De seneste fremskridt inden for halvlederteknologi har ført til udvikling af lysdioder (LYSDIODER), der kan udsende et smalt spektrum af UV-stråling (UV-lysdioder) ved bølgelængder, der kan inaktivere patogene organismer. For nylig har UV LED-chips og -pakker, som de primære produkter, udviklet sig med hensyn til effekt, levetid og endda produktionsomkostningsstyring. De seneste fremskridt inden for UV LED-teknologi har nu gjort det muligt at anvende denne teknologi på vandbehandling. Faktisk har UV LED attraktive funktioner, der kan bringe innovationer til UV-teknologier til vandbehandling. Her diskuteres tre vigtige aspekter af UV LED-vandbehandlingssystemer: design, drift og anvendelse.
Design
En af de største fordele ved UV-lysdioder er den fleksibilitet, de tilbyder i reaktordesign ved at give en større grad af frihed i reaktorkonfiguration og optimering. For eksempel har flere undersøgelser anvendt forskellige UV LED-reaktorer til vanddesinfektion (f.eks. Jenny et al. 2014; Oguma et al. 2016a, b), og hver vedtog et andet reaktordesignkoncept. Designkriterierne for konventionelle UV-kviksølvlamper gælder ikke nødvendigvis for UV LED-reaktorer, fordi UV LED er en helt anden strålingskilde med et lille fodaftryk og en kantet fordeling af emissionen. Da omkostningerne stadig er en af udfordringerne for UV LED-applikation til vandbehandling, er designoptimering for at opnå høj ydeevne ved hjælp af et begrænset antal UV-lysdioder afgørende for at gøre teknologien mulig.
Udførelsen af en UV-reaktor til vandbehandling er en funktion af UV-dosis eller fluence, der leveres til vandet. Fluence er igen en funktion af fluencehastigheden og opholdstiden. Som følge heraf er strålings- og hastighedsfordelingen afgørende faktorer for enhver UV-reaktoreffektivitet. Disse fænomener, sammen med kinetik af mikrobiel inaktivering, hvis hastighedskonstant for enhver mikroorganisme er en funktion af UV-bølgelængde, vil bestemme den samlede reaktorydelse for vanddesinficering. Reaktorstråling, hydrodynamik og UV-bølgelængde kan bedre styres i en UV LED-reaktor sammenlignet med en UV-lampereaktor (Taghipour, 2018).
For små reaktorer med anvendelse i brugspunkt (POU) og indgangspunkt (POE) er lamperne f.eks. For et sådant reaktorkoncept er der en betydelig ikke-ensartet fordeling af fluenshastigheden langs stien til de forskellige vandstrømme, der strømmer fra reaktorindløbet til udløbsåbningen. Dette skyldes, at strålingsfordelingen af UV-lamper har en betydelig varians i radialretningen. I en UV LED-reaktor kan denne ikke-ensartethed forhindres, da en UV LED-strålingsprofil har en hovedretning, som dens vinkelvisning kan justeres for, og dens strålingsprofil kan afstemmes. Desuden kan valget af den korrekte position og retning af stråleenergi, som er let muligt for en UV LED-reaktor, mere effektivt forhindre tab af strålende energi til reaktorvæggen sammenlignet med UV-lamper.
Lignende begrænsninger findes for kontrol af væskestrømshastighed og fordeling af opholdstid i UV-lampereaktorer. Da UV-lamper typisk placeres inde i reaktorerne, påvirkes reaktorens hydrodynamik ofte i høj grad af tilstedeværelsen af UV-lamper. For en mindre reaktor med en enkelt lampe med sin akse parallelt med hovedvæskestrømmens retning ønskes for eksempel den højeste hastighed nær UV-lampens overflade, hvor fluencehastigheden er på sit højeste værdi.
Hastighedsprofilen nær UV-lampeærmen eller en fast overflade er dog generelt næsten nul. Derfor er der tekniske og praktiske begrænsninger for matchende flow og strålingsfordeling for at opnå næsten ideel reaktorydelse for en sådan UV-lampereaktor. Denne begrænsning gælder ikke for en UV LED-reaktor, hvor UV-lysdioder kan placeres forskellige steder – også uden for reaktoren – og deres strålingsprofil kan justeres, så de resulterer i højere strålehastigheder ved områder med højere hastighed.
Hastighedskonstanten for UV-inaktivering af forskellige bakterier og vira kan variere med bølgelængden, selv i nærheden af DNA-topabsorptionen (Mamane-Gravetz et al. 2005; Beck et al. 2015). I mellemtiden kan den maksimale bølgelængde af UV-lysdioder justeres med det formål at opnå en højere inaktiveringshastighedskonstant for målrettede mikroorganismer. Dette er grunden til, at mikroorganismernes spektralfølsomhed eller såkaldte virkningsspektre giver anledning til bekymring i UV LED-applikationer.
