Фильтры воздухоочистителей, их типы и принципы работы

В этой статье Вы узнаете о типах фильтрующих элементов, их характеристиках и назначении. Найдете ответ на вопрос почему для качественной очистки воздуха необходимо использовать комбинацию из различных фильтрующих элементов и как они работают.

Самым первым фильтром в системах фильтрации используют фильтр грубой очистки, который называют так же префильтр. Он предназначен для фильтрации от крупных загрязнений и частиц, которые могут быстро загрязнить или вывести из строя фильтры более тонкой очистки. Структура фильтра представляет собой каркас, заполненный пористым элементом с относительно крупным размером пор, способных задерживать волосы, пыль, крупные частицы. Некоторые фильтрующие материалы сжаты в сторону чистого воздуха и заполняет на всю глубину волокнистую полосу для поглощения пыли.

Следующей ступенью фильтрации, как правило, является фильтрация HEPA фильтрами, от английского сокращения High Efficiency Particulate Air или High Efficiency Particulate Arrestance — высокоэффективное удержание частиц.  HEPA фильтр — вид воздушных фильтров высокой эффективности, главная цель которых – удалять из воздуха мелкодисперсные частицы, в том числе PM2.5 и PM10 (с диаметром менее 2,5 и 10 мкм соответственно)

Фильтры такого типа начали использоваться в 40-х годах в США, во время развития ядерного проекта. Они применялись для улавливания радиоактивных частиц на предприятиях ядерной промышленности.

Фильтр изготовлен из длинного листа волокнистого материала (диаметр волокон 0,65–6,5 микрон, расстояние между ними 10–40 микрон), сложенного гармошкой, а также корпуса с элементами, удерживающими лист в сложенном состоянии.

Эффективность HEPA-фильтров оценивают по количеству частиц размером до 0,06 микрона на литр воздуха, которые выбрасываются обратно в среду после прохождения фильтра. Классы фильтров: HEPA 10 (50000), HEPA 11 (5000), HEPA 12 (500), HEPA 13 (50), HEPA 14 (5).

HEPA-фильтры образованы системой волокон сложной формы. Обычно используются стеклопластиковые волокна с диаметром от 0,5 до 2 мкм. Основные факторы, влияющие на работу — диаметр волокна и толщина фильтра. Воздушное пространство между волокнами HEPA фильтра значительно больше 0,3 мкм. 

Представления о том, что фильтр действует как сито, где частицы меньшие, чем крупнейшие отверстия могут пройти через фильтр, неверны для HEPA-фильтров. Эффект сита справедлив и для HEPA-фильтров, однако играет негативную роль, приводя к преждевременному загрязнению, уменьшению скорости фильтрования и даже к выходу из строя фильтра. Несмотря на крайнюю нежелательность этого эффекта, избавиться от него практически невозможно. 

HEPA-фильтры рассчитаны на фильтрацию небольших частиц. Эти частицы улавливаются волокнами при помощи следующих механизмов:

1. Эффект зацепления (interception) проявляется если линия тока воздуха проходит близко (на расстоянии порядка толщины волокна или ближе) к фильтровальному волокну. Частицы прилипают к волокнам.

2. Эффект инерции (impact) проявляется для крупных частиц. Благодаря большой инерции частицы большого диаметра не способны огибать волокна, следуя по искривлённой траектории в потоке воздуха, и задерживаются в одном из них. Поэтому они продолжают прямолинейное движение до непосредственного столкновения с препятствием. Этот эффект увеличивается с уменьшением пространства между волокнами и увеличением скорости воздушного потока.

3. Эффект диффузии (diffusion) представляет собой столкновение мельчайших частиц загрязнений, с диаметром меньше 0,1 мкм, с частицами газа с последующим замедлением первых при прохождении через фильтр. Такие частицы начинают совершать движения в стороны от линий воздушного потока на расстояния, превышающие их диаметр. Такое поведение подобно броуновскому движению и увеличивает вероятность того, что частица остановится окончательно под действием одного из вышеуказанных механизмов. При низких скоростях воздушного потока этот механизм становится доминирующим. 

