190nm、207nm准分子微波无极放电灯及其应用

摘要

本发明属光化学技术领域，具体为一种190nm、207nm准分子微波无极放电灯及其应用，该放电灯由微波发生源、电缆、谐振腔和无极石英灯管组成。在石英管中分别填充Kr－I2或Kr－Br2混合气体，利用微波无极放电使混合气体激发并产生激发态KrI*或KrBr*准分子，并通过自发辐射跃迁到基态而辐射产生190nm或207nm短紫外光。该新型光源具有无污染、高光效、长寿命等特点，产生的190nm和207nm紫外光可被大部分污染物吸收并达到彻底降解的目的。该光源对直接光降解高浓度染料废水具有很好的处理效果，同时能有效去除H2S、CS2、苯乙烯等恶臭气体物质。该光源可广泛用于治理各种有机污染物。

说明书

技术领域

本发明属光化学技术领域，具体涉及一种高功率新型微波准分子光源发生系统。

背景技术

采用紫外光降解有害污染物质很早就被应用到环保领域，也是近年来研究的热点，常见的技术如：185nm紫外光直接降解恶臭气体[1]，253.7nm紫外光杀菌消毒，O₃/UV和H₂O₂/UV联合水体净化，TiO₂/UV光催化降解有机污染物等。

相对于传统的化学、物理及生物方法而言，紫外光降解污染物具有以下突出优势：①去除效率高；②体积小；③运行费用低；④操作简单，安装维修方便；⑤制造成本低，然而现有的紫外光应用有其天然的不足之处。目前常用的185nm/253.7nm/313nm/365nm四种波长的紫外光主要通过紫外灯管两端电极之间的电场激发汞蒸汽放电产生，其不足之处体现在两方面：一方面，这些紫外灯寿命不长，连续运行一般不会超过1000h，报废灯管若不妥善处理，势必会有汞的污染问题产生；另一方面，通过激发汞原子产生的这四种波长的紫外光实际应用存在很多局限性，对于185nm紫外光来说，由于灯管所用石英材料对波长小于190nm紫外光有较强的吸收，因而常见的低压汞灯发射谱线中能有效去除污染物的185nm紫外光含量都低于5％，一般不会超过10％，直接的后果就是能量利用率低，同时由于水对185nm紫外光有极强的吸收，在水中其光程小于1mm，因此该185nm紫外光一般只能在气体污染物降解中应用。而对于另外三种或更长波长紫外光，由于它们的光子能量低，且发射谱线单一，只有少部分污染物能够吸收并发生断键，绝大多数还是被用来杀菌消毒以及应用在光催化领域，或者作为污染物处理工艺中的辅助技术，其波长的局限性限制着它们在光化、光生领域的拓宽应用。鉴于光技术用于降解污染物的众多优点，十分有必要开发一种新型的环保实用的紫外光发生技术。

本发明所提出的微波无极(紫外灯管中没有电极)放电激发KrI^*或KrBr^*准分子气体产生190nm或207nm紫外光技术可以很好的解决这些矛盾。关于微波无极放电以及准分子光源都曾分别在不同的领域被提出和加以实施，前者主要是解决现有采用电极放电紫外灯寿命短及谱线单一的问题[2]，而后者是基于其无辐射自吸收的优点而首先被用在激光发生系统中。近年来也有一些采用微波无极放电激发汞原子产生185nm或波长更长的紫外光(如253.7nm和365nm)来直接或者光催化降解染料废水的尝试[3，4，5]，但都未从根本上解决上述汞灯光源存在的紫外光波长的局限性问题，同时不可避免能量利用率低的缺陷。我们将微波无极放电和准分子光源两者有机结合并开发出一种新型的微波准分子紫外光源，并将其应用于污染物的直接光降解，这在国内外未见报导。

发明内容

本发明的目的在于提出一种能量利用率高、使用寿命长的准分子微波无极放电灯及其应用。

本发明提出的准分子微波无极放电灯，是一种波长为190nm或207nm准分子微波无极紫外灯，具体示意图见图1所示。它由微波发生源1、谐振腔2、电缆3和填充有Kr-I₂或Kr-Br₂混合气体的无极石英灯管组成；其中，微波发生源1机箱的控制面板上设有自动或手动调节钮，用于调节微波输出功率的大小。微波源的功率范围在0-1000W内连续可调；从微波发生源1发出的2.45GHz微波由电缆3传输至谐振腔2中；无极石英灯管4的一端插入谐振腔2中，灯内发光物质吸收微波能量产生放电发出紫外光。虽然只有灯管的下部处于谐振腔中，整根灯管仍能顺利地全部点亮，发光均匀稳定。

Kr-I₂或Kr-Br₂混合气体填充比例和气压不会影响辐射紫外光的波长值，但通过控制一定比例的气体混合比及混合气体总压强，合理选择微波功率，可改变最终产生190nm或207nm紫外光的输出强度。KrI^*和KrBr^*准分子光源的最佳参数范围基本相同，如表1所示。

                      表1KrI^*和KrBr^*准分子光源的最佳参数范围

            190nm KrI^*准分子光源            207nm KrBr^*准分子光源  Kr-I₂总压强  Kr∶I₂  (气压比)  微波功率  Kr-Br₂总压强  Kr∶Br₂  (气压比)  微波功率  2～10torr  20∶1--50∶1  100～1000W  2～10torr  20∶1--50∶1  100～1000W  备注  在100～1000W微波功率范围内，  190nm(或207nm)紫外光输出强度随微波功率增大而增强

