Eason Liao1 [1] , Xiaoxiao Wang2 [1] , Qing Zhang [1] , Jiancheng Wang [1] , Shuzhong L [1]
1 MASSPHOTON LIMITED Hongkong, China, HK1100
Abstrakt. Diese Studie bewertete systematisch die Sterilisationsleistung und Zuverlässigkeit eines UV-C-LED-Wasserdesinfektionsmoduls auf Basis von 270–280 nm Galliumnitrid (GaN)-Hochleistungschips unter verschiedenen Konfigurationen, Strukturparametern und Druckbedingungen. Das Experiment analysierte zunächst den Einfluss der Anzahl der Dual-Chip-UV-C-LED-Perlen auf die Bestrahlungsintensität und die Wirksamkeit der Sterilisation. Bei einer Durchflussrate von 9 l/min ergaben Konfigurationen mit 5-Serien-2-Parallel (10 Perlen), 4-Serien-2-Parallel (8 Perlen) und 3-Serien-2-Parallel (6 Perlen) Bestrahlungsintensitäten von 377 µW/cm², 320 µW/cm² bzw. 273 µW/cm². Die Ergebnisse zeigten, dass das System selbst bei einer Reduzierung der Anzahl der Perlen um 40 % und einer Verringerung der Bestrahlungsintensität um 27,5 % eine Inaktivierungsrate von 99,999 % für Escherichia coli erreichte. Um die Systemleistung und -kosten weiter zu optimieren, wurden mehrere strukturelle Verbesserungen implementiert: Durch den Ersatz des Aluminiumsubstrats durch ein Kupfersubstrat wurde die Dämpfungsrate der optischen Leistung von 54 % auf 42 % reduziert; Die Vergrößerung des Quarzrohrdurchmessers von 6 mm auf 16 mm verlängerte effektiv die Wasser-UV-Kontaktzeit; und die Optimierung des Aperturdesigns von Materialien mit hohem Reflexionsvermögen verbesserte die Effizienz der Lichtnutzung. Basierend auf diesen strukturellen Verbesserungen wurden Tests mit Einzelchip-UV-C-LED-Perlenkonfigurationen (10, 8 und 6 Perlen) durchgeführt, die zu Bestrahlungsintensitäten von 305 µW/cm², 250 µW/cm² bzw. 210 µW/cm² führten, die 19–23 % niedriger waren als die entsprechender Dual-Chip-Konfigurationen. Dennoch blieb die Sterilisationsrate stabil bei 99,999 %. Dichtungs- und Druckfestigkeitstests ergaben, dass das mit lebensmittelechtem Silikon versiegelte Modul die vorgesehene Durchflussrate von 9 l/min bei einem Eingangsdruck von 0,12 MPa erreichte, mit einer maximalen Drucktoleranz von 0,45 MPa. Während des Langzeitbetriebs wurden keine Leckagen beobachtet, was auf eine hervorragende mechanische Abdichtung und Betriebsstabilität hinweist. Diese Studie liefert wichtige experimentelle Beweise und Designreferenzen für die Entwicklung effizienter, kostengünstiger und zuverlässiger UV-C-LED-Wasserdesinfektionssysteme und erleichtert deren Anwendung in praktischen Wasseraufbereitungsszenarien.
