HEPA
HEPA ( / h ɛ p ə / , , wysokowydajny filtr cząstek stałych ), znany również jako wysokowydajny filtr pochłaniający cząstki stałe i wysokowydajny filtr zatrzymujący cząstki stałe jest standardem wydajności filtrów powietrza .
Filtry spełniające normę HEPA muszą spełniać określone poziomy wydajności. Powszechne normy wymagają, aby filtr powietrza HEPA usuwał z powietrza, które przez niego przechodzi, co najmniej 99,95% ( ISO , Norma Europejska) lub 99,97% ( ASME , US DOE ) cząstek o średnicy równej 0,3 μm , przy filtracji zwiększenie wydajności dla cząstek o średnicach zarówno mniejszych, jak i większych niż 0,3 μm. Filtry HEPA wychwytują pyłki , brud , kurz , wilgoć , bakterie (0,2-2,0 μm), wirus (0,02-0,3 μm) i submikronowy ciekły aerozol (0,02-0,5 μm). Niektóre mikroorganizmy , na przykład Aspergillus niger , Penicillium citrinum , Staphylococcus epidermidis i Bacillus subtilis są wychwytywane przez filtry HEPA z fotokatalitycznym utlenianiem (PCO). Filtr HEPA jest również w stanie wychwycić niektóre wirusy i bakterie o wielkości ≤0,3 μm. Filtr HEPA jest również w stanie wychwycić kurz z podłogi, który zawiera bakterie , Clostridia i pałeczki . HEPA została skomercjalizowana w latach pięćdziesiątych XX wieku, a pierwotny termin stał się zarejestrowanym znakiem towarowym , a później ogólnym znakiem towarowym dla wysoce wydajnych filtrów. Filtry HEPA są stosowane w aplikacjach wymagających kontroli zanieczyszczeń , takich jak produkcja dysków twardych, urządzeń medycznych, półprzewodników, produktów jądrowych, żywności i farmaceutyków, a także w szpitalach, domach i pojazdach.
Mechanizm
Filtry HEPA składają się z maty z losowo ułożonych włókien . Włókna składają się zazwyczaj z polipropylenu lub włókna szklanego o średnicy od 0,5 do 2,0 mikrometrów. W większości przypadków filtry te składają się ze splątanych wiązek drobnych włókien . Włókna te tworzą wąską, krętą ścieżkę, przez którą przepływa powietrze. Kiedy największe cząstki przechodzą przez tę ścieżkę, wiązki włókien zachowują się jak sito kuchenne, które fizycznie blokuje przejście cząstek. Jednakże, gdy mniejsze cząstki przechodzą z powietrzem, gdy powietrze skręca się i obraca, mniejsze cząsteczki nie mogą nadążyć za ruchem powietrza i zderzają się z włóknami. Najmniejsze cząstki mają bardzo małą bezwładność i zawsze poruszają się wokół cząsteczek powietrza, tak jakby były bombardowane przez te cząsteczki ( ruchy Browna ). Ze względu na ich ruch, w końcu zderzają się z włóknami. Kluczowymi czynnikami wpływającymi na jego funkcje są średnica włókna, grubość filtra i prędkość twarzy. Przestrzeń powietrzna między włóknami filtra HEPA jest zwykle znacznie większa niż 0,3 μm. Filtry HEPA na bardzo wysokim poziomie dla najmniejszych cząstek stałych. W przeciwieństwie do sit lub filtrów membranowych , przez które mogą przechodzić cząstki mniejsze niż otwory lub pory, filtry HEPA są zaprojektowane tak, aby docierać do różnych rozmiarów cząstek. Cząsteczki te są uwięzione (przyklejają się do włókna) poprzez połączenie następujących trzech mechanizmów:
- Dyfuzja; cząsteczki poniżej 0,3 μm są wychwytywane przez dyfuzję w filtrze HEPA. Mechanizm ten jest wynikiem zderzenia z cząsteczkami gazu najmniejszych cząstek, zwłaszcza tych o średnicy poniżej 0,1 μm. Małe cząsteczki są skutecznie wydmuchiwane lub odbijane i zderzają się z włóknami materiału filtracyjnego. To zachowanie jest podobne do ruchów Browna i zwiększa prawdopodobieństwo, że cząstka zostanie zatrzymana przez przechwycenie lub uderzenie; mechanizm ten staje się dominujący przy niższym przepływie powietrza .
