Właściwości ultrafioletu zależą od długości fali, a ultrafiolet z różnych źródeł ma inne widmo. Omówimy, jakie źródła światła ultrafioletowego i jak je wykorzystać, aby zmaksymalizować efekt bakteriobójczy, minimalizując jednocześnie ryzyko niepożądanych skutków biologicznych.
Ryż. 1. Zdjęcie przedstawia nie dezynfekcję promieniowaniem UVC, jak mogłoby się wydawać, ale trening w zakresie stosowania kombinezonu ochronnego z wykrywaniem luminescencyjnych plam płynów ustrojowych w promieniach UVA. UVA jest miękkim ultrafioletem i nie ma działania bakteriobójczego. Zamykanie oczu jest rozsądnym środkiem ostrożności, ponieważ szerokie spektrum stosowanych świetlówek UVA pokrywa się z promieniowaniem UVB, które jest szkodliwe dla wzroku (źródło Simon Davis/DFID).
Długość fali światła widzialnego odpowiada energii kwantowej, przy której możliwe staje się działanie fotochemiczne. Kwanty światła widzialnego wzbudzają reakcje fotochemiczne w określonej światłoczułej tkance – siatkówce.
Ultrafiolet jest niewidoczny, jego długość fali jest krótsza, częstotliwość i energia kwantu są wyższe, promieniowanie jest ostrzejsze, a różnorodność reakcji fotochemicznych i efektów biologicznych jest większa.
Ultrafiolet różni się:
- Długofalowe/miękkie/bliskie UVA (400...315 nm) o właściwościach podobnych do światła widzialnego;
- Średnia twardość - UVB (315...280 nm);
- Krótkofalowe/długofalowe/twarde – UVC (280…100 nm).
Bakteriobójcze działanie światła ultrafioletowego
Działanie bakteriobójcze wywiera twarde światło ultrafioletowe – UVC, a w mniejszym stopniu średniotwarde światło ultrafioletowe – UVB. Krzywa skuteczności bakteriobójczej pokazuje, że już wąski zakres 230...300 nm, czyli około jedna czwarta zakresu zwanego ultrafioletem, ma wyraźne działanie bakteriobójcze.
Ryż. 2 Krzywe skuteczności bakteriobójczej z []
Kwanty o długości fal z tego zakresu są absorbowane przez kwasy nukleinowe, co prowadzi do zniszczenia struktury DNA i RNA. Oprócz tego, że są bakteriobójcze, to znaczy zabijają bakterie, ten asortyment ma działanie wirusobójcze (przeciwwirusowe), grzybobójcze (przeciwgrzybicze) i sporobójcze (zabijanie zarodników). Obejmuje to zabicie wirusa RNA SARS-CoV-2020, który spowodował pandemię w 2 roku.
Bakteriobójcze działanie światła słonecznego
Działanie bakteriobójcze światła słonecznego jest stosunkowo niewielkie. Przyjrzyjmy się widmu słonecznemu nad i pod atmosferą:
Ryż. 3. Widmo promieniowania słonecznego nad atmosferą i na poziomie morza. Najostrzejsza część zakresu ultrafioletu nie dociera do powierzchni ziemi (zapożyczona z Wikipedii).
Warto zwrócić uwagę na widmo nadatmosferyczne zaznaczone na żółto. Energia kwantowa lewej krawędzi widma ponadatmosferycznych promieni słonecznych o długości fali mniejszej niż 240 nm odpowiada energii wiązań chemicznych wynoszącej 5.1 eV w cząsteczce tlenu „O2”. Tlen cząsteczkowy absorbuje te kwanty, wiązanie chemiczne zostaje zerwane, powstaje tlen atomowy „O”, który łączy się z powrotem w cząsteczki tlenu „O2” i częściowo ozonu „O3”.
Słoneczne ponadatmosferyczne promieniowanie UVC tworzy ozon w górnych warstwach atmosfery, zwany warstwą ozonową. Energia wiązań chemicznych w cząsteczce ozonu jest niższa niż w cząsteczce tlenu i dlatego ozon pochłania kwanty o niższej energii niż tlen. I chociaż tlen pochłania tylko promieniowanie UVC, warstwa ozonowa pochłania promienie UVC i UVB. Okazuje się, że Słońce wytwarza ozon na samym skraju ultrafioletowej części widma, który następnie pochłania większość twardego promieniowania ultrafioletowego Słońca, chroniąc Ziemię.
Teraz ostrożnie, zwracając uwagę na długości fal i skalę, połączymy widmo słoneczne ze spektrum działania bakteriobójczego.
Ryż. 4 Widmo działania bakteriobójczego i widmo promieniowania słonecznego.
