Најновији напредак у технологији полупроводника довео је до развоја диода које емитују светлост (ЛЕД) способних да емитују уски спектар УВ зрачења (УВ ЛЕД) на таласним дужинама способним да инактивирају патогене организме. Недавно су УВ ЛЕД чипови и пакети, као примарни производи, еволуирали у смислу излазне снаге, животног века, па чак и управљања трошковима производње. Недавни напредак у УВ ЛЕД технологији сада је омогућио примену ове технологије у третману воде. У ствари, УВ ЛЕД поседује атрактивне карактеристике које могу унети иновације у УВ технологије за третман воде. Овде се разматрају три важна аспекта УВ ЛЕД система за пречишћавање воде: дизајн, рад и примена.
Дизајн
Једна од најзначајнијих предности УВ ЛЕД диода је флексибилност коју нуде у пројектовању реактора пружајући већи степен слободе у конфигурацији и оптимизацији реактора. На пример, неколико студија је применило различите УВ ЛЕД реакторе за дезинфекцију воде (нпр. Вуртеле ет ал. 2011; Јенни ет ал. 2014; Огума ет ал. 2016а, б), а свака је усвојила другачији концепт пројектовања реактора. Критеријуми дизајна за конвенционалне живине УВ лампе не морају се применити на УВ ЛЕД реакторе јер је УВ ЛЕД потпуно другачији извор зрачења, са малим отиском и кутном расподелом емисије. С обзиром да су трошкови и даље један од изазова за УВ ЛЕД апликацију за пречишћавање воде, оптимизација дизајна ради постизања високих перформанси коришћењем ограниченог броја УВ ЛЕД диода је од суштинског значаја за омогућавање технологије.
Перформансе УВ реактора за пречишћавање воде зависе од УВ дозе или флукса који се испоручује у воду. Флуенце је пак функција брзине флуенса и времена боравка. Као резултат тога, дистрибуција зрачења и брзине су одлучујући фактори за било коју ефикасност УВ реактора. Ови феномени, заједно са кинетиком микробне инактивације, чија је константа брзине за било који микроорганизам функција УВ таласне дужине, одредиће укупне перформансе реактора за дезинфекцију воде. Зрачење реактора, хидродинамика и УВ таласна дужина могу се боље контролисати у УВ ЛЕД реактору у поређењу са реактором са УВ лампом (Тагхипоур, 2018).
На пример, за мале реакторе са применом у тачкама употребе (ПОУ) и тачки уласка (ПОЕ), лампе су типично постављене у централном делу реактора са осом паралелном са главним током флуида правац. За такав концепт реактора постоји значајна неуједначена дистрибуција брзине флуенса дуж путање различитих токова воде који теку од улаза реактора до излаза. То је зато што дистрибуција зрачења УВ лампе има значајну варијацију у радијалном правцу. У УВ ЛЕД реактору, ова неуједначеност се може спречити, с обзиром да профил УВ ЛЕД зрачења има главни правац за који се може подесити његов угаони приказ и прилагодити профил зрачења. Надаље, одабир исправног положаја и смјера енергије зрачења, који је лако могућ за УВ ЛЕД реактор, може ефикасније спријечити губитак енергије зрачења на зиду реактора у односу на УВ лампе.
Слична ограничења постоје за контролу брзине протока флуида и расподјеле времена задржавања у реакторима УВ лампе. Пошто се УВ лампе обично постављају унутар реактора, на хидродинамику реактора често у великој мери утиче присуство УВ лампе. На пример, за реактор мањег обима са једном лампом чија је оса паралелна са главним смером протока флуида, највећа брзина је пожељна у близини површине УВ лампе, где је брзина флукса на највишој вредности.
Међутим, профил брзине у близини рукавца УВ лампе или било које чврсте површине је генерално готово нула. Стога постоје техничка и практична ограничења за усклађивање дистрибуције протока и зрачења за постизање готово идеалних перформанси реактора за такав реактор са УВ лампом. Ово ограничење не постоји за УВ ЛЕД реактор, гдје УВ ЛЕД диоде могу бити постављене на различитим мјестима - укључујући и изван реактора - и њихов профил зрачења може се прилагодити тако да резултира већим стопама флуенце у подручјима са већом брзином.
Константа брзине УВ инактивације различитих бактерија и вируса може варирати у зависности од таласне дужине, чак и у близини вршне апсорпције ДНК (Мамане-Граветз ет ал. 2005; Бецк ет ал. 2015). У међувремену, максимална таласна дужина УВ ЛЕД диода се може подесити, с циљем постизања веће константе брзине инактивације за циљане микроорганизме. Ово је разлог зашто су спектрална осетљивост, или такозвани акциони спектри, микроорганизама забрињавајући у УВ ЛЕД апликацијама.
