Ultraviolett: effektive Desinfektion und Sicherheit

Die Eigenschaften von Ultraviolettstrahlung hängen von der Wellenlänge ab, und Ultraviolett aus verschiedenen Quellen hat unterschiedliche Spektren. Lassen Sie uns besprechen, welche Ultraviolettquellen es gibt und wie man sie anwenden kann, um die bakterizide Wirkung zu maximieren und die Risiken unerwünschter biologischer Effekte zu minimieren.

Abb. 1. Auf dem Foto sieht man keine Desinfektion durch UVC-Strahlung, wie man meinen könnte, sondern ein Training zur Verwendung eines Schutzanzugs, bei dem im UVA-Licht fluoreszierende Flecken vontrainierenden Körperflüssigkeiten sichtbar gemacht werden. UVA ist sanftes Ultraviolett und hat keine bakterizide Wirkung. Geschlossene Augen sind eine gerechtfertigte Sicherheitsmaßnahme, da das breite Spektrum der verwendeten UVA-Leuchtstofflampe mit UVB überlappt, das gefährlich für das Sehvermögen ist (Quelle: Simon Davis/DFID).

Die Wellenlänge des sichtbaren Lichts entspricht der Energie eines Photons, bei der gerade erst photochemische Reaktionen möglich werden. Photonen des sichtbaren Lichts regen photochemische Reaktionen in einem spezifischen lichtempfindlichen Gewebe – der Netzhaut des Auges – an.
Ultraviolett ist unsichtbar; seine Wellenlänge ist kürzer, die Frequenz und Energie des Quants sind höher, die Strahlung ist intensiver, und die Vielfalt der photochemischen Reaktionen sowie biologischen Effekte ist größer.

Ultraviolett wird unterteilt in:

• Langwelliges / sanftes / nahes UVA (400…315 nm);
• Mittleres UVB (315…280 nm);
• Kurzwellige / ferne / harte UVC (280…100 nm).

Bakterizide Wirkung des Ultravioletten

Die bakterizide Wirkung geht von hartem Ultraviolett – UVC aus, und in geringerem Maße von mittlerem Ultraviolett – UVB. Aus der Kurve der bakteriziden Effektivität geht hervor, dass eine deutliche bakterizide Wirkung nur im engen Bereich von 230…300 nm auftritt, also etwa ein Viertel des als Ultraviolett bezeichneten Spektrums.

Abb. 2 Kurven der bakteriziden Effektivität aus [CIE 155:2003]

Quanten mit Wellenlängen in diesem Bereich werden von Nukleinsäuren absorbiert, was zur Zerstörung der DNA- und RNA-Struktur führt. Neben der bakteriziden Wirkung, also der Abtötung von Bakterien, hat dieser Bereich auch eine viruzide (anti-virale), fungizide (anti-pilzliche) und sporozide (Sporen abtötende) Wirkung. Dazu gehört auch der RNA-haltige Virus SARS-CoV-2, der die Pandemie von 2020 verursacht hat.

Bakterizide Wirkung des Sonnenlichts

Die bakterizide Wirkung des Sonnenlichts ist relativ gering. Lassen Sie uns das Sonnenlichtspektrum über und unter der Atmosphäre betrachten:

Abb. 3. Spektrum der Sonnenstrahlung über der Atmosphäre und auf Meereshöhe. Der härteste Teil des ultravioletten Bereichs erreicht die Erdoberfläche nicht (aus Wikipedia entnommen).

Bitte beachten Sie das gelb hervorgehobene oberatmosphärische Spektrum. Die Energie des Quants am linken Rand des Spektrums der oberatmosphärischen Sonnenstrahlen mit einer Wellenlänge von weniger als 240 nm entspricht der Energie der chemischen Bindung von 5,1 eV in einem Sauerstoffmolekül "O2". Molekularer Sauerstoff absorbiert diese Quanten, die chemische Bindung bricht, es entsteht atomarer Sauerstoff "O", der sich wieder zu Sauerstoffmolekülen "O2" und teilweise auch zu Ozon "O3" verbindet.

Das oberatmosphärische UVC des Sonnenlichts bildet in den oberen Schichten der Atmosphäre Ozon, das als Ozonschicht bezeichnet wird. Die Energie der chemischen Bindung in einem Ozonmolekül ist niedriger als die in einem Sauerstoffmolekül, weshalb Ozon Quanten mit geringerer Energie absorbiert als Sauerstoff. Während Sauerstoff nur UVC absorbiert, absorbiert die Ozonschicht sowohl UVC als auch UVB. Damit erzeugt die Sonne am äußersten Rand des ultravioletten Teils des Spektrums Ozon, das dann den Großteil der harten Sonnenultraviolettstrahlung absorbiert und die Erde schützt.

Nun, achten Sie bitte sorgfältig auf die Wellenlängen und den Maßstab, um das Sonnenlichtspektrum mit dem Spektrum der bakteriziden Wirkung zu vergleichen.

Abb. 4 Spektrum der keimtötenden Wirkung und das Spektrum der Sonnenstrahlung.

