Najnoviji napredak u tehnologiji poluvodiča doveo je do razvoja dioda koje emitiraju svjetlost (LED) sposobnih emitirati uski spektar UV zračenja (UV LED) na valnim duljinama sposobnim inaktivirati patogene organizme. Nedavno su UV LED čipovi i paketi, kao primarni proizvodi, evoluirali u smislu izlazne snage, vijeka trajanja, pa čak i upravljanja troškovima proizvodnje. Nedavni napredak u UV LED tehnologiji sada je omogućio primjenu ove tehnologije u tretmanu vode. Zapravo, UV LED ima atraktivne karakteristike koje mogu unijeti inovacije u UV tehnologije za tretman vode. Ovdje se raspravlja o tri važna aspekta UV LED sistema za prečišćavanje vode: dizajn, rad i primjena.
Dizajn
Jedna od najznačajnijih prednosti UV LED dioda je fleksibilnost koju nude u projektiranju reaktora pružajući veći stupanj slobode u konfiguraciji i optimizaciji reaktora. Na primjer, nekoliko studija je primijenilo različite UV LED reaktore za dezinfekciju vode (npr. Würtele et al. 2011; Jenny et al. 2014; Oguma et al. 2016a, b), a svako je usvojilo drugačiji koncept projektiranja reaktora. Kriteriji dizajna za konvencionalne živine UV lampe ne primjenjuju se nužno na UV LED reaktore jer je UV LED potpuno drugačiji izvor zračenja, s malim otiskom i kutnom raspodjelom emisije. Budući da su troškovi i dalje jedan od izazova za UV LED primjenu u prečišćavanju vode, optimizacija dizajna radi postizanja visokih performansi korištenjem ograničenog broja UV LED dioda ključna je za omogućavanje tehnologije.
Performanse UV reaktora za prečišćavanje vode zavise od UV doze ili fluksa koji se isporučuje u vodu. Fluence je pak funkcija brzine fluensa i vremena boravka. Kao rezultat toga, distribucija zračenja i brzine su odlučujući faktori za bilo koju efikasnost UV reaktora. Ovi fenomeni, zajedno s kinetikom mikrobne inaktivacije, čija je konstanta brzine za bilo koji mikroorganizam funkcija UV valne duljine, odredit će ukupne performanse reaktora za dezinfekciju vode. Zračenje reaktora, hidrodinamika i UV valna dužina mogu se bolje kontrolirati u UV LED reaktoru u odnosu na reaktor sa UV lampom (Taghipour, 2018).
Na primjer, za reaktore malih razmjera s primjenama na mjestu upotrebe (POU) i na mjestu ulaska (POE), lampe su tipično postavljene u središnjem dijelu reaktora s osi paralelnom s glavnim protokom fluida smjer. Za takav koncept reaktora postoji značajna neujednačena raspodjela brzine fluence duž putanje različitih vodotoka koji teku od ulaza reaktora do izlaza. To je zato što raspodjela zračenja UV svjetiljki ima značajnu varijaciju u radijalnom smjeru. U UV LED reaktoru, ova neujednačenost se može spriječiti, s obzirom da profil UV LED zračenja ima glavni smjer za koji se može podesiti njegov kutni prikaz i prilagoditi profil zračenja. Nadalje, odabir ispravnog položaja i smjera energije zračenja, što je lako moguće za UV LED reaktor, može učinkovitije spriječiti gubitak energije zračenja na zidu reaktora u odnosu na UV lampe.
Slična ograničenja postoje za kontrolu brzine protoka fluida i raspodjele vremena zadržavanja u reaktorima UV lampe. Budući da se UV lampe obično postavljaju unutar reaktora, na hidrodinamiku reaktora često u velikoj mjeri utječe prisutnost UV svjetiljki. Na primjer, za reaktor malih razmjera s jednom svjetiljkom čija je osovina paralelna s glavnim smjerom protoka fluida, najveća brzina je poželjna u blizini površine UV lampe, gdje je brzina fluence na najvišoj vrijednosti.
