Szűrési mechanizmusok a magas hatékonyságú szálas szűrők esetében

Áttekintés
Elterjedt tévhit, hogy a szálas szűrők úgy viselkednek, mint egy szita, ahol a bizonyos méret feletti részecskéket elfogják, míg a kisebb részecskék átmennek rajta. Bár néhány szűrő, például a folyadékokban alkalmazott membránszerű szűrők valóban így működnek, a szálas légszűrők megdöntik a józan észt, mivel hatékonyabban fogják be a kisebb és nagyobb részecskéket, mint a közepes méretűeket. A magas hatékonyságú szálas szűrők nagy százalékban vannak jelen a világ számos helyén. Alkalmazások közé tartozik a légzésvédelem, levegőmintavétel, tisztaterek, ipari folyamatok és épületi szellőzőrendszerek. Egy szálas szűrő nagy számú véletlenszerűen rendezett szálból áll. Ezek a szálak sűrű anyagot vagy szőnyeget alkotnak, amely a részecskéket a mélységében vagy vastagságában fogja és megtartja. A szűrő működését a szőnyeg vastagsága, szálátmérője és sűrűsége határozza meg. A szűrő teljesítményét gyakran százalékos hatékonyságban fejezik ki, amely az upstream részecske koncentráció és a downstream, áthaladt részecske koncentráció aránya (szorozva 100-zal). 0. ábra

A szálas szűrő hatékonysága különböző részecskeméretek és áramlási sebességek esetén változik. Értelmetlen megadni egy szálas szűrő hatékonyságát anélkül, hogy megneveznénk a releváns részecskeméretet és áramlást. Például a NIOSH meghatározza, hogy egy P100 (korábban HEPA) légzésvédő szűrő legalább 99,97 százalékos hatékonysággal rendelkezik 0,3 mikrométer (μm) részecskék esetén, 85 liter/perc (lpm) áramlási sebességnél. Hasonlóképpen, egy N95 osztályú szűrőnek legalább 95 százalékos hatékonysággal kell rendelkeznie 0,3 μm részecskék ellen 85 lpm-nél. Azért hivatkoznak gyakran a 0,3 μm-es részecskeméretre, mert a méret közelében lévő részecskék nagyobb valószínűséggel jutnak át a szűrőn, mint bármely más méretűek. Más szóval, ez a legrosszabb esetben előforduló részecskeméret. A szűrő hatékonysága bármely más méret esetén magasabb. Olvass tovább, hogy megtudd, miért.

Szűrési mechanizmusok
Különböző fizikai mechanizmusok járulnak hozzá egy magas hatékonyságú szálas szűrő hatékonyságához a részecskék befogásában. A legjelentősebb mechanizmusok a becsapódás, inertialimpaktálás és diffúzió.

Becsapódás
A becsapódás akkor következik be, amikor egy részecske, amely egy gázáramlási vonal mentén halad, egy részecskekörhöz közelebb kerül, mint egy részecske sugara. A részecske megérinti a szálat, és elfogódik, így eltávolítva a gázáramból. Ezt a 1. ábra szemlélteti.

Egy adott részecskeméret esetén léteznek olyan áramlási vonalak, amelyek elég közel haladnak a szűrőszálhoz ahhoz, hogy a részecske elfogódjon. Az áramlási vonalak, amelyek távolabb vannak egy részecske sugaránál, nem járulnak hozzá a becsapódási mechanizmushoz.

Inertialimpaktálás
Az inertialimpaktálás akkor következik be, amikor egy részecske olyan nagy, hogy nem tud gyorsan alkalmazkodni a szűrőszál közelében lévő hirtelen irányváltozásokhoz. Az inertial miatt a részecske folytatja eredeti útját, és eléri a szálat. Ez a szűrési mechanizmus különösen jellemző magas gázsebességek és sűrű szálas szűrőközeg esetén. Az 2. ábra ezt a mechanizmust szemlélteti.

