Что убивает бактерицидная ультрафиолетовая лампа
Использование бактерицидных ламп различного типа является одним из наиболее популярных методов обеззараживания помещений, а также различных поверхностей и предметов. Излучаемый такими лампами ультрафиолет оказывает негативное влияние на простейшие микроорганизмы, включая вирусы, бактерии, грибок и плесень, путем разрешения структуры их ДНК, что в конечном итоге приводит к невозможности размножения патогенов и гибели всей колонии.
При этом стоит отметить, что влияние УФ света, пик которого в бактерицидных лампах приходится на 254-256 нанометров, на одноклеточные и многоклеточные живые организмы совершенно различно, поскольку последние достаточно эффективно от него защищены с помощью ороговевших клеток кожи, шерсти, перьев и так далее. Однако некоторые производители бактерицидных ламп уверяют. Что они могут использоваться в борьбе насекомыми, в частности вшами и постельными клещами. Но так ли это на самом деле?
Бактерицидная лампа от клещей
Вши и клещи, ровно как и другие мельчайшие насекомые, являются многоклеточными организмами, поэтому бороться с ними с помощью одного лишь ультрафиолета бесполезно. Хотя ультрафиолет и способен уничтожать яйца эктопаразитов, для этого требуется его непосредственное воздействие на личинки. Но вследствие того, что как сами клещи, так и их яйца могут находиться глубоко складках мебели, внутри подушек и в прочих недоступных местах, добиться такого воздействия невозможно.
Однако использование бактерицидных ламп для борьбы с клещами все же возможно. Речь и дет о кварцевых лампах, которые во время своей работы рассеивают большое количество ультрафиолета с длиной волны в 185 нм, способствующего образованию озона из кислорода. Этот газ оказывает негативное воздействие на все многоклеточные организмы, включая человека, позволяя таким образом уничтожить не только вирусы и бактерии, но и мельчайших насекомых. 
При этот стоит помнить, что во время кварцевания (за исключением специальных медицинских процедур) в нем не должно находиться не только людей, но и домашних животных, и даже цветов. После же окончания процедуры обеззараживания помещение должно быть тщательно проветрено.
Убивает ли кварцевая лампа вирусы?
Кварцевая лампа используется преимущественно в медицине, косметологии и пищевой промышленности. Обладает лечебным, антибактериальным, дезинфицирующим и профилактическим действием при многих заболеваниях, таких как дефицит витамина D или остеопороз. Кварцевая лампа убивает вирусы, но она подойдет не всем, наблюдаются побочные эффекты от использования этого вида терапии.
Что такое кварцевая лампа?
Кварцевая лампа — это газоразрядная лампа, излучающая ультрафиолетовые лучи. Эта ртутная лампа обладает бактерицидным, дезинфицирующим, лечебным и профилактическим действием. Устройство берет свое название от основного компонента — кварцевого стекла, заполненного парами ртути или инертных газов (например, ксенона).
Электрические разряды приводят к тому, что возмущенные атомы металла или газа вызывают эффект излучения. Кварцевая лампа была особенно использована в 19 веке, когда были обнаружены ее целебные свойства. На сегодняшний день ее применяют в терапии и профилактике некоторых заболеваний или в косметологии.
Применение кварцевой лампы
Кожные заболевания, такие как прыщи, псориаз, фурункулы, бактериальные кожные инфекции, трудно заживающие раны, язвы и пролежни – это лишь некоторые из показаний к её применению. Использование кварцевой лампы не ограничивается проблемами с кожей. Она может быть использована в качестве средства для лечения остеопороза, заболеваний суставов или невралгии мягких тканей, а также для снижения кровяного давления и нервного напряжения.
Этот вариант гелиотерапии также рекомендуется для профилактики рахита и деминерализации костей. Более того, косметология также выигрывает от лечебных свойств этого устройства, что объясняется эффектом упругости, питания и васкуляризации эпидермиса.
У лечения также есть противопоказания, их нельзя использовать, когда у пациента невроз, лихорадка, низкое кровяное давление, диабет, кахексия, туберкулез легких, гипертиреоз, острый и хронический нефрит, красная волчанка, болезнь Аддисона и болезнь Базедова.
Убивает ли вирусы ультрафиолетовая лампа?
Кварцевая лампа губительно воздействует на вирусы и бактерии, другие микроорганизмы. Эффект достигается за счет излучения ультрафиолетовых лучей. Принцип их воздействия заключается в том, что они разрушают структуру ДНК этих микроорганизмов.
В устройстве есть кварцевое стекло, с помощью которого в больших количествах выделяется озон. В больших количествах он вреден не только вирусам, но и человеку. Поэтому после обработки помещения, известного как кварцевание, необходимо обязательно проветривание.
Из-за этого возникают трудности использования кварцевой лампы на больших пространствах, в которых находится большое количество людей. С одной стороны, кварцевая или ультрафиолетовая лампа убивает вирусы, с другой – она станет источником вреда для людей. Но ученые нашли решение и в этом случае.