- Przechwycenie; cząstki podążające wzdłuż linii przepływu w strumieniu powietrza znajdują się w promieniu jednego promienia od włókna i przylegają do niego. W tym procesie wychwytywane są cząstki średniej wielkości.
- uderzenie; większe cząstki nie są w stanie uniknąć włókien, podążając za zakrzywionymi konturami strumienia powietrza i są zmuszone do bezpośredniego osadzania się w jednym z nich; efekt ten wzrasta wraz ze zmniejszającą się separacją włókien i większą prędkością przepływu powietrza.
Dyfuzja dominuje poniżej cząstek o średnicy 0,1 μm, podczas gdy zderzenie i przechwytywanie przeważają powyżej 0,4 μm. Pomiędzy nimi, w pobliżu najbardziej przenikliwej wielkości cząstek (MPPS) 0,21 μm, zarówno dyfuzja, jak i przechwytywanie są stosunkowo nieefektywne. Ponieważ jest to najsłabszy punkt w wydajności filtra, specyfikacje HEPA wykorzystują retencję cząstek w pobliżu tej wielkości (0,3 μm) do klasyfikacji filtra. Jednak możliwe jest, że cząstki mniejsze niż MPPS nie będą miały większej skuteczności filtrowania niż MPPS. Wynika to z faktu, że cząstki te mogą działać jako zarodkowania głównie dla kondensacji i tworzą cząstki w pobliżu MPPS.
Filtracja gazu
Filtry HEPA są przeznaczone do skutecznego zatrzymywania bardzo drobnych cząstek, ale nie odfiltrowują gazów i cząsteczek zapachu . Okoliczności wymagające filtracji lotnych związków organicznych , oparów chemicznych, zapachów papierosów , zwierząt domowych lub wzdęć wymagają zastosowania filtra z węglem aktywnym (węgiel drzewny) lub innego typu zamiast lub oprócz filtra HEPA. Filtry z tkaniny węglowej, uważane za wielokrotnie skuteczniejsze od granulowanej formy węgla aktywnego przy adsorpcji zanieczyszczeń gazowych , są znane jako wysokowydajne filtry adsorpcyjne gazu (HEGA) i zostały pierwotnie opracowane przez brytyjskie siły zbrojne jako obrona przed bronią chemiczną .
Filtr wstępny i filtr HEPA
Filtr workowy HEPA może być używany w połączeniu z filtrem wstępnym (zwykle aktywowanym węglem), aby wydłużyć żywotność droższego filtra HEPA. W takiej konfiguracji pierwszy etap procesu filtracji składa się z filtra wstępnego, który usuwa z powietrza większość większych cząstek kurzu, włosów , PM10 i pyłków. Drugi stopień wysokiej jakości filtra HEPA usuwa drobniejsze cząsteczki, które wydostają się z filtra wstępnego. Jest to powszechne w centralach wentylacyjnych .
Specyfikacje
Filtry HEPA, zgodnie z normą Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) przyjętą przez większość amerykańskich gałęzi przemysłu, usuwają co najmniej 99,97% aerozoli o średnicy 0,3 mikrometra (μm). Minimalny opór filtra na przepływ powietrza lub spadek ciśnienia jest zwykle określany na około 300 paskali (0,044 psi) przy jego nominalnym przepływie objętościowym .