Es ist zu sehen, dass die keimtötende Wirkung des Sonnenlichts gering ist. Der Teil des Spektrums, der keimtötend wirkt, wird fast vollständig von der Atmosphäre absorbiert. Zu verschiedenen Jahreszeiten und in unterschiedlichen Breitengraden variiert die Situation leicht, bleibt aber qualitativ ähnlich.

Die Gefahr von UV-Strahlung

Der Leiter eines großen Landes schlug vor: „Um sich von COVID-19 zu heilen, muss Sonnenlicht in den Körper gebracht werden.“ Allerdings zerstört keimtötendes UV-Licht RNA und DNA, einschließlich menschlicher. Wenn man „Sonnenlicht in den Körper bringt“, wird der Mensch sterben.

Die Epidermis, insbesondere die Hornschicht aus abgestorbenen Zellen, schützt das lebende Gewebe vor UVC. Unterhalb der Epidermisschicht dringt nur weniger als 1 % der UVC-Strahlung ein [WHO]. Längere Wellen von UVB und UVA dringen tiefer ein.

Hätte es keine Sonneneinstrahlung gegeben, hätten Menschen möglicherweise keine Epidermis und keine Hornschicht entwickelt, und die Körperoberfläche wäre schlüpfrig wie die von Schnecken. Doch da Menschen unter der Sonne evolviert sind, sind nur die von der Sonne geschützten Flächen schlüpfrig. Besonders anfällig sind die Schleimhäute der Augen, die über Jahrhunderte durch die Augenlider, Wimpern, Augenbrauen, die Mimik des Gesichts und die Gewohnheit, nicht direkt in die Sonne zu schauen, geschützt werden.

Als man zum ersten Mal lernte, die Linse durch eine künstliche zu ersetzen, standen Augenärzte vor dem Problem von Netzhautschäden. Sie begannen, die Ursachen zu erforschen und fanden heraus, dass eine lebende menschliche Linse für ultraviolettes Licht undurchsichtig ist und die Netzhaut schützt. Daraufhin wurden auch künstliche Linsen so gestaltet, dass sie für ultraviolettes Licht undurchlässig sind.

Das Bild eines Auges unter ultraviolettem Licht veranschaulicht die Undurchsichtigkeit der Linse für UV-Strahlung. Man sollte das eigene Auge nicht mit UV-Licht beleuchten, da die Linse im Laufe der Zeit trüber wird, unter anderem aufgrund der mit den Jahren angesammelten UV-Dosis, und einen Austausch benötigt. Daher nutzen wir die Erfahrungen mutiger Menschen, die die Sicherheit vernachlässigt haben, sich mit einer UV-Taschenlampe mit einer Wellenlänge von 365 nm ins Auge zu leuchten und das Ergebnis auf YouTube veröffentlicht haben.

Abb. 5 Ein Screenshot aus dem YouTube-Kanal „Kreosan“.

Leuchtende UV-Taschenlampen mit einer Wellenlänge von 365 nm (UVA) sind beliebt. Diese werden von Erwachsenen gekauft, landen jedoch unweigerlich in den Händen von Kindern. Kinder leuchten sich mit diesen Taschenlampen in die Augen und betrachten den leuchtenden Kristall aufmerksam und lange. Solche Handlungen sollten möglichst verhindert werden. Wenn dies jedoch passiert, kann man sich beruhigen, denn in Studien an Mäusen wird Katarakt sicher durch die Bestrahlung der Linse mit UVB verursacht, aber die katarogenen Effekte von UVA sind instabil[WHO].
Dennoch ist das genaue Wirkungsspektrum von UV-Strahlung auf die Augenlinse unbekannt. Da eine Katarakt jedoch eine stark verzögerte Wirkung hat, bedarf es bereits einer gewissen Einsicht, um sich nicht im Voraus UV-Strahlung in die Augen zu strahlen.

Relativ schnell können unter UV-Strahlung die Schleimhäute des Auge entzündet werden, dies nennt man Photokeratitis und Photokonjunktivitis. Die Schleimhäute werden rot, und es fühlt sich an, als ob „Sand in den Augen“ wäre. Der Effekt klingt nach ein paar Tagen ab, jedoch können wiederholte Verbrennungen zu einer Trübung der Hornhaut führen.

Die Wellenlängen, die diese Effekte hervorrufen, stimmen ungefähr mit der gewichteten Funktion der UV-Risiken überein, die im Standard für photobiologische Sicherheit [IEC 62471] angegeben ist und entsprechen ungefähr dem Wirkungsbereich von bakterizider Wirkung.

Abb. 6 Spectra der UV-Strahlung, die Photokonjunktivitis und Photokeratitis verursacht aus [DIN 5031-10] und die gewichtete Funktion der aktinischen UV-Risiken für Haut und Augen aus [IEC 62471].

Die Schwellenwerte für Photokeratitis und Photokonjunktivitis liegen bei 50-100 J/m², was unterhalb der Werte liegt, die bei der Desinfektion verwendet werden. Eine Desinfektion der Augenschleimhaut mit ultravioletem Licht, ohne Entzündungen zu verursachen, ist nicht möglich.

