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简述UV-LED消毒原理和使用 以及较传统办法的优越性

信息来源:LED透明屏厂家赫尔诺    编辑:LED显示屏厂家-赫尔诺


  饮用水安满是国家公共卫生安全体系的主要组成部分,与公民身体健康和社会安稳气味有关。2006年中国颁布了日子饮用水卫生规范(GB5749-2006),与1985年的旧规范对比,水质目标由35项添加至106项,特别是微生物目标由2项增至6项(总大肠菌群、耐热大肠菌群、大肠埃希菌、菌落总数、贾第鞭毛虫和隐孢子虫等微生物)。


  现在常用的消毒办法包含:氯气、二氧化氯、臭氧、超声波等,但均存在或多或少的坏处;因而,怎么满意新的日子饮用水规范、优化供水技能、加速技能革新也是许多供水公司所面临的现实疑问。


  1、惯例消毒技能及缺乏

  现在常用的消毒办法包含:氯气、二氧化氯、臭氧、紫外线(Ultraviolet,UV)和光催化剂等。


  1.1氯消毒

  氯气(Cl2)消毒是一种历史悠久的消毒技能,尽管这些年出现了多种新式技能,但加氯消毒仍然在水厂广泛使用,且Cl2灭活致病性原生动物的探求也报导较早。


  尽管Cl2对水中细菌、病毒等微生物有较好的杀灭作用,但对水中隐孢子虫和贾第虫的消毒作用欠安(CT值有必要高达7200mg·min/L以上,才能取得较好的灭活作用,但一起又会发生消毒副产物浓度高的坏处)。别的,Cl2在饮用水消毒进程中存在着许多安全隐患和健康危险,比方Cl2很容易和水中的微量有机物反应,发生三氯甲烷、卤乙酸、四氯化碳等致癌物质。因而,Cl2灭活水中隐孢子虫和贾第虫等致病性寄生虫的研讨逐步淡出大家的视界。


  1.2二氧化氯消毒

  二氧化氯(ClO2)具有:水中难分化、在较宽的pH值规模消毒作用安稳,且消毒作用远优于加氯消毒等优势;因而,这些年不断增加的国家和地区逐步知道、承受并实际使用ClO2消毒技能。Ruffell等人使用动物传染和试管脱囊技能评价了ClO2对隐孢子虫卵囊的Iowa变种的灭活作用,成果显现,在pH值为8.0,要到达99%的灭活率。


  1.3臭氧消毒

  臭氧作为一种新式消毒剂,已经在水处理范畴中开端被广泛使用。高档氧化进程可以发生许多的高活性羟基自由基,可以将有机物氧化或碳化为水、二氧化碳和无机酸;除此之外,臭氧对水中的微生物(细菌、病毒和原生动物等)也有极好的消毒作用。


  冉治霖等使用荧光活体染色法研讨了臭氧灭活水中隐孢子虫和贾第虫的灭活效能,并对机理进行了探讨,pH值为中性条件,投加初始浓度为3.0mg/L的臭氧,反应时刻7min,灭活率可到达99.9%;究其原因可能是高档氧化发生的羟基自由基可损坏的细胞构造、致使细胞膜通透性畸变、裂解,致使细胞器外泄,致使细胞凋亡。


  Facile报导了pH值6-8规模内、CT值为11.8-12.4(mg·min)/L之间,水中致病性寄生虫的灭活率可到达99%。尽管臭氧技能对去掉水中难降解有机物和致病性微生物非常有用,但运转本钱昂贵,且其本身特有的高自降解性,也决议了其无法变成水厂消毒的干流技能。


  1.4超声消毒

  李绍峰等在(频率19.8kHz,超声功率151W,温度为20℃)规模内,对水中隐孢子虫的灭活作用和机理进行了研讨,发现浊度的影响较大,1.13NTU时灭活率可达94.7%;而空化作用发生的机械剪切力可损坏细胞膜,致使细胞质外流,到达灭活作用。


