Melhor desempenho de desinfecção para LEDs de 280 nm acima de 254 nm baixo

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 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 há várias décadas; no entanto, traz consequências ambientais negativas, como elevadas exigências energéticas e utilização de mercúrio. Compreender como dimensionar e construir tecnologias sensíveis ao clima é fundamental para cumprir a intersecção dos Objectivos de Desenvolvimento Sustentável 6 e 13 da ONU. Uma tecnologia que aborda as desvantagens dos sistemas convencionais de desinfecção UV de águas residuais, ao mesmo tempo que fornece uma solução sensível ao clima, são os díodos emissores de luz UV ( LEDs). 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 eficiências de tomada de parede (WPE) de LED UV, espera-se que o consumo de energia dos reatores LED seja igual ou inferior 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 há várias décadas. A desinfecção UV convencional é conduzida por lâmpadas halógenas 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 nas mangas protetoras das lâmpadas de quartzo, o que diminui a eficácia da desinfecção UV2.

O Objectivo de Desenvolvimento Sustentável (ODS) 6 da ONU centra-se no saneamento e na limpeza da água3. Jarvis observou que o controle sustentável sobre os microrganismos é fundamental para atingir este objetivo4. Devem ser estudadas novas tecnologias que sejam suficientemente robustas para abordar as muitas questões envolvidas na consecução dos ODS5. Compreender como dimensionar e construir tecnologias sensíveis ao clima é fundamental para cumprir a intersecção do ODS6 e do ODS13, Acção Climática, em tempo útil. Os diodos emissores de luz UV (LEDs) abordam as desvantagens mencionadas anteriormente da desinfecção UV convencional de águas residuais, ao mesmo tempo que fornecem uma solução responsiva ao clima6,7,8,9.

Os LEDs UV funcionam de forma semelhante às lâmpadas halógenas de mercúrio convencionais, mas têm um formato semelhante a um LED de luz visível típico e não usam mercúrio para a geração de fótons UV. Os LEDs UV amadureceram como tecnologia ao longo da última década, a ponto de o uso em larga escala ser iminente e os sistemas comerciais no 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 de luz UVC. Mudanças sutis no comprimento de onda UV podem melhorar substancialmente o desempenho da desinfecção12,13,14. Esta 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 de nucleotídeos no DNA do organismo15. O aumento na eficiência germicida devido à mudança do comprimento de onda pode diminuir a necessidade de fluência necessária para alcançar uma redução logarítmica semelhante para ajudar a compensar a menor eficiência energética atualmente experimentada pelos LEDs UV na faixa UVC.