Erithäma, das heißt "Sonnenbrand", ist durch Ultraviolettstrahlung im Bereich von bis zu 300 nm gefährlich. Laut einigen Quellen hat die spektrale Effizienz für Erythema bei Wellenlängen um 300 nm ihren Höhepunkt [WHO]. Die minimale Dosis, die eine gerade merkliche Erythema-MED (Minimale Erythemdosis) für verschiedene Hauttypen auslöst, liegt zwischen 150 und 2000 J/m². Für die Bewohner der gemäßigten Breiten kann eine typische MED bei etwa 200…300 J/m² angenommen werden.

UVB im Bereich von 280-320 nm, mit einem Maximum bei etwa 300 nm, führt zu Hautkrebs. Es gibt keinen Schwellenwert; eine höhere Dosis bedeutet ein höheres Risiko, und der Effekt ist zeitverzögert.

Abb. 7 Kurven der Auswirkungen von ultraviolettem Licht, die Erythem und Hautkrebs verursachen.

Fotoinduzierte Hautalterung wird durch ultraviolettes Licht im gesamten Spektrum von 200…400 nm verursacht. Ein bekanntes Bild zeigt einen Fernfahrer, der während der Fahrt hauptsächlich von der linken Seite der Sonne ultraviolettem Licht ausgesetzt war. Der Fahrer hatte die Gewohnheit, mit heruntergekurbeltem Fahrerfenster zu fahren, während die rechte Gesichtshälfte durch die Windschutzscheibe vor Sonnenstrahlung geschützt war. Der Altersunterschied der Haut auf der rechten und linken Seite ist beeindruckend:

Abb. 8 Foto des Fahrers, der 28 Jahre lang mit heruntergekurbeltem Fahrerfenster fuhr [Nejm].

Wenn man grob einschätzt, dass das Hautalter auf der unterschiedlichen Seite dieses Mannes um zwanzig Jahre variiert und dies die Folge ist, dass dieselbe Seite des Gesichts etwa zwanzig Jahre lang der Sonne ausgesetzt war, während die andere nicht, kann man vorsichtig zu dem Schluss kommen, dass ein Tag in der Sonne die Haut um einen Tag altert.

Aus den Referenzdaten [WHO] Es ist bekannt, dass in mittleren Breiten während des Sommers unter direkter Sonneneinstrahlung die minimale erythemale Dosis von 200 J/m² schneller als in einer Stunde erreicht wird. Vergleicht man diese Zahlen mit den getroffenen Schlussfolgerungen, kann man eine weitere Erkenntnis ziehen: Die Hautalterung bei periodischer und vorübergehender Arbeit mit ultravioletten Lampen ist keine wesentliche Gefahr.

Wie viel UV-Licht wird für die Desinfektion benötigt?

Die Anzahl der überlebenden Mikroorganismen auf Oberflächen und in der Luft sinkt exponentiell mit steigender UV-Dosis. Beispielsweise beträgt die Dosis, die 90 % der Tuberkulose-Keime abtötet, 10 J/m². Zwei solcher Dosen töten 99 %, drei Dosen 99,9 % usw.

Abb. 9 Abhängigkeit des Anteils überlebender Tuberkulose-Mikobakterien von der Dosis der ultravioletten Strahlung bei einer Wellenlänge von 254 nm.

Die exponentielle Abhängigkeit ist bemerkenswert, da selbst eine geringe Dosis einen Großteil der Mikroorganismen abtötet.

Unter den genannten in [CIE 155:2003] Pathogene Mikroorganismen, die am resistentesten gegen ultraviolettes Licht sind, sind Salmonellen. Die Dosis, die 90 % ihrer Bakterien abtötet, beträgt 80 J/m2. Laut einer Übersicht [Kowalski2020] liegt der Durchschnittswert der Dosis, die 90 % der Coronaviren abtötet, bei 67 J/m2. Für die meisten Mikroorganismen überschreitet diese Dosis jedoch nicht 50 J/m2. Für praktische Zwecke kann man sich merken, dass die Standarddosis, die mit einer Effizienz von 90 % desinfiziert, 50 J/m2 beträgt.

Nach der aktuellen, vom Gesundheitsministerium der Russischen Föderation genehmigten Methode zur Nutzung von UV-Licht zur Desinfektion von Luft [R 3.5.1904-04] ist die maximale Effizienz der Desinfektion „drei Neunen“ oder 99,9 % erforderlich für Operationssäle, Entbindungsheime usw. Für Schulklassen, Räume in öffentlichen Gebäuden usw. genügt „eine Neun“, das heißt 90 % der abgetöteten Mikroorganismen. Das bedeutet, dass je nach Raumkategorie eine bis drei Standarddosen von 50…150 J/m2 ausreichend sind.

Beispiel für die Bewertung der erforderlichen Bestrahlungszeit: Angenommen, es ist notwendig, die Luft und Oberflächen in einem Raum von 5 × 7 × 2,8 Metern zu desinfizieren, wobei eine offene Philips TUV 30W Lampe verwendet wird.

