Толстобров Н.Н., генеральный директор (ООО «УФ-Технолоджи», г. Санкт-Петербург) Соколов Д.В., кандидат технических наук, главный специалист

(ООО «Научно-производственное объединение ВТ Фалькон», г. Санкт-Петербург)

Яценко А.А., инженер (ООО«УФ-Технолоджи», г.Санкт-Петербург)

DOI: 10.25633/ETN.2024.10.16

ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА АМАЛЬГАМЫ УФ-ЛАМП НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ УФ-УСТАНОВОК ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ

ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ДИАПАЗОНАХ ЕЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Широкий диапазон применения установок УФ-обеззараживания в различных режимах предъявляет требования к системам УФ-обеззараживания в общем, и к УФ лампе, как к ключевому элементу всей системы, в частности. Производителям УФ-оборудования необходимо учитывать, что доза УФ-излучения должна быть достаточной для инактивации патогенных микроорганизмов с учетом условий обеззараживаемой среды, например, таких как температура и пропускание воды на длине волны 254 нм. Наш опыт эксплуатации установок собственного производства показывает, что при низких температурах обеззараживаемой воды порядка +2 ÷+4ºС, а также в случаях относительно высокой температуры обрабатываемой воды +30÷+35ºС (например, сточные воды, технологические оборотные воды пищевых производств и т.п) интенсивность излучения падает, а равно с этим и УФ-доза, на которую рассчитанная УФ-установка, исходя из паспортных данных на УФ-лампы.

Нами предложен новый состав амальгамы для УФ-лампы низкого давления и проведена серия экспериментов с существующими на сегодняшний день аналогами. В результате было выявлено уменьшение, по сравнению с существующими лампами, падения интенсивности в крайних диапазонах температур. Ключевые слова: УФ-обеззараживание, ультрафиолетовая амальгамная лампа низкого давления, доза УФ-излучения, интенсивность УФ-излучения, пропускание УФ-излучения.

TolstobrovN.N. Sokolov D.V. Yatsenko A.A.

OPTIMIZATION OF THE AMALGAM COMPOSITION

OF LOW-PRESSURE UV LAMPS FOR UV WATER DISINFECTION INSTALLATIONS AT DIFFERENT RANGES OF ITS TEMPERATURE

The wide range of applications of UV disinfection systems in various modes imposes requirements on UV disinfection systems in general, and on the UV lamp as a key element of the entire system, in particular. Manufacturers of UV equipment should take into account that the dose of UV radiation should be suficient to inactivate pathogenic microorganisms, taking into account the conditions of the disinfected environment, for example, such as temperature and water transmission at a wavelength of 254 nm.

Our experience in operating our own production plants shows that at low temperatures of the disinfected water of the order of +2 ÷+4 ° C, as well as in cases of relatively high temperatures of the treated water of

+30÷+35 ° C (for example, wastewater, process recycled water of food production, etc.), the radiation intensity decreases, as well as UV-the dose for which the UV installation is calculated, based on the passport data for UV lamps.

We have proposed a new composition of amalgam for a low-pressure UV lamp and conducted a series of experiments with currently existing analogues. As a result, a decrease in intensity drop in extreme temperature ranges was revealed compared to existing lamps.

Keywords: UV disinfection, low-pressure ultraviolet amalgam lamp, UV radiation dose, UV radiation intensity, UV radiation transmission.

Введение

С каждым годом становятся все более актуальными проблема охраны воды в природе. Вода, попадающая в реки и озера после использования человеком и особенно промышленных предприятий, наносит вред экологии, необходима очистка и обеззараживание воды для сохранения флоры и фауны водных ресурсов планеты. Для этого разрабатываются и внедряются новые технологии, предусматривающие очистку воды и ее обеззараживание. Начальные этапы обработки воды – отстаивание, фильтрование, осветление, обесцвечивание коагулированием – позволяют почти полностью удалить механические примеси и лишь частично – микроорганизмы.

