Kemajuan terbaru dalam teknologi semikonduktor telah mendorong pengembangan diod pemancar cahaya (LED) yang mampu memancarkan spektrum sinaran UV (LED UV) yang sempit pada panjang gelombang yang mampu mematikan organisma patogen. Baru-baru ini, cip dan pakej LED UV, sebagai produk utama, telah berkembang dari segi output kuasa, jangka hayat dan juga pengurusan kos pengeluaran. Kemajuan terkini dalam teknologi LED UV kini memungkinkan untuk menerapkan teknologi ini pada rawatan air. Sebenarnya, LED UV mempunyai ciri menarik yang dapat membawa inovasi kepada teknologi UV untuk rawatan air. Di sini, tiga aspek penting sistem rawatan air LED UV dibincangkan: reka bentuk, operasi dan aplikasi.
Reka bentuk
Salah satu kelebihan LED UV yang paling ketara adalah fleksibiliti yang mereka tawarkan dalam reka bentuk reaktor dengan memberikan tahap kebebasan yang lebih besar dalam konfigurasi dan pengoptimuman reaktor. Sebagai contoh, beberapa kajian telah menggunakan pelbagai reaktor LED UV untuk pembasmian kuman air (contohnya, Würtele et al. 2011; Jenny et al. 2014; Oguma et al. 2016a, b), dan masing-masing menggunakan konsep reka bentuk reaktor yang berbeza. Kriteria reka bentuk lampu UV merkuri konvensional tidak semestinya berlaku untuk reaktor LED UV kerana LED UV adalah sumber radiasi yang sama sekali berbeza, dengan jejak kecil dan taburan pelepasan sudut. Oleh kerana kos masih merupakan salah satu cabaran untuk aplikasi LED UV untuk rawatan air, pengoptimuman reka bentuk untuk memperoleh prestasi tinggi menggunakan sebilangan LED UV terhad adalah mustahak untuk menjadikan teknologi ini dapat dilaksanakan.
Prestasi reaktor UV untuk rawatan air adalah fungsi dari dos UV atau kelancaran yang dihantar ke air. Fluence, pada gilirannya, adalah fungsi dari kadar kefasihan dan masa tinggal. Akibatnya, penyebaran radiasi dan halaju adalah faktor penentu kecekapan reaktor UV. Fenomena ini, bersama dengan kinetik inaktivasi mikroba, kadar pemalarnya bagi mana-mana mikroorganisma adalah fungsi panjang gelombang UV, akan menentukan prestasi reaktor keseluruhan untuk pembasmian kuman. Sinaran reaktor, hidrodinamik dan panjang gelombang UV dapat dikawal dengan lebih baik dalam reaktor LED UV berbanding dengan reaktor lampu UV (Taghipour, 2018).
Untuk reaktor berskala kecil dengan aplikasi pada titik penggunaan (POU) dan titik masuk (POE), misalnya, lampu biasanya diletakkan di bahagian tengah reaktor dengan paksi mereka selari dengan aliran bendalir utama arah. Untuk konsep reaktor seperti itu, terdapat sebaran kadar kelancaran tidak seragam yang besar di sepanjang jalan aliran air yang berbeza yang mengalir dari saluran masuk reaktor ke saluran keluar. Ini kerana taburan sinaran lampu UV mempunyai perbezaan yang signifikan dalam arah radial. Dalam reaktor LED UV, ketidakseragaman ini dapat dicegah, memandangkan profil sinaran LED UV mempunyai arah utama di mana pandangan sudutnya dapat disesuaikan, dan profil sinarannya dapat disesuaikan. Selanjutnya, pemilihan kedudukan dan arah tenaga berseri yang betul, yang mungkin dilakukan dengan mudah untuk reaktor LED UV, dapat mencegah kehilangan tenaga berseri ke dinding reaktor dengan lebih berkesan berbanding lampu UV.
Batasan serupa berlaku untuk mengawal halaju aliran bendalir dan pengedaran masa kediaman di reaktor lampu UV. Oleh kerana lampu UV biasanya diletakkan di dalam reaktor, hidrodinamik reaktor sering dipengaruhi oleh kehadiran lampu UV. Untuk reaktor berskala kecil dengan lampu tunggal dengan paksinya selari dengan arah aliran bendalir utama, misalnya, halaju tertinggi diinginkan berhampiran permukaan lampu UV, di mana kadar kelancaran berada pada nilai puncaknya.
