“紫外线哟，我又回来了！”
因为各种原因中断的紫外线内容本期开始恢复更新，逻辑上应该先介绍紫外线的整体危害，但感觉读者们可能会更关注臭氧的问题，所以本期就先来说说UVC等产生臭氧的情况。本期原理方面的内容较多，不过结尾处进行了相关内容的总结说明。UVC波长与臭氧发生量
UVC灯与臭氧发生量的调节
UVC灯的臭氧发生量
随着UVC消毒灯在空气和表面消毒中的应用越来越多，对UVC灯产生的臭氧以及暴露于臭氧环境中的健康问题也产生了很大程度的关注。在自然接种，臭氧在强烈的阵雨后很容易因为其独特的气味而被发现，这是空气中放电的结果，因为氧分子暂时以O₃分子的形式产生，臭氧浓度通常以百万分之一（ppm）为单位测量.通常情况下臭氧是由极短波长的紫外线辐射或放电（含有氧气）现象产生的，臭氧也可以由某些“臭氧前体”（如甲烷和燃料燃烧产物）的组合产生，甚至在一定程度上由波长相对较长的UVA（315~400 nm）产生，但浓度较低。
尽管在臭氧衰变为氧气的过程中，自由氧原子会产生活化的羟基自由基（•OH），具有非常强的氧化和抗菌作用，也可以被用来杀死新冠病毒，但这不是我们这期的重点（之后也许会出分享）。由于臭氧已被证明会影响呼吸、心血管和中枢神经系统。所以其具体的使用浓度受到了高度重视，很多国家的相关机构比如（EPA、FDA、ACGIH、NIOSH）都对其做出了接触限定阈值。由于氧气分子的氧吸收与紫外线的波段相关，所以UVC辐射的臭氧发生量和波长密切相关，下面这张图显示了不同波段下臭氧的生成情况（红线）以及臭氧的吸收情况（蓝线）。
可以看出，臭氧的生成效率（氧气吸收紫外线辐射）很大程度上取决于UVC的波长，效果最明显的波段在160nm左右，这也意味着无干扰环境下，通过辐射产生臭氧仅取决于灯的光谱（和功率）。不过在实际使用中，臭氧的发生量还与湿度、温度和氧气浓度相关。另外也可以发现UVC对臭氧的吸收峰值大约位于低压汞灯的峰值波长处，即254nm。这就是为什么基于吸收测量的灵敏准确的臭氧计内部装有汞灯的原因之一。臭氧对254nm的吸收也导致臭氧的分解，从而降低空气中的臭氧浓度，所以市面上主要在售的无臭氧UVC消毒灯普遍是254nm。为了控制UVC消毒灯在使用过程中的臭氧释放量，可以通过各种技术方法，将排放到房间中的臭氧量显著减少。很明显，最有效的方式是将UVC消毒灯周围的空气进行稀释，通过空气的快速流动来降低环境中的臭氧含量。还有一种情况是使用专门配备臭氧过滤滤芯的空气过滤器来减少臭氧含量，比如使用活性炭滤芯可大约可以将臭氧的含量降低60~70%，而如果是专门的臭氧催化效果的滤芯，则可能将臭氧的含量减少99%以上。不过实际使用中，更多的是通过使用特殊材质的灯管及内部填充气体来实现对UVC等臭氧发生量的调整。
低压汞UVC灯是现阶段市场上在售的最长将的UVC消毒灯之一，低压汞UCV灯可以发射两种非常重要且不同波段的UVC光线，即254nm和184nm，根据不同灯壳的设计，184nm的UVC光线可以非常有效地生成臭氧。通常会采用两种不同的技术路线来满足对UVC消毒灯的不同需求（即需要臭氧和不需要臭氧）。最常见的技术是使用特殊的软玻璃（熔点一般低于600°C）烧纸灯管，这种软玻璃材质灯管针对254nm进行了特殊优化（普通软玻璃灯管可以传输的是300nm左右的紫外线光）。这种材质的灯管几乎可以完全阻断240nm以下波段的UVC光线，所以既然184nmUVC光线无法透过灯管，那也有无法产生臭氧。这种灯管由于是采用特殊软玻璃制成，但是技术非常成熟，所以通常可以提供各种形状和造型，非常容易与其他石英灯管的UVC消毒灯区分开。这种灯通常都会有一个玻璃杆，与靠近底座有电线馈通，而石英灯具有通常隐藏在底座内的钼箔馈通件。该技术的一个限制是单位长度的功率负载有限，因此可用的最大发射辐射功率。
