Filter School
Module Two

Школа фильтрации: Второй модуль

Как работают воздушные фильтры: Это второй из восьми модулей серии «Школа фильтрации Camfil», посвященной миру технологий фильтрации воздуха. Во втором модуле описываются механизмы и принципы фильтрации воздуха.

Серия «Школа фильтрации» позволяет вам изучить основы фильтрации, пройти дополнительное обучение или просто ознакомиться с последними достижениями в этой области. Или же, если фильтрация для вас сфера совершенно незнакомая, наши статьи позволят вам пройти «курс молодого бойца» по этой тематике. Модули являются очень обобщенными по своей сути. Они направлены на изучение основ. Для простоты понимания темы описываются простым языком. Начнем модуль 2.

Твердые частицы и фильтры макрочастиц

В атмосфере содержится сложная смесь загрязнений воздуха от твердых веществ (твердые примеси в атмосфере), газов и паров до веществ в жидкой форме (дымка, туман, капли) и радиации (см. модуль 1). В зависимости от того, что нужно защитить, перед тем, как воздух можно будет использовать, необходимо выполнить фильтрацию для удаления некоторых загрязнений.

Взвешенные в атмосфере частицы существенно отличаются по составу и размеру. Они могут быть размером от нескольких нанометров (нм) до сотен микрометров (мкм). Из-за широкого разнообразия размеров частиц, фильтрация является весьма непростой задачей. Например, частицы сажи намного меньше, чем частицы пыльцы.

Чтобы лучше понять разные размеры, , давайте представим, что мы взяли одни из самых мелких частиц, например сажи, и увеличили их до 10 миллиметров. В микромире частицы большего размера, например пыльцы, имели бы диаметр около 100 метров и были бы величиной с колесо обозрения «Лондонский глаз» , если расположить их рядом с сажей. Или же представьте, что шарик для рулетки будет положен рядом со стадионом Глобен-Арена в Стокгольме. Таким образом можно визуально представить диапазон размеров частиц, которые должен улавливать фильтр макрочастиц. Также помните, что частицы имеют разные формы и различные свойства.

Способность фильтра собирать частицы зависит от различных физических явлений, как механических, так и электрических. Так как же работает воздушный фильтр? Далее приведено краткое описание механизмов и принципов фильтрации, которые позволяют улавливать частицы или газ.

Механизмы и принципы работы фильтра

В фильтрах различных типов для улавливания частиц используются разнообразные механизмы. В обычном фильтре используется фильтрующий материал (наполнение) из волокна. Чаще всего применяется стекловолокно или полимерные волокна. Версия с полимерным волокном часто обладает электростатическим зарядом.

Существует довольно много теоретических и экспериментальных исследований по фильтрации воздуха с применением волокнистых наполнителей. В фильтре, включающем волокна, для сбора частиц используется несколько механизмов, которые и описываются в этой статье. Процесс фильтрации в целом, представляющий собой совокупность нескольких разных механизмов, очень сложен. Для расчета теоретической эффективности одного волокна по задержанию частиц часто используется упрощенная модель («теория эффективности одного волокна»).

Общая эффективность задержания частиц

Таким образом, эффективность задержания частиц – это совокупный результат работы различных механизмов фильтрации. Гравитационное осаждение, процеживание и инертное сжатие более эффективны в отношении крупных частиц, тогда как диффузионный эффект увеличивается при воздействии на более мелкие частицы. В следствие этого, сложнее всего отфильтровывать частицы определенного размера. В зависимости от скорости движения воздуха и наполнения фильтра сложнее всего собирать на фильтре частицы размером 0,1-0,3 мкм. Они называются MPPS, что означает размер наиболее проникающих частиц.

Интересная деталь: за исключением электростатического притяжения, фильтрация, направленная на удаление частиц стандартных размеров, принятых в Европе согласно стандарту EN 779 0,4 мкм не определяется скоростью движения воздуха, поскольку основным механизмом сбора частиц этого размера является улавливание. Фильтрация становится более эффективной по мере увеличения скорости для частиц больше 0,4 мкм, однако она улучшается при более низкой скорости, когда производится сбор частиц размером менее 0,4 мкм.

Газовые и молекулярные фильтры

Мы активно интересуемся взвешенными в воздухе частицами и можем удалить все атмосферные частицы из воздуха независимо от их количества, размера, формы и свойств. Однако газы и молекулы беспрепятственно проходят через самые лучшие воздушные фильтры. Молекулы в 1000-10 000 раз меньше частиц и обычно присутствуют в воздухе в намного более высоких концентрациях.

Как можно удалить настолько крохотные молекулы?

Для этого просто нужно использовать законы, определяющие поведение молекул газа. Например, молекулы газа не могут находиться в разных концентрациях в одном пространстве – они пытаются выровнять концентрацию. Когда молекулы газа попадают в абсорбент, например активированный уголь, который имеет очень большую поверхность, они рассеиваются (выравнивают концентрацию газа), выискивая уголь и прикрепляясь к его поверхности.

 

*) Силы Ван-дер-Ваальса – это сумма притягивающих или отталкивающий сил, действующих между молекулами.

**) Броуновское движение – это математическая модель, используемая для описания того, как частицы сталкиваются с другими частицами и двигаются с разными скоростями и в разных произвольных направлениях.

Gravitational Settling 
Large particles clearly tend to fall to the ground: the bigger the particle, the faster it falls. In the context of filtration, this means that large particles precipitate toward the floor and horizontal surfaces. Most particles trapped by gravitational settling are collected before the filter. Gravitational settling functions in all filters and removes coarse particles.

Total particle efficiency

Particle efficiency is therefore the total result of the various filtration mechanisms. Gravitational settling, straining and inertial impaction will have a greater effect on large particles, while thediffusion effect increases with smaller particles. As a consequence, it is most difficult to filter a specific particle size. Depending on the air velocity and filter media, the particle size 0.1-0.3 μm is the most difficult to collect in a filter. This is called MPPS, standing for Most Penetrating Particle Size.

An interesting detail: with the exception of electrostatic attraction, filtration to remove the standard reference particle in Europe according to EN 779 – 0.4 μm – is not affected by air velocitybecause interception is the main mechanism for collecting this size of particle. Filtration becomes more effective as the velocity increases for particles larger than 0.4 μm but increases at lowervelocities when collecting particles smaller than 0.4 μm.

Gas and molecular filters

We are fascinated by airborne particles and we can remove all atmospheric particles from the air, regardless of their number, size, shape and properties. But gases and molecules pass rightthrough the very best air filters. Molecules are 1,000 to 10,000 times smaller than particles and usually exist in much higher concentrations.

How can we remove these incredibly tiny molecules?

– by simply using the laws that govern the behaviour of gas molecules. For example, gas molecules do not tolerate being in different concentrations in the same space – they try to even out the concentration. When gas molecules strike an adsorbent, such as activated carbon, which has a very large surface, the gas molecules will diffuse (even out the gas concentration) by seeking out the carbon and fastening to its surface.

*) Van der Waals force is the sum of the attractive or repulsive forces between molecules.

**) Brownian motion is a mathematical model used to describe how particles collide with other particles and move in different velocities, in different random directions.