Naujausia puslaidininkių technologijos pažanga lėmė šviesos diodų (LED), galinčių skleisti siaurą UV spinduliuotės spektrą (UV šviesos diodus) bangų ilgiuose, galinčiuose nukenksminti patogeninius organizmus, vystymąsi. Pastaruoju metu UV LED lustai ir paketai, kaip pagrindiniai produktai, vystėsi pagal galią, tarnavimo laiką ir net gamybos sąnaudų valdymą. Pastarojo meto UV LED technologijos pažanga dabar leido šią technologiją pritaikyti vandens valymui. Tiesą sakant, UV LED turi patrauklių savybių, kurios gali suteikti naujovių UV technologijoms vandens valymui. Čia aptariami trys svarbūs UV LED vandens valymo sistemų aspektai: projektavimas, veikimas ir taikymas.
Dizainas
Vienas iš svarbiausių UV šviesos diodų privalumų yra lankstumas, kurį jie siūlo reaktoriaus projektavimui, suteikdami daugiau laisvės reaktoriaus konfigūracijoje ir optimizavime. Pavyzdžiui, atliekant kelis tyrimus vandens dezinfekcijai buvo naudojami įvairūs UV LED reaktoriai (pvz., Würtele et al. 2011; Jenny ir kt. 2014 m.; Oguma et al. 2016a, b) ir kiekvienas iš jų priėmė skirtingą reaktoriaus projektavimo koncepciją. Įprastinių gyvsidabrio UV lempų projektavimo kriterijai nebūtinai taikomi UV LED reaktoriams, nes UV LED yra visiškai kitoks spinduliuotės šaltinis, turintis nedidelį pėdsaką ir kampinį išmetamųjų teršalų pasiskirstymą. Kadangi kaina vis dar yra vienas iš iššūkių UV LED taikymo vandens valymo, projektavimo optimizavimas gauti aukštos kokybės naudojant ribotą skaičių UV šviesos diodų yra labai svarbus, kad technologija būtų įmanoma.
UV reaktoriaus veikimas vandens valymui yra UV dozės arba į vandenį tiekiamo srauto funkcija. Fluence, savo ruožtu, yra srauto greičio ir gyvenimo laiko funkcija. Todėl spinduliuotės ir greičio pasiskirstymas lemia bet kokio UV reaktoriaus efektyvumo veiksnius. Šie reiškiniai kartu su mikrobinės inaktyvacijos kinetika, kurios greičio konstanta bet kuriam mikroorganizmui yra UV bangos ilgio funkcija, nustatys bendrą reaktoriaus veikimą vandens dezinfekcijai. Reaktoriaus spinduliuotę, hidrodinamiką ir UV bangos ilgį galima geriau valdyti UV LED reaktoriuje, palyginti su UV lempos reaktoriumi (Taghipour, 2018).
Pavyzdžiui, mažos apimties reaktoriams, kuriuose naudojami naudojimo vietos (POU) ir įėjimo į tašką (POE), lempos paprastai yra centrinėje reaktoriaus dalyje, o jų ašis lygiagreti pagrindinei skysčio srauto krypčiai. Tokiai reaktoriaus koncepcijai yra didelis nevienodas srauto pasiskirstymas įvairių vandens srautų, tekančių iš reaktoriaus įleidimo angos į išleidimo angą, kelyje. Taip yra todėl, kad UV lempų spinduliuotės pasiskirstymas turi didelę ridienos krypties dispersiją. UV LED reaktoriuje šio vienodumo galima išvengti, atsižvelgiant į tai, kad UV LED spinduliuotės profilis turi pagrindinę kryptį, kuria galima reguliuoti jo kampinį vaizdą, ir jo spinduliuotės profilį galima pritaikyti. Be to, tinkamos spinduliavimo energijos padėties ir krypties pasirinkimas, kuris yra lengvai įmanomas UV LED reaktoriui, gali efektyviau užkirsti kelią spinduliavimo energijos praradimui reaktoriaus sienoje, palyginti su UV lempomis.
Panašūs apribojimai taikomi kontroliuojant skysčių srauto greitį ir buvimo laiko pasiskirstymą UV lempų reaktoriuose. Kadangi UV lempos paprastai dedamos reaktorių viduje, reaktoriaus hidrodinamikai didelę įtaką dažnai daro UV lempų buvimas. Pavyzdžiui, nedidelio masto reaktoriui su viena lempa, kurios ašis lygiagreti pagrindinei skysčio srauto krypčiai, pageidaujamas didžiausias greitis šalia UV lempos paviršiaus, kur svyravimo greitis yra didžiausia vertė.
