專利名稱：紫外線液體處理裝置和處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用一起發(fā)出220nm以下短波長區(qū)域的紫外線和254nm的紫外線的放電燈，進(jìn)行液體中的有機(jī)物分解等的處理的液體處理裝置和方法。
背景技術(shù)：
因為220nm以下短波長區(qū)域的紫外線具有強(qiáng)的能量，所以可以用于有害物和有機(jī)物的分解等多個方面。圖10表示從來就知道的閉鎖型的處理液體用的紫外線照射裝置的一個例子。將放電燈30收藏在外管(保護(hù)管)20內(nèi)，但是用收藏在不銹鋼制的圓筒1內(nèi)的放電燈30發(fā)出的紫外線照射導(dǎo)入該圓筒1內(nèi)的被處理液體。作為放電燈30，可以使用例如輻射185nm短波長區(qū)域的紫外線和254nm波長區(qū)域的紫外線兩者的低壓汞蒸氣放電燈。放電燈30的發(fā)光管泡10是由紫外線透過性卓越的石英玻璃制成的。將放電燈30收藏在具有紫外線透過性的外管(保護(hù)管)20的內(nèi)部，使該放電燈30液體密封地與被處理液體隔離。這種外管20也是由紫外線透過性卓越的石英玻璃制成的。用法蘭1a，1b封閉圓筒1的兩端，從進(jìn)水口10c取入的被處理液體在通過圓筒1內(nèi)的過程中受到紫外線的照射，從出水口1d排出。被處理液體在圓筒1內(nèi)從進(jìn)水口1c向出水口1d流動，但是為了使被處理液體流過的路徑不很短，形成在途中配置了多塊(圖中是5塊)返流板1e～1i的構(gòu)造。此外，為了方便起見，在圖10中畫出了只搭載1個放電燈的裝置，但是實用上使用多燈式的大容量裝置的情形是很多的。從放電燈30發(fā)出的紫外線透過外管20，照射被處理液體。照射的紫外線起著例如使存在水中的有機(jī)物如下式所示地分解成無害的CO，CO2，H2O的作用。
(n，m，k是1，2，3........)這種有機(jī)物分解是通過185nm短波長區(qū)域的紫外線的作用進(jìn)行的，但是，短波長區(qū)域的紫外線過多會產(chǎn)生包括雙氧水(H2O2)在內(nèi)的種種不希望的過氧化物作為中間體。為了除去這種過氧化物，在紫外線照射處理的后段設(shè)置使結(jié)束紫外線照射處理的被處理液體通過離子交換樹脂的工序。從而，當(dāng)被處理液體通過離子交換樹脂時除去這些過氧化物，但是過多的過氧化物導(dǎo)致離子交換樹脂的壽命縮短。
本發(fā)明就是鑒于上述問題提出的，本發(fā)明的目的是提供盡可能抑制過氧化物的產(chǎn)生那樣地進(jìn)行液體處理的紫外線液體處理裝置和方法。又本發(fā)明的目的是提供與此相伴地能夠延長在紫外線照射處理后段使用的離子交換樹脂的壽命，長壽命，節(jié)省能量并且節(jié)省維護(hù)的光反應(yīng)處理裝置和方法。
與本發(fā)明有關(guān)的紫外線液體處理裝置的特征是在用從一起發(fā)出220nm以下的紫外線和254nm的放電燈輻射出來的紫外線照射作為處理對象的液體，進(jìn)行該液體的有機(jī)物分解處理等的液體處理裝置中，作為上述放電燈，使用在它的發(fā)光管內(nèi)表面上形成金屬氧化物薄膜的放電燈。如果根據(jù)本發(fā)明，則通過在放電燈的發(fā)光管內(nèi)表面上形成金屬氧化物薄膜，能夠防止放電燈點亮?xí)r產(chǎn)生的氧化汞吸附在發(fā)光管內(nèi)表面上，能夠抑制254nm紫外線的照度下降。
在用從一起發(fā)出220nm以下的紫外線和254nm的紫外線的放電燈中，220nm以下波長區(qū)域的紫外線與有機(jī)物分解的光化學(xué)處理有關(guān)。另一方面，254nm波長區(qū)域的紫外線擔(dān)負(fù)著分解作為中間體的過氧化物的重要作用，減輕在紫外線照射處理后段使用的離子交換樹脂的負(fù)擔(dān)?？墒?，放電燈的紫外線的照度隨著使用時間的經(jīng)過而下降，對于220nm以下短波長區(qū)域的紫外線和254nm波長區(qū)域的紫外線，紫外線照度下降的原因是不同的。220nm以下短波長區(qū)域的紫外線照度下降的原因是成為放電燈管體的石英玻璃在紫外線的照射下發(fā)生變質(zhì)使紫外線透過率降低。另一方面，254nm波長區(qū)域的紫外線照度下降的原因放電燈點亮?xí)r管內(nèi)產(chǎn)生的氧氣與汞發(fā)生反應(yīng)生成的氧化汞吸附在石英玻璃內(nèi)表面上，使石英玻璃的紫外線透過率降低。因此，我們考慮到對于220nm以下短波長區(qū)域的紫外線和254nm波長區(qū)域的紫外線，如圖9所示，各自的紫外線照度維持特性是不同的，因為254nm紫外線一方照度下降得快，所以圖9中254nm的維持率下降到220nm以下(例如185nm)的紫外線照度維持率的C點以后，導(dǎo)致過氧化物增加。與此相反，如果根據(jù)本發(fā)明，則通過在放電燈的發(fā)光管內(nèi)表面上形成金屬氧化物薄膜，能夠防止放電燈點亮?xí)r產(chǎn)生的氧化汞吸附在發(fā)光管內(nèi)表面上，能夠抑制254nm紫外線的照度下降。
