Studio sperimentale sulle prestazioni del filtro dell'aria HEPA

Lo sviluppo dell'industria moderna ha posto crescenti esigenze in ambito di sperimentazione, ricerca e produzione. Il modo principale per soddisfare questo requisito è l'utilizzo diffuso di filtri dell'aria nei sistemi di condizionamento dell'aria. Tra questi, i filtri HEPA e ULPA rappresentano l'ultima frontiera nella protezione contro le particelle di polvere che entrano nella camera bianca. Le loro prestazioni sono direttamente correlate al livello della camera bianca, che a sua volta influisce sulla qualità del processo e del prodotto. Pertanto, è significativo condurre ricerche sperimentali sui filtri. Le prestazioni di resistenza e di filtrazione dei due filtri sono state confrontate a diverse velocità del vento misurando l'efficienza di filtrazione del filtro in fibra di vetro e del filtro in PTFE per particelle di PAO di 0,3 μm, 0,5 μm e 1,0 μm. I risultati mostrano che la velocità del vento è un fattore molto importante che influenza l'efficienza di filtrazione dei filtri dell'aria HEPA. Maggiore è la velocità del vento, minore è l'efficienza di filtrazione e l'effetto è più evidente per i filtri in PTFE.

Parole chiave:Filtro dell'aria HEPA; Prestazioni di resistenza; Prestazioni di filtrazione; Carta da filtro in PTFE; Carta da filtro in fibra di vetro; Filtro in fibra di vetro.
Numero CLC: X964 Codice identificativo del documento: A
Con il continuo sviluppo della scienza e della tecnologia, la produzione e la modernizzazione dei prodotti industriali moderni sono diventate sempre più esigenti in termini di purezza dell'aria interna. In particolare, i settori della microelettronica, della medicina, della chimica, della biologia, della lavorazione alimentare e altri richiedono la miniaturizzazione. Precisione, elevata purezza, alta qualità e alta affidabilità in ambienti interni impongono requisiti sempre più elevati alle prestazioni dei filtri dell'aria HEPA, quindi la produzione di filtri HEPA per soddisfare la domanda dei consumatori è diventata un'esigenza urgente per i produttori. Uno dei problemi risolti [1-2]. È noto che le prestazioni di resistenza e l'efficienza di filtrazione del filtro sono due indicatori importanti per la valutazione del filtro. Questo articolo tenta di analizzare le prestazioni di filtrazione e le prestazioni di resistenza del filtro dell'aria HEPA di diversi materiali filtranti mediante esperimenti [3] e le diverse strutture dello stesso materiale filtrante. Le prestazioni di filtrazione e le proprietà di resistenza del filtro forniscono una base teorica per il produttore del filtro.

