यूवी एलईडी सिस्टम डिजाइन और जल उपचार के लिए आवेदन

अर्धचालक प्रौद्योगिकी में नवीनतम प्रगति ने प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एल ई डी) का विकास किया है जो रोगजनक जीवों को निष्क्रिय करने में सक्षम तरंग दैर्ध्य पर यूवी विकिरण (यूवी एल ई डी) के एक संकीर्ण स्पेक्ट्रम का उत्सर्जन करने में सक्षम है। हाल ही में, यूवी एलईडी चिप्स और पैकेज, प्राथमिक उत्पादों के रूप में, बिजली उत्पादन, जीवनकाल और यहां तक ​​कि उत्पादन लागत प्रबंधन के मामले में विकसित हो रहे हैं। यूवी एलईडी तकनीक में हालिया प्रगति ने अब इस तकनीक को जल उपचार में लागू करना संभव बना दिया है। वास्तव में, यूवी एलईडी में आकर्षक विशेषताएं हैं जो जल उपचार के लिए यूवी प्रौद्योगिकियों में नवाचार ला सकती हैं। यहां, यूवी एलईडी जल उपचार प्रणालियों के तीन महत्वपूर्ण पहलुओं पर चर्चा की गई है: डिजाइन, संचालन और अनुप्रयोग।

डिज़ाइन

यूवी एल ई डी के सबसे महत्वपूर्ण लाभों में से एक लचीलापन है जो वे रिएक्टर डिजाइन में रिएक्टर विन्यास और अनुकूलन में अधिक स्वतंत्रता प्रदान करके प्रदान करते हैं। उदाहरण के लिए, कई अध्ययनों ने पानी कीटाणुशोधन के लिए विभिन्न यूवी एलईडी रिएक्टरों को लागू किया है (उदाहरण के लिए, वुर्टेल एट अल। 2011; जेनी एट अल। 2014; ओगुमा एट अल। 2016ए, बी), और प्रत्येक ने एक अलग रिएक्टर डिजाइन अवधारणा को अपनाया। पारंपरिक पारा यूवी लैंप के लिए डिजाइन मानदंड आवश्यक रूप से यूवी एलईडी रिएक्टरों पर लागू नहीं होते हैं क्योंकि यूवी एलईडी एक छोटे पदचिह्न और उत्सर्जन के कोणीय वितरण के साथ एक पूरी तरह से अलग विकिरण स्रोत है। चूंकि जल उपचार के लिए यूवी एलईडी एप्लिकेशन के लिए लागत अभी भी चुनौतियों में से एक है, इसलिए प्रौद्योगिकी को व्यवहार्य बनाने के लिए सीमित संख्या में यूवी एलईडी का उपयोग करके उच्च प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए डिजाइन अनुकूलन आवश्यक है।

जल उपचार के लिए यूवी रिएक्टर का प्रदर्शन यूवी खुराक या प्रवाह का एक कार्य है जिसे पानी में पहुंचाया जाता है। प्रवाह, बदले में, प्रवाह दर और निवास समय का एक कार्य है। नतीजतन, विकिरण और वेग वितरण किसी भी यूवी रिएक्टर दक्षता के लिए कारक निर्धारित कर रहे हैं। ये घटनाएं, माइक्रोबियल निष्क्रियता के कैनेटीक्स के साथ, किसी भी सूक्ष्मजीव के लिए स्थिर दर, यूवी तरंग दैर्ध्य का एक कार्य है, पानी कीटाणुशोधन के लिए समग्र रिएक्टर प्रदर्शन का निर्धारण करेगा। यूवी लैंप रिएक्टर (टैगीपुर, 2018) की तुलना में यूवी एलईडी रिएक्टर में रिएक्टर विकिरण, हाइड्रोडायनामिक्स और यूवी तरंग दैर्ध्य को बेहतर ढंग से नियंत्रित किया जा सकता है।

