UV-Desinfektion: Gegenwärtiger Stand und zukünftige ... · Prof. Dr. T. Jüstel, Münster U niversity of Applied Sciences Folie 1 UV-Desinfektion: Gegenwärtiger Stand und zukünftige

Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 1

UV-Desinfektion: Gegenwärtiger Stand und zukünftige Entwicklungen

Thomas JüstelInstitut für Optische Technologien

Fachbereich Chemieingenieurwesen, FH Mü[email protected]

www.fh-muenster.de/juestel

IWW KolloquiumMülheim an der Ruhr, den 13. Juli 2017


Inhalt1. Optische Strahlung

2. Eindringtiefe und Wirkungen

3. UV-Strahlungsquellen

4. UV-Desinfektion: Gegenwärtiger Stand

5. Zukünftige Entwicklungen: LED

6. Zukünftige Entwicklungen: Excimerstrahler

7. Schlussfolgerungen & Ausblick

8. Literatur und Internet-Adressen


1. Optische Strahlung

200 nm 280 nm 320 nm

Ultraviolett C Ultraviolett B Ultraviolett AVakuum-Ultraviolett

100 nm 400 nm

1400 3000 1000000

IRA IRB IRC

Wellenlängenm100 400 780

Ultraviolett SichtbareStrahlung Infrarot

Kos

mis

che

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Gam

mas

trahl

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rahl

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Mik

row

elle

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hen

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ioR

adar


In die Atmosphäre

Vakuum-UVPhotolyse von Wasser,Stickstoff, Sauerstoff, …Ozonbildung

UV-C Ozonspaltung

UV-B (280 – 300 nm)Ozonspaltung

Luftbestandteile: - Stickstoff ~ 78% - Sauerstoff ~ 21% - Edelgase, H2O, CO2,

CH4, N2O: ~ 1%


Ozonschicht

Vaku

um-U

V

UV-

C

UV-

B (2

80 –

300

nm)

UV-

A &

UV-

B (3

00 –

320

nm)


In Wasser

Reines Wasser (destilliert)

1E-151E-141E-131E-121E-111E-101E-091E-081E-071E-061E-05

0,00010,001

0,010,1

110

1001000

0 250 500 750 1000 1250 1500

Wassertiefe [m]

Bes

trah

lung

sstä

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[W/m

2]

Klares ozeanisches Wasser

Klare Flachwasserzone


Eindringtiefe von UV-Strahlung in Wasser hängt vom Verschmutzungsgrad ab!

100

101

102

103

104

105

106

107

108

Abso

rptio

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ient

[m-1

]

100

10-1

10-2

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10-5

10-6

10-7

10-8

Eind

ringt

iefe

[m]

150 160 170 180 190 200

Wellenlänge [nm]210


In Gewebe

UV-C → ErbgutschädenUV-B → Vitamin D Bildung

UV-A → MelaninoxidationBlau → Bilirubinabbau, NO-Bildung, …..

Rot → Gefäßerweiternde Wirkung


IR-B 0.5 mm

IR-A 4 - 5 mm

Oberhaut

Lederhaut

Unterhaut-gewebe

IR-C 0.1 mm


Sonne > 300 nm

Hg-Entladungslampen• Niederdruck 185, 254 nm• Amalgam 185, 254 nm• Mitteldruck 200 – 400 nm

Xe-Entladungslampen 230 – 800 nmD2-Entladungslampen 110 – 400 nm

Excimer-Laser 193 nm

Excimer-Entladungslampen• Xe2* 172 nm• KrCl* 222 nm• XeBr* 282 nm• XeCl* 308 nm

(Al,Ga)N LEDs 205 – 365 nm(In,Ga)N LEDs 365 – 400 nm

3. Strahlungsquellen


Die Sonne - Strahlungsspektrum

~ 5% UV ~ 60% VIS ~ 35% IR

Das solare Spektrum hängt von Tages- & Jahres-zeit, Luftdruck, Bewölkung, Staubgehalt usw. ab

AM

0A

M1.