Diffúzió
A részecskék befogásának diffúziós mechanizmusát a gáz kinetikus elméletének gyors áttekintésével lehet megérteni. Ez az elmélet kimondja, hogy a gáz nagy számú molekulából áll, amelyek kicsik a közöttük lévő távolsághoz képest. Ezek a molekulák mereg gömbökként viselkednek, amelyek egyenes vonalban haladnak, kivéve, ha összeütköznek egymással. Valójában ezek a molekulák annyira gyakran ütköznek, hogy véletlenszerű, zigzagoló pályán mozognak. Ezt a véletlenszerű mozgást Brown-mozgásnak nevezik. A részecskék diffúziós mechanizmusa a gázmolekulák Brown-mozgásának eredménye. A 0,1 μm-es vagy kisebb átmérőjű apró részecskék véletlenszerű mozgásokat végeznek a gázmolekulákkal való kölcsönhatásuk miatt. Ahogy ezeket a kis részecskéket a gázmolekulák meglöki, ők is véletlenszerűen mozognak, és ütköznek más részecskékkel. A diffúzió különösen jellemző alacsony gázsebességeknél és kisebb részecskéknél. Minél kisebb egy részecske és minél lassabb a flow, annál több időt tölt véletlenszerű zigzagolással, így nagyobb eséllyel ütközik és tapad egy szálas szűrő szálához.

Átlagos szűrőhatékonyság a részecskemérettel szemben
Az 4. ábra egy grafikonon mutatja, hogyan változik a szűrő hatékonysága a részecskemérettel. A grafikonból látható, hogy a szűrő képessége a részecskék eltávolítására közvetlenül összefügg a részecskék méretével a gázáramban. Nagyon kicsi részecskék esetén, amelyek átmérője kevesebb, mint 0,1 μm, a fő szűrési mechanizmus a diffúzió, és a szűrő nagyon hatékony. Körülbelül 0,1 és 0,4 μm közötti részecskék esetén a szűrő kevésbé hatékony, mivel a részecskék túl nagyok a nagy diffúziós hatáshoz, de túl kicsik a nagy becsapódási hatáshoz. A 0,4 μm feletti részecskék belépnek abba a tartományba, ahol a becsapódás és az inertialimpaktálás dominál, és a szűrő ismét nagyon hatékony.
Összegzés
Egy szűrő részecskék befogási képessége függ a részecskemérettől, amely átmegy a szálakon, valamint a szűrőn átfolyó áramlás sebességétől. Ellentétben a népszerű hiedelmekkel, egy szálas szűrő nem egyszerűen elfog minden részecskét a bizonyos méret felett. Három mechanizmus dominál a szűrő hatékonyságának meghatározásában a részecskemérettel szemben: becsapódás, inertialimpaktálás és diffúzió. A 0,4 μm feletti nagy részecskék mindkét mechanizmus, az impaktálás és a becsapódás révén elfoghatók. A közepes részecskék, amelyek általában a legnagyobb behatolási képességgel rendelkeznek, a 0,1 és 0,4 μm közötti tartományban, mindkét szűrési mechanizmust, az diffúziót és a becsapódást használják. A kicsi részecskék, 0,1 μm alattiak, kizárólag a diffúzió révén kerülnek elfogásra.
Az eltérő szűrési mechanizmusok eredményeképpen egy olyan hatékonysági görbe alakul ki, amely fordított harang alakú, ahogy az a 4. ábrán látható. Egy szálas szűrő általában a legkevésbé hatékony a 0,1 és 0,4 μm közötti részecskeméret-tartományban. A legrosszabb esetek teszteléséhez a szűrőt a legnagyobb behatolási részecskeméretű aeroszollal kell vizsgálni.

0. ábra: Százalékos hatékonyság
1. ábra: Egy részecske közvetlen becsapódása egy szálas szűrőn
2. ábra: Inertialimpaktálás
3. ábra: Diffúzió
4. ábra: Szűrő hatékonysága a részecskemérettel szemben