從殺菌燈淺談石英玻璃的光透過與原料石英砂的處理

2020-04-20 15:56:12 來源:

    新年伊始,冠狀病毒兇猛來襲。除了宅家避毒外出戴口罩做好防護以外,測溫儀、消毒液和殺菌燈等抗菌殺毒利器也紛紛登場。從行業相關的角度,本文簡要論述紫外線殺菌燈的工作原理,石英玻璃的紫外光透過以及原料石英砂的處理對策。

殺菌燈

紫外線殺菌消毒原理

是利用適當波長的紫外線能夠破壞微生物機體細胞中的DNA(脫氧核糖核酸)RNA(核糖核酸)的分子結構,造成生長性細胞死亡和()再生性細胞死亡,達到殺菌消毒的效果。紫外線根據波長可分為四個不同的波段:UVA400315nm)、UVB315280nm)、UVC280200nm)和真空紫外線(200100nm)。就殺菌速度而言,UVC處于微生物吸收峰的范圍之內,可以在幾秒鐘之內殺死細菌和病毒。

 

 

核酸中嘌呤和嘧啶對波長260nm的紫外線吸收最強;波長 254nm 的紫外線主要被核蛋白吸收 。從下圖可以看出,230nm-280nm的紫外線有最大的殺菌效果。

紫外線殺菌燈

紫外線殺菌燈實際上是屬于一種低壓汞燈。利用較低壓汞蒸汽(<10-2Pa)被激化而發出紫外光,其發光譜線主要有兩條:一條是254nm波長;另一條是185nm波長。由于普通玻璃燈管對紫外線的透過率不高,所以殺菌燈主要采用石英玻璃燈管以保證對紫外線的高透過率。

紫外線殺菌燈產生的254nm波長的紫外線直接殺滅微生物,而185nm波長的紫外線則主要以激發氧氣產生臭氧的方式來殺菌。幾種殺菌消毒的方式效果比較如下:

從圖中我們可以看出,臭氧殺菌和紫外線殺菌的機理和應用場合是有差別的,有時候可以形成互補。一些場合需要使用臭氧和紫外線協同作用,通過保證石英玻璃燈管對254nm185nm波長紫外線的高透過來實現;因為臭氧的濃度過高對于人體的健康是不利的,所以很多場合需要減少或者防止臭氧的產生,可以通過在制造石英玻璃管時添加鈦和其他元素來實現:一定量的鈦元素,可以充分濾掉185nm波長的紫外線,使185nm波長的紫外線不透過石英玻璃燈管溢出到環境中,而254nm波長的紫外線的透過不受影響。

使用紫外線殺菌燈的注意事項:

1、紫外線殺菌燈應避免直接照射到人的皮膚,不可用眼睛直視。

2、有臭氧產生的紫外線殺菌燈使用后應充分通風后才可以進入人員,避免臭氧對人體的傷害。

3、市面上一部分紫外殺菌燈使用價格低的高硼玻璃而非石英玻璃作為燈管,無論是紫外光的透過率還是透過率衰減都較正常燈管差很多。而且因為紫外光是一種不可見光,普通消費者沒有質量鑒別的能力,部分質量低劣的殺菌燈起不到應有的殺菌消毒的作用。所以消費者應當盡量選用正規廠家生產的殺菌燈。

 

石英玻璃

不同的光學性質決定了不同種石英玻璃的用途。石英玻璃有兩種主要應用思路:一種是通過摻雜實現光學性能的某種改變:如上文提到的通過摻鈦生產的無臭氧紫外殺菌燈管,另外通過摻雜鈦和鈰等元素生產的濾紫外石英玻璃燈管可以過濾掉320nm前的幾乎所有紫外線,通過摻雜鐵和鉻的化合物獲得近似于“黑體”的石英玻璃,通過在合成石英中摻雜氟化物獲得在157nm真空紫外波段透過率大于80%的高紫外透過的石英玻璃,通過摻雜各種金屬化合物制成不同顏色的石英玻璃用于各種濾光片、濾光盒等。另一種是利用石英玻璃的高純度高透過的特性,制成各光譜范圍內的高透過光學器件:如羥基含量極低的的合成石英玻璃用于高端紅外鏡頭等,雜質含量極低的合成石英玻璃用于半導體行業的光掩膜基板,天然石英砂制成的石英玻璃用作各種窗口材料等。

