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 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 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.
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].
Пороговые дозы для фотокератита и фотоконъюнктивита 50-100 Дж/м2, это значение не превышает дозы, использующиеся при дезинфекции. Продезинфицировать слизистую глаза ультрафиолетом, не вызвав воспаления, не получится.
Эритемой, то есть «солнечным ожогом» опасен ультрафиолет в диапазоне до 300 нм. По некоторым источникам максимальна спектральная эффективность эритемы на длинах волн около 300 нм [ВОЗ]. Минимальная доза, вызывающая едва заметную эритему МЭД (Минимальная Эритемная Доза) для кожи разных типов колеблется от 150 до 2000 Дж/м2. Для жителей средней полосы типовой МЭД можно считать величину около 200…300 Дж/м2.
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/м2 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.
Количество выживших микроорганизмов на поверхностях и в воздухе при увеличении дозы ультрафиолета снижается по экспоненте. К примеру, доза, убивающая 90% микобактерий туберкулеза – 10 Дж/м2. Две таких дозы убивают 99%, три дозы убивают 99,9% и т.д.
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.
Среди перечисленных в [CIE 155:2003] патогенных микроорганизмов наиболее устойчива к ультрафиолету сальмонелла. Доза, убивающая 90% ее бактерий — 80 Дж/м2. По данным обзора [Kowalski2020] среднее значение дозы, убивающей 90% коронавирусов – 67 Дж/м2. Но для большей части микроорганизмов эта доза не превышает 50 Дж/м2. Для практических целей можно запомнить, что стандартная доза, дезинфицирующая с эффективностью 90%, – это 50 Дж/м2.
По действующей утвержденной Минздравом России методике использования ультрафиолета для обеззараживания воздуха [Р 3.5.1904-04] максимальная эффективность дезинфекции «три девятки» или 99,9% требуется для операционных, родильных домов и т.д. Для школьных классов, помещений общественных зданий и т.д. достаточна «одна девятка», то есть 90% уничтоженных микроорганизмов. Это значит, что в зависимости от категории помещения достаточно от одной до трех стандартных доз 50…150 Дж/м2.
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.
В техническом описании лампы указан бактерицидный поток 12 Вт [TUV]. В идеальном случае весь поток идет строго на дезинфицируемые поверхности, но в реальной ситуации половина потока пропадет без пользы, например будет избыточно интенсивно освещать стенку за светильником. Поэтому будем рассчитывать на полезный поток 6 вт. Общая облучаемая площадь поверхностей в помещении – пол 35 м2 + потолок 35 м2 + стены 67 м2, итого 137 м2.
В среднем на поверхности падает поток бактерицидного излучения 6 Вт/137м2 = 0,044 Вт/м2. За час, то есть за 3600 секунд на эти поверхности придется доза 0,044 Вт/м2 × 3600 с = 158 Дж/м2, или округленно 150 Дж/м2. Что соответствует трем стандартным дозам 50 Дж/м2 или «трем девяткам» – 99,9% бактерицидной эффективности, т.е. требованиям к операционным. А так как рассчитанная доза, прежде чем упасть на поверхности, прошла через объем комнаты, с не меньшей эффективностью продезинфицирован и воздух.
Если требования к стерильности невелики и достаточно «одной девятки», для рассмотренного примера нужно в три раза меньшее время облучения – округленно 20 минут.
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.
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.
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.
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.
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».
К примеру, для популярной лампы «ДРТ 125-1» производитель не публикует спектр, но в документации приводит параметры: интенсивность облучения на расстоянии 1 м от лампы UVA – 0,98 Вт/м2, UVB – 0,83 Вт/м2, UVC – 0,72 Вт/м2, бактерицидный поток 8 Вт, и после использования требуется вентиляция помещения от озона [Lisma]. На прямой вопрос о разнице между лампой ДРТ и горелкой ДРЛ, производитель в своем блоге ответил, что ДРТ имеет утепляющее зеленое покрытие на катодах.
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.
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.
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 м3 в час и предназначен для обработки помещения объемом 100 м3 (приблизительно 5 × 7 × 2,8 метра).
