UV-valolla puhdasta vettä maailmalle

Lappeenrannan teknillisen yliopiston (LUT) vihreän kemian laboratoriossa työskentelevän Mikko Rantalankilan suunnitelmissa on saada tohtorinhattu desinfioimalla vettä ja ilmaa UV-LED -valolla. Väitöstyön ensimmäiset tutkimustulokset valmistuvat kevään aikana.

UV-valo on ultraviolettivaloa, jota ei ihmissilmällä näe. Sen aallonpituus on lyhyt, vain 10 – 400 nanometriä. UV-valon desinfioiva vaikutus perustuu siihen, että se tunkeutuu viruksen tai bakteerin solunseinämän läpi, sotkee DNA-ketjun ja ennen pitkää tappaa mikrobin. Vesi itsessään ei muutu miksikään, eikä desinfioinnista aiheudu mitään kemikaalijäämiä. Veden desinfioimisen lisäksi UV-valolla voidaan steriloida esimerkiksi kirurgin leikkausvälineet tai tuhota antibiooteille vastustuskykyisiä sairaalabakteereita.

Desinfiointi UV-valolla ei ole mikään uusi keksintö, sillä menetelmä on tunnettu jo sata vuotta. Ongelmana on, että nykyisin käytössä olevat UV-desinfiointilaitteet ovat suuria ja hankalakäyttöisiä elohopealamppuja. Niiden käytössä on ongelmana energiankulutus, elohopean myrkyllisyys ja käyttöikä, jota jokainen sytytys lyhentää. Lisäksi elohopealamppu syttyy täyteen tehoonsa hitaasti, mikä huonontaa desinfiointitulosta ja sen arviointia. Perinteiset lamput myös rikkoontuvat helposti.

Puhtaan veden riittävyys on suuri haaste

Pohjoismaat ja Kanada ovat maailman ainoat maat, joissa puhdasta vettä on runsaasti. Kaikkialla muualla maapallolla puhtaan veden saanti on suuri haaste.

– Tulevaisuudessa puhdas vesi ja puhdas ilma ovat entistä arvokkaampia. Uusilla energiatehokkailla, kustannustehokkailla sekä ympäristöystävällisillä puhdistusmenetelmillä tulee olemaan kysyntää, painottaa Rantalankila ja jatkaa, että UV-LED:llä voitaisiin korvata vanhanaikaiset UV-lamput.

– Veden ja ilmapuhdistuksen lisäksi UV-LED:ille voidaan kehittää uusia sovelluksia esimerkiksi lääketieteelliseen käyttöön. Sairaalabakteerit ovat kehittäneet antibiooteille vastustuskykyisiä muotoja, joten niiden tappamiseen kaivataan järeämpiä aseita. UV-valo on tehokasta, sillä bakteerit eivät ole sille vastustuskykyisiä. Tutkin, miten UV-LED:llä saadaan aikaiseksi tehokkaaseen desinfiointiin vaadittava valovoima niin, että bakteerit saadaan tuhottua ilmasta, vedestä ja kiinteistä materiaaleista.  Samalla seuraan markkinoilla olevien ja sinne tulevien UV-laitteiden kehitystä.

Rantalankila tutkii UV-valon vaikutuksia sekä seisovaan että virtaavaan veteen. Hän etsii valotehojen, viipymäaikojen ja aallonpituuksien optimeja. Veden desinfioinnin lisäksi Rantalankila tutkii myös ilman, erilaisten kiinteiden aineiden ja pintojen desinfiointia.

Uusilla tuotteilla tehokkuutta ja huoltovapautta

Rantalankila kertoo, että tuotteissa haetaan erityisesti tehokkuutta ja huoltovapautta. Laitteiden liittämismahdollisuudet jo olemassa oleviin laitteistoihin, kuten ilmanvaihto- ja suodatusjärjestelmiin sekä jäte- ja käyttövedenpuhdistuksiin varmistetaan. Lisäksi hän tutkii mahdollisuutta valmistaa pieniä ja keskisuuria käsin käytettäviä UV-säteilyttäjiä, joilla olisi mahdollista desinfioida nesteitä, kiinteitä pintoja ja esimerkiksi käytettyjä ilmansuodattimia.

– Ledit ovat pieniä ja kestäviä, ja niitä voidaan käyttää täysin uusiin  käyttökohteisiin. Elohopealamppujen säteilymaksimi on hieman pielessä, ja energiaa tuhlautuu lampun tuottaessa vääränlaista säteilyä. Ledeillä saadaan aikaiseksi juuri oikeanlainen säteily.

