紫外线灯在水处理中的应用.doc

1、紫外线灯在水处理中的应用水 处 理 （ water treatment） 从 处 理 对 象 分 ， 它 包 括 废 水 处 理 、 城 市 供 水 处 理 、 饮用 水 处 理 、 纯 净 水 处 理 、 养 殖 场 水 处 理 ； 从 原 理 上 分 ， 有 消 毒 、 杀 菌 、 光 分 解 降 解 及 其它 光 化 反 应 ； 从 使 用 紫 外 线 杀 菌 灯 的 方 法 来 分 ， 有 直 接 把 灯 放 入 水 中 ， 称 为 浸 没 式 ； 紫外 线 灯 放 入 套 管 里 使 用 ， 称 为 过 流 式 。 （ 目 前 主 要 采 用 的 是 过 流 式 的 方 法 。 ）-

2、紫 外 线 杀 菌 灯 在 水 处 理 主 要 应 用 它 的 杀 菌 功 能 ， 比 如 过 流 式 的 设 备 工 作 原 理 是这 样 的 ： 经 水 泵 产 生 压 力 的 一 定 流 速 的 水 流 流 过 能 透 紫 外 的 石 英 套 管 外 围 ， 紫 外 线 灯 产生 的 254nm 紫 外 线 对 水 进 行 消 毒 、 杀 菌 。 其 特 点 是 水 流 流 速 很 快 ， 一 般 在 石 英 外 套 流过 的 时 间 为 不 超 过 1秒 ， 因 此 要 求 杀 菌 灯 的 紫 外 线 强 度 是 很 高 的 ， 一 般 要 求 在 表 面 强 度超 过 30000uw

3、/cm2。 要 产 生 如 此 高 的 紫 外 线 强 度 ， 需 选 用 高 强 度 大 功 率 的 紫 外 线 杀 菌灯 。 如 果 仍 然 想 通 过 延 长 时 间 来 提 高 消 毒 效 果 ， 那 么 一 般 选 用 较 长 的 灯 ， 做 较 长 的 设 备 ，或 在 不 锈 钢 外 壁 上 处 理 成 涡 流 旋 转 式 结 构 ， 来 延 长 水 流 过 的 时 间 。-对 于 高 档 产 品 ， 过 流 式 消 毒 方 法 不 仅 要 配 较 复 杂 的 结 构 ； 还 有 复 杂 的 控 制 系 统 ，如 紫 外 线 强 度 监 测 系 统 ， 水 温 监 测 系 统 ，

4、 消 毒 时 间 累 积 ， 紫 外 线 灯 监 控 、 故 障 报 警 、 自动 声 光 报 警 等 系 统 。 此 外 ， 过 流 式 设 备 对 环 境 与 处 理 对 象 也 有 要 求 ， 如 水 的 温 度 、 水 的透 明 度 对 消 毒 效 果 有 很 大 的 影 响 。 紫 外 线 杀 菌 灯 工 作 时 表 面 最 佳 温 度 为 40， 温 度过 高 或 过 低 都 会 影 响 紫 外 线 输 出 效 果 ； 水 的 透 明 度 越 差 ， 紫 外 线 越 易 被 吸 收 ， 利 用 率 就越 低 。-与 过 流 式 相 比 ， 浸 没 式 结 构 简 单 。 紫 外 线

5、 杀 菌 灯 直 接 放 在 水 中 ， 这 种 方 法 可 用于 流 动 的 动 态 水 ， 也 可 用 于 静 态 水 。 这 种 处 理 方 法 要 注 意 灯 管 有 可 能 由 于 意 外 情 况 发 生破 裂 ； 长 时 间 处 理 ， 灯 管 表 面 会 被 水 中 藻 类 等 污 染 物 覆 盖 ， 将 严 重 影 响 紫 外 线 透 出 。对 不 同 对 象 的 水 体 进 行 消 毒 ， 主 要 要 了 解 水 质 变 动 情 况 和 水 对 紫 外 线 的 透 过 率 。在 水 处 理 ， 除 消 毒 杀 菌 外 ， 紫 外 线 灯 还 用 于 光 催 化 反 应 ， 但

