紫外光處理腔室的製作方法
2023-05-27 18:55:56 2
專利名稱：紫外光處理腔室的製作方法
技術領域：
本發明在技術上涉及用紫外光處理流體。更具體地，本發明在技術上涉及用紫外光處理流體。甚至更具體地，本發明在技術上涉及用紫外光處理流體，對微生物進行滅活。
背景技術：
人們利用多種方法減輕液體和氣體汙染，如市政飲用水供應設施、工業加工和製藥用超純水系統、實驗用水和試劑、無菌室用氣體等。利用這樣的方法，常常可減少或無須使用化學氣溶膠、化學防腐劑、微濾以及用來處理液體和/或氣體的類似材料和方法。通過管體外紫外光對介質進行輻射的裝置在例如美國專利第4948980號中已有描述，該專利文件的內容通過援引加入本文。美國專利第4948980號提供了一種裝置，該裝置具有管體和至少兩個帶反射器的紫外光源，要輻射的介質從管體中流過，兩個紫外光源位於管體外面且具有平行軸。美國專利第4948980號依賴鏡面反射器控制燈發出的光圖案的均勻性。燈源較平整，邊緣對齊在鏡面反射器內，以最大程度減小發射器的光學效應。遺憾的是，美國專利第4948980號描述的方法明顯限制了可供有效處理液體或氣體的輻射劑量。例如，美國專利第4948980號不主張使用具有高反射率的漫反射器處理具有低吸收截面的液體或氣體，該專利也未指望整個腔室的淨反射率達到100%時傳遞到目標的劑量會大增。美國專利申請公開第2004/0166018號描述了一種紫外空氣消毒室，它包含具有漫反射性質的內表面，所述專利申請的內容通過援引加入本文。該消毒室包括供空氣流過腔室的進孔和出孔。遺憾的是，美國專利申請公開第2004/0166018號存在若干問題。例如， 由於這些方法未嘗試提高相比於總腔室體積的透明或半透明安全外殼體積(containment volume)，所以該裝置的性能未實現最大化。此外，所用反射器未與所處理的介質分離；不存在不打開腔室就能換燈的途徑，從而增加了使用與維護系統的難度。美國專利第6228332號揭示了一種短時間高強度脈衝廣譜多色光，用於處理水， 對微生物進行滅活，所述專利的內容通過援弓I加入本文。如美國專利第62^332號所述，水中微生物的滅活涉及用至少一個短時間高強度廣譜多色光脈衝照射水。該系統包括水密性外殼，所述外殼具有供水流通的進口和出口。該水密性外殼裡面安裝了用來給微生物滅活的管狀光源和導引水的管狀擋板。水從進口進入，在水密性外殼與管狀擋板之間沿一個方向流動，從管狀擋板端部周圍流過，然後回頭沿第二個方向穿過管狀擋板中央，從出口離開。在此情況中，水從管狀光源周圍流過，所述光源提供至少一個短時間高強度廣譜多色光脈衝。然而，該專利所述的方法也存在若干問題。例如，美國專利第62^332號所述方法的效率有限，因為這些方法沒有使用反射表面，或者基本上將處理室封閉起來，以便對液體或氣體目標進行處理。
發明內容
本發明滿足了相關領域的上述需要，也解決了其他一些問題。在多個實施方式中， 本發明一般涉及用紫外光處理液體和氣體的方法及裝置。本發明描述的方法可有利地處理流體(例如液體和氣體)和/或減輕所述流體中的汙染，所述流體如市政飲用水供應設施、 工業加工和製藥用超純水系統、實驗用水和試劑、無菌室用氣體等。本發明方法提供了便利、經濟的實施方案，並且與前述方法相比，在給定的輸入功率下為目標液體或氣體提供了更有效的處理劑量。所述方法可用來減少或免去生物試劑的使用。此外，這些方法可用來除去或免除或活化化學試劑。在本發明的一個實施方式中，用於處理液體的裝置包括具有至少一個內表面的腔室。該腔室至少封閉80%。該裝置還包括位於腔室內、適合液體(或氣體)通過的紫外光 (UV)透光管。該裝置還包括UV燈；所述UV燈位於UV透光管內。反光材料插在腔室與透光管之間，該反光材料適合反射UV燈發出的至少一部分光。在一個實例中，反光材料至少有80%的反光率。