Альтернативная ветвь светотехники. Обеззараживание.

Добрый день!

Межсезонье цветёт и пахнет вирусами, простуда цепляется как репейник к каждому из нас, килограммы бактерий в нашем теле пополняются новыми видами и, короче говоря, все чихают. Обычное дело, скажете Вы, а я отвечу, что да, обычное, но, чем не повод порассуждать на тему обеззараживания. В быту. Например, на кухне. Лично у меня, на кухне пахнет табаком. Дурная привычка курить в окошко вечером на кухне. Это святое. А теперь, наложим вирусную обстановку осени на запах табака и получим отличную маскировку для всяческих стрептококков и прочих хозяев этого мира, для которых мы, по некоторым теориям, являемся почвой. Впрочем, сегодня не о заговорах с РЕН-ТВ.

Так вот, обеззараживание. Меня попросили порассуждать на тему очистки воздуха, а в частности на тему озонаторов. Пожалуй, зацепим немножечко ещё рециркуляторов и облучателей. Прикинем, в чём плюсики одних, перед другими, стоит ли вообще игра свеч и, если да, то в каких масштабах и пропорциях. Да так, шоб все микробы померли (шучу, они не помирают, вы просто запрещаете им размножаться, удобно ведь, да?)

Начнём с базы?

Итак, сейчас, наиболее эффективным инструментом обеззараживания воздуха, воды и прочих поверхностей является принцип бактерицидного воздействия излучения. Но почему так? Всё дело в том, что если взглянуть на спектральную зависимость коэффициента поглощения ДНК условной бактерии, а так же на спектральную восприимчивость этих бактерий, то увидим интересную вещь! А именно, что излучение, лежащие в некотором диапазоне длин волн оказывает максимальное влияние на бактерии и вирусы и, о чудо, этот диапазон, это тот самый ультрафиолет!

Тогда, резюмируя мою скомканную речь, можно сказать, что бактерицидное действие УФ излучения основано на фотохимических реакциях, в результате которых происходят необратимые повреждения ДНК. Помимо ДНК, ультрафиолет действует и на другие структуры клеток, в частности, на РНК, клеточные мембраны и т.д. Наиболее эффективным инактивирующим действием обладает коротковолное ультрафиолетовое излучение с длинами волн 200-300 нм. Излучение в этом диапазоне хорошо поглощается (чем-то, я не биолог) в ДНК. Тем не менее, в рамках бактерицидного диапазона, чувствительность к действию УФ излучения вирусов и клеток различного происхождения может сильно различаться.

И совсем коротко: Ультрафиолетовое излучение запрещает размножаться бактериям и вирусам.

Окей, разобрались. Теперь встаёт вопрос, где достать излучение в диапазоне 200-300 нм? Ну, тут совсем просто, это ж газоразрядные лампы! Не вдаваясь совсем глубоко, просто скажу, что одной из самых интенсивных линий излучения ртути является 254нм линия. Бинго, это ж почти в максимуме чувствительности бактерий! Ну, значит, всё, бахаем ртуть в вакуумную колбу, зажигаем разряд, ждём-с и готово. Это ж буквально люминесцентные лампы, но без люминофора, который нам переделывает УФ в видимый свет как раз таки.

Немного теории о механизме генерации излучения ртутью. ВСЁ КАК У ЛЮДЕЙ. Давайте проводить параллели между каждым из нас и атомом ртути.
Итак, поместим атомы ртути в колбу, в которой существует вакуум. С двух концов стоят электроДы, к ним подводят ток, ток их нагревает, электроДы начинают выпускать со своей поверхности электроНы. Причём летят эти электроНы то с одного конца колбы в другой, то наоборот. И всю дорогу они задевают безобидные атомы ртути, сидящие внутри колбы. Безбожно их задевают. Теперь представим меня в метро, я иду на переход с комсомольской куда-то, спокойно, но при этом меня безбожно задевают вечно спешащие люди, которые идут то туда, то сюда. Что делаю я? Будто бы меня это бесит, появляется злость какая-то, лишняя энергия….вот и ртуть так же: её задевают бегущие электроны и передают ей свою энергию, набранную за время в пути от электрода до столкновения. И чё ртуть? Да ничего, она возбуждается от некоторых соударений и перелетает на новый энергетический уровень, но ведь, ровно так же, как и ты не можешь злиться на этого мужика, что толкнул тебя плечом на платформе, долго, так и ртуть, не может вечно сидеть на новом энергетическом уровне. Поэтому она возвращается в своё привычное состояние, при этом отдав избыток приобретённой энергии в виде….излучения! Ну и я так же, выругался и пошёл по делам дальше в своём обычном состоянии.
Хотя, бывает и так, что ртуть пнут прям сильно, тогда она перелетает нафиг все барьеры и решает стать суперменом и трансформируется в ион ртути. Если брать параллель, то и каждый из нас может превратиться в боксёра и пригласить визави на честный поединок на улице. Что ртуть, что каждый из нас, в таком боксёрско-ионном состоянии, пребывает дольше, чем просто в возбуждённом, но, потом это проходит, когда выпустишь пар или фотон, смотря кто ты.
И вот, непрерывные столконовения электронов с атомами ртути приводят к генерации излучения,  в том числе, и нужной нам волны длиной 254 нм.

