Właściwości promieniowania ultrafioletowego zależą od długości fali, a ultrafiolet różnych źródeł różni się swoim spektrum. Omówimy, jakie są źródła ultrafioletu i jak je stosować, aby maksymalizować działanie bakteriobójcze, minimalizując ryzyko niepożądanych efektów biologicznych.
Rys. 1. Na zdjęciu nie widać dezynfekcji promieniowaniem UVC, jak można by pomyśleć, ale trening użycia odzieży ochronnej z wykrywaniem w promieniach UVA luminescencyjnych plam płynów ustrojowych. UVA to łagodny ultrafiolet, który nie ma działania bakteriobójczego. Zakryte oczy to uzasadniony środek bezpieczeństwa, ponieważ szeroki zakres stosowanej lampy fluorescencyjnej UVA pokrywa się z UVB, które jest niebezpieczne dla wzroku (źródło: Simon Davis/DFID).
Długość fali światła widzialnego odpowiada energii kwanta, przy której zaczyna się fotochemiczne działanie. Kwanty światła widzialnego pobudzają reakcje fotochemiczne w specyficznej tkance wrażliwej na światło – w siatkówce oka.
Promieniowanie ultrafioletowe jest niewidoczne, jego długość fali jest mniejsza, częstotliwość i energia kwanta wyższa, promieniowanie jest intensywniejsze, a różnorodność reakcji fotochemicznych i efektów biologicznych większa.
Ultrafiolet dzieli się na:
- Długofalowy / miękki / bliskie UVA (400…315 nm);
- Średnio twardy – UVB (315…280 nm);
- Krótkofalowy / daleki / twardy – UVC (280…100 nm).
Działanie bakteriobójcze ultrafioletu
Działanie bakteriobójcze ma twardy ultrafiolet – UVC, a w mniejszym stopniu ultrafiolet średnio twardy – UVB. Krzywa skuteczności bakteriobójczej pokazuje, że wyraźne działanie bakteriobójcze ma tylko wąski zakres 230…300 nm, co stanowi około ćwierć zakresu, nazywanego ultrafioletem.
Rys. 2 Krzywe skuteczności bakteriobójczej z []
Kwanty o długościach fal w tym zakresie są absorbowane przez kwasy nukleinowe, co prowadzi do zniszczenia struktury DNA i RNA. Poza działaniem bakteriobójczym, czyli zabijającym bakterie, ten zakres ma działanie wirusobójcze (przeciwwirusowe), fungicydowe (przeciwgrzybicze) i sporobójcze (zabijające zarodniki). W tym zakresie zabijany jest również wirus SARS-CoV-2 z RNA, który wywołał pandemię w 2020 roku.
Działanie bakteriobójcze światła słonecznego
Działanie bakteriobójcze światła słonecznego jest stosunkowo niewielkie. Przyjrzyjmy się widmu słonecznemu nad atmosferą i pod nią:
Rys. 3. Widmo promieniowania słonecznego nad atmosferą i na poziomie morza. Najbardziej intensywna część zakresu ultrafioletowego nie dociera do powierzchni ziemi (źródło: Wikipedia).
Należy zwrócić uwagę na podkreślone na żółto widmo nad atmosferą. Energia kwantu lewego krańca widma nadatmosferycznych promieni słonecznych o długości fali mniejszej niż 240 nm odpowiada energii wiązania chemicznego wynoszącemu 5,1 eV w cząsteczce tlenu „O2”. Tlen molekularny absorbuje te kwanty, wiązanie chemiczne się przerywa, powstaje atomowy tlen „O”, który ponownie łączy się w cząsteczki tlenu „O2” i częściowo w ozon „O3”.
Nadatmosferyczny UVC ze słońca tworzy w górnych warstwach atmosfery ozon, zwany warstwą ozonową. Energia wiązania chemicznego w cząsteczce ozonu jest niższa niż w cząsteczce tlenu, dlatego ozon absorbuje kwanty o niższej energii niż tlen. Jeśli tlen absorbuje tylko UVC, warstwa ozonowa absorbuje zarówno UVC, jak i UVB. Tak więc słońce na skraju ultrafioletowego spektrum generuje ozon, który następnie absorbuje większość twardego promieniowania ultrafioletowego, chroniąc Ziemię.
A teraz ostrożnie, zwracając uwagę na długości fal i skalę, porównajmy widmo słoneczne z widmem działania bakteriobójczego.
Rys. 4. Widmo działania bakteriobójczego i widmo promieniowania słonecznego.
Widać, że bakteriobójcze działanie światła słonecznego jest nieznaczne. Część widma zdolna do działania bakteriobójczego jest prawie całkowicie absorbowana przez atmosferę. W ciągu roku i w różnych szerokościach geograficznych sytuacja nieco się różni, ale jest jakościowo podobna.
