从杀菌灯浅谈石英玻璃的光透过与原料石英砂的处理

2020-04-20 15:56:12 来源：

杀菌灯

紫外线杀菌消毒原理

是利用适当波长的紫外线能够破坏微生物机体细胞中的DNA(脱氧核糖核酸)或RNA(核糖核酸)的分子结构，造成生长性细胞死亡和(或)再生性细胞死亡，达到杀菌消毒的效果。紫外线根据波长可分为四个不同的波段：UVA（400～315nm）、UVB（315～280nm）、UVC（280～200nm）和真空紫外线（200～100nm）。就杀菌速度而言，UVC处于微生物吸收峰的范围之内，可以在几秒钟之内杀死细菌和病毒。

核酸中嘌呤和嘧啶对波长260nm的紫外线吸收最强；波长 254nm 的紫外线主要被核蛋白吸收 。从下图可以看出，230nm-280nm的紫外线有最大的杀菌效果。

紫外线杀菌灯

紫外线杀菌灯实际上是属于一种低压汞灯。利用较低压汞蒸汽（<10-2Pa）被激化而发出紫外光，其发光谱线主要有两条：一条是254nm波长；另一条是185nm波长。由于普通玻璃灯管对紫外线的透过率不高，所以杀菌灯主要采用石英玻璃灯管以保证对紫外线的高透过率。

紫外线杀菌灯产生的254nm波长的紫外线直接杀灭微生物，而185nm波长的紫外线则主要以激发氧气产生臭氧的方式来杀菌。几种杀菌消毒的方式效果比较如下：

从图中我们可以看出，臭氧杀菌和紫外线杀菌的机理和应用场合是有差别的，有时候可以形成互补。一些场合需要使用臭氧和紫外线协同作用，通过保证石英玻璃灯管对254nm和185nm波长紫外线的高透过来实现；因为臭氧的浓度过高对于人体的健康是不利的，所以很多场合需要减少或者防止臭氧的产生，可以通过在制造石英玻璃管时添加钛和其他元素来实现：一定量的钛元素，可以充分滤掉185nm波长的紫外线，使185nm波长的紫外线不透过石英玻璃灯管溢出到环境中，而254nm波长的紫外线的透过不受影响。

使用紫外线杀菌灯的注意事项：

1、紫外线杀菌灯应避免直接照射到人的皮肤，不可用眼睛直视。

2、有臭氧产生的紫外线杀菌灯使用后应充分通风后才可以进入人员，避免臭氧对人体的伤害。

3、市面上一部分紫外杀菌灯使用价格低的高硼玻璃而非石英玻璃作为灯管，无论是紫外光的透过率还是透过率衰减都较正常灯管差很多。而且因为紫外光是一种不可见光，普通消费者没有质量鉴别的能力，部分质量低劣的杀菌灯起不到应有的杀菌消毒的作用。所以消费者应当尽量选用正规厂家生产的杀菌灯。

石英玻璃

不同的光学性质决定了不同种石英玻璃的用途。石英玻璃有两种主要应用思路：一种是通过掺杂实现光学性能的某种改变：如上文提到的通过掺钛生产的无臭氧紫外杀菌灯管，另外通过掺杂钛和铈等元素生产的滤紫外石英玻璃灯管可以过滤掉320nm前的几乎所有紫外线，通过掺杂铁和铬的化合物获得近似于“黑体”的石英玻璃，通过在合成石英中掺杂氟化物获得在157nm真空紫外波段透过率大于80%的高紫外透过的石英玻璃，通过掺杂各种金属化合物制成不同颜色的石英玻璃用于各种滤光片、滤光盒等。另一种是利用石英玻璃的高纯度高透过的特性，制成各光谱范围内的高透过光学器件：如羟基含量极低的的合成石英玻璃用于高端红外镜头等，杂质含量极低的合成石英玻璃用于半导体行业的光掩膜基板，天然石英砂制成的石英玻璃用作各种窗口材料等。

