دراسة تجريبية حول أداء فلتر الهواء HEPA

لقد وضع تطور الصناعة الحديثة متطلبات متزايدة على بيئة التجريب والبحث والإنتاج. والطريقة الرئيسية لتحقيق هذا المطلب هي الاستخدام الواسع النطاق لمرشحات الهواء في أنظمة تكييف الهواء النظيف. من بينها، تعد مرشحات HEPA و ULPA هي الحماية الأخيرة لجزيئات الغبار التي تدخل الغرفة النظيفة. يرتبط أداؤها ارتباطًا مباشرًا بمستوى الغرفة النظيفة، مما يؤثر بدوره على جودة العملية والمنتج. لذلك، من المفيد إجراء بحث تجريبي على المرشح. تمت مقارنة أداء المقاومة وأداء الترشيح للمرشحين عند سرعات رياح مختلفة عن طريق قياس كفاءة الترشيح لمرشح الألياف الزجاجية ومرشح PTFE لجسيمات PAO 0.3 ميكرومتر و 0.5 ميكرومتر و 1.0 ميكرومتر. تُظهر النتائج أن سرعة الرياح عامل مهم جدًا يؤثر على كفاءة ترشيح مرشحات هواء HEPA. كلما زادت سرعة الرياح، انخفضت كفاءة الترشيح، ويكون التأثير أكثر وضوحًا بالنسبة لمرشحات PTFE.

الكلمات الرئيسية:فلتر هواء HEPA؛ أداء المقاومة؛ أداء الترشيح؛ ورق فلتر PTFE؛ ورق فلتر الألياف الزجاجية؛ فلتر الألياف الزجاجية.
رقم CLC:X964 رمز تعريف المستند: A
مع التطور المستمر للعلوم والتكنولوجيا، أصبح إنتاج وتحديث المنتجات الصناعية الحديثة أكثر وأكثر تطلبًا لنقاء الهواء الداخلي. على وجه الخصوص، تتطلب الصناعات الدقيقة الإلكترونية والطبية والكيميائية والبيولوجية وتجهيز الأغذية وغيرها من الصناعات التصغير. الدقة والنقاء العالي والجودة العالية والموثوقية العالية للبيئة الداخلية، مما يضع متطلبات أعلى وأعلى على أداء مرشح هواء HEPA، لذلك أصبحت كيفية تصنيع مرشح HEPA لتلبية طلب المستهلك حاجة ملحة للمصنعين. إحدى المشكلات التي تم حلها [1-2]. من المعروف أن أداء المقاومة وكفاءة الترشيح للمرشح هما مؤشران مهمان لتقييم المرشح. تحاول هذه الورقة تحليل أداء الترشيح وأداء المقاومة لمرشح هواء HEPA لمواد ترشيح مختلفة من خلال التجارب [3]، والهياكل المختلفة لنفس مادة المرشح. يوفر أداء الترشيح وخصائص المقاومة للمرشح أساسًا نظريًا لمصنع المرشح.

