Irradiação germicida ultravioleta - Ultraviolet germicidal irradiation

Um tubo de descarga de vapor de mercúrio de baixa pressão inunda o interior de uma cabine de biossegurança com luz ultravioleta de onda curta quando não está em uso, esterilizando contaminantes microbiológicos de superfícies irradiadas.

A irradiação germicida ultravioleta ( UVGI ) é um método de desinfecção que usa luz ultravioleta de comprimento de onda curto ( ultravioleta C ou UV-C) para matar ou inativar microorganismos destruindo ácidos nucléicos e interrompendo seu DNA , deixando-os incapazes de realizar funções celulares vitais . O UVGI é usado em uma variedade de aplicações, como purificação de alimentos, ar e água .

A luz UV-C é fraca na superfície da Terra, pois a camada de ozônio da atmosfera a bloqueia. Os dispositivos UVGI podem produzir luz UV-C forte o suficiente em sistemas de circulação de ar ou água para torná-los ambientes inóspitos para microorganismos como bactérias , vírus , fungos e outros patógenos . O UVGI pode ser acoplado a um sistema de filtragem para higienizar o ar e a água.

A aplicação de UVGI para desinfecção tem sido uma prática aceita desde meados do século XX. Ele tem sido usado principalmente em instalações de saneamento médico e estéreis. Cada vez mais, ele tem sido empregado para esterilizar água potável e residual, uma vez que as instalações de armazenamento são fechadas e podem ser circuladas para garantir uma maior exposição aos raios ultravioleta. UVGI encontrou uma aplicação renovada em purificadores de ar .

História

Em 1878, Arthur Downes e Thomas P. Blunt publicaram um artigo descrevendo a esterilização de bactérias expostas à luz de comprimento de onda curto. UV é um mutagênico conhecido em nível celular há mais de 100 anos. O Prêmio Nobel de Medicina de 1903 foi concedido a Niels Finsen por seu uso de UV contra o lúpus vulgar , tuberculose da pele.

O uso de luz ultravioleta para desinfecção de água potável data de 1910 em Marselha, França . A planta protótipo foi desligada após um curto período de tempo devido à baixa confiabilidade. Em 1955, sistemas de tratamento de água por UV foram aplicados na Áustria e na Suíça; em 1985, cerca de 1.500 fábricas foram empregadas na Europa. Em 1998, foi descoberto que protozoários como cryptosporidium e giardia eram mais vulneráveis ​​à luz ultravioleta do que se pensava anteriormente; isso abriu o caminho para o uso em larga escala de tratamento de água por UV na América do Norte. Em 2001, mais de 6.000 estações de tratamento de água UV estavam operando na Europa.

Com o tempo, os custos de UV diminuíram conforme os pesquisadores desenvolvem e usam novos métodos de UV para desinfetar água e esgoto. Atualmente, vários países desenvolveram regulamentos que permitem que os sistemas desinfetem seus suprimentos de água potável com luz ultravioleta. A US EPA publicou um documento que fornece orientação para a implementação da desinfecção ultravioleta para água potável, o Manual de orientação sobre desinfecção ultravioleta para a regra final de longo prazo 2 para tratamento aprimorado de água de superfície .

Método de operação

Gráfico comparando a lâmpada de baixa pressão com a lâmpada de média pressão e a curva de eficácia germicida
Lâmpada de vapor de mercúrio de baixa e média pressão em comparação com a curva de eficácia germicida de E. coli .

A luz ultravioleta é uma radiação eletromagnética com comprimentos de onda mais curtos do que a luz visível, mas mais longos do que os raios-X . O UV é classificado em várias faixas de comprimento de onda, com o UV de comprimento de onda curto (UV-C) considerado "UV germicida". Comprimentos de onda entre cerca de 200 nm e 300 nm são fortemente absorvidos pelos ácidos nucléicos. A energia absorvida pode resultar em defeitos, incluindo dímeros de pirimidina . Esses dímeros podem impedir a replicação ou podem impedir a expressão de proteínas necessárias, resultando na morte ou inativação do organismo.