С 2010 года компания «УФ-Технолоджи» специализируется на производстве оборудования для обеззараживания воды, а компания «НПО ВТ Фалькон» производит и разрабатывает специальные источники света, такие как ртутные и амальгамные лампы низкого давления, ртутные лампы среднего давления, озон-образующие лампы и т.д. Мы проектируем и изготавливаем продукцию в Санкт-Петербурге и поставляем в любой регион России и СНГ [4]. Ультрафиолетовые обеззараживатели, оснащенные современными лампами и с корпусом из качественной нержавеющей стали AISI 304 или AISI 316, имеют высокие показатели очистки и повышенный срок службы. Приборы нашего производства с успехом применяются в различных системах водоснабжения. История применения УФ излучения для обеззараживания воды, воздуха и поверхностей на- считывает более 100 лет, в 1910 г были поставлены станции обеззараживания воды во Франции, Германии [1]. Этот метод основан на естественном дезинфицирующем действии солнечных лучей. При использовании УФ-обеззараживания качество воды, как физическое, так и химическое, остается одинаковым до и после обработки, поскольку время реакции между ультрафиолетовым облучением и инактивацией патогенных микроорганизмов не приводит к образованию побочных продуктов при использовании установок на УФ-лампах низкого давления, в отличие от хлорирования воды, когда при недостаточной очистке от органических примесей и в случае превышения допустимой дозы происходят побочные реакций окисления хлорорганических соединений различного рода – доказанно опасных для постоянного употребления [2].

На сегодняшний день УФ-дезинфекция признана эффективным методом, широко применяется при различных температурных условиях и бактерицидной обработки различных сред (воздух, поверхность, пищевые продукты и т.п.), во всех областях водоподготовки, таких как ливневые воды, бассейны, подготовка питьевой воды, в том числе, на железнодорожном транспорте. Международная ультрафиолетовая ассоциация IUVA (International Ultraviolet Association) [3] регулярно публикует обзор всех известных исследований и список УФ-доз для инактивации известных и вновь выявленных бактерий, вирусов, плесени или спор патогенных микроорганизмов.

При разработке оборудования необходимо учитывать, чтобы доза УФ-излучения была достаточной для инактивации микроорганизмов с учетом условий обеззараживаемой среды таких как температура и пропускание воды на длине волны 254 нм [7]. Доза или интенсивность облучения в каждой точке или в каждом элементарном объеме пространства камеры обеззараживания является расчетным параметром для определения эффективности обеззараживания УФ-излучения. Интенсивность в камере традиционно выражается в мВт/см2, а УФ-доза имеет единицы – мДж/см2. При этом обе эти величины – расчетные и могут быть получены методом приближенных расчетов на основе модели полного перемешивания или на основе расчетов с применением CFD -моделирования.

Пропускание ультрафиолетового излучения – это показатель способности ультрафиолетового излучения проникать через толщину жидкости в 1 см. Когда УФ-излучение проходит через воду, примести, содержащиеся в воде поглощают его часть, что приводит к снижению интенсивности света от лампы.

1.  Постановка задачи

Изучив географию поставок нашего оборудования, мы обратили внимание на разнообразие климатических условий работы установок обеззараживания воды. Существующие на сегодняшний день амальгамные УФ лампы низкого давления показывают стабильную интенсивность излучения при условиях, когда температура обеззараживаемой воды находится в диапазоне

+5÷+25 ºС. Однако, достаточно часто при обработке, например, питьевой воды температура оказывается всего лишь +2÷+4 ºС, при этом интенсивность излучения на датчике установки УФ-обеззараживания, а следовательно, и доза, получаемая средой, падает. Аналогичным образом можно отметить, что интенсивность уменьшается и в случае температуры воды выше +30ºС, например, в случае оборотных вод различных производств или сточной воды южных регионов страны. И в первом, и во втором случае отмечено, что уменьшение интенсивности на УФ-датчике может достигать 30 и более процентов.

Поэтому одним из вариантов решения проблемы может является другой, более «плоский» по температуре (по давлению паров ртути) состав амальгамы УФ лампы. Работа посвящена сравнительному исследованию разработанной нами лампы с существующими на сегодняшний день аналогами.

