Очиститель воздуха

<час />

Фон

Очистители воздуха появились в ответ на реакцию людей на аллергены, такие как пыльца, шерсть животных, пыль и споры плесени. Реакции (чихание, насморк, царапины в глазах и даже более серьезные последствия, такие как приступы астмы) являются результатом антигенов, обнаруженных в домашних условиях. Эти антигены являются основными триггерами астмы, и только в Соединенных Штатах насчитывается более 17 миллионов астматиков. Очистители воздуха удаляют часть этих частиц, тем самым снижая реакцию аллергического типа.

Из-за своего чрезвычайно маленького размера аллергены могут проходить через стандартный мешок пылесоса и перераспределяться в воздухе, где они остаются в течение нескольких дней. Даже одного микрограмма кошачьих аллергенов достаточно, чтобы вызвать аллергическую реакцию у большинства из 6-10 миллионов американцев, страдающих аллергией на кошек. Другие частицы, переносимые по воздуху, такие как бактерии и вирусы, могут вызывать заболевания, некоторые из которых заканчиваются летальным исходом. Миллионы очистителей воздуха продаются в Соединенных Штатах по многим причинам - аллергия, астма, смертельные заболевания - ежегодно.

Существует два распространенных типа очистителей воздуха, которые могут удалять из воздуха некоторые или все болезни и аллергические частицы:механические фильтры - наиболее эффективные из них классифицируются как высокоэффективные воздушные фильтры для твердых частиц (HEPA-фильтры) - и электростатические фильтры.

Фильтры HEPA сделаны из очень тонкой стеклянной нити диаметром менее 1 микрона (микрон равен 0,00004 дюйма, 0,001 мм). Для сравнения:человеческий волос имеет диаметр около 75 микрон (0,003 дюйма, 0,07 мм). Тонкие стеклянные нити переплетаются и сжимаются, образуя фильтрующую прокладку. Поскольку отдельные нити настолько микроскопичны, большая часть мата состоит из воздуха. Отверстия в мате очень маленькие, обычно менее 0,5 микрон (0,00002 дюйма, 0,0005 мм). Фильтры HEPA собирают частицы диаметром до 0,3 микрона (0,00001 дюйма, 0,0003 мм). Несмотря на то, что фильтр может иметь ширину всего 0,10 дюйма (2,5 мм), он будет состоять из 2500 слоев стеклянных нитей.

Электрофильтры используют электростатические силы для удаления частиц из воздуха. Они работают, создавая облако свободных электронов, через которое вынуждены проходить частицы пыли. Когда частицы пыли проходят через плазму, они заряжаются, что облегчает их сбор. Электрофильтры могут собирать частицы диаметром до 0,01 мкм (0,00001 мм).

Ни HEPA-фильтры, ни электрофильтры не могут удалять летучие органические соединения из воздуха, поэтому ничего не делают для уменьшения запахов. По этой причине большинство очистителей воздуха оснащено предварительным или постфильтром, состоящим из активированного угля. Активированный уголь получают путем нагрева источника углерода (скорлупы кокосовых орехов, старых покрышек, костей и т. Д.) При очень высоких температурах в отсутствие кислорода. Этот процесс также известен как пиролиз или деструктивная дистилляция. Пиролиз отделяет чистый углерод от других материалов, содержащихся в сырье. Затем чистый уголь подвергается воздействию пара при температуре 1500 ° F (800 ° C). Высокотемпературный пар активирует углерод. В процессе активации в углеродных зернах образуются миллионы трещин. Эти трещины имеют диаметр около 0,002 мкм (0,000002 мм). Поскольку трещин очень много, в процессе активации уголь имеет огромную площадь поверхности на вес - около 6,5 акров / унцию (1000 м ² /г). Миллионы трещин представляют собой места, где могут адсорбироваться органические соединения. Кроме того, поверхность углерода несет остаточный электрический заряд, который притягивает к себе неполярные химические вещества (химические вещества, не имеющие разделенных положительных и отрицательных зарядов). Активированный уголь очень эффективен при адсорбции соединений, вызывающих запах.

История

Чистота воздуха была проблемой, пока люди жили группами. Одна из причин, по которой охотники-собиратели ведут кочевой образ жизни, заключается в том, что им периодически приходится переезжать со своих мусорных свалок и уборных. В AD 61, римский философ Сенека жаловался на миазмы дыма от дымохода, который постоянно висел над Римом. В 1306 году король Англии Эдуард I запретил сжигание угля в Лондоне из-за сильных загрязнителей, оставшихся в воздухе.

