導(dǎo)讀： 目前常用的消毒方法包括：氯氣、二氧化氯、臭氧、超聲波等，但均存在或多或少的弊端;因此，如何滿足新的生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)、優(yōu)化供水工藝、加快技術(shù)革新也是眾多供水企業(yè)所面臨的現(xiàn)實(shí)問題。
Wurtele等研究了基于GaN的UV-LED技術(shù)在水消毒過程的適用性，結(jié)果表明UV-LED是分散和移動水處理系統(tǒng)的替代技術(shù)。評估了不同水處理?xiàng)l件下UV-LED技術(shù)的性能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了在269nm和282nm波長對枯草芽孢的生物分析實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示：在動態(tài)和靜態(tài)條件下UV-LED均能有效滅活實(shí)驗(yàn)對象;動態(tài)實(shí)驗(yàn)表明滅活效果與光通量呈線形關(guān)系。
Chevremont等研究了在波長UV-A和UV-C條件下，UV-LED滅活污水中生物指示菌(糞大腸桿菌)的滅活效果。通過簡單細(xì)菌培養(yǎng)，檢測了細(xì)菌濃度、暴露時間、pH值和波長等四項(xiàng)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)波長和暴露時間與滅活效果相關(guān)性更強(qiáng)。另外，檢測了混合兩種波長(280/365和280/405nm)光后的滅菌效果，發(fā)現(xiàn)暴露60s后，沒有細(xì)菌存活。
4、UV-LED消毒的機(jī)理
紫外線是一種具有高能量的、肉眼無法識別的光波，其波長小于400nm，存在于可見光譜紫外線端的外側(cè)，因此稱為紫外線。按波長范圍分為UV-A(320nm～400nm)、UV-B(275nm～3 2 0 n m )、U V - C( 2 0 0 n m ～ 2 7 5 n m )、U V - D(100nm～200nm)四個波段，其中 A、B、C三個波段又稱為消毒紫外線。A、B、C三個波段均具有一定的消毒作用，尤以C波段消毒效果最佳。光量子理論認(rèn)為，光是物質(zhì)運(yùn)動的一種特殊形式，是一粒粒不連接的粒子流。每一粒波長253.7nm的紫外線光子具有4.9eV 的能量。
UV線對水的消毒滅菌主要是核酸(DNA)的最大吸收波長(254nm)，DNA能夠吸收高能量紫外輻射，引起相鄰的堿基錯位，形成嘧啶二聚體(pyriine dimer);抑制或阻礙核酸復(fù)制和蛋白表達(dá)，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。
目前研究僅限傳統(tǒng)紫外線滅活的機(jī)理研究，而UV-LED作為一種新型的消毒工藝可能與傳統(tǒng)消毒機(jī)理之間存在或多或少的差別，因此UV-LED消毒的機(jī)理研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。
5、UV-LED消毒研究的必要性
國外已在UV-LED滅活水中微生物和原生動物等方面開展了一些研究，而國內(nèi)在此方面的研究尚屬空白，研究也局限在氯氣、二氧化氯、臭氧、汞燈UV光源等常規(guī)的水處理消毒方法。而從目前已有的文獻(xiàn)來看，以上研究尚存在很多不足，例如對水處理中濁度、有機(jī)物和無機(jī)離子的影響未作深入探討，也未進(jìn)行滅活動力學(xué)研究，因此將該技術(shù)用于水中微生物和原生動物滅活的效能和工藝參數(shù)還有待進(jìn)一步給出;其次對低光通量滅活“兩蟲”的效果沒有充分探究，低光通量對該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用成本影響巨大。
1.5 紫外消毒
紫外線(UV)對于水中病原微生物(比如：隱孢子蟲和賈第蟲)的消毒十分有效，UV在水中的消毒方式有：水中浸沒式和平行懸浮式。波長、功率、懸浮距離、照射時間等是影響消毒效果的主要因素。作用機(jī)理主要是核酸(DNA)的最大吸收波長(254nm)，DNA能夠吸收高能量紫外輻射，引起相鄰的堿基錯位，形成嘧啶二聚體(pyriine dimer)，抑制或阻礙核酸復(fù)制和蛋白表達(dá)，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。
