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紫外線的消毒技術原理

紫外線的消毒技術原理 2013-3-7

紫外線消毒技術原理

1、各種電磁波的波長與分類
紫外線是許多電磁波中的一種，各種電磁波的波長見下表：

序號	電磁波名稱	波長
1	無線電波	1000000~10mm
2	磁波	1~100mm
3	紅外線	800~10000nm
4	可見光	380~800nm
5	紫外線	10~400nm
	A波(近波)	320~400nm
	B波(中波)	275~320nm
	C波(遠波)	200~275nm
	真空紫外線	10~200nm
6	X-射線	0.01~100nm
7	Y-射線	≤0.01nm

2.電磁波的傳播方式
在同一介質(zhì)中以直線的方式傳播，當介質(zhì)變化時，會產(chǎn)生反射和折射。
3.反射和聚焦
(1)當入射紫外線的傳播介質(zhì)發(fā)生變化時，紫外線在接觸到另一類介質(zhì)的瞬間，就會產(chǎn)生反射和折射。
(2)反射：是在同一傳播介質(zhì)中進行；根據(jù)反射原理，反射角與入射角方向相反，大小相等。氧化鎂的反射率最高，達到80~90%，氧化拋光鋁板的反射率為65~75%，不銹鋼板的反射率為70~80%。
(3)折射：是在不同的傳播介質(zhì)中進行；根據(jù)傳播介質(zhì)的不同，折射角的大小都不一樣。氣體的折射性能較好，液體的折射性能中等，固體的折射性能較差，透明體折射較高。
4.不可見性
可見光的波長在380~800nm，而我們采用的紫外線波長在100~380nm，是不能見到的。
紫外線的殺菌作用
1.殺菌波段：紫外線殺菌一般在200～280nm，最強段為240～280nm. 殺菌效果最明顯的波段為253.7nm。
2.殺菌和劑量
實驗表明：紫外線對水中微生物的殺滅劑量(μw.s/cm2)

序號	微生物名稱	不同殺滅率時的照射強度
序號	微生物名稱	90%	99%	99.9%	100%
1	枯草桿菌芽胞	10000	20000	40000
2	大腸桿菌	3000	6000	12000
3	金黃色葡萄球菌	3000	6000	12000
4	傷寒桿菌	4000	8000	16000
5	白喉桿菌	5000	10000	20000
6	結核桿菌	5100	10000	20000
7	黑曲霉孢子	150000	300000	600000
8	流感病毒	1000	2000	≦5000	6600
9	破傷風桿菌	3500	7000	16700	22000
10	溶血性鏈球菌	1000	2000	4000	5500
11	大腸桿菌噬菌體	1000	2000	5000	6600

微生物因素
1.微生物對紫外線的敏感性：
高抗型微生物：如耐輻射微球菌、枯草桿菌芽胞----抵抗能力強；
中抗性微生物：如鼠傷寒沙門氏菌、酵母菌、乳鏈球菌----抵抗能力中等；
低抗性微生物：如大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、牛痘病毒----抵抗能力弱。
2.微生物數(shù)量：
污染量越大，紫外線殺菌效果越差。
3.有機物保護：
細菌在污物中，紫外線的殺菌作用就相應降低。污物是細菌生長、繁衍和防被殺傷的有機環(huán)境。
殺菌機理
1.作用于核酸：
DNA，形成胸腺嘧啶二聚體——TT
RNA，形成嘧啶二聚體——uu
2.作用于蛋白質(zhì)：
可使蛋白質(zhì)變性，酶失活。