又，與本發(fā)明有關(guān)的紫外線液體處理裝置的特征是在用從一起發(fā)出220nm以下的紫外線和254nm的紫外線的放電燈輻射出來的紫外線照射作為處理對象的液體，進(jìn)行該液體的有機(jī)物分解處理等的液體處理裝置中，作為上述放電燈，使用該放電燈的發(fā)光管是由將天然水晶或硅砂作為出發(fā)原料，由鈉，鉀，鈦和鐵4種元素組成的元素總含有量在2.5ppm以下，包含10ppm以上的OH基的石英玻璃構(gòu)成的，在這個發(fā)光管內(nèi)表面上形成金屬氧化物薄膜的放電燈。
在用天然水晶或硅砂作為出發(fā)原料的石英玻璃中，包含著各種作為雜質(zhì)的物質(zhì)。在這些雜質(zhì)中也存在著很多鈉(Na)，鉀(K)，鈦(Ti)和鐵(Fe)4種元素，成為導(dǎo)致石英玻璃透過率下降的原因。另一方面，OH基的存在能夠緩和石英玻璃的變質(zhì)。即，作為石英玻璃的主要成分的二氧化硅(SiO2)的“Si-O”結(jié)合由于紫外線能量而分解產(chǎn)生成為透過率下降的原因的自由Si，但是OH基與自由Si結(jié)合形成“Si-OH”能夠抑制這種下降。本發(fā)明者進(jìn)行了實驗和研究，結(jié)果判明當(dāng)這4種元素的總含有量在2.5ppm以下，并包含10ppm以上的OH基時，能夠很大地改善由于短波長區(qū)域的紫外線引起的石英玻璃隨時間的惡化。因此，通過如此地選定或設(shè)定石英玻璃的材質(zhì)，能夠提高220nm以下短波長區(qū)域紫外線的照度維持率，這樣通過在高性能放電燈的發(fā)光管內(nèi)表面上形成金屬氧化物薄膜，能夠進(jìn)一步發(fā)揮抑制254nm紫外線的照度下降的效果。
又，與本發(fā)明有關(guān)的紫外線液體處理裝置的特征是在用從一起發(fā)出220nm以下的紫外線和254nm的紫外線的放電燈輻射出來的紫外線照射作為處理對象的液體，進(jìn)行該液體的有機(jī)物分解處理等的液體處理裝置中，作為上述放電燈，使用備有由內(nèi)徑8mm以上的合成石英玻璃構(gòu)成的發(fā)光管和在這個發(fā)光管的兩端上相距L(cm)間隔的一對燈絲，在內(nèi)部封入稀有氣體和至少含有汞的金屬，點亮?xí)r的燈電壓為V(V)與燈電流為I(A)，燈絲間距離L(cm)，放電路徑的內(nèi)徑D(mm)具有下列關(guān)系式，并且在上述發(fā)光管內(nèi)表面上形成金屬氧化物薄膜的放電燈。
(V-Vf)/L=X/(D·I),]]>并且2.6≤X≤4.2但是，Vf是與點亮電源有關(guān)的常數(shù)因子，當(dāng)由1kHz以上的高頻電源點亮?xí)rVf＝10，當(dāng)由不到1kHz的電源點亮?xí)rVf＝50。詳細(xì)情形將在后面述說，但是通過如上述關(guān)系式那樣地設(shè)定條件，能夠高效率地輻射220nm以下短波長區(qū)域的紫外線，通過在這種高性能放電燈的發(fā)光管內(nèi)表面上形成金屬氧化物薄膜，能夠進(jìn)一步發(fā)揮抑制254nm紫外線的照度下降的效果。
本發(fā)明的優(yōu)先實施樣態(tài)是在上述放電燈的發(fā)光管內(nèi)表面上形成的金屬氧化物薄膜以由Al，硅，鈣，鎂，釔，鋯和鉿中選出的至少一種以上的金屬的氧化物為主要成分。這些金屬氧化物因為具有卓越的耐熱性，從科學(xué)上說也很穩(wěn)定，所以起著有效地防止氧化汞吸附在發(fā)光管內(nèi)表面上的作用。
進(jìn)一步與本發(fā)明有關(guān)的紫外線液體處理方法的特征是使用在上述那樣的發(fā)光管內(nèi)表面上形成金屬氧化物薄膜的放電燈，用紫外線照射作為處理對象的液體，進(jìn)行該液體的有機(jī)物分解處理等。


圖1是表示在與本發(fā)明有關(guān)的紫外線液體處理裝置中使用的放電燈的一個實施例的側(cè)面截面概略圖。
圖2是表示從長期點亮的由鈉(Na)，鉀(K)，鈦(Ti)和鐵(Fe)作為石英玻璃的組成制作的各種放電燈的實驗得到的紫外線照度維持率曲線的曲線圖。
圖3是舉例表示根據(jù)本發(fā)明使用的放電燈的一個實施例得到的實驗結(jié)果的“電位梯度”與“185nm紫外線輻射效率”的關(guān)系的曲線圖。
圖4是舉例表示根據(jù)本發(fā)明使用的放電燈的一個實施例得到的實驗結(jié)果的“燈電流”與最佳“電位梯度”的關(guān)系的曲線圖。