Промышленная революция восемнадцатого и девятнадцатого веков только усугубила проблему. Сжигание угля для производства электроэнергии и заправки поездов вызвало темное облако дыма над всеми крупными промышленными центрами мира и покрыло сажей целые города. Чтобы справиться с этой проблемой, инженеры построили более высокие дымовые трубы, чтобы перемещать переносимые по воздуху отходы дальше от источника. Независимо от того, насколько высоко стояли штабели, люди, несущие ветер, жаловались на золу и кислые газы от сжигания угля (источник кислотных дождей), разрушающие их посевы. Загрязнение воздуха снова ухудшилось после Второй мировой войны, когда автомобили стали основным средством передвижения в промышленно развитом мире. Автомобильный смог обеспечил Лос-Анджелесу худшее качество воздуха в мире.

Сырье

В HEPA-фильтры и электрофильтры входят следующие материалы:корпус из пластика, электрический вентилятор для создания потока воздуха через фильтр, сам фильтр и управляющие переключатели для управления скоростью вентилятора и включения очистителя воздуха. включить и выключить. Фильтры HEPA изготовлены из боросиликатных стекловолокон или пластиковых волокон (например, полипропилена), связанных вместе акриловым связующим с содержанием до 5% (то же самое соединение, которое связывает латексную краску с домом). Электрофильтры генерируют ионы, пропуская чрезвычайно высокие положительные напряжения постоянного тока через стальные провода, проложенные между заземленными стальными зарядными пластинами. Корпуса почти всегда изготавливаются из пластика, обычно из ударопрочного полистирола, поливинилхлорида, полиэтилена высокой плотности или полипропилена. Большинство очистителей воздуха также обычно оснащены постфильтром, состоящим из активированного угля.

Дизайн

Фильтры HEPA разрабатываются в зависимости от размера удаляемых частиц и требуемой скорости воздушного потока. Чем мельче поры в материале HEPA, тем мельче частицы удаляются из воздуха. Однако улавливание более мелких частиц означает, что фильтрующий материал быстрее забивается и его необходимо заменять чаще. Дизайнер укажет диаметр стекловолокна и плотность полотна фильтровальной ткани, которая фиксирует размер пор фильтра. Фильтры HEPA могут содержать связующие вещества, которые обеспечивают дополнительную прочность, но при этом также образуется фильтр, который быстрее забивается.

Конструкция электрофильтра значительно сложнее. Домашние электрофильтры обычно имеют два компонента:ионизирующий компонент (где создается электронное облако) и собирающий компонент (где заряженные частицы пыли вытягиваются из воздуха). Коллекторный компонент состоит из ряда параллельных стальных пластин - половина из них заземлена, а половина несут положительное напряжение постоянного тока - таким образом, чередующиеся пластины заряжены положительно или отрицательно. Ионизирующий блок состоит из тонких проводов, натянутых между отдельным набором заземленных стальных ионизирующих пластин, параллельных пластинам коллектора, но установленным перед ними. Тонкие провода пропускают постоянный ток очень высокого положительного напряжения (до 25000 вольт в домашнем очистителе воздуха). Положительные заряды в проводах вызывают поток электронов между проводами и соседними ионизирующими пластинами. Поскольку на проводе очень высокое напряжение, электроны подталкиваются к нему с ускорением, примерно в 1000 раз превышающим ускорение силы тяжести, что ускоряет электроны до очень высоких скоростей. Например, когда частица экскрементов пылевого клеща проплывает мимо провода, высокоскоростные электроны сталкиваются с электронами в молекулах частицы, выбивая Пример электрофильтра и его компонентов. некоторые из них бесплатные. Когда эти молекулы теряют электроны, они приобретают положительный заряд и, таким образом, притягиваются к отрицательно заряженной пластине коллектора. Разработчик должен выбрать достаточно высокое напряжение, чтобы произвести достаточное количество электронов для ионизации частиц, проходящих через осадитель, и расположить пластины коллектора достаточно близко друг к другу, чтобы частицы ионизированной пыли были захвачены пластинами до того, как вентилятор осадителя сможет их потянуть. полностью через очиститель воздуха.

