leuchtstoff an ihren WĂ€nden zum Leuchten bringt. Wenn man die Ă€uĂere Glaskolben zerbricht und den Brenner ĂŒber einen vorgesehenen VorschaltgerĂ€t anschlieĂt, erhĂ€lt man einen leistungsstarken Strahler fĂŒr breitbandiges Ultraviolett.
Solch ein improvisierter Strahler hat Nachteile: einen im Vergleich zu Niederdrucklampen niedrigen Wirkungsgrad, einen hohen Anteil an UV-Strahlung auĂerhalb des bakteriziden Bereichs und man darf sich nach dem Ausschalten der Lampe eine Weile nicht im Raum aufhalten, bis der Ozon sich zersetzt oder verflĂŒchtigt.
Aber die Vorteile stehen auĂer Frage: niedrige Kosten und hohe Leistung bei kompakten Abmessungen. Zu den Vorteilen gehört auch die Ozonproduktion. Ozon desinfiziert beschattete OberflĂ€chen, die nicht von UV-Strahlen erreicht werden.
Abb. 17 UV-Strahler aus DRL-Lampen. Das Foto wird mit Genehmigung des Autors veröffentlicht, eines bulgarischen Zahnarztes, der diesen Strahler als ErgÀnzung zur Standard-Bakterilizierungslampe Philips TUV 30W verwendet.
Ăhnliche UV-Quellen fĂŒr Desinfektion in Form von Hochdruck-Quecksilberlampen werden in Strahlern des Typs OUFK-01 âSonnenscheinâ verwendet.
Zum Beispiel gibt der Hersteller fĂŒr die beliebte Lampe âDRT 125-1â kein Spektrum an, nennt aber in der Dokumentation folgende Parameter: BestrahlungsintensitĂ€t in 1 m Entfernung von der Lampe UVA â 0,98 W/mÂČ, UVB â 0,83 W/mÂČ, UVC â 0,72 W/mÂČ, bakterizider Durchfluss 8 W, und nach der Benutzung ist eine BelĂŒftung des Raums wegen Ozon erforderlich []. Auf die direkte Frage nach dem Unterschied zwischen der Lampe DRT und dem Brenner DRL antwortete der Hersteller in seinem Blog, dass die DRT eine isolierende grĂŒne Beschichtung auf den Kathoden hat.
Abb. 18 Breitband-UV-Quelle â Lampe DRT-125
An den angegebenen Merkmalen ist zu erkennen, dass das Spektrum breitbandig ist, mit nahezu gleichen Anteilen der Strahlung im weichen, mittleren und harten Ultraviolett, einschlieĂlich der Erzeugung von Ozon durch hartes UVC. Der bakterizide Fluss betrĂ€gt 6,4 % der aufgenommenen Leistung, das heiĂt, der Wirkungsgrad ist sechs Mal geringer als bei einer Leuchtstofflampe mit niedrigem Druck.
Der Hersteller veröffentlicht das Spektrum dieser Lampe nicht, und im Internet kursiert immer dasselbe Bild mit dem Spektrum einer beliebigen DRT. Die Quelle ist unbekannt, aber das VerhĂ€ltnis der Energie in den UVC-, UVB- und UVA-Bereichen stimmt nicht mit dem fĂŒr die DRT-125 angegebene ĂŒberein. FĂŒr die DRT ist ein ungefĂ€hr gleiches VerhĂ€ltnis angegeben, und aus dem Spektrum ist ersichtlich, dass die Energie von UVB ein Vielfaches höher ist als die von UBC. Und in UVA ist sie ein Vielfaches höher als in UVB.
Abb. 19. Das Spektrum der Druckdampf-Hg-Lampe, die am hĂ€ufigsten das Spektrum der fĂŒr medizinische Zwecke weit verbreiteten DRT-125 illustriert.
Es ist klar, dass Lampen mit unterschiedlichem Druck und QuecksilberzusĂ€tzen unterschiedlich strahlen. Es ist auch klar, dass ein uninformierter Verbraucher dazu neigt, sich selbst die gewĂŒnschten Merkmale und Eigenschaften des Produkts vorzustellen, basierend auf eigenen Annahmen ein Vertrauen zu entwickeln, und einen Kauf zu tĂ€tigen. Die Veröffentlichung des Spektrums einer bestimmten Lampe wĂŒrde Diskussionen, Vergleiche und Schlussfolgerungen hervorrufen.
Der Autor kaufte einmal die Einrichtung OUFK-01 mit der Lampe DRT-125 und verwendete sie mehrere Jahre lang fĂŒr Tests zur UV-BestĂ€ndigkeit von Kunststoffprodukten. Er bestrahlte gleichzeitig zwei Produkte, eines davon als Kontrollprobe aus UV-bestĂ€ndigem Kunststoff, und beobachtete, welches schneller vergilbt. FĂŒr eine solche Anwendung ist es nicht notwendig, die genaue Form des Spektrums zu kennen; es ist nur wichtig, dass der Strahler breitbandig ist. Aber wozu breitbandiges Ultraviolett verwenden, wenn Desinfektion erforderlich ist?
