Последние достижения в полупроводниковой технологии привели к разработке светоизлучающих диодов (СИД), способных излучать узкий спектр УФ-излучения (УФ-светодиоды) с длинами волн, способными инактивировать патогенные организмы. В последнее время микросхемы и корпуса УФ-светодиодов в качестве основных продуктов эволюционировали с точки зрения выходной мощности, срока службы и даже управления производственными затратами. Последние достижения в технологии УФ-светодиодов сделали возможным применение этой технологии для очистки воды. Фактически, УФ-светодиоды обладают привлекательными характеристиками, которые могут привнести инновации в УФ-технологии для очистки воды. Здесь обсуждаются три важных аспекта систем очистки воды УФ-светодиодами: конструкция, работа и применение.

Дизайн Одним из наиболее значительных преимуществ УФ-светодиодов является гибкость, которую они предлагают в конструкции реактора, обеспечивая большую степень свободы в конфигурации и оптимизации реактора. Например, в нескольких исследованиях применялись различные УФ-светодиодные реакторы для обеззараживания воды (например, Würtele et al. 2011; Jenny et al. 2014; Oguma et al. 2016a, b), и в каждом из них была принята другая концепция конструкции реактора.

Критерии проектирования обычных ртутных УФ-ламп не обязательно применимы к реакторам УФ-светодиодов, потому что УФ-светодиод - это совершенно другой источник излучения с небольшой площадью основания и угловым распределением излучения. Поскольку стоимость по-прежнему является одной из проблем применения УФ-светодиодов для очистки воды, оптимизация конструкции для получения высокой производительности с использованием ограниченного количества УФ-светодиодов имеет важное значение для реализации технологии. Производительность УФ-реактора для обработки воды зависит от дозы УФ-излучения или плотности энергии, поступающей в воду. Плотность потока, в свою очередь, зависит от скорости потока и времени пребывания. В результате излучение и распределение скорости являются определяющими факторами для эффективности любого УФ-реактора.

Эти явления, наряду с кинетикой микробной инактивации, константа скорости которой для любого микроорганизма является функцией длины волны УФ-излучения, будут определять общую производительность реактора для обеззараживания воды. Излучение реактора, гидродинамику и длину волны УФ-излучения можно лучше контролировать в УФ-светодиодном реакторе по сравнению с УФ-ламповым реактором (Taghipour, 2018). Например, для реакторов малой мощности с применением в местах использования (POU) и точки входа (POE) лампы обычно располагаются в центральной части реактора так, чтобы их ось была параллельна основному потоку жидкости. направление. Для такой концепции реактора существует значительное неравномерное распределение плотности потока энергии по пути различных водных потоков, текущих от входа реактора к выходу.

Это связано с тем, что распределение излучения УФ-ламп значительно отличается в радиальном направлении. В реакторе УФ-СИД эту неоднородность можно предотвратить, учитывая, что профиль излучения УФ-светодиода имеет главное направление, для которого можно регулировать его угловой вид и можно настраивать его профиль излучения. Кроме того, выбор правильного положения и направления лучистой энергии, который легко возможен для УФ-светодиодного реактора, Подобные ограничения существуют для управления скоростью потока жидкости и распределением времени пребывания в реакторах УФ-ламп. Поскольку УФ-лампы обычно размещаются внутри реакторов, на гидродинамику реактора часто в значительной степени влияет присутствие УФ-ламп. Например, для маломасштабного реактора с одной лампой, ось которой параллельна направлению основного потока жидкости, желательна самая высокая скорость вблизи поверхности УФ-лампы, где плотность потока энергии находится на пиковом значении.