Schlüsselwörter: Wasserdesinfektion, UV-C-LED, Escherichia coli, Sterilisationsrate, Quecksilberfrei
1 Einleitung
Die Trinkwassersicherheit ist ein entscheidendes Kriterium für die Beurteilung der menschlichen Gesundheit im täglichen Leben. Allerdings kann das im Alltag verwendete Trinkwasser durch Faktoren wie unzureichende Desinfektionszeit, begrenzte Desinfektionsmethoden oder längere Lagerung mit pathogenen Bakterien, Protozoen und Viren kontaminiert sein, die durch Wasser übertragene Krankheiten bei Menschen und Tieren verursachen [1-4]. Durch die sekundäre Sterilisation von Brauchwasser vor der Verwendung kann die Übertragung von durch Wasser übertragenen Krankheiten wirksam verringert werden. Zu den gängigen Desinfektionsmethoden zur Inaktivierung von Viren im Wasser gehören derzeit die traditionelle chemische Chlorierung sowie physikalische Desinfektionstechniken wie Membranfiltration, Ozonierung und ultraviolette (UV) Bestrahlung [5-7]. Unter diesen ist Ozon das wirksamste Desinfektionsmittel zur Inaktivierung von Bakterien, Viren und Protozoen, während Chloramine die geringste Wirksamkeit aufweisen, sich jedoch aufgrund ihrer langsameren Reaktionsgeschwindigkeit im Vergleich zu Chlor und ihrer längeren Verweildauer in Verteilungssystemen besser für die sekundäre Wasserdesinfektion eignen. Darüber hinaus erzeugen Chloramine geringere Mengen an Desinfektionsnebenprodukten (DBPs) als Chlor, obwohl mikrobielle Aktivität in Verteilungssystemen Nitrationen erzeugen kann, wenn Chloramine als Restdesinfektionsmittel verwendet werden [6].
UV-C hat als chemikalienfreie physikalische Desinfektionstechnologie, die keine Desinfektionsnebenprodukte erzeugt, große Aufmerksamkeit bei der mikrobiellen Inaktivierung auf sich gezogen [8]. Obwohl es in der Luft-, Wasser- und Oberflächendesinfektion weit verbreitet ist [9, 10], weist es Einschränkungen auf, darunter eine geringe Effizienz, häufiger Lampenaustausch und die Umweltverschmutzung durch quecksilberhaltige Materialien, die die wirtschaftlichen Kosten für die Benutzer erhöhen [11]. Die auf Galliumnitrid (GaN)-Materialien basierende UV-C-Leuchtdiodentechnologie (LED) hat sich als Lösung zur Behebung dieser Mängel herausgestellt [12]. Neben der Überwindung der Nachteile quecksilberbasierter Lampen bieten UV-C-LEDs Vorteile wie lange Lebensdauer, hohe Stabilität, kompakte Größe und kurze Aufwärmzeit [13, 14]. Diese Eigenschaften machen UV-C-LEDs zur idealen Wahl für Wasserdesinfektionstechnologien der nächsten Generation.
2 Material und Methode
2.1 UV-C-LED-Perlen
In dieser Studie wurden leistungsstarke 270–280 nm Galliumnitrid (GaN)-basierte UV-C-LED-Chips verwendet, die unabhängig von MASSPHOTON entwickelt und hergestellt wurden. Durch einen optimierten eutektischen Verbindungsprozess wurde eine hochwertige Verbindung zwischen dem Chip und dem Keramiksubstrat erreicht, wodurch der Hohlraumanteil an der Grenzfläche reduziert und die Wärmeableitungseffizienz verbessert wurde. Abbildung 1a zeigt eine in einem Chip verpackte LED-Perle mit einer Bestrahlungsintensität von bis zu 30 mW. Beim Verpacken von zwei Chips erreichte die Bestrahlungsintensität der UV-C-LED-Perle 50 mW, was einer Gesamteffizienzverbesserung von 66,6 % entspricht. Dieser optimierte Verpackungsansatz bietet zuverlässige technische Unterstützung für den Einsatz von tief-ultravioletten LEDs im Sterilisations- und Desinfektionsbereich.
Abb.1. MASSPHOTON LED-Perlen: a. Einzelchip-LED-Perle; B. Dual-Chip-LED-Perle
2.2 Teststamm
Die zweite Generation von Escherichia coli (8099) wurde zur Aktivierung auf eine Kulturplatte ausgestrichen und zur Verwendung beiseite gelegt. Frische E. coli-Schrägkulturen der dritten bis siebten Generation, die 18–24 Stunden bei 36 ± 1 °C inkubiert wurden, wurden in LB-Flüssigmedium inokuliert und in einem Inkubator mit konstanter Temperatur bei 36 ± 0,5 °C 16–20 Stunden lang kultiviert. Nach einer deutlichen Ausbreitung der Bakterienkolonien wurden die Kulturen zur späteren Verwendung bei Raumtemperatur gelagert.