或者，流體例如液體也可在兩根UV透光管之間通行，其中一根UV透光管位於另一 UV透光管內，並與之共中心。在許多這樣的實施方式中，來自UV燈的第一光與反光材料反射的第二光(以及後續光)會聚，出人意料地在液體體積內產生總體上均勻的光分布。換句話說，利用本發明方法得到的光分布一般要比根據相關領域的系統預期的均勻。在其他一些這樣的實施方式中，當使用高透光性液體或氣體時，由於反射器或反射表面更好，所以能流增大。在此情況中，圍繞液體的大部分表面積(例如超過80%)具有高反射性。在另一些實施方式中，獲得了增大的均勻性和增大的能流。若液體的透光率明顯較高，則均勻性可提高，但它對性能和增大的能流具有幾乎同樣大的影響。反光材料可以多種不同的方式設置。在一個實例中，將反光材料設置成腔室內表面的襯裡。在另一個實例中，將反光材料設置在透光管的外表面上。在另一個實例中，通過塗覆反光材料的方法將反光材料設置在腔室內表面上。在又一個實例中，將反光材料設置在透光管的外表面上，其中流體在UV燈與透光管之間流動，UV燈可設置在透光管內並與之共中心。UV燈也可設置成許多不同的構造，設置在許多不同的位置。在一個實例中，將UV 燈設置在透光性保護套內，該透光性保護套任選設置在UV透光管內並與之共中心。在本發明中，UV燈的其他構造和放置方式也是可能的；僅舉例而言，如偏心設置。此外，反光材料可由許多不同的配方組成。例如，反光材料可包含至少一種材料， 如聚四氟乙烯(PTFE)、膨脹型聚四氟乙烯(ePTFE)、塗覆鋁、陽極化鋁和拋光鋁。此外，反光材料可包含粘合劑和反光添加劑的混合物。反光添加劑可包含至少一種材料，如硫酸鋇、氟化鎂、氧化鎂、氧化鋁、氧化鈦、氧化鈥、氧化鈣、氧化鑭、氧化鍺、氧化碲、氧化銪、氧化鉺、氧化釹、氧化釤、氧化鐿和氧化鋯。所述裝置還可包括適應UV透光管的入口和出口，例如在供UV透光管進出腔室時。 每個口均可採用許多不同的構造。
此外，本發明方法提供的紫外輻射可落入多個不同的範圍。在一個實例中，照射在液體上的紫外輻射在約0. 01瓦/釐米2至約20瓦/釐米2的範圍內。其他範圍的實例也是可能的，並落在本發明的範圍內。附圖簡述為了更好地理解本發明，將參考下面提到的附圖。在所有附圖中，相同的附圖標記是指本發明的相同或等同部分。
圖1是根據本發明的一個實施方式的一種紫外光處理系統的示意圖。圖2是根據本發明的另一個實施方式的一種紫外光處理系統的示意圖。圖3是圖2所示紫外處理系統的縱向橫截面。圖4是圖2所示處理系統的外透視圖。圖5是圖2所示紫外處理系統的側視圖。圖6-8是根據本發明的多個實施方式的紫外光處理系統的光吸收性質圖表。圖9是根據本發明的另一個實施方式的示意圖，顯示了腔室內表面上設置有反光材料的處理系統。圖10是根據本發明的另一個實施方式的示意圖，顯示了設置在兩根UV透光管之間的流體。實施本發明的方式下面的描述包括目前所構思的本發明的最佳實施方式。本描述不應從限制的角度理解，而是僅僅服務於描述本發明的一般原理和提供其實施例的目的。本發明的範圍應由公布的權利要求書確定。本發明裝置將處理目標液體或氣體所需的總UV功率大幅度降低到規定的劑量水平。這通過以下措施實現將目標和UV光源封閉在腔室內，腔室壁具有反光率極高的襯裡或塗層；最大程度減小腔室壁上的開口和吸收表面的尺寸及數量。這樣的腔室設計有利於增加光子沉積，提高UV輻射效率。這兩條標準組合起來可以實現協同作用，因為隨著腔室壁反光率和腔室封閉百分率趨近100%，送達目標的劑量按指數形式增加。所得協同效應比每條標準各自的效應之和更有效。例如，對於完全封閉的腔室，它在壁的反光率為99%時傳遞給目標的劑量10倍於壁的反光率為90%時傳遞給目標的劑量。在UV透光管內處理流體，例如液體或氣體時，將流體與腔室壁分開是有利的。可將這樣的透光管裝入上述腔室。為了最大程度增加傳遞給UV透光管內的目標和攜帶管內目標的透光性介質的劑量，UV透光管應儘可能多地封閉腔室空間。