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Die Geschichte, wie Filter schmutzig werden


Ob lang, kurz, aber Filter für die Tion-Verschnaufpause mit unterschiedlichem Verschmutzungsgrad (oder Nutzungsdauer) kamen endlich zu meinen verspielten kleinen Händen. Dies bedeutet, dass es Zeit ist, eine Tasse Tee einzuschenken und in einen wunderbaren Mikrokosmos aus Filterfilter und schmutziger Luft einzutauchen.

Willkommen bei cat, um detaillierte Informationen über die Lebensdauer von Filtern unter realen Bedingungen zu erhalten. Achtung, es werden viele Fotos vom Elektronenmikroskop aufgenommen.

In einem früheren Artikel im Tion-Unternehmensblog wurden die Grundprinzipien und Mechanismen der Partikelfilterung auf einem Filter wie HEPA (Filterklasse H11) beschrieben. Filter können auch ohne 100% igen Wirkungsgrad Schmutz- und Staubpartikel sehr effektiv einfangen. Typischerweise werden solche Untersuchungen an Modell-Standardsystemen durchgeführt, dh eine bestimmte Partikelmischung wird entnommen und um den Filter-Pump-Filter herumgeführt, bis ein vorbestimmtes Luftvolumen gepumpt ist, und dann wird beispielsweise die Masse der auf dem Filter abgelagerten Substanz gemessen.

Im Folgenden werde ich anhand der von Tion bereitgestellten Beispiele als Beispiele zeigen, wie echte Filter im Laufe der Zeit verschmutzen, obwohl die Ergebnisse natürlich auf alle modernen Faserfilter hochgerechnet werden können. Aber wir werden vielleicht mit einem kleinen Exkurs beginnen.

Filter und ihre Herstellungstechnologie


Zunächst möchte ich die Frage des vorherigen Artikels beantworten, den der Vesper- Benutzer gestellt hat, welche Materialien verwendet werden:
Aus welchen Fasern besteht der HEPA-Filter? Nicht von den Baumwoll?

Der Filter selbst besteht aus zwei Teilen, aus Gründen der Klarheit und Kürze werden wir sie die "Basis" nennen, die die Filtersteifigkeit angibt und praktisch nicht am Filtervorgang beteiligt ist, und flexible "Filterfasern" mit einer entwickelten Oberfläche (mit anderen Worten einer großen Oberfläche). Der Unterschied in den Durchmessern solcher Fasern überschreitet die Größenordnung und variiert von 1 bis 10 bis 20 Mikrometer oder Mikrometer (zum Vergleich beträgt der Durchmesser eines normalen menschlichen Haares etwa 80 Mikrometer)!

Das Material, aus dem beide Teile hergestellt sind, besteht natürlich hauptsächlich aus Polymer- oder Glasfasern und nicht aus Baumwolle. Der Prozess der Gewinnung von Fasern wurde zum "Automatismus" und so industrialisiert wie möglich ausgearbeitet. Also mit Elektrospinnen Das Polymer oder flüssige Glas, das die Düse passiert hat (ein sehr dünnes Rohr, das den Durchmesser der Faser festlegt, normalerweise gibt es viele solcher Rohre - Tausende oder sogar Zehntausende), wird auf das Substrat „gesprüht“ und bildet ein Gitter.


So ein helles und farbenfrohes Elektrospinnen. Quelle


Schematische Darstellung des Elektrospinnprozesses und der Bildung eines Taylor-Kegels . Quelle


Die Basis (links) und die Filterfasern (rechts) werden durch Elektrospinnen erhalten.

Als nächstes wird das Polymer entweder durch Licht oder thermisch oder irgendwie gehärtet. Hurra, die Filtermatte ist fertig! Es bleibt nur zu hacken und zu packen.

