Nghiên cứu thực nghiệm về hiệu suất của bộ lọc không khí HEPA

Sự phát triển của ngành công nghiệp hiện đại đã đặt ra những yêu cầu ngày càng cao đối với môi trường thử nghiệm, nghiên cứu và sản xuất. Cách chính để đạt được yêu cầu này là sử dụng rộng rãi các bộ lọc không khí trong các hệ thống điều hòa không khí sạch. Trong số đó, bộ lọc HEPA và ULPA là lớp bảo vệ cuối cùng đối với các hạt bụi xâm nhập vào phòng sạch. Hiệu suất của nó liên quan trực tiếp đến cấp độ phòng sạch, từ đó ảnh hưởng đến quy trình và chất lượng sản phẩm. Do đó, việc tiến hành nghiên cứu thực nghiệm về bộ lọc là có ý nghĩa. Hiệu suất chống chịu và hiệu suất lọc của hai bộ lọc đã được so sánh ở các tốc độ gió khác nhau bằng cách đo hiệu suất lọc của bộ lọc sợi thủy tinh và bộ lọc PTFE đối với các hạt PAO 0,3 μm, 0,5 μm, 1,0 μm. Kết quả cho thấy tốc độ gió là một yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất lọc của bộ lọc không khí HEPA. Tốc độ gió càng cao thì hiệu suất lọc càng thấp và hiệu ứng này rõ ràng hơn đối với bộ lọc PTFE.

Từ khóa:Bộ lọc không khí HEPA; Hiệu suất cản; hiệu suất lọc; Giấy lọc PTFE; giấy lọc sợi thủy tinh; bộ lọc sợi thủy tinh.
Số CLC:X964 Mã nhận dạng tài liệu: A
Với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, việc sản xuất và hiện đại hóa các sản phẩm công nghiệp hiện đại ngày càng đòi hỏi cao hơn về độ sạch của không khí trong nhà. Đặc biệt, các ngành công nghiệp vi điện tử, y tế, hóa học, sinh học, chế biến thực phẩm và các ngành công nghiệp khác đòi hỏi phải thu nhỏ. Độ chính xác, độ tinh khiết cao, chất lượng cao và độ tin cậy cao trong môi trường trong nhà, đặt ra yêu cầu ngày càng cao về hiệu suất của bộ lọc không khí HEPA, vì vậy làm thế nào để sản xuất bộ lọc HEPA đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng đã trở thành nhu cầu cấp thiết của các nhà sản xuất. Một trong những vấn đề được giải quyết [1-2]. Người ta đều biết rằng hiệu suất điện trở và hiệu quả lọc của bộ lọc là hai chỉ số quan trọng để đánh giá bộ lọc. Bài báo này cố gắng phân tích hiệu suất lọc và hiệu suất điện trở của bộ lọc không khí HEPA của các vật liệu lọc khác nhau bằng các thí nghiệm [3] và các cấu trúc khác nhau của cùng một vật liệu lọc. Hiệu suất lọc và các đặc tính điện trở của bộ lọc cung cấp cơ sở lý thuyết cho nhà sản xuất bộ lọc.

