Geekly articles weekly

Kisah bagaimana filter menjadi kotor


Baik panjang, pendek, tetapi filter untuk orang Tionghoa dengan tingkat polusi yang berbeda (atau waktu penggunaan) akhirnya sampai ke tangan kecilku yang lucu. Ini berarti bahwa sudah waktunya untuk menuangkan secangkir teh dan terjun ke dalam mikrokosmos penyaringan debu dan udara kotor.

Untuk detail intim kehidupan filter dalam kondisi nyata, selamat datang di cat. Perhatian, akan ada banyak foto dari mikroskop elektron.

Dalam artikel sebelumnya di blog perusahaan Tion, prinsip dasar dan mekanisme penyaringan partikel pada filter seperti HEPA (kelas filter H11) dijelaskan. Filter, bahkan tanpa efisiensi 100%, mampu menangkap partikel kotoran dan debu dengan cukup efektif. Biasanya, studi semacam itu dilakukan pada model, sistem standar, yaitu campuran partikel tertentu diambil dan dikejar di sekitar saringan-saringan-saringan sampai volume udara yang telah ditentukan dipompa, kemudian, misalnya, massa zat yang disimpan pada saringan diukur.

Di bawah ini saya akan menunjukkan bagaimana filter nyata menjadi kotor dari waktu ke waktu menggunakan contoh-contoh yang diberikan oleh Tion sebagai sampel, meskipun, tentu saja, hasilnya dapat diekstrapolasi ke filter serat modern. Tapi kita akan mulai, mungkin, dengan penyimpangan kecil.

Filter dan teknologi pembuatannya


Pertama , saya ingin menjawab pertanyaan dari artikel sebelumnya yang ditanyakan oleh pengguna vesper tentang bahan apa yang digunakan:
Jenis serat apa yang terdiri dari filter HEPA? Bukan dari kapas?

Filter itu sendiri terdiri dari dua bagian, untuk kejelasan dan singkatnya kita akan menyebutnya "basis", yang memberikan kekakuan filter dan yang praktis tidak berpartisipasi dalam tindakan penyaringan, dan "serat filter" yang fleksibel dengan permukaan yang dikembangkan (dengan kata lain, area permukaan yang besar). Perbedaan diameter serat tersebut melebihi pesanan dan bervariasi dari 1 hingga 10-20 mikron atau mikron (sebagai perbandingan, diameter rambut manusia standar adalah sekitar 80 mikron)!

Bahan dari mana kedua bagian dibuat terutama, tentu saja, polimer atau serat gelas, dan bukan kapas. Proses memperoleh serat berhasil "automatisme" dan sebanyak mungkin diindustrialisasi. Jadi, menggunakan electrospinning polimer atau gelas cair yang telah melewati cetakan (tabung yang sangat tipis yang menentukan diameter serat, biasanya ada banyak tabung seperti itu - ribuan atau bahkan puluhan ribu) "disemprotkan" ke substrat, membentuk kisi-kisi.


Electrospinning yang cerah dan berwarna-warni. Sumber


Representasi skematis dari proses electrospinning dan pembentukan kerucut Taylor . Sumber


Basis (kiri) dan serat filter (kanan) diperoleh dengan electrospinning.

Selanjutnya, polimer disembuhkan dengan cahaya, atau secara termal, atau entah bagaimana. Hore, saringan sudah siap! Tetap hanya memotong dan mengepak.

Tentu saja, komposisi yang tepat, meninju parameter melalui mati dan pengetahuan teknologi lainnya adalah rahasia dagang. Meskipun dalam beberapa hal proses ini mirip dengan pembuatan tikar penyekat panas - saya punya kesempatan untuk mengunjungi pabrik Saint-Gobain dekat Yegoryevsk.

Nanofibers dan gaya elektrostatik


Kedua , saya ingin membuat beberapa klarifikasi dan tambahan pada bahan dari karya sebelumnya.

Mengapa tidak membuat nanofibers (menambah luas area)?

Jika kita memecahkan masalah menghalangi rintangan dengan aliran udara laminar dalam kerangka hidrodinamika klasik, maka kita pasti akan sampai pada kondisi batas: pada permukaan serat, kecepatan aliran harus nol, yang menciptakan kondisi yang sangat baik untuk pengendapan partikel. Namun, ketika dimensi hambatan terlalu kecil, apa yang disebut efek selip terwujud.

