какие материалы не пропускают ультрафиолет
Кожа в безопасности: какая одежда поглощает солнечное излучение
Как работает «одежда от солнца»?
Впервые термин «солнцезащитная одежда» появился в 1996 году, когда австралийские компании, озабоченные высоким процентом заболеваемости раком кожи на континенте, начали разработку специализированной одежды с дополнительным уровнем UPF-фильтров. Ее особенность заключается в том, что она должна защищать от ультрафиолетовых лучей группы А и B (в отличие от обычных косметических санскринов, которые противостоят только UVB-излучению), минимизируя их негативное влияние на кожу. Уровень UPF-защиты такой одежды обычно варьируется от 15 до 50 — зачастую это достигается за счет обработки ткани специальным химическим составом (например, диоксидом титана) или красителем с ультрафиолетовым блоком, которые помогают поглощать или отражать солнечное излучение. Кроме того, существуют различные добавки для стирки — порошки, гели, — которые обещают превратить любой предмет гардероба в солнцезащитную одежду, подарив ему дополнительный UPF-уровень.
По большому счету всем. Даже если вы не склонны к аллергической реакции на солнце и не планируете провести отпуск в районе экватора, дополнительная защита кожи от вредного излучения не помешает. Но большинству из нас все же достаточно обычной одежды, а вот специализированная, с UPF-фактором, предназначена скорее для людей с повышенной чувствительностью кожи и для тех, кому предстоит долго находиться в экстремальных условиях под палящим солнцем. Кроме того, многие специалисты призывают выбирать одежду, снабженную дополнительной UPF-защитой, для детей — причины этого очевидны.
А что, обычная одежда не подойдет?
Как уже было сказано, большая часть людей действительно не задумывается об одежде с особыми UPF-фильтрами, ограничиваясь обычными санскринами и базовыми принципами вроде «прикрывать плечи на пляже». Например, UPF-уровень обычной хлопковой футболки составляет в среднем 5–8, то есть она пропускает примерно одну пятую UV-лучей. Повторимся: если у вас нет критической необходимости в серьезных мерах, обновлять гардероб вещами с пометкой UPF block необязательно.
Любая одежда служит для нас дополнительной защитой от солнечного излучения, поэтому достаточно просто помнить несколько основных правил. Так, чем плотнее волокна ткани, тем выше уровень защиты: например, искусственные лайкра, полиэстер, нейлон или акрил справляются с этой задачей лучше тонкого натурального хлопка или невесомого льна, но они же менее комфортны для жаркой погоды. Простой тест: чем больше просвечивает ткань, тем слабее ее UPF-функция. Поэтому, если вы не готовы носить в жару синтетику (хотя некоторые ее современные представители вполне подходят для таких условий), выбирайте небеленый хлопок и лен с максимально плотным расположением нитей.
Кстати, еще один важный момент — почти все ткани при намокании теряют свои UPF-свойства в среднем на 50% (исключение составляют шелк и вискоза, здесь ситуация обратная). Также свою роль играет цвет вещи — одежда темных оттенков эффективнее поглощает UV-излучение, то же самое касается ярких, насыщенных цветов в сравнении, например, с пастельными. Ну и последнее, самое очевидное: чем больше площадь покрытия тела одеждой, тем выше степень защиты, поэтому идеальным вариантом для прогулок под палящим солнцем будет, скажем, костюм из туники с длинными рукавами и брюк свободного кроя. И широкополая шляпа, конечно.
Где купить «одежду от солнца»?
Сегодня в сегменте одежды с UPF-защитой можно найти практически любой предмет гардероба, даже пляжные бикини (которые, впрочем, практически не имеют смысла). Так, у Uniqlo появилась линия UV Cut, которая обещает защиту от ультрафиолета на 90%. Вещи Colambia из ткани с технологией Omni-Shade также блокируют небезопасные UV-лучи за счет плотного плетения текстильных нитей и особых UV-отражателей.
Если вы думаете, что одежда с UPF-фильтрами ограничивается исключительно спортивной экипировкой или невзрачным базовым гардеробом, обратите внимание на небольшие бренды вроде Parasol (основан бывшим директором моды журнала Vogue), Mott 50 или Cover. Все они предлагают классную современную одежду с уровнем защиты UPF 50. У Cabana Life найдутся отличные пляжные туники и лонгсливы, в которых можно весь день провести у воды, не боясь получить ожог. У Solumbra — неплохие классические рубашки базовых расцветок из особого материала с SPF 100+. Линия Cool марки West 56 понравится тем, кто любит необычный, чуть авангардный крой — асимметричные подолы и рукава, оригинальные вырезы.