Tačiau greičio profilis šalia UV lempos rankovės arba bet kokio kieto paviršiaus apskritai yra beveik lygus nuliui. Todėl yra techninių ir praktinių srauto ir spinduliuotės pasiskirstymo suderinimo apribojimų, kad būtų pasiektas beveik idealus tokio UV lempos reaktoriaus reaktoriaus veikimas. Šis apribojimas netaikomas UV LED reaktoriui, kuriame UV šviesos diodai gali būti išdėstyti skirtingose vietose, įskaitant už reaktoriaus ribų, o jų spinduliuotės profilis gali būti sureguliuotas taip, kad būtų didesnis svyravimo greitis didesnio greičio zonose.
Įvairių bakterijų ir virusų UV inaktyvavimo greičio konstanta gali skirtis priklausomai nuo bangos ilgio, net ir netoli DNR didžiausios absorbcijos (Mamane-Gravetz et al. 2005; Beck ir kt. 2015 m.). Tuo tarpu didžiausias UV šviesos diodų bangos ilgis gali būti koreguojamas, siekiant pasiekti didesnę inaktyvacijos greičio konstantą tiksliniams mikroorganizmams. Tai yra priežastis, dėl kurios mikroorganizmų spektrinis jautrumas arba vadinamasis veikimo spektras kelia susirūpinimą UV LED programose.
Taigi būtų įdomu apibendrinti duomenų rinkinį apie įvairių mikroorganizmų srauto ir atsako kinetiką pagal UV LED išmetimą. Keletas peržiūrų dėjo tokias pastangas remdamosi paskelbtais duomenimis (pvz., Malayeri ir kt. 2016), kurie galėtų būti naudojami kaip nuorodos. Tačiau svarbu pažymėti, kad paprastas nukenksminimo efektyvumo palyginimas skirtinguose tyrimuose gali būti klaidinantis, atsižvelgiant į daug nenuoseklių ir nepalyginamų duomenų, pateiktų paskelbtuose tyrimuose, kaip aptarta viename apžvalginiame straipsnyje (Song et al. 2016).
Vienas iš pagrindinių šio nenuoseklumo veiksnių yra skirtingų eksperimentinių nustatymų ir įvairių srauto matavimo metodų naudojimas UV LED inaktyvacijos tyrimuose (pvz., Würtele et al. 2011; Oguma ir kt. 2016a, b; Beck ir kt. 2017 m.; Rattanakul ir Oguma 2018). Todėl UV LED bandymo protokolo standartizavimas yra būtinas norint patikimai palyginti skirtingus tyrimus ir, dar svarbiau, gauti teisingus inaktyvavimo kinetinius duomenis. Toks protokolas buvo pasiūlytas (Kheyrandish et al. 2017, 2018), o IUVA darbo grupė šiuo metu rengia UV LED sistemos "IUVA bandymų protokolą".
Kol kas be tokio standartinio protokolo paprasta galimybė lyginamiesiems tyrimams yra apibendrinti duomenis, gautus naudojant tą pačią sąranką ir nuoseklų srauto apibrėžimą. Šias pastangas atliko mokslininkų grupė, kuri pristatė įvairių su sveikata susijusių mikroorganizmų, naudojančių UV šviesos diodus esant 265, 280 ir 300 nm bangos ilgiui, srauto ir atsako profilius (Oguma et al. 2019). Grupė praneša apie patogenų (Legionella pneumophila, Pseudomonas aeruginosa, Vibrio parahaemolyticus ir kačių kaliciviruso) ir indikatorinių ir (arba) surogatinių rūšių (Escherichia coli, Bacillus subtilis sporų ir bakteriofagų Qβ ir MS2) inaktyvavimo greitį ir svyravimą, reikalingą n log inaktyvavimui (n = 1, 2, 3 ir 4).
Kai UV LED standartinis bandymo protokolas yra prieinamas, mokslininkai gali atlikti eksperimentus nepriklausomai ir palyginamai, o rezultatai pagerintų ir praturtintų įvairių išmetamųjų teršalų UV LED inaktyvavimo duomenų bazę įvairiems mikroorganizmams.
