Бактерицидная установка для дезинфекции бытовых помещений - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Техника и технологии

128
Бактерицидная установка для дезинфекции бытовых помещений

Проблема дезинфекции и обеззараживания стала особенно актуальной в эпоху коронавируса. К сожалению, нашей общей бедой уже успели воспользоваться многочисленные мошенники. Что только не предлагают сегодня для защиты от COVID-19: от супер дорогих респираторов; спиртовых гелей для рук, содержащих значительно меньше, чем 70% спирта и поэтому не обладающих дезинфицирующим эффектом; ультрафиолетовых ламп десятков различных типов и размеров, многие из которых вообще никак не действуют на микробы и вирусы. Вообще-то говоря, использование «правильных» ультрафиолетовых ламп является самым удобным средством дезинфекции комнаты или квартиры. Вопрос только в том, как именно выбрать эту лампу, чтобы она была «правильной» и как сделать из нее простейшее устройство для дезинфекции квартиры.

Живя в эпоху коронавируса невозможно не задумываться о защите от него. И хотя нам всем обещают эффективную вакцинацию, которая быстро и окончательно решит все проблемы, это, к сожалению, далеко не так.

Во-первых, вакцина остается эффективной в организме человека всего лишь несколько месяцев, как и вакцина от гриппа.

Во-вторых, Интерпол уже сообщил в прессе об имеющихся разведданных о намерении преступного сообщества производить и распространять поддельные вакцины.

В-третьих, никто не исключает возможности многократных мутаций коронавируса после начала массовой вакцинации и того, что эпидемия не будет повторяться периодически, как это происходит с гриппом.

В-четвертых, помимо коронавируса и гриппа, в жилых помещениях обитает масса других патогенов и даже мельчайших насекомых (например, таких, как невидимые глазом пылевые клещи), особенно на поверхности мягкой мебели, в диванах, матрацах, в коврах и ковровых покрытиях и т. п. Да и воздух в комнате с больным человеком требует периодического обеззараживания.

 

Дезинфицирующие свойства ультрафиолетового излучения

Очень удобным и эффективным средством дезинфекции жилых помещений является ультрафиолет. Применение ультрафиолета (УФ) для обеззараживания поверхностей, воздуха и воды имеет длинную историю. Впервые о губительном воздействии ультрафиолета (а вернее солнечного света, содержащего в своем спектре УФ) на бактерии, содержащиеся в пробирке с бульоном, было сообщено в статье А. Даунса (A. Downes) и Т. Бланта (T. Blunt) в журнале «Nature» за 1877 г. (рис.1).

В следующем году эти же ученые установили, что наибольшее влияние на бактерии оказывает синий свет (то есть наиболее близкая к УФ часть спектра видимого света). В 1901 г. была изобретена первая ртутная осветительная лампа, которая являлась также источником УФ. Несколько позднее, в 1903 году датский физиотерапевт Нильс Финсен получает Нобелевскую премию за применение УФ в лечении такого тяжелого и опасного кожного заболевания, как волчаночный туберкулез.

Можно считать, что эпоха широкого медицинского и коммерческого применения УФ для обеззараживания началась после того, как в течение 1904-1906 гг. на рынке появились ртутные лампы, выполненные из кварцевого стекла, пропускающего коротковолновую часть УФ излучения, за которым последовала первая дезинфекция такими лампами питьевой воды в г. Марселе, Франция, в 1910 году.

В 1929-1930 г. были опубликованы исследования связи спектра УФ излучения с бактерицидными свойствами и установлено, что максимальную эффективность имеет УФ излучение с длиной волны 265 нм, что было очень близко к спектру максимального излучения ртутной бактерицидной лампы низкого давления (254 нм). Также был установлен механизм влияния УФ на микроорганизмы, связанный с поглощением УФ нуклеиновой кислотой и распадом ДНК.

 

Дезинфицирующие установки

Первые крупные промышленные установки для УФ обеззараживания питьевой воды появились в 1955 г. в Швейцарии и в Австрии (к 1985 г. количество таких крупных установок было уже более 500). Вскоре, УФ излучение начинают применять не только для обеззараживания. Люди старшего поколения хорошо помнят, как в 1960-70 годах в детских садах и школах широко применялось УФ облучение детей в целях профилактики и лечения (рис.2).

Кстати, такие источники направленного УФ излучения с тубусами для горла и носа до сих пор выпускаются в России ООО «Солнышко» (г. Нижний Новгород). Естественно, что теперь изделия этого предприятия имеют современный дизайн (рис.3) и выполнены на современной элементной базе, но принцип остался все тот же.

Сегодня УФ излучатели для дезинфекции воздуха и поверхностей получили чрезвычайно широкое распространение. Не будет преувеличением сказать, что на рынке сегодня представлены сотни моделей таких излучателей, производимых десятками крупных предприятий в Китае, Индии, США, Германии и др. странах. Этот рынок включает УФ установки большой мощности (сотни Вт – единицы кВт), рис.4.