2.3 Erkennungsmethode
Die Nachweismethode und die Berechnung der logarithmischen Inaktivierungsrate wurden gemäß Anhang E von GB28235-2020 „Hygienic Requirements for Ultraviolet Appliance of Disinfection“ durchgeführt, der die Labormethode für mikrobielle Inaktivierungstests bei der Wasserdesinfektion beschreibt.
3 Ergebnisse und Diskussionen
3.1 Einführung in die Struktur des Wassermoduls
Aluminium bildet an der Luft schnell einen dichten und robusten Schutzfilm aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), der kompakt ist und eine hohe chemische Stabilität aufweist, wodurch eine weitere Oxidation des darunter liegenden Aluminiums verhindert wird. Daher weist reines Aluminium eine hohe Rostbeständigkeit in trockener Luft auf. Selbst in feuchten Umgebungen übertrifft seine Korrosionsbeständigkeit die von Stahl deutlich, solange der Oxidfilm intakt bleibt (z. B. nicht durch starke Säuren oder Laugen beeinträchtigt wird). Darüber hinaus hat Aluminium eine Dichte von etwa 2,7 g/cm³, etwa ein Drittel der Dichte von Eisen oder Kupfer, wodurch das Gewicht effektiv reduziert wird, was es zu einem idealen Material für das Gehäuse des MASSPHOTON 9 L/min Wasserdesinfektionsmoduls macht (Abbildung 2). Um die Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit des Gehäuses auf Aluminiumbasis zu verbessern, führten die Forscher eine Anodisierungsbehandlung durch, um einen dickeren und dichteren Oxidfilm auf der Aluminiumoberfläche zu bilden und so deren Haltbarkeit zu verbessern.
Abb.2. Produktdiagramm des MASSPHOTON 9 L/min Wasserdesinfektionsmoduls:a. Metallkopf b. UV-C-LED-Platine c. Wasserdichter Silikonring d. Quarzrohr z.B. Hochdurchlässiges reflektierendes Material f. Metallhülse
3.2 Studie zur Sterilisationswirksamkeit von UV-C-LED unter verschiedenen Perlenkonfigurationen
Um den Zusammenhang zwischen der Anzahl der LED-Perlen und der Sterilisationsrate von fließendem Wasser zu untersuchen, wurden drei Konfigurationen von Dual-Chip-UV-C-LED-Perlen getestet: 5-Serie-2-Parallel (10 Perlen), 4-Serie-2-Parallel (8 Perlen) und 3-Serie-2-Parallel (6 Perlen). Die Sterilisationswirksamkeit gegen Escherichia coli (ATCC 8099) wurde unter identischen Wassermodulspezifikationen bewertet, wobei jede Perle mit einem Strom von 200 mA versorgt wurde.
Tabelle 1. Zusammenhang zwischen der Anzahl der Dual-Chip-UV-C-LED-Perlen, der Sterilisationsleistung und der Bestrahlungsintensität
Abb.3. Zusammenhang zwischen der Anzahl der Dual-Chip-UV-C-LED-Perlen und den Ergebnissen des Sterilisationstests
Die experimentellen Ergebnisse (Tabelle 1) zeigen, dass bei einer Durchflussrate von 9 l/min und mit einer unmodifizierten Wassermodulstruktur die Bestrahlungsintensitäten für Konfigurationen mit 5-Serien-2-Parallel- (10 Perlen), 4-Serien-2-Parallel- (8 Perlen) und 3-Serien-2-Parallel- (6 Perlen) Dual-Chip-UV-C-LED-Perlen 377 µW/cm², 320, betrugen µW/cm² bzw. 273 µW/cm². Trotz der Reduzierung der Anzahl der Perlen von 10 auf 6, was einer Reduzierung um 40 % entspricht, und der Bestrahlungsintensität von 377 µW/cm² auf 273 µW/cm², einer Reduzierung um 27,5 %, erreichte die Sterilisationsrate immer noch 99,999 % (Abbildung 3) und erfüllte damit vollständig die strengen Standards für die Trinkwasserdesinfektion.
