紫外氧化技术

紫外氧化技术（精选四篇）

紫外氧化技术 篇1

大多数人都了解紫外线会造成皮肤伤害, 实际上紫外线还能伤害眼睛。假如眼睛防紫外线不利, 将造成健康问题, 例如白内障, 眼睛附近的皮肤癌和翼状胬肉—一种眼角膜的异增长。宾夕法尼亚州立大学的研究职员希望用一个新的配方制作玻璃制作太阳眼镜来更好的保护眼睛。研究小组发现, 对磷酸盐玻璃添加氧化铈可能使太阳镜, 窗户和太阳能电池, 更有效地阻止紫外线, 增加了耐辐射性。

传统的太阳镜由硅酸盐玻璃制作而成。在过去, 铈已被添加到硅酸盐玻璃进步其紫外吸收特性, 但是硅酸盐玻璃只能吸收一部门铈, 假如吸收过量, 将变成黄色。这对太阳镜和窗户来说, 不是一个最佳的效果。此外, 研究职员发现磷酸盐玻璃比硅酸盐玻璃在玻璃变色之前能吸收更多的铈。

JenRygel, 该研究项目研究职员之一和CarloPantano, 材料科学与工程学教授, 宾夕法尼亚州大学的材料研究所主任, 2人一起比较了11种含有铈、铝、磷、硅不同浓度的合成玻璃。他们发现, 磷酸盐玻璃比硅酸盐玻璃多吸收16倍的铈, 并保持磷酸盐玻璃吸收紫外线和维持正常颜色的能力。 (摘自中国建材新闻网)

紫外诱变筛选高效氧化亚铁硫杆菌 篇2

紫外诱变筛选高效氧化亚铁硫杆菌

为了取得高效氧化亚铁硫杆茵(T.f菌),采用紫外线诱变处理,对照射1.5 min,3 min,5 min的`菌株进行实验测试,结果表明,T.f3将Fe2+完全氧化由7 d缩短为5 d,并且在较低SO2-3浓度范围内,Fe2+浓度与SO2-3的氧化速率呈正相关性,但当茼液浓度一定时,增加Fe2+浓度,SO2-3的氧化速率不会明显增加.

作 者：马超杰 黄学敏 凌海志 袁博文 Ma Chaojie Huang Xuemin Ling Haizhi Yuan Bowen 作者单位：西安建筑科技大学,环境与市政工程学院,陕西,西安,710055刊 名：环境科学与管理英文刊名：ENVIRONMENTAL SCIENCE AND MANAGEMENT年，卷(期)：34(11)分类号：X752关键词：紫外诱变 高效 氧化亚铁硫杆菌

紫外线水消毒技术的中国拓荒者 篇3

谈到为什么紫外线消毒技术备受青睐，在国内外得到快速发展，刘文君教授介绍到：“通过加氯消毒控制饮用水传播致病菌是20世纪人类取得的重大技术进展，但1993年发生在美国威斯康辛州密沃斯基市（Milwaukee）的一个悲剧改变了人们对氯消毒技术的乐观态度。”1993年5月，密沃斯基一个承担50万人口供水任务的自来水厂发生微生物感染，导致57人死亡，5万多人住院治疗。在对饮用水水质高度重视的美国发生如此惨剧，震惊了全世界。后来经过全面深入研究，发现是一种叫隐孢子虫的原虫导致的，因为这种原虫对氯消毒有抗性，也就是说常规的氯消毒不能有效控制隐孢子虫的传染性。上世纪末国外研究人员发现紫外线恰好能有效控制隐孢子虫，弥补氯消毒的不足，因此紫外线消毒技术立即就“火”了，受到美国、加拿大、日本以及欧洲不少国家的高度重视。而刚好刘文君教授当时在加拿大滑铁卢大学从事博士后研究，课题就是美国环保局（EPA）和给水工程协会研究基金会（AWWARF）资助的关于紫外线消毒技术的重大课题，因此一下子进入国际前沿研究团队。这支研究团队包括当时国际紫外线协会常务副主席James Bolton教授和今年刚当选为下一届国际紫外线主席的Karl Lindern教授。能在一个课题组同时接触这么多高水平专家，刘文君教授现在回忆起来还感叹自己很幸运。

