Одним из ключевых методов борьбы с заболеваемостью различными инфекциями (в том числе и коронавирусом COVID-19) является обработка воздушной среды и поверхностей бактерицидным ультрафиолетовым излучением. В данной статье мы постараемся объединить имеющуюся информацию по ультрафиолетовому излучению, а также бактерицидным лампам.
Что такое ультрафиолетовое излучение?
Итак, начнем с того, что ультрафиолетовое излучение (согласно официальному определению) - это электромагнитное излучение, занимающее спектр длины волны от 10 до 400 нанометров, находясь между видимым спектром излучения и рентгеновским излучением. Однако с точки зрения воздействия на биологические объекты (микроорганизмы, бактерии, вирусы, грибки и т.д.) этот диапазон выделяют в несколько более узких границах: от 100 до 400 нанометров .
Диапазон ультрафиолетового излучения условно разбит на 4 поддиапазона: вакуумный УФ (100-200 нм), УФ-С (200-280 нм), УФ-В (280-315 нм) и УФ-А (315-400 нм). Излучение каждого из этих поддиапазонов имеет свою специфику воздействия на биологические объекты. Давайте подробно остановимся на каждом из них.
По графику зависимости относительной спектральной бактерицидной эффективности от длины волны ультрафиолетового излучения можно увидеть, что наибольшее воздействие на биологические объекты оказывает излучение в диапазоне 250 - 280 нанометров. При длине волны 265 нм этот параметр условно равен единице. Экспериментальным путём выявлено, что для различных видов микроорганизмов этот диапазон практически идентичен. Также было выявлено, что ультрафиолетовое излучение с длиной волны 253,7 нанометра наиболее губительно влияет на деление микроорганизмов, повреждая их РНК. Именно поэтому в бактерицидных лампах используют такую длину волны в качестве основной.
Естественными источниками ультрафиолетового излучения являются космические объекты. В нашем случае это Солнце - ближайшая к нам звезда. От губительного воздействия ультрафиолета на организмы спасает атмосфера Земли - она поглощает практически весь ультрафиолет, за исключением УФ-А и малой доли УФ-В. В разных точках планеты интенсивность ультрафиолетового потока может различаться ввиду множества факторов: толщины озонового слоя над данным местом (да, именно озон, который в обычных условиях вреден для человека, в данном случае спасителен), высоты над уровнем моря, высоты Солнца над горизонтом, облачности, атмосферного рассеивания, степени отражения от поверхности и т.д.
Искусственные источники ультрафиолета
Хотя естественный (солнечный) ультрафиолет частично помогает в борьбе с патогенными микроорганизмами, его всё равно недостаточно. В помещениях же естественного ультрафиолета практически нет, поэтому для обеззараживания воздуха и поверхностей используют бактерицидные лампы - искусственные источники ультрафиолетового излучения . Однако далеко не все лампы, излучающие ультрафиолет, подходят для обеззараживания в полной мере.
Наиболее распространенным источником бактерицидного ультрафиолетового излучения являются ртутные лампы низкого давления . Принцип их действия - электрический разряд в аргонно-ртутной смеси. У такого типа ламп хороший КПД (более 60%), довольно большой срок службы (9-11 тысяч часов) и мгновенное «зажигание» - быстрый переход в рабочее состояние после включения. Существуют также ртутные лампы высокого давления , которые в сравнении с лампами низкого давления могут обладать значительно большей единичной мощностью (100 - 1000 Ватт), однако при этом срок их службы значительно ниже (до 10 раз по сравнению с лампами низкого давления), а КПД невелик - не более 10%. Из-за этих недостатков ртутные лампы высокого давления не получили широкого распространения.
Помимо непосредственно бактерицидных ламп, существуют также ультрафиолетовые лампы, предназначенные для других целей. К таковым относятся:
- Лампы для солярия . Основное предназначение - создание искусственного загара. Они работают в диапазонах УФ-А и УФ-В с преобладающей долей УФ-А (так как диапазон УФ-В значительно сильнее повреждает кожу).