尽管软玻璃灯管的UVC消毒灯不能产生臭氧，但是在实际使用中经常会有使用者声称问到了奇怪的疑似为臭氧的味道。根据相关研究，这种产生这种气味的主要原因，是因为各种有机物质在254nm波段UVC光线照射下会分解产生的硫醇分子，实际上并不是臭氧，本身也没有特别明显的危害。典型的标准石英灯管在180nm波段范围内的UVC光线传输良好，因此标准的GE214石英灯管UVC消毒灯可以使得184nm的UVC光线射出，并产生臭氧。尽管184nm波段UVC光线臭氧的发生效率不是很高（与160nm波段相比，再加上254nm的臭氧破坏效果），但这种石英灯管紫外线消毒灯属于既能够生成臭氧又可以发射245nm波段的UVC消毒灯，能够在某种程度上兼顾两种消杀方式的优点。不过需要注意的是，这种UVC消毒灯在商品的使用周期中，其184nm波段UVC的输出效果损耗速度会远高于254nm波段UVC的输出。原因在于GE214熔融石英材质的折射率在长时间暴露于180nm波段区间的UVC光线下时，会迅速衰退。所以在条件允许的情况下，建议选择质量更好的汞合金熔融石英灯管UVC消毒灯，这种材质的UVC消毒灯可以保障184nm波段UVC光线在消毒灯的整个使用寿命中都保持较高强度的输出。
GE219掺钛石英也叫无臭氧石英玻璃管，是在纯熔融石英的基础上，掺入100~200ppm的氧化钛，使其具有吸收远紫外（低于230nm）的性能，用于生产紫外杀菌灯。其特点是不透过低于220nm的紫外线，防止远紫外造成的臭氧。无臭氧石英玻璃管的其他性能基本和透明石英玻璃管一样。
值得一提的是，尽管从工艺上来说软玻璃UVC消毒灯的生产成本要低于石英灯管UVC灯（软玻璃＜GE124石英＜GE219石英），不过通常商家都会按照价格更高GE219掺钛石英消毒灯的标准来进行售卖。高压氙UVC灯主要用于电影放映机、太阳能模拟器、探照灯和科学设备。尽管高压氙光谱发射的波长低至170nm，但所有常用的灯都是由掺杂的“无臭氧”石英制成的，因此不会产生臭氧。市场上很少有这类UVC灯进行销售，通常仅用于有技术措施防止设备排放臭氧的特殊设备。
这类UVC等通常用于数据投影仪、紫外线固化应用和科学仪器，大多由标准石英制成，不过这类UVC灯并不会产生大量的臭氧。原因是这些UVC通常都是在非常高的温度（>500°C）下工作,在这个温度下，石英的透射边缘向更长的波长移动，这非常显著地降低了184nm处的透射,此外185nm的发射在高汞压下被显著抑制。这些灯在启动阶段会产生一些臭氧，此时灯仍在较低的压力下工作，石英灯光温度较低。
这一类UVC灯是专门为表面改良和臭氧产生而设计的，发射波长为172nm。它们可以有效地产生大量臭氧，由特殊的石英玻璃制成，在这些极短的波长下具有极高的光谱透射，通常只用于定制的工业设备当中。（五）氯化氪UVC灯（KrCl，222nm，UVC）KrCl灯是准分子灯的一种特殊形式，基本原理是 (KrCl) 气体内的放电产生典型的受激二聚体分子以及由此产生的准分子辐射。这些灯填充有氪和非常小百分比的氯的混合物，并且主要在222nm处发射。这种灯在消毒应用中的应用正在迅速增长，尤其是在占用空间中。图3提供了KrCl 222 nm灯的光谱发射（注意纵坐标变化）。
研究人员在未经过滤的KrCl灯的光线中，检测到的200nm以下的辐射量，该辐射量可以产生臭氧，这意味着这种灯有可能产生臭氧，222nm主波长对臭氧生成的贡献在一些时候通常可以忽略不计。不过臭氧生成总量将取决于发射的光辐射总量，因此，高功率UVC灯将比低功率UVC灯按比例产生更多的臭氧。此外在任何臭氧生成评估中，都必须考虑UVC消毒灯灯的实际运行时间。三、UVC灯的臭氧发生量
不同低压汞UVC灯的臭氧发生量变化很大，，这取决于灯的设计和功率。一个有用的测量值是g/kWh，它给出了臭氧产生的效率（基于总电输入功率，包括镇流器）。根据相关实验，低压汞灯的效率在6~12g/kWh−1之间时，常见的40W的低压汞UVC消毒灯的臭氧产生率为0.3~0.5g/h−1。如果在一个85m³的房间中使用这样一个常见的40W的低压汞UVC消毒灯，该房间的臭氧含量大概会在一个小时内达到2ppm，大约80秒即可达到0.05ppm的接触极限值（美国政府工业卫生学家会议ACGIH，对于8小时内剧烈工作的环境臭氧阈值为0.05ppm，久坐为0.1ppm）。不过这是基于空气完美混合的情况下进行的计算，因此实际上靠近UVC消毒灯的地方局部臭氧浓度会更高。所以如果使用产生臭氧的UVC消毒灯，请注意保持空间内的空气流动，尽量稀释臭氧浓度，避免造成额外的身体损害。