1 Analisi del metodo di prova
Esistono molti metodi per rilevare i filtri dell'aria HEPA e diversi paesi hanno standard diversi. Nel 1956, la Commissione Militare degli Stati Uniti ha sviluppato lo USMIL-STD282, uno standard di test per i filtri dell'aria HEPA, e il metodo DOP per i test di efficienza. Nel 1965, è stato stabilito lo standard britannico BS3928 e è stato utilizzato il metodo della fiamma di sodio per il rilevamento dell'efficienza. Nel 1973, l'Associazione Europea per la Ventilazione ha sviluppato lo standard Eurovent 4/4, che seguiva il metodo di rilevamento della fiamma di sodio. Successivamente, l'American Society for Environmental Testing and Filter Efficiency Science ha compilato una serie di standard simili per i metodi di test raccomandati, tutti utilizzando il metodo di conteggio del calibro DOP. Nel 1999, l'Europa ha stabilito lo standard BSEN1822, che utilizza la dimensione delle particelle più trasparenti (MPPS) per rilevare l'efficienza di filtrazione [4]. Lo standard di rilevamento della Cina adotta il metodo della fiamma di sodio. Il sistema di rilevamento delle prestazioni del filtro dell'aria HEPA utilizzato in questo esperimento è sviluppato sulla base dello standard statunitense 52.2. Il metodo di rilevamento utilizza un metodo di conteggio con calibro e l'aerosol utilizza particelle di PAO.
1. 1 strumento principale
Questo esperimento utilizza due contatori di particelle, semplici, convenienti, veloci e intuitivi rispetto ad altre apparecchiature di prova della concentrazione di particelle [5]. I vantaggi sopra menzionati del contatore di particelle lo rendono gradualmente sostituto di altri metodi e lo rendono il principale metodo di prova per la concentrazione di particelle. Possono contare sia il numero di particelle che la distribuzione granulometrica (ovvero, conteggio), che è l'attrezzatura principale di questo esperimento. La portata di campionamento è di 28,6 LPM e la sua pompa a vuoto senza carbonio ha le caratteristiche di bassa rumorosità e prestazioni stabili. Se l'opzione è installata, è possibile misurare la temperatura, l'umidità e la velocità del vento e testare il filtro.
Il sistema di rilevamento utilizza aerosol che utilizzano particelle di PAO come polvere da filtrare. Utilizziamo i generatori di aerosol (generatori di aerosol) del modello TDA-5B prodotti negli Stati Uniti. L'intervallo di presenza è di 500-65.000 cfm (1 cfm = 28,6 LPM) e la concentrazione è di 100 μg/L, 6.500 cfm; 10 μg/L, 65.000 cfm.
1. 2 camera bianca
Per migliorare l'accuratezza dell'esperimento, il laboratorio di livello 10.000 è stato progettato e decorato secondo lo standard federale statunitense 209C. Il pavimento è rivestito in terrazzo, caratterizzato dai vantaggi del terrazzo, dalla resistenza all'usura, dall'ottima tenuta, dalla flessibilità e dalla complessità costruttiva. Il materiale è laccato epossidico e le pareti sono realizzate con rivestimento per camera bianca assemblato. La camera è dotata di 6 lampade di purificazione da 220 V, 2 × 40 W e disposte in base ai requisiti di illuminazione e alle attrezzature di campo. La camera bianca dispone di 4 prese d'aria superiori e 4 porte di ritorno dell'aria. La camera con doccia d'aria è progettata per un singolo controllo touch ordinario. Il tempo di doccia d'aria è compreso tra 0 e 100 secondi e la velocità del vento di qualsiasi ugello di circolazione dell'aria regolabile è maggiore o uguale a 20 ms. Poiché la superficie della camera bianca è inferiore a 50 m² e il personale è composto da meno di 5 persone, è prevista un'uscita di sicurezza per la camera bianca. Il filtro HEPA selezionato è GB01×4, il volume d'aria è 1000 m3/h e l'efficienza di filtrazione è maggiore o uguale a 0,5 μm e 99,995%.
1. 3 campioni sperimentali
I modelli del filtro in fibra di vetro sono: 610 (L) × 610 (A) × 150 (P) mm, tipo deflettore, 75 pieghe, dimensioni 610 (L) × 610 (A) × 90 (P) mm, con 200 pieghe, dimensioni del filtro in PTFE 480 (L) × 480 (A) × 70 (P) mm, senza tipo deflettore, con 100 pieghe.
2 Principi di base
Il principio di base del banco prova è che la ventola viene soffiata nell'aria. Poiché il filtro HEPA/UEPA è dotato anche di un filtro dell'aria HEPA, si può considerare che l'aria sia diventata pulita prima di raggiungere il filtro HEPA/UEPA testato. Il dispositivo emette particelle di PAO nella tubazione per formare la concentrazione desiderata di gas contenente polvere e utilizza un contatore di particelle laser per determinarne la concentrazione. Il gas contenente polvere fluisce quindi attraverso il filtro HEPA/UEPA testato e la concentrazione di particelle di polvere nell'aria filtrata dal filtro HEPA/UEPA viene misurata anch'essa utilizzando un contatore di particelle laser, confrontando la concentrazione di polvere nell'aria prima e dopo il filtro, determinando così il filtro HEPA/UEPA. Prestazioni del filtro. Inoltre, i fori di campionamento sono disposti rispettivamente prima e dopo il filtro e la resistenza a ciascuna velocità del vento viene testata utilizzando un micrometro a inclinazione.

