Die Eigenschaften von Ultraviolett hängen von der Wellenlänge ab, und Ultraviolett aus verschiedenen Quellen hat ein unterschiedliches Spektrum. Wir besprechen, welche Quellen ultravioletten Lichts und wie man sie nutzt, um die bakterizide Wirkung zu maximieren und gleichzeitig das Risiko unerwünschter biologischer Wirkungen zu minimieren.
Reis. 1. Das Foto zeigt nicht, wie man meinen könnte, eine Desinfektion mit UVC-Strahlung, sondern eine Schulung im Umgang mit einem Schutzanzug mit der Erkennung leuchtender Flecken trainierter Körperflüssigkeiten in UVA-Strahlen. UVA ist ein weiches Ultraviolett und hat keine bakterizide Wirkung. Das Schließen der Augen ist eine angemessene Sicherheitsmaßnahme, da sich das breite Spektrum der verwendeten UVA-Leuchtstofflampen mit UVB überlagert, das schädlich für das Sehvermögen ist (Quelle Simon Davis/DFID).
Die Wellenlänge des sichtbaren Lichts entspricht der Quantenenergie, bei der photochemische Wirkung gerade erst möglich wird. Sichtbare Lichtquanten regen photochemische Reaktionen in einem bestimmten lichtempfindlichen Gewebe an – der Netzhaut.
Ultraviolett ist unsichtbar, seine Wellenlänge ist kürzer, die Frequenz und Energie der Quanten ist höher, die Strahlung ist härter und die Vielfalt photochemischer Reaktionen und biologischer Wirkungen ist größer.
Ultraviolett unterscheidet sich in:
- Langwelliges/weiches/nahes UVA (400...315 nm), ähnliche Eigenschaften wie sichtbares Licht;
- Mittlere Härte - UVB (315...280 nm);
- Kurzwellig/langwellig/hart – UVC (280…100 nm).
Bakterizide Wirkung von ultraviolettem Licht
Eine bakterizide Wirkung wird durch hartes ultraviolettes Licht (UVC) und in geringerem Maße durch mittelhartes ultraviolettes Licht (UVB) ausgeübt. Die bakterizide Wirksamkeitskurve zeigt, dass nur ein schmaler Bereich von 230...300 nm, also etwa ein Viertel des sogenannten Ultraviolettbereichs, eine deutliche bakterizide Wirkung hat.
Reis. 2 Bakterizide Wirksamkeitskurven von []
Quanten mit Wellenlängen in diesem Bereich werden von Nukleinsäuren absorbiert, was zur Zerstörung der Struktur von DNA und RNA führt. Neben der bakteriziden Wirkung, also der Abtötung von Bakterien, weist diese Produktreihe auch viruzide (antivirale), fungizide (antimykotische) und sporizide (Sporen abtötende) Wirkung auf. Dazu gehört die Abtötung des RNA-Virus SARS-CoV-2020, das die Pandemie 2 verursacht hat.
Die bakterizide Wirkung von Sonnenlicht
Die bakterizide Wirkung des Sonnenlichts ist relativ gering. Schauen wir uns das Sonnenspektrum über und unter der Atmosphäre an:
Reis. 3. Spektrum der Sonnenstrahlung über der Atmosphäre und auf Meereshöhe. Der härteste Teil des ultravioletten Bereichs erreicht nicht die Erdoberfläche (aus Wikipedia entlehnt).
Es lohnt sich, auf das gelb hervorgehobene Spektrum über der Atmosphäre zu achten. Die Quantenenergie des linken Randes des Spektrums supraatmosphärischer Sonnenstrahlen mit einer Wellenlänge von weniger als 240 nm entspricht einer chemischen Bindungsenergie von 5.1 eV im Sauerstoffmolekül „O2“. Molekularer Sauerstoff absorbiert diese Quanten, die chemische Bindung wird aufgebrochen, es entsteht atomarer Sauerstoff „O“, der sich wieder zu Sauerstoffmolekülen „O2“ und teilweise Ozon „O3“ verbindet.
Solares supraatmosphärisches UVC bildet Ozon in der oberen Atmosphäre, der sogenannten Ozonschicht. Die chemische Bindungsenergie in einem Ozonmolekül ist niedriger als in einem Sauerstoffmolekül und daher absorbiert Ozon Quanten mit geringerer Energie als Sauerstoff. Und während Sauerstoff nur UVC absorbiert, absorbiert die Ozonschicht UVC und UVB. Es stellt sich heraus, dass die Sonne Ozon am äußersten Rand des ultravioletten Teils des Spektrums erzeugt, und dieses Ozon absorbiert dann den größten Teil der harten ultravioletten Strahlung der Sonne und schützt so die Erde.
Nun werden wir sorgfältig und unter Berücksichtigung der Wellenlängen und des Maßstabs das Sonnenspektrum mit dem Spektrum der bakteriziden Wirkung kombinieren.
Reis. 4 Spektrum der bakteriziden Wirkung und Spektrum der Sonnenstrahlung.
