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紫外線とは

紫外線は目に見える光や電波と同じ電磁波の仲間で、本体は波の形で表されるエネルギーです。
紫外線は100nmから400nmの波長領域にある電磁波と定義されています。

紫外線波長
  • UV-A・・・・315nm~400nm
  • UV-B・・・・280nm~315nm
  • UV-C・・・・100nm~280nm

紫外線からオゾンが生成される

紫外線ランプ200nm以下の波長があれば酸素からオゾンを発生させることが出来ます。また酸素が無ければ発生することは有りません。低圧水銀ランプから発生する主要波長は254nmと185nmです。185nmの波長が空気中の酸素を反応させオゾン化します。
※オゾンとは、酸素が3つ結合した非常に不安定な状態です。
オゾンの生成を制御する方法は、ランプ材質(石英ガラス)の種類を変えることによって可能です。
オゾン濃度100ppm・0.5L/minのUVオゾン発生はこちらへ

普通溶融石英ガラス

天然水晶を溶融して作られます。185nmの透過率は原料の水晶の純度によって大きく変わり、15%~40%の大きな巾があります。
放電式オゾン発生方法に比べオゾン発生量は少ないです。

オゾンレス石英ガラス

溶融石英ガラスに重金属等を加え、240nm以下の紫外線が透過出来ないようにした石英ガラスです。

合成石英ガラス

シリカ化合物から化学的に合成される、非常に純度の高い石英ガラスです。
不純物が少ないので光の透過性に優れています。その代わり価格は溶融石英ガラスの4倍以上します。
185nm線が主役を務める光表面処理用光源は、合成石英ガラスで作られています。
オゾンの生成能力も高いのですが、ランプが高価なのでドライプロセスのUVオゾン表面処理以外にはほとんど使われません。
石英製紫外線ランプの価格は大きさにより異なります。1本:1万円前後~10万円前後です。
誤解されやすい殺菌灯との相違点として、加工が容易なソーダガラスで製作しており、殺菌に必要な紫外線波長を吸収する不純物(鉄分)が多く含まれていますので、約2000時間で初期UV照度が50%にまで低下してしまい、ランプが点灯していても殺菌効果は半減しています。

殺菌メカニズム

紫外線による殺菌

紫外線とは可視光線以下でX線以上の波長100~400nm(ナノメートル)をいいます。
また、この紫外線全てに殺菌効果が有るのではなく、250~270nmの波長にもっとも殺菌力、変異作用が有ります。
紫外線は、細胞の遺伝子である核酸のDNAを損傷し、ウイルスの場合はRNAを損傷することで、核酸の持つ複製機能を失わせることにより殺菌力を発揮します。

オゾンによる殺菌

酸素(O2)は酸素原子2個からなりますが、オゾン(O3)は酸素原子が3個からなる物質です。性質は無色有臭のガスで、極めて強い酸化力を持っています。
生成方法とて主に、紫外線(185nm)照射、無声放電法による高電圧印可などが有ります。
このオゾンは酸化力の強い不安定な物質で、細菌の細胞壁や細胞膜を酸化・損傷し、細胞内容物を漏出させることで殺菌力を発揮すると考えられています。
しかし、全ての微生物に対して一様に殺菌力が有るわけではなく、大腸菌をはじめとするグラム陰性菌は殺菌されやすく、黄色ブドウ球菌をはじめとするグラム陽性菌は抵抗性を示し、この中でも人やネズミ、害虫等が持ち込む土壌由来の芽胞形成菌(食物腐敗菌等)は、最も抵抗性が強いことが知られています。

ヒドロキシラジカルによる殺菌

オゾン(O3)は254nmの紫外線照射を受けると、活性酸素(0・)と酸素(O2)に分解します。この活性酸素(O・)が様々な活性酸素種を作り出して行きます。
この活性酸素種の中でもヒドロキシラジカルはオゾンよりも酸化力が強く、オゾンに抵抗性を持つ微生物も殺菌することができます。
活性酸素種は非常に不安定で、微生物の構成物質から電子を奪おうとします。すると奪われた物質は不安定になり、他の物質から電子を奪おうとします。このような連鎖反応を起こすことで細胞壁や細胞膜を破壊していきます。また、この連鎖反応は非常に早く進んで行きます。
多湿(H2O)な条件下でオゾン(O3)に254nmの紫外線照射を行なうと、水分子と活性酸素(O・)が反応し過酸化水素(H2O2)が生成します。この過酸化水素に254nmの紫外線照射を与えると、ヒドロキシラジカル(OH・)が2個生成されますので湿度が高いほうが殺菌効果がより向上します。小スペース向けはこちらへ 業務用はこちらへ

