UVC LED 水消毒的系統方法
發布時間：2021-09-23 11:25
來源：螢光創新
紫外線已成為消毒界的明星。它越來越多地用于需要替代消毒選項的關鍵應用。紫外線消毒有幾個優點，包括：
1.不含化學品 紫外線可在不使用有害化學物質的情況下提供物理治療，沒有 DBP，沒有化學處理產生有害消毒副產物的風險。
2.有效的病原體滅活 紫外線對多種水源性病原體非常有效，包括耐氯生物、如隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲。
3.低維護 堅固的技術易于使用和維護，歷史上，傳統的氣體放電（汞）燈用于水處理系統以發射紫外線。
最近，一種在殺菌波長范圍（250 至 285 nm）內發射的新型光源 (UV LED) 已迅速開發并應用于小流量水處理系統。除了上面列出的紫外線消毒技術的核心優勢外，UVC LED 還具有其他優勢，包括：
1.不含汞 傳統的紫外線燈含有汞，但紫外線 LED 不含有害物質，從而消除了因燈管破損而導致汞溢出的風險。
2.占地面積小 與傳統 UV 系統相比，高功率密度 UVC LED 和高級的控制可實現更小的占地面積。
3.即時開/關 系統對間歇流量友好，可以立即打開和關閉，無需任何預熱時間要求，這也增強了節能效果并延長了燈的使用壽命。
4.無限循環 燈管壽命不受開/關周期的影響，允許無限次循環。
5.溫度無關 LED 不會將熱量傳遞到水中，因此，無論水溫如何都可以限制燈污染并確保恒定的紫外線輸出。
在更高的層面上，LED 提供與汞燈相同的物理消毒安全性。然而，重要的是檢查 UVC LED 和汞燈之間的根本區別需要新的思維和設計方法來充分利用這種令人興奮的新光源的潛力，需要一種整體的系統方法來充分利用 UVC LED 提供的巨大潛力。以下是與 UVC LED 系統開發相關的關鍵工程問題：
光源的性質、穩健性和可靠性
主要的設計挑戰是了解完全不同的光源，殺菌波長略有不同。必須注意充分表征其穩健性和可靠性，為這種設計轉變奠定基礎的一個關鍵是這兩種燈之間的發射曲線差異（圖 1）。僅從這張圖，就很容易看出需要改變 UV 反應器設計的幾何形狀。汞燈需要圓柱形設計，而 UVC LED 具有光發射曲線，可以使用但不需要圓柱形輪廓。除了具有根本不同的發射曲線外，還必須檢查 UVC LED 的光譜輸出。隨著低壓汞燈的普及，254 nm 已被認為是理想的波長，盡管峰值殺菌效率介于 260 和 270 nm 之間，但具體還是取決于特定病原體。UVC LED 是準單色的（大部分輸出落在 10 納米的間隙內），但可以設計為殺菌范圍內的各種波長，以針對特定病原體或一般峰值病原體紫外線敏感性。（例如，255、265、275 nm 等）。設計人員對波長的選擇通常取決于成本、壽命、目標病原體和紫外線強度輸出的組合。此外，由于缺乏使用這種新型創新光源的經驗，制造商必須對 UVC LED 進行廣泛的預測試，以便對這些設備的耐用性和發射時間充滿信心，UVC LED 測量和測試設備對于產生這些重要數據至關重要。
反應器設計