0

Erdoberfläche

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Schwarzer Körper (T = 5800 K)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8 AM0 (Extraterrestrisch)

Nor

mie

rte

Spek

tral

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ahlu

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e500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8 AM1.5 (Zenitwinkel 48°)

Wellenlänge (nm)

O2

O3

H2O

CO2CO2

<400 400-500 500-600 600-700 >700

37.8 W/m² 130.4 W/m² 144.6 W/m² 134.0 W/m² 269.2 W/m²

5.3% 18.2% 20.2% 18.7% 37.6%


48.2°


Niederdruck-Hg Amalgam Mitteldruck-Hg

Wellenlängenbereich 254 nm 254 nm 200 - 280 nm

Leistungsaufnahme 4 ... 100 W 100 ... 300 W 1 ... 17 kWEffizienz < 40% 30 ... 35% 10 ... 15%Entkeimungswirkung 85% 85% 80%UV-C Leistung 0.2 W / cm 0.7 W / cm 15 W / cmWandtemperatur 40 °C 100 °C 600 - 800 °C

Auswahl abhängig von Anwendung und Betriebskosten

Quecksilberdampflampen - Übersicht


Höhen-sonne

ab 1904zur

Rachitis-Therapie


• Hauptemission liegt im UV-A/UV-B und sichtbaren Bereich• Quasi-kontinuierlich im UV-C Bereich• Betriebstemperatur: 600 – 800 °C• Hohe Leistungsdichte + kompaktes Design geringere Effizienz• Hohe Temperaturabhängigkeit

200 220 240 260 280 300 320 3400,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Nor

mal

ised

Inte

nsity

Wavelength [nm]

Mitteldruck-Hg Entladungslampen



Hg Entladung 185 + 254 nm Leuchtstoff

Atomare Hg-Emission

NutzbaresSpektrum

Optionale Leucht-stoffschicht

Hg-Atom Elektronen

Elektrode

KappeGlasrohr

Reinigung Desinfektion

KosmetikMedizinAnalytik

VIS

UV-A/B/C

Beleuchtung


200 250 300 350 400 450 500 550 6000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

546 nm436 nm405 nm365 nm313 nm

185 nm

254 nm

Nor

mie

rte E

mis

sion

sint

ensi

tät

Wellenlänge [nm]

Niederdruck-Hg Entladungslampen


Niederdruck-Hg Entladungslampen für kosmetische Anwendungen

1. Generation 2. Generation 3. GenerationBaSi2O5:Pb BaSi2O5:Pb YPO4:Ceoder Sr2MgSi2O7:Pb & LaPO4:Ce & LaPO4:Ce

280 300 320 340 360 380 4000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

LaPO4:Ce BaSi2O5:Pb

UV-AUV-BE

mis

sion

inte

nsity

[a.u

.]

Wavelength[nm]

280 300 320 340 360 380 4000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

BaSi2O5:PbUV-AUV-B

Em

issi

on in

tens

ity [a

.u.]

Wavelength[nm]280 300 320 340 360 380 400

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

LaPO4:CeYPO4:Ce

UV-AUV-B

Em

issi

on in

tens

ity [a

.u.]

Wavelength[nm]



Lichtemissiondurch

Elektrolumineszenz

Leitungsband

Valenzband

+

–

OptischeBand-lückedes Halb-leiters

Licht emittierende Dioden (LED)



LED - Materialien

Anorganische LED

III – V HalbleiterAl, Ga, In N, P, As, Sb

(Al,Ga)As

(Al,Ga,In) P

(Al,Ga)P

(Ga,In) N

Organische LED (OLED)

Keine UV-Strahlung!

(Al,Ga) N

Komplexe


UV-Strahlung



„LED Plattform“ 465 nm LEDs Beleuchtung410 nm LEDs Vollkonversion365 nm LEDs Schwarzlicht265 nm LEDs Desinfektion

375 400 425 450 475 500 525 375 400 425 450 475 500 525 550

Emis

sion

s-in

tens

itaet

(a.u

.)

Wellenlaenge (nm)

diodenLaser-

400nm 425nm 450nm 465nm 480nm 500nm

LEDs

„Laserdioden Plattform“940 nm Fernbedienungen785 nm CD655 nm DVD405 nm Blue ray DVD

LEDs und Laserdioden


Anwendung: Trink-, Prozess- und Abwasser sowie Luft und Oberflächen

Desinfektion: Inaktivierung von Mikroorganism. UV-C Strahlung

Photooxidation: Abbau organischer Materie, Vakuum-UVd.h. Mikroorganismen, Mikroschadstoffe etc. UV-C/B und Ozon

UV-C und WasserstoffperoxidUV-A und Photokatalysator

Oxidativ aktive Spezies

Singulett-Sauerstoff 1O2Ozon O3Hydroxylradikale HO.

Superoxidradikale O2-.



