Los últimos avances en la tecnología de semiconductores han llevado al desarrollo de diodos emisores de luz (LED) capaces de emitir un espectro estrecho de radiación UV (LED UV) en longitudes de onda capaces de inactivar organismos patógenos. Recientemente, los chips y paquetes de LED UV, como productos primarios, han evolucionado en términos de producción de energía, vida útil e incluso gestión de costos de producción. Los recientes avances en la tecnología LED UV han hecho posible ahora aplicar esta tecnología al tratamiento del agua. De hecho, el LED UV posee características atractivas que pueden aportar innovaciones a las tecnologías UV para el tratamiento del agua. Aquí, se discuten tres aspectos importantes de los sistemas de tratamiento de agua con LED UV: diseño, operación y aplicación.
Diseño
Una de las ventajas más importantes de los LED UV es la flexibilidad que ofrecen en el diseño del reactor al proporcionar un mayor grado de libertad en la configuración y optimización del reactor. Por ejemplo, varios estudios han aplicado varios reactores LED UV para la desinfección del agua (p. Ej., Würtele et al. 2011; Jenny et al. 2014; Oguma et al. 2016a, b), y cada uno adoptó un concepto de diseño de reactor diferente. Los criterios de diseño para las lámparas UV de mercurio convencionales no se aplican necesariamente a los reactores LED UV porque el LED UV es una fuente de radiación completamente diferente, con una huella pequeña y una distribución angular de emisión. Dado que el costo sigue siendo uno de los desafíos para la aplicación de LED UV para el tratamiento de agua, la optimización del diseño para obtener un alto rendimiento utilizando un número limitado de LED UV es esencial para que la tecnología sea viable.
El rendimiento de un reactor de UV para el tratamiento de agua es una función de la dosis de UV o de la fluencia que se entrega al agua. La fluencia, a su vez, es una función de la tasa de fluencia y el tiempo de residencia. Como resultado, la distribución de la radiación y la velocidad son factores determinantes para la eficiencia de cualquier reactor UV. Estos fenómenos, junto con la cinética de la inactivación microbiana, cuya constante de velocidad para cualquier microorganismo es una función de la longitud de onda UV, determinarán el rendimiento general del reactor para la desinfección del agua. La radiación del reactor, la hidrodinámica y la longitud de onda UV se pueden controlar mejor en un reactor LED UV en comparación con un reactor de lámpara UV (Taghipour, 2018).
Para reactores de pequeña escala con aplicaciones en punto de uso (POU) y punto de entrada (POE), por ejemplo, las lámparas se colocan típicamente en la parte central del reactor con su eje paralelo al flujo de fluido principal. dirección. Para tal concepto de reactor, existe una considerable distribución no uniforme de la velocidad de fluencia a lo largo del camino de las diferentes corrientes de agua que fluyen desde la entrada del reactor hasta la salida. Esto se debe a que la distribución de la radiación de las lámparas UV tiene una variación significativa en la dirección radial. En un reactor de LED UV, esta falta de uniformidad puede evitarse, dado que un perfil de radiación LED UV tiene una dirección principal para la cual se puede ajustar su vista angular y se puede sintonizar su perfil de radiación. Además, la selección de la posición y dirección correctas de la energía radiante, que es fácilmente posible para un reactor LED UV, puede prevenir de manera más efectiva la pérdida de energía radiante hacia la pared del reactor en comparación con las lámparas UV.
Existen limitaciones similares para controlar la velocidad del flujo de fluido y la distribución del tiempo de residencia en reactores de lámparas UV. Dado que las lámparas UV se colocan típicamente dentro de los reactores, la hidrodinámica del reactor a menudo se ve influenciada en gran medida por la presencia de lámparas UV. Para un reactor de pequeña escala con una sola lámpara con su eje paralelo a la dirección principal del flujo de fluido, por ejemplo, se desea la velocidad más alta cerca de la superficie de la lámpara UV, donde la tasa de fluencia está en su valor máximo.