紫外線殺菌の特徴として
  • 副生成物がない
  • 薬品が不要
  • 省スペース 省エネルギー
  • 既設設備への適用が容易

紫外線殺菌の弱点
  • 紫外線光が当たる部分のみの殺菌(影の部分は殺菌されないため、立体で影の出来るものには不向き)
  • 水の殺菌などでは、UV透過度が低ければ殺菌することが困難。
  • 菌の種類により、必要殺菌照射量が異なる。

紫外線殺菌の用途例

空気の殺菌
家庭内やオフィス、ショップ等で空気を脱臭、空気殺菌出来ます。
24時間運転可能な業務用紫外線・オゾン(UV)ランプ方式空気殺菌はこちらへ

水殺菌

ワンパス処理ならばUVオンリータイプ。循環式での殺菌ならば光酸化促進反応法と使い分けします。紫外線流水殺菌は、水道水など綺麗な水を殺菌するものとお考え下さい。硬度分が多かったり(保護管に付着しUV透過率を下げます)、透明度が無かったり(UV透過度が下がる)すると単純な紫外線殺菌は無理が生じます。

COD処理の酸化剤計算

水の汚れの指標でCODがあります。COD処理とは酸素【O】とのやり取りです。次亜塩素酸ソーダの場合、次亜塩素酸ソーダの分子量74.5gの内、有効酸素の原子量は16gです。よってCODを1mg低減する為に必要な次亜塩素酸ソーダ量は74.5÷16=4.7mgが必要となります。
オゾンの場合 オゾンの分子量48gの内、有効酸素の原子量は16gです。よってCODを1mg低減する為に必要なオゾン量は。48÷16=3mgが必要となります。

【例】CODが50mg/Lの1000L/hの排水を処理する場合に、必要な酸化剤量は?
・次亜塩素酸ソーダの場合
50×4.7×1000÷1000=235g/Lの純分が最低必要量となります。
・オゾンの場合
50×3×1000÷1000=150g/Hのオゾン発生量が最低必要となります。このオゾン発生量があるオゾナイザーでは、コストが見合うか?の判断となります。
例えば、無薬注で原水のCODが280mg/Lでオゾンマイクロバブル処理を1時間行って180mg/Lまで下がったという場合、280mg/L-180mg/L=100mg/LのCODが分解されたこととなります。
COD分解に利用されたオゾン量は、100mg/L×3=300mg/Lとなります。オゾナイザーを選定する上で、1時間で1Lの水中に含まれるCODを分解する為に必要なオゾン発生量300mg/Hということになり、1000m3の水を処理する為には300mg/L×1000=300,000mg/H=300g/Hのオゾン発生量となります。オゾナイザーのイニシャルコスト、ランニングコストを考えると有効な手段とは言えません。
もし、オゾンマイクロバブルによって発生量の少ないオゾナイザーを利用してCOD分解がされたというならマイクロバブルの力となりますが、弊社では解りかねるところです。

紫外線とノロウイルス
紫外線による不活化 99%
ネコカリシウィルス 21 mJ/cm 2
イヌカリシウィルス 22 mJ/cm 2
紫外線による不活化 99.9%
ネコカリシウィルス 34 mJ/cm 2
イヌカリシウィルス 34 mJ/cm 2

毎年ノロウイルスが世間を騒がせます。
ノロウイルスを紫外線で殺菌可能なのか?という疑問がよく寄せられます。
広島市感染症情報センター様より引用させて頂きますと”ノロウィルスは、培養細胞や実験動物で実験できないことから、ノロウィルスの温度や消毒剤による不活化条件はまだ特定されておりません。ノロウィルスの死滅条件はノロウィルスに類似した他のウィルスを用いた実験結果により推測されたものです。”と記述があります。
右表は類似するウイルスの紫外線による不活化する照射量です。

