دستگاه ضدعفونی کننده UV

دستگاه ضدعفونی کننده UV سیستمی است که با تابش اشعه یو وی روی سطح تجهیزات و وسایل مختلف زمینه ضدعفونی آنها را فراهم می نماید.

نور UV-C در سطح زمین ضعیف است زیرا لایه اوزون جو آن را مسدود می‌کند. دستگاه‌های UVGI و به خصوص سیستم ضدعفونی کننده یو-وی می‌توانند نور UV-C قوی در سیستم‌های تصفیه هوا یا آب تولید کنند تا آن‌ها را در محیط‌های نامناسب، با حذف میکروارگانیسم‌هایی مانند باکتری‌ها، ویروس‌ها، کپک‌ها و سایر عوامل بیماری‌زا تصفیه کنند. همچنین UVGI را می‌توان با یک سیستم فیلتراسیون برای ضدعفونی هوا و آب همگام کرد.

استفاده از UVGI برای گندزدایی از اواسط قرن بیستم یک روش شناخته شده بود. عمدتاً در بهداشت پزشکی و تأسیسات استریل کاری استفاده شد. اکنون به طور فزاینده‌ای، از آن برای استریل کردن آب آشامیدنی و فاضلاب استفاده می‌شود، زیرا دستگاه‌های گفته شده محصور هستند و می‌توانند در دستگاه‌ تصفیه هوا کاربرد پیشرفته‌ای داشته باشند.

نحوه عملکرد دستگاه ضدعفونی کننده یو-وی

نور UV تابشی الکترومغناطیسی با طول موج کوتاهتر از نور مرئی اما طولانی تر از اشعه ایکس است. UV به چندین محدوده طول موج طبقه‌بندی می‌شود که UV با طول موج کوتاه (UV-C) “میکروب کش” نام گذاری می‌شود. طول موج های بین 200 نانومتر تا 300 نانومتر به شدت توسط اسیدهای نوکلئیک جذب می‌شوند. انرژی جذب شده می‌تواند منجر به نقص‌هایی از جمله دایمرهای پیریمیدین شود. این دایمرها می‌توانند از تکثیر جلوگیری کنند یا می‌توانند از بیان پروتئین‌های ضروری جلوگیری کنند که منجر به مرگ یا غیرفعال شدن ارگانیسم می‌شود.

این فرآیندی با عملکرد مشابه اما قوی‌تر از اثر طول موج‌های بلندتر (UV-B) است که باعث ایجاد آفتاب سوختگی در انسان می‌شود. میکروارگانیسم‌ها محافظت کمتری در برابر اشعه ماوراء بنفش دارند و نمی‌توانند در طولانی مدت در معرض آن قرار بگیرند و دوام بیاورند.

یک سیستم UVGI برای بکارگیری در محیط‌هایی مانند مخازن آب، سیستم‌های هوا که نیاز به اشعه ماوراء بنفش میکروب کش دارند طراحی شده است.

اثربخشی سیستم ضدعفونی کننده یو-وی

اثربخشی اشعه ماوراء بنفش به میکروارگانیسم‌ها دارای شرایطی است که از جمله آنها زمان است؛ علاوه بر زمان، شدت و طول موج اشعه ماوراء بنفش، وجود ذراتی که می‌توانند میکروارگانیسم‌ها را در برابر اشعه ماوراء بنفش محافظت کنند، و توانایی میکروارگانیسم برای مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش نیز نقش ایفا می‌کنند.

گفتیم که اثربخشی این نوع ضد عفونی به قرار گرفتن میکروارگانیسم‌ها در معرض نور UV بستگی دارد. محیط هایی که در طراحی آن موانعی را ایجاد می‌کند که جلوی اشعه ماوراء بنفش را بگیرد، چندان موثر نیستند. در چنین محیطی، اثربخشی به قرار دادن سیستم UVGI بستگی دارد تا خط دید اثرگذاری تابش برای ضدعفونی بهینه باشد.

در بسیاری از سیستم‌ها، چندین بار قرار گرفتن میکروارگانیسم‌ها در معرض اشعه ماوراء بنفش با چرخش مکرر هوا یا آب عمل تصفیه را تکمیل می‌شود. این کار عبورهای متعدد را تضمین می‌کند تا UV در برابر بیشترین تعداد میکروارگانیسم‌ها موثر باشد و میکروارگانیسم‌های مقاوم را بیش از یک بار تحت تابش قرار دهد تا آنها را تجزیه کند.