Sin embargo, el perfil de velocidad cerca del manguito de la lámpara UV, o cualquier superficie sólida, en general, es virtualmente cero. Por lo tanto, existen limitaciones técnicas y prácticas para hacer coincidir el flujo y la distribución de la radiación para lograr un rendimiento del reactor casi ideal para un reactor de lámpara UV de este tipo. Esta limitación no existe para un reactor LED UV, donde los LED UV se pueden colocar en diferentes lugares, incluso fuera del reactor, y su perfil de radiación se puede ajustar para dar como resultado tasas de fluencia más altas en áreas de mayor velocidad.
La constante de velocidad para la inactivación UV de diferentes bacterias y virus puede variar con la longitud de onda, incluso en las proximidades del pico de absorción del ADN (Mamane-Gravetz et al. 2005; Beck et al. 2015). Mientras tanto, la longitud de onda máxima de los LED UV se puede ajustar, con el objetivo de lograr una tasa de inactivación constante más alta para los microorganismos objetivo. Esta es la razón por la que la sensibilidad espectral, o los llamados espectros de acción, de los microorganismos son motivo de preocupación en las aplicaciones de LED UV.
Por lo tanto, sería interesante resumir un conjunto de datos sobre la cinética de respuesta de fluencia de varios microorganismos bajo emisiones de LED UV. Algunas revisiones han hecho tales esfuerzos basándose en los datos publicados (por ejemplo, Malayeri et al. 2016), que podrían servir como referencias. Sin embargo, es importante señalar que la simple comparación de las eficiencias de inactivación en diferentes estudios puede ser potencialmente engañosa, dados muchos datos inconsistentes e incomparables reportados en los estudios publicados, como se discutió en un artículo de revisión (Song et al. 2016).
Un contribuyente principal a esta inconsistencia es el uso de diferentes configuraciones experimentales y varias técnicas para la medición de la fluencia en estudios de inactivación de LED UV (por ejemplo, Würtele et al.2011; Oguma et al.2016a, b; Beck et al.2017; Rattanakul y Oguma 2018) . Por lo tanto, la estandarización de un protocolo de prueba de LED UV es necesaria para lograr comparaciones creíbles entre diferentes estudios y, lo que es más importante, para obtener datos cinéticos de inactivación correctos. Se ha propuesto dicho protocolo (Kheyrandish et al. 2017, 2018), y el grupo de trabajo de IUVA está desarrollando un "protocolo de prueba IUVA" para un sistema LED UV.
Por ahora, sin un protocolo estándar de este tipo, una opción simple para los estudios comparativos es resumir los datos obtenidos utilizando la misma configuración y una definición de fluencia consistente. Este esfuerzo ha sido realizado por un grupo de investigación, que presentó los perfiles de fluencia-respuesta de varios microorganismos relacionados con la salud utilizando LED UV a 265, 280 y 300 nm (Oguma et al. 2019). El grupo informa la constante de tasa de inactivación y la fluencia requerida para la inactivación n log (n=1, 2, 3 y 4) de patógenos (Legionella pneumophila, Pseudomonas aeruginosa, Vibrio parahaemolyticus y calicivirus felino) y especies indicadoras / sustitutas (Escherichia coli , Bacillus subtilisspores y bacteriófagos Qβ y MS2).
Una vez que esté disponible un protocolo de prueba estándar de LED UV, los investigadores pueden realizar experimentos de maneras independientes y comparables, y los resultados mejorarían y enriquecerían la base de datos de inactivación de LED UV de varias emisiones para diversos microorganismos.