2003年，经人才引进，刘文君教授回到母校清华大学任教。那一年发生了震惊全世界、影响深远的SARS爆发事件。现在大家可能已经淡忘了当时的情形，但在那时小小的病毒搅得首都北京鸡犬不宁，整个中国损失巨大。由此使水消毒的重要性引起政府高层、水行业和普通百姓的高度关注。刘文君教授还清晰地记得回国后应邀作的第一个重要学术报告就是在2003年北京国际消毒技术研讨会上介绍水消毒技术的发展情况、不同消毒技术的优缺点和应用特性。该主题报告受到热烈欢迎并获得一等奖。在了解到国内消毒技术研究比较落后的情况后，他确定了自己的研究主攻方向为安全消毒技术，并把当时国际上也是刚刚起步的紫外线消毒技术作为研究重点。

从此在紫外线消毒技术方面，刘文君教授创造了多项第一：在国内第一个建立了国际标准的紫外线实验装置，自行设计了国内第一台兼有低压、中压紫外线辐射系统的平行光仪，开展了第一次中试规模的饮用水紫外线消毒研究，承担了“十一五”农村饮用水紫外线消毒技术研究和工程示范，主持了国内第一座市政供水的紫外线消毒工程（天津泰达自来水厂三期紫外线消毒工程），成立了国内第一个安全消毒研究中心，作为我国学者第一次入选国际紫外线协会常务理事，担任国家标准化管理委员会于2007年批准成立的紫外线消毒标准化技术委员会主任至今，作为主要技术负责人参与制定了我国第一部紫外线消毒国家标准《城市给排水紫外线消毒设备》（GB/T19837-2005）。特别值得一提的是天津泰达自来水厂三期紫外线消毒工程，经过两年运行后，于2011年5月在巴黎召开的国际紫外线协会（IUVA）第六届大会上获得“2010年度IUVA最佳工程奖”，获奖理由是：“通过科研和设计的有机结合，完全依靠本地的技术人员将紫外线新技术应用于工程实际并取得突出效果”。

刘文君教授不但开创了国内大型市政给水紫外线安全消毒工程应用的新领域，在基础研究方面也取得了国际同行高度认可的成果，对紫外线与氯的协同消毒机理、紫外线消毒后微生物复活问题、紫外线消毒后的管网水质微生物稳定性的控制等都提出了重要新见解，提出在保持紫外线剂量的情况下通过提高紫外线强度控制微生物复活的新方法，这些研究成果为推动紫外线技术的健康应用作出了极大贡献。

刘文君教授解释，紫外线消毒技术主要有三方面的优点：1）对抗氯性的两虫（隐孢子虫、贾第鞭毛虫）有较好灭活作用，对细菌、病毒有高效光谱消毒效果。国外一般习惯生饮水，对水的生物安全性要求很高。尽管我国由于历史原因习惯饮茶和饮开水，但《生活饮用水卫生标准（GB5749-2006）》提出的水质指标是保证水龙头水可以直接饮用的。2）消毒副产物的问题。中国目前多数水源都受到不同程度的污染，加氯消毒后产生消毒副产物是个比较普遍存在的问题。部分消毒副产物中对人体有一定的危害，如饮用水标准中规定的三卤甲烷、卤乙酸等是致癌物，特别是卤乙酸由于沸点比较高，在烧开水过程中可能会浓缩。而且水消毒过程中产生的消毒副产物比饮用水水质标准中规定的副产物要多得多。紫外线在消毒剂量范围内则不产生任何副产物。3）从公共安全角度讲，消毒用的液氯有一定风险，在生产、运输、储存和使用过程中都有泄漏的风险，因此北京、上海、广州、深圳等举办大型国际活动的城市都禁止用液氯，而改用次氯酸钠等相对安全的化学试剂。刘教授谈到，美国曾报道液氯是恐怖分子最容易获得的危险品，一个液氯罐可以造成几万人的伤亡。而紫外线消毒系统则十分安全，对公共安全不构成潜在威胁。

