L-aħħar avvanzi fit-teknoloġija tas-semikondutturi wasslu għall-iżvilupp ta 'dijodi li jarmu d-dawl (LEDs) li kapaċi joħorġu spettru dejjaq ta' radjazzjoni UV (UV LEDs) f'tul ta 'mewġ kapaċi li jinattivaw organiżmi patoġeniċi. Riċentement, ċipep u pakketti UV LED, bħala l-prodotti primarji, ilhom jevolvu f'termini ta 'produzzjoni ta' enerġija, ħajja u anke ġestjoni tal-ispejjeż tal-produzzjoni. Avvanzi reċenti fit-teknoloġija UV LED issa għamluha possibbli li tiġi applikata din it-teknoloġija għat-trattament tal-ilma. Fil-fatt, l-UV LED għandu karatteristiċi attraenti li jistgħu jġibu innovazzjonijiet fit-teknoloġiji UV għat-trattament tal-ilma. Hawnhekk, huma diskussi tliet aspetti importanti tas-sistemi tat-trattament tal-ilma tal-UV LED: disinn, tħaddim u applikazzjoni.
Disinn
Wieħed mill-aktar vantaġġi sinifikanti tal-LEDs tal-UV huwa l-flessibilità li joffru fid-disinn tar-reattur billi jipprovdu grad akbar ta 'libertà fil-konfigurazzjoni u l-ottimizzazzjoni tar-reattur. Pereżempju, bosta studji applikaw diversi reatturi UV LED għad-diżinfettazzjoni tal-ilma (eż., Würtele et al. 2011; Jenny et al. 2014; Oguma et al. 2016a, b), u kull wieħed minnhom adotta kunċett differenti tad-disinn tar-reattur. Il-kriterji tad-disinn għall-bozoz UV tal-merkurju konvenzjonali mhux neċessarjament japplikaw għal reatturi UV LED minħabba li l-UV LED huwa sors ta ’radjazzjoni kompletament differenti, b’marka żgħira u distribuzzjoni angolari ta’ emissjoni. Peress li l-ispiża għadha waħda mill-isfidi għall-applikazzjoni tal-UV LED għat-trattament tal-ilma, l-ottimizzazzjoni tad-disinn biex tinkiseb prestazzjoni għolja bl-użu ta ’numru limitat ta’ LEDs UV hija essenzjali biex it-teknoloġija ssir fattibbli.
Il-prestazzjoni ta 'reattur tal-UV għat-trattament tal-ilma hija funzjoni tad-doża tal-UV jew fluwenza li titwassal fl-ilma. Fluence, min-naħa tiegħu, hija funzjoni tar-rata ta 'fluence u l-ħin ta' residenza. Bħala riżultat, ir-radjazzjoni u d-distribuzzjoni tal-veloċità huma fatturi determinanti għal kwalunkwe effiċjenza tar-reattur UV. Dawn il-fenomeni, flimkien mal-kinetika tal-inattivazzjoni mikrobjali, li r-rata kostanti tagħha għal kull mikroorganiżmu hija funzjoni tal-wavelength UV, se jiddeterminaw il-prestazzjoni ġenerali tar-reattur għad-diżinfezzjoni tal-ilma. Ir-radjazzjoni tar-reattur, l-idrodinamika u t-tul ta 'mewġ tal-UV jistgħu jiġu kkontrollati aħjar f'reattur UV LED meta mqabbel ma' reattur tal-lampa UV (Taghipour, 2018).
Għal reatturi fuq skala żgħira b'applikazzjonijiet f'punt ta 'użu (POU) u punt ta' dħul (POE), pereżempju, il-lampi huma tipikament ippożizzjonati fil-parti ċentrali tar-reattur bl-assi tagħhom parallela għall-fluss ewlieni tal-fluwidu direzzjoni. Għal kunċett ta 'reattur bħal dan, hemm distribuzzjoni konsiderevoli ta' rata ta 'fluwenza mhux uniformi tul il-passaġġ tal-flussi ta' ilma differenti li joħorġu mid-daħla tar-reattur sal-ħruġ. Dan għaliex id-distribuzzjoni tar-radjazzjoni tal-lampi UV għandha varjanza sinifikanti fid-direzzjoni radjali. F'reattur UV LED, din in-nuqqas ta 'uniformità tista' tiġi evitata, minħabba li profil ta 'radjazzjoni UV LED għandu direzzjoni prinċipali li għaliha l-viżjoni angolari tiegħu tista' tiġi aġġustata, u l-profil ta 'radjazzjoni tiegħu jista' jiġi adattat. Barra minn hekk, l-għażla tal-pożizzjoni korretta u d-direzzjoni ta 'enerġija radjanti, li hija faċilment possibbli għal reattur UV LED, tista' tipprevjeni b'mod aktar effettiv it-telf ta 'enerġija radjanti għall-ħajt tar-reattur meta mqabbla ma' lampi UV.
