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【极智课堂】晶科电子陈海英:紫外线消毒历史与消毒机理研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-03-10 09:23   来源:中国半导体照明网  浏览次数:1693

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当前,新型冠状病毒仍在持续,对产业及企业造成了一定程度的影响,也牵动着各行各业人们的心。在此形势下,中国半导体照明网、极智头条,在国家半导体照明工程研发及产业联盟、第三代半导体产业技术创新战略联盟指导下,开启疫情期间知识分享,帮助企业解答疑惑。助力我们LED照明企业和产业共克时艰!

本期,我们邀请到广东晶科电子股份有限公司项目总监陈海英带来了“紫外线消毒历史与消毒机理研究——UV消毒手册(1-3章节)”的精彩主题分享,以下为主要内容:

一、基本介绍

1。作者及版本

版本 2008 vs 2011

作者-加拿大 阿尔伯塔大学(University of Alberta)兼职教授

创立技术咨询公司:Bolton Photosciences Inc. https://boltonuv.com/store/contact_us.php

 

2。什么是紫外线消毒?

紫外线是波长范围在200- 400nm之间的,是整体光谱里的一小段。消毒机理是紫外线的光子被DNA,RNA 吸收,使得微生物的细胞不再复制,也就不繁殖,不再具有致病能力。

微生物包括细胞和病毒等,单个个体活着的意义就是繁殖,让群体不断增大,去感染更多的宿主,当群体大到一定程度,才具有致病的能力,所以每个单个个体存在的意义就是复制

紫外消毒本身是一种物理消毒,能否消毒或者消毒能力有多强,跟光的剂量相关。

 

微生物对哪一个波长的光更敏感呢?可以看到大概是在270nm左右是一个峰值,而传统汞灯的本征波长是253.7nm,所以传统汞灯的特征波谱对于消毒杀菌来说并不是最优的,这对于LED来说是更好的机会。 

3.紫外线消毒与化学消毒相比如何?

化学消毒就是靠化学消毒剂,通常是用氯、氯胺、二氧化氯或是臭氧这种强氧化性物质,然后跟微生物相互作用,达到杀毒的目的。好处是杀毒效果很好,持续时间长。坏处是只部分有效,就是对细菌和病毒很有效,但是对原虫(隐孢子虫,贾第鞭毛虫等)的效率低。

此外,化学消毒本身有副产物,会带来一些不好的影响。比如化学消毒剂本身要放到水里,如果用量过大会带来污染,副产物也会影响水的口感,味道等。


 

紫外光消毒属于广谱有效,不论是细菌、病毒,还是原虫。都很有效,并且没有副产物,不改变水质。但是,紫外光消毒的效果维持有限,因为一定要有光,还要有足够的剂量才有效。

紫外光的功率要达到一定的门槛值,要杀灭细菌还需要有剂量的概念,等于把时间的概念引入,如果功率不是很高,就需要足够的时间。如果时间有限制,就要提高功率来达到相同的杀毒效果。 

 

4.紫外消毒发展史

1801 第一次“看见”紫外光  波兰的药剂师 氯化银被分解;

1877 第一次 发现紫外光的消毒功能;

1904 第一台汞灯,德国吹制;

1960 第一次确认紫外消毒的分子机理T-T,胸腺嘧啶二聚体;

1975 挪威启用紫外消毒,替代有副产物的氯消毒;

1998 Bolton证明紫外消灭原生动物的有效性,推动了紫外用于饮用水消毒;

2003 美国环保局发布了紫外消毒指导手册;

 

5.政府法规-紫外消毒

1996年,奥地利成为第一个引入紫外线法规的国家,要求使用生物剂量学测试对紫外线反应器进行认证,剂量 40 mJ cm-2400 J m-2);

1997年,德国又采用(DVGW 1997)最小剂量 40 mJ cm-2400 J m-2);

1998年,美国环保局发布紫外消毒指导手册;

2006年,美国地下水法(USEPA2006a4 log病毒灭活的紫外线剂量为186 mJ cm-2

2006 地下水法(GWR)(USEPA 2006d)。

 

6.紫外线消毒的优点和缺点

1)优点

有效:对隐孢子虫和贾第鞭毛虫非常有效的消毒技术;

无毒:不会明显改变水质; 没有副产物,不改变总有机物(TOC),pH值,腐蚀性;

便宜:与其他原生动物消毒方法相比,该技术相对便宜,具有较低的投资和运营成本;

易调:根据水流量,水质等的变化,操作(即调高或调低)紫外线设备相对容易;

易用:紫外线设备的占地面积相对较小,通常适合改装到现有的水处理厂中;

速度快:不需要化学试剂,消毒速度快;

2)缺点

消毒能力不能维持:没有残留的消毒能力。因此,通常要添加一定水平的氯或氯胺以保持配水管我系统中的余氯,保证持续的抑菌能力。

难检测:目前,无法连续监测紫外线剂量,因此操作员必须依靠二次测量(传感器读数,紫外线透射率,水流量等)。

汞污染:大多数紫外线反应器都装有汞灯,因此,紫外线灯的破裂可能会造成汞污染。但是,计算(USEPA 2006b)似乎表明,即使灯中的汞完全进入水中,分配水中的汞含量仍将大大低于最大污染物含量。