Дальний ультрафиолет в борьбе против вирусов
В связи с пандемией коронавирусной инфекции COVID-19 ученые обратили внимание на кварцевые или ультрафиолетовые лампы, как хороший способ дезинфекции от коронавируса. Врачи признают, что использование таких устройств является одним из методов дезинфекции. Но это относится в первую очередь к поверхности. Поверхность должна подвергаться воздействию этого света в течение, по крайней мере, непрерывных 8 часов.
Исследователи из Ирвинговского медицинского центра Колумбийского университета сообщают о своем новаторском открытии, которое может изменить способы борьбы с вирусами — от простуды и заканчивая гораздо более опасными микробами, включая бактерии, в том числе с префиксом «супер». Ключ к борьбе с ними – ультрафиолетовый свет.
Речь идет о ультрафиолетовом излучении (длина волны от 200 до 400 нанометров), которое присутствует в солнечном свете, но ни одна его часть не достигает Земли — все это поглощается атмосферой. Давно известно, что в широком спектре это излучение может быть использовано для уничтожения всех микроорганизмов путем разрыва связей в ДНК.
К сожалению, он оказывает такое же воздействие на более сложные организмы. Поэтому его можно использовать там, где нет прямого контакта с человеком, например, для дезинфекции медицинского оборудования.
Однако американские ученые пришли к выводу, что сужение спектра этого излучения может привести к тому, что оно сможет уничтожать патогенные микроорганизмы, будучи в то же время безопасным для здоровья человека. И такой диапазон был найден — это дальнее ультрафиолетовое излучение типа С (дальнее УФ-излучение).
Как показали исследования, свет в этом диапазоне эффективен для уничтожения находящихся в воздухе вирусов без какого-либо вреда для тканей человека. Следовательно, допускается использования таких ламп в общественных местах, где находится много людей, и где вирусам легче всего перемещаться: на станциях, в аэропортах, в школах или, в конечном итоге, в больницах.
Применение дальнего УФ-излучения может существенно препятствовать развитию злокачественных микробов и сократить количество случаев заболевания.
Помогает ли бактерицидная лампа от вирусов?
Принцип ее действия аналогичен кварцевой лампе. Ее излучение также губительно для микроорганизмов, разрушает их структуру ДНК. Она также является источником УФ-излучения.
Но бактерицидная лампа от вирусов состоит из виолевого стекла. Его особенность – максимальная фильтрация озона. А это существенно снижает вред для организма человека, который кратковременно может присутствовать вблизи работающей лампы. После ее работы помещение проветривать необязательно. Другое название бактерицидных ламп – безозоновые.
Антибактериальная (бактерицидная) лампа: полезные и негативные свойства
В холодное время года человек подвержен простудным заболеваниям. Для поддержания здоровья есть много методов. Бактерицидная лампа – один из способов уничтожить вредные возбудители заболеваний.
Что такое и для него нужна бактерицидная лампа.
Бактерицидная (антибактериальная) лампа используется для эффективного уничтожения в жилых помещениях болезнетворных микробов. Она излучает ультрафиолетовые лучи, которые убивают множество опасных вирусов, бактерий (различные стафилококки, энтерококки, палочки), грибков (дрожжевые, плесневые), плесень.
Обеззараживающий эффект основан на свойстве ультрафиолетовых волн короткого диапазона (180-280 нм) проникать в структуру ДНК простейших микроорганизмов, разрушать ее и препятствовать дальнейшему делению клеток.
Виды бактерицидных ламп.
По способу воздействия выделяют озоновые (кварцевые) и безозоновые приборы. Озоновые изготавливают с колбами из кварцевого стекла. Кроме ультрафиолетовых лучей оно пропускает озонообразующее излучение. При работе выделяется ядовитый озон. Обеззараживание помещений производится в отсутствие людей. А после комната тщательно проветривается.
Бактерицидные (безозоновые) приборы изготавливаются с колбами из увиолевого стекла. Оно не пропускает озонообразующее излучение. Такие лампы не требуют проветривания помещения после работы. Проводить дезинфекцию можно в присутствии людей. При соблюдении правил безопасности антибактериальные лампы безопасны.
Еще к безозоновым относятся ксеноновые и амальгамные облучатели. В первых используется не ртуть, а ксенон. Недостаток один – недолгий срок службы. Колба амальгамных ламп покрыта изнутри пленкой амальгамы – сплава ртути, индия и висмута. При прохождении тока через лампу она нагревается, испаряя ртуть и синтезируя ультрафиолет. Оба типа ламп безопасны для человека. Они не выделяют озон и не содержат ртуть в опасной форме: нет проблем с утилизацией. Амальгамная лампа имеет самый долгий срок службы из всех бактерицидных.
По способу воздействия выделяют закрытые и открытые приборы.
В открытых ультрафиолет распространяется в разные стороны. Такой тип эффективнее справляется с уничтожением патогенной микрофлоры. Но проводят дезинфекцию в отсутствие людей.