Диффузионный механизм преобладает при фильтрации частиц с диаметрами меньше 0,1 мкм. Зацепление и инерция преобладают для частиц более 0,4 мкм в диаметре. Частицы размером порядка 0,2–0,3 мкм фильтруются не столь эффективно, они называются Most Penetrating Particle Size (MPPS). Класс фильтра определяется именно по MPPS.

 Для удаления из воздушной среды озона и широкого спектра вредных летучих органических соединений, таких как бензин, формальдегид, толуол, а также для удаления аллергенов, пыльцы, табачного дыма применяют угольные фильтры. 

Внутри угольного фильтра для очистки воздуха присутствует большое количество мелких гранул активированного угля. Уголь – природный сорбент. Поверхность угля неровная, пористая. После активации, при которой древесный уголь нагревается до очень высоких температур, уголь имеет еще более пористую структуру, что увеличивает  его поверхность, потому как каждая пора увеличивает рабочую площадь фильтрации. Один грамм активированного угля имеет площадь около 500 м2 или 1/10 площади футбольного поля. В порах угля действует межмолекулярное притяжение, благодаря которому активированный уголь поглощает и удерживает вредные вещества.  

Важно, чтобы кроме угольных фильтров воздухоочистители оснащались фильтрами механической (предварительной очистки — пылепоглощающими). Если фильтр предварительной очистки не достаточно эффективно задерживает макрочастицы, они будут накапливаться в микропорах угольного фильтра. Следовательно, это приведет к преждевременному насыщению активированного угля и износу фильтра. 

Цеолитные фильтры, как и угольные, являются адсорбционными фильтрами, удаляющими вредные газовые соединения и запахи. Цеолит — это особый пористый минерал, внутри которого содержится большое количество пустот и разветвленных каналов, на которые приходится до половины его объема. Подобное строение позволяет цеолиту эффективно поглощать молекулы разнообразных летучих соединений. В отличие от угольных фильтров, некоторые из цеолитных фильтров можно мыть водой, поэтому такие фильтры являются многоразовыми. 

Иногда для нейтрализации поглощенных токсинов на поверхность цеолитных и угольных наносится катализатор (например, оксид титана - TiO2), который под действие ультрафиолета способствует разложению вредных веществ на простейшие безопасные соединения (на таком же принципе работает и фотокаталитический фильтр). Для восстановления фильтра с катализатором достаточно поместить его на несколько часов под солнечные лучи. 

Холодный каталитический фильтр ускоряет разложение вредных веществ на легкопоглощаемые компоненты путем окисления вредных соединений и веществ. Работает как катализатор без внешнего воздействия. В качестве катализатора в системах очистки воздуха обычно используют оксид титана TiO2. Холодный каталитический фильтр фильтрует такие соединения как формальдегид, аммиак, бензол, летучие органические вещества, сероводород и другие вредные газы, разлагая их на воду и углекислый газ. 

Фотокаталитический фильтр отличается от холодного каталитического фильтра наличием ультрафиолетовой лампы, под воздействием которой происходит процесс  фотокатализа. Фотокатализ — ускорение химической реакции, обусловленное совместным действием катализатора и облучения светом. Природным явлением фотокатализа является фотосинтез, в котором хлорофилл выступает в роли фотокатализатора. В фотокаталитическом фильтре в качестве фотокатализатора используется оксид титана TiO2,  нанесенный на поверхность воздухопропускающего носителя катализатора.

 Ультрафиолетовое излучение работают в безозоновой области ультрафиолета – А (320-400 нм). Под воздействием ультрафиолетового излучения оксид титана выделяет химически-активные соединения кислорода и гидроксильных групп, которые способны очищать воздух от самых мельчайших и опасных загрязнений. Вырабатывающиеся на поверхности фильтра окислители действуют на молекулярном уровне – вступают в химическую реакцию с токсичными веществами, разлагая их на более простые безвредные элементы - углекислый газ и воду.

Одним из важнейших достоинств фотокаталитического фильтра является уничтожение болезнетворных бактерий и вирусов (грипп, туберкулёз, плесень и т.д.), а не их накопление. 

Иногда встречается фильтра с наименованием как фильтр формальдегида. Такой фильтр является составным фильтром, состоящим, как правило, из угольного и цеолитного фильтра, объединенный в один корпус.

