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        1. 紫外線殺菌燈在水處理中的運用

          2019-08-02 32

            一、應用中的一般常識

            1、 應用領域的分類

            ----紫外線殺菌燈在水處理領域有廣泛的用途。

            ----水處理(water treatment)從處理對象分,它包括廢水處理、城市供水處理、飲用水處理、純凈水處理、養殖場水處理;從原理上分,有消毒、殺菌、光分解降解及其它光化反應;從使用紫外線殺菌燈的方法來分,有直接把燈放入水中,稱為浸沒式;紫外線燈放入套管里使用,稱為過流式。(目前主要采用的是過流式的方法。)

            ----紫外線殺菌燈在水處理主要應用它的殺菌功能,比如過流式的設備工作原理是這樣的:經水泵產生壓力的一定流速的水流流過能透紫外的石英套管外圍,紫外線燈產生的254nm紫外線對水進行消毒、殺菌。其特點是水流流速很快,一般在石英外套流過的時間為不超過1秒,因此要求殺菌燈的紫外線強度是很高的,一般要求在表面強度超過30000uw/cm2。要產生如此高的紫外線強度,需選用高強度大功率的紫外線殺菌燈。如果仍然想通過延長時間來提高消毒效果,那么一般選用較長的燈,做較長的設備,或在不銹鋼外壁上處理成渦流旋轉式結構,來延長水流過的時間。

            ----對于**產品,過流式消毒方法不僅要配較復雜的結構;還有復雜的控制系統,如紫外線強度監測系統,水溫監測系統,消毒時間累積,紫外線燈監控、故障報警、自動聲光報警等系統。此外,過流式設備對環境與處理對象也有要求,如水的溫度、水的透明度對消毒效果有很大的影響。紫外線殺菌燈工作時表面*佳溫度為40℃,溫度過高或過低都會影響紫外線輸出效果;水的透明度越差,紫外線越易被吸收,利用率就越低。

            ----與過流式相比,浸沒式結構簡單。紫外線殺菌燈直接放在水中,這種方法可用于流動的動態水,也可用于靜態水。這種處理方法要注意燈管有可能由于意外情況發生破裂;長時間處理,燈管表面會被水中藻類等污染物覆蓋,將嚴重影響紫外線透出。對不同對象的水體進行消毒,主要要了解水質變動情況和水對紫外線的透過率。 在水處理,除消毒殺菌外,紫外線燈還用于光催化反應,但目前只停留在試驗室研究階段。

            2、產品的一般設計

            ----對設備的設計,除了相關結構和電控部份設計之外,一項重要指標是消毒效果,消毒效果我們一般用紫外線輻照劑量來衡量,即254nm紫外線輻照強度×照射時間。輻照強度可以根據外套管離燈管表面距離來測試強度,處理時間要根據水流量、水壓力、進水管尺寸來定,也可實測。理論上,照射劑量要達到30000uw.s/cm2,劑量越高,對細菌殺滅率越高。

            ----實際上,照射劑量在系統工作時是很難測試的,主要是水體在設備中流過的時間往往難以估計和測試(這還和設備內部結構設計有關),所以通常用水流量和紫外線燈功率的比例關系來衡量消毒效果。

            ----水流量一定,則需要一定總功率的紫外線燈,但總功率一定,還有多種選擇方案。如果選擇總功率600瓦的紫外線燈,可選擇30只20瓦的燈,也可選擇20只30瓦的燈,還可選擇6只100瓦的燈等。即使單只燈功率一定了,燈的長度還不一定。可選擇較短的高強度燈,也可選擇較長的高效率燈。具體設計時,

            考慮設備的長度、體積,如果允許設備長,不能太大,則采用細長的燈,這樣支數相應減少,內腔空腔可縮小。相反,設備設計不能長,可大的,則選用紫外線燈管時,宜采用較小功率,支數較多的。對于選擇支數較少紫外線燈時流過石英外套管的水層厚度要厚,紫外線在水中比在空氣中更容易衰減,它的衰減系數比可見光在水中的衰減要大得多。只能允許水層厚度在1cm左右,如果更厚,則需浪費更多的紫外線來達到相同的消毒效果。即紫外線燈應用效率會降低。