  • As lâmpadas à base de mercúrio operando em baixa pressão de vapor emitem luz ultravioleta na linha de 253,7 nm.
  • As lâmpadas de diodo emissor de luz ultravioleta (LED UV-C) emitem luz UV em comprimentos de onda selecionáveis ​​entre 255 e 280 nm.
  • As lâmpadas de xenônio pulsado emitem luz ultravioleta em todo o espectro ultravioleta com um pico de emissão próximo a 230 nm.
Gráfico comparando a sensibilidade UV de E. coli ao LED UV em 265 nm
LED UVC emitindo 265 nm em comparação com a curva de eficácia germicida de E. coli .

Este processo é semelhante, mas mais forte do que o efeito de comprimentos de onda mais longos ( UV-B ), produzindo queimaduras solares em humanos. Os microrganismos têm menos proteção contra os raios ultravioleta e não podem sobreviver à exposição prolongada a eles.

Um sistema UVGI é projetado para expor ambientes como tanques de água , salas seladas e sistemas de ar forçado a UV germicida. A exposição vem de lâmpadas germicidas que emitem UV germicida no comprimento de onda correto, irradiando assim o ambiente. O fluxo forçado de ar ou água neste ambiente garante a exposição.

Eficácia

A eficácia do UV germicida depende da duração que um microrganismo é exposto ao UV, da intensidade e comprimento de onda da radiação UV, da presença de partículas que podem proteger os microrganismos dos UV e da capacidade de um microrganismo de resistir aos UV durante sua exposição.

Em muitos sistemas, a redundância na exposição de microrganismos aos raios ultravioleta é obtida circulando o ar ou a água repetidamente. Isso garante várias passagens para que o UV seja eficaz contra o maior número de microrganismos e irradie microrganismos resistentes mais de uma vez para quebrá-los.

"Esterilização" é frequentemente citado erroneamente como algo alcançável. Embora seja teoricamente possível em um ambiente controlado, é muito difícil de comprovar e o termo "desinfecção" é geralmente utilizado por empresas que oferecem este serviço para evitar repreensão legal. Empresas especializadas costumam anunciar uma certa redução de log , por exemplo, redução de 6 log ou 99,9999% de eficácia, em vez de esterilização. Isso leva em consideração um fenômeno conhecido como reparo claro e escuro ( fotoreativação e reparo por excisão de base , respectivamente), no qual uma célula pode reparar DNA que foi danificado pela luz ultravioleta.

A eficácia desta forma de desinfecção depende da exposição dos microrganismos à luz ultravioleta. Ambientes onde o design cria obstáculos que bloqueiam a luz ultravioleta não são tão eficazes. Em tal ambiente, a eficácia depende da colocação do sistema UVGI para que a linha de visão seja ideal para desinfecção.

A poeira e os filmes que revestem o bulbo reduzem a produção de UV. Portanto, as lâmpadas requerem limpeza e substituição periódicas para garantir a eficácia. A vida útil das lâmpadas ultravioleta germicidas varia dependendo do projeto. Além disso, o material de que o bulbo é feito pode absorver alguns dos raios germicidas.

O resfriamento da lâmpada sob o fluxo de ar também pode diminuir a produção de UV. Aumentos na eficácia e intensidade de UV podem ser alcançados usando reflexão. O alumínio tem a maior taxa de refletividade em comparação com outros metais e é recomendado ao usar UV.

