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Las lámparas de luz ultravioleta son muy populares para uso en tratamiento y desinfección de agua, tanto a nivel doméstico como comercial e industrial.  Las aplicaciones pueden ser muy variadas dependiendo de la longitud de onda que tenga la luz UV utilizada.   A continuación se resume brevemente a qué se denomina luz UV y dos de las principales aplicaciones que se le da a la luz UV en tratamiento de agua:  desinfección y oxidación de compuestos difíciles de tratar.

¿Qué es la luz Ultravioleta?

La luz ultravioleta es un tipo de radiación electromagnética que tiene una longitud de onda más corta que la de la luz visible. Los colores morado y violeta tienen longitud de onda más cortas que otros colores de luz, y la luz ultravioleta tiene longitudes de ondas aún más cortas que la ultravioleta, de manera que es una especie de luz más morada que el morado o una luz que va más allá del violeta.  La radiación ultravioleta se encuentra entre la luz visible y los rayos X del espectro electromagnético. La longitud de onda de la luz ultravioleta varía entre los 10 y 400 nanómetros. 

 

Nombre Abreviatura Longitud de onda (nm) Energía por fotón (eV)
Ultravioleta A (onda larga) UVA 400 – 315 3,10 – 3,94
Ultravioleta B (onda media) UVB 315 – 280 3,94 – 4,43
Ultravioleta C (onda corta) UVC 280 – 100 4,43 – 12,40
Ultravioleta cercano (near) NUV 400 – 300 3,10 – 4,13
Ultravioleta medio (middle) MUV 300 – 200 4,13 – 6,20
Ultravioleta lejano (far) FUV 200 – 122 6,20 – 10,16
Línea Lyman-alpha H Lyman-α / Ly-α 122 – 121 10,16 – 10,25
Ultravioleta de vacío VUV 200 – 10 6,20 – 124
Ultravioleta extremo EUV 121 – 10 10,25 – 124

Algunas veces, el espectro ultravioleta se subdividide en los rayos UV cercanos (longitudes de onda de 380 a 200 nanómetros) y un rayo UV extremo (longitudes de onda de 200 a 10 nm). El aire normal generalmente opaca para los rayos UV menores a 200 nm (el extremo del rayo de los rayos UV); el oxígeno absorbe la «luz» en esa parte del espectro de rayos UV.

La generación artificial de la luz UV se realiza a través de un emisor (lámpara) de cuarzo puro, el cual contiene un gas inerte que es el encargado de proveer la descarga inicial, y conforme se incrementa la energía eléctrica, el calor producido por el emisor también aumenta junto con la presión interna del gas, lo cual genera la excitación de electrones que se desplazan a través de las diferentes líneas de longitud de onda, produciendo la luz UV. Una descarga de presión baja produce un espectro a 185 y 253.7 nm. Los emisores de luz UV de presión media producen radiación multionda, es decir, diferentes longitudes de onda de diversa intensidad a través del espectro UV-C.

Desinfección de agua con luz UV

La purificación del agua mediante rayos ultravioleta (UV) es un método rápido y efectivo para desinfectar el agua de consumo humano; sin la necesidad de utilizar productos químicos, ni añadir calor o hervirla.  Tanto si se utiliza como un complemento a un programa de tratamiento de agua multi-etapas o complementario, la luz UV sigue creciendo en popularidad por todo el mundo, como una tecnología eficaz  para la purificación del agua.   

Los sistemas con luz UV, o en combinación con otros métodos para proporcionar agua purificada, cumplen con las normativas para la  salud pública de reconocidas organizaciones; entre ellas las de la US EPA (Agencia de Protección Ambiental de USA) y la OMS (Organización Mundial de la salud). La Water Quality Association (Asociación para la calidad del agua) con sede en USA, considera a los equipos que utilizan luz UV como uno de los más efectivos métodos para la purificación del agua.

Es conocido que el agua que llega a nuestros hogares desde la red pública sufre procesos de contaminación durante el transporte, bombeo, almacenamiento y distribución; no siempre en las condiciones higiénicas óptimas. Debido a filtraciones, arrastres de sedimentos y/o viejas tuberías, adquiere características indeseables en cuanto a olor, color, sabor y presencia de sustancias y microorganismos que ponen en riesgo nuestra salud. El agua proveniente de la red pública puede contener microorganismos que producen enfermedades y que no se detectan a simple vista o por el olor o sabor.

Los sistemas de tratamiento y desinfección de Agua mediante luz Ultra Violeta (UV), garantizan la eliminación de entre el 99,9% y el 99,99 de agentes patógenos. Para lograr este grado de efectividad casi absoluta mediante este procedimiento físico, es totalmente imprescindible que los procesos previos del agua eliminen de forma casi total cualquier turbiedad de la misma, ya que la luz Ultravioleta debe poder atravesar perfectamente el flujo de agua a tratar.  Los purificadores de agua con luz Ultravioleta funcionan mediante la «radiación» o «iluminación» del flujo de agua con una o más lámparas de silicio cuarzo.  Por lo tanto, el agua fluye sin detenerse por el interior de los purificadores, que contienen estas lámparas.

Cuando los microorganismos son expuestos a una dosis adecuada de radiación ultravioleta a 253.7 nm de longitud de onda (UV-C), el ADN (acido desoxirribonucleico) de las células absorben los fotones UV causando una reacción fotoquímica irreversible, la cual inactiva y destruye las células.  La propiedad que tiene el ADN, presente en el núcleo de las moléculas de todos los microorganismos (bacteria, virus, hongos y quistes) de absorber la radiación UV produce el efecto de rompimiento de las cadenas de los aminoácidos de proteínas, causando una disrupción metabólica afectando su mecanismo reproductivo y logrando así su inactivación, eliminando sus propiedades para producir enfermedades y de crecimiento microbiológico. Uno de los principales beneficios al aplicar luz UV con propósitos de desinfección es que no se utiliza ningún tipo de químico.