Vedenpuhdistuslaitteessa vesi johdetaan kammioon, jossa ledit antavat sille tasaisen säteilyannoksen. Nesteissä UV-valon intensiteetti vähenee nesteen sameuden mukaan. Sameus johtuu vedessä olevista epäpuhtauksista, muun muassa raudasta ja humuksesta. Ennen UV-säteilytystä samea vesi on ensin puhdistettava esimerkiksi suodattamalla.

Tutkimus tähtää valotuotteiden teolliseen valmistukseen

Ilmanpuhdistuksessa on kaksi tapaa; ilmastointiputkissa kulkeva ilma desinfioidaan tai huoneilmaa puhdistetaan katonrajaan sijoitetuilla lampuilla.

Rantalankilan mukaan suurimman haasteen aiheuttavat erilaisten pintojen desinfiointi. Pienet pinnat on helppo puhdistaa, mutta suurten pintojen desinfiointi on haastavaa. Lisäksi pinnan epätasaisuudet tai pinnan huokoisuus antavat mikrobeille suojan säteilyltä. Pinnan pitäisi olla täysin sileä ja pölytön.

Tutkimuksen tavoitteena on kehittää uusia ja laadukkaita UV-LED-tuotteita ja tehdä suunnitelmat niiden teolliseen valmistamiseen.

UV-LED-laitteiden potentiaalisia asiakkaita ovat esimerkiksi sairaalat, vesilaitokset, kylpylät, elintarviketeollisuus, kauppakeskukset ja ravintolat sekä muut julkiset tilat, jossa on korkea tartuntojen leviämisriski.

Vihreän kemian laboratorio

LUT Energian vihreän kemian laboratorio ratkoo ympäristöongelmia kemiallisin analyysi- ja käsittelymenetelmin. Eräässä juuri alkavassa hankkeessa tutkitaan uusien, nanorakenteisten ja -kokoisten valokatalyyttien käyttöä myrkyllisten orgaanisten yhdisteiden poistoon vedestä yhdessä joko näkyvän tai UV-valon kanssa.

Menetelmä mahdollistaisi nykyisiin verrattuna energiatehokkaamman vedenpuhdistuksen. Lisäksi laboratoriossa käynnistyy kaksi hanketta, jotka myös käsittelevät vedenpuhdistusta. Toisessa tutkitaan biomassan hyödyntämistä vedenpuhdistuksessa ja energiantuotannossa. Toinen hanke tutkii kaivosteollisuuden jätevedenkäsittelyä. Siinä etsitään kaivosteollisuuteen sopivia absorbenttimateriaaleja.

Projektin vetäjä ja päävastuuhenkilö on kansainvälisen ympäristötieteiden palkinnonkin saanut professori Mika Sillanpää. Hän toimii vihreän kemian laboratorion johtajana ja professorina Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa sekä dosenttina Aalto-yliopistossa ja Jyväskylän yliopistossa. 

Vuonna 2010  hänen voittamansa  International Council for Sciencen tieteellisen ohjelman SCOPE (Scientific Committee on Problems of the Environment) Young Scientist Award on Environmental Issues –palkinnon perusteissa sanotaan muun muassa, että palkinto myönnettiin ansiokkaasta tutkimustyöstä maailmanlaajuisten ympäristöongelmien parissa, varsinkin erilaisten ympäristötekniikan sovellusten kehittämisestä ja uusista innovaatioista veden ja jäteveden puhdistuksessa.

Professori Sillanpään kirjoitus maapallon rajallisiin vesivaroihin liittyvistä haasteista Millennium prize -blogissa.

Kysymys-/vastauspalsta jatkaa MuroBBS:ssä

Foorumin puolella on edelleen oma viestiketju, jossa Lappeenrannan teknillisen yliopiston tohtoriopiskelijat ja professorit vastaavat murolaisten kysymyksiin. Kysymykset voivat liittyä yhtä hyvin opintoihin kuin muihinkin energia-, sähkö- tai ympäristötekniikan kiinnostaviin kysymyksiin, esimerkiksi tuulivoimaan, aurinkoenergiaan, bioenergiaan, ydinvoimaan ymv. Toki myös Lappeenranta opiskelukaupunkina voi herättää mietteitä. Kysymyksissä voi nostaa esille omakohtaisia kokemuksia, oivalluksia ja haasteita, joihin on törmännyt energiaan liittyen. Emme rajaa aiheita tiukasti, joten nyt vain kysymysten pariin ja odottamaan vastauksia!