पॉइंट-ऑफ-यूज़ (पीओयू) और पॉइंट-ऑफ-एंट्री (पीओई) में अनुप्रयोगों के साथ छोटे पैमाने के रिएक्टरों के लिए, उदाहरण के लिए, लैंप आमतौर पर रिएक्टर के मध्य भाग में मुख्य द्रव प्रवाह के समानांतर उनकी धुरी के साथ स्थित होते हैं। दिशा। इस तरह की एक रिएक्टर अवधारणा के लिए, रिएक्टर इनलेट से आउटलेट तक बहने वाली विभिन्न जल धाराओं के पथ के साथ काफी गैर-समान प्रवाह दर वितरण होता है। इसका कारण यह है कि यूवी लैंप के विकिरण वितरण में रेडियल दिशा में महत्वपूर्ण भिन्नता है। यूवी एलईडी रिएक्टर में, इस गैर-एकरूपता को रोका जा सकता है, यह देखते हुए कि यूवी एलईडी विकिरण प्रोफ़ाइल की एक प्रमुख दिशा है जिसके लिए इसके कोणीय दृश्य को समायोजित किया जा सकता है, और इसकी विकिरण प्रोफ़ाइल को समायोजित किया जा सकता है। इसके अलावा, उज्ज्वल ऊर्जा की सही स्थिति और दिशा का चयन, जो एक यूवी एलईडी रिएक्टर के लिए आसानी से संभव है, यूवी लैंप की तुलना में रिएक्टर की दीवार को उज्ज्वल ऊर्जा के नुकसान को अधिक प्रभावी ढंग से रोक सकता है।

यूवी लैंप रिएक्टरों में द्रव प्रवाह वेग और निवास समय वितरण को नियंत्रित करने के लिए समान सीमाएं मौजूद हैं। चूंकि यूवी लैंप आमतौर पर रिएक्टरों के अंदर रखे जाते हैं, रिएक्टर के हाइड्रोडायनामिक्स अक्सर यूवी लैंप की उपस्थिति से काफी हद तक प्रभावित होते हैं। मुख्य द्रव प्रवाह दिशा के समानांतर अपनी धुरी के साथ एक एकल दीपक के साथ एक छोटे पैमाने के रिएक्टर के लिए, उदाहरण के लिए, यूवी लैंप सतह के पास उच्चतम वेग वांछित है, जहां प्रवाह दर अपने चरम मूल्य पर है।

हालांकि, यूवी लैंप स्लीव, या किसी ठोस सतह के पास वेग प्रोफ़ाइल, सामान्य रूप से, लगभग शून्य है। इसलिए, ऐसे यूवी लैंप रिएक्टर के लिए लगभग आदर्श रिएक्टर प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए प्रवाह और विकिरण वितरण के मिलान के लिए तकनीकी और व्यावहारिक सीमाएं हैं। यूवी एलईडी रिएक्टर के लिए यह सीमा मौजूद नहीं है, जहां यूवी एलईडी को अलग-अलग जगहों पर रखा जा सकता है - रिएक्टर के बाहर सहित - और उनके विकिरण प्रोफ़ाइल को उच्च वेग वाले क्षेत्रों में उच्च प्रवाह दर में परिणाम के लिए समायोजित किया जा सकता है।

विभिन्न बैक्टीरिया और वायरस के यूवी निष्क्रियता के लिए स्थिर दर तरंग दैर्ध्य के साथ भिन्न हो सकती है, यहां तक ​​​​कि डीएनए शिखर अवशोषण के आसपास के क्षेत्र में भी (Mamane-Gravetz et al। 2005; Beck et al। 2015)। इस बीच, यूवी एल ई डी के शिखर तरंग दैर्ध्य को समायोजित किया जा सकता है, जिसका लक्ष्य लक्षित सूक्ष्मजीवों के लिए उच्च निष्क्रियता दर स्थिरांक प्राप्त करना है। यही कारण है कि यूवी एलईडी अनुप्रयोगों में सूक्ष्मजीवों की वर्णक्रमीय संवेदनशीलता, या तथाकथित एक्शन स्पेक्ट्रा चिंता का विषय है।

