Люди проводят около 90% времени в помещениях или закрытых пространствах. Химические процессы, непрерывно протекающие в воздухе этих сред, оказывают значительное влияние на состояние здоровья человека. Согласно данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), загрязнение воздуха внутри помещений является причиной примерно 7 миллионов смертей ежегодно. При этом 8 из 10 человек, страдающих аллергическими заболеваниями, испытывают обострения симптомов из-за загрязнённого воздуха в помещениях.
Внешние загрязнители, такие как выхлопные газы автомобилей, промышленные выбросы, пыль, табачный дым, летучие органические соединения (ЛОС), а также дым от лесных пожаров, проникают в жилые и рабочие помещения через естественную инфильтрацию воздуха. Кроме того, источниками химического загрязнения воздуха внутри помещений служат бытовая деятельность, потребительские товары и строительные материалы. Химический состав газов и аэрозолей в помещении оказывает непосредственное воздействие как на качество воздуха, так и на поверхности, с которыми соприкасается человек.
Для снижения рисков, связанных с загрязнением воздуха, применяются очистители воздуха — устройства, предназначенные для удаления загрязняющих веществ из воздушной среды. Такие системы особенно важны для людей с аллергией и астмой. Рост загрязнения окружающей среды и увеличение числа заболеваний, передающихся воздушно-капельным путем, стимулируют актуальность использования очистителей воздуха в жилых и рабочих помещениях.
Современный рынок предлагает широкий спектр технологий очистки воздуха, включая угольные фильтры, фильтры HEPA, ионные очистители, увлажнители, генераторы озона и другие решения. Исторически воздухоочистительные устройства развивались от простых противогазов для промышленных рабочих до сложных автономных систем, отвечающих современным требованиям качества воздуха.
Характеристика источников загрязнения
Загрязнители воздуха в помещениях классифицируются на первичные и вторичные. Первичные загрязнители выделяются непосредственно из конкретных источников, тогда как вторичные формируются в результате химических реакций в воздухе или на поверхностях из молекул-предшественников.
К основным первичным источникам загрязнения внутри помещений относятся материалы конструкций и отделки (например, древесина, линолеум, пластик), потребительские товары (средства личной гигиены, бытовая химия, кухонное оборудование и офисные принадлежности), выделения человека и микробов, а также деятельность обитателей помещений (например, приготовление пищи). Наружный воздух попадает внутрь через вентиляционные системы, окна и неплотности в ограждающих конструкциях, что также влияет на состав воздуха в помещениях.
Вторичные загрязнители формируются вследствие химических процессов, происходящих внутри помещений. Эти процессы включают газофазное окисление, перераспределение полулетучих веществ между газовой и конденсированной фазами, а также сложные химические реакции, протекающие на поверхностях, внутри частиц и пыли.
Основные пути удаления загрязнителей из воздуха помещений включают осаждение на поверхностях, химические реакции с образованием новых соединений, а также вентиляцию, обеспечивающую обмен воздуха с наружной атмосферой. Динамика воздухообмена существенно влияет на качество воздуха как внутри, так и снаружи зданий. Особое значение имеет воздействие компонентов, таких как ЛОС , что повышает вероятность проявления симптомов синдрома больного здания .
Применение твердых материалов для удаления загрязнителей из газовой или жидкой фазы известно с древних времен. Этот процесс, называемый адсорбцией , заключается в преимущественном распределении веществ из газовой или жидкой фазы на поверхность твердого материала.
Исторически адсорбция применялась начиная с использования костяного угля для очистки пищевых продуктов, затем активированного угля для защиты от нервно-паралитических газов на поле боя и до современных промышленных технологий очистки и разделения веществ.
Адсорбция представляет собой процесс отделения вещества из одной фазы и концентрации на поверхности другой. Материал, который выполняет функцию накопления вещества, называется адсорбентом, а вещество, сконцентрированное на поверхности, — адсорбатом.
В отличие от абсорбции , где вещество проникает в объем другой фазы (например, жидкость), адсорбция происходит на поверхности. Термин сорбция объединяет эти два процесса.
Явления адсорбции широко распространены в природных физических, биологических и химических системах. В промышленности и для очистки воды и воздуха применяются твердые адсорбенты, такие как активированный уголь и синтетические смолы.