這最大程度減少了在壁之間反射而不能通過UV透光管和進入目標區的光的量。紫外光的波長比可見光短，可認為它包括大約在10納米至約400納米之間的波長，對應的頻率一般在約7. 5X IOw赫至約3X IO16赫之間。在電磁波譜中，紫外光的波長小於可見光譜中的紫光而大於X射線。紫外光分為三類近紫外(NUV)，最靠近可見光，包含的波長是約300納米至約400納米；遠紫外(FUV)，位於NUV之後，包含的波長是約200納米至約300納米；以及極遠紫外(EUV)，位於FUV波長之後、X射線波長之前，包含的波長是約100納米至約200納米。紫外光還依據生物效應分為UV-A (約320納米至約400納米)、 UV-B (約280納米至約320納米)和UV-C (約100納米至約280納米)波段，這些波段與前述分類沒有直接對應關係。
雖然用波長大於200納米的UV光子激發時，大部分UV輻射處理能夠進行，但許多應用採用的是低於200納米的光，以提高處理速率。在此範圍內，多數光源的效率在相關領域較低。這種低效率進一步強化了相關領域長期以來對高效地將UV光子傳送到所需目標的系統的需求。下面總體上描述了本發明利用紫外光處理流體，例如液體和氣體的方法及裝置。 儘管下面的描述具體涉及流體的處理，但應理解，本發明方案中的裝置也可以方便地改作處理固體材料，如懸浮液或乳濁液中的顆粒、食品、手術器械等。例如，可以拆除處理室中的管材和進出口，換上放固體材料的空腔。這種配置可使處理室完全或幾乎完全封閉。除固體材料外，封閉在容器如試劑瓶、血液袋和血液成分袋裡的流體，以及其他預封裝流體，也可以用稍作改進的本發明裝置處理。微生物可用紫外光滅活或殺死，所述微生物包括細菌、病毒、真菌、黴菌孢子、原生動物以及類似的生物。當紫外輻射使生物分子如核酸[即脫氧核糖核酸(DNA)和/或核糖核酸(RNA)]和蛋白質(例如酶)發生改變或突變時，就引起滅活作用。當天然DNA暴露於足夠水平的紫外輻射時，遺傳物質中就發生突變。常見的突變大部分是5，6-環丁基二嘧啶、嘧啶二聚體、嘧啶加合物、嘧啶水合物和DNA-蛋白質交聯物。直接的蛋白質損害較少見，而由於蛋白質吸收了波長大於290納米的輻射而導致其他生物分子間接受損則關係更大。在這些波長處具有吸收性的蛋白質一般包含色氨酸和酪氨酸。在氧存在下，色氨酸的受激三重態發生能量轉移，從而產生單重態氧。因此，蛋白質中的色氨酸起內源性光敏劑的作用，在UVB波長範圍內產生氧自由基，所述氧自由基與蛋白質、不飽和脂質以及核酸中的鹼基反應。在任何情況下，紫外輻射都能促進單重態氧和羥自由基的產生，它們會破壞細胞蛋白質、脂質和碳水化合物。當紫外輻射穿透生物膜並改變其遺傳物質，以及程度較輕的改變蛋白質(例如酶)，就能將膜微生物滅活或殺死。若生物體持續遭受顯著的生物分子損害，則微生物將死亡。若遺傳和/或蛋白質物質發生改變，但可能尚未完全被摧毀，則微生物可能無法再繁殖。失去繁殖力，再加上多數微生物壽命短，所以用紫外輻射處理過的材料中，微生物群落規模將迅速縮小。對於病毒，紫外輻射使遺傳物質發生突變，使得病毒無法再感染宿主細胞和/或在宿主機體內利用宿主細胞機能增殖。使典型細菌99. 99%滅活的UV劑量在約20毫焦/釐米2至30毫焦/釐米2的範圍內，所述典型細菌是例如腸桿菌(Enterobacteria cloacae), 月市炎桿菌(Klebsiella pneumoniae)、綠胺桿菌(Pseudomonas aeruginosa)、鼠傷寒沙門菌(Salmonella typhimurium A)、霍舌匕弧菌(Vibrio cholerae)禾口大腸桿菌(Escherichia coli)。對於形成孢子的細菌，如正在形成孢子的枯草桿菌(Bacillus subtilis)，劑量更高，例如通常至少約60毫焦/釐米2。病毒(如脊髓灰質炎病毒和輪狀病毒)的滅活需要約30毫焦/釐米2至約40毫焦/釐米2範圍內的劑量，但其他病毒可能需要更高的劑量。