圖5是舉例表示根據(jù)本發(fā)明使用的放電燈的一個實施例得到的實驗結(jié)果的玻璃管內(nèi)徑與最佳“電位梯度”的關(guān)系，與“燈電流”的各個值對應(yīng)的曲線圖。
圖6是表示本發(fā)明使用的放電燈的185nm和254nm的紫外線照度維持率的一個例子的曲線圖。
圖7是舉例表示與本發(fā)明有關(guān)的液體處理裝置即紫外線照射裝置中TOC分解處理能力的隨時間經(jīng)過變化的實驗結(jié)果和已有裝置比較的曲線圖。
圖8是舉例表示與本發(fā)明有關(guān)的液體處理裝置即紫外線照射裝置中在離子交換樹脂出口的電阻率值隨時間的變化和已有裝置比較的曲線圖。
圖9是表示已有技術(shù)的放電燈的185nm和254nm的紫外線照度維持率的一個例子的曲線圖。
圖10是表示使用已有放電燈的紫外線照射裝置的一個例子的側(cè)面截面概略圖。
具體實施例方式
下面我們參照

本發(fā)明的實施形態(tài)。
圖1表示在與本發(fā)明有關(guān)的液體反應(yīng)處理裝置和方法中使用的放電燈的一個實施例。首先我們說明這個放電燈31的基本構(gòu)造，放電燈31具有能夠一起發(fā)出220nm以下例如185nm的短波長區(qū)域的紫外線和254nm的紫外線那樣的構(gòu)成，包含發(fā)光管泡11，在該發(fā)光管泡11內(nèi)配置在它的兩端的一對燈絲21a，21b，設(shè)置在該發(fā)光管泡11兩端的密封部分2a，2b和管座部分3a，3b。發(fā)光管泡11作為一個例子由內(nèi)徑13mm，壁厚1mm的合成石英玻璃構(gòu)成，在玻璃內(nèi)表面上形成金屬氧化物薄膜44。薄膜44例如是由氧化Al那樣的耐熱性卓越化學(xué)上穩(wěn)定的物質(zhì)構(gòu)成的。將燈絲21a，21b配置在兩燈絲間相距153cm的間隔上。
在這些燈絲21a，21b上涂敷著例如氧化鋇系的發(fā)射體，這些燈絲21a，21b分別被從密封部分2a，2b引出的內(nèi)引線22a～22d保持住。管座部分3a，3b是陶瓷制成的，在一個管座部分3a備有一對電端子31a，31b。密封部分2a，2b起著由鉬箔24a～24d保持氣密性，并且通過內(nèi)引線22a～22d，鉬箔24a～24d，外引線25a，25b和26，使燈絲21a，21b與電端子31a，31b電連接的作用。在發(fā)光管泡11內(nèi)封入20mg左右的汞和約400Pa的稀有氣體。此外，在圖中所示的例子中，作為一個例子，放電燈31構(gòu)成2個端子型的放電燈。即，一方的燈絲21a的一端通過內(nèi)引線22b，鉬箔24b，外引線25a與一方的電端子31a連接，另一方的燈絲21b的一端通過內(nèi)引線22c，鉬箔24c，外引線25b，26與另一方的電端子31b連接。
如上所述，放電燈的紫外線的照度隨著使用時間的經(jīng)過而下降，254nm波長區(qū)域的紫外線照度下降的原因是放電燈點亮?xí)r管內(nèi)產(chǎn)生的氧氣與汞發(fā)生反應(yīng)生成的氧化汞吸附在玻璃內(nèi)表面上，使石英玻璃的紫外線透過率降低。這是因為作為汞的共振發(fā)光的254nm的紫外線由于汞的存在發(fā)生自吸收，氧化汞吸附在上述玻璃內(nèi)表面上，使254nm的紫外線透過率選擇地下降。鑒于這一點，本發(fā)明中使用的放電燈的特征是在發(fā)光管泡11的玻璃內(nèi)表面上形成金屬氧化物(在本實施例中為氧化Al)薄膜44，由這個薄膜44防止氧化汞吸附在玻璃內(nèi)表面上，能夠抑制254nm紫外線的照度下降。此外，通過在封入燈絲前預(yù)先將氧化Al的微細(xì)粉末與燒結(jié)劑一起懸浮在醋酸異丁脂中的溶液涂敷在玻璃管內(nèi)表面上并經(jīng)過干燥后，在氧化氣氛進(jìn)行加熱處理，能夠容易地形成薄膜44。
在本發(fā)明的實施例中，將具有上述那樣構(gòu)成的放電管31用作液體處理裝置中的紫外線發(fā)光源。液體處理裝置自身的構(gòu)成既可以是例如圖10所示的閉鎖型液體處理裝置，也可以是水路開放型的液體處理裝置。又，在1個液體處理裝置中使用的放電燈31的數(shù)目可以不限于1個而是許多個。
與本實施例有關(guān)的放電燈31的發(fā)光管泡11的材質(zhì)既可以是將天然水晶或硅砂作為出發(fā)原料的熔融石英玻璃，也可以是合成石英玻璃。
首先，我們說明用熔融石英玻璃構(gòu)成發(fā)光管泡11的材質(zhì)的一個例子。例如，發(fā)光管泡11的石英玻璃是將天然水晶或硅砂作為出發(fā)原料，由鈉(Na)，鉀(K)，鈦(Ti)和鐵(Fe)4種元素組成的元素總含有量在2.5ppm以下，包含10ppm以上的OH基的氣體熔融石英玻璃構(gòu)成的。這樣，通過在構(gòu)成放電燈31的發(fā)光管泡11的材質(zhì)的石英玻璃中除了鈉(Na)，鉀(K)，鈦(Ti)和鐵(Fe)4種元素外還包含OH基，能夠很大地改善由于放電燈31發(fā)出的短波長紫外線引起的發(fā)光管泡11的石英玻璃隨時間經(jīng)過的惡化。
