Anwendungsforschung von UV-LED bei der Sterilisation und Desinfektion von Wasser

UV-LEDs oder ultraviolette Leuchtdioden haben sich in den letzten zehn Jahren zu einer praktischen Technik zur Desinfektion von Wasser entwickelt. Die Vorteile herkömmlicher Quecksilber-UV-Lampen gegenüber chemischen UV-Wasser desinfektion   Techniken sind bei UV-LEDs immer noch vorhanden, aber sie beseitigen auch einige Nachteile.

Die Sterilisationstechnologie

Zahlreiche Anwendungen von UV-LED-Sterilisation Technologie findet sich im täglichen Leben. Es wird beispielsweise in Lebensmitteln, Medikamenten, Wasser und Abwassersystemen verwendet. Häufig werden Chemikalien, Hitze, UV-Strahlung und Ozon eingesetzt UV-LED-Sterilisation   Techniken.

Aufgrund ihrer Einfachheit werden häufig Chemikalien (wie Chlor, Peroxidase etc.) eingesetzt UV-LED-Sterilisation ; Sie können jedoch ungünstige Auswirkungen haben, wie z. B. die Veränderung der Qualität des Ziels. Der Nachteil der Verwendung von Chlor z UV-LED-Sterilisation ist die Herstellung von geruchsintensiven und biologisch gefährlichen Chemikalien.

Wasser kann kein ultraviolettes Licht zurückhalten und hat nur geringe Auswirkungen auf das Ökosystem. Außerdem führt es nicht zu einer bakteriellen Antibiotikaresistenz. Daher, UV-LED-Sterilisation , das neuerdings als Chlorierungsalternative ins Rampenlicht gerückt ist, reinigt effektiv ohne chemische Verbindungen.

UV-Lampen, wie z. B. relativ schwache und mäßige Quecksilberdampflampen, werden in traditionellen UV-Sterilisationstechniken verwendet. Diese werden in biologischen Labors und medizinischen Einrichtungen zur Desinfektion von Arbeitsumgebungen und Geräten verwendet. In Bezug auf die Effizienz der UV-Absorption durch DNA emittieren UV-Lichter UV bei einer bestimmten Wellenlänge, die sehr genau mit den Spitzen der antimikrobiellen Wirksamkeitskurve übereinstimmt.

UV-Strahlung mit einer Frequenz von 365 nm wird als UV-A (320-400 nm) kategorisiert, und UV-A hat ein geringeres Schadenspotenzial als UV-C (100-280 nm). Eine UV-LED erzeugt Licht mit einer Wellenlänge von 365 Nanometern, was für menschliche Augen und Haut weniger schädlich ist als eine Lampe mit einer Wellenlänge von 254 Nanometern.

Da UV-LED außerdem quecksilberfrei ist, hat es keine negativen Auswirkungen auf die Umwelt oder den Menschen. Ein umweltbewusster Sterilisator ist eine UV-LED. Quecksilberdampflampen enthalten umwelt- und gesundheitsschädliches Quecksilber.

UV-Sterilisatoren müssen an die Form von Lampen angepasst werden, die oft riesig sind und viel Platz einnehmen. Also, ohne Verwendung von Gefahrstoffen, neu UV-LED-Sterilisation   Geräte mit niedrigem Energieverbrauch können in verschiedenen Formen und Größen hergestellt werden.

Vergleich von UV-LED mit herkömmlicher LED; S

UV-LEDs sind widerstandsfähiger, kleiner und quecksilberfrei als ihre herkömmlichen Pendants. Außerdem halten sie länger und erreichen schneller die volle Leistung. Diese Vorteile mit fast sofortigen Startzeiten und anpassbaren Wellenlängen bieten UV-LED-Reaktordesigns eine große Designflexibilität.

Trotz dieser Vorteile haben sich herkömmliche UV-LED-Reaktoranwendungen auf kleinere Netze konzentriert, die für die Behandlung von kommunalem Wasser unwirksam sind. Aufgrund ihrer bescheidenen Größe, die von 1 bis 4 mm reicht, können UV-LEDs so positioniert werden, dass sie Strahlung in verschiedene Richtungen emittieren.

