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下载名称 紫外灭菌/降解有机物2007-4-10 16:11:30
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紫外灭菌/降解有机物

紫外线杀菌的原理 
紫外线是一种波长范围为1360×10-10m~3900×10-10m的不可见光线。按波长范围可分为A.B.C三波段和真空紫外线:
  ①A波段320nm~400nm
  ②B波段275nm~320nm
  ③C波段200nm~275nm
  ④真空紫外线100nm~200nm。
  紫外线在波长为2400×10-10m~2800×10-10m范围较具杀菌效能。尤其在波长为2537×10-10m时紫外线的杀菌作用较强。紫外线杀菌原理当微生物被紫外线照射时,其细胞的部分氨基酸和核酸吸收紫外线,产生光化学作用,引起细胞内成分,特别是核酸、原浆蛋白、酯的化学变化,使细胞质变性,导致核酸结构突变,生物体丧失复制、繁殖能力,功能遭受破坏,同时空气受紫外线照射后产生微量臭氧,共同杀菌作用,从而导致微生物的死亡。
  绝大部分的细菌或细菌尸体的直径都大于0.45μM(较小的绿脓杆菌为0.3μm),因此用微孔孔径小于或等于0.22μm的微孔滤膜过滤、反渗透、超过滤,均可滤除细菌。通过超滤器或精密过滤器虽然可以除去水中的部分细菌,但却不能抑制细菌的滋生和繁殖,由于紫外线可以抑制细菌的繁殖并可以杀死细菌,因此,紫外线杀菌灯在纯水制备中已被广泛应用。
  1910年,紫外线首次被Cernovedeow和Henvi运用于饮用水消毒杀菌。目前,紫外线已被广泛应用于饮用水、纯水、电子、医疗、空气净化消毒、环保污水处理等领域,是目前世界上公认的较佳净水方式之一。至今在欧洲采用紫外线杀菌消毒的饮用水处理厂已超过2000多座。
  紫外线杀菌具有杀菌能力强、速度快,对所有菌种均有效,不需向水中投加药剂,不改变水的化学成分等优点,因而较适合于纯水制备系统。紫外线杀菌的特点:
  1、紫外杀菌速度快,效率高、效果好。一般经3KW的紫外灯照射10秒后,对水中大肠杆菌的去除率达98%左右。
  2、紫外线照射不会改变水的物理、化学性质,对纯水不会带入附加物所引入的污染。
  3、能适用于各种水的流量下使用,操作简单,使用方便,只需定期地清洗石英玻璃套管即可。
  4、体积小,轻便、耗电低、寿命长。

  现代紫外消毒技术是基于现代防疫学、光学、数学、生物学及物理化学的基础上,利用特殊设计的高效率、高强度和长寿命的C波段紫外光发生装置产生的强紫外C光照射流水、空气或固体表面,当水、空气或固体表面中的各种细菌、病毒、寄生虫、水藻以及其他病原体受到一定剂量的紫外C光辐射后,其细胞中的DNA结构受到破坏(键断裂,或光化学反应,如使DNA中THYMINE二聚等),从而在不使用任何化学药物的情况下杀灭细菌、病毒以及其它致病体。达到了消毒和净化的目的。


低压水银蒸气紫外灯

    UV辐射可以通过低压水银紫外灯得到,这种紫外灯辐射主要集中在两个波长:185 nm 和 254 nm。这种灯头内有少量的水银,水银不能太多,太多的话蒸气分子会发生大量的碰撞,产生大量不同的能级跃迁,会分散紫外光的波长。

外石英灯管内的杂质会强烈的吸收185 nm 的紫外射线。因此要保证辐射强度,必须采用非常纯的石英材质作灯管。

紫外光灯室必须采用用不锈钢做内壁,以便通过不锈钢的反射,加强紫外光强度。不能用高聚物做内壁,它会因紫外灯照射而降解,在水中释放大量有机物。

紫外光灯开的时候,需要高压 (> 250 V)时放电弧。但是当电弧形成后,只须很小的电压( 30 V )即可维持。

    通过水银蒸气原子上电子轨道的激发跃迁,然后跳回到低能量轨道,在理论上会产生3个波长的紫外辐射。不过由于原子自身的运动,以及原子之间的相互碰撞,辐射会变宽。这里的三个波长中,我们感兴趣的是185 nm 和 254 nm。

    200 nm 至 300 nm之间的紫外光能够打断DNA链,从而杀灭细菌以及病毒。当然,紫外光照多了会的皮肤癌,也是这个道理。较有效的波长是260 nm,不过254 nm也不错 (相对杀菌作用80%) ,因此被广泛地用于杀菌。




紫外降解有机物

UV射线是怎么降低水中的TOC的呢?实际上,UV并不是直接的消灭有机物,而是先把氧气转化为臭氧,臭氧再和水化合,产生氧化性能极强的氢氧自由基,氢氧自由基再把水中的有机物彻底氧化成水和二氧化碳 。

从左面这个图我们可以看到,要生成氢氧自由基,185 nm 和 254 nm两个波长的紫外射线都要用到。

具体的机理模型现在还有争议。参考文献如下:

Norrish et al, Proc.Roy.Soc.Ser.A. 288 : 316 (1965)

Banford et al. Photochemistry and Reaction Kinetics P.G. Ashmoreet al. Ed. Cambridge (1967)

不过这两个机理都坚持要用185和254 nm双波长紫外射线,而且均在较后得到相同摩尔数的氢氧自由基。



有面的这个图是以小分子有机物甲醇为例,演示氢氧自由基时如何把有机物氧化成水和二氧化碳的。

很明显,增强UV强度也可以把有机物分子完全裂解,但这并没有必要,只需把他们氧化成水和二氧化碳,既可通过去离子的方法将他们除去了。




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