專利名稱：190nm、207nm準(zhǔn)分子微波無極放電燈及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬光化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高功率新型微波準(zhǔn)分子光源發(fā)生系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
采用紫外光降解有害污染物質(zhì)很早就被應(yīng)用到環(huán)保領(lǐng)域，也是近年來研究的熱點，常見的技術(shù)如185nm紫外光直接降解惡臭氣體[1]，253.7nm紫外光殺菌消毒，O3/UV和H2O2/UV聯(lián)合水體凈化，TiO2/UV光催化降解有機污染物等。
相對于傳統(tǒng)的化學(xué)、物理及生物方法而言，紫外光降解污染物具有以下突出優(yōu)勢①去除效率高；②體積??；③運行費用低；④操作簡單，安裝維修方便；⑤制造成本低，然而現(xiàn)有的紫外光應(yīng)用有其天然的不足之處。目前常用的185nm/253.7nm/313nm/365nm四種波長的紫外光主要通過紫外燈管兩端電極之間的電場激發(fā)汞蒸汽放電產(chǎn)生，其不足之處體現(xiàn)在兩方面一方面，這些紫外燈壽命不長，連續(xù)運行一般不會超過1000h，報廢燈管若不妥善處理，勢必會有汞的污染問題產(chǎn)生；另一方面，通過激發(fā)汞原子產(chǎn)生的這四種波長的紫外光實際應(yīng)用存在很多局限性，對于185nm紫外光來說，由于燈管所用石英材料對波長小于190nm紫外光有較強的吸收，因而常見的低壓汞燈發(fā)射譜線中能有效去除污染物的185nm紫外光含量都低于5％，一般不會超過10％，直接的后果就是能量利用率低，同時由于水對185nm紫外光有極強的吸收，在水中其光程小于1mm，因此該185nm紫外光一般只能在氣體污染物降解中應(yīng)用。而對于另外三種或更長波長紫外光，由于它們的光子能量低，且發(fā)射譜線單一，只有少部分污染物能夠吸收并發(fā)生斷鍵，絕大多數(shù)還是被用來殺菌消毒以及應(yīng)用在光催化領(lǐng)域，或者作為污染物處理工藝中的輔助技術(shù)，其波長的局限性限制著它們在光化、光生領(lǐng)域的拓寬應(yīng)用。鑒于光技術(shù)用于降解污染物的眾多優(yōu)點，十分有必要開發(fā)一種新型的環(huán)保實用的紫外光發(fā)生技術(shù)。
本發(fā)明所提出的微波無極(紫外燈管中沒有電極)放電激發(fā)KrI*或KrBr*準(zhǔn)分子氣體產(chǎn)生190nm或207nm紫外光技術(shù)可以很好的解決這些矛盾。關(guān)于微波無極放電以及準(zhǔn)分子光源都曾分別在不同的領(lǐng)域被提出和加以實施，前者主要是解決現(xiàn)有采用電極放電紫外燈壽命短及譜線單一的問題[2]，而后者是基于其無輻射自吸收的優(yōu)點而首先被用在激光發(fā)生系統(tǒng)中。近年來也有一些采用微波無極放電激發(fā)汞原子產(chǎn)生185nm或波長更長的紫外光(如253.7nm和365nm)來直接或者光催化降解染料廢水的嘗試[3，4，5]，但都未從根本上解決上述汞燈光源存在的紫外光波長的局限性問題，同時不可避免能量利用率低的缺陷。我們將微波無極放電和準(zhǔn)分子光源兩者有機結(jié)合并開發(fā)出一種新型的微波準(zhǔn)分子紫外光源，并將其應(yīng)用于污染物的直接光降解，這在國內(nèi)外未見報導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種能量利用率高、使用壽命長的準(zhǔn)分子微波無極放電燈及其應(yīng)用。