Um método para medir a eficácia do UV em aplicações de desinfecção de água é calcular a dose de UV. A US EPA publica diretrizes de dosagem de UV para aplicações de tratamento de água. A dose de UV não pode ser medida diretamente, mas pode ser inferida com base nas entradas conhecidas ou estimadas para o processo:

  • Taxa de fluxo (tempo de contato)
  • Transmitância (luz atingindo o alvo)
  • Turbidez (nebulosidade)
  • Idade da lâmpada ou sujeira ou interrupções (redução na intensidade de UV)

Em aplicações de desinfecção de ar e superfície, a eficácia de UV é estimada pelo cálculo da dose de UV que será fornecida à população microbiana. A dose de UV é calculada da seguinte forma:

Dose de UV (μW · s / cm 2 ) = intensidade de UV (μW / cm 2 ) × tempo de exposição (segundos)

A intensidade de UV é especificada para cada lâmpada a uma distância de 1 metro. A intensidade de UV é inversamente proporcional ao quadrado da distância, portanto, diminui em distâncias maiores. Alternativamente, aumenta rapidamente em distâncias menores que 1  m. Na fórmula acima, a intensidade de UV deve sempre ser ajustada para distância, a menos que a dose de UV seja calculada exatamente a 1 m (3,3 pés) da lâmpada. Além disso, para garantir a eficácia, a dose de UV deve ser calculada no final da vida útil da lâmpada (o EOL é especificado em número de horas quando se espera que a lâmpada alcance 80% de sua saída UV inicial) e na distância mais distante da lâmpada acesa a periferia da área alvo. Algumas lâmpadas à prova de estilhaçamento são revestidas com polímero de etileno fluorado para conter cacos de vidro e mercúrio em caso de quebra; este revestimento reduz a produção de UV em até 20%.

Para prever com precisão qual dose de UV será fornecida ao alvo, a intensidade de UV, ajustada para distância, revestimento e fim da vida útil da lâmpada, será multiplicada pelo tempo de exposição. Em aplicações estáticas, o tempo de exposição pode ser tão longo quanto necessário para que uma dose UV eficaz seja alcançada. No caso de ar em movimento rápido, em dutos de ar AC, por exemplo, o tempo de exposição é curto, então a intensidade de UV deve ser aumentada com a introdução de várias lâmpadas UV ou mesmo bancos de lâmpadas. Além disso, a instalação de UV deve ser localizada em uma seção de duto reta e longa com as lâmpadas perpendiculares ao fluxo de ar para maximizar o tempo de exposição.

Esses cálculos realmente prevêem a fluência de UV e presume-se que a fluência de UV será igual à dose de UV. A dose de UV é a quantidade de energia UV germicida absorvida por uma população microbiana durante um período de tempo. Se os microrganismos forem planctônicos (flutuação livre), a fluência de UV será igual à dose de UV. No entanto, se os microrganismos estiverem protegidos por partículas mecânicas, como poeira e sujeira, ou formarem biofilme , será necessária uma fluência de UV muito maior para que uma dose de UV eficaz seja introduzida na população microbiana.

Inativação de microrganismos

O grau de inativação pela radiação ultravioleta está diretamente relacionado à dose de UV aplicada na água. A dosagem, um produto da intensidade da luz ultravioleta e do tempo de exposição, é geralmente medida em microjoules por centímetro quadrado ou equivalente a microwatt segundos por centímetro quadrado (μW · s / cm 2 ). As dosagens para matar 90% da maioria das bactérias e vírus variam entre 2.000 e 8.000 μW · s / cm 2 . Parasitas maiores, como cryptosporidium, requerem uma dose menor para inativação. Como resultado, a Agência de Proteção Ambiental dos EUA aceitou a desinfecção por UV como um método para plantas de água potável para obter créditos de inativação de cryptosporidium, giardia ou vírus. Por exemplo, para uma redução de 90% de cryptosporidium, uma dose mínima de 2.500 μW · s / cm 2 é necessária com base no US EPA UV Guidance Manual publicado em 2006.

