تصفیه آب با LED UV-C چگونه ممکن می‌شود؟

امروزه تصفیه آب یک مسئله رایج و بسیار مهم در سراسر جهان محسوب می‌شود. در بسیاری از کشورهای جهان سوم، آب آشامیدنی به راحتی آلوده شده و می‌تواند منجر به هجوم انبوه عوامل بیماری‌زا به بدن انسان شود. میکروارگانیسم‌های موجود در منابع آب، یقینا بسیار خطرناک بوده و عواقب آشامیدن آب آلوده می‌تواند فاجعه‌بار باشد و منجر به همه‌گیری‌های ویروسی جهانی شود.

‏UV-C یک راه حل نوآورانه، جدید و نوین است که راهکاری بسیار کاربردی جهت تصفیه آب تمیز و موثر ارائه می‌دهد. اما باید دید این فناوری نسبتا جدید چقدر موثر است و می‌تواند راه حل‌های مورد نیاز ما را ارائه دهد یا خیر. در این مقاله به طور همه‌جانبه به تصفیه آب با LED UV-C می‌پردازیم. با ما همراه باشید.

UV-C چیست؟

نور UV-C یا همان پرتو فرابنفش نوعی از تابش است که در طیف الکترومغناطیسی یافت شده و بر حسب واحد نانومتر (nm) اندازه‌گیری می‌شود. UVC برای چشم انسان نامرئی است و انسان نمی‌تواند پرتوهای آن را مشاهده کند؛ اما در ضدعفونی و گندزدایی سطوح، فضا و هوا به دلیل چگالی طول موج خود اثرگذاری بسیار بالایی دارد. این اشعه خود به سه بخش کاربردی تقسیم می‌شود. این سه بخش عبارتند از:

• طیف UVA با طول موج ۳۱۵ نانومتر تا ۴۰۰ نانومتر که طولانی‌ترین طول موج UV شناخته می‌شود.
• طیف UVB با طول موج ۲۸۰ نانومتر تا ۳۱۵ نانومتر که طول موج متوسط محسوب می‌شود.
• طیف UVC با طول موج ۲۰۰ نانومتر تا ۲۸۰ نانومتر که کوتاه‌ترین طول موج اشعه UV به حساب می‌آید.

‏UVC یک اشعه میکروب‌کش است؛ این به آن معنی است که این طیف می‌تواند به شکل موثر به عنوان یک ضد‌عفونی‌کننده کامل و قوی برای از بین بردن میکروارگانیسم‌هایی مانند باکتری‌ها، ویروس‌ها، انگل‌ها، قارچ‌ها و میکروب‌ها مورد استفاده قرار گیرد.

در حقیقت هنگامی که نور UV بر DNA میکروارگانیسم‌ها به شکل مستقیم تابیده می‌شود، آنها این نور را کاملا جذب می‌کنند و توانایی تولید مثل و حیاتشان به شکل فیزیکی متوقف می‌شود. نتیجه این امر جلوگیری از رشد مجدد آن‌ها است. از این رو تصفیه آب با LED UV-C موثر است. در سال‌های اخیر، LED‌ها برای انتشار اشعه UVC به عنوان جایگزین لامپ‌های جیوه‌ای ساخته شده‌اند.

LED UV-C چیست؟

دیودهای ساطع‌کننده نور یا همان LED‌‌ها دستگاه‌های نیمه هادی هستند که از چندین لایه مواد بستر تشکیل شده‌اند. آن‌ها به شکلی طراحی شده‌اند که بتوان یک طول موج را وارد کرده و فوتون‌ها را در آن ساطع کرد.

محدوده‌ای از UV-C که می‌تواند برای متوقف کردن تکثیر باکتری‌‌ها، میکروب‌ها و ویروس‌های مختلف مورد استفاده قرار بگیرد، کاملا قابل تنظیم است. ‏LEDهای UV-C همان عملکرد لامپ‌های بخار جیوه معمولی را انجام می‌دهند، اما به نسبت آن مزایای بسیار بیشتر و کاربردی‌تری دارند.

