CN104445762A

CN104445762A - 一种强紫外线与臭氧、光触媒复合作用的水消毒净化器

Info

Publication number: CN104445762A
Application number: CN201410644375.1A
Authority: CN
Inventors: 罗亦鸣; 高利珍; 张卫珂
Original assignee: Sichuan Zhuo Zhong Science And Technology Ltd
Current assignee: Shengyida Chengdu Optoelectronic Technology Co ltd
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2014-11-14
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2034-11-14
Also published as: CN104445762B

Abstract

本发明涉及水消毒净化技术领域，尤其涉及强紫外线与臭氧、光触媒复合作用的水消毒技术领域。本发明提供一种水消毒净化方法，所述方法包含有：对脉冲长弧高压氙灯两端施加瞬间高电压；脉冲长弧氙灯因填充气压高、弧长长、电流密度大，其辐射谱显著的向紫外端移动，成为强烈的宽光谱紫外光源；宽光谱强紫外光激活光触媒、产生臭氧和直接杀灭微生物。采用本发明可以实现对污水的多重消毒，提高水消毒的效率，提升净化装置处理能力，并节约成本。

Description

一种强紫外线与臭氧、光触媒复合作用的水消毒净化器

技术领域：

本发明涉及水消毒净化技术领域，尤其涉及强紫外线与臭氧、光触媒复合作用的水消毒技术领域。

背景技术：

紫外线是一种肉眼无法看见的光线，根据波长的不同可细分UVA(315nm~400nm)、UVB(280nm~315nm)、UVC（200nm~280nm）和UVD(200nm以下)。其中UVC最易被DNA（核糖核酸）吸收，当水中的细菌、病毒、藻类生物等受到一定剂量的UVC波段紫外线照射后，其细胞的DNA、RNA结构被破坏，细胞再生无法进行，从而达到消毒和净化的目的。紫外光消毒技术是在现代防疫学、医学和光动力学的基础上，利用特殊设计的高效率、高强度和长寿命的UVC波段紫外光照流水，将水中各种细菌、寄生虫、病毒、水藻以及其他病原体直接杀死，达到消毒的目的。紫外线消毒是一种物理方法，不需向水中增加任何物质，没有副作用，这是它优于氯化消毒的地方，紫外消毒与其他消毒手段联合使用，可达最佳效果。常见的联合工艺有紫外加臭氧、紫外加二氧钛光触媒等。

现有的紫外水消毒净化设备通常采用功率为几十瓦水平的低压紫外汞灯作为紫外光源，利用较低汞蒸气（<10²Pa）被电激发而发出波长为253.7nm和185nm的两条谱线，紫外线的功率为数瓦的水平。水流采用循环或一次通过的方式经过灯管，产生紫外消毒的作用。因为采用低压汞灯，所以存在一些不足之处：

第一、强度低。由于低压汞灯的工作原理决定了其辐射功率密度不高（通常只有几十瓦的光功率，灯管附近的紫外线辐射功率密度不超过数毫瓦每平方厘米的水平），难以在短时间内达到高强度的紫外线辐照强度，只能通过延长照射时间或增加紫外灯数量提高杀菌消毒的作用，降低了系统效率，难以满足快速、大量杀菌的需求。

第二、有环境污染风险，能耗大。汞灯内填充的是汞蒸气，属于有毒有害的重金属，一旦汞灯报废发生泄漏，会对环境造成危害。如果要达到很强的消毒效果，又需要增加汞灯的数量或者延长照射时间。因为低压汞灯的紫外效率只能达到2%左右的水平，这又造成了更多的电能浪费。

第三、长期使用成本高。汞灯的寿命较短，在高强度的工作条件下光效衰减较快，寿命只能达到1000小时就必须更换，因此使用成本也较高。

第四、复合消毒能力弱。通常的低压汞灯，一旦注入过高的能量，就会激发汞原子更多的辐射谱线，从紫外到可见光甚至红外波段都有，这样就分散了能量，不能起到多重消毒作用，甚至会消弱原有的作用。而注入较低能量时，尽管能量集中在253.7nm和185nm两条谱线上，但因为能量低，所以发生臭氧和消毒的作用都受到影响，也不能有效激活触媒。

第五、净化装置处理能力受限。由于紫外线强度弱，消毒的强度和效率受到限制，所以必须增加水循环的次数或者降低水流量，以达到彻底的消毒作用。这样就影响了装置的消毒效率和处理能力。如果要提高处理能力，则需要增加更多的光源，这样又增加了系统的成本。

第六、对被处理的水透明度要求较高。由于低压汞灯的强度低，而波长为253.7nm和185nm的紫外线穿透能力又不强，因此需要被处理的水达到较高的透明度，同时要在灯附近做多次循环，才有利于彻底消毒，这就为了整个污水处理设备的前道工艺增加了难度，也给系统水循环设计提出了更苛刻的要求，提高了系统成本。

发明内容：

本发明的目的就是针对现有技术存在的不足而提供一种采用高压长弧脉冲紫外氙灯，用脉冲工作的方式发射出高峰值功率的持续数百微秒的强紫外脉冲光，产生消毒杀菌的作用。

为达到本发明的目的，本发明给出一种强紫外线与臭氧、光触媒复合作用的水消毒净化装置，其特征在于，本装置的整体外形结构为圆柱形，内部分为三个区域，污水依次流经三个区域。第一区域是光触媒催化分解区，外侧是金属封闭外壳，内侧是透明的石英隔板玻璃，镀有特殊的光学薄膜，可以使UVA和UVB波段的紫外光透射过去而UVC波段的紫外线反射回去，发生波长分离。此区域内放置有加载了纳米光触媒材料的硅胶小球；光触媒催化分解去通过管道和外界污水管道连接。

第二个区域是紫外线消毒区，两侧都是透明石英隔板玻璃，一侧与光触媒催化消毒分解区共用同一块石英隔板玻璃，两面镀有可使UVA和UVB波段的紫外光透射过去而UVC波段的紫外线反射回去的光学薄膜；另一侧与臭氧发生和消毒区共用一块石英隔板玻璃，两面镀有UVD波段高透射和UVA、UVB、UVC波段高反射的光学薄膜波段高反射的光学薄膜。在此区域中心固定有一支长弧高压脉冲氙灯，作为强紫外线光源。紫外消毒区的两侧通过管道和光触媒催化分解区域臭氧发生和消毒区连接。

第三区域是臭氧发生和消毒区，通过管道分别于紫外消毒区和排放出口连接。臭氧发生和消毒区一侧是金属封闭外壳，另一侧与紫外消毒区共用一块隔板，此隔板镀有UVD波段高透射和UVA、UVB、UVC波段高反射的光学薄膜波段高反射的光学薄膜，实现UVD波段与其它波段紫外线的波长分离。

附图说明：

图1 是本发明消毒装置的原理示意图。

图 2是本发明消毒装置高压大电流条件下氙灯辐射的强紫外谱图。

图3 是本发明消毒装置的结构截面示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是本发明消毒装置的原理示意图。

结合图1和图2，对本发明的消毒装置的原理做一详细说明。

由图1可知，系统启动后，脉冲高压氙灯两端被施加瞬间高电压（达到数千伏，持续数百微秒），石英玻璃灯管中封装的高压氙气被瞬间电离击穿，形成强烈的电离辐射发光，产生强烈的光辐射。氙气的辐射谱与电流大小、充气压有关。在工作电压高、电流密度大、弧长长和填充气压高的条件下，脉冲氙灯的辐射谱显著的向紫外端移动，成为强烈的紫外光源，波长400nm以下的紫外成分可达总光能的30%以上，长弧高压脉冲氙气灯的紫外谱能量与总光谱能量的关系如图2所示。

由于在400nm以下的各个紫外波段均有很强的辐射能量，所以可以同时产生多个物理过程，包括激活光触媒、产生臭氧和直接杀灭微生物，具体原理如下：

核糖核酸和脱氧核糖核酸的吸收光谱的范围为240~280nm，吸收峰在260nm。波长在250nm波段的紫外线与微生物细胞核中的脱氧核糖核酸的紫外线吸收和光化学敏感性范围重合。此波段的紫外线能改变和破坏结构突变，改变了细胞的遗传转录特性，使生物体丧失蛋白质的合成和复制繁殖能力，杀灭微生物。

200nm以下的波段会强烈电离氧气分子，并促使氧离子重新聚合形成臭氧。臭氧是一种强氧化剂，灭菌过程属于生物化学氧化反应，通过氧化分解细菌内部葡萄糖所需的酶，使细菌灭活死亡；直接与细菌、病毒作用，破坏细胞器和DNA、RNA，使细菌的新陈代谢受到破坏，导致细菌死亡；透过细胞膜组织，侵入细胞内，作用于外膜的脂蛋白和内部的脂多糖，使细菌发生通透性畸变而溶解死亡等三种途径实现灭菌消毒。

300nm到400nm的波长可以被光触媒有效吸收。光触媒材料为TiO₂,是一种无毒、催化活性高、氧化能力强、稳定性好、价格低廉的N型半导体材料，其分子量为79.9，有锐钛矿(Anatase)、板钛矿（Brookite）和金红石（Rutile）三种晶体结构。TiO₂在光的照射下自身不发生变化却可以促进化学反应，具有催化功能。具体反应是：TiO₂在吸收照明光源中的紫外线后，形成氧化性的自由基，把空气和水中游离的有害物质及微生物分解成无害的二氧化碳和水，可以迅速分解空气和水中的甲醛、苯、氨、VOC等有害气体，可以破坏

