從光化學原理到工藝設計的核心考量
 

　　在紫外高級氧化工藝(UV-AOPs)的工程化應用中，其經(jīng)濟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)。從光化學第一、第二性原理來看，光子效率的理論計算效果比實際工程結果高很多，其巨大的差異在于光子的效率上。
 

　　深入探討光子從產生、傳輸、吸收到最終引發(fā)氧化反應的全鏈條過程中的效率決定因素，并系統(tǒng)分析影響光子效率的關鍵環(huán)節(jié)，包括光源光譜與反應物吸收光譜的匹配度、反應器內光子場的空間分布與流體流場的耦合、廢水基質對光子的競爭性吸收與淬滅效應等，有助于理解 UV-AOPs工藝，并針對性改進設計，為紫外線高級氧化工程實踐提供理論依據(jù)和實踐指導。
 

　　一引言：為何要關注“光子效率”？
 

　　紫外高級氧化工藝(UV-AOPs)，如UV/H?O?、UV/Cl?、光芬頓、UV/O3/H?O?等，因其能產生強氧化性的羥基自由基(·OH)等活性物質，在飲用水深度處理、再生水高品質回用、難降解工業(yè)廢水預處理等領域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，在工程實踐中，普遍存在一個誤區(qū)：將UV系統(tǒng)簡單地視為一個能量輸入單元，僅關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化的最核心載體——光子的命運：一個光子激活一個分子。從能量守恒與轉化的角度看，UV-AOPs的本質是將電能通過紫外燈轉化為光子能，再由光子能驅動產生化學能(·OH等)，最終用于降解污染物的化學能。在這一多級能量轉換鏈條中，每一個環(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產出的最關鍵環(huán)節(jié)，它直接決定了產生單位數(shù)量·OH自由基所需的電能成本，亦即整個工藝的運行成本基石。因此，將設計理念從“功率導向”轉變?yōu)?ldquo;光子效率導向”，是提升UV-AOPs工藝經(jīng)濟性與競爭力的必然要求。
 

　　二光子效率的定義與內涵：從宏觀到微觀的度量
 

光子效率并非一個單一的指標，而是包含多個層級的效率體系。
 

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　　光源的光子產生效率
 

　　這是第一層效率，指輸入電能轉化為特定波長紫外光子的效率。常用電光轉換效率衡量，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，其WPE正在快速提升，但在UVC波段，仍是當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，在抵達目標反應物分子之前，會經(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%，但污垢會使其急劇下降。
 

　　水體背景吸光損失：廢水中的溶解性有機物(DOM)、懸浮物(SS)、色度等會競爭性吸收或散射光子，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)。
 

　　反應器壁面反射/吸收損失：反應器內壁的材料和設計影響光場的分布。
 

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　　光子的量子產率
 

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

　　三影響光子效率的關鍵因素與優(yōu)化策略
 

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

　　01
 

　　光譜匹配
 

　　讓“好鋼用在刀刃上”，光化學第一定律(Grotthuss-Draper定律)指出：只有被吸收的光子才能引發(fā)光化學反應。因此，光源的發(fā)射光譜與目標反應物的吸收光譜的精準重疊，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，尤其對短波長(如200-280nm)光子吸收更強。因此，在水質透過率較差(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，對硝酸鹽的直接光解具有獨特優(yōu)勢。
 

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　　優(yōu)化策略
 

　　在工藝選擇階段，應測定目標污染物及預設氧化劑在不同波長下的吸收光譜，作為選擇光源類型(LPUV, MPUV, VUV 燈)的首要依據(jù)。
 

　　應構建均勻高效的“光-液”光化學反應器，這是光子與目標分子發(fā)生反應的場所，其幾何設計直接決定了光子場的空間分布(輻照度場)，而流體動力學特性(流場)則決定了光化學反應發(fā)生的概率，二者的耦合是提高光子效率的關鍵。
 

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　　光程設計
 

　　根據(jù)廢水紫外透光率(UVT)優(yōu)化反應器厚度(光程)。對于UVT(如>70%)廢水，可采用較長光程以保證光子被充分吸收；對于低UVT(如<20%)廢水，必須采用短光程設計，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。
 

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　　流場優(yōu)化
 

　　為了實現(xiàn)強烈的湍流混合，使所有流體微元都能頻繁地暴露于高光強區(qū)(燈管附近)。計算流體動力學(CFD)模擬是優(yōu)化流場、消除水力死區(qū)的強大工具。理想狀態(tài)是接近平推流(PFR)與全混流(CSTR)的優(yōu)點結合，即整體呈平推流以避免返混，局部通過湍流實現(xiàn)充分混合。
 

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　　光子通量密度
 

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