Приборы закрытого типа (рециркуляторы) прогоняют воздух через себя, очищая и обеззараживая его. Ультрафиолет чистит воздух внутри рециркулятора. Достоинство прибора в его безопасности для человека. Недостаток заключается в отсутствие дезинфекции поверхностей. Чистится только воздух.
Существует антибактериальная лампа для очистки воды. Она помещается непосредственно в водопроводе и используется в водоподготовке воды для питья и для очистки сточных вод.
По способу установки обеззараживатели делятся на:
Мобильные удобны тем, что одним прибором можно очистить несколько помещений подряд.
Стационарные крепятся на полу (для дезинфекции больших помещений), стене или потолке, столе (для локальной очистки).
Устройство и принцип работы лампы.
Конструктивно антибактериальная лампа – это газоразрядная лампа с колбой из особого увиолевого стекла. Именно стекло придает прибору способность пропускать безопасные для человека ультрафиолетовые лучи длиной волны короче 280 нм.
Конструктивное устройство лампы.
При прохождении тока через колбу газ (ртуть или ксенон) начинает светиться и синтезировать ультрафиолетовые лучи, которые пропускает наружу увиолевое стекло.
Полезные и негативные свойства.
Достоинства дезинфицирующих ламп.
Однако, при неправильном использовании прибор не принесет пользы. Запрещается использование бактерицидных облучателей при:
Возможны аллергические реакции: головная боль, кожные высыпания, насморк.
Область применения.
Как применять обеззараживающую лампу.
Антибактериальный прибор обеззараживает любые помещения.
Бак лампы работают от бытовой сети с напряжением 220 В, частотой 50 Гц.
Для безопасного использования соблюдайте технику безопасности:
При соблюдении этих правил прибор безопасен и не принесет вреда.
Если вы используете бактерицидный прибор, не содержащий ртуть, то проблем с утилизацией не возникнет. Если нет, то помните, что ртутьсодержащие приборы нельзя выбрасывать с бытовым мусором. Металл причиняет большой вред земле и особенно грунтовым водам. Основная опасность в микроорганизмах: они вступают с ним в реакцию, образуя метилртуть. Соединение токсично и почти не разлагается. Зато метилртуть отлично растворяется в воде. Загрязнению подлежат грунтовые воды на очень большой территории.
Антибактериальные лампы сдают в специальные контейнеры на придомовых площадках для мусора. Если рядом с домом такой контейнер не оборудован, то можно отнести в экологический отдел администрации или ремотно-эксплуатационное управление. В больших городах оборудованы передвижные и стационарные пункты приема опасных отходов. Полную информацию можно узнать по телефону в администрации города.
При каких заболеваниях используется антибактериальная лампа.
Лечение заболеваний органов дыхания.
Ультрафиолетовое облучение помогает при разных заболеваниях:
Перед применением ультрафиолетовых ламп в лечебных целях проконсультируйтесь с врачом: доктор посоветует наилучший вариант для лечения.
Критерии выбора ламп. Какую лампу выбрать?
Чтобы правильно выбрать прибор, необходимо определить несколько его параметров:
Для использования дома безопаснее выбирать безозоновые лампы и рециркуляторы. Кроме случаев нахождения в квартире болеющего человека – тогда эффективнее применять озоновую лампу.
Передвижные обеззараживатели удобнее для квартиры: это дает возможность одним прибором обрабатывать все помещения.
При выборе мощности не безопасно ее завышать. Для комнаты 20-35 м 2 хватит 15-ваттной лампы, 40 м 2 и больше требуют 30-ваттного прибора.
Набирают популярность небольшие лампы для дезинфекции закрытых пространств: холодильников, шкафов для посуды и т.п.
Наличие таких функций, как таймер, дисплей помогает при эксплуатации прибора.
Обратите внимание на продукцию известных компаний, которые давно находятся на рынке. Они строго следят за качеством. Такие лампы продаются в специализированных магазинах лабораторного или медицинского оборудования. Или на сайтах по онлайн-продажам приборов для дезинфекции помещений. Экономия в данном случае здоровью не поможет!
Рейтинг бактерицидных ламп на 2020 год.
Рециркулятор (Armed СН-111-130).
Рейтинг составлен на основе данных специализированных интернет-магазинов медицинской техники. Он информативный, не является рекламным.
В качестве примера рассмотрены ультрафиолетовые рециркуляторы закрытого типа для больших помещений мощностью 30 Вт.
Ультрафиолет: эффективная дезинфекция и безопасность
Свойства ультрафиолета зависят от длины волны, а ультрафиолет разных источников отличается спектром. Обсудим, какие источники ультрафиолета и как применять, чтобы максимизировать бактерицидное действие, минимизировав риски нежелательных биологических эффектов.
Рис. 1. На фотографии не дезинфекция излучением UVC, как можно подумать, а тренировка использования защитного костюма с выявлением в лучах UVA люминесцирующих пятен учебных телесных жидкостей. UVA – мягкий ультрафиолет и не оказывает бактерицидного действия. Закрытые глаза – оправданная мера безопасности, так как широкий спектр используемой люминесцентной лампы UVA пересекается с UVB, который опасен для зрения (источник Simon Davis/DFID).