Вообще, вводных очень и очень много, например, кроме атомов ртути и электронов, внутри колбы должен быть инертный газ, который сначала работает сам, вечно возбуждаясь, а потом уже передаёт бразды правления ртути (её легче возбудить, поэтому светить начинает она, а не инерт). Ртуть не чистая, а в смеси с разными металлами. Колба не стеклянная, а, либо увиолевое стекло, либо кварцевое стекло (обычное стекло не пускает УФ, а увиоль и кврац – да). Кварц бывает разный тоже, какой-то режет линию генерирующую озон, какой-то нет. Разного рода электроды и их покрытия для облегчения выхода электронов с них. Так же условные покрытия на внутреннюю часть колбы, чтобы ртуть не въедалась в неё и разряд горел дольше и чище. Это целая плеяда вводных. Поэтому я просто рассказал, как сварить воду с мясом и получить суп, но, мы-то знаем, что для вкусного и сытного супа нужно куда больше.

Итак, с механизмом работы излучения на микроорганизмы разобрались, как его получить тоже разобрались, теперь передвигаемся к реальности.

В реальности, КПД лучших бактерицидных ламп лежит в диапазоне 30-40%. Какая-то часть обязательно уйдёт в тепло, что-то в электрические потери, что-то уйдёт в видимый свет и тд. Условно, мы можем разделить наши изделия по области применения, конструктиву и свойствах.
Если мы говорим о свойствах, то это либо обеззараживание, либо обеззараживание и удаление запахов. По области применения это либо воздух/поверхности, либо вода. По конструктиву это либо открытое устройство, либо закрытое.

1) Обеззараживание – генерация УФ с упором на 254нм. Никакого озона (его генерирует 187 линия). Для этого, часть спектра обрезают химическими присадками, которые не дают кварцевому  стеклу пропускать излучение с длиной волны в 187 нм. Классический варинт для воды или воздуха. Имеет место быть как открытый формат (завезли тележку, включили, ушли на полчасика, пришли, все счастливы), так и закрытый формат (уходить не надо, сидишь, работаешь, процесс идёт). Закрытый формат более популярен в бытовом сегменте, так как, как правило, это лампа+вентилятор. Воздух прогоняется через пространство(реактор), где горит лампа, микроорганизмы деактивируются и выходящий воздух уже очищен.
Открытые форматы имеют более высокую эффективность, но требуют полного удаления всего живого из помещения. Человек, цветы, животные, материалы, подверженных деструктивному воздействию УФ и тд. Классические примеры открытого облучателя – больницы. Так называемое «Кварцевание». Классический пример закрытого – метро, операционная, офис, любое место, где нельзя вот так просто взять и выйти.

2) Обеззараживание + удаление запахов. В целом, те же тапки, но с помпонами. Здесь, принципиально не режут 187нм линию. В чём её прелесть? Если есть химики – поправьте.
Взаимодействие этого излучения с воздухом провоцирует генерацию озона О3, который в свою очередь, чрезвычайно нестабилен и, свободный кислород, являясь сильным окислителем, просто на просто, разрушает молекулы веществ с неприятным запахом. Такое, бытовое объяснение, потому, что на реальных очистных станциях УФ обработка запахов это лишь одна из многих ступеней очистки. Но нас ведь и интересует эта область, бытовая. Если выше мы говорили о том, что КПД генерации 254 линии примерно 35%, то здесь распределение примерно 10% на 187 линию и 25% на 254 линию.

Надо понимать, что озон это сильнейший яд, поэтому большинство озонаторов имеют открытый тип работы и исключают наличие людей и всего более-менее живого в области обработки. В ином случае, «более-менее» превратится в звонок от ГБУ «Ритуал». Кстати, интересный факт: одним из самых эффективных сенсоров озона является наш нос! Кто-то скажет, пфф, а есть же настольные озонаторы и я прекрасно работаю рядом с ним, вот же он и ничего, не умер…пока. Тогда я спрошу, а Вас не смущает, что ядовитое вещество рядом работает и Вам норм? Вероятно ответа тут два: либо оно не работает как должно (то есть, да, озон есть, но его эффективность стремиться к нулю), либо вы устойчивы к ядам.
И вот так вот плавно, мы с Вами переходим к оценке эффективности устройств для обеззараживания и удаления запахов!

