Фильтрация сверхтонких частиц из газов — обеспечение чистого воздуха (Filtering ultrafine particles and gases — targeted clean air)

СВОДКА

Мы проводили исследования на борту круизного корабля, чтобы изучить концентрации числа частиц, обычно используемые фильтры и использование новых технологий фильтрации. Мы заметили, что большинство частиц в воздухе в помещении корабля — и это актуально, когда корабль плыла в чистом или загрязненном наружном воздухе — меньше, чем 1 микрон, и главным образом размеров частиц от сгорания (сверхтонкие частицы). Мы также заметили, что обычно используемые фильтры главным образом фильтровали частицы больше, чем 1 микрон. Таким образом мы смогли существенно улучшить качество воздуха в помещении, представляя новую технологию фильтрации, которая фильтрует эффективно не только частицы, но также и фазовые примеси газа/пара. Та же технология в дальнейшем была применена в городском офисе, чтобы организовать чистую для дыхания зону, и в результат получено: воздух в зоне дыхания был очищен с эффективностью 73,6%. Также, субъективные результаты от людей, привлеченных к тесту, были положительны.

ВВЕДЕНИЕ

Частицы и газообразные загрязнители в помещении вызывают проблемы со здоровьем и делают проживание или работу некомфортной. Недавние исследования показали, что есть непосредственная связь между производительностью сотрудников и внутренним климатом. Даже при том, что исследований концентраций загрязнителей в наружном воздухе и их дрейфа во внутренней среде имеется в изобилии, и осведомленность об высокой вредности, не делает использование фильтрации эффективным.

Окружающие концентрации частиц и их воздействия на здоровье

Исследования распределения размеров аэрозоля показывают, что большинство частиц находится в так называемом сверхтонком режиме, т.е. их диаметр — меньше, или порядка, 100 нм [1, 2]. Например, автомобильные двигатели и процессы горения производят мелкие частицы. Как оказалось, частицы дизельных выхлопов вызвают проблемы со здоровьем: сверхтонкие частицы дизельного топлива увеличивают чувствительность к аллергенам и, как доказано, являются канцерогенами [3, 4]. Классы фильтрации лучше, чем EU7, довольно стабильный класс HEPA, должны использоваться, чтобы эффективно удалять сверхтонкие частицы.

Загрязнители в газообразной фазе

Загрязнители в газообразной фазе, находящиеся в большинстве зданий, не фильтруемых вообще, и таким образом объединяют возникающие на открытом воздухе с производимыми в закрытом помещении, путем переноса извне помещения через HVAC систему. Соединения, которые были недавно изучены, такие как озон и энергозависимые органические соединения (ЭОС). Соединения озона регулярны в европейских городах, и ЭOC испускаются, например при сжигании твердого топлива. Есть также несколько источников ЭOC в помещении. Наиболее изученные ЭOC — бензолы, как известно, являются канцерогенными веществами. Воздействие бензола, приводит к развитию лейкемии и лимфомы.

Рециркуляция

Во многих местах циркуляция воздуха считается самым энергосберегающим методом. Однако, рециркуляция также распространяет примеси, выделяемые в закрытом помещении. Фильтруя воздух при помощи возвращения его части или в Модуля Обмотки Вентилятора (МОВ) возможно увеличить уровень комфорта и защиту HVAC системы. Мы изучили разные уровни обратной воздушной фильтрации и влияние на концентрацию частиц, например, обнаруженных ароматов.

Исследования в реальной среде

Исследователи сообщили о высоких концентрациях частиц (способы Aitken и Accumulation) измеренных в закрытом помещении в городской среде. Несколько исследований также сообщают, что эти виды также находятся в изобилии в морском воздухе. Таким образом мы обнаружили потребность изучить воздух в помещении круизное судно. В круизном судне обычно высокий коэффициент рециркулированного воздуха — цель нашего исследования состояла в том, чтобы определить есть ли значительные внутренние источники и до какой степени окружающие частицы проникают в закрытое помещение. А в дальнейшем, изучить эффект сокращения концентрации частиц для различных фильтров.

Морские исследования также предложили нам своего рода микросреду, результаты которой могут быть непосредственно применены к наземным объектам, и особенно к случаям, где используется рециркуляция воздуха: В некоторых зданиях невозможно увеличить мощность системы HVAC обеспечить требования к чистоте воздуха, например, для людей с аллергиями. Для примера, в помещении с проблемой плесени, где не расположен фактический источник спор, чистый воздух должен быть поставлен к зоне дыхания человека без потребности увеличивать общую подачу воздуха. Такой подход был также изучен в офисе с хорошими результатами. Нам необходимо изучить фактические концентрации частиц, но также и обнаруженный эффект улучшения воздуха в помещении: действует ли уменьшение внутренних загрязнителях на субъективные результаты т.е. заставляет тестируемых людей чувствовать себя лучше на их текущем рабочем месте/пункте.