Można zauważyć, że bakteriobójcze działanie światła słonecznego jest nieznaczne. Część widma zdolna do działania bakteriobójczego jest prawie całkowicie pochłaniana przez atmosferę. W różnych porach roku i na różnych szerokościach geograficznych sytuacja jest nieco inna, ale jakościowo podobna.
Niebezpieczeństwo ultrafioletu
Przywódca jednego z dużych krajów zasugerował: „aby wyleczyć Covid-19, trzeba wprowadzić do organizmu światło słoneczne”. Jednakże bakteriobójcze promieniowanie UV niszczy RNA i DNA, w tym ludzkie. Jeśli „dostarczysz światło słoneczne do wnętrza ciała”, osoba ta umrze.
Naskórek, głównie warstwa rogowa martwych komórek, chroni żywą tkankę przed promieniowaniem UVC. Poniżej warstwy naskórka przenika jedynie niecałe 1% promieniowania UVC [WHO]. Dłuższe fale UVB i UVA wnikają na większe głębokości.
Gdyby nie było słonecznego promieniowania ultrafioletowego, być może ludzie nie mieliby naskórka i warstwy rogowej naskórka, a powierzchnia ciała byłaby śluzowa, podobnie jak u ślimaków. Ponieważ jednak ludzie ewoluowali pod słońcem, tylko powierzchnie chronione przed słońcem są śluzowe. Najbardziej narażona jest błona śluzowa oka, warunkowo chroniona przed słonecznym promieniowaniem ultrafioletowym przez powieki, rzęsy, brwi, motorykę twarzy i nawyk nie patrzenia na słońce.
Kiedy po raz pierwszy nauczyli się wymieniać soczewkę na sztuczną, okuliści stanęli przed problemem oparzeń siatkówki. Zaczęli rozumieć przyczyny i odkryli, że żywa ludzka soczewka jest nieprzezroczysta dla światła ultrafioletowego i chroni siatkówkę. Następnie sztuczne soczewki stały się nieprzezroczyste dla światła ultrafioletowego.
Obraz oka w promieniach ultrafioletowych ilustruje nieprzezroczystość soczewki dla światła ultrafioletowego. Nie należy oświetlać własnego oka światłem ultrafioletowym, ponieważ z biegiem czasu soczewka ulega zmętnieniu, m.in. z powodu nagromadzonej przez lata dawki światła ultrafioletowego i wymaga wymiany. Dlatego skorzystamy z doświadczeń odważnych ludzi, którzy zaniedbali bezpieczeństwo, zaświecili im w oczy latarkę ultrafioletową o długości fali 365 nm, a wynik wrzucili na YouTube.
Ryż. 5 Kadr z filmu na kanale Youtube „Kreosan”.
Popularne są latarki ultrafioletowe indukujące luminescencję o długości fali 365 nm (UVA). Kupują je dorośli, ale nieuchronnie wpadają w ręce dzieci. Dzieci świecą tymi latarkami w oczy i uważnie i długo patrzą na świecący kryształ. Wskazane jest zapobieganie takim działaniom. Jeśli tak się stanie, możesz mieć pewność, że zaćma w badaniach na myszach jest niewątpliwie spowodowana naświetlaniem soczewki promieniami UVB, ale katarogenne działanie UVA jest niestabilne [].
Jednak dokładne spektrum działania światła ultrafioletowego na soczewkę nie jest znane. A biorąc pod uwagę, że zaćma jest efektem bardzo opóźnionym, trzeba wykazać się inteligencją, aby zawczasu nie świecić promieniami ultrafioletowymi w oczy.
Pod wpływem promieniowania ultrafioletowego błony śluzowe oka stosunkowo szybko ulegają zapaleniu, co nazywa się fotozapaleniem rogówki i zapaleniem fotospojówek. Błony śluzowe stają się czerwone i pojawia się uczucie „piasku w oczach”. Efekt ustępuje po kilku dniach, jednak powtarzające się oparzenia mogą prowadzić do zmętnienia rogówki.
Długości fal powodujące te efekty odpowiadają w przybliżeniu ważonej funkcji zagrożenia UV podanej w normie bezpieczeństwa fotobiologicznego [IEC 62471] i w przybliżeniu są takie same jak zakres bakteriobójczy.
Ryż. 6 Widma promieniowania ultrafioletowego powodującego zapalenie spojówek i zapalenie rogówki [] oraz ważoną funkcją zagrożenia aktynicznego UV dla skóry i oczu z [].
Dawki progowe w przypadku fotorogówki i fotospojówek wynoszą 50-100 J/m2, wartość ta nie przekracza dawek stosowanych do dezynfekcji. Dezynfekcja błony śluzowej oka światłem ultrafioletowym nie będzie możliwa bez wywołania stanu zapalnego.
