摘 要: 論述了紫外C輻照殺菌消毒原理、優(yōu)點(diǎn),介紹了國內(nèi)外有關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品狀況,并以“等光程面”原理設(shè)計(jì)了紙幣紫外C消毒器光源的拋物柱面燈罩和橢圓柱面燈罩。 紫外C輻照殺菌消毒應(yīng)用面廣,可對空氣、水、固體表面進(jìn)行殺菌消毒,可殺菌譜廣,對SARS病毒也具有殺滅作用。使用拋物柱面和橢圓柱面燈罩紙幣消毒器, 可大幅度提高光能量密度,從而提高了殺菌消毒效率。

0 引 言

        環(huán)境污染的本質(zhì)是微生物(細(xì)菌和病毒)的寄生。污染物來自于工業(yè)和生活的廢棄物,自然界中的變質(zhì)和腐敗物,也來自于病人和帶病動(dòng)植物的分泌和排泄物。污染 是破壞生態(tài)環(huán)境,造成疾病傳染的源頭。細(xì)菌可造成許多疾病,它是指一大批單細(xì)胞或多細(xì)胞形式的微生物有機(jī)物質(zhì),可由簡單的分裂而快速增長。細(xì)菌存在于空 氣、水、污物、腐敗有機(jī)物質(zhì)和動(dòng)植物中。大部分細(xì)菌的直徑為(0.2~1.5)μm,有些菌類直徑可達(dá)(10~30)μm。病毒是一群更小尺寸的生物結(jié) 構(gòu),細(xì)胞過濾器對它不起作用,也不會(huì)在離心器內(nèi)淀析出來,它寄生在有生命的細(xì)胞中并進(jìn)行繁殖。病毒不僅能使人和動(dòng)物致病,還能使植物和細(xì)菌本身致病。病毒 造成植物的“花葉病”、動(dòng)物的口蹄疫和禽疫,人的天花、麻疹、小兒麻痹、感冒等都是病毒在作祟。而SARS病毒則是一種變異極快,且每次變異并不降低毒 性,傳染性極大的變異冠狀病毒。

       許多年以來，人類創(chuàng)造世界的同時(shí)也造成了環(huán)境的污染。在飽嘗了環(huán)境污染的苦果后,人類又在環(huán)境保護(hù)和治理污染,在殺菌消毒技術(shù)等方面作出了巨大努力并取得成功。這說明人類能夠適應(yīng)并駕馭自然,并且隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,這種駕馭能力也在日趨強(qiáng)大。

1 傳統(tǒng)的殺菌消毒方法

      殺菌消毒方法從原理上區(qū)別有物理的、化學(xué)的、生物學(xué)的方法,它們具有各不相同的作用和效果,也具有各自的不足。

1.1 物理方法

1)水處理。水處理物理方法是利用物理作用分離出廢水中的污染物質(zhì),或?qū)⑵滢D(zhuǎn)為無害的物質(zhì),達(dá)到凈化水的作用。主要方法有吸附、沉淀、氣浮、過濾、離化、蒸發(fā)、結(jié)晶等。

2)空氣凈化。開窗通風(fēng)雖然不能殺滅微生物,但可以稀釋室內(nèi)空氣中的微生物濃度,所以通風(fēng)被認(rèn)為是一種有效的衛(wèi)生措施。但能否開窗受到室外自然條件的制 約�？諝膺^濾方法的消毒效果因微生物尺寸大小而異。采用管道或空調(diào)管道通風(fēng)一般配置過濾網(wǎng),可以攔截過濾掉會(huì)對人體造成傷害的可吸入性顆粒,也能配置醫(yī)學(xué) 級(jí)過濾器攔截大小微生物,但仍做不到全部殺滅微生物,也不能阻止細(xì)菌在管道的濕表面上生長,過濾器使用或維護(hù)不當(dāng),本身就可能成為繁殖細(xì)菌的二次污染源。

1.2 生物法

        利用微生物的代謝作用處理有機(jī)物和無機(jī)物的降解方法叫生物法。利用物理方法處理廢水雖可除去廢水中的懸浮物,但對有機(jī)物質(zhì)和膠體都難以除凈。用化學(xué)方法處 理廢水需要投入大量化學(xué)試劑。借助于微生物來氧化分解廢水中的有機(jī)物和無機(jī)物質(zhì),收效高且經(jīng)濟(jì),特別是除去廢水中的膠體和有機(jī)物效果更好。

1.3 化學(xué)法

1)臭氧消毒殺菌。臭氧的消毒機(jī)理為臭氧的強(qiáng)氧化性,一般用于對空氣的處理。臭氧的缺點(diǎn)是不易儲(chǔ)存,且不能高濃度使用,否則會(huì)對人造成傷害。

2)氯消毒。氯消毒用于對水處理,這是人們所熟知的方法,但由于會(huì)產(chǎn)生大量致癌、致突變、致畸變的含鹵有機(jī)物,因此許多國家已經(jīng)限制它的使用。

