Najnowsze postępy w technologii półprzewodnikowej doprowadziły do opracowania diod elektroluminescencyjnych (LED) zdolnych do emitowania wąskiego spektrum promieniowania UV (UV LED) o długościach fal, które mogą dezaktywować organizmy chorobotwórcze. Ostatnio chipy i pakiety UV LED, jako podstawowe produkty, ewoluowały pod względem mocy wyjściowej, żywotności, a nawet zarządzania kosztami produkcji. Ostatnie postępy w technologii UV LED umożliwiły zastosowanie tej technologii do uzdatniania wody. W rzeczywistości, UV LED posiada atrakcyjne cechy, które mogą wnieść innowacje do technologii UV do uzdatniania wody. W tym miejscu omówiono trzy ważne aspekty systemów uzdatniania wody UV LED: projekt, działanie i zastosowanie.
Projekt
Jedną z najważniejszych zalet diod LED UV jest elastyczność, jaką oferują w projektowaniu reaktora, zapewniając większy stopień swobody w konfiguracji i optymalizacji reaktora. Na przykład w kilku badaniach zastosowano różne reaktory UV LED do dezynfekcji wody (np. Würtele et al. 2011; Jenny et al. 2014; Oguma et al. 2016a, b), a w każdym przyjęto inną koncepcję konstrukcji reaktora. Kryteria projektowe dla konwencjonalnych rtęciowych lamp UV niekoniecznie mają zastosowanie do reaktorów UV LED, ponieważ UV LED jest całkowicie innym źródłem promieniowania, o małej powierzchni i kątowym rozkładzie emisji. Ponieważ koszt jest nadal jednym z wyzwań w zastosowaniach UV LED do uzdatniania wody, optymalizacja projektu w celu uzyskania wysokiej wydajności przy użyciu ograniczonej liczby UV LED jest niezbędna, aby technologia była wykonalna.
Wydajność reaktora UV do uzdatniania wody jest funkcją dawki lub fluencji UV, która jest dostarczana do wody. Z kolei fluencja jest funkcją szybkości fluencji i czasu przebywania. W rezultacie rozkład promieniowania i prędkości są czynnikami determinującymi wydajność dowolnego reaktora UV. Zjawiska te, wraz z kinetyką inaktywacji drobnoustrojów, której stała szybkości dla dowolnego mikroorganizmu jest funkcją długości fali UV, będą determinować ogólną wydajność reaktora w zakresie dezynfekcji wody. Promieniowanie reaktora, hydrodynamikę i długość fali UV można lepiej kontrolować w reaktorze UV LED w porównaniu z reaktorem z lampą UV (Taghipour, 2018).
Na przykład w przypadku reaktorów o małej skali z zastosowaniami w punkcie użytkowania (POU) i punkcie wejścia (POE) lampy są zwykle umieszczane w centralnej części reaktora, a ich oś jest równoległa do głównego przepływu płynu kierunek. W przypadku takiej koncepcji reaktora, istnieje znaczny nierównomierny rozkład szybkości fluencji wzdłuż ścieżki różnych strumieni wody płynących od wlotu reaktora do wylotu. Dzieje się tak, ponieważ rozkład promieniowania lamp UV ma znaczną zmienność w kierunku promieniowym. W reaktorze UV-LED tej niejednorodności można zapobiec, biorąc pod uwagę, że profil promieniowania UV-LED ma główny kierunek, dla którego można regulować jego kąt widzenia i można dostroić jego profil promieniowania. Ponadto wybór właściwej pozycji i kierunku energii promieniowania, co jest łatwo możliwe w przypadku reaktora UV LED, może skuteczniej zapobiegać utracie energii promieniowania do ścian reaktora w porównaniu z lampami UV.
Podobne ograniczenia istnieją dla kontrolowania prędkości przepływu płynu i rozkładu czasu przebywania w reaktorach z lampą UV. Ponieważ lampy UV są zwykle umieszczane wewnątrz reaktorów, na hydrodynamikę reaktora często duży wpływ ma obecność lamp UV. Na przykład w przypadku reaktora o małej skali z pojedynczą lampą, której oś jest równoległa do głównego kierunku przepływu płynu, najwyższa prędkość jest pożądana w pobliżu powierzchni lampy UV, gdzie szybkość fluencji ma wartość szczytową.
