紫外C辐照杀菌消毒技术
摘 要: 论述了紫外C辐照杀菌消毒原理、优点,介绍了国内外有关技术和产品状况,并以“等光程面”原理设计了纸币紫外C消毒器光源的抛物柱面灯罩和椭圆柱面灯罩。 紫外C辐照杀菌消毒应用面广,可对空气、水、固体表面进行杀菌消毒,可杀菌谱广,对SARS病毒也具有杀灭作用。使用抛物柱面和椭圆柱面灯罩纸币消毒器, 可大幅度提高光能量密度,从而提高了杀菌消毒效率。
0 引 言
环境污染的本质是微生物(细菌和病毒)的寄生。污染物来自于工业和生活的废弃物,自然界中的变质和腐败物,也来自于病人和带病动植物的分泌和排泄物。污染 是破坏生态环境,造成疾病传染的源头。细菌可造成许多疾病,它是指一大批单细胞或多细胞形式的微生物有机物质,可由简单的分裂而快速增长。细菌存在于空 气、水、污物、腐败有机物质和动植物中。大部分细菌的直径为(0.2~1.5)μm,有些菌类直径可达(10~30)μm。病毒是一群更小尺寸的生物结 构,细胞过滤器对它不起作用,也不会在离心器内淀析出来,它寄生在有生命的细胞中并进行繁殖。病毒不仅能使人和动物致病,还能使植物和细菌本身致病。病毒 造成植物的“花叶病”、动物的口蹄疫和禽疫,人的天花、麻疹、小儿麻痹、感冒等都是病毒在作祟。而SARS病毒则是一种变异极快,且每次变异并不降低毒 性,传染性极大的变异冠状病毒。
许多年以来，人类创造世界的同时也造成了环境的污染。在饱尝了环境污染的苦果后,人类又在环境保护和治理污染,在杀菌消毒技术等方面作出了巨大努力并取得成功。这说明人类能够适应并驾驭自然,并且随着科学技术的不断进步,这种驾驭能力也在日趋强大。
1 传统的杀菌消毒方法
杀菌消毒方法从原理上区别有物理的、化学的、生物学的方法,它们具有各不相同的作用和效果,也具有各自的不足。
1.1 物理方法
1)水处理。水处理物理方法是利用物理作用分离出废水中的污染物质,或将其转为无害的物质,达到净化水的作用。主要方法有吸附、沉淀、气浮、过滤、离化、蒸发、结晶等。
2)空气净化。开窗通风虽然不能杀灭微生物,但可以稀释室内空气中的微生物浓度,所以通风被认为是一种有效的卫生措施。但能否开窗受到室外自然条件的制 约。空气过滤方法的消毒效果因微生物尺寸大小而异。采用管道或空调管道通风一般配置过滤网,可以拦截过滤掉会对人体造成伤害的可吸入性颗粒,也能配置医学 级过滤器拦截大小微生物,但仍做不到全部杀灭微生物,也不能阻止细菌在管道的湿表面上生长,过滤器使用或维护不当,本身就可能成为繁殖细菌的二次污染源。
1.2 生物法
利用微生物的代谢作用处理有机物和无机物的降解方法叫生物法。利用物理方法处理废水虽可除去废水中的悬浮物,但对有机物质和胶体都难以除净。用化学方法处 理废水需要投入大量化学试剂。借助于微生物来氧化分解废水中的有机物和无机物质,收效高且经济,特别是除去废水中的胶体和有机物效果更好。
1.3 化学法
1)臭氧消毒杀菌。臭氧的消毒机理为臭氧的强氧化性,一般用于对空气的处理。臭氧的缺点是不易储存,且不能高浓度使用,否则会对人造成伤害。
2)氯消毒。氯消毒用于对水处理,这是人们所熟知的方法,但由于会产生大量致癌、致突变、致畸变的含卤有机物,因此许多国家已经限制它的使用。
1.4 电子束辐照消毒
物质经高能电子束辐照后,在物质内部发生一系列的变化,有机和无机分子结构的变化造成随之而来的微生物的死亡和胶原体系的变化,达到消毒的效果。
1.5 辐射消毒
γ射线辐射消毒主要是通过间接效应即通过水分解产生羟基(-OH)自由基、氢自由基和水合电子而起作用。这三种粒子具有很强的活性,能够对细胞和病毒中的核酸、蛋白质和其它分子产生各种损伤。
2 紫外C消毒技术
20世纪末21世纪初,国内外对紫外C消毒技术进行了深入研究并取得成功。紫外(ultravoilet) C(以后简写为UV-C)杀菌消毒的优势主要表现在应用面广,可对空气、水、固体表面进行杀菌消毒；杀菌谱广,几乎可杀灭一切细菌和病毒,包括SARS病 毒[1]。 SARS病毒主要是近距离飞沫传染,因此特别适合使用UV-C辐照这种局部消毒方法。
2.1 UV-C辐照消毒原理
紫外光可划分为三个波段：UV-A(长波段): (320~400) nm； UV-B(中波段): (280~320) nm； UV-C(短波段): (100~280) nm。强大的杀菌作用由短波段UV-C提供。由于UV-C具有较高的光子能量,当它照射微生物时,就能穿透微生物的细胞膜和细胞核,破坏其DNA的分子 键,使其失去复制能力或失去活性,不久便会死亡。
UV-C辐照杀菌具有“累加”效应,一次辐照杀不死,多次辐照就可以杀死；当UV-C辐照与其它消毒方法配合使用时,能够产生“协同”效应,其效果不是相加而是相乘[2]。如将过滤器或臭氧与之配合使用,则杀菌消毒效果就可成倍增长。
2.2 国内外技术状况
2.2.1 国外技术概况