主要的設計挑戰是通過設計高效的紫外線反應器來提高整體系統效率。由于燈發射曲線的差異，采用 LED 的處理室有可能與使用傳統汞燈的處理室大不相同。設計人員必須找到一種方法來有效地在反應室內分配這種新光源。目前，商用 UVC LED 的輸出功率低于 100 mW（對于單個設備，大約 3.5 mm 2) 與 17 瓦低壓汞燈（約 350 毫米 x 15 毫米）相比。盡管單個 UVC LED 不如單個汞燈強大，但它們的 UVC 輸出和功率密度（每單位面積的輸出）在過去幾年中呈指數級增長。因此，必須付出更多努力設計高效的紫外線反應器，以補償和維持水處理系統的整體效率。一些設計可能很優雅，例如在管道內襯上 LED（如圖 2 所示），但整體效率必須是驅動前提。一旦 UVC LED 技術成熟到可見光 LED 技術的水平并且非常高效，它們幾乎可以放置在任何配置中；但就目前而言，UVC LED 系統只有在圍繞極其高效的反應器設計構建時才能有效。目前只有少數 UVC LED 處理系統可用，每個系統都有不同的反應器設計，高效的反應器設計不容易發現，開發團隊花費數年時間設計和驗證比基于汞燈的系統更高效的新型反應器配置。先進的建模工具，例如計算流體動力學和有限元分析，與物理測量技術（例如生物劑量學和光度計）一起部署。
熱管理
主要的設計挑戰是管理 UVC LED 發出的熱量以確保燈的長壽命。基于 LED 的系統的主要優勢之一是它們不會將熱量傳遞到水中（圖 3）。LED 在設備的前表面發出所有光，在后表面發出熱量，而汞燈則通過同一表面發出光和熱；UVC LED 比基于汞的燈發出更多的熱量，而后者必須正確管理。這可以通過多種方式完成，并將有助于延長系統的使用壽命，需要新的技能或專家才能有效地完成這項任務。如果 LED 保持高溫，則 LED 的紫外線輸出會減少，并且系統的消毒效率會隨著時間的推移而降低。實施熱減熱技術和熱量監測是維持長效 UV LED 的關鍵。根據使用情況，與傳統汞燈的年度更換要求相比，這些燈的更換間隔可為幾年。
系統監控/故障排除
主要的設計挑戰是了解影響 UVC LED 壽命和性能的關鍵參數并有效地監控它們。實時監測消毒性能和警報指示對于有效的 UVC LED 系統至關重要，不僅要知道要跟蹤哪些指標，還要知道如何實施它們，這對于確保系統信心至關重要。智能設計包括監控燈的健康狀況以及哪些檢查點需要錯誤指示器、警報和系統關閉協議。這種跟蹤為最終用戶提供了所需的工具，以確保滿足適當的指標，并且他們的系統處于所需的滅活水平和預期壽命。
將 UVC LED 光源引入水消毒行業對設計人員和用戶提出了挑戰，以改變他們對紫外線消毒的看法。雖然結合了以前用于汞燈的一些設計原則，但在許多情況下，需要進行轉變才能從模擬消毒過渡到數字消毒。與關注燈的效率相比，更重要的是關注總系統效率，這取決于燈效率和反應器效率。因此，當全世界都在等待 UVC LED 變得更高效時，反應器設計成為系統效率的決定性因素。汞燈的效率適中，其管狀幾何反應器的效率也適中。目前，UVC LED光源的效率較低，因此必須與效率極高的反應器配套使用，才能使系統的效率達到或超過汞基水處理系統的效率。
結論
許多設計人員很快了解到用于汞燈的傳統 UV 反應器不適用于 LED 驅動系統。流體動力學需要高度先進的反應器，以便得到一致有效的效果。隨著UVC LED的快速發展，LED的效率會提高，而價格會下降。因此，UVC LED 最終將得到廣泛應用，而無需關注反應器效率。然而，在可預見的未來，在選擇部署 UVC LED 設備時，整體系統設計至關重要。用戶、監管者和水系統設計者需要意識到這一點，并了解建造和評估高效殺菌器需要什么，因為正如我們所知，并非所有殺菌器效果都是一樣的。
青島螢光創新科技有限公司，擁有專業的博士后團隊，專注于紫外殺菌應用的研究，經過多年深耕紫外行業，公司獲得多項國家發明和實用新型專利。目前多款殺菌模組類產品已經投入市場。更多詳細內容可以瀏覽公司網站www.xiqiangdiesong.com聯系公司索取或者關注微信公眾號。
