تقييم أداء وحدة تعقيم المياه عالية الكفاءة المعتمدة على تقنية UV-C LED

إيسون لياو1 ^[1] ، شياوكسياو وانغ2 ^[1] ، كينغ تشانغ ^[1] ، جيانتشنغ وانغ ^[1] ، شوزونغ إل ^[1]

¹ ماسفوتون المحدودة هونج كونج، الصين، HK1100

خلاصة. قامت هذه الدراسة بتقييم أداء التعقيم وموثوقيته بشكل منهجي لوحدة تطهير المياه UV-C LED استنادًا إلى رقائق عالية الطاقة من نيتريد الغاليوم (GaN) تبلغ 270-280 نانومتر في ظل تكوينات مختلفة ومعايير هيكلية وظروف ضغط. قامت التجربة أولاً بتحليل تأثير عدد خرزات UV-C LED ثنائية الشريحة على كثافة الإشعاع وفعالية التعقيم. بمعدل تدفق قدره 9 لتر/دقيقة، أسفرت التكوينات ذات 5 سلسلة - 2 متوازية (10 حبات)، و4 سلسلة - 2 متوازية (8 حبات)، و3 سلسلة - 2 متوازية (6 حبات) عن شدة تشعيع تبلغ 377 ميكروواط/سم²، و320 ميكروواط/سم²، و273 ميكروواط/سم²، على التوالي. أظهرت النتائج أنه حتى مع انخفاض عدد الخرزات بنسبة 40% وانخفاض كثافة الإشعاع بنسبة 27.5%، حقق النظام معدل تعطيل بنسبة 99.999% للإشريكية القولونية. ولتحسين أداء النظام وتكلفته بشكل أكبر، تم تنفيذ العديد من التحسينات الهيكلية: استبدال الركيزة المصنوعة من الألومنيوم بركيزة نحاسية أدى إلى تقليل معدل توهين الطاقة الضوئية من 54% إلى 42%؛ زيادة قطر أنبوب الكوارتز من 6 مم إلى 16 مم أدى إلى تمديد وقت الاتصال بين الماء والأشعة فوق البنفسجية بشكل فعال؛ وتحسين تصميم الفتحة للمواد عالية الانعكاس أدى إلى تحسين كفاءة استخدام الضوء. بناءً على هذه التحسينات الهيكلية، تم إجراء الاختبارات باستخدام تكوينات حبة UV-C LED أحادية الشريحة (10 و8 و6 حبات)، مما أدى إلى شدة تشعيع تبلغ 305 ميكرووات/سم²، و250 ميكرووات/سم²، و210 ميكرووات/سم²، على التوالي، والتي كانت أقل بنسبة 19% إلى 23% من تكوينات الرقاقة المزدوجة المكافئة. ومع ذلك، ظل معدل التعقيم مستقرًا عند 99.999%. وكشفت اختبارات مقاومة الختم والضغط أن الوحدة، المختومة بالسيليكون المخصص للطعام، حققت معدل التدفق المصمم وهو 9 لتر/دقيقة عند ضغط مدخل يبلغ 0.12 ميجا باسكال، مع حد أقصى لتحمل الضغط يبلغ 0.45 ميجا باسكال. لم يتم ملاحظة أي تسرب أثناء التشغيل لفترة طويلة، مما يشير إلى إحكام ميكانيكي ممتاز واستقرار تشغيلي. توفر هذه الدراسة أدلة تجريبية مهمة ومراجع تصميمية لتطوير أنظمة تطهير المياه ذات الكفاءة العالية والفعالة من حيث التكلفة والموثوقة باستخدام مصابيح LED بالأشعة فوق البنفسجية، مما يسهل تطبيقها في سيناريوهات معالجة المياه العملية.

