Agua Latinoamerica

Enfoque de Sistemas para la Desinfección UV-C LED del Agua

Por Jim Cosman, Mitchel Hansen y Molly McKain

La luz ultravioleta se ha convertido en un jugador estrella en el mundo de la desinfección. Se utiliza cada vez más en aplicaciones clave que requieren opciones de desinfección alternativas. La desinfección UV tiene varias ventajas incluyendo:
1. No utiliza productos químicos. UV proporciona tratamiento físico sin el uso de productos químicos nocivos.
2. No hay Subproductos de la desinfección. No hay riesgo de que se produzcan subproductos dañinos de la desinfección como sucede con el tratamiento químico.
3. Inactivación eficaz de patógenos. UV es muy eficaz contra una amplia gama de patógenos transmitidos por el agua, incluyendo organismos resistentes al cloro como el Cryptosporidium y la Giardia.
4. Bajo mantenimiento. Tecnología robusta que es fácil de usar y mantener
Históricamente, las lámparas convencionales de descarga de gas (mercurio) se emplearon en sistemas de tratamiento de agua para emitir luz UV. Recientemente, un nuevo tipo de fuente de luz (lámparas LED de UV) que emiten en el rango de longitud de onda germicida (250 a 285 nm), se ha desarrollado rápidamente e implementado en sistemas de tratamiento de agua de pequeño caudal. Además de los beneficios principales de la tecnología de desinfección UV enumerados anteriormente, las LED UV-C ofrecen beneficios adicionales, incluyendo:
1. No contienen mercurio. Las lámparas UV convencionales contienen mercurio, pero las lámparas LED UV no contienen materiales peligrosos, lo cual elimina el riesgo de derrames de mercurio debido a una rotura de la lámpara.
2. Huella compacta. Las lámparas LED UV-C de alta densidad y los controles avanzados permiten una huella mucho menor en comparación con los sistemas UV tradicionales.
3. Encendido/apagado instantáneo. Los sistemas favorecen el flujo intermitente y se pueden encender y apagar instantáneamente sin ningún tiempo de calentamiento. Esto también mejora el ahorro de energía y conduce a una vida prolongada de la lámpara.
4. Ciclo ilimitado. La vida útil de la lámpara no se ve afectada por los ciclos de encendido/apagado, lo cual permite un ciclo ilimitado de la lámpara.
5. Temperatura independiente. Las lámparas LED no transfieren calor al agua, limitando así el ensuciamiento de la lámpara y asegurando una salida UV constante, independientemente de la temperatura del agua.
En un nivel superior, las lámparas LED ofrecen la misma seguridad de desinfección física que las lámparas de mercurio. Sin embargo, es importante examinar las diferencias fundamentales entre las lámparas LED UV-C y las de mercurio. Nuevos enfoques de pensamiento y diseño son necesarios para aprovechar al máximo el potencial de esta nueva fuente de luz tan emocionante. Se requiere un enfoque global de sistemas para aprovechar al máximo el enorme potencial que ofrecen las lámparas LED UV-C. A continuación se presentan los principales problemas de ingeniería asociados con el desarrollo de un sistema UV-C LED.
Naturaleza de la fuente de luz, robustez y fiabilidad. El desafío principal del diseño es entender una fuente de luz completamente diferente, a longitudes de onda germicidas ligeramente diferentes. Se debe tener cuidado de caracterizar completamente su robustez y confiabilidad. Una diferencia clave que establece el escenario para este cambio de paradigma en el diseño, es la diferencia en los perfiles de emisión entre estas dos lámparas (Figura 1). Tan sólo en base a este diagrama, es fácil ver la necesidad de un cambio en la geometría del diseño del reactor UV. Las lámparas de mercurio requieren un diseño cilíndrico, mientras que las lámparas UV-C tienen un perfil de emisión de punto y pueden usar, pero no requieren, un perfil cilíndrico. Además de tener un perfil de emisión fundamentalmente diferente, también se debe examinar la salida espectral de las lámparas LED UV-C. Con la popularidad de las lámparas de mercurio de baja presión, se ha pensado de 254 nm como la longitud de onda ideal, a pesar de que el pico de eficacia germicida cae entre 260 y 270 nm, dependiendo del patógeno específico. Las lámparas LEDs UV-C son casi monocromáticas (la mayoría de la salida cae dentro de un intervalo