Однако профиль скорости вблизи гильзы УФ-лампы или любой твердой поверхности в целом практически равен нулю. Следовательно, существуют технические и практические ограничения для согласования потока и распределения излучения для достижения почти идеальных характеристик реактора для такого реактора с УФ-лампой. Это ограничение не существует для реактора с УФ-светодиодами, где УФ-светодиоды могут быть расположены в разных местах, в том числе за пределами реактора, и их профиль излучения может быть скорректирован для получения более высоких плотностей потока энергии в областях с более высокой скоростью. Константа скорости УФ-инактивации различных бактерий и вирусов может варьироваться в зависимости от длины волны, даже вблизи пика поглощения ДНК (Mamane-Gravetz et al. 2005; Beck et al.

2015). Между тем, пиковую длину волны УФ-светодиодов можно регулировать, чтобы достичь более высокой константы скорости инактивации для целевых микроорганизмов. Это причина того, что спектральная чувствительность или так называемые спектры действия микроорганизмов имеют значение при использовании УФ-светодиодов. Таким образом, было бы интересно обобщить набор данных о кинетике флюенс-ответа различных микроорганизмов при УФ-излучении светодиодов. В нескольких обзорах были предприняты такие усилия на основе опубликованных данных (например, Malayeri et al.

, 2016), которые могут служить справочными материалами. Однако важно отметить, что простое сравнение эффективности инактивации в различных исследованиях потенциально может вводить в заблуждение, учитывая множество противоречивых и несопоставимых данных, представленных в опубликованных исследованиях, как это обсуждалось в одной обзорной статье (Song et al., 2016). Одним из основных факторов, способствующих этой несогласованности, является использование различных экспериментальных установок и различных методов измерения плотности энергии в исследованиях инактивации УФ-светодиодов (например, Würtele et al. 2011; Oguma et al.

2016a, b; Beck et al. 2017; Rattanakul and Oguma 2018) . Следовательно, стандартизация протокола испытаний УФ-светодиодов необходима для достижения достоверных сравнений между различными исследованиями и, что более важно, для получения правильных кинетических данных инактивации. Такой протокол был предложен (Kheyrandish et al. 2017, 2018), и рабочая группа IUVA в настоящее время разрабатывает «Протокол испытаний IUVA» для УФ-светодиодной системы.

Рисунок 1. Конструкция УФ-светодиодных реакторов. Рисунок 1. Конструкция: А) гидродинамика УФ-светодиодных реакторов может регулироваться путем применения статического смесителя, в котором источник излучения не мешает потоку жидкости; Б) лучистая энергия может быть лучше сохранена за счет использования отражающих стенок реактора; В) Распределением излучения можно управлять через оптические линзы. На данный момент, без такого стандартного протокола, простой вариант для сравнительных исследований - это обобщение данных, полученных с использованием одной и той же настройки и последовательного определения плотности потока энергии.

Эти усилия были предприняты исследовательской группой, которая представила профили флюенс-реакции различных микроорганизмов, связанных со здоровьем, с использованием ультрафиолетовых светодиодов на 265, 280 и 300 нм (Oguma et al.2019). Группа сообщает о константе скорости инактивации и плотности энергии, необходимой для n log инактивации (n = 1, 2, 3 и 4) патогенов ( Legionella pneumophila , Pseudomonas aeruginosa , Vibrio parahaemolyticus и калицивирус кошек) и индикаторных / суррогатных видов ( Escherichia coli , Споры Bacillus subtilis и бактериофаги Qβ и MS2). Как только будет доступен стандартный протокол испытаний УФ-светодиодов, исследователи смогут проводить независимые и сопоставимые эксперименты, и результаты улучшат и обогатят базу данных об инактивации УФ-светодиодов, содержащую различные выбросы для различных микроорганизмов. Операция К особым характеристикам реакторной системы с УФ-светодиодами относятся низкие требования к напряжению и мощности, отсутствие времени на прогрев с возможностью включения / выключения автоматически и с высокой частотой, а также различные варианты управления температурой.