1.4 電子束輻照消毒

      物質(zhì)經(jīng)高能電子束輻照后,在物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生一系列的變化,有機(jī)和無機(jī)分子結(jié)構(gòu)的變化造成隨之而來的微生物的死亡和膠原體系的變化,達(dá)到消毒的效果。

1.5 輻射消毒

        γ射線輻射消毒主要是通過間接效應(yīng)即通過水分解產(chǎn)生羥基(-OH)自由基、氫自由基和水合電子而起作用。這三種粒子具有很強(qiáng)的活性,能夠?qū)?xì)胞和病毒中的核酸、蛋白質(zhì)和其它分子產(chǎn)生各種損傷。

2 紫外C消毒技術(shù)

       20世紀(jì)末21世紀(jì)初,國內(nèi)外對紫外C消毒技術(shù)進(jìn)行了深入研究并取得成功。紫外(ultravoilet) C(以后簡寫為UV-C)殺菌消毒的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在應(yīng)用面廣,可對空氣、水、固體表面進(jìn)行殺菌消毒；殺菌譜廣,幾乎可殺滅一切細(xì)菌和病毒,包括SARS病 毒[1]。 SARS病毒主要是近距離飛沫傳染,因此特別適合使用UV-C輻照這種局部消毒方法。

2.1  UV-C輻照消毒原理

        紫外光可劃分為三個(gè)波段：UV-A(長波段): (320~400) nm； UV-B(中波段): (280~320) nm； UV-C(短波段): (100~280) nm。強(qiáng)大的殺菌作用由短波段UV-C提供。由于UV-C具有較高的光子能量,當(dāng)它照射微生物時(shí),就能穿透微生物的細(xì)胞膜和細(xì)胞核,破壞其DNA的分子 鍵,使其失去復(fù)制能力或失去活性,不久便會(huì)死亡。

       UV-C輻照殺菌具有“累加”效應(yīng),一次輻照殺不死,多次輻照就可以殺死；當(dāng)UV-C輻照與其它消毒方法配合使用時(shí),能夠產(chǎn)生“協(xié)同”效應(yīng),其效果不是相加而是相乘[2]。如將過濾器或臭氧與之配合使用,則殺菌消毒效果就可成倍增長。

2.2 國內(nèi)外技術(shù)狀況

2.2.1 國外技術(shù)概況

       國外使用UV輻射進(jìn)行殺菌消毒已有多年歷史,而UV-C技術(shù)則是在20世紀(jì)末21世紀(jì)初興起的,現(xiàn)在光源和整機(jī)技術(shù)都已比較成熟,并且與生物醫(yī)學(xué)工程相結(jié) 合,完成了很多實(shí)驗(yàn),獲得了許多數(shù)據(jù),制訂了必要的標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品應(yīng)用面很廣,不僅用于對水的凈化處理,而且已經(jīng)進(jìn)入對空氣凈化和對固體表面消毒的工程領(lǐng)域。 這一狀況不僅表明這些國家在此領(lǐng)域具有相對先進(jìn)的技術(shù),而且表明其國民具有較高的生活質(zhì)量。它們的研究成果(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn))主要有[3]:①UV-C輻 照可殺滅的細(xì)菌和病毒種類；②使用UV-C輻照后,細(xì)菌和病毒存活率的計(jì)算方法；③細(xì)菌和病毒存活率為10%時(shí)的輻照劑量和有關(guān)常數(shù)；④UV-C輻照對人 體的安全閾值；⑤一些UV-C產(chǎn)品的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和安裝標(biāo)準(zhǔn)等。

       國外產(chǎn)品分為光源和整機(jī)兩類,光源的關(guān)鍵技術(shù)是要保證具有最大殺菌能力的輻射(254 nm)輸出、壽命、節(jié)能和可靠性。

圖1 UV-C光源 Fig.1  UV-C light source

光源產(chǎn)品中PHILIPS公司的中、低壓汞燈所占國際市場份額較大。 UV-C光源與熟知的管狀熒光燈相同(見圖1),只是燈管材料不同。其輸出與燈的運(yùn)行溫度有關(guān)。對于低壓汞燈,環(huán)境溫度為20℃,燈管壁溫為40℃時(shí)輸出 為最佳。燈管使用一種特殊的玻璃材料,可以隔斷能夠產(chǎn)生臭氧的輻射輸出(產(chǎn)生臭氧的輻射為240 nm以下的波長)。中壓汞燈充以較高壓力的汞蒸汽,所以能產(chǎn)生更高的光能,更豐富的譜線。燈管使用石英玻璃材料,所以短波輻射也能輸出,從而產(chǎn)生臭氧和 “協(xié)同”效應(yīng),但如臭氧量超標(biāo)時(shí),則應(yīng)在無人的場合使用。UV-C光源安裝在通風(fēng)管道或空調(diào)管道內(nèi),就可以對管道內(nèi)空氣進(jìn)行消毒。如管道對室內(nèi)設(shè)計(jì)有回風(fēng) 口,則室內(nèi)空氣就能進(jìn)入管道實(shí)現(xiàn)循環(huán)消毒,從而提高消毒效率。 UV-C光源加上通風(fēng)裝置就可以成為獨(dú)體或組合式的空氣消毒機(jī)。 UV-C光源與各種反射罩一起安裝在室內(nèi)不同位置就可以有選擇地對室內(nèi)局部區(qū)域進(jìn)行消毒。國外UV-C輻照不僅用于對室內(nèi)空氣消毒,還用于對食品加工生產(chǎn) 線上的食品、包裝物消毒,可以對一切固體表面輻照消毒。在對液體消毒時(shí),消毒效果與液體顏色和粘度有關(guān),如果是水,因?yàn)閁V-C對水具有很高的透過率,所 以具有極好的消毒效果。