Es ist ersichtlich, dass die bakterizide Wirkung des Sonnenlichts unbedeutend ist. Der Teil des Spektrums, der eine bakterizide Wirkung entfalten kann, wird fast vollständig von der Atmosphäre absorbiert. Zu verschiedenen Jahreszeiten und auf verschiedenen Breitengraden ist die Situation etwas anders, aber qualitativ ähnlich.
Ultraviolette Gefahr
Der Staatschef eines der großen Länder schlug vor: „Um COVID-19 zu heilen, muss man Sonnenlicht in den Körper bringen.“ Allerdings zerstört keimtötendes UV-Licht RNA und DNA, auch beim Menschen. Wenn man „Sonnenlicht in den Körper abgibt“, stirbt die Person.
Die Epidermis, in erster Linie das Stratum Corneum abgestorbener Zellen, schützt lebendes Gewebe vor UVC. Unterhalb der Epidermisschicht dringt nur weniger als 1 % der UVC-Strahlung ein [WHO]. Längere UVB- und UVA-Wellen dringen in größere Tiefen ein.
Wenn es keine ultraviolette Sonnenstrahlung gäbe, hätten die Menschen möglicherweise keine Epidermis und kein Stratum Corneum, und die Körperoberfläche wäre schleimig wie die von Schnecken. Da sich der Mensch jedoch unter der Sonne entwickelt hat, sind nur die vor der Sonne geschützten Oberflächen schleimig. Am anfälligsten ist die Schleimhautoberfläche des Auges, die durch Augenlider, Wimpern, Augenbrauen, Gesichtsmotorik und die Gewohnheit, nicht in die Sonne zu schauen, bedingt vor ultravioletter Sonnenstrahlung geschützt ist.
Als Augenärzte zum ersten Mal lernten, die Linse durch eine künstliche zu ersetzen, standen sie vor dem Problem von Netzhautverbrennungen. Sie begannen die Gründe zu verstehen und fanden heraus, dass die lebende menschliche Linse für ultraviolettes Licht undurchsichtig ist und die Netzhaut schützt. Danach wurden auch künstliche Linsen für ultraviolettes Licht undurchlässig gemacht.
Ein Bild des Auges im ultravioletten Licht veranschaulicht die Undurchsichtigkeit der Linse gegenüber ultraviolettem Licht. Sie sollten Ihr eigenes Auge nicht mit ultraviolettem Licht beleuchten, da die Linse mit der Zeit, auch aufgrund der im Laufe der Jahre angesammelten Dosis an ultraviolettem Licht, trüb wird und ersetzt werden muss. Deshalb nutzen wir die Erfahrung mutiger Menschen, die die Sicherheit vernachlässigten, ihnen eine UV-Taschenlampe mit einer Wellenlänge von 365 nm in die Augen leuchteten und das Ergebnis auf YouTube veröffentlichten.
Reis. 5 Standbild aus einem Video auf dem Youtube-Kanal „Kreosan“.
Beliebt sind lumineszenzinduzierende Ultraviolett-Taschenlampen mit einer Wellenlänge von 365 nm (UVA). Sie werden von Erwachsenen gekauft, geraten aber unweigerlich in die Hände von Kindern. Kinder leuchten sich mit diesen Taschenlampen in die Augen und schauen aufmerksam und lange auf den leuchtenden Kristall. Es ist ratsam, solche Aktionen zu verhindern. Wenn dies geschieht, können Sie sicher sein, dass Katarakte in Mausstudien zuverlässig durch UVB-Bestrahlung der Linse verursacht werden, die katarogene Wirkung von UVA jedoch instabil ist [].
Das genaue Wirkungsspektrum des ultravioletten Lichts auf die Linse ist jedoch unbekannt. Und wenn man bedenkt, dass Katarakte eine sehr verzögerte Wirkung haben, muss man schon im Vorfeld klug sein, kein ultraviolettes Licht in die Augen zu strahlen.
Die Schleimhäute des Auges entzünden sich unter ultravioletter Strahlung relativ schnell, man spricht von Photokeratitis und Photokonjunktivitis. Die Schleimhäute werden rot und es entsteht ein Gefühl von „Sand in den Augen“. Die Wirkung lässt nach einigen Tagen nach, wiederholte Verbrennungen können jedoch zu einer Trübung der Hornhaut führen.
Die Wellenlängen, die diese Effekte verursachen, entsprechen ungefähr der gewichteten UV-Gefährdungsfunktion der photobiologischen Sicherheitsnorm [IEC 62471] und ungefähr dem keimtötenden Bereich.
Reis. 6 Spektren der ultravioletten Strahlung, die Photokonjunktivitis und Photokeratitis verursacht, von [] und eine gewichtete Funktion der aktinischen UV-Gefährdung für Haut und Augen von [].
Die Schwellendosen für Photokeratitis und Photokonjunktivitis liegen bei 50–100 J/m2, dieser Wert übersteigt nicht die zur Desinfektion verwendeten Dosen. Eine Desinfektion der Augenschleimhaut mit ultraviolettem Licht ist nicht möglich, ohne dass es zu einer Entzündung kommt.