Forças e fraquezas

Vantagens

Dispositivos de tratamento de água UV podem ser usados ​​para desinfecção de água de poço e de superfície. O tratamento UV se compara favoravelmente com outros sistemas de desinfecção de água em termos de custo, mão de obra e necessidade de pessoal tecnicamente treinado para a operação. A cloração da água trata organismos maiores e oferece desinfecção residual, mas esses sistemas são caros porque precisam de treinamento especial do operador e um suprimento constante de um material potencialmente perigoso. Finalmente, a fervura da água é o método de tratamento mais confiável, mas exige mão de obra e apresenta um alto custo econômico. O tratamento UV é rápido e, em termos de uso de energia primária, cerca de 20.000 vezes mais eficiente do que a fervura.

Desvantagens

A desinfecção UV é mais eficaz para tratar água destilada por osmose reversa purificada e de alta clareza . As partículas suspensas são um problema porque os microorganismos enterrados nas partículas são protegidos da luz ultravioleta e passam através da unidade sem serem afetados. No entanto, os sistemas UV podem ser acoplados a um pré-filtro para remover os organismos maiores que, de outra forma, passariam pelo sistema UV sem serem afetados. O pré-filtro também clarifica a água para melhorar a transmitância da luz e, portanto, a dose de UV em toda a coluna d'água. Outro fator importante do tratamento de água por UV é a taxa de fluxo - se o fluxo for muito alto, a água passará sem exposição suficiente aos raios UV. Se o fluxo for muito baixo, o calor pode aumentar e danificar a lâmpada UV.

Uma desvantagem do UVGI é que enquanto a água tratada por cloração é resistente à reinfecção (até os gases de cloro), a água UVGI não é resistente à reinfecção. A água UVGI deve ser transportada ou distribuída de forma a evitar reinfecção.

Segurança

Para humanos

Advertência sobre radiação óptica se aplica a dispositivos que emitem luz ultravioleta.

A luz ultravioleta é perigosa para a maioria dos seres vivos. A exposição da pele a comprimentos de onda germicidas da luz ultravioleta pode produzir queimaduras de sol rápidas e câncer de pele . A exposição dos olhos a esta radiação ultravioleta pode produzir uma inflamação extremamente dolorosa da córnea e deficiência visual temporária ou permanente , que pode chegar à cegueira em alguns casos. Precauções comuns são:

  1. As etiquetas de aviso alertam os humanos sobre os perigos da luz ultravioleta. Em ambientes domésticos com crianças e animais de estimação, as portas também são necessárias.
  2. Sistemas de bloqueio. Os sistemas blindados em que a luz é bloqueada por dentro, como um tanque de água fechado ou sistema de circulação de ar fechado, geralmente têm intertravamentos que desligam automaticamente as lâmpadas UV se o sistema for aberto para acesso por humanos. Estão disponíveis janelas de visualização claras que bloqueiam UVC.
  3. Equipamento de proteção . A maioria dos óculos de proteção (em particular, todos os óculos em conformidade com ANSI Z87.1) bloqueiam os UVC. Roupas, plásticos e a maioria dos tipos de vidro (mas não a sílica fundida) são eficazes no bloqueio de UVC.

Outro perigo potencial é a produção de ozônio por UV , que pode ser prejudicial quando inalado. A Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos designou 0,05 partes por milhão (ppm) de ozônio como um nível seguro. As lâmpadas projetadas para liberar UV e frequências mais altas são dopadas de forma que qualquer luz ultravioleta abaixo de 254 nm de comprimento de onda não seja liberada, para minimizar a produção de ozônio. Uma lâmpada de espectro total liberará todos os comprimentos de onda UV e produzirá ozônio quando o UV-C atingir as moléculas de oxigênio (O 2 ).

