Как работает HEPA – фильтр

Фильтры EPA, HEPA и ULPA являются решением, когда требуется очень высокий уровень чистоты воздуха, например, в чистых помещениях фармацевтической промышленности, в операционных, при производстве полупроводников или микроэлектроники, в атомной промышленности, в лабораториях.

Впервые высокоэффективные фильтры твердых частиц начали использовать в 40-х годах независимо друг от друга США и СССР, во время развития ядерных проектов. HEPA фильтры применялись для очистки воздуха от радиоактивных частиц на предприятиях ядерной промышленности. В СССР НЕРА фильтры известны под под названием «фильтры Петрянова-Соколова» или фильтрующее полотно ФПП (ткань Петрянова). Они названы по фамилии разработчика советского и российского физика-химика, академика Игоря Васиильевича Петрянова-Соколова.

Технология HEPA фильтрации была рассекречена в США после Второй мировой войны и стала доступна для коммерческого использования. После 1950 года оригинальное название “НЕРА” стало зарегистрированной торговой маркой, а позже общим термином для высокоэффективных воздушных фильтров.

В настоящее время НЕРА фильтры стали появляются повсеместно. Они используются в больницах и офисах для очищения воздуха, которым мы дышим, от вирусов, бактерий, спор, пыльцы, мельчайшей пыли, применяются в системах жизнеобеспечения космических кораблей, самолетов, в салонах автомобилей. Их стали устанавливать даже в пылесосы и другую бытовую технику.

Оглавление

Ведение в высокоэффективную воздушную фильтрацию

Обычно интуитивно люди считают, что фильтрация воздуха похожа на общеизвестный процесс просеивания или процеживания. В нем подразумевается улавливание частиц, размер которых крупнее отверстий или пор в фильтре. Высокоэффективная фильтрация воздуха отличается от просеивания. Фильтрующий материал состоит из множества слоев сплетенных волокон субмикронного диаметра. Этой структурой легко захватываются частицы, намного меньшие, чем отверстия в фильтрующем материале.

Высокоэффективный фильтрующий материал обычно изготавливается из стекловолокна на машинах для формования полотна мокрой укладки, аналогичных тем, которые используются для производства бумаги. Он имеет однородный белый вид, очень похожий на высокосортную толстую волокнистую бумагу. Из-за этого фильтрующий материал, даже принято называть «бумагой».

Из рулонов фильтровальной бумаги делают фильтровальные пакеты. Их изготавливают на специальных станках (HEPA Pleating Machine). В процессе производства бумагу сначала увлажняют, потом складывают гармошкой или гофрируют, а для укрепления пакета в каждую складку наносят разделитель из клея-расплава или алюминиевой фольги. Станки позволяют делать пакеты разной высоты (от 5 до 300 мм). Далее готовые фильтровальные пакеты вклеивают в корпуса из алюминия, нержавеющей стали, МДФ.

Изготовление НЕРА фильтра из плоского листового материала
Процесс изготовление НЕРА фильтра из фильтровального полотна (гофрирование и нанесение клеевого разделителя)

Гофрирование увеличивает площадь фильтрующего полотна, а следовательно уменьшает перепад давления. Благодаря гофрированию возрастает срок службы фильтра (чем больше площадь полотна, тем дольше фильтр не засоряется). Разделитель служит для придания как всему фильтрационному пакету так и отдельным складкам жесткости. Кроме того разделитель из алюминиевой фольги дополнительно служит для выравнивания воздушного потока от завихрений в воздуховодах.

Например, в ламинарные боксы ставят HEPA-фильтры с клеевым разделителем. Тогда как в системах вентиляции устанавливают фильтры с высокими фильтровальными пакетами (до 240 мм) и разделителями из алюминиевой фольги.

Волокнистые структуры полотна фильтрующего материала, кроме классических из стекловолокна, могут быть изготовлены из вспененных мембран, таких как вспененный политетрафторэтилен (ePTFE), из полипропилена и даже из металлических волокон. Мембранный материал ePTFE чаще используют для ULPA фильтров со сверхнизким проникновением (эффективность ≥99,9995%), и там, где требуется устойчивость к агрессивным химическим веществам.