МЕТОДЫ

Измерения на корабле

Корабельные измерения проводились на большом круизном судне, эксплуатируемом на Карибском море. Фазы испытания проекта:

1. Предварительное исследование, установка фильтров и линии отбора проб:
   • начальная ситуация была изучена посредством измерения концентраций частицы в потоках воздуха четырех модулей обмотки вентилятора. Для этого линия отбора проб была установлена в модули обмотки вентилятора;
   • улучшенные частицы и газовые фильтры были установлены в два из выбранных модулей обмотки вентилятора;
   • измерения частиц аэрозоля были повторены для каждого из четырех модулей обмотки вентилятора, чтобы определить краткосрочный эффект фильтров.
2. Концентрация частиц аэрозоля измерялась каждые 1–3 недели командой корабля в течении шести месяцев.

Четыре линии отбора проб были установлены в каждый модуль обмотки вентилятора:

1. воздух, который был возвращен из кают к модулю обмотки вентилятора;
2. возвращенный воздух после фильтра в модуле обмотки вентилятора;
3. подсос воздуха от основного воздушного модуля обработки (ВМО);
4. воздух, полученный смешиванием воздуха от воздушного модуля обработки и возвращенного после фильтра(воздух, который подается в каюту).

Усовершенствованная технология фильтрации представлена мешочным фильтром, который состоял из фильтрующего материала для частиц и газов. Частицы фильтрующего материала предварительно заряжены, и таким образом способны улавливать субмикронные частицы. Материал для газа (и пара) основывается на активированном угле. Оба фильтрующих материала произведены так, что имеют очень низкое падение давления (эффективность фильтрации EU7). В одной из кают также использовалось зарядное устройство для частиц, чтобы получить еще более высокую эффективность фильтрации; зарядное устройство для частиц перед мешочным фильтрм позволяет достичь эффективности HEPA–класса.

According the research outcomes in result of further increase of gas speed the drop carry-over will occurred.

Концентрации числа частиц аэрозоля были измерены при помощи оптического счетчика частиц. Устройство вычисляет число 0.3, 0.5, 0.7, 1.0, 2.0 и 5.0 миллиметровые частицы в литре образца воздуха, а также измеряет относительную влажность и температуру. Испытания были в основном сфокусированы на субмикроные частицы, которые проникают через традиционные фильтры. Такие частицы наиболее изобилуют во всех средах и, как доказано, вредны для здоровья.

Измерения в офисе

Измерения эффекта локальной чистой воздушной зоны дыхания проводились в офисе в Хельсинки, Финляндия. Офис будет отремонтированным в ближайшем будущем, из–за подозреваемого проблемы плесени. Офисная комната используется 4–5 людьми, из которых двое имеют астму и аллергию.

Офисный стол, с интегрированной системой воздушной фильтрации, был установлен в офисную комнату на всю продолжительность тестов (5 недель). Система фильтрации рециркулировала воздух и действовала как локальный очиститель воздуха. У стола было два сопла воздушной очистки подающих воздух от фильтровального модуля к зоне дыхания рабочего, использующего стол. Расстояние между носиками составляло 120 см, и они были расположены на равных расстояниях по бе стороны компьютерной клавиатуры (которая рассматривалась, как центральная точка стола).

Эффект от использования фильтровального модуля был измерен при помощи оптического счетчика частиц аэрозоля сфокусированного на 0,3 мкм частицах. Измерения выполнялись выше клавиатуры, на уровне лица человека, использующего стол. Был изучен влияние различных скоростей потока через систему фильтрацции.

Во время исследования, у пользователей стола еженедельно бралось интервью, чтобы узнать субъективное мнение по поводу фильтрации воздуха.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Измерения на корабле

Монтирование установки производилось во время нахождения круизного корабля в сухом доке. Верфь расположена вблизи европейского города. Во время сухого дока среднее измеренное значение концентрации — 0.3 микрометрических частиц проникли с воздухом в каюту (в каюту = отфильтрованный + воздух от ВМО) по сравнению с концентрацией частиц в воздухе от вмо был 0.90 для каюты А (мин. 0.81, макс. 4.14), 0.41 для каюты D после установки фильтра (мин. 0.21, макс. 0.51), 0.71 для каюты B (мин. 0.50, макс. 0.88), и 0.46 для каюты C после размещения фильтра (мин. 0.36, макс. 0.58). Это показывает, что в сухом доке воздух от ВМО обычно был основным источником малых частиц аэрозоля. Это также показывает, что хотя эффективность фильтрации уовершенствованных фильтров составляла в среднем 95% для мешочного фильтра , и 97% для мешочного фильтра вместе с зарядным устройством, воздух, входящий в каюту, может фильтроваться только до значения, определенного потоками воздуха: сумма воздуха от ВМО относительно суммы воздуха, распространяющегося из каюты.

Уже во время предызмерительной фазы наблюдались несколько случаев с очень высоким рспространением частиц в каютах. Они были связаны с людьми, готовящимися сойти на берег: Духи, лак для волос, упаковка одежды и подобные источники - вероятные причины обнаружения большого числа частиц. Подобные события иногда имели место на протяжении периода исследования, но главным образом частицы от воздуха ВМО превзошли численностью внутреннюю эмиссию.