Длина волны видимого света соответствует энергии кванта, при которой только-только становится возможным фотохимическое действие. Кванты видимого света возбуждают фотохимические реакции в специфической фоточувствительной ткани – в сетчатке глаза.
Ультрафиолет невидим, его длина волны меньше, частота и энергия кванта выше, излучение жестче, разнообразие фотохимических реакций и биологических эффектов больше.
Ультрафиолет различается на:
Бактерицидное действие ультрафиолета
Бактерицидное действие оказывает жесткий ультрафиолет – UVC, и в меньшей степени ультрафиолет средней жесткости – UVB. По кривой бактерицидной эффективности видно, что явное бактерицидное действие оказывает только узкий диапазон 230…300 нм, то есть примерно четверть от диапазона, называемого ультрафиолетом.
Рис. 2 Кривые бактерицидной эффективности из [CIE 155:2003]
Кванты с длинами волн в этом диапазоне поглощаются нуклеиновыми кислотами, что приводит к разрушению структуры ДНК и РНК. Помимо бактерицидного, то есть убивающего бактерии, этот диапазон оказывает вирулицидное (противовирусное), фунгицидное (противогрибковое) и спороцидное (убивающее споры) действие. В том числе убивается вызвавший пандемию 2020 г. РНК-содержащий вирус SARS-CoV-2.
Бактерицидное действие солнечного света
Бактерицидное действие солнечного света относительно невелико. Посмотрим на солнечный спектр над атмосферой и под атмосферой:
Рис. 3. Спектр солнечного излучения над атмосферой и на уровне моря. Наиболее жесткая часть ультрафиолетового диапазона до поверхности земли не доходит (заимствовано из Википедии).
Стоит обратить внимание на выделенный желтым надатмосферный спектр. Энергия кванта левого края спектра надатмосферных солнечных лучей с длиной волны менее 240 нм соответствует энергии химической связи 5.1 эВ в молекуле кислорода «O2». Молекулярный кислород поглощает эти кванты, химическая связь рвется, образуется атомарный кислород «O», который соединяется обратно в молекулы кислорода «O2» и, частично, озона «O3».
Солнечный надатмосферный UVC образует в верхних слоях атмосферы озон, называемый озоновым слоем. Энергия химической связи в молекуле озона ниже, чем в молекуле кислорода и поэтому озон поглощает кванты меньшей энергии, чем кислород. И если кислород поглощает только UVC, то озоновый слой поглощает UVC и UVB. Получается, что солнце самым краешком ультрафиолетовой части спектра генерирует озон, и этот озон затем поглощает большую часть жесткого солнечного ультрафиолета, защищая Землю.
А теперь аккуратно, обращая внимание на длины волн и масштаб, совместим солнечный спектр со спектром бактерицидного действия.
Рис. 4 Спектр бактерицидного действия и спектр солнечного излучения.
Видно, что бактерицидное действие солнечного света незначительно. Часть спектра, способная оказывать бактерицидное действие, почти полностью поглощена атмосферой. В разное время года и в разных широтах ситуация немного различается, но качественно похожа.
Опасность ультрафиолета
Руководитель одной из крупных стран предложил: «для излечения от COVID-19 нужно доставить солнечный свет внутрь организма». Однако, бактерицидный УФ разрушает РНК и ДНК, включая человеческие. Если «доставить солнечный свет внутрь организма» – человек погибнет.
Эпидермис, в первую очередь роговой слой отмерших клеток, защищает живую ткань от UVC. Ниже эпидермального слоя проникает только менее 1% излучения UVC [ВОЗ]. Более длинные волны UVB и UVA проникают на большую глубину.
Если бы солнечного ультрафиолета не было, возможно, люди бы не имели эпидермиса и рогового слоя, и поверхность тела была слизистой, как у улиток. Но так как люди эволюционировали под солнцем, слизистыми являются только защищенные от солнца поверхности. Наиболее уязвима слизистая поверхность глаза, условно защищенная от солнечного ультрафиолета веками, ресницами, бровями, моторикой лица, и привычкой не смотреть на солнце.
Когда впервые научились заменять хрусталик на искусственный, офтальмологи столкнулись с проблемой ожогов сетчатки. Стали разбираться в причинах и выяснили, что живой человеческий хрусталик для ультрафиолета непрозрачен и защищает сетчатку. После этого стали делать непрозрачными для ультрафиолета и искусственные хрусталики.
Изображение глаза в ультрафиолетовых лучах иллюстрирует непрозрачность хрусталика для ультрафиолета. Собственный глаз освещать ультрафиолетом не стоит, так как со временем хрусталик мутнеет, в том числе из-за набранной с годами дозы ультрафиолета, и нуждается в замене. Поэтому воспользуемся опытом отважных людей, которые пренебрегли безопасностью, посветили себе в глаза ультрафиолетовым фонариком на длине волны 365 нм, и выложили результат в YouTube.