Limitazzjonijiet simili jeżistu għall-kontroll tal-veloċità tal-fluss tal-fluwidu u d-distribuzzjoni tal-ħin tar-residenza fir-reatturi tal-lampa UV. Peress li l-lampi UV huma tipikament imqiegħda ġewwa r-reatturi, l-idrodinamika tar-reattur hija spiss influwenzata ħafna mill-preżenza tal-lampi UV. Għal reattur fuq skala żgħira b'bozza waħda bl-assi tagħha parallela għad-direzzjoni ewlenija tal-fluss tal-fluwidu, per eżempju, l-ogħla veloċità hija mixtieqa ħdejn il-wiċċ tal-bozza UV, fejn ir-rata ta 'fluwenza hija fl-ogħla valur tagħha.
Madankollu, il-profil tal-veloċità ħdejn il-kmiem tal-lampa UV, jew kwalunkwe wiċċ solidu, b'mod ġenerali, huwa prattikament żero. Għalhekk, hemm limitazzjonijiet tekniċi u prattiċi għat-tqabbil tal-fluss u d-distribuzzjoni tar-radjazzjoni biex tinkiseb prestazzjoni kważi ideali tar-reattur għal tali reattur tal-lampa UV. Din il-limitazzjoni ma teżistix għal reattur UV LED, fejn l-UV LEDs jistgħu jiġu pożizzjonati f'postijiet differenti - inkluż barra r-reattur - u l-profil tar-radjazzjoni tagħhom jista 'jiġi aġġustat biex jirriżulta f'rati ta' fluwenza ogħla f'żoni ta 'veloċità ogħla.
Ir-rata kostanti għall-inattivazzjoni tal-UV ta 'batterji u viruses differenti tista' tvarja skont il-wavelength, anke fil-viċinanza tal-assorbiment tal-quċċata tad-DNA (Mamane-Gravetz et al. 2005; Beck et al. 2015). Sadanittant, il-wavelength tal-quċċata tal-LEDs tal-UV jista 'jiġi aġġustat, bil-għan li tinkiseb rata ta' inattivazzjoni ogħla kostanti għal mikroorganiżmi mmirati. Din hija r-raġuni li s-sensittività spettrali, jew l-hekk imsejħa spettru ta 'azzjoni, ta' mikro-organiżmi huma ta 'tħassib fl-applikazzjonijiet ta' l-UV LED.
Għalhekk, ikun ta 'interess li tiġbor fil-qosor sett ta' dejta dwar il-kinetika ta 'reazzjoni għall-fluwenza ta' diversi mikroorganiżmi taħt emissjonijiet ta 'UV LED. Ftit reviżjonijiet għamlu sforzi bħal dawn ibbażati fuq id-dejta ppubblikata (eż., Malayeri et al. 2016), li jistgħu jservu bħala referenzi. Huwa importanti li wieħed jinnota, madankollu, li tqabbil sempliċi ta 'effiċjenzi ta' inattivazzjoni fi studji differenti potenzjalment jista 'jiżgwida, minħabba ħafna dejta inkonsistenti u inkomparabbli rrappurtata fl-istudji ppubblikati, kif diskuss f'artiklu wieħed ta' reviżjoni (Song et al. 2016).
Kontributur ewlieni għal din l-inkonsistenza qed juża setups sperimentali differenti u diversi tekniki għall-kejl tal-fluwenza fi studji ta ’inattivazzjoni tal-UV LED (eż., Würtele et al. 2011; Oguma et al. 2016a, b; Beck et al. 2017; Rattanakul u Oguma 2018) . Għalhekk, l-istandardizzazzjoni ta 'protokoll tat-test tal-UV LED hija meħtieġa biex jinkisbu paraguni kredibbli fost studji differenti u, aktar importanti minn hekk, biex tinkiseb dejta kinetika ta' inattivazzjoni korretta. Protokoll bħal dan ġie propost (Kheyrandish et al. 2017, 2018), u "protokoll tat-test IUVA" għal sistema UV LED issa qiegħed jiġi żviluppat mit-task force IUVA.
