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紫外線消毒曆史與消毒機理研究
發布時間: 2020-03-11 來源: 晶科電子 瀏覽:3252次

——晶科電子陳海英博士做客《極智課堂》講授UVC紫外消毒的前世與今生

當前,新型冠狀病毒疫情仍在持續,對產業及企業造成了相當程度的影響,也牽動著各行各業人們的心。根據《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案(試行第五版)》公布的內容:”冠狀病毒對紫外線和熱敏感”,將UVC紫外線消毒推進了公眾視野,鑒於此,廣東晶科電子股份有限公司(以下簡稱:晶科電子)項目總監陳海英博士做客《極智課堂》為各位小夥伴講授UVC紫外消毒的前世與今生。

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第一講:UVC紫外線消毒的起源和發展

說起UVC紫外消毒不得不提及一個人,加拿大阿爾伯塔大學(University of Alberta)的兼職教授James R.Bolton 博士,他的著作《紫外線消毒手冊》為行業提供了很多指導性的研究方向。

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1.什麽是紫外線消毒?

紫外線是波長範圍在200- 400nm之間的,是整體光譜裏的一小段。消毒機理是紫外線的光子被DNA,RNA 吸收,使得微生物的細胞不再複製,也就不繁殖,不再具有致病能力。

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微生物包括細胞和病毒等,單個個體活著的意義就是繁殖,讓群體不斷增大,去感染更多的宿主,當群體大到一定程度,才具有致病的能力,所以每個單個個體存在的意義就是複製。

紫外消毒本身是一種物理消毒,能否消毒或者消毒能力有多強,跟光的劑量相關。

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微生物對哪一個波長的光更敏感呢?可以看到大概是在270nm左右是一個峰值,而傳統汞燈的本征波長是253.7nm,所以傳統汞燈的特征波譜對於消毒殺菌來說並不是最優的,這對於LED來說是更好的機會。

2.紫外消毒發展史

1801年 第一次“看見”紫外光

1877年 第一次 發現紫外光的消毒功能

1904年 第一台汞燈,德國吹製

1960年 第一次確認紫外消毒的分子機理T-T,胸腺嘧啶二聚體

1975年 挪威啟用紫外消毒,替代有副產物的氯消毒

1998年 Bolton證明紫外消滅原生動物的有效性,推動了紫外用於飲用水消毒

2003年 美國環保局發布了紫外消毒指導手冊

3.紫外線消毒與化學消毒相比如何?

化學消毒就是靠化學消毒劑,通常是用氯、氯胺、二氧化氯或是臭氧這種強氧化性物質,然後跟微生物相互作用,達到殺毒的目的。好處是殺毒效果很好,持續時間長。壞處是隻部分有效,就是對細菌和病毒很有效,但是對原蟲(隱孢子蟲,賈第鞭毛蟲等)的效率較低。

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此外,化學消毒本身有副產物,會帶來一些不好的影響。比如化學消毒劑本身要放到水裏,如果用量過大會帶來汙染,副產物也會影響水的口感,味道等。

紫外光消毒屬於廣譜有效,不論是細菌、病毒,還是原蟲,都很有效,並且沒有副產物,不改變水質。但是,紫外光消毒的效果維持有限,因為一定要有光,還要有足夠的劑量才有效。

紫外光的功率要達到一定的門檻值,要殺滅細菌還需要有劑量的概念,等於把時間的概念引入,如果功率不是很高,就需要足夠的時間。如果時間有限製,就要提高功率來達到相同的殺毒效果。

4.紫外線消毒的優點和缺點

(1)優點

有效:對隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲非常有效的消毒技術;

無毒:不會明顯改變水質; 沒有副產物,不改變總有機物(TOC),pH值,腐蝕性;

成本低:與其他原生動物消毒方法相比,該技術相對便宜,具有較低的投資和運營成本;

易調:根據水流量,水質等的變化,操作(即調高或調低)紫外線設備相對容易;

易用:紫外線設備的占地麵積相對較小,通常適合改裝到現有的水處理廠中;

速度快:不需要化學試劑,消毒速度快;

(2)缺點

消毒能力不能維持:沒有殘留的消毒能力。因此,通常要添加一定水平的氯或氯胺以保持配水管係統中的餘氯,保證持續的抑菌能力。

難檢測:目前,無法連續監測紫外線劑量,因此操作員必須依靠二次測量(傳感器讀數,紫外線透射率,水流量等)。

汞汙染:大多數紫外線反應器都裝有汞燈,因此,紫外線燈的破裂可能會造成汞汙染。但是,計算(USEPA 2006b)似乎表明,即使燈中的汞完全進入水中,分配水中的汞含量仍將大大低於最大汙染物含量。