Rumień, czyli „oparzenie słoneczne”, jest niebezpieczny ze względu na promieniowanie ultrafioletowe w zakresie do 300 nm. Według niektórych źródeł maksymalna skuteczność widmowa rumienia występuje przy długości fali około 300 nm [] Minimalna dawka wywołująca ledwo zauważalny rumień MED (Minimum Erythema Dose) dla różnych typów skóry waha się od 150 do 2000 J/m2. Dla mieszkańców strefy środkowej za typowy DER można uznać wartość rzędu 200...300 J/m2.
UVB w zakresie 280-320 nm, z maksimum około 300 nm, powoduje raka skóry. Nie ma dawki progowej, wyższa dawka oznacza większe ryzyko, a efekt jest opóźniony.
Ryż. 7 krzywych działania promieni UV powodujących rumień i raka skóry.
Fotoindukowane starzenie się skóry spowodowane jest promieniowaniem ultrafioletowym w całym zakresie 200...400 nm. Znana jest fotografia kierowcy ciężarówki, który podczas jazdy był narażony na działanie słonecznego promieniowania ultrafioletowego, głównie po lewej stronie. Kierowca miał zwyczaj jeździć z opuszczoną szybą, ale prawa strona jego twarzy była chroniona przed promieniowaniem ultrafioletowym słońca przez przednią szybę. Różnica w kondycji skóry związanej z wiekiem po prawej i lewej stronie jest imponująca:
Ryż. 8 Zdjęcie kierowcy, który przez 28 lat jeździł z opuszczoną szybą [].
Jeśli z grubsza oszacować, że wiek skóry po różnych stronach twarzy tej osoby różni się o dwadzieścia lat, a to wynika z faktu, że przez mniej więcej te same dwadzieścia lat jedna strona twarzy była oświetlona przez słońce, a druga nie było, możemy ostrożnie stwierdzić, że dzień na otwartym słońcu to jeden dzień i postarza skórę.
Z danych referencyjnych [] wiadomo, że na średnich szerokościach geograficznych latem, w bezpośrednim świetle słonecznym, minimalna dawka rumieniowa wynosząca 200 J/m2 kumuluje się szybciej niż w ciągu godziny. Porównując te liczby z wyciągniętymi wnioskami, można wyciągnąć kolejny wniosek: starzenie się skóry podczas okresowej i krótkotrwałej pracy z lampami ultrafioletowymi nie stanowi większego zagrożenia.
Ile światła ultrafioletowego potrzeba do dezynfekcji?
Liczba mikroorganizmów przeżywających na powierzchniach i w powietrzu maleje wykładniczo wraz ze wzrostem dawki promieniowania ultrafioletowego. Na przykład dawka zabijająca 90% prątków gruźlicy wynosi 10 J/m2. Dwie takie dawki zabijają 99%, trzy dawki zabijają 99,9% itd.
Ryż. 9 Zależność odsetka przeżywających prątków gruźlicy od dawki promieniowania ultrafioletowego o długości fali 254 nm.
Zależność wykładnicza jest niezwykła, ponieważ nawet mała dawka zabija większość mikroorganizmów.
Wśród wymienionych w [] mikroorganizmy chorobotwórcze, Salmonella jest najbardziej odporna na promieniowanie ultrafioletowe. Dawka zabijająca 90% bakterii wynosi 80 J/m2. Według przeglądu [Kowalski2020] średnia dawka zabijająca 90% koronawirusów wynosi 67 J/m2. Jednak dla większości mikroorganizmów dawka ta nie przekracza 50 J/m2. Dla celów praktycznych można pamiętać, że standardowa dawka dezynfekująca z 90% skutecznością wynosi 50 J/m2.
Zgodnie z aktualną metodologią zatwierdzoną przez rosyjskie Ministerstwo Zdrowia dotyczącą wykorzystania promieniowania ultrafioletowego do dezynfekcji powietrza [] w przypadku sal operacyjnych, szpitali położniczych itp. wymagana jest maksymalna skuteczność dezynfekcji „trzech dziewiątek”, czyli 99,9%. Do sal szkolnych, budynków użyteczności publicznej itp. wystarczy „jedna dziewiątka”, czyli 90% mikroorganizmów zniszczonych. Oznacza to, że w zależności od kategorii pomieszczenia wystarczą od jednej do trzech standardowych dawek o wartości 50...150 J/m2.
Przykład oszacowania wymaganego czasu naświetlania: załóżmy, że konieczna jest dezynfekcja powietrza i powierzchni w pomieszczeniu o wymiarach 5 × 7 × 2,8 metra, w którym używana jest jedna otwarta lampa Philips TUV 30W.
