Filtracja i oczyszczanie powietrza (cz. 1)

Ze względu na coraz większe zanieczyszczenie powietrza atmosferycznego musi być ono przed dostarczeniem do pomieszczeń wentylowanych lub klimatyzowanych właściwie oczyszczone, zależnie od oczekiwań użytkowników pomieszczeń oraz od wymagań związanych z bezpieczeństwem przeprowadzanego procesu badawczego lub przemysłowego.

W wyniku zatrzymania zanieczyszczeń wewnątrz i na powierzchni filtrów powietrza najczęściej w sposób mechaniczny zostają z powietrza usunięte cząstki stałe. Natomiast substancje gazowe mogłyby być adsorbowane na filtrach węglowych, gdyby stosowanie tych filtrów było powszechne. Klasyczny system filtracji nie składa się bowiem z dużej liczby różnorodnych pod względem zasady działania i zastosowanego materiału filtracyjnego, lecz z jednego, maksymalnie dwóch filtrów powietrza, których zadaniem jest ochrona urządzeń uzdatniających powietrze przed zanieczyszczeniem.

Są to najczęściej filtry włókninowe, nie będące w stanie zatrzymać nie tylko związków gazowych, ale także drobnych frakcji pyłów (w tym pyłów alergizujących oraz respirabilnych), a także drobnoustrojów. Świadczy o tym układ filtrów powietrza zalecany przez rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [24], mający za zadanie jedynie ochronę urządzeń uzdatniających powietrze przed zanieczyszczeniem.

Definicje

Filtracja powietrza jest to uzdatnianie powietrza polegające na usuwaniu z niego zanieczyszczeń stałych lub ciekłych [13]. Podczas opisu działania filtrów powietrza stosuje się pojęcie charakterystyka filtra lub charakterystyka filtracyjna. Jest to zbiór danych zawierający podstawowe właściwości (parametry) filtracyjne i przepływowe filtra. Podstawowymi parametrami służącymi do opisu i oceny procesu filtracji powietrza, zwanymi wskaźnikami filtracyjnymi są:

• skuteczność filtracji (lub współczynnik przeskoku): całkowita lub przedziałowa (frakcyjna),
• strata ciśnienia podczas przepływu powietrza przez filtr (opór przepływu),
• pojemność pyłowa filtru. 

Skuteczność filtracji jest to zdolność urządzenia filtracyjnego lub materiału filtracyjnego do zatrzymywania zanieczyszczeń, określona jako stosunek ilości (masy, liczby cząstek) zanieczyszczeń zatrzymanych przez filtr do ilości doprowadzonej do filtra.

Współczynnik przeskoku (penetracji, przenikania) jest to stosunek ilości pyłu opuszczającego filtr do ilości pyłu doprowadzonego do filtra.

Pojemność pyłowa filtra jest to masa pyłu zatrzymanego przez filtr, przypadająca na jednostkę powierzchni filtracyjnej, przy której został osiągnięty stan końcowy filtra, podawana w [g/m²].

Strata ciśnienia podczas przepływu powietrza przez filtr (opór przepływu powietrza, spadek ciśnienia powietrza) jest to różnica ciśnienia statycznego przed i za filtrem.

Początkowy opór przepływu jest to spadek ciśnienia statycznego powietrza na niezapylonym filtrze przy nominalnym natężeniu przepływu powietrza.

Końcowy opór przepływu (górna wartość graniczna) jest to ustalona przez producenta filtra górna wartość oporu przepływu powietrza, po osiągnięciu której materiał filtracyjny powinien być wymieniony. Opory przepływu powietrza podawane są w [Pa].

Klasyfikacja 

Klasyfikacja filtrów powietrza oraz metody ich badań są omówione w normach [15÷19]: PN-EN 779:2005; PN-EN 1822-1:2001; PN-EN 1822- 2:2001; PN-EN 1822-3:2001; PN-EN 1822-4:2002; PN-EN 1822-5:2002. Podział filtrów powietrza na klasy jakości dokonywany jest na podstawie wielkości skuteczności filtracji (lub współczynnika przeskoku – w przypadku filtrów wysokoskutecznych) określanej przy użyciu odpowiedniej dla danej klasy filtrów metody pomiarowej oraz właściwego aerozolu testowego.

Pomiary te przeprowadzane są w wyspecjalizowanych ośrodkach badawczych. Na ich podstawie producent filtrów otrzymuje charakterystykę filtra, zawierającą wartości wszystkich niezbędnych parametrów filtracyjnych. Na rys. 1. znajduje się przykład graficznej charakterystyki filtracyjnej, a na rys. 2. – przebieg skuteczności frakcyjnej dla filtrów o średniej skuteczności 35÷99,9%.

