Воздушные фильтры высокой эффективности

В качестве фильтрующего материала могут использоваться стекловолокно, химволокно, мельтблоун и его разновидности, фильтровальная бумага.

Стекловолокно изготавливается из расплавленного стекла и представляет собой элементарные волокна диаметром 3-100 мкм, длиной 20 мм и более (непрерывное стекловолокно) или диаметром 0,1-20 мкм и длиной 1-50 см (штапельное стекловолокно).

По внешнему виду непрерывное стекловолокно напоминает нити натурального или искусственного шёлка, а штапельное - короткие волокна хлопка или шерсти.

В такой форме стекло демонстрирует совершенно чудные свойства: не бьётся, не ломается, гнётся без разрушения.

При переплетении стекловолокон в одной плоскости получается фильтрующий материал грубой очистки. Структура материала такова, что по направлению движения воздуха диаметр волокон уменьшается, а плотность упаковки волокон увеличивается («прогрессивная упаковка» волокон).

Такое строение исключает преждевременное загрязнение поверхности фильтрующего материала со стороны входа воздуха и, как следствие, увеличивает пылеемкость, эффективность и срок использования самого фильтра.

При иной технологии укладки волокон получается стеклобумага, которая в свою очередь применяется при производстве фильтров абсолютной очистки НЕРА и ULPA.

Химволокно изготавливается из 100% полиэстера высокого качества методом термоскрепления синтетических бикомпонентных волокон при температуре более 120°С.

Подобная технология формирования фильтрующего слоя практически исключает появления в материале осколков волокон. Для повышения фильтрующих свойств и улучшения регенерации производится термообработка рабочей поверхности полотен.

MELTBLOWN (Мельтблоун) изготавливается путем аэродинамического распыления расплава полипропилена или других термопластичных полимеров с волокнообразуюшими свойствами и используется в качестве фильтрующего материала в системах приточной вентиляции, состоит из микроволокон толщиной от 1 до 15 мкм, длиной от 1 до 3 мм и имеет плотность до 100 г/м2, и в отличие от традиционных нетканых материалов характеризуется высокой равномерностью, как визуальной, так и физической, повышенной или полной водонепроницаемостью при одновременной высокой воздухопроницаемости, значительным эффектом фильтрации и адсорбции.

При такой толщине волокон существенный вклад начинает вносить электростатический механизм фильтрации, что значительно увеличивает эффективность фильтра.

Мельтблоун легко поддается дальнейшей переработке, он нетоксичен, стерилизуется, легко сшивается, сваривается, поэтому удобен для изготовления воздушных фильтров различных типов.

2. Характеристика

Основное отличие HEPA от фильтров грубой и тонкой очистки в том, что для фильтрации частице не обязательно застревать в волокнах. Если пылинка просто коснулась фильтровального материала, этого уже достаточно для эффективного осаждения. Это связано с двумя процессами: адгезией и аутогезией.

Адгезия - это взаимодействие пыли с осаждающей поверхностью, в нашем случае с волокнами HEPA. Благодаря адгезии на чистых волокнах появляется первый слой пыли.

Аутогезия, или слипаемость - это взаимодействие пылевых частиц между собой. Благодаря аутогенному взаимодействию частицы продолжают наслаиваться друг на друга, образуя на волокнах многослойные конгломераты.

Выглядят они так:

Рис. 4 Аутогезия

Природа адгезии и аутогезии - в молекулярном взаимодействии частиц друг с другом и с волокнами (силы Ван-дер-Ваальса). Эти силы появляются на расстоянии от одного до нескольких сот диаметров частиц. Для мельчайших частиц притяжение к волокну и пылевому слою настолько большое, что частицы оседают в HEPA-фильтре фактически навсегда. Цифры это подтверждают: для частиц меньше 10 мкм прочность пылевого слоя на разрыв - больше 600 Па. Итак, из-за сил притяжения частица практически намертво прилипает к волокну HEPA-фильтра, стоит только коснуться его поверхности. Это объясняет удерживание частиц на фильтре.

2.3 Как мельчайшие частицы касаются волокна HEPA-фильтра?

Как мы выяснили, эффект сита тут ни при чем - мельчайшие частицы свободно пролетают через поры. В фильтрах НЕРА действуют другие механизмы.

Любая частица удерживается в воздушном потоке, и, если в фильтре не возникают силы, отклоняющие частицу от линии тока воздуха в сторону волокна, то осаждения не будет. В результате частица проскочит через фильтр вместе с потоком. адгезия фильтр воздушный слой

Поэтому вопрос «Как частицы касаются волокна?» можно перефразировать: «Как частицы выходят из воздушного потока?» И ответ на него будет разным, в зависимости от размера и массы частицы.

Самые мелкие частицы (с диаметром меньше 0,1 мкм) обладают небольшой массой и постоянно находятся в хаотичном броуновском движении. Их траектория постоянно колеблется относительно линии тока воздуха. В ходе колебаний частица выходит из потока, касается волокна и осаждается.

Это эффект диффузии:

Более крупные частицы (с диаметром больше 0,3 мкм) весят больше, поэтому их колебания относительно линии тока меньше либо отсутствуют вообще.

Такие частицы осаждаются по другому механизму. На модели видно, что линии воздушного потока искривляются вблизи волокна, огибая препятствие.

Крупные и тяжелые частицы за счет инерции выходят из воздушного потока, сталкиваются с волокном и осаждаются.

Это эффект инерции:

Диффузионный и инерционный эффекты дополняют друг друга: один отвечает за фильтрацию самых мелких частиц, другой - более крупных:

Сложнее всего посадить на волокно частицы с «промежуточным» размером. Их инерция еще недостаточно большая, а диффузия уже работает слабо, так как колебания их траектории относительно линии тока уже не такие сильные.

Поэтому такие частицы с большей вероятностью остаются в потоке и огибают волокна вместе с воздухом. Их называют частицами с максимальной проникающей способностью, Most Penetrating Particle Size (MPPS).

Для их осаждения наибольшее значение имеет последний механизм - эффект зацепления:

Эффект зацепления работает, когда частица приблизилась к поверхности волокна на расстояние своего радиуса. Такого касания достаточно для ее осаждения.

Этот механизм работает не только для MPPS. Он универсальный и действует для частиц любого размера. Пылинки могут оставаться в воздушном потоке, совершать диффузионные колебания относительно линии тока или вылетать из потока благодаря инерции - в любом случае, если частица коснулась волокна, она осаждается.

Эффективность этого механизма зависит от размера частицы. Чем больше частица, тем вероятнее она коснется волокна.

В этом эффект зацепления похож на эффект сита, потому и график почти одинаковый (естественно, с привязкой к другому диапазону частиц):