شاید برایتان جالب باشد بدانید پرتو فرابنفش یا اشعه UV بهصورت کاملاً اتفاقی و بدون برنامهریزی، وقتی یوهان ویلهلم ریتر، دانشمند آلمانی، مشاهده کرد که املاح نقره در مقابل تابش مستقیم نور آفتاب تیره میشود و رنگش تغییر میکند، کشف شد. ریتر متوجه شد نور خورشید از طیفهای مختلفی تشکیل شده است و پرتوهای فرابنفش یا همان اشعه UV نامرئی هستند و دقیقاً همین پرتوها، عاملی هستند که صفحات کاغذی که به کلرید نقره آغشته شده بودند را، تیره میکند.
این پدیده توسط ریتر به پرتوهای شیمایی نامگذاری شد. اشعه UV کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف دارد و میشود از آن میتوان در مقاصد گوناگون مانند عرصه پزشکی، صنایع نفت و گاز، پرورش شیلات و … بهره برد. در این مقاله با ما همراه باشید تا بدانید کاربردهای نور UV چیست؟ اشعه فرابنفش چیست؟ روشهای تأمین اشعه فرابنفش چیست و چه مضرات و فوایدی دارد.
اشعه UV چیست؟
نور خورشید تنها نور زرد رنگی نیست که به چشم دیده میشود. نور خورشید مجموعهای از طیفهای رنگی مختلف است که شامل امواج الکترومغناطیس با طول موجهای متفاوت است. از امواج با طول موج کوتاه یا یونیزان میتوان به نور مرئی، مادون قرمز و فرابنفش اشاره کرد.
در مقابل، امواج با طول موج بلند شامل میکرویوو و امواج رادیویی هستند. پرتو فرابنفش یا همان اشعه UV بخشی از این امواج الکترومغناطیس است که اثرات زیانبار شناختهشدهای بر باکتریها، ویروسها، قارچها و بهطور کلی بر میکروبها دارد. این پرتو UV در واقع در بین فاصله نور بنفش از تابش مرئی تا نرمترین تابش یونیزهکننده واقع شده است.
از نظر علمی و طی تقسیمبندی که در دومین کنگره بینالمللی نور (The Second International Congress on Light) در سال ۱۹۳۲ میلادی صورت گرفت، طول موج اشعه UV به سه طیف UVA که دارای طول موج ۳۱۵ تا ۴۰۰ نانومتر است، UVB با طول ۲۸۰ تا ۳۱۵ نانومتر و UVC با طول موج ۱۰۰ تا ۲۸۰ تقسیم شد.
علاوه بر این تقسیمبندی، متخصصین محیط زیست و پوست تقسیمبندی دیگر را بر اساس تأثیر بیولوژیکی طول موجهای مختلف بر پوست بدن انسان و حیوان و محیط زیست ارائه کردند در آن اشعه UV به سه طیف UVA با طول موج ۳۲۰ تا ۴۰۰ نانومتر، UVB با طول موج ۲۹۰ تا ۳۲۰ نانومتر و UVC با طول موجی بین ۲۰۰ تا ۲۹۰ نانومتر تقسیم میشد.
طبق تحقیقات، در ظهر یک روز آفتابی، اشعه تابشی نور خورشید شامل ۹۵ درصد طیف UVA و ۵ درصد طیف UVB است و یعنی کل طیف UVC و بخش بسیار زیادی از طیف UVB توسط لایه اوزون استراتوسفری جذب شده است.
عملاً اشعه گاما و پرتو ایکس که دارای طول موج کمتری هستند، قدرت نفوذ بسیار بالاتر و توان میکروبکشی بسیار بیشتری نسبت به پرتو فرابنفش یا همان اشعه UV دارند، اما کاربردی کردن و استفاده از آنها بسیار سخت و البته خطرناک است و به همین جهت کاربردهای نور UV با اهمیتتر میشوند.
