TECHNOLOGY AND INFORMATION科技论坛紫外杀菌消毒技术的研究进展浅述叶晓梦江苏科易达环境科技有限公司 江苏 南京 210000摘 要 紫外杀菌消毒技术具有安全、环保、卫生的特点，在工业消毒、空气消毒、污水处理等领域得到了广泛应用，国外约有四分之一的相关领域采用了紫外杀菌消毒技术。同样紫外线杀菌消毒方面的应用在我国也已经较为普遍，与国外相比还存在一定差距，主要有光强弱、功耗高、故障率高、环境污染大等不足。本文就紫外杀菌消毒技术展开讨论。关键词 紫外线；消毒杀菌；紫外光源1 紫外线的杀菌消毒原理1.1 紫外线紫外线作为电磁波中的一种，是由德国物理学家 Rette于1802年在太阳光谱中发现的，它的波长范围380~100nm，分为四个波段：100~200nm为真空紫外线，在空气中完全衰减，不能进入大气层；200~280nm为短波紫外线(UVC)，在空气中衰减厉害，只能采用人造光源；280~320nm为中波紫外线(UVB)，臭氧层对UVB有一定的吸收；320~380nm为长波紫外线(UVA)，可在空气中传输。图 1为光谱图。物学、物理化学和防疫学等技术的基础上，采用特殊设计的紫外发生装置产生UVC紫外线，当存在于水、空气等环境中的各种病原体、病毒、细菌等微生物被一定剂量的UVC照射时，由于细胞中的遗传结构遭到破坏，遗传基因不能复制，这些微生物因此丧失了繁殖能力，最终导致死亡，达到了无化学药物消毒杀菌的目的 。2 常用杀菌消毒技术对比氧化剂、卤素、辐射杀菌消毒等是目前常用的杀菌消毒方法 ，优缺点对比见表1。 表1 常用消毒法优缺点对比消毒效果臭氧杀菌和杀病毒的效果均很好可有效杀菌，杀灭病毒的效果差优点不产生有毒氯化物，接触时间短工艺简单，技术成熟，成本低投放简单，副产物二氧化氯杀菌效果比氯气好少，有强烈的氧化作用缺点易泄漏、不稳定，电耗大，运营成本高腐蚀性强，有致癌致畸风险不稳定，对光、热和压力敏感，与火花和有机物易发生爆炸 电耗大，需定期更换设备 氯 气图1 光谱图紫外线杀菌和杀病毒的效果好，快速简单不需添加任何化学品1.2 紫外线杀菌消毒原理1910年，紫外线杀菌消毒毒技术首次用于饮用水杀菌消毒。紫外线杀菌消毒曲线（Din5031-10）和脱氧胸苷酸(dTMP)吸收曲线见图2，UVC的波长范围在微生物吸收峰之内，可快速破坏微生物的脱氧核糖酸结构，达到杀死病毒和细菌的目的，其杀菌消毒作用最强。而UVA和UVB波长在dTMP吸收峰之外，杀菌效率低，起不到杀菌作用。 从表中可以看出，传统的杀菌法采用二氧化氯、臭氧或氯之类的化学法，存在化学残留，还产生副作用，从而危害人体健康。作为一种新的消毒方法， 紫外线消毒杀菌、杀病毒的效果好，无化学品添加，避免了有毒衍生物对环境造成的破坏，使用时仅需用光源照射需要消毒杀菌的场所，是一种安全、环保、卫生的消毒方式。 3 现有紫外杀菌技术对比现有的紫外杀菌技术是通过紫外杀菌灯产生UVC紫外线，具有杀菌消毒效果好，快速简单的特点，在使用过程中不需添加任何化学品，不会产生新的污染物。3.1 紫外线灯的种类紫外线灯的种类很多，常见的紫外线光源大多数是汞灯，即通过电极放电激励或高频激励汞原子，当汞原子从激发态回到基态时，产生 365nm、254nm 或 185nm 的紫外线。汞灯有无电极汞灯(Electrode-less)、低压汞灯(LP)、低压高强汞灯(LPOH)、中压汞灯(MP)等，另外还有金属卤化灯(Metal halide)、脉冲紫外灯(Plused UV)、准分子激光灯(Eximer)等紫外灯。低压汞灯的发射峰是253.7nm 的线谱，中压汞灯的发射波长是200-300nm的连续光谱。三种汞灯的物理参数对比如表2所示[1]。中压汞灯单根灯管科学与信息化2020年3月中 185图2 杀菌消毒曲线（Din5031-10）和dTMP吸收曲线紫外线杀菌消毒技术是多学科的集成，是在现代光学、生科技论坛功率较高，可达到250W以上，具有较强的消毒能力且节省占地；但也存在一定缺陷即光电转化效率较低、使用寿命短，水的处理成本更高。 表2 主要紫外灯物理参数[1] 参数波长（nm)汞蒸气压（Pa）工作温度（℃）输入功率密度（W/cm)杀菌功率密度（W/cm)光电转化效率（%)电弧长（cm)使用寿命（h)中压200-30040000-4000000600-90050-2505-3010-205-1204000-8000低压高强2540.18-1.660-1001.5-100.5-3.530-4010-1508000-12000低压2540.93400.50.230-4010-1508000-10000 TECHNOLOGY AND INFORMATION外，在紫外灯使用过程中，汞会渗入玻璃壁中 ，从而降低了灯的寿命维持率。开发出能够替代传统含汞紫外灯的无汞紫外光源，减少对人体和环境的危害，成为杀菌消毒领域目前关注的重要问题 。4.2 现有产品的缺点从环境的角度看，所有汞灯的工作物质都是汞蒸气，有剧毒，无论是对环境，还是对人员都存在很大的安全隐患。