疫情防控下紫外线杀毒除菌机的创新研究

李世红 黄家墉 辜宇明 冯秀霞 陈月玉

（广州航海学院，广东 广州510725）

1 疫情防控常态化之下的背景及意义

随着2020年初开始的新型冠状病毒肺炎疫情蔓延中国乃至全球，已严重威胁社会健康和严重影响了人们的工作与生活，可见，疫情防控已成为全社会不容忽视的问题。在国务院印发的《“十三五”生态环境保护规划的通知》（国发〔2016〕65号）、工业与信息化部门发布《关于加快推进环保装备制造业发展的指导意见》（工信部节〔2017〕250号）等政府相关文件以及在中共中央召开的研究疫情防控工作会议中，都贯彻落实了习近平总书记生态文明的思想和重要举措，强化社会监督，推进第三方积极参与到疫情防控工作中来，形成多元主体参与的环境治理格局，构建现代环境治理体系。因此，通过对环保设备——紫外线杀毒除菌机的创新研究，不仅可以完善目前市场上此类产品的不足，也可以满足社会和个人对良好生存环境的需求，优化工作场所与居家卫生安全实施有效的防控疫情措施。旨在贯彻落实党的方针政策，切实参与社会疫情防控工作中去，更好地推进绿色制造、促进广东环保产业持续[1]健康发展。

2 疫情防控常态化除菌机的发展现状及问题

在新冠病毒来袭之后，习近平主席指出，要改革完善疾病预防控制体系，坚决贯彻预防为主的卫生与健康工作方针。我国当前环保产业已迈入了市场化机制的生态产业时代，目前环保行业以空气和水污染治理设备为主。在2020年2月4日，国家卫生健康委员会办公厅和中医药局联合发文的《新型冠状病毒感染的肺炎诊疗方案（试行第五版）》明确指出，新型冠状病毒属于β属的冠状病毒，并且对紫外线和热敏感。理论上，合理利用紫外线可以有效活灭新冠病毒，紫外线辐射对细菌和病毒的消毒作用在实验中得以证明。我们通过查找紫外线除菌机相关资料，总结了目前市面上紫外线除菌产品存在的以下几点问题。

2.1 功能单一，无法满足用户需求

2020年突发疫情，市场上现有的除菌设备不符合疫情防控的要求，其中，紫外线除菌机的捕菌性能较弱，负离子臭氧除菌机的除菌性能也不够强，杀菌技术有待完善。虽然紫外线因其消毒杀菌效果好而在消毒杀菌行业独树一帜，但紫外线除菌机的型号一般为立式或便携式，无法相互切换场景使用，而其工作模式也较为单一，只能通过换挡变换强度，无法做到智能识别物品，削弱其对物体表面的照射光强度来缓解物体老化问题，目前，市面上没有能够集立式和便携式两用为一体的智能除菌机来满足人们日常生活需要。

2.2 人工控制实时性不足

据了解，市场上大多数紫外线除菌设备以手动为主，不仅无法即时控制，且手动接触设备开关时也存在接触交叉感染的风险。少数可用遥控器能实现一定距离的远程控制，但市面上并没有一款除菌机有实时监控功能和自动调节功能能提供设备的运行状态、运行参数及放置环境细菌指标等运行情况的监控数据。因此，无法达到消费者的实际需求。若能通过创新，使消费者在使用产品时实时了解到设备运行情况并通过数据判断产品是否存在安全隐患，消费者才能做到真正放心使用。

2.3 产品存在一定的安全隐患

家用电器涉及电，对老幼年人而言危险系数比青年而言会更高，并且存在老人小孩因不了解紫外线除菌机的操作随便乱按的现象，极可能会产生安全问题。另外，随着产品使用时间的延长，紫外线杀菌效果会降低，杀菌距离、持续时间对效果均有影响，达不到预期的杀菌效果，还要注意产品使用时间久了之后产品是否会存在安全性的问题。

2.4 产品标准参差不齐，不符环保性要求

目前，紫外线杀菌产品未列入我国强制认证目录，制造商对产品质量的控制存在一定差异，部分企业不能严格按照国家现行标准进行质量控制部分产品存在虚标现象，普通消费者无法辨认产品质量是否符合标准，例如，虚标辐射照度低于相关国家标准，使杀毒消菌效果大打折扣。

3 紫外线杀毒除菌机的新发展及研究

在“互联网+环保产品”新模式下，研究多功能、智能化、流程一体化的紫外线杀毒除菌机，对于创新发展紫外线杀毒除菌机具有重大意义。针对当前疫情紫外线杀毒除菌机发展的问题，本文提出以下措施。