但是刘文君教授强调，任何一种技术都有利有弊，紫外线消毒同样有一定的缺点，主要有：1）不能维持供水管网持续消毒效果，因此需要与氯或者氯胺配合使用。当然在欧洲（如德国、荷兰、奥地利等）一些水质较好的城市只用紫外线消毒就可以保证管网水质微生物安全性，但就中国目前的现状而言，由于水质的生物稳定性很差，城市的管网很大，管网系统老化和管理不严格等问题，紫外线消毒后管网不加氯或氯胺是不行的，或许在将来水质改善后在一些管网较小的地方可以实现只用紫外线消毒。刘教授在进行农村紫外线消毒示范工程研究中也证实了这一点。2）紫外线消毒后微生物复活的问题。刘教授说这是大家普遍关心的问题之一，他说紫外消毒的原理只是DNA碱基对的多聚化，让DNA不能复制从而破坏微生物的遗传能力，因此在一定的光照条件下也会发生解聚，即发生消毒后“死亡”的微生物复活的问题，这个问题在市政污水消毒中确实存在，但在市政供水管网中则不是问题，因为供水管网被封闭埋在地下，没有光照条件。另外还有余氯确保控制管网微生物问题。因此紫外线消毒是足够安全的，国外已有较多大型市政供水紫外线消毒应用的先例。

谈到多年来的教学科研生活和取得的成就，刘文君教授坦言国外留学的经历对他影响很大：“我在国外做过四年博士后研究，分别在新加坡、加拿大、美国的三所著名高校，三位合作导师都是国际著名水处理专家，三个地方都很有特点，能够体会到东西方文化不同对教育结果的影响。刚去的时候给我的感触是理念上的巨大差异，他们的研究态度很端正，不急功近利、科学性很强，强调研究过程的严谨和对机理的认识，这对我影响很大。目前国内应该说科研条件比十年前有较大进步，国家对科研的重视和巨大投入是历史上从未有过的。但因此在科研界也存在浮躁的问题，特别是研究过程和结论的科学性不够、严谨性不足的问题，所以我提出了十六个字的科研理念：国际视野，中国问题，科学方法，创新思维。”

刘文君教授科研理念中的“中国问题”是指技术研发的着眼点要针对我国发展的重大需求，而不是盲目效仿国外的研究课题。因为我国幅员辽阔，地区差异大、环保欠账多，饮用水污染事件频发，饮用水安全问题受到社会各界的广泛关注，特别是2012年全国将全面实行新的饮用水标准《生活饮用水卫生标准（GB5749-2006）》，水厂达标改造对适用技术有巨大的需求，因此研究人员需要对中国供水行业面临的主要技术挑战提出自己的答案。较好地回答这样的问题则需要有国际视野，借鉴发达国家过去的发展经验，更重要的是学习人家做研究的科学态度，这一点十分重要，否则投入越大，浪费越大。解决我国的饮用水安全问题更需要创新思维，因为我国饮用水领域相关专业人员面临巨大的挑战：水资源的短缺使得他们往往不得不将不符合饮用水源水质标准甚至受到较严重污染的水源水处理到满足越来越严格的、与国际接轨的饮用水水质标准的要求。