Wybór metody pomiarowej służącej do określenia wielkości parametrów filtracyjnych zależy od rodzaju i przeznaczenia badanego materiału filtracyjnego (filtr wstępny, dokładny, wysokoskuteczny: HEPA – High Efficiency Particulate Air – standardowy filtr aerozoli koloidalnych o średniej i wysokiej skuteczności filtracji, ULPA – Ultra Low Penetration Air – filtr aerozoli koloidalnych, o bardzo wysokiej skuteczności filtracji).

Rodzaj i wielkość cząstek aerozolu testowego stosowanego podczas pomiarów są ściśle związane z przeznaczeniem badanego materiału filtracyjnego. Im dokładniejszy jest filtr, tym drobniejszy stosuje się aerozol [4].  W tabeli 1. zamieszczono zestawienie informacji dotyczących klas jakości filtrów powietrza, od klasy G1 do klasy U17.

Włókninowe materiały filtracyjne

Uzyskana skuteczność filtracji jest zależna w dużym stopniu od zastosowanego materiału filtracyjnego, a właściwości materiałów filtracyjnych są pochodną właściwości włókien, z których zostały wykonane. Materiały wykonane z włókien odpornych termicznie lub biologicznie zachowują te cechy, a tkaniny z włókien o dużej wytrzymałości mechanicznej są z reguły bardzo wytrzymałe, choć ta cecha zależy także od sposobu wykonania włókniny lub tkaniny filtracyjnej [8].

Obecnie do celów filtracji powietrza, w filtrach stosowanych w wentylacji i klimatyzacji komfortu, najczęściej wykorzystuje się włókniny wykonane z syntetycznych włókien poliestrowych, szklanych, poliuretanowych, naturalnych włókien lateksowych oraz papier filtracyjny wykonany z włókien syntetycznych lub włókien szklanych. Poniżej przedstawiono charakterystykę użytkową najczęściej stosowanych włókien poliestrowych oraz szklanych [4].

Włókna poliestrowe 

Szacuje się, że ponad połowa wytwarzanych obecnie materiałów filtracyjnych jest wykonywana ze stosunkowo tanich włókien poliestrowych. Włókna te mogą pracować w temperaturze do 130°C w gazach suchych i do 110°C w gazach wilgotnych. Są dość odporne na działanie rozcieńczonych kwasów i większości rozpuszczalników organicznych. Mogą być degradowane przez stężone kwasy: siarkowy, fluorowodorowy i karbolowy; mają dużą odporność na alkalia; są dodatkowo słabo higroskopijne [9].

Włókna szklane 

Materiały filtracyjne wykonane z włókien szklanych cechuje wysoka wytrzymałość termiczna. Znaczący spadek wytrzymałości występuje dopiero po przekroczeniu temperatury 315°C. Przy dłuższym działaniu ciepła dopuszczalna temperatura użytkowa wynosi ok. 260°C, natomiast w temp. 370°C włókna tracą ok. 50% swojej wytrzymałości. Włókna szklane nie palą się, natomiast w płomieniu żarzą się na czerwono, następnie topią się tworząc jasną kulkę nie wydzielając żadnego zapachu.  Włókna szklane nie absorbują wody i z tego powodu nie pęcznieją, jednak w środowisku wody występuje niewielki spadek wytrzymałości. Ujemną cechą włókien szklanych jest bardzo mała odporność na zginanie, dotyczy to zwłaszcza grubszych włókien. Stąd tendencja do wytwarzania włókien o mniejszej średnicy decydującej o wytrzymałości na dynamiczne i zmęczeniowe naprężenia. Są one bardzo sprężyste nawet po odkształceniu blisko punktu zerwania.

Włókna szklane, wytwarzane najczęściej ze szkła glinowo-borokrzemowego (z dodatkiem związków fluorowych), mogą być formowane w znacznym zakresie średnic (0,1÷100 µm). W zależności od średnicy włókien elementarnych w zakresie najmniejszych średnic rozróżnia się:

•  włókna ultracienkie (poniżej 1 µm),
•  włókna niskomikronowe (1÷3 µm),
•  włókna normalne (4÷7 µm),
•  rowing (9÷12 µm).

Cechuje je doskonała odporność na działanie rozpuszczalników organicznych oraz bardzo dobra odporność na działanie większości kwasów. Jedynie gazy zawierające HF, SiF4 i BF3, a także bezpośrednie działanie stężonych kwasów H2SO4 i HCl, gorącego H3PO4 oraz silnych zasad mogą spowodować uszkodzenie włókien szklanych. Włókna te mają bardzo dużą gęstość i dlatego wyroby z nich wytwarzane mają stosunkowo duży ciężar [5, 9].