HEPA фильтр из хаотично сплетенных волокон
Строение НЕРА фильтра из стекловолокна – хаотично сплетенные волокна разного диаметра.

Традиционно высокоэффективные фильтрующие материалы для твердых частиц HEPA изготавливаются из боросиликатных стеклянных микроволокон диаметром примерно от 0,5 до 10 мкм. Длины, диаметры и пропорции используемых волокон как правило не раскрываются и являются интеллектуальной собственностью компании. Типичный лист фильтрующего материала НЕРА или ULPA обычно имеет толщину менее 0,5 мм или 500 мкм. Следовательно, исходя из диаметров волокон, используемых при его изготовлении, материал состоит из нескольких сотен слоев хаотично расположенных волокон. Таким образом, даже если в каком-то слое есть открытые пространства, другие слои препятствуют дальнейшему (свободному) переносу частиц потоком воздуха.

Итак, расстояние между волокнами НЕРА фильтра порядка 5 – 50 мкм, что намного больше мелких (ультрадисперсных) частиц размером 0,01 – 0,3 мкм. Поэтому они не могут застрять между волокнами, как это происходит в обычных фильтрах, частицы прилипают к ним. Для того чтобы надежно прилипнуть, частице достаточно просто коснуться волокна фильтровального материала или приблизиться к нему.

Почему же частицы прилипают к волокнам?

Оседание частиц на волокнах фильтрационного материала и прилипание к ним происходит за счет действия двух процессов: адгезии и аутогезии.

Адгезия и аутогезия - прилипание частиц к волокнам НЕРА фильтра
Прилипание частиц к волокну HEPA фильтра

Адгезия (от лат. adhaesio — «прилипание») в физике — сцепление поверхностей разнородных твёрдых и/или жидких тел. Адгезия обусловлена межмолекулярными взаимодействиями (Ван-дер-Ваальсовыми, полярными, иногда — взаимной диффузией) в поверхностном слое. В некоторых случаях она может оказаться сильнее, чем сцепление внутри однородного материала.

Аутогезия является частным случаем адгезии, это связь между однородными конденсированными телами при их молекулярном контакте.

Благодаря адгезии и аутогезии частицы прилипают в волокну и наслаиваются друг на друга. Мельчайшие частицы такие как пыль, споры, пыльца, бактерии (0,2–2,0 мкм), вирусы (0,02–0,3 мкм), субмикронные жидкие аэрозоли (0,02–0,5 мкм) и т.д. настолько сильно прилипают к волокнам фильтра, что остаются там практически “навсегда”.

Три механизма улавливания частиц

Таким образом при фильтрации субмикронных (0,02 – 1 мкм) частиц вступают в действие другие процессы, отличные от общеизвестного просеивания. Размер таких частиц гораздо меньше расстояния между волокнами, поэтому они, проходя сквозь фильтр не могут запутаться в волокнах или застрять в них. Частицы прилипают к волокнам и оседают на них за счет адгезии. Но для того чтобы прилипнуть к волокну фильтра частице нужно коснуться его или приблизиться к нему.

Как же мельчайшие частицы, размер которых в десятки и сотни раз меньше чем расстояние между волокнами, проходя извилистый путь через сотни слоев волокон фильтрационного материала, касаются волокон и оседают на них? Это происходит благодаря действию трех механизмов, каждый из которых действует на частицы определённого размера:

Три механизма улавливания частиц в HEPA фильтрации
Как частицы прилипают к волокнам фильтрационного материала: перехват, диффузия, столкновение

Диффузия: является результатом столкновения мельчайших частиц с молекулами воздуха. При столкновении частицы начинают отскакивать и совершать колебательные движения в стороны от направления воздушного потока. В итоге они отклоняются от направления огибающего волокно воздушного потока. И, как следствие, увеличивается вероятность прилипания таких частиц к волокну при приближении к нему или столкновении. Такое поведение частиц подобно броуновскому движению (Brownian motion).