国外使用UV辐射进行杀菌消毒已有多年历史,而UV-C技术则是在20世纪末21世纪初兴起的,现在光源和整机技术都已比较成熟,并且与生物医学工程相结 合,完成了很多实验,获得了许多数据,制订了必要的标准。产品应用面很广,不仅用于对水的净化处理,而且已经进入对空气净化和对固体表面消毒的工程领域。 这一状况不仅表明这些国家在此领域具有相对先进的技术,而且表明其国民具有较高的生活质量。它们的研究成果(实验数据和标准)主要有[3]:①UV-C辐 照可杀灭的细菌和病毒种类；②使用UV-C辐照后,细菌和病毒存活率的计算方法；③细菌和病毒存活率为10%时的辐照剂量和有关常数；④UV-C辐照对人 体的安全阈值；⑤一些UV-C产品的产品标准和安装标准等。
国外产品分为光源和整机两类,光源的关键技术是要保证具有最大杀菌能力的辐射(254 nm)输出、寿命、节能和可靠性。
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| 图1 UV-C光源 Fig.1 UV-C light source |
光源产品中PHILIPS公司的中、低压汞灯所占国际市场份额较大。 UV-C光源与熟知的管状荧光灯相同(见图1),只是灯管材料不同。其输出与灯的运行温度有关。对于低压汞灯,环境温度为20℃,灯管壁温为40℃时输出 为最佳。灯管使用一种特殊的玻璃材料,可以隔断能够产生臭氧的辐射输出(产生臭氧的辐射为240 nm以下的波长)。中压汞灯充以较高压力的汞蒸汽,所以能产生更高的光能,更丰富的谱线。灯管使用石英玻璃材料,所以短波辐射也能输出,从而产生臭氧和 “协同”效应,但如臭氧量超标时,则应在无人的场合使用。UV-C光源安装在通风管道或空调管道内,就可以对管道内空气进行消毒。如管道对室内设计有回风 口,则室内空气就能进入管道实现循环消毒,从而提高消毒效率。 UV-C光源加上通风装置就可以成为独体或组合式的空气消毒机。 UV-C光源与各种反射罩一起安装在室内不同位置就可以有选择地对室内局部区域进行消毒。国外UV-C辐照不仅用于对室内空气消毒,还用于对食品加工生产 线上的食品、包装物消毒,可以对一切固体表面辐照消毒。在对液体消毒时,消毒效果与液体颜色和粘度有关,如果是水,因为UV-C对水具有很高的透过率,所 以具有极好的消毒效果。
2.2.2 国内产品和应用状况
国内从事UV-C辐照消毒技术研究的时间不长,近年来福建新大陆环保科技有限公司在美国UV-C光源的基础上开发出紫外C高效空气消毒净化设备,在此领域 它处于国内领先地位。针对SARS病毒, 2003年5月中旬以来,国内许多照明灯具企业开发出众多的便推式UV-C消毒产品[4~6],全部使用自己的UV-C灯管。如江阴原光光电仪器有限公 司、海宁金茂照明电器有限公司、通利康公司和华星光电实业有限公司。通利康紫外线灭菌器可对水进行消毒；华星公司开发出吊式UV-C灯空气消毒器,发明了 自镇流紫外线杂菌灯(电源无需镇流器),并申请了专利。有些产品适用于随机进行辐照消毒。它具有结构小巧、重量轻便、价格低廉、电池供电、便于携带等特 点。比如对衣服外套、床上被褥、饮料食品,尤其是对纸币这一重要传染源进行辐照消毒,这些对像都不适宜使用液体消毒。另外,人们出行乘坐各种交通工具,可 以携带这种小型仪器,对“的士”车厢、坐位,对火车床铺、坐位,对机船坐位、旅馆枕巾、被褥进行消毒。据国内媒体报道,在抗击SARS病毒中,我国医疗单 位在SARS病房配置UV-C辐照消毒设备,取得了较好的效果。
3 纸币UV-C消毒技术
纸币携带着大量细菌和病毒,是疾病传染的重要渠道。对纸币进行杀菌消毒已有的方法是集中在库内进行高温处理,此时纸币处于紧密捆扎和堆积状态。在流通中如 何对纸币进行杀菌消毒一直没有很好的方法,如果把UV-C灯管安装在点钞机和验钞机内,在验钞和点钞的同时进行杀菌消毒,则能在一些中间环节截断细菌和病 毒的传播。为了使纸币UV-C消毒器的光能量充分集中,作者用“等光程面”原理设计了抛物柱面灯罩和椭圆柱面灯罩,使杀菌消毒效率大大提高。
3.1 椭圆柱面灯罩
椭圆柱面反射镜属于等光程面,它有两条焦线,互为物像关系。利用椭圆柱面反射镜的这一性质,在UV-C消毒装置中,将UV-C灯管安置在一条焦线上,而另 一条焦线正好位于纸币通过的平面内(见图2),则此焦线上光能密度将有大辐度提高,病菌致死时间将大大缩短。
图2 椭圆柱面灯罩 Fig.2 Elliptic cylindroid lampshade 图3 抛物柱面灯罩Fig。3 parabolic cylindroid lampshade
3.2 抛物柱面灯罩
如果将灯罩做成抛物柱面反射镜,则此抛物柱面反射镜也是等光程面,它有一条焦线,从此焦线上发出的光线经抛物柱面反射以后必平行射出,见图3。在UV-C 消毒装置中,将UV-C灯管安置在焦线上,光线平行射出,且抛物柱面开口(即光束口径)与纸币宽度相同,这样杀菌消毒效率也将大大提高。作者做了一个简单 的实验,分别测量使用抛物面灯罩和未使用抛物面灯罩的手电筒的光照度,结果表明,前者约为后者的4~5倍。
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