Рис. 5 Кадр из ролика Youtube-канала «Kreosan».
Вызывающие люминесценцию ультрафиолетовые фонарики с длиной волны 365 нм (UVA) популярны. Покупаются взрослыми, но неизбежно попадают в руки детям. Дети светят себе этими фонариками в глаза, внимательно и подолгу рассматривают светящийся кристалл. Такие действия желательно предотвратить. Если это произошло, можно успокоить себя тем, что катаракта в исследованиях на мышах уверенно вызывается облучением хрусталика UVB, но катарогенозный эффект UVA неустойчив [ВОЗ].
И все же точный спектр действия ультрафиолета на хрусталик неизвестен. А если учесть, что катаракта – сильно отложенный эффект, нужно некоторое количество ума, чтобы не светить себе в глаза ультрафиолетом заранее.
Относительно быстро под ультрафиолетом воспаляются слизистые оболочки глаза, это называется фотокератит и фотоконъюнктивит. Слизистые становятся красными, и появляется ощущение «песка в глазах». Эффект проходит через несколько дней, но многократные ожоги могут привести к помутнению роговицы.
Длины волн, вызывающих эти эффекты, примерно соответствуют взвешенной функции УФ-опасности, приведенной в стандарте по фотобиологической безопасности [IEC 62471] и примерно совпадают с диапазоном бактерицидного действия.
Рис. 6 Спектры действия ультрафиолета, вызывающего фотоконъюнктивит и фотокератит из [DIN 5031-10] и взвешенная функция актиничной УФ опасности для кожи и глаз из [IEC 62471].
UVB в диапазоне 280-320 нм, с максимумом около 300 нм вызывает рак кожи. Пороговой дозы нет, больше доза – выше риск, и эффект отложен.
Рис. 7 Кривые действия ультрафиолета, вызывающие эритему и рак кожи.
Фотоиндуцированное старение кожи вызывается ультрафиолетом во всем диапазоне 200…400 нм. Известна фотография дальнобойщика, подвергавшегося за рулем облучению солнечным ультрафиолетом преимущественно с левой стороны. Водитель имел привычку ездить с опущенным стеклом водительского окна, но правая часть лица была защищена от солнечного ультрафиолета лобовым стеклом. Разница возрастного состояния кожи на правой и левой стороны впечатляет:
Рис. 8 Фотография водителя, в течение 28 лет ездившего с опущенным стеклом водительского окна [Nejm].
Если грубо оценить, что возраст кожи с разной стороны лица этого человека различается на двадцать лет и это следствие того, что примерно эти же двадцать лет одна сторона лица освещалась солнцем, а вторая нет, можно сделать осторожный вывод, что день под открытым солнцем на один день и старит кожу.
Из справочных данных [ВОЗ] известно, что в средних широтах летом под прямым солнцем минимальная эритемная доза 200 Дж/м 2 набирается быстрее чем за час. Сравнив эти цифры со сделанным выводом, можно сделать еще один вывод, – старение кожи при периодической и непродолжительной работе с ультрафиолетовыми лампами не является значимой опасностью.
Сколько нужно ультрафиолета для дезинфекции
Рис. 9 Зависимость доли выживших микобактерий туберкулеза от дозы ультрафиолетового излучения на длине волны 254 нм.
Экспоненциальная зависимость примечательна тем, что даже малая доза убивает большую часть микроорганизмов.
Пример оценки необходимого времени облучения: допустим, необходимо дезинфицировать воздух и поверхности в комнате размером 5 × 7 × 2,8 метра, для чего используется одна открытая лампа Philips TUV 30W.
Если требования к стерильности невелики и достаточно «одной девятки», для рассмотренного примера нужно в три раза меньшее время облучения – округленно 20 минут.
Защита от ультрафиолета
Основная мера защиты во время дезинфекции ультрафиолетом – уходить из помещения. Находиться рядом с работающей УФ-лампой, но отводить взгляд не поможет, слизистые глаза все равно облучаются.
Частичной мерой защиты слизистых глаза могут быть стеклянные очки. Категоричное заявление «стекло не пропускает ультрафиолет» неверно, в какой-то степени пропускает, причем разные марки стекла по-разному. Но в целом с уменьшением длины волны коэффициент пропускания снижается, и UVC эффективно пропускается только кварцевым стеклом. Очковые стекла в любом случае не кварцевые.
Уверенно можно сказать, что не пропускают ультрафиолет линзы очков с маркировкой UV400.
Рис. 10 Спектр пропускания очковых стекол с индексами UV380, UV400 и UV420. Изображение с сайта [Mitsuichemicals]
Также мерой защиты является использование источников бактерицидного диапазона UVC, не излучающих потенциально опасные, но не эффективные для дезинфекции диапазоны UVB и UVA.
Источники ультрафиолета
УФ-диоды
Наиболее распространены ультрафиолетовые диоды 365 нм (UVA) предназначены для «полицейских фонариков», которые вызывают люминесценцию для обнаружения невидимых без ультрафиолета загрязнений. Дезинфекция такими диодами невозможна (см. рис. 11).
