Por George Diefenthal y J. R. Cooper, PhD
Introducción
La luz ultravioleta ha sido utilizada para tratar el agua durante varias décadas. Inicialmente, los rayos UV se usaban en aplicaciones de agua potable, pero en las últimas décadas su uso se ha expandido a otras aplicaciones municipales, incluidas las aguas residuales, reutilización de agua y remediación de aguas subterráneas. Además, la radiación UV se ha convertido en una parte estándar del tren de tratamiento para aplicaciones de agua ultrapura y se está expandiendo rápidamente a varios usos nuevos, incluyendo las torres de enfriamiento y la reutilización del agua en el sitio. El mecanismo por el cual la luz ultravioleta desinfecta es cuando los fotones ultravioleta hacen que el ADN en el núcleo celular se reticule. Esto evita que la célula se reproduzca y cause infecciones. El ADN absorbe UV en el rango de 240 a 280 nm para producir esta reticulación, con un pico de absorción a 264 nm.
Tecnologías UV
El término presión utilizado para describir los sistemas UV a continuación, se refiere al estilo de la lámpara de mercurio que se usa en el sistema UV y la presión del gas dentro de la lámpara, no la presión del agua que se está tratando. Las lámparas de presión media tienen un espectro de salida continuo que abarca de 200 a 400 nm, siendo el espectro único para cada fabricante. Las lámparas de baja presión producen dos líneas de salida UV estrechas, una a 185 nm y otra a 254 nm. La línea de 185 nm produce ozono en el aire y se filtra para muchas aplicaciones, seleccionando el cuarzo adecuado que se utiliza para fabricar la lámpara.
Presión media. Los sistemas de presión media se han utilizado principalmente para la desinfección del agua durante varios años. Estos sistemas suelen tener una cámara de acero inoxidable que encaja en línea con la tubería y tiene la lámpara ubicada perpendicular al flujo. Esto lo convierte en un sistema compacto que se puede adaptar a las tuberías existentes. Los controles y el balasto generalmente se encuentran en un gabinete cercano. Sin embargo, la tecnología tiene algunos inconvenientes en comparación con las unidades de baja presión. Los sistemas de presión media utilizan más energía, tienen una vida útil de la lámpara más corta y funcionan a una temperatura de superficie de la lámpara mucho más alta (hasta 1600°C/2,912°F) que un sistema de baja presión comparable.
Presión baja – convencional. Los sistemas ultravioleta más reconocibles que se utilizan en la actualidad son los sistemas que utilizan lámparas de mercurio de baja presión. Por lo general, estas unidades se construyen en un recipiente a presión de acero inoxidable con las lámparas instaladas en paralelo al flujo de agua. El diámetro de la cámara, el número de lámparas y la longitud de la lámpara, determinan la capacidad del equipo. Con unas cuantas mejoras, este diseño ha sido utilizado durante más de 50 años. Un inconveniente importante de este diseño (así como de los sistemas de presión media discutidos anteriormente) es el hecho de que el acero inoxidable absorbe aproximadamente el 80 por ciento de la luz ultravioleta que incide en su superficie. Esto aumenta en gran medida el número de lámparas y el consumo de energía necesarios para alcanzar el nivel deseado de tratamiento UV, lo que ha aumentado la percepción del mercado de que el tratamiento UV conlleva un alto costo de operación.
Intentos anteriores de reducir los costos de operación. Ha habido varios intentos para mejorar el rendimiento de los sistemas UV mediante la sustitución de las cámaras con paredes de acero inoxidable con diseños que superan la naturaleza inherente de pérdida (disipación de energía eléctrica) de las cámaras convencionales. Varios diseños utilizan un reflector externo de aluminio. El aluminio tiene un nivel mucho más alto de reflectividad de luz UV (generalmente del 80 al 90 por ciento o más) que el acero inoxidable. En uno de estos diseños, el tubo de flujo está ubicado en el centro, con lámparas y reflectores parabólicos que rodean el flujo. Este diseño proporciona una mejor reflexión de la luz UV. Sin embargo, la mayor parte de la luz UV está fuera del flujo de agua, lo que limita la eficiencia general. Otro inconveniente es que los sistemas pueden llegar a ser bastante grandes para mayores caudales.
Otros sistemas utilizan la propiedad de que la luz que incide en una superficie en un ángulo muy poco profundo se refleja casi por completo. Estos sistemas tienen las lámparas en uno o ambos extremos de un tubo de flujo largo, de modo que la mayor parte de la luz UV que llega a la superficie del tubo de flujo se refleja en el agua. Introducir la luz de manera eficiente en el tubo de flujo largo desde su extremo es uno de los desafíos que limitan la eficiencia de este diseño de cámara.
Diseño optimizado de cámara reflectante
Se ha desarrollado un diseño que supera los problemas mencionados con los diseños de cámaras reflectantes discutidos anteriormente. Este diseño utiliza una configuración de cuarzo doble. El manguito interior de la lámpara de cuarzo aísla la lámpara del agua, como se hace en la mayoría de los sistemas UV. Luego se utiliza un tubo de flujo de cuarzo exterior más grande para crear la contención exterior del flujo. Luego, el material reflectante se coloca fuera del tubo de flujo de cuarzo. La Figura 1 muestra un corte del diseño para ayudar a visualizar el concepto.
En este diseño, la lámpara introduce esencialmente toda su luz UV directamente en el tubo de flujo y el reflector devuelve los fotones al flujo de agua, habiendo solo una pequeña fracción de la luz UV que se escapa o reside fuera del volumen de flujo de agua en un momento dado. La luz UV permanece en el volumen de agua hasta ser absorbida por el ADN objetivo o la molécula de carbono orgánico total (COT), en lugar ser perdido (absorbido) por la pared de la cámara o residir en un volumen fuera del flujo de agua. Esto asegura que la luz proveniente de las mismas lámparas de baja presión se use de manera más eficiente en esta cámara que en las cámaras reflectantes convencionales u otras cámaras reflectantes.