Jednak profil prędkości w pobliżu tulei lampy UV lub ogólnie dowolnej stałej powierzchni jest praktycznie zerowy. Dlatego też istnieją techniczne i praktyczne ograniczenia w dopasowywaniu przepływu i rozkładu promieniowania w celu uzyskania prawie idealnej wydajności reaktora dla takiego reaktora z lampą UV. To ograniczenie nie istnieje w przypadku reaktora UV LED, w którym diody UV LED mogą być umieszczane w różnych miejscach – w tym na zewnątrz reaktora – a ich profil promieniowania można dostosować, aby uzyskać wyższe wartości fluencji w obszarach o większej prędkości.
Stała szybkości inaktywacji UV różnych bakterii i wirusów może zmieniać się wraz z długością fali, nawet w pobliżu piku absorpcji DNA (Mamane-Gravetz i wsp. 2005; Beck i wsp. 2015). W międzyczasie można regulować szczytową długość fali diod UV, aby osiągnąć wyższą stałą szybkości dezaktywacji docelowych mikroorganizmów. Jest to powód, dla którego czułość spektralna lub tak zwane widma działania mikroorganizmów są istotne w zastosowaniach UV LED.
W związku z tym interesujące byłoby podsumowanie zbioru danych dotyczących kinetyki odpowiedzi na fluencję różnych mikroorganizmów pod wpływem emisji UV LED. Kilka przeglądów podjęło takie starania na podstawie opublikowanych danych (np. Malayeri i in. 2016), które mogą służyć jako referencje. Należy jednak zauważyć, że proste porównanie skuteczności inaktywacji w różnych badaniach potencjalnie może być mylące, biorąc pod uwagę wiele niespójnych i nieporównywalnych danych przedstawionych w opublikowanych badaniach, jak omówiono w jednym artykule przeglądowym (Song i wsp. 2016).
Jednym z głównych czynników przyczyniających się do tej niespójności jest stosowanie różnych konfiguracji eksperymentalnych i różnych technik pomiaru fluencji w badaniach inaktywacji UV LED (np. Würtele i in. 2011; Oguma i in. 2016a, b; Beck i in. 2017; Rattanakul i Oguma 2018). . W związku z tym standaryzacja protokołu testu UV LED jest konieczna, aby uzyskać wiarygodne porównania między różnymi badaniami i, co ważniejsze, aby uzyskać prawidłowe dane kinetyczne inaktywacji. Taki protokół został zaproponowany (Kheyrandish i wsp. 2017, 2018), a „protokół testowy IUVA” dla systemu UV LED jest obecnie opracowywany przez grupę zadaniową IUVA.
Na razie, bez takiego standardowego protokołu, prostą opcją do badań porównawczych jest podsumowanie danych uzyskanych przy użyciu tej samej konfiguracji i spójnej definicji fluencji. Wysiłek ten został wykonany przez grupę badawczą, która przedstawiła profile odpowiedzi fluencji różnych mikroorganizmów związanych ze zdrowiem przy użyciu diod LED UV przy 265, 280 i 300 nm (Oguma i wsp. 2019). Grupa podaje stałą szybkości inaktywacji i fluencję wymaganą do n log inaktywacji (n=1, 2, 3 i 4) patogenów (Legionella pneumophila, Pseudomonas aeruginosa, Vibrio parahaemolyticus i feline calicivirus) oraz gatunków wskaźnikowych/zastępczych (Escherichia coli ,Bacillus subtilisspores i bakteriofagi Qβ i MS2).
Po udostępnieniu standardowego protokołu testowego UV LED naukowcy mogą przeprowadzać eksperymenty w sposób niezależny i porównywalny, a wyniki poprawią i wzbogacą bazę danych inaktywacji UV LED o różnych emisjach dla różnych mikroorganizmów.
Operacja
Specjalne cechy systemu reaktora UV LED obejmują niskie napięcie i wymagania dotyczące mocy, brak czasu nagrzewania z możliwością automatycznego włączania/wyłączania z wysoką częstotliwością oraz różne opcje zarządzania temperaturą. Cechy te mogą skutkować działaniem reaktorów UV LED w zastosowaniach, w których reaktory lamp UV nie mogą być używane tak wydajnie. Niektóre inne specjalne cechy oczyszczacza wody UV LED obejmują solidną konstrukcję i niewielkie rozmiary, co sprawia, że ta technologia jest odpowiednia do zastosowań POU, w których tradycyjne technologie uzdatniania wody mogą nie być optymalnie wykorzystywane.