O Comitê de Agentes Físicos da Conferência Americana de Higienistas Industriais Governamentais (ACGIH) estabeleceu um valor limite (TLV) para a exposição aos raios ultravioleta para evitar tais lesões cutâneas e oculares entre os mais suscetíveis. Para UV 254 nm, este TLV é de 6 mJ / cm 2 ao longo de um período de oito horas. A função TLV difere por comprimentos de onda por causa da energia variável e potencial de dano celular. Este TLV é apoiado pela Comissão Internacional de Proteção contra Radiação Não Ionizante e é usado no estabelecimento de padrões de segurança para lâmpadas pela Sociedade de Engenharia de Iluminação da América do Norte. Quando o Tuberculose Ultraviolet Shelter Study foi planejado, este TLV foi interpretado como se a exposição dos olhos nos quartos fosse contínua por oito horas e na maior irradiância do nível dos olhos encontrada no quarto. Nessas condições altamente improváveis, uma dose de 6,0 mJ / cm 2 é alcançada sob o ACGIH TLV após apenas oito horas de exposição contínua a uma irradiância de 0,2 μW / cm 2 . Assim, 0,2 μW / cm 2 foi amplamente interpretado como o limite superior permissível de irradiância na altura dos olhos.

De acordo com o FDA, uma lâmpada excimer germicida que emite luz de 222 nm em vez da luz comum de 254 nm é mais segura para a pele de mamall.

Para itens

A radiação UVC é capaz de quebrar as ligações químicas. Isso leva ao rápido envelhecimento de plásticos, isolamento, juntas e outros materiais. Observe que os plásticos vendidos para serem "resistentes aos raios UV" são testados apenas para os UVB de baixa energia, uma vez que os UVC normalmente não atingem a superfície da Terra. Quando UV é usado perto de plástico, borracha ou isolamento, esses materiais podem ser protegidos por fita metálica ou folha de alumínio.

Usos

Desinfecção do ar

UVGI pode ser usado para desinfetar o ar com exposição prolongada. Nas décadas de 1930 e 40, um experimento em escolas públicas da Filadélfia mostrou que as luminárias ultravioleta do aposento superior podiam reduzir significativamente a transmissão do sarampo entre os alunos. Em 2020, a UVGI está novamente sendo pesquisada como uma possível contra-medida contra a pandemia COVID-19 .

A desinfecção é uma função da intensidade e do tempo de UV. Por este motivo, em teoria não é tão eficaz na movimentação do ar, ou quando a lâmpada está perpendicular ao fluxo, pois os tempos de exposição são drasticamente reduzidos. No entanto, várias publicações profissionais e científicas indicaram que a eficácia geral do UVGI na verdade aumenta quando usado em conjunto com ventiladores e ventilação HVAC, o que facilita a circulação por toda a sala que expõe mais ar à fonte de UV. Os sistemas UVGI de purificação de ar podem ser unidades independentes com lâmpadas UV protegidas que usam um ventilador para forçar o ar a passar pela luz UV. Outros sistemas são instalados em sistemas de ar forçado para que a circulação pelas instalações mova os microorganismos para além das lâmpadas. A chave para esta forma de esterilização é a colocação das lâmpadas UV e um bom sistema de filtração para remover os microorganismos mortos. Por exemplo, os sistemas de ar forçado por projeto impedem a linha de visão, criando assim áreas do ambiente que serão protegidas da luz ultravioleta. No entanto, uma lâmpada UV colocada nas bobinas e nas bandejas de drenagem dos sistemas de resfriamento impedirá a formação de microorganismos nesses locais naturalmente úmidos.

Desinfecção de água

Uma lâmpada de descarga de vapor de mercúrio de baixa pressão, portátil, alimentada por bateria, para esterilização de água

A desinfecção ultravioleta da água é um processo puramente físico e sem produtos químicos. Mesmo parasitas como Cryptosporidium ou Giardia , que são extremamente resistentes a desinfetantes químicos, são reduzidos de forma eficiente. UV também pode ser usado para remover espécies de cloro e cloramina da água; esse processo é chamado de fotólise e requer uma dose mais alta do que a desinfecção normal. Os microorganismos mortos não são removidos da água. A desinfecção UV não remove compostos orgânicos dissolvidos, compostos inorgânicos ou partículas na água. A maior planta de desinfecção de água do mundo trata água potável para a cidade de Nova York. A Instalação de Desinfecção por Ultravioleta de Água Catskill-Delaware , inaugurada em 8 de outubro de 2013, incorpora um total de 56 reatores UV com eficiência energética, tratando até 2,2 bilhões de galões americanos (8.300.000 m 3 ) por dia.

