Dzięki filtrom atmosfera staje się lżejsza
Czy filtr powietrza może uratować życie?
Gdyby u progu XXI wieku filtry miały odpowiednie zabezpieczenia, nie doszłoby do tragedii w tunelu pod górą Mont Blanc. Prawdopodobną przyczyną było zaprószenie ognia od wyrzuconego niedopałka papierosa, który dostał się do komory filtra powietrza, powodując pożar pojazdu i wspomniana katastrofę. Od tego feralnego zdarzenia w wyniku działań producentów filtrów, którzy szybko wyciągnęli wnioski, stosuje się metodę impregnacji materiału na wkłady filtrujące. Zabezpiecza się je żywicą, która sprawia, że surowiec staje się niepalny. Pod wpływem otwartego ognia z impregnatu wydzielają się
- gazy wypierające tlen,
- para wodna obniżająca temperaturę zarzewia poniżej temperatury zapłonu,
- uwolnione kwasy przyspieszają proces utleniania kanwy materiału, czyniąc ją niestrawną dla płomieni.
Ten przykład dowodzi wagi szczegółów. Na szczęście na co dzień filtry nie pracują w tak ekstremalnych warunkach. Dzięki tym niezwykle skutecznym urządzeniom powietrze w pomieszczeniach jest czyste i pozbawione patogenów. Szczególnie docenić to powinni alergicy wrażliwi na mnóstwo antygenów zawieszonych w powietrzu wypełniającym przestrzenie mieszkalne.
Definicja:
Filtry stanowią integralną część wielu urządzeń. W zależności od rozpatrywanego kontekstu lub zakresu znaczeniowego mogą mieć różne definicje. Najbardziej uniwersalnym opisem jest określenie go mianem membrany albo filmu, który ma za zadanie zatrzymywanie pewnych frakcji z przepuszczanych substancji. Najbardziej znany filtr umiejscowiony jest w ludzkim organizmie. Nerki są najdoskonalszym mechanizmem i niedoścignionym wzorcem dla wszystkich dotychczasowych konstrukcji inżynierskich. Użytkowników klimatyzacji i wentylacji najbardziej interesują filtry powietrza. Dobry i skuteczny filtr powietrza jest barierą nie do przebycia dla większości cząsteczek chaotycznie przemieszczających się w atmosferze. Alerty antysmogowe coraz częściej ogłaszane w dużych skupiskach ludzkich oddają skalę zjawiska. Z badań wynika, że przeciętny Europejczyk spędza w pomieszczeniach zamkniętych do 90% swego czasu. Dlatego dbanie o jakość powietrza wewnątrz lokali zamieszkanych przez ludzi wywołuje tyle troski, co przekłada się na potrzebę normalizacji podyktowaną z kolei względami globalizacji i wszechogarniającą siecią połączeń rynków handlowych.
Charakterystyka ogólna
W gronie najważniejszych parametrów określających atrybuty filtrów znalazły się takie wartości:
- stopień odpylania − inaczej współczynnik zatrzymania; jest ilorazem dwóch wartości wagowych − pyłu zatrzymanego do masy pyły dostarczonego.
- sprawność filtrowania − wyrażona bezwymiarowo jako stosunek pyłu o określonej gradacji do wartości bazowej i wyrażoną jednostką procent.
- wolumen pyłowy filtra − określany podczas testów pyłem syntetycznym; wynikiem jest masa pyłu osadzonego wewnątrz filtra od początku testu do chwili osiągnięcia granicznej wartości oporów przepływu.
- posiew wtórny − jego skład uzupełniają cząsteczki wcześniej zatrzymane, ale w wyniku działania sił uwolnione z sieci włókien oraz strzępy materiału filtracyjnego.
- przepuszczalność filtra − charakteryzuje przedostawanie się badanej frakcji zanieczyszczeń i jest przedstawiona jako stosunek wartości stężenia przed i za filtrem.
- opór na przepływie − czyli spadek ciśnienia statycznego po obu stronach filtra.
Konstrukcje i materiały − różne rodzaje filtrów powietrza i nie tylko
W jaki sposób zostały sklasyfikowane filtry? Ze względu na komplikację budowy, zaawansowanie technologiczne i przeznaczenie wytypować można kilka kryteriów do usystematyzowania rodziny wkładów filtrujących.
Pierwszy podział wynika z rodzaju użytego materiału:
A) filtry papierowe − papier na wkłady filtrów uszlachetnia się, stosując dodatki polepszające jego właściwości. Włókna celulozowe uzupełnione zostają włóknami syntetycznymi lub żywicami. Zwiększenie chłonności wkładu osiąga się przez dodanie do składu papierowej pulpy włókien szklanych. Dobre efekty filtracji daje papier dwuwarstwowy. Każda ze stron papieru ma odmienne właściwości. Do wzmocnienia działania filtracji stosuje się żywice. W filtrach powietrza stosuje się żywice epoksydowe, lateksowe lub akrylowe. Do filtrów oleju i paliwa stosuje się żywice polimeryzujące, gdyż obie substancje wypłukują nieutwardzone żywice. W celu zwiększenia powierzchni czynnej filtra stosuje się przetłoczenia na powierzchni papiery lub plisowania pozwalające wielokrotnie zwiększyć ilość użytego surowca.