1 Phân tích phương pháp thử nghiệm
Có nhiều phương pháp để phát hiện bộ lọc không khí HEPA và các quốc gia khác nhau có các tiêu chuẩn khác nhau. Năm 1956, Ủy ban Quân sự Hoa Kỳ đã phát triển USMIL-STD282, một tiêu chuẩn thử nghiệm bộ lọc không khí HEPA và phương pháp DOP để thử nghiệm hiệu quả. Năm 1965, tiêu chuẩn Anh BS3928 được thành lập và phương pháp ngọn lửa natri để phát hiện hiệu quả đã được sử dụng. Năm 1973, Hiệp hội Thông gió Châu Âu đã phát triển tiêu chuẩn Eurovent 4/4, tuân theo phương pháp phát hiện ngọn lửa natri. Sau đó, Hiệp hội Kiểm tra Môi trường và Khoa học Hiệu quả Bộ lọc Hoa Kỳ đã biên soạn một loạt các tiêu chuẩn tương tự cho các phương pháp thử nghiệm được khuyến nghị, tất cả đều sử dụng phương pháp đếm kẹp DOP. Năm 1999, Châu Âu đã thiết lập tiêu chuẩn BSEN1822, sử dụng kích thước hạt trong suốt nhất (MPPS) để phát hiện hiệu quả lọc [4]. Tiêu chuẩn phát hiện của Trung Quốc áp dụng phương pháp ngọn lửa natri. Hệ thống phát hiện hiệu suất bộ lọc không khí HEPA được sử dụng trong thí nghiệm này được phát triển dựa trên tiêu chuẩn 52.2 của Hoa Kỳ. Phương pháp phát hiện sử dụng phương pháp đếm kẹp và khí dung sử dụng các hạt PAO.
1. 1 nhạc cụ chính
Thí nghiệm này sử dụng hai máy đếm hạt, đơn giản, tiện lợi, nhanh chóng và trực quan so với các thiết bị kiểm tra nồng độ hạt khác [5]. Những ưu điểm trên của máy đếm hạt khiến nó dần thay thế các phương pháp khác và trở thành phương pháp thử nghiệm chính đối với nồng độ hạt. Chúng có thể đếm cả số lượng hạt và phân bố kích thước hạt (tức là đếm số lượng), đây là thiết bị cốt lõi của thí nghiệm này. Tốc độ dòng chảy lấy mẫu là 28,6 LPM và máy bơm chân không không chứa carbon của nó có đặc điểm là tiếng ồn thấp và hiệu suất ổn định. Nếu tùy chọn được cài đặt, nhiệt độ và độ ẩm cũng như tốc độ gió có thể được đo và bộ lọc có thể được kiểm tra.
Hệ thống phát hiện sử dụng các hạt khí dung có hạt PAO làm bụi để lọc. Chúng tôi sử dụng các máy tạo khí dung (Aerosol generation) của model TDA-5B sản xuất tại Hoa Kỳ. Phạm vi xuất hiện là 500 – 65000 cfm (1 cfm = 28,6 LPM), và nồng độ là 100 μg / L, 6500 cfm; 10 μg / L, 65000 cfm.
1. 2 phòng sạch
Để nâng cao độ chính xác của thí nghiệm, phòng thí nghiệm 10.000 cấp độ đã được thiết kế và trang trí theo Tiêu chuẩn Liên bang Hoa Kỳ 209C. Sàn phủ được sử dụng, được đặc trưng bởi các ưu điểm của terrazzo, chống mài mòn, bịt kín tốt, linh hoạt và kết cấu phức tạp. Vật liệu là sơn epoxy và tường được làm bằng vách phòng sạch lắp ráp. Phòng được trang bị 220v, 2x40w lọc 6 đèn và được bố trí theo yêu cầu chiếu sáng và thiết bị hiện trường. Phòng sạch có 4 cửa thoát khí trên cùng và 4 cổng hồi khí. Phòng tắm khí được thiết kế để điều khiển cảm ứng thông thường duy nhất. Thời gian tắm khí là 0-100 giây và tốc độ gió của bất kỳ vòi phun thể tích không khí tuần hoàn có thể điều chỉnh nào đều lớn hơn hoặc bằng 20ms. Vì diện tích phòng sạch <50m2 và nhân viên <5 người nên phòng sạch được cung cấp lối thoát an toàn. Bộ lọc HEPA được chọn là GB01×4, lưu lượng không khí là 1000m3/h, hiệu suất lọc lớn hơn hoặc bằng 0,5μm và 99,995%.
1. 3 mẫu thử nghiệm
Các mẫu bộ lọc sợi thủy tinh là: 610 (D) × 610 (C) × 150 (R) mm, loại vách ngăn, 75 nếp nhăn, kích thước 610 (D) × 610 (C) × 90 (R) Mm, có 200 nếp gấp, kích thước bộ lọc PTFE 480 (D) × 480 (C) × 70 (R) mm, không có loại vách ngăn, có 100 nếp nhăn.
2 Nguyên tắc cơ bản
Nguyên lý cơ bản của băng ghế thử nghiệm là quạt được thổi vào không khí. Vì HEPA/UEPA cũng được trang bị bộ lọc không khí HEPA, nên có thể coi rằng không khí đã trở thành không khí sạch trước khi đến HEPA/UEPA đã thử nghiệm. Thiết bị phát ra các hạt PAO vào đường ống để tạo thành nồng độ khí chứa bụi mong muốn và sử dụng bộ đếm hạt laser để xác định nồng độ hạt. Sau đó, khí chứa bụi chảy qua HEPA/UEPA đã thử nghiệm và nồng độ hạt bụi trong không khí được lọc bởi HEPA/UEPA cũng được đo bằng bộ đếm hạt laser và nồng độ bụi của không khí trước và sau bộ lọc được so sánh, do đó xác định hiệu suất bộ lọc HEPA/UEPA. Hơn nữa, các lỗ lấy mẫu được sắp xếp tương ứng trước và sau bộ lọc và sức cản của từng tốc độ gió được kiểm tra bằng cách sử dụng đồng hồ đo áp suất vi mô nghiêng tại đây.