原生動物[如小隱孢子蟲(Cryptosporidium parvum)和鼠賈第鞭毛蟲(Giardia muris)]在低至約10毫焦/釐米2的劑量下即可被殺死(《紫外線應用手冊》(Ultraviolet Applications Handbook)，第二版，James R. Bolton，博爾頓光科學股份有限公司(Bolton Photosciences, Inc.),2001,第 37 頁)。紫外光還用於分解化學物質，特別是有機化學物質，將它們分解成更安全或者更容易通過活性炭過濾、樹脂床或反滲透除去的成分，所述除去方法中的任意一種都是可與本發明的裝置和方法結合使用的特徵。這樣分解既起因於光子的直接吸收，也起因於OH基帶來的分解，所述OH-基是在化學分子靠近水分子或者其他可能的OH-基源的過程中，在紫外光作用下產生的。所述分解也可利用先進的氧化方法實現，如添加臭氧或過氧化氫，並組合使用紫外光。下表給出了有機物質中常見化學鍵的解離波長和可引起這種解離的最大波長， 該表出自《UV技術在醫藥用水處理中的應用》(The application of UV technology to pharmaceutical water treatment),巴 晶士安(Bakthisaran), S.,《歐洲腸胃夕卜科學雜誌》 (European Journal of Parenteral Sciences)，3 (4)，第 97—102 頁，1998。
有機物質中原子間鍵的解離能化學鍵解離能(UV劑量)(千卡/摩爾)最大解離波長(納米)C-C82.6346.1C=C14.5196.1C^c199.6143.2C-Cl81.0353.0C-F116.0246.5C-H98.7289.7C-N72.8392.7C=N147.0194.5C=N212.6134.5C-O85.5334.4
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權利要求
1.一種處理流體的裝置，它包括具有至少一個內表面的腔室，其中所述腔室適合流體通過；紫外燈，所述紫外燈設置在所述腔室內；以及將所述紫外燈封住至少80%的反光表面，所述反光表面適合反射至少一部分所述紫外燈發出的光，其中所述反光表面的反光率至少為80%。
2.如權利要求1所述的裝置，它還包括紫外透光管，所述紫外透光管設置在腔室內，也適合流體通過。
3.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，來自所述紫外燈的第一光與所述反光表面反射的第二光和後續光會聚，在流體體積內出人意料地產生總體上均勻的光分布。
4.如權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述流體是高度透光的，且在所述流體中得到增強能流。
5.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述反光表面設置成所述腔室的所述至少一個內表面的襯裡。
6.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述反光表面是通過將反光材料塗覆在所述腔室的所述至少一個內表面上來設置的。
7.如權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述反光表面是通過將反光材料塗覆在所述紫外透光管的至少一個外表面上來設置的。
8.如權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述紫外燈設置在所述紫外透光管內的透光保護套中。