Għal issa, mingħajr protokoll standard bħal dan, għażla sempliċi għal studji komparattivi hija li tiġbor fil-qosor id-dejta miksuba bl-użu tal-istess setup u definizzjoni ta 'fluenza konsistenti. Dan l-isforz sar minn grupp ta 'riċerka, li ppreżenta l-profili ta' rispons għall-fluwenza ta 'diversi mikroorganiżmi relatati mas-saħħa bl-użu ta' UV LEDs f'265, 280 u 300 nm (Oguma et al. 2019). Il-grupp jirrapporta r-rata kostanti ta ’inattivazzjoni u l-fluwenza meħtieġa għal n log inattivazzjoni (n=1, 2, 3 u 4) ta’ patoġeni (Legionella pneumophila, Pseudomonas aeruginosa, Vibrio parahaemolyticus, u feline calicivirus) u speċi indikaturi / sostituti (Escherichia coli , Bacillus subtilisspores u batterjofaġi Qβ u MS2).
Ladarba jkun disponibbli protokoll tat-test standard tal-UV LED, ir-riċerkaturi jistgħu jagħmlu esperimenti b’manjiera indipendenti u komparabbli, u r-riżultati jtejbu u jarrikkixxu d-database tal-inattivazzjoni tal-UV LED ta ’emissjonijiet varji għal diversi mikroorganiżmi.
Operazzjoni
Il-karatteristiċi speċjali tas-sistema tar-reattur tal-UV LED jinkludu vultaġġi baxxi u rekwiżiti ta 'enerġija, l-ebda ħin ta' tisħin bil-kapaċità li tixgħel / tintefa awtomatikament u bi frekwenza għolja, u għażliet differenti għall-immaniġġjar termali. Dawn il-karatteristiċi jistgħu jirriżultaw fl-operazzjoni ta 'reatturi UV LED għal applikazzjonijiet fejn reatturi tal-lampi UV ma jistgħux jintużaw b'mod effiċjenti. Uħud mill-karatteristiċi speċjali l-oħra tal-purifikatur tal-ilma UV LED jinkludu disinn robust u marka żgħira, li jagħmlu din it-teknoloġija xierqa għal applikazzjonijiet POU fejn teknoloġiji tradizzjonali tat-trattament tal-ilma jistgħu ma jintużawx bl-aħjar mod.
Ir-reatturi tal-UV LED, b’mod partikolari għall-applikazzjonijiet POU, jeħtieġu enerġija u vultaġġ baxx, li jfisser li jistgħu jitħaddmu faċilment b’pannell solari b’kitt tal-batterija li tista ’titħallas, li huwa faċilment disponibbli fis-suq. Għalhekk, l-enerġija rinnovabbli bi prezz raġonevoli tista 'tintuża biex is-sistemi tar-reatturi UV LED jinbidlu f'teknoloġija tat-trattament tal-ilma barra mill-grilja. Barra minn hekk, nuqqas ta 'enerġija elettrika kontinwa - f'komunitajiet żgħar u rurali, b'mod ġenerali, u partikolarment f'pajjiżi li qed jiżviluppaw - ħafna drabi hija problema, iżda ma tkunx limitazzjoni sinifikanti għall-UV LED.
L-LEDs tal-UV jistgħu jkunu mixgħula meta l-ilma jiġi ttrattat u mitfi meta ma jkunx qed jiġi ttrattat. Bħala riżultat, għal applikazzjonijiet tal-POU fejn l-ilma qed jintuża u jiġi ttrattat b'mod intermittenti, l-LEDs UV x'aktarx ma jeħtiġux sostituzzjoni għall-ħajja kollha tal-apparat (li jirriżulta fi ffrankar ta 'spejjeż ta' sostituzzjoni tal-lampa) u jikkunsmaw biss frazzjoni tal-enerġija (li tirriżulta fi iffrankar fl-ispejjeż tal-enerġija).