Det ville således være interessant at opsummere et datasæt om fluence-response kinetik af forskellige mikroorganismer under UV LED-emissioner. Et par gennemgange har gjort en sådan indsats baseret på de offentliggjorte data (f.eks. Malayeri et al. 2016), som kunne tjene som referencer. Det er imidlertid vigtigt at bemærke, at en simpel sammenligning af inaktiveringseffektivitet i forskellige undersøgelser potentielt kan være vildledende i betragtning af mange inkonsekvente og uforlignelige data, der er rapporteret i de offentliggjorte undersøgelser, som diskuteret i en gennemgangsartikel (Song et al. 2016).
En væsentlig bidragyder til denne inkonsekvens er at anvende forskellige eksperimentelle opsætninger og forskellige teknikker til flydende måling i UV LED-inaktiveringsundersøgelser (f.eks. Oguma et al. 2016a, b; Beck et al. 2017; Rattanakul og Oguma 2018). Derfor er standardisering af en UV LED-testprotokol nødvendig for at opnå troværdige sammenligninger mellem forskellige undersøgelser og endnu vigtigere for at opnå korrekte inaktivering kinetiske data. En sådan protokol er blevet foreslået (Kheyrandish et al. 2017, 2018), og en "IUVA-testprotokol" for et UV LED-system er nu under udvikling af IUVA-taskforcen.
For nu, uden en sådan standard protokol, en simpel mulighed for sammenlignende undersøgelser er at opsummere data opnået ved hjælp af samme setup og konsekvent fluence definition. Denne indsats er gjort af en forskningsgruppe, der præsenterede fluence-responsprofilerne for forskellige sundhedsrelaterede mikroorganismer ved hjælp af UV-lysdioder ved 265, 280 og 300 nm (Oguma et al. 2019). Gruppen rapporterer inaktiveringshastigheden konstant og den fluence, der kræves for n log inaktivering (n = 1, 2, 3 og 4) af patogener (Legionella pneumophila, Pseudomonas aeruginosa, Vibrio parahaemolyticus og feline calicivirus) og indikator / surrogatarter (Escherichia coli, Bacillus subtilis sporer og bacteriophages Qβ og MS2).
Når en UV LED-standardtestprotokol er tilgængelig, kan forskere udføre eksperimenter på uafhængige og sammenlignelige måder, og resultaterne vil forbedre og berige UV LED-inaktiveringsdatabasen for forskellige emissioner til forskellige mikroorganismer.
Operation
De særlige kendetegn ved UV LED-reaktorsystemet omfatter lave spændinger og strømkrav, ingen opvarmningstid med evnen til at tænde / slukke automatisk og med høj frekvens og forskellige muligheder for termisk styring. Disse egenskaber kan resultere i drift af UV LED-reaktorer til applikationer, hvor UV-lampereaktorer ikke kan anvendes så effektivt. Nogle af de andre særlige kendetegn ved UV LED-vandrenseren omfatter et robust design og et lille fodaftryk, som gør denne teknologi velegnet til POU-applikationer, hvor traditionelle vandbehandlingsteknologier muligvis ikke anvendes optimalt.
UV LED-reaktorerne, især til POU-applikationer, kræver lav effekt og spænding, hvilket betyder, at de let kan betjenes med et solpanel med et opladeligt batterisæt, som er let tilgængeligt på markedet. Derfor kan vedvarende energi til en overkommelig pris bruges til at omdanne UV LED-reaktorsystemer til en off-grid vandbehandlingsteknologi. Desuden er mangel på vedvarende elektricitet - i små og landlige samfund generelt og især i udviklingslandene - ofte et problem, men ville ikke være en væsentlig begrænsning for UV LED.
UV-lysdioder kan være tændt, når vand behandles og slukkes, når det ikke behandles. Som følge heraf vil UV-led til POU-applikationer, hvor vand anvendes og behandles periodisk, sandsynligvis ikke kræve udskiftning i hele enhedens levetid (hvilket resulterer i besparelser på lampeudskiftningsomkostninger) og kun forbruge en brøkdel af energien (hvilket resulterer i betydelige energibesparelser).
Endnu vigtigere er det, at UV LED-reaktorer kræver lidt vedligeholdelse. Dette omfatter hyppig ærme fouling rengøring og UV-kilde udskiftning. Tilsmudsningen af UV-lampeærmer skyldes hovedsageligt lamper, der arbejder ved relativt høje temperaturer, og at lampevarmen overføres fra ærmet. Den varmeinducerede nedbør af metaller med omvendt opløselighed er en førende mekanisme, hvorved foulant deponeres på UV-lampeærmen.
I UV LED-reaktorer fjernes den varme, der genereres af UV-LED'erne, fra LED-kredsløbskortet (ikke kvartsvinduet eller ærmet), så ærmebegroningen forventes ikke at være signifikant, hvilket betyder, at regelmæssig vedligeholdelse og rengøring sandsynligvis ikke vil være et stort problem. Derfor er fraværet af kvalificerede operatører - som er en af de vigtigste begrænsninger i små og landlige samfund - der hindrer anvendelsen af mange vanddesinficeringsteknologier, muligvis ikke en væsentlig begrænsning for UV LED-systemer.