Im Verwendungszweck der OUFK-01 wird angegeben, dass der Strahler bei akuten EntzĂŒndungsprozessen eingesetzt wird. Das heiĂt, in FĂ€llen, wo der positive Effekt der Desinfektion der Haut den möglichen Schaden des breitbandigen Ultravioletts ĂŒbersteigt. Offensichtlich ist es auch in diesem Fall besser, schmalbandiges Ultraviolett zu verwenden, ohne WellenlĂ€ngen im Spektrum, die eine andere Wirkung als die bakterizide haben.
Luftdesinfektion
Ultraviolettlicht wird als unzureichendes Mittel zur Desinfektion von OberflÀchen angesehen, da die Strahlen nicht an die Stellen gelangen können, an die beispielsweise Alkohol gelangt. Aber Ultraviolettlicht desinfiziert die Luft effektiv.
Beim Niesen und Husten entstehen Tröpfchen mit einem Durchmesser von mehreren Mikrometern, die von einigen Minuten bis zu mehreren Stunden in der Luft verweilen []. Studien zur Tuberkulose haben gezeigt, dass bereits ein Aerosoltröpfchen zur Ansteckung ausreicht.
DrauĂen sind wir aufgrund des enormen Volumens und der Beweglichkeit der Luft relativ sicher, die in der Lage ist, jeden Nieser mit der Zeit und durch Sonnenstrahlung zu zerstreuen und zu desinfizieren. Selbst in der U-Bahn, solange der Anteil der infizierten Personen gering ist, ist das Gesamtvolumen der Luft pro infizierter Person groĂ, und eine gute BelĂŒftung macht das Risiko der Verbreitung der Infektion gering. Der gefĂ€hrlichste Ort wĂ€hrend der Pandemie von luftĂŒbertragbaren Krankheiten ist der Aufzug. Daher sollten Niesende in QuarantĂ€ne sitzen und die Luft in geschlossenen RĂ€umen mit unzureichender BelĂŒftung benötigt eine Desinfektion.
Rekuperator
Eine der Methoden zur Luftdesinfektion sind geschlossene UV-Rekuperator. Lassen Sie uns einen solchen Rekuperator, den "Desar 7", besprechen, der bekannt dafĂŒr ist, sogar im BĂŒro der höchsten AmtstrĂ€ger der Regierung gesehen zu werden.
In der Beschreibung des Rekuperators steht, dass er 100 m3 pro Stunde umwĂ€lzt und fĂŒr die Behandlung eines Raums mit einem Volumen von 100 m3 (ungefĂ€hr 5 Ă 7 Ă 2,8 Meter) ausgelegt ist.
Die FĂ€higkeit, 100 m3 Luft pro Stunde zu desinfizieren, bedeutet jedoch nicht, dass die Luft in einem 100 m3 groĂen Raum in einer Stunde ebenso effizient behandelt wird. Die bearbeitete Luft verdĂŒnnt die verschmutzte Luft und gelangt in dieser Form immer wieder in den Rekuperator. Es ist nicht schwierig, ein mathematisches Modell zu erstellen und die Effizienz eines solchen Prozesses zu berechnen:
Abb. 20 Einfluss des Betriebs des UV-Rekuperators auf die Anzahl der Mikroorganismen in der Luft eines unventilierten Raums.
Um die Konzentration von Mikroorganismen in der Luft um 90% zu reduzieren, muss der Rekuperator mehr als zwei Stunden arbeiten. In einem unventilierten Raum ist dies möglich. Aber es gibt keine RĂ€ume mit Menschen und ohne BelĂŒftung in der Norm. Zum Beispiel, [] vorschreibt einen minimalen AuĂenluftverbrauch von 3 m3 pro Stunde und m2 WohnflĂ€che. Das entspricht einem vollstĂ€ndigen Luftwechsel pro Stunde und macht die Arbeit des Rezirkulators nutzlos.
Wenn man ein Modell ohne vollstĂ€ndige Durchmischung betrachtet, sondern laminarer Strömungen, die einem komplexen, etablierten Pfad im Raum folgen und in die BelĂŒftung abflieĂen, ist der Nutzen der Desinfektion eines solchen Strahls noch geringer als im Modell der vollstĂ€ndigen Durchmischung.
In jedem Fall ist der UV-Rezirkulator nicht nĂŒtzlicher als ein offenes Fenster.
Ein Grund fĂŒr die geringe Effizienz von Rezirkulatoren ist, dass der bakterizide Effekt im Vergleich zu jedem Watt des UV-Stroms extrem gering ist. Der Strahl durchdringt etwa 10 Zentimeter im GerĂ€t und wird dann von Aluminium mit einem Reflexionsfaktor von etwa k=0,7 zurĂŒckgeworfen. Das bedeutet, dass die effektive Reichweite des Strahls innerhalb des GerĂ€ts etwa einen halben Meter betrĂ€gt, nachdem er ohne Nutzen absorbiert wird.
