¿ Generan Ozono las lámparas UVC ?
Aclaraciones sobre la generación de Ozono de Lámparas Ultravioleta
OVIEDO | 30 de Abril de 2021
Después de recibir varias consultas acerca de la generación de Ozono en los procesos de desinfección mediante Lámparas Ultravioleta, Nos gustaría en este artículo, aclarar definitivamente qué es lo que sucede al desinfectar mediante radiación ultravioleta y si se genera o no Ozono en el proceso.
La lámpara tracicional que se viene empleando desde hace ya mucho tiempo en la desinfección mediante luz ultravioleta es la de desgarga de mercurio de baja presión, que emite principalmente a una 254nm en la banda fotobiológica ultravioleta UV-C (100-280nm)
Sin embargo, actualmente hay nuevas tecnologías, que proponen la emisión en UVC en las bandas de 222nm, como por ejemplo la tecnología de Ushio 222nm, que son lámparas de Excimer de cloruro de criptón.
Existe entonces un gran mal entendido con respecto a la generación y disipación real de moléculas de ozono por las lámparas UV-C y es necesario tener claro de lo que se está hablando. Este artículo, es una transcripción del publicado por Holger Claus, Vice Presidente de Ushio América y al cual se puede acceder en su versión en Inglés aquí:
Introducción
Con la aplicación cada vez mayor de lámparas UV-C para la desinfección del aire y de superficies, se han planteado preguntas sobre la generación de ozono y preocupaciones relacionadas con la generación de ozono en el aire. En la naturaleza, el ozono se reconoce fácilmente por su olor característico después de una intensa tormenta y es el resultado de una descarga eléctrica en el aire, ya que las moléculas de oxígeno se producen temporalmente como una molécula de O 3 . La concentración de ozono generalmente se mide en partes por millón (ppm), en algunas aplicaciones en gramos por m 3 o µmol / mol.
El ozono (O 3 ) es una molécula inorgánica que consta de tres átomos de oxígeno (mientras que el oxígeno normal consta de dos átomos). El ozono se genera por radiación ultravioleta de onda muy corta o en descargas eléctricas (que contienen oxígeno). El ozono también puede ser generado por una combinación de ciertos “precursores del ozono” (por ejemplo, metano y productos de la combustión de combustibles) e incluso en cierta medida por UV-A de longitud de onda relativamente larga (315-400 nm), pero en concentraciones bajas.
El ozono es un gas inestable (por lo que no se puede almacenar). Durante la descomposición del ozono en oxígeno, los átomos de oxígeno libres crean radicales hidroxilo activados (• OH), que crean efectos oxidantes muy fuertes (blanqueamiento) y efectos antimicrobianos. Esta propiedad se usa ampliamente en el tratamiento del agua, diversas aplicaciones antimicrobianas (aprobadas por la FDA para el tratamiento de alimentos) y para la reducción de olores.
Se ha demostrado que el ozono afecta los sistemas respiratorio, cardiovascular y nervioso central. Está altamente regulado (por ejemplo, EPA, FDA, ACGIH, NIOSH) y se han establecido límites de exposición. Existen varios estándares (por ejemplo, UL867) y pautas para el ozono, especialmente para los purificadores de aire.
Límites de exposición al ozono
Existen valores de referencia nacionales e internacionales para la protección contra la respiración de altas concentraciones de ozono. La Conferencia Estadounidense de Higienistas Industriales Gubernamentales (ACGIH) ( 3 ) proporciona un valor límite umbral (TLV) de 0,1 partes por millón (PPM) en el aire para el trabajo sedentario y la mitad de este valor (0,05 ppm) para el trabajo extenuante durante un día. La Administración de Seguridad y Salud Ocupacional de los Estados Unidos (OSHA) y otras autoridades proporcionan esencialmente los mismos límites ( 4 ).
El límite general para una exposición al ozono de 8 horas es una concentración máxima de 0.1 ppm (OSHA ( 4 )). La FDA establece el límite de exposición prolongada en 0.05 ppm (= 50 ppb) (21CFR801.415). La mayoría de las personas pueden detectar el ozono oliendo a una concentración en el aire de aproximadamente 0.01-0.04 ppm. Sin embargo, ese sentido desaparece rápidamente en aproximadamente un minuto. Por lo tanto, al entrar en una habitación, generalmente se puede oler 0.1 ppm con bastante facilidad, pero después de un corto tiempo ya no se puede oler (incluso en concentraciones mucho más altas).