Photochemischeroxidativer Abbau(Mineralisation)

Energie chemischer Bindungen ~ 10 - 1000 kJ/mol

Energie optischer Strahlung600 300 150

200 400 800

Ultraviolett Sichtbar Nah Infrarot

(V)UV Strahlung spaltet chem. Bindungen Reaktion mit oxidativen Spezies

E-E 100 – 500 kJ/mol H-H 436 kJ/molC-C 348 kJ/mol

E=E 400 – 700 kJ/mol O=O 498 kJ/molC=C 648 kJ/mol

EE 800 – 1100 kJ/mol NN 946 kJ/molCC 839 kJ/mol

H-Brücken 10 - 160 kJ/mol H...F > H...O > H...N138 kJ/mol in HO-H...OH2

Van-der-Waals 0.5 - 5 kJ/mol

1200 kJ/mol-1

Vakuum-Ultraviolett

100 nm

75

1600



Nukleobasen zeigen starke Absorptionsbanden bei265 nm (A, C, T, G) and bei 240 nm (G)

Aromatische Aminosäuren zeigen Absorptionsbanden bei280 nm (Trp, Tyr), bei 250 nm (Phe) oder bei 210 nm (His)

Einige andere Biomoleküle absorbierenauch im nah UV oder im blauen Spektral-bereich, z.B. Bilirubin, Riboflavin, NAD(P)H oder FADH2



200 250 300 3500,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0 Disinfection efficiency (DIn 5031-10)

Absorption spectrum of dTMP

Rel

. effi

cien

cy/a

bsor

ptio

n

Wavelength [nm]

Doppelhelix

Zucker- undPhosphateinheite

n

Basen

Zucke r

Zucke r

Phosphat

benachbarte Thyminbasen

Zucke r

Zucke r

Phosphat

Cyclobutan-Pyrimidindimer(CPD) 70-80%

Zucke r

Zucke r

Phosphat

Pyrimidin-Pyrimidon-Photoprodukt (64PP)

20-30%

UV-Strahlung



Wirkung von UV-R Strahlung

Lit.: S. Miwa et al., 2013



Ort: Bad Tölz, BayernWasserfluss: 200 … 2.000 m3/h

UV-Leistung: 18 kWAnzahl UV-Strahler: 144

Ort: Manukau, NeuseelandWasserfluss: 50.400 m3/h

UV-Leistung: Mind. ~ 320 kWAnzahl UV-Strahler: ~ 2.500

Trinkwasseraufbereitung mit UV-C Strahlung



Hochleistungs-LED

Plastik-linse

Kontakt

Gold-

draht

Kühlkörper

(Cu)

(In,Ga)N-Halbleiterr

Konverter

In1-xGaxN Halbleiter

400 450 500 550 6000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0 CIE1931 x y 410 nm 0.173 0.026 419 nm 0.170 0.015 448 nm 0.156 0.035 455 nm 0.147 0.040 459 nm 0.143 0.047 462 nm 0.136 0.059 465 nm 0.132 0.071 468 nm 0.128 0.085 482 nm 0.092 0.216

Nor

mal

ised

em

issi

on in

tens

ity

Wavelength [nm]0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

350

400

450

500

550

600

650

GaN

Em

issi

onsw

elle

nlän

ge /

nm

Ga Anteil / mol-%

In1-xGaxN

InN

Opt

isch

e Le

istu

ngsd

icht

e vo

n LE

D [W

/cm

2 ]

1960 1970 1980 1990 2000 20100.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

Jahr



UV emittierende LED / Laserdioden



UV emittierende LED - (Al,Ga)N Halbleiter

UV-Spektren von (Al,Ga)N HalbleiternEntwicklung der externen Quanten-

ausbeute und UV-Leistung von (Al,Ga)N LED zwischen 2000 und 2016


Lit.: J. Chen et al., 2017


Start Nach ca. 2 min Nach ca. 6 min

5. Zukünftige Entwicklungen: LEDUV-A LED: Anwendungen

• Photopolymerisation (UV-Härtung)• Photokatalytischer Abbau von Mikroschadstoffen

Beispiel: 8 x 1 W 385 nm LEDs + TiO2 zum Abbau von Methylrot

Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 26Friday Afternoon

UV emittierende LED - Status 2017

• UV-A emittierende (In,Ga)N LED (365 - 400 nm) mit hoher Effizienz weltweit am Markt

• UV-B bzw. UV-C emittierende (Al,Ga)N LEDs (210 – 320 nm) zeigen rasante Entwicklung bzgl. Effizienz und UV-LeistungHauptprobleme: Lebensdauer und Verkapselung

• Aktuelle Entwicklungsziele• Interne Quantenausbeute• Lichtauskopplung• Leistungsdichte• Lebensdauer