Im Vergleich zu herkömmlichen UV-Lampen ermöglichen diese stark fokussierten Strahlungsmuster mehr Orientierungsmöglichkeiten und damit einzigartige Spaltreaktoren. Für UV-Wasser desinfektion haben sich UV-LEDs über ein breites Spektrum antimikrobieller Frequenzen (z. B. 250 –285 Nanometer).

Diese Variablen verbessern sich Jahr für Jahr. Die weit verbreitete Einführung von UV-LED-sanitärer Technologie wurde durch hohe Vorlaufkosten, schlechte Ausgangsleistung und geringe Fassadeneffizienz eingeschränkt.

Infolgedessen beschränkte sich die Verwendung der Technologie in erster Linie auf Kleinserienanwendungen am Verwendungsort, bei denen die Mängel der Technologie durch längere Belichtungszeiten zum Erreichen der erforderlichen UV-Dosis überwunden werden.

Dennoch wurde die Entwicklung der ersten großtechnischen UV-LED-Reaktoren, die in kommunalen Wasserwerken (WTWs) eingesetzt werden können, durch die schnellen Fortschritte in der UV-LED-Technologie und die Optimierung von Design und Leistung der Reaktoren ermöglicht.

Solche Reaktoren bestehen aus einem Kristallglasrohr mit in Reihe am Zylinderrand angeordneten UV-LEDs, die UV-Licht in das durch den Reaktor strömende Wasser eindringen lassen. Die thermische Kontrolle wird erreicht, indem die von den Betriebs-LEDs erzeugte Wärme unter Verwendung eines Fluidzirkulationssystems, das den Reaktorbehälter umgibt, abgeführt wird.

Biodosimetrie

Um festzustellen, ob UV-LEDs großflächig eingesetzt werden können UV-Wasser desinfektion,   eine genaue Einschätzung bzgl UV-Wasser desinfektion   Effizienz von Großreaktoren erforderlich ist. Biodosimetrie ist die aktuelle Validierungsmethode für herkömmliche UV-Reaktoren (mit Quecksilberlampen)

In diesem Zusammenhang wird die Bewertung der Empfindlichkeit eines Ersatz-Testmikroorganismus gegenüber UV-Exposition über verschiedene Dosen mit kalibrierter Aktivierungskinetik als Biodosimetrie bezeichnet. Die Dosis-Wirkungs-Kurve für UV-Reaktoren wird typischerweise durch Tests mit kollimiertem Strahl unter Verwendung des Mikroorganismus des Testwassers bestimmt.

Anhand der kalibrierten Kurve und der gemessenen Deaktivierung des Biodosimeters wird eine reduzierte relative Dosis (RED) (mJ/cm2) berechnet.

UV-Dosis-Antwort-Kurve für die Reaktoren

Der belastete Organismus sollte in ähnlicher Weise aus dem gleichen Bestand an Mikroorganismen gezüchtet werden. Als Ergebnis des Betriebs wird eine UV-Dosis-Antwort-Kurve für die Reaktoren erstellt, die die Reduktionsdosis für jede logarithmische Inaktivierung zeigt, die im vollen Maßstab erreicht wird.

Darüber hinaus bezieht der Ansatz die UV-Durchlässigkeit (UVT) in die Berechnung der UV-Dosis ein und standardisiert die UV-Dosis-Wirkungs-Kurven des Reaktors auf verschiedene indikative Wasserqualitätsniveaus, die ausschließlich auf UVT basieren.

Daher war das primäre Ziel dieser Arbeit, die Leistung des UV-LED-Systems durch Verwendung von Ersatz-Testmikroorganismen zu bestimmen und mit der Leistung herkömmlicher UV-Lampen zu vergleichen.

Cryptosporidium spp

entschied sich für Cryptosporidium spp. als unser Zielorganismus, da UV häufig in Situationen mit einer größeren Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Cryptosporidien eingesetzt wird. Zu den Risikofaktoren für Cryptosporidium gehören ihre Anwesenheit in Quellwässern, Resistenz gegen Chlor (gemeldete Chlorkontaktzeiten von 1000 –10.000 mg min/L) und die Neigung, aufgrund ihrer geringen Größe das Trinken von gefiltertem Wasser zu vermeiden (4 –6m).

Die Inaktivierungs-UV-Behandlung für Cryptosporidium parvum beträgt 0,16 cm2/MJ, was erheblich weniger ist als die entsprechende Konstante für freies Chlor.

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