专利名称：用于使用点辐射源进行流体的细菌消毒的系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于使用点辐射源进行流体的细菌消毒的系统和方法并且包括以下领域光学工程、流体工程、材料工程和生命科学。
背景技术：
传统上，使用紫外(UV)灯(或深紫外灯)，如低至中压汞灯，进行例如水、空气、 燃料、其它液体和气体等的流体的细菌消毒。例如，可以在传统的使用点(point-of-use) (POU)水过滤系统中使用这类灯对水进行消毒，以达到杀菌的效果。细菌、病毒、孢囊等的脱氧核糖核酸(DNA)吸收UV辐射并且从而使生物体(biological entities)的再生能力丧失。与水消毒的氯化方法不同，UV辐射不影响水的生物稳定性。因此，UV辅助的水过滤器已经成为在水过滤系统中有益于杀菌的标准操作，包括用于公用水系统(PWS)的巨型反应器，以及小型POU水过滤系统。类似的细菌消毒系统也被与其它流体一起使用。然而，这些细菌消毒系统受困于许多显著缺点。首先，这些细菌消毒系统，因为它们使用管状UV灯等，典型地具有高功率需求和大的形状因数，要求其使用线路电压，表现为与相关流体过滤系统分离的部件，不适合于较小形状因数的POU流体过滤系统，和/或不可以任意缩放。其次，该细菌消毒系统是固有低效的。所用的管状UV灯发射光子，所述光子穿透流体并被另一个表面吸收或反射1次或2次并损失。结果是必须连续地产生并替换光子。更进一步地，所存在的辐射场是不均勻的。灯基系统中典型地使用高强度以补偿损失和非均勻辐射场。因此，本领域内仍然需要弥补这些不足并且提供其它益处的改进的细菌消毒系统。发明简述再一次地，本发明涉及用于使用点辐射源进行流体的细菌消毒的系统和方法。通常，这些系统和方法使用一个或多个点辐射源，所述一个或多个点辐射源被安置在积分球流通单元(integrating sphere flow-through cell)等的内部周围，在本文中所述积分球流通单元也被称为流通积分球(flow-through integrating sphere) (FIS)。优选地，一个或多个点辐射源为UV光源，并且任选地，一个或多个点辐射源为深UV光源，例如半导体或发光二极管(LED)光源。一个或多个点辐射源可操作用于对选择性地对其进行暴露的流体进行消毒，因为流体中的细菌、病毒和孢囊等的DNA吸收所产生的并且在积分球流通单元等中反射的辐射，因而将生物体灭活。任选地，积分球流通单元等的内部涂布有朗伯 (Lambertian)散射材料，和/或涂布有能够在产生的和反射的辐射的存在下破坏所吸附的生物物质的光催化材料，和/或涂布有能够在产生的和反射的辐射的存在下产生杀菌剂的光催化材料。在一个示意性实施方案中，本发明提供一种用于对流体进行消毒的系统，所述系统包括流动单元，所述流动单元包括一个或多个入口和一个或多个出口，其中所述流动单元配置为从所述一个或多个入口通过所述流动单元的内部至所述一个或多个出口部 (outlet portions)交换流体；和一个或多个点辐射源，所述一个或多个点辐射源安置在所述流动单元周围，其中所述一个或多个点辐射源可操作用于向所述流体递送辐射；其中所述流动单元的内表面可操作用于反射由所述一个或多个点辐射源递送到所述流体的辐射。 在一个示意性实施方案中，流动单元是积分球。任选地，一个或多个点辐射源包括以下各项中的一种或多种一个或多个半导体光源、一个或多个发光二极管光源、一个或多个紫外光源、以及一个或多个深紫外光源。所述流动单元的所述内表面可操作用于反射由所述一个或多个点辐射源递送到所述流体的辐射，使得辐射强度在所述流动单元的整个内部均勻。 任选地，该系统还包括一个或多个机械挡板或搅拌机构，所述一个或多个机械挡板或搅拌机构安置在所述流动单元的内部，用于选择性地调节所述流动单元中通过的流体的流动。 任选地，该系统还包括安置在所述流动单元的内表面的至少一部分上的光催化材料。任选地，该系统还进一步包括安置在所述一个或多个机械挡板或搅拌机构的表面的至少一部分上的光催化材料。优选地，该系统包括可操作用于选择性地启动/停止所述一个或多个点辐射源的控制器以及可操作用于选择性地控制所述流体在所述流动单元内部的停留时间的控制器。