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紫外线消毒历史与消毒机理研究
发布时间: 2020-03-11 来源: 晶科电子 浏览:9338次

——晶科电子陈海英博士做客《极智课堂》讲授UVC紫外消毒的前世与今生

当前,新型冠状病毒疫情仍在持续,对产业及企业造成了相当程度的影响,也牵动着各行各业人们的心。根据《新型冠状病毒感染的肺炎诊疗方案(试行第五版)》公布的内容:”冠状病毒对紫外线和热敏感”,将UVC紫外线消毒推进了公众视野,鉴于此,广东晶科电子股份有限公司(以下简称:晶科电子)项目总监陈海英博士做客《极智课堂》为各位小伙伴讲授UVC紫外消毒的前世与今生。

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第一讲:UVC紫外线消毒的起源和发展

说起UVC紫外消毒不得不提及一个人,加拿大阿尔伯塔大学(University of Alberta)的兼职教授James R.Bolton 博士,他的著作《紫外线消毒手册》为行业提供了很多指导性的研究方向。

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1.什么是紫外线消毒?

紫外线是波长范围在200- 400nm之间的,是整体光谱里的一小段。消毒机理是紫外线的光子被DNA,RNA 吸收,使得微生物的细胞不再复制,也就不繁殖,不再具有致病能力。

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微生物包括细胞和病毒等,单个个体活着的意义就是繁殖,让群体不断增大,去感染更多的宿主,当群体大到一定程度,才具有致病的能力,所以每个单个个体存在的意义就是复制。

紫外消毒本身是一种物理消毒,能否消毒或者消毒能力有多强,跟光的剂量相关。

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微生物对哪一个波长的光更敏感呢?可以看到大概是在270nm左右是一个峰值,而传统汞灯的本征波长是253.7nm,所以传统汞灯的特征波谱对于消毒杀菌来说并不是最优的,这对于LED来说是更好的机会。

2.紫外消毒发展史

1801年 第一次“看见”紫外光

1877年 第一次 发现紫外光的消毒功能

1904年 第一台汞灯,德国吹制

1960年 第一次确认紫外消毒的分子机理T-T,胸腺嘧啶二聚体

1975年 挪威启用紫外消毒,替代有副产物的氯消毒

1998年 Bolton证明紫外消灭原生动物的有效性,推动了紫外用于饮用水消毒

2003年 美国环保局发布了紫外消毒指导手册

3.紫外线消毒与化学消毒相比如何?

化学消毒就是靠化学消毒剂,通常是用氯、氯胺、二氧化氯或是臭氧这种强氧化性物质,然后跟微生物相互作用,达到杀毒的目的。好处是杀毒效果很好,持续时间长。坏处是只部分有效,就是对细菌和病毒很有效,但是对原虫(隐孢子虫,贾第鞭毛虫等)的效率较低。

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此外,化学消毒本身有副产物,会带来一些不好的影响。比如化学消毒剂本身要放到水里,如果用量过大会带来污染,副产物也会影响水的口感,味道等。

紫外光消毒属于广谱有效,不论是细菌、病毒,还是原虫,都很有效,并且没有副产物,不改变水质。但是,紫外光消毒的效果维持有限,因为一定要有光,还要有足够的剂量才有效。

紫外光的功率要达到一定的门槛值,要杀灭细菌还需要有剂量的概念,等于把时间的概念引入,如果功率不是很高,就需要足够的时间。如果时间有限制,就要提高功率来达到相同的杀毒效果。

4.紫外线消毒的优点和缺点

(1)优点

有效:对隐孢子虫和贾第鞭毛虫非常有效的消毒技术;

无毒:不会明显改变水质; 没有副产物,不改变总有机物(TOC),pH值,腐蚀性;

成本低:与其他原生动物消毒方法相比,该技术相对便宜,具有较低的投资和运营成本;

易调:根据水流量,水质等的变化,操作(即调高或调低)紫外线设备相对容易;

易用:紫外线设备的占地面积相对较小,通常适合改装到现有的水处理厂中;

速度快:不需要化学试剂,消毒速度快;

(2)缺点

消毒能力不能维持:没有残留的消毒能力。因此,通常要添加一定水平的氯或氯胺以保持配水管系统中的余氯,保证持续的抑菌能力。

难检测:目前,无法连续监测紫外线剂量,因此操作员必须依靠二次测量(传感器读数,紫外线透射率,水流量等)。

汞污染:大多数紫外线反应器都装有汞灯,因此,紫外线灯的破裂可能会造成汞污染。但是,计算(USEPA 2006b)似乎表明,即使灯中的汞完全进入水中,分配水中的汞含量仍将大大低于最大污染物含量。

