자외선살균조사

Ultraviolet germicidal irradiation
저압 수은 증기 배출관은 사용하지 않을 때 단파 UV 광으로 바이오 안전 캐비닛 내부를 침수시켜 조사된 표면의 미생물을 죽입니다.

자외선 살균 조사(UVGI)는 자외선(UV) 빛, 특히 UV-C(180~280nm)를 이용하여 미생물을 죽이거나 불활성화시키는 소독 방법.UVGI는 주로 미생물의 유전적 물질을 손상시켜 미생물의 중요한 [1]기능 수행 능력을 저해함으로써 미생물을 비활성화시킵니다.

UVGI의 사용은 식품, 표면, 공기 및 물 소독을 포함하는 다양한 응용 분야로 확장됩니다.UVGI 장치는 박테리아, 바이러스, 곰팡이, 곰팡이 및 기타 [2][3]병원균을 포함한 미생물을 불활성화시킬 수 있습니다.최근의 연구들은 UV-C 빛이 코로나19를 [4][5][6][7][8][9]일으키는 코로나바이러스의 변종인 SARS-CoV-2를 비활성화하는 능력을 입증했습니다.

UV-C 파장은 생체 조직에 [9][10][11]대한 다양한 살균 효능과 효과를 보여줍니다.최대 방출량이 약 254 nm인 저압 수은(LP-Hg) 램프와 같은 많은 살균 램프에는 [12][13]인체에 유해할 수 있는 자외선 파장이 포함되어 있습니다.이에 따라 UVGI 시스템은 주로 병원 표면 소독, 상방 UVGI, 수처리 [14][15][16]등 사람이 직접적으로 노출되지 않는 분야에 한정되어 왔습니다.최근에는 200-235 nm 사이의 파장(종종 원-UVC)을 적용하여 표면 및 공기 소독에 [11][17][18]대한 견인력을 얻고 있습니다.이러한 파장은 인체 [19][20][21][22]조직으로의 침투가 현저히 감소하기 때문에 훨씬 더 안전한 것으로 간주됩니다.

특히 자외선-C 빛은 대기 [23]중 오존층의 흡수성 때문에 지구 표면에 도달하는 햇빛에는 사실상 존재하지 않습니다.

역사

UV살균작용의 기원

UVGI의 발전은 아서 다운스와 토마스 블런트가 햇빛, 특히 더 짧은 파장이 미생물의 [24][25][26]성장을 방해한다는 것을 발견한 1878년까지 거슬러 올라갑니다.에밀 뒤클로는 1885년에 이 연구를 확대하여 다양한 박테리아 [27][28][29]종들 사이에서 햇빛 민감도의 차이를 확인했습니다.몇 년 후인 1890년, 로버트 코흐(Robert Koch)는 [30]결핵과 같은 질병과 싸우는 UVGI의 가능성을 암시하면서 마이코박테리움 결핵에 대한 햇빛의 치명적인 영향을 증명했습니다.

후속 연구에서는 살균 비활성화에 가장 효율적인 파장을 추가로 정의했습니다.1892년, 햇빛의 자외선 부분이 가장 강력한 살균 [31][32]효과를 가진다는 것이 밝혀졌습니다.1890년대 초에 수행된 연구는 UV-C가 UV-A와 [33][34][35]UV-B에 비해 우수한 살균 효능을 보여주었습니다.

UV의 돌연변이 유발 효과는 1914년 자외선의 [36]피하복용량 노출 시 바실러스 안트라시스의 대사적 변화를 관찰한 연구에서 처음으로 밝혀졌습니다.1920년대 후반, 프레드릭 게이츠는 황색포도상구균과 바실러스콜라이에 대한 최초의 정량적인 살균 작용 스펙트럼을 제공하여 265 [37][38][39]nm에서 최고의 효과를 주목했습니다.이것은 핵산의 흡수 스펙트럼과 일치했고, 박테리아 비활성화의 핵심 요인으로 DNA 손상을 암시했습니다.이러한 이해는 1960년대에 이르러 UV-C가 티민 이량체를 형성하는 능력을 입증하는 연구를 통해 굳어져 미생물 비활성화로 [40]이어졌습니다.이러한 초기 연구결과들은 현대 UVGI를 소독도구로 활용할 수 있는 토대를 마련하였습니다.

공기소독용 UVGI

UVGI는 1930년대 중반부터 본격적으로 공기 소독에 사용되기 시작했습니다.윌리엄 F. Wells는 1935년 공기 중 감염 생물, 특히 254 nm UV에 노출된 에어로졸 처리된 B.coli가 빠르게 [41]비활성화 될 수 있다는 것을 증명했습니다.이것은 칼 플뤼게와 웰스 [42][43]자신이 제시한 감염성 비말 핵 전파에 대한 초기 이론을 바탕으로 만들어졌습니다.이에 앞서 자외선은 주로 공기 중 미생물이 아닌 액체 또는 고체 매체의 맥락에서 연구되었습니다.

웰스의 초기 실험 직후 1936년 [44]듀크 대학교의 병원 수술실을 소독하기 위해 고강도 UVGI가 사용되었습니다.이 방법은 UVGI를 사용하지 않은 경우 수술 후 상처 감염을 11.62%에서 [45]UVGI를 사용한 경우 0.24%로 감소시키는 성공을 거두었습니다.곧, 이 접근법은 호흡기 교차 감염을 방지하도록 설계된 UVGI "라이트 커튼"을 사용하여 다른 병원과 영아 병동으로 확장되었으며 눈에 띄는 [46][47][48][49]성공을 거두었습니다.