高纯度的石英玻璃有着优良的光透过率，理论上石英玻璃对从波长180nm的深紫外线到波长3500nm的红外线都有很高的透过率。但实际上仅有低杂质含量、低羟基的合成石英能接近理论水平，用天然石英砂熔制的石英玻璃因为杂质、羟基、氧空位及其他结构缺陷而导致透过率曲线的明显变化。

几种金属杂质在石英玻璃中情况如下：

铁（Fe）：Fe在石英玻璃中在Fe2+和 Fe3+两种价态。高价铁离子和低价铁离子都吸收紫外线，而且在可见光区有吸收。下图是在钠硅玻璃中两种铁离子在紫外光区的吸收光谱，可见高价铁离子的吸收系数远大于低价铁离子。研究表明铁含量为1ppm时和铁含量为0.1ppm时钠硅玻璃的紫外线透过曲线有明显差异，透过率随铁含量的升高而出现明显下降。

钛（Ti）：钛在石英玻璃中以两种形态存在，替代硅进入网络，或填在网络间隙中。因钛离子半径较硅大，替代硅进入网络会导致四面体畸变，影响网络的均匀连续性。而且钛氧键较硅氧键弱，易断裂。钛填隙在网络间会使邻近的四面体扭曲，产生局部应力，造成三种结构缺陷。石英玻璃中二氧化钛会强烈吸收紫外线，随着钛含量的增加，吸收边界将向长波方向移动，紫外截止波长更长。

稀土元素：

铈（Ce）：Ce以Ce3+和Ce4+两种状态存在于石英玻璃中，都吸收紫外线。Ce3+的吸收波长是305-320nm；Ce4+的吸收带是265nm，且比较宽广，吸收系数更高。在近紫外线的激发下产生强烈蓝色荧光，发光范围在350-650nm波长区间。

铕（Eu）、镱（Yb）、镨（Pr）、钐（Sm）等稀土元素进入石英玻璃中，在紫外线区间有吸收峰，在可见光和近紫外区间产生荧光。

石英砂

限于篇幅，合成石英和掺杂石英本文暂不讨论。原料石英砂和熔制气氛，都会影响石英玻璃中羟基含量，羟基含量主要影响红外光透过；石英玻璃熔制工艺还会影响石英玻璃中氧空位等结构缺陷，影响紫外光透过；作为原料工作者，我们能做的努力是降低石英砂的杂质含量，尤其是过渡金属的含量，提高石英玻璃的光透过水平。

用于石英玻璃行业的大多数石英砂原料，提纯到一定水平后，大多数过渡金属和几乎所有稀土元素的含量都很低，低于0.1ppm。这说明好的石英砂原料中进入晶格的杂质原子少，易于提纯。

过渡金属中铁和钛的含量是最引人关注的。其中铁元素因为在地壳中丰度高，而且对各种制品性能恶化大，所以是最常见又最讨厌的。从低于0.1ppm，到0.1-0.3ppm，0.3-0.5ppm，0.5-1ppm，1-5ppm，不同档次的铁含量对应了不同应用的要求。铁的极限提纯是个很有意思的话题，可以另文讨论。

而钛的含量，在经过常规提纯的步骤后，含量几乎不会再发生变化。如尤尼明系列的砂，即使经过各种处理后，钛的含量几乎恒定在1ppm以上。通常学术上认为钛原子替代硅原子进入到石英砂晶格中形成结构杂质，所以无法继续提纯。而实际上，石英砂中针状金红石晶体是经常可以观测到的，即使是在尤尼明CG料和IOTA-6的砂中也不例外。所以天然石英砂中钛应该是以上两种存在形式并存的。笔者尝试在某种极限状态下处理两种已经提纯后的石英砂，其中钛杂质含量分别从1.2ppm降到0.9ppm，0.7ppm降到0.38ppm。虽然该方法当前并不具有工业化生产的可行性，但至少从理论上提出了一种除钛的解决方案。

    作为石英行业的从业者，能间接为祖国抗击疫情做出贡献，感到十分自豪。希望在大家同舟共济下，疫情早日过去，一切恢复到正常轨道上来。中国加油！