Nykyaikaisen teollisuuden kehitys on asettanut kasvavia vaatimuksia kokeilu-, tutkimus- ja tuotantoympäristölle. Tärkein tapa saavuttaa tämä vaatimus on käyttää laajalti ilmansuodattimia puhtaissa ilmastointijärjestelmissä. Näistä HEPA- ja ULPA-suodattimet ovat viimeinen suoja puhdastilaan pääseviä pölyhiukkasia vastaan. Niiden suorituskyky liittyy suoraan puhdastilan tasoon, mikä puolestaan vaikuttaa prosessin ja tuotteen laatuun. Siksi on merkityksellistä suorittaa kokeellista tutkimusta suodattimella. Kahden suodattimen vastuskykyä ja suodatuskykyä verrattiin eri tuulen nopeuksilla mittaamalla lasikuitusuodattimen ja PTFE-suodattimen suodatustehokkuutta 0,3 μm, 0,5 μm ja 1,0 μm PAO-hiukkasille. Tulokset osoittavat, että tuulen nopeus on erittäin tärkeä tekijä, joka vaikuttaa HEPA-ilmansuodattimien suodatustehokkuuteen. Mitä suurempi tuulen nopeus, sitä alhaisempi suodatustehokkuus, ja vaikutus on selvempi PTFE-suodattimilla.
Avainsanat:HEPA-ilmansuodatin; Vastuskyky; suodatuskyky; PTFE-suodatinpaperi; lasikuitusuodatinpaperi; lasikuitusuodatin.
CLC-numero: X964 Asiakirjan tunnistekoodi: A
Tieteen ja teknologian jatkuvan kehityksen myötä nykyaikaisten teollisuustuotteiden tuotanto ja modernisointi ovat tulleet yhä vaativammiksi sisäilman puhtauden suhteen. Erityisesti mikroelektroniikka, lääketiede, kemia, biologia, elintarviketeollisuus ja muut teollisuudenalat vaativat miniatyrisointia. Tarkkuus, korkea puhtaus, korkea laatu ja korkea luotettavuus sisäympäristössä asettavat yhä korkeampia vaatimuksia HEPA-ilmansuodattimien suorituskyvylle, joten HEPA-suodattimien valmistaminen kuluttajien kysynnän tyydyttämiseksi on tullut valmistajien kiireelliseksi tarpeeksi. Yksi ongelmista on ratkaistu [1-2]. On hyvin tiedossa, että suodattimen resistanssi ja suodatustehokkuus ovat kaksi tärkeää indikaattoria suodattimen arvioinnissa. Tässä artikkelissa pyritään analysoimaan eri suodatinmateriaalien HEPA-ilmansuodattimien suodatuskykyä ja resistanssia kokeellisesti [3] ja saman suodatinmateriaalin eri rakenteita. Suodattimen suodatuskyky ja resistanssiominaisuudet tarjoavat teoreettisen perustan suodatinvalmistajalle.
1 Testimenetelmän analyysi
HEPA-ilmansuodattimien havaitsemiseen on monia menetelmiä, ja eri mailla on erilaiset standardit. Vuonna 1956 Yhdysvaltain sotilaskomissio kehitti USMIL-STD282-standardin, HEPA-ilmansuodattimien testausstandardin, ja DOP-menetelmän hyötysuhteen testaamiseen. Vuonna 1965 laadittiin brittiläinen standardi BS3928, ja siinä käytettiin natriumliekkimenetelmää hyötysuhteen havaitsemiseen. Vuonna 1973 European Ventilation Association kehitti Eurovent 4/4 -standardin, joka noudatti natriumliekin havaitsemismenetelmää. Myöhemmin American Society for Environmental Testing and Filter Efficiency Science kokosi sarjan vastaavia standardeja suositelluille testausmenetelmille, joissa kaikissa käytettiin DOP-paksumittausmenetelmää. Vuonna 1999 Euroopassa vahvistettiin BSEN1822-standardi, jossa käytetään läpinäkyvintä hiukkaskokoa (MPPS) suodatustehokkuuden havaitsemiseen [4]. Kiinan havaitsemisstandardi käyttää natriumliekkimenetelmää. Tässä kokeessa käytetty HEPA-ilmansuodattimen suorituskyvyn havaitsemisjärjestelmä on kehitetty Yhdysvaltain 52.2-standardin perusteella. Havaitsemismenetelmässä käytetään paksuusmittausmenetelmää ja aerosolissa käytetään PAO-hiukkasia.