Međutim, profil brzine u blizini rukavca UV lampe ili bilo koje čvrste površine općenito je praktički nula. Stoga postoje tehnička i praktična ograničenja za usklađivanje distribucije protoka i zračenja za postizanje gotovo idealnih performansi reaktora za takav reaktor sa UV lampom. Ovo ograničenje ne postoji za UV LED reaktor, gdje UV LED diode mogu biti postavljene na različitim mjestima - uključujući i izvan reaktora - a njihov profil zračenja može se prilagoditi tako da rezultira većim brzinama fluencije u područjima s većim brzinama.
Konstanta brzine UV inaktivacije različitih bakterija i virusa može varirati ovisno o valnoj duljini, čak i u blizini vršne apsorpcije DNA (Mamane-Gravetz i sur. 2005 .; Beck i sur. 2015.). U međuvremenu, maksimalna valna duljina UV LED dioda može se prilagoditi, s ciljem postizanja veće konstante brzine inaktivacije za ciljane mikroorganizme. Ovo je razlog zašto su spektralna osjetljivost, ili takozvani akcijski spektri, mikroorganizama zabrinjavajući u UV LED aplikacijama.
Stoga bi bilo od interesa sažeti skup podataka o kinetici fluence-odziva različitih mikroorganizama pod UV LED emisijom. Nekoliko je pregleda učinilo takve napore na temelju objavljenih podataka (npr. Malayeri i sur. 2016), koji bi mogli poslužiti kao referenca. Važno je napomenuti, međutim, da jednostavno poređenje efikasnosti inaktivacije u različitim studijama potencijalno može dovesti u zabludu, s obzirom na mnoge nedosljedne i neusporedive podatke objavljene u objavljenim studijama, o čemu je raspravljano u jednom preglednom članku (Song et al. 2016).
Jedan od glavnih doprinosa ovoj nedosljednosti je korištenje različitih eksperimentalnih postavki i različitih tehnika za mjerenje fluensa u studijama inaktivacije UV LED -a (npr. Würtele et al. 2011; Oguma et al. 2016a, b; Beck et al. 2017; Rattanakul i Oguma 2018) . Stoga je standardizacija protokola UV LED testa neophodna za postizanje vjerodostojnih usporedbi između različitih studija i, što je još važnije, za dobijanje ispravnih kinetičkih podataka o inaktivaciji. Takav protokol je predložen (Kheyrandish et al. 2017, 2018), a radna grupa IUVA sada razvija „IUVA test protokol“ za UV LED sistem.
Za sada, bez takvog standardnog protokola, jednostavna opcija za komparativne studije je sažimanje podataka dobivenih istim postavkama i dosljednom definicijom fluence. Ovaj napor je učinila istraživačka grupa koja je predstavila profile fluence-response različitih mikroorganizama povezanih sa zdravljem koristeći UV LED na 265, 280 i 300 nm (Oguma et al. 2019). Grupa izvještava o konstantnoj stopi inaktivacije i fluensu potrebnom za n log inaktivacije (n=1, 2, 3 i 4) patogena (Legionella pneumophila, Pseudomonas aeruginosa, Vibrio parahaemolyticus i mačji kalicivirus) i indikatorskih/zamjenskih vrsta (Escherichia coli , Bacillus subtilisspores i bakteriofagi Qβ i MS2).
Jednom kada je dostupan standardni protokol ispitivanja UV LED -a, istraživači mogu provoditi eksperimente na nezavisne i uporedive načine, a rezultati bi poboljšali i obogatili bazu podataka o inaktiviranju UV LED -a o različitim emisijama za različite mikroorganizme.