Walau bagaimanapun, profil halaju di dekat sarung lampu UV, atau permukaan pepejal, secara amnya, adalah sifar. Oleh itu, terdapat batasan teknikal dan praktikal untuk pengaliran aliran dan penyebaran sinaran untuk mencapai prestasi reaktor yang hampir ideal untuk reaktor lampu UV seperti itu. Batasan ini tidak berlaku untuk reaktor LED UV, di mana LED UV boleh diletakkan di tempat yang berbeza - termasuk di luar reaktor - dan profil radiasinya dapat disesuaikan untuk menghasilkan kadar kelancaran yang lebih tinggi pada kawasan dengan kecepatan yang lebih tinggi.
Tahap pemalar untuk ketidakaktifan UV bakteria dan virus yang berlainan boleh berbeza dengan panjang gelombang, bahkan di sekitar penyerapan puncak DNA (Mamane-Gravetz et al. 2005; Beck et al. 2015). Sementara itu, panjang gelombang puncak LED UV dapat disesuaikan, bertujuan untuk mencapai pemalar kadar pengaktifan yang lebih tinggi untuk mikroorganisma yang disasarkan. Ini adalah sebab bahawa kepekaan spektrum, atau apa yang disebut spektrum tindakan, mikroorganisma menjadi perhatian dalam aplikasi LED UV.
Oleh itu, akan menarik untuk meringkaskan set data mengenai kinetik tindak balas fluensif dari pelbagai mikroorganisma di bawah pelepasan LED UV. Beberapa tinjauan telah membuat usaha tersebut berdasarkan data yang diterbitkan (misalnya, Malayeri et al. 2016), yang dapat berfungsi sebagai rujukan. Penting untuk dicatat, bagaimanapun, bahawa perbandingan kecekapan inaktivasi sederhana dalam kajian yang berlainan berpotensi menyesatkan, memandangkan banyak data yang tidak konsisten dan tidak dapat dibandingkan yang dilaporkan dalam kajian yang diterbitkan, seperti yang dibincangkan dalam satu artikel tinjauan (Song et al. 2016).
Salah satu penyumbang utama ketidakkonsistenan ini adalah menggunakan persediaan eksperimen yang berbeza dan pelbagai teknik untuk pengukuran kefasihan dalam kajian inaktivasi LED UV (contohnya, Würtele et al. 2011; Oguma et al. 2016a, b; Beck et al. 2017; Rattanakul dan Oguma 2018) . Oleh itu, penyeragaman protokol ujian LED UV diperlukan untuk mencapai perbandingan yang boleh dipercayai antara kajian yang berbeza dan, yang lebih penting, untuk mendapatkan data kinetik inaktivasi yang betul. Protokol semacam itu telah diusulkan (Kheyrandish et al. 2017, 2018), dan "protokol ujian IUVA" untuk sistem LED UV kini sedang dikembangkan oleh pasukan petugas IUVA.
Buat masa ini, tanpa protokol standard seperti itu, pilihan mudah untuk kajian perbandingan adalah merangkum data yang diperoleh menggunakan persediaan yang sama dan definisi kelancaran yang konsisten. Usaha ini telah dilakukan oleh sebuah kumpulan penyelidikan, yang memaparkan profil tindak balas kefasihan pelbagai mikroorganisma yang berkaitan dengan kesihatan menggunakan LED UV pada 265, 280 dan 300 nm (Oguma et al. 2019). Kumpulan melaporkan pemalar kadar ketidakaktifan dan kelancaran yang diperlukan untuk inaktivasi n log (n=1, 2, 3 dan 4) patogen (Legionella pneumophila, Pseudomonas aeruginosa, Vibrio parahaemolyticus, dan calicivirus kucing) dan spesies indikator / pengganti (Escherichia coli) , Bacillus subtilisspores dan bacteriophages Qβ dan MS2).
Setelah protokol ujian standard LED UV tersedia, para penyelidik dapat melakukan eksperimen dengan cara yang bebas dan setanding, dan hasilnya akan meningkatkan dan memperkayakan pangkalan data inaktivasi LED UV dari pelbagai pelepasan untuk pelbagai mikroorganisma.
