Nýjustu framfarir í hálfleiðara tækni hafa leitt til þróunar ljósdíóða (LED) sem geta sent frá sér þröngt litróf af UV geislun (UV LED) á bylgjulengdum sem geta gert sjúkdómsvaldandi lífverur óvirkar. Undanfarið hafa UV LED flísar og pakkar, sem aðalafurðirnar, þróast hvað varðar afköst, líftíma og jafnvel stjórnun framleiðslukostnaðar. Nýlegar framfarir í UV LED tækni hafa nú gert það mögulegt að beita þessari tækni við vatnsmeðferð. Í raun hefur UV LED aðlaðandi eiginleika sem geta fært nýjungar í UV tækni til meðhöndlunar á vatni. Hér er fjallað um þrjá mikilvæga þætti UV LED vatnsmeðferðarkerfa: hönnun, notkun og notkun.
Hönnun
Einn af mikilvægustu kostum UV LED er sveigjanleiki sem þeir bjóða í hönnun kjarnaofna með því að veita meira frelsi í uppsetningu kjarnaofna og hagræðingu. Til dæmis hafa nokkrar rannsóknir beitt ýmsum UV LED hvarfefnum fyrir sótthreinsun vatns (td Würtele o.fl. 2011; Jenny o.fl. 2014; Oguma o.fl. 2016a, b) og hver og einn tók upp mismunandi hugmyndir um kjarnaofn. Hönnunarviðmiðin fyrir hefðbundna kvikasilfurs UV lampa eiga ekki endilega við um UV LED hvarfefni vegna þess að UV LED er allt önnur geislunargjafi, með lítið fótspor og hyrnd dreifingu losunar. Þar sem kostnaður er enn ein af áskorunum fyrir UV LED umsókn fyrir vatnsmeðferð, þá er hagræðing hönnunar til að ná háum afköstum með takmörkuðum fjölda UV LEDs nauðsynleg til að gera tæknina mögulega.
Frammistaða UV hvarfefnis fyrir vatnsmeðferð er fall af UV skammtinum eða súrefninu sem er afhent vatninu. Fluence er aftur á móti fall af flæðishraða og dvalartíma. Þar af leiðandi eru geislun og hraða dreifing ákvarðandi þættir fyrir hvaða UV hvarfvirkni. Þessi fyrirbæri ásamt hreyfihreyfingu örveru óvirkjunar, en hraði hennar fastur fyrir hverja örveru er fall UV -bylgjulengdar, mun ákvarða heildarvirkni hvarfefnisins fyrir sótthreinsun vatns. Hægt er að stjórna hvarfefnisgeisluninni, vatnsaflsfræði og UV -bylgjulengd í UV LED hvarfofni samanborið við UV -lampaofn (Taghipour, 2018).
Fyrir smákvarða kjarnaofna með notkun í notkunarpunkti (POU) og inngangspunkti (POE), til dæmis, eru lamparnir venjulega staðsettir í miðhluta kjarnakljúfsins með ás þeirra samsíða aðalflæðisflæðinu stefnu. Fyrir slíkt kjarnaofnhugtak er töluverð ósamræmd dreifing á flæðishraða eftir braut mismunandi vatnsstrauma sem renna frá inntaksofni hvarfanna að útrásinni. Þetta er vegna þess að geisladreifing UV lampa hefur verulegt frávik í geislamyndun. Í UV LED hvarfofni er hægt að koma í veg fyrir þessa ósamræmi í ljósi þess að UV LED geislunarsnið hefur megin stefnu sem hægt er að stilla hornhornið á og hægt er að stilla geislasniðið. Ennfremur getur val á réttri staðsetningu og stefnu geislunarorku, sem auðveldlega er mögulegt fyrir UV LED hvarfefni, á áhrifaríkari hátt komið í veg fyrir tap geislunarorku í hvarfavörðina samanborið við UV lampa.
Svipaðar takmarkanir eru til við að stjórna flæðihraða vökva og dreifingu dvalartíma í UV lampa hvarfefnum. Þar sem UV lampar eru venjulega settir inni í kjarnaofnunum, hefur vatnsvirkni hvarfefnisins oft mikil áhrif á nærveru UV lampa. Fyrir smákvarða reactor með einum lampa með ásinn samsíða aðalflæðisstefnu vökvans, til dæmis, er óskað eftir hæsta hraða nálægt UV-lampa yfirborðinu, þar sem flæðishraði er í hámarki.