de 10 nm), pero pueden ser diseñadas en una variedad de longitudes de onda dentro del rango germicida para dirigirse a patógenos específicos o a la sensibilidad UV general del patógeno máximo. (Por ejemplo, 255, 265, 275 nm, etc.). La elección de longitud de onda del diseñador suele depender de una combinación de costo, duración, patógeno de interés y producción de intensidad UV. Además, dada la falta de experiencia con esta nueva fuente de luz innovadora, los fabricantes deberán pre-examinar extensamente las lámparas LED UV-C para confiar plenamente en la robustez y emisión de estos dispositivos con el tiempo. Una instalación de pruebas y mediciones de UV-C LED es fundamental para obtener estos datos tan importantes.
Diseño del reactor. El desafío principal del diseño es aumentar la eficiencia general del sistema, diseñando un reactor UV altamente eficiente. Debido a las diferencias en los perfiles de emisión de la lámpara, las cámaras de tratamiento que incorporan LEDs tienen el potencial de ser sustancialmente diferentes de las que utilizan las lámparas convencionales a base de mercurio. El diseñador debe encontrar una manera de distribuir eficientemente esta nueva fuente de luz dentro de la cámara de reacción. Actualmente, las lámparas LED UV-C disponibles en el mercado tienen una producción inferior a 100 mW (para un solo dispositivo, alrededor de 3.5 mm2) en comparación con una lámpara de mercurio de 17-W de baja presión (alrededor de 350 mm x 15 mm). Aunque las lámparas LEDs UV-C individuales no son tan potentes como las lámparas de mercurio, su producción UV-C y densidad de potencia (producción por unidad de área) han aumentado exponencialmente en los últimos años. Como resultado de ello, se debe hacer un mayor esfuerzo en diseñar un reactor UV altamente eficiente para compensar y mantener la eficiencia global del sistema de tratamiento de agua. Algunos diseños pueden ser elegantes, como forrar una tubería con LED (como se muestra en la Figura 2), pero la eficiencia general debe ser la premisa de conducción. Quizás una vez que la tecnología LED UV-C haya madurado a los niveles de la tecnología LED visible y sean excepcionalmente eficientes, se podrán colocar en prácticamente cualquier configuración; pero por ahora, los sistemas UV-C LED sólo pueden ser eficaces cuando se construyen alrededor de diseños de reactor excepcionalmente eficientes. Existen sólo unos pocos sistemas de tratamiento UV-C LED disponibles hoy en día, cada uno de ellos con un diseño de reactor diferente. Los diseños eficientes de reactores no son fácilmente descubiertos. Los equipos de desarrollo pasan años diseñando y validando nuevas configuraciones de reactores que son más eficientes que los sistemas basados ​​en lámparas de mercurio. Herramientas avanzadas de modelado, como la dinámica de fluidos computacional y análisis de elementos finitos, se ponen en uso junto con técnicas de medición física, tales como la bio-dosimetría y la actinometría.
Gestión térmica. El principal desafío de diseño es gestionar el calor emitido por las lámparas LEDs UV-C para garantizar una larga vida de la lámpara. Uno de los beneficios clave de los sistemas basados ​​en LED es que no transfieren calor al agua (Figura 3). Las lámparas LEDs emiten toda su luz en la superficie frontal del dispositivo y el calor en la superficie posterior, mientras que las lámparas de mercurio emiten luz y calor a través de la misma superficie. Las lámparas LED UV-C emiten más calor que las lámparas a base de mercurio, que a su vez deben ser manejadas correctamente. Esto se puede hacer a través de una variedad de formas y ayudará con la longevidad del sistema. Se necesitan nuevos conjuntos de habilidades o especialistas para llevar a cabo esta tarea con eficacia. Si se mantienen altas temperaturas en la unión LED, la salida UV del LED disminuirá y con el tiempo la eficacia de la desinfección del sistema se reducirá. La implementación de técnicas térmicas de reducción de calor y el monitoreo del calor es clave para mantener lámparas LED UV de larga duración. Dependiendo del uso, el intervalo de reemplazo de estas lámparas puede ser de varios años, en comparación con los requisitos de reemplazo anual de las lámparas convencionales de mercurio.

