Geekly articles weekly

A história de como os filtros ficam sujos


Sejam longos, curtos, mas filtros para o respirador Tion com diferentes graus de poluição (ou tempo de uso) finalmente chegaram às minhas mãozinhas brincalhonas. Isso significa que é hora de derramar uma caneca de chá e mergulhar em um maravilhoso microcosmo de filtragem de poeira e ar sujo.

Para detalhes íntimos da vida útil dos filtros em condições reais, seja bem-vindo ao gato. Cuidado, haverá muitas fotos do microscópio eletrônico.

Em um artigo anterior no blog corporativo da Tion, foram descritos os princípios e mecanismos básicos da filtragem de partículas em um filtro como o HEPA (classe de filtro H11). Os filtros, mesmo sem 100% de eficiência, são capazes de capturar com eficiência partículas de sujeira e poeira. Normalmente, esses estudos são realizados em sistemas modelo, padrão, ou seja, uma certa mistura de partículas é tomada e perseguida em torno do filtro-bomba-filtro até que um volume predeterminado de ar seja bombeado; em seguida, por exemplo, a massa da substância depositada no filtro é medida.

Abaixo, mostrarei como os filtros reais se sujam ao longo do tempo usando os exemplos fornecidos por Tion como amostras, embora, é claro, os resultados possam ser extrapolados para qualquer filtro de fibra moderno. Mas começaremos, talvez, com uma pequena digressão.

Filtros e sua tecnologia de fabricação


Primeiramente , gostaria de responder à pergunta do artigo anterior solicitado pelo usuário do vesper sobre quais materiais são usados:
Em que tipo de fibras o filtro HEPA consiste? Não dos de algodão?

O filtro em si consiste em duas partes, para maior clareza e brevidade, nós as chamaremos de "base", que confere rigidez ao filtro e praticamente não participa do ato de filtragem, e "fibras filtrantes" flexíveis com uma superfície desenvolvida (em outras palavras, uma grande área superficial). A diferença nos diâmetros dessas fibras excede a ordem e varia de 1 a 10-20 mícrons ou mícrons (para comparação, o diâmetro de um cabelo humano padrão é de cerca de 80 mícrons)!

O material do qual ambas as partes são feitas é principalmente, é claro, polímero ou fibra de vidro, e não algodão. O processo de obtenção de fibras resultou no "automatismo" e o mais industrializado possível. Então, usando eletrofiação o polímero ou vidro líquido que passou através da matriz (um tubo muito fino que define o diâmetro da fibra, geralmente existem muitos desses tubos - milhares ou mesmo dezenas de milhares) é "pulverizado" no substrato, formando uma grade.


Uma eletrofiação tão brilhante e colorida. Fonte


Representação esquemática do processo de eletrofiação e formação de um cone de Taylor . Fonte


A base (esquerda) e as fibras de filtro (direita) obtidas por eletrofiação.

Em seguida, o polímero é curado pela luz, termicamente ou de alguma forma. Viva, o filtro está pronto! Resta apenas cortar e embalar.

Obviamente, a composição exata, a perfuração de parâmetros através de matrizes e outros conhecimentos tecnológicos são um segredo comercial. Embora, de certa forma, esse processo seja semelhante à criação de tapetes com isolamento térmico - tive a chance de visitar a fábrica da Saint-Gobain, perto de Yegoryevsk, de alguma forma .

Nanofibras e forças eletrostáticas


Em segundo lugar , gostaria de fazer alguns esclarecimentos e acréscimos ao material do trabalho anterior.

Por que não fazer nanofibras (aumentar ainda mais a área)?

Se resolvermos o problema de obstruir uma corrente de ar laminar no quadro da hidrodinâmica clássica, chegaremos inevitavelmente à condição de contorno: na superfície das fibras, a velocidade do fluxo deve ser zero, o que cria excelentes condições para a deposição de partículas. No entanto, quando as dimensões do obstáculo são muito pequenas, o chamado efeito de derrapagem se manifesta.

