La historia de cómo se ensucian los filtros
Ya sea largo, corto, pero los filtros para el respiradero Tion con diferentes grados de contaminación (o tiempo de uso) finalmente llegaron a mis pequeñas manos juguetonas. Esto significa que es hora de verter una taza de té y sumergirse en un maravilloso microcosmos de polvo filtrado y aire sucio.Para detalles íntimos de la vida de los filtros en condiciones reales, bienvenido a cat. Precaución, habrá muchas fotos del microscopio electrónico.En un artículo anterior en el blog corporativo de Tion, se describieron los principios básicos y los mecanismos de filtrado de partículas en un filtro como HEPA (clase de filtro H11). Los filtros, incluso sin una eficiencia del 100%, pueden capturar con bastante eficacia partículas de suciedad y polvo. Típicamente, tales estudios se llevan a cabo en modelos, sistemas estándar, es decir, se toma una cierta mezcla de partículas y se persigue en un filtro circular-bomba-filtro hasta que se bombea un volumen predeterminado de aire, luego, por ejemplo, se mide la masa de la sustancia depositada en el filtro.A continuación, mostraré cómo los filtros reales se ensucian con el tiempo utilizando los ejemplos proporcionados por Tion como muestras, aunque, por supuesto, los resultados se pueden extrapolar a cualquier filtro de fibra moderno. Pero comenzaremos, quizás, con una pequeña digresión.Filtros y su tecnología de fabricación.
En primer lugar , me gustaría responder a la pregunta del artículo anterior que hizo el usuario de Vesper sobre qué materiales se utilizan:¿En qué tipo de fibras se compone el filtro HEPA? ¿No de los de algodón?
El filtro en sí consta de dos partes, por claridad y brevedad las llamaremos la "base", que le da rigidez al filtro y que prácticamente no participa en el acto de filtrado, y "fibras de filtro" flexibles con una superficie desarrollada (en otras palabras, un área de superficie grande). ¡La diferencia en los diámetros de tales fibras excede el orden y varía de 1 a 10-20 micras o micras (en comparación, el diámetro de un cabello humano estándar es de aproximadamente 80 micras)!El material del que están hechas ambas partes es principalmente, por supuesto, fibras de polímero o vidrio, y no algodón. El proceso de obtención de fibras funcionó hasta el "automatismo" y lo más industrializado posible. Entonces, usando electrospinning el polímero o el vidrio líquido que ha pasado a través del troquel (un tubo muy delgado que establece el diámetro de la fibra, generalmente hay muchos de esos tubos, miles o incluso decenas de miles) se "rocía" sobre el sustrato, formando una rejilla.Un electrospinning tan brillante y colorido. FuenteRepresentación esquemática del proceso de electrohilado y la formación de un cono de Taylor . FuenteLa base (izquierda) y las fibras de filtro (derecha) obtenidas por electrohilado.A continuación, el polímero se cura con luz, térmica o de alguna manera. ¡Hurra, la estera del filtro está lista! Solo queda picar y empacar.Por supuesto, la composición exacta, los parámetros de perforación a través de troqueles y otros conocimientos tecnológicos son un secreto comercial. Aunque de alguna manera este proceso es similar a la creación de esteras aislantes del calor, tuve la oportunidad de visitar la fábrica de Saint-Gobain cerca de Yegoryevsk de alguna manera .Nanofibras y fuerzas electrostáticas
En segundo lugar , me gustaría hacer algunas aclaraciones y adiciones al material del trabajo anterior.¿Por qué no hacer nanofibras (aumentar el área aún más)?Si resolvemos el problema de obstruir una corriente de aire laminar en el marco de la hidrodinámica clásica, inevitablemente llegaremos a la condición límite: en la superficie de las fibras, la velocidad del flujo debe ser cero, lo que crea excelentes condiciones para la deposición de partículas. Sin embargo, cuando las dimensiones del obstáculo son demasiado pequeñas, se manifiesta el llamado efecto de deslizamiento.En un trabajo interesante , se analiza en detalle la hidrodinámica del flujo de gas alrededor de una fibra redonda. Un cambio en el perfil de velocidad o régimen de flujo se describe en términos del número de Knudsen. Por lo tanto, para el aire en condiciones normales, el deslizamiento del flujo debe tenerse en