另外目前市场上使用较多的紫外杀菌产品是低压汞灯，是一种单峰紫外光，它的发射波长峰值为253.7nm，杀菌效果单一，对多种类的病菌灭活效果差，而灭活效果较好的中压汞灯，功率大，光电转换效率低，总的杀菌效果也不理想 。因此，亟须开发出一种低成本、无污染、高效率的UVC紫外光源。4.3 具有潜力的新型紫外杀菌消毒光源（1） UV-LED紫外杀菌消毒光源目前被广泛看好的汞灯替代光源是 UV-LED，其无汞、节能、便携的特点受到人们越来越多的关注。紫外 LED 在 UVA 波段工作得很好，但在 UVB 和 UVC 存在不少问题，特别是UVC 波段，波长小于280nm时，输出功率仅在几个mW，寿命也很短[4]，目前还不能作为有效的消毒杀菌光源。各国 LED 的研发人员都想攻克这个难题，随着UVC 芯片制备技术的发展，UV-LED将迎来较大的发展机遇。 （2）电子束激发的紫外杀菌消毒光源采用电子束激发荧光粉，使荧光粉受到激发，进而发出紫外线，这样的紫外光源制造技术正在得到大量的研究[5]，电子束可以均匀入射紫外荧光粉，以均匀激发紫外荧光粉，通过采用不同基质的荧光粉发出不同波长的紫外光，满足不同光源的需要。这种紫外光源发光质量高，转换效率超过10%，而且无污染、绿色环保，得到了研究者的广泛关注。采用的荧光粉价格比较低廉， 对于数瓦的紫外光应用，这种紫外辐射光源在三波段均是最优的辐照光源，因此在杀菌领域也具有较大的发展前景。参考文献[1] 刘文君.高度重视饮用水微生物学安全性,强化紫外线消毒技术研究与应用[J].给水排水,2011,37(8):1-5.[2] Bohrerova Z,Shemer H,Lantis R,et al.Comparative disinfection efficiency of pulsed and continuous-wave UV irradiation technologies[J]. Water Research,2008,42(12):2975-2982. [3] Born M.Physics of mercury-free high-pressure discharge lamps[J].Plasma Sources,Science and Technology,2002,11(3A):A55-A63.[4] Ataollah,Kheyrandish.UV-LED radiation modeling and its applications in UV dose determination for water treatment[J].Journal of Photochemistry and Photobiology A:Chemistry,2018,(1):352.[5] 张学渊,钟伟杰,赵健,等.一种紫外出光屏的制作方法及制得的紫外出光屏和应用[P].中国发明专利.CN103208737 A,2014-02-05.3.2 杀菌消毒效果对比Zuzana Bohrerova等研究了不同紫外光源对大肠杆菌、噬菌体T4、噬菌体T7的平均灭活作用，低压汞灯和中压汞灯对这三种菌类的灭活作用接近，脉冲紫外灯的灭活作用最佳。 表3 3mJ/cm2的LP、MP和 PUV照射对大肠杆菌、噬菌体T4、噬菌体T7的平均灭活作用[2] Lamp typeLPMPMP>295PUVPUV>295PUV>400Average log reduction (N0/N) After 3mJ/cm2E.coli1.751.80-0.014.260.250.08Phage T42.552.67-0.074.291.200.49Phage T71.051.520.062.720.930.52[2]我国于2006年底颁布并于2007年7月1日正式实施的《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)较之前增加了71项水质指标。增加了与微生物相关的贾第鞭毛虫、隐孢子虫等的检测和限值。为了达到这个标准要求，采用紫外光源消毒杀菌时，对紫外杀菌消毒产品提出了更高的要求。4 紫外杀菌消毒光源的发展趋势4.1 开发新的紫外杀菌消毒光源的必要性随着人类社会的发展，人类慢慢从钻木取火到了按照需求人工制造光源，人造光源彻底改变了每个人的日常生活，给生活带来了很大的便利。1879年爱迪生发明实用的白炽灯开始，探索更加高效的照明工具就一直存在。一般的紫外灯是通过低压汞蒸气电离，进行能级跃迁来发出紫外光的。金属汞在常温下是液态形式，蒸气压低，在空气中很容易挥发，在紫外灯的生产、销售、使用和废弃灯管的回收过程中，存在大量的汞的泄露，汞挥发到空气中，人体通过呼吸道和皮肤，进入体内，从而造成人体神经系统的永久损伤。此外，汞在常温下为液态，而紫外灯工作时所需要汞蒸气进行电离，在紫外灯开灯时，就需要有一定的响应时间，即使Hg由液态变为气态[3]。此186 科学与信息化2020年3月中