Specyfikacja stosowana w Unii Europejskiej : Norma europejska EN 1822-1:2009, z której pochodzi norma ISO 29463, definiuje kilka klas filtrów na podstawie ich zatrzymywania przy danej wielkości cząstek najbardziej przenikliwych (MPPS): Wydajne filtry cząstek stałych (EPA) , HEPA i filtry powietrza o bardzo niskiej zawartości cząstek stałych (ULPA). Uśredniona wydajność filtra nazywana jest „ogólną”, a wydajność w określonym punkcie nazywana jest „lokalną”:
| Efektywność | EN 1822 | ISO 29463 | Retencja (średnia) | Retencja (miejsce) |
|---|---|---|---|---|
| EPA | E10 | — | ≥ 85% | — |
| E11 |
ISO 15 E ISO 20 E |
≥ 95% ≥ 99% |
— | |
| E12 |
ISO 25 E ISO 30 E |
≥ 99,5% ≥ 99,9% |
— | |
| HEPA | H13 |
ISO 35 H ISO 40 H |
≥ 99,95% ≥ 99,99% |
≥ 99,75% ≥ 99,95% |
| H14 |
ISO 45 H ISO 50 H |
≥ 99,995% ≥ 99,999% |
≥ 99,975% ≥ 99,995% |
|
| ULPA | U15 |
ISO 55 U ISO 60 U |
≥ 99,9995% ≥ 99,9999% |
≥ 99,9975% ≥ 99,9995% |
| U16 |
ISO 65 U ISO 70 U |
≥ 99,99995% ≥ 99,99999% |
≥ 99,99975% ≥ 99,9999% |
|
| U17 | ISO 75 U | ≥ 99,999995% | ≥ 99,9999% |
Zobacz także różne klasy filtrów powietrza dla porównania.
Obecnie ocena filtra HEPA ma zastosowanie do każdego wysoce wydajnego filtra powietrza, który może osiągnąć te same standardy wydajności filtra jako minimum i jest równoważna z nowszą oceną P100 Narodowego Instytutu Bezpieczeństwa i Higieny Pracy dla filtrów do respiratorów. Departament Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) ma określone wymagania dotyczące filtrów HEPA w zastosowaniach regulowanych przez DOE.
Marketing
Niektóre firmy używają terminu marketingowego znanego jako „True HEPA”, aby dać konsumentom pewność, że ich filtry powietrza spełniają standard HEPA, chociaż termin ten nie ma żadnego znaczenia prawnego ani naukowego. Produkty reklamowane jako „HEPA-type”, „HEPA-like”, „HEPA-style” lub „99% HEPA” nie spełniają standardu HEPA i mogły nie być testowane w niezależnych laboratoriach. Chociaż takie filtry mogą być dość zbliżone do standardów HEPA, inne znacznie odbiegają od nich.
Skuteczność i bezpieczeństwo
Ogólnie rzecz biorąc (i uwzględniając pewne różnice w zależności od czynników, takich jak natężenie przepływu powietrza, właściwości fizyczne filtrowanych cząstek, a także szczegóły konstrukcyjne całego projektu systemu filtracji, a nie tylko właściwości mediów filtracyjnych) , filtry HEPA mają największe trudności z wychwytywaniem cząstek w zakresie wielkości od 0,15 do 0,2 µm. Filtracja HEPA działa mechanicznie, w przeciwieństwie do technologii oczyszczania jonowego i ozonowego , które wykorzystują odpowiednio jony ujemne i gazowy ozon. Tak więc prawdopodobieństwo potencjalnego wywołania skutków ubocznych płuc, takich jak astma i alergie są znacznie niższe w przypadku oczyszczaczy HEPA.
Aby upewnić się, że filtr HEPA działa wydajnie, filtry należy sprawdzać i wymieniać co najmniej raz na sześć miesięcy w obiektach komercyjnych. W warunkach mieszkalnych iw zależności od ogólnej jakości otaczającego powietrza filtry te można wymieniać co dwa do trzech lat. Brak wymiany filtra HEPA w odpowiednim czasie spowoduje obciążenie maszyny lub systemu i nieprawidłowe usuwanie cząstek z powietrza. Dodatkowo, w zależności od materiałów uszczelniających wybranych w projekcie systemu, zatkany filtr HEPA może spowodować znaczne obejście przepływu powietrza wokół filtra.
Aplikacje
Biomedyczne
Filtry HEPA mają kluczowe znaczenie w zapobieganiu rozprzestrzenianiu się drobnoustrojów bakteryjnych i wirusowych przenoszonych drogą powietrzną, a tym samym infekcji . Zazwyczaj systemy filtracji HEPA do użytku medycznego zawierają również wysokoenergetyczne ultrafioletowego lub panele z powłoką antybakteryjną, aby zabić żywe bakterie i wirusy uwięzione przez media filtracyjne. [ Potrzebne źródło ] Niektóre z najlepiej ocenianych urządzeń HEPA mają skuteczność 99,995%, co zapewnia bardzo wysoki poziom ochrony przed przenoszeniem chorób przenoszonych drogą powietrzną .