9.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述反光表面包含反光材料，所述反光材料包含至少一種選自下組的材料聚四氟乙烯(PTFE)、膨脹型聚四氟乙烯(ePTFE)、塗覆鋁、 陽極化鋁和拋光鋁。
10.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述反光表面包含反光材料，所述反光材料包含混合物，所述混合物包含粘合劑和反光添加劑。
11.如權利要求10所述的裝置，其特徵在於，所述反光添加劑包含至少一種選自下組的材料硫酸鋇、氟化鎂、氧化鎂、氧化鋁、氧化鈦、氧化鈥、氧化鈣、氧化鑭、氧化鍺、氧化碲、 氧化銪、氧化鉺、氧化釹、氧化釤、氧化鐿和氧化鋯。
12.如權利要求2所述的裝置，它還包括入口和出口，所述紫外透光管通過它們進出所述腔室。
13.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，照射在所述流體上的紫外光輻射在約0.01 瓦/釐米2至約20瓦/釐米2的範圍內。
14.一種處理液體的裝置，它包括具有至少一個內表面的腔室，其中所述腔室至少封閉80% ；並且適合流體通過；紫外燈，所述紫外燈設置在透光保護套內，所述透光保護套設置在所述腔室內；將所述紫外燈封住至少80%的反光表面，所述反光表面適合反射至少一部分所述紫外燈發出的光，其中所述反光表面的反光率至少為80% ；以及其中來自所述紫外燈的第一光與所述反光表面反射的第二光和後續光會聚，在流體體積內產生總體上均勻的光分布。
15.如權利要求14所述的裝置，它還包括紫外透光管，所述紫外透光管設置在腔室內，適合流體通過。
16.如權利要求14所述的裝置，其特徵在於，所述液體的透光率使其衰減落在約5%至約95%的範圍內。
17.如權利要求14所述的裝置，其特徵在於，所述反光表面設置成所述腔室的所述至少一個內表面的襯裡。
18.如權利要求15所述的裝置，其特徵在於，所述反光表面是通過將反光材料塗覆在所述紫外透光管的至少一個外表面上來設置的。
19.如權利要求14所述的裝置，其特徵在於，所述反光表面是通過將反光材料塗覆在所述腔室的所述至少一個內表面上來設置的。
20.如權利要求15所述的裝置，其特徵在於，所述紫外燈設置在所述紫外透光管內的保護套中。
21.如權利要求14所述的裝置，其特徵在於，所述反光表面包含反光材料，所述反光材料包含至少一種選自下組的材料聚四氟乙烯(PTFE)、膨脹型聚四氟乙烯(ePTFE)、塗覆鋁、陽極化鋁和拋光鋁。
22.如權利要求14所述的裝置，其特徵在於，所述反光材料包含反光材料，所述反光材料包含混合物，所述混合物包含粘合劑和反光添加劑。
23.如權利要求22所述的裝置，其特徵在於，所述反光添加劑包含至少一種選自下組的材料硫酸鋇、氟化鎂、氧化鎂、氧化鋁、氧化鈦、氧化鈥、氧化鈣、氧化鑭、氧化鍺、氧化碲、 氧化銪、氧化鉺、氧化釹、氧化釤、氧化鐿和氧化鋯。
24.如權利要求15所述的裝置，它還包括入口和出口，所述紫外透光管通過它們進出所述腔室。
25.如權利要求14所述的裝置，其特徵在於，照射在所述流體上的紫外光輻射在約 0. 01瓦/釐米2至約20瓦/釐米2的範圍內。
全文摘要
一種用於處理液體的裝置，它包括具有至少一個內表面的腔室，所述腔室適合流體通過。所述腔室至少封閉80％。所述裝置還包括任選的紫外透光管，所述紫外透光管設置在腔室內，也適合液體通過。所述裝置還包括紫外燈，所述紫外燈設置在腔室內，並且任選設置在紫外透光管內。反光材料插在所述腔室與所述透光管之間。所述反光材料適合反射至少一部分由紫外燈發出的光，其中所述反光材料的反光率至少為80％。
文檔編號C02F1/32GK102448891SQ201080023548
公開日2012年5月9日 申請日期2010年3月30日 優先權日2009年3月31日
發明者J·R·庫珀, R·梅 申請人:紫外線科學股份有限公司