Pour créer un pouvoir germicide avec de la lumière, il faut créer un rayonnement UVC spécifique. Puis, il faut le mettre en œuvre dans un réacteur adapté pour appliquer les doses UVC nécessaires à la destruction des micro-organismes pathogènes.

 

Comment créer de la lumière UV ?

Les UV sont un spectre de lumière qui se situe juste en dessous de la plage visible pour l’œil humain. Le spectre UV-C (185 – 280 nm) est connu sous le nom de spectre germicide car c’est la région qui contient la longueur d’onde germicide maximale (260 nm). Les réacteurs UV pour le traitement de l’eau comportent au minimum une lampe UV contenant généralement de l’argon et une petite quantité de mercure, parfois sous forme d’alliage : l’amalgame.

Les ampoules UV contiennent aussi des filaments qui, en présence d’électricité, permettent de produire un courant électrique vaporisant le mercure à l’intérieur de la lampe. Ce mercure évaporé créer des arcs électriques qui génèrent un rayonnement ultraviolet à 254 nm, très près de l’optimum à 260 nm. Les lampes germicides émettent quand même un peu de lumière visible à cause des autres spectres émis par le mercure. Toutes les lampes germicides nécessitent l’utilisation d’un ballast externe pour réguler le courant qui les traverse.

Les LED UVC

Une autre technologie prometteuse mais qui n’est pas encore disponible en industrie consiste à créer un rayonnement UVC grâce à des LED UV. Les semi-conducteurs à LED UV émettent un rayonnement étroit entre les pôles positifs et négatifs lorsqu’ils sont mis sous tension. Les LED UV constituent certainement l’avenir de la désinfection UV, avec une durée de vie supérieure, l’absence de mercure et une consommation électrique plus faible.

Les lampes Excimer

Une troisième technologie sans mercure est tout aussi prometteuse. Un circuit électrique modulé est appliqué sur un corps en verre de quartz rempli de gaz Xe (p. ex. plusieurs centaines de kHz ; plusieurs kV de haute tension). Grâce à une molécule Xe2 excitée, et selon le type de gaz rare et d’halogène utilisé, différentes radiations quasi monochromatiques peuvent être obtenues. La lampe à excimère KrCl* est la plus importante pour la désinfection, rayonnant à 222 nm et XeBr* avec un rayonnement de 282 nm. Cette technologie ne nécessite pas de temps de préchauffage. Ces lampes Excimer, cependant, souffrent d’une faible efficacité UVC de ~8. Autre inconvénient à ce jour, les coûts d’investissement élevés pour les lampes et l’électricité consommée.

 

Est-ce que la lumière UV est exposée directement à l’eau ?

Oui, les rayons UV sont exposés à l’eau. Par contre, la lampe UV n’entre jamais en contact direct avec l’eau. Elle est placée à l’intérieur d’une gaine de quartz, au centre du réacteur. La lampe est montée de façon à ce que l’eau puisse passer à travers une chambre d’écoulement et que les rayons UV émis soient absorbés par le flux.

 

Comment dimensionner un système UV ?

La dose UV est le paramètre de dimensionnement d’une installation UV. Chaque micro-organisme a besoin d’un niveau d’énergie UV spécifique pour perturber son ADN. Ce niveau d’énergie est appelé « dose UV ». La dose est donc une mesure de l’effet biologique du rayonnement UV. La mesure est exprimée en mWs/cm² et/ou mJ/cm².

Plus elle est élevée, plus la chambre qui contient la lampe UV et l’exposition de l’eau à celle-ci sont grandes. Les systèmes de désinfection UV disponibles sur le marché permettent donc de répondre aux différents besoins en dose d’UV, qui dépendent des microorganismes à éliminer.

 

Calcul de la dose UV

Le calcul de la dose d’un système UV dépend de trois variables :

  • Durée d’exposition (déterminé avec le débit d’écoulement)
  • Puissance du rayonnement de la lampe (puissance par unité de surface)
  • Transmittance UV dans l’eau

La durée (T en secondes) est déterminée par le débit traversant (Q en m3/s), et le volume du réacteur (V en m3): T = V / Q

La puissance correspond à l’intensité x tension x de la lampe UV divisé par la surface (en Watt/m²). Attention cependant, les ampoules UV perdent un peu de leur efficacité avec le temps, il est nécessaire de dimensionner un système en utilisant sa puissance en fin de vie.

La dose, c’est le produit de l’intensité émise par les lampes avec la durée d’exposition au rayonnement : Dose = intensité UV (Watt/m²) x seconde = Joule/m².

Par exemple, pour respecter les critères microbiologiques de potabilisation des eaux, la dose UV doit généralement être de 300 Joule/m² = 30 mJoule/cm² = 30 mWatts/cm².

La transmittance est la capacité d’une substance à laisser passer la lumière UV, mesurée sur 1 cm de liquide. La transmittance s’exprime couramment en pourcentages (0 % pour un matériau opaque). Lorsque la lumière irradie l’eau, l’eau absorbe une partie du rayonnement. L’effet désinfectant diminue à mesure que le rayonnement s’éloigne de la source.

Pour pouvoir dimensionner correctement un réacteur de désinfection UV, il faut donc :

  • Connaitre l’application (pour déterminer la dose correcte d’UV)
  • Connaitre le débit (permettant de déterminer la durée d’exposition dans le réacteur)
  • Connaitre la transmittance de votre eau

Heureusement, 1H2O3 a déjà fait tous ces calculs pour vous ! Vous pouvez dimensionner en ligne votre installation UV pour plusieurs types d’application avec ce formulaire 🙂

 

Facteurs influençant la dose de rayonnement UV

Plusieurs facteurs peuvent affecter le processus de désinfection de l’eau, et ainsi la capacité des rayonnements UV à désactiver et rendre inoffensifs les microorganismes contenus dans l’eau.

 

Facteurs d’influenceEffets
Transmittance UVPeut affecter les exigences de dimensionnement du système
Fer/ManganèseAbsorption des rayons UV
Dureté de l’eauFormation possible de tartre sur la gaine de protection
Turbidité (teneur en particules en suspension)Provoque un écran protégeant les microorganismes contre le rayonnement
Tanins (substances organiques naturelle)Peuvent affecter la transmission UV
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