Однако, способность продезинфицировать 100 м3 воздуха в час не означает, что воздух в комнате объемом 100 м3 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 м3 в час на 1 м2 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.
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:
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
UPD: В порядке эксперимента выпущена видеоверсия статьи
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:
- Близкий по свойствам к видимому свету длинноволновый/мягкий/ближний UVA (400…315 нм);
- Средней жесткости – UVB (315…280 нм);
- Коротковолновый/дальний/жесткий – UVC (280…100 нм).
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].
Пороговые дозы для фотокератита и фотоконъюнктивита 50-100 Дж/м2, это значение не превышает дозы, использующиеся при дезинфекции. Продезинфицировать слизистую глаза ультрафиолетом, не вызвав воспаления, не получится.
Эритемой, то есть «солнечным ожогом» опасен ультрафиолет в диапазоне до 300 нм. По некоторым источникам максимальна спектральная эффективность эритемы на длинах волн около 300 нм [ВОЗ]. Минимальная доза, вызывающая едва заметную эритему МЭД (Минимальная Эритемная Доза) для кожи разных типов колеблется от 150 до 2000 Дж/м2. Для жителей средней полосы типовой МЭД можно считать величину около 200…300 Дж/м2.
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/м2 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
Количество выживших микроорганизмов на поверхностях и в воздухе при увеличении дозы ультрафиолета снижается по экспоненте. К примеру, доза, убивающая 90% микобактерий туберкулеза – 10 Дж/м2. Две таких дозы убивают 99%, три дозы убивают 99,9% и т.д.
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.
Среди перечисленных в [CIE 155:2003] патогенных микроорганизмов наиболее устойчива к ультрафиолету сальмонелла. Доза, убивающая 90% ее бактерий — 80 Дж/м2. По данным обзора [Kowalski2020] среднее значение дозы, убивающей 90% коронавирусов – 67 Дж/м2. Но для большей части микроорганизмов эта доза не превышает 50 Дж/м2. Для практических целей можно запомнить, что стандартная доза, дезинфицирующая с эффективностью 90%, – это 50 Дж/м2.
По действующей утвержденной Минздравом России методике использования ультрафиолета для обеззараживания воздуха [Р 3.5.1904-04] максимальная эффективность дезинфекции «три девятки» или 99,9% требуется для операционных, родильных домов и т.д. Для школьных классов, помещений общественных зданий и т.д. достаточна «одна девятка», то есть 90% уничтоженных микроорганизмов. Это значит, что в зависимости от категории помещения достаточно от одной до трех стандартных доз 50…150 Дж/м2.
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.
В техническом описании лампы указан бактерицидный поток 12 Вт [TUV]. В идеальном случае весь поток идет строго на дезинфицируемые поверхности, но в реальной ситуации половина потока пропадет без пользы, например будет избыточно интенсивно освещать стенку за светильником. Поэтому будем рассчитывать на полезный поток 6 вт. Общая облучаемая площадь поверхностей в помещении – пол 35 м2 + потолок 35 м2 + стены 67 м2, итого 137 м2.
В среднем на поверхности падает поток бактерицидного излучения 6 Вт/137м2 = 0,044 Вт/м2. За час, то есть за 3600 секунд на эти поверхности придется доза 0,044 Вт/м2 × 3600 с = 158 Дж/м2, или округленно 150 Дж/м2. Что соответствует трем стандартным дозам 50 Дж/м2 или «трем девяткам» – 99,9% бактерицидной эффективности, т.е. требованиям к операционным. А так как рассчитанная доза, прежде чем упасть на поверхности, прошла через объем комнаты, с не меньшей эффективностью продезинфицирован и воздух.
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».
К примеру, для популярной лампы «ДРТ 125-1» производитель не публикует спектр, но в документации приводит параметры: интенсивность облучения на расстоянии 1 м от лампы UVA – 0,98 Вт/м2, UVB – 0,83 Вт/м2, UVC – 0,72 Вт/м2, бактерицидный поток 8 Вт, и после использования требуется вентиляция помещения от озона [Lisma]. На прямой вопрос о разнице между лампой ДРТ и горелкой ДРЛ, производитель в своем блоге ответил, что ДРТ имеет утепляющее зеленое покрытие на катодах.
