Filtracja, elektrofiltracja i jonizacja jako sposoby na usuwanie alergenów z pomieszczeń

W sezonie wiosenno-letnim mniejsze znaczenie mają zanieczyszczenia pochodzące z niskiej emisji, na którą składa się głównie spalanie w pozaklasowych źródłach ciepła. Jednak nie oznacza to braku pyłów zawieszonych (Particulate Matter – PM10, PM2,5 oraz PM1) w powietrzu nawiewanym do budynków. W powietrzu zewnętrznym, odpowiednio do okresów wegetacyjnych poszczególnych gatunków roślin i grzybów, zwiększa się stężenie pyłków roślin oraz zarodników i strzępek grzybów (szczególnie w okresie od maja do sierpnia). Za reakcje alergiczne odpowiadają grzyby pleśniowe, m.in. z rodzaju Cladosporium i Alternaria. Największe stężenia Alternaria w powietrzu zewnętrznym występują w słoneczne i ciepłe dni lipca i sierpnia, a 2800 zarodników Cladosporium herbarum w 1 m³ powietrza stanowi stężenie powodujące reakcję u osób uczulonych na ten alergen [1].

Choć prawidłowa wentylacja i zachowanie odpowiedniej (niezbyt wysokiej) wilgotności w pomieszczeniach znajdują się wśród głównych zaleceń lekarskich w profilaktyce i łagodzeniu alergii powodowanych przez grzyby pleśniowe [1], należy zwrócić uwagę na wielkość zarodników grzybów. Wynosi ona od 1 do 100 μm, jednak w przypadku większości gatunków jest to do kilkunastu μm, a zatem wiele zarodników grzybów należy do frakcji respirabilnej (łatwo przenikającej do płuc) [2]. Zarodniki grzybów są niebezpieczne dla osób narażonych na alergie i choroby układu oddechowego. Profilaktyka chorób układu oddechowego także w okresie wiosenno-letnim to kolejna przesłanka do tego, by uzupełnić układ wentylacji o wysokoskuteczny system zatrzymywania pyłów zawieszonych. W systemie wentylacji mechanicznej układ filtrów mechanicznych (do wentylacji ogólnej) warto poszerzyć o takie rozwiązania, jak elektrofiltry czy jonizatory (stanowiące podzespoły instalacji wentylacyjnej nawiewnej), a w przypadku wentylacji naturalnej funkcję urządzeń filtracyjnych – choć o mniejszej skuteczności i wydajności – pełnią przenośne oczyszczacze powietrza [3, 4].

Pyły zawieszone

Zdaniem środowisk naukowych i profesjonalnych związanych z medycyną i zdrowiem publicznym, negatywne skutki zanieczyszczenia powietrza występują nie tylko przy narażeniu na ich wysokie stężenia – nie istnieją progi, poniżej których stężenia zanieczyszczeń można uznać za bezpieczne dla zdrowia [5, 6]. Znajduje to odzwierciedlenie w najnowszej rekomendacji WHO [7], według której poziom pyłów zawieszonych w powietrzu atmosferycznym powinien wynosić:

• PM2,5 ≤ 5 μg/m³ (średnia roczna), przy czym średnie narażenia 24-godzinne nie powinny przekraczać 15 µg/m³ częściej niż przez 3–4 dni w roku;
• PM10 ≤ 15 μg/m³ (średnia roczna), przy czym średnie narażenia 24-godzinne nie powinny przekraczać 45 µg/m^{3 7}.

Zgodnie z opinią organizacji Eurovent, powinny to być także rekomendowane wartości dopuszczalne dla stężenia pyłów zawieszonych w pomieszczeniach [8]. Natomiast zawartość pyłów w powietrzu nawiewanym powinna wynosić połowę wartości rekomendowanych przez WHO, czyli: PM2,5 ≤ 2,5 μg/m³ oraz PM10 ≤ 7,5 μg/m³.

W ten sposób sformułowana rekomendacja uwzględnia fakt, że pył zawieszony powstaje także wewnątrz pomieszczeń [9, 10]. Dotyczy to również zarodników grzybów – do najczęściej występujących grzybów wewnątrzdomowych zalicza się rodzaje Aspergillus i Penicillium [1].

Za usuwanie pyłów zawieszonych z powietrza zewnętrznego odpowiadają filtry dokładne oraz rozwiązania wykorzystujące oddziaływanie na oczyszczone powietrze odpowiednio skonfigurowanego pola elektrycznego (filtry elektrostatyczne i jonizatory).

Filtry dokładne

Zgodnie z normą PN-EN ISO 16890-1:2017-01E filtr do wentylacji ogólnej może być uznany za skuteczny wobec danego rodzaju pyłu, jeśli zatrzymuje co najmniej 50% danego pyłu znajdującego się w powietrzu przed przejściem przez filtr (np. filtr klasy ePM2,5 50% zapewnia usunięcie 50% pyłów PM2,5) [7].

Obliczeniową skuteczność filtra wyraża się poprzez prostą zależność:

gdzie:

[PM X]zew – stężenie cząstek pyłu zawieszonego przed filtrem (na zewnątrz),

[PM X]naw – stężenie cząstek pyłu zawieszonego za filtrem (powietrza nawiewanego).

