Властивості ультрафіолету залежать від довжини хвилі, а ультрафіолет різних джерел відрізняється спектром. Обговоримо, які джерела ультрафіолету та як застосовувати, щоб максимізувати бактерицидну дію, мінімізувавши ризики небажаних біологічних ефектів.
Мал. 1. На фотографії не дезінфекція випромінюванням UVC, як можна подумати, а тренування використання захисного костюма з виявленням у променях UVA люмінесцентних плям навчальних тілесних рідин. UVA – м'який ультрафіолет і не має бактерицидної дії. Закриті очі – виправдана міра безпеки, оскільки широкий спектр люмінесцентної лампи UVA, що використовується, перетинається з UVB, який небезпечний для зору (джерело Simon Davis/DFID).
Довжина хвилі видимого світла відповідає енергії кванта, при якій щойно стає можливим фотохімічна дія. Кванти видимого світла збуджують фотохімічні реакції у специфічній фоточутливій тканині – у сітківці ока.
Ультрафіолет невидимий, його довжина хвилі менша, частота та енергія кванта вища, випромінювання жорсткіше, різноманітність фотохімічних реакцій та біологічних ефектів більше.
Ультрафіолет відрізняється на:
- Близький за властивостями до видимого світла довгохвильовий/м'який/ближній UVA (400...315 нм);
- Середня жорсткість – UVB (315…280 нм);
- Короткохвильовий/далекий/жорсткий – UVC (280...100 нм).
Бактерицидна дія ультрафіолету
Бактерицидну дію має жорсткий ультрафіолет – UVC, і меншою мірою ультрафіолет середньої жорсткості – UVB. По кривій бактерицидної ефективності видно, що явну бактерицидну дію має лише вузький діапазон 230...300 нм, тобто приблизно чверть від діапазону, званого ультрафіолетом.
Мал. 2 Криві бактерицидної ефективності з []
Кванти з довжинами хвиль у цьому діапазоні поглинаються нуклеїновими кислотами, що призводить до руйнування структури ДНК та РНК. Крім бактерицидної, тобто вбиває бактерії, цей діапазон має віруліцидну (противірусну), фунгіцидну (протигрибкову) і спороцидну (вбиваючу суперечки) дію. У тому числі вбивається РНК-вірус SARS-CoV-2020, що викликав пандемію 2 р..
Бактерицидна дія сонячного світла
Бактерицидна дія сонячного світла відносно невелика. Подивимося на сонячний спектр над атмосферою та під атмосферою:
Мал. 3. Спектр сонячного випромінювання над атмосферою та на рівні моря. Найбільш жорстка частина ультрафіолетового діапазону до землі не доходить (запозичено з Вікіпедії).
Варто звернути увагу на виділений жовтий надатмосферний спектр. Енергія кванта лівого краю спектра надатмосферного сонячного проміння з довжиною хвилі менше 240 нм відповідає енергії хімічного зв'язку 5.1 еВ в молекулі кисню «O2». Молекулярний кисень поглинає ці кванти, хімічний зв'язок рветься, утворюється атомарний кисень «O», який з'єднується у молекули кисню «O2» і, частково, озону «O3».
Сонячний надатмосферний UVC утворює у верхніх шарах атмосфери озон, званий озоновим шаром. Енергія хімічного зв'язку в молекулі озону нижче, ніж у молекулі кисню і тому озон поглинає кванти меншої енергії, ніж кисень. І якщо кисень поглинає лише UVC, то озоновий шар поглинає UVC та UVB. Виходить, що сонце краєчком ультрафіолетової частини спектру генерує озон, і цей озон потім поглинає більшу частину жорсткого сонячного ультрафіолету, захищаючи Землю.
А тепер акуратно, звертаючи увагу на довжини хвиль та масштаб, сумісний сонячний спектр із спектром бактерицидної дії.
Мал. 4 Спектр бактерицидної дії та спектр сонячного випромінювання.
