導讀： 目前常用的消毒方法包括：氯氣、二氧化氯、臭氧、超聲波等，但均存在或多或少的弊端;因此，如何滿足新的生活飲用水標準、優化供水工藝、加快技術革新也是眾多供水企業所面臨的現實問題。

Wurtele等研究了基于GaN的UV-LED技術在水消毒過程的適用性，結果表明UV-LED是分散和移動水處理系統的替代技術。評估了不同水處理條件下UV-LED技術的性能特點，設計了在269nm和282nm波長對枯草芽孢的生物分析實驗。結果顯示：在動態和靜態條件下UV-LED均能有效滅活實驗對象;動態實驗表明滅活效果與光通量呈線形關系。

Chevremont等研究了在波長UV-A和UV-C條件下，UV-LED滅活污水中生物指示菌(糞大腸桿菌)的滅活效果。通過簡單細菌培養，檢測了細菌濃度、暴露時間、pH值和波長等四項指標，發現波長和暴露時間與滅活效果相關性更強。另外，檢測了混合兩種波長(280/365和280/405nm)光后的滅菌效果，發現暴露60s后，沒有細菌存活。

4、UV-LED消毒的機理

紫外線是一種具有高能量的、肉眼無法識別的光波，其波長小于400nm，存在于可見光譜紫外線端的外側，因此稱為紫外線。按波長范圍分為UV-A(320nm～400nm)、UV-B(275nm～3 2 0 n m )、U V - C( 2 0 0 n m ～ 2 7 5 n m )、U V - D(100nm～200nm)四個波段，其中 A、B、C三個波段又稱為消毒紫外線。A、B、C三個波段均具有一定的消毒作用，尤以C波段消毒效果最佳。光量子理論認為，光是物質運動的一種特殊形式，是一粒粒不連接的粒子流。每一粒波長253.7nm的紫外線光子具有4.9eV 的能量。

UV線對水的消毒滅菌主要是核酸(DNA)的最大吸收波長(254nm)，DNA能夠吸收高能量紫外輻射，引起相鄰的堿基錯位，形成嘧啶二聚體(pyriine dimer);抑制或阻礙核酸復制和蛋白表達，導致細胞凋亡。

目前研究僅限傳統紫外線滅活的機理研究，而UV-LED作為一種新型的消毒工藝可能與傳統消毒機理之間存在或多或少的差別，因此UV-LED消毒的機理研究有待進一步加強。

5、UV-LED消毒研究的必要性

國外已在UV-LED滅活水中微生物和原生動物等方面開展了一些研究，而國內在此方面的研究尚屬空白，研究也局限在氯氣、二氧化氯、臭氧、汞燈UV光源等常規的水處理消毒方法。而從目前已有的文獻來看，以上研究尚存在很多不足，例如對水處理中濁度、有機物和無機離子的影響未作深入探討，也未進行滅活動力學研究，因此將該技術用于水中微生物和原生動物滅活的效能和工藝參數還有待進一步給出;其次對低光通量滅活“兩蟲”的效果沒有充分探究，低光通量對該技術的實際應用成本影響巨大。

1.5 紫外消毒

紫外線(UV)對于水中病原微生物(比如：隱孢子蟲和賈第蟲)的消毒十分有效，UV在水中的消毒方式有：水中浸沒式和平行懸浮式。波長、功率、懸浮距離、照射時間等是影響消毒效果的主要因素。作用機理主要是核酸(DNA)的最大吸收波長(254nm)，DNA能夠吸收高能量紫外輻射，引起相鄰的堿基錯位，形成嘧啶二聚體(pyriine dimer)，抑制或阻礙核酸復制和蛋白表達，導致細胞凋亡。

Bukhari等人探討了中壓汞燈對水中隱孢子蟲的滅活效果進行了研究，結果顯示紫外光的劑量為19mJ/cm2時，隱孢子蟲的滅活率可達到99.99%;但由于顆粒的庇護作用，“兩蟲”的滅活效率會受到影響，石英套管的結垢問題，光復活現象一定程度上限制了UV消毒的使用范圍。

可看出紫外消毒具有：消毒速度快、效率高，不影響水的物理性質和化學成分、不增加水的臭和味，操作簡單、便于管理、易于實現自動化等優勢;但常規汞燈紫外消毒電耗較大，壽命短，浸水式構造復雜，汞二次污染等不足，迫切需要一種新型的替代技術。

2、UV-LED技術的提出

發光二極管(LED)一般是先在藍寶石(Al2O3)襯底上利用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)設備外延生長氮化鎵(GaN)材料，然后在GaN材料上外延生長鋁銦鎵氮(AlInGaN)材料，再依次分別外延生長GaN和AlInGaN，形成GaN和AlInGaN交錯的多量子阱結構(MQW)，此即為LED發光區的有源層。通過改變MOCVD外延生長條件，可以改變AlInGaN中Al組分、In組分和Ga組分的配比，以此來調節LED的發光波長。

經過技術攻關，解決表面裂紋、晶體質量差、鋁組分低、無法實現短波長發光和結構材料設計等問題，關鍵技術取得突破后，將可研究開發與獲得高結晶質量無裂紋的高鋁組分的AlInGaN材料，使其發射出來的是中心波長小于400nm的紫外光，從而制備得到實用的紫外發光二極管(UV-LED)。短波長的UV-LED半導體照明光源具有其它傳統紫外光源無法比擬的優勢，將其用來殺菌，在此基礎上開發的紫外LED殺菌模塊應用于水凈化處理技術領域，具有殺菌效果好、使用價值高的潛能，其市場應用前景十分廣闊。

