Фильтр HEPA ( / ˈ hɛ pə / , высокоэффективный фильтр для улавливания частиц ) [1], также известный как высокоэффективный фильтр для улавливания частиц [2] , является стандартом эффективности воздушных фильтров . [3]
Фильтры, соответствующие стандарту HEPA, должны соответствовать определенным уровням эффективности. Общие стандарты требуют, чтобы воздушный фильтр HEPA удалял из проходящего через него воздуха не менее 99,95% ( ISO , Европейский стандарт) [4] [5] или 99,97% ( ASME , Министерство энергетики США ) [6] [7] частиц , диаметр которых равен 0,3 мкм , при этом эффективность фильтрации увеличивается для частиц диаметром как меньше, так и больше 0,3 мкм. [8] Фильтры HEPA улавливают пыльцу , грязь , пыль , влагу , бактерии (0,2–2,0 мкм), вирусы (0,02–0,3 мкм) и субмикронный жидкий аэрозоль (0,02–0,5 мкм). [9] [10] [11] Некоторые микроорганизмы , например, Aspergillus niger , Penicillium citrinum , Staphylococcus epidermidis и Bacillus subtilis , улавливаются фильтрами HEPA с фотокаталитическим окислением (PCO). Фильтр HEPA также способен улавливать некоторые вирусы и бактерии размером ≤0,3 мкм. [12] Фильтр HEPA также способен улавливать пыль с пола, содержащую бактероидии , клостридии и бациллы . [13] HEPA был коммерциализирован в 1950-х годах, и первоначальный термин стал зарегистрированной торговой маркой , а затем и родовой торговой маркой для высокоэффективных фильтров. [14] Фильтры HEPA используются в приложениях, требующих контроля загрязнения , таких как производство жестких дисков, медицинских приборов, полупроводников, ядерной, пищевой и фармацевтической продукции, а также в больницах, [15] домах и транспортных средствах.
Фильтры HEPA состоят из мата из хаотично расположенных волокон . [16] Волокна обычно состоят из полипропилена или стекловолокна с диаметром от 0,5 до 2,0 микрометров. В большинстве случаев эти фильтры состоят из спутанных пучков тонких волокон . Эти волокна создают узкий извилистый путь, по которому проходит воздух. Когда самые крупные частицы проходят по этому пути, пучки волокон ведут себя как кухонное сито, которое физически блокирует прохождение частиц. Однако, когда более мелкие частицы проходят с воздухом, поскольку воздух закручивается и поворачивается, более мелкие частицы не могут поспевать за движением воздуха и, таким образом, сталкиваются с волокнами. Самые мелкие частицы имеют очень малую инерцию и движутся хаотично в результате столкновений с отдельными молекулами воздуха ( броуновское движение ). Из-за своего движения они в конечном итоге врезаются в волокна. [17] Ключевыми факторами, влияющими на его функции, являются диаметр волокна, толщина фильтра и скорость на поверхности, которая является измеренной скоростью воздуха на входе или выходе системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC). Скорость на поверхности измеряется в м/с и может быть рассчитана как объемный расход (м3 / с), деленный на площадь поверхности (м2 ) . Воздушное пространство между волокнами фильтра HEPA обычно намного больше 0,3 мкм. Фильтры HEPA на очень высоком уровне задерживают мельчайшие частицы. В отличие от сит или мембранных фильтров , через которые могут проходить частицы размером меньше отверстий или пор, фильтры HEPA предназначены для работы с различными размерами частиц. Эти частицы улавливаются (прилипают к волокну) посредством комбинации следующих трех механизмов:
Диффузия преобладает ниже диаметра частиц 0,1 мкм, в то время как импакция и перехват преобладают выше 0,4 мкм. [18] Между ними, около размера наиболее проникающей частицы (MPPS) 0,21 мкм, как диффузия, так и перехват сравнительно неэффективны. [19] Поскольку это самое слабое место в работе фильтра, спецификации HEPA используют удержание частиц около этого размера (0,3 мкм) для классификации фильтра. [18] Однако возможно, что частицы меньше MPPS не будут иметь эффективность фильтрации выше, чем у MPPS. Это связано с тем, что эти частицы могут действовать как центры зародышеобразования для большей части конденсации и образовывать частицы около MPPS. [19]
Фильтры HEPA предназначены для эффективного задержания очень мелких частиц, но они не отфильтровывают газы и молекулы запаха . Обстоятельства, требующие фильтрации летучих органических соединений , химических паров или запахов сигарет , домашних животных или метеоризма, требуют использования активированного угля (древесного угля) или другого типа фильтра вместо или в дополнение к фильтру HEPA. [20] Фильтры из углеродной ткани, которые, как утверждается, во много раз эффективнее гранулированной формы активированного угля при адсорбции газообразных загрязняющих веществ , известны как фильтры высокоэффективной адсорбции газа (HEGA) и изначально были разработаны британскими вооруженными силами в качестве защиты от химического оружия . [21] [22]