Dependencia de la generación de ozono en la longitud de onda de UV-C
La eficiencia de la generación de ozono por la radiación UV-C depende en gran medida de la longitud de onda debido a la dependencia de la longitud de onda de la absorción de oxígeno molecular de O 2 . La Figura 1 muestra un gráfico de la generación de ozono, que se correlaciona con la absorción de los rayos UV por el oxígeno molecular O 2.
Como puede verse, la eficiencia de la generación de ozono (absorción de la radiación UV por el oxígeno) depende en gran medida de la longitud de onda con una eficacia máxima a aproximadamente 160 nm. Eso también significa que la generación de ozono por radiación solo depende del espectro (y potencia) de la lámpara. También existe una dependencia de la humedad (humedad), la concentración de oxígeno y la temperatura .
El gráfico también muestra la absorción de ozono (O 3 ). Cabe señalar que la absorción máxima se encuentra aproximadamente en la longitud de onda máxima de la lámpara de mercurio de baja presión, a 254 nm. Esa es una de las razones por las que los medidores de ozono sensibles y precisos basados en mediciones de absorción contienen lámparas de Hg en su interior. La absorción de 254 nm por el ozono también conduce a una descomposición del ozono y por lo tanto a una reducción de la concentración de ozono en el aire .
Decaimiento del ozono
Además de la generación de ozono, se debe considerar la reducción del ozono. El tiempo de descomposición natural informado (“vida media”) del ozono en el aire parece variar en la literatura entre 1 día ( 1 ) y 3 días ( 9 ).
Mucho más importante en aplicaciones prácticas es el intercambio de aire / refresco de aire en la habitación, y además la reacción del ozono con hidrocarburos aromáticos (que producen olores) y contaminantes superficiales. La mayoría de estos factores son casi imposibles de calcular o predecir. Entonces, como un enfoque conservador pero seguro para asegurar un margen de seguridad, podemos calcular la concentración máxima en el aire de la habitación sin tener en cuenta la reducción normal de ozono.
También vale la pena señalar que algunas lámparas solo pueden encenderse durante períodos cortos durante el día y la cantidad total de ozono generado al final del día será menor que cada uno de los períodos de generación de ozono durante los períodos breves de encendido. .
Reducción de ozono
A través de varios métodos técnicos, la cantidad de ozono emitida en una habitación puede reducirse significativamente sobre la generación de ozono de la lámpara.
Obviamente, tener una salida de aire que expulse el aire que rodea la lámpara hacia el exterior es un método. Se recomienda este método si se requieren grandes flujos de aire alrededor de la lámpara, ya que los filtros de ozono (que se describen a continuación) generalmente reducirán drásticamente el flujo de aire.
Si es posible, encerrar firmemente la lámpara generadora de ozono en un sobre puede reducir sustancialmente el ozono emitido. Debe tenerse en cuenta que el sobre debe ser transmisivo a las longitudes de onda importantes de UV-C de las lámparas y que el material de sellado es resistente al ozono (por ejemplo, el caucho no resiste el ozono ( 10 )).
Otros métodos de reducción del ozono emplean filtros de aire especializados, como los filtros de carbón activado, que se ha informado que reducen el ozono en aproximadamente un 60-70% ( 11 ). También hay filtros de catalizador de ozono más especializados en el mercado que pueden reducir el ozono en cantidades mucho mayores (¿hasta un 99%?). ( 12 )
Nuevamente, los filtros de ozono pueden reducir drásticamente el flujo de aire alrededor de la lámpara y deben evaluarse cuidadosamente cuando se requiera un enfriamiento activo de la lámpara. También se debe considerar el mantenimiento y la vida útil de estos filtros.
Generación de ozono mediante lámparas UV-C
Generación de ozono mediante lámparas UV-C de mercurio de baja presión
Las lámparas de mercurio de baja presión emiten dos longitudes de onda UV-C distintas y particularmente importantes: 254 nm y 184 nm ( 13 ). Dependiendo del diseño de la envoltura de la lámpara, la emisión de 185 nm, si no es atenuada por la envoltura de la lámpara, será muy eficiente en la generación de ozono. Básicamente, se utilizan dos tecnologías distintas para fabricar lámparas de mercurio de baja presión. La principal diferencia es el material de la envolvente (y, en consecuencia, la tecnología de sellado).
