Фильтры воздухоочистителей, их типы и принципы работы

  Префильтр

Первым заслоном на пути загрязнений, которые содержатся в воздухе, служит так называемый предварительный фильтр. В задачи этого элемента входит фильтрация наиболее крупной фракции загрязнений, способной быстро забить мелкие ячейки последующих элементов, осуществляющих более тонкую фильтрацию. Обычно содержание предварительного фильтра представлено веществом с крупными порами, которым заполнен наружный каркас. На этой стадии фильтрации происходит задерживание относительно крупных частиц пыли, сажи, волокна различного происхождения, волосы, шерсть животных и т.п. В зависимости от материала фильтра, он может очищаться продувкой воздухом или промывкой струёй воды.

 HEPA фильтр

На стадии более тонкого фильтрования, как правило, в работу вступают, так называемые HEPA фильтры. Данная аббревиатура, составленная из английских слов, обозначает «высокоэффективное задерживание частиц». Это действительно фильтры повышенной тонкости, которые способны задерживать мелкодисперсные загрязнения размером до 2,5 мкм. К этому классу (PM2,5) относятся частицы, легко преодолевающие биологические барьеры, а потому наиболее опасные для человека.

Впервые такие фильтры были применены на ядерных предприятиях США в 40-х годах прошлого века для улавливания микрочастиц радиоактивных элементов.

Для изготовления HEPA фильтра применяется специальный волокнистый материал, волокна которого имеют диаметр 0,65 — 6,5 микрон с расстоянием между ними 10 — 40 микрон. Лист материала уложен гармошкой и помещён в корпус.

HEPA фильтры делятся на классы эффективности, критерием которой является количество частиц до 0,06 микрон, содержащегося в литре очищенного фильтром воздуха.

HEPA фильтры образуют следующие классы:

• HEPA 10 (≥85%);
• HEPA 11 (≥95%);
• HEPA 12 (≥99,5%);
• HEPA 13 (≥99,95%);
• HEPA 14 (≥99,995%)

В скобках указан минимальный процент частиц, задерживаемых фильтром данного класса.

Для изготовления HEPA фильтров обычно применяются волокна из стеклопластика толщиной от 0,5 до 2 мкм. Кроме размеров волокон на характеристики фильтра влияет общая толщина элемента.

Дистанция между соседними нитями волокнистого элемента обычно существенно больше 0,3 мкм. Этот факт говорит о том, что представление о HEPA элементе, как о некоем сите, задерживающем только частицы, имеющие размер, превышающий параметры ячейки, неверно. Волокнистым HEPA элементам присущи и свойства сита, но это имеет скорее отрицательное влияние на характеристики фильтра, способствуя преждевременному засорению и снижению скорости фильтрации.

  Принцип фильтрации HEPA фильтра
Принцип работы HEPA фильтров, позволяющий задерживать мельчайшие частицы загрязнений, основан на применении явлений следующего характера:

1. Проявление эффекта зацепления (interception), который имеет место в случае прохождения потока воздуха на расстоянии от фильтровального волокна, имеющем порядок толщины этого волокна. При этом частицы оседают на волокнах, как бы прилипая к ним;
   
   
2. Инерция (impact), которой обладают все частицы, пропорционально их размерам. Относительно крупным включениям в силу инерции труднее огибать волокна фильтра, следуя в потоке воздуха. Инерция частиц заставляет их двигаться прямолинейно, в то время как поток воздуха искривляется, обходя волокна. Это приводит к частым соударениям твёрдых загрязнений с волокнами. Инерционность проявляется тем ярче, чем выше скорость воздушного потока и чем меньше зазоры между волокнами фильтрующего элемента;
   
   

3. Диффузия (diffusion), которая заключается в столкновении микрочастиц загрязнений с молекулами газов. Это явление сопровождается торможением твёрдых частиц проходящих через фильтр и резкой сменой траекторий их движения. В результате этого, частицы загрязнений начинают совершать беспорядочное движение с частой сменой траектории. Такое развитие событий увеличивает вероятность остановки частицы в результате столкновения с волокном фильтра. Вышеперечисленные эффекты проявляются не одинаково для частиц различных фракций. Наибольшее влияние диффузии проявляется в отношении твёрдых загрязнений размерами менее 0,1 мкм. Частицы размером белее 0,4 мкм в наибольшей степени подвержены влиянию эффектов зацепления и инерции. Хуже всего обстоят дела с фильтрацией загрязнений 0,2 - 0,3 мкм. Этот диапазон размеров частиц называют MPPS, то есть, размер наиболее проникающих сквозь фильтр частиц. Класс фильтра определяется по способности задерживать именно MPPS.