Em um trabalho interessante , a hidrodinâmica do fluxo de gás em torno de uma fibra redonda é discutida em detalhes. Uma mudança no perfil de velocidade ou regime de vazão é descrita em termos do número de Knudsen. Portanto, para o ar em condições normais, a derrapagem do fluxo deve ser levada em consideração para fibras mais finas que ~ 0,5 mícrons, e é por isso que a maior parte das fibras do filtro HEPA é fabricada com diâmetros de 1 a 100 mícrons. Pois é exatamente essa variedade de tamanhos que favorece o engate e a deposição de partículas relativamente grandes na superfície. No entanto, a eficiência desse mecanismo de deposição diminui significativamente para partículas menores que 0,3 μm, o que cria certas dificuldades.


Perfis de velocidade do fluxo de ar próximos à fibra do filtro (a) sem e (b) com desvio de fluxo incidente O desvio de fluxo

é intensivamente usado para criar filtros com fibras em nanoescala, e o próprio mecanismo de filtragem muda. Em vez de emaranhamento, as partículas são depositadas principalmente nos pontos de entrelaçamento das fibras, das quais estão tentando fazer muito, muito.

A Tion está desenvolvendo seus próprios desenvolvimentos nessa área, possibilitando a obtenção de uma malha muito fina de nanofibras para criar: "uma tela composta de filtragem feita a partir de uma mistura de polipropileno e tereftalato de polietileno com a adição de fibra de vidro ". Esse "animal" é capaz de reter as menores gotas de alcatrão na fumaça do tabaco.

Se a eletrofiação for usada para produção de fibras, as fibras são carregadas no processo? Vale a pena lavar o filtro?

A seguir, trazemos alguma clareza à distribuição de forças que surgem durante a interação de partículas de poeira e fibras de filtro. Como as fibras são formadas pela passagem rápida do polímero ou do vidro derretido através das matrizes (geralmente também sob a influência de um campo elétrico adicional), como resultado, as fibras carregam alguma carga em excesso. Além disso, um excesso de carga pode ser criado adicionalmente processando o material no plasma. Por exemplo, vidro e quartzo são frequentemente usados ​​como eletretos naturais e baratos , ou seja, um material com uma carga constante significativa.

As partículas de poeira que passam pelas fibras carregadas podem efetivamente ser "arrancadas" do fluxo devido à ação de forças eletrostáticas (ou repelidas se a fibra e as partículas forem carregadas igualmente). Curiosamente, mas a grande maioria das micro e nanopartículas são carregadas, e especialmente partículas de poeira. Uma carga surge facilmente na superfície das partículas devido ao atrito contra o ar, objetos e a correspondente redistribuição e separação de cargas. Obviamente, não sentimos isso na vida cotidiana, porque algumas cargas de um elétron (1,6 10 -19 coulomb) não são nada para nós, mas para um mundo nano é uma quantidade enorme. Por exemplo, essa é a base para toda a indústria de eletricidade renovável - triboeletricidade, sobre a qual escrevi anteriormente (partes 1 e 2 ).

Obviamente, existe uma correlação entre a carga da fibra e a eficiência da filtração. Uma fibra de filtro com carga excessiva simplesmente repelirá partículas com uma carga do mesmo sinal e a eficiência cairá, mas filtros completamente neutros não serão eficazes o suficiente, portanto a média de ouro deve ser respeitada.

Um leitor atento perceberá que existem filtros totalmente eletrostáticos que primeiro carregam adicionalmente partículas de poeira e depois removem efetivamente quase todas as partículas com um diâmetro de até 10 nm! No entanto, essa é uma história completamente diferente, digna de um artigo separado.

Passando da teoria para a prática: vale a pena lavar os filtros então ?!
As tentativas de retornar o filtro ao seu estado original estão fadadas ao fracasso, mas parte da poluição por lavagem e eliminação pode ser removida, especialmente partículas grandes ou grupos de partículas. Além disso, esse filtro "restaurado" servirá muito menos que um novo.

Também aconselho a ler outra excelente publicação sobre filtros .

Parte é experimental. Os filtros estão sujos


Portanto, os seguintes filtros foram fornecidos para a revisão: F7 com vida útil de 0 e 3 dias, 2 semanas e 6 meses, que limpava o ar fresco da taiga de Novosibirsk, bem como o H11 (HEPA) da capital do norte.


