HEPA ( / ˈ h ɛ p ə / , высокоэффективный воздушный фильтр для твердых частиц), [1] также известный как высокоэффективный фильтр , поглощающий частицы [ нужна ссылка ] и высокоэффективный фильтр для улавливания твердых частиц, [2] является стандартом эффективности воздушные фильтры . [3]
Фильтры, соответствующие стандарту HEPA, должны удовлетворять определенному уровню эффективности. Общие стандарты требуют, чтобы воздушный фильтр HEPA удалял из проходящего воздуха не менее 99,95% ( ISO , Европейский стандарт) [4] [5] или 99,97% ( ASME , Министерство энергетики США ) [6] [7] частицы диаметром 0,3 мкм , при этом эффективность фильтрации увеличивается для частиц диаметром как меньше, так и больше 0,3 мкм. [8] HEPA-фильтры улавливают пыльцу , грязь , пыль , влагу , бактерии (0,2–2,0 мкм), вирусы (0,02–0,3 мкм) и субмикронные жидкие аэрозоли (0,02–0,5 мкм). [9] [10] [11] Некоторые микроорганизмы , например, Aspergillus niger , Penicillium citrinum , Staphylococcus epidermidis и Bacillus subtilis, улавливаются НЕРА-фильтрами с фотокаталитическим окислением (PCO). HEPA-фильтр также способен улавливать некоторые вирусы и бактерии размером менее 0,3 мкм. [12] HEPA-фильтр также способен улавливать напольную пыль, содержащую бактероидии , клостридии и бациллы . [13] HEPA был коммерциализирован в 1950-х годах, и первоначальный термин стал зарегистрированным товарным знаком , а затем и общим товарным знаком для высокоэффективных фильтров. [14] HEPA-фильтры используются в приложениях, требующих контроля загрязнения , таких как производство жестких дисков, медицинского оборудования, полупроводников, ядерной, пищевой и фармацевтической продукции, а также в больницах, [15] домах и транспортных средствах.
(На схеме поток воздуха идет справа налево)
HEPA-фильтры состоят из волокон, расположенных в случайном порядке . [16] Волокна обычно состоят из полипропилена или стекловолокна диаметром от 0,5 до 2,0 микрометров. В большинстве случаев эти фильтры состоят из запутанных пучков тонких волокон . Эти волокна создают узкий извилистый путь, по которому проходит воздух. Когда по этому пути проходят самые крупные частицы, пучки волокон ведут себя как кухонное сито, которое физически блокирует прохождение частиц. Однако когда более мелкие частицы проходят вместе с воздухом, когда воздух скручивается и поворачивается, более мелкие частицы не могут успевать за движением воздуха и поэтому сталкиваются с волокнами. Мельчайшие частицы имеют очень небольшую инерцию и всегда движутся вокруг молекул воздуха, как будто их бомбардируют эти молекулы ( броуновское движение ). Из-за своего движения они врезаются в волокна. [17] Ключевыми факторами, влияющими на его функции, являются диаметр волокна, толщина фильтра и скорость потока. Воздушное пространство между волокнами фильтра HEPA обычно намного превышает 0,3 мкм. HEPA-фильтры очень высокого уровня для улавливания мельчайших частиц. В отличие от сит или мембранных фильтров , через которые могут проходить частицы размером меньше отверстий или пор, HEPA-фильтры предназначены для улавливания частиц различных размеров. Эти частицы улавливаются (прилипают к волокну) посредством комбинации следующих трех механизмов:
Диффузия преобладает при размере частиц диаметром менее 0,1 мкм, тогда как ударение и перехват преобладают при размере частиц выше 0,4 мкм. [18] Между ними, вблизи размера наиболее проникающих частиц (MPPS) 0,21 мкм, как диффузия, так и перехват сравнительно неэффективны. [19] Поскольку это самое слабое место в работе фильтра, в спецификациях HEPA для классификации фильтра используется удержание частиц такого размера (0,3 мкм). [18] Однако возможно, что частицы размером меньше MPPS не будут иметь эффективность фильтрации выше, чем у MPPS. Это связано с тем, что эти частицы могут выступать в качестве центров зародышеобразования преимущественно для конденсации и образовывать частицы вблизи МППС. [19]
HEPA-фильтры предназначены для эффективного улавливания очень мелких частиц, но не отфильтровывают газы и молекулы запахов . 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 HEPA-фильтра или в дополнение к нему. [20] Угольные тканевые фильтры, которые, как утверждается, во много раз более эффективны, чем гранулированный активированный уголь при адсорбции газообразных загрязняющих веществ , известны как высокоэффективные газоадсорбционные фильтры (HEGA) и первоначально были разработаны британскими вооруженными силами в качестве защиты от химическая война . [21] [22]
Рукавный фильтр HEPA можно использовать в сочетании с фильтром предварительной очистки (обычно активированным углем), чтобы продлить срок службы более дорогого фильтра HEPA. [23] В такой установке первая ступень процесса фильтрации состоит из фильтра предварительной очистки, который удаляет из воздуха большую часть более крупной пыли, волос , твердых частиц PM10 и частиц пыльцы. Высококачественный HEPA-фильтр второй ступени удаляет более мелкие частицы, выходящие из фильтра предварительной очистки. Это обычное явление в вентиляционных установках .