Na podstawie zestawienia w tabeli można stwierdzić, że oczyszczenie powietrza z pyłów zawieszonych do zalecanego poziomu wymaga filtra o wysokiej skuteczności nawet w dni, gdy indeks pyłu PM2,5 określany jest przez GIOŚ jako dobry (13,1–35 µg/m³), a nawet bardzo dobry (0–13 µg/m³) [11]. W zakresie doboru filtrów Eurovent zaleca, by do ochrony pomieszczeń przeznaczonych na stały pobyt ludzi dobierać filtr w oparciu o klasę skuteczności dla cząstek PM1:

• na obszarach o bardzo wysokim zapyleniu (PM2,5 >15 μg/m³, PM10 >30 μg/m³) – klasa ePM1 80%,
• na obszarach o wysokim zapyleniu (PM2,5 ≤ 15 μg/m³, PM10 ≤ 30 μg/m³) – klasa ePM1 70% [6].

Czytaj także: Filtry antysmogowe w rekuperatorach

Wykorzystanie pola elektrycznego

Skutecznymi rozwiązaniami wspomagającymi usuwanie zarodników grzybów przez instalację wentylacji mechanicznej są urządzenia opierające się na oddziaływaniu pola elektrycznego na przepływające przez instalację wentylacyjną powietrze nawiewane – czyli elektrofiltry i jonizatory. Bardzo ważnym czynnikiem związanym z ich pracą jest zapobieganie powstawaniu ozonu. Ozon podrażnia spojówki i błony śluzowe dróg oddechowych, co może powodować problemy z oddychaniem i funkcjonowaniem płuc oraz nasilanie się dolegliwości istniejących chorób układu oddechowego (np. astmy). Jego dopuszczalna zawartość w powietrzu określana jest następująco:

• według dyrektywy 2008/50/WE w sprawie jakości powietrza [12] wartość docelowa stężenia ozonu (maksymalne dobowe stężenie 8-godzinne, którego nie można przekroczyć przez więcej niż 25 dni w roku kalendarzowym) wynosi 120 μg/m³;
• według polskiego rozporządzenia o czynnikach szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy [13] najwyższe dopuszczalne stężenie – wartość średnia ważona stężenia, którego oddziaływanie na pracownika w ciągu 8-godzinnego dobowego i przeciętnego tygodniowego wymiaru czasu pracy (zgodnie z Kodeksem pracy) przez okres jego aktywności zawodowej nie powinno spowodować ujemnych zmian w jego stanie zdrowia oraz w stanie zdrowia jego przyszłych pokoleń – wynosi 150 μg/m³;
• według wytycznych WHO [8] maksymalne średnie 8-godzinne stężenie O₃ (w sześciomiesięcznym okresie jego najwyższych stężeń) wynosi 60 μg/m³.

Filtry elektrostatyczne

Filtry elektrostatyczne (filtry elektrojonizacyjne, elektrofiltry) to dodatkowe urządzenia montowane na kanale nawiewnym, najlepiej za centralą wentylacyjną (wówczas na filtrach centrali następuje oczyszczenie powietrza z większych zanieczyszczeń pyłowych).

Pobierają one niewielką moc elektryczną (ok. 20 W) i powodują wyładowania koronowe oraz tworzenie się pola elektrostatycznego. W ten sposób następuje ładowanie cząstek pyłów obecnych w przepływającym powietrzu, dzięki czemu są one przyciągane do odwrotnie naładowanej części osadczej filtra. Dodatkowym mechanizmem jest powstawanie wolnych rodników, degradujących ściany komórkowe grzybów i bakterii czy otoczki wirusów.

Filtr elektrostatyczny można montować za centralą wentylacyjną, a łącząc centralę i filtr jednego producenta, można zamontować moduł filtracyjny na króćcu wylotowym centrali. Jeżeli w instalacji brakuje miejsca, można zamontować filtr przed centralą, trzeba jednak dodatkowo zainstalować filtr zgrubny. Wówczas do filtra napływa mniej zanieczyszczeń grubych, co przedłuża trwałość części osadczej i ogranicza częstotliwość usuwania zgromadzonych zanieczyszczeń. Funkcję części osadczej pełni elektroda osadcza lub separator (kolektor). Elektroda osadcza wymaga okresowego czyszczenia z osadzonych substancji, a separator – regularnej wymiany. Demontaż i opróżnianie separatora jest łatwe nawet dla samego użytkownika urządzenia. Filtr powinien mieć dopuszczenie do stosowania w budynkach mieszkalnych lub użyteczności publicznej (atest PZH). Ważnym parametrem jest też ilość powstającego ozonu – wyładowania koronowe w filtrze powinny być na tyle niewielkie, by ozon nie powstał w ogóle lub by jego emisja nie przekraczała zalecanego przez WHO stężenia – 60 μg/m³ [8].