W opisie technicznym lampy podano przepływ bakteriobójczy o mocy 12 W [] W idealnym przypadku cały przepływ idzie ściśle na dezynfekowane powierzchnie, jednak w realnej sytuacji połowa przepływu zostanie zmarnowana bez pożytku, np. będzie oświetlać ścianę za lampą ze zbytnim natężeniem. Dlatego będziemy liczyć na użyteczny przepływ 6 watów. Całkowita powierzchnia napromieniowana w pomieszczeniu to podłoga 35 m2 + sufit 35 m2 + ściany 67 m2, łącznie 137 m2.
Średnio strumień promieniowania bakteriobójczego padającego na powierzchnię wynosi 6 W/137 m2 = 0,044 W/m2. Za godzinę, czyli za 3600 sekund, powierzchnie te otrzymają dawkę 0,044 W/m2 × 3600 s = 158 J/m2, czyli około 150 J/m2. Co odpowiada trzem standardowym dawkom po 50 J/m2 lub „trzem dziewiątkom” – skuteczność bakteriobójcza 99,9%, tj. wymagania sali operacyjnej. A ponieważ obliczona dawka przed opadnięciem na powierzchnię przeszła przez objętość pomieszczenia, powietrze zostało zdezynfekowane z nie mniejszą skutecznością.
Jeśli wymagania dotyczące sterylności są małe i wystarczy „jedna dziewiątka”, w rozważanym przykładzie potrzebny jest trzykrotnie krótszy czas napromieniania - około 20 minut.
Ochrona przed promieniowaniem UV
Głównym środkiem ochronnym podczas dezynfekcji ultrafioletem jest opuszczenie pomieszczenia. Przebywanie w pobliżu działającej lampy UV i odwracanie wzroku nie pomoże, błony śluzowe oczu są nadal napromieniowane.
Szklane okulary mogą stanowić częściowy środek ochrony błon śluzowych oczu. Kategoryczne stwierdzenie „szkło nie przepuszcza promieniowania ultrafioletowego” jest błędne, w pewnym stopniu tak, a różne marki szkła robią to na różne sposoby. Ale ogólnie rzecz biorąc, gdy długość fali maleje, transmitancja maleje, a promieniowanie UVC jest skutecznie przepuszczane tylko przez szkło kwarcowe. Okulary okularowe w żadnym wypadku nie są kwarcowe.
Można śmiało powiedzieć, że soczewki okularów z oznaczeniem UV400 nie przepuszczają promieniowania ultrafioletowego.
Ryż. 10 Widmo transmisji okularów o indeksach UV380, UV400 i UV420. Zdjęcie ze strony internetowej []
Środkiem ochronnym jest także stosowanie źródeł bakteriobójczego zakresu UVC, które nie emitują potencjalnie niebezpiecznych, ale nieskutecznych w dezynfekcji zakresów UVB i UVA.
Źródła ultrafioletu
Diody UV
Najpopularniejsze diody ultrafioletowe 365 nm (UVA) są przeznaczone do „latarek policyjnych”, które wytwarzają luminescencję w celu wykrywania zanieczyszczeń niewidocznych bez ultrafioletu. Dezynfekcja takimi diodami jest niemożliwa (patrz rys. 11).
Do dezynfekcji można zastosować krótkofalowe diody UVC o długości fali 265 nm. Koszt modułu diodowego zastępującego rtęciową lampę bakteriobójczą jest o trzy rzędy wielkości wyższy od kosztu lampy, dlatego w praktyce takie rozwiązania nie są stosowane do dezynfekcji dużych powierzchni. Ale pojawiają się kompaktowe urządzenia wykorzystujące diody UV do dezynfekcji małych powierzchni - instrumentów, telefonów, zmian skórnych itp.
Niskoprężne lampy rtęciowe
Niskociśnieniowa lampa rtęciowa to standard, do którego porównywane są wszystkie inne źródła światła.
Główna część energii promieniowania par rtęci pod niskim ciśnieniem w wyładowaniu elektrycznym przypada na długość fali 254 nm, idealną do dezynfekcji. Niewielka część energii jest emitowana przy długości fali 185 nm, która intensywnie generuje ozon. Przy innych długościach fal, w tym w zakresie widzialnym, emitowanych jest bardzo mało energii.
W konwencjonalnych świetlówkach rtęciowych emitujących światło białe szkło żarówki nie przepuszcza promieniowania ultrafioletowego emitowanego przez pary rtęci. Ale luminofor, biały proszek na ściankach kolby, świeci w zakresie widzialnym pod wpływem światła ultrafioletowego.
Lampy UVB lub UVA są skonstruowane w podobny sposób, szklana bańka nie przepuszcza szczytu 185 nm i szczytu 254 nm, natomiast luminofor pod wpływem krótkofalowego promieniowania ultrafioletowego nie emituje światła widzialnego, lecz ultrafiolet długofalowy promieniowanie. Są to lampy do celów technicznych. A ponieważ widmo lamp UVA jest podobne do światła słonecznego, lampy te wykorzystuje się także do opalania. Porównanie widma z krzywą skuteczności bakteriobójczej pokazuje, że stosowanie do dezynfekcji lamp UVB, a zwłaszcza UVA, jest niewłaściwe.