紫外線技術在水處理中的應用
紫外線技術在全球各地被日益廣泛地應用于各種水處理系統(tǒng)中——Adam Donnellan
利用紫外線殺滅水生傳染病菌的優(yōu)點已經(jīng)得到廣泛確認。其實，工業(yè)界是最早使用這項技術的先驅之一。今天，幾乎所有的工業(yè)都將紫外線技術應用到水處理系統(tǒng)中，包括食品和飲料業(yè)、制藥業(yè)、化妝品業(yè)、保健品業(yè)、制造業(yè)、高技術產(chǎn)業(yè)等等。殺菌消毒是紫外線技術在水和廢水領域中的主要應用。與此同時，工業(yè)界還將此技術應用在其他許多方面，其中包括消除臭氧、降低總有機碳(TOC)、液體糖消毒、降解氯氣、表面和空氣以及冷卻塔消毒等。本文將對紫外線在工業(yè)界的一些用途進行簡要的概述。
殺菌
紫外線殺菌主要是利用254納米波長的紫外線光。此波長的紫外線光，即使是在微量的紫外線投射劑量下，也可以破壞一個細胞的生命核心——DNA，因此阻止細胞再生,喪失再生能力使細菌變得無害，從而達到滅菌的效果。象所有其它紫外線應用技術一樣，這種系統(tǒng)的規(guī)模取決于紫外線的強度(照射器的強度和功率)和接觸時間(水、液體、或空氣暴露在紫外線下的時間長短)。
消除臭氧
在工業(yè)生產(chǎn)中，臭氧常被用于消毒和凈化水體。但是，由于臭氧有極強的氧化能力，水中剩余的臭氧如果不被去除會有可能對下一流程有所影響，因此，通常臭氧處理過的水在進入主要的工藝流程之前必須將水中剩余臭氧去除掉。254納米波長的紫外線對于破壞剩余臭氧非常有效，它可以把臭氧分解成氧氣。盡管不同的系統(tǒng)所需要的規(guī)模不同，但通常來講，一個典型的臭氧消除系統(tǒng)所需的紫外線放射量是一個傳統(tǒng)的滅菌消毒系統(tǒng)的三倍左右。
降低總有機碳量
在很多高技術和實驗室裝置中，有機物會妨礙高純度水的生產(chǎn)。有很多方法可以把有機物從水中清除掉，較常用的方法包括使用活性炭和反滲透。波長較短的紫外線(185納米)也可以有效地降低總有機碳量(值的一提的是這些放射器也產(chǎn)生254納米波長的紫外線，因此可以同時進行消毒)。波長較短的紫外線具有更多的能量，因此能夠分解有機物。紫外線氧化有機的反應過程雖然非常復雜，其主要原理是通過產(chǎn)生氧化能力很強的自由氫氧，將有機物氧化成水和二氧化碳。和臭氧清除系統(tǒng)一樣，這種降解有機碳的紫外線系統(tǒng)的紫外線放射量是傳統(tǒng)消毒系統(tǒng)的三到四倍。
液體糖消毒
大多數(shù)食品和飲料廠家都大量地使用液體糖。由于糖是很容易被細菌所利用的食物，因此很容易促成細菌繁殖。另外，液體糖是不透明的，所以很難進行徹底消毒。254納米波長的紫外線可以用來對液體糖產(chǎn)品進行消毒。為了彌補液體的黏稠度和顏色造成的能量損耗，很多紫外線發(fā)射器需要被緊緊地排列起來組成所謂的 “薄膜” 反應器。這種放射器的緊密組合可以提供所要求的非常高的紫外線放射量，從而可以對液體糖進行有效的消毒。它的紫外線的能量輸出大約是傳統(tǒng)消毒系統(tǒng)的7到10倍。
降解余氯
在市政水處理和供水系統(tǒng)，加氯消毒是非常必要的。但在工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了避免對產(chǎn)品產(chǎn)生不良影響，去除水中的余氯卻經(jīng)常是必要的前處理。消除余氯的基本方法有活性炭床和化學處理。活性碳處理的缺點在于它需要不斷再生，而且經(jīng)常遇到細菌滋生的問題。185納米和254納米波長的紫外線都被證實可以有效地破壞余氯和氯氨的化學鍵。雖然需要巨大的紫外線能量才能發(fā)揮作用，但它的優(yōu)點在于此方法不需向水中添加任何藥物，不需要儲存化學物質(zhì)，容易維修，而且同時還有殺菌和去除有機物的作用。
表面和空氣消毒
用紫外線進行空氣消毒和紫外線用于水消毒一樣有很久的歷史?？諝庀驹O備用于醫(yī)院、診所和凈化房間已行之有年?，F(xiàn)在，工廠、辦公室和家庭也開始使用空氣消毒設備。
空氣消毒的原理和水消毒一樣。通常，紫外線燈可安裝在空氣管道里，位于盤管的前端，或裝在固定于墻上的架子上。當空氣經(jīng)過時，空氣中的微生物就被殺死而變得無害了。表面消毒的原理也是這樣。在食品和飲料生產(chǎn)業(yè)中，傳送帶上的產(chǎn)品就是由表面消毒設備進行消毒的。
冷卻塔消毒
為了降低殺生劑的費用(購買、儲存、保險)以及化學處理對健康的危害，紫外線系統(tǒng)可以安裝在冷卻塔的水循環(huán)系統(tǒng)中以起到殺菌的作用。如果和過濾器一并使用，紫外線可以有效的控制微生物在冷卻塔中的生長。雖然冷卻塔中仍然需要保留一定的殺生劑濃度，應用紫外線可以大大降低其使用量。