Видно, що бактерицидна дія сонячного світла незначна. Частина спектра, здатна чинити бактерицидну дію, майже повністю поглинена атмосферою. У різні пори року й у різних широтах ситуація трохи відрізняється, але якісно схожа.
Небезпека ультрафіолету
Керівник однієї з великих країн запропонував: «для лікування COVID-19 потрібно доставити сонячне світло всередину організму». Однак, бактерицидний УФ руйнує РНК та ДНК, включаючи людські. Якщо "доставити сонячне світло всередину організму" - людина загине.
Епідерміс, насамперед роговий шар відмерлих клітин, захищає живу тканину від UVC. Нижче епідермальний шар проникає лише менше 1% випромінювання UVC [ВООЗ]. Довші хвилі UVB і UVA проникають на велику глибину.
Якби сонячного ультрафіолету не було, можливо, люди не мали б епідермісу і рогового шару, і поверхня тіла була слизовою, як у равликів. Але оскільки люди еволюціонували під сонцем, слизовими є лише захищені від сонця поверхні. Найбільш уразлива слизова поверхня ока, умовно захищена від сонячного ультрафіолету століттями, віями, бровами, моторикою обличчя та звичкою не дивитися на сонце.
Коли вперше навчилися замінювати кришталик штучним, офтальмологи зіткнулися з проблемою опіків сітківки. Стали розумітися на причинах і з'ясували, що живий людський кришталик для ультрафіолету непрозорий і захищає сітківку. Після цього стали робити непрозорими для ультрафіолету та штучні кришталики.
Зображення ока в ультрафіолетових променях ілюструє непрозорість кришталика для ультрафіолету. Власне око висвітлювати ультрафіолетом не варто, тому що згодом кришталик каламутніє, в тому числі через набрану з роками дозу ультрафіолету, і потребує заміни. Тому скористаємося досвідом відважних людей, які знехтували безпекою, посвітили собі у вічі ультрафіолетовим ліхтариком на довжині хвилі 365 нм, і виклали результат у YouTube.
Мал. 5 Кадр із ролика Youtube-каналу «Kreosan».
Ультрафіолетові ліхтарики, що викликають люмінесценцію, з довжиною хвилі 365 нм (UVA) популярні. Купуються дорослими, але неминуче потрапляють до рук дітей. Діти світять собі цими ліхтариками в очі, уважно і подовгу розглядають кристал, що світиться. Таких дій бажано запобігти. Якщо це сталося, можна заспокоїти себе тим, що катаракта в дослідженнях на мишах впевнено викликається опроміненням кришталика UVB, але катарогенозний ефект UVA нестійкий.].
І все ж точний спектр дії ультрафіолету на кришталик невідомий. А якщо врахувати, що катаракта - дуже відкладений ефект, потрібно деяка кількість розуму, щоб не світити собі в очі ультрафіолетом наперед.
Відносно швидко під ультрафіолетом запалюються слизові оболонки ока, це називається фотокератит та фотокон'юнктивіт. Слизові оболонки стають червоними, і з'являється відчуття «піску в очах». Ефект проходить через кілька днів, але багаторазові опіки можуть призвести до помутніння рогівки.
Довжини хвиль, що викликають ці ефекти, приблизно відповідають зваженій функції УФ-небезпеки, наведеній у стандарті фотобіологічної безпеки [IEC 62471] і приблизно збігаються з діапазоном бактерицидної дії.
Мал. 6 Спектри дії ультрафіолету, що викликає фотокон'юнктивіт та фотокератит з [] та зважена функція актинічної УФ небезпеки для шкіри та очей з [].
Порогові дози для фотокератиту і фотокон'юнктивіту 50-100 Дж/м2 це значення не перевищує дози, що використовуються при дезінфекції. Продезінфікувати слизову очі ультрафіолетом, не спричинивши запалення, не вийде.