الكلمات الرئيسية: تعقيم المياه، مصابيح LED بالأشعة فوق البنفسجية، الإشريكية القولونية، معدل التعقيم، خالي من الزئبق

1 مقدمة

تعد سلامة مياه الشرب معيارًا حاسمًا لتقييم صحة الإنسان في الحياة اليومية. ومع ذلك، فإن مياه الشرب المستخدمة في الحياة اليومية قد تصبح ملوثة بالبكتيريا المسببة للأمراض، والأوالي، والفيروسات التي تسبب الأمراض المنقولة بالمياه لدى البشر والحيوانات بسبب عوامل مثل عدم كفاية وقت التطهير، أو طرق التطهير المحدودة، أو التخزين لفترات طويلة [1-4]. إن التعقيم الثانوي للمياه المنزلية قبل الاستخدام يمكن أن يقلل بشكل فعال من انتقال الأمراض المنقولة عن طريق المياه. حاليًا، تشمل طرق التطهير الشائعة لإبطال نشاط الفيروسات في الماء الكلورة الكيميائية التقليدية، بالإضافة إلى تقنيات التطهير الفيزيائي مثل الترشيح الغشائي، والأوزون، والأشعة فوق البنفسجية [5-7]. من بين هذه العناصر، يعد الأوزون المطهر الأكثر فعالية لتعطيل البكتيريا والفيروسات والأوالي، في حين أن الكلورامينات تظهر أقل فعالية ولكنها أكثر ملاءمة للتطهير الثانوي للمياه بسبب معدلات تفاعلها الأبطأ مقارنة بالكلور وثباتها لفترة أطول في أنظمة التوزيع. بالإضافة إلى ذلك، تنتج الكلورامينات مستويات أقل من منتجات التطهير الثانوية (DBPs) مقارنة بالكلور، على الرغم من أن النشاط الميكروبي في أنظمة التوزيع قد يولد أيونات النترات عند استخدام الكلورامين كمطهرات متبقية [6].

لقد حظيت تقنية UV-C، باعتبارها تقنية تطهير فيزيائي خالية من المواد الكيميائية ولا تنتج منتجات ثانوية للتطهير، باهتمام كبير في تعطيل الميكروبات [8]. على الرغم من تطبيقه على نطاق واسع في تطهير الهواء والماء والأسطح [9، 10]، إلا أن حدوده تشمل انخفاض الكفاءة، واستبدال المصابيح بشكل متكرر، والتلوث البيئي الناجم عن المواد المحتوية على الزئبق، مما يزيد من التكاليف الاقتصادية للمستخدمين [11]. ظهرت تقنية الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) للأشعة فوق البنفسجية (UV-C) المعتمدة على مواد نيتريد الغاليوم (GaN) كحل لمعالجة أوجه القصور هذه [12]. بالإضافة إلى التغلب على عيوب المصابيح المعتمدة على الزئبق، توفر مصابيح LED UV-C مزايا مثل العمر الطويل، والثبات العالي، والحجم الصغير، ووقت الإحماء القصير [13، 14]. هذه الخصائص تجعل مصابيح LED UV-C خيارًا مثاليًا لتقنيات تطهير المياه من الجيل التالي.

2 المادة والطريقة

2.1 حبات LED UV-C

استخدمت هذه الدراسة رقائق UV-C LED عالية الطاقة من 270 إلى 280 نانومتر من نيتريد الغاليوم (GaN) والتي تم تطويرها وإنتاجها بشكل مستقل بواسطة MASSPHOTON. من خلال عملية ربط سهلة الانصهار، تم تحقيق ترابط عالي الجودة بين الرقاقة والركيزة الخزفية، مما يقلل من جزء الفراغ البيني ويعزز كفاءة تبديد الحرارة. يوضح الشكل 1 أ حبة LED معبأة بشريحة واحدة بكثافة تشعيع تصل إلى 30 ميجاوات. عندما تم تعبئة شريحتين، وصلت كثافة تشعيع حبة UV-C LED إلى 50 ميجاوات، وهو ما يمثل تحسنًا إجماليًا في الكفاءة بنسبة 66.6%. يوفر نهج التغليف الأمثل هذا دعمًا فنيًا موثوقًا لتطبيق مصابيح LED العميقة فوق البنفسجية في مجالات التعقيم والتطهير.