 Угольный фильтр

Фильтры такого типа применяются для удаления из воздуха летучих соединений различного происхождения:

• озона;
• паров нефтепродуктов и химических веществ;
• табачного дыма и аллергенной пыльцы растений.

Элемент угольного фильтра наполнен мелкогранулированным активированным углем, который является превосходным природным сорбентом. Активация древесного угля заключается в его нагревании до высокой температуры. В результате такой термической обработки, пористая структура угля становится ещё более рыхлой, значительно увеличивая площадь поверхности, контактирующей с фильтруемым воздухом. Так, активированный уголь весом в 1 грамм обладает активной площадью поверхности 500 м2, что составляет 10% площади футбольного поля. Поглощение и удерживание вредных веществ порами активированного угля объясняется действующими силами межмолекулярного притяжения.

Для успешного функционирования угольного фильтра перед ним должен быть установлен фильтрующий элемент, осуществляющий предварительную очистку воздуха от макрочастиц. В противном случае микропоры угольного элемента могут быстро забиться относительно крупной пылью, что приведёт к преждевременному выходу его из строя и необходимости производить замену.

Цеолитный фильтр
Фильтры этого типа, как и угольные, относятся к адсорбционным устройствам, способным удалять вредные и обладающие сильным запахом газы и пары. Цеолит — это минерал, имеющий пористую структуру, образующую множественные внутренние каналы, занимающие до половины объёма вещества. Такая специфическая структура позволяет цеолитным элементам адсорбировать молекулы различных химических соединений. Фильтры из цеолита в процессе эксплуатации можно промывать водой, что делает их многоразовыми, в отличие от угольных.

Для повышения эффективности работы адсорбционных фильтров из угля или цеолита, на поверхность их элементов иногда наносится слой каталитического вещества (чаще всего оксид титана). Под действием излучения ультрафиолетового спектра, вещество – катализатор (TiO2) инициирует процесс распада вредных или опасных соединений на нейтральные компоненты. Этот процесс лежит в основе принципа работы фотокаталитических фильтров. Фотокатализатор требует наличия источника ультрафиолетового излучения.

Фильтры холодного катализа ускоряют расщепление опасных и вредных соединений на безвредные вещества путём реакции окисления. Для работы таких катализаторов какое – либо внешнее воздействие не требуется. В системах очищения воздуха чаще всего применяют TiO2 — оксид титана. Посредством холодного катализа фильтруются бензолы, аммиак, формальдегид, сероводород и другие летучие соединения. В результате разложения органических соединений образуется вода и углекислый газ.

В отличие от фильтров холодного катализа, фотокаталитические фильтры имеют в своём составе ультрафиолетовые лампы, необходимые для протекания процесса фотокатализа.

Суть фотокатализа заключается в ускорении химических реакций под воздействием вещества — катализатора и ультрафиолетового облучения. Ярким примером процесса фотокатализа в природе является фотосинтез растений, где фотокатализатором служит хлорофилл. В воздушных фильтрах используются фотокаталитические свойства оксида титана TiO2, который наносится на воздухопропускающие поверхности. Важным достоинством фильтров, использующих фотокатализ, является их способность уничтожать болезнетворные грибки, бактерии и вирусы, не накапливая их в фильтрующем элементе.

Существуют фильтры, специально созданные для целевого узконаправленного действия, например, фильтр формальдегида. Это составной фильтр, который содержит элементы из цеолита и активированного угля, которые объединены в едином корпусе.

 Ультрафиолетовый фильтр

В основе принципа работы этого устройства лежит излучение ультрафиолетового спектра, создаваемое кварцевой лампой. Этот вид излучения губителен для болезнетворных микроорганизмов.

По своей сути, ультрафиолет — это электромагнитное излучение, волновой спектр которого расположен между спектрами видимого света и рентгеновских лучей. Ультрафиолетовое излучение обладает длиной волны от 10 до 400 нм. Особой биологической активностью обладают ультрафиолетовые волны, длина которых составляет 205 – 315 нм. Волны такой длины воздействуют на ДНК микроорганизмов, угнетая процесс их репликации и приводя к гибели.