مزایا LED‌های UV-C در مقایسه با لامپ‌های جیوه‌ای

• این محصولات سازگار با محیط زیست هستند.
• لامپ‌های UV معمولی از فلزات سنگین استفاده می‌کنند که استفاده از آن‌ها و کاربردی کردنشان دشوار است.
• رسیدگی و هزینه زیادی برای دفع ایمن لامپ‌های معمولی وجود دارد.
• طراحی کوچک – LED‌ها در مقایسه با لامپ جیوه و ابعاد آن یک مزیت فوق‌العاده محسوب می‌شود.
• لامپ‌های LED نوین را می‌توان به راحتی در طرح‌های نوآورانه، خلاقانه و جدید ادغام کرد.
• این محصولات قابلیت روشن/خاموش فوری دارند و LED‌های UV-C در حقیقت فوراً به کار می‌افتند و نیازی به زمانی برای گرم شدن ندارند؛ این یکی از محدودیت‌های رایج لامپ‌های بخار جیوه است.
• با این لامپ‌های LED جدید می‌توان شرایط دوچرخه‌سواری نامحدود را مهیا کرد؛ به این معنی که چرخه‌های روشن/خاموش تأثیری بر عمر LEDها نداشته و قابلیت دوچرخه‌سواری با زمان نامحدود با این لامپ‌ها وجود دارد.
• مستقل از دما LED‌ها می‌توانند فوتون‌ها را از سطوح مختلف ساطع کنند.
• از لحاظ انتشار گرما، آن‌ها می‌توانند به گونه‌ای طراحی شده باشند که در صورت استفاده از LED‌های UV-C در سیستم‌های تصفیه آب، گرما را به آب منتقل نکنند. این می‌تواند در تصفیه آب با LED UV-C یک مزیت فوق‌العاده محسوب شود.
• انتخاب کردن طول موج لازم، یکی از بزرگترین مزایای LED‌های UV-C است که این امکان را به کاربران می‌دهد که بتوانند آن‌ها را طوری پیکربندی کنند تا طول موج خاصی انتخاب شود که برای غیرفعال کردن و از بین بردن حداکثری ویروس‌ها و میکروب‌ها مناسب است.

ضدعفونی و تصفیه آب با LED UV-C چگونه کار می‌کند؟

انواع مختلفی از ضدعفونی‌کننده UV-C وجود دارد که بسته به مقیاس میکروارگانیسم‌ها می‌تواند کار خود را انجام دهد. البته که اصول و نحوه عملکرد کلی ضد‌عفونی‌کننده‌های UV-C یکسان است. با توجه به توسعه سریع گوشی‌های هوشمند، اکنون به LED‌های پیشرفته‌تری هم دسترسی وجود دارد.

سیستم‌هایی که می‌توانند نه تنها نور مرئی که مادون قرمز و UV را هم ساطع کنند. یک LED می‌تواند یک طول موج از پیش انتخاب شده را از مقدار کمی الکتریسیته تولید کند. سپس LED فوتون‌های UV-C را از طریق آب ساطع کرده که به سلول‌های آن نفوذ می‌کند و به اسید نوکلئیک داخلشان آسیب می‌رساند.

در حقیقت اشعه UV دارای خواص ضد باکتریایی است و قادر است میکروارگانیسم‌ها را با ایجاد یک تخریب شیمیایی اسیدهای نوکلئیک یا DNA و RNA به طور کامل غیرفعال کرده یا کاملا از بین ببرد. در واقع با این روش پاتوژن‌ها از بین نمی‌‌روند و تنها از نظر تکثیر شدن ناتوان می‌شوند و این دقیقا در مقابل روش استریلیزاسیون سنتی قرار می‌گیرد که حیات میکروبیولوژیکی میکروب‌ها کاملا از بین می‌رود. در نهایت این غیرفعال‌سازی پاتوژن‌ها باعث می‌شود که آن‌ها دیگر توان آلوده کردن موجودات دیگر را نداشته باشند و حیات خودشان هم تحت شعاع این اشعه قرار بگیرد. از آنجایی که این سلول‌ها نمی‌توانند تکثیر پیدا کنند، میکروارگانیسم‌های مضر توسط این اشعه غیرفعال می‌شوند. ال ای دی‌ها به تشعشعات با شدت بالا اجازه می‌دهند که باکتری‌ها را تنها در چند ثانیه از بین ببرد و اثربخشی آن در LOG اندازه‌گیری و محاسبه می‌شود.