5. Zukünftige Entwicklungen: LEDUV-LED Anwendungen


UV emittierende LED - Status 2017

• External Quantum Efficiency: 10% @ 261 nm, Light Extraction Efficiency: 25.5%(using highly transparent p-AlGaN:Mg contact layer: 97% transmission)Lit.: Proc. SPIE 10104 (2017) 101041P

• External Quantum Efficiency: 20% @ 275 nm(highly transp. p-AlGaN:Mg contact layer & Rh p-electr.)Output Power (20 mA): 18.3 mWLit.: Appl. Phys. Express 10 (2017) 031002

• Light Extraction Efficiency: 54.3% @ 280 nm(highly reflective electrode with R > 90%)Lit.: J. Appl. Phys. 121 (2017) 013105

• Internal Quantum Efficiency: 78.2% @ 289 nmOutput Power (180 mA): 50.92 mWPower density: 83.7 W/cm2 @ 326 nmWall-plug Efficiency: 1.55%Lit.: Superlattices Microstruct. 104 (2017) 19



Ozongenerator(Wedeco AG)

Flachlampefür LCD-

Bildschirme(Osram AG)

Abgasbehandlung(Siemens AG)

UV-Strahlungsquellen (Xenon)

Heraeus Noblelight

Triton

Osram Xeradex

Quellen auf Basis einer Excimerentladung (Sauerstoff oder Xenon)



Alternative Technologie zu Hg-Dampflampen

Hg-Dampflampen

• Aufwärmphase• Begrenzte spektrale

Modulierbarkeit• Begrenzte

Schaltbarkeit• Enthält Hg

• Hohe Verfügbarkeit• Einfaches EVG• Preiswert

Xe-Excimerstrahler

• “Instant-on”• Einstellbares

Spektrum• Gepulster Betrieb

möglich• Schwermetallfrei

• Geringe Markt-verfügbarkeit

• AnspruchvollesEVG

• Hoher Preis



6. Zukünftige Entwicklungen: ExcimerstrahlerFunktionsprinzip


150 nm172 nm

Lampenspektrum

Konverterschicht

Wellenlänge [nm]

147 nm 172 nm

Resonance L

ine

Em

issi

onsi

nten

sitä

t 2nd

Continuum

1stC

ontinuum

Lampenglas

150 nm

6. Zukünftige Entwicklungen: ExcimerstrahlerSpektrum und Konversion

Beispiel: Osram XERADEX L40/120/SB-S46/85Elektrische Leistung = 20 WDurchmesser = 4 cmLänge = 12 cmBestrahlungsstärke = 0.04 W/cm2

Optische Leistung = 6 WEffizienz = ~ 30% (für 172 nm Strahlung)

150 nm


Leuchtstoffreie 172 nmXe-Excimerstrahler betrieben

in der Gasphase

Laboranwendung:- Spektroskopie

- Ozongeneration- Oberflächen-

aktivierungYPO4:Bi beschichteteXe-Excimerstrahler

betrieben in H2O

Laboranwendung:Photoreaktoren


Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 3320.07.2017

Konverter für Xe-Excimerstrahler

1. Wasserspaltung / NOx-Abbau YPO4:Nd 190 nm

2. Mineralisation von Mikroschadstoffen: Pharmazeutika, Hormone, Herbizide, … YPO4:Bi 241 nm YPO4:Pr 235 nm LaPO4:Pr 225 nm CaSO4:Pr,Na 218 nm

3. Desinfektion (Luft, Wasser, Oberflächen) YPO4:Bi 241 nm CaLi2SiO4:Pr,Na 252 nm YBO3:Pr 265 nm Y2Si2O7:Pr 275 nm

4. Photopolymerisation / UV-Härtung Lu3Al5O12:Gd 311 nm LaMgAl11O19:Gd 311 nm Y3Al5O12:Pr 320 nm



150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

8,3 6,2 5,0 4,1 3,5 3,1 2,8 2,5 2,3 2,1 1,9 1,8 1,7 1,5

3FJ

3H6

3H4

Energy /eV

Inte

nsity

(nor

m.)

Wavelength /nm

172

nm

YPO4:PrExc.: 160 nmEm.: 233 nm

Germicidal efficiancy (DIN 5031-10): 80%

4f15d1

3H5

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Ref

lect

ance

/ %

BaS

O4

150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

8,3 6,2 5,0 4,1 3,5 3,1 2,8 2,5 2,3 2,1 1,9 1,8 1,7 1,5

3p13p2

1p1

Energy /eV

Inte

nsity

(nor

m.)