Эффективность очистки воздуха
Технологии очистки воздуха делятся на активные и пассивные. Активные очистители воздуха генерируют отрицательно заряженные ионы, благодаря чему частицы загрязнений притягиваются к поверхностям. Пассивные очистители основаны на фильтрации воздуха, что позволяет эффективно удалять пыль и твердые частицы, задерживая их в фильтрах. Пассивные методы считаются более результативными, так как загрязнения выводятся из воздуха и аккумулируются в фильтрах.
Современные очистные технологии подразделяются на две основные категории:
-
Очистители воздуха с фильтрами, включая предварительные фильтры, фильтры HEPA , фильтры с активированным углем, а также многоразовые и моющиеся фильтры.
-
Очистители воздуха без фильтров, среди которых ионизаторы, электрофильтры, генераторы озона, устройства термодинамической стерилизации, ультрафиолетовые бактерицидные облучатели и очистители с фотокаталитическим окислением.
Коммерческие очистители воздуха выпускаются как автономные приборы, которые могут быть интегрированы в вентиляционные системы, такие как AHU , либо подключаются к комплексным климатическим установкам HVAC , широко применяемым в медицинских учреждениях, промышленных и коммерческих объектах. В производственной сфере очистители воздуха используются для удаления различных загрязняющих веществ из воздушных потоков до технологической обработки, при этом часто применяются методы адсорбции, включая адсорберы с переменным давлением.
В настоящее время на рынке очистителей воздуха доминируют устройства с HEPA-фильтрами, которые обеспечивают высокую степень очистки воздуха. Дополнительно в бытовых и коммерческих условиях применяются технологии ультрафиолетового бактерицидного облучения, очистители с активированным углем, увлажнители и ионизаторы . Эти технологии часто применяются для улучшения качества воздуха в помещениях, снижая симптомы астмы и аллергических реакций. Одной из современных технологий является фотокаталитическое окисление (ФКО).
Очистители, основанные на фотокаталитическом окислении, используют ультрафиолетовое излучение для активации катализатора, обычно диоксида титана (TiO2). В результате химической реакции происходит окисление бактерий, вирусов, грибков, неприятных запахов и летучих органических соединений (ЛОС). Загрязняющие вещества преобразуются в безвредные молекулы углекислого газа и воды, что способствует улучшению качества воздуха.
HEPA-фильтры обеспечивают фильтрацию не менее 99,97% частиц размером 0,3 микрона, что является стандартом минимальной эффективности для данного типа фильтров. Именно поэтому большинство систем очистки воздуха в коммерческих помещениях полагаются на HEPA-фильтры.
Результаты различных исследований подтверждают эффективность портативных воздухоочистителей с HEPA-фильтрами в снижении концентрации аэрозолей из различных источников. Это способствует уменьшению риска передачи респираторных инфекций, в том числе COVID-19, а также улучшению клинических симптомов у пациентов с аллергическим ринитом за счёт снижения количества твёрдых частиц и аллергенов пылевых клещей.
Цена воздухоочистителей на базе HEPA-фильтров обычно зависит от производительности, которая измеряется с помощью показателя CADR (Clean Air Delivery Rate). CADR отражает количество чистого воздуха, подаваемого устройством, и коррелирует с количеством воздухообменов в час (Air Changes per Hour, ACH), достижимых в помещении заданного объёма. Рекомендуется выбирать воздухоочистители с CADR, приблизительно равным двум третям площади пола комнаты.
Для примера, для помещения площадью 300 квадратных метров требуется воздухоочиститель с CADR около 200. Основными ограничениями при использовании воздухоочистителей являются уровень шума, энергопотребление, а также первоначальная стоимость и расходы на регулярную замену фильтров. Для устройств, сертифицированных по стандарту Energy Star , предназначенных для бытового рынка, стоимость одного CADR варьируется в пределах от 0,71 до 2,66 долларов США, что затрудняет их доступность для широкого круга потребителей.
