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Purificar el aire y el agua con luz

purificador de aire
Figura 1. Visión general de los rayos UV-A, UV-B y UV-C y sus tecnologías, mercados objetivos y aplicaciones.

Autores: Alain Bruno Kamwa, Product Sales Manager Opto de Rutronik, y Nancy Yang, Sales Marketing de Lextar

La invención de la lámpara de vapor de mercurio hace poco más de cien años revolucionó la esterilización médica. A fecha de hoy, los rayos ultravioletas (UV) desempeñan un papel esencial en las tareas de desinfección y esterilización de espacios interiores – más aún desde el estallido de la pandemia por la COVID-19. Los leds UV-C crean numerosas posibilidades nuevas.

Las gotitas respiratorias, el contacto y los aerosoles son los principales medios de transmisión de la COVID-19. Por lo tanto, la esterilización del aire – junto con la vacunación, los test y las reglas de seguridad generales frente al virus – es un elemento clave para frenar la propagación de la pandemia.

Se encuentra disponible una amplia variedad de métodos para este propósito. Uno de los más sencillos es la radiación directa mediante lámparas UV, como las utilizadas en los hospitales. Ofrece una buena eficiencia de esterilización, pero también tiene unas cuantas limitaciones: en primer lugar, nadie puede permanecer en la habitación durante la esterilización, ya que los rayos UV pueden causar varios problemas de salud si “golpean” el cuerpo. En segundo lugar, se requiere una gran cantidad de energía UV para conseguir una esterilización eficaz. Esto se debe a que los rayos UV-C adecuados para la esterilización (Fig. 1) se atenúan en gran medida durante la transmisión: la tasa de dosis en un área determinada disminuye al aumentar la distancia desde la fuente de radiación de una manera inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (Fig. 2). Así pues, este método no es realmente apropiado para lugares públicos.

purificador de agua
Figura 2. La radiación UV-C disminuye al aumentar la distancia de la fuente de luz.

Purificación de aire “oculta”

Las fuentes de luz LED UV-C modernas están creando nuevas oportunidades, ya que, en comparación con las lámparas de vapor de mercurio, garantizan una mayor densidad de energía y un menor consumo con exactamente las mismas características de volumen. Y viendo que son muy pequeñas, se pueden integrar fácilmente y respaldan la llegada de productos de esterilización UV “ocultos”. Ocupan muy poco espacio y no resulta necesario limpiarlas por separado. Como aspectos negativos, son más costosas y tienen una eficacia luminosa limitada. La salida de luz de un solo LED todavía suele encontrarse en el rango de los milivatios. Por lo tanto, es imposible purificar el aire irradiando un área grande como hace un tubo de lámpara de vapor de mercurio. Como consecuencia, los leds UV-C se combinan con otros métodos para eliminar las bacterias en el aire.

Los métodos actuales incluyen la recirculación de aire, la fotocatálisis, los leds UV-A, los filtros HEPA de alta eficiencia y un sistema de esterilización LED UV-C. Se suele emplear un ventilador para generar aire, que circula por la habitación y conduce las bacterias y los virus suspendidos en él al filtro de la cámara de desinfección: se acumulan en la superficie del elemento filtrante. A diferencia de los purificadores de aire tradicionales, no sólo se acumulan aquí, sino que también son inofensivos gracias al LED. Con este método particular, la radiación permanece dentro del dispositivo; lo que significa que las personas no tienen que salir de la habitación durante la esterilización.

reflectores led
Figura 3. Con tres reflectores por LED UV-C, la matriz genera una radiación UV-C de energía
particularmente alta.

El módulo de esterilización de aire mediante LED UV-C Lextar LBM2101 se puede integrar en purificadores de aire, equipos de aire acondicionado y otros productos compactos al poseer un diámetro de 27 mm (1.06”) y una altura de 12,7 mm (0.5”). Su diseño especial concentra los rayos UV emitidos por el LED en el interior del dispositivo. Esto contribuye a aumentar la eficacia de la radiación UV-C y asegura que la propia radiación no se “escapa”. Tras una sola hora, el índice de esterilización supera el 99 por ciento, es decir, más del 99 por ciento de los virus y las bacterias transportados por el aire se vuelven inofensivos. La cubierta de aluminio garantiza una excelente disipación de calor y, por ende, ayuda a extender a vida útil del LED.

rayos ultravioleta
Figura 4. El módulo de esterilización mediante LED UV-C para vehículos se puede integrar en
su sistema de aire acondicionado.

Conducir sin riesgo de infección

El coronavirus sobrevive en el aire hasta tres horas y más tiempo en interiores que en exteriores. A la hora de reducir el riesgo de infección en vehículos, como taxis, coches compartidos, autobuses y trenes, Lextar ha desarrollado un módulo de esterilización de aire mediante LED UV-C para el sector del automóvil. Se puede combinar con el sistema de aire acondicionado del vehículo sin alterar su funcionamiento y destruye el 99 por ciento de los patógenos SARS-CoV-2.

