无电极紫外辐射的流体修复 【技术领域】
本发明涉及利用无电极紫外辐射(ultraviolet discharge)装置发出的紫外辐射对有限空间内的流体进行修复，包括对光催化表面的激发以促进化学反应。
背景技术
常规的空气净化器采用电极放电紫外灯；在一些情况下，依赖紫外光全部或部分破坏微生物；在另一些情况下，紫外光激活颗粒填充层表面或是可使空气从中透过的结构表面上的光催化剂。类似的装置可用于化学过程，在该过程中进行空气或水流的光催化氧化以修复(例如，消毒)或者调节流体。
由于灯的寿命短，空气净化器的设计必须适合于换灯。这种设计不需要大的体积，而需要大量的紫外灯和光催化剂分子(当采用时)。电极紫外灯(如汞灯)的效率低于30％，也就是说，低于30％的电输入被转化为紫外线。在美国专利US6,280,686及其引用专利文件中采用了这种类型的灯。
作为一种实例，应当考虑当前应用在工艺物流的商业化光催化处理中的标准操作，例如建筑物占用空间内污染空气的空气净化。有效的设计需要在空间和时间上将紫外光子、催化剂表面分子以及工艺物流(例如，空气净化实例中的空气污染物)放在一起考虑。现有的设计操作将光催化剂在空间上固定并将紫外辐射源置于光催化剂外部。结果，光催化剂表面分子照射不均匀、弱照射和未被照射。这种操作对设计可获得的自由度必须施加一种限制。
作为一种解释性的应用实例，目前商业化的光催化空气净化器均采用电极放电紫外灯和光催化剂分子，该光催化剂分子可制作成光催化剂颗粒的填充层或者具有光催化剂涂层地多孔塑料载体(例如，蜂窝状、网状泡沫、筛网、编织或未编织的纤维等)。这种设计的主要缺陷在于两个方面：首先，因为紫外线光源位于光催化剂载体和光催化剂表面的外部，也就是说，紫外线光源和光催化剂表面在空间上必然分隔开来，这种照射本身是不均匀的，其导致表面分子被弱照射或未被照射，结果对污染物破坏很小。由于这种内在缺陷，将紫外光子传递到光催化剂，同时将污染物(工艺物流)传递到合适的活化催化剂上的设计目标会产生设计难题。第二，流体处理装置迄今还受到紫外灯使用的限制，紫外灯为持续产生紫外线依赖于电极之间的放电。这些装置受到由于电极上的热集中引起的杂质沉积的影响，因此，这反过来限制了电子发射以及UV光发射。随着灯的老化，灯辐射降低，导致灯的使用寿命大约小于8,000小时；基于紫外灯的电极的一个内在特性。这些缺陷导致空气净化器设计是大体积，需要大量紫外灯和光催化剂分子，并消耗大量的电能。尽管空气净化的实例用于证明外部照射的缺点，在将紫外线光源设置于光催化剂外部的所有应用中，这些相同的缺陷是固有的。
【发明内容】
如本文所用的，“修复”包括光催化过程和光化学过程，并包括(1)“消毒”指的是(a)(i)全部或(ii)部分(b)(i)破坏，(ii)杀死或者(iii)气化任何微生物，以及(2)“分解”，指化合物的氧化或还原。
本发明目的包括：利用灯寿命超过10年的紫外线辐射的流体修复；对输入电能具有高效利用的紫外线流体修复，例如约为80％的效率；流体修复可在相对紧凑的空间中进行；高效率的光催化流体修复；光催化流体修复很容易以高能效方式实施，和改进了的紫外和光催化流体修复。
根据本发明，无电极紫外灯用于流体修复区。紫外灯可以单独使用，或者在空间上与紫外激发的光催化剂表面一起使用。灯可以通过单个或几组磁电管提供的微波触发。灯可以被诱导耦合射频能量触发。光催化表面可以在灯上，或者在光催化剂微粒上，或者在非催化剂分子上。灯可以是球形或圆柱形。被处理流体可以是空气、水或者其它流体。
而且，本发明涉及用于进行氧化或还原反应的光催化过程和光化学过程。本发明可能的应用有多种，例如，占用空间的空气净化(例如，居民或商业建筑物、运输工具等)，园艺商品运输中的乙烯控制，对受污染土壤和水的修复，一般可用于任何受污染的空气或水流，化学合成，以及微生物消毒。本发明这一方面的主要特点是UV光和光催化剂表面的紧密结合，在单独控制UV强度和流体相大规模的运输过程中容许增加了自由。本发明提供了一种长寿命的紫外发射源，以及结构紧凑高效的光催化反应器，用于空气净化和其它应用。本发明将紫外光源和光催化剂表面放得很近，从而取得了对光催化剂表面分子的几乎均匀的辐射。这种将紫外辐射源和光催化剂表面的紧密结合大大提高了单独控制紫外线强度和运输过程的自由，也就是说，将工艺物流中的化学反应物传输到光催化剂表面。
本发明提供了一种流体修复，具有寿命超过10年的紫外灯，从而大大简化了装置并降低了维修成本。本发明提供的紫外效率约为80％，包括无线电或微波发生器和腔体引起的能量转移损失。
下面，通过对如附图所示的具体实施方式的详细描述，本发明的其它目的、特点和优势将变得更加明显。