همچنین گرد و غبار و لایه‌هایی که لامپ را پوشش می‌دهند، خروجی UV را کاهش می‌دهند. بنابراین، لامپ‌ها برای اطمینان از کارایی نیاز به تمیز کردن و تعویض دوره ای دارند. طول عمر لامپ های UV ضد میکروب بسته به طراحی متفاوت است. همچنین موادی که لامپ از آن ساخته شده است می‌تواند مقداری از اشعه‌های میکروب کش را جذب کند.

توجه داشته باشید که خنک کننده لامپ بکمک جریان هوا نیز می‌تواند خروجی UV را کاهش دهد. به همین دلیل افزایش اثربخشی و شدت UV را می‌توان با استفاده از بازتاب به دست آورد. آلومینیوم دارای بالاترین نرخ بازتاب نسبت به فلزات دیگر است و هنگام استفاده از دستگاه‌های UV برای جلوگیری از اثرات ناشی از بازتاب توصیه می‌شود.

یکی از روش‌های اندازه‌گیری اثر UV در کاربردهای ضدعفونی آب، محاسبه دوز UV است. EPA دستورالعمل دوز UV را برای کاربردهای تصفیه آب در سال 1986 منتشر کرد. البته دوز UV را نمی‌توان به طور مستقیم اندازه گیری کرد، اما می‌توان بر اساس ورودی‌های شناخته شده یا تخمین زده شده در فرآیندهای زیر استنباط کرد:

• سرعت جریان (زمان تماس)
• عبور نور (چقدر نور به هدف می‌رسد)
• کدورت
• سن لامپ یا رسوب یا قطع شدن کلی لامپ (کاهش شدت UV)

محاسبه دوز دستگاه ضدعفونی کننده UV

در کاربردهای ضدعفونی هوا و سطح، اثربخشی اشعه ماوراء بنفش با محاسبه دوز UV که به جمعیت میکروبی تابیده می‌شود، باید بررسی شده و تخمین زده شود که دوز UV به شرح زیر محاسبه می‌گردد:

دوز UV (μW·s/cm2) = شدت UV (μW/cm2) × زمان قرار گرفتن در معرض (ثانیه)

شدت UV برای هر لامپ در فاصله 1 متری در مشخصات آن نوشته و ثبت شده است. شدت اشعه ماوراء بنفش با مجذور فاصله نسبت معکوس دارد بنابراین در فواصل طولانی‌تر کاهش می‌یابد. از طرف دیگر، در فواصل کوتاهتر از 1 متر با قدرت افزایش می‌یابد. در فرمول فوق، شدت UV همیشه باید برای فاصله مشخص تنظیم شود، مگر اینکه دوز UV دقیقاً در فاصله 1 متری (3.3 فوت) از لامپ قرار بگیرد. همچنین برای اطمینان از اثربخشی، دوز UV باید در پایان عمر لامپ نیز محاسبه شود (EOL بر حسب ساعاتی که انتظار می‌رود لامپ به 80 درصد خروجی اولیه UV خود کاهش یابد) و در دورترین فاصله از لامپ مشخص می‌شود. حاشیه منطقه هدفِ برخی از لامپ‌های نشکن با پلیمراتیلن فلوردار پوشانده شده‌اند تا در صورت شکستگی، خرده‌های شیشه و جیوه را در خود جای دهند که این پوشش به خودی‌خود خروجی UV را تا 20٪ کاهش می‌دهد.

در کاربردهای استاتیک، زمان قرار گرفتن در معرض تابیدگی می‌تواند به اندازه‌ای باشد که برای رسیدن به دوز مؤثر UV لازم است اما در صورت حرکت سریع هوا، به عنوان مثال، در مجاری هوای AC (کولر)، زمان قرار گرفتن در معرض کوتاه است، بنابراین باید با بکارگیری دو یا سه لامپ UV یا حتی تعداد زیادی لامپ، شدت UV را افزایش داد. همچنین، نصب UV باید در یک بخش مجرای طولانی و تابش مستقیم با لامپ‌های نصب شده عمود بر جریان هوا قرار گیرد تا زمان نوردهی به حداکثر برسد.

