جهاز تنقية الهواء

نظرًا لحجمها الصغير للغاية ، فإن المواد المسببة للحساسية قادرة على المرور عبر حقيبة مكنسة كهربائية قياسية وإعادة توزيعها في الهواء حيث تقيم لأيام. حتى ميكروغرام واحد من مسببات حساسية القط يكفي لاستدعاء استجابة حساسية لدى معظم الأمريكيين الستة إلى العشرة ملايين الذين لديهم حساسية من القطط. يمكن للجزيئات الأخرى المحمولة جواً - مثل البكتيريا والفيروسات - أن تسبب الأمراض ، وبعضها مميت. هناك العديد من الأسباب - الحساسية والربو والأمراض القاتلة - التي تُباع ملايين أجهزة تنقية الهواء في الولايات المتحدة كل عام.

هناك نوعان شائعان من أجهزة تنقية الهواء التي يمكنها إزالة بعض أو كل الأمراض والجزيئات المسببة للحساسية في الهواء: المرشحات الميكانيكية - يتم تصنيف الأكثر فاعلية كمرشحات هواء الجسيمات عالية الكفاءة (مرشحات HEPA) - والمرسبات الإلكتروستاتيكية.

تصنع فلاتر HEPA من خيوط زجاجية دقيقة جدًا بقطر أقل من 1 ميكرون (يبلغ الميكرون 0.00004 بوصة ، 0.001 مم). بالمقارنة ، يبلغ قطر شعرة الإنسان حوالي 75 ميكرون (0.003 بوصة ، 0.07 ملم). يتم تشابك الخيوط الزجاجية الدقيقة معًا وضغطها لتشكيل حصيرة فلتر. نظرًا لأن الخيوط الفردية مجهرية جدًا ، فإن معظم السجادة تتكون من الهواء. الفتحات الموجودة في الحصيرة صغيرة جدًا ، وعمومًا أقل من 0.5 ميكرون (0.00002 بوصة ، 0.0005 مم). ستجمع فلاتر HEPA الجزيئات حتى قطر 0.3 ميكرون (0.00001 بوصة ، 0.0003 مم). على الرغم من أن المرشح قد يكون بعرض 0.10 فقط (2.5 مم) ، إلا أنه سيتكون من 2500 طبقة من الخيوط الزجاجية.

لا يمكن لمرشحات HEPA ولا المرسبات الكهروستاتيكية إزالة المركبات العضوية المتطايرة من الهواء ، وبالتالي لا تفعل شيئًا لتقليل الروائح. لهذا السبب ، تم تجهيز معظم أجهزة تنقية الهواء بفلتر مسبق أو لاحق يتكون من الكربون المنشط. يتم إنتاج الكربون المنشط عن طريق تسخين مصدر الكربون (قشور جوز الهند ، الإطارات القديمة ، العظام ، إلخ) في درجات حرارة عالية جدًا في غياب الأكسجين ، وهي عملية تعرف أيضًا باسم الانحلال الحراري أو التقطير المدمر. يحلل الانحلال الحراري الكربون النقي من المواد الأخرى الموجودة في المواد الخام. ثم يتعرض الكربون النقي للبخار عند 1500 درجة فهرنهايت (800 درجة مئوية). ينشط البخار ذو درجة الحرارة العالية الكربون. تشكل عملية التنشيط ملايين الشقوق في حبيبات الكربون. يبلغ قطر هذه الشقوق حوالي 0.002 ميكرون (0. 000002 مم). نظرًا لوجود العديد من الشقوق ، فإن عملية التنشيط توفر للكربون مساحة سطح هائلة لكل وزن - حوالي 6.5 فدان / أونصة (1000 م) 2 / ز). توفر ملايين الشقوق مواقع يمكن فيها امتصاص المركبات العضوية. بالإضافة إلى ذلك ، يحمل سطح الكربون شحنة كهربائية متبقية تجذب المواد الكيميائية غير القطبية (المواد الكيميائية التي لم تفصل بين الشحنات الإيجابية والسلبية). الكربون المنشط فعال جدا في امتصاص المركبات المنتجة للروائح.