Ерітемою, тобто «сонячним опіком» небезпечний ультрафіолет у діапазоні до 300 нм. За деякими джерелами максимальна спектральна ефективність еритеми на довжинах хвиль близько 300 нм.]. Мінімальна доза, що викликає ледь помітну еритему ПЕД (Мінімальна Еритемна Доза) для шкіри різних типів коливається від 150 до 2000 Дж/м2. Для мешканців середньої смуги типової ПЕД вважатимуться величину близько 200…300 Дж/м2.
UVB в діапазоні 280-320 нм з максимумом близько 300 нм викликає рак шкіри. Порогової дози немає, більша доза – вищий за ризик, і ефект відкладений.
Мал. 7 Криві дії ультрафіолету, що викликають еритему та рак шкіри.
Фотоіндуковане старіння шкіри викликається ультрафіолетом у всьому діапазоні 200...400 нм. Відома фотографія далекобійника, який за кермом опромінював сонячний ультрафіолет переважно з лівого боку. Водій мав звичку їздити з опущеним склом вікна водія, але права частина особи була захищена від сонячного ультрафіолету лобовим склом. Різниця вікового стану шкіри на правій та лівій стороні вражає:
Мал. 8 Фотографія водія, який протягом 28 років їздив з опущеним склом водійського вікна [].
Якщо грубо оцінити, що вік шкіри з різного боку обличчя цієї людини відрізняється на двадцять років і це наслідок того, що приблизно ці ж двадцять років одна сторона обличчя висвітлювалася сонцем, а друга ні, можна зробити обережний висновок, що день під відкритим сонцем на один день і старить шкіри.
З довідкових даних [] відомо, що в середніх широтах влітку під прямим сонцем мінімальна еритемна доза 200 Дж/м2 набирається швидше, ніж за годину. Порівнявши ці цифри зі зробленим висновком, можна зробити ще один висновок - старіння шкіри при періодичній і нетривалій роботі з ультрафіолетовими лампами не є значною небезпекою.
Скільки потрібно ультрафіолету для дезінфекції
Кількість мікроорганізмів, що вижили, на поверхнях і в повітрі при збільшенні дози ультрафіолету знижується по експоненті. Наприклад, доза, що вбиває 90% мікобактерій туберкульозу – 10 Дж/м2. Дві такі дози вбивають 99%, три вбивають 99,9% і т.д.
Мал. 9 Залежність частки мікобактерій туберкульозу, що вижили, від дози ультрафіолетового випромінювання на довжині хвилі 254 нм.
Експонентна залежність примітна тим, що навіть мала доза вбиває більшу частину мікроорганізмів.
Серед перерахованих у [] Патогенних мікроорганізмів найбільш стійка до ультрафіолету сальмонела. Доза, що вбиває 90% її бактерій – 80 Дж/м2. За даними огляду [Kowalski2020] середнє значення дози, що вбиває 90% коронавірусів – 67 Дж/м2. Але для більшості мікроорганізмів ця доза не перевищує 50 Дж/м2. Для практичних цілей можна запам'ятати, що стандартна доза, що дезінфікує з ефективністю 90%, – це 50 Дж/м2.
За діючою затвердженою МОЗ Росії методикою використання ультрафіолету для знезараження повітря [] максимальна ефективність дезінфекції «три дев'ятки» або 99,9% потрібна для операційних, пологових будинків і т.д. Для шкільних класів, приміщень громадських будівель та ін. достатня "одна дев'ятка", тобто 90% знищених мікроорганізмів. Це означає, що в залежності від категорії приміщення достатньо від однієї до трьох стандартних доз 50...150 Дж/м2.
Приклад оцінки необхідного часу опромінення: припустимо, необхідно дезінфікувати повітря та поверхні в кімнаті розміром 5×7×2,8 метра, для чого використовується одна відкрита лампа Philips TUV 30W.
У технічному описі лампи вказано бактерицидний потік 12 Вт []. В ідеальному випадку весь потік йде строго на поверхні, що дезінфікуються, але в реальній ситуації половина потоку пропаде без користі, наприклад буде надмірно інтенсивно освітлювати стінку за світильником. Тому розраховуватимемо на корисний потік 6 вт. Загальна площа поверхні, що опромінюється в приміщенні - підлога 35 м2 + стеля 35 м2 + стіни 67 м2, разом 137 м2.