این محاسبات در واقع جریان UV را پیش‌بینی می‌کنند و فرض بر این است که جریان UV برابر با دوز UV خواهد بود که در عملیات مورد نظر ما نیاز است. درواقع دوز UV مقدار انرژی میکروب کش UV است که توسط جمعیت میکروبی در یک دوره زمانی جذب می‌شود البته درصورتی که میکروارگانیسم‌ها پلانکتون  (آزاد شناور) باشند، جریان UV برابر با دوز UV مورد نظر خواهد بود. با این حال، اگر میکروارگانیسم‌ها توسط ذرات مکانیکی مانند گرد غبار و کثیفی محافظت شوند، یا بیوفیلم تشکیل داده باشند، جریان UV بسیار بالاتری برای معرفی دوز UV موثر به جمعیت میکروبی مورد نیاز است.

غیر فعال شدن میکروارگانیسم‌ها

درجه غیرفعال شدن توسط اشعه ماوراء بنفش مستقیماً با دوز UV اعمال شده به آب مرتبط است؛ یعنی دوز محصولی از شدت نور UV و زمان قرار گرفتن در معرض تابش است و معمولاً بر حسب میکروژول بر سانتی‌متر مربع یا معادل میکرووات ثانیه بر سانتی‌متر مربع (μW·s/cm2) اندازه‌گیری می‌شود. دوزها برای کشتن 90 درصدی اکثر باکتری‌ها و ویروس‌ها بین 2000 تا 8000 μW·s/cm2 است. انگل‌های بزرگتر مانند کریپتوسپوریدیوم برای غیرفعال شدن به دوز کمتری نیاز دارند. در نتیجه EPA ایالات متحده ضد عفونی UV را به عنوان روشی برای تصفیه آب آشامیدنی پذیرفته است تا اعتبارات غیرفعال سازی کریپتوسپوریدیوم، ژیاردیا یا ویروس را به دست آورد. به عنوان مثال، برای کاهش 90 درصدی کریپتوسپوریدیوم، حداقل دوز 2500 μW·s/cm2 بر اساس راهنمای EPA در سال 2006 بیان شد.

نقاط قوت و ضعف سیستم ضدعفونی کننده یو-وی

مزایای دستگاه UV

دستگاه تصفیه آب UV را می‌توان برای ضدعفونی آب چاه و آب‌های سطحی استفاده کرد. تصفیه به  کمک اشعه ماوراء بنفش از نظر هزینه، نیروی کار و نیاز به پرسنل آموزش دیده فنی با سایر سیستم‌های ضدعفونی آب قابل مقایسه است زیرا در این نقاط دارای شباهت‌هایی با سایر سیستم‌ها است.

عملیات کلرزنی آب، ارگانیسم‌های بزرگ‌تر را تصفیه می‌کند و گندزدایی بیشتری را ارائه می‌کند، اما این سیستم‌ها گران هستند زیرا به آموزش اپراتور ویژه و تامین مداوم مواد اولیه خطرناک نیاز دارند. در نهایت، جوشاندن آب مطمئن ترین روش تصفیه است اما نیازمند نیروی کار و هزینه اقتصادی بالایی است. تصفیه با اشعه ماوراء بنفش سریع است و از نظر مصرف انرژی اولیه، تقریباً 20000 برابر کارآمدتر از جوشاندن است.

معایب سیستم UV

ضدعفونی با اشعه ماوراء بنفش برای تصفیه آب مقطر با شفافیت بالا و تصفیه شده با اسمز معکوس مؤثرتر است. ذرات معلق یک مشکل هستند زیرا میکروارگانیسم‌های مدفون در ذرات در برابر اشعه ماوراء بنفش محافظت می‌شوند و بدون تأثیر از واحد تصفیه عبور می‌کنند. با این حال، سیستم‌های UV را می‌توان با یک پیش فیلتر جفت کرد تا ارگانیسم‌های بزرگ‌تری را  که بدون تأثیر از سیستم UV عبور می‌کنند، حذف کرد. پیش فیلتر همچنین آب را شفاف می‌کند تا عبور نور و در نتیجه دوز UV را در کل سطح آب بهبود بخشد. یکی دیگر از عوامل کلیدی تصفیه آب با UV سرعت جریان است زیرا اگر جریان بیش از حد زیاد باشد، آب بدون قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش کافی از سیستم عبور می‌کند و اگر جریان خیلی کم باشد، ممکن است گرما ایجاد شود و به لامپ UV آسیب برساند.

یک نقطه ضعف اصلی UVGI:

آب تصفیه شده با کلر در برابر عفونی‌شدن مجدد مقاوم است (تا زمانی که کلر از آب خارج نشود) اما آب UVGI در برابر عفونت مجدد مقاوم نیست. آب UVGI باید به گونه ای حمل و تحویل داده شود که از عفونت مجدد به صورت کامل جلوگیری شود.