斷電:公用事業公司的電源供應可能會中斷,這可能導致紫外線燈熄滅1-5分鍾。除非將水轉移到廢水中,否則可能會導致某些水無法得到處理。

預熱造成消毒不足:有時會因電源中斷或燈泡預熱而對水進行消毒不足。USEPA將這些情況視為不合規格的事件。

以上汞汙染和需要預熱都是汞燈才有的特點,而LED無毒,不需要預熱,在UV消毒中應用前景更大。

第二講:紫外線消毒機理

1.紫外線如何滅活微生物

滅活(inactivate vs kill),被UVC 滅活的微生物的表現是代謝存活,不能複製;細胞吃喝照舊,不能繁殖。滅活過程,從吸收光子開始,若是高劑量,細胞膜的蛋白質吸收後變性,細胞膜破裂,細菌死亡。若是低劑量,涉及到ATCG 等,兩個胸腺嘧啶(T)綁定在一起形成二聚體。

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2.紫外線如何滅活微生物-誰吸收

紫外光被吸收--核苷酸,蛋白質<230nm,水也吸收這個波段。核苷酸>230nm, Peak 260-275nm。對於UVC LED是個好消息,可以不用像汞燈那麽高的能量密度就可以達到比較好的消毒效果。

3.紫外線如何滅活DNA和RNA微生物

DNA裏的核苷酸吸收之後,作用於鏈,T-T,形成二聚體,正常的鏈條被破壞以後,就不能正常複製去達到繁殖目的了,這是微生物被滅活的本真機理。問題是RNA沒有T(胸腺嘧啶),代之以 U (尿嘧啶), 隻有RNA的病毒能否被滅活呢?有數據顯示,RNA的病毒可以被滅活,而且不需要更高的劑量。

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滅活程度中有抑菌概念,微生物滅活後還會活化,重新具有繁殖能力,但需要一定的條件,比如繞過T-T破壞點,利用宿主的酶活化。好消息是目前還未發現隱孢子蟲能夠活化 。

第三講:小知識問答

Q:聽您講到有和鍾南山院士合作研究,目前針對UVC LED殺滅新冠病毒用有沒有明確的劑量?

A:實驗是在鍾院士的實驗室裏,彼時還沒有新冠病毒。實驗時主要是細菌,比如沙門氏菌,金黃葡萄球菌、大腸杆菌,軍團菌等,並沒有拿病毒來做,因為病毒實驗要在比較好的控製條件才能做,新冠病毒比較新,目前暫時還沒有數據。

Q:依據UⅤC消毒原理,被紫外線消毒是靜態物質,如果動態物質(流動空氣、流動水體)怎樣瞬間消毒?

A:針對流動水體等要考慮到被消毒的或是被作用的物質,在流動過程中能吸收的光的能量,光的劑量到底是多少。最終還是要回到比如說細菌等物質,吸收的UV的劑量到底是多少才能實現消毒的目的,在光學模擬時,要考慮到流動速度和接受光照的時間。

Q:有一些應用廠家為了使消費者能對UVC產品的工作狀態可視化,采用了UVC+UVA的方案。根據您前麵所提到的,UVA可能會使細菌病毒再活化,那是不是代表說UVC+UVA的方案殺菌效果反而不好?

A:按照手冊的說法,UVA是有機會使得細菌病毒活化,會起到不好的效果。剛才隻是針對書的內容解讀,我自己並沒有什麽數據,如果各位有類似的一些實際數據的,可以分享出來,看看UVA在什麽樣的情況下會有活化的可能,以致降低滅活的效率。

Q:流動空氣中的含菌量?含病毒量?有沒有相關標準?如何捕捉測試獲得有效數據?

A:對於空氣消毒,有很多專門的監測機構,有標準規定,也有標準的檢測方法。

Q:UVC LED在封裝時目前選用的基板是什麽?有沒有遇到什麽問題,關注點是什麽?

A:目前UVC本身的光電轉換效率非常低,大部分的電功能轉換成了熱,所以散熱是UVC封裝最主要考量的一個問題。基板方麵,目前市麵上看到的主要還是用氮化鋁陶瓷,因為導熱效率比較高。氮化鋁基板加銅杯的做法是目前業界采用比較多的做法,基板會有一些翹曲等問題,會對製程帶來一些困難,每家企業都會有一些針對性的解決方案。

Q:UVC LED 當前產業開發狀態及實際應用普及情況是怎麽樣的?

A:目前整個產業開發是迅速上升的狀態。實際普及應用方麵,有一些公司較早進入到這個市場,努力耕耘,努力跟消費者普及UV知識。目前來講UVC是一個新生的成長前景非常好的態勢。

Q:想了解一下目前晶科電子在紫外領域有哪些嚐試?

A:晶科電子在紫外領域,UVC、UVA的產品都有,也跟一些車廠配合做一些方案和模組類的產品。目前在UVC的部分,以光源加模組的形式在跟客戶作積極配合開發,敬請關注。


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