Im technischen Beschreibung der Lampe wird ein bakterizider Strom von 12 W angegeben [TUV]. Idealerweise sollte der gesamte Strom direkt auf die zu desinfizierenden Flächen gerichtet sein, jedoch wird in der Praxis die Hälfte des Stroms ungenutzt verloren gehen, beispielsweise durch übermäßig starke Beleuchtung der Wand hinter der Leuchte. Daher rechnen wir mit einem nützlichen Strom von 6 W. Die gesamte bestrahlte Fläche in dem Raum umfasst – Boden 35 m² + Decke 35 m² + Wände 67 m², insgesamt 137 m².

Im Durchschnitt fällt ein bakterizider Strahlungsstrom von 6 W / 137 m² = 0,044 W / m² auf die Flächen. Innerhalb einer Stunde, also in 3600 Sekunden, entspricht die Dosis auf diesen Flächen 0,044 W / m² × 3600 s = 158 J / m², gerundet 150 J / m². Dies entspricht drei Standarddosen von 50 J / m² oder „drei Neunendosen“ – 99,9% bakterizider Effizienz, d.h. den Anforderungen an operationale Zwecke. Da die berechnete Dosis, bevor sie auf die Flächen trifft, durch das Raumvolumen geflossen ist, wurde auch die Luft mit nicht geringerer Effizienz desinfiziert.

Wenn die Anforderungen an die Sterilität gering sind und „eine Neunendosis“ ausreichend ist, benötigt man in dem betrachteten Beispiel dreimal geringere Bestrahlungszeit – gerundet 20 Minuten.

Schutz vor UV-Strahlung

Die wichtigste Schutzmaßnahme während der Desinfektion mit UV-Licht besteht darin, den Raum zu verlassen. In der Nähe einer betriebenen UV-Lampe zu bleiben und wegzuschauen hilft nicht, da die Schleimhäute der Augen trotzdem bestrahlt werden.

Teilweise können Schutzbrillen aus Glas eine Maßnahme zum Schutz der Schleimhäute der Augen sein. Die kategorische Aussage "Glas lässt kein Ultraviolett durch" ist falsch, denn in gewissem Maße lässt es Licht durch, und unterschiedliche Gläser haben unterschiedliche Eigenschaften. Im Allgemeinen jedoch verringert sich der Durchlässigkeitskoeffizient mit abnehmender Wellenlänge, und UVC wird effektiv nur von Quarzglas durchgelassen. Brillengläser sind in jedem Fall kein Quarzglas.

Es lässt sich sicher sagen, dass Brillengläser mit der Kennzeichnung UV400 kein Ultraviolett durchlassen.

Abb. 10 Durchlässigkeitsspektrum von Brillengläsern mit den Indizes UV380, UV400 und UV420. Bild von der Seite [Mitsuichemicals]

Eine weitere Schutzmaßnahme ist die Verwendung von UVC-Quellen im bakteriziden Bereich, die potenziell gefährliche, aber für die Desinfektion ineffektive UVB- und UVA-Bereiche nicht abstrahlen.

UV-Quellen

UV-Dioden

Die am häufigsten verwendeten Ultraviolett-Dioden mit 365 nm (UVA) sind für "Polizeileuchten" vorgesehen, die Lumineszenz erzeugen, um unsichtbare Verunreinigungen ohne UV-Licht sichtbar zu machen. Eine Desinfektion mit diesen Dioden ist nicht möglich (siehe Abb. 11).
Zur Desinfektion können kurzwellige UVC-Dioden mit einer Wellenlänge von 265 nm eingesetzt werden. Die Kosten für ein Modul mit Dioden, das eine Quecksilberbakterienlampe ersetzen würde, übersteigen die Kosten der Lampe um das Dreifache, weshalb solche Lösungen zur Desinfektion großer Flächen in der Praxis nicht verwendet werden. Jedoch gibt es kompakte Geräte mit UV-Dioden zur Desinfektion kleiner Flächen – wie Werkzeuge, Telefone, Hautverletzungen usw.

Quecksilberdampflampen mit niedrigem Druck

Die Quecksilberdampflampe mit niedrigem Druck ist der Standard, mit dem alle anderen Quellen verglichen werden.
Der Hauptanteil der Strahlungsenergie aus Quecksilberdämpfen bei niedrigem Druck in einem elektrischen Entladungsvorgang fällt auf eine Wellenlänge von 254 nm, die sich ideal zur Desinfektion eignet. Ein kleinerer Teil der Energie wird bei einer Wellenlänge von 185 nm emittiert, die intensiv Ozon erzeugt. Und nur eine sehr geringe Menge an Energie wird bei anderen Wellenlängen, einschließlich des sichtbaren Spektrums, emittiert.

In normalen Quecksilber-Leuchtstofflampen mit weißem Licht lässt das Glas der Glühlampe das von den Quecksilberdämpfen emittierte Ultraviolettlicht nicht hindurch. Der Leuchtstoff, ein weißes Pulver an den Wänden der Lampe, leuchtet im sichtbaren Spektrum unter dem Einfluss von Ultraviolettlicht.