Ryż. 11 Porównanie krzywej skuteczności bakteriobójczej, widma lampy UVB, widma lampy opalającej UVA i widma diody 365 nm. Widma lampy pobrane ze strony internetowej Amerykańskiego Stowarzyszenia Producentów Farb [].
Należy pamiętać, że widmo świetlówki UVA jest szerokie i obejmuje zakres UVB. Widmo diody 365 nm jest znacznie węższe, jest to „uczciwe UVA”. Jeśli do wytworzenia luminescencji do celów dekoracyjnych lub do wykrycia zanieczyszczeń wymagane jest promieniowanie UVA, użycie diody jest bezpieczniejsze niż użycie świetlówki ultrafioletowej.
Niskociśnieniowa rtęciowa lampa bakteriobójcza UVC różni się od świetlówek tym, że na ściankach żarówki nie ma luminoforu, a żarówka przepuszcza światło ultrafioletowe. Transmitowana jest zawsze główna linia 254 nm, natomiast linię wytwarzającą ozon 185 nm można pozostawić w widmie lampy lub usunąć za pomocą szklanej bańki z selektywną transmisją.
Ryż. 12 Zasięg emisji podany jest na etykietach lamp ultrafioletowych. Lampę bakteriobójczą UVC można rozpoznać po braku luminoforu na bańce.
Ozon ma dodatkowe działanie bakteriobójcze, ale jest czynnikiem rakotwórczym, dlatego aby nie czekać, aż ozon ulegnie erozji po dezynfekcji, stosuje się lampy nieozonogenne bez linii widma 185 nm. Lampy te mają niemal idealne widmo - linię główną o wysokiej skuteczności bakteriobójczej wynoszącej 254 nm, bardzo słabe promieniowanie w niebakteriobójczym zakresie ultrafioletu i małe promieniowanie „sygnałowe” w zakresie widzialnym.
Ryż. 13. Widmo niskoprężnej lampy rtęciowej UVC (podane przez magazyn lumen2b.ru) łączy się ze widmem promieniowania słonecznego (z Wikipedii) i krzywą skuteczności bakteriobójczej (z ESNA Lighting Handbook [)].
Niebieski blask lamp bakteriobójczych pozwala zobaczyć, że lampa rtęciowa jest włączona i działa. Blask jest słaby, co stwarza mylne wrażenie, że patrzenie na lampę jest bezpieczne. Nie mamy wrażenia, że promieniowanie z zakresu UVC odpowiada za 35...40% całkowitej mocy pobieranej przez lampę.
Ryż. 14 Niewielka część energii promieniowania par rtęci mieści się w zakresie widzialnym i jest widoczna jako słaba niebieska poświata.
Niskociśnieniowa bakteriobójcza lampa rtęciowa ma tę samą podstawę co zwykła świetlówka, ale jest wykonana w innej długości, dzięki czemu lampy bakteriobójczej nie można wkładać do zwykłych lamp. Lampa do lampy bakteriobójczej poza swoimi wymiarami wyróżnia się tym, że wszystkie części z tworzywa sztucznego są odporne na promieniowanie ultrafioletowe, przewody od ultrafioletu są osłonięte, a także nie posiada dyfuzora.
Na domowe potrzeby bakteriobójcze autor wykorzystuje lampę bakteriobójczą o mocy 15 W, stosowaną wcześniej do dezynfekcji pożywki instalacji hydroponicznej. Jego odpowiednik można znaleźć, wyszukując „sterylizator UV do akwarium”. Gdy lampa działa, wydziela się ozon, co nie jest dobre, ale przydatne do dezynfekcji np. butów.
Ryż. 15 Niskoprężnych lamp rtęciowych z różnymi rodzajami trzonków. Zdjęcia ze strony Aliexpress.
Lampy rtęciowe średnio i wysokoprężne
Wzrost prężności par rtęci prowadzi do bardziej złożonego widma, widmo rozszerza się i pojawia się w nim więcej linii, w tym przy długościach fal generujących ozon. Wprowadzenie dodatków do rtęci prowadzi do jeszcze większej złożoności widma. Istnieje wiele odmian takich lamp, a spektrum każdej z nich jest wyjątkowe.
Ryż. 16 Przykładowe widma średnio i wysokoprężnych lamp rtęciowych
Zwiększanie ciśnienia zmniejsza wydajność lampy. Na przykładzie marki Aquafineuv średniociśnieniowe lampy UVC emitują 15-18% zużywanej energii, a nie 40% jak lampy niskociśnieniowe. A koszt sprzętu na wat przepływu UVC jest wyższy [].