Operacija
Posebne karakteristike UV LED reaktorskog sustava uključuju niske napone i zahtjeve za energijom, bez vremena zagrijavanja s mogućnošću automatskog uključivanja/isključivanja i s visokim frekvencijama, te različite opcije za upravljanje toplinom. Ove bi karakteristike mogle rezultirati radom UV LED reaktora za primjene u kojima se reaktori UV lampe ne mogu koristiti tako efikasno. Neke od drugih posebnih karakteristika UV LED pročišćivača vode uključuju robustan dizajn i mali prostor, što ovu tehnologiju čini prikladnom za aplikacije POU gdje se tradicionalne tehnologije prečišćavanja vode ne mogu optimalno koristiti.
UV LED reaktori, posebno za POU aplikacije, zahtijevaju nisku snagu i napon, što znači da se njima može lako upravljati pomoću solarnog panela s kompletom punjivih baterija, koji je lako dostupan na tržištu. Stoga se obnovljiva energija po pristupačnoj cijeni može koristiti za pretvaranje UV LED reaktorskih sustava u tehnologiju prečišćavanja vode izvan mreže. Štoviše, nedostatak kontinuirane električne energije - u malim i ruralnim zajednicama općenito, a posebno u zemljama u razvoju - često je problem, ali ne bi bio značajno ograničenje za UV LED.
UV LED diode mogu biti uključene kada se voda tretira i isključene kada se ne tretira. Kao rezultat toga, za POU aplikacije u kojima se voda koristi i povremeno obrađuje, UV LED diode vjerojatno neće zahtijevati zamjenu tokom cijelog vijeka trajanja uređaja (što rezultira uštedom troškova zamjene lampe) i troše samo dio energije (što rezultira značajnom ušteda energije).
Što je još važnije, UV LED reaktori zahtijevaju malo održavanja. To uključuje često čišćenje prljavštine rukava i zamjenu izvora UV zraka. Zaprljanje rukavaca UV lampe uglavnom je posljedica rada svjetiljki na relativno visokim temperaturama i prenošenja topline lampe iz čahure. Taloženje metala invertirane topljivosti izazvano toplinom vodeći je mehanizam pomoću kojeg se nečistoća taloži na rukavu UV lampe.
U UV LED reaktorima toplina koju stvaraju UV LED diode uklanja se sa LED ploče (ne iz kvarcnog prozora ili čahure), pa se ne očekuje da će zagađivanje rukavca biti značajno, što znači da je malo vjerovatno da će redovno održavanje i čišćenje biti glavno pitanje. Stoga odsustvo kvalificiranih operatera - što je jedno od glavnih ograničenja u malim i ruralnim zajednicama - koje ometa primjenu mnogih tehnologija za dezinfekciju vode, ne mora biti veliko ograničenje za UV LED sisteme.
Aplikacija
S obzirom na trenutnu izlaznu snagu zračenja i efikasnost zidnih utikača UV LED dioda, prikladnija primjena UV LED reaktora je tretman isprekidanih i niskih protoka. To uključuje integraciju reaktora u niz potrošačkih i komercijalnih aparata, poput dozatora i hladnjaka za vodu, aparata za led i kavu te laboratorijske i medicinske opreme za vodu. Integriranje UV reaktora u neke od ovih uređaja prvi put je omogućeno zbog male površine UV reaktora i posebnih karakteristika.
Druga primjena je tretman vode u POU -u. Obrada vode POU globalna je industrija u nastajanju zbog rastuće potražnje u razvijenim zemljama i zemljama u razvoju; očekuje se da će tržište takvih sistema u 2020. vrijediti gotovo 25 milijardi USD, a predviđa se da će rasti po složenoj godišnjoj stopi rasta (CAGR) od oko 10% (Tržište sistema za pročišćavanje vode na mjestu upotrebe, 2016.).
Faktori poput povećanja zagađenja vode, sve veće svijesti o važnosti čiste vode za piće i povećanja građevinskih aktivnosti pokrenuli su tržište sistema za pročišćavanje vode POU. UV LED reaktori bi mogli biti idealni za tretman POU vode, s obzirom na njihove očigledne prednosti, kao što su nedostatak čestog održavanja i smanjeni operativni i životni troškovi, u poređenju sa UV lampom i drugim konvencionalnim tehnologijama.