Отношение тканей одежды к ультрафиолетовым лучам
Материал нашел и подготовил к публикации Григорий Лучанский
Деятельной поверхностью при радиационном обмене человека с окружающей средой является открытая поверхность его кожи, а также поверхность одежды. На долю первой приходится 11 – 12% всей поверхности, на долю второй – 88 – 89%.
Впервые об отношении ультрафиолетовых лучей к тканям одежды говорилось в работе первого профессора по гигиене в России А. И. Якоби «О полупрозрачных тканях», вышедшей в 1875 г., а спустя 13 лет С. Ф. Бубнов опубликовал исследования, освещающие вопрос о прозрачности тканей для химических лучей, как тогда назывались ультрафиолетовые лучи.
Несколько причин препятствовало развитию учения о радиационных свойствах тканей одежды. Во-первых, отсутствовала достаточно точная и в то же время практически доступная методика измерения тех небольших интенсивностей излучения, с которыми приходится иметь дело при учете ультрафиолетового излучения; во-вторых, сложилось ложное убеждение, что ткани для ультрафиолетовых лучей не прозрачны.
Несостоятельность этого взгляда на прозрачность тканей убедительно доказана работами Н. Ф. Галанина и Е. Н. Андреевой-Галаниной, Н. Н. Калитина, Ю. В. Вадковской, а в последнее время работами Н. Н. Мищук и Б. Л. Сущинского, В. В. Синицина и др.
Оказывается, что ткани одежды более прозрачны для ультрафиолетовых лучей, чем оконное стекло или стекло в арматуре осветительных приборов.
По исследованиям Т. А. Свидерской, 1 /16 эритемной дозы при многочасовом облучении дает лучший эффект, чем та же 1 /16 эритемной дозы за несколько минут. Природные ультрафиолетовые лучи, прошедшие через ткани одежды, очень часто превышают по интенсивности эти количества. Это обстоятельство обязывает относиться с большим вниманием к исследованию ультрафиолетовых лучей, проникающих через одежду и достигающих кожной поверхности.
Для измерения отражения и проникновения ультрафиолетового излучения были сконструированы два приспособления. Первое из них представляло собой полый цилиндр, внутри которого под углом в 60° устанавливали пластинку с отверстием, над которым закрепляли исследуемый образец ткани. Отраженный от ткани луч падал на селеновый фотоэлемент, установленный в боковой поверхности цилиндра.
Второе приспособление служило для определения прозрачности тканей и представляло собой кольцо шириной 30 мм, надетое на выходную часть монохроматора. В кольцо вставляли фотоэлемент. На расстоянии, не превышающем 3 мм от фотоэлемента, между двумя кольцевидными пластинками закреплялась исследуемая ткань.
Всего было исследовано 42 образца ткани, из них: приборное сукно – 7, мундирное – 2, шерстяная диагональ – 3, бумажная – 3, шерсть для платья – 4, ситец – 2, майя – 2, льняное полотно – 1, ткань (бумажная шерстянка) – 10, шелк – 4, бельевая ткань – 4.
Прозрачность ткани одежды зависит от физических свойств материала, способов их изготовления и окраски. Плотные ткани или ткани, окрашенные в темные цвета, не пропускают ультрафиолетовых лучей, а если и пропускают, то лишь в незначительных количествах. К таким тканям из числа обследованных нами, относятся: приборное сукно (за исключением сукна белого цвета, которое в ничтожных количествах пропускает однородное излучение с длиной волны 365 mμ ), шерстяная и бумажная диагональ и некоторые другие ткани темного цвета. Ткани, пропускающие ультрафиолетовые лучи, приведены на рис. 1.
Суммарная прозрачность для ультрафиолетовых лучей слагается из прозрачности тканей к однородным излучениям. Наблюдается зависимость между длиной волны и величиной ее проникновения. С укорочением длины волны происходит падение проникновения лучистой энергии. Однако характер падения однородных излучений выражен неодинаково для различных тканей (рис. 2).
Спад кривой, как это показано на рис. 2, более резко выражен для бумажной шерстянки розового цвета и крепдешина; прозрачность их для коротких волн резко падает. Более плавный ход имеет кривая для креп-жоржета и бумажной шерстянки желтого цвета. Для первых двух тканей падение проникновения однородных излучений (405 – 302 mμ ) составляет 75,7 – 72%, для вторых – 52,4 – 42,8%. Из этого следует, что при гигиенической оценке тканей недостаточно знать проникновение всего потока ультрафиолетовых излучений, но необходимо также знать прозрачность тканей для однородных излучений.
Более сильное поглощение коротковолновых излучении, а иногда и полная их задержка приводят к резкому снижению биологического эффекта, а следовательно, и к снижению гигиенической ценности тканей для ультрафиолетовой области спектра.