В середньому на поверхні падає потік антибактеріального випромінювання 6 Вт/137м2 = 0,044 Вт/м2. За годину, тобто за 3600 секунд на ці поверхні, доведеться доза 0,044 Вт/м2 × 3600 с = 158 Дж/м2, або округлено 150 Дж/м2. Що відповідає трьом стандартним дозам 50 Дж/м2 чи «трьом дев'яткам» – 99,9% бактерицидної ефективності, тобто. вимог до операційних. Оскільки розрахована доза, перш ніж впасти на поверхні, пройшла через об'єм кімнати, з не меншою ефективністю продезінфіковано і повітря.
Якщо вимоги до стерильності невеликі і достатньо «однієї дев'ятки», для розглянутого прикладу потрібно втричі менший час опромінення – заокруглено 20 хвилин.
Захист від ультрафіолету
Основний захід захисту під час дезінфекції ультрафіолетом – йти з приміщення. Перебувати поруч із працюючою УФ-лампою, але відводити погляд не допоможе, слизові очі все одно опромінюються.
Частковим заходом захисту слизових ока можуть бути скляні окуляри. Категорична заява «скло не пропускає ультрафіолет» неправильно, певною мірою пропускає, причому різні марки скла по-різному. Але загалом із зменшенням довжини хвилі коефіцієнт пропускання знижується, і UVC ефективно пропускається лише кварцовим склом. Очкове скло в жодному разі не кварцове.
Впевнено можна сказати, що не пропускають ультрафіолет лінзи окулярів із маркуванням UV400.
Мал. 10 Спектр пропускання очкових стекол з індексами UV380, UV400 та UV420. Зображення із сайту []
Також заходом захисту є використання джерел бактерицидного діапазону UVC, які не випромінюють потенційно небезпечні, але не ефективні для дезінфекції діапазони UVB та UVA.
Джерела ультрафіолету
УФ-діоди
Найбільш поширені ультрафіолетові діоди 365 нм (UVA) призначені для поліцейських ліхтариків, які викликають люмінесценцію для виявлення невидимих без ультрафіолету забруднень. Дезінфекція такими діодами неможлива (див. рис. 11).
Для дезінфекції можна використовувати короткохвильові UVC-діоди з довжиною хвилі 265 нм. Вартість модуля на діодах, який замінив би ртутну бактерицидну лампу, перевищує вартість лампи на три порядки, тому на практиці такі рішення для дезінфекції великих площ не використовуються. Але з'являються компактні пристрої на ультрафіолетових діодах для дезінфекції малих площ - інструментів, телефонів, місць пошкоджень шкіри і т.д.
Ртутні лампи низького тиску
Ртутна лампа низького тиску – це стандарт, з яким порівнюються всі інші джерела.
Основна частка енергії випромінювання парів ртуті при низькому тиску в електричному розряді припадає на довжину хвилі 254 нм, що ідеально підходить для дезінфекції. Невелика частина енергії випромінюється на довжині хвилі 185 нм, що інтенсивно генерує озон. І зовсім невелика кількість енергії випромінюється на інших довжинах хвиль, включаючи видимий діапазон.
У звичайних ртутних люмінесцентних лампах білого світла скло колби не пропускає ультрафіолет, що випромінюється парами ртуті. Але люмінофор, порошок білого кольору на стінках колби, під дією ультрафіолету світиться у видимому діапазоні.
Лампи UVB або UVA влаштовані схожим чином, скляна колба не пропускає піки 185 нм та пік 254 нм, але люмінофор під дією короткохвильового ультрафіолету випромінює не видиме світло, а довгохвильовий ультрафіолет. Це лампи технічного призначення. Оскільки спектр ламп UVA схожий на сонячний, такі лампи використовуються ще й для засмаги. Порівняння спектру з кривою бактерицидної ефективності показує, що використовувати UVB лампи і тим більше UVA для дезінфекції недоцільно.