B) filtry włókninowe − materiałem na wkłady filtracyjne są syntetyki. Najpopularniejszy poliester służy do filtracji gazów i cieczy. Alternatywą dla poliestru jest aramid, polipropylen lub włókno szklane. Dla zwiększenia wydajności oczyszczania wkładu stosuje się powlekanie włókien teflonem lub metalizowanie aluminium.
C) filtry węglowe − węgiel jest idealnym materiałem filtracyjnym dzięki swym niesłychanym właściwościom sorpcyjnym. Węgiel we wkładach oczyszczających ma zmodyfikowaną strukturę i wzbogacony skład. Powstaje z materiału biologicznego (węgiel drzewny) w procesie wygrzewania w wysokiej temperaturze z niewielkim dostępem powietrza. Zawiera węgiel pierwiastkowy w bezpostaciowej konfiguracji jako sadzę lub grafit o niezwykle drobnych kryształach. Jego niezwykłe właściwości absorbujące pochodzą od powierzchni czynnej rozwiniętej przez system mezoporów i mniejszych mikroporów. Powierzchnia kanalików w jednym gramie substancji sięgać może 3,5 tys. m². Filtry węglowe mogą skutecznie filtrować gazy np. powietrze lub ciecze jak ścieki.
W celu zwiększenia skuteczności filtracji stosuje się powlekanie powierzchni kanalików:
a) związkami chemii nieorganicznej (nadmanganian potasu, tlenek glinu) zatrzymującymi:
- kwaśne gazy,
- tlenki siarki i azotu,
- NOχ- wielotlenki azotu zawarte w gazach pochodzących ze spalin samochodowych,
- chlorowodór,
- cząsteczkowy chlor,
- fluorowodór,
Mają zastosowanie np. w archiwach lub bibliotekach, chroniąc cenne zbiory;
b) polimerami wychwytującymi:
- aminy,
- amoniak,
- N-metylo-2-pirolidon (rozpuszczalnik organiczny zawarty w niektórych lakierach).
D) filtry metalowe − do filtracji używa się gęstych siatek wykonanych z filigranowych nici metalowych. Sita filtracyjne wykonywane są metodą tkania i jako siatki cięte ciągnione. Do wyrobu ich używa się oprócz stali węglowej aluminium, mosiądzu i miedzi.
E) filtry wielokomponentowe, nasączane substancjami czynnymi − są to substancje biobójcze pochodzenia roślinnego. Należą do grupy flawonoidów. Z ponad 8 tys. rozpoznanych związków 500 zostało gruntownie zbadanych. W powierzchniach czynnych filtrów szerokie zastosowanie znalazły substancje z rodziny katechin. Ich źródłem są ziarna kakaowca, suszone śliwki lub ziarno jęczmienia. W przyrodzie katechiny pełnią funkcję broni biologicznej, którą rośliny używają przeciwko swoim sąsiadom do hamowania ekspansji młodych siewek. Związki stosowane w filmach katechinowych mają działanie bakterio- i grzybobójcze.
Kryterium dotyczące konstrukcji
A) pionowe
B) kanałowe
C) ścienne
D) sufitowe
Weryfikator obejmujący trwałość wkładów
A) wkłady jednorazowe
B) wkłady przeznaczone do regeneracji − do czyszczenia powierzchni filtra używa się sprężonego powietrza, wody lub środków konserwujących oferowanych przez handel w formie olejków albo sprayów.
Determinanta skuteczności
A) filtry o niskiej skuteczności
B) filtry o średniej skuteczności
C) filtry o wysokiej skuteczności
D) filtry w klasie EPA
E) filtry absolutne (HEPA, ULPA) − ich sprawność sięga 99,97%. Stosowane są w pomieszczeniach, gdzie zakłada się stworzenie jałowego środowiska. Filtr HEPA do wentylacji lub klimatyzacji może poprawić w znacznym stopniu jakość powietrza w pomieszczeniach, gdzie przebywają ludzie o obniżonej odporności układu immunologicznego (np. szpitale).
Wkłady filtrów HEPA wykonane są ze spiekanego szkła. Pory zapewniają filtrację elementów większych i równych wielkości 0,3 µm, co zapewnia możliwość separowania zarodników grzybów, roztoczy, komórek bakteryjnych wszystkich rodzajów oraz większości wirusów (niektóre mają wymiary mniejsze niż oczka sieci filtracyjnej i osiągają rozmiary, których jednostką miary jest nanometr).
Sposób separowania zanieczyszczeń
A) filtry włókninowe
B) filtry adsorpcyjne − np. wcześniej wspomniane filtry węglowe.
C) elektrofiltry − odpylacze elektrostatyczne − oczyszczają powietrze przy zastosowaniu ładunku elektrostatycznego. Układ jest spolaryzowany. Obojętne elektrycznie drobiny zanieczyszczeń są ładowane erupcją koronową ujemnie. Przemieszczając się wewnątrz obudowy filtra, napotykają dodatnio naładowane pola, które je przyciągają. Tam zostają uwięzione i usunięte podczas prac konserwacyjnych. Elektrofiltry na dużą skalę stosowane są w przemyśle ciężkim i energetyce do odpylania linii produkcyjnych w hutach, koksowniach i cementowniach.