در واقع تفاوت تأثیر این امواج الکترومغناطیسی بر میکروبها، باکتریها، ویروسها و قارچها به مقدار انرژی و طول موجشان وابسته است. توان و انرژی فوتونهایی که از منابع تابش تولید شده، به فرکانس آن بستگی دارد و با فرمول زیر محاسبه و نشان داده میشود:
- E = hf = hc/ λ
- E= انرژی یک کوانتوم (ژول)
- f= فرکانس یا تعداد نوسان در ثانیه (یا هرتز)
- h= ثابت پلانک (104 × 63/6 ژول- ثانیه)
- c= سرعت یا طول طی شده در واحد زمان (108 × 3 متر در ثانیه)
- l= طول موج پرتو (متر)
طیف UVA و UVB کاملاً بر ملانوسیتهای پوست اثرگذار هستند و باعث آزادسازی ملانین پوست میشوند. UVB معمولاً باعث حساسیت و التهابهای شدید پوستی میشود. UVC همانطور که دانستید دارای طول موج کمتر از ۲۸۰ نانومتر است و قدرت و توان میکروبکشی خوبی دارد.
بهطور کلی اشعه UV باعث منهدم شدن ژنوم میکروارگانیسمها که شامل باکتریها، ویروسها، قارچها و … است، میشود؛ فرقی نمیکند که از نوع DNA باشد یا از نوع RNA. به همین دلیل است که لامپهای UV را یکی از قویترین و مناسبترین روشها جهت گندزدایی آب در مراکز پرورش ماهی یا سیستمهای تصفیه آب محسوب میکنند.
علاوه بر این، از این سیستمهای گندزدا و ضدعفونیکننده در هواسازها و سیستمهای تهویه هوای فضاهای مختلف استفاده میکنند. در صنایع پیشرفته امروزی از لامپهای قوی UV به دلیل تأثیر زیادشان در ضدعفونی آب و هوا، در سیستمهای تصفیه و ضدعفونی آب علیالخصوص آب شهری، فاضلاب، مراکز پرورش ماهی، صنایع غذایی و … استفاده میشود.
در آخرین بخش از معرفی اشعه UV و کاربردهای نور UV به بخش UVR میرسیم. به UVR با طول موج کمتر از ۲۰۰ نانومتر، UVR خلأ گفته میشود. این طیف از UV به این دلیل که توان کمتری دارد و بهسرعت جذب هوا میشود، قادر نیست در آب نفوذ کند و اهمیت بیولوژیکی زیادی ندارد. اما با این حال هم این طیف به سه بخش از لحاظ میکروبکشی تقسیم شده است. این تقسیمبندی بر اساس نام کاشف آن ایجاد گشته است:
- Range of Schumann, from 185 to 120 nm
- Range of Lyman, from 120 to 50 nm
- Range of Millikan, from 50 to 10 nm
روشهای تأمین اشعه فرابنفش
منبع اصلی اشعه UV نور خورشید است. حدود ۱۰ درصد از امواج ساطع شده از نور خورشید را اشعه فرابنفش با UV تشکیل میدهد. از آنجا که پرتو فرابنفش کاربردهای مختلفی دارد و اشعه ساطع شده از نور خورشید برای تمام فعالیتها در سراسر کشور کافی نیست، با پیشرفت تکنولوژی، منابع دیگری برای تولید نور UV ساخته شده است. لامپ سیاه و لامپ بخار جیوه یک نمونه از آنها است. همچنین هنگام جوشکاری قوس الکتریکی نیز اشعه UV تولید میشود.
کاربردهای نور UV
همانطور که گفتیم، اشعه UV در صنایع مختلفی کاربرد دارد. در این بخش از مقاله کاربردهای اشعه UV را بررسی میکنیم.
استفاده از اشعه UV در سیستمهای تصفیه آب
برای تصفیه آب و تبدیل آن به آب شرب روشهای بسیار متنوعی وجود دارد. یکی از متداولترین روشها، کلرزنی است؛ اما این روش و استفاده از کلر برای تصفیه آب معایب و نگرانیهایی به همراه دارد و طی تحقیقات به عمل آمده، استفاده از اشعه UV یا فرابنفش یک روش آسانتر و کمخطرتر است که معایب و مضرات روشهای پیشین را ندارد.