            2、 燈的選用

            ----在水處理中,尤其在廢水處理中,應用高強度的紫外線燈是很有必要的。因為如果使用較多數量的紫外線燈,那么鎮流器數量也多,線路更復雜,控制部分也更復雜,往往壞一只燈,就要停機更換,檢修。而燈和鎮流器使用數量越多,壞掉一只的概率也就越大。

            ----在傳統的紫外線燈中,功率一般只能做到幾十瓦,如傳統規格40瓦、30瓦。如果用到大流量水處理,總功率需幾千瓦,紫外線燈的數量要用到數十只到上百只,設備龐大,控制線路也很復雜。當用大功率的紫外線燈,如300瓦,那么,燈和鎮流器數量將會大大減少,可簡化設備。提高設備安全可靠性,降低設備的故障發生率。

            ----高強度的紫外線燈在水處理中使用,可分別選擇有臭氧和無臭氧燈。所謂有臭氧燈,指這種燈能透185nm譜線(汞的特征譜線),這種譜線在空氣中能電離空氣產生臭氧。據國外的試驗研究,185nm的紫外線在水中能產生光化反應,即電離H2O產生-OH(羥基),-OH有很強的氧化性,可礦化分解水中的有機

            物,降低TOC。但是一般的低壓汞燈,本身功率不大,185nm紫外線只占燈管所耗電能的20%,其效果不顯著,只有大功率的紫外線燈才能表現出一定效果。

            ----在水處理除了應用紫外線燈消毒殺菌之外,還可用到紫外線燈的另外的作用原理。這就是光催化反應。這種原理現已被成功用于空氣凈化。我們在市場上看到的光催化空氣凈化器就是用到該原理。在飲用水和廢水凈化方面,國內目前有數十家大學和企業在研究,被認為是高效、*有前景的廢水、廢氣治理方法,是國內外研究的熱點。

            ----目前,光催化活性較好的是TIO2。理論上,波長小于387nm的紫外線都能對TiO2激化而產生羥基而起到催化氧化的作用。市場上,我們可看到兩個波長的紫外線燈,一種是254nm,一種是365 nm的紫外線燈,這兩種燈現都已成功用于光催化反應的應用中, 254nm的紫外線燈也就是通常的殺菌燈,是由汞原

            子發出的譜線。365nm譜線的燈,通常見到的是采用專用的黑色的透紫外線玻璃;另一種是采用石英玻璃,涂覆365nm的紫光粉,采用石英材料的透光率要高,但其成本也相應增高。

            ----用在水處理,通常選用254nm的紫外線燈做光催化反應,這實際用到了254nm的雙從作用,一是直接殺菌,一是光催化產生羥基礦化降解和殺菌。在空氣凈化方面,目前365nm的黑光管和254nm的石英燈都已有人成功運用,本公司已開發峰值波長為312nm的紫外線燈,該燈種光譜在UV-C、UV-B、UV-A等波段均有分布,可對光催化效率大大提高,是光催化應用**燈種!

            二、應用中的技術難點

            1、 結構和控制

            ----在水處理主要用到紫外線燈的消毒殺菌功能,這種基本原理和方法在數十年就已被人發現。在歐美,紫外線消毒技術已是一種普及的技術。在我國,九十年代開始引進該技術。十年來,這種技術做為一種高科技產品被努力地推向市場。然而,到目前為止,紫外線消毒產品還遠未在水處理應用中普及。

            ----沒有普及化的重要原因之一,國內生產的紫外線殺菌燈質量(主要是壽命)不過關。在水處理行業。由于設備一般都是24小時運轉,燈的壽命要求高。而國內生產的紫外線燈一般也就是1000-2000小時,而且可靠性不高,易出故障。如果用于空氣消毒,壞一只燈可隨時更換;而在水處理設備里,如果壞一只燈,要影響到整個設備、系統,還可能影響其他供水系統和用戶。可以說是安全質量事故。因此,紫外線殺菌燈的壽命和可靠性尤其重要。