Natürlich sind die genaue Zusammensetzung, die Stanzparameter durch Matrizen und anderes technologisches Know-how ein Geschäftsgeheimnis. Obwohl dieser Prozess in gewisser Weise der Herstellung von wärmeisolierenden Matten ähnelt, hatte ich die Gelegenheit, die Saint-Gobain-Fabrik in der Nähe von Jegorjewsk irgendwie zu besuchen .

Nanofasern und elektrostatische Kräfte


Zweitens möchte ich einige Klarstellungen und Ergänzungen zum Material der vorherigen Arbeit vornehmen.

Warum nicht Nanofasern herstellen (Fläche noch mehr vergrößern)?

Wenn wir das Problem der Behinderung eines Hindernisses mit einer laminaren Luftströmung im Rahmen der klassischen Hydrodynamik lösen, kommen wir unweigerlich zur Randbedingung: Auf der Oberfläche der Fasern sollte die Strömungsgeschwindigkeit Null sein, was hervorragende Bedingungen für die Ablagerung von Partikeln schafft. Wenn jedoch die Abmessungen des Hindernisses zu klein sind, manifestiert sich der sogenannte Schlupfeffekt.

In einer interessanten Arbeit wird die Hydrodynamik des Gasflusses um eine runde Faser ausführlich diskutiert. Eine Änderung des Geschwindigkeitsprofils oder des Strömungsregimes wird anhand der Knudsen-Zahl beschrieben. Für Luft unter normalen Bedingungen sollte daher ein Strömungsschlupf für Fasern berücksichtigt werden, die feiner als ~ 0,5 Mikrometer sind, weshalb der Großteil der Fasern für den HEPA-Filter mit Durchmessern von 1 bis 100 Mikrometer hergestellt wird. Denn genau dieser Größenbereich begünstigt das Eingreifen und Abscheiden relativ großer Partikel auf der Oberfläche. Die Effizienz dieses Abscheidungsmechanismus nimmt jedoch bei Partikeln kleiner als 0,3 & mgr; m signifikant ab, was bestimmte Schwierigkeiten schafft.


Luftgeschwindigkeitsprofile in der Nähe der Filterfaser (a) ohne und (b) mit einfallendem Strömungsschlupf Strömungssplitter werden

intensiv zur Herstellung von Filtern mit nanoskaligen Fasern verwendet, und der Filtrationsmechanismus selbst ändert sich. Anstelle einer Verschränkung lagern sich Partikel hauptsächlich an den Faserwebpunkten ab, von denen sie sehr, sehr viel zu tun versuchen.

Tion hat seine eigenen Entwicklungen auf diesem Gebiet, die es uns ermöglichen, ein sehr dünnes Netz aus Nanofasern zu erhalten, um Folgendes zu erzeugen: "Eine Filterverbundbahn aus einer Mischung von Polypropylen und Polyethylenterephthalat unter Zusatz von Glasfaser ." Ein solches "Tier" kann sogar die kleinsten Teertröpfchen im Tabakrauch zurückhalten.

Wenn Elektrospinnen zur Faserherstellung verwendet wird, werden die Fasern dabei geladen? Lohnt es sich, den Filter zu waschen?

Als nächstes bringen wir Klarheit in die Verteilung der Kräfte, die während der Wechselwirkung von Staubpartikeln und Filterfasern entstehen. Da die Fasern gebildet werden, indem das Polymer oder die Glasschmelze schnell durch die Düsen geleitet wird (oft auch unter dem Einfluss eines zusätzlichen elektrischen Feldes), tragen die Fasern infolgedessen eine gewisse überschüssige Ladung. Zusätzlich kann durch Verarbeitung des Materials im Plasma eine Überladung erzeugt werden. Beispielsweise werden Glas und Quarz sehr häufig als natürliche und kostengünstige Elektrete verwendet , dh als Material mit einer signifikanten konstanten Ladung.