2.2.2 國內(nèi)產(chǎn)品和應(yīng)用狀況

      國內(nèi)從事UV-C輻照消毒技術(shù)研究的時(shí)間不長,近年來福建新大陸環(huán)保科技有限公司在美國UV-C光源的基礎(chǔ)上開發(fā)出紫外C高效空氣消毒凈化設(shè)備,在此領(lǐng)域 它處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。針對SARS病毒, 2003年5月中旬以來,國內(nèi)許多照明燈具企業(yè)開發(fā)出眾多的便推式UV-C消毒產(chǎn)品[4~6],全部使用自己的UV-C燈管。如江陰原光光電儀器有限公 司、海寧金茂照明電器有限公司、通利康公司和華星光電實(shí)業(yè)有限公司。通利康紫外線滅菌器可對水進(jìn)行消毒；華星公司開發(fā)出吊式UV-C燈空氣消毒器,發(fā)明了 自鎮(zhèn)流紫外線雜菌燈(電源無需鎮(zhèn)流器),并申請了專利。有些產(chǎn)品適用于隨機(jī)進(jìn)行輻照消毒。它具有結(jié)構(gòu)小巧、重量輕便、價(jià)格低廉、電池供電、便于攜帶等特 點(diǎn)。比如對衣服外套、床上被褥、飲料食品,尤其是對紙幣這一重要傳染源進(jìn)行輻照消毒,這些對像都不適宜使用液體消毒。另外,人們出行乘坐各種交通工具,可 以攜帶這種小型儀器,對“的士”車廂、坐位,對火車床鋪、坐位,對機(jī)船坐位、旅館枕巾、被褥進(jìn)行消毒。據(jù)國內(nèi)媒體報(bào)道,在抗擊SARS病毒中,我國醫(yī)療單 位在SARS病房配置UV-C輻照消毒設(shè)備,取得了較好的效果。

3 紙幣UV-C消毒技術(shù)

       紙幣攜帶著大量細(xì)菌和病毒,是疾病傳染的重要渠道。對紙幣進(jìn)行殺菌消毒已有的方法是集中在庫內(nèi)進(jìn)行高溫處理,此時(shí)紙幣處于緊密捆扎和堆積狀態(tài)。在流通中如 何對紙幣進(jìn)行殺菌消毒一直沒有很好的方法,如果把UV-C燈管安裝在點(diǎn)鈔機(jī)和驗(yàn)鈔機(jī)內(nèi),在驗(yàn)鈔和點(diǎn)鈔的同時(shí)進(jìn)行殺菌消毒,則能在一些中間環(huán)節(jié)截?cái)嗉?xì)菌和病 毒的傳播。為了使紙幣UV-C消毒器的光能量充分集中,作者用“等光程面”原理設(shè)計(jì)了拋物柱面燈罩和橢圓柱面燈罩,使殺菌消毒效率大大提高。

3.1 橢圓柱面燈罩

       橢圓柱面反射鏡屬于等光程面,它有兩條焦線,互為物像關(guān)系。利用橢圓柱面反射鏡的這一性質(zhì),在UV-C消毒裝置中,將UV-C燈管安置在一條焦線上,而另 一條焦線正好位于紙幣通過的平面內(nèi)(見圖2),則此焦線上光能密度將有大輻度提高,病菌致死時(shí)間將大大縮短。

                   圖2 橢圓柱面燈罩    Fig.2  Elliptic cylindroid lampshade                 圖3 拋物柱面燈罩Fig。3  parabolic cylindroid lampshade
 

3.2 拋物柱面燈罩
如果將燈罩做成拋物柱面反射鏡,則此拋物柱面反射鏡也是等光程面,它有一條焦線,從此焦線上發(fā)出的光線經(jīng)拋物柱面反射以后必平行射出,見圖3。在UV-C 消毒裝置中,將UV-C燈管安置在焦線上,光線平行射出,且拋物柱面開口(即光束口徑)與紙幣寬度相同,這樣殺菌消毒效率也將大大提高。作者做了一個(gè)簡單 的實(shí)驗(yàn),分別測量使用拋物面燈罩和未使用拋物面燈罩的手電筒的光照度,結(jié)果表明,前者約為后者的4~5倍。
 

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