本發(fā)明提出的準(zhǔn)分子微波無極放電燈，是一種波長為190nm或207nm準(zhǔn)分子微波無極紫外燈，具體示意圖見圖1所示。它由微波發(fā)生源1、諧振腔2、電纜3和填充有Kr-I2或Kr-Br2混合氣體的無極石英燈管組成；其中，微波發(fā)生源1機箱的控制面板上設(shè)有自動或手動調(diào)節(jié)鈕，用于調(diào)節(jié)微波輸出功率的大小。微波源的功率范圍在0-1000W內(nèi)連續(xù)可調(diào)；從微波發(fā)生源1發(fā)出的2.45GHz微波由電纜3傳輸至諧振腔2中；無極石英燈管4的一端插入諧振腔2中，燈內(nèi)發(fā)光物質(zhì)吸收微波能量產(chǎn)生放電發(fā)出紫外光。雖然只有燈管的下部處于諧振腔中，整根燈管仍能順利地全部點亮，發(fā)光均勻穩(wěn)定。
Kr-I2或Kr-Br2混合氣體填充比例和氣壓不會影響輻射紫外光的波長值，但通過控制一定比例的氣體混合比及混合氣體總壓強，合理選擇微波功率，可改變最終產(chǎn)生190nm或207nm紫外光的輸出強度。KrI*和KrBr*準(zhǔn)分子光源的最佳參數(shù)范圍基本相同，如表1所示。
表1KrI*和KrBr*準(zhǔn)分子光源的最佳參數(shù)范圍

本發(fā)明的工作原理如下以207nm KrBr*準(zhǔn)分子光源為例說明。微波無極放電產(chǎn)生KrBr*準(zhǔn)分子207nm紫外光輻射的過程具體如下(1)Kr和Br2的激發(fā)首先，在微波電磁場的作用下，Kr和Br2被激發(fā)。
(2)KrBr*準(zhǔn)分子的形成激發(fā)態(tài)的Kr*和Br2*離子經(jīng)過碰撞形成KrBr*準(zhǔn)分子，也可以通過Harpooning反應(yīng)形成KrBr*準(zhǔn)分子，如下面方程所示，這是通過激發(fā)態(tài)的Kr*把它的能量傳遞給Br2分子而形成的激發(fā)態(tài)的KrBr*準(zhǔn)分子。
(3)輻射過程這樣形成的KrBr*準(zhǔn)分子很不穩(wěn)定，通常在幾個納秒之內(nèi)就會分解，同時以紫外光子的形式釋放激發(fā)能。
(207nm)(4)猝滅過程在輻射過程中還伴隨著猝滅過程，在氣壓較低時，主要是Br2粒子導(dǎo)致的準(zhǔn)分子的猝滅。
而在氣壓較高時，Kr原子引發(fā)三體碰撞反應(yīng)使得準(zhǔn)分子猝滅形成三原子粒子。
(5)KrBr*準(zhǔn)分子光源的紫外光譜用真空紫外單色儀測量KrBr*準(zhǔn)分子光源的紫外發(fā)射，得到的光譜輪廓如圖2所示。由圖2得到KrBr*準(zhǔn)分子的峰值波長主要在207nm處，另外在222nm、228nm處也有微弱的輻射。207nm處的輻射是由B1/2→X1/2躍遷產(chǎn)生的，其全值半寬度與氣壓有關(guān)，在1～20nm左右。
190nm KrI*準(zhǔn)分子光源的工作原理與207nm KrBr*準(zhǔn)分子光源類似。
新光源的優(yōu)點和應(yīng)用與現(xiàn)有的汞燈光源相比，KrI*或KrBr*準(zhǔn)分子氣體產(chǎn)生190nm或207nm紫外光技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域有更廣闊的應(yīng)用空間。選擇這兩種波長準(zhǔn)分子光源，具有以下優(yōu)點(1)解決185nm紫外光遇到的對石英管透過率低以及在水中輻照光程短的問題，該光源在廢水和廢氣處理處置中都可以應(yīng)用，而且能量利用率高，最高可達50％。
(2)光源不含汞，無污染，且采用無極放電，使其壽命明顯延長，一般連續(xù)運行2～5年不會損壞，是非常綠色經(jīng)濟的紫外光源。
(3)由于準(zhǔn)分子光輻射沒有自吸收，通?？僧a(chǎn)生發(fā)射波段為1～20nm寬的紫外光譜，可被大部分污染物吸收，而且光子能量也較高，190nm和207nm的紫外光的光子能量分別為6.54eV和6.0eV，可使大部分化學(xué)鍵斷裂，在氧氣參與下可達到徹底氧化降解污染物的目的。因此，可直接降解高濃度顏料廢水等，同時能去除H2S、CS2、苯乙烯等惡臭物質(zhì)。