الشكل 1. الخرز LED MASSPHOTON: أ. حبة LED ذات شريحة واحدة؛ ب. حبة LED مزدوجة الشريحة

2.2 سلالة الاختبار

تم وضع الجيل الثاني من الإشريكية القولونية (8099) على طبق استزراع للتنشيط ووضعه جانبًا للاستخدام. تم تلقيح مزارع الإشريكية القولونية المائلة الطازجة من الجيل الثالث إلى السابع، والتي تم تحضينها عند درجة حرارة 36 ​​± 1 درجة مئوية لمدة 18-24 ساعة، في وسط سائل LB وتم تربيتها في حاضنة ذات درجة حرارة ثابتة عند 36 ± 0.5 درجة مئوية لمدة 16-20 ساعة. بعد توسع مستعمرة بكتيرية كبيرة، تم تخزين الثقافات في درجة حرارة الغرفة لاستخدامها لاحقا.

2.3 طريقة الكشف

تم تنفيذ طريقة الكشف وحساب معدل تعطيل السجل وفقًا للملحق E من GB28235-2020، المتطلبات الصحية لأجهزة التطهير بالأشعة فوق البنفسجية، والتي تحدد الطريقة المعملية لاختبار التعطيل الميكروبي في تطهير المياه.

3 نتائج ومناقشات

3.1 مقدمة لهيكل وحدة المياه

يشكل الألومنيوم بسرعة طبقة واقية كثيفة وقوية من أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) في الهواء، وهي مدمجة وتظهر ثباتًا كيميائيًا عاليًا، مما يمنع المزيد من أكسدة الألومنيوم الأساسي. ونتيجة لذلك، فإن الألومنيوم النقي يتمتع بمقاومة عالية للصدأ في الهواء الجاف. حتى في البيئات الرطبة، طالما ظلت طبقة الأكسيد سليمة (على سبيل المثال، لا تتأثر بالأحماض القوية أو القلويات)، فإن مقاومتها للتآكل تفوق مقاومة الفولاذ بشكل ملحوظ. بالإضافة إلى ذلك، تبلغ كثافة الألومنيوم حوالي 2.7 جم/سم مكعب، أي حوالي ثلث كثافة الحديد أو النحاس، مما يقلل الوزن بشكل فعال، مما يجعله مادة مثالية لوحدة تعقيم المياه MASSPHOTON 9 لتر/دقيقة (الشكل 2). لتعزيز مقاومة الأكسدة والتآكل للغلاف المعتمد على الألومنيوم، طبق الباحثون معالجة الأنودة لتشكيل طبقة أكسيد أكثر سمكًا وكثافة على سطح الألومنيوم، وبالتالي تحسين متانته.

الشكل 2. مخطط المنتج لوحدة تطهير المياه MASSPHOTON 9 لتر/دقيقة: أ. رأس معدني ب. لوحة LED UV-C ج. حلقة سيليكون مقاومة للماء د. أنبوب الكوارتز ه. مادة عاكسة عالية النفاذية f. كم معدني

3.2 دراسة فعالية التعقيم باستخدام مصابيح LED UV-C في ظل تكوينات مختلفة للخرز

للتحقيق في العلاقة بين عدد حبات LED ومعدل تعقيم المياه المتدفقة، تم اختبار ثلاثة تكوينات من حبات UV-C LED ثنائية الشريحة: 5-سلسلة-2-متوازية (10 حبات)، 4-سلسلة-2-متوازية (8 حبات)، و3-سلسلة-2-متوازية (6 حبات). تم تقييم فعالية التعقيم ضد الإشريكية القولونية (ATCC 8099) وفقًا لمواصفات وحدة المياه المتطابقة، مع تزويد كل حبة بتيار قدره 200 مللي أمبير.

الجدول 1. العلاقة بين عدد حبات LED UV-C ثنائية الشريحة وأداء التعقيم وكثافة التشعيع

الشكل 3. العلاقة بين عدد خرزات LED UV-C ثنائية الشريحة ونتائج اختبار التعقيم

توضح النتائج التجريبية (الجدول 1) أنه بمعدل تدفق قدره 9 لتر/دقيقة ومع هيكل وحدة مياه غير معدلة، كانت شدة التشعيع للتكوينات التي تستخدم 5-سلسلة-2-متوازية (10 حبات)، و4-سلسلة-2-متوازية (8 حبات)، و3-سلسلة-2-متوازية (6 حبات) ثنائية الشريحة UV-C LED 377 ميكروواط/سم²، 320 μW/cm² و273 μW/cm²، على التوالي. على الرغم من تقليل عدد الخرز من 10 إلى 6، وانخفاض بنسبة 40%، وكثافة التشعيع من 377 ميكروواط/سم² إلى 273 ميكروواط/سم²، وهو انخفاض بنسبة 27.5%، إلا أن معدل التعقيم لا يزال يحقق 99.999% (الشكل 3)، وهو ما يفي تمامًا بالمعايير الصارمة لتطهير مياه الشرب.

