從光化學(xué)原理到工藝設(shè)計(jì)的核心考量
 

　　在紫外高級(jí)氧化工藝(UV-AOPs)的工程化應(yīng)用中，其經(jīng)濟(jì)性與有效性的核心瓶頸，除了氧化劑及催化劑的投加量，往往在于光子利用效率這一根本性參數(shù)。從光化學(xué)第一、第二性原理來(lái)看，光子效率的理論計(jì)算效果比實(shí)際工程結(jié)果高很多，其巨大的差異在于光子的效率上。
 

　　深入探討光子從產(chǎn)生、傳輸、吸收到最終引發(fā)氧化反應(yīng)的全鏈條過(guò)程中的效率決定因素，并系統(tǒng)分析影響光子效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括光源光譜與反應(yīng)物吸收光譜的匹配度、反應(yīng)器內(nèi)光子場(chǎng)的空間分布與流體流場(chǎng)的耦合、廢水基質(zhì)對(duì)光子的競(jìng)爭(zhēng)性吸收與淬滅效應(yīng)等，有助于理解 UV-AOPs工藝，并針對(duì)性改進(jìn)設(shè)計(jì)，為紫外線高級(jí)氧化工程實(shí)踐提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。
 

　　一引言：為何要關(guān)注“光子效率”？
 

　　紫外高級(jí)氧化工藝(UV-AOPs)，如UV/H?O?、UV/Cl?、光芬頓、UV/O3/H?O?等，因其能產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的羥基自由基(·OH)等活性物質(zhì)，在飲用水深度處理、再生水高品質(zhì)回用、難降解工業(yè)廢水預(yù)處理等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，在工程實(shí)踐中，普遍存在一個(gè)誤區(qū)：將UV系統(tǒng)簡(jiǎn)單地視為一個(gè)能量輸入單元，僅關(guān)注總輸入電功率或粗略的“紫外劑量”，而忽略了能量傳遞與轉(zhuǎn)化的最核心載體——光子的命運(yùn)：一個(gè)光子激活一個(gè)分子。從能量守恒與轉(zhuǎn)化的角度看，UV-AOPs的本質(zhì)是將電能通過(guò)紫外燈轉(zhuǎn)化為光子能，再由光子能驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生化學(xué)能(·OH等)，最終用于降解污染物的化學(xué)能。在這一多級(jí)能量轉(zhuǎn)換鏈條中，每一個(gè)環(huán)節(jié)都存在顯著的效率損失。其中，“光子利用效率” 是連接物理輸入與化學(xué)產(chǎn)出的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它直接決定了產(chǎn)生單位數(shù)量·OH自由基所需的電能成本，亦即整個(gè)工藝的運(yùn)行成本基石。因此，將設(shè)計(jì)理念從“功率導(dǎo)向”轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;光子效率導(dǎo)向”，是提升UV-AOPs工藝經(jīng)濟(jì)性與競(jìng)爭(zhēng)力的必然要求。
 

　　二光子效率的定義與內(nèi)涵：從宏觀到微觀的度量
 

光子效率并非一個(gè)單一的指標(biāo)，而是包含多個(gè)層級(jí)的效率體系。
 

　　01
 

　　光源的光子產(chǎn)生效率
 

　　這是第一層效率，指輸入電能轉(zhuǎn)化為特定波長(zhǎng)紫外光子的效率。常用電光轉(zhuǎn)換效率衡量，即輸出紫外光功率與輸入電功率的比值WPE，低壓紫外燈(LPUV)在254nm處的WPE可達(dá)30-40%，而中壓紫外燈(MPUV)由于光譜范圍寬、熱損失大，WPE通常僅為10-20%。新興的UV-LED技術(shù)，其WPE正在快速提升，但在UVC波段，仍是當(dāng)前未克服的主要挑戰(zhàn)。
 

　　02
 

　　光子的傳輸與捕獲效率
 

　　光子從燈管表面發(fā)出后，在抵達(dá)目標(biāo)反應(yīng)物分子之前，會(huì)經(jīng)歷一系列損耗：
 

　　石英套管透射損失：高純度合成石英的透光率 UV254nm 通常>90%，但污垢會(huì)使其急劇下降。
 

　　水體背景吸光損失：廢水中的溶解性有機(jī)物(DOM)、懸浮物(SS)、色度等會(huì)競(jìng)爭(zhēng)性吸收或散射光子，有效光子通量隨傳播距離呈指數(shù)衰減(遵循比爾-朗伯定律)。
 

