Eason Liao 1,* , Xiaoxiao Wang 1, Qing Zhang 1, Shuzhong Li 1, Jiancheng Wang1
1MASSPHOTON LIMITED Hongkong, Hongkong, HK1100
Abstrakt.
Diese Studie untersucht systematisch die Leistungsoptimierung von UV-C-LED-Wasserdesinfektionsmodulen und konzentriert sich dabei auf die Auswirkungen von Wärmeableitungsmaterialien, Antriebsstrom und optischem Strukturdesign auf die Sterilisationseffizienz. Die Ergebnisse zeigen, dass Kupfersubstrate die Lichtleistungsdämpfungsrate von UV-C-LEDs im Vergleich zu Aluminiumsubstraten deutlich reduzieren (41,90 % gegenüber 53,94 %) und dadurch die Betriebslebensdauer des Geräts verlängern. Bei Durchflusswasserdesinfektionsexperimenten steigert die Erhöhung des Antriebsstroms (von 100 mA auf 200 mA) die Inaktivierungseffizienz deutlich und erreicht eine Escherichia coli-Inaktivierungsrate von >99,999 % bei 200 mA, was den Trinkwasserdesinfektionsstandards entspricht. Darüber hinaus wurde durch die Optimierung des optischen Designs die Anzahl der UV-C-LED-Perlen von sechs auf vier reduziert und es wurden individuelle Perforationen für jede Perle eingesetzt, um die UV-Reflexion zu verbessern. Dieser Ansatz sorgte für eine hohe Sterilisationsrate von 99,999 % und reduzierte gleichzeitig die Kosten um 33 %. Diese Studie liefert wichtige theoretische Grundlagen und technische Referenzen für die Gestaltung effizienter, kostengünstiger und langlebiger UV-C-LED-Wasserdesinfektionssysteme.
Schlüsselwörter: Wasserdesinfektion, UV-C-LED, Escherichia coli, Sterilisationsrate, Quecksilberfrei, UV-C-LED, Wasserdesinfektion.
1 Einführung
Die Wassersicherheit ist ein wichtiges globales Gesundheitsproblem, da der Konsum von Wasser, das mit pathogenen Bakterien, Protozoen und Viren kontaminiert ist, bei Menschen und Tieren zu durch Wasser übertragenen Krankheiten führen kann, darunter Gastroenteritis, Myokarditis, Enzephalitis, Typhus, Rotavirus-Durchfall und epidemische Cholera, von denen einige die Hauptursachen für die menschliche Sterblichkeit sind [1-3]. Effektive Desinfektionsstrategien zur Inaktivierung von durch Wasser übertragenen Viren sind in Wasseraufbereitungsprozessen von wesentlicher Bedeutung, da sie die Beseitigung pathogener Mikroorganismen gewährleisten, die für durch Wasser übertragene Krankheiten verantwortlich sind. Zu den gängigen Desinfektionsmethoden und -techniken zur Virusinaktivierung in Wasser gehören traditionelle chemische Behandlungen wie Chlorierung sowie physikalische Desinfektionsmethoden wie Membranfiltration und ultraviolette (UV) Bestrahlung [4].
Im Bereich der Trinkwasserdesinfektion werden häufig traditionelle chemische Desinfektionsverfahren wie Chlor, Monochloramin und Chlordioxid eingesetzt [5]. Chlor induziert Mutationen in der mikrobiellen DNA, indem es Purin- und Pyrimidinsequenzen verändert, die Proteinsynthese und den Glukosetransport stört und dadurch die mikrobielle Reproduktion hemmt [6]. Ein erheblicher Nachteil besteht jedoch darin, dass Chlor mit organischen Stoffen im Wasser reagiert und Desinfektionsnebenprodukte wie Trihalomethane bildet, die potenziell krebserregende und teratogene Risiken für die menschliche Gesundheit darstellen [7]. Membranfiltration ist eine effiziente Technik, die Schwebstoffe, Bakterien und organische Stoffe aus Trink- und Abwasser entfernt, indem Wasser durch eine physikalische Barriere geleitet wird. Die Desinfektionswirksamkeit wird jedoch von der Wasserqualität, dem Gehalt an Feststoffpartikeln und der Verschmutzung während des Aufbereitungsprozesses beeinflusst. Darüber hinaus nimmt die Membranpermeabilität mit zunehmendem Biofouling ab, wodurch sich die Fähigkeit verringert, Viren zurückzuhalten [8].