Для дезинфекции можно использовать коротковолновые UVC–диоды с длиной волны 265 нм. Стоимость модуля на диодах, который заменил бы ртутную бактерицидную лампу, превосходит стоимость лампы на три порядка, поэтому на практике такие решения для дезинфекции больших площадей не используются. Но появляются компактные устройства на УФ-диодах для дезинфекции малых площадей – инструментов, телефонов, мест повреждений кожи и т.д.
Ртутные лампы низкого давления
Ртутная лампа низкого давления – это стандарт, с которым сравниваются все другие источники.
Основная доля энергии излучения паров ртути при низком давлении в электрическом разряде приходится на длину волны 254 нм, идеально подходящую для дезинфекции. Небольшая часть энергии излучается на длине волны 185 нм, интенсивно генерирующей озон. И совсем небольшое количество энергии излучается на других длинах волн, включая видимый диапазон.
В обычных ртутных люминесцентных лампах белого света стекло колбы не пропускает излучаемый парами ртути ультрафиолет. Но люминофор, порошок белого цвета на стенках колбы, под действием ультрафиолета светится в видимом диапазоне.
Лампы UVB или UVA устроены похожим образом, стеклянная колба не пропускает пики 185 нм и пик 254 нм, но люминофор под действием коротковолнового ультрафиолета излучает не видимый свет, а длинноволновый ультрафиолет. Это лампы технического назначения. А так как спектр ламп UVA похож на солнечный, такие лампы используются еще и для загара. Сравнение спектра с кривой бактерицидной эффективности показывает, что использовать лампы UVB и тем более UVA для дезинфекции нецелесообразно.
Рис. 11 Сравнение кривой бактерицидной эффективности, спектра лампы UVB, спектра лампы UVA «для загара» и спектра диода 365 нм. Спектры ламп взяты с сайта американской ассоциации производителей красок [Paint].
Отметим, что спектр люминесцентной лампы UVA широк и захватывает UVB-диапазон. Спектр диода 365 нм значительно уже, это «честный UVA». Если требуется UVA чтобы вызывать люминесценцию в декоративных целях или для обнаружения загрязнений, использование диода безопасней использования ультрафиолетовой люминесцентной лампы.
Ртутная бактерицидная лампа низкого давления UVC отличается от люминесцентных тем, что на стенках колбы нет люминофора, и колба пропускает ультрафиолет. Основная линия 254 нм пропускается всегда, а генерирующая озон линия 185 нм может быть оставлена в спектре лампы или убрана колбой из стекла с селективным пропусканием.
Рис. 12 Диапазон излучения указан на маркировке ультрафиолетовых ламп. Бактерицидную лампу UVC можно узнать по отсутствию люминофора на колбе.
Озон оказывает дополнительное бактерицидное действие, но является канцерогеном, поэтому чтобы не ждать выветривания озона после дезинфекции, используют не образующие озон лампы без линии 185 нм в спектре. Эти лампы имеют почти идельный спектр — основная линия с высокой бактерицидной эффективностью 254 нм, очень слабое излучение в небактерицидных диапазонах ультрафиолета, и небольшое «сигнальное» излучение в видимом диапазоне.
Рис. 13. Спектр ртутной лампы низкого давления UVC (предоставлен журналом lumen2b.ru) совмещен со спектром солнечного излучения (из Википедии) и кривой эффективности бактерицидного действия (из ESNA Lighting Handbook [ESNA]).
Синее свечение бактерицидных ламп позволяет увидеть, что ртутная лампа включена и работает. Свечение слабое, и это создает обманчивое впечатление, что смотреть на лампу безопасно. Мы не чувствуем, что излучение в UVC диапазоне составляет 35…40% полной потребляемой лампой мощности.
Рис. 14 Малая доля энергии излучения паров ртути приходится на видимый диапазон и видна как слабое голубое свечение.
Бактерицидная ртутная лампа низкого давления имеет тот же цоколь, что и обычная люминесцентная, но делается другой длины, чтобы бактерицидную лампу не вставляли в обычные светильники. Светильник для бактерицидной лампы, помимо габаритов, отличается тем, что все пластиковые детали устойчивы к ультрафиолету, провода от ультрафиолета закрыты, и нет рассеивателя.
Для домашних бактерицидных потребностей автор использует бактерицидную лампу 15 Вт, ранее использовавшуюся для обеззараживания питательного раствора гидропонной установки. Ее аналог можно найти по запросу «aquarium uv sterilisator». При работе лампы выделяется озон, что не хорошо, но для дезинфекции, к примеру, обуви, полезно.
Рис. 15 Ртутные лампы низкого давления с цоколем различных типов. Изображения с сайта Aliexpress.
Ртутные лампы среднего и высокого давления
Повышение давления паров ртути приводит к усложнению спектра, спектр расширяется и в нем появляется больше линий, в том числе на генерирующих озон длинах волн. Введение в ртуть добавок приводит к еще большему усложнению спектра. Разновидностей подобных ламп много, и спектр каждой особенный.
