СПОСОБ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ЖИДКОСТИ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2010 года по МПК C02F1/32 A61L2/10 

Область техники, к которой относятся изобретения

Настоящее изобретение относится к способам бактерицидного ультрафиолетового (УФ) облучения для обеззараживания воды или иной жидкости, инфицированных патогенной микробной флорой, в заданном объеме (расходе) и соответствующему устройству для реализации заявляемого способа.

Уровень техники

Обеззараживание воды УФ-излучением относится к безреагентным способам обеззараживания и предусматривает использование источников УФ-излучения, преимущественно ртутных газоразрядных ламп низкого или высокого давления, питаемых от электрической сети через соответствующие пускорегулирующие аппараты, или на базе безэлектродных СВЧ-газоразрядных ламп, питаемых непосредственно СВЧ-энергией.

Известно применение в качестве источников УФ-излучения светоизлучающих полупроводниковых диодов УФ-диапазона спектра (УФСИД).

Обеззараживаемое действие УФ-излучения основано на необратимых повреждениях молекул ДНК и РНК микроорганизмов, вызванных разрывами или изменениями химических связей органических молекул, которые, в свою очередь, обусловлены фотохимическими реакциями, стимулированными поглощенной лучистой энергией.

Степень инактивации микроорганизмов пропорциональна интенсивности и длительности УФ-облучения, или дозе облучения.

Известно, что с экономической точки зрения оптимальным является применение УФ-обработки жидких сред, имеющих более высокий коэффициент пропускания и стабильные показатели качества, поэтому для наиболее полного и успешного обеззараживания жидких сред важно обеспечить равномерное распределение необходимой дозы облучения по всему объему обеззараживаемой среды.

Известен способ, где в зависимости от необходимой бактерицидной мощности определяют количество источников УФ-излучения и размещают их равномерно в пространстве или объеме обеззараживаемой среды, при этом энергию подают к источнику УФ-излучения от внешнего источника электрической энергии, а размещают источники УФ-излучения таким образом, чтобы изолировать их от контакта с обрабатываемой средой, например в контактной камере (ист.«Водоснабжение Санкт-Петербурга», под. Ред. Ф.В.Кармазинова, СПб, изд. «Новый журнал», 2003 г.).

Значительное поглощение водой УФ-излучения приводит к неоднородной освещенности при внешнем облучении УФ-источниками и, как следствие, разной локальной эффективности обеззараживания в объеме воды. Поэтому известный способ эффективен только в тонком водном слое. Это требует специальной организации формы водного потока или применения источников УФ-излучения с избыточной потребляемой мощностью. Указанные факторы ведут к усложнению, удорожанию и снижению эффективности обеззараживающего воздействия УФ-излучения. Что приводит к повышению требуемой бактерицидной мощности и, как следствие, увеличению количества источников УФ-излучения, а следовательно, общей потребляемой мощности.

Указанный способ реализуется в большинстве установок с погружными и непогружными источниками излучения, а также в комбинированных установках.

Наиболее простые и маломощные установки напорного (с погружными источниками УФ-излучения) типа состоят из корпуса, в котором размещены УФ-лампы, заключенные в защитный кварцевый чехол. Установки с погружными источниками УФ-излучения обеспечивают более высокую эффективность использования бактерицидного излучения, однако конструктивно более сложны, к тому же при их эксплуатации нельзя допускать загрязнения защитного кварцевого чехла.

Установки лоткового типа (с непогружными источниками УФ-излучения) более просты по конструкции и в эксплуатации, но имеют более низкую эффективность использования бактерицидной мощности, а их глубина ограничивается толщиной слоя воды, прозрачного для УФ-излучения. Комбинированные установки сочетают достоинства установок с погружными и непогружными источниками излучения.

В качестве источников УФ-излучения в описанных устройствах используются лампы низкого давления, имеющие потребляемую мощность 2-200 Вт и рабочую температуру 40-150°С, а лампы высокого давления - мощность в пределах 50-10000 Вт при рабочей температуре 600-800°С. Бактерицидная мощность ламп низкого давления не превышает 30%, а ламп высокого давления - 10% потребляемой мощности. К концу срока службы ламп (обычно 5-15 тыс. ч) их бактерицидная мощность уменьшается.