Niebezpieczeństwo ultrafioletu
Lider jednego z dużych krajów zaproponował: „aby wyleczyć COVID-19, należy dostarczyć światło słoneczne do organizmu”. Jednak bakteriobójczy UV niszczy RNA i DNA, w tym ludzkie. Jeśli „dostarczyć światło słoneczne do organizmu” – człowiek umrze.
Naskórek, w pierwszej kolejności warstwa rogowa martwych komórek, chroni tkankę żywą przed UVC. Poniżej warstwy naskórkowej przenika tylko mniej niż 1% promieniowania UVC [WHO]. Dłuższe fale UVB i UVA przenikają na większą głębokość.
Gdyby nie było promieniowania ultrafioletowego ze słońca, być może ludzie nie mieliby naskórka ani warstwy rogowej, a powierzchnia ciała byłaby śluzowa, jak u ślimaków. Jednakże, ponieważ ludzie ewoluowali pod słońcem, to tylko osłonięte przed słońcem powierzchnie są śluzowe. Najbardziej narażoną śluzową powierzchnią oka jest ta, która jest względnie chroniona przed promieniowaniem ultrafioletowym przez powieki, rzęsy, brwi, mimikę twarzy, oraz nawyk niepatrzenia na słońce.
Kiedy po raz pierwszy zaczęto wymieniać soczewki na sztuczne, okuliści napotkali problem poparzeń siatkówki. Zaczęli badać przyczyny i odkryli, że żywa ludzka soczewka jest nieprzezroczysta dla promieniowania ultrafioletowego i chroni siatkówkę. Wówczas zaczęto również produkować sztuczne soczewki, które były nieprzezroczyste dla ultrafioletu.
Obraz oka w promieniach ultrafioletowych ilustruje nieprzezroczystość soczewki dla promieniowania ultrafioletowego. Nie należy oświetlać własnego oka promieniami ultrafioletowymi, ponieważ z czasem soczewka staje się mętna, również z powodu dawki promieniowania ultrafioletowego, która narasta z wiekiem, i wymaga wymiany. Dlatego skorzystamy z doświadczenia odważnych ludzi, którzy zlekceważyli bezpieczeństwo, oświetlili sobie oczy ultrafioletową latarką o długości fali 365 nm, i zamieścili wyniki na YouTube.
Rys. 5 Kadr z filmu na kanale YouTube „Kreosan”.
Ultrafioletowe latarki powodujące luminescencję o długości fali 365 nm (UVA) cieszą się popularnością. Kupują je dorośli, ale nieuchronnie trafiają w ręce dzieci. Dzieci świecą sobie tymi latarkami w oczy, uważnie i długo przyglądają się świecącemu kryształowi. Takie zachowania należy najlepiej zapobiegać. Jeśli to już się zdarzyło, można uspokoić się myślą, że zaćma w badaniach na myszach jest pewnie wywoływana przez naświetlanie soczewki UVB, ale efekt katarogenowy UVA jest niestabilny [].
A mimo to dokładne spektrum działania promieniowania ultrafioletowego na soczewkę nie jest znane. A biorąc pod uwagę, że zaćma to efekt długoterminowy, potrzeba pewnej dozy rozsądku, by nie świecić sobie w oczy promieniowaniem ultrafioletowym z wyprzedzeniem.
Bardzo szybko pod wpływem promieniowania ultrafioletowego zapalają się błony śluzowe oczu, co nazywa się fotokeratydą i fotokonjunktiwitą. Błony stają się czerwone, a pojawia się uczucie "piasku w oczach". Efekt ustępuje po kilku dniach, ale wielokrotne oparzenia mogą prowadzić do zmętnienia rogówki.
Długości fal wywołujących te efekty w przybliżeniu odpowiadają ważonej funkcji niebezpieczeństwa UV, podanej w standardzie dotyczącym bezpieczeństwa fotobiologicznego [IEC 62471] i w przybliżeniu pokrywają się z zakresem działania bakteriobójczego.
Rys. 6 Widma działania promieniowania ultrafioletowego, wywołujące fotokonjunktiwit i fotokeratydę z [] oraz ważona funkcja akcyjnej niebezpieczeństwa UV dla skóry i oczu z [].
Progowe dawki dla fotokeratydy i fotokonjunktiwity wynoszą 50-100 dżuli/m2, wartość ta nie przekracza dawek stosowanych w dezynfekcji. Nie da się zdezynfekować błony śluzowej oka promieniowaniem ultrafioletowym bez wywołania zapalenia.
