Способ регулировки уровня наработки озона ультрафиолетовой лампой низкого давления
METHOD FOR ADJUSTING THE LEVEL OF OZONE PRODUCTION BY A LOW-PRESSURE UV LAMP

Изобретение относится к области обработки источниками света различных сред (газов, жидкостей, суспензий, фаз жидкое-твердое) как в потоке, так и в стационарном режиме, при помощи коротковолнового ультрафиолетового излучения длиной волны от 185 нм до 254 нм.
Бактерицидное ультрафиолетовое излучение является эффективным профилактическим, санитарно-противоэпидемическим средством. Оно предотвращает распространение массовых инфекционных заболеваний, уничтожает практически все известные патогенные микроорганизмы. Обеззараживающий эффект основан на свойстве ультрафиолетовых волн короткого диапазона 180-280 нм проникать в структуру ДНК микроорганизмов, разрушать ее и препятствовать дальнейшему делению клеток и размножению (RU 200862, МПК A61N 5/06, опубл. 13.11.2020).
2
Известен бактерицидный эффект, которым обладает излучение с длинами волн 200-300 нм. Для систем обеззараживания применяются мощные бактерицидные газоразрядные источники ультрафиолетового излучения, в которых для поддержания высоких рабочих температур вместо металлической ртути используется амальгама. Поэтому генерация излучения линии 254 нм в ртутной плазме низкого давления достаточно подробно изучена и теоретически и экспериментально. В свою очередь, генерация вакуумного ультрафиолетового излучения на длине волны 185 нм мощными лампами с высокими плотностями тока разряда (>0,4 А/см) мало изучена как экспериментально, так и теоретически. Неразвитой остается методика измерения радиометрических параметров газоразрядных источников вакуумного ультрафиолетового излучения. В значительной мере это связано с тем, что в задачах обеззараживания излучение линии 185 нм считается «паразитным» и разрядные колбы ультрафиолетовых источников излучения обычно изготавливаются из кварца, не пропускающего вакуумное ультрафиолетовое излучение, в том числе на длине волны 185 нм. В связи с тем, что вакуумное ультрафиолетовое излучение (185 нм) находит применение в технологиях, направленных на решение различных научно-технических задач (АОТ процессы, обработка полимерных соединений и др.), представляют научный и практический интерес экспериментальные исследования генерации вакуумного ультрафиолетового излучения в плазме ртутного разряда низкого давления и влияния условий разряда на эффективность генерации (Шунков Ю.Е. Экспериментальное исследование источника вакуумного ультрафиолетового излучения на основе ртутного разряда низкого давления с высокой плотностью тока: дис. … канд. техн. наук. - М., 2015. - Режим доступа: https://mpei.ru/diss/Lists/FilesDissertations/93-Диссертация.pdf. Дата обращения: 09.04.2021).
В вышеприведенном исследовании тезис о малой изученности и «паразитности» 185-й линии не точен. В большинстве применений, 185-ю линию блокируют во избежание образования опасных концентраций озона.
В случае использования генерирующих озон ртутных ламп, излучающих длины волн 254 и 185 нм (это дополнительный канал обеззараживания воздушного потока), на выходе облучателя устанавливаются поглощающие озон фильтры (RU 188297, МПК A61L 9/20, опубл. 05.04.2019).
В известном решении, речь идет о полном поглощении озона фильтрами. Регулировки скорости наработки и концентрации озона не предусмотрено.
В настоящее время в различных технологиях широко используется способ обеззараживания различных сред (воды, воздуха и др.) с использованием ультрафиолетового излучения бактерицидного диапазона от 180 до 315 нм. В качестве источника излучения в установках для осуществления процесса обеззараживания используется ламповый модуль, состоящий из газоразрядной ультрафиолетовой лампы, заключенной в защитный чехол, изготовленный из материала, прозрачного для ультрафиолетового излучения. Материалом для ламповых чехлов служат в основном кварц либо увиолевое стекло, пропускающие ультрафиолетовое излучение (RU 2273914, МПК H01J 61/35, C02F 1/32, опубл. 10.04.2006).
