Nature: создан моющийся HEPA фотокаталитический фильтр со сроком службы до 20 лет

Исследователи Samsung разработали  фильтр для очистки воздуха от пыли (PM) и летучих органических соединений (VOC) со сроком службы 20 лет, убирающий 95% PM и 82% VOC за проход, и моющийся при этом обычной водой почти до показателей первоначальной эффективности. Статья опубликована в престижнейшем журнале Nature Communications.

Чтобы вы понимали, сейчас чаще всего используют разные фильтры для PM и VOC. Оба этих фильтра одноразовые со сроком службы порядка полугода. По-моему, именно так и выглядит прорыв :)

Загрязнители

• Мелкие взвешенные частицы aka пыль или Particulate Matter (PM). Чаще всего нужно следить за PM 10 и PM 2.5, то есть за частицами с размером меньше 10 мкм и 2.5 мкм, соответственно. 2.5 мкм раз в 30 тоньше человеческого волоса, но, как ни странно, примерно такой же длины, как крупная бактерия. Такая пыль может долго висеть в воздухе и быть супер-вредной (PM — самый сильный фактор риска, увеличивающий преждевременную смертность). Регулярная уборка пылесосом позволяет снизить концентрацию пыли дома, но только, если у вас хороший пылесос с герметичной системой и HEPA-фильтром. Но очиститель воздуха, всё же, будет эффективнее: он приведёт в норму показатели чистоты воздуха за час-другой.

• Летучие органические соединения  или Volatile Organic Compounds (VOC). Это то, что содержит в себе табачный дым,  выделяет мебель из ЛДСП и МДФ, напольные покрытия, краски, благовония и даже 3D-принтеры. VOC также печально известны тем, что среди этих веществ много канцерогенов. Но не всё так печально: их концентрацию можно держать на приемлемом уровне, постоянно проветривая помещение.

Я хочу упомянуть еще два загрязнителя:

• Выхлопные газы — пересекающееся с VOC множество. Чаще всего, угарный газ, оксиды серы и азота. Чаще всего нейтрализуются фотокаталитическими фильтрами (об этом ниже).

• Углекислый газ. Дома главный загрязнитель — ты, username! Но не переживай, CO₂ можно убирать так, как это делают космонавты, но лучше проветривать свою комнату!

Как определяют загрязнения в воздухе:

• Мелкие взвешенные частицы (PM 2.5 и PM 10), чаще всего, определяют оптическим датчиком: фотоприёмник ловит свет, отраженный от пыли (смотрите рисунок 1). Как правило, измеряется в мкг/м³. Меньше 10 мкг/м³ — хорошо, остальное — не очень. Иногда измеряют в миллионных долях ppm (parts per million), 1 ppm = 10^-6 (10^-4 %), это своего рода «процент для лилипутов».

• Летучие органические соединения (VOC) определяют более хитрым датчиком, в котором нагревается пластинка из оксида металла (смотрите рисунок 2). У её поверхности появляются ионы кислорода, которые вступают в реакцию с целевым газом и тем самым высвобождает электроны. Это приводит к изменению электрического сопротивления пластинки Сопротивление — это уже электрическая величина, которую можно измерить компактным аналогом мультиметра. На приборах, как правило, указывают показатель tVOC (total Volatile Organic Compounds) -  суммарная концентрация всей летучей органики в воздухе (не обязательно вредной). Эта величина измеряется в мг/м³, иногда в ppm. Упрощенно, всё, что меньше 1 мг/м³ — хорошо (помните, что tVOC — общий показатель. Так-то для некоторых веществ нормативы ВОЗ гораздо строже (<0.001 мг/м³).

Существуют бытовые модели таких датчиков (как на рисунке 3), но они недешевые. Они измеряют концентрацию CO₂, VOC и PM 2.5. Как пользователь такого, могу сказать: обратите внимание, что при первом включении датчик VOC может прогреваться 4 часа, не спешите паниковать. И человек сам является источником летучих органических соединений, так что не удивляйтесь, если он будет завышать показания рядом с вами.

Если нет бытового датчика, то часть показателей можно узнать в Интернете. В крупных городах есть станции экологического мониторинга. По ссылке можно посмотреть данные Мосэкомониторинга и народного ☭ мониторинга (вам нужно смотреть раздел: показ -> запыленность). Но самая большая карта у сервиса Breezometer. Онаработает по всем городам мира (он, вероятно, экстраполирует данные со станций, оборудования в домах и автомобилях).

Обратите внимание, Москва – довольно чистый город, по сравнению с мегаполисами Китая и Индии.

Как работают обычные фильтры:

• PM. 2.5: HEPA-фильтры (High Efficiency Particulate Arrestance, высокоэффективное удержание частиц) (смотрите рисунок 4). В среднем, степень очистки >95%, срок службы порядка полугода. 

Также рекомендую прочитать прекрасную статью о том, как работают HEPA-фильтры и почему их эффективность растет по мере загрязнения (хотя и падает их пропускная способность). Коротко и упрощенно принцип работы HEPA-фильтра можно объяснить через  описание механизмов фильтрации:

• «сито», когда частичка больше, чем пора фильтра (она просто не пролезает туда).

• адгезия (прилипание): частичка касается поверхности и практически навсегда прилепляется (работают силы межмолекулярного взаимодействия).

• аутогезия (слипаемость): то же самое, что и адгезия, но работает, когда частичка касается другой частички.

