光速光解：利用高强度紫外C光发光二极管进行定制化光解，实现无化学药剂降解微量有机污染物

《ACS ES&T Water》：Photolysis at the Speed of Light: Chemical-Free Degradation of Trace Organic Contaminants by Bespoke Photolysis Using High-Intensity Ultraviolet C Light-Emitting Diodes

本研究评估了275 nm紫外LED在降解痕量有机污染物（如雌激素E1和17β-E2）中的效能，并与传统汞灯（MP UV）系统对比。结果显示，UV LED系统在相同降解效果下所需紫外线剂量显著更低（E1需616 mJ/cm2，MP UV需5000 mJ/cm2），量子产率更高（E1达0.843 mol·E/s），且能源效率提升4倍。同时，UV LED可精准匹配化合物吸收谱，减少副产物生成，为水处理中替代汞灯和化学添加剂提供了新方案。

　　紫外线C光发射二极管（UV C LEDs）在水处理领域展现出巨大的潜力，尤其在针对痕量有机污染物（TrOCs）的降解方面。传统上，水处理系统主要依赖汞灯作为紫外线光源，但随着环保法规的日益严格，如欧盟通过的Regulation-2024/1849和联合国《水俣公约》对汞的使用限制，替代方案的开发变得至关重要。UV C LEDs作为固态光源，具有高效、环保、可调波长等优势，能够显著减少紫外线剂量和能耗，从而实现更高效的水处理效果。本文研究了UV C LEDs在特定波长下的光降解动力学，并评估了其与传统汞灯系统在去除特定痕量有机污染物方面的性能差异。

UV C LEDs的光谱特性使其在特定应用中具有独特的优势。它们能够发射窄波段的紫外线，如275 nm，这与许多TrOCs的吸收光谱高度匹配，从而提高降解效率。与传统汞灯系统相比，UV C LEDs的波长可调性使得它们能够针对特定污染物进行优化，这在水处理中具有重要意义。例如，研究发现，在275 nm紫外线照射下，某些化合物如雌酮（E1）和17β-雌二醇（17β-E2）的降解效率显著提高，同时减少了所需的紫外线剂量和能量。这种性能提升不仅有助于减少运行成本，还降低了对环境的影响，因为汞灯的使用和处置会对环境和人体健康产生潜在危害。

在实验设计方面，本文采用了两种不同的紫外线反应器：一种是新型的275 nm高通量流动式UV C LED反应器，另一种是传统的准直光束型反应器。流动式反应器的优势在于其高通量和短时间内的高紫外线剂量交付，而准直光束反应器则被广泛用于实验室研究。研究还对两种反应器的量子产率、反应速率常数和电能效率进行了比较。结果显示，275 nm UV C LED系统在去除特定TrOCs方面表现出更高的效率，这与其精确的波长匹配和高能量输出密切相关。

量子产率是评估光降解效率的一个重要指标，它反映了单位光子能量下化合物的降解反应速率。研究发现，对于不同的TrOCs，量子产率存在显著差异。例如，E1的量子产率在275 nm UV C LED系统下比在汞灯系统下高出53.1%。这种差异可以归因于光谱匹配性以及光子能量的有效利用。相比之下，尿素和咖啡因的降解效率较低，这可能与其吸收光谱与UV C LED的发射光谱不匹配有关。因此，在设计UV C LED系统时，必须充分考虑目标化合物的化学结构和吸收特性，以实现最佳的降解效果。

此外，研究还探讨了UV C LED系统的电能效率。在去除E1和17β-E2的实验中，UV C LED系统所需的电能显著低于汞灯系统。例如，在达到90%降解效率的情况下，17β-E2在275 nm UV C LED系统下所需的电能仅为汞灯系统的四分之一。这种高效的电能利用不仅降低了运行成本，还减少了碳排放，使UV C LEDs成为一种更可持续的水处理技术。

研究结果表明，UV C LEDs在水处理领域具有广阔的应用前景。它们不仅可以用于传统的消毒，还能通过精确的波长控制，实现对特定污染物的高效降解。这种技术的灵活性和可调性使其能够适应不同的水处理需求，包括点对点应用和大规模处理系统。随着材料科学和半导体技术的进步，UV C LEDs的效率和功率输出有望进一步提升，从而在未来的水处理应用中发挥更大的作用。

本文的研究还强调了光谱匹配在水处理中的重要性。不同污染物对紫外线的吸收特性不同，因此，选择合适的波长可以显著提高降解效率。这种精确的波长控制能力，使得UV C LEDs能够针对特定污染物进行优化，减少不必要的能量浪费和环境影响。此外，研究还指出，尽管UV C LEDs在某些情况下可能不如传统汞灯系统高效，但随着技术的进步，它们的性能将不断提升，最终可能成为更主流的水处理解决方案。

在环境和健康方面，UV C LEDs的优势尤为突出。汞灯的使用不仅涉及高能耗，还可能带来严重的环境和健康风险，如汞的排放和处理不当可能导致生态破坏和人体中毒。相比之下，UV C LEDs是无毒的，且能够减少对化学药剂的依赖，从而降低水处理过程中二次污染的风险。此外，UV C LEDs的运行成本较低，且寿命更长，使其在经济性和可持续性方面具有明显优势。

综上所述，UV C LEDs在水处理领域的应用潜力巨大。它们不仅能够有效去除痕量有机污染物，还能在减少能耗和环境影响方面发挥重要作用。随着技术的不断进步，UV C LEDs有望成为未来水处理系统的核心组件，推动行业向更环保、更高效的方向发展。本文的研究为这一技术的进一步开发和应用提供了重要的理论和实践基础，同时也为相关领域的科研人员和工程师提供了新的思路和方向。