【极智课堂】蒋振宇：紫外消毒手册解读之紫外消毒设备

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本期，我们邀请到深圳第三代半导体研究院光电器件研发总监蒋振宇带来了“紫外消毒手册解读之紫外消毒设备”的精彩主题分享，以下为主要内容：

一、参考书目

The Ultraviolet Disinfection Handbook, James Bolton, 2008

紫外光在水和废水处理中的应用， Willy Masschelein， 张彭义译，2014

III-Nitride Ultraviolet Emitters, editor: Michael Kneissl and Jens Rass, 2015

二、紫外消毒设备分类

1.开放式系统 Open-Channel System

污水处理为主，紫外灯可以平行或垂直水流方向。主要组成为UV灯和石英套管。

2.封闭式系统 Close-Pipe System

主要用于饮用水净化，设计灯具包含在水管中，相对复杂，主要组成为UV灯，UV探测器，石英套管及相应的清理设计。

3.封闭式紫外消毒系统种类

单根环形反应器，低流速 1-10 gpm（加仑每分钟），主要用于家庭或船上用净水器，多用低压汞灯。

多根平行水流反应器，高流速10-500 gpm，用于社区水净化，大部分用低压汞灯。

多根垂直水流反应器，超高流速500-2500 gpm，主要用于中大型净水厂，多用中压汞灯

二、紫外灯

1.气体放电灯（Gas Discharge Lamp）

主要发光原理是将电子激发到元素的高轨道态，激发态的电子跃迁回基态的过程中发出光子。

汞是最容易挥发的金属，最重要的两条光谱线为253.7nm和185nm253.7nm对应消毒杀菌应用的波段，因为离子化能量比较低，比较容易产生雪崩效应。形成链式反应，效率相对来说会比较高。

汞灯中，通常汞蒸气还要混合氩气、氖气或氦气，产生叫做彭宁混合物的惰性气体。如果氩气过多，也会跟汞原子发生弹性碰撞损失能量，在灯具设计中，它的含量也要做优化处理。

2.UV灯的分类

UV用汞灯，主要分为低压高输出汞灯，脉冲氙灯，低压汞灯、中压汞灯等几类，其中低压汞灯、中压汞灯使用最多。

低压汞灯

低压汞灯的基本工作原理是电子非弹性碰撞汞原子，使它发生电离，电离激发以后，再回到基态的时候，会发出紫外光子。低压汞灯的工作气压通常是0.1到10Pa，在比较低的气压下，工作温度点会比较低，相对在20-40℃的常温区间就可以工作。低压汞灯对温度相对比较敏感。如果太低，冷却浓缩降低发射效率。太高会自吸收增加降低效率。通常水温影响不大，但有的地区冬天水温太低影响效率。

通常汞灯的温度基本上是在优化的大概三四十度左右，低压汞灯82%的光发生在253.7nm。但也会有大概6.6%的光发射在184.9nm，这个波长会有一些臭氧产生，通常会采用一些光学玻璃或石英掺杂二氧化钛等办法处理掉。低压汞灯实际上在生活中比较常用，功率一般在20瓦到40瓦左右。

低压汞灯受电压和温度的影响比较大，会比较容易老化，低压汞灯寿命大概在一年左右，每次启动也会加速老化，每次重启大概相当于增加一个小时的老化，是要经常不断更换灯具的主要原因。

低压高输出汞灯（LPHO）

这是较早时期提出的技术，由于功率的提升，温度也会随之提升，但同时也带来问题，比如掺In导致整个灯具寿命缩短。

中压汞灯

工作电压：~100kPa；电压：160-250V；功率：~30,000W；光谱：因能量大导致光谱变宽；放电弧区温度6000K，主体部件温度600-900℃，对水温不敏感。

为了增加汞灯输出，把工作气压提升到100kPa的水平，正常工作电压是160-250V，但启动时，会有3000到5000伏的脉冲启动，会使得整个灯具可以达到3万瓦这样大功率的应用。但因为这样大功率的应用，能量非常高，使得整个汞灯的光谱，就不仅仅局限在253.7nm，会有一个非常宽的光谱。

因为能量比较大，放电弧区温度非常高，在6000K左右，主体部件温度在600-900℃，是非常高的温度，所以对于器件的材料、设计有更高的要求。比如一些末端的电极温度在1500到2000度的高温区间，需要考虑比较低热膨胀系数的材料，如钼材料。因为光谱很宽，所以有效消毒效率相对会低一些。

宽光谱也会同时具备消毒和协同氧化的功能。另外对于电压会相对比较敏感，整个输入电压和输出光功率几乎是一种线性的正比关系，相对来说剂量大小比较好调节。

脉冲氙灯（Flash Lamp）

通常灯管中填充氙气，10-30 kV高压，等离子体温度8000-25000K，脉冲：~30Hz；寿命短，材料老化快；220-320nm以外光发射；可能的次级反应（硝酸根离子）；商业化应用仍需推进。

由于这种技术设计。整个器件的寿命比较低，最多大概是一个月左右，材料老化很快，目前主要还在研发阶段，产业应用非常少。