Die UV-Bestrahlung als physikalische Desinfektionsmethode hat bei der mikrobiellen Inaktivierung aufgrund ihrer bemerkenswerten Vorteile, einschließlich des Fehlens chemischer Zusätze und des Fehlens von Desinfektionsnebenprodukten, große Aufmerksamkeit erregt [9]. Die herkömmliche UV-Desinfektionstechnologie auf Quecksilberbasis weist jedoch mehrere Einschränkungen auf, darunter: 1) das Risiko einer Quecksilberkontamination; 2) kurze Lampenlebensdauer (normalerweise 5.000–9.000 Stunden); 3) lange Aufwärmzeiten (3–5 Minuten); 4) niedrige Energieumwandlungseffizienz (ca. 30–40 %); und 5) sperrige Größe mit begrenzter Hochfrequenzschaltfähigkeit. Im Gegensatz dazu bietet die auf GaN-Materialien basierende UV-C-Leuchtdiodentechnologie (LED) erhebliche Vorteile: 1) quecksilberfrei und umweltfreundlich; 2) extrem lange Lebensdauer (mehr als 20.000 Stunden); 3) sofortige Ein-/Aus-Funktionalität (Reaktionszeit <1 μs); 4) einstellbare Wellenlänge (260–280 nm); 5) kompakte Größe (Chipgröße <1 mm²); und 6) Unterstützung für Hochfrequenz-Pulsbetrieb [10–13]. Diese Eigenschaften machen UV-C-LEDs zur idealen Wahl für Wasserdesinfektionstechnologien der nächsten Generation.
In den letzten Jahren wurden erhebliche Fortschritte bei der Anwendung der UV-C-LED-Technologie zur mikrobiellen Inaktivierung erzielt. Aufbauend auf früheren Forschungsarbeiten optimiert diese Studie systematisch die Leistungsparameter von UV-C-LED-Wasserdesinfektionsmodulen, wobei der Schwerpunkt auf der Untersuchung der Mechanismen liegt, durch die die Eigenschaften des Wärmeableitungsmaterials, die Intensität des Antriebsstroms und das Design der optischen Struktur die Sterilisationseffizienz beeinflussen. Diese Erkenntnisse liefern entscheidende technische Unterstützung für die Entwicklung neuartiger, hocheffizienter UV-C-LED-Wasseraufbereitungssysteme mit breiten Anwendungsmöglichkeiten in der Trinkwasseraufbereitung, der Trinkwasserdesinfektion und der industriellen Wasserversorgungsaufbereitung und bieten erhebliche soziale Vorteile und praktischen Wert.
2 Material und Methode
2.1 MASSPHOTON UV-C LED-Perle
In dieser Studie werden leistungsstarke 270–280 nm Galliumnitrid (GaN)-basierte UV-C-LED-Chips eingesetzt, die durch einen optimierten eutektischen Lötprozess eine hochwertige Verbindung zwischen Chip und Keramiksubstrat erreichen. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass diese Verkapselungstechnik den Hohlraumanteil an der Grenzfläche erheblich reduziert und den Wärmewiderstand auf 8,2 K/W senkt, was einer Verbesserung der Wärmeableitungseffizienz um etwa 40 % im Vergleich zu herkömmlichen Klebeverfahren mit Silber entspricht. Die Verkapselungsstruktur nutzt hochdurchlässiges JGS1-Quarzglas als Lichtaustrittsfenster. Spektrophotometertests haben eine Durchlässigkeit von über 90 % bei der Wellenlänge 270 nm ergeben. Beschleunigte Alterungstests (85 °C/85 % relative Luftfeuchtigkeit) zeigen, dass das gekapselte Gerät nach 1000 Stunden Dauerbetrieb etwa 90 % seiner anfänglichen optischen Leistung beibehält, was die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von UV-C-LED-Geräten deutlich erhöht. Dieser optimierte Verkapselungsansatz bietet robuste technische Unterstützung für die Anwendung von LEDs im tiefen Ultraviolett in Sterilisations- und Desinfektionsbereichen.