ایمنی

توجه: هشدار برای وجود تشعشعات نوری برای دستگاه‌هایی نصب می‌شود که نور UV ساطع می‌کنند و نصب این هشدار ضروری است.

اشعه ماوراء بنفش برای بیشتر موجودات زنده خطرناک است. قرار گرفتن پوست در معرض طول موج‌های میکروب کُش‌نور UV می تواند باعث آفتاب سوختگی سریع و سرطان پوست شود. قرار گرفتن چشم در معرض این اشعه ماوراء بنفش می‌تواند باعث التهاب بسیار دردناک قرنیه و اختلال بینایی موقت یا دائمی شود که در برخی موارد تا کوری نیز می‌رسد. فلذا اقدامات احتیاطی رایج عبارتند از:

نصب برچسب‌های هشدار دهنده به انسان در مورد خطرات اشعه ماوراء بنفش. استفاده از این دستگاه‌‌ها در خانه با کودکان و حیوانات خانگی باید اصولی بوده و درهایی برای آن نصب شوند تا از ورود هرگونه موجود زنده جلوگیری کنند.

سیستم‌های اینترلاک سیستم‌های محافظی هستند که در آن نور در داخل مسدود می‌شود، مانند مخزن آب بسته یا سیستم گردش هوای بسته، اغلب دارای قفل‌هایی هستند که در صورت باز شدن سیستم برای دسترسی انسان، لامپ‌های UV را به‌طور خودکار خاموش می‌کنند.

وسایل حفاظتی بیشتر مانند عینک‌های محافظ (به ویژه همه عینک‌های سازگار با ANSI Z87.1)UVC  را مسدود می‌کنند. لباس‌ها، پلاستیک‌ها و بیشتر انواع شیشه (اما نه سیلیس ذوب شده) در مسدود کردن UVC مؤثر هستند.

خطر بالقوه دیگر، تولید ازن UV است که در صورت استنشاق می‌تواند مضر باشد. EPA ایالات متحده 0.05 قسمت در میلیون (ppm) ازن را به عنوان سطح ایمن تعیین کرد. لامپ‌هایی که برای انتشار فرکانس‌های فرابنفش و فرکانس‌های بالاتر طراحی شده‌اند، به گونه‌ای طراحی می‌شوند که نور ماوراء بنفش کمتر از طول موج ۲۵۴ نانومتر منتشر نشود تا تولید ازن به حداقل برسد زیرا هنگامی که UV-C به مولکول های اکسیژن (O2) برخورد می‌کند، یک لامپ با طیف کامل تمام طول موج های UV را آزاد می‌کند و ازن تولید می‌شود.

کمیته عوامل فیزیکی کنفرانس آمریکایی بهداشتکاران صنعتی دولتی (ACGIH) یک مقدار آستانه (TLV) برای قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش ثبت کرده است تا از آسیب‌های پوستی و چشمی در میان افراد مستعد جلوگیری شود. برای 254 نانومتر UV، این TLV 6 mJ/cm2 در یک دوره هشت ساعته است. تابع TLV از نظر طول موج به دلیل انرژی متغیر و پتانسیل آسیب سلولی متفاوت است. این TLV توسط کمیسیون بین المللی حفاظت در برابر تشعشعات غیر یونیزان ارائه می‌شود و در تنظیم استانداردهای ایمنی لامپ توسط انجمن مهندسی روشنایی آمریکای شمالی استفاده می‌شود. هنگامی که مطالعه فرابنفش سل (کرونا) برنامه‌ریزی شد، این TLV به گونه‌ای تفسیر شد که گویی قرار گرفتن در معرض چشم در اتاق‌ها به مدت هشت ساعت مداوم و در بالاترین میزان تابش سطح چشم موجود در اتاق است. در این شرایط بسیار بعید، دوز 6.0 mJ/cm2 تحت ACGIH TLV تنها پس از هشت ساعت قرار گرفتن مداوم در معرض تابش 0.2 میکرووات بر سانتی‌متر مربع به دست می‌آید. بنابراین، 0.2 μW/cm2 به طور گسترده به عنوان حد مجاز بالای تابش در سطح چشم تفسیر شد.

طبق گفته FDA، یک لامپ میکروب‌کُش که به جای نور معمولی 254 نانومتری، نور 222 نانومتری Far-UVC ساطع می‌کند، برای پوست پستانداران ایمن‌تر است.