Spadek wydajności i wzrost kosztu lampy rekompensuje jej zwartość. Na przykład dezynfekcja bieżącej wody lub suszenie lakieru stosowanego z dużą prędkością w druku wymaga kompaktowych i wydajnych źródeł; konkretny koszt i wydajność nie są istotne. Ale niewłaściwe jest używanie takiej lampy do dezynfekcji.
Promiennik UV składający się z palnika DRL i lampy DRT
Istnieje „ludowy” sposób na stosunkowo niedrogie uzyskanie silnego źródła ultrafioletu. Wychodzą z użycia, ale lampy DRL ze światłem białym o mocy 125...1000 W są nadal w sprzedaży. W tych lampach wewnątrz kolby zewnętrznej znajduje się „palnik” - wysokociśnieniowa lampa rtęciowa. Emituje szerokopasmowe światło ultrafioletowe, które jest blokowane przez zewnętrzną szklaną bańkę, ale powoduje świecenie luminoforu na jego ściankach. Jeśli rozbijesz zewnętrzną kolbę i podłączysz palnik do sieci poprzez standardowy dławik, otrzymasz potężny szerokopasmowy emiter ultrafioletu.
Taki domowy emiter ma wady: niską wydajność w porównaniu do lamp niskociśnieniowych, duża część promieniowania ultrafioletowego znajduje się poza zakresem bakteriobójczym, a po wyłączeniu lampy nie można pozostać w pomieszczeniu przez jakiś czas, dopóki ozon się nie rozpadnie lub nie zniknie.
Ale zalety są również niezaprzeczalne: niski koszt i duża moc w kompaktowym rozmiarze. Jedną z zalet jest wytwarzanie ozonu. Ozon zdezynfekuje zacienione powierzchnie, które nie są wystawione na działanie promieni ultrafioletowych.
Ryż. 17 Promiennik ultrafioletowy wykonany z lamp DRL. Zdjęcie publikujemy za zgodą autora, bułgarskiego dentysty, używającego tego naświetlacza w połączeniu ze standardową lampą bakteriobójczą Philips TUV 30W.
Podobne źródła ultrafioletu do dezynfekcji w postaci wysokoprężnych lamp rtęciowych stosowane są w naświetlaczach typu OUFK-01 „Solnyszko”.
Przykładowo dla popularnej lampy „DRT 125-1” producent nie publikuje widma, ale podaje w dokumentacji parametry: natężenie naświetlania w odległości 1 m od lampy UVA – 0,98 W/m2, UVB – 0,83 W/m2, UVC – 0,72 W/m2, przepływ bakteriobójczy 8 W, a po użyciu wymagana jest wentylacja pomieszczenia przed ozonem [] W odpowiedzi na bezpośrednie pytanie o różnicę pomiędzy lampą DRT a palnikiem DRL, producent na swoim blogu odpowiedział, że DRT posiada na katodach izolującą zieloną powłokę.
Ryż. 18 Szerokopasmowe źródło ultrafioletu - lampa DRT-125
Zgodnie z podanymi cechami jasne jest, że widmo jest szerokopasmowe z prawie równym udziałem promieniowania w miękkim, średnim i twardym ultrafiolecie, w tym wytwarzającym ozon twardym UVC. Przepływ bakteriobójczy stanowi 6,4% zużycia energii, czyli wydajność jest 6 razy mniejsza niż w przypadku niskociśnieniowej lampy rurowej.
Producent nie publikuje widma tej lampy, a w Internecie krąży to samo zdjęcie z widmem jednego z DRT. Oryginalne źródło nie jest znane, ale współczynnik energii w zakresach UVC, UVB i UVA nie odpowiada deklarowanym dla lampy DRT-125. Dla DRT podano w przybliżeniu równy stosunek, a widmo pokazuje, że energia UVB jest wielokrotnie większa niż energia UBC. A w UVA jest ono wielokrotnie wyższe niż w UVB.
Ryż. 19. Widmo wysokoprężnej rtęciowej lampy łukowej, które najczęściej ilustruje widmo DRT-125, szeroko stosowanego w celach medycznych.
Oczywiste jest, że lampy o różnym ciśnieniu i dodatkach rtęci emitują nieco inaczej. Wiadomo też, że niedoinformowany konsument jest skłonny samodzielnie wyobrazić sobie pożądane cechy i właściwości produktu, nabrać zaufania na podstawie własnych założeń i dokonać zakupu. A publikacja widma konkretnej lampy wywoła dyskusje, porównania i wnioski.