Dalam satu karya yang menarik , hidrodinamika aliran gas di sekitar serat bundar dibahas secara rinci. Perubahan dalam profil kecepatan atau rezim aliran dijelaskan dalam hal angka Knudsen. Jadi, untuk udara dalam kondisi normal, selip aliran harus diperhitungkan untuk serat yang lebih halus dari ~ 0,5 mikron, itulah sebabnya sebagian besar serat untuk filter HEPA dibuat dengan diameter dari 1 hingga 100 mikron. Karena justru kisaran ukuran inilah yang mendukung keterlibatan dan pengendapan partikel yang relatif besar di permukaan. Namun, efisiensi mekanisme pengendapan ini menurun secara signifikan untuk partikel yang lebih kecil dari 0,3 μm, yang menciptakan kesulitan tertentu.


Profil kecepatan udara di dekat serat filter (a) tanpa dan (b) dengan slippage aliran datang. Flow

sliver secara intensif digunakan untuk membuat filter dengan serat skala nano, dan mekanisme penyaringan itu sendiri berubah. Alih-alih keterjeratan, partikel-partikel diendapkan terutama pada titik-titik serat, yang mereka coba lakukan sangat, sangat banyak.

Tion memiliki perkembangannya sendiri di bidang ini, yang memungkinkan kami untuk mendapatkan jaring nanofibers yang sangat tipis untuk membuat: "jaringan komposit penyaringan dari campuran polypropylene dan polyethylene terephthalate dengan penambahan fiberglass ." "Binatang buas" semacam itu bahkan mampu mempertahankan tetesan tar terkecil dalam asap tembakau.

Jika electrospinning digunakan untuk produksi serat, apakah serat diisi dalam proses? Apakah layak mencuci filter?

Selanjutnya, kami memberikan kejelasan pada distribusi kekuatan yang muncul selama interaksi partikel debu dan serat filter. Karena serat dibentuk dengan cepat meloloskan polimer atau kaca melalui cetakan (seringkali juga di bawah pengaruh medan listrik tambahan), sebagai akibatnya, serat membawa beberapa muatan berlebih. Selain itu, biaya tambahan dapat dibuat dengan memproses bahan dalam plasma. Misalnya, kaca dan kuarsa sangat sering digunakan sebagai rahasia alami dan murah , dengan kata lain, bahan dengan muatan konstan yang signifikan.

Partikel debu yang terbang melewati serat yang terisi dapat secara efektif "disambar" keluar dari aliran karena aksi gaya elektrostatik (atau ditolak jika serat dan partikel bermuatan sama). Anehnya, tetapi sebagian besar mikro dan partikel nano diisi, dan terutama partikel debu. Muatan mudah muncul pada permukaan partikel karena gesekan terhadap udara, benda dan redistribusi serta pemisahan muatan yang sesuai. Tentu saja, kita tidak merasakan ini dalam kehidupan sehari-hari, karena beberapa muatan elektron (1,6 10 -19 coulomb) tidak ada artinya bagi kita, tetapi bagi nanoworld itu adalah jumlah yang sangat besar. Sebagai contoh, ini adalah dasar untuk seluruh industri listrik terbarukan - triboelectricity, yang saya tulis sebelumnya (bagian 1 dan 2 ).

Tentu saja, ada korelasi antara muatan serat dan efisiensi penyaringan. Serat filter yang terlalu banyak dibebankan hanya akan mengusir partikel dengan muatan dari tanda yang sama, dan efisiensi akan turun, tetapi filter yang sepenuhnya netral tidak akan cukup efektif, sehingga rata-rata emas harus dihormati.

Pembaca yang penuh perhatian akan melihat bahwa ada filter elektrostatik sepenuhnya yang pertama-tama mengisi partikel debu, dan kemudian secara efektif menghilangkan hampir semua partikel dengan diameter hingga 10 nm! Namun, ini adalah kisah yang sama sekali berbeda, layak untuk artikel terpisah.

Pindah dari teori ke praktik: apakah layak untuk mencuci saringan itu ?!
Upaya untuk mengembalikan filter ke keadaan semula akan gagal, tetapi bagian dari polusi dengan mencuci dan merobohkan dapat dihilangkan, terutama partikel besar atau kelompok partikel. Selain itu, filter "yang dipulihkan" akan melayani jauh lebih sedikit daripada yang baru.

Saya juga menyarankan Anda untuk membaca publikasi bagus lainnya pada filter .

Bagian itu eksperimental. Filter kotor


Jadi, filter berikut disediakan untuk ulasan: F7 dengan kehidupan 0 dan 3 hari, 2 minggu dan 6 bulan, yang membersihkan udara taiga segar Novosibirsk, serta H11 (HEPA) dari ibukota utara.


Mari kita mulai dengan filter utama F7. Kontaminasi saringan yang signifikan mulai muncul setelah dua minggu beroperasi di kota besar. Jadi, kotoran, debu, dan kabut asap megalopolis bukanlah ungkapan kosong!