Производственный
процесс

Дело

• 1 Гранулы исходного материала (ударопрочный полистирол, поливинилхлорид, полиэтилен высокой плотности или полипропилен) загружаются в бункер и нагреваются до температуры плавления 300-590 ° F (150-310 ° C). .
• 2 Расплавленный пластик впрыскивается под высоким давлением в форму корпуса. Пресс-форма обычно изготавливается из инструментальной стали высококвалифицированным изготовителем пресс-форм. Вентиляционные отверстия в форме позволяют воздуху выходить вместе с пластиком. Разработчик пресс-формы должен обеспечить равномерное заполнение формы пластиком и возможность выхода всего увлеченного воздуха, в противном случае конечная часть может содержать небольшие пузырьки воздуха или даже пустоты.
• 3 Вода нагнетается по каналам, встроенным в форму, для передачи тепла от расплавленного пластика в окружающую среду. Когда деталь достаточно остынет, что может занять до двух минут, форма открывается. Штифты с гидравлическим приводом выталкивают деталь из открытой формы в приемный бункер.

Поклонник

• 4 Электрический вентилятор пропускает воздух через воздухоочиститель. Вентилятор обычно покупается у поставщика мелких деталей. Вентилятор состоит из небольшого электродвигателя с металлическими лопастями вентилятора, прикрепленными к коробке отбора мощности двигателя. Лопасти вентилятора обычно привариваются точечной сваркой к воротнику, который надевается на коробку отбора мощности и закрепляется на месте болтами.
• 5 Вентилятор обычно крепится к корпусу стальными винтами.

HEPA-фильтры

1. Стекловолокно, из которого состоит фильтр HEPA, создается путем пропускания расплавленного стекла или пластика через очень мелкие поры во вращающемся сопле. Получающееся в результате стекловолокно остывает и почти мгновенно затвердевает из-за своего крошечного диаметра.
2. Вращающееся сопло движется вперед и назад (заставляя стекловолокно образовывать полотно) над движущейся конвейерной лентой, на которой собираются волокна. Скорость конвейерной ленты определяет толщину фильтрующего материала - медленная конвейерная лента позволяет большему количеству стекловолокна накапливаться на ней.
3. Плавление и охлаждение волокна приводит к некоторому склеиванию волокон. По мере продвижения конвейера на ткань распыляется латексное связующее для придания дополнительной прочности. Ткань может иметь любую ширину до практических размеров оборудования и может быть обрезана до размера, указанного заказчиком, перед тем, как ткань будет намотана на ролики.
4. После того, как коврики HEPA сформированы, они складываются в виде гармошки в автоматической папке. Рисунок гармошкой допускает до 50 футов ² (5 м ² ) фильтрующего материала должны быть заключены в небольшом пространстве.
5. Затем фильтр в форме гармошки помещается в корпус фильтра, обычно состоящий из открытой проволочной сетки. Корпус фильтра предназначен для поддержки фильтра.

Электрофильтры

1. Система сбора электростатического фильтра производится путем помещения стальных пластин в пластиковый корпус, часто вручную. Пластины расположены в корпусе параллельно друг другу.
2. Затем провода подключаются к чередующимся пластинам, через которые к пластинам подается положительный постоянный ток высокого напряжения. Остальные пластины заземлены.
3. Ионизирующий блок состоит из проводов небольшого диаметра, проложенных перед пластинами коллектора.
4. Трансформатор напряжения, который используется для преобразования домашнего переменного тока 115 В в постоянный ток высокого напряжения, закреплен на корпусе электрофильтра. Это напряжение подается как на положительно заряженные пластины коллектора, так и на ионизирующие провода.

Фильтр с активированным углем

• 1 Фильтр с активированным углем (для уменьшения запаха) обычно состоит из пропитанной углем ткани или поролона. Его производят путем пропитывания сырья порошкообразным активированным углем.
• 2 Затем угольный фильтр оборачивают вокруг HEPA-фильтра изнутри или снаружи или растягивают в рамке на входе или выходе электрофильтра.

Сборка

• 3 В очистителе воздуха очень мало компонентов. По этой причине их обычно собирают на скамейке. При сборке на стенде движущиеся конвейеры доставляют отдельные компоненты или узлы (например, вентилятор, уже прикрепленный к корпусу) на скамейку, где человек затем вручную собирает их. В типичном очистителе воздуха HEPA может быть только пять компонентов, требующих сборки:корпус, вентилятор, сажевый фильтр, угольный фильтр и переключатель включения / выключения.

