UV-LED在杀菌消毒方面的应用研究-水净化

水是生命之源，是城市生存发展的前提，因此城市供水的质量，也直接影响着城市的健康发展。随着人口的激增、城镇化的兴起、工业的迅速发展，水资源紧缺的危机是众多的国家和地区面临的紧迫问题。饮用水安全是国家公共卫生安全体系的重要组成部分，与人民身体健康和社会稳定气息相关。

紫外线是一种具有高能量的、肉眼无法识别的光波，其波长小于400nm，存在于可见光谱紫外线端的外侧，因此称为紫外线。按波长范围分为UV-A（320nm～400nm）、UV-B（275nm～ 320nm）、UV-C（200nm～275nm）、UV-D（100nm～200nm）四个波段，其中 A、 B、 C三个波段又称为消毒紫外线。A、B、C三个波段均具有一定的消毒作用，尤以C波段消毒效果最佳。光量子理论认为，光是物质运动的一种特殊形式，是一粒粒不连接的粒子流。每一粒波长253.7nm的紫外线光子具有4.9eV 的能量。UV线对水的消毒灭菌主要是核酸（DNA）的最大吸收波长（254nm），DNA能够吸收高能量紫外辐射，引起相邻的碱基错位，形成嘧啶二聚体（pyrimidine dimer）；抑制或阻碍核酸复制和蛋白表达，导致细胞凋亡。目前研究仅限传统紫外线灭活的机理研究，而UV-LED作为一种新型的消毒工艺可能与传统消毒机理之间存在或多或少的差别，因此UV-LED消毒的机理研究有待进一步加强。

近年来，在UV-LED消毒方面，也逐渐开展了一些研究。通过UV-LED技术研究了光通量与几种非致病微生物之间的关系。基于UV-LED的数量和样品间隔距离，运用COMSOL Multiphysics创建最佳的UV-LED准直光束，降低了整体成本。运用优化的UV-LED准直光束和低压汞灯准直光束的装置分别检测了三种微生物（大肠杆菌，乙型肝炎病毒株，T7）的灭活效果，比较了UV能量密度与灭活效果的关系，UV波长分别为：UV-LED（255nm和275nm）低压汞灯254nm。低压汞灯灭活大肠杆菌和MS-2的效果相较于UV-LED更佳；UV-LED在波长为275nm时，T7噬菌体和大肠杆菌优于UV-LED（275nm）时的灭活效果。时间-剂量的差异可能是由于微生物自身的修复机制造成的。另外，研究了基于GaN的UV-LED技术在水消毒过程的适用性，结果表明UV-LED是分散和移动水处理系统的替代技术。评估了不同水处理条件下UV-LED技术的性能特点，设计了在269nm和282nm波长对枯草芽孢的生物分析实验。结果显示：在动态和静态条件下UV-LED均能有效灭活实验对象；动态实验表明灭活效果与光通量呈线形关系。研究了在波长UV-A和UV-C条件下，UV-LED灭活污水中生物指示菌（粪大肠杆菌）的灭活效果。通过简单细菌培养，检测了细菌浓度、暴露时间、pH值和波长等四项指标，发现波长和暴露时间与灭活效果相关性更强。另外，检测了混合两种波长（280/365和280/405nm）光后的灭菌效果，发现暴露60s后，没有细菌存活。