Мал. 11 Порівняння кривої бактерицидної ефективності, спектра лампи UVB, спектра лампи UVA для засмаги і спектра діода 365 нм. Спектри ламп взяті з сайту американської асоціації виробників фарб].
Зазначимо, що спектр люмінесцентної лампи UVA широкий та захоплює UVB-діапазон. Діодовий спектр 365 нм значно вже, це «чесний UVA». Якщо потрібно UVA щоб викликати люмінесценцію в декоративних цілях або виявлення забруднень, використання діода безпечніше використання ультрафіолетової люмінесцентної лампи.
Ртутна бактерицидна лампа низького тиску UVC відрізняється від люмінесцентних тим, що на стінках колби немає люмінофора і колба пропускає ультрафіолет. Основна лінія 254 нм завжди пропускається, а генеруюча озон лінія 185 нм може бути залишена в спектрі лампи або прибрана колбою зі скла з селективним пропусканням.
Мал. 12 Діапазон випромінювання вказаний на маркуванні ультрафіолетових ламп. Бактерицидну лампу UVC можна дізнатись за відсутністю люмінофора на колбі.
Озон має додаткову бактерицидну дію, але є канцерогеном, тому щоб не чекати вивітрювання озону після дезінфекції, використовують лампи, що не утворюють озон, без лінії 185 нм у спектрі. Ці лампи мають майже ідеальний спектр - основна лінія з високою бактерицидною ефективністю 254 нм, дуже слабке випромінювання в небактерицидних діапазонах ультрафіолету, і невелике "сигнальне" випромінювання у видимому діапазоні.
Мал. 13. Спектр ртутної лампи низького тиску UVC (наданий журналом lumen2b.ru) поєднаний із спектром сонячного випромінювання (з Вікіпедії) та кривою ефективності бактерицидної дії (з ESNA Lighting Handbook []).
Синє свічення бактерицидних ламп дозволяє побачити, що ртутна лампа включена та працює. Світло слабке, і це створює оманливе враження, що дивитися на лампу безпечно. Ми не відчуваємо, що випромінювання в UVC діапазоні становить 35…40% повної споживаної лампою потужності.
Мал. 14 Мала частка енергії випромінювання парів ртуті посідає видимий діапазон і видно як слабке блакитне світіння.
Бактерицидна ртутна лампа низького тиску має той самий цоколь, що й звичайна люмінесцентна, але робиться іншої довжини, щоб бактерицидну лампу не вставляли у звичайні світильники. Світильник для бактерицидної лампи, крім габаритів, відрізняється тим, що всі пластикові деталі стійкі до ультрафіолету, дроти від ультрафіолету закриті і немає розсіювача.
Для домашніх бактерицидних потреб автор використовує бактерицидну лампу 15 Вт, яка раніше використовувалася для знезараження живильного розчину гідропонної установки. Її аналог можна знайти на запит «aquarium uv sterilisator». При роботі лампи виділяється озон, що не добре, але для дезінфекції, наприклад взуття, корисно.
Мал. 15 Ртутні лампи низького тиску з цоколем різних типів. Зображення із сайту Aliexpress.
Ртутні лампи середнього та високого тиску
Підвищення тиску парів ртуті призводить до ускладнення спектру, спектр розширюється і в ньому з'являється більше ліній, у тому числі на довжинах хвиль, що генерують озон. Введення в ртуть добавок призводить до ще більшого ускладнення спектра. Різновидів подібних ламп багато, і спектр кожної особливий.
Мал. 16 Приклади спектрів ртутних ламп середнього та високого тиску
Підвищення тиску знижує ККД лампи. На прикладі марки Aquafineuv лампи середнього тиску в області UVC випромінюють вже 15-18% споживаної потужності, а не 40% як лампи низького тиску. І вартість обладнання з розрахунку на один ват потоку UVC виходить вище [].