Abb. 21. Ein Bild aus einem Video auf Youtube, in dem der Rezirkulator besprochen wird. Die bakteriziden Lampen und die reflektierende AluminiumoberflÀche sind sichtbar, die weit weniger UV-Strahlung reflektiert als sichtbares Licht [].
Eine bakterizide Lampe, die offen an der Wand in einer Arztpraxis hÀngt und nach Zeitplan vom Arzt eingeschaltet wird, ist um ein Vielfaches effektiver. Die Strahlen von der offenen Lampe durchdringen mehrere Meter und desinfizieren zuerst die Luft und dann auch die OberflÀchen.
Luftstrahler im oberen Teil des Raumes
In den Zimmern von KrankenhÀusern, in denen stÀndig bettlÀgerige Patienten sind, werden manchmal UV-GerÀte eingesetzt, die die zirkulierenden Luftströme unter der Decke bestrahlen. Der Hauptnachteil solcher GerÀte ist, dass das Gitter, das die Lampen abdeckt, nur Strahlen durchlÀsst, die sich strikt in eine Richtung bewegen, und mehr als 90% des restlichen Strahls ohne Nutzen absorbiert.
Man kann zusÀtzlich die Luft durch einen solchen Strahler blasen, um gleichzeitig einen Rezirkulator zu erhalten, aber das geschieht nicht, wahrscheinlich wegen des Wunsches, im Zimmer keine Staubansammlung zu bekommen.
Abb. 22 Unter der Decke angebrachter UV-Luftstrahler, Bild von der Website [].
Gitter schĂŒtzen Menschen im Raum vor direkter ultravioletter Strahlung, aber der Strahl, der durch das Gitter geht, trifft auf die Decke und WĂ€nde und wird diffus reflektiert, mit einem Reflexionskoeffizienten von etwa 10 %. Der Raum wird mit omnidirektionaler ultravioletter Strahlung gefĂŒllt und die Menschen erhalten eine Dosis ultravioletter Strahlung, die proportional zur Zeit ist, die sie im Raum verbringen.
Gutachter und Autor
Gutachter:
Artyom Balabanov, Ingenieur fĂŒr Elektronik, Entwickler von UV-HĂ€rtungssystemen;
Rumen Vassilev, Dr. der Technik, Lichttect; OOD âInterluxâ, Bulgarien;
Vadim Grigorov, Biophysiker;
Stanislav Lermontov, Lichttechniker, LLC âKomplexe Systemeâ;
Alexey Pankrashkin, Dr. der Technik, Dozent, Halbleiter-Lichttechnik und Photonik, LLC âINTEH Engineeringâ;
Andrei Kramov, Spezialist fĂŒr die Planung von Beleuchtung in medizinischen Einrichtungen;
Vitaly Tsvyrko, Leiter des Lichttechnischen PrĂŒfungs-Labors âCSOT NAS von WeiĂrusslandâ
Autor: Anton Sharakshane, Dr. der physikalischen und mathematischen Wissenschaften, Lichttechniker und Biophysiker, Erstes MGMU benannt nach I.M. Sechenov
Links
Links
[Airsteril]
[Aquafineuv]
[CIE 155:2003] CIE 155:2003 ULTRAVIOLET AIR DISINFECTION
[DIN 5031-10] DIN 5031-10 2018 Physik der optischen Strahlung und Lichttechnik. Teil 10: Photobiologisch wirksame Strahlung, GröĂen, Symbole und Aktionsspektren. Physik optischer Strahlung und Lichttechnik. Photobiologisch aktive Strahlung. GröĂen, Standardbezeichnungen und Aktionsspektren.
[ESNA] ESNA Lighting Handbook, 9. Auflage. hrsg. von Rea M.S. Illuminating Engineering Society of North America, New York, 2000
[IEC 62471] GOST R IEC 62471-2013 Lampen und Lampensysteme. Lichtbiologische Sicherheit
[Kowalski2020] Wladyslaw J. Kowalski et al., 2020 COVID-19 Coronavirus Ultraviolet Susceptibility, DOI: 10.13140/RG.2.2.22803.22566
[Lisma]
[Mitsuichemicals]
[Nejm]
[Paint]
[TUV]
[ĐĐĐ] Weltgesundheitsorganisation. Ultraviolette Strahlung: Offizieller wissenschaftlicher Ăberblick ĂŒber die Auswirkungen von UV-Strahlung auf die Umwelt und die Gesundheit unter BerĂŒcksichtigung der globalen Ozonschichtverarmung.
[ĐДзаŃ]
[Đ 3.5.1904-04] Đ 3.5.1904-04 Verwendung von ultraviolettem bakterizidem Strahlen zur Desinfektion von Luft in RĂ€umen
[ĐĄĐ 60.13330.2016] ĐĄĐ 60.13330.2016 Heizung, BelĂŒftung und Klimatisierung.
Quelle: habr.com