В этом исследовании были проведены сравнения полного потока УФ-излучения амальгамных УФ-ламп низкого давления с номинальной мощностью 320 Вт китайского бренда с маркировкой GPHHA1554T6 и аналогичных ламп с разработанным нами составом амальгамы зарегистрированной торговой марки UVTAQ1554T6A (аналог GPHHA1554T6).

Исследование было проведено в два этапа, первый – измерения светотехнических характеристик, по методике на основе формулы Кайтца – измерения энергетического потока моно- хроматического УФ излучения (254 нм) для УФ ламп низкого давления. В результате были определены максимальные величины полного потока УФ-излучения в ваттах. Затем проводился эксперимент непосредственно на УФ-установке, в которой определялась зависимость УФ-интенсивности в камере обеззараживания в относительных единицах путем сравнения показания УФ-датчика установки. В качестве установки для тестирования была выбрана двухламповая установка DC-50-320 с установленным на УФ датчиком собственного производства с аналоговым выходом 4-20мА.

2.  Методика эксперимента

2.1  Методик измерения ламп по формуле Кайтца

Методика и требования к помещению для эксперимента подробно описаны в [5]. Измерения ламп осуществлялось в помещении, не имеющее поверхностей, сколько- нибудь заметно отражающих УФ излучение («темная комната») на длине волны 254 нм. Размеры помещения 4500х2500х2500мм. Фотоприемник устанавливается напротив центра лампы (рис. 1). Для расчета энергетического потока (Ф) применяется следующая формула:

Ф = (E * 2π²DL)/(2α + sin2α)

где L – длина лампы, Е – облученность датчика, D – расстояние от оси лампы, α – половина угла, под которым видна лампа из точки расположения датчика (см. рис.1).

Рис. 1. Схема измерения по формуле Кайтца

Измерения производились с помощью детектора SED240 радиометра International Light IL1700 со специальной насадкой, обеспечивающей косинусную зависимость интенсивности от угла падения.

2.2. Схема экспериментальной установки для измерения УФ-интенсивности в камере обеззараживания в зависимости от температуры воды

На втором этапе исследований амальгамные УФ лампы были помещены в установку DC-50-320.

Рис. 2. Схема эксперимента

Экспериментальная установка состоит из установки обеззараживания воды DC-50-320 и циркуляционного термостата охладителя DLK 5003. Схема подключения показана на рисунке 2. Вода из лабораторного охладителя DLK 5003, поступает через подводящий патрубок с заданной температурой в реактор установки DC-50-320, далее через отводящий патрубок по гибкому шлангу поступает в охладитель. УФ лампы, датчик УФ, датчик давления, высокочастотный вольтметр/ваттметр UT71E, соединены со шкафом управления, в котором регистрируются необходимые показатели.

Вода, которая используется для охлаждения может менять свое пропускание за счет имеющихся в камере обеззараживания и термостате загрязнений, так что показатель пропускания τ (%) может изменяться с течением времени и оказывать существенное влияние на результат эксперимента из-за поглощения УФ-излучения микрозагрязнениями воды. Для предотвращения этого эффекта в установке использовалась очищенная вода методом двойного осмоса, с солесодержанием не более 10 ppm, контроль пропускания осуществлялся в каждой точке эксперимента на стенде UVT-28, который представляет собой кварцевую кювету толщиной 1 см с источником излучения 254 нм, и приемником, который регистрирует фототок. Величина τ (%) в процесс эксперимента не менялась и составляла около 98%.

В эксперименте, как и в рабочих установках, внутренний диаметр кварцевого чехла выбирается согласно диаметру УФ лампы, при этом зазор между кварцевым чехлом и лампой сохранялся одинаковым на всей длине лампы с помощью центрирующих деталей в лампоузле и кварцевом чехле. Кварцевый чехол имеет внешний диаметр 28мм внутренний диаметр 25мм, длина 1600 мм. Центровка лампы в чехле (рис. 3) имеет ключевое значение, так как лампа изготовлена из относительно тонкого кварцевого стекла с толщиной стенки примерно 1 мм, что приводит к прогибу лампы при ее удержании в крайних точках. Уменьшение зазора между холодной стенкой кварцевого чехла приводит к охлаждению амальгамы, а следовательно, и уменьшению давления паров ртути над ней.