圖2是將作為石英玻璃的組成的，鈉(Na)，鉀(K)，鈦(Ti)，鐵(Fe) 的總含有量和OH基的含有量作為參數(shù)，對制作的各種放電燈經(jīng)過長時間點亮實驗得到的紫外線強(qiáng)度維持率曲線。在放電燈的形狀，尺寸都相同的情形中，橫軸為點亮?xí)r間，縱軸為將根據(jù)本發(fā)明的放電燈的強(qiáng)度初始值作為100％時的185nm波長的紫外線強(qiáng)度。與各曲線A，B，C，D對應(yīng)的各放電燈中石英玻璃的組成條件如下表所示。
表1曲線Na，K，Ti，F(xiàn)e的總含有量OH基的含有量A 2.5ppm以下 100ppmB 4.2ppm 100ppmC 4.5ppm 不到10ppmD 6.4ppm 不到10ppm
曲線A是滿足本實施例定義的鈉(Na)，鉀(K)，鈦(Ti)和鐵(Fe)4種元素組成的元素總含有量在2.5ppm以下，包含10ppm以上的OH基的條件，曲線B，C，D不滿足這個條件。如在圖2中我們看到曲線A表示最佳結(jié)果那樣地，通過按照本發(fā)明設(shè)定作為石英玻璃中的雜質(zhì)鈉(Na)，鉀(K)，鈦(Ti)，鐵(Fe) 4種元素的總含有量和OH基的含有量，能夠很大地提高時間過程中短波長區(qū)域的紫外線照度維持率。此外，當(dāng)進(jìn)行圖2的實驗時，在大氣中發(fā)生由于對紫外線的反應(yīng)產(chǎn)生的臭氧，因為這樣產(chǎn)生的臭氧介于放電燈和紫外線強(qiáng)度計之間造成測定值零散，所以將紫外線強(qiáng)度計直接貼附在放電燈外面進(jìn)行測量。
在適用本發(fā)明的用紫外線的有機(jī)物分解處理等的技術(shù)領(lǐng)域中，因為不管放電燈的輸入密度的大小，一般將使用1年后的紫外線維持率保持在70％那樣地設(shè)計裝置，所以從這個觀點出發(fā)，我們看到造成圖2曲線A的結(jié)果的石英玻璃組成是有效的，而造成圖2曲線B，C，D的結(jié)果的石英玻璃組成顯然是無效的。這樣，如果作為石英玻璃中的雜質(zhì)鈉(Na)，鉀(K)，鈦(Ti)，鐵(Fe)4種元素的總含有量在“2.5ppm以下”，則能夠確保使用1年后的紫外線維持率在70％以上。此外，如果關(guān)于OH基的含有量沒有注釋，則不到10ppm對于Si-OH的再結(jié)合效果來說是不夠的。
此外，由上述原材料構(gòu)成的石英玻璃，不限于放電燈自身的發(fā)光管泡，也能夠用于暴露在220nm以下波長區(qū)域的紫外線中使用的任何部分，部品，裝置中。例如，能夠用與本發(fā)明有關(guān)的石英玻璃作為如圖4所示的在外管(保護(hù)管)20上的紫外線透過性玻璃壁的材質(zhì)。這種收藏放電管的外管(保護(hù)管)即容器的形狀不限于圓筒形，也可以是任何形狀。
當(dāng)然，構(gòu)成與本實施例有關(guān)的放電燈31的發(fā)光管泡11的熔融石英玻璃的類型不限于上述氣體熔融型，例如也可以是電熔融型。
進(jìn)一步，與本實施例有關(guān)的放電燈31的其它實施形態(tài)的特征是用合成石英玻璃構(gòu)成發(fā)光管泡11，這時，在能夠高效率地發(fā)出波長185nm的紫外線的所定條件下決定該放電燈31的尺寸(管泡內(nèi)徑和燈絲間距離等的諸尺寸)。
我們將在后面進(jìn)行詳細(xì)的述說，但是，因此，能夠達(dá)到提高放電燈的短波長區(qū)域的紫外線照度維持率，并且，提高短波長區(qū)域的紫外線照度效率的目的。在這種高性能的放電燈中，當(dāng)將抑制了254nm的紫外線照度下降的放電燈用于處理液體用的紫外線照射裝置中時，因為能夠達(dá)到提高處理能力和使裝置壽命飛躍地增加的目的，所以具有極大的意義。
現(xiàn)在我們說明在用合成石英玻璃構(gòu)成發(fā)光管泡11的情形中，放電燈31的尺寸(管泡內(nèi)徑和燈絲間距離等的諸尺寸)的設(shè)定條件的一個例子。與本實施例有關(guān)的放電燈31的特征是為了能夠高效率地發(fā)出波長185nm的紫外線那樣地，由合成石英玻璃構(gòu)成的發(fā)光管泡11的內(nèi)徑D(單位mm)的尺寸為8mm以上，令燈絲21a，21b的間隔為L(單位cm)，點亮?xí)r的燈電壓為V(單位V(伏))，燈電流為I(單位A(安))時，具有下列關(guān)系式那樣地設(shè)定各值的關(guān)系。
