Splošno razumevanje filtracije zraka temelji na izločanju delcev iz zračnega toka s sejanjem na situ ali skozi pore. Pretoki zraka skozi filter so običajno turbulentni. Izločeni delci so praviloma večji od por, proces zadrževanja pa se vrši do nekaj slojev pod površino ali na površini.
Proces visoko učinkovite filtracije zraka se ne more primerjati z nobeno od filtracij na osnovi sejanja. Filtrirni material – filtrirna membrana je izdelana iz veliko slojev vlaken podmikronskih premerov. Pri pretoku zračnega aerosola skozi filtrirno membrano delujejo fizikalni mehanizmi, ki omogočajo učinkovito zadrževanje delcev, tudi takih, ki so bistveno manjši od prostorov med vlakni.
V filtracijski stroki ima prej omenjena visoko učinkovita filtracija zraka kar nekaj nazivov največkrat pa je uporabljena kratica HEPA (high efficiency particulate air) filtracija. V Sloveniji se večkrat uporablja tudi poimenovanje ‘absolutna filtracija’, vendar bomo v tem pisanju uporabili kratico HEPA, ki je v vsesplošni svetovni uporabi in na kateri temelji tudi večina veljavnih standardov, ki spremljajo HEPA filtre in njih uporabo.
HEPA filter je v principu ohišje filtra v katerega je vgrajena nagubana filtrirna membrana. V zadnjih desetletjih je gubana lepljena membrana v večini aplikacij izpodrinila prvotni filtrirni vložek s separatorji iz Al folije.
HEPA filtrirna membrana je izdelana iz borosilikatnih steklenih mikrovlaken po mokrem postopku, zelo podobnemu izdelavi klasičnega celuloznega papirja. Membrana ima podoben izgled kot visokokakovostni bel celulozni papir z znatno vsebnostjo tekstilnih vlaken. V strokovnih krogih se ta papir pogosto imenuje filtrirni papir iz steklenih vlaken.
Borosilikatna steklena mikrovlakna vlakna, ki so sestavljajo membrano imajo premere od 0,01 do 5µm. Sestava, dolžina in razporeditev vlaken določijo lastnosti filtrirnega papirja. Tipična debelina filtrirnega papirja iz steklenih vlaken je 0,4 – 0,5mm (400 – 500µm), torej je debelina papirja – globina filtrirne membrane v sorazmerju vsaj petstokrat večja od povprečne debeline vlakna. HEPA filtrirno membrano sestavlja več sto plasti mikrovlaken, ki omogočajo edinstven proces HEPA filtracije.
Proces prestrezanja aerosolnega delca na membrani je odvisen od termodinamičnih lastnosti aerosola, ki se pretaka skozi mikrostrukturo vlaken. Prepletena vlakna tvorijo zavite poti povezanih medprostorov, ki preusmerjajo tok zraka v membrani in povečujejo čas potovanja skozi globino membrane.
Pri pretoku aerosola skozi membrano se vzpostavijo fizikalni mehanizmi, ki omogočajo odstranjevanje podmikronskih delcev iz aerosola pri optimalni energetski učinkovitosti (relativno majhen zračni upor).
To so trije pretočni mehanizmi zadrževanja delcev:
Pri največji delcih se pojavi tudi proces sejanja (zadrževanja) na površini membrane.
Slika: Mehanizem zadrževanja delcev (a) na vlaknu in (b) po globini membrane
Delci različnih velikosti potujejo s tokom zraka skozi filtrirno membrano. Hitrosti zračnega toka skozi membrano so majhne, premeri vlaken so majhni, zato je Reynoldsovo število nizko (Re<1), torej je tok skozi filtrirni medij laminaren. Laminarni pretok je osnova za delovanje HEPA filtra.
Slika 2a prikazuje potovanje delcev različnih velikosti s tokovnicami zračnega toka in njihovo srečanje z vlaknom filtrirnega medija.
Večji delci imajo relativno večjo maso zato kljub laminarnemu toku delec pred vlaknom zapusti tokovnico in zaradi inercije naleti na vlakno in se nanj prilepi – inercijski nalet. Pri delcih <10µm na vlaknu delujejo sile lepljenja (Van der Waals), elektrostatične in kapilarne sile, ki proces zadrževanja na vlaknu omogočijo, zato delček ostane prilepljen na vlakno.
Na sliki 2a je na srednji tokovnici prikazan proces prestrezanja na vlaknu. Delček je manjši od prej opisanega ima manjšo inercijo zato tudi ob vlaknu sledi tokovnici. Ob dotiku vlakna ga na vlaknu zadržijo sile lepljenja.