UVB- oder UVA-Lampen sind ähnlich aufgebaut. Die Glasampulle lässt die Peaks bei 185 nm und 254 nm nicht hindurch, aber der Leuchtstoff emittiert unter dem Einfluss von kurzwelliger UV-Strahlung kein sichtbares Licht, sondern langwellige UV-Strahlung. Diese Lampen sind für technische Anwendungen vorgesehen. Da das Spektrum der UVA-Lampen dem Sonnenlicht ähnelt, werden solche Lampen auch zum Bräunen verwendet. Der Vergleich des Spektrums mit der Kurve der bakteriziden Wirksamkeit zeigt, dass die Verwendung von UVB- und erst recht UVA-Lampen zur Desinfektion nicht sinnvoll ist.

Abbildung 11 Vergleich der bakteriellen Effektivitätskurve, Spektrum der UVB-Lampe, Spektrum der UVA-Braunlampe und Spektrum des 365-nm-Diodenlichts. Die Spektren der Lampen stammen von der Website der American Coatings Association [Farben].

Es ist zu beachten, dass das Spektrum der UVA-Leuchtstofflampe breit ist und den UVB-Bereich umfasst. Das Spektrum der 365-nm-Diode ist deutlich schmaler und stellt „echtes UVA“ dar. Wenn UVA benötigt wird, um in dekorativen Anwendungen Fluoreszenz zu erzeugen oder zur Erkennung von Verunreinigungen, ist die Verwendung der Diode sicherer als die Nutzung einer UV-Leuchtstofflampe.

Die Quecksilber-Bakterizidlampe mit niedriger Leistung UVC unterscheidet sich von Leuchtstofflampen dadurch, dass auf den Wänden der Glühbirne kein Leuchtstoff vorhanden ist und die Birne ultraviolettes Licht durchlässt. Die Hauptlinie bei 254 nm wird immer durchgelassen, während die Ozon erzeugende Linie bei 185 nm entweder im Spektrum der Lampe verbleiben oder durch eine Glaskonstruktion mit selektiver Durchlässigkeit entfernt werden kann.

Abbildung 12 Der Strahlungsbereich ist auf der Kennzeichnung der UV-Lampen angegeben. Eine Bakterizidlampe UVC ist an dem Fehlen von Leuchtstoff auf der Birne zu erkennen.

Ozon hat eine zusätzliche bakterizide Wirkung, ist jedoch ein Karzinogen. Daher kommen zur Desinfektion ozonfreie Lampen ohne die Linie bei 185 nm im Spektrum zum Einsatz. Diese Lampen besitzen ein nahezu ideales Spektrum – eine Hauptlinie mit hoher bakterizider Effektivität bei 254 nm, sehr schwache Strahlung in nicht-bakteriziden Ultraviolet-Bereich und eine geringe "Signal"-Strahlung im sichtbaren Bereich.

Abb. 13. Das Spektrum der Quecksilber-UVC-Niederdrucklampe (bereitgestellt von der Zeitschrift lumen2b.ru) ist mit dem Spektrum der Sonnenstrahlung (aus Wikipedia) und der Effizienzkurve der bakteriziden Wirkung (aus dem ESNA Lighting Handbook) kombiniert.ESNA]).

Das blaue Licht der bakteriziden Lampen ermöglicht es zu erkennen, dass die Quecksilberlampe eingeschaltet und in Betrieb ist. Das Licht ist schwach und erweckt den falschen Eindruck, dass es sicher sei, auf die Lampe zu schauen. Wir spüren nicht, dass die UVC-Strahlung 35…40% der gesamten von der Lampe aufgenommenen Leistung ausmacht.

Abb. 14. Ein kleiner Anteil der Strahlungsenergie der Quecksilberdämpfe fällt in den sichtbaren Bereich und zeigt sich als schwaches blaues Licht.

Eine bakterizide Niederdruckquecksilberlampe hat dasselbe Sockelmaß wie eine gewöhnliche Leuchtstofflampe, wird jedoch in einer anderen Länge hergestellt, damit die bakterizide Lampe nicht in herkömmliche Leuchten eingesetzt werden kann. Die Leuchte für die bakterizide Lampe unterscheidet sich neben den Abmessungen dadurch, dass alle Kunststoffteile UV-beständig sind, die Drähte vor UV-Strahlung geschützt sind und kein Diffusor vorhanden ist.

Für den häuslichen Einsatz verwendet der Autor eine 15 W bakterizide Lampe, die zuvor zur Desinfektion der Nährlösung einer Hydrokultureinheit eingesetzt wurde. Ihr Pendant kann unter "aquarium uv sterilisator" gefunden werden. Beim Betrieb der Lampe entsteht Ozon, was nicht ideal ist, aber zur Desinfektion, beispielsweise von Schuhen, hilfreich sein kann.