Эффект диффузии действует на частицы с диаметром менее 0,3 мкм. Он становится преобладающим при фильтрации частиц диаметром менее 0,1 мкм при низких скоростях воздушного потока.

Эффект зацепления или перехвата проявляется, когда частицы пролетают настолько близко от фильтровального волокна, что притягиваются к нему и прилипают. В этом случае имеет значение соотношение размера частиц и волокон. Есть мнение, что частица должна пролететь на расстоянии порядка толщины волокна, чтобы притянуться, другое мнение, что расстояние должно быть сопоставимо с радиусом частицы.

Механизм зацепления особенно эффективен для улавливания частиц среднего размера 0,4 – 1 мкм.

Механизм инерции или столкновения: действует на более крупные частицы с высокой плотностью, которые обладают большой инерцией. Благодаря ей они не могут огибать волокна, двигаясь в извилистом воздушном потоке. Их траектория более прямолинейна, поэтому такие частицы врезаются в волокна и оседают на них.

Эффект инерционного столкновения результативен для улавливания частиц диаметром примерно 1 мкм и более, и увеличивается с уменьшением расстояния между волокнами и увеличением скорости воздушного потока.

На частицу одновременно действуют все три механизма, но преобладает только один. Диффузия преобладает при размерах частиц менее 0,1 мкм в диаметре. Тогда как зацепление эффективно при размерах частиц более 0,4 мкм, а инерционное столкновение для частиц более 1 мкм.

Эффективность НЕРА фильтра

Суммарный результат эффекта от действия этих трех механизмов улавливания частиц составляет классическую кривую эффективности НЕРА фильтрации. Обратите внимание на провал эффективности для диапазона частиц с размером примерно 0,1 – 0,3 мкм. Для них как диффузия, так и зацепление сравнительно неэффективны, а инерционное столкновение ещё не работает.

Классическая кривая эффективности НЕРА фильтра с механизмами фильтрации
Классическая кривая эффективности с механизмами фильтрации

В этом диапазоне между диффузией и перехватом есть размер частиц, которые труднее всего улавливаются материалом фильтра. Такой размер частиц называется MPPS (Most Penetrating Particle Size). Что переводится как “размер частиц с наибольшей проникающей способностью” или наихудшей эффективностью фильтрации (улавливания).

Существует широко распространенное заблуждение, что частицы размером меньше MPPS будут проникать через фильтр – это не так. Частицы как меньшего так и большего диаметра будут улавливаться с еще большей эффективностью, чем MPPS. Поэтому в классификации фильтров или протоколах испытаний общая или интегральная эффективность указывается для частиц MPPS, как худшее значение эффективности фильтра.

Например, фильтрующие материалы из микростекла (такие как гофрированные фильтры из боросиликатного стекловолокна) или полимерные материалы (материалы из смешанных волокон, которые могут обеспечить улучшенные стабильные рабочие характеристики) – как показано на примере графика предоставленного Camfil (см. ниже) – обычно имеют MPPS в диапазоне от 0,12 мкм до 0,25 мкм. Однако для более мелких и крупных частиц эффективность улавливания возрастает.

Ключевые механизмы улавливания частиц на примере фильтра HEPA с MPPS 0,16 мкм (на основе графика, предоставленного Camfil)

Эффективность фильтра обычно выражается процентным отношением количества уловленных частиц к общему количеству частиц, поступивших на фильтр из воздушного потока. При этом любое выражение эффективности фильтра без точного размера улавливаемых частиц не имеет смысла. Процесс фильтрации характеризуется эффективностью или проскоком наиболее трудно улавливаемых частиц или MPPS. Обычно этот размер от 0,1 до 0,3 мкм для классических фильтрующих материалов.

Например, используемые в ламинарных боксах фильтры HEPA класса H14 должны иметь общую эффективность ≥99,995% для частиц 0,3 мкм (MPPS). Это значит, что при испытаниях фильтра из 1 000 000 (одного миллиона) частиц 0,3 мкм будут уловлены фильтром не менее 999 950 частиц, а проскочить через фильтр смогут не более 50-ти частиц MPPS. При этом эффективность фильтра как для частиц более мелких чем 0,3 мкм (MPPS) так и для более крупных, будет выше.

