فیلترهای هوا به‌عنوان یکی از اجزای حیاتی سیستم‌های تهویه هوای مطبوع، تجهیزات صنعتی، و کنترل آلودگی هوا نقش اساسی در بهبود کیفیت هوای محیط و هوای ورودی تجهیزات حساسی مانند توربین‌ها ایفا می‌کنند. با توجه به افزایش روزافزون آلودگی هوا و پیشرفت‌های سریع تکنولوژی، توسعه فیلترهای هوا با عملکرد بالا از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. این فیلترها قادرند ذرات معلق، آلاینده‌های شیمیایی، ویروس‌ها، و باکتری‌ها را به‌طور مؤثر از جریان هوا حذف کنند. طراحی و انتخاب فیلترهای هوا نیازمند درک عمیق از مکانیسم‌های فیلتراسیون و عوامل مؤثر در عملکرد آنها است که شامل بررسی دقیق پارامترهایی مانند افت فشار، راندمان حذف ذرات، ظرفیت نگهداری گرد و غبار و مقاومت در برابر جریان هوا می‌شود.
به طور کلی، مکانیسم‌های متعددی در فیلتراسیون هوا برای به دام انداختن ذرات استفاده می شوند. در واقع ترکیب این مکانیسم‌ها در طراحی فیلترهای هوا، امکان جداسازی طیف گسترده‌ای از آلاینده‌ها را فراهم می‌کند. از جمله مکانیسم‌های موثر در فیلترهای هوا می توان به برخورد مستقیم، اینرسی، نفوذ یا انتشار، الکتروستاتیک و سرند کردن و ته نشینی اشاره کرد. هر کدام از این مکانیسم‌ها به روش‌های متفاوتی عمل می کنند و با شناخت دقیق این مکانیسم‌ها، می‌توان به بهبود و بهینه‌سازی عملکرد فیلترهای هوا در فرایند‌های مختلف دست یافت.
در این مقاله، به بررسی مبانی فیلتراسیون هوا، مکانیسم‌های اصلی حذف ذرات، انواع روش‌های فیلتراسیون به صورت عمقی و سطحی و همچنین به معرفی استاندارد EN779 به عنوان یکی از روش‌های ارزیابی فیلترهای هوا پرداخته شده است.
حفظ و به دام افتادن آلاینده‌ها توسط فیلترهای هوا تحت تأثیر پارامتر‌های متعددی از جمله ویژگی‌های آلاینده‌ها (اندازه، جرم، نوع)، ویژگی های جریان هوا (رطوبت، سرعت)، مدیای فیلتر (غشاء، فیلترهای عمقی و سطحی) و مکانیسم‌های فیلتراسیون می باشند. در نظر گرفتن مکانیسم‌های فیلتراسیون هوا از پارامتر‌های موثر در طراحی است. به گونه ای که هریک از این مکانیسم‌ها بسته به اندازه و نوع ذرات و شرایط سیال اثرگذاری متفاوتی داشته و کارایی فیلتر را تعیین می‌کنند. علاوه بر این، طراحی فیلترهای هوا باید به گونه‌ای انجام شود که ترکیبی از بازدهی بالا در جذب ذرات و افت فشار کم را فراهم کند تا از مصرف انرژی بیش از حد در سیستم‌های فیلتراسیون هوا جلوگیری شود. در ادامه به بررسی انواع مکانیسم‌های موثر روی عملکرد فیلترهای هوا پرداخته شده است.
این مکانیسم در واقع یکی از ساده ترین مکانیسم‌های موثر در حذف ذرات است . در این مکانیسم ذرات تحت تاثیر نیروی حاصل از وزن و گرانش به سادگی از مسیر جریان جداشده و ته نشین می شوند. عواملی همچون وزن ذرات، ویسکوزیته و اندازه ذرات در نحوه عملکرد آن بسیار مهم است. این مکانیسم در جداسازی ذرات کوچک و سبک، مانند ذرات نانو یا میکرونی که به دلیل حرکت براونی به طور نامنظم در سیال معلق هستند، کارایی کمتری دارد. عمدتا برای ذرات بزرگتر از ۱ µ این مکانیسم می‌تواند غالب باشد. در شکل ۱ نحوه به دام افتادن ذره با این مکانیسم نشان داده شده است.