UVGI 적용에 있어서의 조정은 "가벼운 커튼"에서 상부실 UVGI로 전환되어 사람의 머리 수준 이상의 살균 조사를 제한했습니다.이 방법은 수직 공기 이동에 대한 의존도에도 불구하고 교차 [50][51][52]감염을 방지하는 데 유리한 결과를 도출했습니다.이것은 1937년에서 1941년 사이에 Wells가 필라델피아 교외의 주간 학교에서 홍역의 확산을 줄이기 위해 성공적으로 상부실 UVGI를 사용한 것이 대표적인 예입니다.그의 연구에 따르면 UVGI가 없는 학교에서 감염된 감염자의 53.6%가 감염된 반면 UVGI가 있는 학교에서 [53]감염된 감염자는 13.3%에 불과했습니다.

초기에 웰스의 학생이었던 Richard L. Riley는 1950년대와 60년대에 걸쳐 공기 중 감염과 UVGI에 대한 연구를 계속하여 재향군인 병원 TB 병동에서 중요한 실험을 수행했습니다.라일리는 UVGI가 공기중 병원체를 효율적으로 무력화시키고 [54][55][56]결핵의 확산을 막을 수 있다는 것을 성공적으로 증명했습니다.

UVGI는 초기의 성공에도 불구하고 20세기 후반에 들어 대체 감염관리 및 예방방법의 증가, 효과의 일관성 없는 결과, 안전성 [14]및 유지관리의 필요성에 대한 우려 등 여러 가지 요인들로 인하여 그 사용이 감소하고 있습니다.그러나 최근 들어 다중 약물 내성균의 증가와 코로나19 범유행 등으로 공기 소독을 [57][58][59][60]위한 UVGI에 대한 관심이 다시 높아지고 있습니다.

수처리용 UVGI

식수 소독을 위해 자외선을 사용하는 것은 1910년 프랑스 [61]마르세유로 거슬러 올라갑니다.시제품 공장은 신뢰성이 떨어져 잠시 후 가동을 중단했습니다.1955년에는 오스트리아와 스위스에서 UV 수처리 시스템이 적용되었고 1985년에는 유럽에서 약 1,500개의 공장이 사용되었습니다.1998년에 cryptosporidium과 giardia와 같은 원생동물이 이전에 생각했던 것보다 자외선에 더 취약하다는 것이 발견되었습니다; 이것은 북미에서 UV 수처리의 광범위한 사용의 길을 열었습니다.2001년까지 유럽에는 [62]6,000개가 넘는 UV 수처리 공장이 가동되었습니다.

시간이 지나면서, 연구자들이 물과 폐수를 소독하는 새로운 자외선 방법을 개발하고 사용함에 따라 자외선 비용은 감소했습니다.미국과[63][64][65] 영국 [66]등 여러 나라에서 식수 공급 장치를 소독하기 위한 자외선 사용에 대한 규정과 지침을 발표했습니다.

작업방법

Chart comparing low pressure lamp to medium pressure lamp and the germicidal effectiveness curve
대장균 살균효과 [67]: fig 2.1 곡선과 비교한 저압 & 중압 수은-증기 램프

자외선은 가시광선보다 파장이 짧지만 엑스선보다는 긴 전자기 방사선입니다.UV는 여러 파장 범위로 분류되며 단파장 UV (UV-C)는 "살균성 UV"로 간주됩니다. 약 200 nm에서 300 nm 사이의 파장은 핵산에 의해 강하게 흡수됩니다.흡수된 에너지는 피리미딘 이량체를 포함한 결함을 초래할 수 있습니다.이러한 이량체는 복제를 방지하거나 필요한 단백질의 발현을 방지하여 유기체의 죽음이나 불활성화를 초래할 수 있습니다.최근 이들 다이머는 [68]형광체임이 밝혀졌습니다.

  • 낮은 증기압에서 작동하는 수성 램프는 253.7 nm [69]선에서 자외선을 방출합니다.
  • 자외선 발광 다이오드(UV-C LED) 램프는 255nm에서 280nm [70]사이의 선택 가능한 파장에서 UV 광을 방출합니다.
  • 펄스-제논 램프는 230nm에 [67]가까운 피크 방출과 함께 전체 UV 스펙트럼에 걸쳐 UV 광을 방출합니다.
Chart comparing E. coli UV sensitivity to UV LED at 265 nm
대장균 살균 효과 [67]: fig 5.5 곡선과 비교하여 265 nm를 방출하는 UVC LED.

이 과정은 인간의 햇빛에 타는 것을 만드는 긴 파장 (UV-B)의 효과와 비슷하지만 더 강합니다.미생물은 자외선에 대한 보호 기능이 떨어지고 [citation needed]자외선에 오래 노출되는 것을 견뎌낼 수 없습니다.

UVGI 시스템은 수조, 객실 및 강제 공기 시스템과 같은 환경을 살균 UV에 노출시키도록 설계되었습니다.정확한 파장의 살균 UV를 방출하는 살균 램프에서 노출이 발생하여 환경을 조사합니다.공기 또는 물이 이 환경을 통해 강제로 흐르면 해당 공기 또는 [citation needed]물이 노출됩니다.