Erytem, czyli "oparzenia słonecznego" niebezpieczne jest promieniowanie ultrafioletowe w zakresie do 300 nm. Według niektórych źródeł maksymalna efektywność spektralna erytemu występuje przy długościach fal około 300 nm []. Minimalna dawka wywołująca ledwo zauważalną erytemę MED (Minimalna Dawka Erytemiczna) dla różnych typów skóry waha się od 150 do 2000 dżuli/m2. Dla mieszkańców średnich szerokości geograficznych typową wartości MED można uznać za około 200…300 dżuli/m2.
UVB w zakresie 280-320 nm, z maksimum około 300 nm wywołuje raka skóry. Nie ma dawki progowej, wyższa dawka – większe ryzyko, a efekt jest opóźniony.
Rys. 7 Krzywe działania promieniowania ultrafioletowego, wywołujące erytemę i raka skóry.
Fotoindukowane starzenie się skóry wywołane jest promieniowaniem ultrafioletowym w całym zakresie 200…400 nm. Znana jest fotografia kierowcy ciężarówki, narażonego na działanie słonecznego promieniowania ultrafioletowego głównie z lewej strony. Kierowca miał w zwyczaju jeździć z opuszczonym szybą okna kierowcy, ale prawa strona twarzy była chroniona przed promieniowaniem ultrafioletowym przez przednią szybę. Różnica w stanie skóry po prawej i lewej stronie jest imponująca:
Rys. 8 Fotografia kierowcy, który przez 28 lat jeździł z opuszczonym szybą okna kierowcy [].
Jeśli szacunkowo ocenić, że wiek skóry z różnych stron twarzy tej osoby różni się o dwadzieścia lat, a jest to konsekwencją tego, że przez te dwadzieścia lat jedna strona twarzy była naświetlana słońcem, a druga nie, można ostrożnie stwierdzić, że jeden dzień na otwartym słońcu starzeje skórę o jeden dzień.
Z danych referencyjnych [] wiadomo, że w strefach umiarkowanych latem pod bezpośrednim słońcem minimalna dawka erytemogenna 200 J/m2 jest osiągana szybciej niż w ciągu jednej godziny. Porównując te wartości z wyciągniętym wnioskiem, można stwierdzić, że starzenie się skóry przy okresowej i krótkotrwałej pracy z lampami ultrafioletowymi nie stanowi znacznego zagrożenia.
Ile ultrafioletu potrzebne jest do dezynfekcji
Liczba przeżywających mikroorganizmów na powierzchniach i w powietrzu zmniejsza się w sposób wykładniczy wraz ze wzrostem dawki ultrafioletu. Na przykład dawka zabijająca 90% prątków gruźlicy wynosi 10 J/m2. Dwie takie dawki zabijają 99%, trzy dawki zabijają 99,9% itd.
Rys. 9 Zależność odsetka przeżywających prątków gruźlicy od dawki promieniowania ultrafioletowego o długości fali 254 nm.
Zależność wykładnicza jest zauważalna tym, że nawet mała dawka zabija dużą część mikroorganizmów.
Spośród wymienionych w [] patogennych mikroorganizmów najtrwalsza na ultrafiolet jest salmonella. Dawka zabijająca 90% jej bakterii to 80 J/m2. Z danych przeglądowych [Kowalski2020] średnia wartość dawki zabijającej 90% koronawirusów wynosi 67 J/m2. Jednak dla większości mikroorganizmów ta dawka nie przekracza 50 J/m2. Dla celów praktycznych można zapamiętać, że standardowa dawka dezynfekująca z efektywnością 90% to 50 J/m2.
Zgodnie z obowiązującą metodologią zatwierdzoną przez Ministerstwo Zdrowia Rosji do wykorzystania ultrafioletu w dezynfekcji powietrza [] maksymalna skuteczność dezynfekcji „trzy dziewiątki” lub 99,9% jest wymagana dla sal operacyjnych, porodówek itd. Dla klas szkolnych, pomieszczeń budynków użyteczności publicznej itd. wystarcza „jedna dziewiątka”, czyli 90% zniszczonych mikroorganizmów. Oznacza to, że w zależności od kategorii pomieszczenia wystarczają od jednej do trzech standardowych dawek 50…150 J/m2.
Przykład oceny wymaganego czasu naświetlania: załóżmy, że należy zdezynfekować powietrze i powierzchnie w pomieszczeniu o wymiarach 5 × 7 × 2,8 metra, do czego używana jest jedna otwarta lampa Philips TUV 30W.
