La lampada UV-C è un particolare tipo di  lampada germicida che produce luce nel particolare spettro ultravioletto. Essa è alla base dei sistemi di controllo alghicidi e dei sistemi di disinfezione basati sulla radiazione ultravioletta (UV); è infatti questa particolare lunghezza d’onda che permette di inattivare il DNA dei microrganismi inibendone la capacità di proliferazione e quindi di contaminazione.

Cosa è l’Ultravioletto?

La radiazione Ultravioletta (UV) è una forma di energia elettromagnetica prodotta naturalmente dal sole. Il suo nome significa “oltre il violetto” (dal latino ultra, “oltre”), perché il violetto è il colore visible con la lunghezza d’onda più corta. Il suo spettro di luce, appena al di sotto della luce visibile, è suddiviso in quattro zone spettrali distinte: Vacuum UV (100 a 200 nm), UV-C (da 200 a 280 nm), UV-B (280 a 315 nm) e UV-A (315 a 400 nm).

Come funziona l’azione germicida UV-C ?

L’azione germicida della radiazione ultravioletta venne scoperta nel tardo ‘800 benché le modalità di azione non siano ancora state chiarite del tutto e anche se l’intero spettro UV può uccidere o inattivare molte specie di microrganismi è però la zona UV-C, con energia a 253,7 nanometri, che fornisce l’effetto maggiormente germicida.

L’esposizione UV-C inattiva organismi microbici come batteri, funghi, spore e virus attraverso processo esclusivamente fisico e non chimico in quanto le radiazioni vengono assorbite dalle molecole del nucleo della cellula alterando la struttura dei legami molecolari del DNA (acido desossiribonucleico) che questi organismi utilizzano per riprodursi.

Le purine e le pirimidine sembrano essere i bersagli principali dell’azione dei raggi UV-C.

Distruggendo la capacità dell’organismo di riprodursi esso diventa innocuo in quanto non può colonizzare infatti, dopo l’esposizione UV-C, l’organismo muore senza lasciare figli e la popolazione del microrganismo diminuisce rapidamente.

Il grado di inattivazione per mezzo della radiazione ultravioletta è direttamente proporzionale alla dose di UV applicata all’acqua. Il dosaggio, un prodotto tra l’intensità della luce UV e il tempo di esposizione, è misurato in microwatt per secondo a centimetro quadrato: µW·s/cm². Dosaggi da 2 a 8 µW·s/cm² uccidono il 90% dei batteri.

Sebbene le lampade UV-C installate nei nostri sistemi non producano mai una colonna d’acqua completamente sterile esse, se adeguate al flusso d’acqua dell’impianto,  possono mantenere costantemente bassi i microbi presenti nel flusso.

Controllo delle alghe attraverso la luce ultravioletta

Una lampada ad ultravioletto NON è un sostituto per la filtrazione biologica in quanto la disinfezione UV non rimuove i composti organici, inorganici e le particelle presenti nell’acqua.

Essa rimane comunque uno dei modi migliori per garantirsi acqua chiara quando il problema della chiarezza è dovuto alla prolificazione delle alghe monocellulari che rendono il nostro pond completamente verde.

Il meccanismo di azione è identico all’azione germicida nei confronti dei batteri in quanto l’esposizione impedisce alla cellula algale di replicarsi. La lampada UV-C invece non ha però nessuna indicazione contro le alghe filamentose.

La lampada UV-C deve essere lasciata in funzione 24 ore su 24 e la sua efficacia dell’azione alghicida (come per l’azione germicida) dipende dal contenuto di particelle (torbidità) dell’acqua che possono proteggere le cellule algali (o i microorganismi) dall’ irradiazione UV.  Per questo, è utile il suo posizionamento a valle di un filtraggio meccanico.

Caratteristiche delle lampade UV-C 

L’efficacia della luce UV dipende da una serie di fattori tra cui: l’intensità della lampada, l’età della lampada, la pulizia della superficie della lampada, la distanza tra la lampada e l’organismo da inattivare, il tipo di organismo da inattivare, la durata dell’esposizione UV e la purezza dell’acqua.

In commercio esistono alcune tipologie:

Le lampade in a bassa pressione offrono elevate efficienze in cui circa il 35/40 % di energia elettrica è convertito direttamente in radiazioni UV-C ma con una potenza inferiore, in genere una densità di potenza di 1 W / cm³.