Движение кварцевого чехла относительно лампы, в известном решении, не предусмотрено. Он служит исключительно в целях защиты лампы от воздействия внешней среды и для дополнительной механической прочности конструкции.
Известен способ обработки воды путем ее подачи в аппарат, содержащий бактерицидную лампу УФ-излучения и защитный кварцевый чехол, установленные коаксиально. При работе аппарата лампа генерирует ультрафиолетовое излучение с длиной волны преимущественно 254 нм, в воздушном пространстве между лампой и чехлом образуется озон, который перемешивается с водой и окисляет растворенные в ней органические примеси (SU 1669869, МПК C02F 1/32, C02F 103/04, опубл. 15.08.1991).
Недостатком известного способа является то, что образование озона никак не регулируется в процессе работы установки. Образованный озон направляется в воду. Движения чехла относительно лампы или какая-либо иная регулировка наработки озона не предусмотрена.
2
Известно устройство обеззараживания воздуха, в котором камера обеззараживания содержит хотя бы один источник ультрафиолетового излучения и внутренняя поверхность камеры обеззараживания покрыта диффузно отражающим слоем, а перед входом в камеру обеззараживания воздух проходит через фильтр, такого класса фильтрования и с такой поверхностью, чтобы быть достаточной для поглощения пыли с размером частиц 3-10 мкм, коэффициент отражения диффузно отражающего покрытия не менее 85% и отношением площади поверхности, не покрытой отражающим слоем (вход-выход воздуха и т.п.) к общей внутренней поверхности камеры не более 0,1. Предпочтительно, в качестве источника ультрафиолетового излучения используется амальгамная лампа специальной формы АНЦ 240 П2, мощность которой составляет 75 Вт в ультрафиолетовом излучении, в качестве диффузно отражающего слоя используется листовой фторопласт Ф4 с толщиной листа не менее 2 и не более 4 мм, и средняя интенсивность ультрафиолетового излучения в камере обеззараживания составляет 80 мВт/см (RU 144349, МПК A61L 9/00, опубл. 20.08.2014).
В известном устройстве применяется листовой фторопласт Ф4, однако в устройстве не предусмотрено образование озона для обработки среды и регулировка его концентрации.
Известно устройство для обеззараживания воды ультрафиолетом и озоном, которое включает корпус с крышками и патрубками для подвода исходной воды и отвода обработанной воды, бактерицидную лампу ультрафиолетового излучения с защитным кварцевым чехлом, эжектор, установленный на патрубке подвода воды, при этом полость кварцевого чехла соединена патрубком с источником воздуха и трубопроводом рециркуляции озоно-воздушной смеси с вакуумной полостью эжектора, и прочистное устройство кварцевого чехла щеточного типа, установленное с возможностью вращения вокруг кварцевого чехла. Устройство снабжено системой контроля ультрафиолетового излучения с фотоприемником, установленным в стенке корпуса, лопатками, выполненными в виде крыльчатки, установленными в корпусе напротив патрубка подвода исходной воды и соединенными с прочистным устройством, направителями течения, выполненными в виде выступов и расположенными по спирали на внутренней стенке корпуса. При этом прочистное устройство щеточного типа расположено коаксиально кварцевому чехлу по всей его длине, а трубопровод рециркуляции озоно-воздушной смеси снабжен вентилем для регулировки расхода (RU 2042637, МПК C02F 1/32, C02F 1/78, опубл. 27.08.1995).
Образование озона не регулируется в процессе работы известного устройства. Образованный озон направляется в воду. Движение чехла относительно лампы или какая-либо иная регулировка наработки озона не предусмотрено.