Staubpartikel, die an geladenen Fasern vorbeifliegen, können aufgrund der Wirkung elektrostatischer Kräfte effektiv aus dem Strom "gerissen" werden (oder abgestoßen werden, wenn die Faser und die Partikel gleichermaßen geladen sind). Seltsamerweise sind aber die überwiegende Mehrheit der Mikro- und Nanopartikel geladen, insbesondere Staubpartikel. Aufgrund der Reibung gegen Luft, Gegenstände und der entsprechenden Umverteilung und Trennung von Ladungen entsteht leicht eine Ladung auf der Oberfläche von Partikeln. Natürlich spüren wir das im Alltag nicht, denn ein paar Ladungen eines Elektrons (1,6 10 -19 Coulomb) sind nichts für uns, aber für eine Nanowelt ist es eine riesige Menge. Dies ist zum Beispiel die Grundlage für die gesamte Branche des erneuerbaren Stroms - die Triboelektrizität, über die ich zuvor geschrieben habe (Teile 1 und 2 ).

Natürlich besteht eine Korrelation zwischen der Ladung der Faser und der Filtrationseffizienz. Eine überladene Filterfaser stößt Partikel mit einer Ladung des gleichen Vorzeichens einfach ab, und die Effizienz sinkt, aber vollständig neutrale Filter sind nicht effektiv genug, sodass der goldene Mittelwert eingehalten werden muss.

Ein aufmerksamer Leser wird feststellen, dass es vollständig elektrostatische Filter gibt, die zuerst zusätzlich Staubpartikel aufladen und dann fast alle Partikel mit einem Durchmesser von bis zu 10 nm effektiv entfernen! Dies ist jedoch eine völlig andere Geschichte, die eines separaten Artikels würdig ist.

Übergang von der Theorie zur Praxis: Lohnt es sich dann, die Filter zu waschen ?!
Versuche, den Filter wieder in seinen ursprünglichen Zustand zu versetzen, sind zum Scheitern verurteilt, aber ein Teil der Verschmutzung durch Waschen und Ausschalten kann entfernt werden, insbesondere große Partikel oder Partikelgruppen. Darüber hinaus dient ein solcher "wiederhergestellter" Filter viel weniger als ein neuer.

Ich rate Ihnen auch, eine weitere hervorragende Veröffentlichung zu Filtern zu lesen .

Teil ist experimentell. Filter sind verschmutzt


Daher wurden die folgenden Filter für die Überprüfung bereitgestellt: F7 mit einer Lebensdauer von 0 und 3 Tagen, 2 Wochen und 6 Monaten, die die frische Taiga-Luft von Nowosibirsk reinigte , sowie H11 (HEPA) aus der nördlichen Hauptstadt.


Beginnen wir mit den F7-Primärfiltern. Nach zweiwöchigem Betrieb in einer Großstadt tritt eine erhebliche Filterkontamination auf. Der Schmutz, Staub und Smog einer Großstadt ist also keine leere Phrase!


Schauen Sie sich jetzt die Filter mit meinem Lieblingselektronenmikroskop an. Andere Alltagsgegenstände, die mit vorgehaltener Waffe untersucht wurden, sind in den Artikeln Die Welt um uns herum enthalten .

Wie bereits oben erwähnt, besteht der Filter aus zwei Teilen - dicken Grundfasern mit einem Durchmesser von 50 bis 100 Mikrometern und dünnen Filterfasern. Die Fasern selbst sind sauber und glatt.


Bereits nach drei Tagen Gebrauch sind einzelne große Staubpartikel auf den Fasern zu erkennen (mit roten Pfeilen markiert). Obwohl die Basisfasern relativ sauber bleiben und, wie oben erwähnt, nicht an der Filtration teilnehmen.


Nach zwei Wochen steigt die Gesamtverschmutzung erheblich an. Einzelne Fasern sind mit kaum wahrnehmbaren Submikron- und sogar nanoskaligen Partikeln bedeckt (gemäß IUPAC-Klassifikation <100 nm, blaue Pfeile), an einigen Stellen beginnen sich Schlammmembranen zu bilden (gekennzeichnet durch einen violetten Kreis).