در سرتاسر جهان بسیاری از مراکز تصفیه آب بهطور کلی تکنولوژی استفاده از کاربردهای نور UV را جایگزین کلرزنی کردهاند. دلایل بسیار زیادی برای ترجیح دادن روش استفاده از فرابنفش به جای کلر وجود دارد که میتوان از میان آنها به باقی ماندن بخشی از کلر در آب و آسیبهای زیستمحیطی اشاره کرد. باقی ماندن کلر در آب خصوصاً آب استخر موجب بروز حساسیت چشمی و التهابات پوستی در شناگران میشود.
همچنین ترکیب شدن کلر با مواد آلی که در آب وجود دارد باعث تولید هالومتان میشود. تری هالومتانهای اصلی شامل کلروفرم، دی برموکلرومتان، برمود کلرومتان و برموفرم میشود که شواهد علمی نشان از این دارد که این ترکیبات بسیار خطرناک و سرطانزا هستند. از این شواهد علمی میتوان به گزارشی اشاره کرد که در سال ۱۹۹۲ در مجله بهداشت همگانی امریکا منتشر شد که مستنداتش حاکی از افزایش ۱۵ تا ۳۵ درصدی برخی از سرطانها در میان کسانی بود که در معرض آب کلرزده قرار میگیرند. همچنین انستیتو ملی سرطان، ریسک ابتلا به سرطان را در افرادی که در معرض آب کلرزده قرار دارند، ۹۳ درصد بیشتر از دیگران ارزیابی کرد.
علاوه بر موارد اشاره شده، انگل کریپتوسپوریدیوم نسبت به کلر مقاوم است و موثرترین روش برای از بین بردن این انگل، جوشاندن آب است. علاوه بر جوشاندن آب، استفاده از فناوری اشعه UV نیز قادر است این انگل را از بین ببرد.
تصفیه فاضلاب از کاربردهای نور UV
عمر استفاده از اشعه فرابنفش جهت تصفیه فاضلاب و پساب کمتر از نیم قرن است. در همین سالهای اخیر بود که نوعی از لامپهای تحت اشعه UV طراحی، تولید و ساخته شد که در ابعاد بسیار کوچکشان دارای توان و قدرت ساطع کردن تابش حدود ۲۰ هزار برابر شدت نور خورشید در سطح دریا هستند.
در واقع گسترش و توسعه روش تصفیه آب بعد از مشخص گشتن خطرات و آسیبهای فرآوردههای جانبی روش کلرزنی و ناکارآمد بودن کلر در غیر فعالسازی کیست تک سلولیها در دوزهای متعارف اتفاق افتاد.
با پیشرفت تکنولوژی و کاملتر شدن تحقیقات، در روزگار جدید به سلامت عمومی افراد و محیط زیست توجه بیشتری میشود و از این جهت شرایط و قوانین جدیدی برای ممکن شدن مصرف بیخطر از پساب و فاضلاب تصفیه شده جهت آبیاری فراهم شود.
گندزدایی و ضدعفونی کردن پسابها برای استفاده مجدد و یا استفاده در مقاصد کشاورزی، معمولاً با بهرهگیری از عوامل و مواد شیمیایی صورت میگرفته است. روش کلرزنی یک فناوری تثبیت شده در خصوص ضدعفونی و تصفیه فاضلاب است؛ ولی استفاده از کلر برای ضدعفونی به خاطر نگرانیهای مختلف در حال بازنگری است.
با توجه به تحقیقات انجام شده در زمینه کاربردهای نور UV و افزایش دانش و تجربه متخصصان در زمینه مضرات گندزداهای شیمیایی، انتخاب اشعه UV یک انتخاب بهصرفه و مناسب است.
در سال ۱۹۸۸ میلادی چیزی حدود ۳۰۰ تصفیهخانه و در سال ۲۰۰۴ میلادی چیزی حدود ۴۳۰۰ تصفیهخانه فاضلاب و پساب در ایالات متحده امریکا (تقریباً بیش از ۲۰ درصد تمام تصفیهخانهها که معمولاً تازه تاسیس بودند) از فناوری اشعه UV جهت ضدعفونی پساب استفاده مینمودند.
