UVC LED 水消毒的系統(tǒng)方法
發(fā)布時間：2021-09-23 11:25
來源：螢光創(chuàng)新
紫外線已成為消毒界的明星。它越來越多地用于需要替代消毒選項的關(guān)鍵應(yīng)用。紫外線消毒有幾個優(yōu)點，包括：
1.不含化學(xué)品 紫外線可在不使用有害化學(xué)物質(zhì)的情況下提供物理治療，沒有 DBP，沒有化學(xué)處理產(chǎn)生有害消毒副產(chǎn)物的風(fēng)險。
2.有效的病原體滅活 紫外線對多種水源性病原體非常有效，包括耐氯生物、如隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲。
3.低維護(hù) 堅固的技術(shù)易于使用和維護(hù)，歷史上，傳統(tǒng)的氣體放電（汞）燈用于水處理系統(tǒng)以發(fā)射紫外線。
最近，一種在殺菌波長范圍（250 至 285 nm）內(nèi)發(fā)射的新型光源 (UV LED) 已迅速開發(fā)并應(yīng)用于小流量水處理系統(tǒng)。除了上面列出的紫外線消毒技術(shù)的核心優(yōu)勢外，UVC LED 還具有其他優(yōu)勢，包括：
1.不含汞 傳統(tǒng)的紫外線燈含有汞，但紫外線 LED 不含有害物質(zhì)，從而消除了因燈管破損而導(dǎo)致汞溢出的風(fēng)險。
2.占地面積小 與傳統(tǒng) UV 系統(tǒng)相比，高功率密度 UVC LED 和高級的控制可實現(xiàn)更小的占地面積。
3.即時開/關(guān) 系統(tǒng)對間歇流量友好，可以立即打開和關(guān)閉，無需任何預(yù)熱時間要求，這也增強(qiáng)了節(jié)能效果并延長了燈的使用壽命。
4.無限循環(huán) 燈管壽命不受開/關(guān)周期的影響，允許無限次循環(huán)。
5.溫度無關(guān) LED 不會將熱量傳遞到水中，因此，無論水溫如何都可以限制燈污染并確保恒定的紫外線輸出。
在更高的層面上，LED 提供與汞燈相同的物理消毒安全性。然而，重要的是檢查 UVC LED 和汞燈之間的根本區(qū)別需要新的思維和設(shè)計方法來充分利用這種令人興奮的新光源的潛力，需要一種整體的系統(tǒng)方法來充分利用 UVC LED 提供的巨大潛力。以下是與 UVC LED 系統(tǒng)開發(fā)相關(guān)的關(guān)鍵工程問題：
光源的性質(zhì)、穩(wěn)健性和可靠性
主要的設(shè)計挑戰(zhàn)是了解完全不同的光源，殺菌波長略有不同。必須注意充分表征其穩(wěn)健性和可靠性，為這種設(shè)計轉(zhuǎn)變奠定基礎(chǔ)的一個關(guān)鍵是這兩種燈之間的發(fā)射曲線差異（圖 1）。僅從這張圖，就很容易看出需要改變 UV 反應(yīng)器設(shè)計的幾何形狀。汞燈需要圓柱形設(shè)計，而 UVC LED 具有光發(fā)射曲線，可以使用但不需要圓柱形輪廓。除了具有根本不同的發(fā)射曲線外，還必須檢查 UVC LED 的光譜輸出。隨著低壓汞燈的普及，254 nm 已被認(rèn)為是理想的波長，盡管峰值殺菌效率介于 260 和 270 nm 之間，但具體還是取決于特定病原體。UVC LED 是準(zhǔn)單色的（大部分輸出落在 10 納米的間隙內(nèi)），但可以設(shè)計為殺菌范圍內(nèi)的各種波長，以針對特定病原體或一般峰值病原體紫外線敏感性。（例如，255、265、275 nm 等）。設(shè)計人員對波長的選擇通常取決于成本、壽命、目標(biāo)病原體和紫外線強(qiáng)度輸出的組合。此外，由于缺乏使用這種新型創(chuàng)新光源的經(jīng)驗，制造商必須對 UVC LED 進(jìn)行廣泛的預(yù)測試，以便對這些設(shè)備的耐用性和發(fā)射時間充滿信心，UVC LED 測量和測試設(shè)備對于產(chǎn)生這些重要數(shù)據(jù)至關(guān)重要。