La tecnología más común utiliza un vidrio blando muy especial (temperatura de fusión normalmente por debajo de 600 ° C), que está optimizado para una transmisión muy alta de 254 nm (el vidrio blando normal, utilizado en lámparas fluorescentes, solo transmite longitudes de onda superiores a aproximadamente 300 nm). Dado que el vidrio es totalmente absorbente a longitudes de onda inferiores a 240 nm, no hay posibilidad de que la emisión de 184 nm se escape y genere ozono. Estos tipos de lámparas se fabrican en líneas de fabricación de lámparas fluorescentes estándar y, por lo tanto, son muy rentables. Las lámparas tienen bases fluorescentes típicas (ver Fig. 2 ) y se ofrecen en varias formas y longitudes. Estas lámparas se suelen distinguir fácilmente del cuarzo a continuación se describe lámparas ya que tienen un vástago de vidrio con alambre de boquillas de paso al lado de la base (véase la Fig. 2), mientras que las lámparas de cuarzo tienen pasantes de lámina de molibdeno que generalmente están ocultos dentro de la base. Una limitación de la tecnología es la carga de potencia limitada por longitud y, por lo tanto, la potencia radiante emitida máxima disponible.
Nuevamente, las lámparas UV-C de vidrio blando no pueden generar ozono. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que los usuarios ocasionalmente informan de un olor extraño (a veces informado como ozono) cuando usan lámparas germicidas en aplicaciones de desinfección de superficies o aire. Se ha informado que la razón principal de tal olor es la descomposición de varias sustancias orgánicas en moléculas de tiol por irradiación de radiación de 254 nm ( 14 ). Aunque no existe ningún peligro por la generación de ozono, se debe mencionar que muchas de estas lámparas tienen tamaños, bases y longitudes similares a las de las lámparas fluorescentes normales y encajarán en dispositivos fluorescentes de iluminación general. Esto puede ser extremadamente peligroso y debe evitarse bajo cualquier circunstancia.
Para las lámparas de mercurio de baja presión de mayor potencia, la envoltura está hecha de cuarzo (sílice fundida). Dado que el cuarzo tiene una temperatura de fusión mucho más alta, se deben utilizar máquinas y procesos de producción muy diferentes para fabricar estas lámparas, y el proceso requiere más tiempo. Por tanto, estas lámparas son más caras. Al mismo tiempo, el uso de cuarzo permite cargas de potencia mucho más altas y, por lo tanto, una mayor potencia de salida, especialmente si se utilizan amalgamas de mercurio en lugar del (más típico) mercurio líquido ( 15 ).
El cuarzo estándar típico transmite bien en el rango de 180 nm. Por lo tanto, dicho cuarzo (cuarzo transparente fundido; una marca típica es cuarzo "214") transmitirá radiación de 185 nm y creará ozono. Aunque la generación de ozono no es muy eficiente (algo distante del pico de absorbancia de oxígeno de 160 nm, más la destrucción del ozono por 254 nm), estas lámparas se utilizan en generadores de ozono y aplicaciones de reducción de TOC (carbono orgánico total) y monitoreo de TOC ( 16). Cabe señalar que la salida a 185 nm (responsable de la generación de ozono) disminuye significativamente más rápido durante la vida útil de la lámpara que la salida de 254 nm. La razón es que la transmisión del cuarzo disminuye rápidamente con una exposición prolongada a rayos ultravioleta "duros" (185 nm). Para las lámparas de alta calidad, con frecuencia se usa una mejor calidad de cuarzo (un cuarzo sintético fundido más caro) que tiene un rendimiento de salida superior de 185 nm inicialmente y también durante la vida útil de la lámpara ( 17 ).
Mediante el uso de un cuarzo especial dopado con titanio (la marca típica es cuarzo “219”), el borde de transmisión del cuarzo se puede cambiar de manera confiable a aproximadamente 230 nm. Las lámparas fabricadas con este cuarzo no generarán ozono detectable y, por lo tanto, se denominan lámparas "sin ozono", y son las lámparas más comunes empleadas en aplicaciones de desinfección de agua y aire. Debe tenerse en cuenta que el ojo o cualquier otro método simple de examen no puede distinguir el cuarzo libre de ozono y el generador de ozono. Aún más frustrante es el hecho de que las lámparas con exactamente el mismo tamaño y enchufes se venden como lámparas "sin ozono" y "generadoras de ozono". Por lo tanto, se recomienda utilizar únicamente lámparas especificadas por el fabricante del equipo de fuentes acreditadas.
