Останні досягнення в області напівпровідникових технологій призвели до розробки світлодіодів (світлодіодів), здатних випромінювати вузький спектр ультрафіолетового випромінювання (УФ-світлодіодів) на довжинах хвиль, здатних інактивувати патогенні організми. Останнім часом УФ-світлодіодні чіпи і пакети, як основні продукти, розвиваються з точки зору виробництва електроенергії, терміну служби і навіть управління витратами на виробництво. Останні досягнення в області технології ультрафіолетових світлодіодних каналів тепер дозволили застосувати цю технологію для очищення води. Насправді, УФ-світлодіод володіє привабливими функціями, які можуть привнести інновації в УФ-технології для очищення води. Тут обговорюються три важливі аспекти УФ-світлодіодних систем очищення води: проектування, експлуатація та застосування.
Проект
Однією з найбільш значущих переваг ультрафіолетових світлодіодів є гнучкість, яку вони пропонують в конструкції реактора, забезпечуючи більший ступінь свободи в конфігурації та оптимізації реактора. Наприклад, кілька досліджень застосували різні УФ-світлодіодні реактори для знезараження води (наприклад, Würtele et al. 2011; Дженні та ін. Oguma et al. 2016a, b), і кожен з них прийняв іншу концепцію проектування реактора. Критерії конструкції звичайних ртутних ультрафіолетових ламп не обов'язково застосовуються до УФ-світлодіодних реакторів, оскільки ультрафіолетовий світлодіод є зовсім іншим джерелом випромінювання, з невеликим слідом і кутовим розподілом випромінювання. Оскільки вартість як і раніше є однією з проблем для УФ-світлодіодів для очищення води, оптимізація дизайну для отримання високої продуктивності з використанням обмеженої кількості ультрафіолетових світлодіодів має важливе значення для того, щоб зробити технологію можливою.
Продуктивність УФ-реактора для очищення води - це функція УФ-дози або флюентності, яка доставляється у воду. Флюенс, в свою чергу, є функцією швидкості флюенса і часу проживання. В результаті розподіл випромінювання і швидкості є визначальними факторами для ефективності будь-якого УФ-реактора. Ці явища, поряд з кінетикою мікробної інактивації, постійна швидкість якої для будь-якого мікроорганізму є функцією УФ-довжини хвилі, визначать загальну продуктивність реактора для знезараження води. Випромінювання реактора, гідродинаміка і ультрафіолетова довжина хвилі можна краще контролювати в УФ-світлодіодному реакторі в порівнянні з реактором ультрафіолетової лампи (Taghipour, 2018).
Для маломасштабних реакторів з застосуванням в точці використання (POU) і точці входу (POE), наприклад, лампи, як правило, розташовані в центральній частині реактора з їх віссю паралельно основному напрямку потоку рідини. Для такої концепції реактора існує значний неоднорідний розподіл швидкості флюентності по шляху різних потоків води, що течуть від входу реактора на розетку. Це пов'язано з тим, що розподіл випромінювання ультрафіолетових ламп має значну дисперсію в радіальному напрямку. У УФ-світлодіодному реакторі цю неоднорідність можна запобігти, враховуючи, що профіль ультрафіолетового світлодіодного випромінювання має основний напрямок, для якого його кутовий вигляд може бути налаштований, а його профіль випромінювання може бути налаштований. Далі підбір правильного положення і напрямку сяючої енергії, що легко можливо для УФ-світлодіодного реактора, може більш ефективно запобігти втраті сяючої енергії на стіну реактора в порівнянні з ультрафіолетовими лампами.
Аналогічні обмеження існують для контролю швидкості потоку рідини та розподілу часу проживання в реакторах ультрафіолетових ламп. Оскільки ультрафіолетові лампи, як правило, розміщуються всередині реакторів, гідродинаміка реактора часто в значній мірі залежить від наявності ультрафіолетових ламп. Для малогабаритного реактора з однією лампою з її віссю паралельно основному напрямку потоку рідини, наприклад, найбільша швидкість потрібна біля поверхні ультрафіолетової лампи, де швидкість флюентності знаходиться на піковому значенні.