유효성

살균 UV의 효과는 미생물이 자외선에 노출되는 시간, 자외선의 세기와 파장, 자외선으로부터 미생물을 보호할 수 있는 입자의 존재 여부, 그리고 미생물이 노출되는 동안 자외선을 견디는 능력에 따라 달라집니다.

많은 시스템에서 공기 또는 물을 반복적으로 순환시킴으로써 미생물을 자외선에 노출시키는 이중화를 달성합니다.이를 통해 다중 통과가 보장되어 UV가 가장 많은 미생물에 효과적이며 저항성 미생물을 한 번 이상 조사하여 분해할 수 있습니다.

"살균"은 종종 달성 가능한 것으로 잘못 인용됩니다.이론적으로는 통제된 환경에서 가능하지만 입증하기가 매우 어려우며 법적 문책을 피하기 위해 이 서비스를 제공하는 회사에서 일반적으로 "소독"이라는 용어를 사용합니다.전문 회사에서는 멸균 대신 특정 로그 감소(예: 6-log 감소 또는 99.9999% 효과)를 광고하는 경우가 많습니다.이는 세포가 자외선에 의해 손상된 DNA를 복구할 수 있는 빛과 어둠의 복구(광활성화와 기저절제술 각각) 현상을 고려한 것입니다.

이러한 형태의 소독의 효과는 자외선에 대한 미생물의 가시광선 노출에 따라 달라집니다.디자인이 자외선을 차단하는 장애물을 만드는 환경은 효과적이지 않습니다.그런 환경에서 효과는 UVGI 시스템의 배치에 따라 달라지므로 시야가 소독에 최적입니다.

전구에 코팅된 먼지와 필름은 UV 출력을 낮춥니다.따라서 전구는 효과를 보장하기 위해 주기적인 세척과 교체가 필요합니다.살균형 자외선 전구는 디자인에 따라 수명이 다릅니다.또한 전구로 만들어진 물질은 살균 광선의 일부를 흡수할 수 있습니다.

공기 흐름 하에서 램프 냉각은 UV 출력을 낮출 수도 있습니다.반사를 이용하면 효과와 자외선 강도를 높일 수 있습니다.알루미늄은 다른 금속에 비해 반사율이 가장 높으며 [71]자외선을 사용할 때 추천합니다.

물 소독 용도에서 UV 유효성을 측정하는 한 가지 방법은 UV 선량을 계산하는 것입니다.1986년 [72]미국 환경보호국(EPA)은 수처리 적용을 위한 자외선 복용량 가이드라인을 발표했습니다.UV 선량은 직접 측정할 수는 없지만 프로세스에 대한 알려진 또는 추정된 입력을 기반으로 추론할 수 있습니다.

공기 및 표면 소독 용도에서는 미생물 집단에 전달될 UV 선량을 계산하여 UV 유효성을 추정합니다.UV 선량은 다음과 같이 계산됩니다.

자외선선량(μW·s/cm) = 자외선강도(μW/cm)×노출시간(초)

자외선 강도는 각 램프마다 1미터 거리에서 지정됩니다.자외선의 세기는 거리의 제곱에 반비례하기 때문에 먼 거리에서는 감소합니다.또는 1m보다 짧은 거리에서 급격하게 증가합니다.위 공식에서 UV 선량이 램프에서 정확히 1m(3.3ft) 떨어진 곳에서 계산되지 않는 한 거리에 대해 항상 UV 강도를 조정해야 합니다.또한 효과를 보장하려면 램프 수명이 끝날 때 UV 선량을 계산해야 합니다(EOL은 램프가 초기 UV 출력의 80%에 도달할 것으로 예상되는 시간 수로 지정됨). 그리고 대상 영역 주변의 램프에서 가장 먼 거리에 있습니다.일부 비산 방지 램프는 파손 시 유리 파편과 수은을 함유하도록 불소화 에틸렌 폴리머로 코팅됩니다. 이 코팅은 UV 출력을 20%까지 감소시킵니다.

대상에 전달될 UV 선량을 정확하게 예측하기 위해 거리, 코팅 및 램프 수명 종료를 위해 조정된 UV 강도에 노출 시간을 곱합니다.정적 애플리케이션에서는 효과적인 UV 선량에 도달하기 위해 필요한 만큼 노출 시간이 길어질 수 있습니다.공기가 빠르게 이동하는 경우, 예를 들어 AC 공기 덕트의 경우 노출 시간이 짧기 때문에 여러 개의 UV 램프 또는 심지어 램프 뱅크를 도입하여 UV 강도를 높여야 합니다.또한 UV 설비는 공기가 조사되는 시간을 최대화하기 위해 UVC를 기류와 평행한 방향으로 유도하는 램프가 있는 긴 직선 덕트 섹션에 이상적으로 위치해야 합니다.

이러한 계산은 실제로 UV 강도를 예측하며 UV 강도는 UV 선량과 동일할 것으로 가정합니다.UV 선량은 일정 기간 동안 미생물 집단에 의해 흡수된 살균 UV 에너지의 양입니다.미생물이 플랑크톤(자유 부유)일 경우 자외선 영향력은 UV 선량과 같습니다.그러나 미생물이 먼지나 먼지와 같은 기계적 입자에 의해 보호되거나 생물막이 형성된 경우, 미생물 집단에 효과적인 자외선 용량이 도입되기 위해서는 훨씬 더 높은 자외선 영향력이 필요할 것입니다.