Bukhari等人探討了中壓汞燈對水中隱孢子蟲的滅活效果進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示紫外光的劑量為19mJ/cm2時，隱孢子蟲的滅活率可達(dá)到99.99%;但由于顆粒的庇護(hù)作用，“兩蟲”的滅活效率會受到影響，石英套管的結(jié)垢問題，光復(fù)活現(xiàn)象一定程度上限制了UV消毒的使用范圍。
可看出紫外消毒具有：消毒速度快、效率高，不影響水的物理性質(zhì)和化學(xué)成分、不增加水的臭和味，操作簡單、便于管理、易于實(shí)現(xiàn)自動化等優(yōu)勢;但常規(guī)汞燈紫外消毒電耗較大，壽命短，浸水式構(gòu)造復(fù)雜，汞二次污染等不足，迫切需要一種新型的替代技術(shù)。
2、UV-LED技術(shù)的提出
發(fā)光二極管(LED)一般是先在藍(lán)寶石(Al2O3)襯底上利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備外延生長氮化鎵(GaN)材料，然后在GaN材料上外延生長鋁銦鎵氮(AlInGaN)材料，再依次分別外延生長GaN和AlInGaN，形成GaN和AlInGaN交錯的多量子阱結(jié)構(gòu)(MQW)，此即為LED發(fā)光區(qū)的有源層。通過改變MOCVD外延生長條件，可以改變AlInGaN中Al組分、In組分和Ga組分的配比，以此來調(diào)節(jié)LED的發(fā)光波長。
經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)，解決表面裂紋、晶體質(zhì)量差、鋁組分低、無法實(shí)現(xiàn)短波長發(fā)光和結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)等問題，關(guān)鍵技術(shù)取得突破后，將可研究開發(fā)與獲得高結(jié)晶質(zhì)量無裂紋的高鋁組分的AlInGaN材料，使其發(fā)射出來的是中心波長小于400nm的紫外光，從而制備得到實(shí)用的紫外發(fā)光二極管(UV-LED)。短波長的UV-LED半導(dǎo)體照明光源具有其它傳統(tǒng)紫外光源無法比擬的優(yōu)勢，將其用來殺菌，在此基礎(chǔ)上開發(fā)的紫外LED殺菌模塊應(yīng)用于水凈化處理技術(shù)領(lǐng)域，具有殺菌效果好、使用價值高的潛能，其市場應(yīng)用前景十分廣闊。
由于藍(lán)寶石襯底與GaN、InGaN材料不匹配，造成LED外延層中存在很高的位錯密度，降低了LED外延片的質(zhì)量。這種位錯對藍(lán)光LED的影響有限，但對于紫外LED的影響非常大。目前學(xué)術(shù)界公認(rèn)的解釋是在量子阱中存在點(diǎn)狀的局域態(tài)，載流子(電子、空穴)一旦被注入到量子阱中，會被這些局域態(tài)捕獲，并被牢牢的限制在其中，而無法移動到位錯處被消耗，如下圖所示。而紫外LED中InGaN的In組分很低，難以形成點(diǎn)狀局域態(tài)，位錯對載流子的影響很大，從而限制了紫外LED器件效率的提高。
正是由于紫外LED材料外延難度比藍(lán)光LED大，所以行業(yè)內(nèi)對紫外LED的研發(fā)投入較少，這也導(dǎo)致在這個領(lǐng)域，國外大公司的專利較少，沒有形成像可見光LED那樣嚴(yán)密的專利壁壘。而且，隨著紫外LED的用途得到推廣，近年來在系統(tǒng)及封裝領(lǐng)域有大量企業(yè)加入市場競爭。但是上游外延企業(yè)發(fā)展卻相對緩慢，對紫外LED市場的重視不夠。因此對高效紫外LED外延技術(shù)進(jìn)行研發(fā)，對實(shí)現(xiàn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高效 GaN 基LED 產(chǎn)業(yè)化具有十分重要的意義。
3、UV-LED技術(shù)在水環(huán)境中的應(yīng)用
近年來，在UV-LED消毒方面，也逐漸開展了一些研究。