Однак профіль швидкості біля рукава ультрафіолетової лампи, або будь-якої твердої поверхні, в цілому, практично дорівнює нулю. Тому існують технічні та практичні обмеження для відповідності розподілу потоку і випромінювання для досягнення майже ідеальних характеристик реактора для такого реактора ультрафіолетової лампи. Це обмеження не існує для УФ-світлодіодного реактора, де ультрафіолетові світлодіоди можуть бути розташовані в різних місцях , в тому числі за межами реактора - і їх профіль випромінювання може бути скоригований, щоб привести до більш високих частот швидкості на більш високих площах швидкості.
Постійна швидкість УФ-інактивації різних бактерій і вірусів може змінюватися в залежності від довжини хвилі, навіть в безпосередній близькості від пікового поглинання ДНК (Mamane-Gravetz et al. 2005; 2015). Тим часом, пікова довжина хвилі ультрафіолетових світлодіодів може бути скоригована, з метою досягнення більш високої швидкості інактивації, постійної для цільових мікроорганізмів. Це є причиною того, що спектральна чутливість, або так звані спектри дії мікроорганізмів, викликають занепокоєння в УФ-світлодіодних додатках.
Таким чином, було б цікаво узагальнити набір даних про кінетику флюенс-реакції різних мікроорганізмів під УФ-світлодіодними викидами. Кілька оглядів доклали таких зусиль на основі опублікованих даних (наприклад, Malayeri et al. 2016), які можуть служити посиланнями. Важливо відзначити, однак, що просте порівняння ефективності інактивації в різних дослідженнях потенційно може вводити в оману, враховуючи багато суперечливих і незрівнянних даних, про які повідомляється в опублікованих дослідженнях, як це обговорюється в одній оглядовій статті (Song et al. 2016).
Одним з основних факторів цієї невідповідності є використання різних експериментальних установок та різних методів вимірювання флюенса в дослідженнях інактивації ультрафіолетових світлодіодів (наприклад, Würtele et al. 2011; Oguma et al. 2016a, b; Beck et al. 2017; Ротанакул і Огума 2018). Тому стандартизація протоколу УФ-світлодіодів необхідна для досягнення достовірних порівнянь між різними дослідженнями і, що більш важливо, для отримання правильних кінетичних даних інактивації. Такий протокол був запропонований (Kheyrandish et al. 2017, 2018), а "протокол випробувань IUVA" для УФ-світлодіодної системи зараз розробляється цільовою групою IUVA.
На даний момент, без такого стандартного протоколу, простий варіант порівняльних досліджень полягає в узагальненні даних, отриманих за допомогою тієї ж установки і послідовного визначення флюенса. Це зусилля було зроблено дослідницькою групою, яка представила профілі реакції на флюенс різних мікроорганізмів, пов'язаних зі здоров'ям, використовуючи ультрафіолетові світлодіоди на 265, 280 і 300 нм (Oguma et al. 2019). Група повідомляє про постійну швидкість інактивації та флуентність, необхідну для інактивації журналу n (n = 1, 2, 3 та 4) патогенів (Legionella pneumophila, Pseudomonas aeruginosa, vibrio parahaemolyticus та котячого каліцивірусу) та індикаторних/сурогатних видів (Escherichia coli, Bacillus subtilis spores and bacteriophages Qβ та MS2).
Після того, як буде доступний стандартний протокол ультрафіолетових світлодіодів, дослідники можуть проводити експерименти в незалежних і порівнянних манерах, а результати поліпшать і збагатять базу даних інактивації ультрафіолетових світлодіодів різних викидів для різних мікроорганізмів.
