Сказ о том, как фильтры пачкаются

Долго ли, коротко ли, но фильтры для бризера компании Tion ^[1] с разными степенями загрязнения (или времени использования) наконец-то добрались до моих шаловливых ручонок. Это значит, что пора налить кружку чая и погрузиться в чудесный микромир фильтрации пыли и грязного воздуха.

За интимными подробностями жизни фильтров в реальных условиях добро пожаловать под кат. Осторожно, будет много фотографий с электронного мелкоскопа.

В предыдущей статье ^[2] корпоративного блога Tion были описаны основные принципы работы и механизмы фильтрации частиц на таком фильтре, как HEPA (класс фильтрации H11). Фильтры, даже не обладая 100% эффективностью, способны вполне результативно улавливать частицы грязи и пыли. Обычно такие исследования проводятся на модельных, стандартных системах, то есть берётся определённая смесь частиц и гоняется по кругу фильтр-насос-фильтр, пока не будет прокачан заданный объём воздуха, далее измеряется, например, масса осевшего на фильтре вещества.

Ниже я покажу, как загрязняются реальные фильтры с течением времени на примере предоставленных компанией Tion образцов, хотя, конечно, результаты можно экстраполировать на любые современные волокнистые фильтры. Но начнём мы, пожалуй, с небольшого лирического отступления.

Фильтры и технология их изготовления

Во-первых, хотелось бы ответить на вопрос предыдущей статьи ^[2], заданный пользователем vesper ^[3], о том, какие материалы применяются:

Из каких именно волокон состоит HEPA фильтр? Не из хлопчатобумажных же?

Сам фильтр состоит из двух частей, для ясности и краткости назовём их «основа», которая придаёт фильтру жёсткость и которая практически не участвует в акте фильтрации, и гибкие «фильтрующие волокна» с развитой поверхностью (иначе говоря, большой площадью поверхности). Разница в диаметрах таких волокон превосходит порядок и варьируется от 1 до 10-20 мкм или микрон (для сравнения диаметр стандартного человеческого волоса – порядка 80 мкм)!

Материал, из которого изготовлены обе части – в основном, конечно же, полимерные или стеклянные волокна, а не хлопчатобумажные. Процесс получения волокон отработан до «автоматизма» и максимально индустриализирован. Так, с помощью электроспиннинга ^[4] полимер или жидкое стекло, прошедшее через фильеру (очень тонкая трубочка, которая задаёт диаметр волокна, обычно таких трубочек много – тысячи и даже десятки тысяч), «распыляется» на подложку, образуя сетку.

Такой яркий и красочный электроспиннинг. Источник ^[5]

Схематическое представление процесса электроспиннинга и формирование конуса Тейлора ^[6]. Источник ^[7]

Основа (слева) и фильтрующие волокна (справа), полученные с помощью электроспиннинга

Далее полимер отверждают либо с помощью света, либо термически, либо ещё как-нибудь. Ура, фильтрующий мат готов! Остаётся только нарезать и упаковать.

Конечно, точный состав, параметры продавливания через фильеры и прочие технологические ноу-хау являются коммерческой тайной. Хотя в чём-то данный процесс схож с созданием теплоизолирующих матов – довелось мне как-то побывать на фабрике Saint-Gobain ^[8] под Егорьевском.

Нановолокна и электростатические силы

Во-вторых, хотелось бы внести несколько уточнений и добавлений в материал предыдущей работы.

Почему бы не делать нановолокна (ещё больше увеличить площадь)?

Если решать задачу обтекания ламинарным потоком воздуха препятствия в рамках классической гидродинамики, то мы неизбежно придём к граничному условию: на поверхности волокон скорость движения потока должна равняться нулю, что создаёт отличные условия для осаждения частиц. Однако, когда размеры препятствия слишком малы, проявляется так называемый эффект проскальзывания.

