Mechanismus filtrace pro vysoce účinné vláknové filtry

Mechanismen filtrace pro vysokovýkonné vláknové filtry

Přehled
Existuje populární mylná představa, že vláknité filtry se chovají jako síto, kde jsou zachycovány částice nad určitou velikost a menší částice procházejí. Zatímco některé filtry, například membránové filtry v kapalinách, skutečně fungují tímto způsobem, vláknité vzduchové filtry odporují zdravému rozumu tím, že účinněji zachycují jak menší, tak větší částice než ty střední. Vysoce účinné vláknité filtry tvoří velké procento filtrů používaných po celém světě dnes. Použití zahrnuje ochranu dýchacích cest, vzorkování vzduchu, čisté místnosti, průmyslové procesy a ventilační systémy budov. Vláknitý filtr se skládá z velkého množství náhodně orientovaných vláken. Tato vlákna tvoří hustý materiál nebo rohož, která zachycuje a zadržuje částice po celé své hloubce nebo tloušťce. Tloušťka, průměr vláken a hustota rohože umožňují vláknitým filtrům fungovat. Výkon filtru se často vyjadřuje v procentech účinnosti, což je poměr koncentrace částic na vstupu k koncentraci na výstupu, která prošla filtrem (násobeno 100). Obrázek 0

Účinnost vláknitého filtru se liší podle velikosti částic a průtoku. Není smysluplné uvádět účinnost vláknitého filtru bez uvedení relevantní velikosti částic a průtoku. Například NIOSH definuje respirátor s filtrem P100 (dříve HEPA), jako minimálně 99,97 procent účinný proti částicím o velikosti 0,3 mikrometrů (μm) při průtoku 85 litrů za minutu (lpm). Podobně musí filtr třídy N95 dosahovat alespoň 95 procent účinnosti proti částicím o velikosti 0,3 μm při 85 lpm. Důvodem, proč je běžně uváděna velikost částic 0,3 μm, je skutečnost, že částice o velikosti přibližně 0,3 μm jsou pravděpodobněji schopny projít filtrem než jakákoli jiná velikost. Jinými slovy, jde o nejhorší případ velikosti částic. Účinnost filtru je vyšší u jakékoli jiné velikosti. Čtěte dále, abyste zjistili proč.

Filtrační mechanismy
Různé fyzikální mechanismy přispívají k účinnosti vláknitého filtru při zachycování částic. Nejvýznamnějšími mechanismy jsou zachycení, setrvačná impakce a difuze.

Zachycení
Zachycení nastává, když částice, která následuje proud vzduchu, přijde do vzdálenosti jedné velikosti částice od filtračního vlákna. Částice se dotkne vlákna a je zachycena, čímž je odstraněna z proudění vzduchu. To je znázorněno na obrázku 1.

Pro danou velikost částice existují určité proudnice, které se pohybují dostatečně blízko k filtračnímu vláknu, aby byla částice zachycena. Proudnice vzdálené více než jednu velikost částice od filtračního vlákna nepřispívají ke zachycení.

Setrvačná impakce
Setrvačná impakce nastává, když je částice tak velká, že se nedokáže rychle přizpůsobit náhlým změnám směru proudění vzduchu v blízkosti filtračního vlákna. Částice, kvůli své setrvačnosti, pokračuje ve své původní dráze a narazí do filtračního vlákna. Tento typ filtračního mechanismu je nejvýraznější při vysokých rychlostech proudění vzduchu a hustém uspořádání vláken filtračního média. Následující obrázek 2 znázorňuje tento mechanismus.

Difuze
Pro vysvětlení mechanismu zachycování částic difuzí je nejprve třeba rychle si připomenout kinetickou teorii plynů. Tato teorie vysvětluje, že plyn se skládá z velkého počtu molekul, které jsou malé ve srovnání s vzdálenostmi mezi nimi. Tyto molekuly se chovají jako tuhý kuličky, které se pohybují přímo, pokud nenarazí do jiných molekul. Ve skutečnosti tyto molekuly tak často narážejí do sebe, že se pohybují náhodně v zigzagových drahách. Tento náhodný pohyb se nazývá Brownův pohyb. Mechanismus zachycování částic difuzí je výsledkem Brownova pohybu plynových molekul. Malé částice, s průměrem v rozmezí 0,1 μm a méně, mají tendenci dělat náhodné pohyby v důsledku jejich interakce s zigzagujícími molekulami plynu. Jakmile jsou tyto malé částice naražené plynovými molekulami, začnou se také pohybovat náhodně, narážejíce do jiných částic. Difuze je dominantní při nízkých rychlostech plynu a u menších částic. Čím je částice menší a čím je proudění pomalejší, tím více času má na zigzagový pohyb, což jí dává mnohem větší šanci na zásah a přichycení na filtrační vlákno.

Celková účinnost filtru versus velikost částic
Graf ukazující, jak se mění účinnost filtru s velikostí částic, je zobrazen na obrázku 4. Jak je z grafu patrné, schopnost filtru odstraňovat částice z plynového proudu je přímo úměrná velikosti částic v proudu. U velmi malých částic, menších než 0,1 μm v průměru, je hlavním filtračním mechanismem difuze a filtr je velmi účinný. U částic přibližně od 0,1 do 0,4 μm je účinnost filtru nižší, protože částice jsou příliš velké na efektivní difuzi a příliš malé na silný zachytávací efekt pomocí zachycení. Částice nad přibližně 0,4 μm vstupují do oblasti, kde jsou dominantní zachycení a setrvačná impakce, a filtr je opět velmi účinný.

Shrnutí
Schopnost filtru zachytit částice závisí na velikosti částic procházejících jeho vlákny a na rychlosti proudění vzduchu přes filtr. Na rozdíl od všeobecného přesvědčení vláknitý filtr nezachytí všechny částice nad určitou velikost. Tři hlavní mechanismy určují účinnost filtru versus velikost částic: zachycení, setrvačná impakce a difuze. Velké částice nad 0,4 μm jsou zachyceny jak díky impakci, tak zachycení. Střední částice, obecně považované za nejvíce pronikavé, v rozmezí 0,1 až 0,4 μm, jsou zachycovány mechanismy difuze a zachycení. Malé částice, menší než 0,1 μm, jsou zachycovány mechanismem difuze.
Výsledkem různých filtračních mechanismů je křivka účinnosti versus velikost částic, která má obrácený zvonovitý tvar, jak je znázorněno na obrázku 4. Vláknitý filtr je obecně nejméně účinný při odstraňování částic v rozmezí velikosti 0,1 až 0,4 μm. Pro testování filtru v nejhorších podmínkách by měl být testován s aerosolem o nejpronikavější velikosti částic.

Obrázek 0: Percentuální účinnost
Obrázek 1: Přímé zachycení částice filtračním vláknem
Obrázek 2: Setrvačná impakce
Obrázek 3: Difuze
Obrázek 4: Účinnost filtru versus velikost částic