미생물의 불활성화

자외선에 의한 비활성화 정도는 물에 가해지는 자외선 선량과 직접적인 관련이 있습니다.자외선 강도와 노출 시간의 곱인 복용량은 보통 제곱센티미터당 마이크로줄 또는 제곱센티미터당 마이크로와트 초(μW·s/cm2)로 측정됩니다.대부분의 박테리아와 바이러스의 90%를 죽이는 용량은 2,000에서 8,000μW·s/cm2 사이입니다.Cryptosporidium과 같은 더 큰 기생충들은 비활성화를 위해 더 낮은 용량을 필요로 합니다.그 결과, US EPA는 Cryptosporidium, Giardia 또는 바이러스 비활성화 크레딧을 얻기 위한 음용수 식물을 위한 방법으로 UV 소독을 받아들였습니다.예를 들어, Cryptosporidium의 90% 감소를 위해서는 EPA의 2006년 [65]: 1–7 지침서에 근거하여 2,500 μW·s/cm의2 최소 용량이 필요합니다.

강점과 단점

이점

자세한 정보:소독제

UV 수처리 장치는 우물물 및 지표수 소독에 사용할 수 있습니다.자외선 처리는 비용, 노동력 및 기술 교육을 받은 운영 인력의 필요성 측면에서 다른 물 소독 시스템에 비해 유리합니다.물 염소화는 더 큰 생물체를 치료하고 잔류 소독을 제공하지만, 이러한 시스템은 특별한 조작자 교육과 잠재적으로 위험한 물질의 지속적인 공급이 필요하기 때문에 비용이 많이 듭니다.마지막으로, 물을 끓이는 것은 가장 신뢰할 수 있는 처리 방법이지만, 그것은 노동력을 요구하고 높은 경제적 비용을 부과합니다.자외선 처리는 빠르고,[citation needed] 1차 에너지 사용 면에서 삶는 것보다 약 20,000배 더 효율적입니다.

단점들

자외선 소독은 투명도가 높고 정제된 역삼투압 증류수 처리에 가장 효과적입니다.부유 입자는 입자 내에 매설된 미생물이 자외선으로부터 차단되어 영향을 받지 않고 장치를 통과하기 때문에 문제가 됩니다.그러나 자외선 시스템은 자외선 시스템을 영향을 받지 않고 통과할 수 있는 더 큰 생물체를 제거하기 위해 사전 필터와 결합될 수 있습니다.또한 프리필터는 물을 맑게 하여 빛 투과율을 향상시켜 전체 물기둥의 UV 선량을 향상시킵니다.자외선 수처리의 또 다른 주요 요소는 유량입니다. 유량이 너무 많으면 충분한 자외선 노출 없이 물이 통과하게 됩니다.흐름이 너무 낮으면 열이 쌓여 UV [74]램프가 손상될 수 있습니다.

UVGI의 단점은 염소 처리로 처리된 물은 재감염에 저항력이 있지만(염소가 가스를 차단할 때까지) UVGI 물은 재감염에 저항력이 없다는 것입니다.UVGI 물은 재감염을 방지하는 방법으로 운반하거나 전달해야 합니다.

안전.

광학 방사선에 대한 경고는 자외선을 방출하는 장치에 적용됩니다.
참고 항목:자외선 ② 인체건강에 미치는 영향

피부 및 눈의 안전성

많은 UVGI 시스템은 인체에 해로울 수 있는 UV 파장을 사용하여 즉각적 효과와 장기적 효과를 모두 가져옵니다.눈과 피부에 대한 급성 영향은 광각막염(흔히 "눈맹"이라고 함)과 홍반(피부가 붉어지는 것)과 같은 상태를 포함할 수 있으며, 만성적인 노출은 피부암의 [12][13][75]위험을 높일 수 있습니다.

그러나 UV의 안전성과 영향은 파장에 따라 크게 다르며, 이는 모든 UVGI 시스템이 동일한 수준의 위험을 초래하지는 않는다는 것을 의미합니다.인간은 일반적으로 UV-A와 UV-B의 상당 부분을 차지하지만 UV-C를 제외한 태양 UV 형태의 UV 광을 접하게 됩니다.자외선-B 밴드는 살아있는 복제 조직에 깊숙이 침투할 수 있으며 가장 손상이 크고 발암성이 [76]있는 것으로 알려져 있습니다.

저압 수은(LP-Hg) 램프와 같은 많은 표준 UVGI 시스템은 UV-C 범위의 광대역 방출을 생성하며 UV-B 대역에서도 최고치를 기록합니다.이로 인해 특정 [77]파장에 손상을 입히는 것이 어려워지는 경우가 종종 있습니다.그러나 UV-C 밴드의 파장이 길어지면 광각염이나 [22][78]홍반과 같은 증상이 발생할 수 있습니다.따라서 많은 UVGI 시스템은 실내 UVGI 공기청정기 및 물 소독 시스템과 같이 사람이 직접적으로 노출하는 것이 제한된 환경에서 사용됩니다.