Фильтр-мешок HEPA может использоваться в сочетании с предварительным фильтром (обычно активированным углем) для продления срока службы более дорогого фильтра HEPA. [23] В такой установке первый этап процесса фильтрации состоит из предварительного фильтра, который удаляет большую часть крупных частиц пыли, волос , PM10 и пыльцы из воздуха. Высококачественный фильтр HEPA второго этапа удаляет более мелкие частицы, которые выходят из предварительного фильтра. Это распространено в установках для обработки воздуха . [ требуется цитата ]
Фильтры HEPA, как определено стандартом Министерства энергетики США (DOE), принятым большинством американских отраслей промышленности, удаляют не менее 99,97% аэрозолей диаметром 0,3 микрометра (мкм). [24] Минимальное сопротивление фильтра потоку воздуха или перепад давления обычно указывается около 300 паскалей (0,044 фунта на кв. дюйм) при его номинальном объемном расходе . [7]
Спецификация, используемая в Европейском союзе : Европейский стандарт EN 1822-1:2019, из которого получен ISO 29463, [4] определяет несколько классов фильтров по их способности удерживать заданный размер наиболее проникающих частиц (MPPS): эффективные фильтры для твердых частиц (EPA), высокоэффективные фильтры для твердых частиц (HEPA) и фильтры для сверхнизкого содержания твердых частиц (ULPA). Усредненная эффективность фильтра называется «общей», а эффективность в определенной точке называется «локальной»: [4]
Для сравнения см. также различные классы воздушных фильтров .
Для респираторов MSHA и NIOSH определяют HEPA как фильтры, блокирующие ≥ 99,97% частиц DOP размером 0,3 микрона в соответствии с 30 CFR 11 и 42 CFR 84. После перехода к 42 CFR 84 в 1995 году использование термина HEPA было прекращено, за исключением респираторов с принудительной очисткой воздуха . [25]
Некоторые компании используют маркетинговый термин «True HEPA», чтобы дать потребителям уверенность в том, что их воздушные фильтры соответствуют стандарту HEPA, хотя этот термин не имеет юридического или научного значения. [26] Продукты, которые продаются как «типа HEPA», «подобные HEPA», «стиля HEPA» или «99% HEPA», не соответствуют стандарту HEPA и, возможно, не были протестированы в независимых лабораториях. Хотя такие фильтры могут быть достаточно близки к стандартам HEPA, другие существенно не дотягивают. [27]
В общих чертах (и допуская некоторые вариации в зависимости от таких факторов, как скорость воздушного потока, физические свойства фильтруемых частиц, а также технические детали всей конструкции системы фильтрации, а не только свойства фильтрующего материала), фильтры HEPA испытывают наибольшие трудности при улавливании частиц в диапазоне размеров от 0,15 до 0,2 мкм. [28] Фильтрация HEPA работает механическим способом, в отличие от технологий ионной и озоновой обработки, которые используют отрицательные ионы и озоновый газ соответственно. Таким образом, вероятность потенциального возникновения побочных эффектов со стороны легких, таких как астма [29] и аллергии , намного ниже при использовании очистителей HEPA. [30]
Чтобы гарантировать эффективную работу фильтра HEPA, фильтры следует проверять и менять не реже одного раза в шесть месяцев в коммерческих помещениях. В жилых помещениях и в зависимости от общего качества окружающего воздуха эти фильтры можно менять каждые два-три года. Несвоевременная замена фильтра HEPA приведет к тому, что он создаст нагрузку на машину или систему и не будет должным образом удалять частицы из воздуха. Кроме того, в зависимости от прокладочных материалов, выбранных при проектировании системы, засоренный фильтр HEPA может привести к обширному обходу воздушного потока вокруг фильтра. [31]
Фильтры HEPA имеют решающее значение для предотвращения распространения бактерий и вирусов, передающихся воздушно-капельным путем, и, следовательно, инфекции . Обычно медицинские системы фильтрации HEPA также включают в себя высокоэнергетические ультрафиолетовые световые блоки или панели с антимикробным покрытием для уничтожения живых бактерий и вирусов, задержанных фильтрующим материалом. [ необходима цитата ]
Некоторые из наиболее высоко оцененных блоков HEPA имеют рейтинг эффективности 99,995%, что гарантирует очень высокий уровень защиты от передачи заболеваний воздушно-капельным путем . [ необходима ссылка ]
Многие пылесосы также используют фильтры HEPA в качестве части своих систем фильтрации. Это полезно для людей, страдающих астмой и аллергией, поскольку фильтр HEPA задерживает мелкие частицы (такие как пыльца и фекалии клещей домашней пыли ), которые вызывают симптомы аллергии и астмы. Чтобы фильтр HEPA в пылесосе был эффективным, пылесос должен быть сконструирован таким образом, чтобы весь всасываемый в машину воздух выбрасывался через фильтр, без утечки воздуха мимо него. Это часто называют «герметичным HEPA» или иногда более расплывчато «истинным HEPA». Пылесосы с простой маркировкой «HEPA» могут иметь фильтр HEPA, но не весь воздух обязательно проходит через него. Наконец, фильтры пылесосов, продаваемые как «подобные HEPA», обычно используют фильтр, аналогичный HEPA , но без эффективности фильтрации. Из-за дополнительной плотности настоящего фильтра HEPA пылесосам HEPA требуются более мощные двигатели для обеспечения достаточной мощности очистки. [ необходима цитата ]