Vamos começar com os filtros primários F7. A contaminação significativa do filtro começa a aparecer após duas semanas de operação em uma cidade grande. Portanto, a sujeira, poeira e poluição atmosférica de uma megalópole não é uma frase vazia!


Agora dê uma olhada nos filtros com meu microscópio eletrônico favorito. Outros itens do cotidiano examinados à mão armada são apresentados nos artigos The World Around Us .

Como já observado acima, o filtro consiste em duas partes - fibras de base espessas com um diâmetro de 50-100 mícrons e fibras de filtro finas. As fibras são limpas e lisas.


Mesmo após três dias de uso, já é possível notar grandes partículas individuais de poeira presas nas fibras (marcadas com setas vermelhas). Embora as fibras de base permaneçam relativamente limpas e, como observado acima, não participem da filtração.


Após duas semanas, a quantidade total de poluição aumenta significativamente. As fibras individuais são cobertas com partículas submicrônicas e até nanoescala quase imperceptíveis (de acordo com a classificação IUPAC <100 nm, setas azuis); as "membranas" de lama começam a se formar em alguns lugares (marcadas por um círculo roxo).


A micrografia abaixo mostra isso em todos os detalhes em preto e branco:


Após seis meses de uso, uma parte significativa do espaço entre as fibras é preenchida com poeira, sujeira e várias partículas. Filmes de sujeira e poeira cobrem até fibras de base espessas, sem mencionar fibras finas.


A seguir, é apresentada, na minha opinião, uma micrografia muito reveladora, mostrando quase todos os mecanismos de deposição de partículas. Inércia ou engate causou uma partícula grande (seta vermelha), pequenas partículas assentadas devido à difusão (seta azul). Como resultado do crescimento gradual gradual da fibra filtrante com essas partículas, um filme se forma na superfície (marcado em roxo).


Em princípio, o filtro pode ser sacudido e lavado, mas é improvável que seja possível retornar a um estado completamente novo. Também vale a pena considerar que a carga gasta na superfície das fibras e compensada pelas partículas de poeira aderentes e, portanto, o filtro lavado ainda filtrará e, mais importante, manterá a poeira pior que a nova.

A seguir, consideramos brevemente o filtro HEPA e um exemplo de operação em condições reais por duas semanas.


Um filtro H11 limpo não é muito diferente do F7 discutido anteriormente, exceto por um empacotamento mais denso da fibra do filtro. Ou seja, HEPA é simplesmente um filtro mais denso com um diâmetro de poro menor entre as fibras.


Após duas semanas de uso do HEPA, pode parecer um filtro totalmente novo, mas isso não é totalmente verdade. Obviamente, a maior parte da poeira e sujeira permaneceu no filtro grosso F7, portanto é improvável que grandes partículas sejam encontradas em grandes quantidades.


No entanto, se o aproximarmos dez vezes, podemos facilmente descobrir que o filtro HEPA funciona prendendo partículas muito pequenas na superfície das fibras (setas azuis). Assim como o filtro F7, o HEPA eventualmente "cresce demais" com uma camada de sujeira (marcada em roxo).



Em vez de uma conclusão


Foi interessante rastrear a evolução da poluição dos filtros não por partículas modelo em um banco de ensaio, mas nas condições operacionais reais de uma cidade grande (e até duas cidades!). De fato, verifica-se que as fibras filtrantes crescem com uma camada monolítica de sujeira e poeira ao longo do tempo, formando “membranas” entre as fibras. Por um lado, isso é bom, pois aumenta a seção transversal de captura de mais e mais novas partículas; por outro lado, o próprio material do filtro se torna menos permeável ao ar e, consequentemente, a carga na bomba aumenta.

Respondendo à pergunta: trocar o filtro ou não trocar e lavar? - Posso responder da seguinte maneira: tente, mas o lavado e / ou nocauteado entupirá ainda mais rápido que o novo, carregando novamente a bomba.

Texto e microfotografias preparadas especificamente para Tion © Tiberius.

PS: Por favor, reporte erros e comentários sobre o texto através da LAN.

Source: https://habr.com/ru/post/pt397457/

More articles:


All Articles