基于光导板的紫外C发光二极管水消毒反应器效率优化研究

为解决紫外C发光二极管(UV-C LED)点光源辐照不均匀导致水消毒效率低的问题，台湾科技委员会资助团队设计出双面对称微结构光导板(LGP)，通过仿真和实验证实该DS构型使辐照均匀度提升至85.7%，在300 mL/min流速下对大肠杆菌(E. coli)灭活效果达5.1 log，较传统构型提升10.4%-19.0%，为饮用水安全处理提供新技术方案。

　　

在人类文明发展历程中，饮用水安全始终是公共卫生的核心议题。传统氯消毒会产生三卤甲烷等副产物，臭氧处理虽能实现7 log级大肠杆菌灭活却易生成溴酸盐。紫外C波段(200-280 nm)因其高能特性可直接破坏病原体DNA/RNA，正逐步取代汞灯成为主流消毒光源。然而UV-C LED存在先天局限——其点光源特性导致反应器内辐照不均，严重影响微生物灭活效率。

针对这一技术瓶颈，台湾科技委员会支持的研究团队创新性地将显示行业的光导板(LGP)技术引入水处理领域。这种通常用于液晶背光匀化的光学元件，通过精密设计的微结构能将LED点光源转化为均匀面光源。研究人员在《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》发表论文，系统比较了四种LGP构型对消毒性能的影响。

研究采用计算流体力学(CFD)模拟与生物实验相结合的方法。通过3D打印制作聚乳酸流动通道，配置16颗280 nm波长、115°发射角的UV-C LED阵列。关键创新在于石英玻璃LGP上的微结构设计：采用双面对称排列的圆柱形微结构(DS构型)，配合顶部铝反射层实现光线调控。实验以ATCC 25922标准大肠杆菌菌株为对象，通过平板计数法测定灭活效率。

Reactor configuration and LGP fabrication
研究构建的消毒反应器包含带扰流板的三维流动通道，计算显示300 mL/min流速下可形成增强混合的涡流。四种测试构型中，单面均匀(SU)、单面梯度(SG)、双面均匀(DU)构型分别代表传统设计，而创新的双面对称(DS)构型通过优化圆柱微结构密度分布，使光线在250×100 mm²区域内实现均衡分布。

Results and discussion
仿真数据显示DS构型辐照均匀度达85.7%，较SU构型提升62.3%。微生物水平实验证实，DS构型在300 mL/min流速下实现5.1 log的E. coli灭活，对应37.8 mJ/cm²的紫外剂量。值得注意的是，传统SU构型需消耗52.3 mJ/cm²才能达到3.9 log灭活，证明DS构型能显著提升能量利用效率。流场分析表明，反应器内设置的扰流板使微生物平均停留时间延长23%，协同增强了消毒效果。

Conclusion
该研究开创性地将显示光学技术应用于水处理领域，DS构型LGP使UV-C LED反应器性能取得突破。相比传统汞灯技术，该方案兼具无汞环保(mercury-free)、波长可调(tunable wavelength)等优势，其85.7%的辐照均匀度已接近商业背光模块(90.5%)水平。Chien-Ping Wang等提出的解决方案，为应对全球饮用水安全挑战提供了新的技术路径，特别适用于分散式供水系统的消毒场景。研究结果对推动联合国可持续发展目标(SDG 6)中"清洁饮水和卫生设施"的实现具有重要实践意义。