كان نقاء الهواء مصدر قلق طالما عاش البشر في مجموعات. أحد الأسباب التي تجعل الصيادين-الجامعين بدو هو أنهم يحتاجون بشكل دوري للابتعاد عن مقالب القمامة والمراحيض. في عام 61 م ، اشتكى الفيلسوف الروماني سينيكا من مرض دخان المداخن الذي يتدلى باستمرار في روما. في عام 1306 ، حظر ملك إنجلترا إدوارد الأول حرق الفحم في لندن بسبب الملوثات الثقيلة المتبقية في الهواء.

أدت الثورة الصناعية في القرن الثامن عشر والتاسع عشر إلى تفاقم المشكلة فقط. أدى حرق الفحم لإنتاج قطارات الكهرباء والوقود إلى ظهور سحابة داكنة من الدخان فوق كل مركز رئيسي للصناعة في العالم وغطت مدن بأكملها بالسخام. للتعامل مع هذه المشكلة ، قام المهندسون ببناء أكوام دخان أعلى لنقل النفايات المحمولة جوًا بعيدًا عن المصدر. بغض النظر عن مدى ارتفاع المداخن ، اشتكى الناس في مهب الريح من الرماد والغازات الحمضية من احتراق الفحم (مصدر المطر الحمضي) الذي يدمر محاصيلهم. اتخذ تلوث الهواء منعطفا آخر للأسوأ بعد الحرب العالمية الثانية عندما أصبحت السيارات وسيلة النقل الرئيسية في العالم الصناعي. ضباب السيارات زود لوس أنجلوس بأسوأ نوعية هواء في العالم.

المواد التي تدخل في كل من مرشحات HEPA والمرسبات الإلكتروستاتيكية هي: علبة مصنوعة من البلاستيك ومروحة كهربائية لتحفيز تدفق الهواء عبر الفلتر والفلتر نفسه ومفاتيح التحكم للتحكم في سرعة المروحة وتحويل جهاز تنقية الهواء فتح و غلق. تصنع مرشحات HEPA من ألياف زجاجية من البورسليكات أو ألياف بلاستيكية (مثل البولي بروبلين) مرتبطة مع ما يصل إلى 5٪ من مادة الأكريليك (نفس المركب الذي يربط طلاء اللاتكس بالمنزل). تعمل المرسبات الإلكتروستاتيكية على توليد الأيونات عن طريق تشغيل الفولتية الموجبة المباشرة الإيجابية العالية للغاية من خلال الأسلاك الفولاذية الموضوعة بين لوحات الشحن الفولاذية الأرضية. يتم تصنيع العلب تقريبًا من البلاستيك ، وعادة ما يكون البوليسترين عالي التأثير ، أو كلوريد البولي فينيل ، أو البولي إيثيلين عالي الكثافة ، أو البولي بروبيلين.

تم تصميم مرشحات HEPA بناءً على حجم الجزيئات المراد إزالتها ومعدل تدفق الهواء المطلوب. كلما كانت المسام أدق في مادة HEPA ، كلما أزيلت الجزيئات من الهواء. ومع ذلك ، فإن جمع جزيئات دقيقة يعني أن مادة المرشح سوف تسد عاجلاً وتحتاج إلى الاستبدال على أساس أكثر تواتراً. سيحدد المصمم قطر الألياف الزجاجية وكثافة الحصيرة لنسيج المرشح الذي يثبت حجم مسام المرشح. يمكن أن تحتوي فلاتر HEPA على مواد رابطة توفر قوة إضافية ، ولكن هذا ينتج أيضًا مرشحًا ينسد مبكرًا.

