Ультрафиолет, его свойства и технические средства дезинфекции

Ультрафиолетовое (УФ) излучение, было открыто немецким физиком Иоганном Вильгельмом Риттером в 1801г.

УФ излучение – это электромагнитное излучение в диапазоне длин волн 200 – 400 нм. Этот диапазон по степени воздействия, условно разделен на 3 группы:

• Группа «А» – излучение в диапазоне 315-400 нм

• Группа «В» – излучение в диапазоне 280-315 нм

• Группа «С» – излучение в диапазоне 200-280 нм

Диапазон, обозначенный как «вакуумный» имеет столь короткую длину волны, что может существовать только в вакууме вследствие высокой степени поглощения этого типа излучения обычным воздухом.

Излучение первых двух групп обладает рядом лечебных и профилактических свойств.

При умеренном применении УФ-А не только не наносит вреда организму, но и полезен. Он укрепляет иммунитет, способствует выработке витамина D, улучшает состояние кожи. Именно под таким ультрафиолетом мы загораем на пляже.

УФ-В применяется в медицине при лечения целого ряда заболеваний, таких как нарушение обмена веществ, предрасположенность к гнойничковым заболеваниям, нейродермит, псориаз и т.д., но длительное воздействие опасно для живых организмов. Оно способно проникать в верхние слои живых тканей и вызывать серьезные изменения их структуры вплоть до частичного разрушения ДНК. УФ-В, может вызвать серьезный и довольно глубокий радиационный ожог кожи, роговицы и хрусталика. Серьезную опасность такое излучение также представляет для растений, многих видов вирусов и бактерий.

УФ-С тоже применяется в медицине при лечении различных заболеваний. Это нейродермит, рожистое воспаление, риниты, тонзиллиты, отиты, туберкулез кожи и др.

Ультрафиолет диапазона «С», самый коротковолновый и самый опасный для всего живого.

Данный диапазон ультрафиалетового излучения не присутсвует на поверхности земли в своем естественном виде, так как атмосфера целиком поглащает его из солнечного спектра и таким образом, высшие организмы не выработали механизмы, обеспечивающие безопасное его воздействие.

Санитарные нормы, используемые в России не допускают длительного воздействия УФ излучения диапазона «С».

УФ-С даже в малых дозах способно разрушать цепи ДНК, вызывая мутации. У человека, как правило, его воздействие вызывает рак кожи и меланому. Из-за способности достаточно глубоко проникать в ткани (но меньше чем УФ-А и УФ-В), УФ-С может вызвать необратимый радиационный ожог сетчатки и глубокие повреждения кожного покрова.

УФ-С, ввиду высокой энергии, приводит к гибели целого ряда бактерий, вирусов и (в меньшей степени) грибков. Это свойство жесткого ультрафиолета широко применяется для дезинфекции воздуха, различных поверхностей, воды.

Для целей дезинфекции, был разработан целый ряд технических средств, основным элементом которых, является УФ-лампа.

В наиболее распространённых лампах низкого давления 30-40 % излучения приходится на длину волны 254 нм, что хорошо согласуется с пиком кривой бактерицидной эффективности (то есть эффективности поглощения ультрафиолета молекулами ДНК).

Кроме ламп низкого давления, существуют лампы среднего и высокого давления. Они также применяются в различных установках медицинского и технического назначения. Применение таких ламп определяется более широким спектром излучения и другими особенностями (например, ресурсом, температурой колбы и пр.).

Сравнительно недавно, на рынке появились светодиодные источники УФ излучения. Их неоспоримым преимуществом является компактность и узкий спектр, но пока не решены проблемы связанные с невысокой мощностью таких полупроводниковых источников, высокой степенью деградации кристалла, высокой ценой. Поэтому их широкое применение пока сильно ограничено.

Кроме того, источниками УФ могут служить специальные лазеры, но их использование также ограничено их высокой стоимостью и спецификой.

Теперь рассмотрим некоторые технические средства, применяемые для дезинфекции помещений, особенно это стало актуальным в связи с ростом случаев заражения COVID-19.