Известны способ и устройство для очистки воздуха от вредных и дурнопахнущих веществ, УФ-лампа и блок сорбционно-каталитической засыпки для их осуществления. Изготовление концов ламп из допированного кварца, не пропускающего излучения на длине волны 184,9 нм и использование стойкой к ультрафиолетовому излучению краски для их покрытия, или же из допированного кварца с коэффициентом пропускания на длине волны 253,7 нм менее 15% без покраски, обеспечивает защиту герметичных ламповых уплотнений от фотохимического разрушения и предотвращает выход ульрафиолетового излучения из вентиляционных решеток люков обслуживания. Герметичная конструкция ламповых уплотнений, отделяющих зону подключения электрических контактов от фотохимического реактора, позволяет отказаться от использования кварцевого чехла, что увеличивает выход УФ излучения, уменьшает его спад в процессе работы и уменьшает стоимость устройства (RU 2742273, МПК A61L 9/20, B01D 53/00, H01J 61/72, B01D 45/18, B01J 4/02, опубл. 04.02.2021).
К недостаткам изобретения можно отнести невозможность регулировки уровня наработки озона.
Известен способ обеззараживания оборотной воды плавательных бассейнов, когда дезинфекцию ведут путем пропускания потока воды через зону облучения, содержащую ртутные лампы низкого давления, преимущественно вырабатывающие УФ-излучение длиной волны 260±40 нм и помещенные в защитные кварцевые чехлы, при этом обеспечивают постоянную механическую очистку чехлов или их периодическую очистку при помощи химических реагентов (RU 2182127, МПК C02F 1/50, C02F 1/32, C02F 1/78, C02F 103/04, C02F 103/42, опубл. 10.05.2002).
В известном способе не предусмотрено образование озона для обработки среды и регулировка его концентрации.
Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство для обеззараживания воды, содержащее корпус с проточной камерой, бактерицидную лампу ультрафиолетового излучения, установленную в защитный герметический чехол из кварцевого стекла, и подводящие и отводящие трубки, снабжено дополнительными бактерицидными лампами ультрафиолетового излучения, установленными радиально в защитном чехле, размещенном в проточной камере, выполненной в виде стакана с центральной конической насадкой, конус которой направлен к месту забора воды, и расположенной коаксиально относительно бактерицидных ламп, при этом между наружной поверхностью защитного чехла и внутренней поверхностью корпуса имеется зазор, достаточный для протекания расчетного количества обрабатываемой воды. Кроме того, наружная поверхность насадки и внутренняя поверхность корпуса выполнены из материала с высокой отражательной способностью. Кроме того, защитный кварцевый чехол снабжен подводящей и отводящей воздух трубками, при этом подводящая воздух трубка соединена с источником охлаждающего воздуха. Кроме того, устройство снабжено трубопроводом с системой отверстий по его длине, установленным на торце корпуса в месте расположения отводящей из чехла воздух трубки и соединенным с ней (RU 2091319, C02F 1/32, опубл. 27.09.1997).
Образование озона не регулируется в процессе работы известного устройства. Образованный озон направляется в воду. Движение чехла относительно лампы или какая-либо иная регулировка наработки озона не предусмотрено.
Таким образом, в известных из уровня техники решениях не предоставляется возможность плавной или иной регулировки уровня наработки лампой низкого давления, окисляющего среду, озона. Конструктивно движение чехла также не предусматривается. Используются либо озон образующие лампы, которые излучают постоянные значения интенсивности на 185-й и 254-й линии, либо безозоновое исполнение только с 254-й линией. В описанных технических решениях имеется возможность либо полностью отказаться от озона, применив специальное стекло или выключив лампу, либо предлагается иметь некий нерегулируемый уровень его синтеза из атмосферы. В известных решениях наработка озона не рассматривается.
Технический результат, при использовании заявленного изобретения, заключается в снижении энергозатрат за счет применения одного источника с регулируемой интенсивностью наработки озона, излучающего на двух длинах волн (185 нм и 254 нм), а также возможности применения технологии регулируемой наработки озона в различных технологических процессах, что позволяет поддерживать концентрацию озона на безопасном, но эффективном уровне, при наличии бактерицидного и окислительного эффекта.