В качестве более доступной альтернативы предложен простой и экономичный воздухоочиститель, собранный из фильтров MERV-13 и коробчатого вентилятора. Этот устройство с возможностью самостоятельной сборки (DIY), известное как « Corsi-Rosenthal Box », нашло применение в образовательных учреждениях и других помещениях благодаря своей доступности и простоте изготовления. Несмотря на то, что фильтры MERV-13 имеют более низкую эффективность по сравнению с HEPA, их использование также способствует значительному снижению концентрации загрязняющих частиц в воздухе помещений.
Альтернативные методы очистки воздуха
Ультрафиолетовое бактерицидное облучение (UVGI) применяется для обеззараживания воздуха. Такие системы часто представляют собой устройства с экранированными ультрафиолетовыми лампами, через которые вентилятор прогоняет воздух, подвергая его воздействию УФ-излучения. Их интегрируют в вентиляционные системы для снижения концентрации микроорганизмов в циркулирующем воздухе.
Активированный уголь представляет собой пористый материал, способный адсорбировать летучие органические соединения (ЛОС). Однако он не удаляет крупные частицы. Процесс адсорбции требует достижения равновесия, из-за чего полное устранение загрязнений может быть ограничено.
Принцип действия активированного угля заключается в переводе загрязняющих веществ из газообразной фазы в твердую, что позволяет задерживать их на поверхности материала. При этом накопленные загрязнения могут впоследствии регенерироваться обратно в воздух, если условия изменяются. Активированный уголь эффективно функционирует при комнатной температуре и широко применяется в промышленности, обычно в сочетании с другими фильтрационными технологиями, такими как HEPA-фильтры. Кроме того, существуют другие адсорбирующие материалы, обладающие аналогичными свойствами, но с более высокой стоимостью.
В электронных воздухоочистителях с поляризованными средами применяются активные материалы с электронным усилением, которые объединяют принципы работы электронных очистителей и механических фильтров. Такие устройства обычно работают от безопасного постоянного тока напряжением 24 В для создания электрического поля, поляризующего частицы.
Большая часть аэрозольных частиц в воздухе имеет электрический заряд, многие из них являются биполярными. При прохождении через поляризованное электрическое поле частицы ориентируются таким образом, чтобы прилипнуть к одноразовой волоконной подушке. Ультрамелкие частицы (UFP), которые не задерживаются при первом контакте с фильтрующим материалом, подвергаются поляризации и агломерации с другими частицами, запахами и ЛОС, что способствует их эффективному улавливанию при повторных циклах фильтрации.
С увеличением накопления загрязнений эффективность электронных воздухоочистителей с поляризованными средами возрастает, обеспечивая высокую степень фильтрации. Данная технология не сопровождается ионизацией, что исключает образование озона.
Фотокаталитическое окисление (ФКО) является инновационной технологией в сфере отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Помимо улучшения качества воздуха в помещениях, ФКО способствует ограничению проникновения неконтролируемого наружного воздуха, что позволяет снизить энергозатраты на отопление и кондиционирование.
Для правильного применения ФКО необходимо учитывать, что технология может привести к увеличению концентрации формальдегида в жилых помещениях. Системы, использующие фотокаталитическое окисление, способны полностью разрушать органические загрязнители. Обычно такие устройства монтируются в существующие вентиляционные и кондиционирующие системы. Следует отметить, что ФКО не является фильтрационной технологией, поскольку не улавливает и не удаляет частицы из воздуха. Чаще всего ее комбинируют с другими методами фильтрации для комплексной очистки воздуха. Эксплуатационные и капитальные затраты на такие системы могут быть значительными.
Родственным направлением является фотоэлектрохимическое окисление (ФЭХО). Это подвид ФКО, при котором используются электрохимические взаимодействия между катализатором и активными частицами (например, с применением катодных материалов). Благодаря этому можно использовать УФ-излучение с меньшей энергией при повышенной квантовой эффективности процесса.
В ионизаторах применяются заряженные электроды или иглы для генерации ионов воздуха. Образованные ионы присоединяются к частицам загрязнений, которые затем притягиваются к заряженной коллекторной пластине. При этом выделяются минимальные количества озона и других окислителей. Как правило, соотношение генерации озона составляет примерно 1:20 000 000, что соответствует установленным стандартам промышленной безопасности.