当我们佩服刘教授在紫外线消毒技术方面取得的成就时，刘教授笑着说，紫外线消毒只是他的一个研究领域，他主要的研究领域是饮用水安全保障技术，包括饮用水的生物预处理和臭氧活性炭深度处理、氯安全消毒新技术和饮用水生物稳定性等。我们了解到刘教授是国内最早进行消毒副产物和生物稳定性研究的学者，在国内建立了饮用水生物稳定性研究方法学和指标体系，提出了生物稳定性指标AOC（生物可同化有机碳）的测定方法并被广泛采用。除科研工作以外，在2005年11月松花江重大污染事故哈尔滨恢复供水工作中，他作为专家组主要成员兼新闻发言人，亲临现场，坚持一线，参与制定应急供水技术方案并成功实施，为哈尔滨市提前恢复供水作出突出贡献，受到相关部门的高度赞扬；并在其他污染事故应急处理中也发挥了突出作用。

除了推动水和废水紫外线消毒技术的发展，作为主要技术负责人，刘文君教授在“十一五”期间负责研发的以紫外线消毒为核心的远洋船舶压载水处理系统（Blue Ocean Shield，BOS）也于2009年通过国际海事组织（IMO）的初步认证，2010年通过交通运输部的评审和认证，目前正处于产业化阶段。BOS压载水处理系统为国内第一套通过国际和国内认证的压载水处理系统，为我国作为造船和远洋航运大国履行国际海事组织关于压载水管理相关国际公约提供了技术保障，具有重要战略意义。

“紫外线是一个很新的技术，别说是普通民众，很多专业人员对这项技术原理仍还很陌生。”多年来，刘文君和他的研究团队做过许多宣传教育工作，传播这方面的知识，对推动紫外线的应用起到一定的作用。但他认为还需要加大力气投入更多的研究和推广。他说：“很多人一开始觉得紫外线消毒很神秘，有一定了解后又觉得紫外线消毒很简单，这都是不对的。”他说目前市政污水紫外线工程较多，但存在问题也较多，以致有业内知名人士提出要给紫外线消毒技术进行“消毒”。刘教授完全同意这种意见，因为我国特殊的招标制度，使很多不符合要求的紫外线设备进入市场，从事紫外线设备生产和工程应用似乎很有“钱”途，因此一哄而上。很多厂家认为紫外线很简单，买灯管后模仿别人的产品就大功告成，实际上这种想法是错误的，而国家有关部门对此也缺少监管，因此市政污水紫外线消毒的确到了一个关键时期。刘教授十分担心一个很好的技术有被毁掉的危险。

按照国际惯例，紫外线消毒系统需要有独立第三方测试报告，但目前我国还没有这样的机构。刘文君教授一直希望清华大学的紫外研究中心能成为中国的紫外消毒设备第三方验证中心。他说，理论上紫外线反应器的计算值是不可靠的，必须采用生物验证确定剂量反应关系。紫外线是比较新的技术，在美国从研究到被批准在饮用水处理中的应用也仅仅用了短短的5年时间。作为相对保守的饮用水行业，这是以前从未有过的。由于微生物的实验比较专业，需要有专门的独立的第三方权威机构来检测。紫外消毒的剂量不像余氯那样可以实时检测，因此必须保证系统的稳定性、设计的合理性来减少风险。而由于紫外线消毒及相关知识的缺乏，有些设备公司由于设计不合理达不到水质要求，给用户和设备制造商带来损失。从法律和政策层面，需要国家主管部门授权的国家级机构来承担这个工作，目前在中国只有一些研究机构具备这个能力，但没有资质。

尽管刘文君对紫外线技术应用存在的问题表示担忧，但对其未来的发展仍表现出极大的信心，他说：“我们的消毒研究中心以及合作单位正在进行深入的研究，希望对紫外线技术应用和发展中碰到的问题从技术层面加以解决，紫外线消毒技术的前景是光明的。”