Operación
Las características especiales del sistema de reactor UV LED incluyen bajos voltajes y requisitos de energía, sin tiempo de calentamiento con la capacidad de encenderse / apagarse automáticamente y con alta frecuencia, y diferentes opciones para la gestión térmica. Estas características podrían resultar en el funcionamiento de reactores de LED UV para aplicaciones en las que los reactores de lámpara UV no se pueden utilizar de manera tan eficiente. Algunas de las otras características especiales del purificador de agua UV LED incluyen un diseño robusto y un tamaño reducido, lo que hace que esta tecnología sea apropiada para aplicaciones de POU donde las tecnologías tradicionales de tratamiento de agua pueden no ser utilizadas de manera óptima.
Los reactores LED UV, en particular para aplicaciones POU, requieren poca potencia y voltaje, lo que significa que pueden operarse fácilmente con un panel solar con un kit de batería recargable, que está disponible en el mercado. Por lo tanto, se puede utilizar energía renovable a un precio asequible para convertir los sistemas de reactores LED UV en una tecnología de tratamiento de agua fuera de la red. Además, la falta de energía eléctrica continua, en las comunidades pequeñas y rurales, en general, y particularmente en los países en desarrollo, es a menudo un problema, pero no sería una limitación significativa para los LED UV.
Los LED UV pueden encenderse cuando se trata el agua y apagarse cuando no se trata. Como resultado, para las aplicaciones de POU donde se usa y se trata agua de manera intermitente, es probable que los LED UV no requieran reemplazo durante toda la vida útil del dispositivo (lo que resulta en ahorros en el costo de reemplazo de la lámpara) y consumen solo una fracción de la energía (lo que resulta en un considerable ahorro de energía). ahorro de costes energéticos).
Más importante aún, los reactores LED UV requieren poco mantenimiento. Esto incluye la limpieza frecuente de la suciedad de la manga y el reemplazo de la fuente de rayos UV. El ensuciamiento de los manguitos de las lámparas UV es principalmente el resultado de que las lámparas funcionan a temperaturas relativamente altas y el calor de la lámpara se transfiere desde el manguito. La precipitación inducida por calor de metales con solubilidad invertida es un mecanismo principal por el cual se deposita suciedad en el manguito de la lámpara UV.
En los reactores LED UV, el calor generado por los LED UV se elimina de la placa de circuito del LED (no de la ventana de cuarzo o la manga), por lo que no se espera que el ensuciamiento de la manga sea significativo, lo que significa que es poco probable que el mantenimiento y la limpieza regulares sean un problema. problema mayor. Por lo tanto, la ausencia de operadores capacitados, que es una de las principales limitaciones en las comunidades pequeñas y rurales, que dificulta la aplicación de muchas tecnologías de desinfección de agua, puede no ser una restricción importante para los sistemas LED UV.
Solicitud
Dada la salida de potencia radiante y la eficacia del enchufe de pared de los LED UV en la actualidad, una aplicación más adecuada de los reactores LED UV es el tratamiento de caudales intermitentes y bajos. Estos incluyen la integración del reactor en una gama de aparatos comerciales y de consumo, como dispensadores y refrigeradores de agua, máquinas de hielo y café, y equipos de agua de laboratorio y médicos. La integración de un reactor UV en algunos de estos dispositivos ha sido posible por primera vez debido al tamaño reducido del reactor UV LED y a sus características especiales.
Otra aplicación es el tratamiento del agua en el POU. El tratamiento de agua POU es una industria global emergente debido a la creciente demanda tanto en países desarrollados como en desarrollo; Se espera que el mercado de dichos sistemas tenga un valor de casi 25 mil millones de dólares en 2020 y se prevé que crezca a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) de aproximadamente el 10% (Mercado de sistemas de tratamiento de agua en el punto de uso, 2016).
Factores como el aumento de la contaminación del agua, la creciente conciencia de la importancia del agua potable y el aumento de las actividades de construcción han impulsado el mercado de sistemas de tratamiento de agua de POU. Los reactores LED UV podrían ser ideales para el tratamiento de agua en POU, dadas sus ventajas obvias, como la falta de mantenimiento frecuente y la reducción de los costos operativos y de vida útil, en comparación con las lámparas UV y otras tecnologías convencionales.