Эти особенности могут привести к работе УФ-светодиодных реакторов для приложений, где реакторы УФ-ламп не могут использоваться с такой же эффективностью. Некоторые из других особенностей водоочистителя с ультрафиолетовыми светодиодами включают в себя прочную конструкцию и небольшие размеры, которые делают эту технологию подходящей для приложений POU, где традиционные технологии очистки воды не могут быть оптимально использованы. Рис. 2. Работа УФ-светодиодных систем очистки воды.

Рис. 2. Эксплуатация. Системы обработки воды с ультрафиолетовыми светодиодами обладают такими преимуществами, как минимальные затраты на техническое обслуживание, возможность включения и выключения, работа с низким энергопотреблением и напряжением и отсутствие загрязнения ртутью. УФ-светодиодные реакторы, в частности, для приложений POU, требуют низкой мощности и напряжения, что означает, что они могут легко работать с солнечной панелью с комплектом заряжаемых батарей, который легко доступен на рынке.

Таким образом, возобновляемые источники энергии по доступной цене могут быть использованы для превращения УФ-светодиодных реакторных систем в автономную технологию очистки воды. Более того, отсутствие непрерывной подачи электроэнергии - в небольших и сельских общинах в целом и особенно в развивающихся странах - часто является проблемой, но не является значительным ограничением для УФ-светодиодов. УФ-светодиоды могут гореть, когда вода обрабатывается, и выключаться, когда она не обрабатывается. В результате для приложений POU, где вода используется и периодически обрабатывается, УФ-светодиоды, вероятно, не потребуют замены в течение всего срока службы устройства (что приведет к экономии затрат на замену лампы) и потребят лишь небольшую часть энергии (что приведет к значительному увеличению затрат на замену лампы). экономия затрат на электроэнергию).

Что еще более важно, УФ-светодиодные реакторы не требуют особого обслуживания. Это включает частую очистку засорения рукава и замену источника ультрафиолетового излучения. Загрязнение гильз УФ-ламп в основном является результатом работы ламп при относительно высоких температурах и передачи тепла лампами от гильзы. Вызванное нагреванием осаждение металлов с обратной растворимостью является ведущим механизмом осаждения загрязняющих веществ на гильзе УФ-лампы. В реакторах с УФ-светодиодами тепло, выделяемое УФ-светодиодами, отводится от печатной платы светодиодов (а не от кварцевого окна или рукава), поэтому загрязнение рукава не ожидается значительного, а это означает, что регулярное техническое обслуживание и очистка вряд ли станут проблемой.

Главная проблема. Поэтому отсутствие квалифицированных операторов - что является одним из основных ограничений в небольших и сельских общинах - которое препятствует применению многих технологий обеззараживания воды, не может быть серьезным ограничением для УФ-светодиодных систем. Заявление Учитывая выходную мощность излучения и эффективность настенных розеток УФ-светодиодов в настоящее время, более подходящим применением УФ-светодиодных реакторов является обработка прерывистых и малых расходов. Сюда входит интеграция реактора в ряд бытовых и коммерческих устройств, таких как диспенсеры и охладители воды, устройства для приготовления льда и кофе, а также лабораторное и медицинское водное оборудование. Интеграция УФ-реактора в некоторые из этих устройств стала возможной впервые благодаря малой занимаемой площади и особенностям УФ-светодиодного реактора.

Еще одно применение - очистка воды на ПОУ. Очистка воды POU - это развивающаяся мировая отрасль из-за растущего спроса как в развитых, так и в развивающихся странах; Ожидается, что в 2020 году рынок таких систем будет стоить около 25 миллиардов долларов США и будет расти со среднегодовыми темпами роста (CAGR) около 10% (Point-of-Use Water Treatment Systems Market, 2016). Рис. 3. Применение УФ-светодиодной технологии Водный сектор Рис.