이러한 UVGI 시스템의 사용자를 보호하기 위한 예방 조치는 일반적으로 다음과 같이 구현됩니다.

  • 경고 라벨: 라벨은 사용자에게 자외선의 위험성을 알려줍니다.
  • 연동 시스템:밀폐된 수조나 공기 순환 장치와 같은 차폐된 시스템에는 사람이 접근할 수 있도록 시스템이 개방되어 있으면 자동으로 UV 램프를 차단하는 인터락이 있는 경우가 많습니다.UV-C를 차단하는 클리어 뷰포트도 이용할 수 있습니다.
  • 개인 보호 장비:대부분의 보호 안경, 특히 ANSI Z87.1을 준수하는 안경은 UV-C를 차단합니다.마찬가지로 의류, 플라스틱 및 대부분의 유리(융착 실리카 제외)는 UV-C를 효과적으로 방해합니다.

2010년대 초부터 200-235 nm의 원-UVC 파장에 대한 관심이 높아지고 있습니다.이러한 파장은 일반적으로 단백질 [79][80]흡수 증가로 인한 제한된 침투 깊이 때문에 더 안전한 것으로 여겨집니다.이 기능은 각질층과 각막의 [22][81][82][83]눈물막 및 표면 세포와 같은 조직의 표면 층에 대한 원-UVC 노출을 제한합니다.이러한 조직에는 복제 세포가 포함되어 있지 않기 때문에 손상된 세포는 발암 위험이 적습니다.또한 원-UVC는 태양 UV 또는 기존 254 nm UVGI [84][85][22]시스템의 몇 배 수준에서 홍반이나 각막 손상을 유발하지 않는다는 것이 입증되었습니다.

실내공기화학

UV는 실내 공기 화학에 영향을 미칠 수 있으며, 오존과 입자 [86]오염을 포함한 다른 잠재적으로 유해한 오염 물질의 형성으로 이어질 수 있습니다.이것은 주로 UV 광자가 분자를 [87]OH와 같은 라디칼을 형성하는 더 작은 라디칼로 분해하는 광분해를 통해 발생합니다.라디칼은 휘발성 유기 화합물(VOCs)과 반응하여 산화된 VOCs(Oxided VOCs) 및 2차 유기 에어로졸(SOA)[88]을 생성할 수 있습니다.

242 nm 이하의 파장은 오존을 발생시킬 수도 있으며, 이는 OVOCs 및 SOA 형성에 기여할 뿐만 아니라 그 자체로 유해할 수 있습니다.이러한 오염물질들은 다량 흡입될 경우 눈과 호흡기를 자극하고 [89]천식과 같은 질환을 악화시킬 수 있습니다.

생성되는 특정 오염 물질은 초기 공기 화학과 UV 공급원의 파워와 파장에 따라 달라집니다.오존 및 기타 실내 오염 물질을 제어하기 위해 환기 및 여과 방법을 사용하며, 공기 중 오염 물질을 희석하고 실내 공기의 [90]질을 유지합니다.

노출한도

과학적 연구와 기술의 변화로 인해 UV, 특히 살균 UV-C 범위에 대한 노출 제한이 시간이 지남에 따라 발전해 왔습니다.미국정부산업위생사회의(ACGIH)와 국제비이온화방사선보호위원회(ICNIRP)는 자외선 [91][92]노출로 인한 즉각적인 영향과 장기적인 영향으로부터 보호하기 위해 노출 한도를 설정했습니다.임계 한계 값(TLV)이라고도 불리는 이러한 한계는 제품 안전 표준의 배출 한계의 기초를 형성합니다.

UV-C 광생물학적 스펙트럼 대역은 100~280nm로 정의되며, 현재 180~280nm의 한계가 적용됩니다.이는 홍반과 광각막염과 같은 급성 손상뿐만 아니라 광암 발생과 같은 장기 지연 효과에 대한 우려를 반영한 것입니다.그러나 살균 적용을 위한 UV-C를 둘러싼 안전성 증거가 증가함에 따라 [93]기존 ACGIH TLV는 2022년에 개정되었습니다.

2022년 개정에 따라 222nm UV-C 파장(KrCl 엑시머 램프의 피크 방출량)에 대한 TLV는 현재 8시간 [94]동안 눈 노출의 경우 161mJ/cm2, 피부 노출의 경우 479mJ/cm입니다2.254nm UV 파장의 경우 눈의 경우 6mJ2/cm,[94] 피부의 경우 10mJ2/cm로 업데이트된 노출 한도가 설정됩니다.

재료에 대한 UVC 방사선 손상

UVC 방사선은 화학적 결합을 깨뜨릴 수 있습니다.이로 인해 플라스틱 및 기타 재료, 단열재 및 개스킷의 급속한 노후화가 초래됩니다."UV 내성"으로 판매되는 플라스틱은 [95]UVC가 일반적으로 지구 표면에 도달하지 않기 때문에 저에너지 UVB에 대해서만 테스트됩니다.UV가 플라스틱, 고무 또는 단열재 근처에서 사용될 경우 금속 테이프 또는 알루미늄 호일로 보호될 수 있습니다.

