Мы проводим 90% нашей жизни в помещениях или закрытых пространствах. Химические процессы, постоянно происходящие в воздухе в этих пространствах, сильно влияют на наше здоровье. 8 из 10 аллергиков имеют периодические приступы аллергии из-за загрязнённого воздуха в помещении. По оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), почти 7 миллионов человек умирают каждый год от заболеваний, вызванных загрязнённым воздухом в помещениях.
Автомобильные и промышленные загрязнения, пыль, табачный дым, летучие органические соединения (ЛОС), дым лесных пожаров и другие загрязнители наружного воздуха попадают в дома посредством инфильтрации, в то время как повседневная деятельность в помещении, потребительские и строительные товары также добавляют химические соедения в воздух помещений. Химический состав этих газов и частиц влияют на воздух, которым мы дышим, и поверхности, с которыми мы взаимодействуем.
Чтобы устранить опасность для здоровья, вызванную загрязнением воздуха, существуют очистители воздуха. По сути, воздухоочиститель — это устройство, удаляющее загрязнения, присутствующие в воздухе. Особенно они полезны людям, страдающим аллергией и астмой. Быстро растущий уровень загрязнения и рост заболеваний, передающихся воздушно-капельным путём, заставляют задуматься о приобретении очистителя воздуха для своего дома.
В наши дни существует множество вариантов очистки воздуха: угольные фильтры, фильтры HEPA, ионные очистители воздуха, увлажнители воздуха, генераторы озона и другие. Сегодня очистители воздуха превратились из первых противогазов для фабричных рабочих, до автономных систем очистки воздуха, поскольку сам воздух, которым мы дышим, становится небезопасным.
Токсичные отношения
Источники газов и частиц в помещении можно разделить на первичные и вторичные. Первичные компоненты выделяются непосредственно из источников, тогда как вторичные компоненты образуются в результате химических реакций в воздухе (или на поверхностях) из молекул-предшественников.
Первичные источники внутри помещений включают в себя следующие основные категории: само здание (дерево, линолеум, пластик), потребительские товары (средства личной гигиены, чистящие средства или средства для приготовления пищи, оборудование и офисные товары), выбросы в результате метаболизма микробов и человека, деятельность жильцов (приготовление пищи) и преднамеренный (через оконные проёмы или системы вентиляции) или непреднамеренный (инфильтрация через протечки в покрытии дома) перенос наружного воздуха в дом.
Химия, происходящая внутри дома, является вторичным источником газов и частиц. Химические процессы включают газофазное окисление, разделение полулетучих веществ между газовой и конденсированной фазами, а также многофазные химические процессы, происходящие на или внутри поверхностей, в частицах воздуха или пыли.
Основное поглощение малых газов и частиц в воздухе помещений обычно включают осаждение на поверхности помещений, реакции в газовой фазе или фазе частиц с образованием изменённых молекул и удаление из дома посредством вентиляции в наружную атмосферу. Постоянный воздухообмен внутри и снаружи влияет на качество воздуха как внутри, так и снаружи. Воздействие различных компонентов, таких как ЛОС, увеличивает вероятность возникновения симптомов синдрома больного здания.
Использование твёрдых веществ для удаления веществ из газообразных или жидких растворов широко применялось ещё с библейских времён. Этот процесс, известный как адсорбция, включает в себя не что иное, как преимущественное распределение веществ из газообразной или жидкой фазы на поверхность твёрдой подложки.
С первых дней использования костяного угля для обесцвечивания растворов сахара и других пищевых продуктов, до более позднего внедрения активированного угля для удаления нервно-паралитических газов с поля боя и до сегодняшних тысяч применений, явление адсорбции стало полезным инструментом для очистки и разделения.
Процесс адсорбции представляет собой отделение вещества от одной фазы с последующим его накоплением или концентрацией на поверхности другой. Адсорбирующая фаза представляет собой адсорбент, а материал, сконцентрированный или адсорбированный на поверхности этой фазы, представляет собой адсорбат.
Таким образом, адсорбция отличается от абсорбции, процесса, в котором материал, перенесённый из одной фазы в другую (например, жидкость), проникает во вторую фазу, образуя «раствор». Термин «сорбция» представляет собой общее выражение, охватывающее оба процесса.