इस प्रकार, यूवी एलईडी उत्सर्जन के तहत विभिन्न सूक्ष्मजीवों के प्रवाह-प्रतिक्रिया कैनेटीक्स पर एक डेटासेट को संक्षेप में प्रस्तुत करना रुचि का होगा। कुछ समीक्षाओं ने प्रकाशित आंकड़ों (उदाहरण के लिए, मलेयरी एट अल। 2016) के आधार पर ऐसे प्रयास किए हैं, जो संदर्भ के रूप में काम कर सकते हैं। हालांकि, यह नोट करना महत्वपूर्ण है कि विभिन्न अध्ययनों में निष्क्रियता क्षमता की सरल तुलना संभावित रूप से भ्रामक हो सकती है, प्रकाशित अध्ययनों में रिपोर्ट किए गए कई असंगत और अतुलनीय डेटा को देखते हुए, जैसा कि एक समीक्षा लेख (गीत एट अल। 2016) में चर्चा की गई है।

इस विसंगति में एक मुख्य योगदानकर्ता यूवी एलईडी निष्क्रियता अध्ययनों में प्रवाह माप के लिए विभिन्न प्रयोगात्मक सेटअप और विभिन्न तकनीकों का उपयोग कर रहा है (उदाहरण के लिए, वुर्टेल एट अल। 2011; ओगुमा एट अल। २०१६ए, बी; बेक एट अल। २०१७; रतनकुल और ओगुमा २०१८) . इसलिए, विभिन्न अध्ययनों के बीच विश्वसनीय तुलना प्राप्त करने के लिए और अधिक महत्वपूर्ण बात, सही निष्क्रियता गतिज डेटा प्राप्त करने के लिए यूवी एलईडी परीक्षण प्रोटोकॉल का मानकीकरण आवश्यक है। इस तरह के प्रोटोकॉल का प्रस्ताव किया गया है (खेरंदिश एट अल। 2017, 2018), और यूवी एलईडी सिस्टम के लिए "आईयूवीए परीक्षण प्रोटोकॉल" अब आईयूवीए टास्क फोर्स द्वारा विकसित किया जा रहा है।

अभी के लिए, इस तरह के एक मानक प्रोटोकॉल के बिना, तुलनात्मक अध्ययन के लिए एक सरल विकल्प समान सेटअप और सुसंगत प्रवाह परिभाषा का उपयोग करके प्राप्त डेटा को संक्षेप में प्रस्तुत करना है। यह प्रयास एक शोध समूह द्वारा किया गया है, जिसने 265, 280 और 300 एनएम (ओगुमा एट अल। 2019) पर यूवी एलईडी का उपयोग करते हुए विभिन्न स्वास्थ्य संबंधी सूक्ष्मजीवों के प्रवाह-प्रतिक्रिया प्रोफाइल प्रस्तुत किए। समूह रोगज़नक़ों (लेगियोनेला न्यूमोफिला, स्यूडोमोनास एरुगिनोसा, विब्रियो पैराहामोलिटिकस, और फेलिन कैलिसीवायरस) और संकेतक / सरोगेट प्रजातियों के एन लॉग निष्क्रियता (एन=1, 2, 3 और 4) के लिए आवश्यक निष्क्रियता दर स्थिर और प्रवाह की रिपोर्ट करता है। बेसिलस सबटिलिस्पोरस और बैक्टीरियोफेज Qβ और MS2)।

एक बार यूवी एलईडी मानक परीक्षण प्रोटोकॉल उपलब्ध होने के बाद, शोधकर्ता स्वतंत्र और तुलनीय तरीके से प्रयोग कर सकते हैं, और परिणाम विविध सूक्ष्मजीवों के लिए विभिन्न उत्सर्जन के यूवी एलईडी निष्क्रियता डेटाबेस में सुधार और समृद्ध करेंगे।