Рис. 16 Примеры спектров ртутных ламп среднего и высокого давления
Повышение давления снижает КПД лампы. На примере марки Aquafineuv лампы среднего давления в области UVC излучают уже 15-18% от потребляемой мощности, а не 40% как лампы низкого давления. И стоимость оборудования из расчета на один ватт потока UVC получается выше [Aquafineuv].
Снижение КПД и повышение стоимости лампы компенсируется компактностью. К примеру, обеззараживание проточной воды или сушка наносимого на высокой скорости лака в полиграфии требуют компактных и мощных источников, удельная стоимость и эффективность неважны. Но использовать такую лампу для дезинфекции некорректно.
УФ-облучатель из горелки ДРЛ и лампы ДРТ
Есть «народный» способ относительно недорого получить мощный источник ультрафиолета. Выходят из употребления, но все еще продаются лампы ДРЛ белого света 125…1000 Вт. В этих лампах, внутри внешней колбы стоит «горелка» — ртутная лампа высокого давления. Она излучает широкополосный ультрафиолет, который задерживается внешней стеклянной колбой, но заставляет светиться люминофор на ее стенках. Если разбить внешнюю колбу и подключить горелку к сети через штатный дроссель, получится мощный излучатель широкополосного ультрафиолета.
У такого кустарно изготовленного излучателя есть недостатки: низкий по сравнению с лампами низкого давления КПД, большая доля ультрафиолета вне бактерицидного диапазона, и в помещении нельзя находиться некоторое время после выключения лампы, пока не распадется или не выветрится озон.
Но бесспорны и плюсы: низкая стоимость и большая мощность при компактных размерах. К плюсам можно отнести и генерацию озона. Озон продезинфицирует затененные поверхности, на которые не попадут лучи ультрафиолета.
Рис. 17 Ультрафиолетовый облучатель, сделанный из ламп ДРЛ. Фотография публикуется с разрешения автора, болгарского стоматолога, использующего этот облучатель в дополнении к стандартной бактерицидной лампе Philips TUV 30W.
Аналогичные источники ультрафиолета для дезинфекции в виде ртутных ламп высокого давления используют в облучателях типа ОУФК-01 «Солнышко».
Рис. 18 Источник широкополосного ультрафиолета — лампа ДРТ-125
По заявленным характеристикам видно, что спектр широкополосен с почти равной долей излучения в мягком, среднем, и жестком ультрафиолете, в том числе захватывает генерирующий озон жесткий UVC. Бактерицидный поток составляет 6,4% от потребляемой мощности, то есть КПД в 6 раз меньше, чем у трубчатой лампы низкого давления.
Производитель не публикует спектра этой лампы, а в интернете циркулирует одна и та же картинка со спектром какой-то из ДРТ. Первоисточник неизвестен, но соотношение энергии в UVC, UVB и UVA диапазонах не соответствует заявленным для лампы ДРТ-125. Для ДРТ заявлено примерно равное соотношение, а по спектру видно, что энергия UVB кратно больше энергии UBC. А в UVA кратно выше, чем в UVB.
Рис. 19. Спектр дуговой ртутной лампы высокого давления, наиболее часто иллюстрирующей спектр широко применяемых в медицинских целях ДРТ-125.
Понятно, что лампы с разным давлением и добавками в ртуть излучают несколько по-разному. Также понятно, что неинформированный потребитель склонен самостоятельно вообразить желаемые характеристики и свойства продукта, приобрести основанную на собственных предположениях уверенность, и совершить покупку. А публикация спектра конкретной лампы вызовет обсуждения, сравнения и выводы.
Автор однажды купил установку ОУФК-01 с лампой ДРТ-125 и несколько лет использовал для испытаний на УФ-стойкость пластиковых изделий. Облучал одновременно два изделия, одно из которых контрольное из устойчивого к ультрафиолету пластика, и смотрел какое пожелтеет быстрее. Для такого применения знание точной формы спектра не обязательно, важно лишь, чтобы излучатель был широкополосным. Но для чего применять широкополосный ультрафиолет, если требуется дезинфекция?
В назначении ОУФК-01 указано, что облучатель применяется при острых воспалительных процессах. То есть в случаях, когда положительный эффект дезинфекции кожи превышает возможный вред широкополосного ультрафиолета. Очевидно, что и в таком случае лучше использовать узкополосный ультрафиолет, без длин волн в спектре, оказывающих иное действие кроме бактерицидного.
Дезинфекция воздуха
Ультрафиолет признается недостаточным средством для дезинфекции поверхностей, так как лучи не могут проникнуть туда, куда проникает, например, спирт. Но ультрафиолет эффективно дезинфицирует воздух.
При чихании и кашле образуются капельки размером несколько микрометров, которые висят в воздухе от нескольких минут до несколько часов [CIE 155:2003]. Исследования туберкулеза показали, что для заражения достаточно одной аэрозольной капли.