Явления адсорбции наблюдаются в большинстве природных физических, биологических и химических систем, а операции адсорбции с использованием твёрдых веществ, таких как активированный уголь и синтетические смолы, широко используются в промышленности, а также для очистки воды и воздуха.
Хороший CADR
Существует два типа технологий очистки воздуха: активные и пассивные. Активные очистители воздуха выделяют в воздух отрицательно заряженные ионы, в результате чего загрязняющие вещества прилипают к поверхностям, тогда как пассивные очистители воздуха используют воздушные фильтры для удаления загрязняющих веществ. Пассивные очистители более эффективны, поскольку вся пыль и твёрдые частицы удаляются из воздуха и собираются в фильтрах. Для очистки воздуха можно использовать несколько различных процессов различной эффективности.
Современные технологии очистки воздуха можно разделить на две категории:
Очистители воздуха с фильтрами (фильтры предварительной очистки, фильтры HEPA (High Efficiency Particulate Air), фильтры с активированным углём, постоянные/моющиеся фильтры)
Очистители воздуха без фильтров (ионизаторы воздуха, электрофильтры, генераторы озона, термодинамическая стерилизация, ультрафиолетовое бактерицидное облучение, ультрафиолетовое бактерицидное облучение, очистители с фотокаталитическим окислением)
Очистители воздуха коммерческого класса производятся либо в виде автономных устройств, которые могут быть прикреплены к вентиляционной установке (AHU) или к установкеHVAC, используемой в медицинской, промышленной и коммерческой отраслях. Очистители воздуха также могут использоваться в промышленности для удаления примесей из воздуха перед обработкой. Для этого обычно используются адсорберы с переменным давлением или другие методы адсорбции.
В настоящее время на рынке очистителей воздуха доминируют очистители с HEPA-фильтрами. Ультрафиолетовое бактерицидное облучение, очистители с активированным углём, увлажнители и ионизаторы являются наиболее распространёнными очистителями воздуха для домашнего и коммерческого использования, помогающими при астме и аллергии. Фотокаталитическое окисление (ФКО) является одной из новых технологий.
Очистители ФКО также используют ультрафиолет для реакции с катализатором — TiO2. Реакция окисляет бактерии, вирусы, грибки, запахи и ЛОС, а также расщепляет загрязняющие вещества на безвредные молекулы углекислого газа и воды, делая воздух чище.
Фильтры HEPA удаляют не менее 99,97% частиц диаметром 0,3 микрона, что обычно соответствует минимальной эффективности фильтра. Большинство коммерческих систем фильтрации в помещениях полагаются на фильтры HEPA.
Различные исследования подтверждают преимущества портативных воздухоочистителей на основе HEPA для снижения концентрации аэрозолей из многих источников, включая снижение рисков передачи COVID-19, а также улучшают клинические проявления у пациентов с аллергическим ринитом за счёт уменьшения количества твёрдых частиц и аллергена пылевых клещей.
Стоимость воздухоочистителей на основе HEPA обычно зависит от их производительности, которая обычно характеризуется скоростью подачи чистого воздуха (Clean air delivery rate, CADR).CADR определяет количество эквивалентных воздухообменов в час (Air changes per hour, ACH), достижимое в помещении заданного размера. Рекомендуется, чтобы CADR воздушного фильтра составлял около двух третей площади пола комнаты.
Например, для помещений площадью 300 кв.метр CADR соответствует 200. Ограничения очистки воздуха в помещении включают в себя шум, потребление энергии, а также первоначальные затраты и затраты на техническое обслуживание сменных фильтров. Стоимость комнатных фильтров с рейтингомEnergy Star, предназначенных для рынка жилых помещений, варьируется от 0,71 до 2,66 долларов США за CADR, что делает их недоступными для многих людей.