3.3 Studie zum Einfluss des Quarzrohrdurchmessers und der Chipmenge auf die Sterilisationseffizienz
Um eine Kostenreduzierung bei gleichzeitiger Beibehaltung der Sterilisationseffizienz zu erreichen, ersetzte das Forschungsteam das ursprüngliche Aluminiumsubstrat im Wassermodul durch ein Kupfersubstrat, basierend auf früheren Testergebnissen, die zeigten, dass Kupfersubstrate die optische Leistungsdämpfungsrate von UV-C-LEDs im Vergleich zu Aluminiumsubstraten deutlich reduzieren (42 % gegenüber 54 %). Um die Verweilzeit des fließenden Wassers im Modul zu verlängern, wurde der Durchmesser des Quarzrohrs von 6 mm auf 16 mm erhöht, was eine längere Wasser-UV-Kontaktzeit bei gleichbleibender Durchflussrate ermöglicht. Darüber hinaus wurde das Öffnungsdesign des hochdurchlässigen reflektierenden Materials an den LED-Perlenpositionen von länglichen Schlitzen zu einzelnen Öffnungen, die an jeder Perle ausgerichtet sind, geändert, wodurch die Desinfektionseffizienz verbessert wurde. Aufbauend auf diesen Strukturoptimierungen wurden nachfolgende Experimente mit Einzelchip-UV-C-LED-Perlenkonfigurationen von 5 Reihen-2-Parallel (10 Perlen), 4-Reihen-2-Parallel (8 Perlen) und 3 Reihen-2-Parallel (6 Perlen) durchgeführt.
Tabelle 2. Zusammenhang zwischen der Anzahl der Einzelchip-UV-C-LED-Perlen, der Sterilisationsleistung und der Bestrahlungsintensität
Abb.4. Zusammenhang zwischen der Anzahl der Einzelchip-UV-C-LED-Perlen und den Ergebnissen des Sterilisationstests
Die experimentellen Ergebnisse (Tabelle 2) zeigen, dass bei Konfigurationen von 5-Serien-2-Parallel- (10 Perlen), 4-Serien-2-Parallel- (8 Perlen) und 3-Serien-2-Parallel- (6 Perlen) Einzelchip-UV-C-LED-Perlen die entsprechenden Bestrahlungsintensitäten 305 µW/cm², 250 µW/cm² bzw. 210 µW/cm² betrugen. Im Vergleich zu Dual-Chip-UV-C-LED-Konfigurationen mit der gleichen Anzahl an Perlen blieb die Bestrahlungsintensität aufgrund der Halbierung der Chips pro Perle um 19 %, 22 % bzw. 23 % zurück, obwohl die Gesamtzahl der Perlen unverändert blieb. Mit weiteren Optimierungen, darunter einem vergrößerten Quarzrohrdurchmesser, dem Ersatz durch ein Kupfersubstrat und der Verwendung zusätzlicher hochdurchlässiger reflektierender Materialien, erreichten Konfigurationen mit 10, 8 und 6 Einzelchip-UV-C-LEDs immer noch eine Sterilisationsrate von 99,999 % (Abbildung 4), trotz einer Reduzierung der Perlenanzahl um 40 % und einer Reduzierung der Bestrahlungsintensität um 27,5 % und erfüllten damit die strengen Anforderungen für die Trinkwasserdesinfektion vollständig.
3.4 Schwankungen der Wasserdurchflussrate bei unterschiedlichen Drücken
Als Kernkomponente im direkten Kontakt mit Wasser sind die wasserdichte Abdichtung und die Druckfestigkeitsstabilität des MASSPHOTON 9 L/min Wasserdesinfektionsmoduls entscheidende Voraussetzungen für einen sicheren Betrieb. Um diese wesentlichen Anforderungen zu erfüllen, wurden für die Einlass- und Auslassdichtungskomponenten lebensmittelechte Silikondichtungen verwendet. Dieses Material weist nicht nur eine ausgezeichnete Elastizität und Alterungsbeständigkeit auf und ermöglicht so einen festen Sitz mit der Schnittstellenstruktur, um ein Austreten von Wasser zu verhindern, sondern vermeidet auch eine sekundäre Verunreinigung der Wasserqualität durch Materialauswaschung während der Desinfektion, wodurch sowohl Dichtungsleistung als auch Sicherheit ausgeglichen werden. Um die Zuverlässigkeit des Dichtungsdesigns weiter zu validieren, simulierten die Forscher reale Betriebsbedingungen und überwachten kontinuierlich Änderungen der Wasserdurchflussrate durch das Modul unter variierenden Druckbedingungen, um den Drucktoleranzbereich des Moduls zu bestimmen.