يعد تصميم المرسب الكهروستاتيكي أكثر تعقيدًا إلى حد كبير. عادة ما يتم تصميم المرسبات الكهروستاتيكية المنزلية لتكون مكونين ، مكون مؤين (حيث يتم إنشاء سحابة الإلكترون) ومكون تجميع (حيث يتم سحب جزيئات الغبار المشحونة من الهواء). يتكون مكون التجميع من سلسلة من صفائح الفولاذ المتوازية - نصفها مؤرض والنصف الآخر يحمل جهد تيار مباشر إيجابي - وبالتالي فإن الألواح البديلة إما مشحونة بشكل إيجابي أو سلبي. تتكون الوحدة المؤينة من أسلاك رقيقة معلقة بين مجموعة منفصلة من صفائح التأين الفولاذية المؤرضة الموازية ، ولكن الموضوعة أمام لوحات التجميع. تحمل الأسلاك الرقيقة تيارًا مباشرًا عالي الجهد إيجابي للغاية (يصل إلى 25000 فولت في جهاز تنقية الهواء المنزلي). تؤدي الشحنات الموجبة في الأسلاك إلى تدفق الإلكترونات بين الأسلاك والألواح المؤينة المجاورة. نظرًا لوجود جهد عالي جدًا على السلك ، يتم دفع الإلكترونات نحوه بتسارع حوالي 1000 مرة من تسارع الجاذبية ، مما يسرع الإلكترونات إلى سرعات عالية جدًا. على سبيل المثال ، عندما يطفو جزيء من فضلات عث الغبار عبر السلك ، تتصادم الإلكترونات عالية السرعة مع الإلكترونات في جزيئات الجسيم ، وتدق مما يسرع الإلكترونات إلى سرعات عالية جدًا. على سبيل المثال ، عندما يطفو جزيء من فضلات عث الغبار عبر السلك ، تتصادم الإلكترونات عالية السرعة مع الإلكترونات في جزيئات الجسيم ، وتدق مما يسرع الإلكترونات إلى سرعات عالية جدًا. على سبيل المثال ، عندما يطفو جزيء من فضلات عث الغبار عبر السلك ، تتصادم الإلكترونات عالية السرعة مع الإلكترونات في جزيئات الجسيم ، وتدق

بعضها مجاني. عندما تفقد هذه الجزيئات الإلكترونات ، فإنها تأخذ شحنة موجبة وبالتالي تنجذب إلى لوحة التجميع سالبة الشحنة. يجب على المصمم تحديد جهد عالٍ بما يكفي لإنتاج أعداد كافية من الإلكترونات لتأيين الجسيمات التي تمر عبر المرسب ، ومسافة لوحات التجميع قريبة بما فيه الكفاية بحيث يتم التقاط جزيئات الغبار المتأين على الألواح قبل أن تتمكن مروحة المرسب من سحبها تماما من خلال جهاز تنقية الهواء.

1 يتم تغذية حبيبات المواد الخام (البوليسترين عالي التأثير ، أو كلوريد البولي فينيل ، أو البولي إيثيلين عالي الكثافة ، أو البولي بروبلين) في قادوس وتسخينها حتى نقطة الانصهار ، 300-590 درجة فهرنهايت (150-310 درجة مئوية).

2 يتم حقن البلاستيك المصهور تحت ضغط عال في قالب العلبة. عادة ما يكون القالب مصنوعًا من فولاذ الأدوات بواسطة صانع قوالب ماهر للغاية. فتحات التهوية في القالب تسمح للهواء الداخل بالهروب مع دخول البلاستيك. يجب أن يؤكد مصمم القوالب أن القالب يملأ بالتساوي بالبلاستيك وأن كل الهواء المحبوس مسموح به للهروب ، وإلا قد يحتوي الجزء الأخير على فقاعات هواء صغيرة أو حتى فراغات.

3 يتم دفع الماء من خلال القنوات المضمنة في القالب لنقل الحرارة من البلاستيك المنصهر إلى البيئة. بمجرد أن يصبح الجزء باردًا بما فيه الكفاية ، والذي يمكن أن يستغرق ما يصل إلى دقيقتين ، يفتح القالب. تعمل الدبابيس التي تعمل هيدروليكيًا على دفع الجزء خارج القالب المفتوح إلى حاوية الاستقبال.