Wavelength /nm

172

nm


YPO4:BiExc.: 160 nmEm.: 233 nm

3p1

MMCT0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Ref

lect

ance

/ %

BaS

O4

150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

8,3 6,2 5,0 4,1 3,5 3,1 2,8 2,5 2,3 2,1 1,9 1,8 1,7 1,5

2G7/2

2H11/2

4F9/2

Energy /eV

Inte

nsity

(nor

m.)

Wavelength /nm

172

nm


YPO4:NdExc.: 160 nmEm.: 233 nm

4f25d1

4IJ

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Ref

lect

ance

/ %

BaS

O4

λmax(YPO4:Bi) = 241 nm λmax(YPO4:Pr) = 235 nm

6. Zukünftige Entwicklungen: ExcimerstrahlerKonverter für Xe-Excimerstrahler: Ortho-Phosphate

λmax(YPO4:Nd) = 190 nm


200 250 300 350 400 450 5000,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

GAC YPO4:Nd

Emis

sion

inte

nsity

(nor

m.)

Spectral germicidal efficacy DIN 5031-10 (E.Coli)

Ger

mic

idal

effi

cacy

/a.u

.

Wavelength /nm

GAC-Eff (YPO4:Nd) = 57.3 %

200 250 300 350 400 450 5000,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

GAC YPO4:Bi

Em

issi

on In

ensi

ty (n

orm

.)

Spectral germicidal efficacy DIN 5031-10 (E.Coli)

Ger

mic

idal

effi

cacy

/a.u

.

Wavelength /nm

GAC-Eff (YPO4:Bi) = 43.8 %

200 250 300 350 400 450 5000,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

GAC YPO4:Pr

Em

issi

on In

ensi

ty (n

orm

.)

Spectral germicidal efficacy DIN 5031-10 (E.Coli)G

erm

icid

al e

ffica

cy /a

.u.

Wavelength /nm

GAC-Eff (YPO4:Pr) = 60.6 %

Konverter für Xe-Excimerstrahler: Ortho-Phosphate

“Germicidal efficacy” (GAC) GAC: Wirksamkeit der Inaktivierung von E. Coli

gemäß DIN 5031-10



Xe-Excimerstrahler mit UV-C Konvertermaterialien

Abbau von Sulfamethoxazol (Antibiotikum)

Quelle: A. Nietzsch, DLR

Photolyt. Abbau via Xe-Excimerstrahler mit einem 225 oder 235 nm Konverter erlauben eine Energieeinsparung von bis zu 95% gegenüber Amalgamstrahlern



UV emittierende LED / Laserdioden Spektralbereich: Theoretische Grenze: 205 nm,

experimentelle Grenze ~ 220 nm Wärmeabfuhr bestimmt Ausbeute & Lebensdauer DUV-LED → DUV Laserdioden: Anspruchsvoll! Probleme: Spektrale Konsistenz, Effizienz,

Lichtauskopplung, Massenproduktion, Verkapselung, …..

Xe-Excimerstrahler• Spektralbereich: 172 – 400 nm• Entladung und Konverter bestimmen Ausbeute &

Lebensdauer• Hg-frei, schnell schaltbar, hoher Formfaktor• Probleme: EVG, Lebensdauer, Preis, Marktzugang

…..

7. Zusammenfassung & Ausblick


8. Literatur und Internetadressen Literatur

• R. Heinz, Grundlagen der Lichterzeugung - Von der Glühlampe bis zum Laser, Highlight-Verlag, 2004

• M. Born, T. Jüstel, Elektrische Lichtquellen, Chemie in unserer Zeit 40 (2006) 294

• M. Broxtermann, T. Jüstel, Photochemically Induced Deposition of Protective Alumina Coatings onto UV Emitting Phosphors for Xe Excimer Discharge Lamps,Mat. Res. Bull. 80 (2016) 249

• J. Chen, S. Loeb, J-H. Kim, LED Revolution: Fundamentals and Prospects forUV Disinfection Applications, Envir. Sci.: Water Res. Technol. 3 (2017) 188

Internet-Links

• Homepage T. Jüstel www.fh-muenster.de/juestel• JW Holding http://www.jw-holding.de• Nichia http://www.nichia.co.jp/about_nichia/index.html• Osram Opto http://www.osram.de/• Philips Lumileds http://www.luxeon.com/• Robert-Koch-Institut www.rki.de• Ushio www.ushio.com


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UV-Desinfektion: Gegenwärtiger Stand und zukünftige ... · Prof. Dr. T. Jüstel, Münster U niversity of Applied Sciences Folie 1 UV-Desinfektion: Gegenwärtiger Stand und zukünftige