专利名称：紫外光处理腔室的制作方法
技术领域：
本发明在技术上涉及用紫外光处理流体。更具体地，本发明在技术上涉及用紫外光处理流体。甚至更具体地，本发明在技术上涉及用紫外光处理流体，对微生物进行灭活。
背景技术：
人们利用多种方法减轻液体和气体污染，如市政饮用水供应设施、工业加工和制药用超纯水系统、实验用水和试剂、无菌室用气体等。利用这样的方法，常常可减少或无须使用化学气溶胶、化学防腐剂、微滤以及用来处理液体和/或气体的类似材料和方法。通过管体外紫外光对介质进行辐射的装置在例如美国专利第4948980号中已有描述，该专利文件的内容通过援引加入本文。美国专利第4948980号提供了一种装置，该装置具有管体和至少两个带反射器的紫外光源，要辐射的介质从管体中流过，两个紫外光源位于管体外面且具有平行轴。美国专利第4948980号依赖镜面反射器控制灯发出的光图案的均勻性。灯源较平整，边缘对齐在镜面反射器内，以最大程度减小发射器的光学效应。遗憾的是，美国专利第4948980号描述的方法明显限制了可供有效处理液体或气体的辐射剂量。例如，美国专利第4948980号不主张使用具有高反射率的漫反射器处理具有低吸收截面的液体或气体，该专利也未指望整个腔室的净反射率达到100%时传递到目标的剂量会大增。美国专利申请公开第2004/0166018号描述了一种紫外空气消毒室，它包含具有漫反射性质的内表面，所述专利申请的内容通过援引加入本文。该消毒室包括供空气流过腔室的进孔和出孔。遗憾的是，美国专利申请公开第2004/0166018号存在若干问题。例如， 由于这些方法未尝试提高相比于总腔室体积的透明或半透明安全外壳体积(containment volume)，所以该装置的性能未实现最大化。此外，所用反射器未与所处理的介质分离；不存在不打开腔室就能换灯的途径，从而增加了使用与维护系统的难度。美国专利第6228332号揭示了一种短时间高强度脉冲广谱多色光，用于处理水， 对微生物进行灭活，所述专利的内容通过援弓I加入本文。如美国专利第62^332号所述，水中微生物的灭活涉及用至少一个短时间高强度广谱多色光脉冲照射水。该系统包括水密性外壳，所述外壳具有供水流通的进口和出口。该水密性外壳里面安装了用来给微生物灭活的管状光源和导引水的管状挡板。水从进口进入，在水密性外壳与管状挡板之间沿一个方向流动，从管状挡板端部周围流过，然后回头沿第二个方向穿过管状挡板中央，从出口离开。在此情况中，水从管状光源周围流过，所述光源提供至少一个短时间高强度广谱多色光脉冲。然而，该专利所述的方法也存在若干问题。例如，美国专利第62^332号所述方法的效率有限，因为这些方法没有使用反射表面，或者基本上将处理室封闭起来，以便对液体或气体目标进行处理。
发明内容
本发明满足了相关领域的上述需要，也解决了其他一些问题。在多个实施方式中， 本发明一般涉及用紫外光处理液体和气体的方法及装置。本发明描述的方法可有利地处理流体(例如液体和气体)和/或减轻所述流体中的污染，所述流体如市政饮用水供应设施、 工业加工和制药用超纯水系统、实验用水和试剂、无菌室用气体等。本发明方法提供了便利、经济的实施方案，并且与前述方法相比，在给定的输入功率下为目标液体或气体提供了更有效的处理剂量。所述方法可用来减少或免去生物试剂的使用。此外，这些方法可用来除去或免除或活化化学试剂。在本发明的一个实施方式中，用于处理液体的装置包括具有至少一个内表面的腔室。该腔室至少封闭80%。该装置还包括位于腔室内、适合液体(或气体)通过的紫外光 (UV)透光管。该装置还包括UV灯；所述UV灯位于UV透光管内。反光材料插在腔室与透光管之间，该反光材料适合反射UV灯发出的至少一部分光。在一个实例中，反光材料至少有80%的反光率。或者，流体例如液体也可在两根UV透光管之间通行，其中一根UV透光管位于另一 UV透光管内，并与之共中心。在许多这样的实施方式中，来自UV灯的第一光与反光材料反射的第二光(以及后续光)会聚，出人意料地在液体体积内产生总体上均勻的光分布。换句话说，利用本发明方法得到的光分布一般要比根据相关领域的系统预期的均勻。在其他一些这样的实施方式中，当使用高透光性液体或气体时，由于反射器或反射表面更好，所以能流增大。在此情况中，围绕液体的大部分表面积(例如超过80%)具有高反射性。在另一些实施方式中，获得了增大的均勻性和增大的能流。若液体的透光率明显较高，则均勻性可提高，但它对性能和增大的能流具有几乎同样大的影响。反光材料可以多种不同的方式设置。在一个实例中，将反光材料设置成腔室内表面的衬里。在另一个实例中，将反光材料设置在透光管的外表面上。在另一个实例中，通过涂覆反光材料的方法将反光材料设置在腔室内表面上。在又一个实例中，将反光材料设置在透光管的外表面上，其中流体在UV灯与透光管之间流动，UV灯可设置在透光管内并与之共中心。UV灯也可设置成许多不同的构造，设置在许多不同的位置。在一个实例中，将UV 灯设置在透光性保护套内，该透光性保护套任选设置在UV透光管内并与之共中心。在本发明中，UV灯的其他构造和放置方式也是可能的；仅举例而言，如偏心设置。此外，反光材料可由许多不同的配方组成。例如，反光材料可包含至少一种材料， 如聚四氟乙烯(PTFE)、膨胀型聚四氟乙烯(ePTFE)、涂覆铝、阳极化铝和抛光铝。此外，反光材料可包含粘合剂和反光添加剂的混合物。反光添加剂可包含至少一种材料，如硫酸钡、氟化镁、氧化镁、氧化铝、氧化钛、氧化钬、氧化钙、氧化镧、氧化锗、氧化碲、氧化铕、氧化铒、氧化钕、氧化钐、氧化镱和氧化锆。所述装置还可包括适应UV透光管的入口和出口，例如在供UV透光管进出腔室时。 每个口均可采用许多不同的构造。