Autor kupił kiedyś instalację OUFK-01 z lampą DRT-125 i przez kilka lat używał jej do badania odporności wyrobów z tworzyw sztucznych na promieniowanie UV. Naświetlałem jednocześnie dwa produkty, z których jeden był kontrolnym wykonanym z tworzywa sztucznego odpornego na promieniowanie ultrafioletowe, i sprawdzałem, który z nich szybciej żółknie. Do takiego zastosowania nie jest konieczna znajomość dokładnego kształtu widma, ważne jest jedynie, aby emiter był szerokopasmowy. Ale po co używać szerokopasmowego światła ultrafioletowego, jeśli wymagana jest dezynfekcja?
Przeznaczenie OUFK-01 stanowi, że naświetlacz stosuje się w ostrych procesach zapalnych. To znaczy w przypadkach, gdy pozytywny efekt dezynfekcji skóry przewyższa możliwą szkodliwość szerokopasmowego promieniowania ultrafioletowego. Oczywiście w tym przypadku lepiej jest zastosować ultrafiolet wąskopasmowy, bez długości fal w widmie, które mają działanie inne niż bakteriobójcze.
Dezynfekcja powietrza
Światło ultrafioletowe jest uważane za niewystarczający środek do dezynfekcji powierzchni, ponieważ promienie nie mogą przenikać tam, gdzie przenika na przykład alkohol. Ale światło ultrafioletowe skutecznie dezynfekuje powietrze.
Podczas kichania i kaszlu tworzą się kropelki wielkości kilku mikrometrów, które wiszą w powietrzu od kilku minut do kilku godzin [] Badania nad gruźlicą wykazały, że pojedyncza kropla aerozolu wystarczy, aby wywołać infekcję.
Na ulicy jesteśmy stosunkowo bezpieczni ze względu na ogromne objętości i ruchliwość powietrza, które z czasem i promieniowaniem słonecznym potrafi rozproszyć i zdezynfekować każde kichnięcie. Nawet w metrze, choć odsetek zarażonych jest niewielki, całkowita ilość powietrza przypadająca na zarażoną osobę jest duża, a dobra wentylacja sprawia, że ryzyko rozprzestrzenienia się infekcji jest niewielkie. Najbardziej niebezpiecznym miejscem w czasie pandemii chorób przenoszonych drogą powietrzną jest winda. Dlatego osoby kichające należy poddać kwarantannie, a powietrze w miejscach publicznych o niedostatecznej wentylacji należy zdezynfekować.
Recyrkulatory
Jedną z możliwości dezynfekcji powietrza są zamknięte recyklery UV. Porozmawiajmy o jednym z takich recyrkulatorów - „Dezar 7”, znanym z tego, że można go zobaczyć nawet w biurze pierwszej osoby państwa.
Z opisu recyrkulatora wynika, że nadmuchuje on 100 m3 na godzinę i jest przeznaczony do oczyszczania pomieszczenia o objętości 100 m3 (około 5×7×2,8 metra).
Jednak możliwość dezynfekcji 100 m3 powietrza na godzinę nie oznacza, że powietrze w pomieszczeniu o pojemności 100 m3 na godzinę będzie oczyszczane równie skutecznie. Oczyszczone powietrze rozrzedza powietrze zanieczyszczone i w tej postaci raz po raz przedostaje się do recyrkulatora. Łatwo jest zbudować model matematyczny i obliczyć wydajność takiego procesu:
Ryż. 20 Wpływ pracy recyrkulatora UV na liczbę mikroorganizmów w powietrzu pomieszczenia niewentylowanego.
Aby zmniejszyć stężenie mikroorganizmów w powietrzu o 90%, recyrkulator musi pracować dłużej niż dwie godziny. Jeśli w pomieszczeniu nie ma wentylacji, jest to możliwe. Ale zwykle nie ma pomieszczeń z ludźmi i bez wentylacji. Np, [] określa minimalne natężenie przepływu powietrza zewnętrznego dla wentylacji wynoszące 3 m3 na godzinę na 1 m2 powierzchni mieszkania. Odpowiada to całkowitej wymianie powietrza raz na godzinę i sprawia, że praca recyrkulatora jest bezużyteczna.
Jeśli weźmiemy pod uwagę model nie całkowitego mieszania, ale strumieni laminarnych, które przechodzą w pomieszczeniu po stałej, złożonej trajektorii i wchodzą do wentylacji, korzyść z dezynfekcji jednego z tych strumieni jest jeszcze mniejsza niż w modelu pełnego mieszania.
W każdym razie recyrkulator UV nie jest bardziej przydatny niż otwarte okno.
Jedną z przyczyn niskiej wydajności recyrkulatorów jest to, że działanie bakteriobójcze jest niezwykle małe w przeliczeniu na każdy wat przepływu UV. Wiązka pokonuje około 10 centymetrów wewnątrz instalacji, po czym odbija się od aluminium ze współczynnikiem około k=0,7. Oznacza to, że efektywna droga wiązki światła wewnątrz instalacji wynosi około pół metra, po czym jest ona pochłaniana bez korzyści.