Известно устройство, реализующее указанный выше способ УФ-облучения, из патента США №5451791 от 19.09.1995 г., где предложена установка для дезинфицирования воды. Установка снабжена камерой, в которой размещен источник УФ-излучения - традиционная трубчатая ртутная УФ-лампа, питаемая через ПРА от сети переменного тока. В той же камере под ртутной лампой расположены УФ-прозрачные трубы, по которым протекает подлежащая обеззараживанию вода.

Недостатками являются сложность конструкции, потери на рассеивание и поглощение УФ-излучения в трубках, необходимость проведения профилактических работ по промывке трубок от загрязнений, поглощающих УФ-излучение.

Известны запатентованные устройства для ультрафиолетового обеззараживания воды, в которых применяются УФСИД, например патент США 6,579,495, от 17 июня 2003 г. Устройство представляет собой ручное, переносное устройство для обеззараживания воды с УФСИД, которые питаются от подзаряжаемой аккумуляторной батареи, встроенной в устройство.

В этом устройстве для обеззараживания воды, налитой в сосуд, следует перемещать устройство вручную, перемешивая воду, для обеспечения доступа УФ-излучения ко всему объему воды.

В патенте США 7,270,748, от 18 сентября 2007 г., описано интегрированное в сантехнический смеситель устройство для УФ обеззараживания проточной воды. Изобретение представляет собой встроенное в излив сантехнического кухонного или ванного смесителя устройство для обеззараживания воды с УФСИД. УФСИД залиты в компаунд и изолированы от потока воды с помощью прозрачного канала.

В этом устройстве вода самотеком проходит внутри пространства, окруженного большим количеством УФСИД, что должно обеспечивать доступ УФ-излучения ко всему объему протекающей воды.

Однако описанный выше способ и устройства для его реализации обладают общими недостатками:

- источники УФ-излучения находятся в непосредственной близости от обеззараживаемой среды или даже в контакте с ней, для их изоляции от обрабатываемого объема среды необходимо наличие защитной, прозрачной для УФ-излучения перегородки или стенки;

- проводники для электропитания источников УФ-излучения также нуждаются в хорошей изоляции, т.к. среда, например вода, сама может является хорошим проводником электрического тока, в случае ее проникновения к неизолированным частям электрических цепей возможно нарушение работы источников, короткое замыкание источника питания;

- каждое из описанных устройств не может быть использовано одновременно для обеззараживания неподвижного и подвижного объемов среды;

- для увеличения рабочего объема, подвергаемого обеззараживанию, требуется увеличивать количество источников УФ-излучения, что ведет к усложнению и удорожанию устройств на их основе;

- по мере удаления от источника УФ-излучения интенсивность излучения и эффективность обеззараживания падает, поэтому для получения минимально необходимой интенсивности в любой точке обрабатываемого объема необходимо, чтобы вблизи источника УФ-излучения она была избыточной.

Таким образом, описанный способ и устройства не обеспечивают равномерное поле излучения в обеззараживаемом пространстве, требуют избыточных энергоресурсов, тщательной изоляции от среды, сложны конструктивно, неудобны в эксплуатации.

Сущность изобретений

Для обеззараживания больших объемов среды существенным фактором является снижение расхода энергоресурсов (потребляемой мощности). Одной из мер является снижение потерь на рассевание мощностей УФ-излучения, а также использование источников УФ-излучения с более высокой производительностью.

В некоторых случаях имеется потребность гарантировать электробезопасность, например в бытовых УФ-обеззараживателях питьевой воды, или провести обеззараживание труднодоступных объемов среды.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности обеззараживания путем снижения бактерицидной мощности, подаваемой в обеззараживаемую среду, при сохранении требуемой дозы облучения, расширение возможностей применения метода обеззараживания УФ-излучением, а также создание устройства, реализующего заявляемый способ.

Техническим результатом является снижение требуемой потребляемой мощности УФ-источников излучения, расширение возможностей обеззараживания УФ-излучением.

Для решения этой задачи и получения указанного технического результата в первом объекте настоящего изобретения предложен способ обеззараживания воды или иной жидкости ультрафиолетовым излучением, заключающийся в облучении неподвижного или движущегося обеззараживаемых объемов жидкости излучением светоизлучающих полупроводниковых диодов ультрафиолетового диапазона, отличающийся тем, что излучение вводится в обеззараживаемый объем с помощью гибкого кварцевого оптического волновода, при этом оптический волновод изгибают или многократно изгибают радиусом r≤R_d,

где R_d - радиус изгиба, при котором создаются условия нарушения полного внутреннего отражения для рабочей моды в случае одномодового волокна или для мод, несущих основную долю излучения в случае многомодового волокна,

или излучение источника вводят в оптический волновод с открытой поверхностью волновода.

