深入探討光子從產生、傳輸、吸收到最終引發氧化反應的全鏈條過程中的效率決定因素，并系統分析影響光子效率的關鍵環節，包括光源光譜與反應物吸收光譜的匹配度、反應器內光子場的空間分布與流體流場的耦合、廢水基質對光子的競爭性吸收與淬滅效應等，有助于理解 UV-AOPs工藝，并針對性改進設計，為紫外線高級氧化工程實踐提供理論依據和實踐指導。

一

引言：為何要關注“光子效率"？

紫外高級氧化工藝（UV-AOPs），如UV/H?O?、UV/Cl?、光芬頓、UV/O₃/H?O?等，因其能產生強氧化性的羥基自由基（·OH）等活性物質，在飲用水深度處理、再生水高品質回用、難降解工業廢水預處理等領域展現出巨大潛力。然而，在工程實踐中，普遍存在一個誤區：將UV系統簡單地視為一個能量輸入單元，僅關注總輸入電功率或粗略的“紫外劑量"，而忽略了能量傳遞與轉化的最核心載體——光子的命運：一個光子激活一個分子。從能量守恒與轉化的角度看，UV-AOPs的本質是將電能通過紫外燈轉化為光子能，再由光子能驅動產生化學能（·OH等），最終用于降解污染物的化學能。在這一多級能量轉換鏈條中，每一個環節都存在顯著的效率損失。其中，“光子利用效率" 是連接物理輸入與化學產出的最關鍵環節，它直接決定了產生單位數量·OH自由基所需的電能成本，亦即整個工藝的運行成本基石。因此，將設計理念從“功率導向"轉變為“光子效率導向"，是提升UV-AOPs工藝經濟性與競爭力的必然要求。

二

光子效率的定義與內涵：從宏觀到微觀的度量

光子效率并非一個單一的指標，而是包含多個層級的效率體系。

光源的光子產生效率

這是第一層效率，指輸入電能轉化為特定波長紫外光子的效率。常用電光轉換效率衡量，即輸出紫外光功率與輸入電功率的比值WPE，低壓紫外燈（LPUV）在254nm處的WPE可達30-40%，而中壓紫外燈（MPUV）由于光譜范圍寬、熱損失大，WPE通常僅為10-20%。新興的UV-LED技術，其WPE正在快速提升，但在UVC波段，仍是當前未克服的主要挑戰。

光子的傳輸與捕獲效率

光子從燈管表面發出后，在抵達目標反應物分子之前，會經歷一系列損耗：

石英套管透射損失：高純度合成石英的透光率 UV254nm 通常>90%，但污垢會使其急劇下降。

水體背景吸光損失：廢水中的溶解性有機物（DOM）、懸浮物（SS）、色度等會競爭性吸收或散射光子，有效光子通量隨傳播距離呈指數衰減（遵循比爾-朗伯定律）。

反應器壁面反射/吸收損失：反應器內壁的材料和設計影響光場的分布。

光子的量子產率

這是最核心的微觀效率指標，定義為發生特定光化學反應的分子數與體系吸收的光子數之比。例如，對于UV/H?O?工藝，生成·OH的量子產率Φ·OH決定了每個被H?O?吸收的光子能產生多少個·OH自由基。Φ值由光化學反應的固有路徑決定，理論最大值通常為1（一個光子引發一個初級反應）。在實際廢水體系中，由于副反應和能量淬滅，表觀量子產率往往低于理想值。

三

影響光子效率的關鍵因素與優化策略

山東冠縣自來水廠----雙氧水+中壓紫外線高級氧化技術，該項目的成功運行為我國《城鎮給水紫外線高級氧化系統T/CAMIE01-2021》提供了實際案例支撐。

光譜匹配

讓“好鋼用在刀刃上"，光化學第一定律（Grotthuss-Draper定律）指出：只有被吸收的光子才能引發光化學反應。因此，光源的發射光譜與目標反應物的吸收光譜的精準重疊，是高效利用光子的首要前提。比如 H?O?在200-300nm有較寬的吸收帶，尤其對短波長（如200-280nm）光子吸收更強。因此，在水質透過率較差(UVT-254nm<20%)，選擇發射寬譜且富含短波紫外線的中壓紫外燈（MPUV）通常比主要發射254nm單譜線的低壓紫外燈（LPUV）對H?O?的光解效率更高。硝酸鹽（NO??)的最大吸收峰在200nm附近。因此，能發射185nm真空紫外線（VUV）的特殊低壓燈，對硝酸鹽的直接光解具有獨特優勢。

優化策略

在工藝選擇階段，應測定目標污染物及預設氧化劑在不同波長下的吸收光譜，作為選擇光源類型（LPUV, MPUV, VUV 燈）的首要依據。

應構建均勻高效的“光-液"光化學反應器，這是光子與目標分子發生反應的場所，其幾何設計直接決定了光子場的空間分布（輻照度場），而流體動力學特性（流場）則決定了光化學反應發生的概率，二者的耦合是提高光子效率的關鍵。

光程設計

根據廢水紫外透光率（UVT）優化反應器厚度（光程）。對于UVT（如>70%）廢水，可采用較長光程以保證光子被充分吸收；對于低UVT（如<20%）廢水，必須采用短光程設計，以避免“中心暗區"現象，確保流體大部分區域能接收到有效光子。

流場優化

為了實現強烈的湍流混合，使所有流體微元都能頻繁地暴露于高光強區（燈管附近）。計算流體動力學（CFD）模擬是優化流場、消除水力死區的強大工具。理想狀態是接近平推流（PFR）與全混流（CSTR）的優點結合，即整體呈平推流以避免返混，局部通過湍流實現充分混合。

光子通量密度

高強度的局部光子通量有助于克服污染物分子向·OH生成點的傳質限制，提升表觀反應速率。MPUV的高輻照度在此方面更具優勢。