Los reactores LED UV de mayor escala se pueden aplicar al tratamiento de agua en el POE para hogares y cabañas, particularmente cuando los LED se convierten en una opción más factible. Solo en los EE. UU., Alrededor de 20 millones de hogares y casas de campo dependen de pozos privados, mientras que decenas de miles más dependen de lagos, ríos y otras fuentes de agua superficial. Varios estudios han encontrado que un porcentaje considerable de pozos en una región determinada contienen microorganismos, como E. coli, que se pueden encontrar en los suministros de agua subterránea y superficial en un momento dado. Por lo tanto, los reactores LED UV representan una de las alternativas de tratamiento de agua más efectivas para garantizar agua potable segura para muchos hogares recreativos, remotos y rurales.
En Japón, la cobertura poblacional del suministro público de agua es de aproximadamente el 97,9% (a partir de 2016), lo que significa que la población restante (alrededor de 2,7 millones de personas) depende de sistemas comunitarios de suministro de agua a pequeña escala y / o pozos privados. Estas pequeñas instalaciones están fuera de la cloración obligatoria y, a veces, no hay tratamiento, incluida la cloración. Las entrevistas cara a cara con los residentes locales han revelado que realmente no quieren agregar cloro debido a preocupaciones sobre el sabor y el olor, a pesar de que comprenden el riesgo potencial para la salud de la contaminación microbiana del agua.
Es de destacar que, en los accidentes relacionados con la calidad del agua potable asociados con daños a la salud en los últimos 30 años en Japón, alrededor del 93% (130 de 140 accidentes) se debieron a fallas en la desinfección. En vista de estos hechos, los dispositivos POU y POE que funcionan para la desinfección, idealmente sin afectar negativamente el sabor y el olor, serían las mejores y más prácticas opciones para los suministros de agua comunitarios y los pozos privados. Es obvio que los LED UV pueden ayudar a satisfacer las demandas de calidad del agua de estas poblaciones.
Otra necesidad importante de tratamientos POU y POE existe en los países en desarrollo, particularmente aquellos que experimentan una rápida urbanización y crecimiento económico. El costo de los LED UV puede ser un problema en la actualidad, pero probablemente será un problema a corto plazo. La Dra. Kumiko Oguma, de la Universidad de Tokio, y sus colegas han realizado estudios de campo intensivos sobre la calidad del agua y los comportamientos del uso del agua en Asia (es decir, Vietnam, Nepal, Indonesia, Sri Lanka y Filipinas) y señalaron que la rápida urbanización generalmente resulta en limitaciones acceso a sistemas de suministro de agua centralizados. Alentaron a muchas personas a utilizar fuentes de agua descentralizadas, como pozos privados (p. Ej., Guragai et al. 2018, Do et al. 2014).
Además, incluso si las personas tienen acceso a suministros de agua por tubería en sus instalaciones, no garantizaría el acceso a agua potable porque la calidad del agua por tubería se deteriora después de un largo transporte en una red de distribución deficiente. En la práctica, la población local utiliza varias estrategias de afrontamiento, incluidas las instalaciones de POU y POE. Los resultados de la encuesta revelaron que alrededor del 76% de los residentes en el centro de Hanoi estaban realizando tratamientos de POU en casa (Do et al. 2014); sin embargo, algunos aparatos POU en uso no funcionaban como una barrera eficaz contra los microorganismos. El LED UV puede ser una opción de complemento inteligente para tales sistemas.
El costo de la energía UV para los LED UV es actualmente más alto que el de las lámparas UV. Una vez que los LED UV alcancen una mayor eficiencia y potencia y se conviertan en una opción más asequible, habrá numerosas aplicaciones posibles para la tecnología de reactores LED UV para tratar el agua a mayor escala, incluidas las plantas de tratamiento de agua potable y aguas residuales.
