Обеззараживание воздуха с помощью ультрафиолетового излучения: обзор технологии

Базовая информация о технологии

Бактерицидное ультрафиолетовое излучение, которое охватывает значительную часть области С и частично области B. Это излучение определяется интервалом длин волн 240 нм — 290 нм, губительным для различных микроорганизмов, в том числе патогенных. При правильном использовании возможностей такого излучения оно несёт верную смерть не только коронавирусу, но и бактериям, которые вызывают туберкулёз, дифтерию, различные виды гриппа и другие болезни. Энергия излучения разрушает нуклеиновые кислоты — внутренние связи микроорганизмов, подавляет их способность к размножению и в конечном счёте приводит к их гибели.

Общий принцип действия такого излучения был выявлен ещё в 1930-ые годы. Тогда в ходе фундаментальных исследований была получена кривая бактерицидной эффективности: опытным путём учёные доказали, что самой оптимальной для уничтожения микроорганизмов является волна длиной 265 нм. Были сделаны и другие важные для науки выводы, например, что волна длиной 300 нм уступает по эффективности в 30 раз. Но нам сейчас важно просто запомнить: 265 нм — это самое смертоносное оружие против бактерий.

Как излучение борется с микроорганизмами?

Этот процесс имеет несколько стадий.

На фотофизической стадии излучение, то есть излучаемые фотоны, должно войти в соприкосновение с микроорганизмами, иными словами — попасть в цель. На этом этапе важно обеспечить максимально эффективное поглощение излучения, учитывая длину волны. Нужен точечный, нацеленный контакт, нельзя растерять эффективность «по дороге».

На фотохимической стадии поглощённое излучение запускает фотохимическую реакцию, которая обеспечивает фотохимические преобразования в структуре микроорганизма с целью уничтожить его.

На фотобиологической стадии, наконец, начинается распад связей микроорганизма и, если всё рассчитано на совесть, его уничтожение. Хотя связи микроорганизма нарушаются и всё «трещит по швам», но он ещё живой и отчаянно сопротивляется в борьбе за жизнь. Всегда есть шанс на его «воскрешение», которое обозначается термином «фотореактивация». При использовании облучателей открытого типа, о которых мы подробно расскажем ниже, важно учитывать эффект фотореактивации. Это возможно, если повреждённый микроорганизм открыт проникновению света — как солнечного, так и искусственного. Представьте, что помещение дезинфицировали, микроорганизмы подвергли облучению по всем правилам, а потом успокоились и ушли. Всего через несколько часов контакта с солнечным светом вроде бы уже разрушенные связи начинают налаживаться, а сам микроорганизм, казалось бы, уже прошедший точку невозврата — оживать. Вы скажете, что это — научная фантастика. Увы, нет — это печальный опыт тех, кто неправильно проводил дезинфекцию.

А как правильно? Надо проводить сеанс облучения вечером, проветривать помещение и закрывать все шторы, чтобы солнечный свет не имел ни малейшей лазейки. И только тогда можно праздновать очередную победу в борьбе с вирусами.

Вы спросите, зачем проветривать помещение? Дело в том, что в процессе облучения с помощью открытых облучателей может образовываться озон — мощнейший окислитель, в определенных концентрациях опасный для человека и всего живого. Почему так происходит — расскажем ниже. А пока важно запомнить: даже мельчайшие следы озона надо удалить.

Как измерить эффективность уничтожения микроорганизмов?

Самое простое — понять, какой процент микроорганизмов точно уничтожен. Например, уровень 95% означает, что «в живых» могло остаться не более 5% микроорганизмов. Также используются уровни 99%, а для помещений, где нужна наибольшая чистота — 99,9%.

Длина волны — не единственный фактор, который влияет на эффективность уничтожения микроорганизмов. Другой важнейший параметр — так называемая биодоза, то есть произведение уровня облучённости на время действия излучения.

А ещё, конечно, важно техническое решение самого облучателя, то есть материал источника излучения и его характеристики.

Какие источники излучения используются для реализации этой технологии?

В рамках этого материала мы обсуждаем газоразрядные УФ-бактерицидные лампы, если конкретнее — УФ-ртутные лампы низкого и высокого давления. Говорим о них не из-за того, что таковы новые облучатели от МСК «БЛ ГРУПП», а просто потому, что именно такие источники излучения являются массовым и экономически целесообразным решением на данный момент.

На протяжении последних лет динамично развиваются УФ-бактерицидные светодиоды. Особенно интенсивно исследования, посвящённые им, ведутся в Юго-Восточной Азии. Их показатели КПД совершенствуются и приближаются в настоящее время к результатам ряда УФ-ртутных ламп высокого давления. Есть лишь одна, но весомая проблема: очень высокие цены таких светодиодов.

Итак, поговорим о лампах.