3.3 دراسة تأثير قطر أنبوب الكوارتز وكمية الرقاقة على كفاءة التعقيم

ولتحقيق خفض التكلفة مع الحفاظ على كفاءة التعقيم، قام فريق البحث، استنادًا إلى نتائج الاختبار السابقة التي أظهرت أن ركائز النحاس تقلل بشكل كبير من معدل توهين الطاقة الضوئية لمصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية من النوع C مقارنة مع ركائز الألومنيوم (42% مقابل 54%)، باستبدال ركيزة الألومنيوم الأصلية في وحدة المياه بركيزة نحاسية. لتمديد وقت بقاء المياه المتدفقة داخل الوحدة، تمت زيادة قطر أنبوب الكوارتز من 6 مم إلى 16 مم، مما يسمح بوقت اتصال طويل بين الماء والأشعة فوق البنفسجية مع الحفاظ على نفس معدل التدفق. بالإضافة إلى ذلك، تم تعديل تصميم فتحة المادة العاكسة عالية النفاذية في مواضع حبة LED من فتحات ممدودة إلى فتحات فردية تتماشى مع كل حبة، وبالتالي تعزيز كفاءة التطهير. بناءً على هذه التحسينات الهيكلية، تم إجراء تجارب لاحقة باستخدام تكوينات حبة UV-C LED ذات شريحة واحدة من 5 سلسلة - 2 متوازية (10 حبات)، 4 سلسلة - 2 متوازية (8 حبات)، و3 سلسلة - 2 - متوازية (6 حبات).

الجدول 2. العلاقة بين عدد حبات LED UV-C أحادية الشريحة وأداء التعقيم وكثافة التشعيع

الشكل 4. العلاقة بين عدد حبات LED UV-C أحادية الشريحة ونتائج اختبار التعقيم

تشير النتائج التجريبية (الجدول 2) إلى أنه، مع تكوينات 5-سلسلة-2-متوازية (10 حبات)، 4-سلسلة-2-متوازية (8 حبات)، و3-سلسلة-2-متوازية (6 حبات) حبات LED UV-C أحادية الشريحة، كانت شدة التشعيع المقابلة 305 ميكروواط/سم²، 250 ميكروواط/سم²، و210 ميكروواط/سم²، على التوالي. بالمقارنة مع تكوينات LED UV-C ثنائية الشريحة مع نفس العدد من الخرز، على الرغم من أن العدد الإجمالي للخرز ظل دون تغيير، انخفضت كثافة التشعيع بنسبة 19% و22% و23% على التوالي، بسبب انخفاض عدد الرقائق لكل حبة إلى النصف. مع مزيد من التحسينات، بما في ذلك زيادة قطر أنبوب الكوارتز، والاستبدال بركيزة نحاسية، واستخدام مواد عاكسة إضافية عالية النفاذية، لا تزال التكوينات التي تحتوي على 10 و8 و6 مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية أحادية الشريحة تحقق معدل تعقيم قدره 99.999% (الشكل 4)، على الرغم من انخفاض عدد الخرزات بنسبة 40% وانخفاض كثافة الإشعاع بنسبة 27.5%، مما يلبي المتطلبات الصارمة لتطهير مياه الشرب بشكل كامل.