反應(yīng)器設(shè)計
主要的設(shè)計挑戰(zhàn)是通過設(shè)計高效的紫外線反應(yīng)器來提高整體系統(tǒng)效率。由于燈發(fā)射曲線的差異，采用 LED 的處理室有可能與使用傳統(tǒng)汞燈的處理室大不相同。設(shè)計人員必須找到一種方法來有效地在反應(yīng)室內(nèi)分配這種新光源。目前，商用 UVC LED 的輸出功率低于 100 mW（對于單個設(shè)備，大約 3.5 mm 2) 與 17 瓦低壓汞燈（約 350 毫米 x 15 毫米）相比。盡管單個 UVC LED 不如單個汞燈強(qiáng)大，但它們的 UVC 輸出和功率密度（每單位面積的輸出）在過去幾年中呈指數(shù)級增長。因此，必須付出更多努力設(shè)計高效的紫外線反應(yīng)器，以補(bǔ)償和維持水處理系統(tǒng)的整體效率。一些設(shè)計可能很優(yōu)雅，例如在管道內(nèi)襯上 LED（如圖 2 所示），但整體效率必須是驅(qū)動前提。一旦 UVC LED 技術(shù)成熟到可見光 LED 技術(shù)的水平并且非常高效，它們幾乎可以放置在任何配置中；但就目前而言，UVC LED 系統(tǒng)只有在圍繞極其高效的反應(yīng)器設(shè)計構(gòu)建時才能有效。目前只有少數(shù) UVC LED 處理系統(tǒng)可用，每個系統(tǒng)都有不同的反應(yīng)器設(shè)計，高效的反應(yīng)器設(shè)計不容易發(fā)現(xiàn)，開發(fā)團(tuán)隊花費數(shù)年時間設(shè)計和驗證比基于汞燈的系統(tǒng)更高效的新型反應(yīng)器配置。先進(jìn)的建模工具，例如計算流體動力學(xué)和有限元分析，與物理測量技術(shù)（例如生物劑量學(xué)和光度計）一起部署。
熱管理
主要的設(shè)計挑戰(zhàn)是管理 UVC LED 發(fā)出的熱量以確保燈的長壽命?；?LED 的系統(tǒng)的主要優(yōu)勢之一是它們不會將熱量傳遞到水中（圖 3）。LED 在設(shè)備的前表面發(fā)出所有光，在后表面發(fā)出熱量，而汞燈則通過同一表面發(fā)出光和熱；UVC LED 比基于汞的燈發(fā)出更多的熱量，而后者必須正確管理。這可以通過多種方式完成，并將有助于延長系統(tǒng)的使用壽命，需要新的技能或?qū)＜也拍苡行У赝瓿蛇@項任務(wù)。如果 LED 保持高溫，則 LED 的紫外線輸出會減少，并且系統(tǒng)的消毒效率會隨著時間的推移而降低。實施熱減熱技術(shù)和熱量監(jiān)測是維持長效 UV LED 的關(guān)鍵。根據(jù)使用情況，與傳統(tǒng)汞燈的年度更換要求相比，這些燈的更換間隔可為幾年。
系統(tǒng)監(jiān)控/故障排除
主要的設(shè)計挑戰(zhàn)是了解影響 UVC LED 壽命和性能的關(guān)鍵參數(shù)并有效地監(jiān)控它們。實時監(jiān)測消毒性能和警報指示對于有效的 UVC LED 系統(tǒng)至關(guān)重要，不僅要知道要跟蹤哪些指標(biāo)，還要知道如何實施它們，這對于確保系統(tǒng)信心至關(guān)重要。智能設(shè)計包括監(jiān)控?zé)舻慕】禒顩r以及哪些檢查點需要錯誤指示器、警報和系統(tǒng)關(guān)閉協(xié)議。這種跟蹤為最終用戶提供了所需的工具，以確保滿足適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)，并且他們的系統(tǒng)處于所需的滅活水平和預(yù)期壽命。