高純度的石英玻璃有著優良的光透過率,理論上石英玻璃對從波長180nm的深紫外線到波長3500nm的紅外線都有很高的透過率。但實際上僅有低雜質含量、低羥基的合成石英能接近理論水平,用天然石英砂熔制的石英玻璃因為雜質、羥基、氧空位及其他結構缺陷而導致透過率曲線的明顯變化。

幾種金屬雜質在石英玻璃中情況如下:

鐵(Fe):Fe在石英玻璃中在Fe2+ Fe3+兩種價態。高價鐵離子和低價鐵離子都吸收紫外線,而且在可見光區有吸收。下圖是在鈉硅玻璃中兩種鐵離子在紫外光區的吸收光譜,可見高價鐵離子的吸收系數遠大于低價鐵離子。研究表明鐵含量為1ppm時和鐵含量為0.1ppm時鈉硅玻璃的紫外線透過曲線有明顯差異,透過率隨鐵含量的升高而出現明顯下降。

鈦(Ti):鈦在石英玻璃中以兩種形態存在,替代硅進入網絡,或填在網絡間隙中。因鈦離子半徑較硅大,替代硅進入網絡會導致四面體畸變,影響網絡的均勻連續性。而且鈦氧鍵較硅氧鍵弱,易斷裂。鈦填隙在網絡間會使鄰近的四面體扭曲,產生局部應力,造成三種結構缺陷。石英玻璃中二氧化鈦會強烈吸收紫外線,隨著鈦含量的增加,吸收邊界將向長波方向移動,紫外截止波長更長。

稀土元素:

鈰(Ce):CeCe3+Ce4+兩種狀態存在于石英玻璃中,都吸收紫外線。Ce3+的吸收波長是305-320nm;Ce4+的吸收帶是265nm,且比較寬廣,吸收系數更高。在近紫外線的激發下產生強烈藍色熒光,發光范圍在350-650nm波長區間。

銪(Eu)、鐿(Yb)、鐠(Pr)、釤(Sm)等稀土元素進入石英玻璃中,在紫外線區間有吸收峰,在可見光和近紫外區間產生熒光。

 

石英砂

限于篇幅,合成石英和摻雜石英本文暫不討論。原料石英砂和熔制氣氛,都會影響石英玻璃中羥基含量,羥基含量主要影響紅外光透過;石英玻璃熔制工藝還會影響石英玻璃中氧空位等結構缺陷,影響紫外光透過;作為原料工作者,我們能做的努力是降低石英砂的雜質含量,尤其是過渡金屬的含量,提高石英玻璃的光透過水平。

用于石英玻璃行業的大多數石英砂原料,提純到一定水平后,大多數過渡金屬和幾乎所有稀土元素的含量都很低,低于0.1ppm。這說明好的石英砂原料中進入晶格的雜質原子少,易于提純。

過渡金屬中鐵和鈦的含量是最引人關注的。其中鐵元素因為在地殼中豐度高,而且對各種制品性能惡化大,所以是最常見又最討厭的。從低于0.1ppm,到0.1-0.3ppm,0.3-0.5ppm,0.5-1ppm,1-5ppm,不同檔次的鐵含量對應了不同應用的要求。鐵的極限提純是個很有意思的話題,可以另文討論。

而鈦的含量,在經過常規提純的步驟后,含量幾乎不會再發生變化。如尤尼明系列的砂,即使經過各種處理后,鈦的含量幾乎恒定在1ppm以上。通常學術上認為鈦原子替代硅原子進入到石英砂晶格中形成結構雜質,所以無法繼續提純。而實際上,石英砂中針狀金紅石晶體是經?梢杂^測到的,即使是在尤尼明CG料和IOTA-6的砂中也不例外。所以天然石英砂中鈦應該是以上兩種存在形式并存的。筆者嘗試在某種極限狀態下處理兩種已經提純后的石英砂,其中鈦雜質含量分別從1.2ppm降到0.9ppm,0.7ppm降到0.38ppm。雖然該方法當前并不具有工業化生產的可行性,但至少從理論上提出了一種除鈦的解決方案。

    作為石英行業的從業者,能間接為祖國抗擊疫情做出貢獻,感到十分自豪。希望在大家同舟共濟下,疫情早日過去,一切恢復到正常軌道上來。中國加油!


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