تصفیه آب با LED UV-C

یکی از زمینه‌هایی که نشان می‌دهد LED‌های UV-C موفق هستند و در زندگی انسان کاربرد ویژه‌ای دارند، تصفیه آب با LED UV-C یا همان ضدعفونی آب آشامیدنی است.‏LED‌های UV-C برای ضدعفونی کردن آب آشامیدنی در نقاط مختلف چرخه تصفیه مورد استفاده قرار می‌گیرند. از منبع مصرف اشعه ممکن است چند ثانیه طول بکشد تا آب در یک تابش UV-C تمیز شود.

مدل و فناوری جدید این تکنولوژی به انسان اجازه می‌دهد که LED‌ها در نقاط متفاوت قرار بدهند تا اطمینان حاصل شود که عمل ضدعفونی و تصفیه آب به بهترین شکل ممکن اتفاق افتاده است. در ابتدا این مکانیزم زمانی کار می‌کند که یک مخزن آب در معرض تعدادی LED تحت اشعه UVC پرقدرت قرار می‌گیرد.

آن‌ها می‌توانند فوتون‌های قدرتمند UV-C را در محدوده 200 تا 280 نانومتر منتشر کنند و از طریق آب، مانع از تکثیر باکتری‌ها، ویروس‌ها و میکروب‌های موجود در آن شوند. بسیاری از سیستم‌های جدیدتر از اندازه و ابعاد جمع و جور LED‌ها استفاده کرده‌اند و می‌توانند تمام مخزن آب را ضدعفونی کنند. مرحله پایانی تصفیه آب آشامیدنی اطمینان حاصل کردن از ضدعفونی کامل است.

تصفیه آب با LED UV-C و کنترل پاتوژن‌ها

مقاله‌ای که اخیراً در مجله Science of the Total Environment انتشار پیدا کرده است به بررسی میکروب‌های مختلف موجود در آب آشامیدنی می‌پردازد. بر طبق آزمایش‌های انجام ‌شده، LED‌های UV-C می‌توانند طول موج‌های مختلفی را برای هدف قرار دادن میکروارگانیسم‌های خاص موجود در آب انتخاب کنند.

در حقیقت آب آلوده با قرار گرفتن در معرض تابش مستقیم اشعه UV از این دستگاه‌ها، عملکرد پاتوژ‌ن‌ها و باکتری‌های مختلفش غیرفعال شده و در نهایت تکثیر آن‌ها هم متوقف می‌شود. این نتیجه نشان‌ می‌دهد که آن میکروب‌ها در معرض طول موج‌های مختلف اشعه UVC ساطع‌ شده از دستگاه LED قرار گرفته‌اند و این دستگاه توانسته عملکرد خود را به بهترین شکل ممکن به پایان برساند.

کاهش LOG چیست؟

کاهش LOG برای اندازه‌گیری میزان تاثیر کامل یک فرآیند ضد آلودگی و ضدعفونی استفاده می‌شود. در حقیقت اصطلاح کاهش لگاریتمی، معمولا در آزمایش‌های ضد میکروبی استفاده شده و به میزان تغییرات اتفاق افتاده در تعداد و تراکم میکروارگانیسم‌های غیرفعال‌ شده یا نابود شده اشاره می‌نماید. به عنوان مثال، کاهش 1-log به این معنی است که تعداد باکتری‌ها 10 برابر کوچکتر است 2-log برابر است یعنی 100 برابر کوچکتر و 3-log برابر است با 1000 و … .