6、 目 前 只 停 留 在 试 验 室 研究 阶 段 。2、 产 品 的 一 般 设 计-对 设 备 的 设 计 ， 除 了 相 关 结 构 和 电 控 部 份 设 计 之 外 ， 一 项 重 要 指 标 是 消 毒 效 果 ，消 毒 效 果 我 们 一 般 用 紫 外 线 辐 照 剂 量 来 衡 量 ， 即 254nm 紫 外 线 辐 照 强 度 照 射 时 间 。辐 照 强 度 可 以 根 据 外 套 管 离 灯 管 表 面 距 离 来 测 试 强 度 ， 处 理 时 间 要 根 据 水 流 量 、 水 压 力 、进 水 管 尺 寸 来 定 ， 也 可 实 测 。 理 论 上 ， 照 射 剂

7、 量 要 达 到 30000uw.s/cm2， 剂 量 越 高 ，对 细 菌 杀 灭 率 越 高 。-实 际 上 ， 照 射 剂 量 在 系 统 工 作 时 是 很 难 测 试 的 ， 主 要 是 水 体 在 设 备 中 流 过 的 时间 往 往 难 以 估 计 和 测 试 （ 这 还 和 设 备 内 部 结 构 设 计 有 关 ） ， 所 以 通 常 用 水 流 量 和 紫 外线 灯 功 率 的 比 例 关 系 来 衡 量 消 毒 效 果 。-水 流 量 一 定 ， 则 需 要 一 定 总 功 率 的 紫 外 线 灯 ， 但 总 功 率 一 定 ， 还 有 多 种 选 择 方案 。 如 果

8、选 择 总 功 率 600瓦 的 紫 外 线 灯 ， 可 选 择 30只 20瓦 的 灯 ， 也 可 选 择 20只 30瓦的 灯 ， 还 可 选 择 6只 100瓦 的 灯 等 。 即 使 单 只 灯 功 率 一 定 了 ， 灯 的 长 度 还 不 一 定 。 可 选择 较 短 的 高 强 度 灯 ， 也 可 选 择 较 长 的 高 效 率 灯 。 具 体 设 计 时 ， 考 虑 设 备 的 长 度 、 体 积 ，如 果 允 许 设 备 长 ， 不 能 太 大 ， 则 采 用 细 长 的 灯 ， 这 样 支 数 相 应 减 少 ， 内 腔 空 腔 可 缩 小 。相 反 ， 设 备 设 计 不

9、 能 长 ， 可 大 的 ， 则 选 用 紫 外 线 灯 管 时 ， 宜 采 用 较 小 功 率 ， 支 数 较 多 的 。对 于 选 择 支 数 较 少 紫 外 线 灯 时 流 过 石 英 外 套 管 的 水 层 厚 度 要 厚 ， 紫 外 线 在 水 中 比 在 空 气中 更 容 易 衰 减 ， 它 的 衰 减 系 数 比 可 见 光 在 水 中 的 衰 减 要 大 得 多 。 只 能 允 许 水 层 厚 度 在1cm 左 右 ， 如 果 更 厚 ， 则 需 浪 费 更 多 的 紫 外 线 来 达 到 相 同 的 消 毒 效 果 。 即 紫 外 线 灯 应用 效 率 会 降 低 。2、 灯

10、 的 选 用-在 水 处 理 中 ， 尤 其 在 废 水 处 理 中 ， 应 用 高 强 度 的 紫 外 线 灯 是 很 有 必 要 的 。 因 为如 果 使 用 较 多 数 量 的 紫 外 线 灯 ， 那 么 镇 流 器 数 量 也 多 ， 线 路 更 复 杂 ， 控 制 部 分 也 更 复 杂 ，往 往 坏 一 只 灯 ， 就 要 停 机 更 换 ， 检 修 。 而 灯 和 镇 流 器 使 用 数 量 越 多 ， 坏 掉 一 只 的 概 率 也就 越 大 。-在 传 统 的 紫 外 线 灯 中 ， 功 率 一 般 只 能 做 到 几 十 瓦 ， 如 传 统 规 格 40瓦 、 30瓦 。如

11、 果 用 到 大 流 量 水 处 理 ， 总 功 率 需 几 千 瓦 ， 紫 外 线 灯 的 数 量 要 用 到 数 十 只 到 上 百 只 ， 设备 庞 大 ， 控 制 线 路 也 很 复 杂 。 当 用 大 功 率 的 紫 外 线 灯 ， 如 300瓦 ， 那 么 ， 灯 和 镇 流 器数 量 将 会 大 大 减 少 ， 可 简 化 设 备 。 提 高 设 备 安 全 可 靠 性 ， 降 低 设 备 的 故 障 发 生 率 。-高 强 度 的 紫 外 线 灯 在 水 处 理 中 使 用 ， 可 分 别 选 择 有 臭 氧 和 无 臭 氧 灯 。 所 谓 有 臭氧 灯 ， 指 这 种 灯 能

