Nature: создан моющийся HEPA фотокаталитический фильтр со сроком службы до 20 лет

Исследователи Samsung разработали  фильтр для очистки воздуха от пыли (PM) и летучих органических соединений (VOC) со сроком службы 20 лет, убирающий 95% PM и 82% VOC за проход, и моющийся при этом обычной водой почти до показателей первоначальной эффективности. Статья опубликована в престижнейшем журнале Nature Communications.

Чтобы вы понимали, сейчас чаще всего используют разные фильтры для PM и VOC. Оба этих фильтра одноразовые со сроком службы порядка полугода. По-моему, именно так и выглядит прорыв :)

efc419063186fbe910880336e6754306.png

Загрязнители

  • Мелкие взвешенные частицы aka пыль или Particulate Matter (PM). Чаще всего нужно следить за PM 10 и PM 2.5, то есть за частицами с размером меньше 10 мкм и 2.5 мкм, соответственно. 2.5 мкм раз в 30 тоньше человеческого волоса, но, как ни странно, примерно такой же длины, как крупная бактерия. Такая пыль может долго висеть в воздухе и быть супер-вредной (PM — самый сильный фактор риска, увеличивающий преждевременную смертность). Регулярная уборка пылесосом позволяет снизить концентрацию пыли дома, но только, если у вас хороший пылесос с герметичной системой и HEPA-фильтром. Но очиститель воздуха, всё же, будет эффективнее: он приведёт в норму показатели чистоты воздуха за час-другой.

  • Летучие органические соединения  или Volatile Organic Compounds (VOC). Это то, что содержит в себе табачный дым,  выделяет мебель из ЛДСП и МДФ, напольные покрытия, краски, благовония и даже 3D-принтеры. VOC также печально известны тем, что среди этих веществ много канцерогенов. Но не всё так печально: их концентрацию можно держать на приемлемом уровне, постоянно проветривая помещение.

Я хочу упомянуть еще два загрязнителя:

  • Выхлопные газы — пересекающееся с VOC множество. Чаще всего, угарный газ, оксиды серы и азота. Чаще всего нейтрализуются фотокаталитическими фильтрами (об этом ниже).

  • Углекислый газ. Дома главный загрязнитель — ты, username! Но не переживай, CO2 можно убирать так, как это делают космонавты, но лучше проветривать свою комнату!

Как определяют загрязнения в воздухе:

  • Мелкие взвешенные частицы (PM 2.5 и PM 10), чаще всего, определяют оптическим датчиком: фотоприёмник ловит свет, отраженный от пыли (смотрите рисунок 1). Как правило, измеряется в мкг/м3. Меньше 10 мкг/м3 — хорошо, остальное — не очень. Иногда измеряют в миллионных долях ppm (parts per million), 1 ppm = 10–6 (10–4%), это своего рода «процент для лилипутов».

Рисунок 1. Так работает оптический датчик пыли. Источник

Рисунок 1. Так работает оптический датчик пыли. Источник
  • Летучие органические соединения (VOC) определяют более хитрым датчиком, в котором нагревается пластинка из оксида металла (смотрите рисунок 2). У её поверхности появляются ионы кислорода, которые вступают в реакцию с целевым газом и тем самым высвобождает электроны. Это приводит к изменению электрического сопротивления пластинки Сопротивление — это уже электрическая величина, которую можно измерить компактным аналогом мультиметра. На приборах, как правило, указывают показатель tVOC (total Volatile Organic Compounds) —  суммарная концентрация всей летучей органики в воздухе (не обязательно вредной). Эта величина измеряется в мг/м3, иногда в ppm. Упрощенно, всё, что меньше 1 мг/м3 — хорошо (помните, что tVOC — общий показатель. Так-то для некоторых веществ нормативы ВОЗ гораздо строже (<0.001 мг/м3).

Рисунок 2. А так работает датчик летучих органических соединений. Источник

Рисунок 2. А так работает датчик летучих органических соединений. Источник

Существуют бытовые модели таких датчиков (как на рисунке 3), но они недешевые. Они измеряют концентрацию CO2, VOC и PM 2.5. Как пользователь такого, могу сказать: обратите внимание, что при первом включении датчик VOC может прогреваться 4 часа, не спешите паниковать. И человек сам является источником летучих органических соединений, так что не удивляйтесь, если он будет завышать показания рядом с вами.