Operacija
UV LED reaktoriaus sistemos ypatumai apima žemą įtampą ir galios reikalavimus, nėra įšilimo laiko su galimybe įjungti / išjungti automatiškai ir aukštu dažniu, ir įvairias šilumos valdymo galimybes. Dėl šių savybių gali veikti UV LED reaktoriai, skirti naudoti ten, kur UV lempų reaktorių negalima naudoti taip efektyviai. Kai kurios kitos UV LED vandens valytuvo savybės yra tvirta konstrukcija ir mažas pėdsakas, todėl ši technologija tinka POU programoms, kuriose tradicinės vandens valymo technologijos gali būti optimaliai naudojamos.
UV LED reaktoriams, ypač POU reikmėms, reikia mažos galios ir įtampos, o tai reiškia, kad juos galima lengvai valdyti saulės baterijų plokšte su įkraunamu akumuliatorių rinkiniu, kuris yra lengvai prieinamas rinkoje. Todėl atsinaujinančioji energija už prieinamą kainą gali būti naudojama UV LED reaktorių sistemoms paversti ne tinklo vandens valymo technologija. Be to, nuolatinės elektros energijos trūkumas mažose ir kaimo bendruomenėse apskritai, ypač besivystančiose šalyse, dažnai yra problema, tačiau tai nebūtų reikšmingas UV LED apribojimas.
UV šviesos diodai gali būti įjungti, kai vanduo apdorojamas ir išjungiamas, kai jis nėra apdorojamas. Todėl UV šviesos diodams, kai vanduo naudojamas ir valomas protarpiais, UV šviesos diodams greičiausiai nereikės keisti viso prietaiso naudojimo (dėl to bus sutaupytos lempos pakeitimo išlaidos) ir sunaudosite tik dalį energijos (dėl to bus sutaupyta daug energijos).
Dar svarbiau, kad UV LED reaktoriai reikalauja mažai priežiūros. Tai apima dažną rankovių užsiteršimo valymą ir UV šaltinio pakeitimą. UV lempos rankovių užsiteršimą daugiausia lemia lempos, veikiančios santykinai aukštoje temperatūroje, o lempos šiluma perduodama iš rankovės. Šilumą sukeliantis metalų nusodinimas su apverstu tirpumu yra pagrindinis mechanizmas, kuriuo ant UV lempos rankovės nusėda užsiteršiklis.
UV LED reaktoriuose UV šviesos diodų generuojama šiluma pašalinama iš LED plokštės (ne kvarco lango ar rankovės), todėl nesitikima, kad užsiteršimas rankovėmis bus reikšmingas, o tai reiškia, kad reguliari priežiūra ir valymas vargu ar bus pagrindinė problema. Todėl kvalifikuotų operatorių nebuvimas , kuris yra vienas iš pagrindinių apribojimų mažose ir kaimo bendruomenėse, trukdantis taikyti daugelį vandens dezinfekcijos technologijų, negali būti pagrindinis UV LED sistemų apribojimas.
Taikomoji programa
Atsižvelgiant į spinduliuojančią galią ir UV šviesos diodų sienelių efektyvumą, tinkamesnis UV LED reaktorių naudojimas yra protarpinių ir mažo srauto gydymas. Tai apima reaktoriaus integravimą į įvairius plataus vartojimo ir komercinius prietaisus, pvz., vandens dozatorius ir aušintuvus, ledo ir kavos virimo aparatus, laboratorinę ir medicininę vandens įrangą. UV reaktoriaus integravimas į kai kuriuos iš šių prietaisų pirmą kartą tapo įmanomas dėl mažo UV LED reaktoriaus pėdsako ir specialių savybių.
Kitas prašymas yra vandens valymas POU. POU vandens valymas yra besiformuojanti pasaulinė pramonė dėl didėjančios paklausos tiek išsivysčiusiose, tiek besivystančiose šalyse; tikimasi, kad tokių sistemų rinka 2020 m. bus verta beveik 25 mlrd.
Tokie veiksniai kaip didėjanti vandens tarša, didėjantis informuotumas apie švaraus geriamojo vandens svarbą ir didėjanti statybos veikla paskatino POU vandens valymo sistemų rinką. UV LED reaktoriai galėtų būti idealūs POU vandens valymui, atsižvelgiant į jų akivaizdžius privalumus, pvz., dažnos priežiūros trūkumą ir mažesnes eksploatavimo bei eksploatavimo išlaidas, palyginti su UV lempa ir kitomis įprastinėmis technologijomis.