O ultravioleta também pode ser combinado com ozônio ou peróxido de hidrogênio para produzir radicais hidroxila para quebrar traços de contaminantes por meio de um processo de oxidação avançado .

Costumava-se pensar que a desinfecção por UV era mais eficaz para bactérias e vírus, que têm material genético mais exposto, do que para patógenos maiores que têm revestimentos externos ou que formam estados de cisto (por exemplo, Giardia ) que protegem seu DNA da luz ultravioleta. No entanto, foi descoberto recentemente que a radiação ultravioleta pode ser um tanto eficaz no tratamento do microrganismo Cryptosporidium . As descobertas resultaram no uso da radiação ultravioleta como um método viável para tratar a água potável. Giardia, por sua vez, demonstrou ser muito suscetível a UV-C quando os testes se basearam na infecciosidade e não na excistação. Verificou-se que os protistas são capazes de sobreviver a altas doses de UV-C, mas são esterilizados em doses baixas.

Países em desenvolvimento

Um projeto de 2006 na Universidade da Califórnia, Berkeley, produziu um projeto para desinfecção de água de baixo custo em locais com privação de recursos. O projeto foi elaborado para produzir um design de código aberto que pudesse ser adaptado para atender às condições locais. Em uma proposta um tanto semelhante em 2014, estudantes australianos desenvolveram um sistema usando folha de pacote de batata frita (crisp) para refletir a radiação UV solar em um tubo de vidro que desinfeta a água sem energia.

Tratamento de água poluída

O ultravioleta no tratamento de esgoto geralmente substitui a cloração. Isso se deve em grande parte às preocupações de que a reação do cloro com compostos orgânicos no fluxo de águas residuais poderia sintetizar orgânicos clorados potencialmente tóxicos e de longa duração e também por causa dos riscos ambientais do armazenamento de gás cloro ou produtos químicos contendo cloro. Os testes de resíduos individuais a serem tratados por UVGI devem ser testados para garantir que o método será eficaz devido a potenciais interferências, como sólidos em suspensão , corantes ou outras substâncias que podem bloquear ou absorver a radiação UV. De acordo com a Organização Mundial de Saúde , "unidades de UV para tratar pequenos lotes (1 a vários litros) ou baixos fluxos (1 a vários litros por minuto) de água no nível da comunidade são estimados em custos de US $ 20 por megalitro, incluindo o custo de eletricidade e consumíveis e o custo de capital anualizado da unidade. "

O tratamento de águas residuais urbanas por UV em grande escala é realizado em cidades como Edmonton, Alberta . O uso de luz ultravioleta agora se tornou uma prática padrão na maioria dos processos de tratamento de águas residuais municipais. O efluente está começando a ser reconhecido como um recurso valioso, não um problema que precisa ser descartado. Muitas instalações de águas residuais estão sendo renomeadas como instalações de recuperação de água, quer as águas residuais sejam descarregadas em um rio, usadas para irrigar plantações ou injetadas em um aquífero para recuperação posterior. A luz ultravioleta agora está sendo usada para garantir que a água esteja livre de organismos prejudiciais.

Aquário e lagoa

Esterilizadores ultravioleta são freqüentemente usados ​​para ajudar a controlar microorganismos indesejados em aquários e lagoas. A irradiação UV garante que os patógenos não possam se reproduzir, diminuindo assim a probabilidade de um surto de doença em um aquário.