Delci zelo majhnih premerov slika 2a spodaj, pa zaradi svoje majhne mase ob potovanju s tokovnico kaotično nihajo. Na delce te velikosti vplivajo medmolekularne sile – Brownovo gibanje. Ta filtracijski proces imenujemo filtracija z difuzijo. Difuzija je mehanizem, ki zaradi opisanega pojava omogoča 100% zadrževanje res majhnih delcev 0,01µm (10nm). Zato bi bilo mogoče upravičeno poimenovati te filtre absolutni filtri, ker pa v realnem svetu ni nič absolutnega smo se temu izognili.
Pri res velikih delcih ≥10µm pa HEPA membrana deluje tako, da zadrži delce na površini. Ta proces pa lahko imenujemo sejanje. Slika 2b spodaj.
Slika 3 prikazuje posnetek slike SEM (scanning elektronski mikroskop) membrane filtra, ki je bil že nekaj časa v uporabi. Iz 100µm skale pod sliko lahko razberemo, da so premeri najdebelejših vlaken do 5µm, večina vlaken pa je vsaj deset krat tanjša. Zaradi omejene globinske ostrine slika lahko prestavi le del plasti vlaken.
Proces filtracije HEPA filtra je v osnovi odvisen od do sedaj predstavljenih procesov. Filtrirne membrane imajo različno zgradbo (za različne razrede filtracije). To so parametri debelina membrane, debelina in dolžina vlaken, distribucija in gostota vlaken, trdnost….., zato imajo filtrne membrane (filtrirni papir iz katerega so izdelani filtri) različne lastnosti.
Pri prehajanju aerosola skozi membrano HEPA filtra štirje prej opisani mehanizmi vplivajo na zadrževanje delcev različno glede na velikost delcev. Slika 4 prikazuje učinek filtracije odvisno od velikosti delcev, hkrati pa vpliv vseh štirih zadrževalnih mehanizmov pri delcih različnih velikosti. Difuzijski mehanizem začne delovati pri 0,5µm delcih, učinek difuzije pa se močno veča proti manjšim delcem in je za 0,1µm delce vsaj 99,99%. Nad 0,3µm se začne pojav prestrezanja na vlaknu, v ozkem področju se prekriva z difuzijo.
Skupna krivulja (slika 4) nam kaže seštevek učinka filtracije pri različnih velikostih delcev. Iz krivulje lahko sklepamo, da imajo največjo moč prodiranja skozi filtrirno membrano delci velikosti 0,2 – 0,3µm. Te delce stroka označuje s kratico MPPS (most penetration particle size) – delci velikosti z najboljšim prodiranjem.
Novejši postopki merjenja učinka filtracije in integritete HEPA filtrov temeljijo na uporabi testnih aerosolov, ki so po svoji sestavi čim bližje MPPS.
Filtracijska membrana opisana na sliki 4, ima skupen učinek filtracije vsaj 99,98%, pri najbolj prodornih delcih malo nižji – 99,97% pri delcih <0,1µm pa se učinek povečuje od 99,99 proti 100%.
Sprememba hitrosti pretoka zraka skozi filtrirno membrano ima znaten vpliv na prepuščanje delcev skozi membrano (učinek filtracije) tudi v laminarnem toku. Propustnost (penetration) je obratno sorazmerna učinku filtracije (filter efficiency), ki predstavlja koncentracijo delcev v toku aerosola pred filtrom in za filtrom. Približno velja, da zmanjšanje pretoka na polovico povzroči zmanjšanje padca tlaka na filtru (membrani) na polovico, na učinek filtracije pa vpliva skoraj za velikostni red 99,95% na 99,992%. pri dimenzioniranju filtra je te lastnosti vredno vzeti v obzir. Vpliv hitrosti na učinek filtracije kaže slika 5. Ko se hitrosti skozi filtrirno membrano povišajo v turbulentni tok, učinek filtracije s povečevanjem pretočne hitrosti rapidno pada predvsem v področju podmikronskih delcev.
Proces HEPA filtracije ima za osnovo relativno nizke pretočne hitrosti aerosola skozi membrano, torej temelji na laminarnem toku. V področju laminarnega toka se padec tlaka glede na hitrost pretoka veča dokaj linearno. Ko pa se hitrosti še povečajo pridemo v turbulentno področje in padci tlaka na filtru rastejo s pretokom ekspotencialno.
Tel.: +386 (0)1 361 67 10
Fax: +386 (0)1 361 67 15
E-pošta: colf@amis.net
Vse pravice pridržane! 2023 Colf d.o.o. Izdelava strani