1.不含化學品 紫外線可在不使用有害化學物質的情況下提供物理治療，沒有 DBP，沒有化學處理產生有害消毒副產物的風險。
2.有效的病原體滅活 紫外線對多種水源性病原體非常有效，包括耐氯生物、如隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲。
3.低維護 堅固的技術易于使用和維護，歷史上，傳統的氣體放電（汞）燈用于水處理系統以發射紫外線。
最近，一種在殺菌波長范圍（250 至 285 nm）內發射的新型光源 (UV LED) 已迅速開發并應用于小流量水處理系統。除了上面列出的紫外線消毒技術的核心優勢外，UVC LED 還具有其他優勢，包括：
1.不含汞 傳統的紫外線燈含有汞，但紫外線 LED 不含有害物質，從而消除了因燈管破損而導致汞溢出的風險。
2.占地面積小 與傳統 UV 系統相比，高功率密度 UVC LED 和高級的控制可實現更小的占地面積。
3.即時開/關 系統對間歇流量友好，可以立即打開和關閉，無需任何預熱時間要求，這也增強了節能效果并延長了燈的使用壽命。
4.無限循環 燈管壽命不受開/關周期的影響，允許無限次循環。
5.溫度無關 LED 不會將熱量傳遞到水中，因此，無論水溫如何都可以限制燈污染并確保恒定的紫外線輸出。
在更高的層面上，LED 提供與汞燈相同的物理消毒安全性。然而，重要的是檢查 UVC LED 和汞燈之間的根本區別需要新的思維和設計方法來充分利用這種令人興奮的新光源的潛力，需要一種整體的系統方法來充分利用 UVC LED 提供的巨大潛力。以下是與 UVC LED 系統開發相關的關鍵工程問題：
光源的性質、穩健性和可靠性
主要的設計挑戰是了解完全不同的光源，殺菌波長略有不同。必須注意充分表征其穩健性和可靠性，為這種設計轉變奠定基礎的一個關鍵是這兩種燈之間的發射曲線差異（圖 1）。僅從這張圖，就很容易看出需要改變 UV 反應器設計的幾何形狀。汞燈需要圓柱形設計，而 UVC LED 具有光發射曲線，可以使用但不需要圓柱形輪廓。除了具有根本不同的發射曲線外，還必須檢查 UVC LED 的光譜輸出。隨著低壓汞燈的普及，254 nm 已被認為是理想的波長，盡管峰值殺菌效率介于 260 和 270 nm 之間，但具體還是取決于特定病原體。UVC LED 是準單色的（大部分輸出落在 10 納米的間隙內），但可以設計為殺菌范圍內的各種波長，以針對特定病原體或一般峰值病原體紫外線敏感性。（例如，255、265、275 nm 等）。設計人員對波長的選擇通常取決于成本、壽命、目標病原體和紫外線強度輸出的組合。此外，由于缺乏使用這種新型創新光源的經驗，制造商必須對 UVC LED 進行廣泛的預測試，以便對這些設備的耐用性和發射時間充滿信心，UVC LED 測量和測試設備對于產生這些重要數據至關重要。
反應器設計
主要的設計挑戰是通過設計高效的紫外線反應器來提高整體系統效率。由于燈發射曲線的差異，采用 LED 的處理室有可能與使用傳統汞燈的處理室大不相同。設計人員必須找到一種方法來有效地在反應室內分配這種新光源。目前，商用 UVC LED 的輸出功率低于 100 mW（對于單個設備，大約 3.5 mm 2) 與 17 瓦低壓汞燈（約 350 毫米 x 15 毫米）相比。盡管單個 UVC LED 不如單個汞燈強大，但它們的 UVC 輸出和功率密度（每單位面積的輸出）在過去幾年中呈指數級增長。