Фильтр со сверхнизким проникновением ULPA класса U 15 c эффективностью ≥99,9995% из одного миллиона частиц MPPS – 0,12 мкм пропустит меньше 5-ти частиц.

Эффективность фильтра определяют по проскоку наиболее проникающих частиц или MPPS. А каждый фильтрационный материал и даже разные партии одного и того же материала имеют свое значение этого параметра. Поэтому перед изготовлением готового фильтра плоский листовой фильтровальный материал подвергается отдельному испытанию по определенной методике для определения MPPS. Hа основании полученных результатов строится кривая фракционной эффективности, как зависимость эффективности фильтра от диаметра частиц. Провал кривой или значение худшей эффективности соответствует диаметру наиболее проникаищих частиц называемых MPPS.

Эффективность фильтровального материала зависит как от состава волокон (стекловолокно, ePTFE, полипропилен, металл и т.д. ), так и от пористости материала, а также от диаметров волокон, толщины полотна, условий испытаний (напорной скорости потока, температуры, влажности, химического состава газа).

Что не улавливает НЕРА фильтр?

Хотя фильтры HEPA успешно удаляют из воздуха частицы разного размера, однако они не эффективны для устранения запахов или вредных газов, таких как летучие органические соединения.

Ситуации, когда нужна фильтрация летучих органических соединений, химических паров или запахов сигарет, домашних животных или метеоризма, требуют использования активированного угля или другого типа фильтра вместо/или в дополнение к HEPA-фильтру.

Угольные фильтры создаются на основе адсорбционных свойств активированного угля, когда многочисленные поры угля поглощают газообразные органические и неорганические соединения.

Примером могут служить комбинированные фильтры ФТ (производства АО “Фильтр”). Они задерживают как микрочастицы, так и пары растворителей, запахи и вредные газы. И представляют собой комбинацию HEPA фильтра и сорбционного фильтра, состоящего из активированного угля и сорбента на основе окиси алюминия с перманганатом калия.

Вывод

Ключевым выводом, который следует подчеркнуть, является то, что высокоэффективные фильтры HEPA и ULPA почти на 100% эффективны при улавливании всего спектра частиц вплоть до самых мельчайших частиц взвешенных в воздухе.

Однако основная специализация НЕРА фильтров – улавливание частиц микронного, субмикронного и нано диапазонов размером примерно от 5 нм до 5 мкм.

НЕРА фильтрация вступает в противоречие с привычной логикой просеивания через сито, интуитивно воспринимаемой большинством людей, полагающих, что фильтрами задерживаются только частицы, которые крупнее размера ячейки фильтра.
В НЕРА фильтрах это не так, расстояние между волокнами фильтрующего материала в сотни раз превышает размер улавливаемых субмикронных частиц, поэтому они не могут застрять или запутаться среди волокон фильтра. Частицы прилипают к ним практически “навсегда”.

Ключевым в НЕРА фильтрации является то, что частицы не застревают между волокнами фильтра, как в сите. Они прилипают к ним и наслаиваются друг на друга при столкновении с волокном или приближении к нему. Это возможно благодаря явлению адгезии.

В улавливании мелких частиц волокном фильтра задействованы три ключевые физические механизма: диффузия, перехват и инерционное столкновение.

Совокупное действие этих трех процессов на частицы разных размеров формирует кривую эффективности, как зависимость эффективности фильтра от диаметра частиц. На этой кривой есть размер частиц, которые труднее всего улавливаются фильтром. Он называется MPPS (Most Penetrating Particle Size) – размер частиц с наибольшей проникающей способностью. Обычно MPPS лежит в диапазоне 0,1 – 0,3 мкм для разных материалов. Однако размер этих частиц не является самым минимальным, которые фильтр способен задерживать.