Фильтры HEPA, как определено стандартом Министерства энергетики США (DOE), принятым в большинстве американских отраслей промышленности, удаляют не менее 99,97% аэрозолей диаметром 0,3 микрометра (мкм). [24] Минимальное сопротивление фильтра воздушному потоку или перепад давления обычно составляет около 300 паскалей (0,044 фунта на квадратный дюйм) при его номинальном объемном расходе . [7]
Спецификация, используемая в Европейском Союзе : Европейский стандарт EN 1822-1:2019, на основе которого получен стандарт ISO 29463, [4] определяет несколько классов фильтров по их удержанию при заданном размере наиболее проникающих частиц (MPPS): Эффективные сажевые воздушные фильтры. (EPA), высокоэффективные воздушные фильтры для твердых частиц (HEPA) и воздушные фильтры со сверхнизким содержанием твердых частиц (ULPA). Усредненная эффективность фильтра называется «общей», а эффективность в конкретной точке — «локальной»: [4]
См. также различные классы воздушных фильтров для сравнения.
Сегодня рейтинг фильтра HEPA применим к любому высокоэффективному воздушному фильтру, который может соответствовать как минимум тем же стандартам эффективности фильтра и эквивалентен более позднему рейтингу P100 Национального института охраны труда для респираторных фильтров. Министерство энергетики США (DOE) предъявляет особые требования к фильтрам HEPA в приложениях, регулируемых Министерством энергетики США.
Некоторые компании используют маркетинговый термин, известный как «True HEPA», чтобы дать потребителям уверенность в том, что их воздушные фильтры соответствуют стандарту HEPA, хотя этот термин не имеет юридического или научного значения. [25] Продукты, которые продаются как «типа HEPA», «подобного HEPA», «типа HEPA» или «99% HEPA», не соответствуют стандарту HEPA и, возможно, не прошли испытания в независимых лабораториях. Хотя такие фильтры могут достаточно близко соответствовать стандартам HEPA, другие значительно отстают. [26]
В общих чертах (с учетом некоторых изменений в зависимости от таких факторов, как скорость воздушного потока, физические свойства фильтруемых частиц, а также инженерные детали всей конструкции системы фильтрации, а не только свойства фильтрующего материала) HEPA-фильтры испытывают наибольшие трудности при улавливании частиц размером от 0,15 до 0,2 мкм. [27] HEPA-фильтрация работает механическим способом, в отличие от технологий ионной и озоновой обработки, в которых используются отрицательные ионы и газообразный озон соответственно. Таким образом, вероятность потенциального возникновения побочных эффектов со стороны легких, таких как астма [28] и аллергия, при использовании очистителей HEPA намного ниже. [29]
Чтобы гарантировать эффективную работу HEPA-фильтра, его следует проверять и заменять не реже одного раза в шесть месяцев в коммерческих условиях. В жилых помещениях и в зависимости от общего качества окружающего воздуха эти фильтры можно менять каждые два-три года. Несвоевременная замена HEPA-фильтра приведет к тому, что он создаст нагрузку на машину или систему и не сможет должным образом удалять частицы из воздуха. Кроме того, в зависимости от прокладочных материалов, выбранных в конструкции системы, засоренный HEPA-фильтр может привести к значительному обходу воздушного потока вокруг фильтра. [30]
HEPA-фильтры играют решающую роль в предотвращении распространения переносимых по воздуху бактериальных и вирусных организмов и, следовательно, инфекций . Как правило, системы HEPA-фильтрации медицинского назначения также включают в себя высокоэнергетические ультрафиолетовые излучатели или панели с антимикробным покрытием для уничтожения живых бактерий и вирусов, захваченных фильтрующим материалом. [ нужна цитата ] Некоторые из HEPA-блоков с самым высоким рейтингом имеют рейтинг эффективности 99,995%, что обеспечивает очень высокий уровень защиты от передачи заболеваний, передающихся воздушно-капельным путем .
Размер SARS‑CoV‑2 составляет примерно 0,125 мкм. Капли SARS-CoV-2, переносимые по воздуху , могут улавливаться HEPA-фильтрами, даже если они находятся на полу. [ необходимы разъяснения ] [31] [32]
Многие пылесосы также используют фильтры HEPA как часть 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 HEPA-фильтр в пылесосе был эффективным, пылесос должен быть сконструирован таким образом, чтобы весь воздух, всасываемый в машину, выходил через фильтр без утечки воздуха мимо него. Его часто называют «герметичным HEPA» или иногда более расплывчатым «истинным HEPA». Пылесосы с надписью «HEPA» могут иметь фильтр HEPA, но не весь воздух обязательно проходит через него. Наконец, в фильтрах для пылесосов, продаваемых как «HEPA-подобные», обычно используется фильтр, конструкция которого аналогична HEPA, но без такой эффективности фильтрации. Из-за повышенной плотности настоящего фильтра HEPA пылесосам HEPA требуются более мощные двигатели для обеспечения достаточной мощности очистки.