我司所生產(chǎn)的紫外線殺菌燈的產(chǎn)品特點以及優(yōu)勢：
1、熱陰極有效壽命8000小時，冷陰極在20000小時以上。
2、優(yōu)質(zhì)石英玻璃管，羥基含量小于等于50ppm、紫外線透過率大于等于90%。
3、鋯鋁片技術，吸附管內(nèi)雜氣，延長使用壽命。
4、超低汞技術，汞含量小于等于5mg，達歐盟標準。

紫外線的分類:
根據(jù)生物效應的不同，將紫外線按照波長劃分為四個波段:
UVA波段，波長320～400nm，又稱為長波黑斑效應紫外線。它有很強的穿透力，可以穿透大部分透明的玻璃以及塑料。日光中含有的長波紫外線有超過98%能穿透臭氧層和云層到達地球表面，UVA可以直達肌膚的真皮層，破壞彈性纖維和膠原蛋白纖維，將我們的皮膚曬黑。360nm波長的UVA紫外線符合昆蟲類的趨光性反應曲線，可制作誘蟲燈。300-420nm波長的UVA紫外線可透過完全截止可見光的特殊著色玻璃燈管，僅輻射出以365nm為中心的近紫外光，可用于礦石鑒定、舞臺裝飾、驗鈔等場所。

UVB波段，波長275～320nm，又稱為中波紅斑效應紫外線。中等穿透力，它的波長較短的部分會被透明玻璃吸收，日光中含有的中波紫外線大部分被臭氧層所吸收，只有不足2%能到達地球表面，在夏天和午后會特別強烈。UVB紫外線對人體具有紅斑作用，能促進體內(nèi)礦物質(zhì)代謝和維生素D的形成，但長期或過量照射會令皮膚曬黑，并引起紅腫脫皮。紫外線保健燈、植物生長燈發(fā)出的就是使用特殊透紫玻璃(不透過254nm以下的光)和峰值在300nm附近的熒光粉制成。

UVC波段，波長200～275nm，又稱為短波滅菌紫外線。它的穿透能力最弱，無法穿透大部分的透明玻璃及塑料。日光中含有的短波紫外線幾乎被臭氧層完全吸收。短波紫外線對人體的傷害很大，短時間照射即可灼傷皮膚，長期或高強度照射還會造成皮膚癌。紫外線殺菌燈發(fā)出的就是UVC短波紫外線。

