ГлавнаяИнформацияСтатьиТехнология фильтрации

Технология фильтрации

ФИЛЬТРАЦИЯ

Воздух является смесью различных газов. Нормальный атмосферный воздух состоит из 21% кислорода, 78% азота, 1% аргона и 0.03% углекислого газа. В воздухе также присутствуют небольшие количества других газов, например водорода, неона, гелия, озона, ксенона, а также постоянно изменяющееся количество водяного пара.

Воздух жизненно необходим для человека, и при любом значительном изменении в процентном соотношении между его компонентами он становится непригодным для дыхания. При нормальном атмосферном давлении опасно даже кратковременное понижение содержания кислорода до 12% или увеличение концентрации углекислого газа до 5%. Но и гораздо меньшие изменения состава воздуха могут быть опасны при длительном воздействии.

Человек потребляет около 30 литров кислорода в час. Таким образом потребность в воздухе сама по себе совсем небольшая – 150 литров, то есть около 0,15 м3 в час. Однако с учетом того, что при дыхании выделяется углекислый газ, концентрация которого должна поддерживаться ниже опасного уровня, потребность в воздухе возрастает до 5 м3 в час.

Следовательно, при проектировании систем кондиционирования воздуха вполне достаточно исходить из расчета 15 – 20 м3 воздуха в час на человека. В отдельных случаях может потребоваться больший объем воздуха для удаления загрязнений или поддержания нужной температуры в помещении.

Атмосферная пыль

В атмосферном воздухе содержатся различные инородные примеси как естественного происхождения, образующиеся, например, при выдувании почвы, вулканических извержениях, землетрясениях, так и примеси, вызванные деятельностью человека, например продукты сгорания при различных производственных процессах.

Атмосферная пыль состоит из смеси тумана, дыма, сухих сыпучих веществ и волокон. При анализе проб воздуха в его составе обыкновенно обнаруживаются сажа и дым, кварц, глина, следы продуктов разложения животного и растительного происхождения, различные органические вещества в виде хлопковых и других растительных волокон, а также металлические частицы. Воздух также содержит различные организмы, такие как бактерии, споры и пыльца растений. Смеси таких взвешенных частиц с воздухом или газом часто называют аэрозолями.

Несмотря на то, что эти загрязнения находятся в обычном воздухе в малых концентрациях, они оказывают значительное влияние на окружающую среду. Электрические явления в атмосфере, поглощение солнечного излучения и образование облаков – на  все эти природные явления в той или иной мере оказывают влияние загрязнения, содержащиеся в атмосфере.  Но, пожалуй, более очевидно влияние загрязнения атмосферного воздуха на живые существа.

Размер частиц

Размер частиц обычно измеряется в микронах (μm). 1μm = 10-6 m или одной тысячной миллиметра.

Частицы в атмосфере могут быть почти любого размера или формы - от частиц размером  меньше 0.01 микрон до волокон, листьев и насекомых. На рис.1 показан размер некоторых наиболее распространенных частиц.

Пылью обычно называют частицы размером меньше чем 100 μm. Меньшие по размерам аэрозольные частицы образуются при конденсации или сублимации дыма, образующегося во время сгорания, или прямо из газов при физических и химических процессах.

Частицы большего размера образуются при эрозии земной поверхности и разносятся ветром. Они также могут образовываться непосредственно в атмосфере при агломерации (слипании) частиц меньшего размера. Похожие явления происходят в облаках, где частицы образуют центры конденсации для водяных капель. Капля воды может содержать  несколько таких частиц, которые впоследствии сливаются при испарении капли. Этот цикл агломерации/испарения многократно повторяется.  Есть четкая зависимость между размерами частиц и относительной влажностью воздуха. Естественное очищение атмосферы осуществляется дождем. Существуют различные мнения по поводу того, есть ли равновесие между пылью попадающей в атмосферу и пылью возвращающейся на землю. Некоторые измерения показывают, что концентрация пыли в атмосфере увеличилась в течении последних нескольких десятилетий.

Частицы меньше 1 μm уже ведут себя как молекулы газа, движутся под действием броуновского движения и не имеют определенной или измеримой скорости осаждения.

Частицы размером от 0,1 до 1 μm имеют скорость осаждения, которая может быть измерена, но она настолько мала, что на практике ей можно пренебречь. Естественный поток воздуха препятствует осаждению этих частиц.

Частицы размером от 1 до 10 μm осаждаются с постоянной скоростью, которая может быть измерена. Однако естественный поток воздуха поддерживает их во взвешенном состоянии. Частицы большие 10 μm осаждаются довольно быстро и могут находиться в воздухе только в непосредственной близости от источника их возникновения при определенных условиях движения ветра. В качестве исключения здесь можно назвать волокна хлопка и другие легкие волокнистые материалы, такие как части семян некоторых растений, которые могут находиться во взвешенном состоянии в течение долгого времени.