Генераторы озона предназначены для целенаправленного производства озона и иногда используются как устройства для очистки воздуха во всем жилом помещении. В отличие от ионизаторов, эти аппараты специально создают озон — мощный окислитель, способный разрушать многие химические соединения. Мощность генераторов озона может достигать более 3000 мг озона в час.
Следует учитывать, что в вопросах безопасности и эффективности очистителей воздуха, особенно ионных, существует значительный спор. Многие очистители выделяют озон — аллотропную форму кислорода, состоящую из трёх атомов, а при наличии влаги — также небольшое количество оксидов азота (NOx). Среди всех типов устройств ионные очистители характеризуются наибольшей тенденцией к образованию озона.
Высокие концентрации озона представляют серьёзную опасность для здоровья. Вдыхание озона может привести к повреждению лёгких, вызвать болезненные ощущения в груди, кашель, затруднённое дыхание и раздражение слизистой горла. Кроме того, озон способен усугублять течение хронических заболеваний дыхательных путей, таких как астма, и снижать способность организма сопротивляться респираторным инфекциям, даже у здоровых людей. Особую уязвимость к негативному воздействию высоких уровней озона проявляют лица с аллергическими реакциями и астмой.
Озонаторы, применяемые для обработки помещений, в которых отсутствуют люди, — например, при восстановлении после пожаров, плесени и устранении запахов, — используются специализированными компаниями, занимающимися очисткой и дезинфекцией. В таких условиях озон рассматривается как эффективное средство для окисления и удаления вредных веществ. Тем не менее, всё больше исследований указывает на то, что подобные устройства могут порождать нежелательные побочные соединения, что требует осторожного применения и строгого контроля качества воздуха.
Исторический контекст
С началом промышленной революции в США массовое использование угля стало основой функционирования быстро растущих городов. Уголь обеспечивал энергию для производства электроэнергии, транспортировки поездов и отопления жилых зданий. Однако широкое применение угля сопровождалось значительным загрязнением воздуха дымом и образованием густых слоёв смога, что негативно влияло на здоровье населения.
В начале XIX века американцы Джон и Чарльз Дин, в 1823 году, разработали специальную маску для пожарных, позволяющую безопасно проникать в задымлённые помещения, защищая дыхательные пути от вредного дыма.
В 1854 году Джон Стенхаус разработал дыхательную маску для шахтёров, предназначенную для защиты от загрязнённого воздуха. В конструкции этой маски использовался фильтр с древесным углём, который значительно улучшил эффективность очистки воздуха по сравнению с предыдущими устройствами. В 1871 году Джон Тиндаль усовершенствовал маски, созданные Динами, представив усовершенствованный респиратор. Такое сочетание фильтрации и дыхательного аппарата стало прототипом современных респираторных масок.
Разработка HEPA-фильтра
HEPA-фильтр, прежде чем стать широко доступным компонентом бытовых систем очистки воздуха, таких как портативные очистители, изначально являлся строго засекреченной разработкой. Его история начинается с обнаружения британцами в начале Первой мировой войны специального бумажного фильтра, использованного в немецких противогазах, который эффективно задерживал химические дымовые частицы. Вдохновившись этим, британский Химический корпус внедрил аналогичный принцип в устройство под названием «абсолютный воздушный фильтр», представлявшее собой механический вентилятор для очистки воздуха в военных штабах.
В 1942 году, в рамках Манхэттенского проекта в Ок-Ридже, штат Теннесси, США начали работы по созданию атомной бомбы. Для защиты порядка 90 000 сотрудников проекта от вредного воздействия радиоактивных частиц была поставлена задача разработки высокоэффективного воздушного фильтра. Основываясь на британских разработках, Химический корпус армии США совместно с Комитетом исследований национальной обороны инициировали проект создания фильтра, способного удалять опасные частицы из воздуха.
Совместно с лауреатом Нобелевской премии Ирвингом Ленгмюром исследователи установили, что наиболее проблематичными являются частицы размером около 0,3 микрона, и сосредоточили усилия на их фильтрации. Итогом стал первый прототип HEPA-фильтра, хотя само название появилось только в 1960-х годах. Несмотря на то, что фильтр не обеспечивал значимого снижения радиационного воздействия, он успешно справлялся с удалением газообразного хлора, иприта и дыма, применяясь как в штаб-квартире проекта, так и в противогазах американских солдат на протяжении Второй мировой войны.
