Улучшенная эффективность дезинфекции для светодиодов с длиной волны 280 нм по сравнению с низкой длиной волны 254 нм.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7576 (2023) Цитировать эту статью

643 доступа

6 Альтметрика

Подробности о метриках

Ультрафиолетовая (УФ) дезинфекция уже несколько десятилетий используется в процессах очистки питьевой воды и сточных вод; однако это имеет негативные последствия для окружающей среды, такие как высокие потребности в энергии и использование ртути. Понимание того, как масштабировать и создавать технологии, чувствительные к изменению климата, является ключевым моментом в достижении целей ООН в области устойчивого развития 6 и 13. Одной из технологий, которая устраняет недостатки традиционных систем УФ-обеззараживания сточных вод, одновременно обеспечивая решение, отвечающее требованиям климата, — это УФ-светоизлучающие диоды ( светодиоды). Целью данного исследования было сравнение характеристик лабораторных УФ-светодиодов с длиной волны 280 нм, настольных ламп низкого давления (LP) и полномасштабных образцов сточных вод, обработанных УФ-излучением. Результаты исследования показали, что система УФ-светодиодов обеспечивает надежное лечение, которое превосходит системы LP в лабораторных условиях. Завершено сравнение относительных энергопотреблений УФ-светодиодной системы при 20 мДж/см2 и системы LP при 30 и 40 мДж/см2. Основываясь на текущих прогнозах эффективности настенных розеток (WPE) УФ-светодиодов, ожидается, что к 2025 году энергопотребление светодиодных реакторов будет на одном уровне или ниже по сравнению с системами LP. Это исследование показало, что при WPE 20% эквивалентная система УФ-светодиодов приведет к снижению энергопотребления на 24,6% и 43,4% для сценариев 30 и 40 мДж/см2 соответственно.

Ультрафиолетовая (УФ) дезинфекция уже несколько десятилетий используется в процессах очистки питьевой воды и сточных вод. Обычная УФ-дезинфекция осуществляется с помощью ртутно-галогенных ламп, излучающих бактерицидный свет с длиной волны 254 нм. Несмотря на то, что ртутная УФ-дезинфекция эффективна в инактивации широкого спектра патогенов в различных средах воды, она представляет собой проблему для окружающей среды, поскольку ртуть, используемая для генерации света в лампах, токсична. Лампы работают с максимальной энергоэффективностью от 30 до 35 % создают высокий спрос на энергию1, а высокие рабочие температуры ламп вызывают проблемы органического и неорганического загрязнения защитных гильз кварцевых ламп, что снижает эффективность УФ-дезинфекции2.

Цель ООН в области устойчивого развития (ЦУР) 6 сосредоточена на санитарии и чистоте воды3. Джарвис отметил, что устойчивый контроль над микроорганизмами является ключом к достижению этой цели4. Необходимо изучать новые технологии, которые достаточно надежны для решения многих проблем, связанных с достижением ЦУР5. Понимание того, как масштабировать и создавать технологии, реагирующие на изменение климата, является ключом к своевременному достижению пересечения ЦУР 6 и ЦУР 13 «Борьба с изменением климата». УФ-светоизлучающие диоды (СИД) устраняют ранее упомянутые недостатки традиционной УФ-обеззараживания сточных вод, обеспечивая при этом решение, учитывающее климатические условия6,7,8,9.

УФ-светодиоды функционируют аналогично обычным ртутно-галогенным лампам, но имеют форм-фактор, аналогичный типичному светодиоду видимого света, и не используют ртуть для генерации УФ-фотонов. За последнее десятилетие УФ-светодиоды как технология развились до такой степени, что их полномасштабное использование становится неизбежным, а коммерческие системы на месте использования легко доступны8,10,11. Одной из возможностей, предоставляемых технологией УФ-светодиодов, является повышенная бактерицидная эффективность за счет излучения УФ-света различных длин волн. Небольшие изменения длины волны УФ-излучения могут существенно улучшить эффективность дезинфекции12,13,14. Этот относительный сдвиг в бактерицидной эффективности уникален для каждого микроорганизма и известен как спектр действия и связан с относительным количеством пар нуклеотидных оснований в ДНК организма15. Увеличение бактерицидной эффективности за счет смещения длины волны может уменьшить необходимую плотность энергии, необходимую для достижения аналогичного логарифмического снижения, что поможет компенсировать более низкую энергоэффективность, которую в настоящее время испытывают УФ-светодиоды в диапазоне UVC.