紫外线杀菌灯的工作原理

紫外杀菌器工作原理

一、什么是紫外线

　　紫外线是一种辐射能，一种能以光速穿过空气与空间的电磁波能量。
　  在物理学上，依波长的不同可分为： 315nm ～ 400nm 波长的紫外线称为 uv-a ； 280nm ～ 315nm 波长的紫外线为 uv-b ；更短波长的 100nm ～ 280nm 紫外线称为 uv-c 。
    uv-a 通常只会使人的皮肤色素增加； uv-b 则会使皮肤发红，不久便会黑化； uv-c 则对生命有害，会使微生物变异或突然致死。用来消灭水中细菌、病毒的紫外线，便是属于波长较短的紫外线。根据研究显示，紫外线波长在 250 ～ 260nm 附近时会破坏染色体，对生物威胁Zui大。

　　二、紫外线如何杀菌

紫外线杀菌是美国国家卫生基金会（nsf）承认的技术，其它同样应用在水质处理如机械式过滤层、逆渗透和中空丝膜等技术，均不被 nsf 所认可。
紫外线杀菌法是目前Zui常用的高效能水质处理技术之一，可独立使用或并用于沉淀物过滤法、逆渗透法、活性碳吸附法、去离子法 …… 等多项水处理法。
紫外线杀菌的应用原理与日光灯相同，只是灯管内部不涂荧光物质，灯管材质采用紫外线穿透率高的石英玻璃为保护外管，并利用核酸对低压水银放电灯的 人工波长为254nm的紫外线有极大吸收值时， 破坏细菌与病毒核酸（dna）的生命遗传物质，与分子内产生激烈的化学变化使其无法繁殖。其中产生Zui重大的反应是核酸分子内的嘧啶（pyramiding）盐基形成了二量体（diner）。
紫外线能有效地消灭水中细菌和病毒，目前认为主要原因在于生成了嘧啶二量体，另外，紫外线在核酸内引起的“光水和反应”和核酸与蛋白质相互作用时的“光架桥反应”，也对其存在着某种影响。

• 紫外线杀菌的特点

杀菌的方法多种多样，除紫外线杀菌外，还有药物杀菌、加热杀菌、臭氧杀菌等，本文仅对紫外线杀菌的特点作一介绍。
1. 优点
(1) 紫外杀菌比药物杀菌效率高；
(2) 对任何微生物细菌都有杀菌效果；
(3) 能对空气、水等流体杀菌。
2. 缺点
(1) 杀菌范围只限于紫外线所能照射的部分，对物体的后侧、内部不能杀菌；
(2) 杀菌线对人、动物的眼睛、皮肤有损害，会使物体变色、退色。
由于杀菌线的特点大大优于药物、加热等杀菌方法，因此有取代这些杀菌方式的趋势。通过对紫外辐射的杀菌试验得出，细菌数量随照射时间而成指数减少。例如，用紫外线照射 10 秒，细菌减少到 1/10 ；再照射 10 秒即连续照射 20 秒，细菌就减少到 1/100 。这种递减关系可用下式表达：

其中， s 为细菌的成活率；
n 0 为杀菌前的细菌数；
e 为杀菌紫外线的照度(w/m)；
t 为照射时间 (sec) ；
d为d值〔把细菌减少到1/10，单位面积所需杀菌线的能量(j/m)〕 。
通过实验知道：用等量的紫外线照射不同的细菌，可以得到相同的杀菌效果。从这点可以得出：杀菌效果由杀菌线的照度e(w/m)和照射时间t(sec)的乘积决定。
　　另外，微生物对杀菌线的反应随微生物的种类、环境条件的不同而不同，一般用d值表示。在表 1 中列出了几种有代表性的微生物的 d 值。一般真菌的 d 值比细菌的大(对真菌，杀菌线要强些)，即使细菌相同，水中的 d 值也要比干燥状态下的大。