12、 透 185nm 谱 线 （ 汞 的 特 征 谱 线 ） ， 这 种 谱 线 在 空 气 中 能 电 离 空 气 产生 臭 氧 。 据 国 外 的 试 验 研 究 ， 185nm 的 紫 外 线 在 水 中 能 产 生 光 化 反 应 ， 即 电 离 H2O产 生 -OH（ 羟 基 ） ， -OH 有 很 强 的 氧 化 性 ， 可 矿 化 分 解 水 中 的 有 机 物 ， 降 低 TOC。 但是 一 般 的 低 压 汞 灯 ， 本 身 功 率 不 大 ， 185nm 紫 外 线 只 占 灯 管 所 耗 电 能 的 20%， 其 效果 不 显 著 ， 只 有 大 功 率 的 紫 外 线 灯

13、才 能 表 现 出 一 定 效 果 。-在 水 处 理 除 了 应 用 紫 外 线 灯 消 毒 杀 菌 之 外 ， 还 可 用 到 紫 外 线 灯 的 另 外 的 作 用 原理 。 这 就 是 光 催 化 反 应 。 这 种 原 理 现 已 被 成 功 用 于 空 气 净 化 。 我 们 在 市 场 上 看 到 的 光 催化 空 气 净 化 器 就 是 用 到 该 原 理 。 在 饮 用 水 和 废 水 净 化 方 面 ， 国 内 目 前 有 数 十 家 大 学 和 企业 在 研 究 ， 被 认 为 是 高 效 、 最 有 前 景 的 废 水 、 废 气 治 理 方 法 ， 是 国 内 外 研

14、 究 的 热 点 。-目 前 ， 光 催 化 活 性 较 好 的 是 TIO2。 理 论 上 ， 波 长 小 于 387nm 的 紫 外 线 都 能对 TiO2激 化 而 产 生 羟 基 而 起 到 催 化 氧 化 的 作 用 。 市 场 上 ， 我 们 可 看 到 两 个 波 长 的 紫 外线 灯 ， 一 种 是 254nm， 一 种 是 365 nm 的 紫 外 线 灯 ， 这 两 种 灯 现 都 已 成 功 用 于 光 催 化反 应 的 应 用 中 ， 254nm 的 紫 外 线 灯 也 就 是 通 常 的 杀 菌 灯 ， 是 由 汞 原 子 发 出 的 谱 线 。365nm 谱 线 的

15、 灯 ， 通 常 见 到 的 是 采 用 专 用 的 黑 色 的 透 紫 外 线 玻 璃 ； 另 一 种 是 采 用 石 英玻 璃 ， 涂 覆 365nm 的 紫 光 粉 ， 采 用 石 英 材 料 的 透 光 率 要 高 ， 但 其 成 本 也 相 应 增 高 。-用 在 水 处 理 ， 通 常 选 用 254nm 的 紫 外 线 灯 做 光 催 化 反 应 ， 这 实 际 用 到 了254nm 的 双 重 作 用 ， 一 是 直 接 杀 菌 ， 一 是 光 催 化 产 生 羟 基 矿 化 降 解 和 杀 菌 。在 空 气 净 化 方 面 ， 目 前 365nm 的 黑 光 管 和 254n

16、m 的 石 英 灯 都 已 有 人 成 功 运 用 ，本 公 司 已 开 发 峰 值 波 长 为 312nm 的 紫 外 线 灯 ， 该 灯 种 光 谱 在 UV-C、 UV-B、 UV-A等 波 段 均 有 分 布 ， 可 对 光 催 化 效 率 大 大 提 高 ， 是 光 催 化 应 用 首 选 灯 种 ！二 、 应 用 中 的 技 术 难 点1、 结 构 和 控 制-在 水 处 理 主 要 用 到 紫 外 线 灯 的 消 毒 杀 菌 功 能 ， 这 种 基 本 原 理 和 方 法 在 数 十 年 就已 被 人 发 现 。 在 欧 美 ， 紫 外 线 消 毒 技 术 已 是 一 种 普 及