Gefährlich ist ein Erythem, also ein „Sonnenbrand“, durch ultraviolette Strahlung im Bereich von bis zu 300 nm. Einigen Quellen zufolge liegt die maximale spektrale Effizienz von Erythemen bei Wellenlängen von etwa 300 nm []. Die Mindestdosis, die ein kaum wahrnehmbares Erythem MED (Minimum Erythema Dose) für verschiedene Hauttypen verursacht, liegt zwischen 150 und 2000 J/m2. Für Bewohner der Mittelzone kann als typischer DER ein Wert von etwa 200...300 J/m2 angenommen werden.
UVB im Bereich von 280–320 nm, mit einem Maximum um 300 nm, verursacht Hautkrebs. Es gibt keine Schwellendosis; eine höhere Dosis bedeutet ein höheres Risiko und die Wirkung ist verzögert.
Reis. 7 UV-Wirkungskurven, die Erytheme und Hautkrebs verursachen.
Photoinduzierte Hautalterung wird durch ultraviolette Strahlung im gesamten Bereich von 200...400 nm verursacht. Es gibt ein bekanntes Foto eines Lkw-Fahrers, der während der Fahrt hauptsächlich auf der linken Seite der ultravioletten Sonnenstrahlung ausgesetzt war. Der Fahrer hatte die Angewohnheit, mit heruntergelassenem Fahrerfenster zu fahren, aber die rechte Seite seines Gesichts war durch die Windschutzscheibe vor der ultravioletten Strahlung der Sonne geschützt. Beeindruckend ist der Unterschied im altersbedingten Zustand der Haut auf der rechten und linken Seite:
Reis. 8 Foto eines Fahrers, der 28 Jahre lang mit heruntergelassenem Fahrerfenster fuhr [].
Wenn wir grob schätzen, dass sich das Alter der Haut auf verschiedenen Seiten des Gesichts dieser Person um zwanzig Jahre unterscheidet, ist dies eine Folge der Tatsache, dass etwa die gleichen zwanzig Jahre lang eine Seite des Gesichts von der Sonne beleuchtet wurde und die andere War dies nicht der Fall, können wir mit Vorsicht schlussfolgern, dass ein Tag in der offenen Sonne ein Tag ist und die Haut altern lässt.
Aus Referenzdaten [] Es ist bekannt, dass in mittleren Breiten im Sommer bei direkter Sonneneinstrahlung die minimale Erythemdosis von 200 J/m2 schneller als in einer Stunde akkumuliert wird. Vergleicht man diese Zahlen mit den daraus gezogenen Schlussfolgerungen, lässt sich eine weitere Schlussfolgerung ziehen: Die Hautalterung bei periodischer und kurzzeitiger Arbeit mit UV-Lampen stellt keine nennenswerte Gefahr dar.
Wie viel ultraviolettes Licht wird zur Desinfektion benötigt?
Die Zahl der überlebenden Mikroorganismen auf Oberflächen und in der Luft nimmt mit zunehmender UV-Strahlungsdosis exponentiell ab. Beispielsweise beträgt die Dosis, die 90 % des Mycobacterium tuberculosis abtötet, 10 J/m2. Zwei solcher Dosen töten 99 %, drei Dosen töten 99,9 % usw.
Reis. 9 Abhängigkeit des Anteils überlebender Mycobacterium tuberculosis von der Dosis ultravioletter Strahlung bei einer Wellenlänge von 254 nm.
Die exponentielle Abhängigkeit ist insofern bemerkenswert, als bereits eine geringe Dosis die meisten Mikroorganismen abtötet.
Unter den aufgeführten in [] pathogene Mikroorganismen, Salmonellen sind am resistentesten gegen ultraviolette Strahlung. Die Dosis, die 90 % der Bakterien abtötet, beträgt 80 J/m2. Laut der Übersicht [Kowalski2020] beträgt die durchschnittliche Dosis, die 90 % der Coronaviren abtötet, 67 J/m2. Bei den meisten Mikroorganismen beträgt diese Dosis jedoch nicht mehr als 50 J/m2. Aus praktischen Gründen können Sie sich daran erinnern, dass die Standarddosis, die mit einer Wirksamkeit von 90 % desinfiziert, 50 J/m2 beträgt.
Gemäß der aktuellen, vom russischen Gesundheitsministerium genehmigten Methodik zur Verwendung von ultravioletter Strahlung zur Luftdesinfektion [] Für Operationssäle, Entbindungskliniken usw. ist eine maximale Desinfektionseffizienz von „drei Neunen“ oder 99,9 % erforderlich. Für Schulklassen, öffentliche Gebäude usw. „Eins Neun“ reicht aus, das heißt, 90 % der Mikroorganismen werden abgetötet. Das bedeutet, dass je nach Raumkategorie eine bis drei Standarddosen von 50...150 J/m2 ausreichend sind.
Ein Beispiel für die Schätzung der erforderlichen Bestrahlungszeit: Nehmen wir an, es ist notwendig, die Luft und Oberflächen in einem Raum mit den Maßen 5 × 7 × 2,8 Meter zu desinfizieren, wofür eine offene Philips TUV 30W-Lampe verwendet wird.
