紫外线是阳光中频率为750THz～30PHz,对应真空中波长为400nm～10nm的光线。紫外线是频率高于可见光线的不可见光。紫外线一直存在,但我们今天就来说说人类和紫外线之间的故事。

紫外线的发现

在1800年英国物理学家赫歇尔发现了不可见的热射线—红外线后,秉着物理学‘’事物具有两级对称性‘’的理念,德国物理学家、化学家约翰-威廉-里特(Johann Wilhelm Ritter,1776～1810),在1801年发现在可见光谱的紫光端之外,还存在着不可见光。

里特将一张纸放在氯化银溶液中浸泡后,放在三棱镜可见光谱的紫光区域附近,他发现紫光外部区域的纸片强烈地变黑,说明这一部分受到了一种看不见的射线照射。里特把这不可见光叫做“去氧射线”,这就是我们后来所说的紫外线,因此里特也被称为紫外线之父。

紫外线的杀菌功能

紫外线可以分为UVA(波长400nm～320nm,低频长波)、UVB(波长320nm～280nm,中频中波)、UVC(波长280nm～100nm,高频短波)、EUV(100nm～10nm,超高频)4种。

在1877年,Downs和Blunt第一次报道了关于太阳光辐射可以杀灭培养基中细菌的特征,这也揭开了人们对紫外线消毒研究和应用的序幕。在1878年,人们发现了太阳光中的紫外线具有杀菌消毒作用。杀菌是紫外线最常见也很重要的一个功能。

1960年 人们第一次确认了紫外灭菌消毒的机理。一方面,当微生物受到紫外线照射时,生物细胞内脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)吸收紫外线光子能量,DNA分子中同一条链两个相邻的胸腺嘧啶基之间以环丁基环形成二聚体(胸腺嘧啶二聚体)。二聚体形成后,影响了DNA的双螺旋结构,RNA引物的合成将停止在二聚体处,DNA的复制和转录功能均受到阻碍。另一方面,在紫外线的照射下可以产生自由基,引起光电离,从而使微生物不能复制繁殖。

细胞对于220nm和260nm附近波段的紫外线光子最为敏感,能够高效吸收这两个波段的光子能量,从而阻止DNA的复制。波长为200nm或更短的紫外线辐射,大部分都在空气中被吸收,因此很难长距离传播,所以杀菌作用的主力紫外线波长集中在200nm~300nm之间。但低于200nm被吸收的紫外线会分解空气中的氧气分子,产生臭氧,同样也会起到杀菌消毒的作用。

紫外线灯的发明

紫外线是由原子的外层电子受到激发后产生的。自然界的主要紫外线光源是太阳,太阳光透过大气层时,波长短于290nm的紫外线被大气层中的臭氧吸收掉。

早在19世纪初,通过水银蒸汽被激励放电发光的这项工艺即已经为人所知:蒸汽封闭到一根玻璃管中,在玻璃管两端的两根金属电极上施加电压,从而产生一道“光弧”,使蒸汽发光。由于当时玻璃对于紫外的透过率极低,一直未能实现人造紫外光源。

直到1904年,德国贺利氏的Richard Küch博士利用其制成的无气泡高纯度石英玻璃,制作出第一支石英紫外汞灯Original Hanau® Höhensonne。因此,Küch被视为紫外汞灯的发明者,以及在医用光疗法中使用人造光源进行人体照射的先驱者。

基于技术和应用的发展,紫外线灯也演变成很多种类。现今紫外线杀菌灯大致有以下种类:

普通直管热阴极低压汞紫外线消毒灯:灯管采用石英玻璃或其它对紫外线透过率高的玻璃制成,功率为40W,30W,20W,15W等。功率>30W,新灯辐射253.7nm紫外线的强度需要>=90uW/cm2。

高强度紫外线消毒灯:功率>30W,新灯辐射253.7nm紫外线的强度需要>180uW/cm2。

低臭氧紫外线消毒灯:也是热阴极低压汞灯,由于采用了特殊工艺和灯管材料,故臭氧量低<1mg/h。

高臭氧紫外线消毒灯:采用特殊工艺,产生较大比例的184.9nm紫外线。

紫外线灯的应用

在1904年第一支石英紫外汞灯出现后,人们开始研究其在杀菌领域上的应用。

1907年,经过改进的石英紫外线灯被作为一种医学治疗光源被广泛销售。

1910年,在法国马赛市(Marseilles),紫外线消毒系统第一次被用于城市给水处理的生产实践中,日处理能力为200 m3/d。

约1920年,紫外在空气消毒领域的研究开始。

1936年,开始在医院手术室中采用紫外杀菌技术。

1937年首次在学校中采用紫外杀菌系统控制风麻疹传播。

20 世纪 60 年代中叶,人类开始了对紫外线消毒技术在城市污水处理中的应用。在1982年,加拿大一公司发明了世界上第一套明渠式安装的紫外线消毒系统。

1975年 挪威启用紫外消毒,替代有副产物的氯消毒。

1998年 Bolton证明紫外消灭原生动物的有效性,从而助推了紫外线消毒技术应用于一些大规模的城市给水处理之中。例如在1998~1999年间,芬兰赫尔辛基市(Helsinki)的Vanhakaupunki和Pitkäkoski给水厂分别进行了改建,增加了紫外线消毒系统,总处理能力约为12,000 m3/h;加拿大埃德蒙顿市(Edmonton)EL Smith 给水厂在2002年左右也安装了紫外线消毒设施,日处理能力为15,000 m3/h。

2003年 美国环保局发布了紫外消毒指导手册。

目前,紫外线杀菌技术已经发展成为安全可靠、高效环保的消毒技术。紫外线杀菌技术正逐步取代传统化学消毒方法,成为主流的干式消毒技术。在国内外各个领域得到了广泛的运用,如废气处理,水处理,物表杀菌,空气杀菌等。

无处不在的病毒现成为人类的一大考验,随着紫外线消毒技术的不断进步,紫外线消毒器的功能不断提升,可应用场景的将不断丰富,它会在人类的历史舞台上扮演越来越重要的守卫者角色。