Гигиеническая оценка тканей станет более понятной, если в основу ее будет положен биологический эффект. С этой целью на основании полученных данных о прозрачности тканей для однородных излучений Произведен расчет ожидаемого эритемного и бактерицидного действия, прошедшего через ткани ультрафиолетового излучения. В своих расчетах мы исходили из спектральной характеристики излучения ртутно-кварцевой лампы ПРК-2 для диапазона длины волн от 365 до 297 mμ и кривых относительно эритемного и бактерицидного действия лучистой энергии.
Результаты расчетов, выраженные в процентах, для эритемной и бактерицидной облученностей, создаваемых прошедшим через ткань лучистым потоком, приведены на рис. 3.
Для проверки этих данных были произведены специальные исследования. Допуская, что эритемная облученность человека изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния, на расстоянии 60 см от лампы время облучения по расчету должно быть при облучении через батист 24 минуты, через бельевую ткань артикул 69 – 24 минуты, через креп белый – 28 минут, через рогожку – 29 минут, через бельевую ткань артикул 77 – 29 минут.
Произведенные наблюдения не подтвердили расчетных данных, что видно из табл. 2.
В среднем для получения эритемы потребовалось в 2 раза меньше времени, чем по расчету.
Возможно, этот факт объясняется особенностями действия длинноволнового излучения, более глубоко проникающего в кожу человека.
В зарубежной литературе имеются ссылки, указывающие, что отфильтрование коротковолнового излучения не сказывается на образовании эритемы. Поскольку принятая облученность в 500 мкэр/см 2 учитывает весь эритемный поток ртутно-кварцевой лампы, состоящий из длинноволнового и коротковолнового излучениий (причем на долю последнего падает более половины эритемного потока), то следует допустить, что эта часть потока в наших наблюдениях не принимала участия в образований эритемы.
Если придерживаться других источников, то количество облучения, необходимое для образования эритемы за счет длинноволновой области, может быть иным. Оно зависит от спектрального состава излучения. При наличии большого количества инфракрасного излучения, снижающего эритемную эффективность ультрафиолетовых лучей, величина эритемного потока должна быть увеличена.
Значительно больший интерес вызывает прозрачность тканей одежды для ультрафиолетового излучения солнца. К сожалению, таких измерений произвести не удалось. Чтобы иметь представление об отношении тканей к ультрафиолетовым лучам солнца, мы приводим расчетные данные, составленные по прозрачности тканей для однородных излучений от ртутно-кварцевой лампы и по данным о распределении энергии в ультрафиолетовой области солнечного излучения в Ленинграде при высоте стояния солнца 52°.
Результаты расчетов отношения некоторых наиболее прозрачных тканей к ультрафиолетовым лучам солнца произведены в табл. 3.
Эритемная облученность, создаваемая прошедшим через эти ткани ультрафиолетовым излучением солнца, составленная по расчету, приведена в табл. 4.
Расчетное время, необходимое для получения эритемы, будет: при облучении через батист – 157 минут, креп –173 минуты, бельевую ткань, артикул 77 – 177 минут, майю – 272 минуты, шелковое полотно 284 минуты.
Эти данные подтверждаются практическими наблюдениями.
Ультрафиолет: эффективная дезинфекция и безопасность
Свойства ультрафиолета зависят от длины волны, а ультрафиолет разных источников отличается спектром. Обсудим, какие источники ультрафиолета и как применять, чтобы максимизировать бактерицидное действие, минимизировав риски нежелательных биологических эффектов.
Рис. 1. На фотографии не дезинфекция излучением UVC, как можно подумать, а тренировка использования защитного костюма с выявлением в лучах UVA люминесцирующих пятен учебных телесных жидкостей. UVA – мягкий ультрафиолет и не оказывает бактерицидного действия. Закрытые глаза – оправданная мера безопасности, так как широкий спектр используемой люминесцентной лампы UVA пересекается с UVB, который опасен для зрения (источник Simon Davis/DFID).
Длина волны видимого света соответствует энергии кванта, при которой только-только становится возможным фотохимическое действие. Кванты видимого света возбуждают фотохимические реакции в специфической фоточувствительной ткани – в сетчатке глаза.
Ультрафиолет невидим, его длина волны меньше, частота и энергия кванта выше, излучение жестче, разнообразие фотохимических реакций и биологических эффектов больше.
Ультрафиолет различается на:
Бактерицидное действие ультрафиолета
Бактерицидное действие оказывает жесткий ультрафиолет – UVC, и в меньшей степени ультрафиолет средней жесткости – UVB. По кривой бактерицидной эффективности видно, что явное бактерицидное действие оказывает только узкий диапазон 230…300 нм, то есть примерно четверть от диапазона, называемого ультрафиолетом.