(V-Vf)/L=X/(D·I),]]>但是2.6≤X≤4.2這里，Vf是陽極電壓降電壓，是由點亮電源唯一決定的因子(常數(shù)因素)，當(dāng)由1kHz以上的高頻電源點亮?xí)rVf＝10，當(dāng)由不到1kHz的電源點亮?xí)rVf＝50。
其次，我們說明作為高效率地發(fā)出波長185nm的紫外線的條件導(dǎo)出上述那樣的關(guān)系式的根據(jù)。
本發(fā)明者們準(zhǔn)備好多個具有各種尺寸的基本構(gòu)造與圖1所示的放電燈31相同的放電燈，將它們作為對象進(jìn)行種種實驗，對放電燈的電特性與185nm紫外線強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行評介。具體地說，在這些實驗中所用的各放電燈的尺寸是用內(nèi)徑8mm，13mm，18mm，23mm的各個管徑，壁厚1mm，管長100～160cm的合成石英玻璃管，將燈絲間距離L(cm)設(shè)定為95～153cm。當(dāng)實驗時，在中央部分附有用于測定185nm紫外線強(qiáng)度的支管，構(gòu)成T字形的玻璃管內(nèi)插入作為實驗對象的放電燈，在該玻璃管內(nèi)充滿氮?dú)獠⑶以谕鈧?cè)流動著冷卻水。又，在點亮電源中準(zhǔn)備好約40kHz的電子鎮(zhèn)流器(穩(wěn)定器)和商用頻率的電磁鎮(zhèn)流器(穩(wěn)定器)這樣兩種鎮(zhèn)流器，令點亮?xí)r的燈電流分成0.4A，0.6A，0.8A，1.0A，1.4A(安)5個階段。此外，用股份有限公司制造廠生產(chǎn)的紫外線照度計UV-185(商品名)進(jìn)行185nm紫外線強(qiáng)度的測定。
在上述條件下，電流大致保持恒定，一面改變冷卻水的溫度一面測定各種電特性即燈電壓V，燈電流I，燈功率和185nm紫外線強(qiáng)度。改變冷卻水溫度的理由是為了改變汞蒸氣壓。即，這是因為考慮到185nm紫外線輻射效率和電特性與汞蒸氣壓有關(guān)，所以要明確這種關(guān)系。通過改變冷卻水溫度改變剩余汞滯留的最冷部分的溫度，改變汞蒸氣壓。順便地說，因為燈電壓V與燈內(nèi)的汞蒸氣壓即蒸發(fā)量有關(guān)，所以通過改變最冷部分的溫度，能夠可變地設(shè)定燈電壓V。在由這種物理尺寸構(gòu)成的放電燈中，因為燈電流I也是由鎮(zhèn)流器決定的常數(shù)因素，所以能夠左右185nm紫外線強(qiáng)度的因素主要是燈電壓V。因此，通過改變冷卻水溫度，結(jié)果可以改變燈電壓V使它具有各種值，通過測定該燈電壓V的值同時每次測定185nm紫外線強(qiáng)度，可以判明在由該物理尺寸和所定燈電流I構(gòu)成的條件下，185nm紫外線強(qiáng)度與燈電壓V的相關(guān)性。為此，進(jìn)行這樣的測定。
根據(jù)這個測定結(jié)果，關(guān)于185nm紫外線強(qiáng)度，從“每單位消耗電功率的紫外線強(qiáng)度”的觀點出發(fā)，將測定的185nm紫外線強(qiáng)度的值除以測定的燈電功率，將它的商作為“輻射效率”的指標(biāo)(即“185nm紫外線輻射效率”)。又，關(guān)于燈電壓，從“每單位長度的電壓”的觀點出發(fā)，從測定的燈電壓值V(V)減去稱為陽極電壓降電壓(Vf)的固定值Vf(V)，將它的結(jié)果“V-Vf”除以燈絲間距離L，將這個商作為“電位梯度”(即，每單位長度的燈絲間距離的燈電壓)。即，通過將測定的“185nm紫外線強(qiáng)度”和“燈電壓V”分別換算成“185nm紫外線輻射效率”和“電位梯度”(每單位長度的燈絲間距離的燈電壓)，能夠?qū)Ρ扰c“電位梯度”的各值對應(yīng)的“185nm紫外線輻射效率”的值，從而能夠掌握輻射效率高的條件應(yīng)該是什么樣的。此外，關(guān)于陽極電壓降電壓Vf，如上所述，當(dāng)由1kHz以上的高頻電源點亮?xí)rVf＝10，當(dāng)由不到1kHz的電源點亮?xí)rVf＝50。
圖3是表示，作為一個例子，在用壁厚1mm的合成石英玻璃管的放電燈的尺寸為內(nèi)徑13mm，管長154cm，燈絲間距離147cm的物理條件下，當(dāng)作為電條件，燈電流I為1A(安)，使用約40kHz的電子鎮(zhèn)流器(即Vf＝10)時“電位梯度”與“185nm紫外線輻射效率”的測定結(jié)果的圖，是令“電位梯度”的值為橫軸，與它相對應(yīng)的“185nm紫外線輻射效率”的值為縱軸，用曲線表示測定結(jié)果的圖。如上所述，通過改變冷卻水的溫度改變燈電壓V。如果根據(jù)圖2，則我們判明當(dāng)“電位梯度”約為0.88(V/cm)時，“185nm紫外線輻射效率”達(dá)到最高值(約“6”)。從而判定如果使“185nm紫外線輻射效率”處于包含它的最高值即峰值(圖2的例子中約為“6”)的適當(dāng)?shù)脑试S范圍內(nèi)那樣地，設(shè)定物理和電的諸條件，則能夠提供可以高效率地輻射185nm紫外線的放電燈和紫外線照射裝置。作為這個允許范圍，通過觀察實際的紫外線照射狀態(tài)，判明將“185nm紫外線輻射效率”峰值的約60～70％包含在允許范圍內(nèi)是適當(dāng)?shù)?。例如，在圖3的例子中，如果“185nm紫外線輻射效率”的值即便最低也在3.6以上，則可以認(rèn)為能夠得到高效率的輻射。這時，從圖可以判明最好使“電位梯度”處于約0.72～1.16的范圍內(nèi)那樣地設(shè)定諸條件。