UVオゾン式空気殺菌では、OHラジカルなどのフリーラジカルで効果が倍増します。小スペース向けはこちらへ  業務用サイズはこちらへ

UVオゾン表面改質・洗浄

接着強度の向上などワーク表面を変化させる技術です。
紫外線方式はイニシャルコストが安く、放電方式とは異なりダストを発生させません。処理時間に余裕がある場合や、ダストが問題になる場合は紫外線はベストマッチします。
生産向けには、採用されていますがラインスピードが速い場合などは、コロナ、プラズマ処理機などが向いています。
実験機的な使い方や、小ロットのバッチ生産に最適な格安な紫外線(UV)表面改質実験装置(PL16)はこちらへ

硬化

硬化(キュア)は簡単に言えば、紫外線に反応する樹脂(UV樹脂)を秒単位で固めることです。
UV硬化は、樹脂にあった波長と積算光量(照度×時間)に大きく支配されます。365nmがピークの高圧水銀ランプで硬化しない樹脂も300~400nmが連続的に出力するメタルハライドランプで硬化するということがあります。
365nmが励起波長の場合、高圧水銀ランプの方が少しですが安価なため、ランニングコストも考慮し、ランプの選定を行います。
光源のランプには、高圧水銀ランプ、メタルはライドランプ、超高圧ランプなどあります。樹脂や使用方法によりランプは変わります。
入門向けには低価格高圧水銀ランプタイプ:ハンディタイプのHandy100(HLR100T-2)など必見です。硬化の入門機や、小ロット生産には最適です。
点で照射する場合や、硬化するのに必要な紫外線照射量が大きい場合は、キセノンランプなどの光源でライトガイドを使用したりします。
高圧、メタハラランプは直管ランプでワーク幅の発光長ランプを選定し、ワークを均一性が保たれるようコンベア等でスライドさせて必要照射量を与えたりする方式が多いです。
185nmはかすかに出ている程度で、点灯初期のグロー放電時には特に沢山出ます。
測定方法や測定環境にもよりますが、オゾン濃度で0.009~0.03ppm程度。

活性汚泥の溶存酸素について

排水処理において、好気性菌を利用した活性汚泥処理があります。排水中の有機物を好気性菌を利用して低減させる処理法です。よく問題となるのは溶存酸素量です。有機物が分解される為に水中で酸素が消費されるので、下部よりブロワーで曝気させ空気を送り込みます。溶存酸素量が足りなければブロワー容量を増加させたり、エアレーター、マイクロバブルで表面積をあげる手法を思いつきます。しかし、酸素が消費され過飽和状態の水に空気を送り込んでも無駄です。満タンの貯金箱には、お金が入らないと同じです。
AWA200は、ガス置換を行うことが出来ます。上昇する泡沫をキャッチし内部でシャボン玉にすることにより溶存ガスを送り込んだ空気と置換することが可能です。しかも既存設備に設置するだけですので余計な電力も不要です。
溶存酸素量が足りない場合に設置すれば、高効率で溶解しますので複数台のブロワを利用の場合は稼動台数を減少させることが可能となります。1台20KWHのブロワーなら電力料金軽減も凄くなりです。> 詳細ページはこちらへ

水処理技術:光酸化促進反応法

紫外線の波長254nmとオゾンを水中で反応させ、ラジカル反応により水の殺菌・浄化を行う。また酸化剤を添加し浄化を増大させた技術。光酸化の技術は国内トップです。
光酸化は、現在井水・中水処理処理・排水の最終高度処理などに着々と実用化されております。
効果はダイオキシン類の完全分解、有機溶剤などの有機物の完全分解、BOD・CODの低減、脱色・脱臭、殺菌・殺藻などです。
用途は汚職地下水の水質改善、排水・雨水の再利用や高度処理、プール・浴槽などの循環水の維持、養殖槽の水質維持、観賞池などの閉鎖水域の水質保全、医療用水・超純水の製造などです。

アンモニア性窒素

アンモニウムイオンをその窒素量で表したもの。蛋白質,尿素,尿酸等の有機性窒素の分解により生成するのです。アンモニア性窒素があると、浄化処理においては塩素と反応性が良いので遊離塩素を確保するには、アンモニア性窒素を除去する必要があります。
・中水利用などのアンモニア性窒素除去は、光酸化で簡単に処理可能です。
アンモニア性窒素を除去する手法では、ブレークポイント法(不連続点塩素処理)が一般的でした。
※簡単に言えばアンモニア性窒素を含有する水に塩素を添加量を増加していけば、あるポイントを境に脱窒するというもの。
この手法ではアンモニア性窒素に対して、理論値で7.6倍の塩素を添加すれば良いのですが、実際には10以上添加しなければなりません。
日本国内での飲料水目的では、次亜塩素酸ナトリウムが自己分解し塩素酸へ酸化され規制値をオーバーしてしまう為、次亜塩素酸ナトリウムの添加量に限界があります。