表 1 各种微生物的 d 值

微生物名称
 d值（ j/m）
 
　病毒（空气中）
 7.5
 
　肠伤寒菌
 21.4
 
　大肠杆菌（培养基上）
 36.0
 
　大肠杆菌（水中）＊
 60.0
 
　破伤风菌
 49.0
 
　结核菌
 100
 
　杆菌属（芽胞杆菌属）
 403
 
　青菌
 130 ～ 440
 
　酵母菌
 440 ～ 1320
 
　藻类
 3600 ～ 6000
 

条件： 20 ℃ ， rh( 相对湿度 )=35% （＊除外）
通过对沙雷氏菌所做的杀菌试验得出：非紫外照射的杀菌率是 0% ；
用 15. 8j/m紫外照射的杀菌率是 64% ；用 47.4j/m紫外照射的杀菌率是 98% ；用 94.8j/m紫外照射的杀菌率是 99% 。
15w 的杀菌灯，在离灯中心50cm处，辐射线的照度是 1.5w/m，这时它的杀菌能力是日光的60倍，在以上条件下照射大肠杆菌(寒冷天的培养基上)约1分钟就能使菌减少到 1/1000。
被杀菌线照射后的菌，由于 dna 受损而失去活性，但这种菌如果受到可见 光的照射或长紫外 (uv-a) 照射后又将恢复其活性。这种现象叫光恢复，是光辐射中的一种奇特现象。根据菌的类型和光照射量的不同，光恢复的结果一也不一样。据有关报告介绍，恢复细菌活性的照射量必须是杀菌照射量的 2～3 倍。正因为如此，在明亮的场所不能用紫外线杀菌。

• 影响紫外线杀菌效果的几种因素

紫外线杀菌由来已久，其杀菌效果也被普遍公认，而且使用普遍，但诸多因素直接或间接地影响着杀菌的效果，所以必须重视和排出不利因素，确保和提高紫外线的杀菌效果，以达到控制细菌感染的目的。

　　（ 1 ）紫外线灯管的类型、质量、有无反光罩对其效果的影响

有实验报道，用高硼紫外线灯与石英紫外线灯分别对已知不同种细菌进行照射，结果细菌在高硼玻璃管紫外线灯照射下的存活数均较高，而在石英紫外线灯照射下较少，故应石英紫外线灯。目前紫外线灯的质量也有学者作过调查，8只全新紫外线灯经强度检测仪检测，强度为(47.4 ± 3.9)μw/cm，根据我国《杀菌管理条例》对新灯管的强度要求不得低于100μw/cm，故8只全新灯管无一符合标准，所以评定紫外线灯管的优劣不能根据新旧、是否产生蓝色光、是否形成臭氧作判断，必须检测其强度。
紫外灯在有无反光罩或不同材料的反光罩下所测得的强度差异较大，如 1 支在木板式反光罩下的灯经测试强度<7μw/cm，应属不合格灯管，但改置在抛光铝制反光罩下，强度升高，即可达合格要求，但这种利用反光罩提高照射强度而改判灯管合格是欠妥的，理由是：因灯管所放射出的紫外线强度实际并未改变。对新灯管的强度测定应在无反光设备的条件下进行，为方便工作，可经实验测定各种反光罩的修正系数，将带反光罩时测得的结果除以修正系数，即可得不带反光罩时照射强度值。例： 1 只灯管在无罩下强度为100μw/cm时，而改置在抛光钻罩下强度为 155μw/cm，则修正系数为：155/100=1.55。以后凡在抛光铝罩下测得的强度均应除以1.55。这样就可将部分强度不够标准的灯管淘汰，以便更稳妥、有效地实施紫外线杀菌。

　　（ 2 ）灯管的清洁程度杀对其效果的影响

　　实验证明灯管若有尘埃覆盖，由于紫外线有穿透力极弱的特点，尘埃可使其强度降低。而经无水酒精擦拭后其输出强度平均可提高 6.29μw/cm。

　　（ 3 ）杀菌距离、持续时间对杀菌效果的影响

　　理论上紫外线杀菌的有效距离为2m之内，有研究报道，照射距离愈近，杀菌效果愈好，即距离与效果成反比。用已知金葡球菌作试验，在距离紫外线灯1 m处照射30min，存活细菌数是7个，在2m处存活细菌数是30个。照射持续时间对杀菌效果的影响现有 2 种认为：一种与传统的理论一致，认为紫外线杀菌效果随照射时间的延长而增加；而另一种认为是紫外线杀菌效果与照射时间不成正比。据军事医学科学院微生物流行病研究所研究发现，杀菌 40min 空气中细菌数平均降低约 80% ，继续延长杀菌时间至 120min ，空气中细菌数的下降不明显，此现象的发生乃因为室内人员的呼吸、交谈、走动等随时在产生新的微生物气溶胶，经一定时间后，空气中微生物的产生和消亡即会达到一个动态的平衡。有人对紫外线杀菌的有关研究发现，紫外线杀菌 30min 与杀菌 60min 空气中的细菌数差异无统计学意义(p>0.05)，与第2种认为结果一致。显然，这与传统理论相悖，对此还有待进一步深人研究。