  冉治霖等探讨了有机物、无机离子浓度等要素对超声灭活贾第虫的影响,也证明了浊度为影响超声灭活作用的主要要素。尽管超声消毒具有其高效、无消毒副产物二次污染等优势,但相同高耗能、本钱高,无法大规模使用。


  1.5紫外消毒

  紫外线(UV)关于水中病原微生物(比方:隐孢子虫和贾第虫)的消毒非常有用,UV在水中的消毒办法有:水中浸没式和平行悬浮式。波长、功率、悬浮间隔、照耀时刻等是影响消毒作用的主要要素。作用机理主要是核酸(DNA)的最大吸收波长(254nm),DNA可以吸收高能量紫外辐射,致使相邻的碱基错位,构成嘧啶二聚体(pyrimidine dimer),按捺或阻止核酸复制和蛋白表达,致使细胞凋亡。


  Bukhari等人探讨了中压汞灯对水中隐孢子虫的灭活作用进行了研讨,成果显现紫外光的剂量为19mJ/cm2时,隐孢子虫的灭活率可到达99.99%;但因为颗粒的保护作用,“两虫”的灭活功率会受到影响,石英套管的结垢疑问,光复活景象必定程度上约束了UV消毒的使用规模。


  可看出紫外消毒具有:消毒速度快、功率高,不影响水的物理性质和化学成分、不添加水的臭和味,操作简略、便于管理、易于完成自动化等优势;但惯例汞灯紫外消毒电耗较大,寿命短,浸水式构造杂乱,汞二次污染等缺乏,迫切需要一种新式的代替技能。


2、UV-LED技能的提出

  发光二极管(LED)通常是先在蓝宝石(Al2O3)衬底上使用金属有机物化学气相堆积(MOCVD)设备外延成长氮化镓(GaN)资料,然后在GaN资料上外延成长铝铟镓氮(AlInGaN)资料,再顺次别离外延成长GaN和AlInGaN,构成GaN和AlInGaN交织的多量子阱构造(MQW),此即为LED发光区的有源层。经过改动MOCVD外延成长条件,可以改动AlInGaN中Al组分、In组分和Ga组分的配比,以此来调理LED的发光波长。


  经过技能攻关,处理外表裂纹、晶体质量差、铝组分低、无法完成短波长发光和构造资料规划等疑问,关键技能取得突破后,将可研讨开发与取得高结晶质量无裂纹的高铝组分的AlInGaN资料,使其发射出来的是基地波长小于400nm的紫外光,然后制备得到实用的紫外发光二极管(UV-LED)。短波长的UV-LED半导体照明光源具有其它传统紫外光源无法比拟的优势,将其用来灭菌,在此基础上开发的紫外LED灭菌模块使用于水净化处理技能范畴,具有灭菌作用好、使用价值高的潜能,其商场使用前景非常广阔。


  因为蓝宝石衬底与GaN、InGaN资料不匹配,构成LED外延层中存在很高的位错密度,降低了LED外延片的质量。这种位错对蓝光LED的影响有限,但关于紫外LED的影响非常大。现在学术界公认的解说是在量子阱中存在点状的局域态,载流子(电子、空穴)一旦被写入到量子阱中,会被这些局域态捕获,并被牢牢的约束在其间,而无法移动到位错处被耗费,如下图所示。而紫外LED中InGaN的In组分很低,难以构成点状局域态,位错对载流子的影响很大,然后约束了紫外LED器材功率的进步。


  恰是因为紫外LED资料外延难度比蓝光LED大,所以行业界对紫外LED的研制投入较少,这也致使在这个范畴,国外大公司的专利较少,没有构成像可见光LED那样紧密的专利壁垒。并且,跟着紫外LED的用处得到推广,这些年在体系及封装范畴有许多公司参加商场竞争。可是上游外延公司发展却相对缓慢,对紫外LED商场的注重不行。因而对高效紫外LED外延技能进行研制,对完成具有自主知识产权的高效GaN基LED产业化具有非常主要的含义。