温水プールでの浄化処理

プールの施設基準では、「プール本体の水の容量に循環水量を加えた全容量に対し、少なくとも1時間あたり6分の1の処理能力を有することとし、夜間、浄化設備を停止するプールにあっては、少なくとも1時間あたり4分の1の処理能力を有すること」と規定されています。これは、「24時間浄化設備が運転するならば、4ターン/日、夜間に浄化設備が停止するならば、6ターン/日の処理能力を有すること」ということです。
また、水の汚れの指標は過マンガン酸カリウム消費量であり、12mg/L以下となっています。

オゾンに関して

オゾン濃度は、気相と液相では同じppmが使われますが、中身は異なりますので注意が必要です。
気相オゾン濃度は体積比となり、液相オゾン濃度は重量比です。
オゾン発生量との比較
気相中オゾン濃度を空間1m3において1時間で1ppmにする場合
→1ppm×48g/mol÷22.4L×1m3/h=2.14mg/hのオゾン発生量が必要

オゾン出口濃度1ppmで風量0.5m3/分の装置で1時間稼働した場合のオゾン発生量
→1ppm×48g/mol÷22.4L×30m3/h=64.2mg/hのオゾン発生能力のある装置となります。

液相中オゾン濃度1ppmの場合
→1L/min×1mg×60min=60mg/hのオゾン発生量が必要

※温度等は省略して、単純な計算です。
同じオゾン濃度1ppmでも上記通り、気相と液相ではオゾン必要量が全く異なります。
ちなみに弊社でご提案している工業用空気殺菌のオゾン濃度目安は1ppmです。
機器選定でオゾン発生量に注目しがちです。例えるならば同一濃度の塩素が1kgと10kgの容量違いとなります。1Lの水を残留塩素濃度1ppmにする場合、12%濃度の塩素を注入する量は0.007ml/Lです。
12%濃度の塩素1kgで残留塩素濃度1ppmにすることが出来る水量は、約12,000Lです。10kgの塩素では単純に10倍の水量となります。
ではなぜオゾンに至っては、オゾン発生量に注目するのでしょうか?答えはオゾンは水に簡単に溶解しない為、量でカバーしようとしているのです。量でカバーする弊害は、未反応オゾンが(余剰オゾン)周囲環境に影響します。
ポイントは、オゾンガス濃度とガス量です。オゾンガスの濃度は、ppm、mg/L、g/m3などの表記が有ります。これらは濃度の単位です。
別にg/h、mg/hなどの単位を見かけますが、これはオゾンが1時間当たりの発生量です。
簡単な式で表現(周囲温度、湿度等は省略)
オゾン発生量(mg/h)=濃度(ppm)×2.14×風量(m3/h)・・・・オゾン発生量が不明な場合
オゾン濃度(ppm)=オゾン発生量(mg/h)÷2.14÷風量(m3/h)・・・・オゾン濃度が不明な場合
※オゾン発生量は、オゾン発生体の生成能力であり、ファン/エアポンプ能力で変化します。



オゾンの効果とオゾン濃度の関係
濃度 効  果  と  安  全  性
0.02~0.05 オゾン臭がする臨海
臭覚臨界値には個人差があるが、厳しい方の安全基準値0.06よりひくいので、オゾン臭がしない時は確実に安全。臭覚は安価な安全モニター
0.1以下 1日8時間の労働が許される濃度(国により基準値が異なり、日本も将来は0.06以下に改定される予定)
マスキング効果による脱臭
6ヶ月間の長期運転で(濃度:0.06~0.18ppm)微生物抑制効果がある
0.5~2.0 週単位の中期運転で、殺菌・脱臭効果
ゴキブリの忌避作用
人体に有害なので、有人時の適用は不可
40 時間単位の短期運転で、ホルマリンガス燻蒸、ヒビテン噴霧と同等の効果あり。
無菌病棟の室内ガス殺菌
ホルマリンとは異なり、オゾンは使用後1時間以内で排出できる。