            ----第二個原因是產品的結構和控制系統的設計不過關。以家用飲水機為例。據衛生部門的檢測,通過飲水機放出的水,大多數都是細菌嚴重超標,一些**廠家的都是如此。細菌產生的主要原因就是飲水機內部長期不清洗而滋養了細菌。數年前,有人想把紫外線燈用到飲水機上,對系統環境和水進行消毒和保潔。可到現在,市場上也沒看到飲水機用上紫外線燈。

            ----造成這種現象主要是遇到結構設計上的難題。紫外線在水中的穿透力很差,一般僅適合于10cm以內厚度的靜態水層,隨水層厚度增加,紫外線強度將大幅度衰減。因此紫外線對水消毒*適合薄層動態水。而普通的桶裝飲水機中的水流入到內膽中是靜態,而且儲存時間無法確定,有可能只停留幾秒種

            (連續接水飲用),也有可能停留較長時間。這就在時間控制上也增加了難度。

            ----有人想到,飲水機主要存在的是二次污染,不是桶裝水帶入的細菌,只要讓內膽中的水不受二次污染就可以保持清潔。沒有必要達到紫外線消毒殺菌的劑量。但是,桶裝水不合格的報道我們經常見到。顯然,僅僅是對內腔進行消毒顯然是不夠的!

            2、 光催化反應

            ----光催化氧化反應機理很復雜。一些納米材料如TiO2粉體復合光催化劑,被紫外線照射后,會產生電子-空穴對。空穴有很強的撲獲電子的能力,遇到水分子后,水分子被奪去電子形成羥基(-OH),羥基有很強的化學活性,它能破壞有機物的化學鍵,達到曠化分解有機污染物的目的。

            ----與其他的新技術、新方法一樣,光催化有他的新穎、實用的一面,也有其局限性的一面。從目前的國內外的研究和一般客戶的應用情況看,光催化有其以下的局限性:

            ----1、光催化不管用在空氣還是用在水里,其光解的作用效率是有限的。不能夸大他的作用。它只能處理雜質含量很低的空氣和溶液,而且處理時間較長。比如空氣凈化,只能用于污染氣體(如家居室內)較輕的環境,而不能用于如廢氣、廢水等的凈化。

            ----2、光催化作用只能局限于光觸媒表面附近。也就是說,雜質分子或離子只能經過光觸媒表面才能被降解。因為光催化產生的活性離子羥基(-OH)從產生到消亡的時間非常短,(小于10-6秒),他既不能在水中游泳,也不能在空中飛舞。而象紫外線可以穿透一定水層(盡管它在水中衰減嚴重),臭氧、氯氣可以溶解在水里,隨水漂流,作用時間可達數十分鐘。

            ----3、光催化活性易受外界因素影響。如水中某些離子對光催化分解有促進作用,也有些離子或分子對光催化有中毒作用。空氣中的濕度對光催化效果也有影響。還有一點:必需有水分子光催化才能進行。在儀器設備工作過程中,光催化實際效果往往難以實測和加以判斷。消費者難以通過感性認識來

            感觸高科技的魅力!

            ----4、無法測定光解因子。以消毒殺菌為例,《消毒技術規范》介紹有生物滅菌試驗方法。(這種試驗方法程序復雜,成本較高,一般只有市級防疫部門試驗室才有條件做。)通常情況,我們可測試消毒因子。如紫外線消毒,我們可測試254nm紫外線強度,化學消毒可測試化學因子如環氧乙烷、臭氧的濃度,而光催化反應,目前無法測試所謂因子,如羥基(-OH)濃度就無法測試,原因是一其存在時間很短,二也無恰當方法測試。是摸不著、看不見的東西。


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