進(jìn)一步我們說明其它的實測結(jié)果。在尺寸與圖3相同的管徑13mm，管長154cm，燈絲間距離147cm的放電燈中，改變燈電流I使它具有各種不同的值，在各個燈電流值探索使“185nm紫外線輻射效率”成為峰值的最佳“電位梯度”。將從這個結(jié)果得到的各燈電流值(縱軸)的最佳“電位梯度”(橫軸)畫成曲線圖，如圖4所示。從圖4我們判定最佳“電位梯度”大致與燈電流值(I)的平方根( )成反比。
下面同樣地，對于本實驗中使用的上述全部尺寸的放電燈，探索使“185nm紫外線輻射效率”成為峰值的最佳“電位梯度”，結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)在無論什么樣的管徑，最佳“電位梯度”大致與燈電流值(I)的平方根( )成反比。又，將管徑(D)作為參數(shù)畫出最佳“電位梯度”，結(jié)果我們判明如圖5所示在無論什么樣的電流，最佳“電位梯度”也大致與管徑(D)的平方根( )成反比。即，我們發(fā)現(xiàn)在內(nèi)徑(D)為8～23mm的放電燈中，在燈電流0.4～1.4A的范圍內(nèi)工作時，為了得到最大的185nm的輻射效率的最佳“電位梯度”與管徑(D)和電流值(I)的平方根( 和 )成反比。這成為在用高頻率的電子鎮(zhèn)流器和商用頻率的電磁鎮(zhèn)流器的任何一個的情形中如果只考慮點亮電流的因子則也將它包含在內(nèi)的結(jié)果。
如上所述，在最佳“電位梯度”，“電位梯度”即“(V-Vf)/L”具有與管徑(D)的平方根( )和燈電流I的平方根( )成反比的關(guān)系，令這個比例常數(shù)為X時，由下列那樣的關(guān)系式表示。
(V-Vf)/L=X/(D·I)]]>在上述圖3的例子中，因為內(nèi)徑D＝13mm，燈電流I＝1A，所以 約為3.605，所以為了使“電位梯度”處于上述的約0.72～1.16的允許范圍內(nèi)，比例常數(shù)X最好取大致在“2.6≤X≤4.2”的范圍內(nèi)的值。
考慮到以上的實驗結(jié)果，在用圖1所示的由合成石英玻璃構(gòu)成的發(fā)光管11的放電燈31中，由合成石英玻璃構(gòu)成的發(fā)光管11的內(nèi)徑D(單位mm)的尺寸為8mm以上，令燈絲21a，21b的間隔為L(單位cm)，點亮?xí)r的燈電壓為V(單位V(伏))，燈電流為I(單位A(安))時，具有下列關(guān)系式那樣地設(shè)定各值的關(guān)系，得到為了高效率地輻射185nm紫外線的條件最好是什么的結(jié)論。
(V-Vf)/L=X/(D·I),]]>但是2.6≤X≤4.2
這里，如上所述，作為由點亮電源唯一決定的因子的陽極電壓降電壓Vf當(dāng)由1kHz以上的高頻電源點亮?xí)rVf＝10，當(dāng)由不到1kHz的電源點亮?xí)rVf＝50。
這樣，與上述實施例有關(guān)的放電燈31，作為根據(jù)上述條件的一個例子，除了發(fā)光管泡的內(nèi)徑13mm，燈絲間距離153cm，發(fā)光管泡11的材質(zhì)由合成石英玻璃構(gòu)成外，如圖1所示，在上述發(fā)光管泡11內(nèi)表面上形成金屬氧化物(在本實施例中作為一個例子為氧化Al)的薄膜44。
其次，我們參照圖6說明長期間點亮這個放電燈31進(jìn)行實驗得到的紫外線照度維持率的測定結(jié)果。在圖6中，橫軸為點亮?xí)r間，縱軸為將根據(jù)本發(fā)明的放電燈的照度初始值作為100％時的185nm和254nm波長的紫外線照度。在發(fā)光管泡11內(nèi)表面上形成薄膜44，結(jié)果我們判明幾乎看不到254nm波長區(qū)域的紫外線照度的下降，與上述圖9所示的已有放電燈比較，飛躍地提高了照度維持率。又，我們判明也極大地提高了185nm波長區(qū)域的紫外線照度維持率。