Стога би било интересантно сумирати скуп података о кинетици флуенце-одзива различитих микроорганизама под УВ ЛЕД емисијама. Неколико рецензија је учинило такве напоре на основу објављених података (нпр. Малаиери ет ал. 2016), који би могли послужити као референца. Важно је напоменути, међутим, да једноставно поређење ефикасности инактивације у различитим студијама потенцијално може довести у заблуду, с обзиром на многе недоследне и неупоредиве податке објављене у објављеним студијама, о чему је било речи у једном прегледном чланку (Сонг ет ал. 2016).
Један од главних доприноса овој недоследности је коришћење различитих експерименталних поставки и различитих техника за мерење флуенце у студијама инактивације УВ ЛЕД (нпр. Вуртеле ет ал. 2011; Огума ет ал. 2016а, б; Бецк ет ал. 2017; Раттанакул и Огума 2018) . Стога је стандардизација протокола УВ ЛЕД теста неопходна за постизање веродостојних поређења међу различитим студијама и, што је још важније, за добијање тачних кинетичких података о инактивацији. Такав протокол је предложен (Кхеирандисх ет ал. 2017, 2018), а радна група ИУВА сада развија „ИУВА тестни протокол“ за УВ ЛЕД систем.
За сада, без таквог стандардног протокола, једноставна опција за компаративне студије је сумирање података добијених истим поставкама и доследном дефиницијом флуенце. Овај напор је учинила истраживачка група, која је представила профиле флуенце-респонсе различитих микроорганизама повезаних са здрављем користећи УВ ЛЕД на 265, 280 и 300 нм (Огума ет ал. 2019). Група извештава о константи брзине инактивације и флуенсу потребном за н лог инактивације (н=1, 2, 3 и 4) патогена (Легионелла пнеумопхила, Псеудомонас аеругиноса, Вибрио парахаемолитицус и мачји калицивирус) и индикаторских/сурогатних врста (Есцхерицхиа цоли , Бациллус субтилисспорес и бактериофаги Кβ и МС2).
Једном када је доступан стандардни протокол за испитивање УВ ЛЕД -а, истраживачи могу да изводе експерименте на независне и упоредиве начине, а резултати би побољшали и обогатили базу података о инактивирању УВ ЛЕД -а о различитим емисијама за различите микроорганизме.
Операција
Посебне карактеристике УВ ЛЕД реакторског система укључују ниске напоне и захтеве за снагом, без загревања са могућношћу аутоматског укључивања/искључивања и са високим фреквенцијама, као и различите опције за управљање топлотом. Ове карактеристике могу довести до рада УВ ЛЕД реактора за апликације у којима се реактори са УВ лампом не могу користити тако ефикасно. Неке од других посебних карактеристика УВ ЛЕД пречистача воде укључују робустан дизајн и мали простор, што ову технологију чини прикладном за апликације ПОУ гдје се традиционалне технологије за пречишћавање воде не могу оптимално користити.
УВ ЛЕД реактори, посебно за ПОУ апликације, захтијевају ниску снагу и напон, што значи да се њима може лако управљати помоћу соларног панела са комплетом пуњивих батерија, који је лако доступан на тржишту. Стога се обновљива енергија по приступачној цени може користити за претварање УВ ЛЕД реакторских система у технологију пречишћавања воде ван мреже. Штавише, недостатак континуиране електричне енергије - у малим и руралним заједницама, уопште, а посебно у земљама у развоју - често представља проблем, али не би био значајно ограничење за УВ ЛЕД.
УВ ЛЕД диоде могу бити укључене када се вода третира и искључене када се не третира. Као резултат тога, за апликације ПОУ у којима се вода користи и повремено обрађује, УВ ЛЕД диоде вероватно неће захтевати замену током целог века трајања уређаја (што ће довести до уштеде у трошковима замене лампе) и трошиће само делић енергије (што резултира значајном уштеда енергије).
Што је још важније, УВ ЛЕД реактори захтевају мало одржавања. Ово укључује често чишћење прљавштине на рукавима и замену извора УВ зрака. Запрљање рукаваца УВ лампе углавном је резултат рада лампи на релативно високим температурама и преношења топлоте лампе из чауре. Таложење метала са обрнутом растворљивошћу изазвано топлотом је водећи механизам помоћу којег се нечистоћа таложи на омотачу УВ лампе.
У УВ ЛЕД реакторима топлота коју стварају УВ ЛЕД диоде уклања се са ЛЕД плоче (не са кварцним прозором или навлаком), па се не очекује да ће загађивање рукава бити значајно, што значи да је мало вероватно да ће редовно одржавање и чишћење бити Главно питање. Стога, одсуство квалификованих оператера - што је једно од главних ограничења у малим и сеоским заједницама - које омета примену многих технологија за дезинфекцију воде, можда није велико ограничење за УВ ЛЕД системе.