以上優(yōu)點使該光源能夠廣泛應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域。它能適用于各種難降解有機污染物的去除，包括在高濃度和深度降解，水體污染凈化和廢氣處理，尤其近年來備受關(guān)注的惡臭污染物的治理。


圖1為準(zhǔn)分子微波無極放電燈的結(jié)構(gòu)圖示。
圖2為KrBr*準(zhǔn)分子微波無極放電燈的輻射光譜。
圖中標(biāo)號1為微小發(fā)生源，2為諧振腔，3為電纜，4為無極石英燈管。
具體實施例方式
下面通過實施例進一步描述本發(fā)明。本發(fā)明各組成部分包括①微波發(fā)生電源，微波頻率為2.45GHz，微波功率在0～1000W范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，微波電源機箱尺寸為18cm×25cm×40cm，②諧振腔，為圓柱形，外徑12cm，高為6cm；③電纜，外徑10mm，長度視具體情況定；④無極石英燈管，填充有Kr-I2(或Kr-Br2)混合氣體，燈管為圓管形，外徑10mm～20mm，長度視具體情況而定。燈管也可做成平板形。
實施例1207nm KrBr*準(zhǔn)分子微波無極紫外燈(Kr-Br2混合氣體總壓強為10torr，Kr∶Br2氣壓比為50∶1，燈管外徑20mm，長度30cm)直接光降解高濃度染料廢水，選擇難降解三苯基甲烷類染料羅丹明B為處理對象，處理濃度為20mg/L，處理量為400ml。所用微波功率為600W，經(jīng)過10min光照后測得脫色率＞99％，CODCr去除率達90％。
實施例2190nm KrI*準(zhǔn)分子微波無極紫外燈(Kr-I2混合氣體總壓強為2.5torr，Kr∶I2氣壓比為50∶1，燈管外徑10mm，長度30cm)直接光降解二硫化碳惡臭氣體，所用微波功率為400W。二硫化碳氣體采用流動態(tài)進樣，氣體在光輻照區(qū)停留時間為1s，二硫化碳進氣濃度為20mg/m3。測試結(jié)果表明，該處理裝置可有效去除二硫化碳惡臭污染，去除率高達90％。
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權(quán)利要求
1.一種190、207nm的準(zhǔn)分子微波無極放電燈，其特征在于是一種波長為190nm或207nm的微波紫外光燈，由微波發(fā)生源(1)、諧振腔(2)、電纜(3)和填充有Kr-I2或Kr-Br2混合氣體的無極石英燈管(4)組成；其中，微波發(fā)生源(1)機箱的控制面板上設(shè)有自動或手動調(diào)節(jié)鈕，用于調(diào)節(jié)微波輸出功率的大小，微波輸出功率范圍為0-1000W；從微波發(fā)生源(1)發(fā)出的2.45GHz微波由電纜(3)傳輸至諧振腔(2)中；無極石英燈管(4)一端插入諧振腔(2)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放電燈，其特征在于所說的無極石英燈管為圓管形或者平板形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放電燈，其特征在于Kr-I2或Kr-Br2混合氣體總壓強為2-10porr，Kr∶I2或Kr∶Br的氣壓比為20∶1-50∶1。
4.一種如權(quán)利要求1-3之一所述放電燈在降解有機污染物中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明屬光化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種190nm、207nm準(zhǔn)分子微波無極放電燈及其應(yīng)用，該放電燈由微波發(fā)生源、電纜、諧振腔和無極石英燈管組成。在石英管中分別填充Kr－I
文檔編號H01J65/04GK1713338SQ20051002796
公開日2005年12月28日 申請日期2005年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月21日
發(fā)明者侯惠奇, 房豪杰, 閻棟志, 顧丁紅 申請人:復(fù)旦大學(xué)