- Лампы для применения в криминалистике . Предназначены для нахождения пятен крови, проверки подлинности документов и т.д. Работают в диапазоне УФ-А.
- Лампы для изменения физических свойств материалов . Применяются для отвердевания/размягчения/изменения цвета некоторых синтетических материалов. Распространены в стоматологии, косметологии, строительстве и других областях. Работают в диапазоне УФ-А.
- Бытовые ультрафиолетовые лампы . Предназначены для домашней эксплуатации с целью компенсации дефицита витамина D, укрепления иммунитета, восстановления естественного цвета кожи, а также для улучшения роста комнатных растений. Работают такие лампы в диапазоне УФ-А с возможной мизерной долей УФ-В.
- Лампы для подсвечивания предметов в темноте с эстетическими целями - например, для подсветки одежды или предметов во время проведения мероприятия в ночном клубе. Работают в диапазоне УФ-А.
Все вышеперечисленные источники ультрафиолета работают в относительно «безвредном» ультрафиолетовом диапазоне излучения УФ-А (в некоторых случаях с долей УФ-В). Соответственно, для применения в бактерицидных целях такие лампы непригодны, так как основная спектральная линия излучения далека от искомых 253,7 нм.
Многие производители соблюдают размерность (длину) ультрафиолетовых ламп, определенную для каждого их типа, чтобы пользователь не вставил по ошибке, например, бактерицидную лампу в солярий (и наоборот), так как это может привести к печальным последствиям для здоровья.
Ртутная бактерицидная лампа низкого давления работает в достаточно широком спектре ультрафиолетового излучения, зацепляя как видимый спектр до 450 - 500 нанометров, так и диапазон «вакуумного» ультрафиолета. Работа в этом диапазоне нежелательна, так как ультрафиолетовое излучение с длиной волны 185 нанометров образует озон при взаимодействии с молекулами кислорода в атмосфере. Как уже говорилось выше, озон - ядовитый газ. Большая концентрация озона в помещении может крайне негативно повлиять на здоровье людей. Выходом из сложившейся ситуации является применение в конструкции колбы лампы специализированного стекла, которое отсекает излучение в паразитных диапазонах, оставляя только спектральную линию бактерицидного ультрафиолета 253,7 нм. Бактерицидные лампы, которые производились из кварцевого стекла, никак не блокировали паразитную спектральную линию вакуумного ультрафиолета, в результате чего при работе такой лампы образовывался озон в количествах, опасных для человека. При работе такой лампы предписывалось покинуть помещение, а по окончанию «кварцевания» помещение необходимо было проветривать. В современных бактерицидных лампах применяется увиолевое стекло , практически полностью отсекающее паразитные линии ультрафиолета. Работа бактерицидной лампы с увиолевым стеклом возможна в присутствии людей. Именно поэтому такие лампы получили широкое распространение в бактерицидных рециркуляторах воздуха .
Существуют также ксеноновые и амальгамные лампы, обладающие значительно большей мощностью по сравнению с ртутными лампами низкого давления. Тем не менее, оба типа ламп имеют существенные недостатки: бактерицидный эффект от применения ксеноновых ламп экспериментально не был доказан (при значительно большей мощности импульса эффективность облучения была значительно ниже, чем у классических ртутных ламп), а амальгамные лампы хоть и действительно имеют больший КПД, но при этом стоят в десятки раз дороже ртутных аналогов.
Насколько мощной должна быть лампа?
Простого бесконтрольного «свечения ультрафиолета» для обеззараживания воздушной среды и поверхностей недостаточно. Важными параметрами бактерицидных ламп и бактерицидных установок являются бактерицидный поток и бактерицидная доза . Остановимся подробнее на каждом из них.
