СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА ОТ АЭРОЗОЛЕЙ В ЗАКРЫТЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ
METHOD OF AIR CLEANING FROM AEROSOLS IN ENCLOSED SPACES

Изобретение относится к способам очистки воздуха. Оно предназначено для использования в различных отраслях промышленности, в медицине, авиации, для кондиционирования воздушной среды жилых и промышленных зданий, замкнутых объектов. Предлагаемый способ может быть использован, например, для очистки воздуха в жилых помещениях.
Основные направления совершенствования средств очистки воздуха в помещениях связаны с исключением использования расходуемых материалов в процессе очистки воздуха; снижением энергопотребления в процессе очистки воздуха в помещении и повышением качества очистки воздуха.
Крупная пыль (размер частиц более 4 мкм) задерживается известными средствами очистки (тканевыми мешками, циклонами, контейнерами и т.д.). Указанные средства обеспечивают очистку воздуха до уровня 90-95%. Крупная пыль оседает при этом в специально предназначенном контейнере (пылесборнике) с последующим сбросом ее в мусоросборник после окончания сеанса очистки. Фильтры более тонкой очистки, установленные на выходе воздушного потока, предназначены для задержки мелкодисперсной пыли с размерами частиц менее 4 мкм, аллергенов и микроорганизмов, в том числе вирусов. Необходимо отметить, что именно эта часть пыли наиболее вредна для человека. Для людей, страдающих аллергией или астмой, очистка воздуха необходима не ниже класса НЕРА Н 12 (задержка пыли не менее 99,5%). Но такие фильтры работают в накопительном режиме.
Известны средства очистки воздуха, основанные на барботаже потока воздуха через слой воды (аквафильтры). Например, патент RU 2321329, A47L 9/10, 2008, патент RU 2249425, A47L 9/10, 2005, патент RU 2286710, A47L 7/00, 2006. Однако эффективность очистки воздуха аквафильтрами в значительной степени определяется химической и физической природой улавливаемых частиц, а именно их способностью к смачиванию. В большинстве случаев высокодисперсная пыль плохо смачивается за время контакта потока с водой. В результате очень часто наблюдается проскок этой пыли в очищаемую атмосферу.
Известны способы тонкой очистки воздуха на заключительной стадии очистки с помощью электростатических микрофильтров и фильтр-материалов класса НЕРА (High Efficiency Particutate Air - высокоэффективная задержка частиц), а также фильтров S-класса. Фильтром S-класса может называться любой фильтр, обеспечивающий эффективность фильтрации 99.97% и более (задержка частиц размером более 0.3 мкм). Эти фильтры отличаются друг от друга эффективностью задержки частиц и сроком службы.
Электростатические микрофильтры изготавливаются из наэлектризованной микроволокнистой целлюлозы или пропилена (патент RU 2334449, A47L 9/10, 2008). Они бывают одноразовыми или многоразовыми и отличаются друг от друга эффективностью работы, сроком службы, наличием или отсутствием каркаса и уплотнителей. Электростатические микрофильтры рекомендуется заменять через каждые 5 бумажных пылесборников. Эффективность очистки воздуха с помощью таких фильтров составляет от 80 до 99.9% (задержка частиц с размером более 0.3 мкм). Но они, как правило, сложны и требуют последующей дополнительной доочистки.
Известны способы тонкой очистки воздуха на конечной стадии очистки с помощью волоконных объемных фильтров 3-класса и НЕРА-фильтров, которые обеспечивают высокую эффективность задержки мельчайших частиц и аллергенов (см. патент RU 22571129, A47L 9/12, 2002; патент RU 2257831, A47L 9/10, 2003; патент RU 2200615, B01D 39/16, 2001).
В качестве прототипа предлагаемого изобретения выбран способ, предложенный в патенте RU 22571129, A47L 9/12, 2002 г. Первоначально запыленный воздух пропускают через циклон и очищают его от грубой пыли. Затем воздух пропускают через фильтр тонкой очистки (НЕРА-фильтр). Теоретический срок службы таких фильтров около 50 часов работы, если фильтр может промываться водой. Кроме того, НЕРА-фильтры достаточно компактны.
НЕРА-фильтры могут быть моющимися и просто сменными. При загрязнении моющегося фильтра его можно промыть, просушить и поставить обратно. Но, важно отметить, они всегда работают в режиме накопления. Недостатком такого НЕРА-фильтра является невозможность его полной регенерации (полного восстановления) и постепенное необратимое накопление пыли в объеме фильтра. Любые НЕРА-фильтры постепенно необратимо засоряются, и их необходимо периодически сменять (расходуемый материал).
Засоренные НЕРА-фильтры создают высокое сопротивление воздушному потоку и, следовательно, повышают энергопотребление. Необходимо еще отметить, что сменные НЕРА-фильтры отличаются высокой стоимостью.
Есть еще один важный недостаток таких фильтров, о котором обычно умалчивают. Это возможность накопления токсичных веществ (в том числе радиоактивных) или образования среды для разведения микроорганизмов (бактерий, вирусов) в объеме НЕРА-фильтра. При хранении возможно перераспределение указанных веществ в объеме фильтра с последующим частичным выбросом их обратно в очищаемую среду.