UV LED reaktori većih razmjera mogu se primijeniti za prečišćavanje vode u POE za kuće i vikendice, posebno kada LED diode postanu izvodljivija opcija. Samo u SAD -u oko 20 miliona domaćinstava i vikendica oslanja se na privatne bunare, dok se još desetine hiljada oslanja na jezera, rijeke i druge izvore površinskih voda. Razna istraživanja otkrila su da znatan postotak bunara u bilo kojoj regiji sadrži mikroorganizme, poput E. coli, koji se u bilo kojem trenutku mogu pronaći u podzemnim i površinskim vodama. Stoga UV LED reaktori predstavljaju jednu od najefikasnijih alternativa za tretman vode koja osigurava sigurnu vodu za piće za mnoge rekreativne, udaljene i seoske domove.
U Japanu pokrivenost javnog vodosnabdijevanja stanovništvom iznosi oko 97,9% (od 2016.), što znači da se preostalo stanovništvo (oko 2,7 miliona ljudi) oslanja na male vodovodne sisteme u zajednici i/ili privatne bunare. Takvi mali objekti nisu obavezni za kloriranje, a ponekad nema tretmana, uključujući kloriranje. Intervjui licem u lice s lokalnim stanovništvom otkrili su da oni zapravo ne žele dodavati klor zbog zabrinutosti oko okusa i mirisa, iako razumiju potencijalni zdravstveni rizik od mikrobne kontaminacije vode.
Značajno je napomenuti da je u nesrećama s kvalitetom vode za piće povezanih sa zdravstvenim oštećenjima u posljednjih 30 godina u Japanu, oko 93% (130 od 140 nesreća) bilo posljedica neuspjeha dezinfekcije. S obzirom na takve činjenice, POU i POE uređaji koji rade na dezinfekciji, idealno bez negativnog utjecaja na okus i miris, bili bi najbolja i najpraktičnija opcija za vodoopskrbu zajednice i privatne bunare. Očigledno je da UV LED diode mogu pomoći u zadovoljavanju zahtjeva za kvalitetom vode ove populacije.
Druga važna potreba za tretmanima POU i POE postoji u zemljama u razvoju, posebno onima koje doživljavaju brzu urbanizaciju i ekonomski rast. Troškovi UV LED dioda trenutno mogu biti problem, ali vjerovatno će to biti kratkoročni problem. Dr. Kumiko Oguma sa Univerziteta u Tokiju i njene kolege provele su intenzivna terenska istraživanja o kvaliteti vode i ponašanju korištenja vode u Aziji (tj. Vijetnamu, Nepalu, Indoneziji, Šri Lanki i Filipinima) i primijetile da brza urbanizacija općenito rezultira ograničenim pristup centralizovanim sistemima vodosnabdijevanja. Ohrabrivali su mnoge ljude da koriste decentralizirane izvore vode, poput privatnih bunara (npr. Guragai i dr. 2018, Do i dr. 2014).
Štoviše, čak i ako ljudi imaju pristup vodovodnim cijevima u svojim prostorijama, to ne bi osiguralo pristup sigurnoj vodi jer se kvaliteta vode iz cijevi pogoršava nakon dugog transporta u lošoj distributivnoj mreži. U praksi, lokalno stanovništvo koristi nekoliko strategija suočavanja, uključujući POU i POE instalacije. Rezultati istraživanja otkrili su da je oko 76% stanovnika u središtu Hanoja liječilo POU kod kuće (Do et al. 2014); međutim, neki POU uređaji u upotrebi nisu funkcionirali kao učinkovita barijera protiv mikroorganizama. UV LED može biti pametna dodatna opcija za takve sisteme.
Troškovi UV energije za UV LED diode trenutno su veći od UV lampe. Nakon što UV LED diode postignu veću učinkovitost i izlaznu snagu i postanu pristupačnija opcija, bit će brojne moguće primjene UV LED reaktorske tehnologije za prečišćavanje vode u većim razmjerima, uključujući postrojenja za piće i pročišćavanje otpadnih voda.