Контроль качества

Эффективность фильтра - это наиболее важный критерий контроля качества очистителей воздуха. Американское общество испытаний и материалов (ASTM) публикует тесты контроля качества, которым фильтры должны соответствовать, прежде чем их можно будет использовать в определенных приложениях или продавать как фильтры HEPA (например, ASTM-F50:Стандартные методы непрерывного определения размеров и подсчета взвешенных в воздухе частиц в Зоны, контролируемые пылью, и чистые помещения с использованием приборов, способных обнаруживать отдельные субмикронные частицы и более крупные частицы). Министерство обороны США опубликовало стандарт, согласно которому частицы диоктилфталата (ДОФ) пропускаются через фильтр. Чтобы пройти, фильтр должен удалить 99,97% поступающего DOP.

Побочные продукты / отходы

Побочные продукты производства включают в себя неуглеродные материалы, которые перегоняются при производстве активированного угля, фильтрующий материал согласно спецификации и избыточный материал, который необходимо выбрасывать при производстве HEPA-фильтров. Большинство других производственных отходов, пластмассовые направляющие от машин для литья под давлением и излишки листового металла, могут быть переработаны.

Дополнительные отходы образуются при эксплуатации воздушных фильтров. Ионы, производимые электростатическими осадителями, взаимодействуют с кислородом воздуха с образованием озона. В высоких концентрациях озон ядовит. Уровни озона, производимые домашним электрофильтром, вряд ли достигнут опасного уровня, но некоторые люди чувствительны даже к низким уровням озона. Пластины коллектора в электрофильтре необходимо периодически очищать.

Фильтры HEPA имеют ограниченный срок службы в зависимости от количества воздуха, который фильтруется через них, и количества твердых частиц в воздухе. Большинство производителей рекомендуют заменять их каждые несколько лет. Отработанные фильтры не подлежат переработке и поэтому попадают на свалки.

Активированный уголь можно переработать, но стоимость обращения с небольшим количеством угля, содержащегося в домашнем очистителе воздуха, будет непомерно высокой. Как правило, он также попадает на свалки после полного использования.

Будущее

По мере того как ученые узнают больше о загрязнителях окружающей среды и их влиянии на здоровье человека, потребность в обеспечении более чистого воздуха в домах и офисах будет только расти. Текущее поколение HEPA-фильтров может удалять только частицы диаметром до 0,3 микрона (0,00001 дюйма, 0,0003 мм), в то время как считается, что частицы диаметром до 0,1 микрона (0,0001 мм) могут вызывать механическое повреждение легочной ткани. Вирусы могут быть размером от 0,02 микрона (0,00002 мм) в диаметре. Ясно, что есть еще прогресс, который может быть достигнут в борьбе с загрязнением воздуха в помещениях. В настоящее время технология направлена ​​на создание более тонких фильтрующих материалов. Новым стандартом фильтрации является фильтр ULPA, что означает Ultra Low Penetrating Air. Фильтр ULPA требуется для удаления частиц диаметром до 0,12 микрон (0,00012 мм), что составляет около одной трети диаметра мельчайших частиц, которые может удалить фильтр HEPA.

Где узнать больше

Книги

Купер, Дэвид К. и Ф. С. Элли. Контроль загрязнения воздуха:подход к проектированию. Проспект Хайтс, Иллинойс:Waveland Press, Inc., 1994.

Годиш, Тад. Качество окружающей среды в помещении. Нью-Йорк:Lewis Publishers, 1999.

Mycock, John C., et al. Справочник по технике и технологиям контроля загрязнения воздуха. Нью-Йорк:Lewis Publishers, 1995.

Периодические издания

Кристиансен, С. С. и др. «Воздействие и сенсибилизация к аллергену окружающей среды у детей преимущественно латиноамериканского происхождения с астмой во внутреннем городе Сан-Диего». Журнал аллергии и клинической иммунологии (Август 1996):288-294.

Другое

«Электростатические осадки». Tin Works, Inc. 3 июня 2001 г. .

"Фильтрующий материал." Оборудование Mac. 3 июня 2001 г. .

«Пластик:литье под давлением». Общество промышленных дизайнеров Америки. 17 июня 2001 г. .

Джефф Рейнс