本发明的工作原理如下：

以207nm KrBr^*准分子光源为例说明。微波无极放电产生KrBr^*准分子207nm紫外光辐射的过程具体如下：

(1)Kr和Br₂的激发：首先，在微波电磁场的作用下，Kr和Br₂被激发。

                            

                            

(2)KrBr^*准分子的形成：激发态的Kr^*和Br₂^*离子经过碰撞形成KrBr^*准分子，也可以通过Harpooning反应形成KrBr^*准分子，如下面方程所示，这是通过激发态的Kr^*把它的能量传递给Br₂分子而形成的激发态的KrBr^*准分子。

                            

(3)辐射过程：这样形成的KrBr^*准分子很不稳定，通常在几个纳秒之内就会分解，同时以紫外光子的形式释放激发能。

                          (207nm)

(4)猝灭过程：在辐射过程中还伴随着猝灭过程，在气压较低时，主要是Br₂粒子导致的准分子的猝灭。

                            

而在气压较高时，Kr原子引发三体碰撞反应使得准分子猝灭形成三原子粒子。

(5)KrBr^*准分子光源的紫外光谱：用真空紫外单色仪测量KrBr^*准分子光源的紫外发射，得到的光谱轮廓如图2所示。由图2得到KrBr^*准分子的峰值波长主要在207nm处，另外在222nm、228nm处也有微弱的辐射。207nm处的辐射是由B_1/2→X_1/2跃迁产生的，其全值半宽度与气压有关，在1～20nm左右。

190nm KrI^*准分子光源的工作原理与207nm KrBr^*准分子光源类似。

新光源的优点和应用

与现有的汞灯光源相比，KrI^*或KrBr^*准分子气体产生190nm或207nm紫外光技术在环保领域有更广阔的应用空间。选择这两种波长准分子光源，具有以下优点：

(1)解决185nm紫外光遇到的对石英管透过率低以及在水中辐照光程短的问题，该光源在废水和废气处理处置中都可以应用，而且能量利用率高，最高可达50％。

(2)光源不含汞，无污染，且采用无极放电，使其寿命明显延长，一般连续运行2～5年不会损坏，是非常绿色经济的紫外光源。

(3)由于准分子光辐射没有自吸收，通常可产生发射波段为1～20nm宽的紫外光谱，可被大部分污染物吸收，而且光子能量也较高，190nm和207nm的紫外光的光子能量分别为6.54eV和6.0eV，可使大部分化学键断裂，在氧气参与下可达到彻底氧化降解污染物的目的。因此，可直接降解高浓度颜料废水等，同时能去除H₂S、CS₂、苯乙烯等恶臭物质。

以上优点使该光源能够广泛应用于环保领域。它能适用于各种难降解有机污染物的去除，包括在高浓度和深度降解，水体污染净化和废气处理，尤其近年来备受关注的恶臭污染物的治理。

附图说明

图1为准分子微波无极放电灯的结构图示。

图2为KrBr^*准分子微波无极放电灯的辐射光谱。

图中标号：1为微小发生源，2为谐振腔，3为电缆，4为无极石英灯管。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明。本发明各组成部分包括：①微波发生电源，微波频率为2.45GHz，微波功率在0～1000W范围内连续可调，微波电源机箱尺寸为18cm×25cm×40cm，：

②谐振腔，为圆柱形，外径12cm，高为6cm；

③电缆，外径10mm，长度视具体情况定；

④无极石英灯管，填充有Kr-I₂(或Kr-Br₂)混合气体，

灯管为圆管形，外径10mm～20mm，长度视具体情况而定。灯管也可做成平板形。

实施例1：

207nm KrBr^*准分子微波无极紫外灯(Kr-Br₂混合气体总压强为10torr，Kr∶Br₂气压比为50∶1，灯管外径20mm，长度30cm)直接光降解高浓度染料废水，选择难降解三苯基甲烷类染料罗丹明B为处理对象，处理浓度为20mg/L，处理量为400ml。所用微波功率为600W，经过10min光照后测得脱色率＞99％，COD_Cr去除率达90％。

实施例2：

190nm KrI^*准分子微波无极紫外灯(Kr-I₂混合气体总压强为2.5torr，Kr∶I₂气压比为50∶1，灯管外径10mm，长度30cm)直接光降解二硫化碳恶臭气体，所用微波功率为400W。二硫化碳气体采用流动态进样，气体在光辐照区停留时间为1s，二硫化碳进气浓度为20mg/m³。测试结果表明，该处理装置可有效去除二硫化碳恶臭污染，去除率高达90％。

参考文献：

1.房豪杰，吴奇方，朱承驻，侯惠奇。低浓度CS₂废气的光降解研究及工艺设计。环境污染治理技术与设备，已接收。

2.李译。无极灯及其应用。中国照明电器，1998，5：25～28。

3.Jaromír Literfák，Petr Kirán。The electrodeless discharge lamp：a prospective tool forphotochemistry Part 2.Scope and limitation。Journal of Photochemistry and Photobiology A：Chemistry，2000，137：29～35。

4.Shiro Iwaguch，Kentaro Matsumura，Yoshikazu Tokuoka，et al.。Sterilization system usingmivrowave and UV light。Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，2002，25：299～304。

5.Satoshi Horikoshi，Hisao Hidaka。Environmental remediation by an integratedmicrowave/UV illumination technique。3.A microwave-powered plasma light source andphotoreactor to degrade pollutants in aqueous dispersions of TiO2 illuminated by the emittedUV/Visable radiation。Environ.Sci.Technol.，2002，36：5229～5237。