Didesnio masto UV LED reaktoriai gali būti taikomi vandens valymui POE namams ir kotedžams, ypač kai šviesos diodai tampa labiau įmanoma galimybe. Vien TIK JAV apie 20 milijonų namų ūkių ir kotedžų priklauso nuo privačių šulinių, o dešimtys tūkstančių daugiau priklauso nuo ežerų, upių ir kitų paviršinio vandens šaltinių. Įvairūs tyrimai parodė, kad didelė dalis gręžinių bet kuriame regione turi mikroorganizmų, tokių kaip E. coli, kuriuos bet kuriuo metu galima rasti požeminio ir paviršinio vandens atsargose. Taigi, UV LED reaktoriai yra viena iš efektyviausių vandens valymo alternatyvų, užtikrinančių saugų geriamąjį vandenį daugeliui rekreacinių, atokių ir kaimo namų.
Japonijoje gyventojų aprėptis viešajame vandens tiekimui sudaro apie 97,9 proc. (nuo 2016 m.), o tai reiškia, kad likę gyventojai (apie 2,7 mln. žmonių) remiasi mažos apimties bendruomenės vandens tiekimo sistemomis ir (arba) privačiais šuliniais. Tokie maži įrenginiai nėra privalomi chloravimui, o kartais nėra apdorojimo, įskaitant chloravimą. Tiesioginiai interviu su vietos gyventojais parodė, kad jie tikrai nenori pridėti chloro dėl skonio ir kvapo problemų, nors jie supranta galimą mikrobinio vandens užteršimo pavojų sveikatai.
Pažymėtina, kad per pastaruosius 30 metų Japonijoje dėl dezinfekcijos gedimo įvyko geriamojo vandens kokybės nelaimingų atsitikimų, susijusių su žala sveikatai, apie 93 proc. (130 iš 140 nelaimingų atsitikimų). Atsižvelgiant į tokius faktus, POU ir POE prietaisai, kurie veikia dezinfekcijai, idealiu atveju be neigiamo poveikio skoniui ir kvapui, būtų geriausios ir praktiškiausios galimybės bendruomenės vandens tiekimui ir privatiems šuliniams. Akivaizdu, kad UV šviesos diodai gali padėti patenkinti šių gyventojų vandens kokybės poreikius.
Kitas svarbus POU ir POE gydymo poreikis egzistuoja besivystančiose šalyse, ypač tose, kurios patiria greitą urbanizaciją ir ekonomikos augimą. UV šviesos diodų kaina šiuo metu gali būti problema, tačiau tai tikriausiai bus trumpalaikė problema. Dr Kumiko Oguma, Tokijo universitetas, ir jos kolegos atliko intensyvius lauko tyrimus dėl vandens kokybės ir vandens naudojimo elgesio Azijoje (t. y. Vietname, Nepale, Indonezijoje, Šri Lankoje ir Filipinuose) ir pažymėjo, kad greita urbanizacija paprastai lemia ribotą prieigą prie centralizuotų vandens tiekimo sistemų. Jie paskatino daugelį žmonių naudoti decentralizuotus vandens šaltinius, pvz., privačius šulinius (pvz., Guragai ir kt. 2018, Do et al. 2014).
Be to, net jei žmonės turėtų prieigą prie vamzdynais tiekiamo vandens savo patalpose, tai neužtikrintų prieigos prie saugaus vandens, nes vamzdynais tiekiamo vandens kokybė pablogėja po ilgo transportavimo prastame paskirstymo tinkle. Praktiškai vietos gyventojai naudoja kelias įveikimo strategijas, įskaitant POU ir POE įrenginius. Apklausos rezultatai atskleidė, kad apie 76% Hanojaus centro gyventojų atliko POU gydymą namuose (Do et al. 2014); tačiau kai kurie naudojami POU aparatai neveikė kaip veiksminga kliūtis mikroorganizmams. UV LED gali būti protingas priedas tokioms sistemoms.
UV šviesos diodų UV energijos sąnaudos šiuo metu yra didesnės nei UV lempų. Kai UV šviesos diodai pasieks didesnį efektyvumą ir galią ir taps prieinamesniu variantu, bus daug galimų UV LED reaktoriaus technologijos pritaikymų vandens valymui didesniu mastu, įskaitant geriamąjį vandenį ir nuotekų valymo įrenginius.