1 تحليل طريقة الاختبار
هناك العديد من الطرق للكشف عن مرشحات الهواء HEPA، ولدى الدول المختلفة معايير مختلفة. في عام 1956، طورت اللجنة العسكرية الأمريكية USMIL-STD282، وهو معيار اختبار مرشح الهواء HEPA، وطريقة DOP لاختبار الكفاءة. في عام 1965، تم وضع المعيار البريطاني BS3928، وتم استخدام طريقة لهب الصوديوم للكشف عن الكفاءة. في عام 1973، طورت جمعية التهوية الأوروبية معيار Eurovent 4/4، والذي اتبع طريقة الكشف عن لهب الصوديوم. في وقت لاحق، جمعت الجمعية الأمريكية لاختبار البيئة وعلوم كفاءة المرشح سلسلة من المعايير المماثلة لطرق الاختبار الموصى بها، وكلها تستخدم طريقة عد الفرجار DOP. في عام 1999، وضعت أوروبا معيار BSEN1822، والذي يستخدم حجم الجسيمات الأكثر شفافية (MPPS) للكشف عن كفاءة الترشيح [4]. يتبنى معيار الكشف في الصين طريقة لهب الصوديوم. تم تطوير نظام الكشف عن أداء مرشح الهواء HEPA المستخدم في هذه التجربة بناءً على المعيار الأمريكي 52.2. تعتمد طريقة الكشف على استخدام طريقة عد الفرجار، ويستخدم الهباء الجوي جزيئات PAO.
1. 1 أداة رئيسية
تستخدم هذه التجربة عدّادين للجسيمات، يتميزان بالبساطة والعملية والسرعة وسهولة الاستخدام مقارنةً بأجهزة اختبار تركيز الجسيمات الأخرى [5]. بفضل مزايا عدّاد الجسيمات المذكورة أعلاه، أصبح هذا العدّاد بديلاً تدريجياً للطرق الأخرى، وأصبح الطريقة الرئيسية لاختبار تركيز الجسيمات. يُمكّن هذا العدّاد من عدّ عدد الجسيمات وتوزيع حجمها (أي عدّ العدد)، وهو الجهاز الأساسي لهذه التجربة. يبلغ معدل تدفق العينة 28.6 لتر/دقيقة، وتتميز مضخة التفريغ الخالية من الكربون بانخفاض مستوى الضوضاء وثبات الأداء. عند تركيب هذا الخيار، يُمكن قياس درجة الحرارة والرطوبة، بالإضافة إلى سرعة الرياح، واختبار المُرشّح.
يستخدم نظام الكشف الهباء الجوي، حيث يتم ترشيح جزيئات أكسيد البيروكسيد (PAO) كغبار. نستخدم مولدات الهباء الجوي (أجيال الهباء الجوي) من طراز TDA-5B المُصنّع في الولايات المتحدة. يتراوح نطاق حدوثه بين 500 و65000 قدم مكعب في الدقيقة (1 قدم مكعب في الدقيقة = 28.6 لتر في الدقيقة)، وتركيزه 100 ميكروغرام/لتر، أي 6500 قدم مكعب في الدقيقة؛ و10 ميكروغرام/لتر، أي 65000 قدم مكعب في الدقيقة.
1. 2 غرفة نظيفة
من أجل تحسين دقة التجربة، تم تصميم وتزيين مختبر 10000 مستوى وفقًا للمعيار الفيدرالي الأمريكي 209C. يتم استخدام أرضية الطلاء، والتي تتميز بمزايا التيرازو ومقاومة التآكل والختم الجيد والمرونة والبناء المعقد. المادة هي ورنيش الإيبوكسي والجدار مصنوع من انحياز غرفة نظيفة مجمعة. تم تجهيز الغرفة بـ 220 فولت، 2 × 40 واط تنقية 6 مصابيح ومرتبة وفقًا لمتطلبات الإضاءة والمعدات الميدانية. تحتوي الغرفة النظيفة على 4 منافذ هواء علوية و 4 منافذ عودة للهواء. تم تصميم غرفة دش الهواء للتحكم باللمس العادي الفردي. وقت دش الهواء هو 0-100 ثانية، وسرعة الرياح لأي فوهة حجم هواء متداول قابلة للتعديل أكبر من أو تساوي 20 مللي ثانية. نظرًا لأن مساحة الغرفة النظيفة أقل من 50 مترًا مربعًا والموظفين أقل من 5 أشخاص، يتم توفير مخرج آمن للغرفة النظيفة. تم اختيار فلتر HEPA وهو GB01×4، وحجم الهواء هو 1000 م 3 / ساعة، وكفاءة الترشيح أكبر من أو تساوي 0.5 ميكرومتر و99.995٪.
1. 3 عينات تجريبية
نماذج مرشح الألياف الزجاجية هي: 610 (طول) × 610 (ارتفاع) × 150 (عرض) ملم، نوع الحاجز، 75 تجعد، الحجم 610 (طول) × 610 (ارتفاع) × 90 (عرض) ملم، مع 200 طية، حجم مرشح PTFE 480 (طول) × 480 (ارتفاع) × 70 (عرض) ملم، بدون نوع الحاجز، مع 100 تجعد.
2 المبادئ الأساسية
المبدأ الأساسي لمنصة الاختبار هو نفخ المروحة في الهواء. ونظرًا لأن فلتر هواء HEPA/UEPA مزود أيضًا بفلتر هواء HEPA، يمكن اعتبار الهواء نظيفًا قبل وصوله إلى فلتر HEPA/UEPA المختبر. يُصدر الجهاز جزيئات PAO في خط الأنابيب لتكوين التركيز المطلوب من الغاز المحتوي على الغبار، ويستخدم عداد جسيمات ليزر لتحديد تركيز الجسيمات. ثم يتدفق الغاز المحتوي على الغبار عبر فلتر HEPA/UEPA المختبر، ويُقاس تركيز جسيمات الغبار في الهواء المفلتر بواسطة فلتر HEPA/UEPA أيضًا باستخدام عداد جسيمات ليزر، ويُقارن تركيز غبار الهواء قبل وبعد الفلتر، وبالتالي تحديد أداء فلتر HEPA/UEPA. علاوة على ذلك، تُرتب ثقوب أخذ العينات على التوالي قبل الفلتر وبعده، وتُختبر مقاومة كل سرعة رياح باستخدام مقياس ضغط دقيق مائل هنا.