cuenta para las fibras más finas que ~ 0.5 micras, razón por la cual la mayor parte de las fibras para el filtro HEPA están hechas con diámetros de 1 a 100 micras. Porque es precisamente esta gama de tamaños la que favorece el enganche y la deposición de partículas relativamente grandes en la superficie. Sin embargo, la eficiencia de este mecanismo de deposición disminuye significativamente para partículas menores de 0.3 μm, lo que crea ciertas dificultades.Perfiles de velocidad del flujo de aire cerca de la fibra del filtro (a) sin y (b) con deslizamiento de flujo incidente El deslizamiento de flujose usa intensamente para crear filtros con fibras a nanoescala, y el mecanismo de filtración cambia. En lugar de enredarse, las partículas se depositan principalmente en los puntos de tejido de fibra, de los cuales están tratando de hacer mucho, mucho.Tion tiene sus propios desarrollos en esta área, lo que nos permite obtener una malla muy delgada de nanofibras para crear: "una red compuesta filtrante a partir de una mezcla de polipropileno y tereftalato de polietileno con la adición de fibra de vidrio ". Tal "bestia" puede incluso retener las gotas más pequeñas de alquitrán en el humo del tabaco.Si se utiliza electrohilado para la producción de fibra, ¿se cargan las fibras en el proceso? ¿Vale la pena lavar el filtro?A continuación, aportamos cierta claridad a la distribución de fuerzas que surgen durante la interacción de partículas de polvo y fibras de filtro. Como las fibras se forman al pasar rápidamente el polímero o la masa fundida de vidrio a través de las matrices (a menudo también bajo la influencia de un campo eléctrico adicional), como resultado, las fibras llevan una carga excesiva. Además, se puede crear un exceso de carga procesando el material en plasma. Por ejemplo, el vidrio y el cuarzo se usan muy a menudo como electretes naturales y económicos , en otras palabras, un material con una carga constante significativa.Las partículas de polvo que vuelan sobre las fibras cargadas pueden ser efectivamente "arrebatadas" de la corriente debido a la acción de las fuerzas electrostáticas (o repelidas si la fibra y las partículas se cargan por igual). Curiosamente, pero la gran mayoría de las micro y nanopartículas están cargadas, y especialmente las partículas de polvo. Una carga surge fácilmente en la superficie de las partículas debido a la fricción contra el aire, los objetos y la correspondiente redistribución y separación de las cargas. Por supuesto, no sentimos esto en la vida cotidiana, porque algunas cargas de un electrón (1.6 10 -19 coulomb) no son nada para nosotros, pero para un nanomundo es una gran cantidad. Por ejemplo, esta es la base de toda la industria de la electricidad renovable: la triboelectricidad, sobre la que escribí anteriormente (partes 1 y 2 ).Por supuesto, existe una correlación entre la carga de la fibra y la eficiencia de filtración. Una fibra de filtro sobrecargada simplemente repelerá las partículas con una carga del mismo signo, y la eficiencia disminuirá, pero los filtros completamente neutros no serán lo suficientemente efectivos, por lo que debe respetarse la media dorada.Un lector atento notará que hay filtros completamente electrostáticos que primero cargan adicionalmente partículas de polvo y luego eliminan efectivamente casi todas las partículas con un diámetro de hasta 10 nm. Sin embargo, esta es una historia completamente diferente, digna de un artículo separado.Pasando de la teoría a la práctica: ¿vale la pena lavar los filtros entonces?Los intentos de devolver el filtro a su estado original están condenados al fracaso, pero parte de la contaminación por lavado y eliminación puede eliminarse, especialmente partículas grandes o grupos de partículas. Además, dicho filtro "restaurado" servirá mucho menos que uno nuevo.También te aconsejo que leas otra excelente publicación sobre filtros .La parte es experimental. Los filtros están sucios