オゾンの毒性
濃度(ppm) 効 果 と 作 用
0.02~0.05以上 オゾン臭がする。したがってオゾン臭がしない時は絶対安全
0.1以下 1 マスキング効果による脱臭
0.5以上 1 一週間以上の適用により確実な殺菌・脱臭効果
2 ゴキブリの忌避作用
3 これ以上の濃度では人体に有害
40 1 無菌病棟の室内殺菌。ホルマリン薫蒸と同等の効果あり
~10000 1 Siウェハーのホトレジストのオゾンエッチング

工業用のオゾン殺菌脱臭の選定ポイントは、空間にオゾンガス濃度1ppmとして検討します。
※無人の時間帯にオゾンを噴霧すると限定します。毎日の繰り返しで脱臭、殺菌を行うという考え方です。1度や2度の稼働で最大限の効果を得ることは決して推奨しません。
家庭で8畳(江戸間3.52×3.52=12.39m3で高さ2.5mの容積は、約31m3)の場合
1ppm=Xmg/h÷2.14÷31m3となり、X=66.34mg/hのオゾン生成能力がある装置の選定となります。
しかしご家庭の場合、0.1ppm以下にする必要があります。
0.1ppm=Xmg/h÷2.14÷31m3となり、X=6.634mg/hのオゾン生成能力があれば十分です。

マイクロバブルとオゾン

水のオゾンを溶解させた溶液がオゾン水です。単位はppm、mg/Lなどが使われます。1ppmのオゾン水とは1Lの水中に1mg溶解した状態です。例えば、10L/分の水を1ppmのオゾン水にするには10mg/分のオゾン発生量が必要となります。すなわち、1時間あたりに600mg/時のオゾナイザーが必要となります。水量を多くすればオゾン発生量も多くする必要があり、オゾン水濃度を高くする為にはオゾン発生量を大きくする必要があります。しかしながら、オゾンガスを水に溶かすのは容易では無いので、理論値よりも多くのオゾンガスを溶解する為に使用します。しかし溶解しきれないオゾンガスは余剰オゾンガスとなりオゾン分解触媒等により装置外へ排出するものが一般的です。
オゾン水は、水中に反応するものが無ければ殺菌に利用が可能ですが、循環水の場合はオゾンと反応する成分と先に反応する可能性が高く、殺菌目的の対象物を殺菌出来ない可能性があります。
マイクロバブルの特徴は、微細なところへ入ることが可能で、洗浄効果が見込めるところです。水は表面張力が有りますので、疎水性の対象物の場合は、浸透しにくくなっていますがオゾンマイクロバブルを利用すれば低濃度オゾンでも有効だと考えれます。

アクアリウムでのオゾンと紫外線殺菌の利用に関して

工業用の紫外線殺菌から考えると、効果は微妙です。紫外線ランプの性能がまず微妙です。また外照式で照射してどれほどの殺菌能力が得られるのかも微妙です。エアレーション等で弾けた水滴がランプに付着するとランプは発光していても紫外線の透過が悪くなるので殺菌には寄与しない状態になっていると考えた方が無難でし。また海水の紫外線透過率は50mmで約50%に減衰し、上水道で約75%に減衰しますので更に環境は悪いです。
プロテインスキマーの本来の利用目的は、有機物の酸化分解を行うより泡として経外へ出す方が簡単だからです。オゾンにより酸化分解は反応させる為の接触がポイントで、ブクブクとオゾンを散気しても殆どが空気中に出てしまうと考えられます。

オゾンの安全性

オゾンはフッ酸につぐ酸化力を持ち、塩素の約7倍の酸化力です。ではオゾンの安全性は?というと、オゾンのヒトに対する曝露経路は、経口曝露、経気道曝露、経皮曝露の3つとなります。
この中で問題になるの経気道曝露であり、オゾンガスとなります。濃度の段階により危険性が増す為、注意が必要。
その他は、オゾンが反応する物質が多数あり過ぎ、有害になる前に分解してしまう可能性が非常に高い。
よく検索で使われる検索ワードです。

オゾン水

気体のオゾンが溶解した水です。
オゾン水が注目される点は、オゾンが分解されれば次亜塩素のように残留物が無く、結合塩素臭も無いなどが挙げられます。
殺菌能力を持った水ということです。弱点は装置が高額であり、キレイな水が前提となることです。
空気殺菌脱臭バイオクリーン 簡易式オゾンライト オゾンシャワー

24時間運転
無人の時間帯はオゾンで殺菌脱臭
有人時は装置内でUV殺菌

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搭載ランプは石英ガラス製で
名前通りの仕事ができます

手洗いなどに