 Увлажнитель воздуха

Принцип работы этого устройства заключается в пропускании воздуха сквозь фильтр, насыщенный влагой (специальный картридж для увлажнения). В результате этого процесса происходит некоторое охлаждение воздуха (за счёт испарения воды) и обогащение его влагой.

Производительность увлажняющих устройств находится в большой зависимости от исходной влажности воздуха и его температуры. Интенсивность увлажнения повышается с увеличением температуры воздуха и снижением его влажности. И наоборот, увлажнение воздуха более влажного изначально и имеющего более низкую температуру происходит не столь активно. Эти свойства определяют способность увлажнителей поддерживать влажность воздуха на некотором оптимальном уровне.

В мойке воздуха  - используется технология, несколько отличающая их от увлажнителей. Основной элемент мойки воздуха — вращающиеся вокруг горизонтальной оси гидрофильные диски. Нижние диски погружены в воду, верхние обдуваются воздушной струёй из вентилятора. Воздух, обдувая диски осушает их, сам при этом увлажняясь. Кроме этого происходит некоторое очищение воздуха, так как пыль, содержащаяся в нём, частично прилипает к дискам, а затем смывается водой. Таким образом, мойка воздуха осуществляет двойное действие — увлажняет и очищает входящий воздух.

Электростатический фильтр
Тип фильтровального оборудования, использующего электростатическое поле, служит для задерживания находящихся в воздухе микрочастиц пыли и аэрозольных веществ. Устройства, работающие на электростатическом принципе, осуществляют эффективное очищение воздуха от мелкодисперсной пыли, имеющей размеры частиц от 0,01 мкм. Столь же успешны фильтры данного типа применяются для удаления копоти и задымления различного происхождения. Устройства, работающие на электростатическом принципе, иногда называются плазменными ионизаторами.

Конструкция фильтра обычно состоит из набора токопроводящих пластин, в промежутке между которыми установлена тонкая стальная поволока. Разность потенциалов до нескольких тысяч вольт, создаваемая между пластинами и проволокой, образует сильное электростатическое поле. Повышенное напряжение вызывает возникновение короны (тлеющего разряда) на поверхности проволоки и потока ионов между электродами. При прохождении воздуха в пространстве между пластинами, частицы загрязнений ионизируются, то есть, приобретают электрический потенциал. Далее, под воздействием электростатического поля, заряженные частицы оседают на пластинах фильтра.

Ионизатор

Это устройство, по-другому называемое ионным воздухоочистителем, превращает электрически нейтральные атомы и молекулы в заряженные частицы — ионы. Эта технология используется для очищения воздуха и угнетения активности бактерий.

Ионизаторы используют ионизирующее излучение либо высокое электростатическое напряжение до нескольких киловольт, вызывающее возникновение коронного разряда.

Ионизаторы, входящие в состав воздухоочистителей, работают на повышенном напряжении. Устройства имеют заострённые электроды, между которыми создаётся электростатическая эмиссия ионов. В зависимости от напряжённости электрического поля возникает так называемый тёмный разряд либо коронирование, которое сопровождается свечением на конце электрода. При этом воздушный промежуток между электродами активно ионизируется. Наиболее сильная ионизация происходит при возникновении коронного разряда.

При работе ионизатора все частицы загрязнений, содержащиеся в воздухе — пыль, сажа, микроорганизмы, аллергенная растительная пыльца и т.п., получая некоторый электрический потенциал, притягиваются к специальному осадительному электроду, обладающему положительным электрическим зарядом. Таким образом, различные вредные загрязнения, изначально присутствующие в воздухе и осевшие на элементах фильтра, не попадают в дыхательные органы человека.

В современных воздухоочистителях с целью повышения производительности и качества очистки воздуха обычно применяется комбинированная технология. Фильтры содержат комбинацию фильтрующих элементов, использующих уникальные технологии очистки различного типа. Такой подход к конструированию современного воздухоочистительного оборудования обеспечивает идеальное качество вдыхаемого Вами воздуха.

Раздел "Системы очистки воздуха"  предлагает ознакомиться с лучшими образцами систем для очистки воздуха, а также найти оптимальное решение задачи оздоровления атмосферы Вашего дома, квартиры, офиса и автомобиля.