刘文君，清华大学环境学院教授、博士生导师。曾任饮用水安全研究所所长，现任环境学院党委副书记、全国紫外线消毒标准化委员会主任委员、国际紫外线协会（IUVA）常务理事、中国土木工程学会水工业分会秘书长、教育部留学基金委评审专家、中国工业经济联合会臭氧专业委员会专家理事、全国给水深度处理研究会理事兼秘书长。曾获2010年度国际紫外线协会最佳工程奖、2010年度第九届中国土木工程詹天佑奖、2008年度华夏奖、2008年北京市科学技术奖、2006年北京市优秀教师，入选2006年教育部新世纪优秀人才支持计划、获2003年北京国际消毒技术研讨会优秀论文一等奖、2001年全国百篇优秀博士论文称号，其领导的饮用水安全研究所获2008年度全国五一劳动奖状称号。

紫外氧化技术 篇4

关键词：SiO2纳米材料,紫外吸收光谱,羟基,含时密度泛函

0 引言

一维纳米材料具有不同于体材料的独特性质,被广泛研究。SiO2是玻璃、催化剂、微电子器件及光纤的重要组成部分,近年来成为一维纳米材料重要的候选者,纳米二氧化硅极强的紫外吸收特性使其在抗紫外涂料添加剂领域有着广阔的应用前景。SiO2纳米线在实验上已被激光烧蚀、溶胶-凝胶等方法所合成。最近对SiO2纳米颗粒复合物和中孔SiO2量子尺寸效应的研究主要是其光致发光特性。Yu等用激光烧蚀法合成了直径约15nm、长度100μm的SiO2纳米线,并发现其发出稳定高亮度的蓝光[1],Zhang等用溶胶-凝胶模板合成SiO2纳米管并发现明显的光致发光现象[2]。

由于SiO2有较强的亲水性,实验制备的SiO2纳米材料表面常伴随水分子和羟基存在,使材料物理化学性质发生改变,实验和理论上对二氧化硅和水的反应有大量研究[3]。实验表明多孔硅表面的光致发光通道与氢原子、羟基或水有关[4],因此对含羟基的硅氧团簇的研究有重要的理论和实践意义。

本文计算并研究了两种构型的一维SiO2纳米线的紫外吸收光谱,并分别对羟基加成前后的吸收光谱做了研究,研究了结构变化对光谱性质的影响,并发现羟基对电子结构有重要改变作用。

1 几何结构和计算方法

本文研究对于单链(1NL、1NLW)构型SiO2单元数n=4～12(n取偶数),对双链(2NL、2NLW)构型n=6～14(n取偶数)的紫外吸收光谱,并从电子结构进行分析,说明尺寸变化及羟基对团簇吸收光谱性质的影响。

首先用密度泛函B3LYP方法在6-31G(d)水平下优化结构并作频率计算得到稳定构型,在B3LYP方法中,交换能以Becke形式表示,相关能以LYP形式表示。然后在相同基组水平上用含时密度泛函(TD-DFT)方法对四种构型进行激发态光谱计算。考虑到二氧化硅体材料吸收主要在紫外及远紫外范围,本文只对单重激发态进行计算,计算的波长范围在100 nm至300 nm范围。计算使用Gaussian03软件包。

2 紫外吸收光谱分析

2.1 紫外光谱。

图1为四种构型随尺寸变化的吸收光谱图。两种单链结构1NL和1NLW在尺寸较小时(n=4～8)均在短波(120～135nm)范围有较强的吸收峰,随n增大这种吸收峰消失。这是由于计算资源的限制,无法包含距离分子前线轨道较远的轨道跃迁。本文主要讨论随尺寸规律变化的吸收峰。1NL及2NL结构吸收峰随尺寸变小微弱红移,约在5nm以内。而两种结构含羟基时,随尺寸减小吸收峰明显蓝移,范围分别为20nm(1NLW)和50nm(2NLW),表明羟基影响SiO2纳米线紫外吸收性质,使其随尺寸减小而蓝移。