由于藍寶石襯底與GaN、InGaN材料不匹配，造成LED外延層中存在很高的位錯密度，降低了LED外延片的質量。這種位錯對藍光LED的影響有限，但對于紫外LED的影響非常大。目前學術界公認的解釋是在量子阱中存在點狀的局域態，載流子(電子、空穴)一旦被注入到量子阱中，會被這些局域態捕獲，并被牢牢的限制在其中，而無法移動到位錯處被消耗，如下圖所示。而紫外LED中InGaN的In組分很低，難以形成點狀局域態，位錯對載流子的影響很大，從而限制了紫外LED器件效率的提高。

正是由于紫外LED材料外延難度比藍光LED大，所以行業內對紫外LED的研發投入較少，這也導致在這個領域，國外大公司的專利較少，沒有形成像可見光LED那樣嚴密的專利壁壘。而且，隨著紫外LED的用途得到推廣，近年來在系統及封裝領域有大量企業加入市場競爭。但是上游外延企業發展卻相對緩慢，對紫外LED市場的重視不夠。因此對高效紫外LED外延技術進行研發，對實現具有自主知識產權的高效 GaN 基LED 產業化具有十分重要的意義。

3、UV-LED技術在水環境中的應用

近年來，在UV-LED消毒方面，也逐漸開展了一些研究。

Bowker等利用UV-LED技術研究了光通量與幾種非致病微生物之間的關系。基于UV-LED的數量和樣品間隔距離，運用COMSOL Multiphysics創建最佳的UV-LED準直光束，降低了整體成本。運用優化的UV-LED準直光束和低壓汞燈準直光束的裝置分別檢測了三種微生物(大腸桿菌，乙型肝炎病毒株，T7)的滅活效果，比較了UV能量密度與滅活效果的關系，UV波長分別為：UV-LED(255nm和275nm)低壓汞燈254nm。低壓汞燈滅活大腸桿菌和MS-2的效果相較于UV-LED更佳;UVLED在波長為275nm時，T7噬菌體和大腸桿菌優于UV-LED(275nm)時的滅活效果。時間-劑量的差異可能是由于微生物自身的修復機制造成的。

Wurtele等研究了基于GaN的UV-LED技術在水消毒過程的適用性，結果表明UV-LED是分散和移動水處理系統的替代技術。評估了不同水處理條件下UV-LED技術的性能特點，設計了在269nm和282nm波長對枯草芽孢的生物分析實驗。結果顯示：在動態和靜態條件下UV-LED均能有效滅活實驗對象;動態實驗表明滅活效果與光通量呈線形關系。

Chevremont等研究了在波長UV-A和UV-C條件下，UV-LED滅活污水中生物指示菌(糞大腸桿菌)的滅活效果。通過簡單細菌培養，檢測了細菌濃度、暴露時間、pH值和波長等四項指標，發現波長和暴露時間與滅活效果相關性更強。另外，檢測了混合兩種波長(280/365和280/405nm)光后的滅菌效果，發現暴露60s后，沒有細菌存活。

4、UV-LED消毒的機理

紫外線是一種具有高能量的、肉眼無法識別的光波，其波長小于400nm，存在于可見光譜紫外線端的外側，因此稱為紫外線。按波長范圍分為UV-A(320nm～400nm)、UV-B(275nm～3 2 0 n m )、U V - C( 2 0 0 n m ～ 2 7 5 n m )、U V - D(100nm～200nm)四個波段，其中 A、B、C三個波段又稱為消毒紫外線。A、B、C三個波段均具有一定的消毒作用，尤以C波段消毒效果最佳。光量子理論認為，光是物質運動的一種特殊形式，是一粒粒不連接的粒子流。每一粒波長253.7nm的紫外線光子具有4.9eV 的能量。

UV線對水的消毒滅菌主要是核酸(DNA)的最大吸收波長(254nm)，DNA能夠吸收高能量紫外輻射，引起相鄰的堿基錯位，形成嘧啶二聚體(pyriine dimer);抑制或阻礙核酸復制和蛋白表達，導致細胞凋亡。

目前研究僅限傳統紫外線滅活的機理研究，而UV-LED作為一種新型的消毒工藝可能與傳統消毒機理之間存在或多或少的差別，因此UV-LED消毒的機理研究有待進一步加強。

5、UV-LED消毒研究的必要性

國外已在UV-LED滅活水中微生物和原生動物等方面開展了一些研究，而國內在此方面的研究尚屬空白，研究也局限在氯氣、二氧化氯、臭氧、汞燈UV光源等常規的水處理消毒方法。而從目前已有的文獻來看，以上研究尚存在很多不足，例如對水處理中濁度、有機物和無機離子的影響未作深入探討，也未進行滅活動力學研究，因此將該技術用于水中微生物和原生動物滅活的效能和工藝參數還有待進一步給出;其次對低光通量滅活“兩蟲”的效果沒有充分探究，低光通量對該技術的實際應用成本影響巨大。