На улице мы в относительной безопасности из-за огромных объемов и подвижности воздуха, способного развеять и обеззаразить временем и солнечной радиацией любой чих. Даже в метро, пока доля зараженных людей мала, общий объем воздуха в пересчете на одного зараженного велик, и хорошая вентиляция делает риск распространения инфекции малым. Самое опасное место во время пандемий заболеваний, передающихся воздушно-капельным путем, – это лифт. Поэтому чихающие должны сидеть на карантине, а воздух в общественных помещениях при недостаточной вентиляции нуждается в обеззараживании.
Рециркуляторы
Один из вариантов обеззараживания воздуха – закрытые УФ-рецикуляторы. Обсудим один из таких рециркуляторов – «Дезар 7», известный тем, что замечен даже в кабинете первого лица государства.
В описании рециркулятора сказано, что он продувает 100 м 3 в час и предназначен для обработки помещения объемом 100 м 3 (приблизительно 5 × 7 × 2,8 метра).
Однако, способность продезинфицировать 100 м 3 воздуха в час не означает, что воздух в комнате объемом 100 м 3 за час будет обработан так же эффективно. Обработанный воздух разбавляет грязный воздух, и в таком виде снова и снова попадает в рециркулятор. Несложно построить математическую модель и посчитать эффективность такого процесса:
Рис. 20 Влияние работы УФ-рециркулятора на количество микроорганизмов в воздухе комнаты без вентиляции.
Чтобы снизить концентрацию микроорганизмов в воздухе на 90% рециркулятору необходимо работать более двух часов. При отсутствии вентиляции в помещении, это возможно. Но помещений с людьми и без вентиляции в норме нет. К примеру, [СП 60.13330.2016] предписывает минимальный расход наружного воздуха при вентиляции 3 м 3 в час на 1 м 2 площади квартиры. Что соответствует полной замене воздуха раз в час и делает бесполезной работу рециркулятора.
Если рассматривать модель не полного перемешивания, а ламинарных струй, которые проходят по установившейся сложной траектории в комнате и уходят в вентиляцию, польза дезинфекции одной из таких струй еще меньше, чем в модели полного перемешивания.
В любой случае УФ-рециркулятор не полезнее открытой форточки.
Одна из причин малой эффективности рециркуляторов в том, что крайне мал бактерицидный эффект в пересчете на каждый ватт УФ-потока. Луч проходит порядка 10 сантиметров внутри установки, а потом отражается от алюминия с коэффициентом около k=0,7. Это означает, что эффективный пробег луча внутри установки около полуметра, после чего он без пользы поглощается.
Рис. 21. Кадр из ролика на Youtube, на котором разбирают рецикулятор. Видны бактерицидные лампы и алюминиевая отражающая поверхность, значительно хуже отражающая ультрафиолет, чем видимый свет [Дезар].
Бактерицидная лампа, которая открыто висит на стене в кабинете поликлиники и по расписанию включается врачом, многократно эффективней. Лучи от открытой лампы проходят несколько метров, дезинфицируя сначала воздух, а затем еще и поверхности.
Облучатели воздуха в верхней части помещения
В палатах больниц, в которых постоянно находятся лежачие больные, иногда используют УФ-установки, облучающие циркулирующие потоки воздуха под потолком. Основной недостаток таких установок – решетка, закрывающая лампы, позволяет проходить лишь лучам, идущим строго в одном направлении, поглощая без пользы более 90% остального потока.
Можно дополнительно продувать воздух через такой облучатель, чтобы заодно получился рециркулятор, но так не делается, вероятно из-за нежелания получить в палате пыленакопитель.
Рис. 22 Подпотолочный УФ-облучатель воздуха, изображение с сайта [Airsteril].
Решетки защищают людей в помещении от прямого потока ультрафиолета, но тот поток, что прошел через решетку, попадает на потолок и стены и диффузно отражается, с коэффициентом отражения около 10%. Помещение заполняется всенаправленным ультрафиолетовым излучением и люди получают дозу ультрафиолета, пропорциональную проведенному в помещении времени.
Рецензенты и автор
Рецензенты:
Артём Балабанов, инженер-электронщик, разработчик систем УФ-отверждения;
Румен Василев, к.т.н., светотехник, ООД «Интерлукс», Болгария;
Вадим Григоров, биофизик;
Станислав Лермонтов, инженер-светотехник, ООО «Комплексные Системы»;
Алексей Панкрашкин, к.т.н., доцент, полупроводниковая светотехника и фотоника, ООО «ИНТЕХ Инжиниринг»;
Андрей Храмов, специалист по проектированию освещения медицинских учреждений;
Виталий Цвирко, начальник светотехнической испытательной лаборатории «ЦСОТ НАН Беларуси»
Автор: Антон Шаракшанэ, к.ф.-м.н, светотехник и биофизик, Первый МГМУ им. И.М. Сеченова
Ссылки
UPD: В порядке эксперимента выпущена видеоверсия статьи