3.1 紫外线杀毒除菌机功能优化

3.1.1 提高除菌机杀菌消毒能力

我国现行国家标准GB/T19258—2012《紫外线杀菌灯》将紫外线除菌的紫外辐射中心波长定义为253.7nm，可产生臭氧的紫外线除菌灯则采用波长185nm加253.7nm进行应用[1]。普通灯光的特征在于其光辐射波长在380～780 nm可见光谱段，图1为按用途划分的波长光谱图，由于100～200 nm的紫外辐射在空气中被强烈吸收，紫外线在消毒应用聚焦在200～280 nm波段。

图1 UV与可见光图谱

经研究显示，254 nm的紫外线除菌效果最佳，可以最大限度地破坏微生物的DNA结构，在石英玻璃的紫外线灯管中添加了适量的钛单质，能够产生紫外线为185nm波段。该波段可将空气中的氧气（O2）变成臭氧（O3），臭氧的强氧化作用也可达到除菌的效果。因此通过除菌机内部的254 nm与185 nm双紫外线灯管可更大限度地提高紫外线杀菌除菌机的消毒能力。

3.1.2 提高除菌机捕捉病菌能力

空气中的负离子，按其迁移率大小可分为大、中、小离子。离子迁移率大于0.4cm/（V·s）为大离子，小于0.04/（V·s）为小离子，介于两者之间则为中离子。接近分子大小的荷电原子团或分子团，都属于小的空气离子。这些小的空气离子具有高的运动速度，在大气中互相碰撞，又不断聚集，形成大离子或中离子。而其中的负氧离子具有良好的生物活性[2]。负离子可有效去除悬浮在空气中的各类颗粒物，尤其对粒径越小的颗粒物净化效果越有效。利用负离子活性高、自然扩散距离远的特性，可对空间内的PM2.5等微尘颗粒进行有效凝聚沉降。因此，负离子作为作用因子，能够主动出击捕捉空气中的有害物质。

3.1.3 除菌机立式、便携式两型切换

目前，市面上的紫外线消毒除菌机一类是为了室内立式照射消毒，另一类是外出便携式除菌盒，便携式消毒机主要消毒手机、手表、项链、首饰等物品，但目前市面上并未有一款能够集立式和便携式为一体的除菌机。便携式机型多为长方体盒状，顶面为盒盖，内部为消毒空间，可以在便携式机的基础上，在其内壁底部下加装立式消毒灯安装接口，当便携式机移到室内使用时，将便携式机盒的顶盖取下并将机盒作为底座，根据机盒底部的灯管接口安装上立式的紫外线灯管，可从便携式切换成立式消毒，以达到两用目的。

3.2 建立紫外线杀毒除菌机远程遥控、监测系统

目前，市面大多数紫外线除菌设备为手动，少数可用遥控器实现远程控制，手动开关设备不仅无法及时控制，且手动接触开关设备时也存在接触交叉感染的风险，而目前市面上仅部分产品提供远程遥控开关功能，并且没有一款消毒机支持设备运行情况数据的实时监控，为了能确保和防止设备意外伤人事故的发生，同时考虑到售后零件故障拆装更新的问题，未来的消毒机可以考虑设置成手机远程遥控型并加增设备运行数据的实时监控功能，如产品内外部灯管温差值，灯管内外部紫外线辐射波段值等。如图2所示，选用SIM808模块与STM32微控制器进行交互以实现定位与通信功能。SIM808的优点包括：性能稳定，能够保证定位信息的准确获取与传递；制造技术成熟，成本较低；不需要进行外围电路和引脚对接的方案选择，有助于缩短开发周期，可作为开发除菌机的远程遥控监测系统方案[3]。

图2 监测系统设计

3.3 开发紫外线除菌机防误触、智能遥控系统

大多家居型紫外线杀毒除菌机的安装可能会发生儿童或老人因误操作导致的人身安全或者小部分质量残次的除菌机出现质量问题导致安全问题。因此，为了避免误操作以及功能失控导致被辐射不同程度的伤害，可采用智能控制技术来确保安全性，例如，灵敏程度高的红外感应技术，增加针对年老年幼者的防误触模式，或采用雷达感应技术来有效控制人在除菌机的一定范围内时使除菌机自动停止工作，图3为智能遥控流程图。还可以利用紫外线穿透性弱的特点将除菌设计为更安全的构造，实现有效的安全保护[4]。

图3 智能遥控流程图

3.4 确定紫外线除菌机灯管质量标准

如表1所示，在石英玻璃紫外线灯管规格中，40 W规格灯管的紫外线强度≥200μW/c㎡，30W规格灯管的紫外线强度≥100μW/c㎡，20 W规格灯管的紫外线强度≥70μW/c㎡。[5]因紫外线灯管为消耗品，有一定寿命，因此随着使用，其紫外线强度会逐渐降低。根据我国《杀菌管理条例》对消毒紫外线灯管的强度要求：强度不得低于100μW/c㎡。因此，全新的紫外线灯经强度检测仪检测，强度为100μW/c㎡，才能符合使用标准。

表1 紫外线灯规格与强度