Ansøgning
I betragtning af UV-led'ernes stråleeffekt og effekt af vægstik i øjeblikket er en mere hensigtsmæssig anvendelse af UV LED-reaktorer behandlingen af intermitterende og lave strømningshastigheder. Disse omfatter integration af reaktoren i en række forbruger-og kommercielle apparater, såsom vand dispensere og kølere, is og kaffemaskiner, og laboratorium og medicinsk vand udstyr. Integration af en UV-reaktor i nogle af disse enheder er blevet muliggjort for første gang på grund af UV LED-reaktorens lille fodaftryk og særlige egenskaber.
En anden applikation er behandlingen af vand på POU. POU-vandbehandling er en ny global industri på grund af den stigende efterspørgsel i både udviklede lande og udviklingslande; markedet for sådanne systemer forventes at være næsten 25 mia. USD værd i 2020 og forventes at vokse med en sammensat årlig vækstrate (CAGR) på ca. 10 % (point-of-use vandbehandlingssystemmarked, 2016).
Faktorer som øget vandforurening, voksende bevidsthed om betydningen af rent drikkevand og stigende byggeaktiviteter har drevet POU-markedet for vandrensningssystem. UV LED-reaktorer kan være ideelle til POU-vandbehandling på grund af deres åbenlyse fordele, såsom manglende hyppig vedligeholdelse og reducerede drifts- og levetidsomkostninger sammenlignet med UV-lampe og andre konventionelle teknologier.
Større UV LED-reaktorer kan anvendes til behandling af vand på POE til boliger og hytter, især når LED'erne bliver en mere realistisk mulighed. Alene i USA er omkring 20 millioner husstande og hytter afhængige af private brønde, mens titusinder er afhængige af søer, floder og andre overfladevandskilder. Forskellige undersøgelser har vist, at en betydelig procentdel af brøndene i en given region indeholder mikroorganismer, såsom E. coli, som kan findes i jord- og overfladevandforsyninger på et givet tidspunkt. UV LED-reaktorer udgør således et af de mest effektive vandbehandlingsalternativer for at sikre sikkert drikkevand til mange rekreative, fjerntliggende og landlige hjem.
I Japan er den befolkningsbaserede dækning af den offentlige vandforsyning omkring 97,9% (fra 2016), hvilket betyder, at den resterende befolkning (ca. 2,7 millioner mennesker) er afhængig af små samfund vandforsyningssystemer og / eller private brønde. Sådanne små faciliteter er ude af klorering obligatorisk, og nogle gange er der ingen behandling, herunder klorering. Face-to-face interviews med lokale beboere har afsløret, at de ikke rigtig ønsker at tilføje klor på grund af smag og lugt bekymringer, selv om de forstår den potentielle sundhedsrisiko for mikrobiel forurening af vandet.
Det er bemærkelsesværdigt, at i drikkevandskvalitet ulykker i forbindelse med sundhedsskader i de sidste 30 år i Japan, omkring 93% (130 af 140 ulykker) skyldtes desinfektion fiasko. I lyset af sådanne fakta, POU og POE udstyr, der arbejder for desinfektion, ideelt uden negativ indvirkning smag og lugt, ville være den bedste og mest praktiske muligheder for samfundet vandforsyning og private brønde. Det er indlysende, at UV-lysdioder kan hjælpe med at opfylde vandkvaliteten krav til disse befolkninger.
Et andet vigtigt behov for POU- og POE-behandlinger findes i udviklingslandene, især dem, der oplever hurtig urbanisering og økonomisk vækst. Omkostningerne ved UV-lysdioder kan være et problem i øjeblikket, men det vil sandsynligvis være et kortsigtet problem. Dr. Kumiko Oguma, University of Tokyo, og hendes kolleger har gjort intensive feltundersøgelser om vandkvalitet og vandforbrug adfærd i Asien (dvs. Vietnam, Nepal, Indonesien, Sri Lanka og Filippinerne) og bemærkede, at hurtig urbanisering generelt resulterer i begrænset adgang til centraliserede vandforsyningssystemer. De opfordrede mange mennesker til at bruge decentraliserede vandkilder, såsom private brønde (f.eks. Guragai et al. 2018, Do et al. 2014).
Selv om folk har adgang til vandforsyning i rørledninger på deres lokaler, vil det desuden ikke sikre adgangen til rent vand, fordi vandkvaliteten i rørledninger forringes efter lang transport i et dårligt distributionsnet. I praksis bruger lokalbefolkningen flere håndteringsstrategier, herunder POU- og POE-installationer. Undersøgelsesresultater viste, at omkring 76% af beboerne i det centrale Hanoi udførte POU-behandlinger derhjemme (Do et al. 2014); Nogle POU-apparater i brug fungerede imidlertid ikke som en effektiv barriere mod mikroorganismer. UV LED kan være en smart tilføjelsesmulighed for sådanne systemer.
UV-energiomkostningerne for UV-lysdioder er i øjeblikket højere end for UV-lamper. Når UV-lysdioder opnå en højere effektivitet og effekt og blive en mere overkommelig løsning, vil der være mange mulige anvendelser for UV LED reaktor teknologi til behandling af vand i større skala, herunder drikkevand og spildevandsrensningsanlæg.