El módulo consta de una matriz LED UV-C en la que cada uno de los veinte leds cuenta con tres reflectores, generando así unos haces UV-C de energía particularmente alta (Fig. 4). Además, hay un filtro de nanoescala que elimina el 99,53 por ciento (con una tolerancia de ±10 por ciento) de las partículas PM2.5 del aire, consiguiendo mejorar la calidad del aire en gran medida. El módulo es compatible con los sistemas autofilter actuales, lo que significa que se puede sustituir sin modificaciones y adaptar en función de los requisitos del cliente (Fig. 5).

tratamiento de agua
Figura 5. El módulo de tratamiento de agua se puede usar con agua corriente que tiene un
caudal volumétrico de 0,6 a 12 l/min.

Esterilizar el agua con luz

Aparte del aire, los módulos de esterilización y desinfección mediante LED UV-C se pueden utilizar para desinfectar las superficies y el agua. En lo que se refiere al líquido, hay que hacer una distinción entre agua corriente y agua estancada. En los tanques para purificadores de agua o en los tanques de agua para humidificadores, el agua purificada suele permanecer ahí durante un largo período de tiempo, lo que permite que las bacterias de los organismos vivos en el aire o en las superficies se multipliquen significativamente. Los módulos de esterilización de agua estáticos de Lextar irradian regularmente el agua en el tanque con suficiente poder de radiación para matar las bacterias.

Es posible obtener el mejor índice de esterilización si el módulo se instala en el fondo del tanque de agua y los rayos UV-C alcanzan el agua directamente a través de una ventana en la carcasa impermeable del propio módulo. No obstante, el módulo de esterilización también se puede ubicar en un lado o en la parte superior del tanque.

La esterilización de agua corriente es una proposición bastante diferente, ya que fluye relativamente rápido a través de la tubería – y también a través del módulo de esterilización. Así pues, resulta obvio que hay un espacio de tiempo muy corto para destruir completamente la bacteria. Esto requiere un nivel muy alto de intensidad de radiación que, a su vez, se traduce en costes superiores a los de los módulos de esterilización de agua estancada. Aquí se encuentra la razón por la que dichos módulos ahora se encuentran principalmente en dispensadores de agua domésticos de alta calidad y en máquinas comerciales.

En este caso, el lugar de instalación de módulo no es tan importante como con el agua estancada. Pero lo que sí se debe tener muy en cuenta es la longitud de la tubería de salida de agua. Dado que se puede producir una contaminación secundaria en la tubería, cuanto más corta sea la distancia desde la salida de agua del módulo hasta la salida de agua de la unidad, mucho mejor.

La luz UV, una solución verdaderamente versátil

Gracias a su efecto esterilizante, los leds UV-C han experimentado un gran aumento en su demanda como consecuencia de la pandemia por la COVID-19. Pero la luz UV proporciona mucho más que la esterilización. Por ejemplo, se puede utilizar para neutralizar olores desagradables, permitir que las frutas y las verduras crezcan sin luz del sol natural y mantener los productos frescos durante más tiempo tras la cosecha (Fig. 6). También puede acelerar el proceso de secado y curado de revestimientos plásticos o pinturas y detectar la composición de medicamentos mediante espectroscopia.

agua limpia
Figura 6: Agua libre de gérmenes directamente del grifo: el módulo de esterilización UV-C para grifos de Lextar, con un consumo de energía de 10 a 30 W, “limpia” con un caudal volumétrico de 2 a 12 l/min.

Para estas aplicaciones, Rutronik suministra todos los componentes necesarios – desde lámparas UV, módulos, lentes y controladores de LED a ventiladores para gestión térmica y sensores de control, por ejemplo, para UV, VOC (compuestos orgánicos volátiles) y PIR (sensores infrarrojos pasivos). Además, Rutronik ha desarrollado dos placas: la primera es una tarjeta de evaluación que usa un sensor VOC para detectar olores y neutralizarlos con leds UV-A y un filtro fotocatalítico, mientras que la segunda tarjeta permite la esterilización de aire, agua y superficies con la ayuda de los leds UV-C.

La diferencia entre desinfección y esterilización

La desinfección reduce el número de gérmenes que pueden causar enfermedades hasta tal punto que ya no hay riesgo de infección.

Durante la esterilización, todos los microorganismos, como bacterias, hongos, esporas o virus, se eliminan en todas sus fases de desarrollo.

Por qué los leds no generan ozono

En cuanto a la utilización de purificadores de aire, ha habido repetidas advertencias sobre la formación de ozono, que resulta perjudicial para la salud. Los ionizadores generan ozono para descomponer las moléculas en el aire que se perciben como olores desagradables y, en consecuencia, eliminar dichos olores. Los equipos basados en precipitadores electrostáticos o filtros electrostáticos o que funcionan con plasma no térmico también pueden formar ozono.

Sin embargo, esto no se aplica a aquellos dispositivos fundamentados en el efecto de los leds UV-C. El ozono está compuesto por tres átomos de oxígeno. Para producir el gas, se debe romper el enlace químico de oxígeno. Para hacer esto, la energía de enlace generada por la fuente de luz tiene que ser mayor a la del oxígeno, que es 5.1 eV (electronvoltios). Una lámpara de vapor de mercurio, por su parte, genera una energía de enlace de 6,7 eV. Obviamente, esto permite generar ozono. En cambio, la energía de enlace de un LED UV-C es de sólo 4,5 eV, por lo que no es capaz de formar ozono.