این مکانیسم ارتباط مستقیم یا سایز ذرات دارد. در واقع اگر ذره، بزرگتر از منافذ موجود در مدیای فیلتر باشد و اینرسی کافی برای آسیب رساندن به بستر فيلتر نداشته باشد، متوقف شده و به دام میافتد. این مکانیسم ساده و متداول است، به ویژه در کاربردهایی که تنها نیاز به حذف ذرات بزرگتر وجود دارد موثر است.
مکانیسم اینرسی عمدتا زمانی اتفاق میافتد که جریان هوا هنگام عبور از مسیرهای جریان در بستر مدیای فیلتر تغییر جهت می‌دهد و آلاینده‌ها به دلیل تکانه (Momentum)، که ناشی از ناشی از جرم و سرعت است، خطوط جریان سیال را ترک و تغییر مسیر می‌دهند و در نهایت در بستر الیاف تحت تاثیر نیروهای جاذبه ملکولی به دام می افتند. عمدتا ذرات با اندازه‌های بزرگتر، سرعت‌ها و چگالی‌های بزرگتر از اینرسی بالاتری برخوردارند و بنابراین طبق قانون اینرسی راحت تر از خطوط جریان هوا خارج می شوند و با الیاف برخورد می کنند و توسط آنها به دام می افتند . سرعت سیال نیز در نحوه عملکرد این مکانیسم بسیار موثر می باشد. پارامتر دیگر نیز میزان تراکم الیاف بستر مدیا است و در واقع هر چه الیاف متراکم تر باشند احتمال برخورد ذرات با الیاف بیشتر می‌شود. به طور کلی، ذرات حدود ۱ میکرومتر یا بیشتر ممکن است به طور موثر توسط این مکانیسم حذف شوند در برخی از اوقات می توان آلاینده‌های با اندازه‌های کوچکتر از اندازه منافذ را از این روش به دام انداخت. (شکل ۳).
مکانیسم برخورد مستقیم زمانی اتفاق می افتد که ذره دارای اینرسی کافی برای جدا شدن از خط جریان را نداشته باشد، اما به اندازه کافی به فیبر نزدیک می شود تا نیروهای طبیعی ذره را به الیاف متصل کنند. در واقع در این مکانیسم ذره از خط جریان اولیه پیروی می کند تا زمانیکه امکان تعامل بین ذره و بستر الیافی مدیای فیلتر ایجاد شود. از نظر علم ریاضیات زمانی که فاصله از مرکز جرم ذره تا سطح الیاف مساوی یا کمتر از شعاع ذره باشد، ذره ای توسط بستر مدیا جذب و به دام میافتد . این روش عمدتا در هر دو نوع سیال هوا و مایع به کار گرفته می شود و به سرعت ذرات نیز بستگی دارد. یک تمایز اساسی بین مکانیسم برخورد مستقیم و اینرسی وجود دارد در واقع در این مکانیسم هیچ انحرافی از خط جریان سیال برای به دام افتادن وجود ندارد تا جایی که ذره به الیاف بستر فیلتر مسقیما برخورد کند و در همان مکان به دام می افتد. فرض آرام بودن جریان سیال در این مکانیسم در نظر گرفته می شود و احتمال جذب ذرات از طریق این مکانیسم معمولا به نسبت اندازه‌ي ذره به‌اندازه‌ي منفذ و پیوندی که بین ذره و بستر فیلتر تشکیل می‌شود، بستگی دارد.