此外，本发明方法提供的紫外辐射可落入多个不同的范围。在一个实例中，照射在液体上的紫外辐射在约0. 01瓦/厘米2至约20瓦/厘米2的范围内。其他范围的实例也是可能的，并落在本发明的范围内。附图简述为了更好地理解本发明，将参考下面提到的附图。在所有附图中，相同的附图标记是指本发明的相同或等同部分。
图1是根据本发明的一个实施方式的一种紫外光处理系统的示意图。图2是根据本发明的另一个实施方式的一种紫外光处理系统的示意图。图3是图2所示紫外处理系统的纵向横截面。图4是图2所示处理系统的外透视图。图5是图2所示紫外处理系统的侧视图。图6-8是根据本发明的多个实施方式的紫外光处理系统的光吸收性质图表。图9是根据本发明的另一个实施方式的示意图，显示了腔室内表面上设置有反光材料的处理系统。图10是根据本发明的另一个实施方式的示意图，显示了设置在两根UV透光管之间的流体。实施本发明的方式下面的描述包括目前所构思的本发明的最佳实施方式。本描述不应从限制的角度理解，而是仅仅服务于描述本发明的一般原理和提供其实施例的目的。本发明的范围应由公布的权利要求书确定。本发明装置将处理目标液体或气体所需的总UV功率大幅度降低到规定的剂量水平。这通过以下措施实现将目标和UV光源封闭在腔室内，腔室壁具有反光率极高的衬里或涂层；最大程度减小腔室壁上的开口和吸收表面的尺寸及数量。这样的腔室设计有利于增加光子沉积，提高UV辐射效率。这两条标准组合起来可以实现协同作用，因为随着腔室壁反光率和腔室封闭百分率趋近100%，送达目标的剂量按指数形式增加。所得协同效应比每条标准各自的效应之和更有效。例如，对于完全封闭的腔室，它在壁的反光率为99%时传递给目标的剂量10倍于壁的反光率为90%时传递给目标的剂量。在UV透光管内处理流体，例如液体或气体时，将流体与腔室壁分开是有利的。可将这样的透光管装入上述腔室。为了最大程度增加传递给UV透光管内的目标和携带管内目标的透光性介质的剂量，UV透光管应尽可能多地封闭腔室空间。这最大程度减少了在壁之间反射而不能通过UV透光管和进入目标区的光的量。紫外光的波长比可见光短，可认为它包括大约在10纳米至约400纳米之间的波长，对应的频率一般在约7. 5X IOw赫至约3X IO16赫之间。在电磁波谱中，紫外光的波长小于可见光谱中的紫光而大于X射线。紫外光分为三类近紫外(NUV)，最靠近可见光，包含的波长是约300纳米至约400纳米；远紫外(FUV)，位于NUV之后，包含的波长是约200纳米至约300纳米；以及极远紫外(EUV)，位于FUV波长之后、X射线波长之前，包含的波长是约100纳米至约200纳米。紫外光还依据生物效应分为UV-A (约320纳米至约400纳米)、 UV-B (约280纳米至约320纳米)和UV-C (约100纳米至约280纳米)波段，这些波段与前述分类没有直接对应关系。
虽然用波长大于200纳米的UV光子激发时，大部分UV辐射处理能够进行，但许多应用采用的是低于200纳米的光，以提高处理速率。在此范围内，多数光源的效率在相关领域较低。这种低效率进一步强化了相关领域长期以来对高效地将UV光子传送到所需目标的系统的需求。下面总体上描述了本发明利用紫外光处理流体，例如液体和气体的方法及装置。 尽管下面的描述具体涉及流体的处理，但应理解，本发明方案中的装置也可以方便地改作处理固体材料，如悬浮液或乳浊液中的颗粒、食品、手术器械等。例如，可以拆除处理室中的管材和进出口，换上放固体材料的空腔。这种配置可使处理室完全或几乎完全封闭。除固体材料外，封闭在容器如试剂瓶、血液袋和血液成分袋里的流体，以及其他预封装流体，也可以用稍作改进的本发明装置处理。微生物可用紫外光灭活或杀死，所述微生物包括细菌、病毒、真菌、霉菌孢子、原生动物以及类似的生物。当紫外辐射使生物分子如核酸[即脱氧核糖核酸(DNA)和/或核糖核酸(RNA)]和蛋白质(例如酶)发生改变或突变时，就引起灭活作用。当天然DNA暴露于足够水平的紫外辐射时，遗传物质中就发生突变。常见的突变大部分是5，6-环丁基二嘧啶、嘧啶二聚体、嘧啶加合物、嘧啶水合物和DNA-蛋白质交联物。直接的蛋白质损害较少见，而由于蛋白质吸收了波长大于290纳米的辐射而导致其他生物分子间接受损则关系更大。