В последующие десять лет после окончания войны применение HEPA-фильтров значительно расширилось как в военной, так и в гражданской сферах. Исследования показали их эффективность в очистке воздуха от различных загрязнений, включая пыль, пыльцу, шерсть животных, споры плесени и дымовые частицы. В начале 1950-х годов HEPA был зарегистрирован как торговая марка и стал коммерчески доступен как высокоэффективный фильтр для воздуха. Сначала они получили распространение в пылесосах, а затем были интегрированы в разнообразные промышленные процессы, требующие качественной фильтрации.
В это же время растущее внимание к проблемам загрязнения воздуха среди населения США привело к принятию в 1963 году Закона о чистом воздухе, который установил первые федеральные стандарты для снижения загрязнения атмосферы. Этот нормативный акт послужил мощным стимулом для развития технологий очистки воздуха и привёл к распространению бытовых очистителей с HEPA-фильтрами в 1970–1980-х годах.
В настоящее время термин «HEPA» широко применяется как общее обозначение высокоэффективных воздушных фильтров. Современные технологические решения позволили сделать очистители воздуха с HEPA-фильтрами компактными, удобными в эксплуатации и при этом сохранившими высокий уровень очистки, соответствующий историческим прототипам.
Первый бытовой HEPA-фильтр был выпущен в 1963 году братьями Манфредом и Клаусом Хаммесами в Германии. Они основали компанию Incen Air Corporation, которая впоследствии стала предшественницей корпорации IQAir .
С внедрением множества продуктов, оснащённых HEPA-фильтрами, появились новые эффективные решения для борьбы с аллергическими реакциями и астмой, доступные для использования в жилых помещениях. Первые модели очистителей воздуха с HEPA-фильтрами отличались громоздкостью и сложностью в эксплуатации, и традиционно применялись в медицинских учреждениях, фармацевтических лабораториях и производстве микроэлектроники. С течением времени внимание предприятий и потребителей переключилось на необходимость улучшения качества воздуха в бытовых условиях.
Технологические усовершенствования в области фильтрации воздуха обеспечили повышение коммерческой привлекательности очистительных устройств. Такие компании, как IQAir North America, Austin Air Systems , AllerAir и Blueair , стали активно внедрять инновации в технологии очистки воздуха. Например, в 1990 году специальные очистительные фильтры начали устанавливаться в автомобилях марки Mercedes Benz. Позднее IQAir представила HEPA-фильтры класса H13, которые обеспечивали в 100 раз более высокую эффективность захвата загрязняющих частиц по сравнению с предыдущими версиями HEPA.
В 1991 году компания Austin Air Systems предложила новую концепцию решения проблем, связанных с твёрдыми частицами, неприятными запахами и химическими загрязнителями воздуха. В частности, был разработан фильтр предварительной очистки, который существенно увеличивал срок службы HEPA-фильтров и поддерживал их эффективность. Кроме того, компания внедрила систему всасывания воздуха с охватом в 360 градусов, что значительно повышало общую эффективность очистки воздуха в помещениях.
Современные высокотехнологичные очистители воздуха способны устранять широкий спектр загрязнений, которые ранее считались неизбежными. Помимо улавливания твёрдых частиц, современные устройства эффективно борются с токсичными газами, микроскопическими аллергенами и различными загрязнителями. Перспективы развития технологий в этой области позволяют предположить, что в будущем внутренний воздух жилых помещений может достигать качества, сопоставимого с воздухом на горных вершинах.
Очистительные системы прошли многолетний процесс развития — от первых защитных масок до современных автономных устройств, применяемых сегодня. С увеличением численности населения возрастает и потребность в эффективных методах очистки воздуха. В настоящее время ведутся активные исследования по созданию высокоэффективных воздушных фильтров с антибактериальными покрытиями (биоцидными обработками), направленными на предотвращение распространения воздушно-капельных патогенов. Дальнейшее развитие этой технологии представляет значительный интерес для обеспечения безопасности и здоровья в помещениях.