在另一个示意性实施方案中，本发明提供一种用于对流体进行消毒的方法，所述方法包括提供流动单元，所述流动单元包括一个或多个入口和一个或多个出口，其中所述流动单元配置为从所述一个或多个入口通过所述流动单元的内部至所述一个或多个出口部交换流体；和提供一个或多个点辐射源，所述一个或多个点辐射源安置在所述流动单元周围，其中所述一个或多个点辐射源可操作用于向所述流体递送辐射；其中所述流动单元的内表面可操作用于反射由所述一个或多个点辐射源递送到所述流体的辐射。在一个示意性实施方案中，流动单元是积分球。任选地，一个或多个点辐射源包括以下各项中的一种或多种一个或多个半导体光源、一个或多个发光二极管光源、一个或多个紫外光源、以及一个或多个深紫外光源。所述流动单元的所述内表面可操作用于反射由所述一个或多个点辐射源递送至所述流体的辐射，使得辐射强度在流动单元的整个内部均勻。任选地，该方法还包括提供一个或多个机械挡板或搅拌机构，所述一个或多个机械挡板或搅拌机构安置在所述流动单元的内部，用于选择性地调节所述流动单元中通过的流体的流动。任选地，该方法还包括提供安置在所述流动单元的内表面的至少一部分上的光催化材料。任选地，该方法还进一步包括提供安置在所述一个或多个机械挡板或搅拌机构的表面的至少一部分上的光催化材料。优选地，该方法包括提供可操作用于选择性地启动/停止所述一个或多个点辐射源的控制器以及可操作用于选择性地控制所述流体在所述流动单元内部的停留时间的控制器。在另外的示意性实施方案中，本发明提供一种用于对流体进行消毒的系统，所述系统包括流动单元，所述流动单元包括一个或多个入口和一个或多个出口，其中所述流动单元配置为从所述一个或多个入口通过所述流动单元的内部至所述一个或多个出口部交换包含生物污染物的流体；和一个或多个点辐射源，所述一个或多个点辐射源安置在所述流动单元周围，其中所述一个或多个点辐射源可操作用于向所述生物污染物递送辐射；其中所述流动单元的内表面可操作用于反射由所述一个或多个点辐射源递送到所述生物污染物的辐射；并且其中所述流动单元的所述内表面可操作用于反射由所述一个或多个点辐射源递送到所述生物污染物的辐射，使得辐射强度在所述流动单元的整个内部均勻。在一个示意性实施方案中，流动单元是积分球。任选地，一个或多个点辐射源包括以下各项中的一种或多种一个或多个半导体光源、一个或多个发光二极管光源、一个或多个紫外光源、 以及一个或多个深紫外光源。任选地，该系统还包括安置在所述流动单元的内表面的至少一部分上的光催化材料。附图简述这里参考不同附解并描述本发明，在适当的情况下，使用其中相同的标记号标记相同的系统部件/方法步骤，并且其中
图1是示例本发明的积分球点辐射源流体消毒系统的一个示意性实施方案的示意图；并且图2是示例本发明的积分球点辐射源流体消毒系统的另一个示意性实施方案的示意图。发明详述再一次地，本发明涉及用于使用点辐射源进行流体的细菌消毒的系统和方法。通常，这些系统和方法使用一个或多个点辐射源，所述点辐射源被安置在积分球流通单元等的内部周围，在本文中所述积分球流通单元也被称为FIS。优选地，一个或多个点辐射源为 UV光源，并且任选地，一个或多个点辐射源为深UV光源，例如半导体或LED光源。一个或多个点辐射源可操作用于对选择性地对其进行暴露的流体进行消毒，因为流体中的细菌、病毒和孢囊等的DNA吸收所产生的并且在积分球流通单元等中反射的辐射，因而将生物体灭活。任选地，积分球流通单元等的内部涂布有朗伯(Lambertian)散射材料，和/或涂布有在产生的和反射的辐射的存在经历光催化从而局部产生杀菌剂的材料。作为预备内容，应该注意，本文主要结合涉及商业水槽下水过滤装置(under-sink water filtration unit)中的精制水的消毒的应用示例和描述本发明的细菌消毒系统和方法。该具体应用只是例证并且不应该被解释为以任何方式的限制。可以将本发明的细菌消毒系统和方法一般化并用于任意流体消毒应用，包括，但不限于，水、空气、燃料、其它流体和气体等的细菌消毒。因此，本发明的细菌消毒系统是广泛适用的并且包括很大范围的应用和工业。它们在尺寸和范围上也可以缩放。参见图1，在一个示意性实施方案中，本发明的消毒系统10包括采用积分球等形式的流动单元12。虽然在本文中最后讨论了积分球构造，也可以使用其它构造。关键的考虑因素在于光子在流动单元12中反复反射，并且在于形成均勻的辐射场以用低强度源进行最佳消毒。按照此方法，流动单元12应该具有基本上弯曲的并且凹形的相对内表面。重新叙述，流动单元12不能具有内部“角”，并且内表面上的每个点应该从内表面上的其它每个点上看是可见的。卵形、椭球形、带有圆角的立方体等，全部满足这些标准。