17、 的 技 术 。 在 我 国 ， 九 十 年 代 开 始 引进 该 技 术 。 十 年 来 ， 这 种 技 术 做 为 一 种 “高 科 技 产 品 “被 努 力 地 推 向 市 场 。 然 而 ， 到 目前 为 止 ， 紫 外 线 消 毒 产 品 还 远 未 在 水 处 理 应 用 中 普 及 。-没 有 普 及 化 的 重 要 原 因 之 一 是 产 品 的 结 构 和 控 制 系 统 的 设 计 不 过 关 。 以 家 用 饮水 机 为 例 。 据 卫 生 部 门 的 检 测 ， 通 过 饮 水 机 放 出 的 水 ， 大 多 数 都 是 细 菌 严 重 超 标 ， 一 些名 牌 厂 家

18、 的 都 是 如 此 。 细 菌 产 生 的 主 要 原 因 就 是 饮 水 机 内 部 长 期 不 清 洗 而 滋 养 了 细 菌 。数 年 前 ， 有 人 想 把 紫 外 线 灯 用 到 饮 水 机 上 ， 对 系 统 环 境 和 水 进 行 消 毒 和 保 洁 。 可 到 现 在 ，市 场 上 也 没 看 到 饮 水 机 用 上 紫 外 线 灯 。-造 成 这 种 现 象 主 要 是 遇 到 结 构 设 计 上 的 难 题 。 紫 外 线 在 水 中 的 穿 透 力 很 差 ， 一般 仅 适 合 于 10cm 以 内 厚 度 的 静 态 水 层 ， 随 水 层 厚 度 增 加 ， 紫 外

19、 线 强 度 将 大 幅 度 衰 减 。因 此 紫 外 线 对 水 消 毒 最 适 合 薄 层 动 态 水 。 而 普 通 的 桶 装 饮 水 机 中 的 水 流 入 到 内 胆 中 是 静态 ， 而 且 储 存 时 间 无 法 确 定 ， 有 可 能 只 停 留 几 秒 种 （ 连 续 接 水 饮 用 ） ， 也 有 可 能 停 留较 长 时 间 。 这 就 在 时 间 控 制 上 也 增 加 了 难 度 。-有 人 想 到 ， 饮 水 机 主 要 存 在 的 是 二 次 污 染 ， 不 是 桶 装 水 带 入 的 细 菌 ， 只 要 让 内胆 中 的 水 不 受 二 次 污 染 就 可 以

20、 保 持 清 洁 。 没 有 必 要 达 到 紫 外 线 消 毒 杀 菌 的 剂 量 。 但 是 ，桶 装 水 不 合 格 的 报 道 我 们 经 常 见 到 。 显 然 ， 仅 仅 是 对 内 腔 进 行 消 毒 显 然 是 不 够 的 ！2、 光 催 化 反 应-光 催 化 氧 化 反 应 机 理 很 复 杂 。 一 些 纳 米 材 料 如 TiO2粉 体 复 合 光 催 化 剂 ， 被 紫外 线 照 射 后 ， 会 产 生 “电 子 -空 穴 “对 。 空 穴 有 很 强 的 扑 获 电 子 的 能 力 ， 遇 到 水 分 子 后 ，水 分 子 被 夺 去 电 子 形 成 羟 基 （ -

21、OH） ， 羟 基 有 很 强 的 化 学 活 性 ， 它 能 破 坏 有 机 物 的 化 学键 ， 达 到 旷 化 分 解 有 机 污 染 物 的 目 的 。-与 其 他 的 新 技 术 、 新 方 法 一 样 ， 光 催 化 有 他 的 新 颖 、 实 用 的 一 面 ， 也 有 其 局 限性 的 一 面 。 从 目 前 的 国 内 外 的 研 究 和 一 般 客 户 的 应 用 情 况 看 ， 光 催 化 有 其 以 下 的 局 限 性 ：-1、 光 催 化 不 管 用 在 空 气 还 是 用 在 水 里 ， 其 “光 解 “的 作 用 效 率 是 “有 限 的 “。 不能 夸 大 他

22、的 作 用 。 它 只 能 处 理 杂 质 含 量 很 低 的 空 气 和 溶 液 ， 而 且 处 理 时 间 较 长 。 比 如 空气 净 化 ， 只 能 用 于 污 染 气 体 （ 如 家 居 室 内 ） 较 轻 的 环 境 ， 而 不 能 用 于 如 废 气 、 废 水 等 的净 化 。-2、 光 催 化 作 用 只 能 局 限 于 光 触 媒 表 面 附 近 。 也 就 是 说 ， 杂 质 分 子 或 离 子 只 能 经过 光 触 媒 表 面 才 能 被 降 解 。 因 为 光 催 化 产 生 的 活 性 离 子 羟 基 （ -OH） 从 产 生 到 消 亡 的时 间 非 常 短 ，

