Performances de désinfection améliorées pour les LED de 280 nm au-dessus de 254 nm

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7576 (2023) Citer cet article

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La désinfection par ultraviolets (UV) est intégrée aux processus de traitement de l'eau potable et des eaux usées depuis plusieurs décennies ; cependant, cela a des conséquences environnementales négatives telles qu’une demande énergétique élevée et l’utilisation de mercure. Comprendre comment mettre à l'échelle et construire des technologies adaptées au climat est essentiel pour atteindre l'intersection des objectifs de développement durable 6 et 13 des Nations Unies. Les diodes électroluminescentes UV sont une technologie qui remédie aux inconvénients des systèmes conventionnels de désinfection par UV des eaux usées, tout en fournissant une solution adaptée au climat. LED). L'objectif de cette étude était de comparer les performances des LED UV 280 nm à l'échelle du laboratoire à celles des lampes basse pression (LP) à l'échelle du laboratoire et à des échantillons d'eaux usées traitées aux UV à grande échelle. Les résultats de l'étude ont démontré que le système LED UV fournit un traitement robuste qui a surpassé les systèmes LP à l'échelle du laboratoire. Une comparaison des consommations d'énergie relatives du système LED UV à 20 mJ cm−2 et du système LP à 30 et 40 mJ cm−2 a été réalisée. Sur la base des projections actuelles concernant l'efficacité des prises murales (WPE) des LED UV, on s'attend à ce que la consommation d'énergie des réacteurs LED soit égale ou inférieure à celle des systèmes LP d'ici 2025. Cette étude a déterminé qu'avec un WPE de 20 %, le système LED UV équivalent entraînerait une réduction de la consommation électrique de 24,6 % et 43,4 % pour les scénarios 30 et 40 mJ cm−2, respectivement.

La désinfection par ultraviolets (UV) est intégrée aux processus de traitement de l'eau potable et des eaux usées depuis plusieurs décennies. La désinfection UV conventionnelle est pilotée par des lampes au mercure-halogène qui émettent une lumière germicide à 254 nm. Bien qu'elle soit efficace pour inactiver un large éventail d'agents pathogènes dans une variété de matrices d'eau, la désinfection UV à base de mercure pose un problème environnemental car le mercure utilisé pour la génération de lumière dans les lampes est toxique, les lampes fonctionnent avec une efficacité énergétique maximale entre 30 et 35 % créant une demande énergétique élevée1, et les températures de fonctionnement élevées des lampes provoquent des problèmes d'encrassement organique et inorganique des manchons de protection des lampes en quartz, ce qui diminue l'efficacité de la désinfection UV2.

L’objectif de développement durable (ODD) 6 des Nations Unies se concentre sur l’assainissement et la propreté de l’eau3. Jarvis a souligné que le contrôle durable des micro-organismes est essentiel pour atteindre cet objectif4. De nouvelles technologies suffisamment robustes pour répondre aux nombreux problèmes liés à la réalisation des ODD doivent être étudiées5. Comprendre comment mettre à l’échelle et créer des technologies adaptées au climat est essentiel pour atteindre en temps opportun l’intersection de l’ODD6 et de l’ODD13, Action climatique. Les diodes électroluminescentes (DEL) UV répondent aux inconvénients mentionnés précédemment de la désinfection UV conventionnelle des eaux usées, tout en offrant une solution adaptée au climat6,7,8,9.

Les LED UV fonctionnent de la même manière que les lampes au mercure-halogène conventionnelles, mais ont un facteur de forme semblable à celui d'une LED à lumière visible typique et n'utilisent pas de mercure pour la génération de photons UV. Les LED UV ont mûri en tant que technologie au cours de la dernière décennie, au point où leur utilisation à grande échelle est imminente et où les systèmes commerciaux au point d'utilisation sont facilement disponibles8,10,11. L’une des opportunités offertes par la technologie LED UV est l’augmentation de l’efficacité germicide grâce à l’émission de différentes longueurs d’onde de lumière UVC. De subtils changements de longueur d’onde UV peuvent améliorer considérablement les performances de désinfection12,13,14. Ce changement relatif dans l'efficacité germicide est unique à chaque micro-organisme et est connu sous le nom de spectre d'action. Il est lié à l'abondance relative des paires de bases nucléotidiques dans l'ADN de l'organisme15. L'augmentation de l'efficacité germicide due au déplacement de la longueur d'onde peut diminuer le besoin de fluence requis pour obtenir une réduction logarithmique similaire afin de contribuer à compenser la plus faible efficacité énergétique actuellement rencontrée par les LED UV dans la gamme UVC.