COVID 19
SARS-CoV-2 ma około 0,125 µm. Unoszące się w powietrzu kropelki SARS-CoV-2 mogą zostać przechwycone przez filtry HEPA, nawet jeśli znajdują się na podłodze. [ wymagane wyjaśnienie ]
Odkurzacze
Wiele odkurzaczy wykorzystuje również filtry HEPA jako część swoich systemów filtracyjnych. Jest to korzystne dla osób cierpiących na astmę i alergie, ponieważ filtr HEPA zatrzymuje drobne cząsteczki (takie jak pyłki i odchody roztoczy kurzu domowego ), które wywołują objawy alergii i astmy. Aby filtr HEPA w odkurzaczu był skuteczny, odkurzacz musi być zaprojektowany w taki sposób, aby całe powietrze zasysane do urządzenia było usuwane przez filtr i żadne powietrze nie przedostawało się przez filtr. Jest to często określane jako „Sealed HEPA” lub czasami bardziej niejasne „True HEPA”. Odkurzacze oznaczone po prostu jako „HEPA” mogą mieć filtr HEPA, ale nie całe powietrze musi przez niego przechodzić. Wreszcie, filtry do odkurzaczy sprzedawane jako „podobne do HEPA” zazwyczaj wykorzystują filtr o średnicy podobna konstrukcja do HEPA, ale bez skuteczności filtrowania. Ze względu na dodatkową gęstość prawdziwego filtra HEPA, odkurzacze HEPA wymagają mocniejszych silników, aby zapewnić odpowiednią moc czyszczenia.
Niektóre nowsze modele twierdzą, że są lepsze niż wcześniejsze z uwzględnieniem „zmywalnych” filtrów. Ogólnie rzecz biorąc, zmywalne filtry True HEPA są drogie. Wysokiej jakości filtr HEPA może zatrzymać 99,97% cząsteczek kurzu o średnicy 0,3 mikrona. Dla porównania, ludzki włos ma średnicę od 50 do 150 mikronów. Tak więc prawdziwy filtr HEPA skutecznie zatrzymuje cząsteczki kilkaset razy mniejsze niż szerokość ludzkiego włosa. Niektórzy producenci twierdzą, że standardy filtrów, takie jak „HEPA 4”, nie wyjaśniają ich znaczenia. [ potrzebne źródło ] To odnosi się do ich Minimalna wartość raportowania efektywności (MERV). [ potrzebne źródło ] Oceny te służą do oceny zdolności filtra powietrza do usuwania kurzu z powietrza przechodzącego przez filtr. MERV to standard używany do pomiaru ogólnej wydajności filtra. Skala MERV waha się od 1 do 16 i mierzy zdolność filtra do usuwania cząstek o wielkości od 10 do 0,3 mikrometra. Filtry o wyższych parametrach nie tylko usuwają więcej cząstek z powietrza, ale usuwają również mniejsze cząsteczki.
Ogrzewanie, wentylacja i klimatyzacja
Ogrzewanie, wentylacja i klimatyzacja (HVAC) to technologia wykorzystująca filtry powietrza, takie jak filtry HEPA, do usuwania zanieczyszczeń z powietrza w pomieszczeniach lub w pojazdach. Zanieczyszczenia obejmują dym, wirusy, proszki itp. i mogą pochodzić z zewnątrz lub wewnątrz. HVAC służy do zapewnienia komfortu środowiskowego, aw zanieczyszczonych miastach do utrzymania zdrowia. [ potrzebne źródło ]
Pojazdy
Linie lotnicze
Nowoczesne samoloty wykorzystują filtry HEPA w celu ograniczenia rozprzestrzeniania się patogenów przenoszonych drogą powietrzną w recyrkulowanym powietrzu. Krytycy wyrazili zaniepokojenie skutecznością i stanem naprawy systemów filtrowania powietrza, ponieważ uważają, że duża część powietrza w kabinie samolotu podlega recyrkulacji. Prawie całe powietrze pod ciśnieniem samolot jest w rzeczywistości wprowadzany z zewnątrz, krąży w kabinie, a następnie jest odprowadzany przez zawory wylotowe z tyłu samolotu. Około 40 procent powietrza w kabinie przechodzi przez filtr HEPA, a pozostałe 60 procent pochodzi z zewnątrz samolotu. Certyfikowane filtry powietrza blokują i wychwytują 99,97% cząstek unoszących się w powietrzu.