將 UVC LED 光源引入水消毒行業(yè)對設(shè)計人員和用戶提出了挑戰(zhàn)，以改變他們對紫外線消毒的看法。雖然結(jié)合了以前用于汞燈的一些設(shè)計原則，但在許多情況下，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)變才能從模擬消毒過渡到數(shù)字消毒。與關(guān)注燈的效率相比，更重要的是關(guān)注總系統(tǒng)效率，這取決于燈效率和反應(yīng)器效率。因此，當(dāng)全世界都在等待 UVC LED 變得更高效時，反應(yīng)器設(shè)計成為系統(tǒng)效率的決定性因素。汞燈的效率適中，其管狀幾何反應(yīng)器的效率也適中。目前，UVC LED光源的效率較低，因此必須與效率極高的反應(yīng)器配套使用，才能使系統(tǒng)的效率達(dá)到或超過汞基水處理系統(tǒng)的效率。
結(jié)論
許多設(shè)計人員很快了解到用于汞燈的傳統(tǒng) UV 反應(yīng)器不適用于 LED 驅(qū)動系統(tǒng)。流體動力學(xué)需要高度先進(jìn)的反應(yīng)器，以便得到一致有效的效果。隨著UVC LED的快速發(fā)展，LED的效率會提高，而價格會下降。因此，UVC LED 最終將得到廣泛應(yīng)用，而無需關(guān)注反應(yīng)器效率。然而，在可預(yù)見的未來，在選擇部署 UVC LED 設(shè)備時，整體系統(tǒng)設(shè)計至關(guān)重要。用戶、監(jiān)管者和水系統(tǒng)設(shè)計者需要意識到這一點，并了解建造和評估高效殺菌器需要什么，因為正如我們所知，并非所有殺菌器效果都是一樣的。
青島螢光創(chuàng)新科技有限公司，擁有專業(yè)的博士后團(tuán)隊，專注于紫外殺菌應(yīng)用的研究，經(jīng)過多年深耕紫外行業(yè)，公司獲得多項國家發(fā)明和實用新型專利。目前多款殺菌模組類產(chǎn)品已經(jīng)投入市場。更多詳細(xì)內(nèi)容可以瀏覽公司網(wǎng)站www.diwera.com聯(lián)系公司索取或者關(guān)注微信公眾號。
1.不含化學(xué)品 紫外線可在不使用有害化學(xué)物質(zhì)的情況下提供物理治療，沒有 DBP，沒有化學(xué)處理產(chǎn)生有害消毒副產(chǎn)物的風(fēng)險。
2.有效的病原體滅活 紫外線對多種水源性病原體非常有效，包括耐氯生物、如隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲。
3.低維護(hù) 堅固的技術(shù)易于使用和維護(hù)，歷史上，傳統(tǒng)的氣體放電（汞）燈用于水處理系統(tǒng)以發(fā)射紫外線。
最近，一種在殺菌波長范圍（250 至 285 nm）內(nèi)發(fā)射的新型光源 (UV LED) 已迅速開發(fā)并應(yīng)用于小流量水處理系統(tǒng)。除了上面列出的紫外線消毒技術(shù)的核心優(yōu)勢外，UVC LED 還具有其他優(yōu)勢，包括：
1.不含汞 傳統(tǒng)的紫外線燈含有汞，但紫外線 LED 不含有害物質(zhì)，從而消除了因燈管破損而導(dǎo)致汞溢出的風(fēng)險。
2.占地面積小 與傳統(tǒng) UV 系統(tǒng)相比，高功率密度 UVC LED 和高級的控制可實現(xiàn)更小的占地面積。
3.即時開/關(guān) 系統(tǒng)對間歇流量友好，可以立即打開和關(guān)閉，無需任何預(yù)熱時間要求，這也增強(qiáng)了節(jié)能效果并延長了燈的使用壽命。
4.無限循環(huán) 燈管壽命不受開/關(guān)周期的影響，允許無限次循環(huán)。
5.溫度無關(guān) LED 不會將熱量傳遞到水中，因此，無論水溫如何都可以限制燈污染并確保恒定的紫外線輸出。