В качестве обеззараживаемого объема может быть выбран объем воды, ограниченный объемом сосуда его содержащего или ограниченный обеззараживаемым участком трубопровода.

В целях равномерного распределения УФ-излучения оптическому волноводу придают устойчивую конфигурацию с учетом геометрии обрабатываемого объема, такая конфигурация может быть сформирована с использованием материалов с памятью формы.

Или волноводы могут закрепляться определенным образом на поверхности трубопровода, выполняться в форме различных спиралей и т.п. геометрических фигур. Например, по длине трубопроводов могут использоваться волноводы, закрученные в спирали.

В связи с тем, что по мере удаления от источника излучения по длине волновода излучение будет расходоваться (уменьшаться), для обеспечения равномерности излучения по всей длине оптического волновода или увеличения интенсивности источники ультрафиолетового излучения возможно располагать с противоположных торцов оптического волновода.

Для создания эффекта нарушенного полного внутреннего отражения на поверхность оптического волновода можно нанести вещество, например MgF₂, которое создает на поверхности пленку, прозрачную в рабочей области спектра, показатель преломления которой меньше показателя преломления материала оптического волновода, но больше показателя преломления воды.

Вариантом создания защиты от образования осадочной пленки является обработка поверхности оптического волновода прозрачным в рабочей области спектра излучения гидрофобизирующим веществом.

Для реализации способа предложено устройство, включающее по крайней мере один светоизлучающий полупроводниковый диод ультрафиолетового диапазона и по крайней мере один гибкий кварцевый оптический волновод, при этом оптический волновод имеет участок с открытой поверхностью волновода, или оптический волновод многократно изогнут радиусом:

r≤R_d,

где R_d - радиус изгиба, при котором создаются условия нарушения полного внутреннего отражения для рабочей моды (в случае одномодового волокна) или для мод, несущих основную долю излучения (в случае многомодового волокна).

В целях равномерного распределения УФ-излучения, придания свойств сопротивления потоку воды оптический волновод имеет устойчивую конфигурацию с учетом геометрии обрабатываемого объема.

Вариантом является расположение светоизлучающих полупроводниковых диодов ультрафиолетового диапазона излучения с противоположных торцов оптического волновода.

Нижеследующее подробное описание поясняется сопровождающими чертежами:

Фиг.1 изображает вариант устройства для реализации способа обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением с использованием одного волновода.

Фиг.2 изображает вариант устройства для реализации способа обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением с использованием пары волноводов.

Фиг.3 изображает форму расположения волноводов по разрезу А-А по варианту устройства с использованием одного волновода.

Фиг.4 изображает форму расположения волноводов по разрезу А-А по варианту устройства с использованием пары волноводов.

Фиг.5 изображает третий вариант устройства для реализации способа обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением с использованием волноводов.

Фиг.6 изображает форму расположения волноводов по разрезу А-А по третьему варианту устройства.

Фиг.7 изображает узел сопряжения световодов и светоизлучающих диодов УФ-диапазона.

Реализация изобретения

На Фиг.1 представлен вариант устройства для реализации способа обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением с использованием одного волновода. Данный вариант удобен для использования в бытовых смесителях, т.е. когда необходимо обеззараживать относительно небольшие расходы (объемы) воды. Такие устройства эффективны для обеззараживания потока воды в трубах малого диаметра.

Устройство работает следующим образом: для обеззараживания потока воды в трубе малого диаметра - бытовом смесителе (не показана), через отверстие излива бытового смесителя вводится гибкий волновод 1, а фланец 4 с закрепленными в нем противоположными концами волновода 1 и светодиодами 3 устанавливается на кране в области изливного отверстия. Поток воды проходит через спираль волновода, подвергаясь УФ-облучению, и выходит через изливное отверстие. Питание на светодиоды подается через кабель 5.

На Фиг.2 представлен вариант устройства для осуществления способа создания поля ультрафиолетового излучения, распределенного в обеззараживаемом объеме среды, с использованием пары волноводов (1 и 2), при такой компоновке может быть применено два, три, четыре и более волноводов и соответственно требуемое количество источников УФ-излучения (при расположении источников радиально), в зависимости от требуемой бактерицидной мощности, которую можно определить по формуле:

где D_PA - доза УФ-излучения, равная 165 Дж/м² и необходимая для инактивации наиболее стойкой бактерии Pseudom. Aeruginosa; d - диаметр трубопровода, м; F - расход среды (жидкости или газа) через трубопровод, м³/сек, η - коэффициент, равный 0,5…1, учитывающий выход излучения из волновода и неравномерность распределения излучения по облучаемому объему.