این مکانیسم موثرترین روش برای گرفتن ذرات با اندازه‌های کمتر از ۰.۲ میکرومتر است. در واقع، حرکت ذرات براساس حرکات براونی یا کاتوره‌ای احتمال برخورد بین ذرات و الیاف بستر را افزایش می‌دهد و همین موضوع باعث می شود ذرات بسیار ریز، مانند نانوذرات، توسط بستر فیلتر به دام افتند حتی اگر این ذرات اندازه کوچک تری نسبت به منافذ فیلتر داشته باشند. با کاهش اندازه ذرات یا سرعت سیال ، سرعت انتشار تحت اثر حرکات براونی بیشتر اهمیت میابد. هرچه سرعت جریان هوا در حین کارکرد فیلتر هوا کمتر باشد، زمان بیشتری برای جداسازی از طریق مکانیسم انتشار وجود دارد، بنابراین احتمال برخورد بین ذره و مدیای فیلتر به طور چشمگیری افزایش می یابد. در واقع باعث ایجاد یک حرکت “زیگزاگی” تصادفی برای ذرات غبار می شود. از آنجایی که این برخوردها انرژی کمی دارند، این مکانیسم فقط برای ذرات بسیار کوچک (معمولا کمتر از ۱ میکرون) موثر است و با افزایش اندازه ذرات از شدت آن کاسته می شود. بنابراین، هرچه ذره کوچکتر باشد، حرکت تصادفی آن بیشتر است. همچنین بازدهی برای ذرات ریزتر بالاتر است، در شکل ۲ نحوه عملکرد این مکانیسم نشان داده شده است.
یکی از مکانیسم‌های مهم در فرآیند فیلتراسیون اثر الکتروستاتیک است که به نگهداشتن ذرات روی بستر فیلترها کمک می‌کند. این مکانیسم به خصوص در فیلتراسیون ذرات بسیار ریز، مانند گرد و غبار و آئروسل‌ها، نقش مؤثری دارد. در این مکانیسم، ذرات باردار (مثبت یا منفی) به سمت الیاف یا سطح بستر مدیای فیلترهایی که دارای بار مخالف هستند، جذب می‌شوند. در واقع ایجاد بار الکتریکی روی بستر فیلتر یا ذرات آلاینده ممکن به دو صورت طبیعی یا در اثر برخورد با یکدیگر یا سطوح باردار صورت می گیرد. البته در برخی از فیلترها نیز برای افزایش بازدهی الیاف یا بستر فیلتر می توانند از طریق یک فرایند القای بار الکتریکی باردار شو.ند. که منجر به افزایش راندمان فیلتر در حذف ذرات ریز حتی کوچکتر از منافذ فیلتر می‌شوند. در واقع هنگامی که ذرات باردار در تماس با الیاف فیلتر عبور می‌کنند، نیروی الکتروستاتیکی باعث جذب ذرات به سطح الیاف دارای بار مخالف می‌شود. این مکانیسم باعث می‌شود که ظرفیت جذب ذرات توسط فیلتر افزایش یابد بدون اینکه نیاز به کاهش سایز منافذ باشد، و در نتیجه افت فشار نیز کمتر از فیلترهای معمولی خواهد بود. نحوه عملکرد این مکانیسم عمدتا به میزان بار الکتریکی ذرات و بار روی بستر فیلتر بستگی دارد . همچنین سرعت جریان هوا می‌تواند بر میزان برخورد ذرات با سطح فیلتر تأثیر بگذارد. سرعت‌های بالاتر ممکن است باعث کاهش زمان تماس ذرات با فیلتر شده و در نتیجه کاهش جذب ذرات توسط بار الکتریکی فیلتر گردد. در این حالت، فیلترهای الکترواستاتیکی ممکن است در سرعت‌های پایین عملکرد بهتری داشته باشند.
همانگونه که پیش از این گفته شد در سیستم‌های فیلتراسیون هوا، مکانیسم‌های متفاوتی در نحوه عملکرد فیلترها موثر هستند و همپوشانی و ترکیب این مکانیسم‌ها باعث افزایش بازدهی فیلتر و تضمین به دام انداختن ذرات از کوچکترین تا بزرگ‌ترین اندازه‌ها می‌شود. در ادامه نحوه ترکیب و همپوشانی این مکانیسم‌ها و تاثیر آنها بر بازدهی فیلترها شرح داده شده است. به منظور درک بهتر مطلب در شکل ۲ نحوه عملکرد مکانیسم‌های فیلتراسیون در اندازه‌های متفاوت از ذرات آورده شده است.