4 يتم استخدام مروحة كهربائية لسحب الهواء من خلال جهاز تنقية الهواء. عادة ما يتم شراء المروحة من مورد قطع صغيرة. تتكون المروحة من محرك كهربائي صغير مع شفرات مروحة معدنية متصلة بخلع طاقة المحرك. عادة ما تكون شفرات المروحة ملحومة في مكانها على طوق ، والتي يتم وضعها على مأخذ الطاقة وتثبيتها في مكانها.

5 عادة ما يتم توصيل المروحة بالعلبة باستخدام مسامير فولاذية.

يتم إنشاء الألياف الزجاجية التي تتكون منها مرشح HEPA عن طريق تمرير الزجاج المصهور أو البلاستيك من خلال المسام الدقيقة جدًا في فوهة الغزل. الألياف الزجاجية الناتجة تبرد وتتصلب على الفور تقريبًا بسبب أقطارها الصغيرة.

تتحرك فوهة الدوران ذهابًا وإيابًا (مما يجعل الألياف الزجاجية تشكل شبكة) فوق حزام ناقل متحرك يتم تجميع الألياف عليه. تحدد سرعة الحزام الناقل سمك مادة المرشح - يسمح الحزام البطيء بتراكم المزيد من الألياف الزجاجية على الحزام.

ينتج عن ذوبان وتبريد الألياف بعض الترابط بين الألياف. مع تقدم الناقل ، يتم رش رابط اللاتكس على القماش لتوفير قوة إضافية. يمكن أن يكون القماش بأي عرض يصل إلى الحجم العملي للآلات ويمكن قطعه إلى الحجم المحدد من قبل العميل قبل أن يتم رفع القماش على بكرات.

بمجرد تشكيل حصائر HEPA ، يتم طيها في نمط الأكورديون في مجلد تلقائي. نمط الأكورديون يسمح ما يصل إلى 50 قدم 2 (5 م 2 ) من مواد التصفية إلى أن يدرج في مساحة صغيرة.

ثم يتم وضع المرشح على شكل الأكورديون في علبة مرشح ، تتكون عادة من شبكة سلكية مفتوحة. الغرض من علبة الفلتر هو دعم الفلتر.

يتم تصنيع نظام تجميع المرسبات الكهروستاتيكية من خلال وضع صفائح فولاذية في غلاف بلاستيكي ، غالبًا عن طريق التجميع اليدوي. يتم ترتيب اللوحات بالتوازي مع بعضها في الحالة.

يتم بعد ذلك توصيل الأسلاك بألواح بديلة يتم من خلالها تطبيق التيار المباشر الإيجابي عالي الجهد على الألواح. يتم تأريض الألواح الأخرى.

يتم إنشاء الوحدة المؤينة عن طريق تشغيل أسلاك ذات قطر صغير أمام لوحات التجميع.

يتم تثبيت محول الجهد ، الذي يستخدم لتحويل تيار متناوب من التيار المتردد 115 فولت إلى تيار مباشر عالي الجهد ، إلى حالة المرسب. يتم تشغيل هذا الجهد لكل من لوحات التجميع المشحونة إيجابياً والأسلاك المؤينة.

1 عادة ما يتكون مرشح الكربون المنشط (لتقليل الرائحة) من قماش أو رغوة مشربة بالكربون. يتم تصنيع هذا عن طريق غرس المواد الخام في مسحوق الكربون المنشط.

2 يتم بعد ذلك لف فلتر الكربون حول داخل مرشح HEPA أو خارجه ، أو يتم شده في إطار عند مدخل أو مخرج المرسب الإلكتروستاتيكي.

المجسم

3 يوجد عدد قليل جدًا من المكونات في جهاز تنقية الهواء. لهذا السبب ، يتم تجميع مقاعد البدلاء عادةً. في مجموعة المقاعد ، تنقل الناقلات المتحركة المكونات الفردية أو المجموعات الفرعية (على سبيل المثال ، المروحة المرفقة بالفعل بالعلبة) إلى مقعد حيث يقوم شخص بعد ذلك بتجميعها يدويًا. في جهاز تنقية الهواء HEPA النموذجي ، قد يكون هناك خمسة مكونات فقط تتطلب التجميع: الغلاف ، المروحة ، مرشح الجسيمات ، مرشح الكربون ، ومفتاح التشغيل / الإيقاف.

