1.5 紫外消毒

　　紫外线（UV）对于水中病原微生物（比如：隐孢子虫和贾第虫）的消毒十分有效，UV在水中的消毒方式有：水中浸没式和平行悬浮式。波长、功率、悬浮距离、照射时间等是影响消毒效果的主要因素。作用机理主要是核酸（DNA）的最大吸收波长（254nm），DNA能够吸收高能量紫外辐射，引起相邻的碱基错位，形成嘧啶二聚体（pyrimidine dimer），抑制或阻碍核酸复制和蛋白表达，导致细胞凋亡。

　　Bukhari等人探讨了中压汞灯对水中隐孢子虫的灭活效果进行了研究，结果显示紫外光的剂量为19mJ/cm2时，隐孢子虫的灭活率可达到99.99%；但由于颗粒的庇护作用，“两虫”的灭活效率会受到影响，石英套管的结垢问题，光复活现象一定程度上限制了UV消毒的使用范围。

　　可看出紫外消毒具有：消毒速度快、效率高，不影响水的物理性质和化学成分、不增加水的臭和味，操作简单、便于管理、易于实现自动化等优势；但常规汞灯紫外消毒电耗较大，寿命短，浸水式构造复杂，汞二次污染等不足，迫切需要一种新型的替代技术。

　　2、UV-LED技术的提出

　　发光二极管（LED）一般是先在蓝宝石（Al2O3）衬底上利用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）设备外延生长氮化镓（GaN）材料，然后在GaN材料上外延生长铝铟镓氮（AlInGaN）材料，再依次分别外延生长GaN和AlInGaN，形成GaN和AlInGaN交错的多量子阱结构（MQW），此即为LED发光区的有源层。通过改变MOCVD外延生长条件，可以改变AlInGaN中Al组分、In组分和Ga组分的配比，以此来调节LED的发光波长。

　　经过技术攻关，解决表面裂纹、晶体质量差、铝组分低、无法实现短波长发光和结构材料设计等问题，关键技术取得突破后，将可研究开发与获得高结晶质量无裂纹的高铝组分的AlInGaN材料，使其发射出来的是中心波长小于400nm的紫外光，从而制备得到实用的紫外发光二极管（UV-LED）。短波长的UV-LED半导体照明光源具有其它传统紫外光源无法比拟的优势，将其用来杀菌，在此基础上开发的紫外LED杀菌模块应用于水净化处理技术领域，具有杀菌效果好、使用价值高的潜能，其市场应用前景十分广阔。

　　由于蓝宝石衬底与GaN、InGaN材料不匹配，造成LED外延层中存在很高的位错密度，降低了LED外延片的质量。这种位错对蓝光LED的影响有限，但对于紫外LED的影响非常大。目前学术界公认的解释是在量子阱中存在点状的局域态，载流子（电子、空穴）一旦被注入到量子阱中，会被这些局域态捕获，并被牢牢的限制在其中，而无法移动到位错处被消耗，如下图所示。而紫外LED中InGaN的In组分很低，难以形成点状局域态，位错对载流子的影响很大，从而限制了紫外LED器件效率的提高。

　　正是由于紫外LED材料外延难度比蓝光LED大，所以行业内对紫外LED的研发投入较少，这也导致在这个领域，国外大公司的专利较少，没有形成像可见光LED那样严密的专利壁垒。而且，随着紫外LED的用途得到推广，近年来在系统及封装领域有大量企业加入市场竞争。但是上游外延企业发展却相对缓慢，对紫外LED市场的重视不够。因此对高效紫外LED外延技术进行研发，对实现具有自主知识产权的高效 GaN 基LED 产业化具有十分重要的意义。

　　3、UV-LED技术在水环境中的应用

　　近年来，在UV-LED消毒方面，也逐渐开展了一些研究。

　　Bowker等利用UV-LED技术研究了光通量与几种非致病微生物之间的关系。基于UV-LED的数量和样品间隔距离，运用COMSOL Multiphysics创建最佳的UV-LED准直光束，降低了整体成本。运用优化的UV-LED准直光束和低压汞灯准直光束的装置分别检测了三种微生物（大肠杆菌，乙型肝炎病毒株，T7）的灭活效果，比较了UV能量密度与灭活效果的关系，UV波长分别为：UV-LED（255nm和275nm）低压汞灯254nm。低压汞灯灭活大肠杆菌和MS-2的效果相较于UV-LED更佳；UVLED在波长为275nm时，T7噬菌体和大肠杆菌优于UV-LED（275nm）时的灭活效果。时间-剂量的差异可能是由于微生物自身的修复机制造成的。