Hay dos requisitos clave que son necesarios para que este diseño logre la mejora significativa en el rendimiento que puede proporcionar. Estos requisitos deben cumplirse simultáneamente; satisfacer solo uno u otro no proporcionará un mejor rendimiento. El primer requisito es que el material reflectante debe ser al menos un 80 por ciento reflectante a la luz ultravioleta. El segundo requisito crítico es que el material reflectante debe encerrar al menos el 80 por ciento de la zona de tratamiento (cobertura del 80 por ciento). Las pruebas y simulaciones han demostrado que las cámaras que no cumplen estos dos requisitos no proporcionan una mejora significativa en el rendimiento.
La gráfica de la Figura 2 muestra el fuerte aumento de la intensidad de la luz UV en relación con el de una cámara de acero inoxidable convencional cuando se cumplen ambos requisitos. Hay aumentos modestos en el rendimiento sobre la cámara de acero inoxidable de referencia cuando la reflectancia está por encima del 80 por ciento y la cobertura está por debajo del 80 por ciento, y también cuando la cobertura está por encima del 80 por ciento y la reflectancia está por debajo del 80 por ciento, pero solo el aumento realmente significativo ocurre cuando tanto la reflectancia como la cobertura están por encima del 80 por ciento.
Una investigación independiente publicada por la Universidad de Arizona [1] ha confirmado este efecto tanto teórica como experimentalmente. Un artículo anterior de la Academia China de Ciencias y la Universidad de Alberta [2] también indica una mejora con mayor reflectividad, aunque este artículo no tiene suficiente información para determinar el porcentaje de cobertura.
Beneficios
La tecnología reflectante proporciona tres beneficios principales al usuario final: tamaño más pequeño, menos bombillas y menor consumo de energía. Estas ventajas, a su vez, conducen a beneficios prácticos adicionales para el operador.
Tamaño más pequeño. Como regla general, una cámara UV reflectante tendrá un tercio o menos del tamaño de una cámara UV convencional. La siguiente figura compara una cámara convencional de 50 gpm (189.2 L/m) con una cámara reflectante de 500 gpm (1892.7 L/m).
Dado que las unidades son más pequeñas, al diseñar patines que incorporan UV, el diseño general del patín suele ser más pequeño. Además, las unidades se pueden montar verticalmente para reducir aún más el espacio ocupado. Finalmente, debido a la naturaleza más corta del equipo, la cantidad de espacio libre necesario para el reemplazo de lámparas y manguitos es menor.
Menos bombillas. Una cámara reflectante normalmente funciona con un 80 por ciento menos de bombillas, aunque esto varía según la aplicación. Este beneficio aborda directamente el problema del costo operativo asociado con las expectativas del mercado. No solo se reducen los costos directos de bombillas, lámparas, juntas tóricas y balastos, sino que también se reducen los gastos indirectos relacionados con la mano de obra de servicio.
Baja energía. Una cámara reflectante típica utiliza un 75 por ciento menos de energía que un sistema UV convencional. Menos bombillas no significa necesariamente menos energía. El número de bombillas se puede reducir alargando el sistema, pero no se reducirá la cantidad de energía necesaria para alcanzar la dosis. Dado que el sistema reflectante utiliza la luz producida por las bombillas de manera más eficiente, se necesita menos energía para alcanzar la dosis requerida, que ha sido validada por contratistas independientes según el programa ETV de la EPA de EEUU por NSF y según los requisitos del Título 22 de California.
Conclusión
Los diseñadores y operadores ahora tienen una nueva opción a considerar al incorporar sistemas UV en sus trenes de tratamiento. Los sistemas UV reflectantes han demostrado ser efectivos y altamente eficientes para proporcionar la dosis de tratamiento requerida.
Referencias
1. Zhang, Tianqi, et al., “Modeling the UV/ H2O2 oxidation of phenolic compounds in a continuous-flow reactor with reflective walls,” Journal of Environmental Chemical Engineering 7 (2019)
2. Li, Megkai, et al., Measurement of the Fluence rate distribution in a UV reactor using a microfluorescent detector: Influence of different reactor walls, IOA IUVA World Congress & Exhibition, Paris, France – May 23-27, 2011
Acerca de los autores
George Diefenthal es el director ejecutivo de NeoTech Aqua Solutions y ha estado involucrado en la industria del tratamiento de agua por UV durante más de 20 años. Tiene una licenciatura en ingeniería eléctrica (1981) y un MBA (1991) de San Diego State University. Durante su carrera ha ocupado puestos y ha dirigido grupos en ingeniería, manufactura, operaciones y ventas.
J. R. Cooper, PhD, fundó Ultraviolet Sciences, ahora NeoTech Aqua Solutions, en 2002. Durante su carrera, ha ocupado los puestos de VP de Ingeniería y Desarrollo en PurePulse Technologies y VP de Ingeniería en TEAL Electronics. El Dr. Cooper recibió su doctorado en ingeniería eléctrica de Texas Tech University en 1986. Desde entonces, ha diseñado y producido numerosos productos innovadores, incluyendo la línea de equipos UV de NeoTech Aqua Solutions.
Acerca de la empresa
NeoTech Aqua Solutions fabrica sistemas UV con una tecnología reflectante patentada. Estos sistemas han estado en el mercado durante más de 10 años y han demostrado su eficacia en una serie de industrias, incluidas las de ciencias de la vida, microelectrónica, alimentos y bebidas, agua recreativa y torres de refrigeración.