Generación de ozono mediante lámparas de xenón de alta presión
Las lámparas de arco corto de xenón de alta presión se utilizan principalmente en proyectores de cine, simuladores solares, reflectores y en equipos científicos. Aunque un espectro de xenón de alta presión emite longitudes de onda en el rango de 170 nm, todas las lámparas de uso común están hechas de cuarzo dopado "libre de ozono" y, por lo tanto, no generan ozono. Hay pocas lámparas generadoras de ozono en el mercado, pero solo se utilizan en equipos especiales que cuentan con medidas técnicas para evitar la emisión de ozono del equipo.
Generación de ozono mediante lámparas de mercurio de arco corto de alta presión
Estas lámparas se utilizan normalmente en proyectores de datos, aplicaciones de curado UV e instrumentos científicos. La mayoría de estas lámparas están hechas de cuarzo estándar. Sin embargo, estas lámparas no emiten una cantidad significativa de ozono. La razón es que estas lámparas funcionan a temperaturas muy altas (> 500 ° C). A esta temperatura, el borde de transmisión del cuarzo cambia a longitudes de onda más largas, lo que disminuye la transmisión a 184 nm de manera muy significativa. Además, la emisión de 185 nm se suprime significativamente a altas presiones de mercurio. Estas lámparas pueden generar algo de ozono durante la fase de inicio cuando la lámpara aún funciona a una presión más baja y el cuarzo está más frío. Sin embargo, el tiempo es muy limitado (normalmente 30 so menos) y la potencia de la lámpara durante este tiempo es mucho menor.
Generación de ozono mediante lámparas de excímero de xenón
Estas lámparas están diseñadas específicamente para la modificación de superficies y la generación de ozono y emiten a 172 nm. Pueden generar de manera eficiente grandes cantidades de ozono y están hechos de vidrio de cuarzo especial que tiene una transmisión espectral extra alta en estas longitudes de onda muy cortas. Estas lámparas solo se utilizan en equipos industriales personalizados que tienen funciones integradas para evitar la exposición humana al ozono.
Generación de ozono mediante lámparas de cloruro de criptón (KrCl) de 222 nm
Las lámparas de cloruro de criptón (KrCl) son una forma especial de lámparas excimer. Estas lámparas están llenas de una mezcla de criptón y un porcentaje muy pequeño de cloro y emiten principalmente a 222 nm. Este tipo de lámpara está experimentando un rápido crecimiento de aplicaciones en aplicaciones de desinfección, especialmente en espacios ocupados. El gráfico siguiente proporciona la emisión espectral de una lámpara de KrCl 222 nm (observe el gráfico semilogarítmico).
Comparando este espectro típico de una lámpara de KrCl sin filtrar con la absorción de oxígeno de la Fig , se encontrará que hay una cantidad insignificante pero detectable de radiación por debajo de 200 nm que puede producir ozono. Eso significa que existe la posibilidad de que este tipo de lámpara genere ozono. Sin embargo, la contribución de la longitud de onda principal de 222 nm a la generación de ozono suele ser insignificante.
Cabe señalar que el espectro es inherente a todas las lámparas de descarga de KrCl, por lo que normalmente no depende del fabricante, el diseño de la lámpara o la tecnología aplicada. Algunos fabricantes han desarrollado una tecnología de filtro sofisticada no solo para suprimir la radiación por encima de 230 nm, sino también para aplicar la tecnología de filtro para reducir las longitudes de onda por debajo de 200 nm y, por lo tanto, reducir aún más la generación de ozono.
También debe tenerse en cuenta que la cantidad total de ozono generado dependerá de la cantidad total de radiación óptica emitida (la potencia radiante en Watts). Por lo tanto, una lámpara de alta potencia (por ejemplo, 300 W eléctrica) creará proporcionalmente mucho más ozono que una lámpara de 12 W. Además, la duración operativa real ("tiempo de funcionamiento") de una lámpara (normalmente dentro de las 8 h) en la aplicación debe tenerse en cuenta en cualquier evaluación de la generación de ozono.
Conclusión
La concentración de ozono en espacios ocupados es una consideración de diseño importante cuando se utilizan lámparas emisoras de UV-C. Las lámparas de mercurio de baja presión sin ozono, fabricadas con un material de envoltura apropiado, no pueden producir ozono. Dado que existen lámparas de cuarzo que producen ozono en el mercado, que son similares en potencia y diseño a las lámparas de cuarzo sin ozono, los usuarios deben prestar especial atención a las especificaciones del fabricante y evitar el uso accidental de lámparas generadoras de ozono en todas las circunstancias en aplicaciones no especificadas. .