W opisie technicznym lampy podano strumień bakteriobójczy 12 W []. W idealnym przypadku cały strumień kierowany jest bezpośrednio na dezynfekowane powierzchnie, ale w rzeczywistości połowa strumienia zniknie bez użyteczności, na przykład nadmiernie intensywnie oświetlając ścianę za lampą. Dlatego obliczymy użyteczny strumień na poziomie 6 W. Łączna powierzchnia, która jest naświetlana w pomieszczeniu – podłoga 35 m2 + sufit 35 m2 + ściany 67 m2, razem 137 m2.
Średnio na powierzchnię przypada strumień bakteriobójczego promieniowania 6 W/137m2 = 0,044 W/m2. W ciągu godziny, czyli 3600 sekund, na te powierzchnie przypada dawka 0,044 W/m2 × 3600 s = 158 J/m2, lub zaokrąglając 150 J/m2. Co odpowiada trzem standardowym dawkom 50 J/m2 lub „trzem dziewiątkom” – 99,9% skuteczności bakteriobójczej, tzn. wymaganiom operacyjnym. A ponieważ obliczona dawka, zanim dotrze do powierzchni, przeszła przez objętość pomieszczenia, z nie mniejszą skutecznością zdezynfekowano także powietrze.
Jeśli wymagania dotyczące sterylności są niewielkie i wystarcza „jedna dziewiątka”, w rozpatrywanym przykładzie potrzebny jest trzy razy krótszy czas naświetlania – zaokrąglając 20 minut.
Ochrona przed promieniowaniem ultrafioletowym
Głównym środkiem ochrony podczas dezynfekcji promieniowaniem ultrafioletowym jest opuszczenie pomieszczenia. Bycie w pobliżu działającej lampy UV, nawet jeśli nie patrzy się w jej stronę, nie pomoże, ponieważ błony śluzowe oczu i tak będą naświetlane.
Częściowym środkiem ochrony błon śluzowych oczu mogą być okulary szklane. Kategoryczne stwierdzenie, że „szkło nie przepuszcza promieniowania ultrafioletowego”, jest nieprawdziwe; w pewnym stopniu przepuszcza, przy czym różne rodzaje szkła różnie. Ale ogólnie, wraz ze zmniejszeniem długości fali, współczynnik przepuszczania maleje, a UVC skutecznie przepuszcza tylko szkło kwarcowe. Soczewki okularowe nigdy nie są kwarcowe.
Można pewnie powiedzieć, że soczewki okularowe oznaczone UV400 nie przepuszczają promieniowania ultrafioletowego.
Rys. 10 Spektrum przepuszczania soczewek okularowych z indeksami UV380, UV400 i UV420. Obraz ze strony []
In addition, a measure of protection involves the use of UVC bactericidal sources, which do not emit potentially hazardous but ineffective UVB and UVA ranges for disinfection.
Ultraviolet sources
UV diodes
The most common ultraviolet diodes are 365 nm (UVA) intended for 'police flashlights,' which cause luminescence to detect invisible contaminants without ultraviolet light. Disinfection with these diodes is not possible (see Fig. 11).
For disinfection, short-wavelength UVC diodes with a wavelength of 265 nm can be used. The cost of a diode module that would replace a mercury bactericidal lamp exceeds the price of the lamp by three orders of magnitude, so such solutions for disinfecting large areas are not used in practice. However, compact UV-diode devices for disinfecting small areas, such as tools, phones, skin lesions, etc., are emerging.
Low-pressure mercury lamps
A low-pressure mercury lamp is the standard against which all other sources are compared.
The majority of the radiation energy emitted by low-pressure mercury vapor during an electrical discharge occurs at a wavelength of 254 nm, which is ideal for disinfection. A small amount of energy is emitted at a wavelength of 185 nm, which generates ozone. Only a very small amount of energy is emitted at other wavelengths, including the visible range.
In regular low-pressure mercury fluorescent white light lamps, the glass bulb does not allow the ultraviolet radiation emitted by the mercury vapor to pass through. However, the phosphor, a white powder on the walls of the bulb, glows in the visible range under the influence of ultraviolet light.
UVB or UVA lamps are designed similarly; the glass bulb does not allow the peaks at 185 nm and 254 nm to pass through, but the phosphor emits not visible light but long-wave ultraviolet when exposed to short-wave ultraviolet. These are technical purpose lamps. Since the spectrum of UVA lamps is similar to sunlight, they are also used for tanning. A comparison of the spectrum with the bactericidal efficiency curve shows that using UVB lamps, and especially UVA lamps, for disinfection is impractical.
Rys. 11 Porównanie krzywej skuteczności bakteriobójczej, spektrum lampy UVB, spektrum lampy UVA „do opalania” oraz spektrum diody 365 nm. Spektra lamp pochodzi z strony amerykańskiego stowarzyszenia producentów farb [].