23、（ 小 于 10-6秒 ） ， 他 既 不 能 在 水 中 “游 泳 “， 也 不 能 在 空 中 “飞 舞 “。 而 象 紫外 线 可 以 穿 透 一 定 水 层 （ 尽 管 它 在 水 中 衰 减 严 重 ） ， 臭 氧 、 氯 气 可 以 溶 解 在 水 里 ， 随水 漂 流 ， 作 用 时 间 可 达 数 十 分 钟 。-3、 光 催 化 活 性 易 受 外 界 因 素 影 响 。 如 水 中 某 些 离 子 对 光 催 化 分 解 有 促 进 作 用 ，也 有 些 离 子 或 分 子 对 光 催 化 有 “中 毒 “作 用 。 空 气 中 的 湿 度 对 光 催 化 效 果 也 有

24、影 响 。 还有 一 点 ： 必 需 有 水 分 子 光 催 化 才 能 进 行 。 在 仪 器 设 备 工 作 过 程 中 ， 光 催 化 实 际 效 果 往 往难 以 实 测 和 加 以 判 断 。 消 费 者 难 以 通 过 “感 性 认 识 “来 感 触 高 科 技 的 魅 力 ！-4、 无 法 测 定 “光 解 因 子 “。 以 消 毒 杀 菌 为 例 ， 消 毒 技 术 规 范 介 绍 有 生 物 灭菌 试 验 方 法 。 （ 这 种 试 验 方 法 程 序 复 杂 ， 成 本 较 高 ， 一 般 只 有 市 级 防 疫 部 门 试 验 室 才 有条 件 做 。 ） 通 常 情 况

25、 ， 我 们 可 测 试 消 毒 因 子 。 如 紫 外 线 消 毒 ， 我 们 可 测 试 254nm 紫 外线 强 度 ， 化 学 消 毒 可 测 试 化 学 因 子 如 环 氧 乙 烷 、 臭 氧 的 浓 度 ， 而 光 催 化 反 应 ， 目 前 无 法测 试 所 谓 “因 子 “， 如 羟 基 （ -OH） 浓 度 就 无 法 测 试 ， 原 因 是 一 其 存 在 时 间 很 短 ， 二 也 无恰 当 方 法 测 试 。 是 “摸 不 着 、 看 不 见 “的 东 西 。-1、 产 品 技 术 优 势大 功 率 高 强 度-前 面 我 们 已 经 讲 到 ， 在 水 处 理 ， 由

26、 于 他 的 使 用 特 点 要 求 紫 外 线 有 很 高 的 寿 命 和可 靠 性 。- -对 于 低 压 汞 灯 ， 如 荧 光 灯 ， 功 率 一 般 只 有 几 十 瓦 ， 如 果 把 功 率 做 到 上 百 瓦 ，就 被 认 为 “有 很 高 的 技 术 含 量 “。 因 为 功 率 做 大 ， 灯 管 的 管 壁 负 载 就 会 增 加 ， 这 样 往 往会 缩 短 寿 命 ， 或 者 大 大 降 低 光 的 输 出 效 率 。-大 功 率 紫 外 线 灯 管 我 们 现 已 可 做 到 300瓦 以 上 。 这 种 灯 的 管 流 超 过 1A， 功 率密 度 要 比 普 通

27、灯 显 著 大 ， 达 到 1 2瓦 /cm。 300瓦 紫 外 线 灯 在 1 0米 处 254nm 紫 外 线强 度 达 到 1200uw/cm2， 相 当 于 10只 40瓦 灯 的 紫 外 线 强 度 ， 表 面 紫 外 线 强 度 更 是 高 达70000 uw/cm2（ 在 此 强 度 下 消 毒 时 间 不 超 过 0 5秒 ） 。 在 高 功 率 密 度 情 况 下 ， 仍 有 较高 的 紫 外 线 输 出 效 率 ， 而 且 可 在 较 高 管 壁 温 度 （ 超 过 100） 条 件 下 工 作 。 使 用 漏 磁变 压 器 点 灯 ， 有 很 高 的 可 靠 性 ， 灯 管 寿 命 达 到 5000小 时 以 上 。-更 大 功 率 的 紫 外 线 杀 菌 灯 我 们 正 在 研 制 ， 灯 管 电 流 超 过 2A， 有 更 大 的 功 率 密 度 。