Monitoreo del sistema/solución de problemas. El desafío principal del diseño es entender los parámetros críticos que afectan la vida y el desempeño de las lámparas LED UV-C y su monitoreo eficaz. El monitoreo en tiempo real del funcionamiento de la desinfección y la indicación de alarma es vital a un sistema eficaz del LED UV-C. Saber no sólo qué métricas seguir, sino también cómo implementarlas es fundamental para asegurar la confianza del sistema. El diseño inteligente incluye monitorear el estado de la lámpara y los puntos de control que requieren indicadores de error, alarmas y protocolos de apagado del sistema. Este seguimiento le proporciona al usuario final las herramientas necesarias para garantizar que se cumplen las métricas adecuadas y que su sistema esté a los niveles de inactivación y esperanza de vida requeridos.
La introducción de fuentes de luz LED UV-C en la industria de la desinfección del agua reta a los diseñadores y usuarios a cambiar la forma en que piensan acerca de la desinfección por luz UV. Aunque se incorporan algunos principios de diseño anteriormente utilizados con lámparas a base de mercurio, en muchos casos se requerirá un cambio de paradigma para hacer la transición de la desinfección analógica a digital. En lugar de centrarse en la eficiencia de la lámpara, es más importante centrarse en la eficiencia total del sistema, que depende tanto de la eficiencia de la lámpara como de la eficiencia del reactor. Por lo tanto, mientras el mundo espera que los LED UV-C se hagan más eficientes, el diseño del reactor se convierte en el factor determinante en la eficiencia del sistema. Las lámparas de mercurio son moderadamente eficientes y sus reactores de geometría de tubo también son moderadamente eficientes. Las fuentes de luz LED UV-C no son actualmente tan eficientes, por lo que deberán ser emparejadas con reactores excepcionalmente eficientes para que la eficiencia del sistema sea igual o superior a los sistemas de tratamiento de agua a base de mercurio.

Conclusión
Muchos diseñadores han aprendido rápidamente que los reactores UV convencionales utilizados para lámparas de mercurio no son adecuados para sistemas accionados por LED. La dinámica de fluidos requiere un reactor altamente avanzado con el fin de proporcionar una reducción logarítmica consistente para las regulaciones exigentes. A medida que el desarrollo de las lámparas LED UV-C continúa avanzando a un ritmo rápido, la eficiencia de LEDs aumentará, mientras que los precios disminuirán. Por lo tanto, las lámparas LED UV-C eventualmente se utilizarán ampliamente sin tener que centrarse en la eficiencia del reactor. Sin embargo, en un futuro previsible, el diseño general del sistema es fundamental cuando se elige implementar dispositivos UV-C LED. Los usuarios, reguladores y diseñadores de sistemas de agua deben ser conscientes de esto y entender lo que se necesita para construir y evaluar un reactor eficiente porque, como sabemos, no todos los reactores son creados de manera igual.

Acerca de los autores
El Sr. Jim Cosman es Director de Desarrollo de Negocios de AquiSense Technologies. Cuenta con 15 años de experiencia en el mercado de UV, habiendo ocupado varias plazas en las áreas de mercadeo, asuntos regulatorios y desarrollo de negocios. El Sr. Mitch Hansen es Especialista en Mercadeo en Línea con AquiSense Technologies. Ha sido promovido los beneficios de  las lámparas LED UV sobre las aplicaciones convencionales. La Sra. Molly McKain es Ingeniera de Aplicaciones de AquiSense Technologies. Se graduó en ingeniería química de la Universidad de Pittsburgh y trabajó en ingeniería de seguridad nuclear y aplicaciones químicas industriales antes de llegar a AquiSense.

Acerca de la empresa
AquiSense Technologies fabrica los primeros dispositivos de desinfección LED UV-C del mundo, ofreciendo nuevas alternativas para agua limpia, aire y superficies.

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