Por lo tanto, se proporcionaron los siguientes filtros para la revisión: F7 con una vida de 0 y 3 días, 2 semanas y 6 meses, que limpió el aire fresco de taiga de Novosibirsk, así como el H11 (HEPA) de la capital del norte.Comencemos con los filtros primarios F7. La contaminación significativa del filtro comienza a aparecer después de dos semanas de operación en una gran ciudad. ¡Entonces la suciedad, el polvo y el smog de una megalópolis no es una frase vacía!Ahora eche un vistazo a los filtros con mi microscopio electrónico favorito. Otros artículos cotidianos examinados a punta de pistola se presentan en los artículos The World Around Us .Como ya se señaló anteriormente, el filtro consta de dos partes: fibras base gruesas con un diámetro de 50-100 micras y fibras de filtro delgadas. Las fibras en sí son limpias y lisas.Incluso después de tres días de uso, ya es posible notar grandes partículas individuales de polvo atrapadas en las fibras (marcadas con flechas rojas). Aunque las fibras base permanecen relativamente limpias y, como se señaló anteriormente, no participan en la filtración.Después de dos semanas, la cantidad total de contaminación aumenta significativamente. Las fibras individuales están cubiertas con partículas submicrométricas apenas perceptibles e incluso a nanoescala (según la clasificación IUPAC <100 nm, flechas azules), las "membranas" de lodo comienzan a formarse en algunos lugares (marcadas por un círculo morado).La micrografía a continuación muestra esto en todos los detalles en blanco y negro:Después de seis meses de uso, una parte importante del espacio entre las fibras se llena de polvo, suciedad y varias partículas. Las películas de suciedad y polvo cubren incluso fibras de base gruesas, sin mencionar las fibras delgadas.A continuación se presenta, en mi opinión, una micrografía muy reveladora que muestra casi todos los mecanismos de deposición de partículas. La inercia o el compromiso causaron una partícula grande (flecha roja), las partículas pequeñas se asentaron debido a la difusión (flecha azul). Como resultado del sobrecrecimiento gradual de la fibra del filtro con tales partículas, se forma una película en la superficie (marcada en púrpura).En principio, el filtro se puede sacudir, lavar, pero es poco probable que pueda volver a un estado completamente nuevo. También vale la pena considerar que la carga que se gastó en la superficie de las fibras se compensó adhiriendo partículas de polvo y, por lo tanto, el filtro lavado aún se filtrará y, lo que es más importante, mantendrá el polvo peor que nuevo.A continuación, consideramos brevemente el filtro HEPA y un ejemplo de su funcionamiento en condiciones reales durante dos semanas.Un filtro H11 limpio no es muy diferente del F7 discutido anteriormente, excepto por un empaque más denso de la fibra del filtro. Es decir, HEPA es simplemente un filtro más denso con un diámetro de poro más pequeño entre las fibras.Después de dos semanas de usar HEPA, puede parecer un filtro nuevo, pero esto no es del todo cierto. Por supuesto, la mayor parte del polvo y la suciedad permanecieron en el filtro grueso F7, por lo que es poco probable que se encuentren partículas grandes en grandes cantidades.Sin embargo, si lo acercamos diez veces, podemos encontrar fácilmente que el filtro HEPA funciona atrapando partículas muy pequeñas en la superficie de las fibras (flechas azules). Además del filtro F7, HEPA eventualmente "crece demasiado" con una capa de suciedad (marcada en púrpura).En lugar de una conclusión
Fue interesante rastrear la evolución de la contaminación del filtro no por partículas modelo en un banco de pruebas, sino en las condiciones operativas reales de una gran ciudad (¡e incluso dos ciudades!). De hecho, resulta que las fibras filtrantes crecen demasiado con una capa monolítica de suciedad y polvo con el tiempo, formando "membranas" entre las fibras. Por un lado, esto es bueno, ya que aumenta la sección transversal de captura de más y más partículas nuevas, por otro lado, el material del filtro se vuelve menos permeable al aire y, en consecuencia, aumenta la carga en la bomba.Respondiendo a la pregunta: ¿cambiar el filtro o no cambiar y lavar? - Puedo responder de esta manera: intente, pero el lavado y / o el golpe se obstruirán incluso más rápido que el nuevo, y de nuevo cargará la bomba.Texto y microfotografías preparadas específicamente para Tion © Tiberius.PD: Informe errores y comentarios sobre el texto a través de la LAN. Source: https://habr.com/ru/post/es397457/
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