Cовсем маленькие частицы пыли натыкаются на волокна фильтра благодаря броуновскому движению (так они с большей вероятностью “задевают” волокна), а сравнительно большие врезаются туда по инерции, не успевая обогнуть их с потоком воздуха. Win-win situation!

Кстати, в Советском Союзе был свой HEPA – фильтры Петрянова-Соколова.

• VOC: угольные (адсорбционные) и фотокаталитические фильтры (как правило, используются вместе).

Угольные фильтры (как на рисунке 5) улавливают практически все токсичные примеси воздуха с молекулярной массой более 40 атомных единиц. Эффективность очистки ~ 90%, срок службы ~ полгода.

Фотокаталитический фильтр (показан на рисунке 6) имеет пористый носитель с нанесенным ТiО₂-фотокатализатором, который облучается светом и через который продувается воздух. Загрязнители адсорбируются на поверхности фотокатализатора и под действием света от ультрафиолетовой (УФ) лампы окисляются до углекислого газа и воды. Приятный бонус: УФ уничтожает некоторые бактерии и даже вирусы (но нужно смотреть мощность и время экспозиции). Угольный фильтр могут поставить второй ступенью после фотокаталитического (тогда он служит дольше). Степень очистки такой системы >95% (но по некоторым веществам ниже, например, по диоксиду серы ~15%). Срок службы ~ 2 года.

Из статьи и комментариев к ней следует, что фотокаталитические фильтры имеют сравнительно невысокую производительность. Чтобы эффективно очищать от летучей органики целую квартиру, требуется большая установка (размером примерно с половину холодильника).

Как работает новый фильтр

Керамический фотокаталитический фильтр для очистки воздуха, о котором исследователи Samsung написали в журнале Nature, сделан по принципу «два в одном». Керамические HEPA секции в нем чередуются с секциями, покрытыми фотокатализатором Cu₂O/TiO₂ и облучаемыми ультрафиолетом (смотрите рисунок 7).

Керамика – это необычный материал для HEPA. Обычно его используют для водяных фильтров или нейтрализаторов выхлопных газов (обычные HEPA-фильтры делают из стеклопластиковых волокон). Но в этом случае это сделано, прежде всего, для того, чтобы фильтр можно было мыть.

Более того, для фильтра используется не простая пористая керамика, а покрытая мембраной из неорганических материалов (в нашем случае, кордерит, алюмосиликат магния и железа). Это позволяет быстро переходить в режим фильтрации, при котором поступающая пыль задерживается первыми слоями налипших на фильтр собратьев (на английском это называется dust cake), это, в целом, эффективнее чем обычный механизм фильтрации (пояснение на рисунке 8).

Ниже приведу в упрощенном виде таблицу из статьи авторов, где сравниваются параметры керамического фильтра с кордеритовой мембраной и без неё.

Из этой таблицы видно, что эффективность керамического фильтра с мембраной значительно выше, чем «обычного» керамического фильтра, хотя его воздушное сопротивление (падение давления на фильтре) тоже выше.

Таким образом, воздух, попадая в секцию с HEPA-фильтром, натыкается на пробку и просачивается сквозь керамику с мембраной в фотокаталитическую секцию, покрытую Cu₂O/TiO₂ и облучаемую УФ-лампой (подробнее об этом на рисунках 9 и 10).

Добавление сокатализатора Cu₂O улучшает фотокаталитическую активность традиционного катализатора TiO_2, благодаря легкому разделению зарядов и высокой плотности носителей заряда.

После оптимизационных расчетов был использован массив 2х2 УФ-светодиодов. Расчеты показали, что лучшие показатели интенсивности света 38,1 (в центре) и 40,8 мВт/см² (сбоку) достигаются при расположении ламп на расстоянии около 30 мм до поверхности фильтра (смотрите рисунок 11).

Почему новый фотокаталитический фильтр эффективен:

• Удаляет >95% PM и >82% VOC за один проход потока воздуха через него.

• 1 дм³ фильтра может держать в себе 20 г пыли – это примерно в 4 раза больше, чем у обычных фильтров.

• Моется обычной водой.

• Может быть использован повторно 10 раз с сохранением эффективности фильтрации (другими словами, прослужит 20 лет).

Регенерация фильтра

Исследования показали, что простая промывка водой в направлении против улавливания пыли является наиболее эффективным способом регенерации такого фильтра. Утверждения о 20-летнем сроке службы фильтра следуют именно из этих данных (смотрите рисунок 12).

Апробация опытных образцов таких фильтров

Новые фильтры тестировали в течение 30 месяцев в одном из зданий в Южной Корее. Исследователи подтвердили, что эффективность фильтрации PM 2.5 остается выше 98% в течение 30 месяцев без замены и регенерации, в то время как обычные фильтрующие элементы показали сравнительно низкую эффективность (62%) и требовали замены каждые 3-6 месяцев.

Кроме того, в течение 12 месяцев исследовалась отдельно стоящая система очистки
воздуха с использованием нового фильтра на подземной парковке (подробнее на
рисунке 13). 

Всё вышеописанное создаёт оптимистичное впечатление. Кажется, что произошел технологический скачок пусть даже и в небольшой области знаний, связанной с воздушными фильтрами. Конечно, у этой технологии есть (или будут обнаружены) недостатки (например, наверняка, такие фильтры будут заметно дороже применяемых в данный момент), но, безусловно, эта разработка способна улучшить качество нашей жизни в ближайшее время.

Спасибо за внимание!

Вячеслав Шумаев

кандидат физико-математических наук, ведущий инженер Samsung