تعداد تصفیهخانههای مجهز به فناوری اشعه UV در امریکا، اروپا و شرق آسیا به طرز قابل مشاهدهای افزایش پیدا کرده و انتظار میرود در سالهای آینده، توسعه و گسترش بیشتری نیز داشته باشد. به شکلی که امروزه پساب بسیاری از کارخانهها و یا فاضلابها با استفاده از اشعه UV با کیفیت بسیار بالا و بدون عوارض جانبی زیست محیطی، گندزدایی میشود.
استفاده از اشعه UV در صنایع کشاورزی و دامپروری
اشعه UV همانطور که پیش از این گفته شده، خواص میکروبکشی فراوانی دارد و این عملکرد در صنایع غذایی بسیار پرکاربرد است. پیش از بستهبندی مواد غذایی، آماده سازی یک تونل با اشعه UV میتواند باعث کاهش اسپور قارچها و جلوگیری از فاسد شدن فراوردههای غذایی شود.
حتی دیده شده که در فضای گلخانهها میکروبهای مخرب از طریق سیستمهای هواساز وارد محیط میگردند که با استفاده از اشعه UV در کانالهای هوای گلخانه میتوان این مشکل را رفع کرد.
امروزه در اکثر گلخانهها از نور مصنوعی و اشعه UV جهت کشت متراکم و مرغوب گیاهان استفاده میشود. اشعه فرابنفش در محدوده طیف UVC قادر است آب و محیط مورد استفاده جهت کشت محصول را به بهترین شکل تصفیه کند و با حذف میکروارگانیسمهای مضر برای رشد گیاهان، تولید بیشتر محصول را به همراه داشته باشد.
علاوه بر این، نگهداری بسیاری از میوهها و محصولات گیاهی حتی در شرایط سردخانهای هم رشد انواع باکتریهای سطحی و فاسد شدن محصول را به دنبال دارد. استفاده از لامپهای UV در این زمینه تا حد زیادی کمککننده است.
برای مثال در صنعت دامپروری، سیستمهای بر پایه اشعه UV و کاربردهای نور UV بهطور کامل عملکرد خود را نشان دادهاند. در بسیاری از مراکز آب مورد استفاده جهت پرورش دام یا طیور به فاضلاب و پساب آلوده شده و این میتواند دلایل متنوعی مانند راه پیدا کردن فاضلاب به آب چاه داشته باشد. میدانید که منطقاً امکان ضدعفونی و گندزدایی مداوم آب آشامیدنی برای دام یا طیور وجود ندارد، پس استفاده از اشعه UV تنها گزینه موجود است.
کاربردهای نور UV در صنعت شیلات
در نیمه دوم قرن ۲۰ میلادی، جمعیت جهان به یکباره از ۲.۵ میلیارد نفر در سال ۱۹۵۰ میلادی به ۶ میلیارد نفر در سال ۲۰۰۰ رسید و این یعنی تقاضا برای محصولات کشاورزی و غذایی به دلیل رشد جمعیت و افزایش درآمد به چیزی بیش از سه برابر افزایش پیدا کرد. در این بین مصرف آبزیان نیز افزایش یافت.
تا سال ۱۹۸۰ میلادی افزایش مصرف آبزیان به دلیل توسعه و افزایش صید ماهیان و دیگر آبزیان بود. البته در سالهای گذشته پرورش آبزیانی مانند ماهی قزلآلا کمی تا قسمتی توانسته کمبودها در این زمینه را جبران کند.
سهم آبزیان در تأمین غذای انسانها تا حوالی سال ۲۰۲۵ باید به چیزی حدود ۱۶۴ میلیون تن برسد که ۶۴ میلیون تن از این مقدار مربوط به پرورش آبزیان در مراکز و ۱۰۰ میلیون آن از صید دریایی است. و این در حالی است که هماکنون فقط حدود ۱۵ میلیون تن آبزی در جهان تولید شده است.
در این بین کشور ایران با داشتن ۱۰۰۰ کیلومتر مرز دریایی در شمال کشور و حدود ۱۶۰۰ کیلومتر در جنوب کشور، از معدود مناطقی است که استعداد بالقوه پرورش آبزیان دریایی را دارد.