Зниження ККД та підвищення вартості лампи компенсується компактністю. Наприклад, знезараження проточної води або сушіння лаку, що наноситься на високій швидкості, в поліграфії вимагають компактних і потужних джерел, питома вартість і ефективність неважливі. Але використовувати таку лампу для дезинфекції некоректно.
УФ-опромінювач з пальника ДРЛ та лампи ДРТ
Є «народний» спосіб щодо недорого отримати потужне джерело ультрафіолету. Виходять із вживання, але ще продаються лампи ДРЛ білого світла 125…1000 Вт. У цих лампах, усередині зовнішньої колби стоїть "пальник" - ртутна лампа високого тиску. Вона випромінює широкосмуговий ультрафіолет, який затримується зовнішньою скляною колбою, але змушує світитись люмінофор на її стінках. Якщо розбити зовнішню колбу та підключити пальник до мережі через штатний дросель, вийде потужний випромінювач широкосмугового ультрафіолету.
У такого кустарно виготовленого випромінювача є недоліки: низький порівняно з лампами низького тиску ККД, велика частка ультрафіолету поза бактерицидним діапазоном, і в приміщенні не можна перебувати деякий час після вимкнення лампи, доки не розпадеться або не вивітриться озон.
Але безперечні і плюси: низька вартість і велика потужність за компактних розмірів. До достоїнств можна віднести і генерацію озону. Озон продезінфікує затінені поверхні, на які не потраплять промені ультрафіолету.
Мал. 17 Ультрафіолетовий опромінювач, виготовлений з ламп ДРЛ. Фотографія публікується з дозволу автора, болгарського стоматолога, який використовує цей опромінювач на додаток до стандартної бактерицидної лампи Philips TUV 30W.
Аналогічні джерела ультрафіолету для дезінфекції у вигляді ртутних ламп високого тиску використовують у опромінювачах типу ОУФК-01 «Сонечко».
Наприклад, для популярної лампи «ДРТ 125-1» виробник не публікує спектр, але в документації наводить параметри: інтенсивність опромінення на відстані 1 м від лампи UVA – 0,98 Вт/м2, UVB – 0,83 Вт/м2, UVC - 0,72 Вт/м2, бактерицидний потік 8 Вт, і після використання потрібна вентиляція приміщення від озону []. На пряме питання про різницю між лампою ДРТ і пальником ДРЛ, виробник у своєму блозі відповів, що ДРТ має зелене покриття, що утеплює, на катодах.
Мал. 18 Джерело широкосмугового ультрафіолету - лампа ДРТ-125
За заявленими характеристиками видно, що спектр широкосмуговий з майже рівною часткою випромінювання в м'якому, середньому, і жорсткому ультрафіолеті, в тому числі захоплює жорсткий UVC, що генерує озон. Бактерицидний потік становить 6,4% від споживаної потужності, тобто ККД у 6 разів менше, ніж у трубчастої лампи низького тиску.
Виробник не публікує спектра цієї лампи, а в інтернеті циркулює та сама картинка зі спектром якоїсь із ДРТ. Першоджерело невідоме, але співвідношення енергії в UVC, UVB та UVA діапазонах не відповідає заявленим для лампи ДРТ-125. Для ДРТ заявлено приблизно рівне співвідношення, а спектром видно, що енергія UVB кратно більше енергії UBC. А в UVA кратно вище, ніж у UVB.
Мал. 19. Спектр дугової ртутної лампи високого тиску, що найчастіше ілюструє спектр широко застосовуваних у медичних цілях ДРТ-125.
Зрозуміло, що лампи з різним тиском та добавками у ртуть випромінюють дещо по-різному. Також відомо, що неінформований споживач схильний самостійно уявити бажані показники та якості товару, придбати засновану на своїх припущеннях впевненість, і зробити покупку. А публікація спектру конкретної лампи викличе обговорення, порівняння та висновки.