Мощность единичной УФ лампы имеет технические ограничения, поэтому мощные излучатели собирают из большого числа УФ ламп. Другой сегмент рынка занимают передвижные и переносные УФ установки средней мощности, предназначенные для дезинфекции небольших офисов (рис.5).

УФ установки средней мощности имеют, обычно одну или две длинные лампы, которые могут складываться в защитный контейнер (рис.5,b, рис.5,d) или автоматически выдвигаться из такого контейнера (рис.5,a). Установка с выдвигающимися из трубчатого контейнера лампами выпускается китайской компанией Vortex Safety Lighting, стоит около 500 USDи предлагается на рынке многими торговыми компаниями. У легкого переносного облучателя относительно небольшой мощности в этой категории (рис.5,c) лампы защищены от механического повреждения алюминиевыми штырями и обручами. Такие облучатели выпускаются китайской компанией Shenzhen Guanke Technologise Ltd. и стоят около 100 USD. Наличие защитных контейнеров или других элементов, защищающих лампы от механического повреждения, является важной особенностью компактных установок, предназначенных для частого перемещения из одного помещения в другое.

Следует отметить, что все облучатели средней и большой мощности снабжены встроенными средствами, предотвращающими опасное облучение человека. Такими средствами являются таймеры, пульты дистанционного управления, датчики движения и приближения, выключающие установку при приближении к ней человека.

Не менее многообразно и семейство УФ облучателей малой мощности (рис.6). Именно такие облучатели и предлагаются сегодня для бытовых целей на виртуальных торговых площадках AliExpress, eBay, Amazon и др. Причем, многие из них, как и их более мощные «братья», снабжены таймерами и пультами дистанционного управления.

Довольно обширный сегмент рынка занимают также компактные УФ облучатели сверхмалой мощности (рис.7). Завершают наш краткий экскурс УФ роботы, самостоятельно передвигающиеся по помещению и дезинфицирующие его, рис.8.

Рассмотренные выше облучатели относятся к классу открытых источников УФ излучения. Справедливости ради нужно упомянуть и о закрытых источниках УФ (так называемых «рециркуляторах»), представляющих собой набор УФ ламп, помещенных в закрытый кожух, через который с помощью встроенного вентилятора прогоняется наружный воздух. Эти установки предназначены лишь для дезинфекции воздуха и рассчитаны на постоянную работу в присутствии человека, однако их бактерицидная эффективность не слишком велика (соизмерима с обычным проветриванием помещения) и поэтому мы не будем их рассматривать.

Следует отметить, что, вообще-то говоря, термин «бактерицидная» (применительно к УФ лампам) не совсем правильный, поскольку он характеризует свойство нейтрализовать лишь бактерии. В англоязычной литературе к УФ лампам применяется термин «germicidal» («гермицидная», обозначающий свойство нейтрализовать любые виды патогенов (грибы, вирусы, бактерии, микробы), в том числе и коронавирус SARS-CoV-2 (COVID-19). Но, поскольку, в русскоязычной литературе термин «бактерицидная лампа» является устоявшимся, то будем использовать именно его.

Итак, рынок бактерицидных УФ бактерицидных установок сегодня просто огромен, в том числе и для домашнего пользования (рис.6). Однако большое разнообразие порождает, как обычно, проблему выбора. Эта проблема усугубляется после прочтения описаний, сопровождающих предлагаемые на AliExpress, eBay, Amazon УФ установки. Эти описания часто настолько нелепы и просто ошибочны, что вызывают лишь полное неприятие и недоверие к рекламируемым товарам. Достаточно простого визуального сравнения УФ бактерицидных установок, используемых в медицине (рис.9, справа) с установками, рекламируемыми как эффективное бактерицидное средство для дома (рис.9, слева), чтобы закралось определенное сомнение в эффективности последних.

Поэтому, чтобы не приобрести абсолютно бесполезную вещь (думая, при этом, что вы реально используете эффективное обеззараживающее и дезинфицирующее средство) придется разбираться более глубоко. Начать придется издалека, с того, что такое ультрафиолетовое излучение и какая именно его часть обладает бактерицидными свойствами.

 

Виды УФ излучения

В соответствии с общепринятой во всем мире классификацией, ультрафиолет занимает относительно небольшую часть (сектор 3 на рис.10) электромагнитного спектра излучений. На рис.10, в соответствии с официальным документом Illuminating Engineering Society (IES), обозначены: 1 – гамма-излучение; 2 – рентгеновское излучение; 3 – ультрафиолет; 4 – видимый свет; 5 – инфракрасное излучение; 6 – микроволны; 7 – радиоволны.

В свою очередь, сектор ультрафиолетового излучения делится на 4 сегмента (8, 9, 10 и 11 на рис.10), которые получили названия (с длинами волн, соответственно): UV-A (от 315 до 400 нм); UV-B (от 280 до 315 нм); UV-C (от 200 до 280 нм); UV-V, или Vacuum UV (от 100 до 200 нм).