УФ-ртутная лампа низкого давления

Такие лампы излучают подавляющую долю своего лучистого потока в резонансной линии 253,7 нм, а их главным преимуществом является наивысший среди ртутных ламп показатель КПД — более 30%. Конструктивные решения различаются разными типами оболочек, в которые заключён источник излучения.

Оболочка из увиолевого стекла является наиболее массовым и экономичным конструктивным решением для бактерицидных ламп, потому что альтернатива, о которой будет сказано ниже, несёт опасность для здоровья.

Оболочка из кварцевого стекла пропускает часть излучения ртутного разряда длиной волны короче 240 нм, что вызывает образование озона в воздухе. Этот недостаток устранён в сравнительно новом типе амальгамных ламп низкого давления в оболочке из легированного кварцевого стекла, поглощающего озонообразующую часть излучения ртутного разряда. Поэтому, если использовать ртутные лампы низкого давления — выбираем только безозоновые лампы. Но у этого типа ламп есть недостаток: они не могут сконцентрировать мощность и имеют большие габариты, которые негативно влияют на стоимость и эстетическую привлекательность этого решения. Справедливо будет указать, что этот недостаток частично исключается в амальгамных лампах.

УФ-ртутная лампа высокого давления

Главное преимущество таких ламп — создание компактного излучающего тела, что обеспечивает максимально нацеленное и, как следствие, смертоносное воздействие на микроорганизмы. В качестве материала оболочки здесь используется кварцевое стекло, которое прозрачно в ультрафиолетовой области и выдерживает на поверхности лампы температуру около 650 градусов. Только при такой «жаре» такая лампа работает корректно!

Показатель КПД ртутной лампы высокого давления в УФ С области находится максимально на уровне 7-8%. Это меньше, чем у УФ-ртутной лампы низкого давления, но всё-таки важнее компактность, приемлемая бактерицидная эффективность и достаточно быстрый результат. Интересны различия УФ-ртутных ламп высокого и низкого давления. Во-первых, в диапазоне длин волн 240-290 нм их спектры излучения значительно отличаются. Во-вторых, если у «низких» была одна резонансная линия 253,7 нм, то у «высоких» мощность распределена по 6-7 линиям.

Какие типы облучателей существуют, в чём разница?

Известны три типа облучателей: открытые, закрытые и комбинированные. В этом материале мы подробно обсудим первые два типа.

Открытые облучатели

Если рассматривать конструктивное решение такого облучателя в самом общем виде, то он похож на обычный световой прибор. Только источником излучения является УФ-ртутная лампа. Принцип действия прост: излучение распространяется по помещению, и единственная преграда, которую оно может встретить на своём пути — это поверхность (стена, потолок, пол, какой-либо предмет). Достаточно быстро смертоносные лучи добираются до всех микроорганизмов в помещении. Конечно, прибору надо помогать.

Во-первых, содействовать перемещению воздушных масс, чтобы подгонять микроорганизмы «под удар» облучения. Для этого используются вентиляторы — и потолочные, и напольные.

Во-вторых, можно менять зону прямого воздействия излучения, если менять расположение облучателя, как бы нацеливать его на разные участки помещения под различными ракурсами.

Один открытый облучатель на основе УФ-ртутной лампы высокого давления способен эффективно дезинфицировать помещение объёмом до 1000 кубических метров. Мощность самой лампы может достигать при этом 1000 Ватт. Облучатели обеззараживают не только воздух, но и поверхности, поэтому желательно учитывать дозу облучения для конкретных поверхностей. На практике этим чаще всего пренебрегают, создавая дозу облучения, гарантированно уничтожающую патогенные микроорганизмы, без оглядки на небольшой перерасход электроэнергии.

Использовать только при отсутствии людей в помещении!

При работе открытого облучателя неизбежно образуется озон, пусть и в небольших концентрациях. Поэтому после завершения сеанса облучения помещение надо проветрить, чтобы удалить следы озона, которые человек хорошо чувствует. А ещё надо помнить о возможности фотореактивации и закрывать доступ свету, закрывать шторы. В случае необходимости кратковременного присутствия человека в зоне работы облучателя необходимо использовать специальные очки.

Как разрабатывались открытые облучатели от МСК «БЛ ГРУПП»?

В процессе разработки специалисты Корпорации учитывали все рекомендации Международной комиссии по освещению (Ultraviolet Air-disinfection. CIE 155: 2003) от 2003 года для ультрафиолетовой дезинфекции воздуха. Также они основывались на информации из других руководящих материалов по этой теме, разработанных санитарно-эпидемиологическими службами нашей страны.