  3、UV-LED技能在水环境中的使用

  这些年,在UV-LED消毒方面,也逐步展开了一些研讨。


  Bowker等使用UV-LED技能研讨了光通量与几种非致病微生物之间的联系。根据UV-LED的数量和样品间隔间隔,运用COMSOL Multiphysics创立最好的UV-LED准直光束,降低了整体本钱。运用优化的UV-LED准直光束和低压汞灯准直光束的设备别离检查了三种微生物(大肠杆菌,乙型肝炎病毒株,T7)的灭活作用,对比了UV能量密度与灭活作用的联系,UV波长别离为:UV-LED(255nm和275nm)低压汞灯254nm。低压汞灯灭活大肠杆菌和MS-2的作用相较于UV-LED更佳;UVLED在波长为275nm时,T7噬菌体和大肠杆菌优于UV-LED(275nm)时的灭活作用。时刻-剂量的区别可能是因为微生物本身的修正机制构成的。


  Wurtele等研讨了根据GaN的UV-LED技能在水消毒进程的适用性,成果表明UV-LED是涣散和移动水处理体系的代替技能。评价了不一样水处理条件下UV-LED技能的功能特色,规划了在269nm和282nm波长对枯草芽孢的生物剖析试验。成果显现:在动态和静态条件下UV-LED均能有用灭活试验目标;动态试验表明灭活作用与光通量呈线形联系。


  Chevremont等研讨了在波长UV-A和UV-C条件下,UV-LED灭活污水中生物指示菌(粪大肠杆菌)的灭活作用。经过简略细菌培育,检查了细菌浓度、露出时刻、pH值和波长等四项目标,发现波长和露出时刻与灭活作用有关性更强。别的,检查了混合两种波长(280/365和280/405nm)光后的灭菌作用,发现露出60s后,没有细菌存活。


4、UV-LED消毒的机理

  紫外线是一种具有高能量的、肉眼无法辨认的光波,其波长小于400nm,存在于可见光谱紫外线端的外侧,因而称为紫外线。按波长规模分为UV-A(320nm~400nm)、UV-B(275nm~3 2 0 n m)、U V - C(2 0 0 n m~2 7 5 n m)、U V - D(100nm~200nm)四个波段,其间A、B、C三个波段又称为消毒紫外线。A、B、C三个波段均具有必定的消毒作用,尤以C波段消毒作用最好。光量子理论认为,光是物质运动的一种特殊方式,是一粒粒不连接的粒子流。每一粒波长253.7nm的紫外线光子具有4.9eV的能量。


  UV线对水的消毒灭菌主要是核酸(DNA)的最大吸收波长(254nm),DNA可以吸收高能量紫外辐射,致使相邻的碱基错位,构成嘧啶二聚体(pyrimidine dimer);按捺或阻止核酸复制和蛋白表达,致使细胞凋亡。


  现在研讨仅限传统紫外线灭活的机理研讨,而UV-LED作为一种新式的消毒技能可能与传统消毒机理之间存在或多或少的不同,因而UV-LED消毒的机理研讨有待进一步加强。


  5、UV-LED消毒研讨的必要性

  国外已在UV-LED灭活水中微生物和原生动物等方面展开了一些研讨,而国内在此方面的研讨尚属空白,研讨也限制在氯气、二氧化氯、臭氧、汞灯UV光源等惯例的水处理消毒办法。而从现在已有的文献来看,以上研讨尚存在许多缺乏,例如对水处理中浊度、有机物和无机离子的影响未作深入探讨,也未进行灭活动力学研讨,因而将该技能用于水中微生物和原生动物灭活的效能和技能参数还有待进一步给出;其次对低光通量灭活“两虫”的作用没有充分探求,低光通量对该技能的实际使用本钱影响无穷。


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