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水處理殺菌燈 我有新說法
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水處理殺菌燈是一種利用紫外線殺菌的燈管。

水處理

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(yǎng)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(yīng);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。(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(yīng)用它的殺菌功能,比如過流式的設(shè)備工作原理是這樣的:經(jīng)水泵產(chǎn)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(chǎn)生的254nm紫外線對水進(jìn)行消毒、殺菌。其特點(diǎn)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(qiáng)度是很高的,一般要求在表面強(qiáng)度超過30000uw/cm2。要產(chǎn)生如此高的紫外線強(qiáng)度,需選用高強(qiáng)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(shè)備,或在不銹鋼外壁上處理成渦流旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu),來延長水流過的時間。

----對于高檔產(chǎn)品,過流式消毒方法不僅要配較復(fù)雜的結(jié)構(gòu);還有復(fù)雜的控制系統(tǒng),如紫外線強(qiáng)度監(jiān)測系統(tǒng),水溫監(jiān)測系統(tǒng),消毒時間累積,紫外線燈監(jiān)控、故障報警、自動聲光報警等系統(tǒng)。此外,過流式設(shè)備對環(huán)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最佳溫度為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(jié)構(gòu)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(tài)水,也可用于靜態(tài)水。這種處理方法要注意燈管有可能由于意外情況發(fā)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(yán)重影響紫外線透出。

對不同對象的水體進(jìn)行消毒,主要要了解水質(zhì)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(yīng),但只停留在試驗(yàn)室研究階段。

一般設(shè)計

----對設(shè)備的設(shè)計,除了相關(guān)結(jié)構(gòu)和電控部份設(shè)計之外,一項重要指標(biāo)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(qiáng)度×照射時間。輻照強(qiáng)度可以根據(jù)外套管離燈管表面距離來測試強(qiáng)度,處理時間要根據(jù)水流量、水壓力、進(jìn)水管尺寸來定,也可實(shí)測。理論上,照射劑量要達(dá)到30000uw.s/cm2,劑量越高,對細(xì)菌殺滅率越高。

----實(shí)際上,照射劑量在系統(tǒng)工作時是很難測試的,主要是水體在設(shè)備中流過的時間往往難以估計和測試(這還和設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)),所以通常用水流量和紫外線燈功率的比例關(guān)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??蛇x擇較短的高強(qiáng)度燈,也可選擇較長的高效率燈。具體設(shè)計時,考慮設(shè)備的長度、體積,如果允許設(shè)備長,不能太大,則采用細(xì)長的燈,這樣支數(shù)相應(yīng)減少,內(nèi)腔空腔可縮小。相反,設(shè)備設(shè)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(shù)較多的。對于選擇支數(shù)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(shù)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(fèi)更多的紫外線來達(dá)到相同的消毒效果。即紫外線燈應(yīng)用效率會降低。

燈的選用

----在水處理中,尤其在廢水處理中,應(yīng)用高強(qiáng)度的紫外線燈是很有必要的。因?yàn)槿绻褂幂^多數(shù)量的紫外線燈,那么鎮(zhèn)流器數(shù)量也多,線路更復(fù)雜,控制部分也更復(fù)雜,往往壞一只燈,就要停機(jī)更換,檢修。而燈和鎮(zhèn)流器使用數(shù)量越多,壞掉一只的概率也就越大。

----在傳統(tǒng)的紫外線燈中,功率一般只能做到幾十瓦,如傳統(tǒng)規(guī)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(shù)量要用到數(shù)十只到上百只,設(shè)備龐大,控制線路也很復(fù)雜。當(dāng)用大功率的紫外線燈,如300瓦,那么,燈和鎮(zhèn)流器數(shù)量將會大大減少,可簡化設(shè)備。提高設(shè)備安全可靠性,降低設(shè)備的故障發(fā)生率。