为了方便制造，流动单元12由塑料等制成，并且，在材料不是好的朗伯(Lambertian)散射体的情况下， 其内表面涂布有朗伯(Lambertian)散射材料14。备选地，流动单元12由金属或其它涂布反光材料构成，例如铝、不锈钢、铜等，可以将它们阳极化处理或者另外涂布有有机物、聚硅氧烷、有机氧化物等。流动单元12可以缩放并且可以具有任意合适尺寸，例如，大约数毫米至数米的量级。流动单元12至少包括制造于其中的入口 16和出口 18，其提供了流体19(即液体或气体)从入口 16到出口 18的流动。对于本领域内的普通技术人员非常明显的是也可以使用多个入口 16和/或多个出口 18。优选地，流体19不能够在可感知的时间期间内滞留在流动单元12内部的任意部分，如本文下面将更加详细地描述的，并且流动单元12始终保持100%充满。同样地，可能需要的是流体19朝向流动单元12的一个或多个内表面，以使其可以遇到由光催化材料产生的消毒剂，同样如本文下面将更加详细地描述的。在标准设计中，一个或多个点辐射源20，例如一个或多个UV光源、一个或多个深 UV光源、一个或多个半导体光源和/或一个或多个LED光源，安置在贯穿流动单元12制造的一个或多个开口(未画出)内，或部分地或完全地穿过贯穿流动单元12制造的一个或多个开口(未画出)，优选地在对称的位置。可以使用一个或多个点辐射源20消毒选择性地暴露于它们的流体19，因为流体19中的细菌、病毒、孢囊等22的DNA吸收流动单元12中产生和反射的辐射，因而将生物体灭活。本文使用的“点辐射源”是指与系统的其它尺寸比较，小的、大致对称的辐射源。参见图2，在另一个示意性实施方案中，本发明的消毒系统10包括一个或多个机械挡板M、机械搅拌机构等，同样任选地涂布有朗伯(Lambertian)散射材料14和/或光催化材料。该构造被用于平衡并最大化流体19在流动单元12的内部容积中的停留时间。 当细菌等22在流动单元12的内部容积中时，目标是最优化设计参数(即流动单元12的尺寸、朗伯(Lambertian)散射材料14的反射比、停留时间以及一个或多个点辐射源20的辐射功率)，以保证细菌等22当其在流动单元12中时受到致死剂量的UV辐射。任选地，光催化材料14，例如二氧化钛(TiO2)、氧化锌、二氧化锆、氧化铁、氧化铝、 !^e (IIIVAl2O3、氧化铈、氧化锰、硅酸钛、金属取代的硅酸盐或者硅铝酸盐、以及任意其它金属氧化物、混合金属氧化物、和/或金属掺杂/负载的金属氧化物基体(例如，金纳米粒子负载在二氧化硅或二氧化钛上)等，可以安置在流动单元12的一个或多个内表面上或以其它方式与这些表面结合，以增强基于近场(near-field)的污染物的光致氧化、光致还原和净化，所述污染物包括细菌、病原体、有机材料、卤代化合物、生物源化合物、金属离子、和/ 或生物制剂。备选地，光催化剂材料14可以被悬挂在占据流动单元12的一些内部区域的非吸附基体(例如纤维或者中孔或大孔溶胶-凝胶、有机改性溶胶凝胶(ormisil)、聚合物或气凝胶)上。由于积分球表面独特的高反射和随机化的性质，这将对催化剂提供从所有方向的均勻照明用于最优化光催化率。可以在流动单元12之前或之后使用流量检测器(未画出)等以在没有流动的期间关闭一个或多个点辐射源20以最大化一个或多个点辐射源 20的寿命，并且可以将整个系统连接于控制消毒系统10的全部功能的合适的计算机控制器/处理器(未画出)等。作为预备内容，DNA在约260nm有峰值吸收，但是吸收曲线宽，其UV吸收的大部分出现于约MOnm至约^Onm之间。低和中压汞灯具有位于约253. 7nm的发射峰，其中中压汞灯具有跨越DNA的峰值杀菌区域的狭窄并分离的发射峰。比较起来，UV LED具有宽频带的深UV发射并且可以将其制作为峰值发射位于约^Onm以相对汞灯更有效地提供最大剂量。 可以通过改变LED的AlxGaa_x)N活性层中的铝的百分比组成移动LED的波长。近来可以商购到波长集中在DNA的吸收峰处的LED。此外，UV LED不含汞，汞是剧毒的以使得必须将报废的含有汞的灯泡作为危险废物对待并且当报废后必须将其送至有资质的再循环工厂。同样地，汞基源在约185nm产生发射谱线，这导致臭氧产生；臭氧是腐蚀性的并且吸收UV光， 同样也是有毒的。UV LED是无汞固态源并且可以被制造为不具有小于约200nm的发射。除了是无汞的，UV LED具有一些超越灯源的明显优势。