Hins vegar er hraða sniðið nálægt UV lampahylkinu, eða hvaða yfirborði sem er, almennt nánast núll. Þess vegna eru tæknilegar og hagnýtar takmarkanir á samsvörun flæðis og geislunardreifingar til að ná næstum kjörnum kjarnaofni fyrir slíkan UV lampa hvarfefni. Þessi takmörkun er ekki til fyrir UV LED reactor, þar sem hægt er að staðsetja UV LED á mismunandi stöðum - þar með talið utan kjarnakljúfsins - og hægt er að stilla geislaprófíl þeirra til að leiða til meiri flæðishraða á hærra hraða svæði.
Hraðastaðan fyrir UV-óvirkjun mismunandi baktería og vírusa getur verið breytileg með bylgjulengdinni, jafnvel í nágrenni við hámarks frásog DNA (Mamane-Gravetz o.fl. 2005; Beck o.fl. 2015). Á meðan er hægt að stilla hámarksbylgjulengd UV LED, með það að markmiði að ná hærri stöðugleika óvirkjunarhraða fyrir markvissar örverur. Þetta er ástæðan fyrir því að litrófsnæmi, eða svokölluð aðgerðarróf, örvera hafa áhyggjur í UV LED forritum.
Þannig væri áhugavert að draga saman gagnasafn um hreyfileiki svörunar svörunar ýmissa örvera undir UV LED losun. Nokkrar umsagnir hafa gert slíka tilraun byggðar á birtum gögnum (td Malayeri o.fl. 2016), sem gætu þjónað sem tilvísun. Það er hins vegar mikilvægt að hafa í huga að einfaldur samanburður á hagkvæmni óvirkjunar í mismunandi rannsóknum getur hugsanlega verið villandi, í ljósi margra ósamrýmanlegra og óviðjafnanlegra gagna sem greint var frá í útgefnu rannsóknunum, eins og fjallað var um í einni gagnrýni (Song o.fl. 2016).
Einn helsti þátttakandi í þessu ósamræmi er að nota mismunandi tilraunauppsetningar og ýmsar aðferðir til að mæla fluence í UV LED óvirkjunarannsóknum (td Würtele o.fl. 2011; Oguma o.fl. 2016a, b; Beck o.fl. 2017; Rattanakul og Oguma 2018) . Þess vegna er stöðlun á UV LED prófunarreglum nauðsynleg til að ná fram trúverðugum samanburði milli mismunandi rannsókna og mikilvægara er að fá rétt hreyfingargögn fyrir óvirkjun. Slík bókun hefur verið lögð til (Kheyrandish o.fl. 2017, 2018) og „IUVA prófunarreglur“ fyrir UV LED kerfi eru nú í þróun hjá starfshópi IUVA.
Í bili, án þess að hafa svona staðlaða siðareglur, er einfaldur kostur fyrir samanburðarrannsóknir að draga saman gögn sem fengust með sömu uppsetningu og samræmdri flensuskilgreiningu. Þetta átak hefur verið gert af rannsóknarhópi, sem kynnti snertiflötusvörun ýmissa heilsutengdra örvera með UV ljósdíóða við 265, 280 og 300 nm (Oguma o.fl. 2019). Hópurinn tilkynnir stöðugleika óvirkjunarhraða og þá flensu sem krafist er fyrir n log -óvirkjun (n=1, 2, 3 og 4) sýkla (Legionella pneumophila, Pseudomonas aeruginosa, Vibrio parahaemolyticus og kattakalísivirus) og vísbendinga/staðgöngutegunda (Escherichia coli) , Bacillus subtilisspores and bacteriophages Qβ and MS2).
Þegar UV LED staðlað prófunarreglur eru tiltækar geta vísindamenn gert tilraunir á sjálfstæðum og sambærilegum háttum og niðurstöðurnar myndu bæta og auðga UV LED óvirkjunargagnagrunninn fyrir ýmsa losun fyrir margvíslegar örverur.
