UVC LED 水消毒的系统方法
发布时间：2021-09-23 11:25
来源：萤光创新
紫外线已成为消毒界的明星。它越来越多地用于需要替代消毒选项的关键应用。紫外线消毒有几个优点，包括：
1.不含化学品 紫外线可在不使用有害化学物质的情况下提供物理治疗，没有 DBP，没有化学处理产生有害消毒副产物的风险。
2.有效的病原体灭活 紫外线对多种水源性病原体非常有效，包括耐氯生物、如隐孢子虫和贾第鞭毛虫。
3.低维护 坚固的技术易于使用和维护，历史上，传统的气体放电（汞）灯用于水处理系统以发射紫外线。
最近，一种在杀菌波长范围（250 至 285 nm）内发射的新型光源 (UV LED) 已迅速开发并应用于小流量水处理系统。除了上面列出的紫外线消毒技术的核心优势外，UVC LED 还具有其他优势，包括：
1.不含汞 传统的紫外线灯含有汞，但紫外线 LED 不含有害物质，从而消除了因灯管破损而导致汞溢出的风险。
2.占地面积小 与传统 UV 系统相比，高功率密度 UVC LED 和高级的控制可实现更小的占地面积。
3.即时开/关 系统对间歇流量友好，可以立即打开和关闭，无需任何预热时间要求，这也增强了节能效果并延长了灯的使用寿命。
4.无限循环 灯管寿命不受开/关周期的影响，允许无限次循环。
5.温度无关 LED 不会将热量传递到水中，因此，无论水温如何都可以限制灯污染并确保恒定的紫外线输出。
在更高的层面上，LED 提供与汞灯相同的物理消毒安全性。然而，重要的是检查 UVC LED 和汞灯之间的根本区别需要新的思维和设计方法来充分利用这种令人兴奋的新光源的潜力，需要一种整体的系统方法来充分利用 UVC LED 提供的巨大潜力。以下是与 UVC LED 系统开发相关的关键工程问题：
光源的性质、稳健性和可靠性
主要的设计挑战是了解完全不同的光源，杀菌波长略有不同。必须注意充分表征其稳健性和可靠性，为这种设计转变奠定基础的一个关键是这两种灯之间的发射曲线差异（图 1）。仅从这张图，就很容易看出需要改变 UV 反应器设计的几何形状。汞灯需要圆柱形设计，而 UVC LED 具有光发射曲线，可以使用但不需要圆柱形轮廓。除了具有根本不同的发射曲线外，还必须检查 UVC LED 的光谱输出。随着低压汞灯的普及，254 nm 已被认为是理想的波长，尽管峰值杀菌效率介于 260 和 270 nm 之间，但具体还是取决于特定病原体。UVC LED 是准单色的（大部分输出落在 10 纳米的间隙内），但可以设计为杀菌范围内的各种波长，以针对特定病原体或一般峰值病原体紫外线敏感性。（例如，255、265、275 nm 等）。设计人员对波长的选择通常取决于成本、寿命、目标病原体和紫外线强度输出的组合。此外，由于缺乏使用这种新型创新光源的经验，制造商必须对 UVC LED 进行广泛的预测试，以便对这些设备的耐用性和发射时间充满信心，UVC LED 测量和测试设备对于产生这些重要数据至关重要。
反应器设计
主要的设计挑战是通过设计高效的紫外线反应器来提高整体系统效率。由于灯发射曲线的差异，采用 LED 的处理室有可能与使用传统汞灯的处理室大不相同。设计人员必须找到一种方法来有效地在反应室内分配这种新光源。目前，商用 UVC LED 的输出功率低于 100 mW（对于单个设备，大约 3.5 mm 2) 与 17 瓦低压汞灯（约 350 毫米 x 15 毫米）相比。尽管单个 UVC LED 不如单个汞灯强大，但它们的 UVC 输出和功率密度（每单位面积的输出）在过去几年中呈指数级增长。因此，必须付出更多努力设计高效的紫外线反应器，以补偿和维持水处理系统的整体效率。一些设计可能很优雅，例如在管道内衬上 LED（如图 2 所示），但整体效率必须是驱动前提。一旦 UVC LED 技术成熟到可见光 LED 技术的水平并且非常高效，它们几乎可以放置在任何配置中；但就目前而言，UVC LED 系统只有在围绕极其高效的反应器设计构建时才能有效。目前只有少数 UVC LED 处理系统可用，每个系统都有不同的反应器设计，高效的反应器设计不容易发现，开发团队花费数年时间设计和验证比基于汞灯的系统更高效的新型反应器配置。先进的建模工具，例如计算流体动力学和有限元分析，与物理测量技术（例如生物剂量学和光度计）一起部署。
热管理