Zauważmy, że spektrum lampy świetlnej UVA jest szerokie i obejmuje zakres UVB. Spektrum diody 365 nm jest znacznie węższe, to „uczciwe UVA”. Jeśli potrzebne jest UVA do wywołania luminescencji w celach dekoracyjnych lub do wykrywania zanieczyszczeń, użycie diody jest bezpieczniejsze niż użycie lampy ultrafioletowej fluorescencyjnej.
Lampy rtęciowe bakteriobójcze niskiego ciśnienia UVC różnią się od fluorescencyjnych tym, że na ściankach bańki nie ma luminoforu, i bańka przepuszcza promieniowanie ultrafioletowe. Podstawowa linia 254 nm jest zawsze przepuszczana, a generująca ozon linia 185 nm może być pozostawiona w spektrum lampy lub usunięta przez szkło przepuszczające selektywnie.
Rys. 12 Zakres promieniowania podany jest na etykiecie lamp ultrafioletowych. Lampę bakteriobójczą UVC można rozpoznać po braku luminoforu na bańce.
Ozon ma dodatkowe działanie bakteriobójcze, ale jest kancerogenny, dlatego aby nie czekać na ustąpienie ozonu po dezynfekcji, używa się lamp bez generującej ozon linii 185 nm w spektrum. Lampy te mają prawie idealne spektrum — główną linię o wysokiej skuteczności bakteriobójczej 254 nm, bardzo słabe promieniowanie w niebakterobójczych zakresach ultrafioletu oraz niewielkie „sygnałowe” promieniowanie w zakresie światła widzialnego.
Rys. 13. Spektrum lampy rtęciowej niskiego ciśnienia UVC (dostarczone przez czasopismo lumen2b.ru) jest zestawione z spektrum promieniowania słonecznego (z Wikipedii) oraz krzywą skuteczności bakteriobójczej (z ESNA Lighting Handbook []).
Niebieskie świecenie lamp bakteriobójczych pozwala dostrzec, że lampa rtęciowa jest włączona i działa. Świecenie jest słabe, co daje mylące wrażenie, że patrzenie na lampę jest bezpieczne. Nie czujemy, że promieniowanie w zakresie UVC stanowi 35…40% całkowitej mocy pobieranej przez lampę.
Rys. 14 Mała część energii promieniowania par rtęciowych zajmuje widzialny zakres i widoczna jest jako słabe niebieskie świecenie.
Bakteriobójcza lampa rtęciowa niskiego ciśnienia ma ten sam trzon co zwykła lampa fluorescencyjna, ale jest wykonana w innej długości, aby nie można jej było używać w standardowych oprawach oświetleniowych. Oprawa dla lampy bakteriobójczej, poza wymiarami, różni się tym, że wszystkie plastikowe elementy są odporne na promieniowanie ultrafioletowe, przewody są zabezpieczone przed UV, a dyfuzor jest nieobecny.
Dla domowych potrzeb bakteriobójczych autor używa lampy bakteriobójczej o mocy 15 W, wcześniej stosowanej do dezynfekcji pożywki w instalacji hydroponicznej. Jej odpowiednik można znaleźć, wpisując «aquarium uv sterilisator». Podczas pracy lampy wydziela się ozon, co nie jest korzystne, ale przydaje się do dezynfekcji, na przykład, obuwia.
Rys. 15 Lampy rtęciowe niskiego ciśnienia z różnymi rodzajami trzonków. Obrazy pochodzą z serwisu Aliexpress.
Lampy rtęciowe średniego i wysokiego ciśnienia
Wzrost ciśnienia par rtęci prowadzi do skomplikowania widma, widmo się rozszerza i pojawia się w nim więcej linii, w tym na długościach fal generujących ozon. Wprowadzenie dodatków do rtęci prowadzi do jeszcze większego skomplikowania widma. Istnieje wiele rodzajów takich lamp, a widmo każdej z nich jest wyjątkowe.
Rys. 16 Przykłady widm lamp rtęciowych średniego i wysokiego ciśnienia
Wzrost ciśnienia obniża wydajność lampy. Na przykład w przypadku lampy średniego ciśnienia Aquafineuv w obszarze promieniowania UVC emitowane jest już 15-18% od zużywanej mocy, a nie 40% jak w przypadku lamp niskiego ciśnienia. Koszt urządzenia w przeliczeniu na jeden wat strumienia UVC jest więc wyższy [].
Obniżenie wydajności i wzrost kosztów lampy kompensowane są jej kompaktowością. Na przykład, dezynfekcja wody przepływowej lub suszenie szybko nakładanego lakieru w poligrafii wymagają kompaktowych i mocnych źródeł, a koszt jednostkowy i efektywność nie są istotne. Jednak wykorzystanie takiej lampy do dezynfekcji jest niewłaściwe.