Рис. 2 Кривые бактерицидной эффективности из [CIE 155:2003]
Кванты с длинами волн в этом диапазоне поглощаются нуклеиновыми кислотами, что приводит к разрушению структуры ДНК и РНК. Помимо бактерицидного, то есть убивающего бактерии, этот диапазон оказывает вирулицидное (противовирусное), фунгицидное (противогрибковое) и спороцидное (убивающее споры) действие. В том числе убивается вызвавший пандемию 2020 г. РНК-содержащий вирус SARS-CoV-2.
Бактерицидное действие солнечного света
Бактерицидное действие солнечного света относительно невелико. Посмотрим на солнечный спектр над атмосферой и под атмосферой:
Рис. 3. Спектр солнечного излучения над атмосферой и на уровне моря. Наиболее жесткая часть ультрафиолетового диапазона до поверхности земли не доходит (заимствовано из Википедии).
Стоит обратить внимание на выделенный желтым надатмосферный спектр. Энергия кванта левого края спектра надатмосферных солнечных лучей с длиной волны менее 240 нм соответствует энергии химической связи 5.1 эВ в молекуле кислорода «O2». Молекулярный кислород поглощает эти кванты, химическая связь рвется, образуется атомарный кислород «O», который соединяется обратно в молекулы кислорода «O2» и, частично, озона «O3».
Солнечный надатмосферный UVC образует в верхних слоях атмосферы озон, называемый озоновым слоем. Энергия химической связи в молекуле озона ниже, чем в молекуле кислорода и поэтому озон поглощает кванты меньшей энергии, чем кислород. И если кислород поглощает только UVC, то озоновый слой поглощает UVC и UVB. Получается, что солнце самым краешком ультрафиолетовой части спектра генерирует озон, и этот озон затем поглощает большую часть жесткого солнечного ультрафиолета, защищая Землю.
А теперь аккуратно, обращая внимание на длины волн и масштаб, совместим солнечный спектр со спектром бактерицидного действия.
Рис. 4 Спектр бактерицидного действия и спектр солнечного излучения.
Видно, что бактерицидное действие солнечного света незначительно. Часть спектра, способная оказывать бактерицидное действие, почти полностью поглощена атмосферой. В разное время года и в разных широтах ситуация немного различается, но качественно похожа.
Опасность ультрафиолета
Руководитель одной из крупных стран предложил: «для излечения от COVID-19 нужно доставить солнечный свет внутрь организма». Однако, бактерицидный УФ разрушает РНК и ДНК, включая человеческие. Если «доставить солнечный свет внутрь организма» – человек погибнет.
Эпидермис, в первую очередь роговой слой отмерших клеток, защищает живую ткань от UVC. Ниже эпидермального слоя проникает только менее 1% излучения UVC [ВОЗ]. Более длинные волны UVB и UVA проникают на большую глубину.
Если бы солнечного ультрафиолета не было, возможно, люди бы не имели эпидермиса и рогового слоя, и поверхность тела была слизистой, как у улиток. Но так как люди эволюционировали под солнцем, слизистыми являются только защищенные от солнца поверхности. Наиболее уязвима слизистая поверхность глаза, условно защищенная от солнечного ультрафиолета веками, ресницами, бровями, моторикой лица, и привычкой не смотреть на солнце.
Когда впервые научились заменять хрусталик на искусственный, офтальмологи столкнулись с проблемой ожогов сетчатки. Стали разбираться в причинах и выяснили, что живой человеческий хрусталик для ультрафиолета непрозрачен и защищает сетчатку. После этого стали делать непрозрачными для ультрафиолета и искусственные хрусталики.
Изображение глаза в ультрафиолетовых лучах иллюстрирует непрозрачность хрусталика для ультрафиолета. Собственный глаз освещать ультрафиолетом не стоит, так как со временем хрусталик мутнеет, в том числе из-за набранной с годами дозы ультрафиолета, и нуждается в замене. Поэтому воспользуемся опытом отважных людей, которые пренебрегли безопасностью, посветили себе в глаза ультрафиолетовым фонариком на длине волны 365 нм, и выложили результат в YouTube.
Рис. 5 Кадр из ролика Youtube-канала «Kreosan».
Вызывающие люминесценцию ультрафиолетовые фонарики с длиной волны 365 нм (UVA) популярны. Покупаются взрослыми, но неизбежно попадают в руки детям. Дети светят себе этими фонариками в глаза, внимательно и подолгу рассматривают светящийся кристалл. Такие действия желательно предотвратить. Если это произошло, можно успокоить себя тем, что катаракта в исследованиях на мышах уверенно вызывается облучением хрусталика UVB, но катарогенозный эффект UVA неустойчив [ВОЗ].
И все же точный спектр действия ультрафиолета на хрусталик неизвестен. А если учесть, что катаракта – сильно отложенный эффект, нужно некоторое количество ума, чтобы не светить себе в глаза ультрафиолетом заранее.