Abb. 15 Niederdruckquecksilberlampen mit Sockeln verschiedener Typen. Bilder von der Website Aliexpress.

Quecksilberlampen mittlerer und hoher Druck.

Ein Anstieg des Drucks bei Quecksilberdampflampen führt zu einer komplexeren Spektralanalyse: das Spektrum erweitert sich und es erscheinen mehr Linien, darunter solche, die Ozon bei bestimmten Wellenlängen erzeugen. Die Zugabe von Additiven zu Quecksilber führt zu einer weiteren Komplexität des Spektrums. Es gibt viele Varianten solcher Lampen, und das Spektrum jeder einzelnen ist besonders.

Abb. 16 Beispiele für Spektren von Quecksilberlampen mit mittlerem und hohem Druck

Ein Anstieg des Drucks reduziert die Effizienz der Lampe. Zum Beispiel strahlen Mittel-UV-Lampen der Marke Aquafineuv im UVC-Bereich nur 15-18% der aufgebrachten Leistung aus, während Niederdrucklampen bis zu 40% erreichen. Damit ergeben sich höhere Kosten für die Ausrüstung pro Watt UVC-Strahlung.Aquafineuv].
Der Rückgang der Effizienz und die höheren Kosten der Lampe werden durch die Kompaktheit ausgeglichen. Beispielsweise erfordern die Desinfektion von Durchflusswasser oder das Trocknen von hochgeschwindigkeitsaufgetragenem Lack in der Druckindustrie kompakte und leistungsstarke Quellen, wobei die spezifischen Kosten und die Effizienz weniger wichtig sind. Allerdings ist der Einsatz einer solchen Lampe zur Desinfektion nicht korrekt.

UV-Strahler aus DРL-Brennern und DРT-Lampen

Es gibt eine "volksnahe" Möglichkeit, relativ günstig eine leistungsstarke UV-Quelle zu erhalten. Aus dem Einsatz, aber immer noch erhältlich sind DRL-Lampen mit weißem Licht von 125…1000 W. In diesen Lampen befindet sich innerhalb der äußeren Glaskolben eine "Brenner" – eine Hochdruckquecksilberlampe. Diese strahlt ein breites Spektrum an ultravioletter Strahlung aus, das von der äußeren Glasur aufgehalten wird, aber den Leuchtstoff an den Wänden zum Leuchten bringt. Wenn man die äußere Kolben zerbricht und den Brenner über einen normalen Vorschaltgerät an das Stromnetz anschließt, erhält man einen starken Strahler für breites UV-Spektrum.

Ein solches handwerklich gefertigtes Strahlgerät hat jedoch Nachteile: Im Vergleich zu Niederdrucklampen ist der Wirkungsgrad niedrig, ein großer Teil des UV-Lichts liegt außerhalb des keimtötenden Bereichs, und nach dem Ausschalten der Lampe darf man sich einige Zeit nicht im Raum aufhalten, bis das Ozon zerfällt oder verflogen ist.

Aber auch die Vorteile stehen außer Zweifel: niedrige Kosten und hohe Leistung bei kompakten Abmessungen. Zu den Vorteilen zählt auch die Ozonproduktion. Ozon desinfiziert schattige Oberflächen, die nicht von UV-Strahlen erreicht werden.

Abbildung 17 UV-Strahler aus DRL-Lampen. Das Foto wird mit Genehmigung des Autors, eines bulgarischen Zahnarztes, veröffentlicht, der diesen Strahler neben der Standard-Bakterizidlampen Philips TUV 30W verwendet.

Ähnliche UV-Desinfektionsquellen in Form von Hochdruck-Quecksilberlampen werden in Strahlern des Typs OUFK-01 „Sonnenstrahlen“ verwendet.

Beispielsweise veröffentlicht der Hersteller für die beliebte Lampe „DRT 125-1“ nicht das Spektrum, gibt jedoch in der Dokumentation folgende Werte an: Bestrahlungsintensität in 1 m Entfernung von der Lampe UVA – 0,98 W/m², UVB – 0,83 W/m², UVC – 0,72 W/m², bakterizidischer Durchfluss 8 W, und nach der Verwendung ist eine Belüftung des Raumes wegen Ozon erforderlich [Lisma]. Auf die direkte Frage nach dem Unterschied zwischen der DRT-Lampe und dem DRL-Brenner antwortete der Hersteller in seinem Blog, dass die DRT eine isolierende grüne Beschichtung auf den Kathoden hat.

Abbildung 18 Breitband-UV-Quelle — DRT-125-Lampe

Die angegebenen Merkmale zeigen, dass das Spektrum breit gefächert ist, mit nahezu gleicher Strahlungsanteil im sanften, mittleren und harten Ultraviolettbereich, einschließlich des harten UVC, der ozonbildend wirkt. Der bakterizide Anteil beträgt 6,4% der aufgenommenen Leistung, was bedeutet, dass der Wirkungsgrad sechsmal geringer ist als bei einer Niederdruckröhrenlampe.