Die technische Beschreibung der Lampe gibt einen bakteriziden Strom von 12 W an []. Im Idealfall fließt der gesamte Fluss ausschließlich zu den zu desinfizierenden Oberflächen, aber in einer realen Situation wird die Hälfte des Flusses ohne Nutzen verschwendet, indem er beispielsweise die Wand hinter der Lampe mit übermäßiger Intensität beleuchtet. Daher rechnen wir mit einem Nutzstrom von 6 Watt. Die gesamte bestrahlte Fläche im Raum beträgt Boden 35 m2 + Decke 35 m2 + Wände 67 m2, insgesamt 137 m2.
Im Durchschnitt beträgt der auf die Oberfläche einfallende Fluss bakterizider Strahlung 6 W/137 m2 = 0,044 W/m2. In einer Stunde, also in 3600 Sekunden, erhalten diese Oberflächen eine Dosis von 0,044 W/m2 × 3600 s = 158 J/m2, also etwa 150 J/m2. Das entspricht drei Standarddosen von 50 J/m2 oder „drei Neunen“ – 99,9 % bakterizide Wirksamkeit, d. h. Anforderungen an den Operationssaal. Und da die berechnete Dosis, bevor sie auf die Oberfläche fiel, das Raumvolumen durchdrang, wurde die Luft mit nicht weniger Effizienz desinfiziert.
Wenn die Anforderungen an die Sterilität gering sind und „eins neun“ ausreicht, wird für das betrachtete Beispiel dreimal weniger Bestrahlungszeit benötigt – etwa 20 Minuten.
Schutz vor ultravioletter Strahlung
Die wichtigste Schutzmaßnahme bei der UV-Desinfektion ist das Verlassen des Raumes. Sich in der Nähe einer funktionierenden UV-Lampe aufzuhalten, aber wegzuschauen hilft nicht, die Schleimhäute der Augen werden trotzdem bestrahlt.
Glasbrillen können eine Teilmaßnahme zum Schutz der Schleimhäute der Augen sein. Die kategorische Aussage „Glas lässt keine ultraviolette Strahlung durch“ ist falsch; bis zu einem gewissen Grad ist dies der Fall, und verschiedene Glasmarken tun dies auf unterschiedliche Weise. Aber im Allgemeinen nimmt mit abnehmender Wellenlänge die Durchlässigkeit ab und UVC wird nur von Quarzglas effektiv durchgelassen. Brillengläser sind auf jeden Fall kein Quarz.
Wir können mit Sicherheit sagen, dass Brillengläser mit der Kennzeichnung UV400 keine ultraviolette Strahlung durchlassen.
Reis. 10 Transmissionsspektrum von Brillengläsern mit den Indizes UV380, UV400 und UV420. Bild von der Website []
Eine weitere Schutzmaßnahme ist die Verwendung von Quellen des bakteriziden UVC-Bereichs, die keine potenziell gefährlichen, aber zur Desinfektion unwirksamen UVB- und UVA-Bereiche ausstrahlen.
Ultraviolette Quellen
UV-Dioden
Die gebräuchlichsten 365-nm-Ultraviolettdioden (UVA) sind für „Polizei-Taschenlampen“ konzipiert, die Lumineszenz erzeugen, um Schadstoffe zu erkennen, die ohne Ultraviolett unsichtbar sind. Eine Desinfektion mit solchen 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 Diodenmodul, das eine bakterizide Quecksilberlampe ersetzen würde, sind drei Größenordnungen höher als die Kosten der Lampe, sodass solche Lösungen in der Praxis nicht zur Desinfektion großer Flächen verwendet werden. Für die Desinfektion kleiner Bereiche – Instrumente, Telefone, Hautläsionen usw. – tauchen jedoch kompakte Geräte mit UV-Dioden auf.
Niederdruck-Quecksilberlampen
Die Niederdruck-Quecksilberlampe ist der Standard, mit dem alle anderen Quellen verglichen werden.
Der Hauptanteil der Strahlungsenergie von Quecksilberdampf bei niedrigem Druck in einer elektrischen Entladung fällt auf die für die Desinfektion ideale Wellenlänge von 254 nm. Ein kleiner Teil der Energie wird bei einer Wellenlänge von 185 nm abgestrahlt, wodurch intensiv Ozon entsteht. Und bei anderen Wellenlängen, einschließlich des sichtbaren Bereichs, wird nur sehr wenig Energie emittiert.
Bei herkömmlichen Weißlicht-Quecksilber-Leuchtstofflampen lässt das Glas der Glühbirne die von Quecksilberdampf emittierte ultraviolette Strahlung nicht durch. Aber der Leuchtstoff, ein weißes Pulver an den Wänden des Kolbens, leuchtet unter dem Einfluss ultravioletter Strahlung im sichtbaren Bereich.
