ศูนย์การเรียนรู้ด้านการกรอง
บทที่สอง

ศูนย์การศึกษาด้านการกรอง: บทที่สอง

เครื่องกรองอากาศทำงานอย่างไร: นี่เป็นบทที่สองจากทั้งหมดแปดบทของชุดการเรียนการสอนแคมฟิลเกี่ยวกับโลกของเทคโนโลยีการกรองอากาศ บทที่สองนี้ อธิบายถึงกลไกและหลักการของการกรองอากาศ

จากชุดการเรียนการสอนนี้ คุณสามารถเรียนรู้ข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับการกรอง หาข้อมูลเพิ่มเติม หรือจะแค่อัพเดตความรู้ให้ตนเองก็ย่อมได้ หรือหากเรื่องการกรองยังเป็นเรื่องใหม่สำหรับคุณ บทความต่างๆ จะช่วยให้คุณ "เข้าถึงหลักสูตร" เรื่องนี้ได้ บทเรียนนี้นำเสนอเนื้อหาทั่วๆ ไป และสอนในระดับพื้นฐาน หัวข้อต่างๆ ได้ถูกอธิบายโดยใช้คำศัพท์ที่พบเห็นได้บ่อยเพื่อให้เข้าใจได้ง่าย มาเริ่มบทที่สองกัน

อนุภาคและตัวกรองอนุภาค

ชั้นบรรยากาศประกอบด้วยสสารที่ซับซ้อนของมลพิษทางอากาศตั้งแต่สสารที่เป็นของแข็ง (ฝุ่นละออง) ก๊าซและควัน ไปจนถึงสสารในรูปของเหลว (ควัน หมอก หยดน้ำ) และรังสี (ดูบทที่ 1) ขึ้นกับว่าจะป้องกันอะไร การกรองเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อขจัดมลพิษบางอย่างก่อนที่เราจะใช้อากาศ

ส่วนประกอบและขนาดของอนุภาคในชั้นบรรยากาศแตกต่างกันมาก ขนาดแตกต่างกันไปจากไม่กี่นาโนเมตร (nm) ไปจนถึงหลายร้อยไมโครเมตร (μm) ทำให้การกรองเป็นเรื่องท้าทายเพราะอนุภาคมีขนาดที่หลากหลาย ยกตัวอย่างเช่น อนุภาคเขม่า ที่มีขนาดเล็กกว่าอนุภาคละอองเกสร

เพื่อให้เข้าใจง่ายขึ้นเกี่ยวกับขนาดต่างๆ เรามาลอง สมมติ ว่า เรา นำเอา หนึ่งใน อนุภาค ที่ เล็กที่สุด เช่น เขม่า เป็นต้น และ นำมาขยายให้ใหญ่ขึ้น เป็น 10 มิลลิเมตร ในโลกของอนุภาค อนุภาคที่ใหญ่กว่า เช่น ละอองเกสร จะ มี ขนาดประมาณ 100 เมตร และใหญ่ได้เท่ากับ ลอนดอนอายส์ ถ้า ถูกนำมาว่าง ไว้ข้าง กับ เขม่า หรือ ลองนึกภาพวางถาดหมุนลูกรูเล็ตไว้ข้าง Globe Arena ในสต็อกโฮล์ม การวัดด้วยสายตานี้แสดงให้เห็นถึงช่วงของขนาดอนุภาคที่หลากหลายที่ตัวกรองอนุภาคจะต้องดักจับ พึงระลึกว่า อนุภาคพวกนี้ มา ใน รูปร่าง ที่แตกต่างกัน และ มี คุณสมบัติที่ต่างกันออกไป

ความสามารถของตัวกรองในการดักจับอนุภาคขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ทางกายภาพต่างๆ ทั้งทางกลไกและทางไฟฟ้า แล้วตัวกรองอากาศทำงานอย่างไร? ต่อไปนี้จะเป็นคำอธิบายโดยย่อเกี่ยวกับกลไกและหลักการการกรองที่ทำให้สามารถดักจับอนุภาคหรือก๊าซได้

กลไกและหลักการการกรอง

ประเภทของตัวกรองชนิดต่างๆ ใช้กลไกที่หลากหลายเพื่อดักจับอนุภาค ตัวกรองแบบธรรมดาชนิดหนึ่งใช้วัสดุตัวกรอง ("เนื้อกรองอากาศ") ที่ทำจากไฟเบอร์ ที่นิยมใช้กันมากที่สุดคือ ไฟเบอร์กลาสหรือเส้นใยโพลีเมอร์ รุ่นไฟเบอร์โพลีเมอร์มักมีการอัดประจุไฟฟ้าสถิต

มีการศึกษาเชิงทฤษฎีและทดลองเกี่ยวกับการกรองอากาศด้วยเนื้อกรองอากาศที่ทำจากเส้นใย ตัวกรองประกอบด้วยเส้นใยที่ใช้กลไกหลายแบบเพื่อที่จะดักจับอนุภาค ซึ่งได้อธิบายไว้ในบทความนี้ กระบวนการกรองโดยรวม – สรุปกลไกแบบต่างๆ - มีความซับซ้อนมาก แบบจำลองที่ง่ายมักถูกใช้ในการคำนวณประสิทธิภาพในการดักจับอนุภาคเชิงทฤษฎีของไฟเบอร์เดี่ยว (ทฤษฎีประสิทธิภาพของเส้นใยเดี่ยว หรือ single-fibre efficiency theory)