Относительно быстро под ультрафиолетом воспаляются слизистые оболочки глаза, это называется фотокератит и фотоконъюнктивит. Слизистые становятся красными, и появляется ощущение «песка в глазах». Эффект проходит через несколько дней, но многократные ожоги могут привести к помутнению роговицы.
Длины волн, вызывающих эти эффекты, примерно соответствуют взвешенной функции УФ-опасности, приведенной в стандарте по фотобиологической безопасности [IEC 62471] и примерно совпадают с диапазоном бактерицидного действия.
Рис. 6 Спектры действия ультрафиолета, вызывающего фотоконъюнктивит и фотокератит из [DIN 5031-10] и взвешенная функция актиничной УФ опасности для кожи и глаз из [IEC 62471].
UVB в диапазоне 280-320 нм, с максимумом около 300 нм вызывает рак кожи. Пороговой дозы нет, больше доза – выше риск, и эффект отложен.
Рис. 7 Кривые действия ультрафиолета, вызывающие эритему и рак кожи.
Фотоиндуцированное старение кожи вызывается ультрафиолетом во всем диапазоне 200…400 нм. Известна фотография дальнобойщика, подвергавшегося за рулем облучению солнечным ультрафиолетом преимущественно с левой стороны. Водитель имел привычку ездить с опущенным стеклом водительского окна, но правая часть лица была защищена от солнечного ультрафиолета лобовым стеклом. Разница возрастного состояния кожи на правой и левой стороны впечатляет:
Рис. 8 Фотография водителя, в течение 28 лет ездившего с опущенным стеклом водительского окна [Nejm].
Если грубо оценить, что возраст кожи с разной стороны лица этого человека различается на двадцать лет и это следствие того, что примерно эти же двадцать лет одна сторона лица освещалась солнцем, а вторая нет, можно сделать осторожный вывод, что день под открытым солнцем на один день и старит кожу.
Из справочных данных [ВОЗ] известно, что в средних широтах летом под прямым солнцем минимальная эритемная доза 200 Дж/м 2 набирается быстрее чем за час. Сравнив эти цифры со сделанным выводом, можно сделать еще один вывод, – старение кожи при периодической и непродолжительной работе с ультрафиолетовыми лампами не является значимой опасностью.
Сколько нужно ультрафиолета для дезинфекции
Рис. 9 Зависимость доли выживших микобактерий туберкулеза от дозы ультрафиолетового излучения на длине волны 254 нм.
Экспоненциальная зависимость примечательна тем, что даже малая доза убивает большую часть микроорганизмов.
Пример оценки необходимого времени облучения: допустим, необходимо дезинфицировать воздух и поверхности в комнате размером 5 × 7 × 2,8 метра, для чего используется одна открытая лампа Philips TUV 30W.
Если требования к стерильности невелики и достаточно «одной девятки», для рассмотренного примера нужно в три раза меньшее время облучения – округленно 20 минут.
Защита от ультрафиолета
Основная мера защиты во время дезинфекции ультрафиолетом – уходить из помещения. Находиться рядом с работающей УФ-лампой, но отводить взгляд не поможет, слизистые глаза все равно облучаются.
Частичной мерой защиты слизистых глаза могут быть стеклянные очки. Категоричное заявление «стекло не пропускает ультрафиолет» неверно, в какой-то степени пропускает, причем разные марки стекла по-разному. Но в целом с уменьшением длины волны коэффициент пропускания снижается, и UVC эффективно пропускается только кварцевым стеклом. Очковые стекла в любом случае не кварцевые.
Уверенно можно сказать, что не пропускают ультрафиолет линзы очков с маркировкой UV400.
Рис. 10 Спектр пропускания очковых стекол с индексами UV380, UV400 и UV420. Изображение с сайта [Mitsuichemicals]
Также мерой защиты является использование источников бактерицидного диапазона UVC, не излучающих потенциально опасные, но не эффективные для дезинфекции диапазоны UVB и UVA.
Источники ультрафиолета
УФ-диоды
Наиболее распространены ультрафиолетовые диоды 365 нм (UVA) предназначены для «полицейских фонариков», которые вызывают люминесценцию для обнаружения невидимых без ультрафиолета загрязнений. Дезинфекция такими диодами невозможна (см. рис. 11).
Для дезинфекции можно использовать коротковолновые UVC–диоды с длиной волны 265 нм. Стоимость модуля на диодах, который заменил бы ртутную бактерицидную лампу, превосходит стоимость лампы на три порядка, поэтому на практике такие решения для дезинфекции больших площадей не используются. Но появляются компактные устройства на УФ-диодах для дезинфекции малых площадей – инструментов, телефонов, мест повреждений кожи и т.д.
Ртутные лампы низкого давления
Ртутная лампа низкого давления – это стандарт, с которым сравниваются все другие источники.