PS：具体计算方式涉及具体发生量和半衰期的计算，这里不进行展开，之后可能会放到专门的臭氧专题中。（二）部分商用KrCl，222nmUVC消毒灯的臭氧发生量由于222nmUVC消毒灯在理论上仍会产生一定量的臭氧，所以有研究人员选择了三种同一品牌但功率不同的222nmUVC消毒灯，在3*4*2.5m=30m³的标准房间中进行了臭氧浓度测试（这三款产品均宣称不产生臭氧）。该款UVC消毒灯将4个KrCl灯封装在一个几乎密封的空间中，同时外部有一个带有过滤器的石英制小窗口。经过测量，该发光模块的臭氧发生量为0.012mg/h−1，也就是说需要267个小时才能将该房间中的臭氧浓度提成到0.05ppm。这是理论上的最大值，考虑到该发光模块无法有效覆盖30m³的空间范围，所以在实际使用中应该会额外增加消毒灯的数量，这种情况下需要将臭氧发生量进行叠加。不过通常情况下这款单个发光模块为12W的222nmUVC消毒灯无法将空间内臭氧浓度提升到危险阈值。
该款UVC消毒灯呈椭圆形，有一个发光模块经过测量其臭氧发生量为1.32mg/h−1，这大约是案例1中12W单UVC模块的100倍。可以在24小时的时间里将30m³房间内的臭氧浓度提升到0.5ppm，属于比较危险的数值，不过实际应用中很少会有持续24小时开启照射的情景。造成该款UVC消毒灯臭氧发生量激增的主要原因是：发光模块的总功率、电压以及未使用石英滤光器。
该款UVC消毒灯为圆柱形，外部使用了金属丝网包裹的设计，经过测量其发光模块的臭氧发生量为11~14mg/h−1。这使得该款70W的UVC消毒灯在很短的时间内就可以使得“标准房间”内的臭氧含量超过安全阈值。这款UVC消毒灯臭氧发生量明显提高的原因，主要是该发光模块的外部金属网状结构造成的。这类设计中由于金属和玻璃表面之间无法完全贴合，尤其是金属丝网下方，会存在100μm或更大数量级的非常小的间隙。由于这些灯的工作电压通常在8~10kV范围内，因此在外部空气中的这些间隙上可能并且将会形成小放电现象，这也会产生臭氧。产生的臭氧量取决于间隙大小、施加的电压和灯的功率。
关于金属丝网更清晰的图片如下（非同款产品，但金属丝网的视觉效果更直观）：
就是说如果只从臭氧发生量的角度来看，根据222nmUVC消毒灯的功率、设计、使用时间和填充物的不同影响，在没有适当通风的房间中，是存在将臭氧浓度提升到危害使用者身体健康的浓度的可能的。在使用UVC消毒灯时，臭氧发生量是一个需要纳入考量的重要因素，采用适当材料（软玻璃和.GE219掺钛石英）作为外壳的低压汞UVC消毒灯不会产生臭氧，使用GE214熔融石英的消毒灯则会产生臭氧。不过通常商家在进行产品设计时不会对有臭氧和无臭氧UVC消毒灯在外形上做出明显区别，所以在实际应用中请注意避免在非特定场合下意外使用有臭氧生成的UVC消毒灯而造成额外的身体损伤。而针对KrCl 222nm消毒灯来说，如果针对只考虑臭氧发生量的情况，在使用中需要综合房间面积和通风条件来进行选择，低功率（＜15W）的222nm消毒灯的发光模块在理论上不会产生任何显著的臭氧含量变化。
再次提醒，要注意使用空间的体积、通风条件、照射距离和产品工艺等综合因素。以上就是本期分享的全部内容，更详细的内容会在之后更新，有什么问题欢迎给我留言。
欢迎大家在公众号首页给我留言，讨论和交流各种新冠相关或者公共卫生方面的问题，也可以留下你的疑问或对分享内容的质疑，时间允许的情况下我会逐条进行回复。另外如果大家觉得该公众号或某期分享对你有帮助，可以关注公众号或分享给自己的亲朋好友。希望大家都能在大流行期间保持身体和心理的健康，坚持到大流行真正结束的时候。