断电:公用事业公司的电源供应可能会中断,这可能导致紫外线灯熄灭1-5分钟。除非将水转移到废水中,否则可能会导致某些水无法得到处理。

预热造成消毒不足:有时会因电源中断或灯泡预热而对水进行消毒不足。USEPA将这些情况视为不合规格的事件。

以上汞污染和需要预热都是汞灯才有的特点,而LED无毒,不需要预热,在UV消毒中应用前景更大。

二、紫外线和光化学基础知识

1。光和光子

光是电磁波的一段,电磁波有16个数量级;

光子的能量-普朗克常数 (6。63 e-34 J。s) 



2。紫外线光谱范围

大多数光化学研究涉及紫外线范围(100-400 nm)。该区域分为三个子范围,与人类皮肤对紫外线的敏感性有关。

UVA范围(315400 nm)引起皮肤变化,导致晒黑。

UVB范围(280315 nm)可能引起晒伤,并最终诱发皮肤癌。

UVC范围(200280 nm)被RNA,DNA和蛋白质吸收,并可能导致细胞突变,癌症或细胞死亡。 

UVC 具有危险性,UVC会损失表皮细胞,当天就会脱落;眼睛曝光于UVC下,会引起白内障。使用UVC需要做好防护。

3.紫外线的发射,传播,吸收

1)发射 效率

紫外线灯发出的光取决于许多因素,例如输入电压,辐射功率效率,灯的尺寸以及石英套管的特性。 效率表征:单位面积的辐射功率(W m-2

2)传播:紫外线也是光,光的定律适用

光速2。994×108 m s-1;折射定律 snells law;不同光介质界面,折射,反射。

3)比尔.朗伯定律Beer-Lambert law. 光吸收计算基础;


4)吸收率0 acm-1);

 


4.几个概念

1)透过率 UVT  100*T  百分数 =>100   95%  -> 95, 1cm 厚度,其中,饮用水为75- 95 

2)辐照度(irradiance) 单位  W/cm^2 (单位面积的光功率);目的是考虑被照面上的光功率密度。

3)通量率(fluence rate 很小的单位截面积上通过的UVC能力dA ,单位  W/cm^2,通量率跟局部的形状相关,在光学建模模拟中,通量率更合适。

4)线剂量或通量

辐照度/通量率对时间积分;

辐照度不变的情况,E*t 

细菌,病毒的灭活或抑制,就需要一定的紫外线剂量完成;

5)术语及单位 辐照度  剂量 

单位面积的光功率 W/m^2,单位面积的光能量  J/m^2

 

5。紫外线照射后发生了什么?

紫外线从光源发射出来,在介质中传播,被物质吸收,之后其实是能量的转移,每个光子都带着自己的能量。被分子吸收以后,会发生一个从低能态到高能态的过程,有能量不同方向的转变。一部分变成光。如果有一些荧光、磷光物质会发出一些荧光、磷光。另外一部分可能内部耗散变成热。还有分子结构变化,发生光化学反应,有新的物质产生。

6.光化学定律

(1)       第一定律,光必须被物质吸收才会发生光化学反应。比如涂抹防晒霜保护皮肤,皮肤细胞没有吸收光,就不会发生化学反应,不易损伤。

(2)       第二定律,每个光子只能激活一个分子发生反应,光子数 µ 反应分子数 =>  剂量 µ 杀菌量。

(3)       第三定律,被吸收的光子能量必须等于或大于分子中最弱的键--UVC封装材料。


(4)       吸收,1v1,光子能量大于分子最低键能

有助于UVC封装材料的选择;水污染物处理,光子能量大于被处理物质的键能,比如杀虫剂,抗生素,除草剂,帮助选择有效的合适的光波长。


7.先进的氧化技术

1)用强大的氧化中间体(例如,羟基自由基·OH)来氧化受污染的空气和水中的主要有机污染物的技术;

(2)  羟基自由基·OH的产生,比如紫外光 +H2O2O3+H2O

3)水有机污染物处理;

4)大多数有机污染物无害化降价,H2O, CO2, 无机矿物;

 

三、紫外线消毒机理

1.紫外线如何灭活微生物 

灭活(inactivate vs kill),被UVC 灭活的微生物的表现是代谢存活,不能复制;细胞吃喝照旧,不能繁殖。

灭活/kill过程,从吸收光子开始,若是高剂量,细胞膜的蛋白质吸收后变性,细胞膜破裂,细菌死亡。若是低剂量,涉及到ATCG 等,两个胸腺嘧啶(T)绑定在一起形成二聚体 


2.紫外线如何灭活微生物-谁吸收

紫外光被吸收--核苷酸,蛋白质<230nm,水也吸收这个波段。核苷酸>230nm, Peak 260-275nm。对于UVC LED是个好消息,可以不用像汞灯那么高的能量密度就可以达到比较好的消毒效果。