Reaktory UV LED, w szczególności do zastosowań POU, wymagają niskiej mocy i napięcia, co oznacza, że można je łatwo obsługiwać za pomocą panelu słonecznego z zestawem akumulatorów, który jest łatwo dostępny na rynku. Dlatego energia odnawialna w przystępnej cenie może zostać wykorzystana do przekształcenia systemów reaktorów UV LED w technologię uzdatniania wody poza siecią. Co więcej, brak ciągłej energii elektrycznej – ogólnie w małych i wiejskich społecznościach, a szczególnie w krajach rozwijających się – jest często problemem, ale nie byłby znaczącym ograniczeniem dla UV LED.
Diody LED UV mogą być włączone, gdy woda jest uzdatniana i wyłączane, gdy nie jest uzdatniana. W rezultacie, w przypadku zastosowań POU, w których woda jest używana i uzdatniana z przerwami, diody UV prawdopodobnie nie będą wymagały wymiany przez cały okres eksploatacji urządzenia (co skutkuje oszczędnościami w kosztach wymiany lampy) i zużywają tylko ułamek energii (co skutkuje znacznymi oszczędności kosztów energii).
Co ważniejsze, reaktory UV LED wymagają niewielkiej konserwacji. Obejmuje to częste czyszczenie rękawów i wymianę źródła promieniowania UV. Zanieczyszczanie tulei lamp UV jest głównie wynikiem pracy lamp w stosunkowo wysokich temperaturach oraz odprowadzania ciepła lampy z tulei. Indukowane ciepłem wytrącanie metali o odwróconej rozpuszczalności jest wiodącym mechanizmem, za pomocą którego zanieczyszczenia osadzają się na osłonie lampy UV.
W reaktorach UV LED ciepło generowane przez UV LED jest usuwane z płytki drukowanej LED (nie z kwarcowego okna lub tulei), więc zanieczyszczenie tulei nie powinno być znaczące, co oznacza, że regularna konserwacja i czyszczenie prawdopodobnie nie będzie główny problem. Dlatego brak wykwalifikowanych operatorów – co jest jednym z głównych ograniczeń w małych i wiejskich społecznościach – który utrudnia stosowanie wielu technologii dezynfekcji wody, może nie być poważnym ograniczeniem dla systemów UV LED.
Podanie
Biorąc pod uwagę obecną moc wyjściową promieniowania i skuteczność wtyczki ściennej LED UV, bardziej odpowiednim zastosowaniem reaktorów UV LED jest leczenie przerywanych i niskich przepływów. Obejmują one integrację reaktora z szeregiem urządzeń konsumenckich i komercyjnych, takich jak dystrybutory i chłodnice wody, ekspresy do lodu i kawy oraz laboratoryjny i medyczny sprzęt do wody. Integracja reaktora UV z niektórymi z tych urządzeń była po raz pierwszy możliwa dzięki niewielkim wymiarom reaktora UV LED i specjalnym cechom.
Innym zastosowaniem jest uzdatnianie wody przy POU. Uzdatnianie wody POU jest wschodzącym światowym przemysłem ze względu na rosnące zapotrzebowanie zarówno w krajach rozwiniętych, jak i rozwijających się; Oczekuje się, że rynek takich systemów będzie wart prawie 25 mld USD w 2020 r. i przewiduje się, że będzie rósł w skumulowanym rocznym tempie wzrostu (CAGR) na poziomie około 10% (Rynek systemów uzdatniania wody w miejscu użycia, 2016).
Czynniki, takie jak rosnące zanieczyszczenie wody, rosnąca świadomość znaczenia czystej wody pitnej oraz wzrost liczby prac budowlanych napędzały rynek systemów uzdatniania wody POU. Reaktory UV LED mogą być idealne do uzdatniania wody POU ze względu na ich oczywiste zalety, takie jak brak częstej konserwacji oraz zmniejszone koszty operacyjne i eksploatacyjne w porównaniu z lampą UV i innymi konwencjonalnymi technologiami.
