导(dǎo) 读

紫外（UV）是饮用水处理中常用消毒方式之一，因具有良好的杀菌灭活效率，消毒过程不產(chǎn)生“三致”毒性消毒副產(chǎn)物，近年来在国內(nèi)外自来水厂得到广泛应(yīng)用?；谧贤獾母呒壮趸夹g(shù)已成为当(dāng)前水处理领(lǐng)域研究的热点前沿，且被证实在氧化杀菌和强化有机污染物去除方面具有突出效果。当(dāng)前水厂常用紫外光源为低压和中压紫外汞灯，存在光照剂量不足和波长不匹配等问题，限制了紫外高级氧化等新技术(shù)在实际工程中的推广应(yīng)用。本文借助光学(xué)领(lǐng)域的最新发(fā)展成果，提出了基于復(fù)合波长紫外发(fā)光二极管（UV-LED）和集束型高光强紫外激光（UV-Laser）的新型高级氧化反应(yīng)体系，为紫外高级氧化在实际应(yīng)用过程中面临的自由基產(chǎn)率低、有机污染物去除不彻底和消毒副產(chǎn)物產(chǎn)生风(fēng)险高等问题提供了新的解决思路（如图1）。

（a: UV-LED；b: UV-Laser）

图1新型紫外光源

1、背景与问题

近年来，国內(nèi)外研究人员围绕紫外高级氧化技术(shù)开展了持续(xù)大量的基础(chǔ)性研究，如UV/H₂O₂、UV/氯、UV/过硫酸盐等，通过紫外激发(fā)產(chǎn)生强氧化性自由基实现(xiàn)对有机污染物的快速去除或微生物的氧化杀灭。但目前常用紫外光源为单波长（254nm）的低压紫外汞灯和固定多波长（200-450nm）的中压紫外汞灯，在实际水处理应(yīng)用过程中由于水力停留接触时间短，往往存在光照剂量不足的问题，导(dǎo)致自由基產(chǎn)率较低。此外，受限于光源波长固定不可调(diào)控，应(yīng)用中传统(tǒng)紫外光源的波长与氧化剂和水质(zhì)条件的匹配性较低，自由基產(chǎn)率也难以有效提升，诸多技术(shù)瓶颈导(dǎo)致上述紫外高级氧化技术(shù)难以发(fā)挥理论效果，也阻碍了其在实际工程中的推广应(yīng)用。隨著近年来光学(xué)技术(shù)的飞速发(fā)展，新型紫外光源已逐渐实现(xiàn)商业(yè)化生產(chǎn)。其中，UV-LED光源具有波长多样可自由搭配、连续(xù)/脉冲多种发(fā)光方式、体积小、外形坚固以及环(huán)境友好不含汞等多种优(yōu)势；而UV-Laser作为更具前沿性的新型紫外光源，其发(fā)射光束具有集束和高能特点。这些优(yōu)势有望克服传统(tǒng)紫外高级氧化在实际工程应(yīng)用中的技术(shù)瓶颈。

2、新型復(fù)合波长UV-LED/氯高级氧化技术(shù)

2.1波长优(yōu)选提升有机污染物去除效率

UV/氯高级氧化技术(shù)可產(chǎn)生具有强氧化性羥基自由基（·OH）和活性氯自由基（Cl·、Cl₂^-·、ClO·等），是近年来高级氧化技术(shù)领(lǐng)域的热点之一。自由氯在水中以HOCl和OCl^-两种形態(tài)存在，且隨pH升高OCl^-占比逐渐增大。OCl^-在270至320nm波长范围內(nèi)的摩尔吸光系数(shù)要远(yuǎn)大于254nm处，而254nm处HOCl与OCl^-的摩尔吸光系数(shù)几乎相同。因此隨pH升高，在254nm低压汞灯照射下的自由氯摩尔吸光系数(shù)保持不变，而在其他波长UV-LED（如275、310nm等）照射下的自由氯摩尔吸光系数(shù)显著增高。同时考虑到不同波长下的量子產(chǎn)率变化规(guī)律和差异，在常规(guī)水质(zhì)条件下（pH=7-8），275nm UV-LED照射下的自由氯光解速率最快，而由此產(chǎn)生的自由基速率也將显著提升，从而有效提高了UV/氯高级氧化工艺矿化有机污染物的速率。