Aktar importanti minn hekk, ir-reatturi UV LED jeħtieġu ftit manutenzjoni. Dan jinkludi tindif frekwenti tal-kmiem u sostituzzjoni tas-sors tal-UV. Il-fouling tal-kmiem tal-lampi UV huwa prinċipalment riżultat ta 'lampi li jaħdmu f'temperaturi relattivament għoljin u s-sħana tal-lampa tiġi trasferita mill-kmiem. Il-preċipitazzjoni kkawżata mis-sħana ta 'metalli b'solubilità maqluba hija mekkaniżmu ewlieni li permezz tiegħu l-foulant jiġi depożitat fuq il-kmiem tal-lampa UV.
Fir-reatturi tal-UV LED, is-sħana ġġenerata mill-UV LEDs titneħħa mill-bord taċ-ċirkwit tal-LED (mhux it-tieqa jew il-kmiem tal-kwarz), allura l-fouling tal-kmiem mhux mistenni li jkun sinifikanti, li jfisser li manutenzjoni u tindif regolari x'aktarx ma jkunux kwistjoni ewlenija. Għalhekk, in-nuqqas ta 'operaturi tas-sengħa - li hija waħda mil-limitazzjonijiet ewlenin f'komunitajiet żgħar u rurali - li tfixkel l-applikazzjoni ta' ħafna teknoloġiji ta 'diżinfettar tal-ilma, tista' ma tkunx restrizzjoni kbira għas-sistemi tal-UV LED.
Applikazzjoni
Minħabba l-ħruġ ta 'enerġija radjanti u l-effikaċja tal-plagg tal-ħajt tal-UV LEDs fil-preżent, applikazzjoni aktar xierqa ta' reatturi UV LED hija t-trattament ta 'rati ta' fluss intermittenti u baxxi. Dawn jinkludu l-integrazzjoni tar-reattur f'firxa ta 'apparat tal-konsumatur u kummerċjali, bħal dispensers u apparat li jkessaħ l-ilma, dawk li jagħmlu s-silġ u l-kafè, u tagħmir tal-laboratorju u ilma mediku. L-integrazzjoni ta 'reattur UV f'xi wħud minn dawn l-apparati saret possibbli għall-ewwel darba minħabba l-marka żgħira tar-reattur UV LED u l-karatteristiċi speċjali.
Applikazzjoni oħra hija t-trattament tal-ilma fil-POU. It-trattament tal-ilma POU huwa industrija globali emerġenti minħabba d-domanda dejjem tikber kemm fil-pajjiżi żviluppati kif ukoll fil-pajjiżi li qed jiżviluppaw; is-suq għal sistemi bħal dawn huwa mistenni li jkun jiswa kważi 25 biljun USD fl-2020 u huwa proġettat li jikber b'rata ta 'tkabbir annwali kompost (CAGR) ta' madwar 10% (Suq tas-Sistemi tat-Trattament tal-Ilma tal-Punt tal-Użu, 2016).
Fatturi bħal żieda fil-kontaminazzjoni tal-ilma, għarfien dejjem jikber tal-importanza ta ’ilma tajjeb għax-xorb u żieda fl-attivitajiet ta’ kostruzzjoni wasslu s-suq tas-sistema tat-trattament tal-ilma POU. Ir-reatturi tal-UV LED jistgħu jkunu ideali għat-trattament tal-ilma POU, minħabba l-vantaġġi ovvji tagħhom, bħal nuqqas ta 'manutenzjoni frekwenti u spejjeż operattivi u tal-ħajja mnaqqsa, meta mqabbla mal-lampa UV u teknoloġiji konvenzjonali oħra.
Reatturi UV LED fuq skala akbar jistgħu jiġu applikati għat-trattament tal-ilma fil-POE għal djar u għerejjex, partikolarment meta l-LEDs isiru għażla aktar fattibbli. Fl-Istati Uniti biss, madwar 20 miljun familja u għerejjex jiddependu fuq bjar privati, filwaqt li għexieren ta 'eluf oħra jiddependu fuq lagi, xmajjar u sorsi oħra ta' ilma tal-wiċċ. Diversi studji sabu li persentaġġ konsiderevoli ta 'bjar fi kwalunkwe reġjun partikolari fihom mikroorganiżmi, bħal E. coli, li jistgħu jinstabu fi provvisti ta' ilma ta 'taħt l-art u tal-wiċċ fi kwalunkwe ħin partikolari. Għalhekk, ir-reatturi tal-UV LED jirrappreżentaw waħda mill-aktar alternattivi effettivi għat-trattament tal-ilma biex jiżguraw ilma tajjeb għax-xorb għal ħafna djar rikreattivi, remoti u rurali.