Созданные образцы облучателей мы отправили на измерения в Федеральное медико-биологическое агентство (испытания физических характеристик приборов) и в 48 ЦНИИ МО РФ, специализирующийся в вопросах нейтрализации различных патогенов. Наши облучатели проверили. Результаты благодаря достаточно высоким уровням облучённости на разных расстояниях подтверждают возможность их эффективного использования для дезинфекции воздуха и поверхностей.

Закрытые облучатели

В качестве источника излучения используются УФ-ртутные лампы низкого давления — амальгамные или в колбе из увиолевого стекла. Конструктивное решение предполагает размещение лампы внутри закрытой оболочки. Благодаря этому УФ-излучение лампы не проникает в помещение. Ещё раз отметим, что использовать закрытый облучатель можно в помещении, где есть люди, причём на протяжении длительного времени!

Принцип работы закрытого облучателя таков: он засасывает воздух из помещения, который заходит в отверстие в конструкции. Воздух прогоняется вдоль ламп, и за это время микроорганизмы, содержащиеся в воздухе, получают достаточную дозу для их разрушения и гибели. В таком режиме прибор непрерывно работает до тех пор, пока все микроорганизмы не будут уничтожены.

Большим преимуществом этого облучателя является надёжная прогнозируемость его работы. Зная объём помещения, можно легко рассчитать, за какой промежуток времени оно будет очищено от микроорганизмов. Можно поступить и наоборот: отталкиваясь от заданного времени, понять, какой объём пространства будет очищен. Например, лампа мощностью 60 Ватт за час дезинфицирует помещение объёмом 100 кубических метров, то есть небольшую комнату.

На практике использовать такой облучатель очень удобно. Он не создаёт никакого дискомфорта для людей в помещении. Нет даже надоедливых звуков, ведь в конструкции облучателя предусмотрен встроенный вентилятор, поэтому он почти бесшумный.

Где применять УФ-облучатели обоих типов?

Везде, где есть потребность в обеззараживании воздуха и уничтожении потенциальных возбудителей инфекционных заболеваний. Они подойдут прежде всего для медицинских учреждений, а также для любых помещений и общественных пространств (вокзалы, вестибюли метрополитена, аэропорты, другие объекты транспортной инфраструктуры, крупные супермаркеты и любые другие зоны массового пребывания людей).

Вопрос расширения сфер применения таких облучателей должен быть связан с соответствующими решениями санитарно-эпидемиологических организаций. В настоящее время УФ-бактерицидные облучатели разрешено использовать в медицинских учреждениях, школах и детских садах, на предприятиях, специализирующихся на обработке продуктов питания. Учитывая современную эпидемиологическую ситуацию, представляется целесообразным расширить сферу их применения и в других помещениях и пространствах, чтобы воспрепятствовать распространению опасных инфекций, обеспечить эффективную дезинфекцию помещений и в итоге снизить заболеваемость. Конечно, соблюдая все санитарно-эпидемиологические нормативы и беря в расчёт специфику конкретной сферы применения.

В свете этого интересно, как трактуется масштаб сфер применения облучателей во временных методических рекомендациях Минздрава РФ от 27 марта 2020 года (профилактика, диагностика и лечение COVID-19). К сожалению, в них присутствуют прямые указания только о применении УФ-бактерицидных облучателей в приёмных отделениях больниц. Некоторые эксперты по теме считают, что вопросы ультрафиолетового облучения в этих рекомендациях представлены недостаточно.

Где эффективнее использовать облучатели?

Здесь работает уже совсем простая логика: чем меньший объём имеет помещение, тем более эффективен облучатель одной и той же мощности. Увеличивая объём пространства, мы должны пропорционально увеличивать и мощность облучателя, разумеется, на основе детальных расчётов. При этом применение облучателей в помещениях общего назначения требует меньшей, чем в лечебных учреждениях, удельной мощности.

Глобальные преимущества технологии: - облучение не влияет на состав воздуха - облучение не оказывает никакого органолептического действия - не появляется никаких запахов, даже при удалении следов озона - технология достаточно энергоэффективна - при правильном использовании эффект предсказуемый, быстрый и надёжный - малые затраты на установку оборудования - простота эксплуатации оборудования - и, наконец, широкий охват патогенных микроорганизмов.

Кстати, пресловутый коронавирус COVID-19 в плане сопротивляемости ультрафиолетовому облучению довольно слаб. Тестовые испытания УФ-облучателей МСК «БЛ ГРУПП» на разновидности коронавирусов SARS-CoV-2 подтвердили 100%-ое уничтожение этого опасного микроорганизма.

Заключение: как будет развиваться и использоваться технология?

По понятным причинам исследования технологии, разработка и проверка практических решений сейчас в самом разгаре. Все — учёные, контролирующие органы, создатели норм, бизнес, пользователи готовых решений — должны работать на одну цель: максимально эффективно использовать возможности этого надёжного метода борьбы с опасными возбудителями тяжёлых инфекций.