توسعه صنعت شیلات در ایران در سالهای گذشته رشد بسیار زیادی داشته است و البته که با مشکلاتی هم مواجه بوده است. یکی از مشکلات موجود بر سر این راه، بروز بیماریهای عفونی است که منشأ ویروسی و باکتریایی دارد.
بروز و شیوع این نوع بیماریها در برخی مناطق کشور در صنعت پرورش ماهی قزلآلا مورد توجه قرار گرفته است و تاکنون بیماریهایی مانند ویروسهای نکروز عفونی بافتهای خون ساز (IHN)، سپتی سمی خونریزیدهنده ویروسی (VHS)، نکروز عفونی پانکراس (IPN) و باکتریهای مختلفی ما استرپتوکوکوزیس، لاکتوکوکوزیس، یرسینیوزیس و سپتیسمیهای ناشی از آئروموناسهای متحرک در بسیاری از مزارع پرورش قزلآلای کشور شناسایی شده است.
معمولاً انتقال این نوع بیماریها از طریق آب صورت میپذیرد و یکی از عوامل خسارتزا برای صنعت پرورش آبزی است. بیماریهای ماهیان شامل انواع بیماریهای غیرعفونی و بیماریهای عفونی است که در نهایت اگر از آنها جلوگیری نشود، این صنعت بهجای ایجاد سود، ضرر ده هم میشود.
رفع این مسئله غیرممکن نیست. شناسایی دقیق بیماریها و مشکلات موجود در صنعت پرورش آبزی، تجزیه و تحلیل چگونگی شکل گرفتن و مسری شدن بیماریها و بررسی راههای انتقال آن بخشی از اقداماتی است که برای رفع این مشکل باید در ابتدا انجام شود. در نهایت، کاربرد روشهایی جهت گندزدایی که قادر باشد بهطور مؤثر و مفید بیماریهای مذکور را کنترل کند، منجر به کاهش تلفات و افزایش پرورش ماهیها میشود. با تمام این حرفها، یکی از این روشهای گندزدایی و ضدعفونی مؤثر، استفاده از اشعه فرابنفش یا UV است.
اشعه فرابنفش و دستگاههایی که به لامپ UV مجهز هستند، در مزارع پرورش ماهی به سه شکل برای قرارگیری در جریانهای ورودی (Inflow Waters)، برای قرارگیری در سیستمهای گردشی (Recirculation Systems) و برای قرارگیری در پساب و فاضلاب خروجی (Effluent Discharges) مورد استفاده قرار میگیرند.
در صنعت پرورش آبزی باکتریهای بیماریزا و موجودات تک سلولی هدف اشعه UV قرار میگیرند. این روش مدتها است که بهعنوان روش تصفیه استفاده میشود. استفاده از این فناوری در چند سال گذشته بسیار همهگیر شده است و از مزایای آن میتوان به عدم تاثیرگذاری اشعه UV بر ماهیها اشاره کرد؛ زیرا عملکرد این فناوری در خارج از محل پرورش آبزی و ماهی انجام میگردد.
در واقع آب پیش از رسیدن به ماهی یا تخم ماهیها تحت تابش دوز مناسبی از اشعه فرابنفش قرار گرفته و نهایتاً جهت پرورش و تکثیر ماهیان استفاده میشود. کاربردهای نور UV در صنعت شیلات شامل موارد زیر است:
- تغییر نکردن رنگ، بوی، کیفیت فیزیکی و کیفیت شیمیایی آب
- ضدعفونی میکرواورگانیسمهای مقاوم به کلر و اوزون
- رفع آلودگیهای موجود در آب بدون باقی ماندن مواد شیمیایی پس از انجام عملیات
- ضدعفونی بسیار سریع
- عدم تشکیل ترکیبات مضر شیمیایی در آب
- هزینه پایین جهت گندزدایی و ضدعفونی
کاربرد اشعه UV در پزشکی و تجهیزات درمانی
محیطهای بیمارستانی قادر هستند در صورت عدم ضدعفونی و گندزدایی مناسب، باعث بروز عفونتهای بیمارستانی شود. این عفونتهای بسیار مهلک و آسیبزا که در بسیاری از موارد هم مقاوم به آنتی بیوتیک هستند، خطر جدی علیه سلامت بیماران، مراجعهکنندگان و کادر درمانی به حساب میآیند.
