Desempenho de desinfecção aprimorado para LEDs de 280 nm acima de 254 nm baixo

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 7576 (2023) Citar este artigo

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A desinfecção ultravioleta (UV) foi incorporada nos processos de tratamento de água potável e de águas residuais por várias décadas; no entanto, traz consequências ambientais negativas, como altas demandas de energia e uso de mercúrio. Compreender como dimensionar e construir tecnologias responsivas ao clima é fundamental para cumprir a interseção dos Objetivos de Desenvolvimento Sustentável 6 e 13 da ONU. LED). O objetivo deste estudo foi comparar o desempenho de LEDs UV de 280 nm em escala de bancada com lâmpadas de baixa pressão (LP) em escala de bancada e amostras de águas residuais tratadas com UV em escala real. Os resultados do estudo demonstraram que o sistema UV LED fornece um tratamento robusto que superou os sistemas LP em escala de bancada. Uma comparação dos consumos relativos de energia do sistema LED UV a 20 mJ cm-2 e do sistema LP a 30 e 40 mJ cm-2 foi concluída. Com base nas projeções atuais para a eficiência das tomadas de parede (WPE) do LED UV, espera-se que o consumo de energia dos reatores de LED seja igual ou menor em comparação com os sistemas LP até 2025. Este estudo determinou que, com um WPE de 20%, o sistema LED UV equivalente levaria a uma redução de 24,6% e 43,4% no consumo de energia para os cenários de 30 e 40 mJ cm-2, respectivamente.

A desinfecção ultravioleta (UV) foi incorporada nos processos de tratamento de água potável e de águas residuais por várias décadas. A desinfecção UV convencional é conduzida por lâmpadas de halogênio de mercúrio que emitem luz germicida a 254 nm. Embora eficaz na inativação de uma ampla gama de patógenos em uma variedade de matrizes de água, a desinfecção UV à base de mercúrio representa uma preocupação ambiental, pois o mercúrio usado para geração de luz nas lâmpadas é tóxico, as lâmpadas operam com eficiência energética máxima entre 30 e 35 % criando uma alta demanda de energia1, e as altas temperaturas de operação das lâmpadas causam problemas de incrustação orgânica e inorgânica das mangas protetoras das lâmpadas de quartzo, o que diminui a eficácia da desinfecção UV2.

O Objetivo de Desenvolvimento Sustentável (ODS) 6 da ONU concentra-se no saneamento e na limpeza da água3. Jarvis observou que o controle sustentável dos microorganismos é fundamental para alcançar esse objetivo4. Novas tecnologias que sejam robustas o suficiente para abordar as muitas questões envolvidas na consecução dos ODS devem ser estudadas5. Compreender como dimensionar e construir tecnologias responsivas ao clima é fundamental para cumprir a interseção do ODS6 e ODS13, Ação Climática, em tempo hábil. Os diodos emissores de luz ultravioleta (LEDs) abordam as desvantagens mencionadas anteriormente da desinfecção UV convencional de águas residuais, ao mesmo tempo em que fornecem uma solução responsiva ao clima6,7,8,9.

Os LEDs UV funcionam de maneira semelhante às lâmpadas convencionais de mercúrio-halogênio, mas têm um fator de forma semelhante a um LED de luz visível típico e não usam mercúrio para a geração de fótons UV. Os LEDs UV amadureceram como uma tecnologia ao longo da última década, a ponto de o uso em grande escala ser iminente e os sistemas comerciais de ponto de uso estarem prontamente disponíveis8,10,11. Uma das oportunidades oferecidas pela tecnologia UV LED é o aumento da eficiência germicida a partir da emissão de diferentes comprimentos de onda da luz UVC. Mudanças sutis no comprimento de onda UV podem melhorar substancialmente o desempenho da desinfecção12,13,14. Essa mudança relativa na eficácia germicida é única para cada microrganismo e é conhecida como espectro de ação, e está relacionada à abundância relativa dos pares de bases nucleotídicas no DNA do organismo15. O aumento na eficiência germicida da mudança do comprimento de onda pode diminuir a fluência necessária para alcançar uma redução de log semelhante para ajudar a compensar a menor eficiência energética atualmente experimentada pelos LEDs UV na faixa UVC.