Filtry węglowe 

Filtry węglowe stosowane w wentylacji i klimatyzacji mają za zadanie adsorpcję substancji gazowych znajdujących się w transportowanym i poddawanym uzdatnianiu powietrzu zewnętrznym.

Węgiel aktywny (aktywowany) jest to substancja składająca się głównie z węgla pierwiastkowego w formie bezpostaciowej (sadza), częściowo w postaci drobnokrystalicznego grafitu (poza węglem zawiera zwykle popiół, głównie tlenki metali alkalicznych i krzemionkę). Charakteryzuje się bardzo dużą powierzchnią w przeliczeniu na jednostkę masy (500÷2500 m²/g – dla porównania powierzchnia kortu tenisowego wynosi ok. 260 m²), dzięki czemu jest doskonałym adsorberem wielu związków chemicznych.

Wielka powierzchnia właściwa węgla aktywnego jest wynikiem istnienia wewnętrznej struktury porowatej odziedziczonej w dużym stopniu po wyjściowym materiale organicznym, a rozwiniętej w procesie wygrzewania w wysokiej pojedynczych przy ograniczonym dostępie powietrza. Większość porów to silnie adsorbujące mikropory oraz pełniące głównie rolę kanałów transportowych mezopory. Węgiel aktywny jest często modyfikowany (np. przez usunięcie popiołu lub impregnację związkami chemicznymi), aby zachowując swoje właściwości adsorpcyjne, mógł bardziej specyficznie pochłaniać określony składnik (np. metale ciężkie).

Znaczenie węgla podnosi fakt, że jest to substancja nietoksyczna (nawet przy spożyciu), tania w produkcji (otrzymywana np. z drewna jako węgiel drzewny oraz z wielu pojedynczych odpadów, np. z pestek śliwek), a jednocześnie łatwa do utylizacji po zużyciu (przez spalenie). Jeżeli adsorbowane były na przykład metale ciężkie, można je łatwo odzyskać z powstałego popiołu [22, 25].

Orientacyjnie można przyjmować, że 1 g węgla aktywnego, odpowiadający objętości ok. 2 cm³ ma powierzchnię wewnętrzną albo właściwą od 900 do 1200 m² [22]. Własności adsorpcyjne węgla można wykorzystać optymalnie tylko wtedy, gdy są do siebie dopasowane: węgiel aktywowany, impregnacja i substancja, która ma być zaadsorbowana. Takich rodzajów gazów, jak: N₂, O₂, CO₂, węgiel aktywowany nie może adsorbować, ponieważ występują one powszechnie i węgiel aktywowany już po wytworzeniu „nasyca się” ich molekułami. Zmiany stężenia tych gazów (przy przejściu przez węgiel aktywowany) nie zachodzą [22].

Do zastosowań w instalacjach wentylacyjnych produkuje się pojedyncze komory albo wkłady do filtrów. Płyty z węgla aktywnego dla małych stężeń zapachów umieszcza się zygzakowato w filtrach komorowych albo kanałowych dla uzyskania powierzchni filtrującej przy małej powierzchni czołowej nawiewu. Czas kontaktu powietrza z materiałem filtrującym wynosi wówczas 0,08÷0,1 s.

Przy wyższych wymaganiach stosuje się ładunki węgla aktywnego mocowane hermetycznie na ramach nośnych za pomocą śrub. Stosuje się kombinacje z filtrem wstępnym. Filtry wstępne są zawsze pożądane, pomagają uniknąć zapchania filtra z węgla aktywnego pyłem i skrócenia przez to jego żywotności [22].

Obecnie, w celu zwiększenia skuteczności oczyszczania powietrza podczas przepływu przez filtr węglowy, w wyniku przedłużenia czasu oraz powierzchni kontaktu powietrza z węglem aktywnym, odchodzi się od stosowania filtrów płytowych, stosując filtry cylindryczne (tzw. patrony). Masa zanieczyszczeń zatrzymanych przez filtr węglowy może wynosić maksymalnie do 0,3÷0,6 kg/1 kg węgla aktywnego.

Proponuje się także umieszczenie filtrów węglowych w centralach z urządzeniami do odzysku ciepła. Ze względu na właściwości sorpcyjne węgla aktywnego, obecnie możliwe jest stosowanie wymiennika rotacyjnego nawet w instalacjach z bardzo dużą koncentracją substancji zapachowych w powietrzu. W wymienniku obrotowym tylko ok. 2% substancji zapachowych przenika ze strony powietrza wywiewanego do powietrza nawiewanego.