UV-reaktor z palnika DRL i lampy DRT
Istnieje 'ludowy' sposób na stosunkowo tanie uzyskanie mocnego źródła ultrafioletu. Wciąż dostępne, chociaż nieużywane, są lampy DRL białego światła o mocy 125…1000 W. W tych lampach wewnątrz zewnętrznej bańki znajduje się 'palnik' – rtęciowa lampa wysokiego ciśnienia. Emituje ona szerokopasmowe promieniowanie ultrafioletowe, które jest zatrzymywane przez zewnętrzną szklaną bańkę, ale sprawia, że luminofor na jej ściankach świeci. Po rozbiciu zewnętrznej bańki i podłączeniu palnika do sieci przez standardowy dławik, otrzymamy mocny emulator szerokopasmowego ultrafioletu.
Taki wytwarzany rzemieślniczo emulator ma swoje wady: niską efektywność w porównaniu do lamp niskiego ciśnienia, dużą część ultrafioletu poza zakresem bakteriobójczym oraz konieczność opuszczenia pomieszczenia na jakiś czas po wyłączeniu lampy, aż ozon się rozpadnie lub wywietrzeje.
Jednak nie można nie zauważyć i zalet: niska cena oraz duża moc przy kompaktowych rozmiarach. Do plusów należy także generacja ozonu. Ozon zdezynfekuje zacienione powierzchnie, na które nie dotrą promienie ultrafioletu.
Rys. 17 Ultrafioletowy emulator wykonany z lamp DRL. Zdjęcie publikowane za zgodą autora, bułgarskiego stomatologa, który używa tego emulatora jako uzupełnienia standardowej lampy bakteriobójczej Philips TUV 30W.
Podobne źródła ultrafioletu do dezynfekcji w postaci rtęciowych lamp wysokiego ciśnienia stosowane są w emulatorach typu OUFK-01 'Słoneczko'.
Na przykład dla popularnej lampy 'DRT 125-1' producent nie publikuje spektrum, ale w dokumentacji podaje parametry: intensywność naświetlenia w odległości 1 m od lampy UVA – 0,98 W/m2, UVB – 0,83 W/m2, UVC – 0,72 W/m2, strumień bakteriobójczy 8 W, a po użyciu wymagana jest wentylacja pomieszczenia od ozonu []. Na bezpośrednie pytanie o różnicę między lampą DRT a palnikiem DRL, producent w swoim blogu odpowiedział, że DRT ma izolującą zieloną powłokę na katodach.
Rys. 18 Źródło szerokopasmowego ultrafioletu — lampa DRT-125
Z deklarowanych charakterystyk wynika, że spektrum jest szerokopasmowe, z prawie równym udziałem promieniowania w zakresie miękkiego, średniego i twardego ultrafioletu, obejmującym także generujące ozon twarde UVC. Strumień bakteriobójczy wynosi 6,4% zużywanej mocy, co oznacza, że wydajność jest sześciokrotnie niższa niż w przypadku lampy rurkowej niskiego ciśnienia.
Producent nie publikuje spektrum tej lampy, a w internecie krąży ten sam obraz spektrum jakiejś lampy DRT. Pierwotne źródło jest nieznane, ale proporcja energii w zakresie UVC, UVB i UVA nie odpowiada deklarowanej dla lampy DRT-125. Dla DRT zadeklarowano mniej więcej równą proporcję, a według spektrum widać, że energia UVB jest wielokrotnie większa od energii UBC. A w UVA jest znacznie więcej niż w UVB.
Rys. 19. Spektrum łukowej lampy rtęciowej wysokiego ciśnienia, najczęściej ilustrującej spektrum szeroko stosowanej w medycynie DRT-125.
Jasne jest, że lampy o różnym ciśnieniu i dodatkach do rtęci emitują promieniowanie w nieco odmienny sposób. Również jasne jest, że nieinformowany konsument ma tendencję do wyobrażania sobie pożądanych charakterystyk i właściwości produktu, nabywając pewność opartą na własnych przypuszczeniach i dokonując zakupu. Publikacja spektrum konkretnej lampy wywołałaby dyskusje, porównania i wnioski.
Autor pewnego razu kupił urządzenie OUFK-01 z lampą DRT-125 i przez kilka lat używał go do testowania odporności na UV plastikowych wyrobów. Jednocześnie naświetlał dwa wyroby, z których jeden był kontrolny z tworzywa odpornego na promieniowanie ultrafioletowe, i obserwował, który żółknie szybciej. Dla takiego zastosowania znajomość dokładnego kształtu spektrum nie jest konieczna, ważne jest tylko, aby emitent był szerokopasmowy. Ale po co stosować szerokopasmowe ultrafiolet, jeśli wymagana jest dezynfekcja?