Автор одного разу купив установку ОУФК-01 з лампою ДРТ-125 та кілька років використовував для випробувань на УФ-стійкість пластикових виробів. Опроміняв одночасно два вироби, один з яких контрольний із стійкого до ультрафіолету пластику, і дивився яке пожовтіє швидше. Для такого застосування знання точної форми спектра не обов'язково, важливо лише, щоб випромінювач був широкосмуговим. Але для чого використовувати широкосмуговий ультрафіолет, якщо потрібна дезінфекція?
У призначенні ОУФК-01 зазначено, що опромінювач застосовується при гострих запальних процесах. Тобто у випадках, коли позитивний ефект дезінфекції шкіри перевищує можливу шкоду широкосмугового ультрафіолету. Очевидно, що і в такому випадку краще використовувати вузькосмуговий ультрафіолет, без довжин хвиль у спектрі, що надають іншу дію, крім бактерицидного.
Дезінфекція повітря
Ультрафіолет визнається недостатнім засобом для дезінфекції поверхонь, тому що промені не можуть проникнути туди, куди проникає, наприклад, спирт. Але ультрафіолет ефективно дезінфікує повітря.
При чханні та кашлі утворюються крапельки розміром кілька мікрометрів, які висять у повітрі від кількох хвилин до кількох годин.]. Дослідження туберкульозу показали, що для зараження достатньо однієї аерозольної краплі.
На вулиці ми в відносній безпеці через величезні обсяги і рухливість повітря, здатного розвіяти і знезаразити часом і сонячною радіацією будь-яких чих. Навіть у метро, поки частка заражених людей мала, загальний обсяг повітря в перерахунку на одного зараженого великий, і гарна вентиляція робить ризик поширення інфекції малим. Найнебезпечніше місце під час пандемій захворювань, що передаються повітряно-краплинним шляхом – це ліфт. Тому чхають повинні сидіти на карантині, а повітря в громадських приміщеннях при недостатній вентиляції потребує знезараження.
Рециркулятори
Один із варіантів знезараження повітря – закриті УФ-рецикулятори. Обговоримо один із таких рециркуляторів – «Дезар 7», відомий тим, що помічено навіть у кабінеті першої особи держави.
В описі рециркулятора сказано, що він продуває 100 м3 на годину і призначений для обробки приміщення об'ємом 100 м3 приблизно 5 × 7 × 2,8 метра.
Однак, здатність продезінфікувати 100 м3 повітря на годину не означає, що повітря в кімнаті об'ємом 100 м3 за годину буде оброблено так само ефективно. Оброблене повітря розбавляє брудне повітря, і в такому вигляді знову і знову потрапляє до рециркулятора. Нескладно побудувати математичну модель та порахувати ефективність такого процесу:
Мал. 20 Вплив роботи УФ-рециркулятора на кількість мікроорганізмів у повітрі кімнати без вентиляції.
Щоб знизити концентрацію мікроорганізмів у повітрі на 90% рециркулятору, необхідно працювати більше двох годин. За відсутності вентиляції у приміщенні це можливо. Але приміщень із людьми та без вентиляції в нормі немає. Наприклад, [] визначає мінімальну витрату зовнішнього повітря при вентиляції 3 м3 на годину на 1 м2 площі квартири. Що відповідає повній заміні повітря щогодини і робить марною роботу рециркулятора.
Якщо розглядати модель не повного перемішування, а ламінарних струменів, які проходять по складній траєкторії в кімнаті і йдуть у вентиляцію, користь дезінфекції одного з таких струменів ще менше, ніж у моделі повного перемішування.
У будь-якому випадку УФ-рециркулятор не корисніший за відкриту кватирку.
Одна з причин малої ефективності рециркуляторів у тому, що вкрай малий бактерицидний ефект у перерахунку на кожен ват УФ-потоку. Промінь проходить близько 10 сантиметрів усередині установки, а потім відбивається від алюмінію з коефіцієнтом близько k = 0,7. Це означає, що ефективний пробіг променя всередині установки близько півметра, після чого він поглинається без користі.