Abb .. 1. MASSPHOTON UV-C-LED-Gehäuse
2.2 Mikrobielle Proben
Der verwendete Teststamm war Escherichia coli (8099). E. coli der zweiten Generation (8099) wurde beschafft, zur Aktivierung auf Agarplatten ausgestrichen und dann zur Herstellung einer Bakteriensuspension verwendet. 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 erheblicher Bakterienvermehrung wurden die Kulturen zur späteren Verwendung bei Raumtemperatur gelagert.
2.3 Erkennungsmethode
Das experimentelle Verfahren folgte Anhang E von GB28235-2020, Hygieneanforderungen für UV-Desinfektionsgeräte, insbesondere der Labortestmethode zur mikrobiellen Inaktivierung für die Wasserdesinfektion. Bei Desinfektionsgeräten zur Trinkwasseraufbereitung wurde die Testwasserprobe mit einer vorbereiteten Escherichia coli-Suspension kontaminiert, die entchlortem Leitungswasser oder destilliertem Wasser zugesetzt wurde, wodurch eine Bakterienkonzentration von 5×10⁴ KBE/100 ml bis 5×10⁵ KBE/100 ml erreicht wurde. Die Wasserproben wurden in eine Blindkontrollgruppe (unbehandelt) und eine Versuchsgruppe (Wasserproben, die nach Durchlaufen des UV-C-LED-Wasserdesinfektionsmoduls mit einer festgelegten Durchflussrate, z. B. 4 l/min oder 9 l/min, gesammelt wurden) aufgeteilt. Die Gesamtzahl der Bakterienkolonien in beiden Gruppen wurde mit der Standardplattenzählmethode bestimmt und die logarithmische Inaktivierung (logarithmische Inaktivierung) berechnet.
3 Ergebnis und Diskussionen
3.1 Zusammenhang zwischen Bestrahlungsintensität und Wassermodulmaterialien
Das MASSPHOTON-Wasserdesinfektionsmodul (Abbildung 2) verwendet eine quecksilberfreie UV-C-LED-Desinfektionstechnologie, wodurch das mit herkömmlichen Quecksilberlampen verbundene Risiko einer Schwermetallkontamination grundsätzlich eliminiert wird. Das Modul ist mit medizinischem Edelstahl 316L ummantelt, der die Freisetzung schädlicher Metallionen bei längerem Wasserkontakt verhindert. Das Modul verfügt über ein vollständig geschlossenes optisches Design, bei dem alle ultravioletten Lichtquellen im Gehäuse versiegelt sind, sodass während des Betriebs kein Risiko einer Strahlenexposition besteht. Der Einlass und der Auslass sind mit Silikonstopfen in Lebensmittelqualität abgedichtet, die Wasserdrucktests im Bereich von 0,35 bis 0,7 MPa und langfristige Betriebstests bei einer Durchflussrate von 4 l/min ohne Leckage bestanden haben, was eine hervorragende mechanische Dichtungsleistung beweist. Dieses Design gewährleistet eine hohe Sterilisationseffizienz und erfüllt gleichzeitig die Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanforderungen für Trinkwasseraufbereitungsgeräte vollständig.
Abb. .2. Physikalisches Diagramm des MASSPHOTON-Wasserdesinfektionsmoduls
Der optimale Betriebseffizienzbereich für UV-C-LED-Perlen liegt bei 25 °C–60 °C. Das Überschreiten dieses Temperaturbereichs kann zu einer Schwächung der Lichtleistung oder einer Wellenlängenverschiebung führen, sodass ein effektives Wärmemanagement für die Gewährleistung der Sterilisationsleistung von Wasserdesinfektionsmodulen von entscheidender Bedeutung ist. Metallmaterialien können aufgrund ihrer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit die Betriebstemperatur von LED-Perlen wirksam senken. Um die Wärmeableitungsleistung verschiedener Metallsubstrate zu vergleichen, wurden in dieser Studie Kupfer- und Aluminiumsubstrate als Basismaterialien für UV-C-LED-Perlen ausgewählt und deren Temperaturschwankungen über 30 Minuten Dauerbetrieb sowohl unter statischen (kein Wasserfluss) als auch dynamischen (Wasserfluss) Bedingungen getestet.
Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die Betriebstemperaturen von UV-C-LEDs mit Kupfer- und Aluminiumsubstraten sowohl unter statischen als auch dynamischen Bedingungen ähnlich waren und keine signifikanten Unterschiede zeigten (Abbildung 3a). In einem 30-minütigen Alterungstest zeigte die UV-C-LED mit Kupfersubstrat jedoch eine anfängliche Bestrahlungsstärke von 420 μW/cm², die auf 244 μW/cm² abfiel, was zu einer Lichtleistungsdämpfungsrate (PD-Wert) von 41,90 % führte. Im Gegensatz dazu hatte die UV-C-LED mit Aluminiumsubstrat eine anfängliche Bestrahlungsstärke von 350 μW/cm², die auf 161 μW/cm² abfiel, mit einer PD-Dämpfungsrate von 53,94 % (Abbildung 3b).
Diese Ergebnisse legen nahe, dass die kurzfristige Wärmeableitungsleistung der beiden Metallsubstrate zwar vergleichbar ist, Kupfersubstrate jedoch die langfristige Lichtleistungsdämpfung von UV-C-LEDs effektiver mildern und dadurch die Betriebslebensdauer von Wasserdesinfektionsmodulen verlängern. Diese Ergebnisse liefern wichtige Hinweise für das thermische Design von UV-C-LED-Wasseraufbereitungssystemen und empfehlen die bevorzugte Verwendung von Kupfersubstraten als Wärmeableitungsmaterialien in Hochleistungs- und Langzeitanwendungen.
Feige . 3. Temperatur- und Alterungstests von UV-C-LED-Streifensubstraten mit zwei verschiedenen Materialien. A. Temperaturschwankungen der beiden Materialien unter statischen (kein Wasser) und fließenden Wasserbedingungen; B. Vergleich der Abschwächung der UV-Strahlung für die beiden Materialien als Substrate.
3.2 Studie zur Sterilisationswirksamkeit von UV-C-LED unter verschiedenen Antriebsströmen
Für Szenarien zur Desinfektion von Durchflusswasser wurde die Inaktivierungswirksamkeit von UV-C-LEDs gegen Escherichia coli (ATCC 8099) bei unterschiedlichen Antriebsströmen untersucht. Basierend auf früheren Studien erfordert das Erreichen einer 5-log (99,999 %) Inaktivierung innerhalb einer Kontaktzeit von 1 Sekunde eine UV-Strahlungsdosis von 40–60 mJ/cm². Das Experiment nutzte eine Reihe von sechs UV-C-LED-Perlen von MASSPHOTON, die bei Antriebsströmen von 100 mA, 150 mA und 200 mA getestet wurden. Die Ergebnisse (Abbildung 4a) zeigen eine signifikante positive Korrelation zwischen der Effizienz der Bakterieninaktivierung und dem Antriebsstrom: Bei 100 mA wurde eine Inaktivierungseffizienz von 99,926 % erreicht; bei 150 mA stieg der Wirkungsgrad auf 99,984 %; und bei 200 mA erreichte das System durchgängig eine Inaktivierungseffizienz von über 5 Log (99,999 %) und erfüllte damit vollständig die strengen Anforderungen für die Trinkwasserdesinfektion.
Diese Ergebnisse bestätigen, dass die Optimierung des Antriebsstroms die Sterilisationsleistung von UV-C-LED-Systemen effektiv verbessern kann. Bei einem Arbeitsstrom von 200 mA erfüllte das System die branchenüblichen Desinfektionsanforderungen (NSF/ANSI 55) und lieferte wichtige experimentelle Beweise für das technische Parameterdesign von UV-C-LED-Durchfluss-Wasserdesinfektionssystemen.
