疫情防控下紫外線殺毒除菌機(jī)的創(chuàng)新研究

李世紅 黃家墉 辜宇明 馮秀霞 陳月玉

（廣州航海學(xué)院，廣東 廣州510725）

1 疫情防控常態(tài)化之下的背景及意義

隨著2020年初開始的新型冠狀病毒肺炎疫情蔓延中國乃至全球，已嚴(yán)重威脅社會健康和嚴(yán)重影響了人們的工作與生活，可見，疫情防控已成為全社會不容忽視的問題。在國務(wù)院印發(fā)的《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃的通知》（國發(fā)〔2016〕65號）、工業(yè)與信息化部門發(fā)布《關(guān)于加快推進(jìn)環(huán)保裝備制造業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》（工信部節(jié)〔2017〕250號）等政府相關(guān)文件以及在中共中央召開的研究疫情防控工作會議中，都貫徹落實(shí)了習(xí)近平總書記生態(tài)文明的思想和重要舉措，強(qiáng)化社會監(jiān)督，推進(jìn)第三方積極參與到疫情防控工作中來，形成多元主體參與的環(huán)境治理格局，構(gòu)建現(xiàn)代環(huán)境治理體系。因此，通過對環(huán)保設(shè)備——紫外線殺毒除菌機(jī)的創(chuàng)新研究，不僅可以完善目前市場上此類產(chǎn)品的不足，也可以滿足社會和個(gè)人對良好生存環(huán)境的需求，優(yōu)化工作場所與居家衛(wèi)生安全實(shí)施有效的防控疫情措施。旨在貫徹落實(shí)黨的方針政策，切實(shí)參與社會疫情防控工作中去，更好地推進(jìn)綠色制造、促進(jìn)廣東環(huán)保產(chǎn)業(yè)持續(xù)[1]健康發(fā)展。

2 疫情防控常態(tài)化除菌機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及問題

在新冠病毒來襲之后，習(xí)近平主席指出，要改革完善疾病預(yù)防控制體系，堅(jiān)決貫徹預(yù)防為主的衛(wèi)生與健康工作方針。我國當(dāng)前環(huán)保產(chǎn)業(yè)已邁入了市場化機(jī)制的生態(tài)產(chǎn)業(yè)時(shí)代，目前環(huán)保行業(yè)以空氣和水污染治理設(shè)備為主。在2020年2月4日，國家衛(wèi)生健康委員會辦公廳和中醫(yī)藥局聯(lián)合發(fā)文的《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案（試行第五版）》明確指出，新型冠狀病毒屬于β屬的冠狀病毒，并且對紫外線和熱敏感。理論上，合理利用紫外線可以有效活滅新冠病毒，紫外線輻射對細(xì)菌和病毒的消毒作用在實(shí)驗(yàn)中得以證明。我們通過查找紫外線除菌機(jī)相關(guān)資料，總結(jié)了目前市面上紫外線除菌產(chǎn)品存在的以下幾點(diǎn)問題。

2.1 功能單一，無法滿足用戶需求

2020年突發(fā)疫情，市場上現(xiàn)有的除菌設(shè)備不符合疫情防控的要求，其中，紫外線除菌機(jī)的捕菌性能較弱，負(fù)離子臭氧除菌機(jī)的除菌性能也不夠強(qiáng)，殺菌技術(shù)有待完善。雖然紫外線因其消毒殺菌效果好而在消毒殺菌行業(yè)獨(dú)樹一幟，但紫外線除菌機(jī)的型號一般為立式或便攜式，無法相互切換場景使用，而其工作模式也較為單一，只能通過換擋變換強(qiáng)度，無法做到智能識別物品，削弱其對物體表面的照射光強(qiáng)度來緩解物體老化問題，目前，市面上沒有能夠集立式和便攜式兩用為一體的智能除菌機(jī)來滿足人們?nèi)粘Ｉ钚枰?/p>

2.2 人工控制實(shí)時(shí)性不足

據(jù)了解，市場上大多數(shù)紫外線除菌設(shè)備以手動為主，不僅無法即時(shí)控制，且手動接觸設(shè)備開關(guān)時(shí)也存在接觸交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。少數(shù)可用遙控器能實(shí)現(xiàn)一定距離的遠(yuǎn)程控制，但市面上并沒有一款除菌機(jī)有實(shí)時(shí)監(jiān)控功能和自動調(diào)節(jié)功能能提供設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)及放置環(huán)境細(xì)菌指標(biāo)等運(yùn)行情況的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。因此，無法達(dá)到消費(fèi)者的實(shí)際需求。若能通過創(chuàng)新，使消費(fèi)者在使用產(chǎn)品時(shí)實(shí)時(shí)了解到設(shè)備運(yùn)行情況并通過數(shù)據(jù)判斷產(chǎn)品是否存在安全隱患，消費(fèi)者才能做到真正放心使用。