3.紫外线如何灭活微生物- DNA –RNA

DNA里的核苷酸吸收之后,作用于链,T-T,形成二聚体,正常的链条被破坏以后,就不能正常复制去达到繁殖目的了,这是微生物被灭活的本真机理。

问题是RNA没有T(胸腺嘧啶),代之以 U (尿嘧啶), 只有RNA的病毒能否被灭活呢?有数据显示,RNA的病毒可以被灭活,而且不需要更高的剂量。



灭活程度中有抑菌概念,微生物灭活后还会活化,重新具有繁殖能力,但需要一定的条件,比如绕过T-T破坏点,利用宿主的酶活化。好消息是目前还未发现隐孢子虫能够活化 

4.活化的暗机制和光机制

暗机制是细菌修复损坏的DNA,形成新的DNA链;光机制是利用UVA激活一种酶,把T-T二聚体解开。通常在曝光在太阳光里面的污水处理要考虑阳光中UVA的再活化。密闭环境水处理,通常不用考虑。

5.紫外光敏感性

敏感度排序,从最敏感到最不敏感依次为细菌≈原生动物>大多数病毒>细菌孢子>腺病毒>藻类。

腺病毒被单独列出,因为它在水性病毒中是独特的,因为它对UV光最不敏感,人们对这种不敏感的原因不明确。

大多数细菌会光活化,在可见光环境下需要加大剂量。


 

细菌/病毒/原生生物的灭活剂量-bench

USEPA2006 美环保局把UVC视为最佳技术



需要注意的是,很多数据都是实验室情况下得出的,实验室中各种条件都得到很好的控制,但实际UV发生设施中,温度等条件,UV光的均匀性等往往得不到保证,所以要在实际案例中具体考虑,而不能简单照搬实验室出来的数据。

需要说明的是,本书是2008年的版本,到现在已经过去了12年,期间可能很多东西发生了变化,也欢迎业界同仁多多交流指正,补充完善,共同进步。

也感谢联盟提供了本次机会,可以在极智课堂与大家交流,联盟组织大家分工合作解读本书是件非常好的事情,也希望可以给业界做产品有更多的理论依据,支持和帮助。以做出产品更多的人服务好。

问答环节

1听您讲到有和钟南山院士合作研究,目前针对UVC LED杀灭新冠病毒用有没有明确的剂量?

陈海英:实验是在钟院士的实验室里,彼时还没有新冠病毒。实验时主要是细菌,比如沙门氏菌,金黄葡萄球菌、大肠杆菌,军团菌等,并没有拿病毒来做,因为病毒实验要在比较好的控制条件才能做,新冠病毒比较新,目前没有数据。

 

2.依据UC消毒原理,被紫外线消毒是静态物质,如果动态物质(流动空气、流动水体)怎样瞬间消毒?

陈海英:针对流动水体等要考虑到被消毒的或是被作用的物质,在流动过程中能吸收的光的能量,光的剂量到底是多少。最终还是要回到比如说细菌等物质,吸收的UV的剂量到底是多少才能实现消毒的目的,在光学模拟时,要考虑到流动速度和接受光照的时间。

 

3.有一些应用厂家为了使消费者能对UVC产品的工作状态可视化,采用了UVC+UVA的方案。根据您前面所提到的,UVA可能会使细菌病毒再活化,那是不是代表说UVC+UVA的方案杀菌效果反而不好?

陈海英:按照书里的说法,UVA是有机会使得细菌病毒活化,会起到不好的效果。刚才只是针对书的内容解读,我自己并没有什么数据,如果各位有类似的一些实际数据的,可以分享出来,看看UVA在什么样的情况下会有活化的可能,以致降低灭活的效率。

 

4。 流动空气中的含菌量?含病毒量?有没有相关标准?如何捕捉测试获得有效数据?

陈海英:对于空气消毒,有很多专门的监测机构,有标准规定,也有标准的检测方法。

 

5. UVC LED在封装时目前选用的基板是什么?有没有遇到什么问题,关注点是什么?

陈海英:目前UVC本身的光电转换效率非常低,大部分的电功能转换成了热,所以散热是UVC封装最主要考量的一个问题,基板方面,目前市面上看到的主要还是用氮化铝陶瓷,因为导热效率比较高。

 

氮化铝基板加铜杯的做法是目前业界采用比较多的做法,基板会有一些翘曲等问题,会对制程带来一些困难,每家企业都会有一些针对性的解决方案。

 

6. UVC LED 当前产业开发状态及实际应用普及情况是怎么样的?

陈海英:目前整个产业开发是迅速上升的状态。实际普及应用方面,有一些公司较早进入到这个市场,努力耕耘,努力跟消费者普及UV知识。不过,目前来讲整体是一个很有前景,但量还没有那么大,可以说是一个成长前景非常好的状态。

 

7。 想了解一下目前晶科在紫外领域有哪些尝试?

陈海英:晶科电子在紫外领域,UVCUVA的产品都有,也跟一些车厂配合做一些方案和模组类的产品。目前在UVC的部分,是以光源加模组的形式在跟客户配合。

(文字根据直播内容编辑整理,略有删减)

 
 
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