----高強(qiáng)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(chǎn)生臭氧。據(jù)國外的試驗(yàn)研究,185nm的紫外線在水中能產(chǎn)生光化反應(yīng),即電離H2O產(chǎn)生-OH(羥基),-OH有很強(qiáng)的氧化性,可礦化分解水中的有機(jī)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(xiàn)出一定效果。

----在水處理除了應(yīng)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(yīng)。這種原理現(xiàn)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(nèi)有數(shù)十家大學(xué)和企業(yè)在研究,被認(rèn)為是高效、最有前景的廢水、廢氣治理方法,是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

----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(chǎn)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(xiàn)都已成功用于光催化反應(yīng)的應(yīng)用中, 254nm的紫外線燈也就是通常的殺菌燈,是由汞原子發(fā)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(yīng)增高。

----用在水處理,通常選用254nm的紫外線燈做光催化反應(yīng),這實(shí)際用到了254nm的雙重作用,一是直接殺菌,一是光催化產(chǎn)生羥基礦化降解和殺菌。

在空氣凈化方面,365nm的黑光管和254nm的石英燈都已有人成功運(yùn)用,本公司已開發(fā)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(yīng)用燈種!

技術(shù)難點(diǎn)

結(jié)構(gòu)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(shù)十年就已被人發(fā)現(xiàn)。在歐美,紫外線消毒技術(shù)已是一種普及的技術(shù)。在我國,九十年代開始引進(jìn)該技術(shù)。十年來,這種技術(shù)做為一種"高科技產(chǎn)品"被努力地推向市場。然而,紫外線消毒產(chǎn)品還遠(yuǎn)未在水處理應(yīng)用中普及。

----沒有普及化的重要原因之一,國內(nèi)生產(chǎn)的紫外線殺菌燈質(zhì)量(主要是壽命)不過關(guān)。在水處理行業(yè)。由于設(shè)備一般都是24小時運(yùn)轉(zhuǎn),燈的壽命要求高。而國內(nèi)生產(chǎn)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(shè)備里,如果壞一只燈,要影響到整個設(shè)備、系統(tǒng),還可能影響其他供水系統(tǒng)和用戶??梢哉f是安全質(zhì)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(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計不過關(guān)。以家用飲水機(jī)為例。據(jù)衛(wèi)生部門的檢測,通過飲水機(jī)放出的水,大多數(shù)都是細(xì)菌嚴(yán)重超標(biāo),一些廠家的都是如此。細(xì)菌產(chǎn)生的主要原因就是飲水機(jī)內(nèi)部長期不清洗而滋養(yǎng)了細(xì)菌。數(shù)年前,有人想把紫外線燈用到飲水機(jī)上,對系統(tǒng)環(huán)境和水進(jìn)行消毒和保潔。可市場上也沒看到飲水機(jī)用上紫外線燈。

----造成這種現(xiàn)象主要是遇到結(jié)構(gòu)設(shè)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(nèi)厚度的靜態(tài)水層,隨水層厚度增加,紫外線強(qiáng)度將大幅度衰減。因此紫外線對水消毒適合薄層動態(tài)水。而普通的桶裝飲水機(jī)中的水流入到內(nèi)膽中是靜態(tài),而且儲存時間無法確定,有可能只停留幾秒種(連續(xù)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(jī)主要存在的是二次污染,不是桶裝水帶入的細(xì)菌,只要讓內(nèi)膽中的水不受二次污染就可以保持清潔。沒有必要達(dá)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(jīng)常見到。主要原因是桶裝水在使用的過程中,空氣會攜帶灰塵和細(xì)菌進(jìn)入桶內(nèi),細(xì)菌在水中會很迅速地進(jìn)行繁殖,所以僅僅是對內(nèi)腔進(jìn)行消毒顯然是不夠的!