　　反應(yīng)器壁面反射/吸收損失：反應(yīng)器內(nèi)壁的材料和設(shè)計(jì)影響光場(chǎng)的分布。
 

　　03
 

　　光子的量子產(chǎn)率
 

　　這是最核心的微觀效率指標(biāo)，定義為發(fā)生特定光化學(xué)反應(yīng)的分子數(shù)與體系吸收的光子數(shù)之比。例如，對(duì)于UV/H?O?工藝，生成·OH的量子產(chǎn)率Φ·OH決定了每個(gè)被H?O?吸收的光子能產(chǎn)生多少個(gè)·OH自由基。Φ值由光化學(xué)反應(yīng)的固有路徑?jīng)Q定，理論最大值通常為1(一個(gè)光子引發(fā)一個(gè)初級(jí)反應(yīng))。在實(shí)際廢水體系中，由于副反應(yīng)和能量淬滅，表觀量子產(chǎn)率往往低于理想值。
 

　　三影響光子效率的關(guān)鍵因素與優(yōu)化策略
 

　　山東冠縣自來(lái)水廠----雙氧水+中壓紫外線高級(jí)氧化技術(shù)，該項(xiàng)目的成功運(yùn)行為我國(guó)《城鎮(zhèn)給水紫外線高級(jí)氧化系統(tǒng)T/CAMIE01-2021》提供了實(shí)際案例支撐。
 

　　01
 

　　光譜匹配
 

　　讓“好鋼用在刀刃上”，光化學(xué)第一定律(Grotthuss-Draper定律)指出：只有被吸收的光子才能引發(fā)光化學(xué)反應(yīng)。因此，光源的發(fā)射光譜與目標(biāo)反應(yīng)物的吸收光譜的精準(zhǔn)重疊，是高效利用光子的首要前提。比如 H?O?在200-300nm有較寬的吸收帶，尤其對(duì)短波長(zhǎng)(如200-280nm)光子吸收更強(qiáng)。因此，在水質(zhì)透過(guò)率較差(UVT-254nm<20%)，選擇發(fā)射寬譜且富含短波紫外線的中壓紫外燈(MPUV) 通常比主要發(fā)射254nm單譜線的低壓紫外燈(LPUV)對(duì)H?O?的光解效率更高。 硝酸鹽(NO??)的最大吸收峰在200nm附近。因此，能發(fā)射185nm真空紫外線(VUV)的特殊低壓燈，對(duì)硝酸鹽的直接光解具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
 

　　02
 

　　優(yōu)化策略
 

　　在工藝選擇階段，應(yīng)測(cè)定目標(biāo)污染物及預(yù)設(shè)氧化劑在不同波長(zhǎng)下的吸收光譜，作為選擇光源類型(LPUV, MPUV, VUV 燈)的首要依據(jù)。
 

　　應(yīng)構(gòu)建均勻高效的“光-液”光化學(xué)反應(yīng)器，這是光子與目標(biāo)分子發(fā)生反應(yīng)的場(chǎng)所，其幾何設(shè)計(jì)直接決定了光子場(chǎng)的空間分布(輻照度場(chǎng))，而流體動(dòng)力學(xué)特性(流場(chǎng))則決定了光化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的概率，二者的耦合是提高光子效率的關(guān)鍵。
 

　　03
 

　　光程設(shè)計(jì)
 

　　根據(jù)廢水紫外透光率(UVT)優(yōu)化反應(yīng)器厚度(光程)。對(duì)于UVT(如>70%)廢水，可采用較長(zhǎng)光程以保證光子被充分吸收；對(duì)于低UVT(如<20%)廢水，必須采用短光程設(shè)計(jì)，以避免“中心暗區(qū)”現(xiàn)象，確保流體大部分區(qū)域能接收到有效光子。
 

　　04
 

　　流場(chǎng)優(yōu)化
 

　　為了實(shí)現(xiàn)強(qiáng)烈的湍流混合，使所有流體微元都能頻繁地暴露于高光強(qiáng)區(qū)(燈管附近)。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬是優(yōu)化流場(chǎng)、消除水力死區(qū)的強(qiáng)大工具。理想狀態(tài)是接近平推流(PFR)與全混流(CSTR)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，即整體呈平推流以避免返混，局部通過(guò)湍流實(shí)現(xiàn)充分混合。
 

　　05
 

　　光子通量密度
 

　　高強(qiáng)度的局部光子通量有助于克服污染物分子向·OH生成點(diǎn)的傳質(zhì)限制，提升表觀反應(yīng)速率。MPUV的高輻照度在此方面更具優(yōu)勢(shì)。