Недавно предложенный, простой в изготовлении и недорогой альтернативный воздухоочиститель, состоящий из фильтров MERV-13 и коробчатого вентилятора, даёт возможность большему количеству людей получить доступ к воздухоочистителям на основе фильтров. Этот очиститель, сделанный своими руками (DIY), известный как «Corsi-Rosenthal Box» (CR Box), находит применение в школьных классах и других помещениях благодаря доступности материалов. Хотя фильтры MERV-13 имеют более низкую эффективность фильтрации, чем фильтры HEPA, очистка воздуха в помещении с использованием MERV-13 всё равно приведёт к снижению концентрации частиц.
Другие методы
Ультрафиолетовое бактерицидное облучение – UVGI можно использовать для стерилизации воздуха. Системы UVGI могут представляют собой устройства с экранированными УФ-лампами, в которых используется вентилятор, пропускающий воздух мимо УФ-излучения. Они могут устанавливаются в системах вентиляции для удаления микроорганизмов.
Активированный уголь — пористый материал, который может адсорбировать ЛОС, но не удаляет более крупные частицы. Процесс адсорбции при использовании активированного угля должен достичь равновесия, поэтому полное удаление загрязнений может оказаться затруднительным.
Активированный уголь — это всего лишь процесс перевода загрязняющих веществ из газообразной фазы в твердую фазу, когда отягчённые или нарушенные загрязнения могут быть регенерированы в источниках воздуха в помещении. Активированный уголь можно использовать при комнатной температуре, и он уже давно используется в коммерческих целях. Обычно он используется в сочетании с другими технологиями фильтрации, особенно с HEPA. Другие материалы также могут поглощать химические вещества, но стоят дороже.
В электронных воздухоочистителях с поляризованными средами используются активные среды с электронным усилением, объединяющие элементы как электронных воздухоочистителей, так и пассивных механических фильтров. Большинство электронных воздухоочистителей с поляризованными средами используют безопасное напряжение постоянного тока 24 В для создания поляризующего электрического поля.
Большинство частиц в воздухе имеют заряд, а многие даже биполярны. Когда переносимые по воздуху частицы проходят через электрическое поле, поляризованное поле переориентирует частицу, чтобы она прилипла к одноразовой подушке из волоконного материала. Ультрамелкие частицы (UFP), которые не собираются при первом прохождении через подушку для материала, поляризуются и агломерируются с другими частицами, молекулами запаха и ЛОС и собираются при последующих проходах.
Эффективность электронных воздухоочистителей с поляризованными материалами увеличивается по мере их загрузки, обеспечивая высокоэффективную фильтрацию. Технология поляризованных сред является неионизирующей, что означает отсутствие образования озона.
Фотокаталитическое окисление (ФКО) — это новая технология в отрасли отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. В дополнение к перспективам повышения качества воздуха в помещении (IAQ), ФКО имеет дополнительный потенциал для ограничения поступления некондиционированного воздуха в помещения здания, тем самым предоставляя возможность добиться экономии энергии.
Проектировщику системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха следует правильно применять технологию, так как ФКО может значительно увеличить количество формальдегида в жилых помещениях. Системы ФКО способны полностью окислять и разлагать органические загрязнения. Воздуховодные агрегаты ФКО могут быть установлены в существующую систему вентиляции и кондиционирования. ФКО не является технологией фильтрации, поскольку она не улавливает и не удаляет частицы. Иногда её сочетают с другими технологиями фильтрации для очистки воздуха. Системы ФКО часто имеют высокие коммерческие затраты.
Родственной технологией, имеющей отношение к очистке воздуха, является фотоэлектрохимическое окисление. Технически ФЭХО является типом ФКО, но включает в себя электрохимические взаимодействия между материалом катализатора и химически активными частицами (например, посредством внедрения катодных материалов) для улучшения квантовой эффективности; таким образом, можно использовать УФА-излучение меньшей энергии в качестве источника света и при этом добиться повышенной эффективности.
В ионизаторах используются заряженные электрические поверхности или иглы для генерации электрически заряженных ионов воздуха. Эти ионы соединяются с частицами в воздухе, которые затем электростатически притягиваются к заряженной коллекторной пластине. Этот механизм производит следовые количества озона и других окислителей в качестве побочных продуктов. Большинство ионизаторов производят озон в соотношении 1:20 000 000, что соответствует стандарту промышленной безопасности.