Так называемый «ближний» ультрафиолетовый диапазон (UV-A) с наибольшей длиной волн часто называют «чёрным светом», так как он уже почти не распознаётся человеческим глазом, хотя и находится ближе всего к видимому спектру (поэтому и называется «ближним»). Бактерицидными свойствами не обладает. Ультрафиолетовое излучение UV-B относят к «среднему» диапазону. Это излучение обладает слабыми бактерицидными свойствами и используется для лечения некоторых кожных заболеваний, в частности, псориаза.

Естественным источником UV-A и UV-B на Земле является Солнце. Слабое покраснение кожи белого человека с последующим приобретением светло-коричневого оттенка обеспечивается UV-A излучением, тогда как тяжелые солнечные ожоги кожи – более коротковолновым UV-B излучением. Более «жесткое» UV-C излучение почти полностью поглощается озоновым слоем атмосферы и не достигает поверхности Земли. Излучение UV-V может распространяться только в вакууме, а в воздухе поглощается кислородом, который при этом превращается в озон О3. Однако, эффективным бактерицидным эффектом обладает как раз именно это УФ излучение сегмента UV-C. Более того, даже не весь спектр этого сегмента, а лишь очень узкая его полоса. На рис.11 показана зависимость относительной бактерицидной эффективности УФ излучения от длины волны.

Максимальной способностью подавлять патогены обладает УФ излучение с длиной волны 265 нм. Однако, по чисто техническим причинам, получить излучение достаточно большой мощности с такой длиной волны в спектре УФ лампы достаточно сложно, поэтому за оптимальный вариант принято технически доступное для лампы излучение с длиной волны 254 нм, которое находится достаточно близко к максимально эффективному. То есть, в качестве стандарта UV-C для УФ ламп принято значение длины волны 254 или, точнее, 253.7 нм.

Из рис.10 можно увидеть, что даже при небольшом отклонении от этого стандарта бактерицидная эффективность УФ резко снижается. А все ли УФ лампы, имеющиеся на рынке и рекламируемые как «бактерицидные», излучают длину волны в 254 нм? Увы, оказывается, далеко не все!

 

Какие УФ лампы бывают?

Газоразрядные бактерицидные лампы низкого давления

Такие лампы очень похожи на обычные люминесцентные осветительные лампы, в которых источником УФ излучения является электрический разряд в парах ртути, заполняющих лампу под давлением 0.13…1.3 Па. В обычных осветительных лампах это УФ излучение поглощается люминофором, (нанесенным на внутреннюю поверхность лампы) и потом переизлучается уже в видимой части электромагнитного спектра. Остаточное УФ излучение не пропускает наружу обычное стекло, из которого такие лампы изготовлены. В УФ лампах отсутствует люминофор (они прозрачные), а вместо обычного стекла используется кварцевое или увиолевое стекло, пропускающие УФ. Обычное кварцевое стекло помимо излучения с длиной волны 254 нм, пропускает наружу также и более коротковолновое излучение, возникающее при разряде в парах ртути, с длиной волны 185 нм (UV-V), то есть образуют при своей работе довольно высокую концентрацию озона. В закрытом помещении озон считается крайне токсичным газом и его присутствие в воздухе не допускается санитарными нормами. УФ ртутные лампы низкого давления из увиолевого или специально легированного диоксидом титана кварцевого стекла (амальгамные) излучают подавляющую часть своего светового потока в резонансной линии 253,7 нм (то есть без озона). Они также имеют самый высокий, среди ртутных ламп, КПД – 30-50% (это отношение мощности излучаемого УФ потока к мощности к потребляемой из питающей сети).

Газоразрядные бактерицидные лампы высокого давления

Принцип действия таких ламп почти не отличается от описанного выше. Однако, повышенное давление паров ртути в этих лампах (до 15.000 Па) позволяет существенно повысить их мощность (до нескольких кВт). При этом, температура лампы достигает сотен градусов. При такой температуре возможно применение лишь кварцевого стекла. А такое стекло свободно пропускает коротковолновое излучение UV-V, образующее озон. Такие лампы имеют также значительно более низкий КПД и срок службы, по сравнению с лампами низкого давления.

Бактерицидные лампы на основе светодиодов

На виртуальных торговых площадках AliExpress, eBay, Amazon можно найти десятки предложений бактерицидных ламп для UV-C диапазона на основе светодиодов, рис.12. Ультрафиолетовые светодиоды являются также основой для изготовления компактных УФ облучателей сверхмалой мощности (рис.7).

Понятен интерес покупателей к компактным лампам и облучателям, не содержащих хрупких стеклянных колб со ртутью внутри. Этим интересом и пользуются многочисленные мошенники, предлагающие совершенно бесполезные по своим бактерицидным свойствам изделия. В настоящее время созданы лишь единичные образцы светодиодов, способные излучать ультрафиолет в диапазоне UV-C, с излучаемой мощностью доли Ватта и с очень низким КПД. В направлении создания мощных светодиодов для диапазона UV-C усиленно работают несколько ведущих в этой области компаний (Sensor Electronic Technology, Nichia Corp., Crystal IS, Semileds), однако говорить о каком-то прорыве в этой области еще рано.

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus