CN105963731A - 用于使用点辐射源进行流体的细菌消毒的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于使用点辐射源进行流体的细菌消毒的系统和方法，具体地，用于对流体进行消毒的系统，该系统包括：流动单元，该流动单元包括一个或多个入口和出口，配置为从一个或多个入口通过流动单元的内部至一个或多个出口交换含有生物污染物的流体；和一个或多个点辐射源，该一个或多个点辐射源安置在流动单元周围，可操作用于向生物污染物递送辐射；流动单元的内表面反射由一个或多个点辐射源递送到生物污染物的辐射；并且其中流动单元的内表面反射由一个或多个点辐射源递送到生物污染物的辐射，使得辐射强度在流动单元的整个内部均匀。在一个示意性实施方案中，流动单元是积分球。任选地，光催化材料安置在流动单元的内表面的至少一部分上。

Description

用于使用点辐射源进行流体的细菌消毒的系统和方法

本申请是PCT国际申请日为2009年12月18日，PCT国际申请号为PCT/US2009/068765、中国国家申请号为200980154776.6的发明名称为《用于使用点辐射源进行流体的细菌消毒的系统和方法》的申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本非临时专利申请/专利要求2008年12月19日提交的美国临时专利申请号61/139,022，并且题为“细菌消毒单元(BACTERIAL DISINFECTIONUNIT)”的权益，通过引用将其全部内容并入本文。

有关联邦资助的研究或开发的声明

作为国家科学基金会(National Science Foundation)(NSF)授予的奖号0740524和0848759的条件，美国政府对于本发明具有已付款的许可和权利，可在有限的情况下要求专利所有者在合理的期间内许可他人使用。

技术领域

本发明涉及用于使用点辐射源进行流体的细菌消毒的系统和方法并且包括以下领域：光学工程、流体工程、材料工程和生命科学。

背景技术

传统上，使用紫外(UV)灯(或深紫外灯)，如低至中压汞灯，进行例如水、空气、燃料、其它液体和气体等的流体的细菌消毒。例如，可以在传统的使用点(point-of-use)(POU)水过滤系统中使用这类灯对水进行消毒，以达到杀菌的效果。细菌、病毒、孢囊等的脱氧核糖核酸(DNA)吸收UV辐射并且从而使生物体(biological entities)的再生能力丧失。与水消毒的氯化方法不同，UV辐射不影响水的生物稳定性。因此，UV辅助的水过滤器已经成为在水过滤系统中有益于杀菌的标准操作，包括用于公用水系统(PWS)的巨型反应器，以及小型POU水过滤系统。类似的细菌消毒系统也被与其它流体一起使用。

然而，这些细菌消毒系统受困于许多显著缺点。首先，这些细菌消毒系统，因为它们使用管状UV灯等，典型地具有高功率需求和大的形状因数，要求其使用线路电压，表现为与相关流体过滤系统分离的部件，不适合于较小形状因数的POU流体过滤系统，和/或不可以任意缩放。其次，该细菌消毒系统是固有低效的。所用的管状UV灯发射光子，所述光子穿透流体并被另一个表面吸收或反射1次或2次并损失。结果是必须连续地产生并替换光子。更进一步地，所存在的辐射场是不均匀的。灯基系统中典型地使用高强度以补偿损失和非均匀辐射场。因此，本领域内仍然需要弥补这些不足并且提供其它益处的改进的细菌消毒系统。

发明内容

再一次地，本发明涉及用于使用点辐射源进行流体的细菌消毒的系统和方法。通常，这些系统和方法使用一个或多个点辐射源，所述一个或多个点辐射源被安置在积分球流通单元(integrating sphere flow-through cell)等的内部周围，在本文中所述积分球流通单元也被称为流通积分球(flow-through integrating sphere)(FIS)。优选地，一个或多个点辐射源为UV光源，并且任选地，一个或多个点辐射源为深UV光源，例如半导体或发光二极管(LED)光源。一个或多个点辐射源可操作用于对选择性地对其进行暴露的流体进行消毒，因为流体中的细菌、病毒和孢囊等的DNA吸收所产生的并且在积分球流通单元等中反射的辐射，因而将生物体灭活。任选地，积分球流通单元等的内部涂布有朗伯(Lambertian)散射材料，和/或涂布有能够在产生的和反射的辐射的存在下破坏所吸附的生物物质的光催化材料，和/或涂布有能够在产生的和反射的辐射的存在下产生杀菌剂的光催化材料。

在一个示意性实施方案中，本发明提供一种用于对流体进行消毒的系统，所述系统包括：流动单元，所述流动单元包括一个或多个入口和一个或多个出口，其中所述流动单元配置为从所述一个或多个入口通过所述流动单元的内部至所述一个或多个出口部(outlet portions)交换流体；和一个或多个点辐射源，所述一个或多个点辐射源安置在所述流动单元周围，其中所述一个或多个点辐射源可操作用于向所述流体递送辐射；其中所述流动单元的内表面可操作用于反射由所述一个或多个点辐射源递送到所述流体的辐射。在一个示意性实施方案中，流动单元是积分球。任选地，一个或多个点辐射源包括以下各项中的一种或多种：一个或多个半导体光源、一个或多个发光二极管光源、一个或多个紫外光源、以及一个或多个深紫外光源。所述流动单元的所述内表面可操作用于反射由所述一个或多个点辐射源递送到所述流体的辐射，使得辐射强度在所述流动单元的整个内部均匀。任选地，该系统还包括一个或多个机械挡板或搅拌机构，所述一个或多个机械挡板或搅拌机构安置在所述流动单元的内部，用于选择性地调节所述流动单元中通过的流体的流动。任选地，该系统还包括安置在所述流动单元的内表面的至少一部分上的光催化材料。任选地，该系统还进一步包括安置在所述一个或多个机械挡板或搅拌机构的表面的至少一部分上的光催化材料。优选地，该系统包括可操作用于选择性地启动/停止所述一个或多个点辐射源的控制器以及可操作用于选择性地控制所述流体在所述流动单元内部的停留时间的控制器。

在另一个示意性实施方案中，本发明提供一种用于对流体进行消毒的方法，所述方法包括：提供流动单元，所述流动单元包括一个或多个入口和一个或多个出口，其中所述流动单元配置为从所述一个或多个入口通过所述流动单元的内部至所述一个或多个出口部交换流体；和提供一个或多个点辐射源，所述一个或多个点辐射源安置在所述流动单元周围，其中所述一个或多个点辐射源可操作用于向所述流体递送辐射；其中所述流动单元的内表面可操作用于反射由所述一个或多个点辐射源递送到所述流体的辐射。在一个示意性实施方案中，流动单元是积分球。任选地，一个或多个点辐射源包括以下各项中的一种或多种：一个或多个半导体光源、一个或多个发光二极管光源、一个或多个紫外光源、以及一个或多个深紫外光源。所述流动单元的所述内表面可操作用于反射由所述一个或多个点辐射源递送至所述流体的辐射，使得辐射强度在流动单元的整个内部均匀。任选地，该方法还包括提供一个或多个机械挡板或搅拌机构，所述一个或多个机械挡板或搅拌机构安置在所述流动单元的内部，用于选择性地调节所述流动单元中通过的流体的流动。任选地，该方法还包括提供安置在所述流动单元的内表面的至少一部分上的光催化材料。任选地，该方法还进一步包括提供安置在所述一个或多个机械挡板或搅拌机构的表面的至少一部分上的光催化材料。优选地，该方法包括提供可操作用于选择性地启动/停止所述一个或多个点辐射源的控制器以及可操作用于选择性地控制所述流体在所述流动单元内部的停留时间的控制器。

在另外的示意性实施方案中，本发明提供一种用于对流体进行消毒的系统，所述系统包括：流动单元，所述流动单元包括一个或多个入口和一个或多个出口，其中所述流动单元配置为从所述一个或多个入口通过所述流动单元的内部至所述一个或多个出口部交换包含生物污染物的流体；和一个或多个点辐射源，所述一个或多个点辐射源安置在所述流动单元周围，其中所述一个或多个点辐射源可操作用于向所述生物污染物递送辐射；其中所述流动单元的内表面可操作用于反射由所述一个或多个点辐射源递送到所述生物污染物的辐射；并且其中所述流动单元的所述内表面可操作用于反射由所述一个或多个点辐射源递送到所述生物污染物的辐射，使得辐射强度在所述流动单元的整个内部均匀。在一个示意性实施方案中，流动单元是积分球。任选地，一个或多个点辐射源包括以下各项中的一种或多种：一个或多个半导体光源、一个或多个发光二极管光源、一个或多个紫外光源、以及一个或多个深紫外光源。任选地，该系统还包括安置在所述流动单元的内表面的至少一部分上的光催化材料。

附图说明

这里参考不同附图图解并描述本发明，在适当的情况下，使用其中相同的标记号标记相同的系统部件/方法步骤，并且其中：

图1是示例本发明的积分球点辐射源流体消毒系统的一个示意性实施方案的示意图；并且

图2是示例本发明的积分球点辐射源流体消毒系统的另一个示意性实施方案的示意图。

具体实施方式

再一次地，本发明涉及用于使用点辐射源进行流体的细菌消毒的系统和方法。通常，这些系统和方法使用一个或多个点辐射源，所述点辐射源被安置在积分球流通单元等的内部周围，在本文中所述积分球流通单元也被称为FIS。优选地，一个或多个点辐射源为UV光源，并且任选地，一个或多个点辐射源为深UV光源，例如半导体或LED光源。一个或多个点辐射源可操作用于对选择性地对其进行暴露的流体进行消毒，因为流体中的细菌、病毒和孢囊等的DNA吸收所产生的并且在积分球流通单元等中反射的辐射，因而将生物体灭活。任选地，积分球流通单元等的内部涂布有朗伯(Lambertian)散射材料，和/或涂布有在产生的和反射的辐射的存在经历光催化从而局部产生杀菌剂的材料。

作为预备内容，应该注意，本文主要结合涉及商业水槽下水过滤装置(under-sink water filtration unit)中的精制水的消毒的应用示例和描述本发明的细菌消毒系统和方法。该具体应用只是例证并且不应该被解释为以任何方式的限制。可以将本发明的细菌消毒系统和方法一般化并用于任意流体消毒应用，包括，但不限于，水、空气、燃料、其它流体和气体等的细菌消毒。因此，本发明的细菌消毒系统是广泛适用的并且包括很大范围的应用和工业。它们在尺寸和范围上也可以缩放。

参见图1，在一个示意性实施方案中，本发明的消毒系统10包括采用积分球等形式的流动单元12。虽然在本文中最后讨论了积分球构造，也可以使用其它构造。关键的考虑因素在于光子在流动单元12中反复反射，并且在于形成均匀的辐射场以用低强度源进行最佳消毒。按照此方法，流动单元12应该具有基本上弯曲的并且凹形的相对内表面。重新叙述，流动单元12不能具有内部“角”，并且内表面上的每个点应该从内表面上的其它每个点上看是可见的。卵形、椭球形、带有圆角的立方体等，全部满足这些标准。为了方便制造，流动单元12由塑料等制成，并且，在材料不是好的朗伯(Lambertian)散射体的情况下，其内表面涂布有朗伯(Lambertian)散射材料14。备选地，流动单元12由金属或其它涂布反光材料构成，例如铝、不锈钢、铜等，可以将它们阳极化处理或者另外涂布有有机物、聚硅氧烷、有机氧化物等。流动单元12可以缩放并且可以具有任意合适尺寸，例如，大约数毫米至数米的量级。

流动单元12至少包括制造于其中的入口16和出口18，其提供了流体19(即液体或气体)从入口16到出口18的流动。对于本领域内的普通技术人员非常明显的是也可以使用多个入口16和/或多个出口18。优选地，流体19不能够在可感知的时间期间内滞留在流动单元12内部的任意部分，如本文下面将更加详细地描述的，并且流动单元12始终保持100％充满。同样地，可能需要的是流体19朝向流动单元12的一个或多个内表面，以使其可以遇到由光催化材料产生的消毒剂，同样如本文下面将更加详细地描述的。

在标准设计中，一个或多个点辐射源20，例如一个或多个UV光源、一个或多个深UV光源、一个或多个半导体光源和/或一个或多个LED光源，安置在贯穿流动单元12制造的一个或多个开口(未画出)内，或部分地或完全地穿过贯穿流动单元12制造的一个或多个开口(未画出)，优选地在对称的位置。可以使用一个或多个点辐射源20消毒选择性地暴露于它们的流体19，因为流体19中的细菌、病毒、孢囊等22的DNA吸收流动单元12中产生和反射的辐射，因而将生物体灭活。本文使用的“点辐射源”是指与系统的其它尺寸比较，小的、大致对称的辐射源。

参见图2，在另一个示意性实施方案中，本发明的消毒系统10包括一个或多个机械挡板24、机械搅拌机构等，同样任选地涂布有朗伯(Lambertian)散射材料14和/或光催化材料。该构造被用于平衡并最大化流体19在流动单元12的内部容积中的停留时间。当细菌等22在流动单元12的内部容积中时，目标是最优化设计参数(即流动单元12的尺寸、朗伯(Lambertian)散射材料14的反射比、停留时间以及一个或多个点辐射源20的辐射功率)，以保证细菌等22当其在流动单元12中时受到致死剂量的UV辐射。

任选地，光催化材料14，例如二氧化钛(TiO₂)、氧化锌、二氧化锆、氧化铁、氧化铝、Fe(III)/Al₂O₃、氧化铈、氧化锰、硅酸钛、金属取代的硅酸盐或者硅铝酸盐、以及任意其它金属氧化物、混合金属氧化物、和/或金属掺杂/负载的金属氧化物基体(例如，金纳米粒子负载在二氧化硅或二氧化钛上)等，可以安置在流动单元12的一个或多个内表面上或以其它方式与这些表面结合，以增强基于近场(near-field)的污染物的光致氧化、光致还原和净化，所述污染物包括细菌、病原体、有机材料、卤代化合物、生物源化合物、金属离子、和/或生物制剂。备选地，光催化剂材料14可以被悬挂在占据流动单元12的一些内部区域的非吸附基体(例如纤维或者中孔或大孔溶胶-凝胶、有机改性溶胶凝胶(ormisil)、聚合物或气凝胶)上。由于积分球表面独特的高反射和随机化的性质，这将对催化剂提供从所有方向的均匀照明用于最优化光催化率。可以在流动单元12之前或之后使用流量检测器(未画出)等以在没有流动的期间关闭一个或多个点辐射源20以最大化一个或多个点辐射源20的寿命，并且可以将整个系统连接于控制消毒系统10的全部功能的合适的计算机控制器/处理器(未画出)等。

作为预备内容，DNA在约260nm有峰值吸收，但是吸收曲线宽，其UV吸收的大部分出现于约240nm至约280nm之间。低和中压汞灯具有位于约253.7nm的发射峰，其中中压汞灯具有跨越DNA的峰值杀菌区域的狭窄并分离的发射峰。比较起来，UV LED具有宽频带的深UV发射并且可以将其制作为峰值发射位于约260nm以相对汞灯更有效地提供最大剂量。可以通过改变LED的Al_xGa_(1-x)N活性层中的铝的百分比组成移动LED的波长。近来可以商购到波长集中在DNA的吸收峰处的LED。此外，UV LED不含汞，汞是剧毒的以使得必须将报废的含有汞的灯泡作为危险废物对待并且当报废后必须将其送至有资质的再循环工厂。同样地，汞基源在约185nm产生发射谱线，这导致臭氧产生；臭氧是腐蚀性的并且吸收UV光，同样也是有毒的。UV LED是无汞固态源并且可以被制造为不具有小于约200nm的发射。除了是无汞的，UV LED具有一些超越灯源的明显优势。灯体积大并且需要线路电压，这在POU系统中是不适宜的，其中在该单元设置的地方线路电压并不总是可得的。同样，汞灯具有与灯密封体中等离子体的产生有关的启动延迟时间，所述等离子体又加热惰性气体，所述惰性气体之后使汞蒸发以使汞和等离子体离子碰撞并激发Hg以发射光。与此相反，可以即刻开启UV LED并操作于非常快的开/关工作循环中以增加其寿命。

关于本发明的示意性积分球实施方案，积分球典型地被光学科学家和光谱学工作者用于(1)从具有随机辐射方向模式的光源有效地收集光以及(2)用所收集的光建立发散光源。这通过来自积分球的高散射内壁的多次反射完成，所述内壁固有反光或者被涂布有朗伯(Lambertian)散射材料。在一些情况下，收集是重要的，例如在照明灯泡(light bulb)的表征中。在其它情况中，目的是建立发散光源，例如用于光谱学或光化学应用。在这些应用中，积分球的内部容积被保持的尽可能空，通常仅含有空气。因为高散射的内壁，以及所得到的路径长度增益，数人最近提出使用积分球作为增益样品架用于吸收光谱学，并且作为用于表征样品的产品，例如已经使用该原理表征海水或湖水。在操作期间，当填充有基本上或部分地透明的媒质，例如空气(或水)，积分球内部的光强度在各处都相同，不依赖于方向。这是积分球的一个特征，条件是与积分球的内表面积相比光源(或源)的面积是小的。

结合本发明的系统和方法，使含有非常小量的细菌等的流体流过充满辐射的积分球。下列系列的简单计算表明，如果控制流体(例如水)的停留时间，那么可以使用相对小的数量的可商购的UV LED等结合适当设计的积分球流动单元为所述水消毒。

UV LED是相对新的新兴技术，并且理想地适合于最优化地使用积分球，因为与标准尺寸(例如2英寸半径)的球的内表面相比它们是小的(例如数平方微米)。早期的UV光源，如汞放电灯等，可能不能与积分球流动单元以这种方式有效地结合，除了别的考虑因素以外，归因于它们大的形状因数。

厨房水槽的标准最大流率，例如，为：

$\left(1\right)---Q=2.5\frac{gal}{min}=10.0\frac{qt}{min}=9460\frac{ml}{\min }=158\frac{ml}{\sec }.$

被提议的半径为R的FIS UV LED流动单元具有容积：

$\left(2\right)---V=\frac{4}{3}{\mathrm{\πR}}^3.$

所以，如果特定流量的水Q通过容积V，如细菌的粒子的平均停留时间为：

$\left(3\right)---\mathrm{\τ}=\frac{V}{Q}.$

另外假设饮用水被非常少量的细菌以低于每个球的容积约一个细菌的浓度污染。在图1和2的示意性实施方案中，水从球底部的圆口至球顶部的圆口向上流过流动单元。为了对于每个细菌获得大小为τ的停留时间，预料应在接近球心的某处破坏流动，以减缓相对快速移动的极轴射流(polar axial jet)，并且冲洗清扫相对停滞的赤道体积(equatorial volume)。这被描绘在图2中，通过使用机械挡板等。用于增加停留时间的其它方法包括：(1)机械搅拌的使用；(2)机械搅拌的使用结合非球形“凹部(dimples)”等，例如，战略性地位于积分球的赤道区域；(3)使用通过处于水入口处的冲孔喷嘴(即莲蓬头)等的定向流；以及(4)另外，强迫水在球的内部沿迂回路径流动，例如通过使用随机弯管——管应由UV透明材料制造，如石英等。最大化停留时间的优选方式可以是如将入射流体在南半球中在平行于维度的方向上注入流动单元，并且位于北极的出口垂直于流动单元；这样涡流流体均匀地从底部至顶部充满流动单元。可以使用计算流体动力学(CFD)模拟入口、出口、挡板等的最佳布局。应注意积分球中的任意不均匀性，例如孔、凹部、挡板等可能会降低其光学性能。因而，本发明的系统和方法的成功开发需要停留时间与理想积分球功能之间折衷的优化。

如果与球的内表面积相比点辐射源(例如UV LED)和接受者(即细菌，例如大肠杆菌)具有小的面积，并且如果LED功率为φ_s(典型地mW)，球的半径是R，流速是Q(典型地cc/秒)，球的内表面反射比为k(％)，反射是朗伯的(Lambertian)，并且f是球中用于源等的孔的开口分数，那么对于每个UV LED，递送至球中的接受者(如细菌)每单位面积的剂量为：

假设用于细菌消毒需要D＝5mJ/cm²的剂量。那么对于反射比为k、半径为R以及开口分数可以忽略的球所需要的LED的数量(N)为：

假设SET UV LED在20mA的正向电流下具有辐射功率φ_s＝0.5mW，对于Spectralon涂覆的球的内表面k＝95％，并且同上Q＝158cm³/sec。那么获得所需剂量的LED的数目为：

应注意所需要的LED的数目正比于1/R并且也正比于1/φ_s。可以预料可得的LED的辐射功率随着时间的过去会通过持续的UV材料技术的发展而增加。同样地，UV LED的寿命目前还相对短，为约300小时左右。但是可以使用脉冲算法(algorithm)等优化LED的操作，并且可预料该寿命会通过持续的UV材料技术的发展而延长。当代的0.5mW UV LED每个约消耗约100mW的功率，所以对于有2.5英寸半径的球的厨房水龙头UV水消毒单元所需要的总系统功率为2.5瓦。也预料到UV LED消耗的功率会通过技术的发展而继续下降。比较起来，带有传统UV汞灯的可商购水消毒单元对3加仑/分钟的流耗费14瓦，并且有10,000小时的灯寿命。

朗伯(Lambertian)反射材料必须是无毒的并且是高反射性的。球可以由金属或塑料制造，并涂布有金属、有机聚合物、聚硅氧烷、有机氧化物或经过阳极化处理。可以得到有适度朗伯(Lambertian)特性的其它材料，并且反射比大约为k～90％以上(例如某些铝涂料)。

作为对本发明的系统和方法的增强，光催化材料，例如二氧化钛(TiO₂)、氧化锌、二氧化锆、氧化铁、氧化铝、Fe(III)/Al₂O₃、氧化铈、氧化锰、硅酸钛、金属取代的硅酸盐或硅铝酸盐、以及任意其它金属氧化物、混合金属氧化物、和/或金属掺杂/负载的金属氧化物基体(例如，金纳米粒子负载在二氧化硅或二氧化钛上)等，也可以被包含在球的内部或者作为球的内表面的一部分，以增强水污染物的光致氧化、光致还原和净化，所述污染物包括细菌、病原体、有机材料、卤代化合物、生物源化合物、金属离子、和/或生物制剂。对于直接吸收紫外光是不可能的或者不能导致污染物的净化、脱毒或破坏的这些污染物中的任何—种，球中的光催化剂将代替污染物或除污染物以外充当“UV-接受者”。当UV暴露时，激发的光催化剂将与水流中的污染物作用以净化水。应注意该过程可以与辐射暴露过程一同进行。

因为可以在发射光谱的近UV区操作某些UV LED，可以使用二氧化钛(TiO₂)等的杀菌作用。例如，二氧化钛有效地吸收近UV，具有3.2eV的宽带隙；该吸收导致光催化反应。UV光的吸收产生光激发电子和空穴，它们分别是强还原和氧化剂(见公式6)。光激发空穴与所吸附的水反应以产生高反应性的羟自由基(·OH，见公式7)。同时地，光激发电子容易还原所吸附的O₂以产生超氧自由基(·O2-，见公式8)。这些反应性氧物种(reactive oxygen species)(ROS)，与多种副产物一起，如过氧化氢，被认为在光催化净化方案中对于细胞死亡有贡献。

(6)TiO₂+hv→TiO₂(e^-+h⁺)。

(7)TiO₂(h⁺)+H₂O_吸附→TiO₂+·OH_吸附+H⁺。

(8)TiO₂(e^-)+O_2吸附→O₂ ^·-。

根据本发明的系统和方法，二氧化钛等被固定于高反射积分球的壁上。含氟聚合物表现为用于涂布球的内部的潜在基体，这归因于它对UV的高反射率，它的化学惰性，以及它固定二氧化钛的能力。也可以将二氧化钛固定至其它有机或无机涂层中，或者通过溅射或电子束沉积而沉积。然而，反应性氧物种的连续产生对于大部分固定基体具有长期的不利影响。在一个研究中，用二氧化钛光催化氧化各种聚合物膜和金属表面，显示含氟聚合物是仅有的可耐受来自反应性氧物种的氧化的基体，所述反应性氧物种由二氧化钛的光激发产生。通过含氟聚合物粘合剂固定在金属载体上的二氧化钛已经显示保持其大部分光催化活性，如通过4-氯酚的光分解所证实的。

实验讨论

已知细菌的DNA在260nm的波长下具有峰值吸收并使用5个LED的平面阵列确定初始细菌的对数减少率。使用LED照射带有被大肠杆菌菌株浸制的20mL水的皮氏培养皿(Petri dish)。使用该装置确定相对目前用于水消毒中的标准汞灯源从UV LED接受的剂量的基线。原型FIS也被设计、制造并被测试以确认UV剂量的增大。FIS设计可以容纳约230mL液体并且配备有5个LED(球1)和32个LED(球2)。对于6个对数减少，汞灯源(λ＝254nm)的剂量需求被发现为30mJ/cm²。然而，NSF/ANSI 55-20072标准对于类别A的进入点(POE)或使用点(POU)UV系统要求254nm下40mJ/cm²的最小剂量。5个260nm LED皮氏培养皿装置在61mJ/cm²的计算剂量下产生超过6个对数的细菌减少，并且在36mJ/cm²下超过5个对数减少。当将带有5个LED照射20mL载有细菌的水的皮氏培养皿构造与同样带有5个LED照射230mL载有细菌的水的原型球1相比较时，观察到的是与皮氏培养皿装置相比较，原型球能够消毒10倍液体体积的水。

这个比较，与理论结果一起，表明积分球原型构造相比LED的平面阵列提供了剂量上的增强。应注意两个实验都以约1E7CFU/mL的细菌(大肠杆菌)浓度开始。

使用带有32个LED的球2观测到大肠杆菌在3分钟内的6个对数减少。提出的理论公式预测，对于一定的反射比值k、LED功率Φ以及球半径R，所需要的LED的数量为N＝33。该计算值比得上原型实验中使用的N＝32的实验值。

在测试过程中，当照射细菌大量滋生的水时，在缓慢移动的轨道摇动器上机械地混合球形流动单元。进行流体动力学模拟以模拟球中的水流用于粒子停留时间的分析。使用两个不同模型研究球中的粒子停留时间和流体流动。设计A，所制造的原型，具有水平对准的入口和出口，而设计B具有相对彼此水平偏离的入口和出口。两个模型都具有0.5英寸直径的入口和出口管并在以下条件下模拟：23.2cm³/s的体积流速，给出0.183m/s的流入速度。

增加流体的路径长度增加流体中任何微生物的停留时间。为测定粒子停留时间，通过球的入口管释放12个零质量粒子并且随着时间的过去进行追踪，以便再现球中微生物的粒子停留时间(PRT)。这些模拟证明设计A具有0.9s的最小PRT而设计B具有1.4s的最小PRT。在设计A中，一半的粒子被捕获于涡流中并因此在球中前进的头2000英寸中没有释放。另一方面，设计B显示出更均匀分布的PRT，有一些粒子卷入涡流中但在离开球之前卷入不超过50秒。

这些结果足以证明在积分球中用深UV LED用于水消毒的原理是可行的。在积分球流动单元原型中证实了合格水平的水中大肠杆菌细菌的6个对数的减少。

用于球形流通积分球的理想材料组是无毒的、易于加工的(以便能够制作用于流体流通和光源的开口)，有足够的机械完整性和强度、廉价、防漏并且可以大量制造。此外，球的内表面涂层应该具有合适的光学散射性质、理想的朗伯性(Lambertian)、并且对深紫外线有1.0的反射率。在实践中1.0的反射率不可能得到，但是一些材料是接近的。

目前用于在大多数深UV应用中涂布表面的标准散射材料是在高反射率金属外壳中的低密度聚四氟乙烯(PTFE)；PTFE一定程度上表现为漫射体，所以没有反射性外层不能充分获得高的系统反射率。关于260nm水消毒流动单元应用，铝等提供了适当的外壳。通过以下内容的劳动密集型多步工艺形成低密度PTFE物体：(1)将PTFE粉末压为固体形式(例如立方体或圆柱体)，(2)在例如500-600°F的高温下烧结，(3)在洁净室环境中用无油切割工具加工部件，以及(4)封入硬机械金属或聚合物壳中。典型地通过挖空压制并烧结的PTFE立方体制造积分球。因为如此制备的用于深UV散射的低密度PTFE具有多孔结构，在被提议的应用中它可以充当“有机海绵(organic sponge)”，收集流动的水中的任何污染物(例如矿物质、痕量有机物)，并因此球的光学性能可能受到有害的影响。尽管如此，用低密度PTFE制造的原始积分球流动单元提供了在光学性质的方面可接受的选择，并且因此用这样的装置进行的初始测量代表了对于特定的一套源功率、源几何结构以及入口/出口几何结构的系统的权益。应该注意PTFE也可以得自带如聚乙烯醇的有机粘结剂的涂层溶液(paint-on solution)中，然而，由于有机粘合材料的吸收和降解，这些材料在小于300nm的波长下不能作为好的反射体。对有机粘合剂也存在毒性的顾虑。

硫酸钡(BaSO4)也是一个典型地选择并且通常可得于含有有机粘合剂和溶剂的涂层涂料中。来自这类材料的涂料被指明在300nm至1200nm的光谱范围内具有0.92至0.98的反射率。然而，对于深UV(即260nm)，BaSO4反射比的降低以及有机粘合剂的UV吸收结合起来使得BaSO4较不适合于目前的应用。

铝是对UV良好的反射体，即优于例如银或金，是用于整个积分球的优秀的候选材料。铝被广泛地用作卫星反射镜应用中极短UV(EUV，即短于200nm)的反射材料，并且在由于使用过程中的氧化性能下降之后，可以通过用更多的铝在上面涂布而再生反射比。带有例如氟化镁(MgF₂)的薄保护层，不需要再生，并且铝可在260nm维持大约85％的反射比。这典型地通过在几微米厚的铝膜上喷镀MgF₂薄(例如半波长)层完成，所述铝膜沉积于表面上，例如球壳内部的表面上。球壳可以由铝制成，并且如果这样可以通过粗糙化使散射更加朗伯化(Lambertian)，例如通过“珠粒喷射”，主要是在沉积铝和MgF₂薄膜之前用玻璃珠喷砂。也可以使用类似的方法将铝和MgF₂沉积在塑料球的内表面上。氟化镁引发对于其毒性的顾虑，尽管一定小的剂量作为例如用于铝箔的粘合剂是被FDA批准的。它仅微溶于水中。它作为该水消毒应用中的薄固体反射涂层的使用将可能在暴露的MgF₂之上需要额外的不透水密封层。另一个可能性将是用高温(例如，600°F)底漆/外涂层PTFE工艺涂布铝球的内部朗伯(Lambertian)表面。另一个可能性是铝之上UV-透明的聚硅氧烷硬涂层。另一个可能性是阳极化处理的铝。

因其可变形的球壳原型几何结构和可制造性，聚合物是有吸引力的材料，虽然它们的UV吸收度高，并且因此需要某种涂层(例如铝、Al+MgF₂、PTFE等)以获得朗伯(Lambertian)内散射表面。可以使用快速原型建立技术例如固态立体平版印刷术(solid state stereolithography)(SLA)和选择性激光烧结(selective laser sintering)(SLS)以快速并且廉价地使用工程热塑性塑料如Accura和Duraform(尼龙)分别构建带有复杂几何特征的空心球原型。益处是可以首先使用流体动力学软件模拟组合多种流动单元几何结构、挡板等的大量计算机辅助设计(CAD)以优化流动单元停留时间。从而仅原型化并评价最佳表现方案。之后可以将这些原型用作模型建立廉价的注塑工艺，所述廉价的注塑工艺用于从关于在260nm的朗伯(Lambertian)散射而进行优化的其它热塑性材料和涂料进行大量制造。

虽然本文中参考优选的实施方案及其具体实施例示例和描述了本发明，但是对于领域内的普通技术人员将显而易见的是，其它实施方案和实施例可以执行相似的功能和/或获得类似的结果。所有这种等价实施方案和实施例在本发明的精神和范围之内，因此是被预期到的，并确定被下面的权利要求所覆盖。

Claims (20)

1.一种用于对流体进行消毒的系统，所述系统包括：

流动单元，所述流动单元包括一个或多个入口和一个或多个出口，其中所述流动单元配置为从所述一个或多个入口通过所述流动单元的内部至所述一个或多个出口交换流体；和

一个或多个点辐射源，所述一个或多个点辐射源安置在所述流动单元周围，其中所述一个或多个点辐射源可操作用于向所述流体递送辐射；

其中所述流动单元的内表面可操作用于反射由所述一个或多个点辐射源递送到所述流体的辐射；

其中所述流动单元是包含弯曲的并且凹形的相对内表面、不具有内部角的积分空腔，其中所述内表面上的每个点从内表面上的其它每个点上看是可见的；

其中所述一个或多个所述点辐射源安置在所述积分空腔周围；并且

其中所述内表面可操作用于反射由所述一个或多个点辐射源递送到所述流体的辐射，使得辐射强度在所述流动单元的整个内部均匀，并且所述内表面可操作用于从通过来自高散射内壁的多次反射所收集的辐射建立发散光源。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述流动单元包括积分椭球和积分球中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个点辐射源包括以下各项中的一种或多种：一个或多个半导体光源、一个或多个发光二极管光源、一个或多个紫外光源和一个或多个深紫外光源。

4.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括一个或多个机械挡板或搅拌机构，所述一个或多个机械挡板或搅拌机构安置在所述流动单元的内部，用于选择性地调节所述流动单元中通过的所述流体的流动。

5.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括安置在所述流动单元的所述内表面的至少一部分上的光催化材料。

6.根据权利要求4所述的系统，所述系统还包括安置在所述一个或多个机械挡板或搅拌机构的表面的至少一部分上的光催化材料。

7.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括可操作用于选择性地启动/停止所述一个或多个点辐射源的控制器。

8.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括可操作用于选择性地控制所述流体在所述流动单元内部的停留时间的控制器。

9.一种用于对流体进行消毒的方法，所述方法包括：

提供流动单元，所述流动单元包括一个或多个入口和一个或多个出口，其中所述流动单元配置为从所述一个或多个入口通过所述流动单元的内部至所述一个或多个出口交换流体；和

提供一个或多个点辐射源，所述一个或多个点辐射源安置在所述流动单元周围，其中所述一个或多个点辐射源可操作用于向所述流体递送辐射；

其中所述流动单元的内表面可操作用于反射由所述一个或多个点辐射源递送到所述流体的辐射；

其中所述流动单元是包含弯曲的并且凹形的相对内表面、不具有内部角的积分空腔，其中所述内表面上的每个点从内表面上的其它每个点上看是可见的；

其中所述一个或多个所述点辐射源安置在所述积分空腔周围；并且

其中所述内表面可操作用于反射由所述一个或多个点辐射源递送到所述流体的辐射，使得辐射强度在所述流动单元的整个内部均匀，并且所述内表面可操作用于从通过来自高散射内壁的多次反射所收集的辐射建立发散光源。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述流动单元包括积分椭球和积分球中的一种或多种。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述一个或多个点辐射源包括以下各项中的一种或多种：一个或多个半导体光源、一个或多个发光二极管光源、一个或多个紫外光源和一个或多个深紫外光源。

12.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括提供一个或多个机械挡板或搅拌机构，所述一个或多个机械挡板或搅拌机构安置在所述流动单元的内部，用于选择性地调节所述流动单元中通过的所述流体的流动。

13.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括提供安置在所述流动单元的所述内表面的至少一部分上的光催化材料。

14.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括提供安置在所述一个或多个机械挡板或搅拌机构的表面的至少一部分上的光催化材料。

15.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括提供可操作用于选择性地启动/停止所述一个或多个点辐射源的控制器。

16.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括提供可操作用于选择性地控制所述流体在所述流动单元内部的停留时间的控制器。

17.一种用于对流体进行消毒的系统，所述系统包括：

流动单元，所述流动单元包括一个或多个入口和一个或多个出口，其中所述流动单元配置为从所述一个或多个入口通过所述流动单元的内部至所述一个或多个出口交换包含生物污染物的流体；和

一个或多个点辐射源，所述一个或多个点辐射源安置在所述流动单元周围，其中所述一个或多个点辐射源可操作用于向所述生物污染物递送辐射；

其中所述流动单元的内表面可操作用于反射由所述一个或多个点辐射源递送到所述生物污染物的辐射；并且

其中所述流动单元的所述内表面可操作用于反射由所述一个或多个点辐射源递送到所述生物污染物的辐射，使得辐射强度在所述流动单元的整个内部均匀；

其中所述流动单元是包含弯曲的并且凹形的相对内表面、不具有内部角的积分空腔，其中所述内表面上的每个点从内表面上的其它每个点上看是可见的；

其中所述一个或多个所述点辐射源安置在所述积分空腔周围；并且

其中所述内表面可操作用于从通过来自高散射内壁的多次反射所收集的辐射建立发散光源。

18.根据权利要求17所述的系统，其中所述流动单元包括积分椭球和积分球中的一种或多种。

19.根据权利要求17所述的系统，其中所述一个或多个点辐射源包括以下各项中的一种或多种：一个或多个半导体光源、一个或多个发光二极管光源、一个或多个紫外光源和一个或多个深紫外光源。

20.根据权利要求17所述的系统，所述系统还包括安置在所述流动单元的所述内表面的至少一部分上的光催化材料。