3 confronto delle prestazioni di resistenza del filtro
La resistenza del filtro HEPA è una delle sue caratteristiche più importanti. Considerando l'esigenza di soddisfare l'efficienza richiesta dalle persone, le caratteristiche di resistenza sono correlate al costo di utilizzo: la resistenza è ridotta, il consumo energetico è ridotto e i costi si riducono. Pertanto, le prestazioni di resistenza del filtro sono diventate un fattore di interesse. Uno degli indicatori più importanti.
In base ai dati delle misurazioni sperimentali, si ottiene la relazione tra la velocità media del vento dei due diversi filtri strutturali del filtro in fibra di vetro e del filtro in PTFE e la differenza di pressione del filtro.La relazione è mostrata nella Figura 2:

Dai dati sperimentali si può osservare che, all'aumentare della velocità del vento, la resistenza del filtro aumenta linearmente da bassa ad alta, e le due rette dei due filtri in fibra di vetro coincidono sostanzialmente. È facile osservare che, quando la velocità del vento di filtrazione è di 1 m/s, la resistenza del filtro in fibra di vetro è circa quattro volte superiore a quella del filtro in PTFE.

Conoscendo l'area del filtro, è possibile ricavare la relazione tra la velocità frontale e la differenza di pressione del filtro:
Dai dati sperimentali si può osservare che, all'aumentare della velocità del vento, la resistenza del filtro aumenta linearmente da bassa ad alta, e le due rette dei due filtri in fibra di vetro coincidono sostanzialmente. È facile osservare che, quando la velocità del vento di filtrazione è di 1 m/s, la resistenza del filtro in fibra di vetro è circa quattro volte superiore a quella del filtro in PTFE.

Conoscendo l'area del filtro, è possibile ricavare la relazione tra la velocità frontale e la differenza di pressione del filtro:

A causa della differenza tra la velocità superficiale dei due tipi di filtro e la differenza di pressione delle due carte da filtro, la resistenza del filtro con specifiche di 610 × 610 × 90 mm alla stessa velocità superficiale è superiore a quella del filtro con specifiche di 610 × 610 × 90 mm. Resistenza del filtro 610 × 150 mm.

Tuttavia, è chiaro che a parità di velocità superficiale, la resistenza del filtro in fibra di vetro è superiore a quella del PTFE. Ciò dimostra che il PTFE è superiore al filtro in fibra di vetro in termini di prestazioni di resistenza. Per comprendere meglio le caratteristiche di resistenza del filtro in fibra di vetro e del PTFE, sono stati condotti ulteriori esperimenti. Studiando direttamente la resistenza delle due carte da filtro al variare della velocità del vento sul filtro, i risultati sperimentali sono riportati di seguito:

Ciò conferma ulteriormente la precedente conclusione secondo cui la resistenza della carta da filtro in fibra di vetro è superiore a quella del PTFE alla stessa velocità del vento [6].
4 confronto delle prestazioni del filtro
In base alle condizioni sperimentali, è possibile misurare l'efficienza di filtrazione del filtro per particelle con dimensioni pari a 0,3 μm, 0,5 μm e 1,0 μm a diverse velocità del vento, ottenendo il seguente grafico:

Ovviamente, l'efficienza di filtrazione dei due filtri in fibra di vetro per particelle da 1,0 μm a diverse velocità del vento è del 100%, mentre l'efficienza di filtrazione per particelle da 0,3 μm e 0,5 μm diminuisce con l'aumentare della velocità del vento. Si può osservare che l'efficienza di filtrazione del filtro per le particelle di grandi dimensioni è superiore a quella per le particelle di piccole dimensioni, e che le prestazioni di filtrazione del filtro da 610 × 610 × 150 mm sono superiori a quelle del filtro con specifiche da 610 × 610 × 90 mm.
Utilizzando lo stesso metodo si ottiene un grafico che mostra la relazione tra l'efficienza di filtrazione del filtro PTFE da 480×480×70 mm in funzione della velocità del vento:

Confrontando le Fig. 5 e Fig. 6, l'effetto di filtrazione del filtro in vetro con particelle da 0,3 μm e 0,5 μm è migliore, soprattutto per quanto riguarda l'effetto di contrasto della polvere da 0,3 μm. L'effetto di filtrazione delle tre particelle su particelle da 1 μm è stato del 100%.
Per confrontare in modo più intuitivo le prestazioni di filtrazione del filtro in fibra di vetro e del materiale filtrante in PTFE, i test sulle prestazioni del filtro sono stati eseguiti direttamente sulle due carte da filtro, ottenendo il seguente grafico:

Il grafico sopra è ottenuto misurando l'effetto di filtrazione della carta da filtro in PTFE e fibra di vetro su particelle da 0,3 μm a diverse velocità del vento [7-8]. È ovvio che l'efficienza di filtrazione della carta da filtro in PTFE è inferiore a quella della carta da filtro in fibra di vetro.
Considerando le proprietà di resistenza e di filtrazione del materiale filtrante, è facile vedere che il materiale filtrante in PTFE è più adatto per realizzare filtri grossolani o sub-HEPA, mentre il materiale filtrante in fibra di vetro è più adatto per realizzare filtri HEPA o ultra-HEPA.
5 Conclusion
Le prospettive per diverse applicazioni di filtrazione vengono esplorate confrontando le proprietà di resistenza e filtrazione dei filtri in PTFE con quelle dei filtri in fibra di vetro. Dall'esperimento possiamo trarre la conclusione che la velocità del vento è un fattore molto importante che influenza l'effetto filtrante del filtro dell'aria HEPA. Maggiore è la velocità del vento, minore è l'efficienza di filtrazione, più evidente è l'effetto sul filtro in PTFE e, in generale, il filtro in PTFE ha un effetto filtrante inferiore rispetto al filtro in fibra di vetro, ma la sua resistenza è inferiore a quella del filtro in fibra di vetro. Pertanto, il materiale filtrante in PTFE è più adatto per la realizzazione di filtri a efficienza grossolana o sub-alta, mentre il materiale filtrante in fibra di vetro è più adatto per la produzione di filtri efficienti o ultra-efficienti. Il filtro HEPA in fibra di vetro con una specifica di 610 × 610 × 150 mm è inferiore al filtro HEPA in fibra di vetro da 610 × 610 × 90 mm e le prestazioni di filtrazione sono migliori rispetto al filtro HEPA in fibra di vetro da 610 × 610 × 90 mm. Attualmente, il prezzo del materiale filtrante in PTFE puro è superiore a quello della fibra di vetro. Tuttavia, rispetto alla fibra di vetro, il PTFE offre una migliore resistenza alla temperatura, alla corrosione e all'idrolisi. Pertanto, è necessario considerare diversi fattori nella produzione del filtro. Combinare prestazioni tecniche ed economiche.
Riferimenti:
[1]Liu Laihong, Wang Shihong. Sviluppo e applicazione di filtri dell'aria [J]•Filtraggio e separazione, 2000, 10(4): 8-10.
[2] Filtro dell'aria CN Davis [M], tradotto da Huang Riguang. Pechino: Atomic Energy Press, 1979.
[3] GB/T6165-1985 metodo di prova delle prestazioni del filtro dell'aria ad alta efficienza trasmittanza e resistenza [M]. National Bureau of Standards, 1985.
[4]Xing Songnian. Metodo di rilevamento e applicazione pratica del filtro dell'aria ad alta efficienza[J]•Apparecchiature per la prevenzione delle epidemie bioprotettive, 2005, 26(1): 29-31.
[5]Hochrainer. Ulteriori sviluppi del contatore di particelle
fibra di vetro sizerPCS-2000 [J]•Filtro Journal ofAerosolScience, 2000,31(1): 771-772.
[6]E. Weingartner, P. Haller, H. Burtscher ecc. Pressione
DropAcrossFiberFilters[J]•Aerosol Science, 1996, 27(1): 639-640.
[7]Michael JM e Clyde Orr. Filtrazione: principi e pratiche[M].
New York:MarcelDekkerInc, 1987•
[8] Zhang Guoquan. Meccanica degli aerosol – basi teoriche per la rimozione e la purificazione della polvere [M] • Pechino: China Environmental Science Press, 1987.