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 м3 в час и предназначен для обработки помещения объемом 100 м3 (приблизительно 5 × 7 × 2,8 метра).
Однако, способность продезинфицировать 100 м3 воздуха в час не означает, что воздух в комнате объемом 100 м3 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 м3 в час на 1 м2 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
[Airsteril] www.airsteril.com.hk/en/products/UR460
[Aquafineuv] www.aquafineuv.com/uv-lamp-technologies
[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 effective radiation, quantities, symbols and action spectra. Физика оптических излучений и светотехника. Фотобиологически активное излучение. Размеры, условные обозначения и спектры действия
[ESNA] ESNA Lighting Handbook, 9th Edition. ed. Rea M.S. Illuminating Engineering Society of North America, New York, 2000
[IEC 62471] ГОСТ Р МЭК 62471-2013 Лампы и ламповые системы. Светобиологическая безопасность
[Kowalski2020] Wladyslaw J. Kowalski et al., 2020 COVID-19 Coronavirus Ultraviolet Susceptibility, DOI: 10.13140/RG.2.2.22803.22566
[Lisma] lisma.su/en/strategiya-i-razvitie/bactericidal-lamp-drt-ultra.html
[Mitsuichemicals] jp.mitsuichemicals.com/en/release/2014/141027.htm
[Nejm] www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMicm1104059
[Paint] www.paint.org/coatingstech-magazine/articles/analytical-series-principles-of-accelerated-weathering-evaluations-of-coatings
[TUV] www.assets.signify.com/is/content/PhilipsLighting/fp928039504005-pss-ru_ru
[ВОЗ] Всемирная организация здравоохранения. Ультрафиолетовое излучение: Официальный научный обзор по воздействию УФ излучения на окружающую среду и состояние здоровья с упоминанием о глобальном истощении озонового слоя.
[Дезар] youtu.be/u6kAe3bOVVw
[Р 3.5.1904-04] Р 3.5.1904-04 Использование ультрафиолетового бактерицидного излучения для обеззараживания воздуха в помещениях
[СП 60.13330.2016] СП 60.13330.2016 Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха.
Ссылки
[Airsteril] www.airsteril.com.hk/en/products/UR460
[Aquafineuv] www.aquafineuv.com/uv-lamp-technologies
[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 effective radiation, quantities, symbols and action spectra. Физика оптических излучений и светотехника. Фотобиологически активное излучение. Размеры, условные обозначения и спектры действия
[ESNA] ESNA Lighting Handbook, 9th Edition. ed. Rea M.S. Illuminating Engineering Society of North America, New York, 2000
[IEC 62471] ГОСТ Р МЭК 62471-2013 Лампы и ламповые системы. Светобиологическая безопасность
[Kowalski2020] Wladyslaw J. Kowalski et al., 2020 COVID-19 Coronavirus Ultraviolet Susceptibility, DOI: 10.13140/RG.2.2.22803.22566
[Lisma] lisma.su/en/strategiya-i-razvitie/bactericidal-lamp-drt-ultra.html
[Mitsuichemicals] jp.mitsuichemicals.com/en/release/2014/141027.htm
[Nejm] www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMicm1104059
[Paint] www.paint.org/coatingstech-magazine/articles/analytical-series-principles-of-accelerated-weathering-evaluations-of-coatings
[TUV] www.assets.signify.com/is/content/PhilipsLighting/fp928039504005-pss-ru_ru
[ВОЗ] Всемирная организация здравоохранения. Ультрафиолетовое излучение: Официальный научный обзор по воздействию УФ излучения на окружающую среду и состояние здоровья с упоминанием о глобальном истощении озонового слоя.
[Дезар] youtu.be/u6kAe3bOVVw
[Р 3.5.1904-04] Р 3.5.1904-04 Использование ультрафиолетового бактерицидного излучения для обеззараживания воздуха в помещениях
[СП 60.13330.2016] СП 60.13330.2016 Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха.
UPD: В порядке эксперимента выпущена видеоверсия статьи