Sekarang lihat filter dengan mikroskop elektron favorit saya. Barang sehari-hari lainnya yang diperiksa dengan todongan senjata ditampilkan dalam artikel The World Around Us .

Seperti yang sudah disebutkan di atas, filter terdiri dari dua bagian - serat dasar yang tebal dengan diameter 50-100 mikron dan serat filter tipis. Seratnya sendiri bersih dan halus.


Bahkan setelah tiga hari penggunaan, sudah dimungkinkan untuk melihat partikel besar debu yang terperangkap pada serat (ditandai dengan panah merah). Meskipun serat dasar tetap relatif bersih dan, seperti disebutkan di atas, tidak ikut serta dalam penyaringan.


Setelah dua minggu, jumlah total polusi meningkat secara signifikan. Serat individu ditutupi dengan submikron yang nyaris tidak terlihat dan bahkan partikel berskala nano (menurut klasifikasi IUPAC <100 nm, panah biru), "membran" lumpur mulai terbentuk di beberapa tempat (ditandai oleh lingkaran ungu).


Mikrograf di bawah menunjukkan ini dalam semua detail hitam dan putih:


Setelah enam bulan penggunaan, sebagian besar ruang di antara serat diisi dengan debu, kotoran dan berbagai partikel. Film dari kotoran dan debu menutupi bahkan serat dasar yang tebal, belum lagi serat tipis.


Di bawah ini disajikan, menurut pendapat saya, mikrograf yang sangat mengungkapkan menunjukkan hampir semua mekanisme pengendapan partikel. Inersia atau keterlibatan menyebabkan partikel besar (panah merah), partikel-partikel kecil menetap karena difusi (panah biru). Sebagai hasil dari pertumbuhan berlebih serat filter secara bertahap dengan partikel-partikel semacam itu, sebuah film terbentuk di permukaan (ditandai dengan warna ungu).


Pada prinsipnya, filter dapat dikocok, dicuci, tetapi tidak mungkin untuk kembali ke keadaan yang sama sekali baru. Perlu juga dipertimbangkan bahwa muatan yang dihabiskan pada permukaan serat dikompensasi dengan menempelkan partikel debu, dan oleh karena itu, filter yang dicuci masih akan menyaring dan, yang lebih penting, menjaga debu lebih buruk daripada yang baru.

Selanjutnya, kami mempertimbangkan secara singkat filter HEPA dan contoh operasinya dalam kondisi nyata selama dua minggu.


Filter H11 yang bersih tidak jauh berbeda dari F7 yang dibahas sebelumnya kecuali untuk pengemasan serat filter yang lebih padat. Yaitu, HEPA hanyalah filter yang lebih padat dengan diameter pori yang lebih kecil di antara serat.


Setelah dua minggu menggunakan HEPA, ini mungkin tampak seperti filter baru, tetapi ini tidak sepenuhnya benar. Tentu saja, sebagian besar debu dan kotoran tetap pada filter kasar F7, sehingga partikel besar tidak mungkin ditemukan dalam jumlah besar.


Namun, jika kita membawanya sepuluh kali lebih dekat, kita dapat dengan mudah menemukan bahwa filter HEPA bekerja dengan menjebak partikel yang sangat kecil pada permukaan serat (panah biru). Seperti halnya filter F7, HEPA akhirnya “tumbuh terlalu tinggi” dengan lapisan tanah (ditandai dengan warna ungu).



Alih-alih sebuah kesimpulan


Sangat menarik untuk melacak evolusi polusi filter bukan dengan model partikel di bangku tes, tetapi dalam kondisi operasi sebenarnya dari kota besar (dan bahkan dua kota!). Faktanya, ternyata serat yang menyaring ditumbuhi dengan lapisan tanah dan debu yang monolitik, membentuk "membran" di antara serat. Di satu sisi, ini bagus, karena meningkatkan penampang penangkapan partikel baru yang semakin banyak, di sisi lain, bahan filter itu sendiri menjadi kurang permeabel terhadap udara, dan akibatnya, beban pada pompa meningkat.

Menjawab pertanyaan: untuk mengganti filter atau tidak untuk mengganti dan mencuci? - Saya bisa menjawab dengan cara ini: coba, tetapi yang dicuci dan / atau dihilangkan akan menyumbat lebih cepat dari yang baru, lagi-lagi memuat pompa.

Teks dan mikrophotograf disiapkan khusus untuk Tion © Tiberius.

PS: Silakan laporkan kesalahan dan komentar pada teks melalui LAN.

Source: https://habr.com/ru/post/id397457/

More articles:


All Articles