Рис. 3. Центровка лампы в чехле

Для питания ламп использовался ЭПРА типа Л~220-1х320-2212-167, с номинальным напряжением сети переменного тока 220/230В с частотой 50/60Гц; коэффициентом мощности, не менее, 0,96; Электрическая мощность и ток лампы регистрируются прибором UT71E, который представляет из себя высокочастотный вольтметр/ваттметр.

Поток ультрафиолетового излучения от УФ ламп отслеживается с помощью УФ датчика, фототок которого регистрируется в модуле шкафа управления. При этом показания УФ-датчика, установленного на УФ-установке не являются величиной УФ-интенсивности в камере, так как регистрирует облучённость от поля одной или нескольких ламп. Величины интенсивности и облученности совпадают, это Вт/м2 или мВт/см2, но при этом это разные характеристики, однако, величина облучённости коррелирует с уровнем интенсивности в УФ-камере и может быть использована для контроля. Максимальный фототок датчика принимается за полный поток УФ-излучения, измеренный и рассчитанный по формуле Кайтца [5].

Эксперимент начинается с точки 2 ⁰С, которую приобретает проходящая через охладитель вода. Затем температуру воды изменяют на 5 ⁰С, выдерживают 30 мин, так чтобы все тепловые процессы в системе перестают изменяться во времени. Фиксируют показания УФ-датчика и электрическую мощность лампы, затем переходят к следующей точке. В данном эксперименте крайней точкой по температуре была выбрана температура 40 ⁰С.

Для получения более достоверных результатов эксперимент повторяется в обратном направлении, а полученные результаты усредняются в соответствующих точках.

3.  Амальгамная лампа

Амальгамные УФ лампы низкого давления представляют собой лампы одного из китайских производителей (3 шт.), которая имеет маркировку GPHHA1554T5L4. Характеристики таких ламп хорошо известны, мощность 320Вт, ток лампы 2.1А, полный поток излучения 107Вт. Аналог, который был изготовлен в «НПО ВТ Фалькон» имеет аналогичные характеристики, за исключением модернизированного состава амальгамы.

Рис. 4. Амальгамная лампа низкого давления UVTAQ1554T6A.

Анализ амальгамы ламп №1,2 и 3, проведенный методом спектроскопии с индукционно-связанной плазмой показывает, что состав амальгамы представленной лампы достаточно стандартный и содержит в себе около 85% индия, около 5% цинка и 10% ртути.

Известно, что в амальгамных лампах низкого полный поток излучения зависит от многих факторов, например, плотности тока лампы, состава буферного газа и его давления, а также от состава самой амальгамы. Плотность тока определена диаметром колбы Т6 (19 мм) и током в ЭПРА, который стабилизирован на уровне 2.1А±5%, т.е эти параметры не подлежат изменению. Изменение газового состава (обычно Ar/Ne смесь) и его давления приводят к изменению электрических параметров, а такой задачи мы не ставили. Наша цель – улучшить кривую давления паров ртути в колбе лампы в зависимости от внешних факторов, т.е температуры воды. Причем, основным механизмом потерь тепла в данном случае является теплопередача по закону Фурье через воздушный зазор между колбой лампы (амальгамой) и внутренней поверхностью чехла.

Для улучшения характеристик амальгамы в лампах UVTAQ разработчиками было предложено добавить висмут в диапазоне 15-40% к уже имеющемуся составу 85In5Zn10Hg. Было изготовлено две экспериментальные лампы №4 и №5.

4.  Результаты измерений

В результате измерения «на воздухе» были получены следующие результаты (табл.1 и 2):

Таблица

Измерения светотехнических характеристик ламп GPHHA1554T6.