3.4 تغيرات معدل تدفق المياه تحت ضغوط مختلفة

باعتبارها مكونًا أساسيًا في اتصال مباشر مع الماء، يعد الختم المانع للماء واستقرار مقاومة الضغط لوحدة تطهير المياه MASSPHOTON 9 لتر / دقيقة من المتطلبات الأساسية الحاسمة لضمان التشغيل الآمن. لتلبية هذه المتطلبات الأساسية، تم استخدام أختام السيليكون الملائمة للطعام لمكونات إغلاق المدخل والمخرج. هذه المادة لا تظهر فقط مرونة ممتازة ومقاومة للشيخوخة، مما يسمح بتوافق محكم مع هيكل الواجهة لمنع تسرب الماء، ولكنها تتجنب أيضًا التلوث الثانوي لجودة المياه بسبب ترشيح المواد أثناء التطهير، مما يحقق التوازن بين أداء الختم والسلامة. لمزيد من التحقق من موثوقية تصميم الختم، قام الباحثون بمحاكاة ظروف التشغيل في العالم الحقيقي، ومراقبة التغيرات في معدل تدفق المياه بشكل مستمر من خلال الوحدة في ظل ظروف ضغط مختلفة لتحديد نطاق تحمل الضغط للوحدة.

الشكل 5. معدل تدفق المياه من خلال وحدة المياه تحت ضغوط مختلفة

كما هو موضح في الشكل 5، يحقق الهيكل الحالي لوحدة تعقيم المياه MASSPHOTON 9 لتر/دقيقة معدل تدفق قدره 9 لتر/دقيقة عند 0.12 ميجا باسكال ومعدل تدفق أقصى يبلغ 12.9 لتر/دقيقة عند 0.2 ميجا باسكال، مع عدم ملاحظة أي تسرب أثناء اختبارات التشغيل طويلة المدى. عندما يزيد الضغط إلى 0.42 ميجاباسكال، يبدأ معدل التدفق في الانخفاض، ربما بسبب تشوه حلقة الختم الناجم عن الضغط الزائد. تشير هذه النتائج إلى أنه مع أداء الختم المناسب، يظل معدل التدفق ثابتًا دون توهين غير طبيعي. ومع ذلك، في حالة وجود عيوب الختم (على سبيل المثال، تسرب الواجهة)، فإن معدل التدفق يظهر تقلبات كبيرة بسبب فقدان الضغط. نجحت وحدة تعقيم المياه MASSPHOTON 9 لتر/دقيقة في اجتياز اختبارات الضغط التي تتراوح من 0.12 إلى 0.45 ميجا باسكال، مما يدل على أداء الختم الميكانيكي الممتاز واستقرار مقاومة الضغط، مما يضمن عدم وجود مشكلات مثل تسرب الماء أو فقدان الضغط أثناء الاستخدام على المدى الطويل.

4 استنتاجات

تقيم هذه الدراسة بشكل منهجي معلمات الأداء الرئيسية لوحدة تعقيم المياه UV-C LED، بما في ذلك عدد الرقائق المعبأة، وتكوين LED، وكثافة التشعيع، ومقاومة الضغط، مما يوفر رؤى مهمة لتطوير أنظمة تعقيم UV-C LED فعالة ومنخفضة التكلفة ومنخفضة المخاطر. توضح النتائج التجريبية أن استبدال ركيزة الألومنيوم الأصلية بركيزة نحاسية وزيادة قطر أنبوب الكوارتز يتيح تحسين تكوين UV-C LED من إعداد ثنائي النواة 5 سلسلة 2 متوازي (10 مصابيح LED) إلى إعداد أحادي النواة 3 سلسلة 2 متوازي (6 مصابيح LED)، مما يقلل إجمالي عدد الرقائق من 20 إلى 6، مما يقلل تكاليف الرقائق بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك، تشير اختبارات الاحتفاظ بالضغط في وحدة تعقيم المياه MASSPHOTON 9L/min إلى أقصى مقاومة للضغط تبلغ 12.9 ميجا باسكال، مع عدم ملاحظة أي تسرب أثناء التشغيل طويل الأمد، مما يدل على الختم والموثوقية الممتازة.