Первое, это дезинфекция воздуха и окружающей обстановки открытыми УФ облучателями.

Это пожалуй самый простой и эффективный способ борьбы с вирусами.

УФ светильник размещается стационарно на стене или потолке. Также есть мобильные версии, когда светильник просто заносят или вкатывают в помещение. При включении такого светильника, обеззараживанию подвергаются как стены и предметы, так и воздух, сквозь который проходит излучение. Разумеется, во время проведения такой процедуры, нахождение людей в помещении запрещено. Кроме того, жесткий УФ имеет свойство приводить к старению такие материалы как пластики, дерево, ткани, и это стоит учитывать, не подвергая их завышенным дозам.

Как же определить дозу?

Количество выживших микроорганизмов при увеличении дозы ультрафиолета снижается экспоненциально. То есть, если доза в 10 Дж/м2, убивает 90% бактерий туберкулеза, то две таких дозы убивают 99%, три дозы 99,9% и т.д.

Экспериментальные значения доз для некоторых микроорганизмов, приведены в таблице. Как видно, даже малая доза убивает большую часть микроорганизмов, но для достижения большей эффективности, дозу необходимо значительно увеличить.

По действующей утвержденной Минздравом России методике использования ультрафиолета для обеззараживания воздуха [Р 3.5.1904-04] эффективность дезинфекции 99,9% требуется для операционных, родильных домов и т.д. Для школьных классов, помещений общественных зданий и т.д. достаточно 90%. Это значит, что при бытовом использовании, средняя доза может не превышать 50 Дж\м2.

Посмотрим на реальном примере.

Имеем комнату 3*4*2,8 м. Общая площадь поверхностей составит 63.2 м2. Бактерицидная лама мощностью в 30 Вт, будет иметь бактерицидный поток порядка 10Вт, с учетом потерь примерно 8 Вт.

В среднем на поверхность упадет поток излучения 8 Вт/63,2м2 = 0,127 Вт/м2 в сек. Для достижения дозы в 130 Дж/м2 (ротавирус 90% эффективность), необходимо время 130/0,127=1023 сек. или 17 мин. С учетом того, что доза для COVID-19, примерно соответствует дозе для золотистого стафилококка, через это время помещение будет продезинфицировано и от этого вируса тоже.

Но не стоит забывать, что не все участки помещения будут равномерно освещены УФ излучением. Участки комнаты и предметы, расположенные в тени или под большим углом к источнику излучения, получат меньшую дозу, или не будут облучены вовсе. Кроме того, с расстоянием, поток излучения резко падает, поэтому есть такая рекомендация, из которой следует, что на 1м3 помещения, необходимо иметь примерно 1 Вт мощности лампы.

В нашем случае: V помещения 3*4*2,8=33,6 м3., на этот объем необходима суммарная мощность ламп 30 Вт.

Вторая разновидность технических средств - рециркуляторы.

Больной человек при чихании и кашле распыляет в окружающую среду мелкую аэрозоль в виде капелек, содержащих вирусы, которые могут висеть в воздухе до нескольких часов.

На свежем воздухе или в большом помещении с хорошей вентиляцией, риск заражения невелик, но в маленьких помещениях или при большом скоплении людей, он резко возрастает. В этом случае, воздух необходимо обеззараживать, используя рециркуляторы.

Рециркуляторы, это закрытые устройства, из которых не выходит ультрафиолет, благодаря этому причине, они могут эксплуатируются в присутствии людей.

Конструкция достаточно проста:

Через камеру облучения прогоняется воздух, который обеззараживается. На выходе мы получаем свободную от микрофлоры среду.

В описании любого рециркулятора указано, какой объем воздуха он способен пропустить сквозь себя за 1 час, и для обработки какого объема он предназначен. Однако способность продезинфицировать к примеру 100 м3 воздуха в час вовсе не означает, что воздух в комнате объемом 100 м3 за час будет обработан так же эффективно. Чистый от микрофлоры воздух разбавится грязным, и в таком виде снова и снова попадает в рециркулятор. Таким образом, эффективность такого процесса не линейна, и чтобы снизить концентрацию микроорганизмов в воздухе, допустим на 90%, рециркулятору необходимо работать более двух часов. Поэтому, есть определенное правило, которое желательно учитывать при выборе рециркулятора, а именно - 15 Вт мощности лампы на 1 человека (больного).