Operasi
Keistimewaan sistem reaktor LED UV merangkumi voltan rendah dan keperluan kuasa, tidak ada masa pemanasan dengan keupayaan untuk menghidupkan / mematikan secara automatik dan dengan frekuensi tinggi, dan pilihan yang berbeza untuk pengurusan terma. Ciri-ciri ini dapat mengakibatkan pengoperasian reaktor LED UV untuk aplikasi di mana reaktor lampu UV tidak dapat digunakan secara efisien. Beberapa ciri khas lain dari pembersih air LED UV termasuk reka bentuk yang kuat dan jejak kecil, yang menjadikan teknologi ini sesuai untuk aplikasi POU di mana teknologi rawatan air tradisional mungkin tidak dapat digunakan secara optimum.
Reaktor LED UV, khususnya untuk aplikasi POU, memerlukan daya dan voltan rendah, yang bermaksud ia dapat dikendalikan dengan mudah dengan panel solar dengan kit bateri yang boleh dicas, yang sudah tersedia di pasaran. Oleh itu, tenaga boleh diperbaharui dengan harga yang berpatutan dapat digunakan untuk mengubah sistem reaktor LED UV menjadi teknologi rawatan air di luar grid. Lebih-lebih lagi, kekurangan tenaga elektrik berterusan - di komuniti kecil dan luar bandar, secara umum, dan terutama di negara membangun - sering menjadi masalah, tetapi tidak menjadi batasan yang signifikan untuk LED UV.
LED UV boleh menyala ketika air dirawat dan mati ketika tidak dirawat. Akibatnya, untuk aplikasi POU di mana air digunakan dan dirawat sebentar-sebentar, LED UV kemungkinan tidak memerlukan penggantian seumur hidup peranti (mengakibatkan penjimatan biaya penggantian lampu) dan hanya menggunakan sebahagian kecil tenaga (menghasilkan banyak penjimatan kos tenaga).
Lebih penting lagi, reaktor LED UV memerlukan sedikit penyelenggaraan. Ini termasuk pembersihan kotoran lengan yang kerap dan penggantian sumber UV. Pengotoran lengan lampu UV terutama disebabkan oleh lampu yang beroperasi pada suhu yang agak tinggi dan haba lampu dipindahkan dari sarung. Pemendakan logam yang disebabkan oleh haba dengan kelarutan terbalik adalah mekanisme utama di mana bahan busuk disimpan pada sarung lampu UV.
Dalam reaktor LED UV, haba yang dihasilkan oleh LED UV dikeluarkan dari papan litar LED (bukan tingkap atau lengan kuarza), oleh itu pengotoran lengan tidak dijangka ketara, yang bermaksud bahawa penyelenggaraan dan pembersihan berkala tidak mungkin isu utama. Oleh itu, ketiadaan operator mahir - yang merupakan salah satu batasan utama dalam komuniti kecil dan luar bandar - yang menghalang penerapan banyak teknologi pembasmian kuman air, mungkin bukan sekatan utama untuk sistem LED UV.
Permohonan
Memandangkan output daya berseri dan keberkesanan plag dinding LED UV pada masa ini, aplikasi reaktor LED UV yang lebih sesuai adalah rawatan kadar aliran yang berselang dan rendah. Ini termasuk penyatuan reaktor ke dalam berbagai peralatan pengguna dan komersial, seperti dispenser air dan penyejuk, pembuat es dan kopi, dan peralatan air makmal dan perubatan. Integrasi reaktor UV ke dalam beberapa peranti ini telah dimungkinkan untuk pertama kalinya kerana jejak dan ciri khas reaktor UV LED.
Aplikasi lain adalah rawatan air di POU. Pengolahan air POU adalah industri global yang sedang berkembang kerana permintaan yang semakin meningkat di kedua-dua negara maju dan membangun; pasaran untuk sistem tersebut dijangka bernilai hampir 25 miliar USD pada tahun 2020 dan diunjurkan akan tumbuh pada kadar pertumbuhan tahunan (CAGR) yang terkumpul sekitar 10% (Pasaran Sistem Rawatan Air Titik Penggunaan, 2016).
Faktor-faktor seperti peningkatan pencemaran air, peningkatan kesedaran mengenai pentingnya air minum bersih dan peningkatan aktiviti pembinaan telah mendorong pasaran sistem rawatan air POU. Reaktor LED UV boleh menjadi ideal untuk rawatan air POU, memandangkan kelebihannya yang jelas, seperti kekurangan penyelenggaraan yang kerap dan pengurangan kos operasi dan jangka hayat, berbanding dengan lampu UV dan teknologi konvensional yang lain.