Aðgerð
Sérstaða UV LED reactor kerfisins felur í sér lága spennu og aflkröfur, enginn upphitunartími með getu til að kveikja/slökkva sjálfkrafa og með hátíðni og mismunandi valkosti fyrir hitastjórnun. Þessir eiginleikar gætu leitt til reksturs UV LED hvarfefna fyrir forrit þar sem ekki er hægt að nota UV lampa hvarfefni eins skilvirkt. Sumir af öðrum sérkennum UV LED vatnshreinsiefnisins eru traust hönnun og lítið fótspor sem gera þessa tækni viðeigandi fyrir POU forrit þar sem hefðbundin vatnsmeðferðartækni er ekki hægt að nota sem best.
UV LED hvarfefnin, einkum fyrir POU forrit, krefjast lítillar orku og spennu, sem þýðir að auðvelt er að stjórna þeim með sólarplötu með gjaldskyldri rafhlöðu sem er aðgengileg á markaðnum. Þess vegna er hægt að nota endurnýjanlega orku á viðráðanlegu verði til að breyta UV LED reactor kerfum í vatnsmeðferðartækni utan nets. Þar að auki er skortur á samfelldri raforku - í litlum og dreifbýli, almennt og sérstaklega í þróunarlöndum - oft vandamál, en myndi ekki vera veruleg takmörkun fyrir UV LED.
UV ljósdíóður geta verið kveiktar þegar vatn er meðhöndlað og slökkt þegar það er ekki meðhöndlað. Þar af leiðandi, fyrir POU forrit þar sem vatn er notað og meðhöndluð með hléum, mun UV ljósdíóða líklega ekki þurfa að skipta um allt líf tækisins (sem leiðir til sparnaðar í að skipta um lampa) og eyða aðeins broti af orkunni (sem leiðir til töluverðrar sparnaður í orkukostnaði).
Meira um vert, UV LED hvarfefni þurfa lítið viðhald. Þetta felur í sér tíða hreinsun á ermum og skipti á UV -uppsprettum. Óhreinsun UV lampahylkja stafar aðallega af því að lampar starfa við tiltölulega hátt hitastig og lampahitinn er fluttur úr erminni. Hitamyndun úrkomu málma með öfugri leysni er leiðandi aðferð þar sem óhreinindi koma fyrir á UV lampahylkinu.
Í UV LED hvarfefnum er hitinn sem myndast af UV ljósdíóðunum fjarlægður úr LED hringrásinni (ekki kvarsglugganum eða erminni), þannig að ekki er búist við að ermabólga sé veruleg, sem þýðir að venjulegt viðhald og hreinsun er ólíklegt stórt mál. Þess vegna getur fjarvera hæfra rekstraraðila - sem er ein helsta takmarkunin í litlum og dreifbýlum samfélögum - sem hindrar notkun margra sótthreinsitækni í vatni, ekki verið mikil takmörkun fyrir UV LED kerfi.
Umsókn
Miðað við geislandi afköst og virkni veggtappa UV LED um þessar mundir, er hentugri notkun UV LED hvarfefna meðferð með hléum og lágum flæðishraða. Þetta felur í sér samþættingu kjarnakljúfsins í úrval neytenda- og atvinnutækja, svo sem vatnsskammta og kælivökva, ís- og kaffivélar og rannsóknarstofu- og lækningatækja. Sameining UV hvarfefnis í sum þessara tækja hefur verið möguleg í fyrsta sinn vegna lítils fótspors UV LED hvarfefnisins og sérstakra eiginleika.
Önnur umsókn er meðferð vatns í POU. Vatnsmeðhöndlun POU er vaxandi alþjóðlegur iðnaður vegna vaxandi eftirspurnar bæði þróaðra og þróunarlanda; Búist er við að markaðurinn fyrir slík kerfi nemi næstum 25 milljörðum Bandaríkjadala árið 2020 og er áætlað að hann vaxi með samsettum árlegum vexti (CAGR) um 10% (Point-of-Use Water Treatment Systems Market, 2016).
Þættir eins og að auka mengun vatns, vaxandi meðvitund um mikilvægi hreins drykkjarvatns og aukna byggingarstarfsemi hafa drifið á markaðinn fyrir vatnsmeðferðarkerfi POU. UV LED hvarfefni gæti verið tilvalið fyrir POU vatnsmeðferð, þar sem augljósir kostir þeirra eru, svo sem skortur á tíðu viðhaldi og minni rekstrarkostnaður og líftíma kostnaður, samanborið við UV lampa og aðra hefðbundna tækni.