В одной интересной работе ^[9] подробно разбирается гидродинамика процесса обтекания круглого волокна газом. Изменение профиля скорости или режима обтекания описывается через число Кнудсена ^[10]. Так, для воздуха при обычных условиях проскальзывание потока должно учитываться для волокон тоньше ~0.5 микрон, именно поэтому основная масса волокон для HEPA фильтра изготавливается с диаметрами от 1 до 100 мкм. Ибо именно этот диапазон размеров благоприятствует зацеплению и осаждению относительно крупных частиц на поверхности. Однако эффективность данного механизма осаждения значительно падает для частиц размером менее 0.3 мкм, что создаёт определённые трудности.

Профили скоростей потока воздуха вблизи фильтрующего волокна (а) без и (b) с проскальзыванием набегающего потока

Проскальзывание потока интенсивно используется при создании фильтров с наноразмерными волокнами, при этом меняется и сам механизм фильтрации. Вместо зацепления частицы осаждаются в основном в точках переплетения волокон, коих стараются сделать очень и очень много.

В Tion ведутся собственные разработки в этой области, позволяя получать очень тонкую сетку из нановолокон для создания: «фильтрующего композитного полотна из смеси полипропилена ^[11] и полиэтилентерефталат ^[12] с добавлением стекловолокна». Такой «зверь» способен даже задерживать мельчайшие капельки смол в табачном дыме.

Если для производства волокон используется электроспиннинг, то заряжают ли волокна в процессе? Стоит ли тогда мыть фильтр?

Далее внесём некоторую ясность в распределение сил, которые возникают при взаимодействии частиц пыли и фильтрующих волокон. Так как волокна формируются быстрым пропусканием расплава полимера или стекла через фильеры (часто ещё и под действием дополнительного электрического поля), то в итоге волокна несут на себе некоторый избыточный заряд. К тому же избыточный заряд можно дополнительно создать, обработав материал в плазме. Например, стекло и кварц очень часто используются в качестве природных и недорогих электретов ^[13], иными словами, материала, обладающего значительным постоянным зарядом.

Частицы пыли, пролетая мимо заряженных волокон, могут эффективно «выхватываться» из потока за счёт действия электростатических сил (или отталкиваться, если волокно и частица заряжены одинаково). Как ни странно, но подавляющее большинство микро- и наночастиц заряжены, а тем более пылевых частиц. Заряд с лёгкостью возникает на поверхности частиц из-за трения о воздух, предметы и соответствующего перераспределения и разделения зарядов. Конечно, мы не ощущаем этого в повседневной жизни, потому что несколько зарядов электрона (1.6 10^-19 кулона) для нас – ничто, но для наномира это огромная величина. Например, на этом построена целая отрасль возобновляемой электроэнергетики – трибоэлектричество, о котором я писал ранее (часть 1 ^[14] и 2 ^[15]).

Конечно же, существует корреляция между зарядом волокна и эффективностью фильтрации. Слишком сильно заряженное фильтрующее волокно будет просто-напросто отталкивать частицы, имеющие заряд того же знака, и эффективность упадёт, но и полностью нейтральные фильтры – недостаточно эффективны, поэтому должна соблюдаться золотая середина.

Внимательный читатель заметит, что существуют полностью электростатические фильтры, которые сначала дополнительно заряжают частицы пыли, а потом эффективно удаляют практически все частицы диаметром вплоть до 10 нм! Однако это уже совсем другая история, достойная отдельной статьи.

Переходя от теории к практике: стоит ли мыть тогда фильтры?!
Попытки вернуть фильтру первоначальное состояние обречены на провал, однако часть загрязнения мытьём и выбиванием можно убрать, особенно крупные частицы или группы частиц. При этом такой «восстановленный» фильтр прослужит намного меньше нового.

Также советую почитать ещё одну отличную публикацию, посвящённую фильтрам ^[16].

Часть экспериментальная. Фильтры-грязнули

Итак, для обзора были предоставлены следующие фильтры: F7 с длительностью эксплуатации 0 и 3 дня, 2 недели и 6 месяцев, которые очищали свежий таёжный воздух Новосибирска, а также H11 (HEPA) из северной столицы.