2.2復(fù)合波长叠加强化污染物去除并控制副產(chǎn)物生成风(fēng)险

由于UV/氯高级氧化技术(shù)会產(chǎn)生活性氯自由基，在降解有机物过程中存在较高卤代消毒副產(chǎn)物生成风(fēng)险，这也是该技术(shù)一大局限。考虑到UV-LED存在不同波长的灯珠，可实现(xiàn)自由搭配组合，同时不同波长照射下的自由基种类和產(chǎn)率也存在差异。因此，本研究提出了基于復(fù)合波长叠加的UV-LED/氯高级氧化新方案。研究中试验了265nm和280nm UV-LED的叠加方案，发(fā)现(xiàn)同等紫外剂量下，265+280nm UV-LED/氯高级氧化对目標(biāo)污染物碘帕醇的去除速率明显快于两种单波长体系下去除速率的理论之和，具有明显的波长叠加协(xié)同促进(jìn)效应(yīng)。而且双波长叠加降解碘帕醇过程中生成的碘代三卤甲烷副產(chǎn)物，尽管略高于280nm单波长体系（该波长下目標(biāo)污染物降解效果差），但显著低于265nm单波长体系。综合来看，265+280nm双波长叠加UV-LED/氯高级氧化技术(shù)，对于碘帕醇高效降解和碘代副產(chǎn)物生成控制具有良好效果。

3、新型紫外激光/过硫酸盐高级氧化技术(shù)

3.1集束型高光强紫外激光对自由基產(chǎn)率的提升作用

紫外激光（UV-Laser）是一种单波长新型紫外光源，与其他低压、中压紫外汞灯及UV-LED光源不同的是，UV-Laser是一种集束型的点状光源，与水的接触面积较小，但能量集中，能在局部区(qū)域產(chǎn)生较高光强，在高级氧化体系中能激发(fā)產(chǎn)生更多自由基。如本研究采用266nm深紫外激光器激发(fā)过硫酸盐（PS）时，在控制相同紫外剂量和PS浓度条件下，集束型紫外光束较扩(kuò)散型光束，硫酸根自由基（SO₄^-·）和羥基自由基（·OH）稳(wěn)態(tài)浓度均有大幅提升。在集束型UV-Laser/PS高级氧化体系中，双酚A等目標(biāo)污染物可实现(xiàn)秒级降解和矿化。此外，UV-Laser/PS应(yīng)用时，反应(yīng)容器过小的深径比（h/D）不利于光线的接触反应(yīng)，而h/D过大时局部產(chǎn)生的大量自由基难以及时扩(kuò)散，易发(fā)生自淬灭反应(yīng)，与目標(biāo)污染物接触反应(yīng)机率降低，因此UV-Laser光线的入射方式与反应(yīng)容器適配性是关(guān)系该种新型光源能否高效应(yīng)用的关(guān)键影响因素，值得深入探究。

3.2集束型高光强紫外激光驱(qū)动下的电子穿梭效应(yīng)

与传统(tǒng)低压紫外（LPUV）/PS体系相比，集束型高光强UV-Laser/PS降解某些有机污染物过程中，会產(chǎn)生具有特征官能团(tuán)结(jié)构(gòu)的电子穿梭物质(zhì)，提升氧化还原反应(yīng)速率，加快目標(biāo)污染物降解。如本研究在降解目標(biāo)污染物碘海醇过程中，发(fā)现(xiàn)UV-Laser/PS体系的氧化还原活性明显更强，產(chǎn)生的中间產(chǎn)物中存在多种电子穿梭物质(zhì)。在相同紫外剂量和PS投加量条件下，UV-Laser/PS体系比LPUV/PS体系对目標(biāo)污染物碘海醇的矿化率有明显提升，且降解后的溶液碘代消毒副產(chǎn)物生成潜能也大幅降低。

4、技术(shù)应(yīng)用前景

紫外高级氧化技术(shù)在实际饮用水处理工程应(yīng)用中存在诸多技术(shù)瓶颈，新型UV-LED光源的科学(xué)应(yīng)用，有望克服当(dāng)前紫外波长不匹配和不可调(diào)控导(dǎo)致的自由基產(chǎn)率低的难题，且UV-LED独特的外形设(shè)计，也为新型紫外反应(yīng)器的研发(fā)和应(yīng)用提供了广阔空间。而具有高能量和集束光线特征的UV-Laser光源在水处理高级氧化中的应(yīng)用，对于实现(xiàn)难降解有机污染物的快速去除和矿化提供了良好的解决思路，隨著激光技术(shù)的飞速发(fā)展和成本的降低，基于復(fù)合波长和高能深紫外激光器的新型紫外高级氧化技术(shù)將是未来的重要发(fā)展方向。

来源：给水排水微信公眾號