Генераторы озона предназначены для производства озона и иногда продаются как воздухоочистители для всего дома. В отличие от ионизаторов, генераторы озона предназначены для производства озона, сильного окислителя, который может окислять многие другие химические вещества. Генераторы могу производить более 3000 мг озона в час.
Как и в случае с другими приборами, связанными со здоровьем, вокруг претензий некоторых компаний, особенно в отношении ионных очистителей воздуха, существуют разногласия. Многие очистители воздуха генерируют некоторое количество озона, энергетического аллотропа трёх атомов кислорода, а при наличии влажности — небольшое количество NOx. Из-за характера процесса ионизации ионные очистители воздуха имеют тенденцию генерировать больше всего озона.
Высокая концентрация озона опасна. Озон может повредить лёгкие, вызывать боль в груди, кашель, одышку и раздражение горла. Это также может усугубить хронические респираторные заболевания, такие как астма, и поставить под угрозу способность организма бороться с респираторными инфекциями даже у здоровых людей. Люди, страдающие астмой и аллергией, наиболее подвержены неблагоприятному воздействию высоких уровней озона.
Генераторы озона, используемые для шоковой обработки (нежилые помещения), которые необходимы подрядчикам по устранению дыма, плесени и запаха, а также компаниям по уборке мест преступлений для окисления и окончательного удаления повреждений от дыма, плесени и запаха, считаются ценным и эффективным инструментом при использовании для коммерческих и промышленных целей. Однако появляется всё больше свидетельств того, что эти машины могут производить нежелательные побочные продукты.
История
Когда в Америке началась промышленная революция, сжигание угля стало массовым во всех растущих городах. Использование угля позволило инженерам производить электроэнергию и топливо для привода поездов и отопления домов. Однако, поскольку уголь стал основным ресурсом для развития городской жизни, воздух стал загрязняться дымом и тёмными облаками смога.
В начале промышленной революции в США Джон и Чарльз Дин в 1823 году разработали маску для пожарных, позволяющую пожарным проникать в горящие здания, не вдыхая опасный дым.
В 1854 году Джон Стенхаус разработал маску, которую шахтёры носили для защиты от загрязнённого воздуха. Маска Стенхауса была основана на конструкции фильтра с древесным углём. Эти маски сделали огромный прогресс в области очистки воздуха. Использование древесного угля в воздушных фильтрах позволило Стенхаусу отфильтровывать из воздуха больше вредных газов, чем предыдущие фильтрующие маски. В 1871 году Джон Тиндаль модернизировал маски пожарных, созданные Динами, представив свой респиратор. Сочетание респираторного устройства и системы фильтрации стало ранним предшественником сегодняшних респираторных масок.
Создание HEPA-фильтра
HEPA-фильтр до того, как он стал частью бытовых систем фильтрации, таких как портативный очиститель воздуха Air Health Skye, был сверхсекретным правительственным проектом. История HEPA-фильтра начинается с листка бумаги, который британцы нашли в немецком противогазе в начале Первой мировой войны. Они обнаружили, что бумага очень хорошо улавливает химический дым. Воспроизведя эту идею для своих противогазов, Химический корпус британской армии также внедрил эту идею в «абсолютный воздушный фильтр» — механический вентилятор, который мог бы очищать воздух в оперативном штабе.
В 1942 году США начали Манхэттенский проект в Ок-Ридже, штат Теннесси, который привёл к созданию первой ядерной бомбы. Они знали, что им нужен способ защитить почти 90 000 работников Манхэттенского проекта. Взяв за основу британские проекты противогаза и абсолютного фильтра, Химический корпус армии США и Комитет исследований национальной обороны заказали совместный проект по разработке фильтра, который мог бы удалять опасные радиоактивные частицы из воздуха.
Работая с лауреатом Нобелевской премии Ирвингом Ленгмюром, они определили, что наиболее важными являются частицы диаметром 0,3 микрона, и сосредоточили свои усилия на фильтрации частиц такого размера. Результатом стал первый HEPA-фильтр, хотя официально он не был известен как таковой до 1960-х годов. В конечном счёте, эти фильтры не были эффективны в снижении воздействия радиации, но они обеспечивали отличную защиту от газообразного хлора, иприта и дыма. Таким образом, они использовались как в штаб-квартире Манхэттенского проекта, так и в противогазах американских солдат до конца Второй Мировой войны.