Бактерицидный поток источника ультрафиолетового излучения (имеет обозначение Фбк ) по сути показывает силу (мощность) источника искусственного ультрафиолетового излучения. Измеряется в Ваттах (Вт). Данный параметр является ключевым при вычислениях необходимой мощности бактерицидной установки, так как используется именно он, а не заявляемая электрическая мощность лампы. Расчет данного параметра проводится по формуле:
Фбк = 11,3 × Eбк × λ2
В данной формуле используются следующие значения:
- λ - расстояние (в метрах) между облучаемой поверхностью и источником излучения;
- Eбк - значение бактерицидной облученности в точке на поверхности. Выявление параметра Eбк производится методом приборного измерения. Как правило, такое измерение производится на расстоянии λ = 1 метр. К примеру, измерение этого параметра бактерицидных ламп производства ТМ «Proto-X» проводилось в Омском ЦСМ (ФБУ «Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Омской области») на приборе «Аргус-06», о чем был выдан соответствующий сертификат.
Бактерицидная доза (имеет обозначение Нv ) - базовый параметр обеззараживания воздушной среды, отражающий функциональную связь между микробиологическими характеристиками микроорганизмов и параметрами бактерицидной лампы/установки (официальное определение согласно Руководству Р 3.5.1904-04 Минздрава РФ). Измеряется в джоулях на метр кубический (Дж/м3 ). Если говорить понятным языком, этот параметр показывает дозу ультрафиолетового излучения, которую необходимо применить для уменьшения концентрации патогенных микроорганизмов до определенного значения. Вычисляется он по формуле:
Нv = ( Кф × Nо × Nл × Фбк × tэ × 3600 ) / V
В данной формуле используются следующие значения:
- Кф - коэффициент использования бактерицидного потока ламп. Данное значение определяется экспериментальным путём. Установлено, что для закрытых облучателей (коими являются, например, бактерицидные рециркуляторы воздуха) Кф = 0,4; для открытых облучателей Кф = 0,8.
- Nо - количество используемых облучателей. За единицу принимается одна эксплуатируемая бактерицидная установка (бактерицидный рециркулятор воздуха, потолочный облучатель, комбинированный облучатель и т.д.).
- Nл - количество используемых ламп в облучателе. Указывается целочисленное значение, равное количеству ламп, установленных, к примеру, в корпус бактерицидного рециркулятора воздуха.
- Фбк - бактерицидный поток излучения одной лампы (см. выше).
- tэ - длительность облучения воздуха или поверхностей (измеряется в часах).
- V - объем помещения, в котором эксплуатируется бактерицидная установка (измеряется в м3 ).
Как можно заметить, бактерицидная доза зависит от бактерицидного потока ультрафиолетового излучения. На данный момент для большинства патогенных микроорганизмов параметр Нv уже посчитан экспериментальным путём. В Руководстве Р 3.5.1904-04 Минздрава РФ имеется приложение №4, в котором содержатся значения Нv с учётом достижения необходимого уровня бактерицидной эффективности . К примеру, возьмём S. aureus - золотистый стафилококк. Его принято использовать как базовый микроорганизм при подобных вычислениях. В таблице приложения №4 можно увидеть, что Нv для достижения бактерицидной эффективности, равной 90 процентам (то есть от такой дозы погибает не менее 90% бактерий), необходима доза, равная 130 Дж/м3 . Для достижения бактерицидной эффективности в 95% будет нужна немного большая доза, равная 167 Дж/м3 , а для достижения 99,9% будет нужно 385 Дж/м3 .
Внимание! Для возбудителей коронавирусной инфекции (COVID-19), а также некоторых штаммов сезонных гриппов точные значения параметра Нv не рассчитаны ввиду недостаточности данных для исследования. На данный момент считается, что коронавирус имеет низкую устойчивость к ультрафиолету, т.е. стандартный расчет бактерицидной установки для S. aureus будет иметь достаточную мощность для эффективной борьбы с ним.