Некоторые новые модели утверждают, что они лучше предыдущих, поскольку оснащены «моющимися» фильтрами. Как правило, моющиеся настоящие HEPA-фильтры стоят дорого. Высококачественный HEPA-фильтр способен улавливать 99,97% частиц пыли диаметром 0,3 микрона. Для сравнения: диаметр человеческого волоса составляет от 50 до 150 микрон. Итак, настоящий HEPA-фильтр эффективно задерживает частицы, размер которых в несколько сотен раз меньше ширины человеческого волоса. [33] Некоторые производители заявляют о стандартах фильтров, таких как «HEPA 4», не объясняя их значения. [ нужна цитация ] Это относится к их рейтингу минимального отчетного значения эффективности (MERV). [ нужна цитация ] Эти рейтинги используются для оценки способности фильтра воздухоочистителя удалять пыль из воздуха, когда он проходит через фильтр. MERV — это стандарт, используемый для измерения общей эффективности фильтра. Шкала MERV варьируется от 1 до 16 и измеряет способность фильтра удалять частицы размером от 10 до 0,3 микрометра. Фильтры с более высокими характеристиками удаляют не только больше частиц из воздуха, но и более мелкие частицы.
Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха (HVAC) [34] — это технология, в которой используются воздушные фильтры, такие как фильтры HEPA, для удаления загрязняющих веществ из воздуха в помещениях или в транспортных средствах. К загрязняющим веществам относятся дым, вирусы, порошки и т. д., и они могут возникать как снаружи, так и внутри. ОВиК используется для обеспечения экологического комфорта и в загрязненных городах для поддержания здоровья. [ нужна цитата ]
Современные авиалайнеры используют фильтры HEPA для уменьшения распространения переносимых по воздуху патогенов в рециркулируемом воздухе. Критики выразили обеспокоенность по поводу эффективности и состояния ремонта систем фильтрации воздуха, поскольку, по их мнению, большая часть воздуха в салоне самолета циркулирует рециркуляционно. Фактически почти весь воздух в герметичном самолете поступает снаружи, циркулирует по салону, а затем выпускается через выпускные клапаны в задней части самолета. [35] Около 40 процентов воздуха в салоне проходит через HEPA-фильтр, а остальные 60 процентов поступает снаружи самолета. Сертифицированные воздушные фильтры блокируют и улавливают 99,97 процентов частиц в воздухе. [36]
В 2016 году было объявлено, что Tesla Model X будет иметь первый в мире фильтр HEPA-класса в автомобиле Tesla. [37] После выпуска модели X компания Tesla обновила модель S , добавив в нее дополнительный воздушный фильтр HEPA. [38]
Идея разработки HEPA-фильтра родилась из противогазов , которые носили солдаты, сражавшиеся во время Второй мировой войны. Кусок бумаги, найденный в немецком противогазе, имел удивительно высокую эффективность улавливания химического дыма. Химический корпус британской армии продублировал это и начал производить его в больших количествах для собственных служебных противогазов. Им нужно было другое решение для оперативных штабов, где индивидуальные противогазы были непрактичны. Армейский химический корпус разработал комбинацию механической воздуходувки и очистителя воздуха, в которой использовалась целлюлозно-асбестовая бумага глубоко складчатой формы с прокладками между складками. Его называли «абсолютным» воздушным фильтром, и он заложил основу для дальнейших исследований по разработке HEPA-фильтра. [39]
Следующая фаза HEPA-фильтра была разработана в 1940-х годах и использовалась в Манхэттенском проекте для предотвращения распространения радиоактивных загрязнений по воздуху. [40] Химическому корпусу армии США и Исследовательскому комитету национальной обороны необходимо было разработать фильтр, пригодный для удаления радиоактивных материалов из воздуха. Армейский химический корпус попросил нобелевского лауреата Ирвинга Ленгмюра порекомендовать методы испытаний фильтров и другие общие рекомендации по созданию материала для фильтрации этих радиоактивных частиц. Он определил, что частицы размером 0,3 микрона являются «наиболее проникающими» — самыми трудными и вызывающими беспокойство. [41]
Он был коммерциализирован в 1950-х годах, и первоначальный термин стал зарегистрированным товарным знаком, а затем и общим товарным знаком для высокоэффективных фильтров. [14]
На протяжении десятилетий фильтры развивались, чтобы удовлетворить все более высокие требования к качеству воздуха в различных высокотехнологичных отраслях, таких как аэрокосмическая, фармацевтическая промышленность, больницы, здравоохранение, ядерное топливо, атомная энергетика и производство интегральных схем .