Принцип работы ультрафиолетового фильтра  основан на ультрафиолетовом излучении кварцевой лампы, которое губительно воздействует на болезнетворные микроорганизмы. Ультрафиолетовое излучение — электромагнитное излучение, занимающее спектральный диапазон между видимым и рентгеновским излучениями. Длины волн ультрафиолетового-излучения лежат в интервале от 10 до 400 нм. Бактерицидное ультрафиолетовое излучение на длинах волн 205—315 нм  вызывает изменения в ДНК микроорганизмов и приводит к замедлению темпов их размножения и вымиранию. 

Увлажнитель воздуха прогоняет воздух через влажный фильтр (увлажняющий картридж), в результате чего воздух незначительно охлаждается (теплота на испарение воды берется из воздуха) и увлажняется.

Производительность таких увлажнителей сильно зависит от относительной влажности воздуха (чем она выше, тем ниже интенсивность испарения) и температуры (чем выше температура, тем интенсивнее происходит увлажнение). Таким образом, относительная влажность воздуха автоматически поддерживается на оптимальном уровне. 

Мойка воздуха отличается от увлажнения наличием  медленно вращающийся вокруг горизонтальной оси барабана из гидрофильных дисков. Ниже оси вращения диски погружаются в воду и намокают, а выше — обдуваются потоком воздуха, создаваемым вентилятором, и подсыхают, увлажняя воздух. Если в потоке воздуха есть пылевые частицы, то они с некоторой вероятностью прилипают к мокрой поверхности диска и смываются при погружении сегмента диска в воду рабочего объёма увлажнителя. Таким образом, выходящий из увлажнителя поток воздуха чище и влажнее, чем входящий. 

Электростатический фильтр предназначен для очистки воздуха от содержащихся в нём посторонних частиц, в основном мелких (пыли и аэрозолей). Электростатические фильтры способны эффективно очищать воздух от самой мелкой пыли (размером от 0,01 мкм), в том числе копоти и табачного дыма. Иногда этот тип фильтра называют плазменным ионизатором.

Как правило, конструктивно представляют собой набор металлических пластин, между которыми натянуты металлические нити. Между нитями и пластинами создаётся разность потенциалов в несколько киловольт. Разность потенциалов приводит к образованию сильного электрического поля между нитями и пластинами. При этом на поверхности нитей возникает коронный разряд, что в сочетании с электрическим полем обеспечивает ионный ток от нитей к пластинам. Загрязнённый воздух подаётся в пространство между пластинами, пыль из проходящего через фильтр загрязнённого воздуха приобретает электрический заряд (ионизируется) под воздействием ионного тока, после чего под действием электрического поля притягивается к пластинам и оседает на них. 

Ионный воздухоочиститель или ионизатор - устройство для образования ионов из нейтральных атомов или молекул. Используются для очистки воздуха и подавления бактериальной активности. 

Ионизаторы работают от источника ионизирующего излучения или на высоком напряжении (несколько тыс. вольт) с коронным разрядом на электродах. 

В воздухоочистителях используют ионизаторы с высоким напряжением. Ионизаторы этого типа оснащены заострёнными электродами, которые посредством электрического разряда и электростатической эмиссии образуют ионы в непосредственной близости от электродов.  В идеале, в ионизаторе должен проходить так называемый тихий или «темный» разряд, при котором иголки не светятся. Однако при повышении напряжения «темный» разряд иногда переходит в «коронный» - со свечением острия иголок. Количество образующихся при этом электронов и ионов в этом случае увеличивается

Пыль, копоть, дым, пыльца растений, бактерии, аллергены и все твёрдые частицы воздуха заряжаются под воздействием ионизатора воздуха и притягиваются к плюсовому осадительному электроду или плюсовому электроду в качестве которого выступают стены, потолок, пол, где и оседают, что несомненно лучше, чем вдыхать опасные загрязнения.

Современные устройства воздухоочистки для повышения качества воздуха и производительности используют комбинацию фильтрующих элементов и технологий, собирая в себе уникальные физические и химические процессы для того, что бы Вы дышали качественным и чистым воздухом. В разделе "Системы очистки воздуха" вы можете познакомиться с лучшими представителями систем очистки воздуха и подобрать для себя качественное решение для борьбы с вредными выбросами и запахами.