Prestazioni di disinfezione migliorate per LED da 280 nm superiori a 254 nm bassi

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7576 (2023) Citare questo articolo

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La disinfezione con raggi ultravioletti (UV) è stata incorporata nei processi di trattamento sia dell'acqua potabile che delle acque reflue da diversi decenni; tuttavia, comporta conseguenze ambientali negative come l’elevata domanda di energia e l’uso del mercurio. Comprendere come scalare e costruire tecnologie sensibili al clima è fondamentale per raggiungere l'intersezione degli obiettivi di sviluppo sostenibile delle Nazioni Unite 6 e 13. Una tecnologia che affronta gli inconvenienti dei sistemi convenzionali di disinfezione UV delle acque reflue, fornendo al contempo una soluzione sensibile al clima, sono i diodi a emissione di luce UV ( LED). L'obiettivo di questo studio era confrontare le prestazioni dei LED UV da 280 nm su scala da banco con quelle delle lampade a bassa pressione (LP) su scala da banco e dei campioni di acque reflue trattate con UV su scala reale. I risultati dello studio hanno dimostrato che il sistema LED UV fornisce un trattamento efficace che ha sovraperformato i sistemi LP su scala di banco. È stato completato un confronto dei consumi energetici relativi del sistema LED UV a 20 mJ cm−2 e del sistema LP a 30 e 40 mJ cm−2. Sulla base delle attuali proiezioni sull'efficienza dei wall plug (WPE) dei LED UV, si prevede che il consumo energetico dei reattori LED sarà pari o inferiore rispetto ai sistemi LP entro il 2025. Questo studio ha stabilito che, con un WPE del 20%, il sistema LED UV equivalente porterebbe a una riduzione del consumo energetico del 24,6% e del 43,4% rispettivamente per gli scenari da 30 e 40 mJ cm−2.

La disinfezione con raggi ultravioletti (UV) è stata incorporata nei processi di trattamento sia dell’acqua potabile che delle acque reflue da diversi decenni. La disinfezione UV convenzionale è gestita da lampade alogene al mercurio che emettono luce germicida a 254 nm. Sebbene efficace nell'inattivazione di un'ampia gamma di agenti patogeni in una varietà di matrici acquose, la disinfezione UV a base di mercurio pone un problema ambientale poiché il mercurio utilizzato per la generazione della luce nelle lampade è tossico, le lampade funzionano alla massima efficienza energetica tra 30 e 35 % creando un'elevata domanda di energia1 e le elevate temperature di funzionamento delle lampade causano problemi di incrostazione organica e inorganica dei manicotti protettivi della lampada al quarzo che riducono l'efficacia della disinfezione UV2.

L’Obiettivo di sviluppo sostenibile (SDG) 6 delle Nazioni Unite si concentra sull’igiene e sulla pulizia dell’acqua3. Jarvis ha osservato che il controllo sostenibile sui microrganismi è fondamentale per raggiungere questo obiettivo4. È necessario studiare nuove tecnologie sufficientemente robuste da affrontare le numerose questioni legate al raggiungimento degli Obiettivi di sviluppo sostenibile5. Comprendere come scalare e costruire tecnologie sensibili al clima è fondamentale per raggiungere l’intersezione tra l’SDG 6 e l’SDG 13, Azione per il clima, in modo tempestivo. I diodi a emissione di luce UV (LED) risolvono gli inconvenienti precedentemente menzionati della disinfezione UV convenzionale delle acque reflue, fornendo al contempo una soluzione sensibile al clima6,7,8,9.

I LED UV funzionano in modo simile alle tradizionali lampade alogene al mercurio, ma hanno un fattore di forma simile a un tipico LED a luce visibile e non utilizzano mercurio per la generazione di fotoni UV. I LED UV sono maturati come tecnologia nel corso dell'ultimo decennio al punto che l'uso su vasta scala è imminente e i sistemi commerciali punto di utilizzo sono prontamente disponibili8,10,11. Una delle opportunità offerte dalla tecnologia LED UV è l’aumento dell’efficienza germicida derivante dall’emissione di diverse lunghezze d’onda della luce UVC. Piccoli cambiamenti nella lunghezza d'onda UV possono migliorare sostanzialmente le prestazioni di disinfezione12,13,14. Questo cambiamento relativo nell'efficacia germicida è unico per ciascun microrganismo ed è noto come spettri d'azione ed è correlato all'abbondanza relativa delle coppie di basi nucleotidiche nel DNA dell'organismo15. L’aumento dell’efficienza germicida derivante dallo spostamento della lunghezza d’onda può ridurre la necessità di fluenza richiesta per ottenere una riduzione logaritmica simile per aiutare a compensare la minore efficienza energetica attualmente riscontrata dai LED UV nella gamma UVC.