【附图说明】
图1为具有球体的管道的简单风格化侧面图，该球体包括在磁电管激发的微波腔体内的无电极紫外灯。
图2为设置在管道中由磁电管激发的微波腔体内的圆柱形无电极紫外灯的局部剖面简单透视图。
图3为设置在有光催化剂涂层并可透过流体的基底之间的圆柱形的无电极紫外灯的局部剖面风格化透视图。
图4为由射频能量诱导激发的圆柱形无电极紫外灯的透视简图。
图5为设置在磁电管激励的微波腔体内的管状无电极紫外灯的透视简图。
图6为具有启动电极和电源的管状无电极紫外灯的侧面正视简图。
【具体实施方式】
图1中，在含有微波反射材料的管道14内形成流体修复区13。在限定空间17的每个末端，可透过管道14中的流体的微波反射器18、19形成共振微波腔体。磁电管22向腔体内提供微波电磁辐射。在腔体内有球体23、24。球体23、24都可以包括球形的无电极微波灯，在这种情况下，图1中的流体修复区通过单独利用紫外辐射来全部或部分破坏微生物。另一方面，根据本发明，球体23可以包括球形的无电极紫外灯，球体24可以是具有紫外线激活光催化剂表面而非灯的球体，在这种情况下，图1中的流体修复区以某种方式利用与流体的光催化剂反应来修复流体，如氧化或还原流体中的有机化合物。此外，球体23、24可以包括其上具有光催化剂涂层的球形无电极紫外灯，涂层足够薄以使微波电磁辐射是基本可透过的，因此，辐射可穿透球体中的基质，从而保持用于激活球体23、24表面上的光催化剂的紫外辐射。涂层的厚度可根据美国专利US5,865,959确定。在这种情况下，与流体中的物质发生光催化反应。图1中，不是球体24，而是球形的无电极紫外灯23可以含有散布其间的微粒，该微粒可以是光催化剂材料，或者是非光催化剂材料，但其上具有光催化剂涂层。在图1中，如果需要，可以用光催化剂涂覆微波反射器18、19，以增强与流体的相互作用。
图2中，流体修复区26包括管道14、微波反射表面18、19以及磁电管22，它含有圆柱形的无电极紫外灯27，而不是球体。将灯27设置成其对称轴平行于管道的长度方向，使流体能够在其间的空隙中流动，但是，圆柱体轴线和管道流体之间的任何可能角度都可以接受。灯27可涂敷适量的紫外激活光催化剂薄层。图2中，圆柱形的无电极紫外灯27可含有散布其间的颗粒(例如，球形、圆柱形，或任何几何形状)，该颗粒可以是光催化剂材料，或者是非光催化剂材料，但其上具有光催化剂涂层。
图3中，修复区30包括管道14和磁电管22，具有圆柱形无电极紫外灯设置其间的多个可穿透的基质31-33。至少末端基质33(另一端未示出)必须为微波反射材料，以便在管道14内形成微波腔体。所有的基质31-33都具有光催化表面，当光催化表面被灯36发出的辐射激活时，引起与流体中的物质(特别是烃)发生化学反应以氧化或还原这些物质，使得以预期方式影响它们，诸如使它们变得无害。
不是通过图1-3中所示的腔体共振被激励，而是如图4所示，可以通过线圈40由射频电源39诱导耦合的射频(RF)电磁辐射来激励管36。如果适合本发明的任何实施，电源39可含有用于每个管子的线圈40，或者每个管子可含有自己的电源。另一方面，如图5所示，每个管子36都可以设置在其自身的微波腔体中，该腔体由合适的微波反射穿透材料43和磁电管22共同形成，如图5所示。可穿透基质31-33和43可以是任何类型的曲折密封体、网孔、网状物、筛网或者其它打孔材料，既可以充当微波反射镜，也可允许足够的流体通过。
如本文所采用的，术语“无电极紫外灯”指的是一种不用灯内电极激发可维持紫外线辐射的紫外灯，它由微波或射频激发，但包括其中提供电极以辅助紫外辐射开始的灯，如图6所示的无电极灯44。其中，除气体填充圆筒46之外，灯44具有底座45，电极47从每个底座延伸至圆筒46中。如上所述，由于圆筒被电磁辐射照射，点火时，启动电源48暂时为电极47提供电能，以增强圆筒46内的紫外辐射。然而，一旦获得了紫外线，电极的电能就被切断，紫外线仅通过电磁辐射得以维持。采用这种方式，可避免长期的热效应，包括在灯上产生的沉积。
Boulos，M.I.等人在热等离子体：基础和应用，Vol.1，Plenum Press，N.Y.，1944.中描述了紫外线辐射的发射。微波驱动的无电极紫外灯可以从Fusion UVSystems有限公司购买.诱导驱动的无电极紫外灯可以从西尔韦尼亚和飞利浦公司购买。
上述专利作为参考并入本文。
因此，尽管已经根据具体实施方式对本发明进行了展示和描述，但是本领域技术人员应当理解，也可以在其中和其外获得上述和其它各种变形、删减或者增加，而不违背本发明的精神和范围。