W przeznaczeniu OUFK-01 wskazano, że naświetlacz stosuje się w przypadku ostrych procesów zapalnych. Oznacza to, że w przypadkach, gdy pozytywny efekt dezynfekcji skóry przewyższa możliwy szkodliwy wpływ szerokopasmowego ultrafioletu. Oczywiste jest, że nawet w takim przypadku lepiej użyć wąskopasmowego ultrafioletu, bez długości fal w spektrum, które mają inne działanie poza bakteriobójczym.
Dezynfekcja powietrza
Promieniowanie ultrafioletowe jest uznawane za niewystarczający środek do dezynfekcji powierzchni, ponieważ promienie nie mogą przeniknąć tam, gdzie dociera na przykład alkohol. Jednakże UV efektywnie dezynfekuje powietrze.
Podczas kichania i kaszlu powstają krople o wielkości kilku mikrometrów, które unoszą się w powietrzu od kilku minut do kilku godzin []. Badania nad gruźlicą wykazały, że wystarczy jedna kropelka aerozolu, aby doszło do zakażeń.
Na zewnątrz jesteśmy stosunkowo bezpieczni dzięki ogromnym objętościom i ruchliwości powietrza, które może rozwiać i zdezynfekować każdy kichnięcie czasem i promieniowaniem słonecznym. Nawet w metrze, dopóki odsetek zakażonych osób jest niski, ogólna objętość powietrza na jedną zakażoną osobę jest wysoka, a dobra wentylacja sprawia, że ryzyko rozprzestrzenienia się infekcji jest niewielkie. Najbardziej niebezpiecznym miejscem podczas pandemii chorób przenoszonych drogą powietrzną jest winda. Dlatego osoby kichające powinny siedzieć na kwarantannie, a powietrze w pomieszczeniach publicznych przy niedostatecznej wentylacji wymaga dezynfekcji.
Recykler
Jednym z rozwiązań do dezynfekcji powietrza są zamknięte UV-recykler. Omówimy jeden z takich recyklerów – „Dezar 7”, znany z tego, że został zauważony nawet w biurze przywódcy państwa.
W opisie recyklera podano, że przepływa 100 m3 na godzinę i jest przeznaczony do obróbki pomieszczenia o objętości 100 m3 (około 5 × 7 × 2,8 metra).
Jednak zdolność do zdezynfekowania 100 m3 powietrza na godzinę nie oznacza, że powietrze w pomieszczeniu o objętości 100 m3 zostanie przetworzone równie skutecznie w ciągu godziny. Obrobione powietrze rozcieńcza brudne powietrze i w tej postaci wciąż dostaje się z powrotem do recyklera. Łatwo zbudować model matematyczny i policzyć skuteczność tego procesu:
Rys. 20 Wpływ pracy UV-recyklera na liczbę mikroorganizmów w powietrzu pomieszczenia bez wentylacji.
Aby obniżyć koncentrację mikroorganizmów w powietrzu o 90%, recykler musi działać przez ponad dwie godziny. W przypadku braku wentylacji w pomieszczeniu jest to możliwe. Jednak pomieszczeń z ludźmi i bez wentylacji zwykle nie ma. Na przykład, [] nakazuje minimalne zużycie powietrza zewnętrznego przy wentylacji 3 m3 na godzinę na 1 m2 powierzchni mieszkania. Co odpowiada pełnej wymianie powietrza raz na godzinę i czyni zbędną pracę recyrkulatora.
Jeśli rozważać model niepełnego mieszania, a strumieni laminarnego, które przechodzą przez ustaloną skomplikowaną trajektorię w pomieszczeniu i kierują się do wentylacji, korzyść z dezynfekcji jednego z takich strumieni jest jeszcze mniejsza niż w modelu pełnego mieszania.
W każdym przypadku UVC- recyrkulator nie jest bardziej użyteczny niż otwarte okno.
Jednym z powodów niskiej efektywności recyrkulatorów jest bardzo mały efekt bakteriobójczy w przeliczeniu na każdy wat strumienia UVC. Promień przechodzi około 10 centymetrów wewnątrz urządzenia, a następnie odbija się od aluminium z współczynnikiem około k=0,7. To oznacza, że efektywna droga promienia wewnątrz urządzenia wynosi około pół metra, po czym jest bezproduktywnie pochłaniane.
Rys. 21. Klatka z filmu na YouTube, na którym analizują recyrkulator. Widać lampy bakteriobójcze oraz powierzchnię odbijającą aluminium, która znacznie gorzej odbija promieniowanie ultrafioletowe niż światło widzialne [].