UVB- oder UVA-Lampen sind ähnlich aufgebaut, der Glaskolben lässt den 185-nm-Peak und den 254-nm-Peak nicht durch, aber der Leuchtstoff emittiert unter dem Einfluss kurzwelliger ultravioletter Strahlung kein sichtbares Licht, sondern langwelliges Ultraviolett Strahlung. Es handelt sich um Lampen für technische Zwecke. Und da das Spektrum der UVA-Lampen dem der Sonne ähnelt, werden solche Lampen auch zum Bräunen eingesetzt. Der Vergleich des Spektrums mit der bakteriziden Wirksamkeitskurve zeigt, dass der Einsatz von UVB- und insbesondere UVA-Lampen zur Desinfektion ungeeignet ist.
Reis. 11 Vergleich der bakteriziden Wirksamkeitskurve, des Spektrums einer UVB-Lampe, des Spektrums einer UVA-Bräunungslampe und des Spektrums einer 365-nm-Diode. Lampenspektren von der Website der American Paint Manufacturers Association [].
Beachten Sie, dass das Spektrum einer UVA-Leuchtstofflampe breit ist und den UVB-Bereich abdeckt. Das Spektrum der 365-nm-Diode ist viel schmaler, das ist „ehrliches UVA“. Wenn UVA zur Erzeugung von Lumineszenz für dekorative Zwecke oder zur Erkennung von Verunreinigungen erforderlich ist, ist die Verwendung einer Diode sicherer als die Verwendung einer UV-Leuchtstofflampe.
Eine bakterizide Niederdruck-UVC-Quecksilberlampe unterscheidet sich von Leuchtstofflampen dadurch, dass sich an den Wänden der Glühbirne kein Phosphor befindet und die Glühbirne ultraviolettes Licht durchlässt. Die 254-nm-Hauptlinie wird immer durchgelassen, und die ozonerzeugende 185-nm-Linie kann im Spektrum der Lampe belassen oder durch einen Glaskolben mit selektiver Transmission entfernt werden.
Reis. 12 Der Emissionsbereich ist auf der Kennzeichnung von UV-Lampen angegeben. Eine keimtötende UVC-Lampe erkennt man daran, dass auf der Glühbirne kein Phosphor vorhanden ist.
Ozon hat eine zusätzliche bakterizide Wirkung, ist jedoch krebserregend. Um nach der Desinfektion nicht auf den Ozonabbau zu warten, werden nicht ozonbildende Lampen ohne die 185-nm-Linie im Spektrum verwendet. Diese Lampen haben ein nahezu ideales Spektrum – eine Hauptlinie mit einer hohen bakteriziden Wirksamkeit von 254 nm, eine sehr schwache Strahlung im nicht bakteriziden ultravioletten Bereich und eine kleine „Signal“-Strahlung im sichtbaren Bereich.
Reis. 13. Das Spektrum einer Niederdruck-UVC-Quecksilberlampe (bereitgestellt von der Zeitschrift lumen2b.ru) wird mit dem Spektrum der Sonnenstrahlung (aus Wikipedia) und der bakteriziden Effizienzkurve (aus dem ESNA Lighting Handbook []).
Am blauen Schein keimtötender Lampen erkennen Sie, dass die Quecksilberlampe eingeschaltet ist und funktioniert. Das Leuchten ist schwach, was den irreführenden Eindruck erweckt, man könne die Lampe unbedenklich betrachten. Wir gehen nicht davon aus, dass die Strahlung im UVC-Bereich 35...40 % der gesamten von der Lampe verbrauchten Leistung ausmacht.
Reis. 14 Ein kleiner Teil der Strahlungsenergie von Quecksilberdampf liegt im sichtbaren Bereich und ist als schwaches blaues Leuchten sichtbar.
Eine bakterizide Quecksilber-Niederdrucklampe hat den gleichen Sockel wie eine normale Leuchtstofflampe, ist jedoch anders lang, sodass die bakterizide Lampe nicht in gewöhnliche Lampen eingesetzt werden kann. Die Lampe für eine bakterizide Lampe zeichnet sich neben ihren Abmessungen dadurch aus, dass alle Kunststoffteile gegen ultraviolette Strahlung beständig sind, die Drähte vor ultravioletter Strahlung geschützt sind und kein Diffusor vorhanden ist.
Für den bakteriziden Bedarf zu Hause verwendet der Autor eine bakterizide 15-W-Lampe, die zuvor zur Desinfektion der Nährlösung einer Hydrokulturanlage verwendet wurde. Sein Analogon kann durch die Suche nach „Aquarium UV-Sterilisator“ gefunden werden. Beim Betrieb der Lampe wird Ozon freigesetzt, was nicht gut ist, aber zum Desinfizieren von beispielsweise Schuhen nützlich ist.
Reis. 15 Niederdruck-Quecksilberlampen mit verschiedenen Sockeltypen. Bilder von der Aliexpress-Website.
Mittel- und Hochdruck-Quecksilberlampen
Eine Erhöhung des Quecksilberdampfdrucks führt zu einem komplexeren Spektrum; das Spektrum weitet sich aus und es erscheinen mehr Linien darin, auch bei ozonerzeugenden Wellenlängen. Die Zugabe von Zusätzen zu Quecksilber führt zu einer noch größeren Komplexität des Spektrums. Es gibt viele Arten solcher Lampen und das Spektrum jeder einzelnen ist besonders.