В зависимости от определенной бактерицидной мощности определяют количество источников УФ-излучения делением полученной бактерицидной мощности на мощность, излучаемую одним источником УФ-излучения, P_s:

Количество волноводов равно количеству требуемых источников при введении УФ-излучения с одного торца волновода и равно половине при введении УФ-излучения с противоположных торцов.

Следует сразу оговориться, что чертежи являются чисто иллюстративными и никоим образом не ограничивают объема настоящего изобретения.

На Фиг.5 и 6 представлен еще один вариант устройства для осуществления способа создания поля ультрафиолетового излучения, распределенного в обеззараживаемом объеме среды, с использованием более одного волновода (1 и 2). При такой компоновке может быть применено достаточно большое количество как источников УФ-излучения, так и волноводов, например, при расположении источников как радиально, так и по всей длине рабочего участка трубы 7. Узел сопряжения 8 светодиода со световодом показан на Фиг.7, где показаны поз.1 световод, 3 светодиод, 9 гайка, 10 вкладыш, 11 оправа, 12 уплотнительное кольцо из эластомера, 13 корпус.

Для обеспечения попадания УФ-излучения в обеззараживаемую среду во всех вариантах на волноводах в необходимых участках волновода или по всей длине создаются условия нарушения полного внутреннего отражения, что может происходить:

- в случае изменения угла падения ультрафиолетового или другого излучения, распространяющегося в волноводе;

- в случае изменении отношения показателей преломления волокна и среды, окружающей его.

В первом случае при изгибе волновода меняется угол падения излучения, распространяющегося по нему. Для поверхности волновода, внешней относительно изгиба, угол падения излучения уменьшается и, при определенных условиях, может стать меньше предельного α<α_пред. Это обстоятельство позволят излучению, проходящему по волноводу, выходить наружу, в среду, которая окружает его.

Во втором случае для создания эффекта нарушения полного внутреннего отражения необходимо нанести на поверхность волновода пленку, прозрачную в ультрафиолетовой области спектра, с показателем преломления, имеющим промежуточное значение между показателями преломления воды и кварцевого стекла, например слой фтористого магния MgF₂. Толщина пленки должна быть примерно равна d=λ/n4, где λ - длина волны середины рабочего диапазона спектра устройства. Это приведет к уменьшению предельного значения для угла падения на границе кварцевое стекло-пленка и к увеличению предельного значения для угла падения на границе пленка-вода. Показатель преломления воды в области спектра 214…350 нм n≈1,38. Показатель преломления кварцевого стекла 1,46. При правильном выборе показателя преломления пленки на световоде можно добиться выхода света, распространяющегося по волноводу в окружающую среду, например воду.

Снижение требуемой потребляемой мощности, а следовательно, и расширение возможностей обеззараживания УФ-излучением достигается равномерным распределением УФ-излучения по объему обеззараживаемой среды за счет конфигурации волновода, а также отсутствием при использовании светодиода и волновода, как в заявляемом устройстве, расходования излучения на внешнюю среду на пути от источника излучения к обеззараживаемому объему воды

Представленные на Фиг.1, 2, 5 варианты устройства для реализации способа обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением состоят из волноводов 1, 2, в качестве которых (в первом и втором варианте устройств) может быть использован оптический кварцевый световод, и источников УФ-излучения. В качестве источников ультрафиолетового излучения может быть использован светоизлучающий полупроводниковый диод 3 ультрафиолетового диапазона, например UVTOP^® LED компании Sensor Electronic Technology, Ink.

В целях организации выхода излучения из волновода в воду (Фиг.3, Фиг.4, Фиг.6) волноводы изогнуты, например, в форме спирали с радиусом r≤R_d, где R_d - радиус изгиба, при котором создаются условия нарушения полного внутреннего отражения для рабочей моды в случае одномодового волокна или для мод, несущих основную долю излучения в случае многомодового волокна. Радиус изгиба можно оценить по формуле:

где n₁, n₂ - показатели преломления сердцевины и оболочки световода соответственно, d - диаметр сердцевины световода. Приведенная формула верна и для световода с открытой поверхностью. В этом случае n₂ - показатель преломления воды, а d - диаметр волокна световода.