برای درک بهتر این موضوع می‌توان گفت اگر یک سطح دارای 100000 میکروب باشد، 5 لاگ لازم است. در حقیقت کم شدن لگاریتم ۳ (log3) به این معناست که میزان میکروارگانیسم‌های موجود در یک نمونه با فاکتوری معادل ۱۰۰۰ کاهش پیدا کرده‌اند و از مقدار کلی و اولیه آن پس از قرار گرفتن در معرض تابش مستقیم اشعه UV فقط یک دهم درصد باقی مانده است.

باکتری‌ها، ویروس‌‌ها، قارچ‌ها، سلول‌های انگلی و میکروب‌ها حساسیت متفاوتی نسبت به اشعه UV و طیف UVC دارند و برای هر کدام از آن‌ها جهت غیرفعال شدن دوزهای متفاوتی از این اشعه لازم و اثرگذار است. برای کاهش سطح پاتوژن و میکروارگانیسم‌های سطوح مختلف، دوزهای خاصی از اشعه UV پیشنهاد شده که البته مقادیرشان در شرایط آزمایشگاهی خاص به دست آمده است.

منطقا در شرایط خارج از محیط آزمایشگاهی این رقم‌ها دستخوش تغییر می‌شوند. اگر نیاز باشد که دوزهایی متفاوت و بالاتر از دوزهای پیشنهادی برای تصفیه و ضدعفونی آب آشامیدنی مورد استفاده قرار بگیرد، باید آزمایش‌های جداگانه‌ای انجام شده و تاثیر نهایی آن در مدت زمان خاصی مشخص گردد.

تصفیه آب با LED UV-C و به طور کلی ال ای دی‌های UV-C چقدر موثر هستند؟

‏LED‌های UV-C ثابت کرده‌اند که دارای اثرگذاری بسیار بالایی هستند، اما موفقیت آن‌ها در غیرفعال کردن میکروارگانیسم‌ها به شدتشان بستگی دارد. در مقاله‌ای، بررسی و ارزیابی روش‌های ضدعفونی میکروبی در UV-LED و سیستم‌های تصفیه آب ارائه شد. در حالی که LED‌های UV-C نشان داده‌اند تکثیر ویروس‌ها، باکتری‌ها و غیره را متوقف می‌کنند، باید گفت که اثربخشی آن بر میکروارگانیسم‌های مختلف به دوز UV و زمان قرار گرفتن آن در معرض تابش مستقیم اشعه بستگی دارد.

در حقیقت میکروارگانیسم‌های مختلف نور ماوراء بنفش را در طول موج‌های متفاوتی جذب می‌کنند و ممکن است برای جذب کامل باکتری‌ها و میکروب‌های موجود بیشتر از آن چیزی نیاز باشد که در تحقیقات به آن اشاره شده است. بنابراین، اگر شما می‌دانید که چه عامل بیماری‌زایی در منبع آب آلوده وجود دارد، می‌توانید LED‌های UVC خود را طوری برنامه‌ریزی و تنظیم کنید تا طول موجی را تولید کند که برای متوقف کردن آن میکروارگانیسم خاص مناسب است. دانستن منبع آلوده به LED اجازه می‌دهد در خنثی کردن عوامل بیماری‌زا موثرتر باشد.

کاربردهای UV-C LED

کاربردهای زیادی وجود دارد که در آن‌ها LED‌های UV-C در حال آزمایش هستند تا متخصصان ببینند که آیا این تکنولوژی می‌تواند راه حلی نه تنها برای چالش‌های ضدعفونی فعلی، بلکه برای چالش‌های آینده ما نیز باشد یا نه. گندزدایی آب آشامیدنی و تصفیه آب جایی اتفاق می‌افتد که این فناوری وجود دارد.

جذب این اشعه توسط آب به عنوان یک محلول کاملا بدون مواد شیمیایی است و خطری انسان را تهدید نکرده و ریسکی که محصولات جانبی و ضدعفونی‌کننده‌های شیمیایی برای آب آشامیدنی ایجاد می‌کنند را ندارد. این روش یک روش غیرفعال‌سازی پاتوژن به شکل موثر با نگهداری بسیار آسان است.