主要的设计挑战是管理 UVC LED 发出的热量以确保灯的长寿命。基于 LED 的系统的主要优势之一是它们不会将热量传递到水中（图 3）。LED 在设备的前表面发出所有光，在后表面发出热量，而汞灯则通过同一表面发出光和热；UVC LED 比基于汞的灯发出更多的热量，而后者必须正确管理。这可以通过多种方式完成，并将有助于延长系统的使用寿命，需要新的技能或专家才能有效地完成这项任务。如果 LED 保持高温，则 LED 的紫外线输出会减少，并且系统的消毒效率会随着时间的推移而降低。实施热减热技术和热量监测是维持长效 UV LED 的关键。根据使用情况，与传统汞灯的年度更换要求相比，这些灯的更换间隔可为几年。
系统监控/故障排除
主要的设计挑战是了解影响 UVC LED 寿命和性能的关键参数并有效地监控它们。实时监测消毒性能和警报指示对于有效的 UVC LED 系统至关重要，不仅要知道要跟踪哪些指标，还要知道如何实施它们，这对于确保系统信心至关重要。智能设计包括监控灯的健康状况以及哪些检查点需要错误指示器、警报和系统关闭协议。这种跟踪为最终用户提供了所需的工具，以确保满足适当的指标，并且他们的系统处于所需的灭活水平和预期寿命。
将 UVC LED 光源引入水消毒行业对设计人员和用户提出了挑战，以改变他们对紫外线消毒的看法。虽然结合了以前用于汞灯的一些设计原则，但在许多情况下，需要进行转变才能从模拟消毒过渡到数字消毒。与关注灯的效率相比，更重要的是关注总系统效率，这取决于灯效率和反应器效率。因此，当全世界都在等待 UVC LED 变得更高效时，反应器设计成为系统效率的决定性因素。汞灯的效率适中，其管状几何反应器的效率也适中。目前，UVC LED光源的效率较低，因此必须与效率极高的反应器配套使用，才能使系统的效率达到或超过汞基水处理系统的效率。
结论
许多设计人员很快了解到用于汞灯的传统 UV 反应器不适用于 LED 驱动系统。流体动力学需要高度先进的反应器，以便得到一致有效的效果。随着UVC LED的快速发展，LED的效率会提高，而价格会下降。因此，UVC LED 最终将得到广泛应用，而无需关注反应器效率。然而，在可预见的未来，在选择部署 UVC LED 设备时，整体系统设计至关重要。用户、监管者和水系统设计者需要意识到这一点，并了解建造和评估高效杀菌器需要什么，因为正如我们所知，并非所有杀菌器效果都是一样的。
青岛萤光创新科技有限公司，拥有专业的博士后团队，专注于紫外杀菌应用的研究，经过多年深耕紫外行业，公司获得多项国家发明和实用新型专利。目前多款杀菌模组类产品已经投入市场。更多详细内容可以浏览公司网站www.qdyingguang.com联系公司索取或者关注微信公众号。
1.不含化学品 紫外线可在不使用有害化学物质的情况下提供物理治疗，没有 DBP，没有化学处理产生有害消毒副产物的风险。
2.有效的病原体灭活 紫外线对多种水源性病原体非常有效，包括耐氯生物、如隐孢子虫和贾第鞭毛虫。
3.低维护 坚固的技术易于使用和维护，历史上，传统的气体放电（汞）灯用于水处理系统以发射紫外线。
最近，一种在杀菌波长范围（250 至 285 nm）内发射的新型光源 (UV LED) 已迅速开发并应用于小流量水处理系统。除了上面列出的紫外线消毒技术的核心优势外，UVC LED 还具有其他优势，包括：
1.不含汞 传统的紫外线灯含有汞，但紫外线 LED 不含有害物质，从而消除了因灯管破损而导致汞溢出的风险。
2.占地面积小 与传统 UV 系统相比，高功率密度 UVC LED 和高级的控制可实现更小的占地面积。
3.即时开/关 系统对间歇流量友好，可以立即打开和关闭，无需任何预热时间要求，这也增强了节能效果并延长了灯的使用寿命。
4.无限循环 灯管寿命不受开/关周期的影响，允许无限次循环。
5.温度无关 LED 不会将热量传递到水中，因此，无论水温如何都可以限制灯污染并确保恒定的紫外线输出。
在更高的层面上，LED 提供与汞灯相同的物理消毒安全性。然而，重要的是检查 UVC LED 和汞灯之间的根本区别需要新的思维和设计方法来充分利用这种令人兴奋的新光源的潜力，需要一种整体的系统方法来充分利用 UVC LED 提供的巨大潜力。以下是与 UVC LED 系统开发相关的关键工程问题：
光源的性质、稳健性和可靠性
主要的设计挑战是了解完全不同的光源，杀菌波长略有不同。必须注意充分表征其稳健性和可靠性，为这种设计转变奠定基础的一个关键是这两种灯之间的发射曲线差异（图 1）。仅从这张图，就很容易看出需要改变 UV 反应器设计的几何形状。汞灯需要圆柱形设计，而 UVC LED 具有光发射曲线，可以使用但不需要圆柱形轮廓。除了具有根本不同的发射曲线外，还必须检查 UVC LED 的光谱输出。随着低压汞灯的普及，254 nm 已被认为是理想的波长，尽管峰值杀菌效率介于 260 和 270 nm 之间，但具体还是取决于特定病原体。UVC LED 是准单色的（大部分输出落在 10 纳米的间隙内），但可以设计为杀菌范围内的各种波长，以针对特定病原体或一般峰值病原体紫外线敏感性。（例如，255、265、275 nm 等）。设计人员对波长的选择通常取决于成本、寿命、目标病原体和紫外线强度输出的组合。此外，由于缺乏使用这种新型创新光源的经验，制造商必须对 UVC LED 进行广泛的预测试，以便对这些设备的耐用性和发射时间充满信心，UVC LED 测量和测试设备对于产生这些重要数据至关重要。