Основная доля энергии излучения паров ртути при низком давлении в электрическом разряде приходится на длину волны 254 нм, идеально подходящую для дезинфекции. Небольшая часть энергии излучается на длине волны 185 нм, интенсивно генерирующей озон. И совсем небольшое количество энергии излучается на других длинах волн, включая видимый диапазон.
В обычных ртутных люминесцентных лампах белого света стекло колбы не пропускает излучаемый парами ртути ультрафиолет. Но люминофор, порошок белого цвета на стенках колбы, под действием ультрафиолета светится в видимом диапазоне.
Лампы UVB или UVA устроены похожим образом, стеклянная колба не пропускает пики 185 нм и пик 254 нм, но люминофор под действием коротковолнового ультрафиолета излучает не видимый свет, а длинноволновый ультрафиолет. Это лампы технического назначения. А так как спектр ламп UVA похож на солнечный, такие лампы используются еще и для загара. Сравнение спектра с кривой бактерицидной эффективности показывает, что использовать лампы UVB и тем более UVA для дезинфекции нецелесообразно.
Рис. 11 Сравнение кривой бактерицидной эффективности, спектра лампы UVB, спектра лампы UVA «для загара» и спектра диода 365 нм. Спектры ламп взяты с сайта американской ассоциации производителей красок [Paint].
Отметим, что спектр люминесцентной лампы UVA широк и захватывает UVB-диапазон. Спектр диода 365 нм значительно уже, это «честный UVA». Если требуется UVA чтобы вызывать люминесценцию в декоративных целях или для обнаружения загрязнений, использование диода безопасней использования ультрафиолетовой люминесцентной лампы.
Ртутная бактерицидная лампа низкого давления UVC отличается от люминесцентных тем, что на стенках колбы нет люминофора, и колба пропускает ультрафиолет. Основная линия 254 нм пропускается всегда, а генерирующая озон линия 185 нм может быть оставлена в спектре лампы или убрана колбой из стекла с селективным пропусканием.
Рис. 12 Диапазон излучения указан на маркировке ультрафиолетовых ламп. Бактерицидную лампу UVC можно узнать по отсутствию люминофора на колбе.
Озон оказывает дополнительное бактерицидное действие, но является канцерогеном, поэтому чтобы не ждать выветривания озона после дезинфекции, используют не образующие озон лампы без линии 185 нм в спектре. Эти лампы имеют почти идельный спектр — основная линия с высокой бактерицидной эффективностью 254 нм, очень слабое излучение в небактерицидных диапазонах ультрафиолета, и небольшое «сигнальное» излучение в видимом диапазоне.
Рис. 13. Спектр ртутной лампы низкого давления UVC (предоставлен журналом lumen2b.ru) совмещен со спектром солнечного излучения (из Википедии) и кривой эффективности бактерицидного действия (из ESNA Lighting Handbook [ESNA]).
Синее свечение бактерицидных ламп позволяет увидеть, что ртутная лампа включена и работает. Свечение слабое, и это создает обманчивое впечатление, что смотреть на лампу безопасно. Мы не чувствуем, что излучение в UVC диапазоне составляет 35…40% полной потребляемой лампой мощности.
Рис. 14 Малая доля энергии излучения паров ртути приходится на видимый диапазон и видна как слабое голубое свечение.
Бактерицидная ртутная лампа низкого давления имеет тот же цоколь, что и обычная люминесцентная, но делается другой длины, чтобы бактерицидную лампу не вставляли в обычные светильники. Светильник для бактерицидной лампы, помимо габаритов, отличается тем, что все пластиковые детали устойчивы к ультрафиолету, провода от ультрафиолета закрыты, и нет рассеивателя.
Для домашних бактерицидных потребностей автор использует бактерицидную лампу 15 Вт, ранее использовавшуюся для обеззараживания питательного раствора гидропонной установки. Ее аналог можно найти по запросу «aquarium uv sterilisator». При работе лампы выделяется озон, что не хорошо, но для дезинфекции, к примеру, обуви, полезно.
Рис. 15 Ртутные лампы низкого давления с цоколем различных типов. Изображения с сайта Aliexpress.
Ртутные лампы среднего и высокого давления
Повышение давления паров ртути приводит к усложнению спектра, спектр расширяется и в нем появляется больше линий, в том числе на генерирующих озон длинах волн. Введение в ртуть добавок приводит к еще большему усложнению спектра. Разновидностей подобных ламп много, и спектр каждой особенный.
Рис. 16 Примеры спектров ртутных ламп среднего и высокого давления
Повышение давления снижает КПД лампы. На примере марки Aquafineuv лампы среднего давления в области UVC излучают уже 15-18% от потребляемой мощности, а не 40% как лампы низкого давления. И стоимость оборудования из расчета на один ватт потока UVC получается выше [Aquafineuv].