Fil-Ġappun, il-kopertura bbażata fuq il-popolazzjoni tal-provvista tal-ilma pubblika hija ta 'madwar 97.9% (mill-2016), li jfisser li l-popolazzjoni li fadal (madwar 2.7 miljun persuna) qed isserraħ fuq sistemi ta' provvista tal-ilma tal-komunità fuq skala żgħira u / jew bjar privati. Faċilitajiet żgħar bħal dawn huma barra mill-klorinazzjoni obbligatorja, u xi kultant m'hemm l-ebda trattament, inkluża l-klorinazzjoni. Intervisti wiċċ imb wiċċ mar-residenti lokali wrew li ma jridux verament iżidu l-kloru minħabba t-togħma u r-riħa, anke jekk jifhmu r-riskju potenzjali għas-saħħa tal-kontaminazzjoni mikrobjali tal-ilma.
Ta 'min jinnota li, fl-inċidenti tal-kwalità tal-ilma tax-xorb assoċjati ma' ħsara għas-saħħa fl-aħħar 30 sena fil-Ġappun, madwar 93% (130 minn 140 inċident) kienu minħabba falliment tad-diżinfezzjoni. Fid-dawl ta 'fatti bħal dawn, apparat POU u POE li jaħdmu għad-diżinfettar, idealment mingħajr ma jaffettwaw negattivament it-togħma u r-riħa, ikunu l-aħjar u l-iktar għażliet prattiċi għall-provvisti tal-ilma tal-komunità u bjar privati. Huwa ovvju li l-LEDs tal-UV jistgħu jgħinu biex jissodisfaw it-talbiet tal-kwalità tal-ilma ta 'dawn il-popolazzjonijiet.
Bżonn ieħor importanti għal trattamenti POU u POE jeżisti f'pajjiżi li qed jiżviluppaw, partikolarment dawk li jesperjenzaw urbanizzazzjoni mgħaġġla u tkabbir ekonomiku. L-ispiża tal-LEDs UV tista 'tkun kwistjoni bħalissa, iżda probabbilment tkun problema għal żmien qasir. Dr Kumiko Oguma, l-Università ta 'Tokyo, u l-kollegi tagħha għamlu stħarriġ intensiv fuq il-post dwar il-kwalità tal-ilma u l-imġieba fl-użu tal-ilma fl-Asja (jiġifieri, il-Vjetnam, in-Nepal, l-Indoneżja, is-Sri Lanka u l-Filippini) u nnutaw li l-urbanizzazzjoni mgħaġġla ġeneralment tirriżulta f'limiti limitati. aċċess għal sistemi ċentralizzati tal-provvista tal-ilma. Huma ħeġġew lil ħafna nies biex jużaw sorsi ta 'ilma deċentralizzati, bħal bjar privati (eż., Guragai et al. 2018, Do et al. 2014).
Barra minn hekk, anke jekk in-nies ikollhom aċċess għal provvisti ta 'ilma bil-pajpijiet fil-bini tagħhom, dan ma jassigurax l-aċċess għal ilma sikur minħabba li l-kwalità ta' l-ilma bil-pajpijiet tiddeterjora wara trasport twil f'netwerk ta 'distribuzzjoni ħażin. Fil-prattika, in-nies lokali jużaw bosta strateġiji biex ilaħħqu, inklużi installazzjonijiet POU u POE. Ir-riżultati tal-istħarriġ żvelaw li madwar 76% tar-residenti f'Hanoi ċentrali kienu qed iwettqu trattamenti POU fid-dar (Do et al. 2014); madankollu, xi apparat POU fl-użu ma kienux qed jiffunzjonaw bħala barriera effettiva kontra l-mikroorganiżmi. L-UV LED jista 'jkun għażla add-in intelliġenti għal sistemi bħal dawn.
L-ispiża tal-enerġija UV għall-UV LEDs bħalissa hija ogħla minn dik tal-lampi UV. Ladarba l-LEDs tal-UV jiksbu effiċjenza ogħla u produzzjoni ta ’enerġija u jsiru għażla aktar affordabbli, se jkun hemm bosta applikazzjonijiet possibbli għat-teknoloġija tar-reattur tal-UV LED għat-trattament tal-ilma fuq skala akbar, inkluż l-impjanti tat-trattament tal-ilma tax-xorb u tad-drenaġġ.