光催化反應(yīng)

----光催化氧化反應(yīng)機(jī)理很復(fù)雜。一些納米材料如TiO2粉體復(fù)合光催化劑,被紫外線照射后,會產(chǎn)生"電子-空穴"對??昭ㄓ泻軓?qiáng)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(qiáng)的化學(xué)活性,它能破壞有機(jī)物的化學(xué)鍵,達(dá)到曠化分解有機(jī)污染物的目的。

----與其他的新技術(shù)、新方法一樣,光催化有他的新穎、實(shí)用的一面,也有其局限性的一面。從國內(nèi)外的研究和一般客戶的應(yīng)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(zhì)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(nèi))較輕的環(huán)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(zhì)分子或離子只能經(jīng)過光觸媒表面才能被降解。因?yàn)楣獯呋a(chǎn)生的活性離子羥基(-OH)從產(chǎn)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(yán)重),臭氧、氯氣可以溶解在水里,隨水漂流,作用時間可達(dá)數(shù)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(jìn)作用,也有些離子或分子對光催化有"中毒"作用??諝庵械臐穸葘獯呋Ч灿杏绊憽_€有一點(diǎn):必需有水分子光催化才能進(jìn)行。在儀器設(shè)備工作過程中,光催化實(shí)際效果往往難以實(shí)測和加以判斷。消費(fèi)者難以通過"感性認(rèn)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(shù)規(guī)范》介紹有生物滅菌試驗(yàn)方法。(這種試驗(yàn)方法程序復(fù)雜,成本較高,一般只有市級防疫部門試驗(yàn)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(qiáng)度,化學(xué)消毒可測試化學(xué)因子如環(huán)氧乙烷、臭氧的濃度,而光催化反應(yīng),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(dāng)方法測試。是"摸不著、看不見"的東西。

產(chǎn)品技術(shù)優(yōu)勢

大功率高強(qiáng)度

----前面我們已經(jīng)講到,在水處理,由于他的使用特點(diǎn)要求紫外線有很高的壽命和可靠性。

- ----對于低壓汞燈,如熒光燈,功率一般只有幾十瓦,如果把功率做到上百瓦,就被認(rèn)為"有很高的技術(shù)含量"。因?yàn)楣β首龃?,燈管的管壁?fù)載就會增加,這樣往往會縮短壽命,或者大大降低光的輸出效率。

----大功率紫外線燈管我們現(xiàn)已可做到300瓦以上。這種燈的管流超過1A,功率密度要比普通燈顯著大,達(dá)到1.2瓦/cm。300瓦紫外線燈在1.0米處254nm紫外線強(qiáng)度達(dá)到1200uw/cm2,相當(dāng)于10只40瓦燈的紫外線強(qiáng)度,表面紫外線強(qiáng)度更是高達(dá)70000 uw/cm2(在此強(qiáng)度下消毒時間不超過0.5秒)。在高功率密度情況下,仍有較高的紫外線輸出效率,而且可在較高管壁溫度(超過100℃)條件下工作。使用漏磁變壓器點(diǎn)燈,有很高的可靠性,燈管壽命達(dá)到5000小時以上。

----更大功率的紫外線殺菌燈我們正在研制,燈管電流超過2A,有更大的功率密度。

高可靠性

----國產(chǎn)石英紫外線燈的突出問題是可靠性差,易出現(xiàn)的問題是慢性漏氣,這是石英紫外線燈的"超級殺手"。也是水處理行業(yè)領(lǐng)域最可怕的敵人。不難想象,當(dāng)整個系統(tǒng)(比如:過濾、沉淀、離子交換、消毒殺菌、嚗氣、絮凝等設(shè)備)運(yùn)轉(zhuǎn)時,突然一只或幾只紫外線燈熄滅,那么意味著,如不及時更換,消毒殺菌的效果要受到嚴(yán)重影響。另一方面,頻繁更換,也會增加成本。為防止此類現(xiàn)象發(fā)生,還要增加監(jiān)視和報警系統(tǒng)。

參考資料

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