Le lampade a media pressione hanno un ampio e spettro di picco di linea pronunciata e un’alta emissione di radiazioni, ma un’efficacia UV-C inferiore del 10% o meno. La densità di potenza tipica è di 30 W / cm³ o superiore.

Le lampade a bassa pressione ad amalgama rappresentano la soluzione migliore per il koi keeper poiché operano a temperature più alte e associano una durata di vita molto lunga (fino a 16000 ore). Esse non contengono esclusivamente mercurio ma all’interno della lampada viene posizionato un amalgama solido, ovvero una lega di mercurio con altri metalli.  La loro efficienza è leggermente inferiore a quella delle lampade tradizionali a bassa pressione (circa 33% Uscita UV-C) ma la densità di potenza è di circa 2-3 W / cm³.

Le lampade UV-C possono essere immerse nell’acqua ma, di solito, sono collocate all’interno di una camera, in linea sul sistema, in cui scorre l’acqua del pond. Queste camere sono dotate di dischi di turbolenza per ridurre il flusso d’acqua e di riflettori per un maggiore ed efficace irraggiamento.

La forza di uscita della luce UV-C si deteriora continuamente dalla prima accensione, in generale è verificato un decremento del 3% al mese. E’ normalmente necessario il cambio del bulbo UV una volta all’anno quando l’efficienza raggiunge il 60 % dell’originale potenza.

La forza di uscita UV-C è altresì influenzata dalla temperatura dell’aria con un 100% di resa a 38 ° C, per questo le lampade vengono inserite in tubi di quarzo che creano una tasca d’aria calda intorno alla lampadina UV-C  mantenendo così la forza di uscita vicino al suo massimo potenziale.  Inoltre la scelta del quarzo non è casuale; questo materiale ha una trasmissività elevata ed è altamente trasparente alla radiazione UV.

Ovviamente possono verificarsi incrostazioni o lesioni sui tubi in vetro di quarzo che pertanto devono essere puliti regolarmente per mantenere una intensità UV ottimale.

Rischi e avvertenze di utilizzo

La radiazione UV-C è in grado di rompere i legami chimici. Questo porta ad un rapido deterioramento degli isolamenti e delle guarnizioni in plastica e altri materiali. È da notare che le plastiche vendute come resistenti agli UV sono testate solo per l’UV-B, dal momento che l’UV-C normalmente non raggiunge la superficie della Terra. Quando l’UV è usato vicino alla plastica, alla gomma o agli isolamenti devono essere prese delle precauzioni per schermare i suddetti componenti; un foglio di alluminio o una superficie di altri metalli sono sufficienti.

La luce UV-C con lunghezza d’onda corta è inoltre estremamente pericolosa per l’uomo. Oltre a causare scottature e, col tempo, il cancro della pelle, questa luce può produrre infiammazioni della cornea dell’occhio estremamente dolorose, che possono portare alla temporanea o permanente diminuzione della vista. Può inoltre danneggiare la retina dell’occhio. Per questa ragione, la luce prodotta da una lampada germicida deve essere attentamente schermata contro la visione diretta, la riflessione, e la dispersione, che potrebbero entrare nel campo visivo degli operatori. [fonte Wikipedia]

La nuova frontiera UV-C : la fotocatalisi

La fotocatalisi è il fenomeno nel quale una sostanza, detta fotocatalizzatore, attraverso l’azione della luce (naturale o artificiale)  modifica la velocità di una reazione. Questo fenomeno è stato scoperto nel 1972 da Fujshima e Honda ma il processo di analisi si è intensificato soprattutto negli ultimi anni.

Il meccanismo della fotocatalisi sfrutta l’energia solare per rendere attivi i fotocatalizzatori. Questi, qualora illuminati da luce avente appropriata lunghezza d’onda, inducono la formazione di reagenti fortemente ossidanti in grado di decomporre le sostanze organiche ed inorganiche presenti.

La fotocatalisi è, in sostanza, un acceleratore dei processi di ossidazione già attivi in natura ed entra a far parte della categoria dei processi di ossidazione avanzata AOP (Advanced Oxidation Processes).

Questi processi si basano sulla produzione di radicali ossidrilici (HO·), specie chimiche altamente ossidanti (hanno potere ossidante molto elevato), caratterizzate da elevata reattività e forte instabilità, e per questo di vita molto breve.

Perché usare un fotocatalizzatore ?

In tutti i sistemi UV-C tradizionali, il potenziale di distruzione di germi e agenti patogeni è limitata dalla capacità ridotta di penetrazione UV attraverso cisti e altre membrane protettive di questi organismi.

