紫外殺菌消毒技術的研究進展淺述

葉曉夢

摘 要 紫外殺菌消毒技術具有安全、環保、衛生的特點，在工業消毒、空氣消毒、污水處理等領域得到了廣泛應用，國外約有四分之一的相關領域采用了紫外殺菌消毒技術。同樣紫外線殺菌消毒方面的應用在我國也已經較為普遍，與國外相比還存在一定差距，主要有光強弱、功耗高、故障率高、環境污染大等不足。本文就紫外殺菌消毒技術展開討論。

關鍵詞 紫外線;消毒殺菌;紫外光源

1紫外線的殺菌消毒原理

1.1 紫外線

紫外線作為電磁波中的一種，是由德國物理學家 Rette于1802年在太陽光譜中發現的，它的波長范圍380～100nm，分為四個波段：100～200nm為真空紫外線，在空氣中完全衰減，不能進入大氣層;200～280nm為短波紫外線（UVC），在空氣中衰減厲害，只能采用人造光源;280～320nm為中波紫外線（UVB），臭氧層對UVB有一定的吸收;320～380nm為長波紫外線（UVA），可在空氣中傳輸。圖 1為光譜圖。

1.2 紫外線殺菌消毒原理

1910年，紫外線殺菌消毒毒技術首次用于飲用水殺菌消毒。紫外線殺菌消毒曲線（Din5031-10）和脫氧胸苷酸（dTMP）吸收曲線見圖2，UVC的波長范圍在微生物吸收峰之內，可快速破壞微生物的脫氧核糖酸結構，達到殺死病毒和細菌的目的，其殺菌消毒作用最強。而UVA和UVB波長在dTMP吸收峰之外，殺菌效率低，起不到殺菌作用。

紫外線殺菌消毒技術是多學科的集成，是在現代光學、生物學、物理化學和防疫學等技術的基礎上，采用特殊設計的紫外發生裝置產生UVC紫外線，當存在于水、空氣等環境中的各種病原體、病毒、細菌等微生物被一定劑量的UVC照射時，由于細胞中的遺傳結構遭到破壞，遺傳基因不能復制，這些微生物因此喪失了繁殖能力，最終導致死亡，達到了無化學藥物消毒殺菌的目的 。

2常用殺菌消毒技術對比

氧化劑、鹵素、輻射殺菌消毒等是目前常用的殺菌消毒方法 ，優缺點對比見表1。

從表中可以看出，傳統的殺菌法采用二氧化氯、臭氧或氯之類的化學法，存在化學殘留，還產生副作用，從而危害人體健康。作為一種新的消毒方法， 紫外線消毒殺菌、殺病毒的效果好，無化學品添加，避免了有毒衍生物對環境造成的破壞，使用時僅需用光源照射需要消毒殺菌的場所，是一種安全、環保、衛生的消毒方式。

3現有紫外殺菌技術對比

現有的紫外殺菌技術是通過紫外殺菌燈產生UVC紫外線，具有殺菌消毒效果好，快速簡單的特點，在使用過程中不需添加任何化學品，不會產生新的污染物。

3.1 紫外線燈的種類

紫外線燈的種類很多，常見的紫外線光源大多數是汞燈，即通過電極放電激勵或高頻激勵汞原子，當汞原子從激發態回到基態時，產生 365nm、254nm 或 185nm 的紫外線。汞燈有無電極汞燈（Electrode-less）、低壓汞燈（LP）、低壓高強汞燈（LPOH）、中壓汞燈（MP）等，另外還有金屬鹵化燈（Metal halide）、脈沖紫外燈（Plused UV）、準分子激光燈（Eximer）等紫外燈。低壓汞燈的發射峰是253.7nm 的線譜，中壓汞燈的發射波長是200-300nm的連續光譜。

三種汞燈的物理參數對比如表2所示[1]。中壓汞燈單根燈管功率較高，可達到250W以上，具有較強的消毒能力且節省占地;但也存在一定缺陷即光電轉化效率較低、使用壽命短，水的處理成本更高。