Umieszczając filtr węglowy po stronie tłocznej wentylatora nawiewnego eliminuje się występowanie zapachów w powietrzu nawiewanym oraz, co jest bardzo istotne, czas prawidłowej pracy tego filtra zostanie maksymalnie wydłużony (nawet do kilku lat). Zaletą stosowania filtra węglowego jest oczyszczenie powietrza zewnętrznego z zapachów pochodzących np. ze spalin samochodowych. Kolejną korzyścią z użycia filtra węglowego jest dodatkowe wytłumienie dźwięku (5 dB w paśmie 250 Hz) [2].

Literatura

1. ANSI/ASHRAE 52.2 1999 Method of Testing General Ventilation Air cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size 52.2.
2. BASIC Centrale wentylacyjno-klimatyzacyjne, katalog produktów firmy Swegon.
3. Charkowska A., Czystość przewodów wentylacyjnych – wpływ na efektywność działania instalacji i zdrowie człowieka, IX Konferencja „Efektywność Energetyczna urządzeń i instalacji”, Chłodnictwo&Klimatyzacja, Warszawa 2007.
4. Charkowska A., Filtracja i filtry powietrza, Polski Instalator 7–8/2003.
5. Charkowska A., Probabilistyczna ocena numerycznej skuteczności filtracji aerozolu w materiałach mikrowłóknistych o słabo zdeterminowanej strukturze, praca doktorska, Wydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Warszawska, Warszawa 1997.
6. Ensor D.S., Hanley J.T., Sparks L.E., Particle-size-dependent efficiency of air cleaners. Washington D.C., IAQ 1991, Healthy Buildings/IAQ, 1991.
7. Federal Standard 209e, Airborne Particulate Cleanliness Classes in Cleanrooms and Clean Zones, 1992.
8. Juda J., Nowicki M., Urządzenia odpylające, PWN, Warszawa 1979.
9. Kabsch P., Odpylanie i odpylacze, t. 1. Mechanika aerozoli i odpylanie suche, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1992.
10. Kubicki G., Filtracja i uzdatnianie powietrza w klimatyzatorach typu split, www.instalsystem.pl/document,, id,79101.html.
11. Makles Z., Nanomateriały – nowe materiały, nowe zagrożenia, Bezpieczeństwo Pracy 2/2005. 
12. Performance Criteria of Buildings for Health and Comfort, ISIAQ-CIB Task Group TG 42, Final Draft January, 2003.
13. PN-B-01411:1999 Wentylacja i klimatyzacja. Terminologia.
14. PN-EN 13779:2005 Wentylacja budynków niemieszkalnych – Wymagania dotyczące właściwości instalacji wentylacji i klimatyzacji (ang.).
15. PN-EN 1822-1:2001 Wysokoskuteczne filtry powietrza (HEPA i ULPA) Część 1: Klasyfikacja, badanie parametrów, znakowanie.
16. PN-EN 1822-2:2001 Wysokoskuteczne filtry powietrza (HEPA i ULPA) Część 2: Wytwarzanie aerozolu, przyrządy pomiarowe, statystyka zliczania cząstek.
17. PN-EN 1822-3:2001 Wysokoskuteczne filtry powietrza (HEPA i ULPA) Część 3: Badanie płaskiego materiału filtracyjnego.
18. PN-EN 1822-4:2002 Wysokoskuteczne filtry powietrza (HEPA i ULPA) Część 4: Określanie przecieku filtru (metoda przeszukiwania).
19. PN-EN 1822-5:2002 Wysokoskuteczne filtry powietrza (HEPA i ULPA) Część 5: Określanie skuteczności filtru.
20. PN-EN 779:2005 Przeciwpyłowe filtry powietrza do wentylacji ogólnej. Określanie parametrów filtracyjnych.
21. PN-EN ISO 14644-1:2005 Pomieszczenia czyste i związane z nimi środowiska kontrolowane. Część 1: Klasyfikacja czystości powietrza. 
22. Recknagel H., Sprenger E., Hönmann W., Schramek E.R., Poradnik Ogrzewanie + Klimatyzacja, EWFE, Gdańsk 1994.
23. Ryńska J., Filtry w klimatyzacji, www.e-instalacje.pl. 
24. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU Nr 75, poz. 690 z późn. zm.).
25. Węgiel aktywny: http://pl.wikipedia.org/wiki/ W%C4%99giel_aktywny

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!