कार्यवाही

यूवी एलईडी रिएक्टर सिस्टम की विशेष विशेषताओं में कम वोल्टेज और बिजली की आवश्यकताएं, स्वचालित रूप से और उच्च आवृत्ति के साथ चालू / बंद करने की क्षमता के साथ कोई वार्म-अप समय और थर्मल प्रबंधन के लिए विभिन्न विकल्प शामिल हैं। इन सुविधाओं के परिणामस्वरूप उन अनुप्रयोगों के लिए यूवी एलईडी रिएक्टरों का संचालन हो सकता है जहां यूवी लैंप रिएक्टरों का कुशलतापूर्वक उपयोग नहीं किया जा सकता है। यूवी एलईडी वाटर प्यूरीफायर की कुछ अन्य विशेष विशेषताओं में एक मजबूत डिजाइन और छोटे पदचिह्न शामिल हैं, जो इस तकनीक को पीओयू अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाते हैं जहां पारंपरिक जल उपचार तकनीकों का बेहतर उपयोग नहीं किया जा सकता है।

यूवी एलईडी रिएक्टरों, विशेष रूप से पीओयू अनुप्रयोगों के लिए, कम बिजली और वोल्टेज की आवश्यकता होती है, जिसका अर्थ है कि उन्हें आसानी से एक सौर पैनल के साथ चार्ज करने योग्य बैटरी किट के साथ संचालित किया जा सकता है, जो बाजार में आसानी से उपलब्ध है। इसलिए, एक किफायती मूल्य पर अक्षय ऊर्जा का उपयोग यूवी एलईडी रिएक्टर सिस्टम को ऑफ-ग्रिड जल उपचार प्रौद्योगिकी में बदलने के लिए किया जा सकता है। इसके अलावा, निरंतर विद्युत शक्ति की कमी - छोटे और ग्रामीण समुदायों में, सामान्य रूप से और विशेष रूप से विकासशील देशों में - अक्सर एक समस्या होती है, लेकिन यूवी एलईडी के लिए यह एक महत्वपूर्ण सीमा नहीं होगी।

यूवी एल ई डी तब हो सकते हैं जब पानी का इलाज किया जाता है और जब इसका इलाज नहीं किया जाता है तो बंद हो जाता है। नतीजतन, पीओयू अनुप्रयोगों के लिए जहां पानी का उपयोग किया जा रहा है और रुक-रुक कर इलाज किया जा रहा है, यूवी एलईडी को डिवाइस के पूरे जीवन के लिए प्रतिस्थापन की आवश्यकता नहीं होगी (जिसके परिणामस्वरूप दीपक प्रतिस्थापन लागत बचत होगी) और ऊर्जा के केवल एक अंश का उपभोग करें (जिसके परिणामस्वरूप काफी ऊर्जा लागत बचत)।

इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि यूवी एलईडी रिएक्टरों को कम रखरखाव की आवश्यकता होती है। इसमें बार-बार स्लीव फाउलिंग क्लीनिंग और यूवी सोर्स रिप्लेसमेंट शामिल हैं। यूवी लैंप स्लीव्स का फाउलिंग मुख्य रूप से अपेक्षाकृत उच्च तापमान पर काम करने वाले लैंप और स्लीव से लैम्प हीट ट्रांसफर होने का परिणाम है। उल्टे घुलनशीलता के साथ धातुओं की गर्मी से प्रेरित वर्षा एक प्रमुख तंत्र है जिसके द्वारा यूवी लैंप आस्तीन पर फाउलेंट जमा किया जाता है।

यूवी एलईडी रिएक्टरों में, यूवी एलईडी द्वारा उत्पन्न गर्मी को एलईडी सर्किट बोर्ड (क्वार्ट्ज विंडो या स्लीव नहीं) से हटा दिया जाता है, इसलिए स्लीव फाउलिंग महत्वपूर्ण होने की उम्मीद नहीं है, जिसका अर्थ है कि नियमित रखरखाव और सफाई की संभावना नहीं है प्रमुख समस्या। इसलिए, कुशल ऑपरेटरों की अनुपस्थिति - जो छोटे और ग्रामीण समुदायों में मुख्य सीमाओं में से एक है - जो कई जल कीटाणुशोधन प्रौद्योगिकियों के अनुप्रयोग में बाधा डालती है, यूवी एलईडी सिस्टम के लिए एक बड़ा प्रतिबंध नहीं हो सकता है।