Reis. 16 Beispiele für Spektren von Mittel- und Hochdruck-Quecksilberlampen
Eine Erhöhung des Drucks verringert die Effizienz der Lampe. Am Beispiel der Marke Aquafineuv emittieren Mitteldruck-UVC-Lampen 15-18 % des Stromverbrauchs und nicht 40 % wie Niederdrucklampen. Und die Gerätekosten pro Watt UVC-Durchfluss sind höher [].
Der Rückgang der Effizienz und die Erhöhung der Kosten der Lampe werden durch ihre Kompaktheit ausgeglichen. Beispielsweise erfordert die Desinfektion von fließendem Wasser oder das Trocknen von Lack, der beim Drucken mit hoher Geschwindigkeit aufgetragen wird, kompakte und leistungsstarke Quellen; spezifische Kosten und Effizienz sind unwichtig. Es ist jedoch falsch, eine solche Lampe zur Desinfektion zu verwenden.
UV-Strahler bestehend aus einem DRL-Brenner und einer DRT-Lampe
Es gibt eine „volkstümliche“ Möglichkeit, relativ kostengünstig eine leistungsstarke UV-Quelle zu erhalten. Sie werden nicht mehr verwendet, aber Weißlicht-TFL-Lampen mit 125...1000 W werden weiterhin verkauft. Bei diesen Lampen befindet sich im Außenkolben ein „Brenner“ – eine Hochdruck-Quecksilberlampe. Es sendet breitbandiges ultraviolettes Licht aus, das vom äußeren Glaskolben blockiert wird, aber den Leuchtstoff an seinen Wänden zum Leuchten bringt. Wenn Sie den Außenkolben zerbrechen und den Brenner über eine Standarddrossel an das Netzwerk anschließen, erhalten Sie einen leistungsstarken Breitband-Ultraviolettstrahler.
Ein solcher selbstgebauter Strahler hat Nachteile: geringer Wirkungsgrad im Vergleich zu Niederdrucklampen, ein großer Anteil der ultravioletten Strahlung liegt außerhalb des bakteriziden Bereichs und man kann nach dem Ausschalten der Lampe nicht einige Zeit im Raum bleiben, bis das Ozon zerfällt oder verschwindet.
Aber auch die Vorteile sind unbestreitbar: niedrige Kosten und hohe Leistung bei kompakter Größe. Einer der Vorteile ist die Erzeugung von Ozon. Ozon desinfiziert schattige Oberflächen, die keiner ultravioletten Strahlung ausgesetzt sind.
Reis. 17 Ultraviolettstrahler aus DRL-Lampen. Das Foto wird mit Genehmigung des Autors, eines bulgarischen Zahnarztes, veröffentlicht, der dieses Bestrahlungsgerät zusätzlich zur standardmäßigen bakteriziden 30-W-Lampe von Philips TUV verwendet.
Ähnliche UV-Quellen zur Desinfektion in Form von Quecksilberhochdrucklampen werden in Bestrahlungsgeräten vom Typ OUFK-01 „Solnyshko“ verwendet.
Beispielsweise veröffentlicht der Hersteller für die beliebte Lampe „DRT 125-1“ das Spektrum nicht, sondern stellt die Parameter in der Dokumentation bereit: Bestrahlungsintensität in 1 m Entfernung von der Lampe UVA – 0,98 W/m2, UVB – 0,83 W/m2, UVC – 0,72 W/m2, bakterizider Durchfluss 8 W, und nach Gebrauch ist eine Belüftung des Raumes von Ozon erforderlich []. Auf eine direkte Frage nach dem Unterschied zwischen einer DRT-Lampe und einem DRL-Brenner antwortete der Hersteller in seinem Blog, dass die DRT eine isolierende grüne Beschichtung auf den Kathoden habe.
Reis. 18 Breitband-Ultraviolettquelle – DRT-125-Lampe
Anhand der angegebenen Merkmale ist ersichtlich, dass das Spektrum breitbandig ist und einen nahezu gleichen Strahlungsanteil im weichen, mittleren und harten Ultraviolett aufweist, einschließlich des ozonerzeugenden harten UVC. Der bakterizide Durchfluss beträgt 6,4 % des Stromverbrauchs, d. h. der Wirkungsgrad ist 6-mal geringer als der einer Niederdruck-Röhrenlampe.
Der Hersteller veröffentlicht das Spektrum dieser Lampe nicht und im Internet kursiert das gleiche Bild mit dem Spektrum eines der DRTs. Die ursprüngliche Quelle ist unbekannt, das Energieverhältnis im UVC-, UVB- und UVA-Bereich entspricht jedoch nicht den Angaben der DRT-125-Lampe. Für DRT wird ein annähernd gleiches Verhältnis angegeben und das Spektrum zeigt, dass die UVB-Energie um ein Vielfaches größer ist als die UBC-Energie. Und bei UVA ist sie um ein Vielfaches höher als bei UVB.
Reis. 19. Spektrum einer Hochdruck-Quecksilberbogenlampe, das am häufigsten das Spektrum von DRT-125 darstellt, das häufig für medizinische Zwecke verwendet wird.