UVD波段，波長100～200nm，又稱為真空紫外線。

紫外線的殺菌原理
紫外線殺菌就是通過紫外線的照射，破壞及改變微生物的DNA(脫氧核糖核酸)結構，使細菌當即或不能繁殖后代，達到殺菌的目的。真正具有殺菌作用的是UVC紫外線，因為C波段紫外線很易被生物體的DNA吸收，尤以253.7nm左右的紫外線最佳。
紫外線殺菌屬于純物理消毒方法，具有簡單便捷、廣譜高效、無二次污染、便于管理和實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，隨著各種新型設計的紫外線燈管的推出，紫外線殺菌的應用范圍也不斷在擴大。

紫外線殺菌燈的結構

紫外線殺菌燈(UV燈)實際上是屬于一種低壓汞燈，和普通日光燈一樣，利用低壓汞蒸汽(<10-2Pa)被激發(fā)后發(fā)射紫外線。不同的是日光燈的燈管采用的是普通玻璃，253.7nm紫外線不能透出來，只能被燈管內(nèi)壁的熒光粉吸收后激發(fā)出可見光。如果改變熒光粉的成分和比例，它就可以發(fā)出我們通常所見的不同顏色的光。一般殺菌燈的燈管都采用石英玻璃制作，因為石英玻璃對紫外線各波段都有很高的透過率，達80%-90%，是做殺菌燈的最佳材料。
紫外線殺菌燈的種類

紫外線殺菌燈的發(fā)光譜線主要有254nm和185nm兩條。254nm紫外線通過照射微生物的DNA來殺滅細菌，185nm紫外線可將空氣中的O2變成O3(臭氧)，臭氧具有強氧化作用，可有效地殺滅細菌，臭氧的彌散性恰好可彌補由于紫外線只沿直線傳播、消毒有死角的缺點。

紫外線殺菌燈的應用
1.每一種微生物都有其特定紫外線殺滅、劑量標準，其劑量是照射強度與照射時間的乘積(殺菌劑量＝照射強度·照射時間/K=I·t)，即紫外線的照射劑量則取決于紫外線的強度大小以及照射時間的長短，高強度短時間與低強度長時間之照射其效果是相同的。
2.石英燈管使用一段時間后會逐漸老化，紫外線照射強度會發(fā)生衰退，為達到徹底消毒的效果，應定期檢查測石英燈的照射強度，發(fā)現(xiàn)強度不夠時應立即更換。

3.紫外線的只能沿直線傳播，穿透能力弱，任何紙片、鉛玻璃、塑料都會大幅降低照射強度。因此消毒時盡量應使消毒部位充分暴露于紫外線下，定期擦拭燈管，以免影響紫外線穿透率及照射強度。
4.紫外線對人體的的皮膚能產(chǎn)生很大的傷害性，不要在有人的場所使用UV燈，更不要用眼睛直視點燃的燈管，由于短波紫外線不能透過普通玻璃，所以戴眼鏡可避免眼睛受傷害。
5.在有人員活動的場所，一般不能使用臭氧燈管，因為臭氧會促進人體的血紅蛋白凝結，造成人體供氧不足，發(fā)生頭暈、惡心的感覺，影響身體健康，特別在臭氧濃度達到＞0.3ppm (mg/m2 )時，將會對人體造成嚴重的傷害。
6.低壓放電燈中之紫藍色光芒為汞蒸氣壓，雖然汞蒸氣壓的強度與紫外線仍然有其關聯(lián)性，但是并不直接代表紫外線之強度，這也就是說，紫外線的強度無法用肉眼來判定。
7.燈具加反光罩可以保證紫外線能量的集中，另外可以避免給工作人員造成損傷。反光罩一定要用對253.7nm紫外線材料吸引少反射多的材料制作，表面氧化拋光處理過的鋁對短波紫外線的反射系數(shù)最大，所以一般紫外線燈具的反光系統(tǒng)均用鋁材制成。