Der Hersteller veröffentlicht das Spektrum dieser Lampe nicht, und im Internet kursiert das gleiche Bild mit dem Spektrum einer der DRL. Die Primärquelle ist unbekannt, aber das Verhältnis der Energie in den UVC-, UVB- und UVA-Bereichen stimmt nicht mit den Angaben für die DRL-125 überein. Für die DRL wird ein ungefähr gleiches Verhältnis angegeben, jedoch zeigt das Spektrum, dass die Energie im UVB-Bereich um ein Vielfaches höher ist als die Energie im UBC-Bereich. Und im UVA-Bereich ist sie deutlich höher als im UVB-Bereich.

Abb. 19. Das Spektrum einer Hochdruck-Quecksilberlampe, das am häufigsten das Spektrum der in der Medizin häufig verwendeten DRL-125 veranschaulicht.

Es ist klar, dass Lampen mit unterschiedlichem Druck und Quecksilberzusätzen unterschiedlich strahlen. Ebenso ist bekannt, dass uninformierte Verbraucher geneigt sind, sich die gewünschten Eigenschaften und Merkmale eines Produkts selbst vorzustellen, eine basierend auf ihren eigenen Annahmen gewonnene Sicherheit zu erwerben und einen Kauf zu tätigen. Die Veröffentlichung des Spektrums einer bestimmten Lampe wird Diskussionen, Vergleiche und Schlussfolgerungen hervorrufen.

Der Autor kaufte einmal eine OUFK-01-Anlage mit einer DRT-125-Lampe und verwendete sie mehrere Jahre zur Prüfung der UV-Beständigkeit von Kunststoffen. Er strahlte gleichzeitig zwei Produkte aus, eines davon als Kontrollprobe aus UV-beständigem Kunststoff, und beobachtete, welches schneller vergilbt. Für eine solche Anwendung ist es nicht notwendig, die genaue Form des Spektrums zu kennen; es ist lediglich wichtig, dass der Strahler breitbandig ist. Aber wozu braucht man breitbandiges UV-Licht, wenn eine Desinfektion erforderlich ist?

In der Bestimmung von OUFK-01 wird angegeben, dass das Bestrahlungsgerät bei akuten entzündlichen Prozessen eingesetzt wird. Das bedeutet, dass der positive Desinfektionseffekt der Haut die möglichen Schäden durch breites Ultraschalllicht überwiegt. Offensichtlich ist es auch in diesem Fall besser, engbandiges Ultraviolett zu verwenden, ohne Wellenlängen im Spektrum, die eine andere Wirkung als die bakterizide haben.

Luftdesinfektion

Ultraviolett wird als unzureichendes Mittel zur Desinfektion von Oberflächen angesehen, da die Strahlen nicht dort eindringen können, wo beispielsweise Alkohol eindringt. Aber Ultraviolett desinfiziert die Luft effektiv.

Beim Niesen und Husten entstehen Tröpfchen von mehreren Mikrometern, die von einigen Minuten bis zu mehreren Stunden in der Luft schweben [CIE 155:2003]. Forschungen zum Tuberkulose zeigen, dass bereits ein aerosolhaltiger Tropfen ausreicht, um eine Infektion zu verursachen.

Draußen sind wir relativ sicher, da große Luftmengen und -bewegungen in der Lage sind, jede Tröpfeninfektion durch Zeit und Sonnenstrahlung zu zerstreuen und zu desinfizieren. Selbst in der U-Bahn, solange der Anteil infizierter Personen gering ist, ist das Volumen an Luft pro infizierter Person groß, und eine gute Belüftung minimiert das Risiko der Ausbreitung von Infektionen. Der gefährlichste Ort während Pandemien von luftübertragbaren Krankheiten ist der Aufzug. Daher sollten Niesende in Quarantäne bleiben, und die Luft in öffentlichen Räumen, bei unzureichender Belüftung, benötigt Desinfektion.

Rekuperatoren

Eine der Optionen zur Luftdesinfektion sind geschlossene UV-Rekuperatoren. Lassen Sie uns über einen solchen Rekuperator sprechen – den „Dezar 7“, bekannt dafür, dass er sogar im Büro der höchsten Amtsträger gesichtet wurde.

In der Beschreibung des Rekuperators steht, dass er 100 m³ pro Stunde durchbläst und für die Verarbeitung von Räumen mit einem Volumen von 100 m³ (ungefähr 5 × 7 × 2,8 Meter) ausgelegt ist.
Die Fähigkeit, 100 m³ Luft pro Stunde zu desinfizieren, bedeutet jedoch nicht, dass die Luft in einem Raum mit 100 m³ in einer Stunde ebenso effektiv behandelt wird. Die behandelte Luft verdünnt die verschmutzte Luft und gelangt in dieser Form wiederholt in den Umluftkreis. Es ist einfach, ein mathematisches Modell zu erstellen und die Effizienz eines solchen Prozesses zu berechnen:

Abb. 20 Einfluss des UV-Umluftreinigers auf die Anzahl der Mikroorganismen in der Luft eines unbelüfteten Raumes.

