紫外線殺菌燈的前世今生
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自2020年3月11日WHO正式宣布新冠肺炎成為全球“大流行病”以來,世界各國一致將消毒工作視為阻擊疫情傳播的第一道防線。越來越多的科研機構對紫外線(UV)燈照射消毒產生了很大興趣:這種消毒技術對人工操作需求度極小,且不會提高細菌的耐藥性,完全可讓人不在場遠程智能操控使用,尤其適用于人流聚集密度高、停留時間長且最易產生交叉感染的封閉式公共場所,成為防疫殺菌消毒的主流。要說起紫外線殺菌消毒燈的由來,還要從“紫外線”這個光線被發現開始慢慢說起。
紫外線是陽光中頻率為750THz~30PHz,對應真空中波長為400nm~10nm的光線。紫外線的頻率高于可見光,我們無法肉眼可見。在很久以前,人們并不知道它的存在。
1800年英國物理學家赫歇爾發現了不可見的熱射線—紅外線后,秉著物理學“事物具有兩級對稱性”的理念,德國物理學家、化學家約翰-威廉-里特(Johann Wilhelm Ritter,1776~1810),在1801年發現在可見光譜的紫光端之外,還存在著不可見光。他發現在日光光譜的紫端外側一段能夠使含有溴化銀的照相底片感光,從而發現了紫外線的存在,因此里特也被稱為紫外線之父。
里特(Johann Wilhelm Ritter,1776~1810)
紫外線可以分為UVA(波長400nm~320nm,低頻長波)、UVB(波長320nm~280nm,中頻中波)、UVC(波長280nm~100nm,高頻短波)、EUV(100nm~10nm,超高頻)4種。
1877年,Downs和Blunt第一次報道了關于太陽光輻射可以殺滅培養基中細菌的特征,這也揭開了人們對紫外線殺菌消毒研究和應用的序幕。1878年,人們發現了太陽光中的紫外線具有殺菌消毒作用。在1901 年和 1906 年人類先后發明了水銀光弧這一人造紫外光源和傳遞紫外光性能較好的石英材質燈管。
1960年 人們第一次確認了紫外滅菌消毒的機理。一方面,當微生物受到紫外線照射時,生物細胞內脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)吸收紫外線光子能量,DNA分子中同一條鏈兩個相鄰的胸腺嘧啶基之間以環丁基環形成二聚體(胸腺嘧啶二聚體)。二聚體形成后,影響了DNA的雙螺旋結構,RNA引物的合成將停止在二聚體處,DNA的復制和轉錄功能均受到阻礙。另一方面,在紫外線的照射下可以產生自由基,引起光電離,從而使微生物不能復制繁殖。細胞對于220nm和260nm附近波段的紫外線光子最為敏感,能夠高效吸收這兩個波段的光子能量,從而阻止DNA的復制。波長為200nm或更短的紫外線輻射,大部分都在空氣中被吸收,因此很難長距離傳播,所以殺菌作用的主力紫外線波長集中200nm~300nm之間。但低于200nm被吸收的紫外線會分解空氣中的氧氣分子,產生臭氧,同樣也會起到殺菌消毒的作用。
在19世紀初,通過水銀蒸汽被激勵放電發光的這項工藝即已經為人所知:蒸汽封閉到一根玻璃管中,在玻璃管兩端的兩根金屬電極上施加電壓,從而產生一道“光弧”,使蒸汽發光。由于當時玻璃對于紫外的透過率極低,一直未能實現人造紫外光源。
1904年,德國賀利氏的Richard Küch博士利用其制成的無氣泡高純度石英玻璃,制作出第一支石英紫外汞燈Original Hanau® Höhensonne。因此,Küch被視為紫外汞燈的發明者,以及在醫用光療法中使用人造光源進行人體照射的先驅者。
自1904年第一支石英紫外汞燈出現后,人們開始研究其在殺菌領域上的應用。1907年,經過改進的石英紫外線燈被作為一種醫學治療光源被廣泛銷售。1910年,在法國馬賽市(Marseilles),紫外線消毒系統第一次被用于城市給水處理的生產實踐中,日處理能力為200 m3/d。大約在1920年,人們開始研究紫外在空氣消毒領域。1936年,人們開始在醫院手術室中采用紫外殺菌技術。1937年人們首次在學校中采用紫外殺菌系統控制風麻疹傳播。
20 世紀 60 年代中葉,人類開始了對紫外線消毒技術在城市污水處理中的應用。1965年到1969年,加拿大安大略省水資源委員會對紫外線消毒技術應用于城市污水處理以及對受納水體的影響進行了研究和評估。1975年 挪威啟用紫外消毒,替代有副產物的氯消毒。人們對紫外線消毒在城市污水處理中的應用進行了大量早期的研究,這主要是由于當時科學家已認識到被廣泛使用的加氯消毒工藝中的余氯對受納水體中的魚類等生物有毒,而且發現并確認了氯消毒等化學消毒方法會產生如三鹵甲烷(THMs)等致癌、致基因畸變的副產物。這些發現促使人類尋求一種更好的消毒方法。在1982年,加拿大一公司發明了世界上第一套明渠式安裝的紫外線消毒系統。
1998年 Bolton證明紫外消滅原生動物的有效性,從而助推了紫外線消毒技術應用于一些大規模的城市給水處理之中。例如在1998~1999年間,芬蘭赫爾辛基市(Helsinki)的Vanhakaupunki和Pitkäkoski給水廠分別進行了改建,增加了紫外線消毒系統,總處理能力約為12,000 m3/h;加拿大埃德蒙頓市(Edmonton)EL Smith 給水廠在2002年左右也安裝了紫外線消毒設施,日處理能力為15,000 m3/h。
2023年7月25日中國頒布了《紫外線殺菌燈 標準號GB 19258-2003》國家標準,英文標準名稱:Ultraviolet germicidal lamp。2012年11月5日中國頒布了《冷陰極紫外線殺菌燈 標準號GB/T 28795-2012》國家標準,英文標準名稱:Cold cathode ultraviolet germicidal lamps。2022年12月29日中國頒布了《普通照明用氣體放電燈用鎮流器能效限定值及能效等級標準號:GB 17896-2022》國家標準 ,英文標準名稱:Minimum allowable values of energy efficiency and energy efficiency grades of ballasts for gas discharge lamps for general lighting,將于2024年1月1日實施。
目前,紫外線殺菌技術已經發展成為安全可靠、高效環保的消毒技術。紫外線殺菌技術逐步取代傳統化學消毒方法,成為主流的干式消毒技術。在國內外各個領域得到了廣泛的運用,如廢氣處理,水處理,物表殺菌,空氣殺菌等。