Операція
До особливостей системи УФ-світлодіодного реактора відносять низькі напруги і вимоги до потужності, відсутність часу розминки з можливістю включення / вимикання автоматично і з високою частотою, а також різні варіанти теплового управління. Ці функції можуть призвести до роботи УФ-світлодіодних реакторів для додатків, де реактори ультрафіолетових ламп не можуть бути використані так ефективно. Деякі з інших особливостей ультрафіолетового очищувача води включають надійну конструкцію та невеликий слід, що робить цю технологію придатною для застосування POU, де традиційні технології очищення води можуть бути оптимально використані.
УФ-світлодіодні реактори, зокрема для додатків POU, вимагають низької потужності та напруги, а це означає, що вони можуть бути легко керовані за допомогою сонячної панелі з зарядним акумулятором, який легко доступний на ринку. Таким чином, поновлювані джерела енергії за доступною ціною можуть бути використані для перетворення систем ультрафіолетових світлодіодних реакторів в технологію очищення води поза мережею. Крім того, відсутність безперервної електроенергії – в малих і сільських громадах, в цілому, і особливо в країнах, що розвиваються, – часто є проблемою, але не буде значним обмеженням для ультрафіолетового світлодіода.
Ультрафіолетові світлодіоди можуть бути вмикаються, коли вода обробляється і вимикається, коли вона не лікується. В результаті, для додатків POU, де вода використовується і обробляється з перервами, ультрафіолетові світлодіоди, ймовірно, не вимагатимуть заміни протягом усього терміну служби пристрою (що призводить до економії витрат на заміну лампи) і споживають лише частину енергії (що призводить до значної економії витрат на енергію).
Що ще більш важливо, УФ-світлодіодні реактори вимагають невеликого технічного обслуговування. Це включає в себе часте очищення обростання рукавом і заміну УФ-джерела. Обростання рукавів ультрафіолетової лампи в основному є результатом роботи ламп при відносно високих температурах, а тепло лампи переноситься з рукава. Теплоіндуковані опади металів з перевернутою розчинністю є провідним механізмом, за допомогою якого фолант осідають на рукаві ультрафіолетової лампи.
У УФ-світлодіодних реакторах тепло, що генерується ультрафіолетовими світлодіодами, видаляється зі світлодіодної плати (а не кварцового вікна або рукава), тому обростання рукавом не очікується значним, а це означає, що регулярне технічне обслуговування та очищення навряд чи буде серйозною проблемою. Тому відсутність кваліфікованих операторів , що є одним з основних обмежень у малих і сільських громадах , що перешкоджає застосуванню багатьох технологій знезараження води, не може бути основним обмеженням для УФ-світлодіодних систем.
Застосування
З огляду на сяючу потужність і ефективність настінної вилки ультрафіолетових світлодіодів в даний час, більш підходящим застосуванням УФ-світлодіодних реакторів є обробка переривчастих і низьких витрат. До них відносяться інтеграція реактора в ряд побутових і комерційних приладів, таких як дозатори води і охолоджувачі, льоду і кавоварки, а також лабораторне і медичне обладнання для води. Інтеграція УФ-реактора в деякі з цих пристроїв стала можливою вперше завдяки малому сліду ІФ-світлодіодного реактора і особливостям.
Ще одним застосуванням є обробка води в ОПУ. POU водопідйомка є новою світовою галуззю через зростаючий попит як у розвинених країнах, так і в країнах, що розвиваються; Очікується, що ринок таких систем буде коштувати майже 25 мільярдів доларів США в 2020 році і, за прогнозами, зростатиме з сукупними річними темпами зростання (CAGR) близько 10% (Ринок систем водопідйомки, 2016).
Такі фактори, як збільшення забруднення води, зростаюче усвідомлення важливості чистої питної води та збільшення будівельної діяльності, призвели до ринку системи очищення води. УФ-світлодіодні реактори можуть бути ідеальними для очищення води POU, враховуючи їх очевидні переваги, такі як відсутність частого обслуговування та зниження експлуатаційних та експлуатаційних витрат, порівняно з ультрафіолетовою лампою та іншими звичайними технологіями.