Кроме того, имеет смысл рассмотреть вопрос безопасности, который возник в связи с бумом на рынке рециркуляторов.

В последнее время появились производители, чьи рециркуляторы в прямом смысле светятся. Выходы воздушных каналов не просто плохо защищены от прохождения УФ излучения, они просто не защиты никак!

Чтобы избежать неприятностей, связанных с эксплуатацией подобных приборов, давайте рассмотрим, какими должны быть действительно безопасные рециркуляторы.

Российская компания ООО ПМБП «ЭНЕРГИЯ», производит широкий спектр оборудования бытового и медицинского назначения. В списке наших товаров, такие устройства, как ионизаторы, озонаторы, мойки воздуха, нагреватели воды, но сейчас мы задались вопросом: - как наша компания можем помочь людям чувствовать себя более уверенно и безопасно в довольно сложный период, который мы с вами переживаем?

Так созрело решение создать ряд устройств на основе ультрафиолета: удобных, эффективных, но главное, максимально безопасных для человека.

Основные характеристики прибора:

Прибор используется для дезинфекции воздушной среды помещений объемом до 100 м3, с постоянным присутствием 2-3 человек. Имеется линейка приборов с различной производительностью.

Первое, что бросается в глаза, это металлический корпус. На самом деле корпус выполнен из современного композитного материала, который объединяет в себе преимущества как металлов, так и пластиков, а именно:

прочный, но при этом достаточно легкий;

не подвержен коррозии и разрушению от жесткого ультрафиолета;

качественное покрытие порошковой полимерной краской.

Такой корпус прослужит долгие годы, сохранив свой первоначальный внешний вид.

Внутренняя сторона прибора имеет зеркальную алюминиевую поверхность. Такая поверхность способствует переотражению потока, что усиливает бактерицидный эффект. Выбор алюминия связан с особенностями распространения ультрафиолета жесткой части спектра.

Жесткий ультрафиолет, применяемый для дезинфекции помещений, в отличие от видимого света, в большей степени поглощается различными материалами (чем меньше длина волны, тем меньше коэффициент отражения). Так алюминий и его сплавы отражают от 48 до 80% УФ-С излучения. Белая штукатурка, или меловая побелка (отражающие большую часть света в видимом диапазоне), отражают всего 14 - 20% УФ-С. Цинковые белила и масляная краска для УФ являются почти черными (коэффициент отражения 3%), а белая глазурованная плитка, практически не отражает ничего (коэффициент отражения 1%).

Следующеая особенность, это монтаж ламп на нижней, съемной панели прибора.

 УФ лампы, имеют ограниченный ресурс, котрорый связан с уменьшением бактерицидного потока с течением времени. Обычно принято указывать срок наработки в часах. Это время, за которое бактерицидный поток снизится на 30% (не у всех производителей) от первоначального значения. Для дорогих и качественных ламп (Philips,Osram, ДБ и т.д.) это значение составляет порядка 8000-9000 часов (за счет особого внутреннего прокрытия), для более дешевых ламп, это может быть 3000 часов и менее (см. график ниже).

Таким образом, по завершении ресурса, лампы следует заменить, что в этом приборе сделать достаточно просто - нужно выкрутить крепеж, поднять панель с лампами и перевернуть ее вокруг продольной оси. Теперь ничто не мешает их замене или чистке (даже незначительный слой пыли уменьшает интенсивность УФ излучения на 10%).

Еще один немаловажный вопрос, это шум издаваемый рециркулятором. Не стоит забывать, что рециркуляторы эксплуатируются в присутствии людей.

Одно дело производственное помешщение, и совсем другое - детские сады, палаты больниц, жилые квартиры.

Исходя из этого, инженерам производственной лаборатории была поставлена задача, сконструировать прибор, способный обеспечить производительность установки 60 л3/ч при уровне шума не более 35 Дб.