Формулы и значения, расписанные выше, при первом рассмотрении могут показаться слишком сложными для понимания. Тем не менее, они позволяют понять, насколько бактерицидная лампа или установка в целом будут эффективны в борьбе против определенного микроорганизма.
Стоит также сказать, что бактерицидная эффективность (обозначается как Jбк ) нормируется для каждой категории помещений Руководством Р 3.5.1904-04 Минздрава РФ. Уровни бактерицидной эффективности в зависимости от категории помещений приведены в таблице.
Для большего понимания стоит привести простой пример. Допустим, имеется помещение объемом 100 м3 , в котором нtбходимо произвести обеззараживание среды от S. aureus. Помещение является бытовым и находится в промышленном здании (IV категория, требуемое значение Jбк = 90%). Требуется проводить нормативную обработку за один час (tэ = 1). Согласно приложению №4 Руководства Р 3.5.1904-04 Минздрава РФ, для данного значения бактерицидная доза Нv должна быть равна не менее 130 Дж/м3 . Зная это значение и две верхние формулы, можно рассчитать необходимую мощность бактерицидной установки или лампы.
Предположим, что у нашей бактерицидной лампы имеется сертификат, в котором значение Eбк равняется 0,94 Вт/м2 . Замер Eбк производился с расстояния λ = 1 метр. Исходя из этого, бактерицидный поток источника ультрафиолетового излучения Фбк будет равен
Фбк = 11,3 × 0,94 × 12 = 10,62 Вт
Если смоделировать бактерицидную установку закрытого типа (рециркулятор) с одной такой лампой (Nл = 1), то бактерицидная доза Нv будет равна
Нv = ( 0,4 × 1 × 1 × 10,62 × 1 × 3600 ) / 100 = 153 Дж/м 3
Исходя из этого расчета, бактерицидная установка с одной лампой мощностью 30 Ватт (бактерицидный поток Фбк = 10,62 Вт) справится с поставленной задачей, причем даже с небольшим запасом.
Стоит заметить, что данный расчет показывает только значения, применимые к источнику бактерицидного излучения. Он не является конечным, так как не учитывает всех параметров помещения, самой бактерицидной установки, а также условий эксплуатации. Подробная методика расчета комплектной бактерицидной установки (бактерицидного рециркулятора воздуха) будет приведена в одной из следующих статей.
Подведем итоги
- Ультрафиолетовое излучение - это электромагнитное излучение, занимающее спектр длины волны от 10 (100) до 400 нанометров . По своим свойствам оно делится на 4 поддиапазона (УФ-А, УФ-В, УФ-С и «вакуумный» УФ), каждый из которых имеет индивидуальные харакеристики биологического воздействия.
- Научно доказано, что длина волны 253,7 нанометра наиболее выгодна для использования с целью бактерицидной обработки.
- Наиболее распространенным искусственным источником ультрафиолетового излучения являются ртутные лампы низкого давления . Далеко не все источники искусственного ультрафиолета пригодны для бактерицидной обработки, так что при выборе бактерицидной установки всегда нужно интересоваться характеристиками источника ультрафиолетового излучения.
- В современных бактерицидных лампах применяется колба из увиолевого стекла , которая полностью отсекает паразитные излучения, оставляя только бактерицидную линию ультрафиолета. При работе таких бактерицидных ламп ядовитый газ озон не выделяется .
- Для эффективного бактерицидного воздействия лампа должна обладать необходимыми мощностными характеристиками , которые легко можно рассчитать по формулам, рекомендованным Руководством Р 3.5.1904-04 Минздрава РФ. Нежелательно приобретать источники ультрафиолетового излучения, не прошедшие поверку.
При составлении статьи использовалась следующая литература:
- Руководство Р 3.5.1904-04 «Использование ультрафиолетового бактерицидного излучения для обеззараживания воздуха в помещениях» Министерства здравоохранения РФ. Москва, 2005