2.3 產(chǎn)品存在一定的安全隱患

家用電器涉及電，對老幼年人而言危險(xiǎn)系數(shù)比青年而言會更高，并且存在老人小孩因不了解紫外線除菌機(jī)的操作隨便亂按的現(xiàn)象，極可能會產(chǎn)生安全問題。另外，隨著產(chǎn)品使用時(shí)間的延長，紫外線殺菌效果會降低，殺菌距離、持續(xù)時(shí)間對效果均有影響，達(dá)不到預(yù)期的殺菌效果，還要注意產(chǎn)品使用時(shí)間久了之后產(chǎn)品是否會存在安全性的問題。

2.4 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)參差不齊，不符環(huán)保性要求

目前，紫外線殺菌產(chǎn)品未列入我國強(qiáng)制認(rèn)證目錄，制造商對產(chǎn)品質(zhì)量的控制存在一定差異，部分企業(yè)不能嚴(yán)格按照國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量控制部分產(chǎn)品存在虛標(biāo)現(xiàn)象，普通消費(fèi)者無法辨認(rèn)產(chǎn)品質(zhì)量是否符合標(biāo)準(zhǔn)，例如，虛標(biāo)輻射照度低于相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，使殺毒消菌效果大打折扣。

3 紫外線殺毒除菌機(jī)的新發(fā)展及研究

在“互聯(lián)網(wǎng)+環(huán)保產(chǎn)品”新模式下，研究多功能、智能化、流程一體化的紫外線殺毒除菌機(jī)，對于創(chuàng)新發(fā)展紫外線殺毒除菌機(jī)具有重大意義。針對當(dāng)前疫情紫外線殺毒除菌機(jī)發(fā)展的問題，本文提出以下措施。

3.1 紫外線殺毒除菌機(jī)功能優(yōu)化

3.1.1 提高除菌機(jī)殺菌消毒能力

我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19258—2012《紫外線殺菌燈》將紫外線除菌的紫外輻射中心波長定義為253.7nm，可產(chǎn)生臭氧的紫外線除菌燈則采用波長185nm加253.7nm進(jìn)行應(yīng)用[1]。普通燈光的特征在于其光輻射波長在380～780 nm可見光譜段，圖1為按用途劃分的波長光譜圖，由于100～200 nm的紫外輻射在空氣中被強(qiáng)烈吸收，紫外線在消毒應(yīng)用聚焦在200～280 nm波段。

圖1 UV與可見光圖譜

經(jīng)研究顯示，254 nm的紫外線除菌效果最佳，可以最大限度地破壞微生物的DNA結(jié)構(gòu)，在石英玻璃的紫外線燈管中添加了適量的鈦單質(zhì)，能夠產(chǎn)生紫外線為185nm波段。該波段可將空氣中的氧氣（O2）變成臭氧（O3），臭氧的強(qiáng)氧化作用也可達(dá)到除菌的效果。因此通過除菌機(jī)內(nèi)部的254 nm與185 nm雙紫外線燈管可更大限度地提高紫外線殺菌除菌機(jī)的消毒能力。

3.1.2 提高除菌機(jī)捕捉病菌能力

空氣中的負(fù)離子，按其遷移率大小可分為大、中、小離子。離子遷移率大于0.4cm/（V·s）為大離子，小于0.04/（V·s）為小離子，介于兩者之間則為中離子。接近分子大小的荷電原子團(tuán)或分子團(tuán)，都屬于小的空氣離子。這些小的空氣離子具有高的運(yùn)動速度，在大氣中互相碰撞，又不斷聚集，形成大離子或中離子。而其中的負(fù)氧離子具有良好的生物活性[2]。負(fù)離子可有效去除懸浮在空氣中的各類顆粒物，尤其對粒徑越小的顆粒物凈化效果越有效。利用負(fù)離子活性高、自然擴(kuò)散距離遠(yuǎn)的特性，可對空間內(nèi)的PM2.5等微塵顆粒進(jìn)行有效凝聚沉降。因此，負(fù)離子作為作用因子，能夠主動出擊捕捉空氣中的有害物質(zhì)。