في الختام، من خلال التحسينات في المواد والهيكل، تحقق هذه الدراسة تحسينات كبيرة في التحكم في التكلفة وموثوقية وحدة تطهير المياه UV-C LED مع الحفاظ على أداء التطهير. قد تركز الأبحاث المستقبلية على الاستقرار التشغيلي طويل المدى لمصابيح LED ذات الطاقة العالية للأشعة فوق البنفسجية، بالإضافة إلى تأثير ظروف المياه الصناعية ذات التدفق العالي ونوعية المياه المتفاوتة على كفاءة التطهير، لتعزيز القدرة على التكيف والاعتماد على نطاق واسع لهذه التكنولوجيا في التطبيقات العملية.

مراجع

1. غريفيث، جي كي، الأمراض المنقولة بالمياه. الموسوعة الدولية للصحة العامة (الطبعة الثانية)، 2017: ص. الصفحات 388-401.

2. Lanrewaju AA، EASS، مراجعة لطرق التطهير لتعطيل الفيروسات المنقولة بالماء. فرونت ميكروبيول، 2022 (13:991856. دوى: 10.3389/fmicb.2022.991856. PMID: 36212890؛ PMCID: PMC9539188.).

3. Lanrewaju AA، EASS، الآثار المترتبة على الصحة العامة العالمية نتيجة لتعرض الإنسان للمياه الملوثة بالفيروسات. فرونت ميكروبيول، 2022 (13:981896. دوى: 10.3389/fmicb.2022.981896. PMID: 36110296؛ PMCID: PMC9468673.).

4. Tamele IJ, VV، حدوث الميكروسيستين في مياه الشرب في موزمبيق: تحديات حماية الصحة العامة. السموم (بازل)، 2020(12(6):368).

5. Collivignarelli MC، AABI، نظرة عامة على عمليات التطهير الرئيسية لمياه الصرف الصحي ومحطات معالجة مياه الشرب. الاستدامة, 2018(10:86).

6. نجوينيا إن، NEPJ، التطورات الحديثة في تطهير مياه الشرب: النجاحات والتحديات. القس إنفيرون كونتام توكسيكول، 2013 (222: 111-70).

7. Li H، FMYX، التحليل النوعي والكمي لآثار عمليات تطهير مياه الشرب على الكائنات الحية الدقيقة حقيقية النواة: تحليل تلوي. الغلاف الكيميائي، 2023(332:138839).

8. Oguma K., RS، تعطيل الأشعة فوق البنفسجية للفيروسات في الماء: قدرتها على التخفيف من التهديدات الحالية والمستقبلية للأمراض الفيروسية المعدية. اليابان. تطبيق J. فيز.، 2021(60:110502. دوى: 10.35848/1347- 065/ac2b4f).

9. Mohaghegh Montazeri M، HSTF، مفاعلات ضوئية لتطهير المياه تعمل بالأشعة فوق البنفسجية (UV-LED): مراجعة. J Environ Manage, 2025(386:125678. doi: 10.1016/j.jenvman.2025.125678. Epub 2025 14 مايو. PMID: 40373433.).

10. شفا محمد، FMAE، دراسة تقنية UV-C LED لتطهير الهواء الداخلي: طريقة فعالة خالية من الزئبق والأوزون لإشعاع الكائنات الحية الدقيقة المحمولة جواً.. 2024، جمعية آلات الحوسبة، نيويورك، نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية.

11. Čizmić M، LDRM، التحلل الضوئي للأزيثروميسين بواسطة فيلم TiO2 ذو البنية النانوية: الحركية ومنتجات التحلل والسمية. المواد (بازل)، 2019(12(6):873).

12. Würtele MA، KTLM، تطبيق الثنائيات الباعثة للضوء فوق البنفسجي القائمة على GaN - مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية - لتطهير المياه. Water Res، 2011((45(3):1481-9. دوى: 10.1016/j.watres.2010.11.015. Epub 2010 نوفمبر 16. PMID: 21115187.).).

13. بيلايو د، HASG، أداء مصابيح LED عالية الكفاءة للأشعة فوق البنفسجية في تطهير المياه: تقييم تجريبي لدورة الحياة، والتحليل الاقتصادي لسيناريوهات تشغيلية مختلفة. J إدارة البيئة، 2024(364:121442.).

14. بيلايو د، RMSG، التقييم الفني والاقتصادي لتقنيات الضوء فوق البنفسجي في معالجة المياه. العلوم مجموع البيئة، 2023(868:161376).