1. 1 pääinstrumentti
Tässä kokeessa käytetään kahta hiukkaslaskuria, jotka ovat yksinkertaisia, käteviä, nopeita ja intuitiivisia verrattuna muihin hiukkaspitoisuusmittauslaitteisiin [5]. Edellä mainitut hiukkaslaskurin edut tekevät siitä vähitellen muita menetelmiä korvaavan ja siitä on tullut hiukkaspitoisuuden tärkein testausmenetelmä. Ne voivat laskea sekä hiukkasten lukumäärän että hiukkaskokojakauman (eli laskentamäärän), mikä on tämän kokeen ydinlaitteisto. Näytteenottovirtausnopeus on 28,6 l/min, ja sen hiilivapaalla tyhjiöpumpulla on alhaisen melun ja vakaan suorituskyvyn ominaisuudet. Jos tämä lisävaruste asennetaan, lämpötila ja kosteus sekä tuulen nopeus voidaan mitata ja suodatin voidaan testata.
Ilmaisujärjestelmässä käytetään aerosoleja, jotka suodatetaan pölynä PAO-hiukkasista. Käytämme Yhdysvalloissa valmistettuja TDA-5B-mallin aerosoligeneraattoreita. Esiintymisalue on 500–65000 cfm (1 cfm = 28,6 LPM) ja pitoisuus on 100 μg/l, 6500 cfm; 10 μg/l, 65000 cfm.
1. 2 siistiä huonetta
Kokeen tarkkuuden parantamiseksi 10 000-tason laboratorio suunniteltiin ja sisustettiin Yhdysvaltain liittovaltion standardin 209C mukaisesti. Lattiapinnoitteelle on ominaista terrazzo-leima, kulutuskestävyys, hyvä tiivistys, joustavuus ja monimutkainen rakenne. Materiaali on epoksilakkaa ja seinät on valmistettu kootusta puhdastilan ulkoverhouksesta. Huone on varustettu 220 V:n, 2 × 40 W:n puhdistuslampuilla ja järjestetty valaistuksen ja kenttälaitteiden vaatimusten mukaisesti. Puhdastilassa on 4 yläilmanpoistoaukkoa ja 4 ilmanpalautusporttia. Ilmasuihkuhuone on suunniteltu yksittäistä kosketusohjausta varten. Ilmasuihkun aika on 0–100 s ja minkä tahansa säädettävän kiertoilmasuuttimen tuulennopeus on vähintään 20 ms. Koska puhdastilan pinta-ala on alle 50 m2 ja henkilökuntaa on alle 5 henkilöä, puhdastilasta on turvallinen poistuminen. Valittu HEPA-suodatin on GB01×4, ilmamäärä on 1000 m3/h ja suodatustehokkuus on suurempi tai yhtä suuri kuin 0,5 μm ja 99,995 %.
1. 3 kokeellista näytettä
Lasikuitusuodattimen mallit ovat: 610 (P) × 610 (K) × 150 (L) mm, ohjainlevytyyppinen, 75 laskosta, koko 610 (P) × 610 (K) × 90 (L) mm, 200 laskosta, PTFE-suodattimen koko 480 (P) × 480 (K) × 70 (L) mm, ilman ohjainlevyä, 100 laskosta.
2 Perusperiaatteet
Testipenkin perusperiaate on, että tuuletin puhalletaan ilmaan. Koska HEPA/UEPA-suodattimessa on myös HEPA-ilmansuodatin, ilmaa voidaan pitää puhtaana ennen testattavan HEPA/UEPA-suodattimen saavuttamista. Laite päästää PAO-hiukkasia putkistoon muodostaen halutun pitoisuuden pölypitoista kaasua ja käyttää laserhiukkaslaskinta hiukkaspitoisuuden määrittämiseen. Pölypitoinen kaasu virtaa sitten testattavan HEPA/UEPA-suodattimen läpi, ja HEPA/UEPA-suodattimen suodattaman ilman pölyhiukkaspitoisuus mitataan myös laserhiukkaslaskimella. Ilman pölypitoisuutta ennen suodatinta ja sen jälkeen verrataan, jolloin määritetään HEPA/UEPA-suodattimen suorituskyky. Lisäksi näytteenottoaukot on järjestetty vastaavasti ennen suodatinta ja sen jälkeen, ja kunkin tuulennopeuden vastusta testataan kallistettavalla mikropainemittarilla.