علاوه بر آب، LED‌های UV-C ضدعفونی‌کننده هوا و سطوح هم هستند و می‌توانند در فضاهای مختلف، مانند بیمارستان‌ها، رستوران‌ها و دیگر فضاهای عمومی مورد استفاده قرار بگیرند. تصفیه‌کننده‌های HAVC (گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع) شکل جالب و رو به افزایشی در کشورهای امریکایی و اروپایی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

چشم‌انداز تجاری ضدعفونی با اشعه UVC

کاربردهای متعددی برای این اشعه وجود دارد، از مسکونی گرفته تا تجاری و سازمانی، مراقبت‌های بهداشتی، حمل و نقل، دفاع و واکنش اضطراری که در آن LED‌های UV-C کاربردهای جدیدتری هم پیدا می‌کنند. از نظر حل مشکلات آینده ما، LED‌های UV-C در فضای انسانی مورد توجه بیشتری قرار می‌گیرند.

اکتشاف، برای کاربردهای ضدعفونی

• سیستم‌های فعلی مورد استفاده در اکتشافات فضایی نیاز به بازیافت آب آشامیدنی دارند که بتواند باکتری‌های مضر آن را از بین ببرد.
• آلوده بودن آب آشامیدنی می‌تواند پیامدهای آسیب‌زا و حتی مرگ را در پی داشته باشد.
• با استفاده از فناوری ضدعفونی پیشرفته UV-C LED می‌توان از آن برای ساختن دستگاه‌های ضدعفونی‌کننده مختلف استفاده کرد.
• بازیافت این سیستم‌ها کارآمدتر، قابل اطمینان تر و کاربردی‌‌تر است و این یعنی همیشه در دسترس هستند.
• امکانات جدید برای تصفیه زباله و کنترل محیطی باید مورد بررسی قرار بگیرد.

انواع سیستم‌های ضدعفونی ال ای دی UV-C

فناوری UV-C LED در حال حاضر برای کاربردهای توزیع آب و خنک کننده آب آشامیدنی مورد استفاده قرار می‌گیرد. البته که برای ادغام این امر به تخصص، تجربه و دانش مهندسی قابل توجهی نیاز است، تا به امروز، سه نوع مفهوم سیستم ضدعفونی برای یکپارچه‌سازی LED UV-C وجود داشته است. این دستگاه‌ها در فرایند ضدعفونی آب آشامیدنی در سه جایگاه می‌توانند قرار بگیرند تا عملکرد خود را ارائه دهند:

• قرارگیری در جریان‌های ورودی (Inflow Waters)
• قرارگیری در سیستم‌های گردشی (Recirculation Systems)
• قرارگیری در پساب و فاضلاب خروجی (Effluent Discharges)

در روش‌های سنتی برای ضدعفونی سیستم‌های آب، بخشی از ترکیبات شیمیایی ناشی از فرآیند ضد‌عفونی اغلب در آب باقی می‌ماند. قرار دادن اشتباه این دستگاه‌ها می‌تواند دریچه‌ای برای رشد باکتری‌های جدیدتر ایجاد کند. در هر نقطه از سیستم‌ها در مدل ورودی نصب LED UV-C آسا‌ن‌تر است. این روش که جایگزین روش‌های سنتی شده، به طور قابل توجهی بیشتر از بخار جیوه دوام می‌آورد.

پس لازم به ذکر است که نیازی به طراحی مجدد سیستم‌های موجود نیست و این تکنولوژی به راحتی می‌تواند مورد استفاده قرار بگیرد. داشتن سیستم ورودی هم به این معناست که قطعات قابل رویت و قابل مشاهده هستند و بنابراین ممکن است بیشتر مستعد آسیب باشند. در این پیکربندی‌های جدیدتر که توسط متخصصان انجام شده‌ است، LED‌های UV-C در سیستم‌های فعلی کاملا یکپارچه شده‌اند. این تنظیم و یکپارچه شدن این‌ها چندین مزیت دارد. این مزایا عبارتند از:

• UV-C LED کاملا محافظت می‌شود.
• میزان آلودگی بین دستگاه و دیسپنسر به میزان قابل توجهی کاهش پیدا کرده و این مدل از ماهیت فشرده LED‌ها استفاده می‌کند.
• این سیستم با گرفتن بیشترین میزان حفاظت و کمترین خطر ایجاد شده خدمات خود را ارائه می‌دهد.
• سیستم دارای یک کلید روشن/خاموش فوری است و دستگاه برای انجام فعالیت خود نیاز به گرم شدن ندارد.