Снижение КПД и повышение стоимости лампы компенсируется компактностью. К примеру, обеззараживание проточной воды или сушка наносимого на высокой скорости лака в полиграфии требуют компактных и мощных источников, удельная стоимость и эффективность неважны. Но использовать такую лампу для дезинфекции некорректно.
УФ-облучатель из горелки ДРЛ и лампы ДРТ
Есть «народный» способ относительно недорого получить мощный источник ультрафиолета. Выходят из употребления, но все еще продаются лампы ДРЛ белого света 125…1000 Вт. В этих лампах, внутри внешней колбы стоит «горелка» — ртутная лампа высокого давления. Она излучает широкополосный ультрафиолет, который задерживается внешней стеклянной колбой, но заставляет светиться люминофор на ее стенках. Если разбить внешнюю колбу и подключить горелку к сети через штатный дроссель, получится мощный излучатель широкополосного ультрафиолета.
У такого кустарно изготовленного излучателя есть недостатки: низкий по сравнению с лампами низкого давления КПД, большая доля ультрафиолета вне бактерицидного диапазона, и в помещении нельзя находиться некоторое время после выключения лампы, пока не распадется или не выветрится озон.
Но бесспорны и плюсы: низкая стоимость и большая мощность при компактных размерах. К плюсам можно отнести и генерацию озона. Озон продезинфицирует затененные поверхности, на которые не попадут лучи ультрафиолета.
Рис. 17 Ультрафиолетовый облучатель, сделанный из ламп ДРЛ. Фотография публикуется с разрешения автора, болгарского стоматолога, использующего этот облучатель в дополнении к стандартной бактерицидной лампе Philips TUV 30W.
Аналогичные источники ультрафиолета для дезинфекции в виде ртутных ламп высокого давления используют в облучателях типа ОУФК-01 «Солнышко».
Рис. 18 Источник широкополосного ультрафиолета — лампа ДРТ-125
По заявленным характеристикам видно, что спектр широкополосен с почти равной долей излучения в мягком, среднем, и жестком ультрафиолете, в том числе захватывает генерирующий озон жесткий UVC. Бактерицидный поток составляет 6,4% от потребляемой мощности, то есть КПД в 6 раз меньше, чем у трубчатой лампы низкого давления.
Производитель не публикует спектра этой лампы, а в интернете циркулирует одна и та же картинка со спектром какой-то из ДРТ. Первоисточник неизвестен, но соотношение энергии в UVC, UVB и UVA диапазонах не соответствует заявленным для лампы ДРТ-125. Для ДРТ заявлено примерно равное соотношение, а по спектру видно, что энергия UVB кратно больше энергии UBC. А в UVA кратно выше, чем в UVB.
Рис. 19. Спектр дуговой ртутной лампы высокого давления, наиболее часто иллюстрирующей спектр широко применяемых в медицинских целях ДРТ-125.
Понятно, что лампы с разным давлением и добавками в ртуть излучают несколько по-разному. Также понятно, что неинформированный потребитель склонен самостоятельно вообразить желаемые характеристики и свойства продукта, приобрести основанную на собственных предположениях уверенность, и совершить покупку. А публикация спектра конкретной лампы вызовет обсуждения, сравнения и выводы.
Автор однажды купил установку ОУФК-01 с лампой ДРТ-125 и несколько лет использовал для испытаний на УФ-стойкость пластиковых изделий. Облучал одновременно два изделия, одно из которых контрольное из устойчивого к ультрафиолету пластика, и смотрел какое пожелтеет быстрее. Для такого применения знание точной формы спектра не обязательно, важно лишь, чтобы излучатель был широкополосным. Но для чего применять широкополосный ультрафиолет, если требуется дезинфекция?
В назначении ОУФК-01 указано, что облучатель применяется при острых воспалительных процессах. То есть в случаях, когда положительный эффект дезинфекции кожи превышает возможный вред широкополосного ультрафиолета. Очевидно, что и в таком случае лучше использовать узкополосный ультрафиолет, без длин волн в спектре, оказывающих иное действие кроме бактерицидного.
Дезинфекция воздуха
Ультрафиолет признается недостаточным средством для дезинфекции поверхностей, так как лучи не могут проникнуть туда, куда проникает, например, спирт. Но ультрафиолет эффективно дезинфицирует воздух.
При чихании и кашле образуются капельки размером несколько микрометров, которые висят в воздухе от нескольких минут до несколько часов [CIE 155:2003]. Исследования туберкулеза показали, что для заражения достаточно одной аэрозольной капли.