3 suodattimen resistanssin suorituskyvyn vertailu
HEPA-suodattimen resistanssiominaisuus on yksi HEPA-suodattimen tärkeimmistä ominaisuuksista. Tehokkuuden täyttämisen edellytyksenä on, että resistanssiominaisuudet liittyvät käyttökustannuksiin. Pieni resistanssi ja energiankulutus pienenevät, mikä säästää kustannuksia. Siksi suodattimen resistanssisuorituskyvystä on tullut huolenaihe. Se on yksi tärkeimmistä indikaattoreista.
Kokeellisten mittaustietojen perusteella saadaan selville lasikuitu- ja PTFE-suodattimien kahden eri rakennesuodattimen keskimääräisen tuulennopeuden ja suodattimen paine-eron välinen suhde.Suhde on esitetty kuvassa 2:
Kokeellisista tiedoista voidaan nähdä, että tuulen nopeuden kasvaessa suodattimen vastus kasvaa lineaarisesti pienestä suureen, ja kahden lasikuitusuodattimen kaksi suoraa viivaa ovat olennaisesti samassa linjassa. On helppo nähdä, että kun suodatustuulen nopeus on 1 m/s, lasikuitusuodattimen vastus on noin neljä kertaa suurempi kuin PTFE-suodattimen.
Suodattimen pinta-alan tuntemalla voidaan johtaa pintanopeuden ja suodattimen paine-eron välinen suhde:
Kokeellisista tiedoista voidaan nähdä, että tuulen nopeuden kasvaessa suodattimen vastus kasvaa lineaarisesti pienestä suureen, ja kahden lasikuitusuodattimen kaksi suoraa viivaa ovat olennaisesti samassa linjassa. On helppo nähdä, että kun suodatustuulen nopeus on 1 m/s, lasikuitusuodattimen vastus on noin neljä kertaa suurempi kuin PTFE-suodattimen.
Suodattimen pinta-alan tuntemalla voidaan johtaa pintanopeuden ja suodattimen paine-eron välinen suhde:
Kahden suodatinpaperin pintanopeuseron ja kahden suodatinpaperin suodatinpaine-eron vuoksi 610 × 610 × 90 mm:n suodattimen vastus samalla pintanopeudella on suurempi kuin 610 × suodattimen. 610 x 150 mm:n suodattimen vastus.
On kuitenkin selvää, että samalla pintanopeudella lasikuitusuodattimen vastus on suurempi kuin PTFE:n. Tämä osoittaa, että PTFE on lasikuitusuodatinta parempi vastuskyvyn suhteen. Lasikuitusuodattimen ja PTFE:n kestävyyden ominaisuuksien ymmärtämiseksi paremmin suoritettiin lisäkokeita. Kahden suodatinpaperin vastusta tutkittiin suoraan suodattimen tuulen nopeuden muuttuessa, ja kokeelliset tulokset on esitetty alla:
Tämä vahvistaa entisestään aiempaa johtopäätöstä, jonka mukaan lasikuitusuodatinpaperin kestävyys on suurempi kuin PTFE:n samalla tuulennopeudella [6].
4 suodattimen suorituskyvyn vertailu
Koeolosuhteiden mukaisesti suodattimen suodatustehokkuus hiukkasille, joiden hiukkaskoko on 0,3 μm, 0,5 μm ja 1,0 μm, voidaan mitata eri tuulen nopeuksilla, ja saadaan seuraava kaavio:
Kahden lasikuitusuodattimen suodatustehokkuus 1,0 μm:n hiukkasille eri tuulennopeuksilla on selvästi 100 %, ja 0,3 μm:n ja 0,5 μm:n hiukkasten suodatustehokkuus laskee tuulen nopeuden kasvaessa. Voidaan nähdä, että suodattimen suodatustehokkuus suurille hiukkasille on korkeampi kuin pienille hiukkasille, ja 610 × 610 × 150 mm:n suodattimen suodatusteho on parempi kuin 610 × 610 × 90 mm:n suodattimen.
Samaa menetelmää käyttäen saadaan kuvaaja, joka esittää 480 × 480 × 70 mm:n PTFE-suodattimen suodatustehokkuuden välistä suhdetta tuulen nopeuden funktiona:
Kuvioita 5 ja 6 verrattaessa 0,3 μm:n ja 0,5 μm:n hiukkaslasisuodattimien suodatusteho on parempi, erityisesti 0,3 μm:n pölykontrastivaikutuksen osalta. Kolmen hiukkasen suodatusteho 1 μm:n hiukkasiin oli 100 %.
