Purificare l’acqua con i LED UV

Purificazione dell'acqua con led UV

L'acqua rappresenta una risorsa essenziale e preziosa per la sopravvivenza del genere umano. E' responsabilità di ognuno di noi garantire non solo che l'acqua non venga sprecata inutilmente, ma anche, se possibile, far sì che tutte le popolazioni abbiano accesso a questo bene vitale. La purificazione dell'acqua, soprattutto nelle zone rurali, assume pertanto un'importanza fondamentale. Vediamo come sia possibile eseguire la purificazione dell'acqua tramite l'utilizzo di diodi LED UV.

Si stima che oggi circa un terzo della popolazione mondiale (oltre due miliardi di persone) non abbia accesso all'elettricità e oltre due miliardi di persone non possano usufruire di acqua potabile (molte di queste persone sono anche prive di elettricità). L'acqua contaminata è causa di innumerevoli malattie, tra le quali diarrea, colera, epatite, responsabili della morte di oltre cinque milioni di persone all'anno.

Fatta questa debita premessa, veniamo alla domanda oggetto del presente articolo: è possibile purificare l'acqua per uso potabile tramite dei comuni diodi LED ultravioletti (UV)? La risposta non soltanto è affermativa, ma, come vedremo, questa soluzione presenta dei considerevoli vantaggi rispetto ad altre soluzioni di tipo tradizionale.

La gamma della luce ultravioletta comprende le lunghezze d'onda con valori  compresi tra 200 e 400 nanometri, come indicato nell'immagine seguente:

Osservando la figura possiamo anzitutto notare come la gamma ultravioletta sia suddivisa in tre parti: UVC, UVB, e UVA. La gamma con la lunghezza d'onda più corta (UV-C), compresa tra 100 e 280 nm, è quella più dannosa per gli organismi viventi. Anche il sole emette dei raggi UV-C, ma questi vengono assorbiti dallo strato di ozono dell'atmosfera prima di raggiungere la superficie terrestre. Nell'immagine sottostante viene mostrata proprio l'efficacia dell'azione germicida della luce UV in funzione della lunghezza d'onda (lambda). Si può constatare come il picco, per vari tipi di germi tra cui l'escheria coli, sia in corrispondenza della lunghezza d'onda di circa 265 nm.

Possiamo poi osservare che i LED ultravioletti vengono utilizzati per numerosi tipi di applicazioni, in base sia alla loro potenza di uscita che alla loro lunghezza d'onda. Osserviamo inoltre che i materiali più comunementi utilizzati per realizzare i diodi LED UV sono il nitruro di gallio (GaN) e il nitruro di alluminio (AlN). Le applicazioni relative alla purificazione e alla disinfezione dell'acqua richiedono dei LED UV con lunghezza d'onda compresa tra circa 250 e 282 nanometri. Questa caratteristica è molto importante, e va tenuta in debita considerazione qualora si voglia progettare e autocostruire un purificatore d'acqua. Ricordiamo che esistono altre applicazioni dei diodi LED UV, tra le quali:

  • polimerizzazione UV
  • cure mediche (trattamento della psoriasi, UVB)
  • abbronzatura (UVB)
  • sterilizzazione di cibo, strumentazione medica e ospedaliera (UVC)
  • anti-zanzare (UVC)
  • litografia (UVA)
  • comunicazioni di tipo non LOS (non line of sight), in grado di superare eventuali ostacoli che si frappongono tra il trasmettitore e il ricevitore
  • controllo validità banconote e altri documenti

La purificazione dell'acqua tramite LED UV si basa su un importante principio fisico. Questo afferma che una luce ultravioletta dotata di un'opportuna quantità di energia (detta anche fluenza di energia) e lunghezza d'onda è in grado di annientare i microorganismi (tipicamente i germi) distruggendo le loro molecole DNA o RNA, rendendoli così incapaci di riprodursi. La luce ultravioletta è anche efficace nella purificazione dell'acqua contenente Giardia, escheria coli, virus, spore, e altri tipi di batteri. La purificazione tramite luce UV non rimuove i germi dall'acqua, ma piuttosto li annienta agendo direttamente sulle molecole di DNA e RNA. Non solo, l'azione germicida della luce UV, a differenza dei disinfettanti chimici, impedisce lo sviluppo di meccanismi auto-immuni da parte dei microorganismi. Il DNA assorbe la luce ultravioletta con lunghezze d'onda comprese tra 200 e 300 nanometri. Il massimo assorbimento di luce ultravioletta da parte del DNA viene raggiunto tipicamente alla lunghezza d'onda di 260 nm.

Storicamente, la luce ultravioletta è stata ottenuta tramite l'utilizzo di apposite lampade al mercurio. Le lampade con mercurio a bassa pressione sono infatti in grado di emettere una luce ultravioletta quasi monocromatica con lunghezza d'onda tipica di 254 nm, mentre le lampade al mercurio di media potenza emettono uno spettro policromatico contenetente diverse lunghezze d'onda. Questa è stata la soluzione adottata per prima, e quindi è quella tradizionale. Recentemente, tuttavia, si è sviluppato un nuovo metodo basato sui LED UV. I LED UV presentano anzitutto il vantaggio di poter scegliere la lunghezza d'onda, a differenza delle lampade a mercurio per le quali la lunghezza d'onda è prefissata al valore di 254 nm. Altri vantaggi della tecnologia LED sono i seguenti:

  • non sono pericolosi e inquinanti come le lampade al mercurio
  • rappresentano una tecnologia allo stato solido, per cui garantiscono una maggiore durata e sono più semplici da maneggiare e installare
  • presentano un tempo di avviamento nettamente inferiore rispetto alle lampade al mercurio
  • possono essere accesi e spenti anche con frequenze elevate (il mercurio no)
  • hanno una maggiore efficienza energetica
  • i LED assorbono meglio gli urti e richiedono un'alimentazione continua di bassa potenza. Possono essere pertanto alimentati tramite pannelli solari e sono quindi adatti anche in zone rurali, impervie, e lontane dalla rete elettrica
  • i LED sono più adatti a impieghi per purificatori portatili (ad es. per impieghi militari)

Secondo le ultime stime degli analisti di settore, il mercato dei LED ultravioletti è destinato a crescere di almeno cinque volte nei prossimi cinque anni, come indicato nell'immagine seguente.

Questa crescita è determinata sia dalla domanda tradizionale riguardante i processi di polimerizzazione UV, ma anche, e soprattutto, dalla crescente domanda relativa al settore dei sistemi (lampade) per la purificazione dell'acqua.

Tra i lettori c'è forse qualcuno che ha in mente di realizzare un proprio purificatore dell'acqua?

9 Comments

  1. Emanuele 3 settembre 2012
  2. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 4 settembre 2012
  3. Ionela 7 settembre 2012
  4. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 7 settembre 2012
  5. manuel.teck-eco 10 settembre 2012
  6. Brian 20 giugno 2013
  7. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 20 giugno 2013
  8. sante 25 novembre 2014
    • slovati slovati 25 novembre 2014

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