Reaktory UV LED na większą skalę mogą być stosowane do uzdatniania wody w POE w domach i domkach, zwłaszcza gdy diody LED stają się bardziej wykonalną opcją. W samych Stanach Zjednoczonych około 20 milionów gospodarstw domowych i domków korzysta z prywatnych studni, podczas gdy dziesiątki tysięcy więcej polega na jeziorach, rzekach i innych źródłach wód powierzchniowych. Różne badania wykazały, że znaczna część studni w danym regionie zawiera mikroorganizmy, takie jak E. coli, które w dowolnym czasie można znaleźć w wodach gruntowych i powierzchniowych. Tak więc reaktory UV LED stanowią jedną z najskuteczniejszych alternatyw uzdatniania wody, aby zapewnić bezpieczną wodę pitną w wielu domach rekreacyjnych, oddalonych i wiejskich.
W Japonii zasięg publicznego zaopatrzenia w wodę w oparciu o populację wynosi około 97,9% (stan na 2016 r.), co oznacza, że pozostała populacja (około 2,7 miliona osób) polega na małych wspólnotowych systemach zaopatrzenia w wodę i/lub prywatnych studniach. Takie małe obiekty są poza chlorowaniem obowiązkowe, a czasami nie ma leczenia, w tym chlorowania. Wywiady twarzą w twarz z lokalnymi mieszkańcami wykazały, że tak naprawdę nie chcą dodawać chloru z powodu obaw o smak i zapach, mimo że rozumieją potencjalne zagrożenie dla zdrowia spowodowane zanieczyszczeniem mikrobiologicznym wody.
Warto zauważyć, że w przypadku wypadków związanych z jakością wody pitnej związanych ze szkodami na zdrowiu w Japonii w ciągu ostatnich 30 lat około 93% (130 ze 140 wypadków) było spowodowanych niepowodzeniem dezynfekcji. W świetle tych faktów urządzenia POU i POE, które działają w celu dezynfekcji, najlepiej bez negatywnego wpływu na smak i zapach, byłyby najlepszą i najbardziej praktyczną opcją dla wodociągów komunalnych i prywatnych studni. Oczywiste jest, że diody UV mogą pomóc w spełnieniu wymagań jakości wody tych populacji.
Inna ważna potrzeba leczenia POU i POE istnieje w krajach rozwijających się, szczególnie tych doświadczających gwałtownej urbanizacji i wzrostu gospodarczego. Koszt diod LED UV może być obecnie problemem, ale prawdopodobnie będzie to problem krótkoterminowy. Dr Kumiko Oguma z Uniwersytetu Tokijskiego wraz z kolegami przeprowadziła intensywne badania terenowe na temat jakości wody i zachowań związanych z użytkowaniem wody w Azji (tj. Wietnamie, Nepalu, Indonezji, Sri Lance i na Filipinach) i zauważyła, że gwałtowna urbanizacja na ogół prowadzi do ograniczonego dostęp do scentralizowanych systemów zaopatrzenia w wodę. Zachęcili wiele osób do korzystania ze zdecentralizowanych źródeł wody, takich jak prywatne studnie (np. Guragai i in. 2018, Do i in. 2014).
Co więcej, nawet gdyby ludzie mieli dostęp do sieci wodociągowej na swoim terenie, nie zapewniłoby to dostępu do bezpiecznej wody, ponieważ jakość wody wodociągowej pogarsza się po długim transporcie w słabej sieci dystrybucyjnej. W praktyce lokalni mieszkańcy stosują kilka strategii radzenia sobie, w tym instalacje POU i POE. Wyniki ankiety wykazały, że około 76% mieszkańców centrum Hanoi wykonywało zabiegi POU w domu (Do et al. 2014); jednak niektóre stosowane aparaty POU nie działały jako skuteczna bariera przed drobnoustrojami. UV LED może być inteligentnym dodatkiem do takich systemów.
Koszt energii UV dla diod LED UV jest obecnie wyższy niż w przypadku lamp UV. Gdy diody UV LED osiągną wyższą wydajność i moc wyjściową i staną się bardziej przystępną opcją, pojawi się wiele możliwych zastosowań technologii reaktorów UV LED do uzdatniania wody na większą skalę, w tym w oczyszczalniach wody pitnej i ścieków.