Апликација
С обзиром на тренутну излазну снагу зрачења и ефикасност зидних утикача УВ ЛЕД диода, погоднија примена УВ ЛЕД реактора је третман испрекиданих и ниских протока. То укључује интеграцију реактора у низ потрошачких и комерцијалних уређаја, као што су дозатори и хладњаци за воду, апарати за лед и кафу, лабораторијска и медицинска опрема за воду. Интегрисање УВ реактора у неке од ових уређаја први пут је омогућено због мале површине УВ реактора и посебних карактеристика.
Друга примена је третман воде у ПОУ. Обрада воде ПОУ је глобална индустрија у настајању због растуће потражње у развијеним земљама и земљама у развоју; очекује се да ће тржиште таквих система у 2020. вредети скоро 25 милијарди УСД и предвиђа се раст по сложеној годишњој стопи раста (ЦАГР) од око 10% (Тржиште система за пречишћавање воде на месту употребе, 2016).
Фактори као што су повећање загађења воде, све већа свест о важности чисте воде за пиће и повећање грађевинских активности покренули су тржиште система за пречишћавање воде ПОУ. УВ ЛЕД реактори би могли бити идеални за третман ПОУ воде, с обзиром на њихове очигледне предности, као што су недостатак честог одржавања и смањени оперативни и животни трошкови, у поређењу са УВ лампом и другим конвенционалним технологијама.
УВ ЛЕД реактори већих размера могу се применити за пречишћавање воде у ПОЕ за куће и викендице, посебно када ЛЕД диоде постану изводљивија опција. Само у Сједињеним Државама око 20 милиона домаћинстава и викендица ослања се на приватне бунаре, док се још десетине хиљада ослања на језера, реке и друге изворе површинских вода. Различите студије су откриле да значајан проценат бунара у било ком региону садржи микроорганизме, попут Е. цоли, који се у било ком тренутку могу наћи у подземним и површинским водама. Стога УВ ЛЕД реактори представљају једну од најефикаснијих алтернатива за третман воде како би се осигурала сигурна вода за пиће за многе рекреативне, удаљене и сеоске домове.
У Јапану покривеност јавног водоснабдевања становништвом износи око 97,9% (од 2016. године), што значи да се преостало становништво (око 2,7 милиона људи) ослања на мале водоводне системе у заједници и/или приватне бунаре. Такви мали објекти су ван обавезног хлорисања, а понекад нема третмана, укључујући хлорисање. Интервјуи лицем у лице са локалним становништвом открили су да они заиста не желе додавати хлор због забринутости око укуса и мириса, иако разумеју потенцијални здравствени ризик од микробне контаминације воде.
Значајно је напоменути да је у несрећама са квалитетом воде за пиће повезаних са здравственим оштећењима у последњих 30 година у Јапану, око 93% (130 од 140 несрећа) било због неуспешне дезинфекције. С обзиром на такве чињенице, ПОУ и ПОЕ уређаји који раде на дезинфекцији, идеално без негативног утицаја на укус и мирис, били би најбоље и најпрактичније опције за снабдевање водом заједнице и приватне бунаре. Очигледно је да УВ ЛЕД диоде могу помоћи у задовољавању захтева за квалитетом воде ове популације.
Још једна важна потреба за третманима ПОУ и ПОЕ постоји у земљама у развоју, посебно онима које доживљавају брзу урбанизацију и економски раст. Трошкови УВ ЛЕД диода тренутно могу бити проблем, али ће то вероватно бити краткорочни проблем. Др Кумико Огума, Универзитет у Токију, и њене колеге спровеле су интензивна теренска истраживања о квалитету воде и понашању у коришћењу воде у Азији (тј. Вијетнаму, Непалу, Индонезији, Шри Ланки и Филипинима) и приметиле да брза урбанизација генерално резултира ограниченим приступ централизованим системима водоснабдевања. Они су охрабрили многе људе да користе децентрализоване изворе воде, као што су приватни бунари (нпр. Гурагаи ет ал. 2018, До ет ал. 2014).
Штавише, чак и ако људи имају приступ водоводима у својим просторијама, то не би осигурало приступ сигурној води јер се квалитет воде из цјевовода погоршава након дугог транспорта у лошој дистрибутивној мрежи. У пракси, локално становништво користи неколико стратегија суочавања, укључујући ПОУ и ПОЕ инсталације. Резултати истраживања открили су да је око 76% становника у централном Ханоју лечило ПОУ код куће (До ет ал. 2014); међутим, неки ПОУ апарати у употреби нису функционисали као ефикасна баријера против микроорганизама. УВ ЛЕД може бити паметна додатна опција за такве системе.
Трошкови УВ енергије за УВ ЛЕД диоде тренутно су већи од трошкова УВ лампе. Једном када УВ ЛЕД диоде постигну већу ефикасност и излазну снагу и постану приступачнија опција, бит ће бројне могуће примјене УВ ЛЕД реакторске технологије за пречишћавање воде у већим размјерима, укључујући постројења за пиће и пречишћавање отпадних вода.