Bowker等利用UV-LED技術(shù)研究了光通量與幾種非致病微生物之間的關(guān)系。基于UV-LED的數(shù)量和樣品間隔距離，運(yùn)用COMSOL Multiphysics創(chuàng)建最佳的UV-LED準(zhǔn)直光束，降低了整體成本。運(yùn)用優(yōu)化的UV-LED準(zhǔn)直光束和低壓汞燈準(zhǔn)直光束的裝置分別檢測了三種微生物(大腸桿菌，乙型肝炎病毒株，T7)的滅活效果，比較了UV能量密度與滅活效果的關(guān)系，UV波長分別為：UV-LED(255nm和275nm)低壓汞燈254nm。低壓汞燈滅活大腸桿菌和MS-2的效果相較于UV-LED更佳;UVLED在波長為275nm時，T7噬菌體和大腸桿菌優(yōu)于UV-LED(275nm)時的滅活效果。時間-劑量的差異可能是由于微生物自身的修復(fù)機(jī)制造成的。
Wurtele等研究了基于GaN的UV-LED技術(shù)在水消毒過程的適用性，結(jié)果表明UV-LED是分散和移動水處理系統(tǒng)的替代技術(shù)。評估了不同水處理?xiàng)l件下UV-LED技術(shù)的性能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了在269nm和282nm波長對枯草芽孢的生物分析實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示：在動態(tài)和靜態(tài)條件下UV-LED均能有效滅活實(shí)驗(yàn)對象;動態(tài)實(shí)驗(yàn)表明滅活效果與光通量呈線形關(guān)系。
Chevremont等研究了在波長UV-A和UV-C條件下，UV-LED滅活污水中生物指示菌(糞大腸桿菌)的滅活效果。通過簡單細(xì)菌培養(yǎng)，檢測了細(xì)菌濃度、暴露時間、pH值和波長等四項(xiàng)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)波長和暴露時間與滅活效果相關(guān)性更強(qiáng)。另外，檢測了混合兩種波長(280/365和280/405nm)光后的滅菌效果，發(fā)現(xiàn)暴露60s后，沒有細(xì)菌存活。
4、UV-LED消毒的機(jī)理
紫外線是一種具有高能量的、肉眼無法識別的光波，其波長小于400nm，存在于可見光譜紫外線端的外側(cè)，因此稱為紫外線。按波長范圍分為UV-A(320nm～400nm)、UV-B(275nm～3 2 0 n m )、U V - C( 2 0 0 n m ～ 2 7 5 n m )、U V - D(100nm～200nm)四個波段，其中 A、B、C三個波段又稱為消毒紫外線。A、B、C三個波段均具有一定的消毒作用，尤以C波段消毒效果最佳。光量子理論認(rèn)為，光是物質(zhì)運(yùn)動的一種特殊形式，是一粒粒不連接的粒子流。每一粒波長253.7nm的紫外線光子具有4.9eV 的能量。
UV線對水的消毒滅菌主要是核酸(DNA)的最大吸收波長(254nm)，DNA能夠吸收高能量紫外輻射，引起相鄰的堿基錯位，形成嘧啶二聚體(pyriine dimer);抑制或阻礙核酸復(fù)制和蛋白表達(dá)，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。
目前研究僅限傳統(tǒng)紫外線滅活的機(jī)理研究，而UV-LED作為一種新型的消毒工藝可能與傳統(tǒng)消毒機(jī)理之間存在或多或少的差別，因此UV-LED消毒的機(jī)理研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。
5、UV-LED消毒研究的必要性
國外已在UV-LED滅活水中微生物和原生動物等方面開展了一些研究，而國內(nèi)在此方面的研究尚屬空白，研究也局限在氯氣、二氧化氯、臭氧、汞燈UV光源等常規(guī)的水處理消毒方法。而從目前已有的文獻(xiàn)來看，以上研究尚存在很多不足，例如對水處理中濁度、有機(jī)物和無機(jī)離子的影響未作深入探討，也未進(jìn)行滅活動力學(xué)研究，因此將該技術(shù)用于水中微生物和原生動物滅活的效能和工藝參數(shù)還有待進(jìn)一步給出;其次對低光通量滅活“兩蟲”的效果沒有充分探究，低光通量對該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用成本影響巨大。