Сотрудники справились с поставленой задачей, применив специальные низкоскоростные вентиляторы и разработав особую систему перегородак, позволяющую надежно отсекать УФ излучение при минимальном сопротивлении воздушному потоку.

Посмотрим на результаты тестов.

Замер мощности излучения производится прибором модели RGM-UVC по двум взаимно диагональным сторонам. Лампы открыты (расположены в положениии замены). Расстояние до ламп составляет 500 мм.

С приближением к источнику излучения, плотность потока растет нелинейно и у поверхности ламп суммарная мощность составит порядка 50000 мкВт/см². Такой уровень излучения представляет серьезную опасность для здоровья человека.

Единственное место, откуда может исходить такое излучение, это торцы прибора, сквозь которые проходит воздушный поток.

Как видим, измерительный прибор не фиксирует выхода УФ-С излучения со стороны вентилятора, хотя заметна голубоватая подсветка. УФ-С диапазон полностью отсечен, а подсветка - видимый свет.

Бактерицидные УФ лампы, содержат в своем спектре не только УФ излучение, но и часть видимого спектра, который мы наблюдаем как голубоватое свечение.

Проведем аналогичный замер УФ-С излучения, предварительно сняв защитные жалюзи.

Как видно на фотографии, свечение в видимом диапазоне резко выросло, а уровень излучения УФ-С диапазона составил 76 мкВт/см². Это опасное значение! Замер уровня УФ-С излучения с противоположной стороны рециркулятора, дает аналогичный результат.

Таким образом, прибор полностью защищен от выхода УФ-С излучения во внешнюю среду и безопасен для человека.

Основные характеристики прибора:

Прибор используется для очистки, увлажнения и ионизации воздуха в помещении. Воздух очищается как от пыли (взвешенная в воздухе пыль, пыльца растений), так частично и от патогенной микрофлоры. Прибор не требует средств дезинфекции воды в контейнере.

Имеется линейка приборов, имеющая большую производительность по воздуху, ультрафиолету, расширенные функции.

Сам по себе воздухоочиститель-увлажнитель прекрасно выполняет свои основные функции - очистка, ионизация и увлажнение воздуха. Его главное достоинство, это увлажнение за счет естественного испарения воды со специальных дисков. Такой метод увлажнения не приводит к образованию белого налета на стенах и окружающих предметах как на ультразвуковых приборах, и отличается малым энергопотреблением в отличие от испарителей работающих за счет подогрева воды.

Подобные приборы давно и успешно производятся нашей компанией, и кроме увлажнения, хорошо справляются с очисткой воздуха от пыли и осевшей на ней микрофлоры. Кроме того, в линейке имеются устройства генерирующие озон, который, как известно, является мощным дезинфектором, но является опасным газом в больших дозах.

Было принято решение создать модификацию, усиливающую эффект дезинфекции, но являющуюся безопасной для людей и животных даже при небрежном использовании.

Рассмотрим конструкцию прибора.

Снимем верхнюю часть увлажнителя, и заглянуть вовнутрь. Там расположен зеркальный алюминиевый стакан, ионизатор и небольшая лампа. Эта лампа, имеющая мощность 3 Вт, является источник УФ-С излучения.

Как известно, бактерицидная эффективность УФ-облучения (отношение числа погибших микроорганизмов к их начальному числу, в процентах) пропорциональна энергии и экспозиции излучения и определяется бактерицидной дозой облучения. Другими словами, чтобы дезактивировать больше микроорганизмов, надо облучать их большим количеством ультрафиолета достаточно длительное время, например как в камере рециркулятора.

Увлажнители, как правило, имеют небольшие размеры. Кроме того, для эффективного увлажнения, через камеру такого прибора прокачивается значительный воздушный поток. Но увлажнители нашей компании имеют регулятор скорости потока воздуха и учитывая вышесказанное, на малых скоростях работы вентилятора, можно ожидать бактерицидный эффект, близкий к бактерицидному эффекту рециркуляторов.