Начнём с фильтров первичной очистки F7. Заметное загрязнение фильтра начинает проявляться после двух недель эксплуатации в крупном городе. Так что грязь, пыль и смог мегаполиса – это не пустой звук!

Теперь взглянем на фильтры с помощью моего любимого электронного микроскопа. Другие повседневные предметы, рассмотренные под дулом электронного микроскопа, представлены в статьях «Мир вокруг нас» ^[17].

Как уже отмечалось выше, фильтр состоит из двух частей – толстых волокон основы диаметром 50-100 микрон и тонких фильтрующих волокон. Сами волокна чистые и гладкие.

Даже после трёх дней использования уже можно заметить отдельные крупные частицы пыли, зацепившиеся за волокна (отмечены красными стрелками). Хотя волокна основы остаются относительно чистыми и, как отмечалось выше, не участвуют в фильтрации.

Через две недели общий объём загрязнений значительно возрастает. Отдельные волокна покрываются едва заметными субмикронными и даже наноразмерными частицами (в соответствии с классификацией IUPAC <100 нм, синие стрелки), кое-где начинают формироваться грязевые «перепонки» (отмечено фиолетовым кругом).

На микрофотографии ниже это показано во всех черно-белых деталях:

После полугода использования значительная часть пространства между волокнами заполняется пылью, грязью и различными частицами. Плёнки из грязи и пыли покрывают даже толстые волокна основы, не говоря уже о тонких волокнах.

Ниже представлена, на мой взгляд, очень показательная микрофотография, демонстрирующая практически все механизмы осаждения частиц. Инерцией или зацеплением нанесло крупную частицу (красная стрелка), мелкие частицы осели за счёт диффузии (синяя стрелка). В результате постепенного зарастания фильтрующего волокна такими частицами формируется плёнка на поверхности (отмечено фиолетовым цветом).

В принципе, фильтр можно вытряхнуть, помыть, однако вернуть в абсолютно новое состояние вряд ли удастся. Также стоит учитывать, что заряд, который был на поверхности волокон потрачен и компенсирован прилипшими частицами пыли, а, следовательно, отмытый фильтр всё равно будет фильтровать и, что более важно, удерживать пыль хуже нового.

Далее мы кратко рассмотрим HEPA фильтр и пример его эксплуатации в реальных условиях в течение двух недель.

Чистый фильтр H11 мало чем отличается от ранее рассмотренного F7 за исключением более плотной набивки фильтрующего волокна. То есть HEPA — это просто-напросто более плотный фильтр с меньшим диаметром «пор» между волокнами.

Может показаться, что через две недели использования HEPA фильтр выглядит, как новенький, однако это не совсем так. Конечно, большая часть пыли и грязи осталась на фильтре грубой очистки F7, поэтому крупных частиц вряд ли удастся найти в большом количестве.

Однако если приблизить ещё раз в десять, то мы с лёгкостью обнаружим, что HEPA фильтр работает, задерживая очень мелкие частицы на поверхности волокон (синие стрелки). Также, как и фильтр F7, HEPA со временем «зарастает» слоем грязи (отмечено фиолетовым цветом).

Вместо заключения

Интересно было проследить эволюцию загрязнения фильтров не модельными частицами на тестовом стенде, а в реальных эксплуатационных условиях большого города (и даже двух городов!). На деле оказывается, что фильтрующие волокна со временем зарастают монолитным слоем грязи и пыли, образуя «перепонки» между волокнами. С одной стороны, это хорошо, так как увеличивает сечение захвата всё новых и новых частиц, с другой стороны, сам материал фильтра становится менее проницаемым для воздуха, а, следовательно, растёт нагрузка на насос.

Отвечая на вопрос: менять фильтр или не менять и помыть? – могу ответить так: попробуйте, но отмытый и/или выбитый забьётся ещё быстрее нового, опять-таки дополнительно нагружая насос.

Текст и микрофотографии подготовлены специально для компании Tion ^[18] ©Tiberius.

PS: Об ошибках и замечаниях по тексту просьба сообщать через ЛС.

Автор: Tion

Источник ^[19]