आवेदन

वर्तमान में यूवी एलईडी की उज्ज्वल बिजली उत्पादन और दीवार प्लग प्रभावकारिता को देखते हुए, यूवी एलईडी रिएक्टरों का एक अधिक उपयुक्त अनुप्रयोग आंतरायिक और कम प्रवाह दर का उपचार है। इनमें रिएक्टर का उपभोक्ता और वाणिज्यिक उपकरणों की एक श्रृंखला में एकीकरण शामिल है, जैसे कि पानी के डिस्पेंसर और कूलर, बर्फ और कॉफी निर्माता, और प्रयोगशाला और चिकित्सा जल उपकरण। इनमें से कुछ उपकरणों में यूवी रिएक्टर का एकीकरण पहली बार यूवी एलईडी रिएक्टर के छोटे पदचिह्न और विशेष विशेषताओं के कारण संभव हुआ है।

एक अन्य अनुप्रयोग पीओयू में पानी का उपचार है। विकसित और विकासशील दोनों देशों में बढ़ती मांग के कारण पीओयू जल उपचार एक उभरता हुआ वैश्विक उद्योग है; ऐसी प्रणालियों के लिए बाजार 2020 में लगभग 25 बिलियन अमरीकी डालर का होने की उम्मीद है और लगभग 10% (पॉइंट-ऑफ-यूज़ वाटर ट्रीटमेंट सिस्टम मार्केट, 2016) की चक्रवृद्धि वार्षिक वृद्धि दर (CAGR) से बढ़ने का अनुमान है।

जल प्रदूषण में वृद्धि, स्वच्छ पेयजल के महत्व के बारे में बढ़ती जागरूकता और निर्माण गतिविधियों में वृद्धि जैसे कारकों ने पीओयू जल उपचार प्रणाली बाजार को प्रेरित किया है। यूवी लैंप और अन्य पारंपरिक प्रौद्योगिकियों की तुलना में यूवी एलईडी रिएक्टर पीओयू जल उपचार के लिए आदर्श हो सकते हैं, उनके स्पष्ट लाभ, जैसे कि लगातार रखरखाव की कमी और कम परिचालन और आजीवन लागत।

घरों और कॉटेज के लिए पीओई में पानी के उपचार के लिए बड़े पैमाने पर यूवी एलईडी रिएक्टरों को लागू किया जा सकता है, खासकर जब एलईडी अधिक व्यवहार्य विकल्प बन जाते हैं। अकेले अमेरिका में, लगभग 20 मिलियन घर और कॉटेज निजी कुओं पर निर्भर हैं, जबकि दसियों हज़ार लोग झीलों, नदियों और अन्य सतही जल स्रोतों पर निर्भर हैं। विभिन्न अध्ययनों से पता चला है कि किसी भी क्षेत्र में काफी प्रतिशत कुओं में सूक्ष्मजीव होते हैं, जैसे कि ई. कोलाई, जो किसी भी समय भूजल और सतही जल आपूर्ति में पाए जा सकते हैं। इस प्रकार, यूवी एलईडी रिएक्टर कई मनोरंजक, दूरस्थ और ग्रामीण घरों के लिए सुरक्षित पेयजल सुनिश्चित करने के लिए सबसे प्रभावी जल उपचार विकल्पों में से एक का प्रतिनिधित्व करते हैं।

जापान में, सार्वजनिक जल आपूर्ति का जनसंख्या-आधारित कवरेज लगभग 97.9% (2016 तक) है, जिसका अर्थ है कि शेष जनसंख्या (लगभग 2.7 मिलियन लोग) छोटे पैमाने पर सामुदायिक जल आपूर्ति प्रणालियों और/या निजी कुओं पर निर्भर हैं। ऐसी छोटी सुविधाएं अनिवार्य क्लोरीनीकरण से बाहर हैं, और कभी-कभी क्लोरीनीकरण सहित कोई उपचार नहीं होता है। स्थानीय निवासियों के साथ आमने-सामने साक्षात्कार से पता चला है कि वे स्वाद और गंध की चिंताओं के कारण वास्तव में क्लोरीन नहीं जोड़ना चाहते हैं, भले ही वे पानी के माइक्रोबियल संदूषण के संभावित स्वास्थ्य जोखिम को समझते हैं।