在更高的層面上，LED 提供與汞燈相同的物理消毒安全性。然而，重要的是檢查 UVC LED 和汞燈之間的根本區(qū)別需要新的思維和設(shè)計方法來充分利用這種令人興奮的新光源的潛力，需要一種整體的系統(tǒng)方法來充分利用 UVC LED 提供的巨大潛力。以下是與 UVC LED 系統(tǒng)開發(fā)相關(guān)的關(guān)鍵工程問題：
光源的性質(zhì)、穩(wěn)健性和可靠性
主要的設(shè)計挑戰(zhàn)是了解完全不同的光源，殺菌波長略有不同。必須注意充分表征其穩(wěn)健性和可靠性，為這種設(shè)計轉(zhuǎn)變奠定基礎(chǔ)的一個關(guān)鍵是這兩種燈之間的發(fā)射曲線差異（圖 1）。僅從這張圖，就很容易看出需要改變 UV 反應(yīng)器設(shè)計的幾何形狀。汞燈需要圓柱形設(shè)計，而 UVC LED 具有光發(fā)射曲線，可以使用但不需要圓柱形輪廓。除了具有根本不同的發(fā)射曲線外，還必須檢查 UVC LED 的光譜輸出。隨著低壓汞燈的普及，254 nm 已被認(rèn)為是理想的波長，盡管峰值殺菌效率介于 260 和 270 nm 之間，但具體還是取決于特定病原體。UVC LED 是準(zhǔn)單色的（大部分輸出落在 10 納米的間隙內(nèi)），但可以設(shè)計為殺菌范圍內(nèi)的各種波長，以針對特定病原體或一般峰值病原體紫外線敏感性。（例如，255、265、275 nm 等）。設(shè)計人員對波長的選擇通常取決于成本、壽命、目標(biāo)病原體和紫外線強(qiáng)度輸出的組合。此外，由于缺乏使用這種新型創(chuàng)新光源的經(jīng)驗，制造商必須對 UVC LED 進(jìn)行廣泛的預(yù)測試，以便對這些設(shè)備的耐用性和發(fā)射時間充滿信心，UVC LED 測量和測試設(shè)備對于產(chǎn)生這些重要數(shù)據(jù)至關(guān)重要。
反應(yīng)器設(shè)計
主要的設(shè)計挑戰(zhàn)是通過設(shè)計高效的紫外線反應(yīng)器來提高整體系統(tǒng)效率。由于燈發(fā)射曲線的差異，采用 LED 的處理室有可能與使用傳統(tǒng)汞燈的處理室大不相同。設(shè)計人員必須找到一種方法來有效地在反應(yīng)室內(nèi)分配這種新光源。目前，商用 UVC LED 的輸出功率低于 100 mW（對于單個設(shè)備，大約 3.5 mm 2) 與 17 瓦低壓汞燈（約 350 毫米 x 15 毫米）相比。盡管單個 UVC LED 不如單個汞燈強(qiáng)大，但它們的 UVC 輸出和功率密度（每單位面積的輸出）在過去幾年中呈指數(shù)級增長。因此，必須付出更多努力設(shè)計高效的紫外線反應(yīng)器，以補(bǔ)償和維持水處理系統(tǒng)的整體效率。一些設(shè)計可能很優(yōu)雅，例如在管道內(nèi)襯上 LED（如圖 2 所示），但整體效率必須是驅(qū)動前提。一旦 UVC LED 技術(shù)成熟到可見光 LED 技術(shù)的水平并且非常高效，它們幾乎可以放置在任何配置中；但就目前而言，UVC LED 系統(tǒng)只有在圍繞極其高效的反應(yīng)器設(shè)計構(gòu)建時才能有效。目前只有少數(shù) UVC LED 處理系統(tǒng)可用，每個系統(tǒng)都有不同的反應(yīng)器設(shè)計，高效的反應(yīng)器設(shè)計不容易發(fā)現(xiàn)，開發(fā)團(tuán)隊花費數(shù)年時間設(shè)計和驗證比基于汞燈的系統(tǒng)更高效的新型反應(yīng)器配置。先進(jìn)的建模工具，例如計算流體動力學(xué)和有限元分析，與物理測量技術(shù)（例如生物劑量學(xué)和光度計）一起部署。
熱管理