3. Применение: Существуют различные возможные применения УФ-светодиодной технологии в водном секторе, включая системы УФ-обработки воды для питьевой воды POU. Такие факторы, как рост загрязнения воды, растущее осознание важности чистой питьевой воды и рост строительных работ, привели к развитию рынка систем очистки воды POU. УФ-светодиодные реакторы могут быть идеальными для очистки воды с помощью POU, учитывая их очевидные преимущества, такие как отсутствие частого обслуживания и снижение эксплуатационных и эксплуатационных расходов по сравнению с УФ-лампой и другими традиционными технологиями. Ультрафиолетовые светодиодные реакторы большего размера могут быть применены для очистки воды на ПВ для домов и коттеджей, особенно когда светодиоды становятся более целесообразным вариантом.

В одних только США около 20 миллионов домашних хозяйств и коттеджей полагаются на частные колодцы, в то время как еще десятки тысяч полагаются на озера, реки и другие источники поверхностной воды. Различные исследования показали, что значительный процент колодцев в любом конкретном регионе содержит микроорганизмы, такие как кишечная палочка, которые могут быть обнаружены в источниках грунтовых и поверхностных вод в любой момент времени. Таким образом, ультрафиолетовые светодиодные реакторы представляют собой одну из наиболее эффективных альтернатив водоподготовке для обеспечения безопасной питьевой воды для многих домов отдыха, удаленных и сельских домов. В Японии охват населения коммунальным водоснабжением составляет около 97,9% (по состоянию на 2016 год), что означает, что оставшееся население (около 2,7 миллиона человек) полагается на небольшие коммунальные системы водоснабжения и / или частные колодцы. Такие небольшие объекты не подвергаются обязательному хлорированию, а иногда и вовсе отсутствует обработка, в том числе хлорирование.

Личные интервью с местными жителями показали, что они на самом деле не хотят добавлять хлор из-за проблем со вкусом и запахом, даже если они понимают потенциальный риск для здоровья микробного заражения воды. Примечательно, что в Японии за последние 30 лет около 93% (130 из 140 несчастных случаев) происшествий с качеством питьевой воды, связанных с повреждением здоровья, были вызваны недостаточной дезинфекцией. Принимая во внимание такие факты, устройства POU и POE, которые работают для дезинфекции, в идеале без отрицательного воздействия на вкус и запах, были бы лучшими и наиболее практичными вариантами для коммунального водоснабжения и частных колодцев. Очевидно, что УФ-светодиоды могут помочь удовлетворить потребности этих групп населения в качестве воды. Другая важная потребность в лечении POU и POE существует в развивающихся странах, особенно в тех, которые переживают быструю урбанизацию и экономический рост.

Стоимость УФ-светодиодов может быть проблемой в настоящее время, но, вероятно, это будет краткосрочная проблема. Доктор Кумико Огума из Токийского университета и ее коллеги провели интенсивные полевые исследования качества воды и моделей водопользования в Азии (например, Вьетнам, Непал, Индонезия, Шри-Ланка и Филиппины) и отметили, что быстрая урбанизация обычно приводит к ограниченным доступ к централизованным системам водоснабжения. Они призвали многих людей использовать децентрализованные источники воды, такие как частные колодцы (например, Guragai et al. 2018, Do et al. 2014).

Более того, даже если люди имеют доступ к водопроводной воде в своих помещениях, это не гарантирует доступ к безопасной воде, потому что качество водопроводной воды ухудшается после длительной транспортировки в плохой распределительной сети. На практике местные жители используют несколько стратегий выживания, включая установку POU и POE. Результаты опроса показали, что около 76% жителей центрального Ханоя проводили лечение POU дома (Do et al. 2014); однако некоторые используемые устройства POU не функционировали как эффективный барьер против микроорганизмов. УФ-светодиоды могут быть разумным дополнением к таким системам.

Стоимость УФ-энергии для УФ-светодиодов в настоящее время выше, чем для УФ-ламп. Как только УФ-светодиоды достигнут более высокой эффективности и выходной мощности и станут более доступным вариантом, появятся многочисленные возможные применения технологии УФ-светодиодных реакторов для обработки воды в более крупных масштабах, включая питьевую воду и очистные сооружения.