यह उल्लेखनीय है कि, जापान में पिछले 30 वर्षों में स्वास्थ्य क्षति से जुड़ी पेयजल गुणवत्ता दुर्घटनाओं में, लगभग 93% (140 दुर्घटनाओं में से 130) कीटाणुशोधन विफलता के कारण हुई थी। ऐसे तथ्यों को ध्यान में रखते हुए, पीओयू और पीओई उपकरण जो कीटाणुशोधन के लिए काम करते हैं, आदर्श रूप से स्वाद और गंध को नकारात्मक रूप से प्रभावित किए बिना, सामुदायिक जल आपूर्ति और निजी कुओं के लिए सबसे अच्छा और सबसे व्यावहारिक विकल्प होंगे। यह स्पष्ट है कि यूवी एलईडी इन आबादी की पानी की गुणवत्ता की मांगों को पूरा करने में सहायता कर सकते हैं।

पीओयू और पीओई उपचार के लिए एक और महत्वपूर्ण आवश्यकता विकासशील देशों में मौजूद है, विशेष रूप से वे जो तेजी से शहरीकरण और आर्थिक विकास का अनुभव कर रहे हैं। यूवी एलईडी की लागत वर्तमान में एक मुद्दा हो सकता है, लेकिन यह शायद एक अल्पकालिक समस्या होगी। डॉ. कुमिको ओगुमा, टोक्यो विश्वविद्यालय, और उनके सहयोगियों ने एशिया (यानी, वियतनाम, नेपाल, इंडोनेशिया, श्रीलंका और फिलीपींस) में पानी की गुणवत्ता और पानी के उपयोग के व्यवहार पर गहन क्षेत्र सर्वेक्षण किया है और नोट किया है कि तेजी से शहरीकरण आम तौर पर सीमित होता है केंद्रीकृत जल आपूर्ति प्रणालियों तक पहुंच। उन्होंने कई लोगों को निजी कुओं जैसे विकेन्द्रीकृत जल स्रोतों का उपयोग करने के लिए प्रोत्साहित किया (उदाहरण के लिए, गुरगई एट अल। 2018, डो एट अल। 2014)।

इसके अलावा, भले ही लोगों के पास अपने परिसर में पाइप से पानी की आपूर्ति हो, यह सुरक्षित पानी तक पहुंच का आश्वासन नहीं देगा क्योंकि खराब वितरण नेटवर्क में लंबे समय तक परिवहन के बाद पाइप से पानी की गुणवत्ता खराब हो जाती है। व्यवहार में, स्थानीय लोग पीओयू और पीओई प्रतिष्ठानों सहित कई मुकाबला रणनीतियों का उपयोग करते हैं। सर्वेक्षण के परिणामों से पता चला कि मध्य हनोई में लगभग 76 प्रतिशत निवासी घर पर पीओयू उपचार कर रहे थे (Do et al। 2014); हालांकि, उपयोग में आने वाले कुछ पीओयू उपकरण सूक्ष्मजीवों के खिलाफ एक प्रभावी बाधा के रूप में कार्य नहीं कर रहे थे। ऐसे सिस्टम के लिए यूवी एलईडी एक स्मार्ट ऐड-इन विकल्प हो सकता है।

यूवी एलईडी के लिए यूवी ऊर्जा लागत वर्तमान में यूवी लैंप की तुलना में अधिक है। एक बार जब यूवी एलईडी एक उच्च दक्षता और बिजली उत्पादन प्राप्त कर लेते हैं और एक अधिक किफायती विकल्प बन जाते हैं, तो पीने के पानी और अपशिष्ट जल उपचार संयंत्रों सहित बड़े पैमाने पर पानी के उपचार के लिए यूवी एलईडी रिएक्टर प्रौद्योगिकी के लिए कई संभावित अनुप्रयोग होंगे।