Los principales aspectos que deben tomarse en cuenta para seleccionar un sistema de desinfección de agua con luz UV son:

  • Tipo o calidad de agua (p.e. agua deionizada, agua potable, agua residual tratada, etc.) 
  • Flujo de agua 
  • Porcentaje de Transmitancia (%T10), la cual considera las impurezas presentes en el agua capaces de absorber y/o reflejar la radiación UV. 
  • Concentración de Hierro 
  • Concentración de Manganeso 
  • Tipo y concentración de microorganismos 
  • Reducción deseada 
  • Dosis de luz UV (mWs/cm2), considerada como la Intensidad de luz (mW/cm2) multiplicada por el Tiempo de residencia (segundos) 

Es muy importante conocer que la efectividad de los Purificadores Ultravioleta depende de que cada molécula de agua reciba una dosis mínima de Luz Ultravioleta. Esta dosis será definida en función del uso que se le dé al agua tratada. Por lo tanto, jamás debe usarse un equipo de purificación para flujos o volúmenes de agua superiores a las indicadas por el fabricante. Es importante, así mismo, seguir las indicaciones del fabricante para la comprobación de su correcto funcionamiento, y los plazos para la sustitución de las lámparas, que garantizan su efectividad.

El diseño de un esterilizador ultravioleta tiene su base sobre como la dosis se entrega. Las lámparas individuales emiten una cantidad específica de energía ultravioleta y el flujo es un factor determinante por lo que no debe ser sobredimensionado. El tamaño de la cámara de reactor es también de importancia extrema dado que la intensidad disminuye por el cuadrado de la distancia después la lámpara.  La selección de la balastro debe coincidir con la corriente activa correcta de la lámpara dado que una pérdida en intensidad ocurrirá si la lámpara no es operada en el rendimiento correcto. Las balastros de estado sólido ofrecen las ventajas de temperaturas más frescas, requerimientos menores de espacio y menos peso, todo con la entrega uniforme de energía.

La luz Ultravioleta suele funcionar donde el cloro no. Hay algunas bacterias que son inmunes al cloro porque cuentan con un caparazón que inhibe el efecto de oxidación que produce el cloro. Una de las limitaciones de la UV, es que solo actúa sobre lo que pasa por la cámara, y si a la salida de esta hay una recontaminación, la uv ya no funciona. A diferencia del cloro que al  estar todo el tiempo en contacto con el agua, no tiene esta limitante.

El diseño de la lámpara Ultravioleta y su funcionamiento es un aspecto a considerar en la elección del equipo a utilizar.  Los tipos y marcas disponibles en el mercado son muy variados.  Los fabricantes han ido desarrollando tecnologías más eficaces y sostenibles como es el caso de las lámparas SmartStream de WATTS.  Este tipo de lámparas que van de flujos de 1 a 50 gpm tienen las siguientes características principales:

  • Focos y reactores de alta eficiencia permiten reducir los espacios de instalación al usar unidades más compactas para mayores flujos
  • Sistema para identificación automática del foco permite un control exacto de su duración y funcionamiento 
  • Ajuste automático de potencia del foco permite ahorrar energía, evita aumentar la temperatura del agua y reduce incrustaciones 
  • Pantallas con información exacta del sistema 
  • Cámaras de contacto fabricadas en acero inoxidable 316 permiten una mayor duración 

 

Oxidación por medio de luz Ultravioleta

Para eliminar las trazas de materia orgánica es posible utilizar una lámpara Ultravioleta que emite radiación de 185 nm para causar un efecto de foto oxidación. Este nivel de radiación hace que el oxígeno presente en el agua se transforme en ozono desencadenando una actividad que oxida la materia orgánica, hasta CO2.  

El término «carbono orgánico total» (TOC) se usa para describir la medición de contaminantes orgánicos (basados en carbono) en un sistema de agua. La contaminación orgánica puede tener distintos orígenes, ya que las «sustancias orgánicas» son compuestos como el azúcar, la sacarosa, el alcohol, el petróleo, el cemento PVC, los derivados basados en plástico, etc.

Por lo general, al ser no iónicos, los contaminantes orgánicos no se detectan en las mediciones de conductividad estándar. Por ello, es posible que las mediciones de alta resistividad (baja conductividad) en un sistema de agua ultrapura no detecten unos niveles elevados de TOC (Total Organic Carbon) en unos niveles elevados de contaminación. Unos niveles elevados de TOC pueden hacer lo siguiente:

  • Degradar los sistemas de purificación.
  • Reducir los rendimientos de los semiconductores.
  • Contaminar lotes farmacéuticos.
  • Dañar los equipos de generación de energía y vapor.

El control y monitoreo de TOC se utiliza para supervisar tanto que el equipo funciona correctamente como la calidad de muchos procesos de purificación del agua. Se emplea en muchas industrias y aplicaciones a los cuales prestamos ya servicio:

  • Industria de semiconductores
  • Industria farmacéutica
  • Generación de energía y vapor

En este tipo de industrias es muy importante reducir el nivel de TOC y por ende se utilizan lámpáaras UV con longitudes de onda de 185 nm.

También cada día es más común usar luz ultravioleta en procesos de oxidación avanzada para degradar sustancias muy estables y difíciles de descomponer.  En procesos de oxidación avanzada con UV 185 nm se agregan oxidantes como peróxido de hidrógeno al agua que se expone a rayos UV de 185 nm generándose la formación de radicales hidroxilo que son extremadamente oxidantes.