灯体积大并且需要线路电压，这在POU 系统中是不适宜的，其中在该单元设置的地方线路电压并不总是可得的。同样，汞灯具有与灯密封体中等离子体的产生有关的启动延迟时间，所述等离子体又加热惰性气体，所述惰性气体之后使汞蒸发以使汞和等离子体离子碰撞并激发Hg以发射光。与此相反，可以即刻开启UV LED并操作于非常快的开/关工作循环中以增加其寿命。关于本发明的示意性积分球实施方案，积分球典型地被光学科学家和光谱学工作者用于(1)从具有随机辐射方向模式的光源有效地收集光以及( 用所收集的光建立发散光源。这通过来自积分球的高散射内壁的多次反射完成，所述内壁固有反光或者被涂布有朗伯(Lambertian)散射材料。在一些情况下，收集是重要的，例如在照明灯泡(light bulb)的表征中。在其它情况中，目的是建立发散光源，例如用于光谱学或光化学应用。在这些应用中，积分球的内部容积被保持的尽可能空，通常仅含有空气。因为高散射的内壁， 以及所得到的路径长度增益，数人最近提出使用积分球作为增益样品架用于吸收光谱学， 并且作为用于表征样品的产品，例如已经使用该原理表征海水或湖水。在操作期间，当填充有基本上或部分地透明的媒质，例如空气(或水)，积分球内部的光强度在各处都相同，不依赖于方向。这是积分球的一个特征，条件是与积分球的内表面积相比光源(或源)的面积是小的。结合本发明的系统和方法，使含有非常小量的细菌等的流体流过充满辐射的积分球。下列系列的简单计算表明，如果控制流体(例如水)的停留时间，那么可以使用相对小的数量的可商购的UV LED等结合适当设计的积分球流动单元为所述水消毒。UV LED是相对新的新兴技术，并且理想地适合于最优化地使用积分球，因为与标准尺寸(例如2英寸半径)的球的内表面相比它们是小的(例如数平方微米)。早期的UV 光源，如汞放电灯等，可能不能与积分球流动单元以这种方式有效地结合，除了别的考虑因素以外，归因于它们大的形状因数。厨房水槽的标准最大流率，例如，为
权利要求
1.一种用于对流体进行消毒的系统，所述系统包括流动单元，所述流动单元包括一个或多个入口和一个或多个出口，其中所述流动单元配置为从所述一个或多个入口通过所述流动单元的内部至所述一个或多个出口部交换流体；和一个或多个点辐射源，所述一个或多个点辐射源安置在所述流动单元周围，其中所述一个或多个点辐射源可操作用于向所述流体递送辐射；其中所述流动单元的内表面可操作用于反射由所述一个或多个点辐射源递送到所述流体的辐射。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述流动单元包括积分空腔、积分椭球和积分球中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个点辐射源包括以下各项中的一种或多种一个或多个半导体光源、一个或多个发光二极管光源、一个或多个紫外光源和一个或多个深紫外光源。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述流动单元的所述内表面可操作用于反射由所述一个或多个点辐射源递送到所述流体的辐射，使得辐射强度在所述流动单元的整个内部均勻。
5.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括一个或多个机械挡板或搅拌机构，所述一个或多个机械挡板或搅拌机构安置在所述流动单元的内部，用于选择性地调节所述流动单元中通过的所述流体的流动。
6.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括安置在所述流动单元的所述内表面的至少一部分上的光催化材料。
7.根据权利要求5所述的系统，所述系统还包括安置在所述一个或多个机械挡板或搅拌机构的表面的至少一部分上的光催化材料。
8.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括可操作用于选择性地启动/停止所述一个或多个点辐射源的控制器。
9.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括可操作用于选择性地控制所述流体在所述流动单元内部的停留时间的控制器。