Некоторые новые модели заявляют, что они лучше предыдущих, так как оснащены «моющимися» фильтрами. Как правило, моющиеся настоящие фильтры HEPA стоят дорого. Высококачественный фильтр HEPA может задерживать 99,97% частиц пыли диаметром 0,3 микрона. Для сравнения, диаметр человеческого волоса составляет около 50–150 микрон. Таким образом, настоящий фильтр HEPA эффективно задерживает частицы в несколько сотен раз меньше ширины человеческого волоса. [32] Некоторые производители заявляют о таких стандартах фильтров, как «HEPA 4», не объясняя их значение. [ требуется цитата ] Это относится к их рейтингу минимальной эффективности (MERV). [ требуется цитата ] Эти рейтинги используются для оценки способности фильтра воздухоочистителя удалять пыль из воздуха при его прохождении через фильтр. MERV — это стандарт, используемый для измерения общей эффективности фильтра. Шкала MERV имеет диапазон от 1 до 16 и измеряет способность фильтра удалять частицы размером от 10 до 0,3 микрометра. Фильтры с более высокими рейтингами не только удаляют больше частиц из воздуха, но и удаляют более мелкие частицы.
Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха (HVAC) [33] — это технология, которая использует воздушные фильтры, такие как фильтры HEPA, для удаления загрязняющих веществ из воздуха в помещении или в транспортных средствах. Загрязняющие вещества включают дым, вирусы, порошки и т. д. и могут возникать как снаружи, так и внутри. HVAC используется для обеспечения комфорта окружающей среды и в загрязненных городах для поддержания здоровья. [ необходима цитата ]
Современные авиалайнеры используют фильтры HEPA для снижения распространения патогенов в рециркулируемом воздухе. Критики выразили обеспокоенность относительно эффективности и состояния систем фильтрации воздуха, поскольку они считают, что большая часть воздуха в салоне самолета рециркулируется. Фактически, почти весь воздух в герметичном самолете поступает снаружи, циркулирует по салону, а затем выпускается через выпускные клапаны в задней части самолета. [34] Около 40 процентов воздуха в салоне проходит через фильтр HEPA, а остальные 60 процентов поступают извне самолета. Сертифицированные воздушные фильтры блокируют и улавливают 99,97 процента частиц в воздухе. [35]
В 2016 году было объявлено, что Tesla Model X будет иметь первый в мире фильтр класса HEPA в автомобиле Tesla. [36] После выпуска Model X Tesla обновила Model S , чтобы также иметь дополнительный воздушный фильтр HEPA. [37]
Идея разработки фильтра HEPA родилась из противогазов, которые носили солдаты, сражавшиеся во Второй мировой войне. Кусок бумаги, найденный в немецком противогазе, имел чрезвычайно высокую эффективность улавливания химического дыма. Британский армейский химический корпус скопировал это и начал производить его в больших количествах для своих собственных служебных противогазов. Им требовалось другое решение для оперативных штабов, где индивидуальные противогазы были непрактичны. Армейский химический корпус разработал комбинированный механический вентилятор и блок очистителя воздуха, который включал целлюлозно-асбестовую бумагу в глубоко гофрированной форме с прокладками между складками. Он был назван «абсолютным» воздушным фильтром и заложил основу для дальнейших исследований по разработке фильтра HEPA. [38]
Следующая фаза фильтра HEPA была разработана в 1940-х годах и использовалась в Манхэттенском проекте для предотвращения распространения радиоактивных загрязняющих веществ в воздухе. [39] Химическому корпусу армии США и Национальному комитету оборонных исследований необходимо было разработать фильтр, подходящий для удаления радиоактивных материалов из воздуха. Химический корпус армии попросил лауреата Нобелевской премии Ирвинга Ленгмюра рекомендовать методы испытаний фильтров и другие общие рекомендации по созданию материала для фильтрации этих радиоактивных частиц. Он определил частицы размером 0,3 микрона как «наиболее проникающие» — самые сложные и вызывающие беспокойство. [40]
В 1950-х годах он был коммерциализирован, и первоначальный термин стал зарегистрированной торговой маркой, а позднее — родовой торговой маркой для высокоэффективных фильтров. [14]
На протяжении десятилетий фильтры совершенствовались, чтобы удовлетворять все более и более высоким требованиям к качеству воздуха в различных высокотехнологичных отраслях, таких как аэрокосмическая промышленность, фармацевтическая промышленность, больницы, здравоохранение, ядерное топливо, атомная энергетика и производство интегральных схем . [ необходима ссылка ]