Os esterilizadores de aquários e lagos são geralmente pequenos, com acessórios para tubos que permitem que a água flua através do esterilizador em seu caminho de um filtro externo separado ou bomba de água. Dentro do esterilizador, a água flui o mais próximo possível da fonte de luz ultravioleta. A pré-filtragem da água é crítica, pois a turbidez da água reduz a penetração de UV-C. Muitos dos melhores esterilizadores de UV têm tempos de permanência longos e limitam o espaço entre a fonte de UV-C e a parede interna do dispositivo de esterilização de UV.

Higiene laboratorial

UVGI é freqüentemente usado para desinfetar equipamentos como óculos de segurança , instrumentos, pipetadores e outros dispositivos. O pessoal do laboratório também desinfeta vidros e plásticos dessa forma. Os laboratórios de microbiologia usam UVGI para desinfetar superfícies dentro de gabinetes de segurança biológica ("capuzes") entre os usos.

Proteção de alimentos e bebidas

Desde que o US Food and Drug Administration emitiu uma regra em 2001 exigindo que praticamente todos os produtores de sucos de frutas e vegetais sigam os controles HACCP , e obrigando a uma redução de 5 log em patógenos, a UVGI tem visto algum uso na esterilização de sucos, como os recém-prensados.

Tecnologia

Lâmpadas

Uma lâmpada germicida de 9 W em um fator de forma de lâmpada fluorescente compacta

O UV germicida para desinfecção é mais comumente gerado por uma lâmpada de vapor de mercúrio . O vapor de mercúrio de baixa pressão tem uma forte linha de emissão a 254 nm, que está dentro da faixa de comprimentos de onda que demonstram um forte efeito de desinfecção. Os comprimentos de onda ideais para desinfecção são próximos a 260 nm.

As lâmpadas de vapor de mercúrio podem ser classificadas como lâmpadas de baixa pressão (incluindo amálgama) ou de média pressão. As lâmpadas UV de baixa pressão oferecem alta eficiência (aprox. 35% UV-C), mas menor potência, normalmente densidade de potência de 1 W / cm (potência por unidade de comprimento do arco). As lâmpadas UV de amálgama utilizam um amálgama para controlar a pressão do mercúrio e permitir a operação a uma temperatura e densidade de potência um pouco mais altas. Eles operam em temperaturas mais altas e têm uma vida útil de até 16.000 horas. Sua eficiência é ligeiramente inferior à das lâmpadas tradicionais de baixa pressão (saída de aproximadamente 33% de UV-C) e a densidade de potência é de aproximadamente 2–3 W / cm 3 . As lâmpadas UV de média pressão operam em temperaturas muito mais altas, até cerca de 800 graus Celsius, e têm um espectro de saída policromático e uma alta saída de radiação, mas menor eficiência UV-C de 10% ou menos. A densidade de potência típica é 30 W / cm 3 ou maior.

Dependendo do vidro de quartzo usado no corpo da lâmpada, os UV de baixa pressão e amálgama emitem radiação a 254 nm e também a 185 nm, que tem efeitos químicos. A radiação UV em 185 nm é usada para gerar ozônio.

As lâmpadas UV para tratamento de água consistem em lâmpadas especializadas de vapor de mercúrio de baixa pressão que produzem radiação ultravioleta a 254 nm, ou lâmpadas UV de média pressão que produzem uma saída policromática de 200 nm a energia visível e infravermelha. A lâmpada UV nunca entra em contato com a água; ele é alojado em uma luva de vidro de quartzo dentro da câmara de água ou montado externamente à água, que flui através do tubo UV transparente. A água que passa pela câmara de fluxo é exposta aos raios ultravioleta, que são absorvidos por sólidos em suspensão, como microrganismos e sujeira, no riacho.