با توجه به شکل هر یک از مکانیسم‌های فیلتراسیون در بازه مشخصی از اندازه ذرات دارای تاثیر بیشتری هستند. اما نکته بسیار مهمی که در این بین وجود دارد در نظر گرفتن بازه ای از اندازه ذرات تحت عنوانMPPS (Most Penetrating Particle Size) است که به صورت نافذ ترین اندازه ذرات در سیستم‌های فیلتراسیون هوا تعریف می شوند. عمدتا در این بازه اندازه ذرات، آلاینده‌ها به سختی توسط فیلترهای هوا جذب می‌شوند و بیشترین میزان نفوذ یا عبور از فیلتر را دارند. به عبارتی دیگر در بازه MPPS فیلترها دارای کمترین میزان بازدهی در جذب آلاینده‌ها هستند. بنابراین فیلترهای هوا قطعا در اندازه ذرات بالاتر و پایین تر از ناحیه MPSS مطابق با شکل ۲ بازدهی بالاتری را خواهند داشت. با توجه به این موضوع در آزمون‌های استاندارد ارزیابی عملکرد فیلترها عمدتا توصیه می شود بازدهی فیلترها در ناحیه MPPS گزارش شوند. که در این حالت بازدهی فیلتر در سخت گیرانه ترین شرایط اعلام خواهد شد. رایج ترین بازه اندازه ذرات برای ناحیه MPPS در حدود µm 0.4 to µm ۰.۱ است اما این بازه تا حدودی نیز به نوع و طراحی فیلتر و میزان سرعت و رطوبت هوا نیز بستگی دارد.
شناخت و توجه به نقطه MPPS در طراحی و انتخاب فیلترهای هوا بسیار حیاتی است، زیرا این ذرات می‌توانند به راحتی وارد محیط شده و در صورت استنشاق، وارد سیستم تنفسی شوند. این امر به ویژه در محیط‌های حساس مانند بیمارستان‌ها، یا در صنایعی که نیاز به هوای فوق‌العاده تمیز دارند، اهمیت دارد.
اندازه منافذ محیط فیلتراسیون، به‌طور مستقیم حداقل اندازه ذرات به دام افتاده در بستر فیلتر را نشان نمی‌دهد، بلکه نمایانگر احتمال جذب ذرات است. از سوی دیگر، اندازه منافذ بستر فیلتر تنها بیانگر حداکثر اندازه ذره‌ای است که می‌تواند از فیلتر عبور کند و به‌طور قطعی مشخص نمی‌کند که ذرات کوچکتر حتماً جذب خواهند شد. در محدوده خاصی از اندازه ذرات و تحت تأثیر شرایط جریان سیال، ذرات می‌توانند احتمال مشخصی برای جذب داشته باشند که این احتمال ممکن است در برخی موارد به ۱۰۰ درصد برسد، که در این صورت فیلتر در رتبه بندی مطلق (absolute ratting ) برای سایز ذره مشخص قرار خواهد گرفت و یا می‌تواند به عنوان مثال به ۵۰ درصد نیز در یک اندازه خاص نزدیک شود که در این حالت میزان درجه بندی اسمی فیلتر (ratting nominal ) حدود ۵۰ درصد در نظر گرفته می شود. به این ترتیب، مکانیسم‌های جذب و ویژگی‌های جریان سیال در کنار اندازه منافذ، در کارایی نهایی فیلتراسیون نقش کلیدی دارند.
در فیلتراسیون سطحی (Surface Filtration) ذرات روی سطح بستر فیلتر جمع می‌شوند و فیلتراسیون به‌صورت مکانیکی انجام می‌گیرد. فیلتراسیون سطحی یا کیک فیلتراسیون، شامل جذب ذرات روی سطح (یا نزدیک سطح) یک محیط فیلتر می‌شود به طوری که تجمع ذرات در لایه‌ای به صورت کیک فیلتر در فرآیند فیلتراسیون شرکت می‌کند. نمدهای سوزنی اصلاح‌شده و سایر مدیاهای مورد استفاده در سیستم‌های جمع‌آوری گرد و غبار کیسه‌ای به این شیوه عمل می‌کنند. جذب ذرات از این طریق عملیات تمیز کردن به روش پالس جت یا جریان معکوس برای برداشتن کیک فیلتراسیون روی بستر مدیا و استفاده مجدد از مدیای فیلتر را فراهم می کند. در برخی از عملیات شیمیایی این مهم است زیرا کیک دارای ارزش است و بازیابی آن هدف مورد نظر از فیلتراسیون است.