主要的設(shè)計挑戰(zhàn)是管理 UVC LED 發(fā)出的熱量以確保燈的長壽命?；?LED 的系統(tǒng)的主要優(yōu)勢之一是它們不會將熱量傳遞到水中（圖 3）。LED 在設(shè)備的前表面發(fā)出所有光，在后表面發(fā)出熱量，而汞燈則通過同一表面發(fā)出光和熱；UVC LED 比基于汞的燈發(fā)出更多的熱量，而后者必須正確管理。這可以通過多種方式完成，并將有助于延長系統(tǒng)的使用壽命，需要新的技能或?qū)＜也拍苡行У赝瓿蛇@項任務(wù)。如果 LED 保持高溫，則 LED 的紫外線輸出會減少，并且系統(tǒng)的消毒效率會隨著時間的推移而降低。實施熱減熱技術(shù)和熱量監(jiān)測是維持長效 UV LED 的關(guān)鍵。根據(jù)使用情況，與傳統(tǒng)汞燈的年度更換要求相比，這些燈的更換間隔可為幾年。
系統(tǒng)監(jiān)控/故障排除
主要的設(shè)計挑戰(zhàn)是了解影響 UVC LED 壽命和性能的關(guān)鍵參數(shù)并有效地監(jiān)控它們。實時監(jiān)測消毒性能和警報指示對于有效的 UVC LED 系統(tǒng)至關(guān)重要，不僅要知道要跟蹤哪些指標(biāo)，還要知道如何實施它們，這對于確保系統(tǒng)信心至關(guān)重要。智能設(shè)計包括監(jiān)控?zé)舻慕】禒顩r以及哪些檢查點需要錯誤指示器、警報和系統(tǒng)關(guān)閉協(xié)議。這種跟蹤為最終用戶提供了所需的工具，以確保滿足適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)，并且他們的系統(tǒng)處于所需的滅活水平和預(yù)期壽命。
將 UVC LED 光源引入水消毒行業(yè)對設(shè)計人員和用戶提出了挑戰(zhàn)，以改變他們對紫外線消毒的看法。雖然結(jié)合了以前用于汞燈的一些設(shè)計原則，但在許多情況下，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)變才能從模擬消毒過渡到數(shù)字消毒。與關(guān)注燈的效率相比，更重要的是關(guān)注總系統(tǒng)效率，這取決于燈效率和反應(yīng)器效率。因此，當(dāng)全世界都在等待 UVC LED 變得更高效時，反應(yīng)器設(shè)計成為系統(tǒng)效率的決定性因素。汞燈的效率適中，其管狀幾何反應(yīng)器的效率也適中。目前，UVC LED光源的效率較低，因此必須與效率極高的反應(yīng)器配套使用，才能使系統(tǒng)的效率達(dá)到或超過汞基水處理系統(tǒng)的效率。
結(jié)論
許多設(shè)計人員很快了解到用于汞燈的傳統(tǒng) UV 反應(yīng)器不適用于 LED 驅(qū)動系統(tǒng)。流體動力學(xué)需要高度先進(jìn)的反應(yīng)器，以便得到一致有效的效果。隨著UVC LED的快速發(fā)展，LED的效率會提高，而價格會下降。因此，UVC LED 最終將得到廣泛應(yīng)用，而無需關(guān)注反應(yīng)器效率。然而，在可預(yù)見的未來，在選擇部署 UVC LED 設(shè)備時，整體系統(tǒng)設(shè)計至關(guān)重要。用戶、監(jiān)管者和水系統(tǒng)設(shè)計者需要意識到這一點，并了解建造和評估高效殺菌器需要什么，因為正如我們所知，并非所有殺菌器效果都是一樣的。
青島螢光創(chuàng)新科技有限公司，擁有專業(yè)的博士后團(tuán)隊，專注于紫外殺菌應(yīng)用的研究，經(jīng)過多年深耕紫外行業(yè)，公司獲得多項國家發(fā)明和實用新型專利。目前多款殺菌模組類產(chǎn)品已經(jīng)投入市場。更多詳細(xì)內(nèi)容可以瀏覽公司網(wǎng)站www.diwera.com聯(lián)系公司索取或者關(guān)注微信公眾號。
文章關(guān)鍵字：UVC、UVC LED、深紫外、紫外殺菌、深紫外 LED