在这些波长处具有吸收性的蛋白质一般包含色氨酸和酪氨酸。在氧存在下，色氨酸的受激三重态发生能量转移，从而产生单重态氧。因此，蛋白质中的色氨酸起内源性光敏剂的作用，在UVB波长范围内产生氧自由基，所述氧自由基与蛋白质、不饱和脂质以及核酸中的碱基反应。在任何情况下，紫外辐射都能促进单重态氧和羟自由基的产生，它们会破坏细胞蛋白质、脂质和碳水化合物。当紫外辐射穿透生物膜并改变其遗传物质，以及程度较轻的改变蛋白质(例如酶)，就能将膜微生物灭活或杀死。若生物体持续遭受显著的生物分子损害，则微生物将死亡。若遗传和/或蛋白质物质发生改变，但可能尚未完全被摧毁，则微生物可能无法再繁殖。失去繁殖力，再加上多数微生物寿命短，所以用紫外辐射处理过的材料中，微生物群落规模将迅速缩小。对于病毒，紫外辐射使遗传物质发生突变，使得病毒无法再感染宿主细胞和/或在宿主机体内利用宿主细胞机能增殖。使典型细菌99. 99%灭活的UV剂量在约20毫焦/厘米2至30毫焦/厘米2的范围内，所述典型细菌是例如肠杆菌(Enterobacteria cloacae), 月市炎杆菌(Klebsiella pneumoniae)、绿胺杆菌(Pseudomonas aeruginosa)、鼠伤寒沙门菌(Salmonella typhimurium A)、霍舌匕弧菌(Vibrio cholerae)禾口大肠杆菌(Escherichia coli)。对于形成孢子的细菌，如正在形成孢子的枯草杆菌(Bacillus subtilis)，剂量更高，例如通常至少约60毫焦/厘米2。病毒(如脊髓灰质炎病毒和轮状病毒)的灭活需要约30毫焦/厘米2至约40毫焦/厘米2范围内的剂量，但其他病毒可能需要更高的剂量。原生动物[如小隐孢子虫(Cryptosporidium parvum)和鼠贾第鞭毛虫(Giardia muris)]在低至约10毫焦/厘米2的剂量下即可被杀死(《紫外线应用手册》(Ultraviolet Applications Handbook)，第二版，James R. Bolton，博尔顿光科学股份有限公司(Bolton Photosciences, Inc.),2001,第 37 页)。紫外光还用于分解化学物质，特别是有机化学物质，将它们分解成更安全或者更容易通过活性炭过滤、树脂床或反渗透除去的成分，所述除去方法中的任意一种都是可与本发明的装置和方法结合使用的特征。这样分解既起因于光子的直接吸收，也起因于OH基带来的分解，所述OH-基是在化学分子靠近水分子或者其他可能的OH-基源的过程中，在紫外光作用下产生的。所述分解也可利用先进的氧化方法实现，如添加臭氧或过氧化氢，并组合使用紫外光。下表给出了有机物质中常见化学键的解离波长和可引起这种解离的最大波长， 该表出自《UV技术在医药用水处理中的应用》(The application of UV technology to pharmaceutical water treatment),巴 晶士安(Bakthisaran), S.,《欧洲肠胃夕卜科学杂志》 (European Journal of Parenteral Sciences)，3 (4)，第 97—102 页，1998。
有机物质中原子间键的解离能化学键解离能(UV剂量)(千卡/摩尔)最大解离波长(纳米)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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权利要求
1.一种处理流体的装置，它包括具有至少一个内表面的腔室，其中所述腔室适合流体通过；紫外灯，所述紫外灯设置在所述腔室内；以及将所述紫外灯封住至少80%的反光表面，所述反光表面适合反射至少一部分所述紫外灯发出的光，其中所述反光表面的反光率至少为80%。
2.如权利要求1所述的装置，它还包括紫外透光管，所述紫外透光管设置在腔室内，也适合流体通过。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，来自所述紫外灯的第一光与所述反光表面反射的第二光和后续光会聚，在流体体积内出人意料地产生总体上均勻的光分布。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述流体是高度透光的，且在所述流体中得到增强能流。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反光表面设置成所述腔室的所述至少一个内表面的衬里。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反光表面是通过将反光材料涂覆在所述腔室的所述至少一个内表面上来设置的。
7.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述反光表面是通过将反光材料涂覆在所述紫外透光管的至少一个外表面上来设置的。