Abb.5. Wasserdurchflussrate durch das Wassermodul unter verschiedenen Drücken
Wie in Abbildung 5 dargestellt, erreicht die aktuelle Struktur des MASSPHOTON 9 L/min Wasserdesinfektionsmoduls eine Durchflussrate von 9 L/min bei 0,12 MPa und eine maximale Durchflussrate von 12,9 L/min bei 0,2 MPa, wobei bei Langzeitbetriebstests keine Leckage beobachtet wurde. Wenn der Druck auf 0,42 MPa ansteigt, beginnt die Durchflussrate zu sinken, was möglicherweise auf eine Verformung des Dichtungsrings durch zu hohen Druck zurückzuführen ist. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Durchflussrate bei ausreichender Dichtungsleistung ohne abnormale Dämpfung stabil bleibt. Liegen jedoch Dichtungsdefekte (z. B. Grenzflächenleckage) vor, weist die Durchflussrate aufgrund des Druckverlusts erhebliche Schwankungen auf. Das MASSPHOTON 9 L/min Wasserdesinfektionsmodul hat Drucktests im Bereich von 0,12 bis 0,45 MPa erfolgreich bestanden und seine hervorragende mechanische Dichtungsleistung und Druckbeständigkeitsstabilität unter Beweis gestellt, sodass bei Langzeitgebrauch keine Probleme wie Wasserlecks oder Druckverluste auftreten.
4 Schlussfolgerungen
Diese Studie bewertet systematisch die wichtigsten Leistungsparameter eines UV-C-LED-Wasserdesinfektionsmoduls, einschließlich der Anzahl der verpackten Chips, der LED-Konfiguration, der Bestrahlungsintensität und der Druckbeständigkeit, und liefert wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung effizienter, kostengünstiger und risikoarmer UV-C-LED-Sterilisationssysteme. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass das Ersetzen des ursprünglichen Aluminiumsubstrats durch ein Kupfersubstrat und die Vergrößerung des Quarzrohrdurchmessers die Optimierung der UV-C-LED-Konfiguration von einem Dual-Core-Aufbau mit 5 Reihen, 2 Parallelen (10 LEDs) zu einem Einzelkern-Aufbau mit 3 Reihen, 2 Parallelen (6 LEDs) ermöglicht, wodurch die Gesamtzahl der Chips von 20 auf 6 reduziert und die Chipkosten erheblich gesenkt werden. Darüber hinaus ergaben Druckhaltetests am MASSPHOTON 9L/min-Wasserdesinfektionsmodul eine maximale Druckbeständigkeit von 12,9 MPa, ohne dass im Langzeitbetrieb Leckagen beobachtet wurden, was eine hervorragende Abdichtung und Zuverlässigkeit beweist.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Studie durch Optimierungen bei Materialien und Struktur erhebliche Verbesserungen bei der Kostenkontrolle und Zuverlässigkeit des UV-C-LED-Wasserdesinfektionsmoduls bei gleichzeitiger Beibehaltung der Desinfektionsleistung erzielt. Zukünftige Forschungen könnten sich auf die langfristige Betriebsstabilität von UV-C-LEDs mit höherer Leistung sowie auf die Auswirkungen von industriellen Wasserbedingungen mit hohem Durchfluss und variierenden Wasserqualitäten auf die Desinfektionseffizienz konzentrieren, um die Anpassungsfähigkeit und breite Akzeptanz dieser Technologie in praktischen Anwendungen zu verbessern.
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