3.4.2.1. Ефект фільтрації
НЕРА фільтр є ключовою ланкою системи, від якої залежить ефективність роботи всієї повітроочисної станції. Ефективне використання НЕРА фільтрів можливо тільки за умови триступінчатої (щонайменше) фільтрації повітря, що подається, де кожний із ступенів вирішує свою специфічну задачу:
Перший ступінь фільтрації захищає систему підготовки повітря від забруднень, що містяться в зовнішньому (атмосферному) повітрі, що подається в блок підготовки повітря.
Другий ступінь фільтрації забезпечує чистоту приточувань повітроводів від забруднення і розташовується як останній елемент системи підготовки повітря.
Третій ступень - саме НЕРА фільтр, що забезпечує чистоту повітря що поступає безпосередньо в приміщення.
Без додаткових фільтрів очищення повітря неможливо забезпечити термін служби НЕРА фільтру 6-12 місяців. Багатоступенева фільтрація повітря веде до збільшення аеродинамічного опору системи і вимагає підвищеного тиску.
3.4.2.2. Механізм фільтрації частинок
Високоефективні НЕРА фільтри містять волокна діаметром 0,65 - 6,5 мкм, відстань між якими складає від 10 до 40 мкм. Принцип HEPA фільтрації заснований не на обмеженні здатності частинок проникати в проміжки між волокнами (ефект сита), а в зміні ліній повітряного потоку.
Ефект сита діє, коли відстань між двома волокнами менше діаметра частинки (рис. 4.10). Цей тривіальний ефект особливо небажаний в НЕРА фільтрах, але позбувся його практично неможливо. В цьому випадку фільтр блокується частинками, що осіли, утрудняє проходження повітря через нього, зменшується швидкість фільтрування, збільшеується тиск, термін служби фільтру скорочується.
Рис. 4.10. Схема затримки часток за рахунок ефекту сита.
Ефект інерції виявляється для всіх частинок розміром більше 1 мкм. Завдяки великій інерції частинка аерозолю при набіганні на перешкоду не слідує лінії струму і не відхиляється разом з повітрям, що огинає волокно, а продовжує прямолінійний рух до безпосереднього зіткнення з перешкодою (рис. 4.11). Ефект інерції не істотний для звичайних швидкостей фільтрації і більшості мікробіологічних об’єктів і не враховується в багатьох моделях фільтрів, оскільки для цього цілком достатньо ефекту зчеплення.
Рис. 4.11. Схема затримки часток за рахунок ефекту інерції.
Ефект зчеплення виявляється якщо лінія струму повітря проходить близько до фільтрувального волокна (рис. 4.12). Тоді будь-яка частинка розміром 1 мкм і більше зачіпляється за перешкоду усередині цілого ряду волокон завдяки природним силам. Вірогідність цього дуже висока, оскільки повітряний потік проходить через величезну кількість волокон.
Рис. 4.12. Схема затримки часток за рахунок ефекту зчеплення.
Ефект дифузії має значення для частинок, що наближаються до молекулярних габаритів (розмірами менше 0,1 мкм) з відповідно невеликою масою, які скоюють хаотичний інерційний рух в сторони від ліній повітряного струму (броунівський рух). Дифузійні частинки безладно переміщаються на відстані, що перевищують їх діаметр, і цей феномен винен в їх прикріпленні до волокон (рис. 4.13). Малі швидкості повітряного потоку збільшеують вірогідність торкання волокна частинкою, оскільки вона проводить більше часу поблизу нього. Проте згодом частинка може відкріплятися від волокна і знову повернутися в повітряний потік.
Рис. 4.13. Схема затримки часток за рахунок ефекту дифузії.
Висновок. Ефекти інерції (impaction), зачіпляють (interception) і дифузії (diffusion) є основними з погляду процесів фільтрації в НЕРА фільтрах.
Хоча НЕРА фільтри теоретично здатні видаляти частинки з розмірами аж до 0,01 мікрона, показники їх роботи в цьому діапазоні не лінійні і ефективність фільтрації різко знижується. Для волоконних фільтрів існує розмір частинки з максимальною проникаючою здатністю — Most Penetrating Particle Size (MPPS). Для НЕРА фільтрів MPPS знаходитися в інтервалі між 0,1 і 0,3 мкм. Коефіцієнт фільтрації в цьому проміжку украй нестабільний і залежить від швидкості повітряного потоку, вогкості повітря та ін. чинників.
Механізм утримування частинок. До теперішнього часу механізм утримування частинок НЕРА фільтрами розглянутий в припущенні, що після контакту з волокном, частинка приєднується до нього статичним електричним тяжінням або ж просто фізичним кріпленням. Завдяки цим поверхневим силам (сили Ван-дер-Ваальса) частинки будуть утримуються у фільтруючому елементі.
Це безперечно для частинок небіологічного походження. Механіка взаємодії біологічних частинок з волоконною структурою НЕРА фільтру має іншу природу.
Перш за все необхідно взяти до уваги той факт, що біологічні частинки є динамічними живими організмами, які не хочуть залишатися прикріпленими до сухих поверхонь без поживного середовища. Здібність бактерій і найпростіших мікроорганізмів до цілеспрямованого руху генетично обумовлена наявністю на їх поверхні різного роду джгутиків і ворсинок. Біомеханічні властивості мікроорганізмів наочно доведені за допомогою електронної мікроскопії і кількісної обробки електронних мікрофотографій.
Рухомі мікроорганізми рухаються до хімічних атрактантів (привертаючим речовинам, наприклад – поживному середовищу) і ухиляються від хімічних репелентів. Рухомі бактерії самі можуть звільняти себе від прикріплення до волокон фільтрацій і знову повертатися в повітряний потік і, таким чином, рухатися уздовж волокон у пошуках вологи, вогкості і поживних речовин.
Накопичені у фільтрах живі мікроорганізми здатні рости на середовищі без додавання поживних речовин. Концентрація біологічних частинок приводить до прискорення їх розмноження, “проростанню” крізь фільтр (наприклад Escherichia coli) і посиленому виділенню мікробних токсинів. При конденсації у фільтрах вологи або недостатньому відведенні вологи існує ризик розвитку в них цвілі. Розмноження мікрофлори веде до інтенсивного забивання пір фільтру і різкого зниження його фільтруючої здатності. В цих випадках концентрація частинок біологічного походження може бути на виході фільтру більше, ніж на вході. Ця обставина примушує проектувальників чистих приміщень в ситуаціях з небезпечними мікроорганізмами використовувати навіть подвійну НЕРА фільтрацію повітря. Частковим рішенням є установка деякими виробниками бактерицидних ламп з тильної сторони фільтрів, проте ефективність невисока, а також додаються проблеми з озоном і токсинами через використовування ультрафіолетового випромінювання. час не існує наукових відомостей про вимірювання впливу рухливості або ефекту “проростання крізь” на ефективність мікробіологічної фільтрації. Розрахунок вірогідності проникнення мікроорганізмів через НЕРА фільтри і ефективність усунення біологічних частинок в термінах відсотка утримування невідомі.
Відпрацьовані встановлений ресурс НЕРА фільтри не підлягають регенерації і після накопичення граничної кількості забруднень повинні заміняться новими. Якщо фільтри використовувалися для очищення повітря від небезпечних мікроорганізмів, то їх демонтаж і утилізація вимагають спеціального комплексу заходів.
НЕРА фільтри не ефективні проти вірусів і мікроорганізмів розмірами менше 0,3 мкм. Як наголошується деякими біологами, використовування НЕРА фільтрів може спровокувати еволюційний тиск цих малих мікроорганізмів.