Расчет УФ-потока по формуле Кайтца

* – фиксируются максимальные параметры, ** – на расстоянии 3 м от центра лампы

Таблица 2

Измерения светотехнических характеристик ламп UVTAQ1554T6A.

Расчет УФ-потока по формуле Кайтца

Результаты измерения ламп и последующий расчет полного потока УФ-излучения по формуле Кайтца показывают близкие результаты, так как максимальные светотехнические энергетические характеристики не могут быть определены только изменением давления паров ртути, а определяются прежде всего электронной температурой, которая зависит от скорости диффузии электронов в плазме и скоростью их ухода на стенку лампы.

На втором этапе измерений амальгамные УФ лампы были помещены в установку DC-50-320, температура воды обеззараживания отслеживалась с помощью датчика температур – рециркуляционного охладителя DLK 5003, ультрафиолетовый поток от ламп измерялся с помощью датчика УФ. В результате получены следующие результаты (рисунок 5).

Рис. 5. Результаты измерения УФ потока исследуемых амальгамных УФ ламп при работе в воде с диапазоном температур +2 ÷ +40 ºС

Как хорошо видно из полученных результатов, лампы китайского бренда с маркировкой GPHHA имеют существенный спад интенсивности в области низкой температуры воды, что говорит о переохлаждении амальгамы и уменьшению паров ртути в газовой смеси с благородными газами, оптимум работы таких ламп +20÷+30 ºС.

Лампы с измененным составом амальгамы, с добавкой висмута показывают гораздо более пологую кривую во всех температурных режимах. Мощность УФ-излучения стабильна в широком диапазоне температур, имеющих практическое значение +2÷ +35ºС, уменьшение интенсивности даже в крайних режимах не превышает 10%.

Выводы

Работа посвящена исследованию поведения УФ амальгамных ламп типа GPHHA1554T6 (китайского производства) и ламп типа UVTAQ1554T6 («НПО ВТ Фалькон») в различных температурных режимах. Показано, что заявленные максимальные светотехнические характеристики ламп, полученные в результате фотометрических измерений на воздухе, не являются гарантией эффективного обеззараживания из-за падения интенсивности в крайних температурных режимах. Предложена оригинальная методика по тестированию УФ-ламп для получения реальных результатов по интенсивности в камере обеззараживания.

Предложен новый состав амальгамы, добавку висмута 15-40% , который приводит к существенному улучшению характеристик УФ-ламп в воде.

ЛИТЕРАТУРА

1. Abellán, Javier // Water supply and sanitation services in modern Europe: developments in 19th– 20th centuries. 2017. 12th International Conference of the Spanish Association of Economic History. University of Salamanca.
2. El-Tawil A.M. //Colorectal cancers and chlorinated water. World J Gastrointest Oncol. 2016 Apr 15;8(4):402-9. doi: 10.4251/wjgo.v8.i4.402. PMID: 27096035; PMCID: PMC4824718.
3. Advancing the sciences, engineering & applications of ultraviolet technologies to enhance the quality of human life & to protect the environment. [Электронный ресурс]. Дата обновления: 23.08.2024. URL: https://www.iuva.org/.
4. Проектирование, производство и продажа промышленного оборудования для обеззаражива- ния воды [Электронный ресурс]. Дата обновления: 23.08.2024. URL: https://uvtechnology.ru/
5. Л.М. Василяк, Л.А. Дроздов, С.В. Костюченко, Н.Н. Кудрявцев, Д.А. Собур, Д.В. Соколов, Ю.Е. Шунков // Методика измерения потока УФ излучения трубчатых бактерицидных ламп НД. «Светотехника», 2019, 1.
6. Л.М. Василяк, Л.А. Дроздов, С.В. Костюченко, Н.Н. Кудрявцев, Д.А. Собур, Д.В. Соколов, Ю.Е. Шунков // Методика измерения мощности УФ излучения трубчатых бактерицидных ламп низкого давления. Светотехника. 2017. № 1. С. 29–32.
7. МУК 4.3.2030-05 «Санитарно-вирусологический контроль эффективности обеззараживания питьевых и сточных вод УФ-облучением»