Естественно есть ключевые показатели, с помощью которых можно узнать о мощности и эффективности обеззараживания. Возьмём в качестве примера воду! УФ-доза — количество УФ-излучения, сообщаемого микроорганизму для его инактивации. Для инактивации каждого патогена требуется определённая УФ-доза. Это объясняется различным строением и составом защитной оболочки микроорганизмов. Окей, доза есть доза и для каждого она своя (привет, Марк Рентон). УФ-доза зависит от УФ-интенсивности и времени облучения.

УФ-доза = УФ-интенсивность x Время



УФ-интенсивность определяется мощностью, количеством УФ-ламп и коэффициентом пропускания среды. При обработке воды с высоким коэффициентом пропускания, необходимая для обеззараживания УФ-интенсивность достигается меньшей мощностью УФ-ламп, а при низком коэффициенте — большей. Применение более мощных ламп ведет к уменьшению размеров УФ-установок . Время облучения определяется расходом воды. Чем больший расход воды подается на оборудование, тем меньше время облучения, а значит меньше УФ-доза в одном и том же УФ-реакторе. Геометрией оборудования. Например, чем меньше диаметр УФ-реактора, тем при одном и том же расходе время облучения будет короче.

Та же логика справедлива и для воздуха. Например, можно взять фитюльку с алиэкспресса с малой производительностью прогоняемого воздуха, поставить работать на сутки и потом взять пробу дозы. Она будет огромной. Но, нужно ещё и учитывать время работы.

Но, для меня ключевым фактором является соотношение количества инактивируемых микроорганизмов к количеству «вновь прибывших». Что это значит? Представим, что мы сидим в стратегическом месте не менее стратегического НИИ. Функционирует это место с 60х годов. Стратегическая кабинка имеет, скажем, объём 15 кубов. Да, такая, вот, огромная. И кто-то решает поставить здесь закрытый озонатор, ибо спички жечь надоело. Но, что-то вот, как-то будто он работает, озон не шибко чувствуется, да и вообще общемикробная обстановка такая же. Здесь и возникает то, о чём я писал выше. Количество воздуха, прогоняемого через реактор озонатора неимоверно мало по сравнению с «грязным воздухом». Буквально, за время инактивации 5 бактерий в реакторе рецика, образуется 100 новых бактерий естественным путём в объёме воздуха стратегической кабинки. Тогда встаёт вопрос, а стоит ли игра свеч?

Именно поэтому всегда стоит отталкиваться от области, где вы хотите использовать тот или иной прибор. Огромное место имеет его вентилируемость, объём среды, производительность прибора и прочее-прочее. В том же самом рядовом рецике градиент УФ дозы имеет экспоненциальную зависимость в радиальном направлении от лампы, так как она заключена в коробе с вентилятором. У открытых облучателей всё лучше, там тоже имеет место быть падение эффективность радиально от лампы, но они не ограничены каким-то узким пространством.

Стоит ли себе покупать настольный озонатор домой? Да, стоит, ибо это всё равно лучше, чем ничего, правда же? Что-то, да чиститься, запахи нет-нет да уходят. Всё зависит от Вас, вашего помещения, стоимости прибора и желания. Они точно работают. Как обычно и бывает, не всегда стоит рассчитывать на красивые описания производителя и его влажные обещания. Всегда есть эта подковыка, что, да, это работает, но как? Это как утверждать, что свеча способна осветить помещение, но какое, вот в чём вопрос. А, вот, вопрос, хватает ли того или иного прибора на определённое помещение/пространство – это уже другое. Есть способ понять, но он больше похож на утопию. Взять микробиолога с образцами микроорганизмов, сделать замеры «до», причём в, практически, изолированном от поступления свежего воздуха, помещении.  Закатить прибор, провести очистку в течение требуемого времени. Пригласить биолога опять и взять новые пробы. Сравнить итог спустя, скажем, неделю. Проросли ли бактерии, но, блин, опять же, помещение-помещению рознь, должна быть полная стерильность для оценки роста бактерий, разные приборы, даже разные биологи, так как один дышит фиалками, а второй грибками стафилококка…

На этом, наверное, я закончу, получилось скомкано, местами некорректно, но, надеюсь любопытно. Очень рассчитываю на то, что мои бывшие коллеги не увидят этого потока сознания, так как будет стыдно, ибо я точно знаю, что где-то, да ошибся. Поэтому, Александр Иваныч, если Вы это читаете, я честно хотел показать людям, что это интересно и полезно, а ошибки от того, что подзабыл уже многое.

Немного красоты в конце.

Это горит аргон с щепоткой криптона, ртуть ещё не взялась.

А это неон с щепоткой аргона. Ртуть всё ещё холодна, поэтому горит инертный газ.

А это ковидные времена. Подставка под ноут потом приказала долго жить.