　　（ 4 ）不同生物时间对其杀菌效果的影响

　　迄今为止，微生物的不同生物时间对紫外线杀菌效果的影响的系统实验报道不多，有人对紫外线空气杀菌的有关实验研究发现：夜间 ( 无可见光 ) 紫外线空气杀菌效果优于白天 ( 可见光下 ) 。这是因为不同的生物时间，细菌体内的“光复活酶”有着不同的生物效应，在白天细菌体内的“光复活酶”获得能量，使损伤的 dna 修复，可形成单体细菌重新恢复生活状态，而在夜间“光复活酶”则不能发生此生物效应。另外，夜间人员流动相对白天少，空气中尘埃数也较白天少，所以，我们认为，进行紫外线空气杀菌应选择生物时间。

• 紫外线杀菌的用途

在日本，杀菌灯 1961 年开始用于美容店的杀菌，自从 1963 年通过对烹调用的菜板杀菌装置标准化后，杀菌灯的市场又扩大了一步。从那以后对食品中的添加物如防腐剂、杀菌剂等也作了规定，这样杀菌灯在食品加工厂也得到普遍应用。由于爱滋病的威胁，厚生省指定采用杀菌灯为杀菌美容器的方法之一。很多地方都采用杀菌灯进一步提高公共卫生、环境卫生。
虽然杀菌灯主要是对物体表面进行杀菌，但杀菌率高的特点使之在各个领域得到应用。诸如医院病房的“空气杀菌”设施，水生物观赏池、养鱼池及半导体制造工艺中用净水的“水杀菌”设施等等，推进了适用于这些场合的高效、高照度杀菌灯的不断开发。

　　六、结束语

　　到目前为止，西方发达国家已在污水处理厂安装了数千套大型紫外线杀菌系统，应用该技术的厂家约占污水处理厂总数的 10% 。同时，至 2001 年底已有 2000 多家自来水厂采用了紫外杀菌技术，占自来水厂总数的 10% 以上，并且大量的紫外杀菌技术改造工程正在进行之中。
紫外辐射杀菌是照明技术与各学科综合应用而产生的“光辐射应用技术”。 “光辐射应用技术”是一门综合的技术，至今已经取得了突破性的进展，随着社会的进步与科学技术的发展紫外线杀菌技术必将获得更大的发展空间。

紫外线为波长介于16－397nm的电磁波，其光子能量较低，不足以使原子或分子电离，故属非电离辐。根据波长可将紫外线分为a波、b波、c波和真空紫外线。在波长160－200之间，真空uv对于toc的去除十分有效，波长在185nm时，toc去除率Zui高。消毒灭菌用的紫外线是c波紫外线，其波长范围是200－275nm，杀菌作用Zui强的波段是250－270nm，在此波段会产生足够剂量的强紫外光照射到液体或空气中，瞬间破坏各种细菌、病毒等微生物细胞组织中的dna、rna，当病毒或细菌在此波段照射下，吸收超过6000－10000u.w.sec/cm2的剂量，其生命中枢dna（去氧核糖核酸）即遭破坏，使其立即死之或丧失繁殖能力。

    紫外线属广谱杀菌类，能杀死一切微生物，包括细菌、结核菌、病毒、芽孢和真菌。

    uv在水处理系统中的应用

    1．toc去除

    2．消毒杀菌

    3．臭氧分解

    4．氯和氯胺的去除

    特点

    1．能迅速有效地杀灭各种细菌、病毒等微生物；

    2．通过光解作用，能有效降解水中的氯化物；

    3．操作简单，维护方便；

    4．占地面积小，处理水量大；

    5．无污染，环保性强，不会产生毒副作用；

    6．投资成本低，运行费用低，设备安装方便；

    7．利用光学原理设计独特的内壁处理工艺，使腔体内得以Zui大限度地利用紫外线，使杀菌效果成倍提高。   

    注意事项及使用说明

    1．紫外线不能直接照射到人体的肌肤；

    2．紫外线对工作环境的温度和湿度有一定的要求：在20℃以上，照射强度较稳定；在5～20℃之间，随温度的上升照射强度增加；相对湿度60%以下时，杀菌能力较强，湿度增至70%时，微生物对紫外线的敏感性降低，湿度增至90%时，杀菌力衰退30%～40%。

    3．对水进行消毒时，水层厚度均应小于2cm，水流过时接受90000uw.s/cm2以上的照射剂量才能使水达到有效消毒。

    4．紫外灯管和套管表面有灰尘和油污时，会阻碍紫外线透过，因而应经常（一般两周一次）以酒精、丙酮、氨水作擦拭。

    5．灯管启动时，加温至稳定状态需数分钟，端电压较高。关闭后若立即重开，常常较难启动，且易损坏灯管并减少灯管使用寿命，故一般不宜频繁启动