一、前言 紡織工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的大氣污染主要是有機(jī)廢氣，這些有機(jī)廢氣主要包含油煙、細(xì)微顆粒物、苯類、氯代烴類、醛類等，同時(shí)也含有無機(jī)廢氣如二氧化硫、二硫化碳和氨氣等惡臭氣體以及生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的纖維絮狀物等。
紡織品生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量有機(jī)廢氣（VOCs）已經(jīng)對大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染。據(jù)《2011—2020年非常規(guī)性控制污染物排放清單分析與預(yù)測研究報(bào)告》中關(guān)于紡織皮革制鞋工業(yè)的不完全統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前我國紡織工業(yè)VOCs排放總量占工業(yè)VOCs排放總量的30%左右，在不同來源VOCs排放總量中的分擔(dān)比例為8.8%。VOCs是霧霾生成的前體物質(zhì)之一，是形成PM2.5的重要成分。
VOCs污染控制技術(shù)包括回收技術(shù)和銷毀技術(shù)，各種技術(shù)處理能力的比較如下表：
下圖是紡織工業(yè)中定型機(jī)廢氣處理的裝置，已在多個(gè)大型紡織企業(yè)中應(yīng)用，其中F處為油煙處理部分，G處為VOCs廢氣處理部分。
圖1 紡織工業(yè)定型機(jī)廢氣處理的裝置
二、光催化氧化法 通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，光催化氧化法在治理VOCs方面有著很高的優(yōu)勢，不但性價(jià)比高，對使用環(huán)境要求低，更重要的是不會(huì)產(chǎn)生有毒中間產(chǎn)物。光催化氧化法主要是利用催化劑(如TiO2)的光催化性，氧化吸附在催化劑表面的VOCs，最終產(chǎn)生CO2和H2O。根據(jù)半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)可知，TiO2的帶隙能 Eg=3.2 eV，因此只有波長小于 380 nm的紫外光才能激發(fā) TiO2產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴，導(dǎo)致 VOCs 的氧化分解。
圖2 TiO2光催化降解VOCs反應(yīng)機(jī)理圖
紫外光源作為光催化氧化處理技術(shù)的核心部分，它的結(jié)構(gòu)、發(fā)光方式、光源壽命都與光催化氧化的效率密切相關(guān)，紫外光源對光催化氧化的影響體現(xiàn)在光波長、光強(qiáng)和光照時(shí)間三個(gè)方面。
紫外光源的發(fā)射波長越小，光催化降解效率越高，實(shí)踐中常用180～380nm波段，不同波長的光對污染物降解的效率不同，通常是光源的放射波長越短，反應(yīng)器的降解效率越高，如254nm波段的紫外光。
通過實(shí)地調(diào)研可知，光強(qiáng)與光催化效率的關(guān)系比較復(fù)雜，光強(qiáng)的選取需要根據(jù)光觸媒屬性決定，一般情況下光強(qiáng)與催化效率成正比關(guān)系，但是過高的光強(qiáng)不僅不能提高降解速率，還會(huì)增加系統(tǒng)成本。而在光照時(shí)間方面，增加表面的光照時(shí)間可以增加降解速度，但需要根據(jù)有機(jī)物性質(zhì)及濃度情況而定，過高的光照時(shí)間反而會(huì)降低系統(tǒng)效率。
三、紫外LED 紫外LED (UV-LED)即紫外發(fā)光二極管，具有節(jié)能、環(huán)保、長壽等優(yōu)點(diǎn)，是公認(rèn)的新一代光源。UV-LED光源與傳統(tǒng)汞燈相比有如下優(yōu)勢：
1.節(jié)能：汞燈的輻射效率是15%-20%，加上燈具后效率降為10%-15%，而在良好的散熱系統(tǒng)下385nm-405nm的UV-LED效率為25%-30%，加工成燈具后效率為20%-25%。
2.環(huán)保：汞燈不但自身含有大量汞，對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，而且在使用過程中會(huì)產(chǎn)生大量臭氧，危害身體。
3.長壽：考慮到驅(qū)動(dòng)電源及散熱系統(tǒng)影響，目前大功率LED的壽命為3萬小時(shí)，而汞燈的壽命，國產(chǎn)為1萬小時(shí)，進(jìn)口為2萬小時(shí)。
4.體積小，可靈活集成：傳統(tǒng)汞燈的長度一般為75px-8750px，而單顆LED芯片為1mm，可按照使用要求自由集成，并可根據(jù)光學(xué)要求設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)。