همچنین برای تصفیه آب و تبدیل آن به آب شرب، روش‌های بسیار متنوعی یافت شده است. یکی از متداول‌ترین این روش‌ها، روش کلرزنی است، اما این روش و استفاده از کلر برای تصفیه آب معایب و نگرانی‌هایی را نیز به همراه داشته و طی تحقیقات به عمل آمده، استفاده از اشعه UV یا فرابنفش یک روش آسان‌تر و کم‌خطرتر محسوب می‌شود که معایب و مضرات روش‌های پیشین را ندارد.

در سراسر جهان بسیاری از مراکز تصفیه آب به شکل کلی تکنولوژی استفاده از اشعه UV را جایگزین روش کلرزنی کرده‌اند. دلایل بسیار زیادی برای ترجیح دادن روش استفاده از فرابنفش به جای کلرزنی وجود دارد که می‌توان از میان آن‌ها به باقی ماندن بخشی از کلر در آب و آسیب‌های زیست‌محیطی ناشی از آن اشاره کرد. باقی ماندن کلر در آب، خصوصا آب استخر، موجب بروز حساسیت چشمی و التهابات پوستی برای شناگران می‌شود.

علاوه بر این، ترکیب شدن کلر با مواد آلی که در آب وجود دارد، باعث تولید ‌هالومتان‌ها شده که این بسیار خطرناک است. تری هالومتان‌های اصلی شامل کلروفرم، دی برموکلرومتان، برمود کلرومتان و برموفرم بوده که شواهد علمی نشان از این دارد که این ترکیبات خطرناک و سرطان‌زا هستند.

از این شواهد علمی می‌توان به گزارشی اشاره کرد که در سال ۱۹۹۲ در مجله بهداشت همگانی امریکا انتشار پیدا کرد که مستنداتش حاکی از افزایش ۱۵ تا ۳۵ درصدی برخی از سرطان‌ها در میان کسانی بود که در معرض آب کلرزده قرار گرفته‌اند. همچنین انستیتو ملی سرطان، ریسک ابتلا به سرطان را در افرادی که در معرض آب کلرزده قرار می‌گیرند،۹۳ درصد بیشتر از دیگران ارزیابی کرد.

علاوه بر موارد اشاره شده، انگل کریپتوسپوریدیوم موجود در آب نسبت به کلر مقاوم است و موثرترین روش برای از بین بردن آن، جوشاندن آب است. علاوه بر جوشاندن آب، استفاده از فناوری اشعه UV نیز قادر است این انگل را به شکل کامل از بین برده و حیاتش را متوقف کند.

در این مطلب، شما با مزایای نور UV در صنعت تصفیه آب آشنا شدید. دسترسی به آب تمیز و سالم یکی از مهم‌ترین اصول اولیه جهت بقای انسان است و عدم توجه به آن می‌تواند مشکلات بسیار زیادی را به بار بیاورد. استفاده از تکنولوژی ضدعفونی و گندزدایی به وسیله پرتو‌های فرابنفش، یکی از روش‌های نوین و بسیار کارآمد است که در سرتاسر جهان مطرح شده و صاحبان صنایع به دلیل مزایای بسیار زیاد آن به این روش روی می‌آورند. همان‌طور که خواندید، این روش توانسته به سادگی جایگزین روش منسوخ و آسیب‌زای کلرزنی شود. امیدواریم توانسته باشیم در این زمینه اطلاعات لازم را در اختیار شما بگذاریم.

منبع +