Pojazdy silnikowe
W 2016 roku ogłoszono, że Tesla Model X będzie miał pierwszy na świecie filtr klasy HEPA w samochodzie Tesli. Po wydaniu Modelu X Tesla zaktualizowała Model S , aby miał również opcjonalny filtr powietrza HEPA.
Historia
Pomysł na opracowanie filtra HEPA narodził się z masek przeciwgazowych noszone przez żołnierzy walczących podczas II wojny światowej. Kawałek papieru znaleziony w niemieckiej masce gazowej miał niezwykle wysoką skuteczność wychwytywania chemicznego dymu. Korpus chemiczny armii brytyjskiej powielił to i zaczął produkować go w dużych ilościach do własnych służbowych masek przeciwgazowych. Potrzebowali innego rozwiązania dla kwater operacyjnych, gdzie indywidualne maski przeciwgazowe były niepraktyczne. Army Chemical Corps opracował kombinację mechanicznej dmuchawy i oczyszczacza powietrza, która zawierała papier celulozowo-azbestowy w głęboko plisowanej formie z przekładkami między plisami. Został on nazwany „absolutnym” filtrem powietrza i położył podwaliny pod dalsze badania nad opracowaniem filtra HEPA.
Następna faza filtra HEPA została zaprojektowana w latach czterdziestych XX wieku i została wykorzystana w Projekcie Manhattan w celu zapobiegania rozprzestrzenianiu się zanieczyszczeń radioaktywnych w powietrzu . Korpus Chemiczny Armii Stanów Zjednoczonych i Komitet Badań Obrony Narodowej musiały opracować filtr odpowiedni do usuwania materiałów radioaktywnych z powietrza. Army Chemical Corps zapytał laureata Nagrody Nobla Irvinga Langmuira zalecić metody testowania filtrów i inne ogólne zalecenia dotyczące tworzenia materiału do odfiltrowywania tych cząstek radioaktywnych. Zidentyfikował cząstki o wielkości 0,3 mikrona jako „najbardziej przenikliwy rozmiar” - najtrudniejszy i najbardziej niepokojący.
Został skomercjalizowany w latach pięćdziesiątych XX wieku, a pierwotny termin stał się zarejestrowanym znakiem towarowym, a później ogólnym znakiem towarowym dla wysoce wydajnych filtrów.
Przez dziesięciolecia filtry ewoluowały, aby spełniać coraz wyższe wymagania dotyczące jakości powietrza w różnych branżach zaawansowanych technologii, takich jak przemysł lotniczy, farmaceutyczny, szpitale, opieka zdrowotna, paliwa jądrowe, energia jądrowa i produkcja układów scalonych .
Zobacz też
- Oczyszczacz powietrza – Urządzenie, które usuwa zanieczyszczenia z powietrza w pomieszczeniu
- Szybkość dostarczania czystego powietrza – pomiar skuteczności filtracji
- Cleanroom – Bezpyłowe pomieszczenie do badań lub produkcji
- Filtr elektrostatyczny – Urządzenie filtrujące – wyłapuje cząstki pod wysokim napięciem
- Odkurzacz hipoalergiczny – odkurzacz z wysokowydajnym filtrem powietrza
- Minimalna wartość raportowania wydajności - Skala pomiaru skuteczności filtrów powietrza (MERV)
- Respirator – urządzenie noszone w celu ochrony użytkownika przed wdychaniem zanieczyszczeń
- ULPA – Usuwa 99,999% kurzu, pyłków, pleśni, bakterii i cząstek większych niż 120 nm (0,12 μm)
- Promieniowanie bakteriobójcze ultrafioletem – Metoda dezynfekcji za pomocą światła ultrafioletowego
- Pudełko Corsiego – Rosenthala