Кроме бактерицидного эффекта увлажненного воздуха, в рассматриваемом приборе, несомненным преимуществом является обеззараживание воды. То есть вода, залитая в прибор, не будет тухнуть. Болезнетворная микрофлора, попавшая с потоком ионизированного воздуха будет погибать, а это значит, вам не придется возиться с дезинфицирующими средствами, о которых порой с легкостью забываешь.

Так уровень излучения УФ лампы на нижнем срезе алюминиевого стакана (это 100 мм до лампы) составляет 368 мкВт/см2 , или 3,68 Вт/м2

Таким потоком облучаются вода. За время 10 мин., мы получим энергию излучения:

W = 3.68 Вт/м2 * 600 сек =2208 Дж или поверхностную дозу облучения:H = 2208 Дж/м2Несмотря на то, что водная среда на порядок увеличивает выживаемость микроорганизмов при УФ обработке, этого вполне достаточно для нейтрализации микрофлоры находящейся в воде.

Уровень УФ-С излучения через переднюю решетку увлажнителя не фиксируется.

В верхней решетке увлажнителя, в отдельных точечных областях, прибор фиксирует 2 мкВт/см2, или 0,02 Вт/м2, но уже на расстоянии 5 см от решетки, мощность излучения снижается до нулевого значения.

Прибор достаточно хорошо защищен и при правильной эксплуатации, является безопасным.

Основные характеристики прибора:

Данный прибор является индивидуальным рециркулятором и ионизатором воздуха.

Устройство размещается на столе таким образом, чтобы человек находился в зоне его воздушного потока.

Кроме того, со снятой верхней крышкой, может использоваться для дезинфекции прямым УФ излучением различных предметов и небольших помещений (санузлов, кладовок и т.п).

Это интересный сам по себе прибор, который является миниатюрным рециркулятором для индивидуального применения или бактерицидным излучателем (при открытой крышке). В режиме рециркулятора, он создает безопасную среду в пределах рабочей зоны человека, как раз там, где это и необходимо. Такой подход особенно эффективен для тех, кто по специфике своей работы постоянно контактирует с множеством людей. Одно дело работающий где-то на стене большой прибор дезинфицирующий воздух всего помещения, и совсем другое, гарантированно чистый воздух именно там, где вы находитесь, в пространстве вашего рабочего места.

Прибор также снабжен ионизатором, который можно включить или выключить по желанию.

Проверим уровень излучения прибора работающего в режиме рециркулятора.

Замер излучения со стороны лицевой части прибора не фиксирует УФ-С излучения. Даже видимую часть спектра практически незаметно. Замер излучения со стороны задней крышки прибора, дает аналогичный результат.

Это свидетельствует о безопасности эксплуатации данного устройства.

Теперь определимся, насколько эффективен данный прибор в режиме бактерицидного излучателя.

Откроем верхнюю крышку. Под крышкой расположена алюминиевая зеркальная камера и две УФ лампы по 3 Вт каждая.

Зеркальная камера усиливает антибактерицидный эффект.

Две лампы в камере создают достаточно плотный поток УФ излучения, который на расстоянии 3 см. от ламп, составляет 2000 мкВт/см2 или 20 Вт/м2, а это уже реально опасная доза, и пусть вас не вводит в заблуждение размер ламп!

Замер уровня излучения на расстоянии 500 мм от ламп, дает значение 13 мкВт/см2 или 0,13Вт/м2. Насколько это безопасно для человека, находящегося рядом с открытым прибором?

Вычислим энергию бактерицидного излучения «W» за время 10 мин., которая определяется как произведение бактерицидного потока на время облучения 0,13 Вт/м2 *10*60 = 78 Дж.

Тогда поверхностная доза облучения, которая определяется как отношение W/S составит 78 Дж/м2.

Теперь проверим, насколько действенны рекомендации относительно защиты глаз.

«Наденем» на лампы обычные стеклянные очки и строительные очки красного пластика фирмы «Krafter».

Прибор не фиксирует прохождения УФ-С излучения.

Таким образом, при условии соблюдения правил эксплуатации, все рассмотренные приборы являются безопасными.