3.2 殺菌消毒效果對比

Zuzana Bohrerova[2]等研究了不同紫外光源對大腸桿菌、噬菌體T4、噬菌體T7的平均滅活作用，低壓汞燈和中壓汞燈對這三種菌類的滅活作用接近，脈沖紫外燈的滅活作用最佳。

我國于2006年底頒布并于2007年7月1日正式實施的《生活飲用水衛生標準》（GB 5749—2006）較之前增加了71項水質指標。增加了與微生物相關的賈第鞭毛蟲、隱孢子蟲等的檢測和限值。為了達到這個標準要求，采用紫外光源消毒殺菌時，對紫外殺菌消毒產品提出了更高的要求。

4紫外殺菌消毒光源的發展趨勢

4.1 開發新的紫外殺菌消毒光源的必要性

隨著人類社會的發展，人類慢慢從鉆木取火到了按照需求人工制造光源，人造光源徹底改變了每個人的日常生活，給生活帶來了很大的便利。1879年愛迪生發明實用的白熾燈開始，探索更加高效的照明工具就一直存在。一般的紫外燈是通過低壓汞蒸氣電離，進行能級躍遷來發出紫外光的。金屬汞在常溫下是液態形式，蒸氣壓低，在空氣中很容易揮發，在紫外燈的生產、銷售、使用和廢棄燈管的回收過程中，存在大量的汞的泄露，汞揮發到空氣中，人體通過呼吸道和皮膚，進入體內，從而造成人體神經系統的永久損傷。此外，汞在常溫下為液態，而紫外燈工作時所需要汞蒸氣進行電離，在紫外燈開燈時，就需要有一定的響應時間，即使Hg由液態變為氣態[3]。此外，在紫外燈使用過程中，汞會滲入玻璃壁中 ，從而降低了燈的壽命維持率。開發出能夠替代傳統含汞紫外燈的無汞紫外光源，減少對人體和環境的危害，成為殺菌消毒領域目前關注的重要問題 。

4.2 現有產品的缺點

從環境的角度看，所有汞燈的工作物質都是汞蒸氣，有劇毒，無論是對環境，還是對人員都存在很大的安全隱患。另外目前市場上使用較多的紫外殺菌產品是低壓汞燈，是一種單峰紫外光，它的發射波長峰值為253.7nm，殺菌效果單一，對多種類的病菌滅活效果差，而滅活效果較好的中壓汞燈，功率大，光電轉換效率低，總的殺菌效果也不理想 。因此，亟須開發出一種低成本、無污染、高效率的UVC紫外光源。

4.3 具有潛力的新型紫外殺菌消毒光源

（1） UV-LED紫外殺菌消毒光源

目前被廣泛看好的汞燈替代光源是 UV-LED，其無汞、節能、便攜的特點受到人們越來越多的關注。紫外 LED 在 UVA 波段工作得很好，但在 UVB 和 UVC 存在不少問題，特別是UVC 波段，波長小于280nm時，輸出功率僅在幾個mW，壽命也很短[4]，目前還不能作為有效的消毒殺菌光源。各國 LED 的研發人員都想攻克這個難題，隨著UVC 芯片制備技術的發展，UV-LED將迎來較大的發展機遇。

（2）電子束激發的紫外殺菌消毒光源

采用電子束激發熒光粉，使熒光粉受到激發，進而發出紫外線，這樣的紫外光源制造技術正在得到大量的研究[5]，電子束可以均勻入射紫外熒光粉，以均勻激發紫外熒光粉，通過采用不同基質的熒光粉發出不同波長的紫外光，滿足不同光源的需要。這種紫外光源發光質量高，轉換效率超過10%，而且無污染、綠色環保，得到了研究者的廣泛關注。采用的熒光粉價格比較低廉， 對于數瓦的紫外光應用，這種紫外輻射光源在三波段均是最優的輻照光源，因此在殺菌領域也具有較大的發展前景。

參考文獻

[1] 劉文君.高度重視飲用水微生物學安全性，強化紫外線消毒技術研究與應用[J].給水排水，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] 張學淵，鐘偉杰，趙健，等.一種紫外出光屏的制作方法及制得的紫外出光屏和應用[P].中國發明專利.CN103208737 A，2014-02-05.