因為與本發(fā)明有關(guān)的紫外線液體處理裝置即紫外線照射裝置用于例如半導(dǎo)體制造工序中使用的超純水的精制，所以這時必須能夠經(jīng)受1年～3年的長期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。如果用根據(jù)本發(fā)明的放電燈，則能夠達(dá)到提高TOC(Total Organic Carbon全有機(jī)體碳)分解處理能力和減輕離子交換樹脂負(fù)擔(dān)的相乘的效果。從而，本發(fā)明對于半導(dǎo)體制造工序等中使用的超純水的精制處理是最適宜的。當(dāng)然，與本發(fā)明有關(guān)的紫外線液體處理裝置不限于半導(dǎo)體制造工序，也可以用于飲料制造，食品制造，醫(yī)療，水處理等為了有機(jī)物的分解處理·殺菌·消毒等而實施液體處理的廣泛領(lǐng)域。圖7是表示關(guān)于搭載根據(jù)已有技術(shù)的放電燈的紫外線照射裝置B和搭載本發(fā)明的實施例所述的放電燈的紫外線照射裝置A，以每單位消耗電功率量的流量比較它們的使TOC濃度10ppb的原水達(dá)到1ppb以下的處理能力的實測數(shù)據(jù)的圖。該圖表示以裝置B的初期值為100％。我們可以判定在已有裝置B和本發(fā)明裝置A中，首先在初期存在大的性能差，隨著使用時間的增加差異變得更大。這種TOC處理能力的提高是由于185nm紫外線輻射效率和維持率的提高造成的，但是短波長區(qū)域的紫外線過多，如上所述，生成過多的過氧化物，導(dǎo)致離子交換樹脂的壽命縮短，然而，如果用與本發(fā)明有關(guān)的放電燈，則能夠通過抑制254nm紫外線的照度下降，減輕離子交換樹脂的負(fù)擔(dān)。
圖8是在后段的離子交換樹脂工序的出口測定根據(jù)已有技術(shù)的紫外線照射裝置B和使用本發(fā)明實施例所述的放電燈的紫外線照射裝置A中的處理水的電阻率的結(jié)果。在圖8中，縱軸表示電阻率值，橫軸表示點亮?xí)r間。電阻率值與過氧化物的濃度有關(guān)，過氧化物的濃度越高，電阻率值越低。即，因為離子交換樹脂惡化引起的過氧化物泄漏增加，電阻率值下降，所以離子交換樹脂出口的電阻率值隨時間的變化成為離子交換樹脂惡化水平的指標(biāo)。在裝置使用初期的電阻率值在已有裝置B和本發(fā)明裝置A的任何一個裝置中都為18MΩ強(qiáng)，但是在從裝置開始使用時算起的1年后的時刻，已有裝置B的電阻率值降低到要更新離子交換樹脂的約16MΩ，與此相反，已經(jīng)判明在本發(fā)明裝置A中，經(jīng)過使用期間后電阻率值的下降也是極少的，能夠減輕離子交換樹脂的負(fù)擔(dān)。這是因為254nm波長區(qū)域的紫外線照度維持率飛躍地提高，維持了過氧化物處理能力。
如上所述，本發(fā)明是在一起發(fā)出220nm以下短波長區(qū)域和254nm的紫外線的放電燈中，在發(fā)光管內(nèi)表面上形成金屬氧化物薄膜，提高了254nm的紫外線照度維持率，用來自該放電燈的紫外線對作為處理對象的液體進(jìn)行有機(jī)物分解等處理，促進(jìn)不希望的中間生成物分解的發(fā)明。在上述實施例中，我們說明了用合成石英玻璃構(gòu)成發(fā)光管，在能夠高效率地發(fā)出波長185nm的紫外線的所定條件下決定該放電燈的尺寸，雖然這時能夠得到特別大的作用效果，但是本發(fā)明的實施樣態(tài)不限于此，例如，作為上述發(fā)光管的原材料，用通常的(天然)石英玻璃時也能夠得到同樣的作用效果。又，我們說明了用作在放電燈的玻璃內(nèi)表面上形成的薄膜的金屬氧化物，作為一個例子使用氧化Al的情形，但是不限于此，如果以從Al，硅，鈣，鎂，釔，鋯和鉿中選出的至少一種以上的金屬的氧化物為主要成分，則也是有效的。此外，放電燈的形態(tài)，如果是一起發(fā)出220nm以下的波長區(qū)域和254nm的紫外線的放電燈，則在封入汞和其它金屬的合金型的放電燈，燈絲總是加熱著的連續(xù)加熱型或燈絲和陽極合并設(shè)置型等等的任何一種形態(tài)中都能夠應(yīng)用本發(fā)明，能夠得到同樣的作用效果。
如上所述，如果根據(jù)本發(fā)明，則顯著提高了一起發(fā)出220nm以下波長區(qū)域和254nm的紫外線的放電燈中的254nm的紫外線照度維持率，同時提高了220nm以下的紫外線輻射效率，通過提高了照度維持率，在使用該放電燈的液體處理裝置和方法中能夠達(dá)到各設(shè)備機(jī)器的長壽命和節(jié)省能量，節(jié)省維護(hù)的效果。
權(quán)利要求
1.液體處理裝置，它的特征是在用從一起發(fā)出220nm以下的紫外線和254nm的紫外線的放電燈輻射出來的紫外線照射作為處理對象的液體，進(jìn)行該液體的有機(jī)物分解處理等的液體處理裝置中，作為上述放電燈，使用在它的發(fā)光管內(nèi)表面上形成金屬氧化物薄膜的放電燈。