10.一种用于对流体进行消毒的方法，所述方法包括提供流动单元，所述流动单元包括一个或多个入口和一个或多个出口，其中所述流动单元配置为从所述一个或多个入口通过所述流动单元的内部至所述一个或多个出口部交换流体；和提供一个或多个点辐射源，所述一个或多个点辐射源安置在所述流动单元周围，其中所述一个或多个点辐射源可操作用于向所述流体递送辐射；其中所述流动单元的内表面可操作用于反射由所述一个或多个点辐射源递送到所述流体的辐射。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述流动单元包括积分空腔、积分椭球和积分球中的一种或多种。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述一个或多个点辐射源包括以下各项中的一种或多种一个或多个半导体光源、一个或多个发光二极管光源、一个或多个紫外光源和一个或多个深紫外光源。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述流动单元的所述内表面可操作用于反射由所述一个或多个点辐射源递送到所述流体的辐射，使得辐射强度在所述流动单元的整个内部均勻。
14.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括提供一个或多个机械挡板或搅拌机构，所述一个或多个机械挡板或搅拌机构安置在所述流动单元的内部，用于选择性地调节所述流动单元中通过的所述流体的流动。
15.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括提供安置在所述流动单元的所述内表面的至少一部分上的光催化材料。
16.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括提供安置在所述一个或多个机械挡板或搅拌机构的表面的至少一部分上的光催化材料。
17.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括提供可操作用于选择性地启动/停止所述一个或多个点辐射源的控制器。
18.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括提供可操作用于选择性地控制所述流体在所述流动单元内部的停留时间的控制器。
19.一种用于对流体进行消毒的系统，所述系统包括流动单元，所述流动单元包括一个或多个入口和一个或多个出口，其中所述流动单元配置为从所述一个或多个入口通过所述流动单元的内部至所述一个或多个出口部交换包含生物污染物的流体；和一个或多个点辐射源，所述一个或多个点辐射源安置在所述流动单元周围，其中所述一个或多个点辐射源可操作用于向所述生物污染物递送辐射；其中所述流动单元的内表面可操作用于反射由所述一个或多个点辐射源递送到所述生物污染物的辐射；并且其中所述流动单元的所述内表面可操作用于反射由所述一个或多个点辐射源递送到所述生物污染物的辐射，使得辐射强度在所述流动单元的整个内部均勻。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述流动单元包括积分空腔、积分椭球和积分球中的一种或多种。
21.根据权利要求19所述的系统，其中所述一个或多个点辐射源包括以下各项中的一种或多种一个或多个半导体光源、一个或多个发光二极管光源、一个或多个紫外光源和一个或多个深紫外光源。
22.根据权利要求19所述的系统，所述系统还包括安置在所述流动单元的所述内表面的至少一部分上的光催化材料。
全文摘要
本发明提供一种用于对流体进行消毒的系统，所述系统包括流动单元，所述流动单元包括一个或多个入口和出口，配置为从一个或多个入口通过流动单元的内部至一个或多个出口交换含有生物污染物的流体；和一个或多个点辐射源，所述一个或多个点辐射源安置在流动单元周围，可操作用于向生物污染物递送辐射；其中所述流动单元的内表面反射由一个或多个点辐射源递送到所述生物污染物的辐射；并且其中流动单元的内表面反射由一个或多个点辐射源递送到所述生物污染物的辐射，使得辐射强度在所述流动单元的整个内部均匀。在一个示意性实施方案中，流动单元是积分球。任选地，光催化材料安置在流动单元的内表面的至少一部分上。
文档编号B01D15/00GK102281933SQ200980154776
公开日2011年12月14日 申请日期2009年12月18日 优先权日2008年12月19日
发明者托马斯·安德鲁·施梅达克, 爱德华·布里顿·斯托克斯, 珍妮弗·戈德温·帕甘 申请人:北卡罗来纳大学夏洛特分校, 点式度量技术公司