사용하다

공기소독

UVGI는 장시간 노출된 공기를 소독하는 데 사용할 수 있습니다.1930년대와 40년대에 필라델피아의 공립학교에서 실험한 결과, 교실의 자외선 기구가 [96]학생들 사이에 홍역 전염을 상당히 줄일 수 있다는 것을 보여주었습니다.UVGI는 2020년에 [97][98]다시 코로나19에 대한 가능한 대책으로 연구되고 있습니다.

자외선과 자외선은 SARS-CoV-2의 [99]전염성을 무력화시킬 수 있습니다.코로나19 환자의 가래에서 주로 발견되는 바이러스 역가는 자연적인 태양 노출에서 경험한 수준과 비슷한 수준의 UV-A와 UV-B 조사에 의해 완전히 비활성화됩니다.이 연구 결과는 여름에 SARS-COV-2의 감소된 발병률이 부분적으로 태양 자외선 [99]조사의 중화 활동에 기인할 수 있음을 시사합니다.

SARS-CoV-2 소독을 위해 다양한 자외선 방출 장치를 사용할 수 있으며,[100] 이러한 장치는 감염 확산을 줄이는데 도움이 될 수 있습니다.SARS-CoV-2는 광범위한 UVC 파장에 의해 비활성화될 수 있으며, 222nm 파장은 가장 효과적인 소독 [100]성능을 제공합니다.

소독은 자외선의 강도와 시간의 기능입니다.이러한 이유로 이론적으로 공기가 이동하거나 램프가 흐름에 수직인 경우에는 노출 시간이 크게 단축되므로 효과적이지 않습니다.그러나, 수많은 전문적이고 과학적인 출판물들은 UVGI의 전반적인 효과가 팬과 HVAC 환기와 함께 사용될 때 실제로 증가한다는 것을 나타냈고, 이는 UV [101][102]공급원에 더 많은 공기를 노출시키는 온-룸 순환을 촉진합니다.공기 정화 UVGI 시스템은 팬을 사용하여 공기를 자외선을 통과시키는 차폐 UV 램프가 있는 독립형 장치가 될 수 있습니다.다른 시스템은 강제 공기 시스템에 설치되어 구내 순환이 램프를 지나 미생물을 이동시킵니다.이러한 멸균 형태의 핵심은 UV 램프와 죽은 [103]미생물을 제거할 수 있는 좋은 여과 시스템의 배치입니다.예를 들어, 설계에 의한 강제 공기 시스템은 가시광선을 방해하여 자외선으로부터 그늘이 지는 환경 영역을 만듭니다.그러나 냉각 시스템의 코일과 배수구에 설치된 UV 램프는 이러한 자연적으로 습한 곳에서 미생물이 형성되는 것을 방지합니다.

물소독

휴대용 배터리 구동 저압 수은-증기 방전 램프로, 물 살균용으로 사용됩니다.
수처리장에서 사용되는 자외선 소독장치의 절단모델

물의 자외선 소독은 순수하게 물리적이고 화학물질이 없는 과정입니다.화학살균제에 극도로 내성이 강한 크립토스포리듐이나 지아르디아 같은 기생충도 효율적으로 줄어듭니다.UV는 물에서 염소 및 클로라민 종을 제거하는 데 사용될 수도 있습니다. 이 과정을 광분해라고 하며 일반적인 소독보다 더 많은 양을 필요로 합니다.죽은 미생물은 물에서 제거되지 않습니다.자외선 소독은 [104]물속에 녹아있는 유기물질, 무기화합물 또는 입자를 제거하지 못합니다.세계에서 가장 큰 이 물 소독 공장은 뉴욕시의 식수를 처리합니다.2013년 10월 8일에 위탁 운영된 Catskill-Delaware Water 자외선 소독 시설에는 하루 [105][106]최대 22억 미국 갤런(83억 리터)을 처리하는 총 56개의 에너지 효율이 높은 UV 원자로가 통합되어 있습니다.

또한 자외선은 오존 또는 과산화수소와 결합하여 수산화 라디칼을 생성하여 고도의 산화 공정을 통해 미량의 오염물을 분해할 수 있습니다.

자외선 소독은 외부 코팅이 있거나 자외선으로부터 DNA를 보호하는 낭종 상태(예: 지아르디아)를 형성하는 더 큰 병원균보다 유전 물질이 더 많이 노출된 박테리아와 바이러스에 더 효과적이라고 생각되었습니다.그러나 최근에 자외선이 미생물 Cryptosporidium을 치료하는데 어느 정도 효과적일 수 있다는 것이 밝혀졌습니다.그 결과 자외선이 식수 치료에 유용한 방법으로 사용되었습니다.결국 지아디아는 탈진이 [107]아닌 감염성에 기반을 둔 검사일 때 자외선-C에 매우 민감한 것으로 나타났습니다.보호자들은 높은 UV-C 용량에서 살아남을 수 있지만 낮은 용량에서 살균된다는 것이 밝혀졌습니다.

개발도상국

캘리포니아 대학교 버클리의 2006년 프로젝트는 자원이 부족한 [108]환경에서 저렴한 물 소독을 위한 디자인을 만들었습니다.이 프로젝트는 현지 조건에 맞게 조정할 수 있는 오픈 소스 디자인을 제작하기 위해 고안되었습니다.2014년 호주 학생들이 제안한 것과 비슷한 것으로,[109] 태양 자외선을 전력 없이 물을 소독하는 유리관에 반사시키기 위해 감자칩(크리스프) 패킷 포일을 사용하는 시스템을 설계했습니다.