8.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述紫外灯设置在所述紫外透光管内的透光保护套中。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反光表面包含反光材料，所述反光材料包含至少一种选自下组的材料聚四氟乙烯(PTFE)、膨胀型聚四氟乙烯(ePTFE)、涂覆铝、 阳极化铝和抛光铝。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，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剂和反光添加剂。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述反光添加剂包含至少一种选自下组的材料硫酸钡、氟化镁、氧化镁、氧化铝、氧化钛、氧化钬、氧化钙、氧化镧、氧化锗、氧化碲、 氧化铕、氧化铒、氧化钕、氧化钐、氧化镱和氧化锆。
12.如权利要求2所述的装置，它还包括入口和出口，所述紫外透光管通过它们进出所述腔室。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，照射在所述流体上的紫外光辐射在约0.01 瓦/厘米2至约20瓦/厘米2的范围内。
14.一种处理液体的装置，它包括具有至少一个内表面的腔室，其中所述腔室至少封闭80% ；并且适合流体通过；紫外灯，所述紫外灯设置在透光保护套内，所述透光保护套设置在所述腔室内；将所述紫外灯封住至少80%的反光表面，所述反光表面适合反射至少一部分所述紫外灯发出的光，其中所述反光表面的反光率至少为80% ；以及其中来自所述紫外灯的第一光与所述反光表面反射的第二光和后续光会聚，在流体体积内产生总体上均勻的光分布。
15.如权利要求14所述的装置，它还包括紫外透光管，所述紫外透光管设置在腔室内，适合流体通过。
16.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述液体的透光率使其衰减落在约5%至约95%的范围内。
17.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述反光表面设置成所述腔室的所述至少一个内表面的衬里。
18.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述反光表面是通过将反光材料涂覆在所述紫外透光管的至少一个外表面上来设置的。
19.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述反光表面是通过将反光材料涂覆在所述腔室的所述至少一个内表面上来设置的。
20.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述紫外灯设置在所述紫外透光管内的保护套中。
21.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述反光表面包含反光材料，所述反光材料包含至少一种选自下组的材料聚四氟乙烯(PTFE)、膨胀型聚四氟乙烯(ePTFE)、涂覆铝、阳极化铝和抛光铝。
22.如权利要求14所述的装置，其特征在于，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剂和反光添加剂。
23.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述反光添加剂包含至少一种选自下组的材料硫酸钡、氟化镁、氧化镁、氧化铝、氧化钛、氧化钬、氧化钙、氧化镧、氧化锗、氧化碲、 氧化铕、氧化铒、氧化钕、氧化钐、氧化镱和氧化锆。
24.如权利要求15所述的装置，它还包括入口和出口，所述紫外透光管通过它们进出所述腔室。
25.如权利要求14所述的装置，其特征在于，照射在所述流体上的紫外光辐射在约 0. 01瓦/厘米2至约20瓦/厘米2的范围内。
全文摘要
一种用于处理液体的装置，它包括具有至少一个内表面的腔室，所述腔室适合流体通过。所述腔室至少封闭80％。所述装置还包括任选的紫外透光管，所述紫外透光管设置在腔室内，也适合液体通过。所述装置还包括紫外灯，所述紫外灯设置在腔室内，并且任选设置在紫外透光管内。反光材料插在所述腔室与所述透光管之间。所述反光材料适合反射至少一部分由紫外灯发出的光，其中所述反光材料的反光率至少为80％。
文档编号C02F1/32GK102448891SQ201080023548
公开日2012年5月9日 申请日期2010年3月30日 优先权日2009年3月31日
发明者J·R·库珀, R·梅 申请人:紫外线科学股份有限公司