Это основные недостатки фильтрующих средств, включающих НЕРА-фильтры.
Задачами изобретения является:
- устранение необходимости использования расходуемых материалов в процессе очистки воздуха;
- исключение возможности накопления токсичных веществ и микроорганизмов в объеме фильтра;
- снижение сопротивления (энергопотребления) в процессе очистки воздуха в помещении.
Перечисленные задачи разрешаются способом очистки воздуха от аэрозолей в закрытых помещениях, заключающимся в том, что воздух помещения предварительно очищают от крупной пыли с размером частиц более 4 мкм известными способами, и отличающийся тем, что затем воздух пропускают через фторопластовую мембрану с линейной скоростью не более 4 см/сек, в течение единовременного сеанса работы продолжительностью не более 1,5 часа, и по окончании сеанса работы производят переключение потока фильтруемого воздуха на кратковременный сброс накопленной за сеанс мелкой пыли с размером частиц менее 4 мкм и накопленную за сеанс мелкую пыль сбрасывают в течение 3-10 сек в атмосферу внешней среды.
Первой особенностью способа (первый отличительный признак) является то, что после прохождения воздуха через циклоны и отделения крупной пыли он поступает на мембранный фторопластовый фильтр, выбранный в качестве НЕРА-фильтра. Отличительной особенностью фторопластового фильтра как материала являются его отличные антиадгезионные свойства, малый коэффициент трения его поверхности с другими материалами, высокая химическая инертность и высокая гидрофобность. Использование фторопласта в качестве фильтрующего материала, таким образом, фактически исключает возможность налипания пыли к поверхности материала.
Второй особенностью способа (второй отличительный признак) является то, что линейная скорость потока воздуха через фильтрующий материал составляет не более 4 см/с. В предлагаемом способе скорость потока воздуха через фильтр в 10-20 раз меньше, чем через обычный НЕРА-фильтр. Это также снижает возможность налипания пыли на поверхность фильтра. Кроме того, пыль остается на поверхности фильтра, не проникая при этом в его объем, как это происходит со сменными НЕРА-фильтрами. Аэрозольные частицы (до 0,01 мкм) задерживаются на поверхности такого фильтра не только и не столько за счет малого размера отверстий в фильтре, сколько за счет электростатического потенциала, появляющегося вследствие трения воздуха при прохождении через мембрану. При этом фильтрующая поверхность фторопластового фильтра должна быть значительно больше (примерно на порядок) по сравнению с общей поверхностью НЕРА-фильтра.
Таким образом, в отличие от обычного НЕРА-фильтра на фторопластовом материале происходит не поглощение пыли, а скорее ее отторжение. Перечисленные особенности предлагаемого способа очистки (выбор фторопласта и выбор малой линейной скорости потока) обеспечивают предельную обратимость процесса фильтрация - регенерация на конечной стадии.
Третьей особенностью способа (третий отличительный признак) является то, что сконцентрированная за сеанс работы фильтра высокодисперсная пыль (примерно 1% всей массы пыли) воздуха выводится в атмосферу внешней среды. По окончании сеанса (примерно в течение 1 час) работы производится переключение потока фильтруемого воздуха на кратковременный (5-10 сек) сброс накопленной за сеанс мелкой пыли с размером частиц менее 4 мкм в атмосферу внешней среды (за пределы очищаемого помещения). Поток воздуха при этом может быть обратным или направлен параллельно поверхности фильтрующего материала. При этом электростатическое напряжение на поверхности фильтра (трение воздуха с материалом фильтра фактически прекращается) падает в течение 3-8 сек. Накопленная за сеанс мелкая пыль сбрасывается в атмосферу внешней среды в течение 3-10 сек, а крупная пыль остается в мусорном контейнере (99% всей массы пыли).
Таким образом, на заключительной стадии очистки на фильтр попадает крайне малая часть пыли (не более 1%). Фактически - это невидимая невооруженным глазом часть пыли, хотя и наиболее опасная для здоровья. Как правило, концентрация сбрасываемой пыли не превышает фоновой концентрации внешней среды. И, наконец, микроорганизмы сбрасываемой пыли, порожденные специфической средой замкнутого помещения, при сбросе в чужеродную внешнюю среду погибают.
Накопление высокодисперсной пыли незначительной по массе и объему, по крайней мере, в течение 1-1,5 часов не приводит к существенному повышению сопротивления фторопластового фильтра (примерно 1-2 кПа).
Отличительными признаками способа является то, что в качестве НЕРА-материала выбрана фторопластовая мембрана, через которую пропускается мелкая пыль со скоростью 1-4 см/с и сконцентрированная высокодисперсная пыль воздуха выводится в атмосферу внешней среды.
В совокупности перечисленных выше отличительных признаков выражается сущность изобретения. Исключение любого из указанных признаков не позволяет разрешить поставленные выше задачи, то есть достичь требуемого технического результата.