因此，必須付出更多努力設計高效的紫外線反應器，以補償和維持水處理系統的整體效率。一些設計可能很優雅，例如在管道內襯上 LED（如圖 2 所示），但整體效率必須是驅動前提。一旦 UVC LED 技術成熟到可見光 LED 技術的水平并且非常高效，它們幾乎可以放置在任何配置中；但就目前而言，UVC LED 系統只有在圍繞極其高效的反應器設計構建時才能有效。目前只有少數 UVC LED 處理系統可用，每個系統都有不同的反應器設計，高效的反應器設計不容易發現，開發團隊花費數年時間設計和驗證比基于汞燈的系統更高效的新型反應器配置。先進的建模工具，例如計算流體動力學和有限元分析，與物理測量技術（例如生物劑量學和光度計）一起部署。
熱管理
主要的設計挑戰是管理 UVC LED 發出的熱量以確保燈的長壽命。基于 LED 的系統的主要優勢之一是它們不會將熱量傳遞到水中（圖 3）。LED 在設備的前表面發出所有光，在后表面發出熱量，而汞燈則通過同一表面發出光和熱；UVC LED 比基于汞的燈發出更多的熱量，而后者必須正確管理。這可以通過多種方式完成，并將有助于延長系統的使用壽命，需要新的技能或專家才能有效地完成這項任務。如果 LED 保持高溫，則 LED 的紫外線輸出會減少，并且系統的消毒效率會隨著時間的推移而降低。實施熱減熱技術和熱量監測是維持長效 UV LED 的關鍵。根據使用情況，與傳統汞燈的年度更換要求相比，這些燈的更換間隔可為幾年。
系統監控/故障排除
主要的設計挑戰是了解影響 UVC LED 壽命和性能的關鍵參數并有效地監控它們。實時監測消毒性能和警報指示對于有效的 UVC LED 系統至關重要，不僅要知道要跟蹤哪些指標，還要知道如何實施它們，這對于確保系統信心至關重要。智能設計包括監控燈的健康狀況以及哪些檢查點需要錯誤指示器、警報和系統關閉協議。這種跟蹤為最終用戶提供了所需的工具，以確保滿足適當的指標，并且他們的系統處于所需的滅活水平和預期壽命。
將 UVC LED 光源引入水消毒行業對設計人員和用戶提出了挑戰，以改變他們對紫外線消毒的看法。雖然結合了以前用于汞燈的一些設計原則，但在許多情況下，需要進行轉變才能從模擬消毒過渡到數字消毒。與關注燈的效率相比，更重要的是關注總系統效率，這取決于燈效率和反應器效率。因此，當全世界都在等待 UVC LED 變得更高效時，反應器設計成為系統效率的決定性因素。汞燈的效率適中，其管狀幾何反應器的效率也適中。目前，UVC LED光源的效率較低，因此必須與效率極高的反應器配套使用，才能使系統的效率達到或超過汞基水處理系統的效率。
結論
許多設計人員很快了解到用于汞燈的傳統 UV 反應器不適用于 LED 驅動系統。流體動力學需要高度先進的反應器，以便得到一致有效的效果。隨著UVC LED的快速發展，LED的效率會提高，而價格會下降。因此，UVC LED 最終將得到廣泛應用，而無需關注反應器效率。然而，在可預見的未來，在選擇部署 UVC LED 設備時，整體系統設計至關重要。用戶、監管者和水系統設計者需要意識到這一點，并了解建造和評估高效殺菌器需要什么，因為正如我們所知，并非所有殺菌器效果都是一樣的。
青島螢光創新科技有限公司，擁有專業的博士后團隊，專注于紫外殺菌應用的研究，經過多年深耕紫外行業，公司獲得多項國家發明和實用新型專利。目前多款殺菌模組類產品已經投入市場。更多詳細內容可以瀏覽公司網站www.xiqiangdiesong.com聯系公司索取或者關注微信公眾號。
文章關鍵字：UVC、UVC LED、深紫外、紫外殺菌、深紫外 LED