Um die Konzentration von Mikroorganismen in der Luft um 90 % zu reduzieren, muss der Umluftreiniger mehr als zwei Stunden lang arbeiten. Ohne Belüftung im Raum ist das möglich. Allerdings gibt es normalerweise keine Räume mit Menschen, die nicht belüftet sind. Zum Beispiel, [SP 60.13330.2016] schreibt einen minimalen Außenluftstrom von 3 m³ pro Stunde und m² Wohnfläche vor. Dies entspricht einem vollständigen Luftwechsel alle Stunde und macht die Arbeit des Umluftreinigers überflüssig.

Betrachten wir ein Modell ohne vollständige Durchmischung, sondern mit laminar fließenden Strahlen, die einer komplexen etablierten Trajektorie im Raum folgen und in die Belüftung geleitet werden, ist der Nutzen der Desinfektion eines solchen Strahls noch geringer als im Modell der vollständigen Durchmischung.

In jedem Fall ist ein UV-Rezirkulator nicht besser als ein offenes Fenster.

Einer der Gründe für die geringe Effizienz von Rezirkulatoren liegt darin, dass die bakterizide Wirkung pro Watt UV-Strahlung extrem gering ist. Der Strahl durchdringt etwa 10 Zentimeter innerhalb des Geräts und wird dann von Aluminium mit einem Reflexionsgrad von etwa k=0,7 reflektiert. Das bedeutet, dass die effektive Reichweite des Strahls im Gerät etwa einen halben Meter beträgt, nach dem er unnütz absorbiert wird.

Abb. 21. Ein Bild aus einem YouTube-Video, das einen Rezirkulator analysiert. Zu sehen sind die bakteriziden Lampen und die Aluminium-Reflexionsfläche, die deutlich schlechter UV als sichtbares Licht reflektiert [Desar].

Eine bakterizide Lampe, die offen an der Wand im Wartezimmer einer Klinik hängt und von einem Arzt nach Plan eingeschaltet wird, ist um ein Vielfaches effektiver. Die Strahlen der offenen Lampe durchdringen mehrere Meter, desinfizieren zuerst die Luft und dann auch die Oberflächen.

Luftstrahler in der oberen Raumecke

In den Patientenzimmern von Krankenhäusern, in denen ständig bettlägerige Patienten sind, werden manchmal UV-Geräte eingesetzt, die die zirkulierenden Luftströme unter der Decke bestrahlen. Der Hauptnachteil solcher Geräte ist, dass das Gitter, das die Lampen abdeckt, nur die Strahlen durchlässt, die genau in eine Richtung gehen, und über 90 % des restlichen Luftstroms unnötig absorbiert.

Man könnte die Luft zusätzlich durch solch einen Strahler blasen, um gleichzeitig einen Rückführlüfter zu erhalten, aber das wird wahrscheinlich nicht gemacht, um zu verhindern, dass sich Staub im Zimmer ansammelt.

Abb. 22 Deckenmontierter UV-Luftstrahler, Bild von der Website [Airsteril].

Gitter schützen Menschen im Innenraum vor direkter UV-Strahlung, aber der Strahl, der durch das Gitter hindurchgeht, trifft auf die Decke und Wände und wird diffus reflektiert, mit einem Reflexionskoeffizienten von etwa 10 %. Der Raum füllt sich mit omnidirektionaler UV-Strahlung, und die Menschen erhalten eine Dosis von UV-Strahlen, die proportional zur verbrachten Zeit im Raum ist.

Gutachter und Autor

Gutachter:
Artyom Balabanov, Elektronikingenieur, Entwickler von UV-Härtungssystemen;
Rumen Vasilev, Dr. der technischen Wissenschaften, Lichttechniker, OOD „Interlux“, Bulgarien;
Vadim Grigorov, Biophysiker;
Stanislav Lermontov, Lichttechniker, ООО „Komplexe Systeme“;
Alexey Pankrashkin, Dr. der technischen Wissenschaften, Dozent, Halbleiterlichttechnik und Photonik, ООО „INTECH Engineering“;
Andrey Kramov, Fachmann für die Planung von Beleuchtung in Gesundheitseinrichtungen;
Vitaly Tsvyrko, Leiter des lichttechnischen Prüfstandes „CSOT NAN Weißrussland“
Autor: Anton Sharakshané, Dr. der physikalischen und mathematischen Wissenschaften, Lichttechniker und Biophysiker, Erstes MGMU benannt nach I.M. Sechenov

Links

Links

[Airsteril] www.airsteril.com.hk/en/products/UR460
[Aquafineuv] www.aquafineuv.com/uv-lamp-technologies
[CIE 155:2003] CIE 155:2003 UV-AIR-Desinfektion
[DIN 5031-10] DIN 5031-10 2018 Optische Strahlenphysik und Beleuchtungstechnik. Teil 10: Photobiologisch wirksame Strahlung, Größen, Symbole und Wirkungsspektren.
[ESNA] ESNA Beleuchtungshandbuch, 9. Auflage. Hrsg. Rea M.S. Illuminating Engineering Society of North America, New York, 2000.
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Quelle: habr.com