Рис.1. Размер некоторых распространенных атмосферных загрязнений.

 Некоторые частицы размером 10 μm могут быть видны невооруженным глазом  при определенных условиях освещения. Меньшие частицы становятся видимыми при больших концентрациях. В качестве примера можно привести сигаретный дым, частицы которого имеют средний размер 0.5 μm.

Термин «дым» обычно употребляется для смеси твердых, жидких и газообразных продуктов. Дым состоит из очень маленьких частиц, твердых или жидких, которые возникают при неполном сгорании органических веществ, таких как табак, древесина, уголь, нефть и т.п. Частицы дыма могут быть самых разных размеров. Большая их часть меньше 1 μm в диаметре, а наиболее обычный их размер 0.1 – 0.3 μm.

Вирусы имеют размер от 0.005 μm до 0.1 μm. Они обычно встречаются в колониях или вместе с частицами.

Размер большинства бактерий находится между 0.4 и 5 μm. Однако они переносятся воздухом на частицах большего размера.

Размер грибных спор лежит между 10 и 30 μm, пыльца же имеет размеры от 10 до 100 μm.

Туман состоит из небольших капель, переносимых воздухом, обычно образующихся при конденсации пара, либо является дисперсией жидкости полученной распылением, или выпариванием.

Распределение частиц по размерам

Распределение частиц атмосферной пыли по размерам может быть выражено различными способами. На рис.2 вычерчены три кривые, показывающие, как частицы распределены по количеству, по массе и по рассчитанной площади.

Верхняя кривая показывает число частиц, меньших определенного размера, как процентное содержание этих частиц от общего количества частиц в воздухе. Например, 99.9% частиц имеют диаметр меньше 1 μm.  Вторая кривая показывает распределение частиц по рассчитанной площади. Например, площадь частиц имеющих размер меньше 1 μm составляет 80% от рассчитанной площади всех частиц. Нижняя кривая представляет распределение атмосферной пыли по массе. Например, частицы меньше чем 1 μm составляют 30 % от массы всех частиц.

Следует отметить важное различие между этими величинами.

Так, например, 83% частиц имеют размер меньше 0.1%, при этом их площадь составляет меньше 20% от общей площади всех частиц, а масса их составляет всего около 1% от массы всех частиц. С другой стороны, всего около 0.1% частиц имеют размер больше 1μm, при этом их масса составляет более 70% от массы всех взвешенных в воздухе частиц.

Концентрация пыли

Концентрация пыли, и ее распределение может в значительной мере изменяться в зависимости от места, времени года, времени суток и т. д.. На высоте нескольких километров над землей распределение частиц уже становится относительно постоянным, независимо от того, взяты пробы над сушей или над поверхностью моря. Количество частиц в воздухе велико, по расчетам – не  менее 1 миллиона на 1 кубический метр обычного воздуха. Стандартные значения в 1000 – 100 000 раз больше. Но, несмотря на то, что количество частиц велико, их концентрация относительна невысока. Средняя концентрация воздушных загрязнений в течение, например, одного года обыкновенно меньше чем 0.20 мг в 1 м3   воздуха, тогда как концентрация  загрязнений в выхлопных газах и газах, образующихся при различных производственных процессах обычно от 200 до 40 000 мг/м3 .

Проводится все больше и больше систематических измерений концентрации пыли в различных местах. На рис. 3 показано, как средняя концентрация пыли  зависит от плотности населения городов. В городе с населением в 1 миллион человек среднегодовая концентрация лежит в пределах от 0.08 до 0.16 мг/м3. Сезонные изменения отражены на рис.4. Из рисунка видно, что концентрация пыли наиболее высока в зимний период, предположительно из-за  большего количества сжигаемого на отопительные нужды топлива.

Воздух промышленных районов обычно содержит сажу и другие продукты горения, и концентрация пыли выше, чем в сельской местности.

Фильтры

Фильтры главным образом используются для очистки приточного воздуха в системах кондиционирования воздуха, а также для очистки  выбросов загрязненного воздуха, например на атомных электростанциях и в бактериологических центрах. Потребность в чистом воздухе для производственных процессов, а также для некоторых машин, компьютеров и т.п. привела к появлению новых областей применения фильтров. Фильтры используются для очистки воздуха с относительно низкими концентрациями пыли, обычно не выше чем 2 мг/м3 . Все фильтры, кроме угольных, используемых для удаления газов и запахов, подразделяются на следующие классы: фильтры грубой очистки, фильтры тонкой очистки и фильтры абсолютной очистки (HEPA-фильтры). Это подразделение основывается на различиях в конструкции различных фильтровальных материалов, способа задержания частиц и способности их задерживать, а следовательно на областях применения фильтров. Электрофильтры  несколько отличается от вышеописанных фильтров по принципу действия.