Es ist klar, dass Lampen mit unterschiedlichem Druck und Quecksilberzusätzen etwas unterschiedlich emittieren. Es ist auch klar, dass ein uninformierter Verbraucher dazu neigt, sich die gewünschten Eigenschaften und Eigenschaften eines Produkts selbstständig vorzustellen, aufgrund seiner eigenen Annahmen Vertrauen zu gewinnen und einen Kauf zu tätigen. Und die Veröffentlichung des Spektrums einer bestimmten Lampe wird zu Diskussionen, Vergleichen und Schlussfolgerungen führen.
Der Autor kaufte einmal eine OUFK-01-Anlage mit einer DRT-125-Lampe und testete damit mehrere Jahre lang die UV-Beständigkeit von Kunststoffprodukten. Ich habe zwei Produkte gleichzeitig bestrahlt, eines davon war ein Kontrollprodukt aus UV-beständigem Kunststoff, und habe geschaut, welches schneller gelb werden würde. Für eine solche Anwendung ist die Kenntnis der genauen Form des Spektrums nicht erforderlich; wichtig ist lediglich, dass der Emitter breitbandig ist. Aber warum breitbandiges ultraviolettes Licht verwenden, wenn eine Desinfektion erforderlich ist?
Der Zweck von OUFK-01 besagt, dass das Bestrahlungsgerät bei akuten entzündlichen Prozessen eingesetzt wird. Das heißt, in Fällen, in denen der positive Effekt der Hautdesinfektion den möglichen Schaden einer breitbandigen ultravioletten Strahlung übersteigt. Offensichtlich ist es in diesem Fall besser, schmalbandiges Ultraviolett zu verwenden, ohne Wellenlängen im Spektrum, die eine andere als bakterizide Wirkung haben.
Luftdesinfektion
Ultraviolettes Licht gilt als unzureichendes Mittel zur Desinfektion von Oberflächen, da die Strahlen dort nicht eindringen können, wo beispielsweise Alkohol eindringt. Aber ultraviolettes Licht desinfiziert die Luft effektiv.
Beim Niesen und Husten entstehen mehrere Mikrometer große Tröpfchen, die mehrere Minuten bis mehrere Stunden in der Luft verbleiben []. Tuberkulosestudien haben gezeigt, dass ein einziger Aerosoltropfen ausreicht, um eine Infektion auszulösen.
Auf der Straße sind wir aufgrund der großen Luftmengen und der Luftbeweglichkeit relativ sicher, die mit der Zeit und der Sonneneinstrahlung jeden Nieser zerstreuen und desinfizieren können. Selbst in der Metro ist der Anteil der Infizierten zwar gering, das Gesamtluftvolumen pro Infizierter jedoch groß und eine gute Belüftung verringert das Risiko einer Ausbreitung der Infektion. Der gefährlichste Ort während einer durch die Luft übertragenen Krankheitspandemie ist ein Aufzug. Daher müssen Nieser unter Quarantäne gestellt und die Luft in öffentlichen Räumen mit unzureichender Belüftung desinfiziert werden.
Umwälzpumpen
Eine Möglichkeit zur Luftdesinfektion sind geschlossene UV-Recycler. Lassen Sie uns über einen dieser Rezirkulatoren sprechen – „Dezar 7“, der dafür bekannt ist, sogar im Büro der ersten Person des Staates zu sehen.
In der Beschreibung des Rezirkulators heißt es, dass er 100 m3 pro Stunde bläst und für die Behandlung eines Raums mit einem Volumen von 100 m3 (ca. 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 pro Stunde genauso effektiv behandelt wird. Die aufbereitete Luft verdünnt die verunreinigte Luft und gelangt in dieser Form immer wieder in den Rezirkulator. Es ist einfach, ein mathematisches Modell zu erstellen und die Effizienz eines solchen Prozesses zu berechnen:
Reis. 20 Der Einfluss des Betriebs eines UV-Rezirkulators auf die Anzahl der Mikroorganismen in der Luft eines Raumes ohne Belüftung.
Um die Konzentration der Mikroorganismen in der Luft um 90 % zu reduzieren, muss der Rezirkulator länger als zwei Stunden arbeiten. Wenn im Raum keine Belüftung vorhanden ist, ist dies möglich. Aber normalerweise gibt es keine Räume mit Menschen und ohne Belüftung. Z.B, [] schreibt einen Mindestaußenluftvolumenstrom für die Belüftung von 3 m3 pro Stunde pro 1 m2 Wohnungsfläche vor. Dies entspricht einem vollständigen Luftaustausch einmal pro Stunde und macht den Betrieb des Rezirkulators unbrauchbar.
Wenn wir nicht das Modell der vollständigen Durchmischung, sondern laminare Strahlen betrachten, die entlang einer stetigen komplexen Flugbahn im Raum verlaufen und in die Lüftung gelangen, ist der Nutzen der Desinfektion eines dieser Strahlen noch geringer als beim Modell der vollständigen Durchmischung.
Auf jeden Fall ist ein UV-Rezirkulator nicht nützlicher als ein offenes Fenster.