2.液體處理裝置，它的特征是在用從一起發(fā)出220nm以下的紫外線和254nm的紫外線的放電燈輻射出來的紫外線照射作為處理對象的液體，進(jìn)行該液體的有機(jī)物分解處理等的液體處理裝置中，作為上述放電燈，使用該放電燈的發(fā)光管是由將天然水晶或硅砂作為出發(fā)原料，由鈉，鉀，鈦和鐵4種元素組成的元素總含有量在2.5ppm以下，包含10ppm以上的OH基的石英玻璃構(gòu)成的，在這個發(fā)光管內(nèi)表面上形成金屬氧化物薄膜的放電燈。
3.液體處理裝置，它的特征是在用從一起發(fā)出220nm以下的紫外線和254nm的紫外線的放電燈輻射出來的紫外線照射作為處理對象的液體，進(jìn)行該液體的有機(jī)物分解處理等的液體處理裝置中，作為上述放電燈，使用備有由內(nèi)徑8mm以上的合成石英玻璃構(gòu)成的發(fā)光管和在這個發(fā)光管的兩端上相距L(cm)間隔的一對燈絲，在內(nèi)部封入稀有氣體和至少含有汞的金屬，點亮?xí)r的燈電壓為V(V)與燈電流為I(A)，燈絲間距離L(cm)，放電路徑的內(nèi)徑D(mm)具有下列關(guān)系式，并且在上述發(fā)光管內(nèi)表面上形成金屬氧化物薄膜的放電燈。(V-Vf)/L=X/(D·I),]]>并且2.6≤X≤4.2但是，Vf是與點亮電源有關(guān)的常數(shù)因子，當(dāng)由1kHz以上的高頻電源點亮?xí)rVf＝10，當(dāng)由不到1kHz的電源點亮?xí)rVf＝50。
4.權(quán)利要求項1到3中任何一項記載的液體處理裝置，它的特征是在上述放電燈的發(fā)光管內(nèi)表面上形成的金屬氧化物薄膜以由Al，硅，鈣，鎂，釔，鋯和鉿中選出的至少一種以上的金屬的氧化物為主要成分。
5.液體處理方法，它的特征是在用從一起發(fā)出220nm以下的紫外線和254nm的紫外線的放電燈輻射出來的紫外線照射作為處理對象的液體，進(jìn)行該液體的有機(jī)物分解處理等的液體處理方法中，作為上述放電燈，使用在它的發(fā)光管內(nèi)表面上形成金屬氧化物薄膜的放電燈。
6.液體處理方法，它的特征是在用從一起發(fā)出220nm以下的紫外線和254nm的紫外線的放電燈輻射出來的紫外線照射作為處理對象的液體，進(jìn)行該液體的有機(jī)物分解處理等的液體處理方法中，作為上述放電燈，使用該放電燈的發(fā)光管是由將天然水晶或硅砂作為出發(fā)原料，由鈉，鉀，鈦和鐵4種元素組成的元素總含有量在2.5ppm以下，包含10ppm以上的OH基的石英玻璃構(gòu)成的，在這個發(fā)光管內(nèi)表面上形成金屬氧化物薄膜的放電燈。
7.液體處理方法，它的特征是在用從一起發(fā)出220nm以下的紫外線和254nm的紫外線的放電燈輻射出來的紫外線照射作為處理對象的液體，進(jìn)行該液體的有機(jī)物分解處理等的液體處理方法中，作為上述放電燈，使用備有由內(nèi)徑8mm以上的合成石英玻璃構(gòu)成的發(fā)光管和在這個發(fā)光管的兩端上相距L(cm)間隔的一對燈絲，在內(nèi)部封入稀有氣體和至少含有汞的金屬，點亮?xí)r的燈電壓為V(V)與燈電流為I(A)，燈絲間距離L(cm)，放電路徑的內(nèi)徑D(mm)具有下列關(guān)系式，并且在上述發(fā)光管內(nèi)表面上形成金屬氧化物薄膜的放電燈。(V-Vf)/L=X/(D·I),]]>并且2.6≤X≤4.2但是，Vf是與點亮電源有關(guān)的常數(shù)因子，當(dāng)由1kHz以上的高頻電源點亮?xí)rVf＝10，當(dāng)由不到1kHz的電源點亮?xí)rVf＝50。
全文摘要
本發(fā)明涉及紫外線液體處理裝置和處理方法。根據(jù)本發(fā)明能夠抑制當(dāng)用220nm以下短波長區(qū)域的紫外線進(jìn)行液體中的有機(jī)物分解處理時容易發(fā)生的過氧化物的生成。用從一起發(fā)出220nm以下的紫外線和254nm的紫外線的放電燈輻射出來的紫外線照射作為處理對象的液體，進(jìn)行該液體的有機(jī)物分解處理等。通過用在發(fā)光管內(nèi)表面上形成金屬氧化物薄膜的放電燈作為這種放電燈，能夠防止放電燈點亮?xí)r產(chǎn)生的氧化汞吸附在發(fā)光管內(nèi)表面上，能夠抑制254nm紫外線的照度隨時間下降。因為254nm紫外線對分解過氧化物有貢獻(xiàn)，所以隨時間經(jīng)過維持254nm紫外線的照度能夠長期抑制被處理液體中的過氧化物的生成量。
文檔編號C02F1/32GK1502563SQ0215274
公開日2004年6月9日 申請日期2002年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月27日
發(fā)明者中野浩二 申請人:株式會社日本光電科技