Мы заметили, что в любом случае число частиц существенно увеличивается с уменьшение размера частицы. Это истинно для всех измеренных выборок: воздух, который вводит FCU из каюты, воздух, который фильтровался в FCU, так называемый свежий воздух, который прибывает из основной ВМО и воздух, поданный в каюту (смесь фильтруемого воздуха и свежего воздуха). Колебания числа частиц происходят из–за различных сред, в которых приплыла корабль: число частиц на 0.3 микрона в свежем воздухе (т.е. воздух, который прибыл из ВМО) составило от 2 000 частиц на литр до более чем 250 000 частиц на литр. Во время испытания ВМО содержал фильтры, которые сопоставимы со стандартными фильтрами, используемыми в модулях обмотки вентилятора. Примеры измеренных концентраций числа частиц показаны на рисунках 1 и 2.

Эффективность фильтрации для рассматриваемых фильтров показана в Таблице 1. Медиана используется из–за случаев, когда фильтры, казалось, испускали частицы — такие точки данных приведут вычисление средних чисел к нереалистичному уровню: например, для ствндартных фильтров в каюте A, медианная эффективность фильтрации для 5 мкм частиц составила 67%, но средняя только 42%. Для усовершенствованных фильтров среднее число и медиана отличались незначительно.

Обратите внимание на то, что расчет эффективности фильтрации для самых больших размеров частицы (1, 2 и 5 микрометры), совсем не были представлены: иногда исследуемый воздух содержал лишь немного этих частиц, и таким образом статистика в течение этого времени очень плоха. В некоторых случаях наиболее крупные частицы могли попасть на поверхность FCU и затем исследуемые частицы происходят предположительно из-за повторной приостановки проникновения через фильтр за время измерения.

Таблица 1. Средняя эффективность фильтрации для фильтров в модуле обмотки вентилятора.

Каюта, фильтр	0,3 мкм	0,5 мкм	0,7 мкм	1,0 мкм	2,0 мкм	5,0 мкм
А, Стандартный	2%	2%	5%	12%	20%	67%
B, Стандартный	1%	2%	5%	9%	17%	50%
C, Улучшенный мешочный фильтр	91%	95%	96%	97%	98%	100%
D, Улучшенный мешочный фильтр и ионизатор	97%	97%	98%	98%	99%	100%

Измерения в офисе

Эффект стола, фильтрующего воздух, был замечателен. Самая высокая эффективность очистки (для 0,3 мкм частиц) в зоне дыхании составляла 73.6%, когда система работала при максимальном воздушном объеме. Эффективность очистки определена как отношение частиц в зоне дыхание, когда система фильтра работает к концентрации числа частиц в зоне дыхания, когда система отключена.

Таблица 2. Средняя эффективность модуля фильтра очистки, интегрированного в офисный стол.

	Эффективность очистки	Эффективность фильтрации модуля фильтра
Самый низкий объемный расход через фильтр	52,1%	99,55%
Самый высокий объемный расход через фильтр	73,6%	99,45%

Интервью показали это во время испытательного срока при работе за столом симптомы, от которых страдал рабочий проявлялись менее часто или исчезали полностью.

ОБСУЖДЕНИЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Все исследования показали, что эффект от использования хороших воздушных фильтров существенный. На корабле, особенно, когда он посетила городские гавани, окружающее загрязнение значительно и таким образом хорошие фильтры должны быть размещены в основном модуле обработки воздуха, например, в модули обмотки вентилятора. Фильтры в модуле обмотки вентилятора уменьшает отрицательные эффекты от переработанного воздуха (т.е. удаляет частицы, распространенные внутри).

Офисное исследование показало, что для воздуха в испытываемой воздушной среде в помещении (относительно источников частиц, которые не могут быть расположены и удалены) локальная зона чистого воздуха значительно улучшает качество. Воздух в зоне дыхания был очищен с эффективностью 73,6%. Также субъективные результаты людей, включенных в тест, были положительны: у них проявлялось меньше симптомов и, следовательно было меньше больничных, даже при том, что они продолжали работать в среде, которая ранее вызвала эти симптомы. На основе короткого исследования невозможно определить, являются ли положительные субъективные результаты следствием уменьшения воздушных примесей или психологического эффекта от усилий по улучшению ситуации. Однако, если целью является минимизация количества частиц в зоне дыхания на рабочем мечте и улучшение самочувствия сотрудников, тогда результаты окончательны и субъективны на основе измерительных данных.

БЛАГОДАРНОСТЬ

Авторы хотят поблагодарить всех партнеров и стороны, пинимавшие участие в исследованиях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Hussein et al. Urban aerosol number size distributions. 2004. Atmos. Chem. Phys., 4
2. Ketzel, M. Dispersion and Transformation of Traffic Exhaust Particles in the Urban Atmosphere, PhD Thesis
3. Obersdorster, G. 2001. Pulmonary effects of ultrafine particles. Int Arch Occup Environ Health;74
4. Pekkanen, J., Kulmala, M., Exposure assesment of ultrafine particles in epidemiological time series studies. Scand J Work Environ Health 2004