Мал. 21. Кадр із ролика на Youtube, на якому розбирають рецикулятор. Видно бактерицидні лампи і алюмінієва поверхня, що відбиває, значно гірше відбиває ультрафіолет, ніж видиме світло [].
Бактерицидна лампа, яка відкрито висить на стіні в кабінеті поліклініки і за розкладом включається лікарем, набагато ефективніше. Промені від відкритої лампи проходять кілька метрів, дезінфікуючи спочатку повітря, а потім і поверхні.
Опромінювачі повітря у верхній частині приміщення
У палатах лікарень, в яких постійно перебувають хворі, іноді використовують УФ-установки, що опромінюють циркулюючі потоки повітря під стелею. Основний недолік таких установок - грати, що закриває лампи, дозволяє проходити лише променям, що йдуть строго в одному напрямку, поглинаючи без користі більше 90% решти потоку.
Можна додатково продувати повітря через такий опромінювач, щоб заодно вийшов рециркулятор, але так не робиться, ймовірно через небажання отримати в палаті пиленакопичувач.
Мал. 22 Підстельовий УФ-опромінювач повітря, зображення з сайту [].
Грати захищають людей у приміщенні від прямого потоку ультрафіолету, але той потік, що пройшов через ґрати, потрапляє на стелю та стіни та дифузно відбивається, з коефіцієнтом відображення близько 10%. Приміщення заповнюється всеспрямованим ультрафіолетовим випромінюванням і люди отримують дозу ультрафіолету, пропорційну проведеному в приміщенні часу.
Рецензенти та автор
Рецензенти:
Артем Балабанов, інженер-електронник, розробник систем УФ-затвердіння;
Румен Василев, к.т.н., світлотехнік, ТОВ «Інтерлукс», Болгарія;
Вадим Григоров, біофізик;
Станіслав Лермонтов, інженер-світлотехнік, ТОВ "Комплексні Системи";
Олексій Панкрашкін, к.т.н., доцент, напівпровідникова світлотехніка та фотоніка, ТОВ «ІНТЕХ Інжиніринг»;
Андрій Храмов, спеціаліст із проектування висвітлення медичних закладів;
Віталій Цвірко, начальник світлотехнічної випробувальної лабораторії "ЦСОТ НАН Білорусі"
Автор: Антон Шаракшане, к.ф.-м.н, світлотехнік та біофізик, Перший МДМУ ім. І.М. Сєченова
Посилання
Посилання
[Airsteril]
[Aquafineuv]
[CIE 155:2003] CIE 155:2003 ULTRAVIOLET AIR DISINFECTION
[DIN 5031-10] DIN 5031-10 2018 Optical radiation physics and illuminating engineering. Part 10: Photobiologically ефективне radiation, quantities, symbols and action spectra. Фізика оптичних випромінювань та світлотехніка. Фотобіологічно активне випромінювання. Розміри, умовні позначення та спектри дії
[ESNA] ESNA Lighting Handbook, 9th Edition. ed. Rea MS Illuminating Engineering Society of North America, New York, 2000
[IEC 62471] ГОСТ Р МЕК 62471-2013 Лампи та лампові системи. Світлобіологічна безпека
[Kowalski2020] Wladyslaw J. Kowalski et al., 2020 COVID-19 Coronavirus Ultraviolet Susceptibility, DOI: 10.13140/RG.2.2.22803.22566
[Lisma]
[Mitsuichemicals]
[Nejm]
[Paint]
[TUV]
[ВООЗ] Всесвітня організація охорони здоров'я. Ультрафіолетове випромінювання: Офіційний науковий огляд щодо впливу УФ випромінювання на довкілля та стан здоров'я із згадкою про глобальне виснаження озонового шару.
[Дезар]
[Р 3.5.1904-04] Р 3.5.1904-04 Використання ультрафіолетового бактерицидного випромінювання для знезараження повітря у приміщеннях
[СП 60.13330.2016] СП 60.13330.2016 Опалення, вентиляція та кондиціювання повітря.
Джерело: habr.com