3 مقارنة أداء مقاومة الفلتر
تُعد خاصية مقاومة مرشحات الهواء عالية الكفاءة (HEPA) من أهم خصائصها. وانطلاقًا من مبدأ تلبية احتياجات المستهلكين بكفاءة، ترتبط خصائص المقاومة بتكلفة الاستخدام، فهي منخفضة المقاومة، واستهلاكها للطاقة منخفض، وتوفر التكلفة. لذلك، أصبح أداء مقاومة المرشح محل اهتمام، وهو أحد المؤشرات المهمة.
وفقًا لبيانات القياس التجريبية، تم الحصول على العلاقة بين متوسط ​​سرعة الرياح لمرشحين هيكليين مختلفين من ألياف الزجاج ومرشح PTFE وفرق ضغط المرشح.تظهر العلاقة في الشكل 2:

يتضح من البيانات التجريبية أنه مع زيادة سرعة الرياح، تزداد مقاومة المرشح خطيًا من الأدنى إلى الأعلى، ويتطابق الخطان المستقيمان لمرشحي الألياف الزجاجية بشكل كبير. يتضح جليًا أنه عندما تكون سرعة رياح الترشيح متر واحد في الثانية، تكون مقاومة مرشح الألياف الزجاجية حوالي أربعة أضعاف مقاومة مرشح PTFE.

من خلال معرفة مساحة الفلتر، يمكن استنتاج العلاقة بين سرعة الوجه وفرق ضغط الفلتر:
يتضح من البيانات التجريبية أنه مع زيادة سرعة الرياح، تزداد مقاومة المرشح خطيًا من الأدنى إلى الأعلى، ويتطابق الخطان المستقيمان لمرشحي الألياف الزجاجية بشكل كبير. يتضح بسهولة أنه عندما تكون سرعة رياح الترشيح متر واحد في الثانية، تكون مقاومة مرشح الألياف الزجاجية حوالي أربعة أضعاف مقاومة مرشح PTFE.

من خلال معرفة مساحة الفلتر، يمكن استنتاج العلاقة بين سرعة الوجه وفرق ضغط الفلتر:

نظرًا لاختلاف سرعة سطح نوعي المرشحات وفرق ضغطهما، فإن مقاومة المرشح ذي المواصفات 610×610×90 مم عند نفس سرعة السطح أعلى من مقاومة المرشح ذي المواصفات 610×.

ومع ذلك، من الواضح أنه عند نفس سرعة السطح، تكون مقاومة مرشح الألياف الزجاجية أعلى من مقاومة PTFE. وهذا يُظهر تفوق PTFE على مرشح الألياف الزجاجية من حيث أداء المقاومة. ولفهم خصائص مرشح الألياف الزجاجية ومقاومة PTFE بشكل أعمق، أُجريت تجارب أخرى. بدراسة مقاومة ورقتي الترشيح مباشرةً مع تغير سرعة رياح المرشح، تظهر النتائج التجريبية أدناه:

وهذا يؤكد بشكل أكبر الاستنتاج السابق بأن مقاومة ورق ترشيح الألياف الزجاجية أعلى من مقاومة PTFE تحت نفس سرعة الرياح [6].
مقارنة أداء المرشحات الأربعة
وفقًا للظروف التجريبية، يمكن قياس كفاءة ترشيح الفلتر للجسيمات ذات حجم الجسيمات 0.3 ميكرومتر، و0.5 ميكرومتر، و1.0 ميكرومتر عند سرعات رياح مختلفة، ويتم الحصول على الرسم البياني التالي:

من الواضح أن كفاءة ترشيح مرشحي الألياف الزجاجية لجسيمات بحجم 1.0 ميكرومتر عند سرعات رياح مختلفة هي 100%، وتتناقص كفاءة ترشيح جسيمات بحجم 0.3 ميكرومتر و0.5 ميكرومتر مع زيادة سرعة الرياح. يتضح أن كفاءة ترشيح المرشح للجسيمات الكبيرة أعلى منها للجسيمات الصغيرة، وأن أداء ترشيح مرشح 610×610×150 مم يتفوق على مرشح 610×610×90 مم.
وباستخدام نفس الطريقة، يتم الحصول على رسم بياني يوضح العلاقة بين كفاءة الترشيح لمرشح PTFE مقاس 480×480×70 مم كدالة لسرعة الرياح:

بمقارنة الشكلين 5 و6، يتبين أن تأثير ترشيح مرشح جسيمات الزجاج بأحجام 0.3 ميكرومتر و0.5 ميكرومتر أفضل، خاصةً عند تباين الغبار عند 0.3 ميكرومتر. بلغ تأثير ترشيح الجسيمات الثلاثة على جسيمات 1 ميكرومتر 100%.
من أجل مقارنة أداء الترشيح لمرشح الألياف الزجاجية ومادة مرشح PTFE بشكل أكثر بديهية، تم إجراء اختبارات أداء المرشح مباشرة على ورقتي الترشيح، وتم الحصول على الرسم البياني التالي:

تم الحصول على الرسم البياني أعلاه من خلال قياس تأثير ترشيح ورق ترشيح PTFE وألياف الزجاج على جسيمات 0.3 ميكرومتر عند سرعات رياح مختلفة [7-8]. من الواضح أن كفاءة ترشيح ورق ترشيح PTFE أقل من كفاءة ترشيح ورق ترشيح الألياف الزجاجية.
بالنظر إلى خصائص المقاومة وخصائص الترشيح لمادة الفلتر، فمن السهل أن نرى أن مادة فلتر PTFE مناسبة أكثر لصنع مرشحات خشنة أو شبه HEPA، ومادة فلتر الألياف الزجاجية مناسبة أكثر لصنع مرشحات HEPA أو فائقة HEPA.
5 الخاتمة
يتم استكشاف آفاق تطبيقات المرشحات المختلفة من خلال مقارنة خصائص المقاومة وخصائص الترشيح لمرشحات PTFE مع مرشحات الألياف الزجاجية. من التجربة يمكننا استخلاص استنتاج مفاده أن سرعة الرياح هي عامل مهم للغاية يؤثر على تأثير ترشيح مرشح هواء HEPA. كلما زادت سرعة الرياح، انخفضت كفاءة الترشيح، وكان التأثير على مرشح PTFE أكثر وضوحًا، وبشكل عام يتمتع مرشح PTFE بتأثير ترشيح أقل من مرشح الألياف الزجاجية، ولكن مقاومته أقل من مرشح الألياف الزجاجية. لذلك، فإن مادة مرشح PTFE أكثر ملاءمة لصنع مرشح خشن أو دون كفاءة عالية، ومادة مرشح الألياف الزجاجية أكثر ملاءمة للإنتاج. مرشح فعال أو فائق الكفاءة. مرشح HEPA من الألياف الزجاجية بمواصفات 610 × 610 × 150 مم أقل من مرشح HEPA من الألياف الزجاجية 610 × 610 × 90 مم، وأداء الترشيح أفضل من مرشح HEPA من الألياف الزجاجية 610 × 610 × 90 مم. حاليًا، سعر مادة مرشح PTFE النقية أعلى من سعر الألياف الزجاجية. ومع ذلك، بالمقارنة مع الألياف الزجاجية، تتميز مادة PTFE بمقاومة أفضل للحرارة والتآكل والتحلل المائي. لذلك، يجب مراعاة عدة عوامل عند إنتاج المرشح، بما في ذلك الجمع بين الأداء الفني والأداء الاقتصادي.
مراجع:
[1] ليو لاي هونغ، وانغ شي هونغ. تطوير وتطبيق مرشحات الهواء [مجلة] • الترشيح والفصل، 2000، 10(4): 8-10.
[2] فلتر هواء سي إن ديفيس [م]، ترجمة هوانغ ريغوانغ. بكين: مطبعة الطاقة الذرية، 1979.
[3] طريقة اختبار أداء مرشح الهواء عالي الكفاءة GB/T6165-1985، النفاذية والمقاومة [M]. المكتب الوطني للمعايير، 1985.
[4] شينغ سونغ نيان. طريقة الكشف والتطبيق العملي لمرشح الهواء عالي الكفاءة[J] • معدات الوقاية من الأوبئة الوقائية الحيوية، 2005، 26(1): 29-31.
[5] هوخراينر. تطويرات إضافية لعداد الجسيمات
sizerPCS-2000 ألياف زجاجية [J] • مجلة مرشح علوم الهباء الجوي، 2000، 31 (1): 771-772.
[6] ه. Weingartner، P. Haller، H. Burtscher إلخ. الضغط
DropAcrossFiberFilters[J]•Aerosol Science، 1996، 27(1): 639-640.
[7]مايكل جيه إم وكلايد أور. الترشيح - المبادئ والممارسات[م].
نيويورك: شركة مارسيل ديكر، 1987•
[8] تشانغ قوه تشوان. ميكانيكا الهباء الجوي - الأساس النظري لإزالة الغبار وتنقيته [م] • بكين: مطبعة علوم البيئة الصينية، 1987.