Hægt er að beita UV LED hvarfefnum í stærri mælikvarða við meðhöndlun vatns í POE fyrir heimili og sumarhús, sérstaklega þegar ljósdíóðurnar verða hagkvæmari kostur. Í Bandaríkjunum einum treysta um 20 milljónir heimila og sumarhúsa á einkaholur en tugþúsundir fleiri treysta á vötnum, ám og öðrum yfirborðsvatnsgjöfum. Ýmsar rannsóknir hafa komist að því að töluvert hlutfall brunna á hverju svæði inniheldur örverur, svo sem E. coli, sem finnast í jarð- og yfirborðsvatnsbirgðum hverju sinni. Þannig tákna UV LED hvarfefni einn af áhrifaríkustu vatnsmeðferðarúrræðunum til að tryggja öruggt drykkjarvatn fyrir mörg afþreyingar-, afskekkt og dreifbýlishús.
Í Japan er umfjöllun almennings um almenna vatnsveitu um 97,9% (frá og með 2016), sem þýðir að íbúar sem eftir eru (um 2,7 milljónir manna) treysta á smáfyrirtæki í samfélagi við vatnsveitu og/eða einkahola. Slík lítil aðstaða er út af klóruninni lögboðin og stundum er engin meðferð, þ.mt klórun. Augliti til auglitis viðtöl við heimamenn hafa leitt í ljós að þeir vilja í raun ekki bæta við klór vegna bragðs og lyktaráhyggju, jafnvel þótt þeir skilji hugsanlega heilsufarsáhættu af örverumengun vatnsins.
Það er athyglisvert að um gæðaslys í neysluvatni í tengslum við heilsutjón á undanförnum 30 árum í Japan voru um 93% (130 af 140 slysum) vegna bilunar í sótthreinsun. Í ljósi slíkra staðreynda væru POU og POE tæki sem virka til sótthreinsunar, helst án þess að hafa áhrif á bragð og lykt, bestu og hagnýtustu kostirnir fyrir samfélagslega vatnsveitu og einkahola. Það er augljóst að UV LED getur hjálpað til við að uppfylla kröfur vatnsgæða þessara íbúa.
Önnur mikilvæg þörf fyrir POU og POE meðferðir er til staðar í þróunarlöndunum, einkum þeim sem upplifa hraða þéttbýlismyndun og hagvöxt. Kostnaður við UV LED getur verið vandamál núna, en það mun líklega vera skammtíma vandamál. Dr Kumiko Oguma, háskólinn í Tókýó, og samstarfsmenn hennar hafa gert ítarlegar vettvangskannanir á vatnsgæðum og hegðun vatnsnotkunar í Asíu (þ.e. Víetnam, Nepal, Indónesíu, Sri Lanka og Filippseyjum) og bentu á að hröð þéttbýlismyndun hefur yfirleitt í för með sér takmarkaða aðgang að miðlægu vatnsveitukerfi. Þeir hvöttu marga til að nota dreifða vatnsból, svo sem einkahola (td Guragai o.fl. 2018, Do o.fl. 2014).
Þar að auki, jafnvel þótt fólk hafi aðgang að vatnsveitum í húsnæði sínu, myndi það ekki tryggja aðgang að öruggu vatni vegna þess að gæði vatnsleiðslu versnar eftir langa flutninga í lélegu dreifikerfi. Í reynd nota heimamenn nokkrar aðferðir til að takast á við, þar á meðal POU og POE uppsetningar. Niðurstöður könnunar leiddu í ljós að um 76% íbúa í miðbæ Hanoi voru að framkvæma POU meðferðir heima (Do et al. 2014); sumar POU tæki í notkun virkuðu þó ekki sem áhrifarík hindrun gegn örverum. UV LED getur verið snjall viðbótarvalkostur fyrir slík kerfi.
UV orku kostnaður fyrir UV LED er nú hærri en UV lampar. Þegar UV ljósdíóða ná meiri afköstum og afköstum og verða hagkvæmari valkostur, þá verða til margar mögulegar umsóknir um UV LED hvarfatækni til að meðhöndla vatn í stærri mælikvarða, þar með talið drykkjarvatn og skólphreinsistöðvar.