Фильтрация

Способность фильтра собирать частицы в значительной мере определяется различными явлениями физики и механики, такими как эффекты диффузии, зацепления, инерции и осаждения. Играют роль также электростатические эффекты между частицами и волокнами.

Для того, чтобы  продемонстрировать различные эффекты фильтрации, сделаем некоторые допущения:

  1. Частицы имеют сферическую форму
  2. Если частица соприкасается с волокном фильтра, она притягивается силами Ван-дер-Ваальса и задерживается. 

Эффект осаждения

Частицы, имеющие размер больший, чем расстояние между волокнами, не могут проскочить между ними и осаждаются (рис. 5).

Инерционный эффект

Частицы относительно большого размера обладают силой инерции, которая не позволяет им следовать за потоком воздуха огибающим волокно фильтровального материала. Частицы продолжают двигаться по своей первоначальной траектории и упираются в обращенную к ним часть поверхности волокна. Сила инерции возрастает с увеличением скорости потока воздуха, увеличением размера частиц и уменьшением диаметра волокна (рис.5).

Эффект зацепления

Маленькие легкие частицы следуют за потоком воздуха огибающим волокно. Если центр частицы движется по траектории, которая находится от волокна на расстоянии меньшем, чем радиус частицы, то частица зацепляется и прикрепляется к волокну (рис.5). Эффект зацепления не зависит от скорости воздуха, если только изменение скорости не изменяет структуру потока воздуха вокруг волокна. Эффект зацепления увеличивается с увеличением размера частиц, уменьшением диаметра волокна и уменьшением расстояния между волокнами.

Таким образом, для того, чтобы фильтровальный материал обладал хорошим эффектом зацепления, он должен содержать большое количество тонких волокон, обычно того же диаметра, как и диаметр задерживаемых частиц.

Диффузионный эффект

Частицы размером менее 1μm не следуют за потоком воздуха вокруг волокна. На них действует броуновское движение молекул воздуха, то есть молекулы воздуха вынуждают такие частицы совершать колебательное движение, и частицы задерживаются волокнами фильтра, если соприкасаются с ними (рис.5). Вероятность того, что частицы соприкоснутся с волокном, возрастает с уменьшением скорости движения воздуха, размера частиц и диаметра волокна.

В таблице 1 показана зависимость эффектов фильтрации от скорости воздуха, размера частиц, диаметра волокна и плотности волокон в материале. Например, во второй колонке показана зависимость различных эффектов от скорости движения воздуха:

+ эффект увеличивается с увеличением  скорости

-- эффект уменьшается с увеличением скорости

0  эффект не зависит от скорости

Эффект фильтрации Скорость Размер частиц Диаметр волокон Плотность волокон
Диффузионный эффект - - - +
Эффект зацепления 0 + - -
Инерционный эффект + + - +

Так как суммарная эффективность работы фильтра является суммой различных эффектов фильтрации, вполне естественно допустить что эффективность улавливания при определенных условиях имеет некоторую минимальную величину. Инерционный эффект и эффект зацепления увеличиваются с увеличением размера частиц, тогда как эффект диффузии уменьшается. Отсюда можно предположить, что есть частицы некоторого размера, которые наиболее трудно улавливаются фильтрами. На рис.6 показана эффективность улавливания всех составляющих эффектов в сумме, и каждого из них в отдельности, для фильтра тонкой очистки, изготовленного из материала на основе стекловолокна.

На графике кривая эффективности улавливания имеет минимум для частиц размером от 0.2 до 0.3 μm в диаметре. При меньшей скорости прохождения воздуха через фильтр кривая будет смещаться вправо, т.е. наиболее трудноулавливаемые частицы будут несколько больше, при этом минимальная эффективность улавливания также несколько увеличится. Последнее явление обусловлено тем, что эффект зацепления не зависит от скорости, тогда как диффузионный эффект увеличивается с уменьшением скорости.

И наоборот, если скорость увеличивается, уменьшается диффузионный эффект и кривая смещается влево, в сторону частиц меньшего размера.

Частицы размером 0.3 μm считаются наиболее трудными для улавливания в фильтрах абсолютной очистки при обычном режиме работы. Этот факт, а также то, что длина волны видимого света также составляет 0.3 μm, привели к созданию метода испытаний DOP.