Einer der Gründe für die geringe Effizienz von Rezirkulatoren ist, dass die bakterizide Wirkung pro Watt UV-Fluss äußerst gering ist. Der Strahl bewegt sich etwa 10 Zentimeter innerhalb der Installation und wird dann von Aluminium mit einem Koeffizienten von etwa k = 0,7 reflektiert. Das bedeutet, dass die effektive Weglänge des Strahls innerhalb der Anlage etwa einen halben Meter beträgt und danach nutzlos absorbiert wird.
Reis. 21. Standbild aus einem YouTube-Video, das die Demontage des Recyclers zeigt. Es sind keimtötende Lampen und eine reflektierende Aluminiumoberfläche zu sehen, die ultraviolette Strahlung viel schlechter reflektieren als sichtbares Licht [].
Eine bakterizide Lampe, die in einem Klinikbüro offen an der Wand hängt und vom Arzt nach einem Zeitplan eingeschaltet wird, ist um ein Vielfaches wirksamer. Die Strahlen einer offenen Lampe breiten sich über mehrere Meter aus und desinfizieren zunächst die Luft und dann Oberflächen.
Luftstrahler im oberen Teil des Raumes
Auf Krankenstationen, auf denen sich ständig bettlägerige Patienten aufhalten, werden teilweise UV-Geräte zur Bestrahlung von zirkulierenden Luftströmen unter der Decke eingesetzt. Der Hauptnachteil solcher Installationen besteht darin, dass das Gitter, das die Lampen abdeckt, nur Strahlen nur in eine Richtung durchlässt und mehr als 90 % des verbleibenden Stroms ohne Nutzen absorbiert.
Sie können zusätzlich Luft durch einen solchen Strahler blasen, um gleichzeitig einen Umwälzapparat zu erzeugen, dies wird jedoch nicht getan, wahrscheinlich aufgrund der Zurückhaltung, einen Staubansammlung im Raum zu haben.
Reis. 22 Deckenmontierter UV-Luftstrahler, Bild von der Baustelle [].
Die Gitter schützen die im Raum befindlichen Personen vor dem direkten Einströmen ultravioletter Strahlung, der durch das Gitter hindurchtretende Strom trifft jedoch auf Decke und Wände und wird diffus reflektiert, mit einem Reflexionskoeffizienten von etwa 10 %. Der Raum ist mit omnidirektionaler ultravioletter Strahlung gefüllt und die Menschen erhalten eine Dosis ultravioletter Strahlung, die proportional zur im Raum verbrachten Zeit ist.
Rezensenten und Autor
Rezensenten:
Artyom Balabanov, Elektronikingenieur, Entwickler von UV-Härtungssystemen;
Rumen Vasilev, Ph.D., Lichtingenieur, OOD „Interlux“, Bulgarien;
Vadim Grigorov, Biophysiker;
Stanislav Lermontov, Lichtingenieur, Complex Systems LLC;
Alexey Pankrashkin, Ph.D., außerordentlicher Professor, Halbleiterbeleuchtungstechnik und Photonik, INTECH Engineering LLC;
Andrey Khramov, Spezialist für Lichtdesign für medizinische Einrichtungen;
Vitaly Tsvirko, Leiter des Lichtprüflabors „TSSOT NAS of Belarus“
Autor: Anton Sharakshane, Ph.D., Lichtingenieur und Biophysiker, benannt nach der Ersten Moskauer Staatlichen Medizinischen Universität. IHNEN. Sechenov
Referenzen
Referenzen
[Luftsteril]
[Aquafineuv]
[CIE 155:2003] CIE 155:2003 UV-LUFTDESINFEKTION
[DIN 5031-10] DIN 5031-10 2018 Optische Strahlungsphysik und Beleuchtungstechnik. Teil 10: Photobiologisch wirksame Strahlung, Mengen, Symbole und Wirkungsspektrum. Physik der optischen Strahlung und Lichttechnik. Photobiologisch aktive Strahlung. Dimensionen, Symbole und Wirkungsspektren
[ESNA] ESNA Lighting Handbook, 9. Auflage. Hrsg. Rea MS Illuminating Engineering Society of North America, New York, 2000
[IEC 62471] GOST R IEC 62471-2013 Lampen und Lampensysteme. Photobiologische Sicherheit
[Kowalski2020] Wladyslaw J. Kowalski et al., 2020 COVID-19 Coronavirus Ultraviolet Susceptibility, DOI: 10.13140/RG.2.2.22803.22566
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[Malen]
[TÜV]
[WHO] Weltgesundheitsorganisation. Ultraviolette Strahlung: Eine formelle wissenschaftliche Untersuchung der Umwelt- und Gesundheitsauswirkungen der UV-Strahlung im Hinblick auf den globalen Ozonabbau.
[Desar]
[R 3.5.1904-04] R 3.5.1904-04 Einsatz ultravioletter bakterizider Strahlung zur Desinfektion der Raumluft
[SP 60.13330.2016] SP 60.13330.2016 Heizung, Lüftung und Klimaanlage.
Source: habr.com