На улице мы в относительной безопасности из-за огромных объемов и подвижности воздуха, способного развеять и обеззаразить временем и солнечной радиацией любой чих. Даже в метро, пока доля зараженных людей мала, общий объем воздуха в пересчете на одного зараженного велик, и хорошая вентиляция делает риск распространения инфекции малым. Самое опасное место во время пандемий заболеваний, передающихся воздушно-капельным путем, – это лифт. Поэтому чихающие должны сидеть на карантине, а воздух в общественных помещениях при недостаточной вентиляции нуждается в обеззараживании.
Рециркуляторы
Один из вариантов обеззараживания воздуха – закрытые УФ-рецикуляторы. Обсудим один из таких рециркуляторов – «Дезар 7», известный тем, что замечен даже в кабинете первого лица государства.
В описании рециркулятора сказано, что он продувает 100 м 3 в час и предназначен для обработки помещения объемом 100 м 3 (приблизительно 5 × 7 × 2,8 метра).
Однако, способность продезинфицировать 100 м 3 воздуха в час не означает, что воздух в комнате объемом 100 м 3 за час будет обработан так же эффективно. Обработанный воздух разбавляет грязный воздух, и в таком виде снова и снова попадает в рециркулятор. Несложно построить математическую модель и посчитать эффективность такого процесса:
Рис. 20 Влияние работы УФ-рециркулятора на количество микроорганизмов в воздухе комнаты без вентиляции.
Чтобы снизить концентрацию микроорганизмов в воздухе на 90% рециркулятору необходимо работать более двух часов. При отсутствии вентиляции в помещении, это возможно. Но помещений с людьми и без вентиляции в норме нет. К примеру, [СП 60.13330.2016] предписывает минимальный расход наружного воздуха при вентиляции 3 м 3 в час на 1 м 2 площади квартиры. Что соответствует полной замене воздуха раз в час и делает бесполезной работу рециркулятора.
Если рассматривать модель не полного перемешивания, а ламинарных струй, которые проходят по установившейся сложной траектории в комнате и уходят в вентиляцию, польза дезинфекции одной из таких струй еще меньше, чем в модели полного перемешивания.
В любой случае УФ-рециркулятор не полезнее открытой форточки.
Одна из причин малой эффективности рециркуляторов в том, что крайне мал бактерицидный эффект в пересчете на каждый ватт УФ-потока. Луч проходит порядка 10 сантиметров внутри установки, а потом отражается от алюминия с коэффициентом около k=0,7. Это означает, что эффективный пробег луча внутри установки около полуметра, после чего он без пользы поглощается.
Рис. 21. Кадр из ролика на Youtube, на котором разбирают рецикулятор. Видны бактерицидные лампы и алюминиевая отражающая поверхность, значительно хуже отражающая ультрафиолет, чем видимый свет [Дезар].
Бактерицидная лампа, которая открыто висит на стене в кабинете поликлиники и по расписанию включается врачом, многократно эффективней. Лучи от открытой лампы проходят несколько метров, дезинфицируя сначала воздух, а затем еще и поверхности.
Облучатели воздуха в верхней части помещения
В палатах больниц, в которых постоянно находятся лежачие больные, иногда используют УФ-установки, облучающие циркулирующие потоки воздуха под потолком. Основной недостаток таких установок – решетка, закрывающая лампы, позволяет проходить лишь лучам, идущим строго в одном направлении, поглощая без пользы более 90% остального потока.
Можно дополнительно продувать воздух через такой облучатель, чтобы заодно получился рециркулятор, но так не делается, вероятно из-за нежелания получить в палате пыленакопитель.
Рис. 22 Подпотолочный УФ-облучатель воздуха, изображение с сайта [Airsteril].
Решетки защищают людей в помещении от прямого потока ультрафиолета, но тот поток, что прошел через решетку, попадает на потолок и стены и диффузно отражается, с коэффициентом отражения около 10%. Помещение заполняется всенаправленным ультрафиолетовым излучением и люди получают дозу ультрафиолета, пропорциональную проведенному в помещении времени.
Рецензенты и автор
Рецензенты:
Артём Балабанов, инженер-электронщик, разработчик систем УФ-отверждения;
Румен Василев, к.т.н., светотехник, ООД «Интерлукс», Болгария;
Вадим Григоров, биофизик;
Станислав Лермонтов, инженер-светотехник, ООО «Комплексные Системы»;
Алексей Панкрашкин, к.т.н., доцент, полупроводниковая светотехника и фотоника, ООО «ИНТЕХ Инжиниринг»;
Андрей Храмов, специалист по проектированию освещения медицинских учреждений;
Виталий Цвирко, начальник светотехнической испытательной лаборатории «ЦСОТ НАН Беларуси»
Автор: Антон Шаракшанэ, к.ф.-м.н, светотехник и биофизик, Первый МГМУ им. И.М. Сеченова
Ссылки
UPD: В порядке эксперимента выпущена видеоверсия статьи