细菌、病毒中的细胞膜，使细菌质流失、固化病毒蛋白质，在杀毒灭菌的同时，还能分解菌毒残体上释放的有害复合物。这种超强的氧化作用，还能迅速去除各种异味。激发很强的催化氧化作用，对附着其上的有机污染物和微生物实现分解和杀灭。最终的消毒产物是二氧化碳和水。

图3 是本发明消毒装置的截面结构示意图。

由图3可知，本消毒装置整体外形结构为圆柱形，内部分为三个区域，污水依次流经三个区域。

第一区域是光触媒催化消毒分解区，外侧是金属封闭外壳，内侧是透明的石英隔板玻璃，镀有特殊的光学薄膜，可以使UVA和UVB波段的紫外光透射过去而UVC波段的紫外线反射回去，发生波长分离。此区域内放置有加载了纳米光触媒材料的硅胶小球。光触媒催化分解区通过管道和外界污水管道连接。

第三个区域为臭氧发生和消毒区，通过管道分别与紫外消毒区和排放出口连接。臭氧发生和消毒区一侧是金属封闭外壳，另一侧与紫外消毒区共用一块隔板。此隔板镀有UVD波段高透射和UVA、UVB、UVC波段高反射的光学薄膜波段高反射的光学薄膜，实现UVD波段和其它波段紫外线的波长分离。

具体的工作过程为：含菌污水口进入装置的光触媒催化分解区，接触到光触媒材料。光触媒材料加载在硅胶小球上，起到增大作用面积、方便更换的作用。与此同时脉冲氙灯开始工作，辐射出宽光谱的紫外线。其中UVA和UVB波段的紫外光在透明石英玻璃隔板1的膜层作用下，透过隔板，照射到光触媒上，激发了光触媒材料的活性，对污水发生催化分解和杀菌消毒的作用。

经过光触媒催化分解消毒后的含菌污水进入装置的紫外线直接消毒区。此时在近距离上，脉冲氙灯辐射出的UVC波段的紫外线对含菌污水中的微生物产生直接杀灭作用。

经过紫外线直接消毒后的含菌污水进入臭氧发生与消毒区。此区域空间较大，污水不能充满整个区域，存在空气，是水与空气混合的区域。此时由于石英隔板玻璃2的波长分离膜层的作用，UVD波段的紫外线进入空气后电离氧分子，然后氧离子重新结合形成臭氧。臭氧对含菌污水再次发生消毒作用，最后在装置出口产生无菌排放水。由于臭氧在水中有一定的溶解度，并且会保持一段时间后才会分解，因此经过第三个环节消毒的无菌排放水在排放以后还能够保持一段时间的消毒效果，不会被再次污染。

以上所述仅是本发明的实施例之一，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims

1.一种水消毒净化方法，其包含有：

—对脉冲高压氙灯两端施加瞬间高电压；

—高填充气压、长弧和大电流密度使脉冲氙灯的辐射谱显著

的向紫外段移动，成为强烈的宽光谱紫外光源；

—宽光谱强紫外波激活光触媒、产生臭氧和直接杀灭微生物。

2. 一种水消毒净化装置，其特征在于：所述消毒装置内部分为三个区域；

—第一区域是光触媒催化消毒分解区，外侧是金属封闭外壳，内侧是透明的石英隔板玻璃，镀有可使UVA和UVB波段的紫外光透射过去而UVC波段的紫外线反射回去的光学薄膜；所述光触媒催化消毒区域内放置有加载了纳米光触媒材料的硅胶小球；所述光触媒催化分解消毒区通过管道和外界污水管道连接；

—第二个区域是紫外线消毒区，两侧都是透明石英隔板玻璃，所述紫外消毒区其中一侧与光触媒催化消毒分解区共用同一块石英隔板玻璃，所述的石英隔板玻璃两面镀有可使UVA和UVB波段的紫外光透射过去而UVC波段的紫外线反射回去的光学薄膜；另一侧与臭氧发生和消毒区共用一块石英隔板玻璃，所述的石英隔板玻璃两面镀有UVD波段高透射和UVA、UVB、UVC波段高反射的光学薄膜；所述紫外消毒区中心固定有一支长弧高压脉冲氙灯；所述紫外消毒区的两侧通过管道和光触媒催化分解区域臭氧发生和消毒区连接；

—第三个区域为臭氧发生和消毒区，通过管道分别与紫外消毒区和排放出口连接；所述臭氧发生和消毒区一侧是金属封闭外壳，另一侧与紫外线消毒区共用一块透明石英隔板玻璃；所述透明石英隔板玻璃两面镀有UVD波段高透射和UVA、UVB、UVC波段高反射的光学薄膜波段高反射的光学薄膜，实现UVD波段和其它波段紫外线的波长分离。

3. 如权利要求2所述的水消毒净化装置，其特征在于所述消毒装置整体外形结构为圆柱形。