Może Cię zainteresuje: Nowe, zaostrzone normy jakości powietrza WHO

Jonizatory

Jonizacja polega na tworzeniu poprzez oddziaływanie pola elektrycznego zimnej plazmy, czyli mieszaniny jonów: atomów i cząsteczek naładowanych dodatnio i ujemnie. Plazma przyczynia się do niszczenia mikroorganizmów, w tym zarodników grzybów – w wyniku aktywności jonów powstają wolne rodniki, które dzięki wysokiej aktywności chemicznej niszczą białka i polisacharydy tworzące zewnętrzną warstwę mikroorganizmu (ścianę komórkową lub otoczkę), dzięki czemu patogeny są unieszkodliwiane. Jony wspomagają także usuwanie drobnych zanieczyszczeń dzięki zjawisku agregacji. Naładowane cząsteczki i cząstki zanieczyszczeń tworzą na skutek oddziaływań elektrostatycznych większe skupiska – duże, ciężkie cząstki, które łatwo zatrzymać na filtrze. Dodatkową zaletą jonizacji jest rozkład substancji organicznych, odpowiadających np. za odory, do prostych, neutralnych związków.

Na rynku dostępne są jonizatory przeznaczone do montażu w istniejących urządzeniach i instalacjach HVAC – na wlocie powietrza i za filtrami, na ścianach kanałów wentylacyjnych, na wlotach i wylotach wentylatora, w centralach wentylacyjnych, w klimatyzatorach. Mają one postać modułowych listew lub pasków wyposażonych w odpowiedni zasilacz. Jonizatory do instalacji HVAC wykorzystują technologię dwubiegunowej (bipolarnej) jonizacji igłowej (Needlepoint Bipolar Ionization). Igły (elektrody) z materiału przewodzącego odpornego na korozję (włókno węglowe, stal nierdzewna, tytan, złoto etc.) wytwarzają energię poniżej 12,07 eV. Wartość ta odpowiada energii, przy której z tlenu wytwarzany jest ozon, zatem w polu elektrycznym o niższej energii ozon nie powstaje. Dwubiegunowa jonizacja igłowa oferuje więc efektywne tworzenie plazmy bez powstawania ozonu.

Literatura

1. Samoliński Bolesław, Rapiejko Piotr, Lipiec Agnieszka, Kurzawa Ryszard, Metody ograniczania narażenia na alergen, [w:] Kruszewski J., Kowalski M.L. (red.): „Standardy w alergologii. Część 1”, Wyd. 2, Kraków, Medycyna Praktyczna, 2010

2. Chmiel Marta i in., Problemy monitoringu zanieczyszczeń mikrobiologicznych powietrza, „Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie” tom 15, nr 1 (4), 2015, s. 17–27

3. Badyda Artur (oprac.), Wytyczne Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) dotyczące jakości powietrza z 2021 roku – drogowskaz do zdrowszego powietrza dla wszystkich, https://is.pw.edu.pl/wytyczne-swiatowej-organizacji-zdrowia-who-dotyczace-jakosci-powietrza-z-2021-roku-drogowskaz-do-zdrowszego-powietrza-dla-wszystkich/ (dostęp: 8.05.2022)

4. Jędrak Jakub, Konduracka Ewa, Badyda Artur Jerzy, Dąbrowiecki Piotr, Wpływ zanieczyszczeń na zdrowie, Krakowski Alarm Smogowy, Kraków 2017

5. ASHRAE FAQ on filtration and disinfection, https://www.ashrae.org/technical-resources/filtration-disinfection (dostęp: 8.05.2022)

6. REHVA: Criteria for room air cleaners for particulate matter, March 2021, https://www.rehva.eu/fileadmin/content/documents/Downloadable_documents/REHVA_COVID-19_Recommendation_Criteria_for_room_air_cleaners_for_particulate_matter.pdf (dostęp: 9.05.2022)

7. PN-EN ISO 16890-1:2017-01E Przeciwpyłowe filtry powietrza do wentylacji ogólnej. Część 1: Specyfikacje techniczne, wymagania i system klasyfikacji skuteczności określony na podstawie wielkości cząstek pyłu (ePM)

8. WHO global air quality guidelines. Particulate matter (PM2.5 and PM10), ozone, nitrogen dioxide, sulfur dioxide and carbon monoxide. Executive summary, World Health Organization, Geneva: 2021

9. Eurovent 4/23 – 2020. Selection of EN ISO 16890 rated air filter classes for general ventilation applications. Fourth edition, Eurovent, Brussels 2022

10. Chen Chun, Zhao Bin, Review of relationship between indoor and outdoor particles: I/O ratio, infiltration factor and penetration factor, „Atmospheric Environment” 45, 2011, p. 275–288

11. Bank danych pomiarowych. Bieżące dane pomiarowe, https://powietrze.gios.gov.pl/pjp/current, Główny Inspektorat Ochrony Środowiska (dostęp: 11.05.2022)

12. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2008/50/WE z dnia 21 maja 2008 r. w sprawie jakości powietrza i czystszego powietrza dla Europy (Dz.Urz. L 152 z 11.06.2008)

13. Rozporządzenie Ministra Rodziny, Pracy i Polityki Społecznej z dnia 12 czerwca 2018 r. w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy (DzU 2018, poz. 1286)