Diodos emissores de luz (LEDs)

Opções compactas e versáteis com LEDs UV-C

Desenvolvimentos recentes na tecnologia LED levaram a LEDs UV-C disponíveis comercialmente. Os LEDs UV-C usam semicondutores para emitir luz entre 255 nm e 280 nm. A emissão do comprimento de onda é ajustável ajustando o material do semicondutor. Em 2019, a eficiência de conversão elétrica em UV-C dos LEDs era menor do que a das lâmpadas de mercúrio. O tamanho reduzido dos LEDs abre opções para sistemas de reatores pequenos, permitindo aplicações de ponto de uso e integração em dispositivos médicos. O baixo consumo de energia dos semicondutores introduz sistemas de desinfecção UV que utilizam pequenas células solares em aplicações remotas ou do Terceiro Mundo.

Os LEDs UV-C não duram necessariamente mais do que as lâmpadas germicidas tradicionais em termos de horas de uso, em vez disso, têm características de engenharia mais variáveis ​​e melhor tolerância para operação de curto prazo. Um LED UV-C pode atingir um tempo de instalação mais longo do que uma lâmpada germicida tradicional em uso intermitente. Da mesma forma, a degradação do LED aumenta com o calor, enquanto o comprimento de onda de saída do filamento e da lâmpada HID depende da temperatura, então os engenheiros podem projetar LEDs de um tamanho e custo específicos para ter uma saída mais alta e degradação mais rápida ou uma saída mais baixa e declínio mais lento ao longo do tempo.

Sistemas de tratamento de água

O dimensionamento de um sistema UV é afetado por três variáveis: taxa de fluxo, potência da lâmpada e transmitância UV na água. Os fabricantes normalmente desenvolveram modelos sofisticados de dinâmica computacional de fluidos (CFD) validados com testes de bioensaios . Isso envolve testar o desempenho de desinfecção do reator de UV com bacteriófagos MS2 ou T1 em várias taxas de fluxo, transmitância de UV e níveis de potência, a fim de desenvolver um modelo de regressão para o dimensionamento do sistema. Por exemplo, este é um requisito para todos os sistemas de água potável nos Estados Unidos, de acordo com o Manual de orientação UV da EPA.

O perfil de fluxo é produzido a partir da geometria da câmara, taxa de fluxo e modelo de turbulência particular selecionado. O perfil de radiação é desenvolvido a partir de dados como qualidade da água, tipo de lâmpada (potência, eficiência germicida, saída espectral, comprimento do arco) e a transmitância e dimensão da luva de quartzo. O software CFD proprietário simula os perfis de fluxo e radiação. Uma vez que o modelo 3D da câmara é construído, ele é preenchido com uma grade ou malha que compreende milhares de pequenos cubos.

Pontos de interesse - como em uma curva, na superfície da luva de quartzo ou ao redor do mecanismo do limpador - usam uma malha de resolução mais alta, enquanto outras áreas dentro do reator usam uma malha grossa. Uma vez que a malha é produzida, centenas de milhares de partículas virtuais são "disparadas" através da câmara. Cada partícula tem várias variáveis ​​de interesse associadas a ela, e as partículas são "colhidas" após o reator. A modelagem de fase discreta produz dose administrada, perda de carga e outros parâmetros específicos da câmara.

Quando a fase de modelagem é concluída, os sistemas selecionados são validados usando um terceiro profissional para fornecer supervisão e determinar o quão próximo o modelo é capaz de prever a realidade do desempenho do sistema. A validação do sistema usa substitutos não patogênicos, como fago MS 2 ou Bacillus subtilis para determinar a capacidade de Dose Equivalente de Redução (RED) dos reatores. A maioria dos sistemas é validada para fornecer 40 mJ / cm 2 dentro de um envelope de fluxo e transmitância.

Para validar a eficácia em sistemas de água potável, o método descrito no EPA UV Guidance Manual é normalmente usado pelos EUA, enquanto a Europa adotou o padrão DVGW 294 da Alemanha. Para sistemas de águas residuais, as Diretrizes de desinfecção ultravioleta NWRI / AwwaRF para água potável e os protocolos de reutilização de água são normalmente usados, especialmente em aplicações de reutilização de águas residuais.

Veja também

Referências


links externos