За десятилетие после окончания Второй мировой войны военный и частный секторы нашли больше применений HEPA-фильтрам. Исследователи обнаружили, что механические фильтры эффективны против многих других частиц в воздухе, включая пыль, пыльцу, шерсть животных, плесень и дым. В начале 1950-х годов HEPA был зарегистрирован как торговая марка и представлен на рынке как фильтр для очистки воздуха. Сначала они получили широкое распространение в пылесосах, а вскоре были приняты во многих отраслях промышленности, которым требовались высокоэффективные воздушные фильтры.
Примерно в это же время всё больше американцев стали беспокоиться о качестве воздуха. В 1963 году Конгресс принял Закон о чистом воздухе, который установил стандарты по снижению загрязнения воздуха. Хотя это и не первая попытка решить проблему качества воздуха, она помогла стимулировать более широкое движение и привела к буму популярности домашних очистителей воздуха HEPA в 1970-х и 1980-х годах.
HEPA стал настолько распространённым, что многие люди используют его как общий термин для обозначения высокоэффективных воздушных фильтров. Технологические достижения сделали очистители воздуха HEPA меньше и проще в эксплуатации, чем оригинальный «абсолютный фильтр», сохранив при этом их эффективность.
Первый бытовой HEPA-фильтр был продан в 1963 году братьями Манфредом и Клаусом Хаммесами в Германии, которые создали Incen Air Corporation, которая была предшественником корпорации IQAir.
С появлением десятков продуктов с фильтрами HEPA новые и интересные способы борьбы с аллергией и астмой наконец стали широко доступны для использования в жилых помещениях. Первые очистители воздуха HEPA были громоздкими, сложными в эксплуатации и традиционно использовались только в больницах и фармацевтических учреждениях, а также среди производителей компьютерных чипов. Затем предприятия начали обращать внимание на проблемы качества воздуха в помещениях среди бытовых потребителей.
По мере совершенствования технологии фильтрации воздуха росла и коммерческая жизнеспособность продуктов для очистки воздуха. Такие компании, как IQAir North America, Austin Air Systems, AllerAir и Blueair, постепенно извлекли выгоду из новых изменений, внесённых в технологию очистки воздуха. Например, специальные очищающие воздушные фильтры были установлены на моделях Mercedes Benz в 1990 году. Вскоре после этого та же компания (IQAir) представила фильтры HEPA H13, которые были способны улавливать в 100 раз больше загрязняющих веществ, чем предыдущие фильтры HEPA.
В 1991 году компания Austin Air Systems решила проблему загрязнения окружающей среды твёрдыми частицами, неприятных запахов и химической токсичности новым способом. Во-первых, они представили концепцию фильтра предварительной очистки, который продлил срок службы и эффективность фильтров HEPA. Они также разработали систему забора воздуха на 360 градусов, которая значительно повысила эффективность очистки воздуха.
Сегодня высокотехнологичные очистители воздуха позволяют удалять загрязнения, которые до сих пор считались неизбежными. Сегодняшние очистители воздуха, изначально способные улавливать частицы, могут также справляться с токсичными газами, а также микроскопическими аллергенами и загрязнителями. Будущее, вероятно, принесёт дальнейшие достижения, которые однажды могут создать внутреннюю среду для большинства домов, сравнимую с качеством воздуха в горных вершинах.
Очистители воздуха прошли долгий процесс исследований и разработок на протяжении десятилетий — от масок до современных автономных систем очистки, используемых сегодня. Потребность в очистителях воздуха растёт с ростом населения. Продолжаются исследования, направленные на создание жизнеспособных и эффективных воздушных фильтров, обработанных биоцидами (т. е. воздушных фильтров, покрытых противомикробными веществами), для предотвращения распространения передающихся по воздуху патогенов. Будет интересно увидеть дальнейшее развитие этой технологии.