So sánh hiệu suất điện trở của 3 bộ lọc
Đặc tính kháng của HEPA là một trong những đặc tính quan trọng của HEPA. Dưới tiền đề đáp ứng hiệu quả nhu cầu của mọi người, đặc tính kháng liên quan đến chi phí sử dụng, kháng nhỏ, tiêu thụ năng lượng nhỏ và tiết kiệm chi phí. Do đó, hiệu suất kháng của bộ lọc đã trở thành mối quan tâm. Một trong những chỉ số quan trọng.
Theo dữ liệu đo lường thực nghiệm, mối quan hệ giữa tốc độ gió trung bình của hai bộ lọc cấu trúc khác nhau của sợi thủy tinh và bộ lọc PTFE và chênh lệch áp suất bộ lọc đã được thu được.Mối quan hệ được thể hiện trong Hình 2:

Có thể thấy từ dữ liệu thực nghiệm rằng khi tốc độ gió tăng, điện trở của bộ lọc tăng tuyến tính từ thấp đến cao và hai đường thẳng của hai bộ lọc sợi thủy tinh trùng nhau đáng kể. Có thể dễ dàng thấy rằng khi tốc độ gió lọc là 1 m/s, điện trở của bộ lọc sợi thủy tinh gấp khoảng bốn lần so với bộ lọc PTFE.

Biết diện tích của bộ lọc, mối quan hệ giữa tốc độ mặt và chênh lệch áp suất bộ lọc có thể được suy ra:
Có thể thấy từ dữ liệu thực nghiệm rằng khi tốc độ gió tăng, điện trở của bộ lọc tăng tuyến tính từ thấp đến cao và hai đường thẳng của hai bộ lọc sợi thủy tinh trùng nhau đáng kể. Có thể dễ dàng thấy rằng khi tốc độ gió lọc là 1 m/s, điện trở của bộ lọc sợi thủy tinh gấp khoảng bốn lần so với bộ lọc PTFE

Biết diện tích của bộ lọc, mối quan hệ giữa tốc độ mặt và chênh lệch áp suất bộ lọc có thể được suy ra:

Do sự khác biệt giữa tốc độ bề mặt của hai loại bộ lọc và chênh lệch áp suất lọc của hai loại giấy lọc nên điện trở của bộ lọc có thông số kỹ thuật 610×610×90mm ở cùng tốc độ bề mặt cao hơn thông số kỹ thuật 610×. Điện trở của bộ lọc 610 x 150mm.

Tuy nhiên, rõ ràng là ở cùng một tốc độ bề mặt, điện trở của bộ lọc sợi thủy tinh cao hơn điện trở của PTFE. Điều này cho thấy PTFE vượt trội hơn bộ lọc sợi thủy tinh về hiệu suất điện trở. Để hiểu rõ hơn về đặc điểm của bộ lọc sợi thủy tinh và điện trở PTFE, các thí nghiệm tiếp theo đã được tiến hành. Nghiên cứu trực tiếp điện trở của hai loại giấy lọc khi tốc độ gió của bộ lọc thay đổi, kết quả thí nghiệm được thể hiện dưới đây:

Điều này càng khẳng định thêm kết luận trước đó rằng khả năng chống chịu của giấy lọc sợi thủy tinh cao hơn PTFE trong cùng một tốc độ gió [6].
4 bộ lọc so sánh hiệu suất bộ lọc
Theo các điều kiện thực nghiệm, có thể đo được hiệu suất lọc của bộ lọc đối với các hạt có kích thước hạt 0,3 μm, 0,5 μm và 1,0 μm ở các tốc độ gió khác nhau và thu được biểu đồ sau:

Rõ ràng, hiệu suất lọc của hai bộ lọc sợi thủy tinh đối với các hạt 1,0 μm ở các tốc độ gió khác nhau là 100% và hiệu suất lọc của các hạt 0,3 μm và 0,5 μm giảm khi tốc độ gió tăng. Có thể thấy rằng hiệu suất lọc của bộ lọc đối với các hạt lớn cao hơn hiệu suất lọc của các hạt nhỏ và hiệu suất lọc của bộ lọc 610 × 610 × 150 mm vượt trội hơn bộ lọc có thông số kỹ thuật 610 × 610 × 90 mm.
Sử dụng phương pháp tương tự, ta thu được đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa hiệu suất lọc của bộ lọc PTFE 480×480×70 mm theo tốc độ gió:

So sánh Hình 5 và Hình 6, hiệu quả lọc của bộ lọc thủy tinh hạt 0,3 μm, 0,5 μm tốt hơn, đặc biệt là đối với hiệu ứng tương phản bụi 0,3 μm. Hiệu quả lọc của ba hạt đối với các hạt 1 μm là 100%.
Để so sánh trực quan hơn hiệu suất lọc của bộ lọc sợi thủy tinh và vật liệu lọc PTFE, các thử nghiệm hiệu suất lọc đã được thực hiện trực tiếp trên hai loại giấy lọc và thu được biểu đồ sau:

Biểu đồ trên thu được bằng cách đo hiệu ứng lọc của PTFE và giấy lọc sợi thủy tinh trên các hạt 0,3 μm ở các tốc độ gió khác nhau [7-8]. Rõ ràng là hiệu quả lọc của giấy lọc PTFE thấp hơn hiệu quả lọc của giấy lọc sợi thủy tinh.
Xét về tính chất chống chịu và tính chất lọc của vật liệu lọc, có thể dễ dàng nhận thấy rằng vật liệu lọc PTFE phù hợp hơn để chế tạo bộ lọc thô hoặc dưới HEPA, còn vật liệu lọc sợi thủy tinh phù hợp hơn để chế tạo bộ lọc HEPA hoặc siêu HEPA.
5 Kết luận
Triển vọng cho các ứng dụng bộ lọc khác nhau được khám phá bằng cách so sánh các đặc tính về điện trở và đặc tính lọc của bộ lọc PTFE với bộ lọc sợi thủy tinh. Từ thí nghiệm, chúng ta có thể rút ra kết luận rằng tốc độ gió là một yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả lọc của bộ lọc không khí HEPA. Tốc độ gió càng cao, hiệu quả lọc càng thấp, tác động đến bộ lọc PTFE càng rõ ràng và nhìn chung, bộ lọc PTFE có hiệu quả lọc thấp hơn bộ lọc sợi thủy tinh, nhưng điện trở của nó thấp hơn bộ lọc sợi thủy tinh. Do đó, vật liệu lọc PTFE phù hợp hơn để tạo ra bộ lọc hiệu suất thô hoặc dưới cao, và vật liệu lọc sợi thủy tinh phù hợp hơn để sản xuất. Bộ lọc hiệu quả hoặc cực hiệu quả. Bộ lọc HEPA sợi thủy tinh có thông số kỹ thuật 610 × 610 × 150mm thấp hơn bộ lọc HEPA sợi thủy tinh 610 × 610 × 90mm và hiệu suất lọc tốt hơn bộ lọc HEPA sợi thủy tinh 610 × 610 × 90mm. Hiện tại, giá của vật liệu lọc PTFE nguyên chất cao hơn giá của sợi thủy tinh. Tuy nhiên, so với sợi thủy tinh, PTFE có khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn và thủy phân tốt hơn sợi thủy tinh. Do đó, cần cân nhắc nhiều yếu tố khi sản xuất bộ lọc. Kết hợp hiệu suất kỹ thuật và hiệu suất kinh tế.
Tài liệu tham khảo:
[1]Liu Laihong, Wang Shihong. Phát triển và ứng dụng của bộ lọc không khí [J]•Lọc và tách, 2000, 10(4): 8-10.
[2] CN Davis Air Filter [M], dịch bởi Huang Riguang. Bắc Kinh: Nhà xuất bản Năng lượng Nguyên tử, 1979.
[3] GB/T6165-1985 phương pháp thử nghiệm hiệu suất bộ lọc không khí hiệu suất cao về khả năng truyền và điện trở [M]. Cục Tiêu chuẩn Quốc gia, 1985.
[4]Xing Songnian. Phương pháp phát hiện và ứng dụng thực tế của bộ lọc không khí hiệu suất cao[J]•Thiết bị phòng ngừa dịch bệnh sinh học, 2005, 26(1): 29-31.
[5]Hochrainer. Những phát triển tiếp theo của máy đếm hạt
sizerPCS-2000sợi thủy tinh [J]•Tạp chí Lọc Khoa học Khí dung, 2000,31(1): 771-772.
[6]E. Weingartner, P. Haller, H. Burtscher, v.v. Áp lực
DropAcrossFiberFilters[J]•Khoa học khí dung, 1996, 27(1): 639-640.
[7]Michael JM và Clyde Orr. Nguyên tắc và Thực hành Lọc[M].
New York:MarcelDekkerInc, 1987©
[8] Trương Quốc Toàn. Cơ học khí dung – cơ sở lý thuyết về loại bỏ và làm sạch bụi [M] • Bắc Kinh: Nhà xuất bản Khoa học Môi trường Trung Quốc, 1987.