폐수처리

하수 처리의 자외선은 일반적으로 염소화를 대체합니다.이것은 대부분 폐수 스트림에서 유기 화합물과 염소의 반응이 잠재적으로 독성이 있고 오래 지속되는 염소화된 유기 물질을 합성할 수 있다는 우려와 염소 가스 또는 화학 물질을 포함한 염소를 저장하는 환경적 위험 때문입니다.UVGI에 의해 처리될 개별 폐기물 스트림은 부유물, 염료 또는 자외선을 차단하거나 흡수할 수 있는 다른 물질과 같은 잠재적인 간섭으로 인해 방법이 효과적인지 확인하기 위해 테스트해야 합니다.세계보건기구(WHO)에 따르면 "공동체 차원에서 소규모 배치(1~수 리터) 또는 저유량(분당 1~수 리터)의 물을 처리하기 위한 UV 장치는 전기 및 소모품 비용과 [110]장치의 연간 자본 비용을 포함하여 메가리터당 미화 20달러의 비용이 드는 것으로 추정됩니다."

대규모 도시 자외선 폐수 처리는 앨버타 주 에드먼턴과 같은 도시에서 수행됩니다.자외선을 사용하는 것은 대부분의 도시 폐수 처리 과정에서 표준적인 관행이 되었습니다.배출물은 이제 버려져야 할 문제가 아니라 소중한 자원으로 인식되기 시작했습니다.폐수를 하천으로 방류하거나 농작물을 관개하거나 나중에 복구하기 위해 대수층에 주입하는 등 많은 폐수 시설이 물 매립 시설로 이름을 바꾸고 있습니다.자외선은 현재 물이 해로운 생물체로부터 자유롭도록 하기 위해 사용되고 있습니다.

수족관과 연못

자외선 살균기는 수족관과 연못에 있는 원치 않는 미생물을 통제하는 데 종종 사용됩니다.자외선 조사는 병원균이 번식할 수 없도록 보장하여 수족관에서 질병이 발생할 가능성을 줄입니다.

수족관 및 연못 살균기는 일반적으로 크기가 작으며 별도의 외부 필터 또는 워터 펌프에서 물이 살균기를 통해 흐를 수 있도록 배관용 피팅이 있습니다.살균기 내에서 물은 자외선 광원에 최대한 가깝게 흐릅니다.물의 탁도가 UV-C 침투를 줄여주기 때문에 물의 사전 여과는 매우 중요합니다.다수의 더 나은 UV 살균기는 체류 시간이 길고 UV-C 소스와 UV 살균기 [111][third-party source needed]장치의 내벽 사이의 공간을 제한합니다.

실험실 위생

UVGI는 종종 안전 고글, 기구, 피펫터 및 기타 장치와 같은 장비를 소독하는 데 사용됩니다.실험실 직원들도 이런 방식으로 유리제품과 플라스틱 제품을 소독합니다.미생물학 실험실은 UVGI를 사용하여 사용 사이에 생물학적 안전 캐비닛("후드") 내부의 표면을 소독합니다.

식음료 보호

미국 식품의약국이 2001년에 사실상 모든 과일과 채소 주스 생산자들이 HACCP 통제를 따르도록 요구하고 병원균의 5로그 감소를 의무화하는 규칙을 발표한 이후, UVGI는 신선 압착과 같은 주스의 살균에 어느 정도 사용되어 왔습니다.

테크놀러지

참고 항목:자외선 γ 인공원

램프

소형 형광등 폼팩터내 9W 살균램프
주요 기사:살균 램프

소독을 위한 살균 UV는 수은 증기 램프에 의해 가장 일반적으로 발생합니다.저압 수은 증기는 강한 소독 효과를 나타내는 파장 범위 내인 254 nm에서 강한 방출선을 가지고 있습니다.소독을 위한 최적의 파장은 [65]: 2–6, 2–14 260nm에 가깝습니다.

수은 증기 램프는 저압 램프(아말감 포함) 또는 중압 램프로 분류할 수 있습니다.저압 UV 램프는 높은 효율(약 35% UV-C)을 제공하지만 낮은 전력, 일반적으로 1 W/cm 전력 밀도(호 길이 단위당 전력)를 제공합니다.아말감 UV 램프는 아말감을 사용하여 수은 압력을 조절하여 다소 높은 온도와 출력 밀도에서 작동할 수 있도록 합니다.그들은 더 높은 온도에서 작동하고 수명은 최대 16,000시간입니다.기존 저압 램프(UV-C 출력 약 33%)에 비해 효율이 약간 낮으며, 전력 밀도는 약 2~3W/cm입니다3.중압 UV 램프는 섭씨 약 800도까지 훨씬 높은 온도에서 작동하며 다색 출력 스펙트럼과 높은 방사 출력을 가지지만 UV-C 효율은 10% 이하로 낮습니다.일반적인 전력 밀도는 30 W/cm3 이상입니다.

램프 본체에 사용되는 석영 유리에 따라 저압 및 아말감 UV는 254 nm에서 또한 화학적 효과가 있는 185 nm에서 방사선을 방출합니다.185 nm의 자외선은 오존을 생성하는 데 사용됩니다.