断电:公用事业公司的电源供应可能会中断,这可能导致紫外线灯熄灭1-5分钟。除非将水转移到废水中,否则可能会导致某些水无法得到处理。

预热造成消毒不足:有时会因电源中断或灯泡预热而对水进行消毒不足。USEPA将这些情况视为不合规格的事件。

以上汞污染和需要预热都是汞灯才有的特点,而LED无毒,不需要预热,在UV消毒中应用前景更大。

第二讲:紫外线消毒机理

1.紫外线如何灭活微生物

灭活(inactivate vs kill),被UVC 灭活的微生物的表现是代谢存活,不能复制;细胞吃喝照旧,不能繁殖。灭活过程,从吸收光子开始,若是高剂量,细胞膜的蛋白质吸收后变性,细胞膜破裂,细菌死亡。若是低剂量,涉及到ATCG 等,两个胸腺嘧啶(T)绑定在一起形成二聚体。

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2.紫外线如何灭活微生物-谁吸收

紫外光被吸收--核苷酸,蛋白质<230nm,水也吸收这个波段。核苷酸>230nm, Peak 260-275nm。对于UVC LED是个好消息,可以不用像汞灯那么高的能量密度就可以达到比较好的消毒效果。

3.紫外线如何灭活DNA和RNA微生物

DNA里的核苷酸吸收之后,作用于链,T-T,形成二聚体,正常的链条被破坏以后,就不能正常复制去达到繁殖目的了,这是微生物被灭活的本真机理。问题是RNA没有T(胸腺嘧啶),代之以 U (尿嘧啶), 只有RNA的病毒能否被灭活呢?有数据显示,RNA的病毒可以被灭活,而且不需要更高的剂量。

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灭活程度中有抑菌概念,微生物灭活后还会活化,重新具有繁殖能力,但需要一定的条件,比如绕过T-T破坏点,利用宿主的酶活化。好消息是目前还未发现隐孢子虫能够活化 。

第三讲:小知识问答

Q:听您讲到有和钟南山院士合作研究,目前针对UVC LED杀灭新冠病毒用有没有明确的剂量?

A:实验是在钟院士的实验室里,彼时还没有新冠病毒。实验时主要是细菌,比如沙门氏菌,金黄葡萄球菌、大肠杆菌,军团菌等,并没有拿病毒来做,因为病毒实验要在比较好的控制条件才能做,新冠病毒比较新,目前暂时还没有数据。

Q:依据UⅤC消毒原理,被紫外线消毒是静态物质,如果动态物质(流动空气、流动水体)怎样瞬间消毒?

A:针对流动水体等要考虑到被消毒的或是被作用的物质,在流动过程中能吸收的光的能量,光的剂量到底是多少。最终还是要回到比如说细菌等物质,吸收的UV的剂量到底是多少才能实现消毒的目的,在光学模拟时,要考虑到流动速度和接受光照的时间。

Q:有一些应用厂家为了使消费者能对UVC产品的工作状态可视化,采用了UVC+UVA的方案。根据您前面所提到的,UVA可能会使细菌病毒再活化,那是不是代表说UVC+UVA的方案杀菌效果反而不好?

A:按照手册的说法,UVA是有机会使得细菌病毒活化,会起到不好的效果。刚才只是针对书的内容解读,我自己并没有什么数据,如果各位有类似的一些实际数据的,可以分享出来,看看UVA在什么样的情况下会有活化的可能,以致降低灭活的效率。

Q:流动空气中的含菌量?含病毒量?有没有相关标准?如何捕捉测试获得有效数据?

A:对于空气消毒,有很多专门的监测机构,有标准规定,也有标准的检测方法。

Q:UVC LED在封装时目前选用的基板是什么?有没有遇到什么问题,关注点是什么?

A:目前UVC本身的光电转换效率非常低,大部分的电功能转换成了热,所以散热是UVC封装最主要考量的一个问题。基板方面,目前市面上看到的主要还是用氮化铝陶瓷,因为导热效率比较高。氮化铝基板加铜杯的做法是目前业界采用比较多的做法,基板会有一些翘曲等问题,会对制程带来一些困难,每家企业都会有一些针对性的解决方案。

Q:UVC LED 当前产业开发状态及实际应用普及情况是怎么样的?

A:目前整个产业开发是迅速上升的状态。实际普及应用方面,有一些公司较早进入到这个市场,努力耕耘,努力跟消费者普及UV知识。目前来讲UVC是一个新生的成长前景非常好的态势。

Q:想了解一下目前晶科电子在紫外领域有哪些尝试?

A:晶科电子在紫外领域,UVC、UVA的产品都有,也跟一些车厂配合做一些方案和模组类的产品。目前在UVC的部分,以光源加模组的形式在跟客户作积极配合开发,敬请关注。


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