تعد كفاءة المرشح من أهم اختبارات مراقبة الجودة لأجهزة تنقية الهواء. تنشر الجمعية الأمريكية للاختبار والمواد (ASTM) اختبارات مراقبة الجودة التي يجب أن تلبيها المرشحات قبل استخدامها في تطبيقات معينة أو يتم تسويقها كمرشحات HEPA (على سبيل المثال ، ASTM-F50: الممارسات القياسية للتحجيم المستمر والعد للجزيئات المحمولة جواً في المناطق الخاضعة للغبار والغرف النظيفة باستخدام أدوات قادرة على الكشف عن مقياس فرعي فرعي وجزيئات أكبر). أصدرت وزارة الدفاع الأمريكية معيارًا يتم فيه نفخ جزيئات ثنائيات الفينيل العضوية من خلال مرشح. لتمرير ، يجب على المرشح إزالة 99.97٪ من تأثير DOP.

تشمل المنتجات الثانوية للتصنيع المواد غير الكربونية المقطرة من تصنيع الكربون المنشط ، ومواد تصفية المواصفات ، والمواد الزائدة التي يجب التخلص منها في إنتاج مرشحات HEPA. يمكن إعادة تدوير معظم نفايات التصنيع الأخرى ، العدائين البلاستيكية من آلات الحقن والصفائح المعدنية الزائدة.

يتم إنتاج نفايات إضافية أثناء تشغيل مرشحات الهواء. تتفاعل الأيونات التي تنتجها المرسبات الكهروستاتيكية مع الأكسجين في الهواء لإنتاج الأوزون. عند تركيزات عالية ، يكون الأوزون سامًا. من غير المحتمل أن تصل مستويات الأوزون المنتجة في المرسب الإلكتروستاتيكي المنزلي إلى مستويات خطرة ، لكن بعض الأشخاص حساسون حتى لمستويات منخفضة من الأوزون. يجب تنظيف لوحات التجميع في المرسب الكهروستاتيكي بشكل دوري.

عمر المرشحات HEPA محدود ، اعتمادًا على كمية الهواء التي يتم تصفيتها من خلالها وكمية الجسيمات في الهواء. يوصي معظم الشركات المصنعة باستبدالها كل بضع سنوات. لا يمكن إعادة تدوير المرشحات المستخدمة وبالتالي ينتهي بها الحال في مدافن النفايات.

يمكن إعادة تدوير الكربون المنشط ، ولكن تكلفة التعامل مع الكمية الصغيرة من الكربون الموجودة في جهاز تنقية الهواء المنزلي ستكون باهظة. بشكل عام ، ينتهي به الأمر أيضًا في مدافن النفايات بعد استخدامه بالكامل.

بينما يتعلم العلماء المزيد عن الملوثات البيئية وتأثيرها على صحة الإنسان ، ستزداد الحاجة إلى توفير هواء أنظف في المنازل والمكاتب فقط. يمكن للجيل الحالي من مرشحات HEPA فقط إزالة الجسيمات التي يصل قطرها إلى 0.3 ميكرون (0.00001 بوصة ، 0.0003 مم) في حين يعتقد أن الجسيمات التي يصل قطرها إلى 0.1 ميكرون (0.0001 مم) يمكن أن تسبب تلفًا ميكانيكيًا لأنسجة الرئة. يمكن أن تكون الفيروسات صغيرة مثل قطر 0.02 ميكرون (0.00002 مم). من الواضح أنه لا يزال هناك تقدم يمكن تحقيقه في السيطرة على تلوث الهواء الداخلي. الاتجاه الحالي للتكنولوجيا هو نحو مواد تصفية أدق من أي وقت مضى. المعيار الجديد في الترشيح هو فلتر ULPA ، والذي يرمز إلى Ultra Low Penetrating Air.

الترجمة حصرية.

المرجع: (1)