Die folgende mikroskopische Aufnahme zeigt dies in allen Schwarzweißdetails:


Nach sechs Monaten ist ein erheblicher Teil des Raums zwischen den Fasern mit Staub, Schmutz und verschiedenen Partikeln gefüllt. Filme aus Schmutz und Staub bedecken sogar dicke Grundfasern, ganz zu schweigen von dünnen Fasern.


Im Folgenden wird meiner Meinung nach eine sehr aufschlussreiche mikroskopische Aufnahme vorgestellt, die fast alle Mechanismen der Partikelablagerung zeigt. Trägheit oder Eingriff verursachten ein großes Partikel (roter Pfeil), kleine Partikel setzten sich aufgrund der Diffusion ab (blauer Pfeil). Durch das allmähliche Überwachsen der Filterfaser mit solchen Partikeln bildet sich auf der Oberfläche ein Film (violett markiert).


Grundsätzlich kann der Filter ausgeschüttelt und gewaschen werden, es ist jedoch unwahrscheinlich, dass er in einen völlig neuen Zustand zurückkehren kann. Es ist auch zu berücksichtigen, dass die Ladung, die auf der Oberfläche der Fasern verbraucht und durch die anhaftenden Staubpartikel kompensiert wurde, und daher der gewaschene Filter immer noch filtert und, was noch wichtiger ist, den Staub schlechter als neu hält.

Als nächstes betrachten wir kurz den HEPA-Filter und ein Beispiel für seinen Betrieb unter realen Bedingungen für zwei Wochen.


Ein sauberer H11-Filter unterscheidet sich nicht wesentlich von dem zuvor diskutierten F7, mit Ausnahme einer dichteren Packung der Filterfaser. Das heißt, HEPA ist einfach ein dichterer Filter mit einem kleineren Porendurchmesser zwischen den Fasern.


Nach zwei Wochen mit HEPA scheint es ein brandneuer Filter zu sein, aber das stimmt nicht ganz. Natürlich blieb der größte Teil des Staubes und Schmutzes auf dem F7-Grobfilter, so dass es unwahrscheinlich ist, dass große Partikel in großen Mengen gefunden werden.


Wenn wir es jedoch zehnmal näher bringen, können wir leicht feststellen, dass der HEPA-Filter funktioniert, indem er sehr kleine Partikel auf der Oberfläche der Fasern einfängt (blaue Pfeile). Neben dem F7-Filter „wächst“ HEPA schließlich mit einer Schmutzschicht (violett markiert).



Anstelle einer Schlussfolgerung


Es war interessant, die Entwicklung der Filterverschmutzung nicht durch Modellpartikel auf einem Prüfstand zu verfolgen, sondern unter den tatsächlichen Betriebsbedingungen einer Großstadt (und sogar zweier Städte!). Tatsächlich stellt sich heraus, dass die Filterfasern im Laufe der Zeit mit einer monolithischen Schicht aus Schmutz und Staub überwachsen und zwischen den Fasern „Membranen“ bilden. Dies ist einerseits gut, da es den Einfangquerschnitt von immer mehr neuen Partikeln vergrößert, andererseits das Filtermaterial selbst weniger luftdurchlässig wird und folglich die Belastung der Pumpe zunimmt.

Beantwortung der Frage: Filter wechseln oder nicht wechseln und waschen? - Ich kann folgendermaßen antworten: Versuchen Sie es, aber das gewaschene und / oder ausgeschlagene Produkt verstopft noch schneller als das neue und lädt die Pumpe zusätzlich zusätzlich.

Text und Mikrofotografien speziell für Tion © Tiberius erstellt.

PS: Bitte melden Sie Fehler und Kommentare zum Text über das LAN.

Source: https://habr.com/ru/post/de397457/

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