수처리용 UV 램프는 254 nm에서 자외선 복사를 생성하는 특수 저압 수은 증기 램프 또는 200 nm에서 가시광선 및 적외선 에너지로 다색 출력을 생성하는 중압 UV 램프로 구성됩니다.UV 램프는 물에 절대 닿지 않으며, 물 챔버 내부의 석영 유리 슬리브에 수용되거나 투명 UV 튜브를 통해 흐르는 물에 외부로 장착됩니다.유동 챔버를 통과하는 물은 [112]스트림에서 부유된 미생물이나 먼지와 같은 고체에 의해 흡수되는 자외선에 노출됩니다.

발광 다이오드(LED)

UV-C LED로 콤팩트하고 다용도로 사용할 수 있는 옵션

최근 LED 기술의 발전에 따라 UV-C LED가 상용화되고 있으며, UV-C LED는 반도체를 이용하여 255nm에서 280nm [70]사이의 광을 방출하고 있습니다.반도체의 재질을 조절하여 파장 방출을 조절할 수 있습니다.2019년 기준, LED의 UV-C 전환 효율은 수은등에 비해 낮은 수준을 나타냈습니다.LED의 크기가 줄어들면 소형 원자로 시스템에 대한 옵션이 열려 사용 시점에 맞는 응용 프로그램과 의료 [113]기기로의 통합이 가능합니다.반도체의 낮은 전력 소비는 원격 또는 제3세계 응용 [113]분야에서 소형 태양 전지를 사용하는 UV 소독 시스템을 도입합니다.

UV-C LED는 사용 시간 측면에서 기존의 살균 램프보다 더 오래 지속되는 것이 아니라 공학적 특성이 더 다양하고 단기 작동에 대한 내구성이 더 뛰어납니다.UV-C LED는 간헐적으로 사용할 경우 기존의 살균 램프보다 더 긴 설치 시간을 달성할 수 있습니다.마찬가지로, LED 열화는 열에 따라 증가하는 반면 필라멘트와 HID 램프 출력 파장은 온도에 따라 달라지므로 엔지니어는 특정 크기와 비용의 LED를 더 높은 출력과 더 빠른 열화 또는 시간이 지남에 따라 더 낮은 출력과 더 느린 감소를 갖도록 설계할 수 있습니다.

수처리장치

UV 시스템의 크기는 유량, 램프 출력, 수중 자외선 투과율의 세 가지 변수에 영향을 받습니다.제조업체는 일반적으로 바이오 분석 테스트로 검증된 정교한 전산 유체 역학(CFD) 모델을 개발했습니다.여기에는 시스템 사이징을 위한 회귀모델을 개발하기 위해 MS2 또는 T1 박테리오파지 중 하나로 UV 반응기의 소독 성능을 다양한 유량, UV 투과율 및 출력 수준에서 시험하는 과정이 포함됩니다.예를 들어, 이는 EPA UV [65]: 5–2 매뉴얼에 따라 미국의 모든 공공 수도 시스템에 대한 요구 사항입니다.

유동 프로파일은 선택된 챔버 형상, 유량 및 특정 난류 모델로부터 생성됩니다.방사선 프로파일은 수질, 램프 유형(전력, 살균 효율, 스펙트럼 출력, 아크 길이), 석영 슬리브의 투과율 및 치수와 같은 입력으로부터 개발됩니다.전용 CFD 소프트웨어는 흐름과 방사선 프로파일을 모두 시뮬레이션합니다.챔버의 3D 모델이 구축되면 수천 개의 작은 정육면체로 구성된 격자 또는 그물망으로 채워집니다.

휘어진 곳, 석영 슬리브 표면 또는 와이퍼 메커니즘 주변과 같은 관심 지점은 고해상도 메시를 사용하며, 반응기 내의 다른 영역은 거친 메시를 사용합니다.메시가 생성되면 수십만 개의 가상 입자가 챔버를 통해 "연소"됩니다.각 입자에는 여러 가지 관심 변수가 관련되어 있으며, 입자는 반응기 다음으로 "수확"됩니다.이산 위상 모델링은 전달된 선량, 두부 손실 및 기타 챔버별 파라미터를 생성합니다.

감량 등가선량

모델링 단계가 완료되면, 전문적인 제3자를 사용하여 선택된 시스템을 검증하여 감독 기능을 제공하고 모델이 시스템 성능의 실제성을 얼마나 면밀하게 예측할 수 있는지 판단합니다.시스템 검증은 원자로의 RED(Reduction Equivalent Dose) 능력을 결정하기 위해 MS 2 파지 또는 바실러스 서브틸리스와 같은 비병원성 대리물을 사용합니다.대부분의 시스템은 흐름과 [114]투과율의 포락선 내에서 402 mJ/cm를 전달하는 것으로 검증되었습니다.

식수 시스템에서 효과를 검증하기 위해 EPA UV 안내 매뉴얼에 설명된 방법은 일반적으로 미국 수도 사업자가 사용하고 있으며, 유럽은 독일의 DVGW 294 표준을 채택하고 있습니다.폐수 시스템의 경우 음용수 및 물 재사용 프로토콜에 대한 NWRI/AwaRF 자외선 소독 지침이 일반적으로 사용되며, 특히 폐수 재사용 [115]응용 프로그램에서 더욱 그러합니다.

참고 항목

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