Lampa bakteriobójcza, która otwarcie wisi na ścianie w gabinecie przychodni i jest włączana przez lekarza według harmonogramu, jest wielokrotnie efektywniejsza. Promienie z otwartej lampy przechodzą kilka metrów, dezynfekując najpierw powietrze, a następnie także powierzchnie.
Urządzenia do naświetlania powietrza w górnej części pomieszczenia
W salach szpitalnych, w których przebywają pacjenci leżący, czasami używa się urządzeń UVC, które naświetlają krążące strumienie powietrza pod sufitem. Głównym niedostatkiem takich urządzeń jest to, że kratka zasłaniająca lampy pozwala przechodzić tylko promieniom idącym ściśle w jednym kierunku, pochłaniając bezproduktywnie ponad 90% pozostałego strumienia.
Można dodatkowo przepuszczać powietrze przez takie urządzenie do naświetlania, aby uzyskać równocześnie recyrkulator, ale tak się nie robi, prawdopodobnie z powodu niechęci do uzyskania w sali pyłoszczelnego urządzenia.
Rys. 22. Podwieszany UVC-nawilżacz powietrza, obraz ze strony [].
Siatki chronią ludzi w pomieszczeniach przed bezpośrednim działaniem promieniowania ultrafioletowego, ale promieniowanie, które przeszło przez siatkę, trafia na sufit i ściany, gdzie jest rozpraszane, z współczynnikiem odbicia wynoszącym około 10%. Pomieszczenie wypełnia się we wszystkich kierunkach promieniowaniem ultrafioletowym, a ludzie otrzymują dawkę ultrafioletu proporcjonalną do czasu spędzonego w pomieszczeniu.
Recenzenci i autor
Recenzenci:
Artiom Balabanow, inżynier elektroniki, twórca systemów UV-cure;
Rumen Vasilev, doktor nauk technicznych, specjalista w dziedzinie oświetlenia, OOD 'Interlux', Bułgaria;
Wadim Grigorow, biofizyk;
Stanislav Lermontow, inżynier oświetlenia, OOO 'Złożone Systemy';
Aleksej Pankraszkin, doktor nauk technicznych, adiunkt, półprzewodniki i fotonika, OOO 'INTEH Inżynieria';
Andriej Kramow, specjalista w projektowaniu oświetlenia dla instytucji medycznych;
Witalij Cwirko, kierownik laboratorium badawczego w dziedzinie oświetlenia 'CSOT NAN Białorusi'
Autor: Anton Sharakshane, doktor fizyki, specjalista w dziedzinie oświetlenia i biofizyki, Pierwszy Miejski Uniwersytet Medyczny im. I.M. Szczeńowa
Linki
Linki
[Airsteril]
[Aquafineuv]
[CIE 155:2003] CIE 155:2003 DEZYNFEKCJA POWIETRZA ZA POMOCĄ PROMIENIOWANIA ULTRAFIOLETOWEGO
[DIN 5031-10] DIN 5031-10 2018 Fizyka promieniowania optycznego i inżynieria oświetleniowa. Część 10: Promieniowanie fotobiologicznie skuteczne, ilości, symbole i spektra działania. Fizyka promieniowania optycznego i oświetlenie. Promieniowanie fotobiologicznie aktywne. Jednostki, oznaczenia i spektra działania.
[ESNA] Podręcznik Oświetleniowy ESNA, 9. wydanie. red. Rea M.S. Stowarzyszenie Inżynierów Oświetlenia Ameryki Północnej, Nowy Jork, 2000
[IEC 62471] GOST R IEC 62471-2013 Lampy i systemy lampowe. Bezpieczeństwo fotobiologiczne
[Kowalski2020] Władysław J. Kowalski i in., 2020 Wrażliwość na wirusa COVID-19 na promieniowanie ultrafioletowe, DOI: 10.13140/RG.2.2.22803.22566
[Lisma]
[Mitsuichemicals]
[Nejm]
[Paint]
[TUV]
[WHO] Światowa Organizacja Zdrowia. Promieniowanie ultrafioletowe: Oficjalny przegląd naukowy dotyczący wpływu promieniowania UV na środowisko i zdrowie, z uwzględnieniem globalnego wyczerpywania warstwy ozonowej.
[Dezar]
[R 3.5.1904-04] R 3.5.1904-04 Wykorzystanie ultrafioletowego promieniowania bakteriobójczego do dezynfekcji powietrza w pomieszczeniach
[SP 60.13330.2016] SP 60.13330.2016 Ogrzewanie, wentylacja i klimatyzacja.
Źródło: habr.com