3.1.3 除菌機(jī)立式、便攜式兩型切換

目前，市面上的紫外線消毒除菌機(jī)一類是為了室內(nèi)立式照射消毒，另一類是外出便攜式除菌盒，便攜式消毒機(jī)主要消毒手機(jī)、手表、項(xiàng)鏈、首飾等物品，但目前市面上并未有一款能夠集立式和便攜式為一體的除菌機(jī)。便攜式機(jī)型多為長方體盒狀，頂面為盒蓋，內(nèi)部為消毒空間，可以在便攜式機(jī)的基礎(chǔ)上，在其內(nèi)壁底部下加裝立式消毒燈安裝接口，當(dāng)便攜式機(jī)移到室內(nèi)使用時(shí)，將便攜式機(jī)盒的頂蓋取下并將機(jī)盒作為底座，根據(jù)機(jī)盒底部的燈管接口安裝上立式的紫外線燈管，可從便攜式切換成立式消毒，以達(dá)到兩用目的。

3.2 建立紫外線殺毒除菌機(jī)遠(yuǎn)程遙控、監(jiān)測系統(tǒng)

目前，市面大多數(shù)紫外線除菌設(shè)備為手動，少數(shù)可用遙控器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，手動開關(guān)設(shè)備不僅無法及時(shí)控制，且手動接觸開關(guān)設(shè)備時(shí)也存在接觸交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)，而目前市面上僅部分產(chǎn)品提供遠(yuǎn)程遙控開關(guān)功能，并且沒有一款消毒機(jī)支持設(shè)備運(yùn)行情況數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，為了能確保和防止設(shè)備意外傷人事故的發(fā)生，同時(shí)考慮到售后零件故障拆裝更新的問題，未來的消毒機(jī)可以考慮設(shè)置成手機(jī)遠(yuǎn)程遙控型并加增設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，如產(chǎn)品內(nèi)外部燈管溫差值，燈管內(nèi)外部紫外線輻射波段值等。如圖2所示，選用SIM808模塊與STM32微控制器進(jìn)行交互以實(shí)現(xiàn)定位與通信功能。SIM808的優(yōu)點(diǎn)包括：性能穩(wěn)定，能夠保證定位信息的準(zhǔn)確獲取與傳遞；制造技術(shù)成熟，成本較低；不需要進(jìn)行外圍電路和引腳對接的方案選擇，有助于縮短開發(fā)周期，可作為開發(fā)除菌機(jī)的遠(yuǎn)程遙控監(jiān)測系統(tǒng)方案[3]。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3 開發(fā)紫外線除菌機(jī)防誤觸、智能遙控系統(tǒng)

大多家居型紫外線殺毒除菌機(jī)的安裝可能會發(fā)生兒童或老人因誤操作導(dǎo)致的人身安全或者小部分質(zhì)量殘次的除菌機(jī)出現(xiàn)質(zhì)量問題導(dǎo)致安全問題。因此，為了避免誤操作以及功能失控導(dǎo)致被輻射不同程度的傷害，可采用智能控制技術(shù)來確保安全性，例如，靈敏程度高的紅外感應(yīng)技術(shù)，增加針對年老年幼者的防誤觸模式，或采用雷達(dá)感應(yīng)技術(shù)來有效控制人在除菌機(jī)的一定范圍內(nèi)時(shí)使除菌機(jī)自動停止工作，圖3為智能遙控流程圖。還可以利用紫外線穿透性弱的特點(diǎn)將除菌設(shè)計(jì)為更安全的構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)有效的安全保護(hù)[4]。

圖3 智能遙控流程圖

3.4 確定紫外線除菌機(jī)燈管質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

如表1所示，在石英玻璃紫外線燈管規(guī)格中，40 W規(guī)格燈管的紫外線強(qiáng)度≥200μW/c㎡，30W規(guī)格燈管的紫外線強(qiáng)度≥100μW/c㎡，20 W規(guī)格燈管的紫外線強(qiáng)度≥70μW/c㎡。[5]因紫外線燈管為消耗品，有一定壽命，因此隨著使用，其紫外線強(qiáng)度會逐漸降低。根據(jù)我國《殺菌管理?xiàng)l例》對消毒紫外線燈管的強(qiáng)度要求：強(qiáng)度不得低于100μW/c㎡。因此，全新的紫外線燈經(jīng)強(qiáng)度檢測儀檢測，強(qiáng)度為100μW/c㎡，才能符合使用標(biāo)準(zhǔn)。

表1 紫外線燈規(guī)格與強(qiáng)度