Reaktor LED UV berskala lebih besar dapat digunakan untuk rawatan air di POE untuk rumah dan kotej, terutama ketika LED menjadi pilihan yang lebih layak. Di AS sahaja, kira-kira 20 juta isi rumah dan pondok bergantung pada telaga peribadi, sementara puluhan ribu lagi bergantung pada tasik, sungai dan sumber air permukaan lain. Berbagai kajian mendapati bahawa peratusan sumur yang banyak di wilayah tertentu mengandungi mikroorganisma, seperti E. coli, yang mungkin terdapat dalam bekalan air tanah dan permukaan pada waktu tertentu. Oleh itu, reaktor LED UV merupakan salah satu alternatif rawatan air yang paling berkesan untuk memastikan air minuman selamat untuk banyak rumah rekreasi, terpencil dan luar bandar.
Di Jepun, liputan berdasarkan populasi bekalan air awam adalah sekitar 97.9% (pada tahun 2016), yang bermaksud baki penduduk (sekitar 2.7 juta orang) bergantung pada sistem bekalan air masyarakat kecil dan / atau telaga swasta. Kemudahan kecil seperti itu tidak perlu diklorinasi, dan kadang-kadang tidak ada rawatan, termasuk klorinasi. Temu ramah secara langsung dengan penduduk tempatan telah menunjukkan bahawa mereka tidak benar-benar ingin menambahkan klorin kerana rasa dan bau, walaupun mereka memahami potensi risiko kesihatan pencemaran mikroba air.
Perlu diperhatikan bahawa, dalam kemalangan kualiti air minum yang berkaitan dengan kerosakan kesihatan dalam 30 tahun terakhir di Jepun, sekitar 93% (130 dari 140 kemalangan) disebabkan oleh kegagalan pembasmian kuman. Mengingat fakta seperti itu, alat POU dan POE yang berfungsi untuk pembasmian kuman, idealnya tanpa mempengaruhi rasa dan bau secara negatif, akan menjadi pilihan terbaik dan paling praktikal untuk bekalan air komuniti dan telaga peribadi. Jelas bahawa LED UV dapat membantu memenuhi permintaan kualiti air penduduk ini.
Keperluan penting lain untuk rawatan POU dan POE ada di negara-negara membangun, terutama yang mengalami pertumbuhan urbanisasi dan ekonomi yang pesat. Kos LED UV boleh menjadi masalah pada masa ini, tetapi ia mungkin akan menjadi masalah jangka pendek. Kumiko Oguma, University of Tokyo, dan rakan-rakannya telah melakukan tinjauan lapangan intensif mengenai kualiti air dan perilaku penggunaan air di Asia (iaitu, Vietnam, Nepal, Indonesia, Sri Lanka dan Filipina) dan menyatakan bahawa pembandaran yang cepat umumnya mengakibatkan terbatas akses ke sistem bekalan air terpusat. Mereka mendorong banyak orang untuk menggunakan sumber air yang terdesentralisasi, seperti telaga peribadi (misalnya, Guragai et al. 2018, Do et al. 2014).
Lebih-lebih lagi, walaupun orang mempunyai akses ke bekalan air paip di premis mereka, itu tidak akan menjamin akses ke air yang selamat kerana kualiti air paip merosot setelah pengangkutan yang lama dalam rangkaian pengedaran yang buruk. Dalam praktiknya, penduduk tempatan menggunakan beberapa strategi mengatasi, termasuk pemasangan POU dan POE. Hasil tinjauan menunjukkan bahawa sekitar 76% penduduk di Hanoi tengah melakukan rawatan POU di rumah (Do et al. 2014); namun, beberapa alat POU yang digunakan tidak berfungsi sebagai penghalang yang efektif terhadap mikroorganisma. LED UV boleh menjadi pilihan tambahan pintar untuk sistem sedemikian.
Kos tenaga UV untuk LED UV pada masa ini lebih tinggi daripada lampu UV. Setelah LED UV mencapai kecekapan dan output kuasa yang lebih tinggi dan menjadi pilihan yang lebih berpatutan, akan ada banyak kemungkinan aplikasi untuk teknologi reaktor LED UV untuk merawat air pada skala yang lebih besar, termasuk air minuman dan loji rawatan air sisa.