Abb . . 4. Durchfluss-Wasserdesinfektionstests bei verschiedenen Strömungen. (a) Desinfektionsraten von fließendem Wasser bei verschiedenen Strömungen; (b) Ergebnisse der Durchflusswasserdesinfektion bei verschiedenen Strömungen
3.3 Studie zum Einfluss der UV-C-LED-Perlenmenge und Materialien mit hoher Lichtdurchlässigkeit auf die Sterilisationseffizienz
Mit dieser Studie wurde das Ziel erreicht, die Sterilisationseffizienz zu verbessern und gleichzeitig die Kosten durch die Optimierung der UV-C-LED-Perlenanordnung und des optischen Strukturdesigns zu senken. Zu den spezifischen Verbesserungen gehören: 1) Reduzierung der Anzahl der UV-C-LED-Perlen von sechs auf vier, wodurch die Produktionskosten deutlich gesenkt werden; 2) innovative Modifizierung der Kombination hochdurchlässiger Materialien durch Übergang von einem herkömmlichen Einzelöffnungsdesign für den gesamten Lichtstreifen zu einem unabhängigen Öffnungsdesign für einzelne LED-Perlen. Testdaten zur Sterilisationsleistung (Tabelle 1) zeigen, dass die optimierte Struktur trotz einer Reduzierung der LED-Perlenmenge um 33 % eine hohe Inaktivierungsrate von 99,999 % gegen Escherichia coli in fließendem Wasser bei 4 l/min aufrechterhält. Diese Erkenntnisse liefern wertvolle Hinweise für die kostengünstige und hocheffiziente Gestaltung von UV-C-Sterilisationsgeräten.
Tabelle 1. Sterilisationstestergebnisse für unterschiedliche Anzahlen von UV-C-LED-Perlen
4 Schlussfolgerungen
Diese Studie bewertete systematisch die wichtigsten Leistungsparameter von UV-C-LED-Wasserdesinfektionsmodulen, einschließlich der Auswahl von Wärmeableitungsmaterialien, der Optimierung des Antriebsstroms und der Gestaltung der LED-Perlenanordnung und der optischen Struktur, und lieferte wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung effizienter und kostengünstiger UV-C-LED-Sterilisationssysteme. Experimentelle Ergebnisse deuten darauf hin, dass Kupfer- und Aluminiumsubstrate eine vergleichbare kurzfristige Wärmeableitungsleistung aufweisen; Allerdings weisen Kupfersubstrate eine überlegene Langzeitstabilität mit einer deutlich geringeren Lichtleistungsdämpfungsrate (41,90 %) im Vergleich zu Aluminiumsubstraten (53,94 %) auf. Dies deutet darauf hin, dass Kupfersubstrate bei der Aufrechterhaltung einer stabilen UV-C-Leistung in leistungsstarken, langfristigen Wasserdesinfektionssystemen effektiver sind und dadurch die Betriebslebensdauer der Geräte verlängern. Die Untersuchung des Einflusses des Antriebsstroms auf die Sterilisationseffizienz ergab, dass eine Erhöhung des Stroms die Desinfektionsleistung von UV-C-LEDs deutlich steigert. Bei einem Betriebsstrom von 200 mA erreichte das System durchweg eine Escherichia coli-Inaktivierungsrate von 99,999 % und erfüllte damit vollständig die Trinkwasserdesinfektionsstandards (NSF/ANSI 55). Durch die Reduzierung der Anzahl der UV-C-LED-Perlen von sechs auf vier und die Optimierung des optischen Designs (mit individuellen Perforationen für jede Perle und verbesserten reflektierenden Strukturen) konnte eine hohe Sterilisationsrate von 99,999 % aufrechterhalten und gleichzeitig die Hardwarekosten um 33 % gesenkt werden. Diese Optimierung verbesserte nicht nur die Effizienz der Lichtenergienutzung, sondern senkte auch die Produktionskosten und bot eine praktikable Lösung für die kommerzielle Einführung von UV-C-LED-Desinfektionssystemen.
Zusammenfassend konnte diese Studie durch Materialoptimierung, elektrische Parameteranpassungen und strukturelle Innovationen umfassende Verbesserungen der Leistung, Kosteneffizienz und Zuverlässigkeit von UV-C-LED-Wasserdesinfektionsmodulen erzielen. Zukünftige Forschungen könnten die Langzeitstabilität von UV-C-LEDs mit höherer Leistung und die Auswirkungen unterschiedlicher Wasserqualitätsbedingungen (z. B. Trübung und organischer Gehalt) auf die Sterilisationseffizienz weiter untersuchen, um die Anwendung dieser Technologie in einem breiteren Spektrum von Szenarien zu fördern.
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