Предлагается способ получения дозированного излучения 185-й линии, чтобы с одной стороны использовать бактерицидный, разлагающий, ароматизирующий и другие эффекты озона и с другой стороны не допустить образования опасных концентраций, которые тоже могут отличаться в конкретной ситуации использования способа.
Сущность изобретения заключается в том, что на ультрафиолетовую лампу низкого давления, излучающую на длине волны 185 нм и 254 нм, вдоль корпуса надевают чехол из допированного кварца, отсекающего излучение 185 нм и пропускающего только 254 нм. Чехол выполнен в виде одинарной трубки с зазором между внутренней поверхностью чехла и лампы. Торцы чехла с лампой уплотняются заглушками из материала, не подверженному разрушению от жесткого ультрафиолетового излучения. При этом любым способом, за счет источника движения, чехол может перемещаться вдоль лампы, открывая и закрывая ее корпус. Причем если лампа полностью покрыта чехлом, то происходит полная отсечка озон образующей области спектра в 185 нм и источник ультрафиолетового излучения является полностью безозоновым. А если чехол сдвигается в сторону, тем самым открывая часть лампы, появляется возможность выхода излучения на 185 нм, которое воздействует на кислород, содержащийся в воздухе и растворенный кислород в жидкой среде, что приводит к образованию озона.
На фиг. 1 представлено положение чехла, при котором он полностью покрывает лампу, тем самым полностью отсекает озон образующую область спектра, на фиг. 2 - представлено положение чехла, при котором он частично покрывает лампу, тем самым открывается ее часть и появляется возможность выхода озон образующего излучения.
Способ осуществляют следующим образом. На ультрафиолетовую лампу низкого давления 1, излучающую на длине волны 185 нм и 254 нм, вдоль корпуса надевают чехол 2 из допированного кварца, отсекающего излучение 185 нм и пропускающего только 254 нм, в виде одинарной трубки с зазором между внутренней поверхностью чехла 2 и лампы 1. Торцы чехла 2 с лампой 1 уплотняются заглушками 3 из материала, не подверженному разрушению от жесткого ультрафиолетового излучения (например, материал на основе фторопластов и т.п.). За счет источника движения 4 (электрический, гидравлический, механический или иной тип привода), чехол 2 может перемещаться вдоль лампы 1, открывая и закрывая ее корпус. Причем если лампа 1 полностью покрыта чехлом 2, то происходит полная отсечка озон образующей области спектра в 185 нм и источник ультрафиолетового излучения является полностью безозоновым, а если чехол 2 сдвигается в сторону, тем самым открывая часть лампы 1, появляется возможность выхода излучения на 185 нм, которое воздействует на кислород, содержащийся в воздухе и растворенный кислород в жидкой среде, что приводит к образованию озона.
Таким образом, в зависимости от длины перекрытия получается разная интенсивность излучения в 185 нм и разная скорость наработки озона, так как применяется один источник ультрафиолета (вместо нескольких), излучающий на длине волны 185 нм и 254 нм, причем интенсивность излучения 185 нм (озон образующая длина волны) может плавно меняться в зависимости от необходимости. Таким образом, для обработки двумя длинами волн 185 нм и 254 нм необходим только один источник с регулируемой интенсивностью наработки озона. Заявленным способом можно достаточно точно дозировать наработку озона в обрабатываемой среде и контролировать процессы окисления, обеззараживания и др.
Заявленное решение может быть использовано в различных технологических процессах для ускорения химических реакций, обеззараживания питьевой, сточной воды, воды в бассейнах, для обеззараживания и озонирования воздуха, а также может использоваться в процессах, связанных с повышением окислительно-восстановительных свойств растворов в различных областях промышленности, для нейтрализации опасных отравляющих веществ в различных жидкостях и газах путем расщепления сложных молекул при фотохимическом катализе и преобразования их в более простые и безопасные.