Другим вариантом является использование оптических волноводов с открытой поверхностью волновода (не показан), так закон преломления света гласит, что отношение синуса угла падения света к синусу угла преломления равно отношению показателей преломления сред. Смотри, например, Вычислительная оптика. Справочник. Под общ. ред. ДТП, проф. М.М.Русинова. Ленинград, "Машиностроение", 1984.

При переходе света из оптически более плотной среды, с большим показателем преломления, в менее плотную, с меньшим показателем преломления, угол падения не может превышать предельного значения α_пред, так как синус угла преломления не может быть больше единицы. Если же угол падения света больше предельного α>α_пред, происходит полное внутреннее отражение. При этом вся энергия отражается в первую, более оптически плотную среду. Явление полного внутреннего отражения используется в различных оптических деталях и, в частности, в оптических волноводах или световодах.

Изобретение относится к области обеззараживания воды или иной жидкости. Способ обеззараживания жидкости ультрафиолетовым излучением заключается в облучении неподвижного или движущегося обеззараживаемых объемов жидкости излучением светоизлучающих полупроводниковых диодов ультрафиолетового диапазона спектра. Излучение вводят в обеззараживаемый объем с помощью гибкого кварцевого оптического волновода, который изгибают или многократно изгибают радиусом r≤R_d, где R_d - радиус изгиба, при котором создаются условия нарушения полного внутреннего отражения для рабочей моды в случае одномодового волокна или для мод, несущих основную долю излучения, в случае многомодового волокна. Устройство для осуществления указанного способа включает, по крайней мере, один светоизлучающий полупроводниковый диод ультрафиолетового диапазона и, по крайней мере, один гибкий кварцевый оптический волновод, изогнутый указанным выше образом. Изобретение обеспечивает снижение потребляемой мощности источников ультрафиолетового излучения при сохранении требуемой дозы облучения. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ обеззараживания жидкости ультрафиолетовым излучением, заключающийся в облучении неподвижного или движущегося обеззараживаемых объемов жидкости излучением светоизлучающих полупроводниковых диодов ультрафиолетового диапазона спектра, отличающийся тем, что излучение вводится в обеззараживаемый объем с помощью гибкого кварцевого оптического волновода, при этом оптический волновод изгибают или многократно изгибают радиусом r≤R_d, где R_d - радиус изгиба, при котором создаются условия нарушения полного внутреннего отражения для рабочей моды в случае одномодового волокна или для мод, несущих основную долю излучения, в случае многомодового волокна.

2. Способ обеззараживания жидкости ультрафиолетовым излучением по п.1, отличающийся тем, что в качестве обеззараживаемого объема выбирают объем жидкости, ограниченный объемом сосуда его содержащего или ограниченный обеззараживаемым участком трубопровода.

3. Способ обеззараживания жидкости ультрафиолетовым излучением по п.1, отличающийся тем, что оптическому волноводу придают устойчивую конфигурацию с учетом геометрии обрабатываемого объема.

4. Способ обеззараживания жидкости ультрафиолетовым излучением по п.1, отличающийся тем, что излучение вводят в оба торца оптического волновода.

5. Способ обеззараживания жидкости ультрафиолетовым излучением по п.1, отличающийся тем, что на поверхность оптического волновода наносят вещество, которое создает на поверхности пленку, прозрачную в рабочей области спектра, показатель преломления которой меньше показателя преломления материала оптического волновода, но больше показателя преломления жидкости, например фтористый магний.

6. Устройство для осуществления способа по п.1, включающее по крайней мере один светоизлучающий полупроводниковый диод ультрафиолетового диапазона и по крайней мере один гибкий кварцевый оптический волновод, при этом оптический волновод многократно изогнут радиусом: r≤R_d, где R_d - радиус изгиба, при котором создаются условия нарушения полного внутреннего отражения для рабочей моды в случае одномодового волокна или для мод, несущих основную долю излучения, в случае многомодового волокна.

7. Устройство п.6, отличающееся тем, что оптический волновод имеет устойчивую конфигурацию с учетом геометрии обрабатываемого объема.

8. Устройство п.6, отличающееся тем, что светоизлучающие полупроводниковые диоды ультрафиолетового диапазона излучения расположены с противоположных торцов оптического волновода.