UVオゾン基礎知識

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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

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。

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

オゾンの毒性