Эффективность НЕРА и ULРА фильтров указывается именно для размера частиц MPPS как худшее значение. Для частиц размером меньше и больше, чем MPPS эффективность фильтра выше.

Применение фильтров высокой эффективности стремительно растет, HEPA фильтры стали использовать даже в бытовой технике, очистителях воздуха, автомобилях.

Классические НЕРА фильтры изготавливаются из ультратонкого стекловолокна, его недостатком является хрупкость. В процессе развития появляются новые материалы такие как вспененный политетрафторэтилен (ePTFE), полипропилен и даже фильтры из металлических волокон. Например, очищаемые стальные НЕРА фильтры изготавливают из волокон нержавеющей стали размером примерно 0,5 мкм.

Некоторые этапы развития высокоэффективной воздушной фильтрации

  • В 50-х годах прошлого века (1950 год) началось коммерческое применение НЕРА фильтров.
  • В 1998 году появился первый европейский стандарт EN 1822 по высокоэффективным фильтрам очистки воздуха.
  • В стандарте EN 1822 впервые введена система классификации НЕРА фильтров.
  • К настоящему моменту стандарт EN 1822 многократно дополнялся и переиздавался.
  • В начале 2011 года в России введен национальный стандарт ГОСТ Р ЕН 1822-1-2010.
  • В 2011 году опубликован международный стандарт ISO 29463 для высокоэффективных воздушных фильтров.
  • В основу стандарта ISO 29463 лег европейский стандарт EN 1822 с учетом национальных стандартов других стран.
  • В настоящее время стандарт ISO 29463 обновляется каждые 5 лет.

В начале 1990-х годов на спрос на HEPA и ULPA фильтры возрос со стороны бурно развивающейся микроэлектронной промышленности. Были созданы условия для разработки ультратонкой волокнистой структуры для мембранных фильтров.

В последние 30 лет технология мембранных фильтров внедрялась во многие отрасли. Мембранные фильтры HEPA и ULPA изготавливают из политетрафторэтилена (ePTFE) и следующее поколение из фторполимера (fluororesin membrane или eFRM). Средний диаметр волокон мембарнных фильтров (0,02 – 0,2 мкм) существенно меньше классических волокон из стекловолокна (0,5 – 10 мкм) или синтетических. Вследствие этого размер частиц с наибольшей проникающей способностью (MPPS) у фильтров из ePTFE лежит между 0,06 и 0,08 мкм (по сравнеиню с 0,1 – 0,3 мкм для стекловолокна). Так же и общая эффективность мембранных фильтрующих материалов выше чем у классических из стекловолокна.

Современные фильтрующие материалы, например, электростатические, могут иметь MMPS ниже 0,05 мкм (50 нм). Это фильтры изготовленные с заряженными синтетическими волокнами.

НЕРА фильтрация находится в постоянном динамичном развитии. Разрабатывается много новых воздушных фильтров для твердых частиц. Важная задача правильно их охарактеризовать и классифицировать.

Список материалов

HEPA From Wikipedia, the free encyclopedia, – URL: https://en.wikipedia.org/wiki/HEPA (дата обращения: 06.06.2022)

Website of CIBSE Journal technical editor Tim Dwyer Understanding Hepa filters, Article posted in August 2020, – URL: https://en.wikipedia.org/wiki/HEPA (дата обращения: 10.06.2022)

Авторы: П. Уайт, С. Смит Высокоэффективная очистка воздуха: Пер с англ. – Москва: АТОМИЗДАТ, 1967.

J.L. Perry, J.H. Agui, and R. Vijayakumar Submicron and Nanoparticulate Matter Removal by HEPA-Rated Media Filters and Packed Beds of Granular Materials – 01–05 –2016, NASA/TM—2016–218224; George C. Marshall, Space Flight Center, Huntsville, AL 35812

Что такое HEPA-фильтр: принципы работы и неочевидные факты, Статья 25.06.2020, – URL: https://lifarussia.ru/chto-takoe-hepa-filtr-princzipy-raboty-i-neochevidnye-fakty/ (дата обращения: 10.02.2022)