Таким образом, очищенный фильтр не накапливает никакой пыли, не повышает сопротивления потоку воздуха и становится полностью готовым к следующему сеансу работы. Расходуемые материалы исключаются из обращения полностью.
Сброс 1% высокодисперсной пыли наиболее целесообразен непосредственно в атмосферу внешней среды сдувом, но, если это невозможно, сконцентрированную пыль можно посадить на разовый, дешевый фильтр-материал с последующим смывом пыли. Операция непосредственного сброса пыли занимает примерно 5-10 сек. Это связано с отсутствием какого-либо налипания пыли к фильтрующему материалу, возможности простой регенерации фильтра. Время работы фильтра в стадии фильтрации несопоставимо больше времени его регенерации.
Предложенный способ в общем виде осуществляют следующим образом. Первоначально запыленный воздух пропускают через средства отделения грубой пыли (с размером частиц более 4 мкм), например, через батарею циклонов малого диаметра. Грубую пыль переводят в пылесборник, если очистка идет внутри помещения, или сбрасывают обратно во внешнюю среду, если воздух забирается из внешней атмосферы в помещение (например, при очистке внешнего воздуха, загрязненного отравляющими или радиоактивными веществами). Затем очищенный от крупной пыли воздух пропускается через фторопластовую мембрану с линейной скоростью 1-4 см/сек, в течение сеанса работы продолжительностью не более 1,5 часа, и по окончании сеанса работы переключают поток фильтруемого воздуха на кратковременный сброс накопленной за сеанс мелкой пыли (с размером частиц менее 4 мкм), и накопленная за сеанс мелкая пыль сбрасывается в течение 5-10 сек в атмосферу внешней среды.
3
Предложенный выше способ очистки воздуха опробован на макетных образцах фильтрующих систем. После прохождения воздуха через батарею (пять) циклонов малого диаметра (25 мм) воздух поступал на мембранный фторопластовый фильтрующий элемент. Через гидрофобную фторопластовую (Ф42Л) мембрану марки МФФК-3 (ТУ-6-55-221-1413-01) в один слой пропускался поток воздуха со скоростью 4 см/с. Размер пор мембраны 0,65 мкм. Задерживающая способность по аэрозольным частицам размером 0,3 мкм при скорости 1 см/с не менее 99,00%. Указанная эффективность задержки частиц соответствует примерно классу ПЕРА НИ. В опытах использовались фторопластовые мембраны марки МФФК изготовления ООО НПП «Владипор». В качестве модельной пыли использовалась белая сажа БС-120 (ГОСТ 18307-78). Средний размер частиц белой сажи марки БС-120 составляет 19-27 нм. Воздух «барботировался» через слой просушенной белой сажи. Концентрация подаваемой пыли - 10 г/м.
Для сравнения в качестве материала типа НЕРА использовалась бумага фильтровальная гидрофобная типа БФБ-Г (ТУ 13-00281097-34-95). Продолжительность рабочего цикла составляла 45 мин. Регенерация фильтрующей поверхности производилась обратной продувкой в течение 10 сек после каждого цикла. Результаты опытов представлены в таблице.
Таблица
Сравнительные характеристики устройств очистки воздуха, выполненных по известному и предлагаемому способам
Характеристика устройства и способа
Устройство, выполненное по известному способу
Устройство, выполненное по предлагаемому способу
- Первая ступень очистки
Батарея циклонов малого диаметра
Батарея циклонов малого диаметра
- Вторая ступень очистки
Фильтрующий материал типа ПЕРА
Фторопластовая (Ф42Л) мембрана
- Коэффициент проницаемости, %, не более
1.10<sup>-4</sup>
1.10<sup>-4</sup>
- Производительность устройства по воздуху, м<sup>3</sup>/час
40
40
- Скорость фильтрации, см/с
72
4
- Рабочая площадь фильтрации, см<sup>2</sup>
154
2500
- Сопротивление в конце рабочего цикла 1, КПа
6
6
- Сопротивление в конце рабочего цикла 50, КПа
8
6
- Способ восстановления работоспособности фильтра (удаления пыли)
Периодическое промывание фильтрующего материала (фильтр не регенерируется полностью)
Сброс пыли во внешнюю среду после каждого цикла (фильтр регенерируется полностью)
- Возможность накопления пыли в фильтрующем материале
Сохраняется
Отсутствует
- Необходимость смены фильтра второй ступени (наличие расходного материала)
Сохраняется
Отсутствует
Как видно из сравнительных данных таблицы, устраняется необходимость использования расходуемых материалов в процессе очистки воздуха, снижается сопротивление (энергопотребление) в процессе очистки воздуха в помещении и, наконец, исключается возможность накопления токсичных веществ и микроорганизмов в объеме НЕРА-фильтра. Последнее обстоятельство придает данному способу новое важное качество.
Компактность средств очистки воздуха, работающих по данному способу, фактически не снижается, так как габариты фильтрующих систем в целом определяются средствами грубой очистки (набором циклонов). Чтобы обеспечить компактность, фильтр выполнен гофрированным (рифленым).