反应器设计
主要的设计挑战是通过设计高效的紫外线反应器来提高整体系统效率。由于灯发射曲线的差异，采用 LED 的处理室有可能与使用传统汞灯的处理室大不相同。设计人员必须找到一种方法来有效地在反应室内分配这种新光源。目前，商用 UVC LED 的输出功率低于 100 mW（对于单个设备，大约 3.5 mm 2) 与 17 瓦低压汞灯（约 350 毫米 x 15 毫米）相比。尽管单个 UVC LED 不如单个汞灯强大，但它们的 UVC 输出和功率密度（每单位面积的输出）在过去几年中呈指数级增长。因此，必须付出更多努力设计高效的紫外线反应器，以补偿和维持水处理系统的整体效率。一些设计可能很优雅，例如在管道内衬上 LED（如图 2 所示），但整体效率必须是驱动前提。一旦 UVC LED 技术成熟到可见光 LED 技术的水平并且非常高效，它们几乎可以放置在任何配置中；但就目前而言，UVC LED 系统只有在围绕极其高效的反应器设计构建时才能有效。目前只有少数 UVC LED 处理系统可用，每个系统都有不同的反应器设计，高效的反应器设计不容易发现，开发团队花费数年时间设计和验证比基于汞灯的系统更高效的新型反应器配置。先进的建模工具，例如计算流体动力学和有限元分析，与物理测量技术（例如生物剂量学和光度计）一起部署。
热管理
主要的设计挑战是管理 UVC LED 发出的热量以确保灯的长寿命。基于 LED 的系统的主要优势之一是它们不会将热量传递到水中（图 3）。LED 在设备的前表面发出所有光，在后表面发出热量，而汞灯则通过同一表面发出光和热；UVC LED 比基于汞的灯发出更多的热量，而后者必须正确管理。这可以通过多种方式完成，并将有助于延长系统的使用寿命，需要新的技能或专家才能有效地完成这项任务。如果 LED 保持高温，则 LED 的紫外线输出会减少，并且系统的消毒效率会随着时间的推移而降低。实施热减热技术和热量监测是维持长效 UV LED 的关键。根据使用情况，与传统汞灯的年度更换要求相比，这些灯的更换间隔可为几年。
系统监控/故障排除
主要的设计挑战是了解影响 UVC LED 寿命和性能的关键参数并有效地监控它们。实时监测消毒性能和警报指示对于有效的 UVC LED 系统至关重要，不仅要知道要跟踪哪些指标，还要知道如何实施它们，这对于确保系统信心至关重要。智能设计包括监控灯的健康状况以及哪些检查点需要错误指示器、警报和系统关闭协议。这种跟踪为最终用户提供了所需的工具，以确保满足适当的指标，并且他们的系统处于所需的灭活水平和预期寿命。
将 UVC LED 光源引入水消毒行业对设计人员和用户提出了挑战，以改变他们对紫外线消毒的看法。虽然结合了以前用于汞灯的一些设计原则，但在许多情况下，需要进行转变才能从模拟消毒过渡到数字消毒。与关注灯的效率相比，更重要的是关注总系统效率，这取决于灯效率和反应器效率。因此，当全世界都在等待 UVC LED 变得更高效时，反应器设计成为系统效率的决定性因素。汞灯的效率适中，其管状几何反应器的效率也适中。目前，UVC LED光源的效率较低，因此必须与效率极高的反应器配套使用，才能使系统的效率达到或超过汞基水处理系统的效率。
结论
许多设计人员很快了解到用于汞灯的传统 UV 反应器不适用于 LED 驱动系统。流体动力学需要高度先进的反应器，以便得到一致有效的效果。随着UVC LED的快速发展，LED的效率会提高，而价格会下降。因此，UVC LED 最终将得到广泛应用，而无需关注反应器效率。然而，在可预见的未来，在选择部署 UVC LED 设备时，整体系统设计至关重要。用户、监管者和水系统设计者需要意识到这一点，并了解建造和评估高效杀菌器需要什么，因为正如我们所知，并非所有杀菌器效果都是一样的。
青岛萤光创新科技有限公司，拥有专业的博士后团队，专注于紫外杀菌应用的研究，经过多年深耕紫外行业，公司获得多项国家发明和实用新型专利。目前多款杀菌模组类产品已经投入市场。更多详细内容可以浏览公司网站www.qdyingguang.com联系公司索取或者关注微信公众号。
文章关键字：UVC、UVC LED、深紫外、紫外杀菌、深紫外 LED