میتوان اقدامات مختلفی جهت ضدعفونی فضای بیمارستانها و حفظ آن از عوامل بیماریزا صورت داد؛ مثلاً استفاده از ضدعفونیکنندههای مختلف نمونهای از آن است.
مورد دیگر کاربردهای نور UV، استفاده از لامپهای تحت تکنولوژی UV در اتاقهای عمل است. در مجله امریکایی کنترل عفونت، گزارشی از یک مطالعه به چاپ رسیده است که نشان میدهد فناوری ضدعفونی و گندزدایی با اشعه ماورا بنفش، چیزی حدود ۹۷٫۷ درصد از پاتوژنهای (عوامل بیماریزا) موجود در اتاقهای عمل را نابود میکند و با استفاده از UV میتوان مقدار زیادی از باکتریهای مقاوم به آنتی بیوتیک را بهطور کلی از بین برد.
علاوه بر این مورد، برای ضد عفونی سطوح بیمارستانی هم دستگاههای مجهز به UV متحرکی ساخته شده که میتواند محیط پیرامون را بهخوبی ضدعفونی کند.
لازم به ذکر است در درستورالعمل کشوری نظام مراقبت عفونتهای بیمارستانی وزارت بهداشت آورده شده است که استفاده از اشعه UV با پراکسید هیدروژن باعث افزایش ضد اسپوری به میزان ۴۰۰۰ برابر بیشتر از پراکسید هیدروژن تنها میگردد.
این فناوری نوین قادر است پاکیزگی محیطی را تا حد بسیاری بهبود ببخشد و موجب کاهش پاتوژنهایی شود که قادر هستند به شکل بالقوه موجب بروز عفونت گردند. علاوه بر اینها، از لامپهای دارای اشعه UV در فضاهای آزمایشگاهی مانند آزمایشگاههای میکروبیولوژی که باید استریل باشند، استفاده میشود.
کاربردهای نور UV در صنعت نفت و گاز
برخی باکتریها مثل انواع احیاکننده سولفات میتوانند در شریط بیهوازی و حتی در آب هم رشد کنند و همراه با به چاههای استخراج نفت تزریق شوند و باعث تولید فراوردههای مضر H2S و FeS گردند. رشد این باکتریهای مضر در داخل لولهها و اتصالات موجب به وجود آمدن آسیب و خسارات بسیار زیادی برای خطوط و لولهها شوند و علاوه بر این، تأثیر مخربی بر کیفیت نفت بگذارند.
مشخصاً در چنین وضعیت استفاده از هیچ نوع ضدعفونیکننده و گندزدایی برای حذف باکتریها امکانپذیر نیست؛ پس بهترین روش برای جلوگیری از تأثیر مخرب این میکروارگانیسمهای مضر، استفاده از اشعه فرابنفش یا UV است.
لازم به ذکر است که دستگاههای مجهز به UV که در چنین محیطهایی مورد استفاده قرار میگیرند، در برابر خورندگی کاملاً مقاوماند و به خاطر سختی زیاد آب و شرایط خاصشان معمولاً قدرت بسیار بیشتری از نمونههایی دارند که مورد استفاده برای گندزدایی آب شیرین قرار میگیرند.
در این مقاله با اشعه UV، کاربردهای نور UV و منابع تأمین آن آشنا شدید. دانستید که این اشعه چه فوایدی دارد و با کنترل مضراتش میتوان چه استفادههای مفیدی از آن کرد. تکنولوژی در سراسر دنیا روزبهروز در حال پیشرفت است و متخصصان تلاش میکنند تا به روشهای نوینی برای بهرهبرداری از اشعه UV برسند، در صنایع مختلف از آن استفاده کنند و مضرات آن را به حداقل میزان خود برسانند. امیدواریم توانسته باشیم به شما کمک کنیم.