Per contrastare questo fenomeno e aumentare l’efficienza delle lampade, la superficie interna del reattore di acciaio contenente la lampada UV è ricoperta da costituito da un nano-strato fotocatalitico che, una volta attivato dai raggi UV, causerà una iper-ossidazione con conseguente distruzione delle strutture di protezione degli agenti patogeni, aumentando così sensibilmente l’efficacia biocida della radiazione UV.

Il Biossido di Titanio (TiO₂)

Il biossido di titanio (TiO₂) è un ossido semiconduttore dotato di una elevata reattività per cui può essere chimicamente attivato dalla luce solare. Sembra essere il fotocatalizzatore ideale per molteplici motivi: è poco costoso, disponibile in natura, non nocivo per l’uomo e fortemente ossidante.

Negli ultimi anni l’interesse scientifico e tecnico per le applicazioni del biossido di titanio (data la forte attività fotocatalitica esercitata dovuta alle sue caratteristiche chimiche e fisiche) è cresciuto esponenzialmente; più di duecento studi all’anno sono pubblicati nel solo settore del trattamento di aria e acqua.

In particolare il TiO₂ è risultato il catalizzatore più efficace, rispetto ad altri impiegati, nella degradazione di molti contaminanti di interesse. L’importanza pratica del biossido di titanio è dimostrata dal suo utilizzo come pigmento per pitture e polimeri. Inoltre, gli elettroni fotogenerati sono sufficientemente riducenti da produrre l’anione superossido dall’ossigeno. Gli ioni super-ossido sono delle particelle fortemente reattive in grado di poter ossidare materiali organici. Per questo motivo l’utilizzo del TiO2 è molto importante per la depurazione di acqua e aria.

Come agisce il Biossido di Titanio

Il TiO2 agisce assorbendo la luce circostante e trasformandola in energia chimica. Come un catalizzatore semiconduttore, le nanoparticelle di biossido di titanio sono attivate dalla luce UV e producono composti ossidanti di breve durata: ossigeno e gruppi ossidrili.

Le nano-particelle si comportano come semiconduttori assorbendo fotoni. Ciò si traduce in separazione di elettroni e lacune positive e, infine, di radicali ossidanti di breve durata e di ossidrili.

Il processo chimico che sta alla sua base è in pratica un’ossidazione che si avvia grazie all’azione combinata della luce artificiale e dell’acqua.

Quando il semiconduttore TiO2 è colpito da fotoni aventi un elettrone (e–) è in grado di migrare dalla banda di valenza alla banda di conduzione, generando una vacanza.

Essendo a contatto con l’acqua (H₂O) le lacune producono radicali ossidrilici (OH•) mentre gli elettroni sono abbastanza riducenti da produrre dall’ossigeno l’anione superossido (O₂–). Nel caso del TiO2 il potere ossidante delle lacune è molto maggiore del potere riducente degli elettroni. Queste due specie, fortemente reattive, sono in grado di decomporre le sostanze.

Applicazione nelle lampade UV-C

La nuova frontiera delle lampade UV-C presenta quindi un importante progresso tecnologico per i koi keeper evoluti.

Sul mercato europeo sono già apparse lampade UV destinate ai Koi Pond che presentano all’interno della camera di irradiazione uno strato di nanoparticelle TiO₂ , come la AS-UV Synergy della belga Aquatic Science.

La nuova lampada UV da loro proposta è basata sulla sinergia tra la radiazione UV ed il processo di ossidazione avanzata (fotocatalisi).

I vantaggi dichiarati sono: I radicali ossidrile generati dalla attivazione del catalizzatore sono ossidanti due volte il cloro ma non provocano effetti nocivi!;  L’iper-ossigenazione causata dalla fotocatalisi è benefica per il ciclo dell’azoto; La fotocatalisi rallenta la formazione di incrostazioni sul manicotto di quarzo.

Allo stato attuale però il prezzo non è sicuramente dei più abbordabili……. speriamo che, con l’ingresso sul mercato di altre ditte, anche questo aspetto, non secondario, possa rendersi più appetibile

letteratura:

HARM, W., 1980, Biological Effects of Ultraviolet Radiation, Cambridge University Press.

Montgomery, J.M. (2005) Water treatment: principles and design. John Wiley & Sons.

Professors John Bergendahl and Rajib Mallick Utilizing,  UV/TiO2 Advanced Oxidation to Degrade Organic Compounds in Water