Lasikuitusuodattimen ja PTFE-suodatinmateriaalin suodatustehon vertailun helpottamiseksi suodattimien suorituskykytestit suoritettiin suoraan molemmille suodatinpapereille, ja saatiin seuraava kaavio:
Yllä oleva kaavio on saatu mittaamalla PTFE:n ja lasikuitusuodatinpaperin suodatustehoa 0,3 μm:n hiukkasiin eri tuulen nopeuksilla [7-8]. On selvää, että PTFE-suodatinpaperin suodatustehokkuus on alhaisempi kuin lasikuitusuodatinpaperin.
Suodatinmateriaalin vastusominaisuudet ja suodatusominaisuudet huomioon ottaen on helppo nähdä, että PTFE-suodatinmateriaali soveltuu paremmin karkeiden tai sub-HEPA-suodattimien valmistukseen, ja lasikuitusuodatinmateriaali sopii paremmin HEPA- tai ultra-HEPA-suodattimien valmistukseen.
5 Johtopäätös
Erilaisten suodatinsovellusten näkymiä tutkitaan vertaamalla PTFE-suodattimien ja lasikuitusuodattimien vastus- ja suodatusominaisuuksia. Kokeesta voidaan päätellä, että tuulen nopeus on erittäin tärkeä tekijä, joka vaikuttaa HEPA-ilmansuodattimen suodatustehoon. Mitä suurempi tuulen nopeus, sitä alhaisempi suodatustehokkuus ja sitä selvempi vaikutus PTFE-suodattimeen on. Kaiken kaikkiaan PTFE-suodattimella on alhaisempi suodatusteho kuin lasikuitusuodattimella, mutta sen vastus on alhaisempi kuin lasikuitusuodattimella. Siksi PTFE-suodatinmateriaali soveltuu paremmin karkeiden tai alitehoisten suodattimien valmistukseen, ja lasikuitusuodatinmateriaali sopii paremmin tehokkaan tai erittäin tehokkaan suodattimen tuotantoon. 610 × 610 × 150 mm:n spesifikaation mukainen lasikuitu-HEPA-suodatin on alhaisempi kuin 610 × 610 × 90 mm:n lasikuitu-HEPA-suodatin, ja sen suodatusteho on parempi kuin 610 × 610 × 90 mm:n lasikuitu-HEPA-suodattimen. Tällä hetkellä puhtaan PTFE-suodatinmateriaalin hinta on korkeampi kuin lasikuidun. Verrattuna lasikuituun, PTFE:llä on kuitenkin parempi lämmönkestävyys, korroosionkestävyys ja hydrolyysinkestävyys kuin lasikuidulla. Siksi suodattimen valmistuksessa on otettava huomioon useita tekijöitä, jotka yhdistävät teknisen suorituskyvyn ja taloudellisen suorituskyvyn.
Viitteet:
[1] Liu Laihong, Wang Shihong. Ilmansuodattimien kehittäminen ja käyttö [J]•Filtering and Separation, 2000, 10(4): 8-10.
[2] CN Davisin ilmansuodatin [M], Huang Riguangin käännös. Peking: Atomic Energy Press, 1979.
[3] GB/T6165-1985 korkean hyötysuhteen ilmansuodattimen suorituskyvyn testausmenetelmä, läpäisykyky ja resistanssi [M]. Yhdysvaltain standardivirasto, 1985.
[4] Xing Songnian. Tehokkaan ilmansuodattimen havaitsemismenetelmä ja käytännön sovellus [J] • Bioprotective Epidemic Prevention Equipment, 2005, 26(1): 29-31.
[5] Hochrainer. Hiukkaslaskurin jatkokehitys
sizerPCS-2000 lasikuitu [J] • Filter Journal of AerosolScience, 2000, 31 (1): 771-772.
[6]E. Weingartner, P. Haller, H. Burtscher jne. Paine
DropAcrossFiberFilters [J] • Aerosol Science, 1996, 27(1): 639-640.
[7] Michael JM ja Clyde Orr. Suodatus - periaatteet ja käytännöt [M].
New York: MarcelDekkerInc, 1987•
[8] Zhang Guoquan. Aerosolien mekaniikka – pölynpoiston ja -puhdistuksen teoreettinen perusta [M] • Peking: China Environmental Science Press, 1987.
Julkaisun aika: 06.01.2019