D) filtry fotokatalityczne − filtracja inicjowana jest fotonami światła. Silnie reaktywne związki chemiczne rozkładają patogeny chemiczne do postaci obojętnych dla człowieka substancji prostych.
Jako reagenty występują wolne rodniki tlenowe:
a) nadtlenek wodoru (składnik popularnej w dezynfekcji wody utlenionej),
b) rodnik wodorotlenowy,
c) rodnik ponadtlenowy.
Są to niestabilne twory chemiczne. Znajdując się w nienaturalnym stanie energetycznym muszą znaleźć wiązanie dla stabilizacji układu. Stąd ich silne właściwości utleniające. Niepożądane w ludzkiej diecie, znajdują zastosowanie w technice.
E) filtry plazmowe − oczyszczają powietrze poprzez mini wyładowania elektryczne, które rozbijają zanieczyszczenia na prostsze związki; filtry do klimatyzacji domowej w wersji jonizatora eliminują z powietrza również bakterie i wirusy.
Powietrze po opuszczeniu filtra jest zjonizowane i przypomina atmosferę panującą po burzy.
Badanie sprawności filtrów
Zgodnie z europejską normą o nazwie EN 779: 2012 filtry powietrza zostały podzielone na grupy i klasy. Norma wprowadziła też pojęcie minimalnej skuteczności filtrowania, która dotyczy ostatniej grupy urządzeń.
Rozpatruje się trzy frakcje wyrobów
1. Grupa filtrów wstępnych − w ich charakterystyce umieszczona została zmienna − średnie zatrzymanie (Am) − oznaczane jest na próbach z użyciem pyłu syntetycznego.
A) G1 − Am dla tej klasy mieści się w przedziale 50-65%
B) G2 − Am − 65-80%
C) G3 − Am − 80-95%
D) G4 − Am − powyżej 95%
2. Grupa filtrów medium − ich opis zawiera średnią skuteczność (Em) wyrażoną w procentach; skuteczność dotyczy ilości zatrzymywanych ziaren o wielkości 4 μm.
A) M5 − Em − 40-60%
B) M6 − Em − 60-80%
3. Grupa filtrów dokładnych − dla opisania ich działania przewidziano dwie zmienne. Wcześniej wspomnianą średnią skuteczność (Em) i minimalna skuteczność (ME). Jak w klasie medium odnoszące się do analogicznej gradacji ziaren pyłu.
A) F7 − Em − 80-90; ME − 35
B) F8 − Em − 90-95; ME − 55
C) F9 − Em − powyżej 95; ME − 70
Prace nad ujednoliceniem norm
Dotychczas stosowano wiele aktów normalizacyjnych dla oceny zastosowanych rodzajów filtrów. Każde państwo europejskie miało swój zestaw przepisów, które z czasem był zastępowany przez normatywy Unii Europejskiej. Duża część świata do dziś jest pod wpływem uregulowań amerykańskich krzewionych przez organizację ASHRAE zrzeszającą tamtejszych inżynierów.
Z racji niekompatybilności wszystkich systemów, konsekwentnie trwają prace nad ujednoliceniem przepisów. Duży wkład w prace nad unifikacją przepisów ma International Organisation of Standarization (ISO).
Nowe podejście wprowadza pojęcie cząstki stałej i oznaczenie PM (ang. particulate matter). Nowy standard dzieli materialne ziarna pyłu na trzy kategorie. PM 10, PM 2.5 i PM1. Liczba w oznaczeniu jest wielkością cząstek poddawanych filtracji i wyrażona jest w mikrometrach. Każda z wartości umieszczona obok PM przedstawia cząstkę materialną przenikającą przez otwór sita sortującego o określonej średnicy. Efekt przedostania się przez kalibrator ograniczony jest do 50% przypadków (skuteczność filtra). Zatem wielkość ziaren PM10 jest mniejsza lub równa 10 mikrometrów.
Nowy schemat klasyfikujący efektywność odnosi się bardziej do sprawności procesu filtrowania. Niestety nie brakuje w nim niedoskonałości. Głównym mankamentem nowego układu jest możliwość klasyfikacji tej samej jednostki filtrującej w dwóch, a nawet w trzech rozpatrywanych kategoriach gradacji ziarna zanieczyszczeń. Może się zdarzyć, że filtr spełniający identyczne warunki techniczne zostanie opisany przez różnych producentów jako PM10 (85%), PM2 5 (70%) i PM1 (50%). Dlatego ciężar odpowiedzialności za właściwe i jednoznaczne etykietowanie wyrobów spoczywa na producentach.
Pogłębiaj swoją wiedzę, czytaj poradniki
Opracowanie: (BJ) Materiał objęty prawem autorskim. Publikacja w części lub w całości wyłącznie za zgodą redakcji portalu www.klimatyzacja.pl