Більш масштабні УФ-світлодіодні реактори можуть бути застосовані для обробки води в POE для будинків і котеджів, особливо коли світлодіоди стають більш можливим варіантом. Тільки в США близько 20 мільйонів домогосподарств і котеджів покладаються на приватні свердловини, в той час як ще десятки тисяч покладаються на озера, річки та інші джерела поверхневих вод. Різні дослідження показали, що значний відсоток свердловин в будь-якому регіоні містять мікроорганізми, такі як кишкова паличка, які можуть бути знайдені в наземних і поверхневих джерелах води в будь-який момент часу. Таким чином, УФ-світлодіодні реактори є однією з найбільш ефективних альтернатив очищення води для забезпечення безпечної питної води для багатьох рекреаційних, віддалених і сільських будинків.
В Японії охоплення населення громадським водопостачанням становить близько 97,9% (станом на 2016 рік), що означає, що решта населення (близько 2,7 млн осіб) покладається на системи водопостачання малого масштабу та/або приватні свердловини. Такі невеликі об'єкти виходять з хлорування обов'язково, а іноді немає обробки, в тому числі хлорування. Особисте інтерв'ю з місцевими жителями показало, що вони насправді не хочуть додавати хлор через проблеми зі смаком і запахом, хоча вони розуміють потенційний ризик для здоров'я мікробного забруднення води.
Примітно, що в аваріях якості питної води, пов'язаних з пошкодженням здоров'я за останні 30 років в Японії, близько 93% (130 з 140 аварій) були пов'язані з збоєм дезінфекції. З огляду на такі факти, прилади POU і POE, які працюють для дезінфекції, в ідеалі без негативного впливу на смак і запах, були б найкращими і найбільш практичними варіантами для водопостачання громади і приватних свердловин. Очевидно, що ультрафіолетові світлодіоди можуть допомогти у задоволенні потреб у якості води цих груп населення.
Ще одна важлива потреба в лікуванні POU і POE існує в країнах, що розвиваються, особливо тих, хто переживає швидку урбанізацію та економічне зростання. Вартість ультрафіолетових світлодіодів може бути проблемою в даний час, але це, ймовірно, буде короткостроковою проблемою. Доктор Куміко Огума з Токійського університету та її колеги провели інтенсивні польові дослідження щодо якості води та поведінки у водокористуванні в Азії (наприклад, В'єтнам, Непал, Індонезія, Шрі-Ланка та Філіппіни) і відзначили, що швидка урбанізація, як правило, призводить до обмеженого доступу до централізованих систем водопостачання. Вони заохочували багатьох людей використовувати децентралізовані джерела води, такі як приватні свердловини (наприклад, Guragai et al. 2018, Do et al. 2014).
Крім того, навіть якщо люди мають доступ до трубопровідного водопостачання на своїх приміщеннях, це не забезпечить доступ до безпечної води, оскільки якість трубної води погіршується після тривалого транспортування в поганій розподільній мережі. На практиці місцеві жителі використовують кілька стратегій подолання, включаючи установки POU та POE. Результати опитування показали, що близько 76% жителів в центрі Ханоя проводили лікування POU вдома (Do et al. 2014); однак деякі апарати POU, що використовуються, не функціонували як ефективний бар'єр проти мікроорганізмів. УФ-світлодіод може бути розумним додатковим варіантом для таких систем.
Вартість ультрафіолетової енергії для ультрафіолетових світлодіодів в даний час вище, ніж у ультрафіолетових ламп. Як тільки ультрафіолетові світлодіоди досягнуть більш високої ефективності та потужності і стануть більш доступним варіантом, буде безліч можливих застосувань для технології УФ-світлодіодного реактора для обробки води в більших масштабах, включаючи установки з очищення питної води та стічних вод.