在紡織工業(yè)的VOCs處理中，UV-LED以其節(jié)能環(huán)保及設(shè)計(jì)靈活的優(yōu)點(diǎn)有著非常大的優(yōu)勢，但目前仍存在一些需要解決的問題，主要體現(xiàn)在壽命、效率和成本方面：
1.封裝器件壽命
在使用的過程中我們希望紫外光源的輻射能量盡可能高，這就需要采用COB封裝技術(shù)，并且芯片間的距離小，還要輸入高電流，這導(dǎo)致了器件整體的功率過高，從而帶來了導(dǎo)熱的問題。在白光COB封裝中，多采用銀膠固晶，但是在紫外LED封裝中卻不能用銀膠，一來是銀膠在持續(xù)的紫外照射下會(huì)老化，另一方面銀膠的導(dǎo)熱系數(shù)也不能滿足要求，會(huì)影響UV-LED芯片的壽命。目前已經(jīng)有企業(yè)開始采用共晶焊，如采用錫的合金代替銀膠，但產(chǎn)品的良率尚待提高。
白光LED封裝中常采用硅膠作為密封材料，一來是保護(hù)芯片不被氧化，二來是提高芯片的萃取率。UV-LED封裝中是不能用硅膠的，一方面是硅膠受紫外線照射會(huì)老化、變黃，另一方面是器件功率的增高導(dǎo)致芯片表面溫度過高，硅膠依然會(huì)以為高溫而加速老化。目前有些企業(yè)采用矽膠替代硅膠，但并沒有解決實(shí)質(zhì)問題。還有些企業(yè)干脆采用裸芯的封裝方式，不再使用硅膠密封，而是在器件上蓋一片石英玻璃，或者里面充入一些氮?dú)狻?br>
2.封裝器件效率
目前UV-LED芯片只有385nm以上的波段效率達(dá)到了20%，具備替換汞燈的市場潛力。深紫外LED目前仍不成熟，245-250nm最高輻射能量為0.15mW。而385nm的LED芯片輻射能量已經(jīng)達(dá)到1000 mW，因此目前除了加大深紫外LED芯片研發(fā)之外，就是研發(fā)出適用于385nm的高效催化劑。
在封裝過程中，采用裸芯的方式雖然避免了因硅膠老化引起的器件壽命問題，但也帶來了出光效率的問題。光由GaN發(fā)出，GaN的折射率是2.4，硅膠的折射率是1.5，空氣的折射率是1.000277，氮?dú)獾恼凵渎适?.000035，由全反射定律可知，采用裸芯封裝比采用硅膠光萃取效率將下降近50%。若采用倒裝方式封裝，光由GaN發(fā)出，經(jīng)藍(lán)寶石輻射出來，藍(lán)寶石的折射率為1.8，由此可以得出倒裝結(jié)構(gòu)的出光率將高于正裝結(jié)構(gòu)。
3.散熱器
大功率的UV-LED光源均采用液冷散熱，散熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)是影響散熱效果的主要因素之一。通常有翅片式、翅柱式、交叉柱式和交叉翅片式四種結(jié)構(gòu)，采用不同的設(shè)計(jì)將會(huì)對散熱器內(nèi)部的湍流和散熱器入口與出口壓力降產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到整個(gè)散熱器的熱流密度。因此在對水冷式散熱器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)引時(shí)，要加強(qiáng)散熱器的散熱效果，可通過改變散熱器內(nèi)部的形狀、擾流柱的數(shù)量、形狀及排列方式等方法，盡可能增大內(nèi)部換熱面積以及提高冷卻水的湍流強(qiáng)度。
4.驅(qū)動(dòng)電源
在白光LED失效的案例中，有超過半數(shù)以上由驅(qū)動(dòng)電源引起的。目前UV-LED光源設(shè)計(jì)中主要采用線性電源和開關(guān)電源，線性電源的優(yōu)點(diǎn)是輸出穩(wěn)定，缺點(diǎn)是效率低，發(fā)熱量大，使用壽命有很大的局限。而開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)則是體積小、重量輕、效率高、自身抗干擾性強(qiáng)、輸出電壓范圍寬、模塊化，缺點(diǎn)就是有輸出噪聲，電磁輻射比線性電源大。目前還有人在研究采用脈沖電源，主要是為了緩解UV-LED芯片散熱壓力。
四、總結(jié) 2014年11月26日國務(wù)院常務(wù)會(huì)議通過了《中華人民共和國大氣污染防治法（修訂草案）》，大氣污染防治開始被國家重視。在廢氣治理的過程中，我們希望治理的方案和采用的技術(shù)要符合節(jié)能環(huán)保要求，同時(shí)治理的過程中也不會(huì)產(chǎn)生其他有害物質(zhì)。UV-LED以其能耗低、不含汞、壽命長的優(yōu)點(diǎn)必將在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域受到越來越多的重視，在紡織工業(yè)中，UV-LED不僅可以用來治理廢氣，同時(shí)還可以用在污水處理、除臭、服裝除菌、醫(yī)療產(chǎn)品消毒等領(lǐng)域。
（來源：紫外光LED）