为明确羟基造成SiO2纳米线吸收谱随尺寸减小蓝移的原因,进一步考查四种构型的电子结构。比较分子最高占据轨道(HOMO)和最低未占据轨道(LUMO)能量,发现羟基使LUMO轨道的能量比不含羟基时显著提升。表1以n=6、10为例列出了四种构型的LUMO能级的能量,含羟基结构的LUMO能级能量比无羟基结构高,且由于羟基的平均影响随链长的缩短而增强,链长越短,此现象越显著。

2.2 电子结构分析。

研究表明羟基可影响纳米团簇的能级结构,增强结构稳定性,但未指明羟基如何起作用。为说明羟基的作用方式,对四种构型的纳米结构分别进行总态密度(TDOS)和分波态密度(PDOS)分析,发现在1NL和2NL结构中,LUMO及其以上的分子轨道均由Si原子和链端氧原子轨道构成,其中Si原子轨道对分子轨道的贡献占95%以上,随链长减小,未占据分子轨道态密度减小,能量降低。在1NLW和2NLW结构中,羟基上的H原子轨道参与了LUMO以上分子轨道成键,分子的LUMO及其以上轨道主要由H原子和Si原子轨道构成,随链长减小,未占据分子轨道态密度减小,能量明显升高。图2为1NL和1NLW结构n=8时的PDOS图像,图中将链端氧原子(Terminal)和桥位氧原子(Bridge)的作用分别考虑。

从中可以看到含羟基结构的LUMO轨道能量明显升高。说明羟基主要与Si原子轨道相互作用,影响分子的LUMO轨道,使其能量升高。

羟基改变未占据轨道的电子密度分布,使其集中于分子中部图3以n=6、10为例显示了所有构型的LUMO能级电子分布,从中可观察到尺寸效应和羟基对电子波函数分布的影响。无羟基结构的电子轨道波函数主要分布于链端的Si原子上,而含羟基结构的电子轨道波函数主要分布于分子链中部的Si原子上,此现象随尺寸增长更加明显。羟基改变LUMO能级轨道波函数分布,进而影响能级能量使其升高,对于LUMO以上能级也有同样作用。

从图2中还观察到,无羟基结构的链端不饱和O原子形成分子的HOMO轨道,而双键结合羟基后,羟基上的氧主要形成分子的HOMO以下深层分子轨道,桥氧形成分子的HOMO前线轨道。这是由于羟基作为推电子基团,改变了分子内部电子云分布,使其向分子内部氧原子上集中所致。这同时说明羟基可以改变HOMO以下分子轨道的态密度。

3 结论

理论计算了二氧化硅纳米线及含羟基结构的紫外吸收光谱,并对其电子结构进行分析。发现1NL及2NL结构随尺寸缩小吸收光谱红移,而1NLW及2NLW结构随尺寸缩小明显蓝移,羟基使纳米二氧化硅能隙变宽。电子结构分析证明纳米二氧化硅未占据分子轨道主要由Si原子轨道形成。羟基的H原子可与Si原子作用,使未占据分子轨道波函数集中分布于分子链中部,轨道能量升高。同时羟基改变分子的电子分布,使占据分子轨道态密度发生变化。明确羟基对二氧化硅电子结构的影响,对理论研究和实际应用有重要指导意义。

参考文献

[1]Yu D P,Hang Q L,Ding Y,Zhang H Z,Bai Z G,Wang J J,Zou Y H,Qian W,Xiong G C,Feng S Q.Appl.Phy.Lett.,1998,73(21):3076-3078.

[2]Zhang Ming,Ciocan Eugenia,Bando Y,Wada K,Cheng L L,Pirouz P.Appl.Phy.Lett.,2002,80(3):91-93.

[3]Chuang I-Ssuer,Maciel Gary E.J.Am.Chem.Soc.,1996,118(2):401-406.

[4]Edrei R,Shauly E N,Roizin Y,Gridin V V,Akhvlediani R,Hoffman A.J.Electron.Mater.,2004,33(7):819-825.