การตกอนุภาคเนื่องจากน้ำหนัก 
อนุภาคขนาดใหญ่มีแนวโน้มที่จะตกลงสู่พื้นอย่างชัดเจน: ยิ่งอนุภาคมีขนาดใหญ่เท่าใด ก็จะยิ่งตกลงมาเร็วเท่านั้น ในบริบทการกรอง มันหมายความว่าอนุภาคขนาดใหญ่จะตกลงสู่พื้นและพื้นผิวในแนวนอนอย่างรวดเร็ว อนุภาคส่วนใหญ่จะถูกดักจับจากการตกเนื่องจากน้ำหนักอนุภาค ซึ่งจะถูกรวบรวมก่อนไปถึงตัวกรอง การตกอนุภาคนี้จะทำงานในตัวกรองทั้งหมดและกำจัดอนุภาคหยาบออกไป

ประสิทธิภาพในการดักจับอนุภาคทั้งหมด

ประสิทธิภาพ ในการดักจับอนุภาค จึงเป็น เหมือน    ผลลัพธ์ ที่ได้ จาก  กลไก การกรอง หลายแบบ  การตกอนุภาค เนื่องจากน้ำหนัก การรัดและแรงเฉื่อยจะมีผลมากต่ออนุภาคขนาดใหญ่    ในขณะที่ การแพร่ (Diffusion)    จะเกิดขึ้นมากก อนุภาคขนาดเล็ก ผลก็คือ  เป็นเรื่องยากที่จะกรองอนุภาคที่มีขนาดเฉพาะเจาะจง เมื่อพิจารณาค่าความเร็วลมและเนื้อกรองอากาศ จะสามารถดักจับอนุภาคที่มีขนาด 0.1-0.3 ไมครอนได้ยากที่สุด ซึ่งเรียกว่า MPPS  ย่อมา  จาก Most Penetrating Particle Size หรือขนาดของอนุภาคที่แทรกซึมได้ลึกที่สุด

รายละเอียด ที่น่าสนใจ :  หาก ไม่นับ การกรอง ด้วย ไฟฟ้าสถิต แล้ว  การกรอง เพื่อ ขจัด อนุภาค โดยอ้างอิง ตามมาตรฐาน ใน ยุโรป    EN  779    อนุภาค 0.4  ไมครอน   จะไม่ได้รับผลกระทบ   จากค่าความเร็วลม  เนื่องจาก การสกัดกั้น (Interception) เป็นกลไก หลัก ในการ ดักจับ อนุภาค ที่มี ขนาด เท่านี้   การกรอง จะมี ประสิทธิภาพมากขึ้น เมื่อ  ค่าความเร็วลม เพิ่มขึ้น  สำหรับ อนุภาค ที่มีขนาด 0.4 ไมครอนขึ้นไป    แต่ จะเพิ่มขึ้น เมื่อ ค่าความเร็วลม ต่ำลง เมื่อดักจับอนุภาค ที่มีขนาดเล็กกว่า 0.4 ไมครอน   

ตัวกรองก๊าซและโมเลกุล

หลังจากที่ได้เรียนรู้เกี่ยวกับมลพิษทางอากาศไปแล้ว ตอนนี้เราสามารถขจัด อนุภาคในชั้น บรรยากาศ  ออกจาก อากาศ ทั้งหมดได้แล้ว โดยตัดเรื่องของจำนวน ขนาด รูปทรง และคุณสมบัติออกไป แต่ สำหรับก๊าซ  และ โมเลกุล  จะผ่านได้  เฉพาะ  ตัวกรอง ที่ดีเยี่ยม ที่สุดเท่านั้น โมเลกุลมีขนาดเล็กกว่าอนุภาคถึง 1,000-10,000 เท่า    และ มักจะ มีความเข้มข้นที่สูงกว่ามาก     

เราจะดักแยกโมเลกุลขนาดเล็กมากอย่างไม่น่าเชื่อหล่านี้ได้อย่างไร?

- เพียงแค่ใช้กฎที่ควบคุมพฤติกรรมของโมเลกุลในก๊าซ ตัวอย่างเช่น โมเลกุลในก๊าซจะไม่อยู่ในที่ที่มีความเข้มข้นต่างกันในการเคลื่อนที่ที่เท่ากัน แต่จะพยายามเคลื่อนที่ออกจากความเข้มข้นนั้น เมื่อโมเลกุลในก๊าซเจอกับตัวดูดซับ เช่น ถ่านกัมมันต์ ซึ่งมีพื้นผิวขนาดใหญ่มาก โมเลกุลในก๊าซจะแพร่ (ออกจากบริเวณที่มีความเข้มข้นมาก) ไปที่ที่มีคาร์บอนและยึดพื้นที่บริเวณนั้น

*) แรงแวนเดอร์วาลส์ (Van der Waals force) เป็นผลรวมของแรงดึงดูดหรือแรงผลักระหว่างโมเลกุล

**) การเคลื่อนที่แบบบราวน์ (Brownian motion) เป็นแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ใช้อธิบายว่าอนุภาคชนกับอนุภาคอื่นๆ และเคลื่อนที่ในที่ที่มีค่าความเร็วลมต่างกันในทิศทางที่แตกต่างกันอย่างไร