در فیلتراسیون عمقی (Depth Filtration): ذرات به داخل ساختار الیافی فیلتر نفوذ کرده و در منافذ فیلتر و در میان انبوهی از الیاف به دام می‌افتند. این نوع فیلتراسیون برای حجم‌های بالای آلاینده‌ها مناسب است. در واقع در این نوع فیلتراسیون مکانیزم‌هایی معرفی شده جهت حذف ذرات از سیال به صورتی عمل می کنند، که حتی اگر ذره ای کوچکتر از اندازه منافذ در ساختار فیلتر باشد بتواند به دام بیفتد. بنابراین انتخاب نوع فیلتراسیون عمقی و سطحی با توجه به نوع آلاینده و مقدار ان‌ها و همچنین نیاز به قابل شست و شو بودن مدیا می تواند صورت گیرد.
استاندارد EN 779 یک استاندارد اروپایی است که به ارزیابی و طبقه‌بندی فیلترهای هوا در سیستم‌های تهویه می‌پردازد. این استاندارد بر اساس میزان توانایی فیلتر در حذف ذرات مختلف، به ویژه ذرات ریز و معلق در هوا، طبقه‌بندی خاصی را را ارائه می کند. طبقه‌بندی فیلترها مطابق با این استاندارد، در سه زیر صورت می گیرد:
در استاندارد EN 779، از ذرات با قطر ۰.۴ میکرون به عنوان معیار اندازه‌گیری کارایی فیلتر استفاده می‌شود. این انتخاب به دلیل اهمیت ذراتی با این اندازه در آلاینده‌های هوا و اثرات آنها بر سلامت انسان صورت گرفته است. در واقع ذرات ۰.۴ میکرونی در ناحیه MPPS قرار می‌گیرند و همانگونه که گفته شد در این ناحیه فیلترها دارای پایین ترین میزان بازدهی هستند در واقع در این محدوده ذرات به سختی توسط مکانیزم‌های معمول فیلتراسیون (مثل برخورد اینرسی، رهگیری و انتشار) به دام می‌افتند. به دلیل توانایی‌شان در نفوذ به سیستم تنفسی و رسیدن به نواحی عمیق ریه‌ها، اهمیت ویژه‌ای در ارزیابی فیلترها دارند. همچنین ارزیابی فیلترها در سایز ذرات ۰.۴ در حالت سخت گیرانه صورت می گیرد بنابراین در ذرات با سایز‌های بالاتر و پایین تر از این ناحیه بازدهی فیلتراسیون قطعا بالاتر است.
در این مقاله به بررسی مکانیسم‌های مختلف فیلتراسیون هوا از جمله اینرسی، الکتروستاتیک، برخورد مستقیم، انتشار و ته نشینی و اثرات آنها در بازه MPPS (Minimum Penetration Particle Size) پرداخته شد. درک نحوه عملکرد فیلترها در ناحیه MPPS نقش کلیدی در ارزیابی فیلترها ایفا می‌کند، در واقع در این ناحیه ذرات بیشترین احتمال عبور از فیلتر را دارند. و بنابراین دارای پایین ترین میزان بازدهی هستند. در صورتی که یک فیلتر در این محدوده ذرات دارای عملکرد قابل قبولی باشد قطعا در اندازه ذرات بالاتر و پایین تر نیز دارای بازدهی بهتری است. در طراحی فیلترهای کارآمد و با عملکرد بهینه، سعی بر آن است که با ترکیب مکانیسم‌های فیلتراسیون و انتخاب متریال مناسب، بازدهی فیلتر افزایش یابد. تکنولوژیهای نوین جهت بهینه سازی عملکرد فیلترهای هوا استفاده شده اند که می توانند تاثیر مثبت مکانیسم‌های فیلتراسیون را افزایش دهند که از جمله می توان به استفاده از الیاف بسیار ریز و با شکل‌های خاص و لایه‌های متعدد، افزودن بار الکتریکی به فیلتر، اصلاح سطوح مدیا با استفاده از الیاف نانو و پیش بینی عملکرد فیلترها از طریق شبیه‌سازی‌های دینامیکی سیالات محاسباتی (CFD) برخی از روش‌هایی هستند که برای بهبود کارایی فیلتر برای جذب ذرات استفاده می‌شوند.
نویسنده: فروغ خلیلی
ذخیره پست 