Ryż. 21. Kadr z filmu na YouTube przedstawiający demontaż recyklera. Widoczne są lampy bakteriobójcze i aluminiowa powierzchnia odblaskowa, które odbijają promieniowanie ultrafioletowe znacznie gorzej niż światło widzialne [].
Wielokrotnie skuteczniejsza jest lampa bakteriobójcza, która wisi otwarcie na ścianie w gabinecie kliniki i jest włączana przez lekarza zgodnie z harmonogramem. Promienie z otwartej lampy pokonują kilka metrów, dezynfekując najpierw powietrze, a następnie powierzchnie.
Naświetlacze powietrza w górnej części pomieszczenia
Na oddziałach szpitalnych, gdzie stale obecni są obłożnie chorzy, czasami stosuje się urządzenia UV do naświetlania krążącego strumienia powietrza pod sufitem. Główną wadą takich instalacji jest to, że kratka zasłaniająca lampy przepuszcza tylko promienie przechodzące ściśle w jednym kierunku, pochłaniając bez korzyści ponad 90% pozostałego strumienia.
Można dodatkowo przedmuchać powietrze przez taki naświetlacz, aby jednocześnie stworzyć recyrkulator, jednak tego się nie robi, prawdopodobnie ze względu na niechęć do posiadania w pomieszczeniu zasobnika kurzu.
Ryż. 22 Sufitowy naświetlacz powietrza UV, zdjęcie ze strony [].
Kratki chronią osoby znajdujące się w pomieszczeniu przed bezpośrednim strumieniem promieniowania ultrafioletowego, jednak przepływ przechodzący przez kratkę uderza w sufit i ściany i ulega rozproszonemu odbiciu, ze współczynnikiem odbicia około 10%. Pomieszczenie wypełnione jest dookólnym promieniowaniem ultrafioletowym, a ludzie otrzymują dawkę promieniowania ultrafioletowego proporcjonalną do czasu przebywania w pomieszczeniu.
Recenzenci i autor
Recenzenci:
Artem Balabanov, inżynier elektronik, twórca systemów utwardzania UV;
dr Rumen Wasilew, inżynier oświetlenia, OOD „Interlux”, Bułgaria;
Wadim Grigorow, biofizyk;
Stanislav Lermontov, inżynier oświetlenia, Complex Systems LLC;
dr Alexey Pankrashkin, profesor nadzwyczajny, półprzewodnikowa inżynieria oświetlenia i fotonika, INTECH Engineering LLC;
Andrey Khramov, specjalista ds. projektowania oświetlenia dla placówek medycznych;
Witalij Tsvirko, kierownik laboratorium badań oświetlenia „TSSOT NAS Białorusi”
Autor: Doktor Anton Sharakshane, inżynier oświetlenia i biofizyk, Pierwszy Moskiewski Państwowy Uniwersytet Medyczny im. ICH. Sieczenow
referencje
referencje
[Airsteril]
[Aquafineuv]
[CIE 155:2003] CIE 155:2003 DEZYNFEKCJA POWIETRZA ULTRAFIOLETEM
[DIN 5031-10] DIN 5031-10 2018 Fizyka promieniowania optycznego i inżynieria oświetleniowa. Część 10: Promieniowanie skuteczne fotobiologicznie, wielkości, symbole i widmo działania. Fizyka promieniowania optycznego i inżynieria oświetlenia. Promieniowanie fotobiologicznie czynne. Wymiary, symbole i widma działania
[ESNA] Podręcznik oświetlenia ESNA, wydanie 9. wyd. Rea MS Illuminating Engineering Society of North America, Nowy Jork, 2000
[IEC 62471] GOST R IEC 62471-2013 Lampy i systemy lamp. Bezpieczeństwo fotobiologiczne
[Kowalski2020] Władysław J. Kowalski i in., 2020 COVID-19 Koronawirus na promieniowanie ultrafioletowe, DOI: 10.13140/RG.2.2.22803.22566
[Lisma]
[Chemia Mitsubishi]
[Nejm]
[Farba]
[TUV]
[WHO] Światowa Organizacja Zdrowia. Promieniowanie ultrafioletowe: formalny przegląd naukowy skutków promieniowania UV dla środowiska i zdrowia, w odniesieniu do globalnego zubożenia warstwy ozonowej.
[Dezar]
[R 3.5.1904-04] R 3.5.1904-04 Zastosowanie bakteriobójczego promieniowania ultrafioletowego do dezynfekcji powietrza w pomieszczeniach
[SP 60.13330.2016] SP 60.13330.2016 Ogrzewanie, wentylacja i klimatyzacja.
Źródło: www.habr.com