Рисунок 3. Бытовой анализатор воздуха. Умеет измерять CO2, PM 2.5, tVOC. Источник

Рисунок 3. Бытовой анализатор воздуха. Умеет измерять CO2, PM 2.5, tVOC. Источник

Если нет бытового датчика, то часть показателей можно узнать в Интернете. В крупных городах есть станции экологического мониторинга. По ссылке можно посмотреть данные Мосэкомониторинга и народного ☭ мониторинга (вам нужно смотреть раздел: показ → запыленность). Но самая большая карта у сервиса Breezometer. Онаработает по всем городам мира (он, вероятно, экстраполирует данные со станций, оборудования в домах и автомобилях).

Обратите внимание, Москва — довольно чистый город, по сравнению с мегаполисами Китая и Индии.

Как работают обычные фильтры:

  • PM. 2.5: HEPA-фильтры (High Efficiency Particulate Arrestance, высокоэффективное удержание частиц) (смотрите рисунок 4). В среднем, степень очистки >95%, срок службы порядка полугода. 

Рисунок 4. Микрофото волокон HEPA-фильтра.  H11 – маркировка класса фильтра, этот чистит не менее 95% пыли. Источник

Рисунок 4. Микрофото волокон HEPA-фильтра.
H11 — маркировка класса фильтра, этот чистит не менее 95% пыли. Источник

Также рекомендую прочитать прекрасную статью о том, как работают HEPA-фильтры и почему их эффективность растет по мере загрязнения (хотя и падает их пропускная способность). Коротко и упрощенно принцип работы HEPA-фильтра можно объяснить через описание механизмов фильтрации:

  • «сито», когда частичка больше, чем пора фильтра (она просто не пролезает туда).

  • адгезия (прилипание): частичка касается поверхности и практически навсегда прилепляется (работают силы межмолекулярного взаимодействия).

  • аутогезия (слипаемость): то же самое, что и адгезия, но работает, когда частичка касается другой частички.

Cовсем маленькие частицы пыли натыкаются на волокна фильтра благодаря броуновскому движению (так они с большей вероятностью «задевают» волокна), а сравнительно большие врезаются туда по инерции, не успевая обогнуть их с потоком воздуха. Win-win situation!

Кстати, в Советском Союзе был свой HEPA — фильтры Петрянова-Соколова.

Угольные фильтры (как на рисунке 5) улавливают практически все токсичные примеси воздуха с молекулярной массой более 40 атомных единиц. Эффективность очистки ~ 90%, срок службы ~ полгода.

Рисунок 5. Угольный (адсорбционный) фильтр. Источник

Рисунок 5. Угольный (адсорбционный) фильтр. Источник

Фотокаталитический фильтр (показан на рисунке 6) имеет пористый носитель с нанесенным ТiО2-фотокатализатором, который облучается светом и через который продувается воздух. Загрязнители адсорбируются на поверхности фотокатализатора и под действием света от ультрафиолетовой (УФ) лампы окисляются до углекислого газа и воды. Приятный бонус: УФ уничтожает некоторые бактерии и даже вирусы (но нужно смотреть мощность и время экспозиции). Угольный фильтр могут поставить второй ступенью после фотокаталитического (тогда он служит дольше). Степень очистки такой системы >95% (но по некоторым веществам ниже, например, по диоксиду серы ~15%). Срок службы ~ 2 года.

Рисунок 6. Фотокаталитический фильтр. Источник

Рисунок 6. Фотокаталитический фильтр. Источник

Из статьи и комментариев к ней следует, что фотокаталитические фильтры имеют сравнительно невысокую производительность. Чтобы эффективно очищать от летучей органики целую квартиру, требуется большая установка (размером примерно с половину холодильника).

Как работает новый фильтр

Керамический фотокаталитический фильтр для очистки воздуха, о котором исследователи Samsung написали в журнале Nature, сделан по принципу «два в одном». Керамические HEPA секции в нем чередуются с секциями, покрытыми фотокатализатором Cu2O/TiO2 и облучаемыми ультрафиолетом (смотрите рисунок 7).

Рисунок 7. Устройство нового фильтра. Схема из статьи авторов

Керамика — это необычный материал для HEPA. Обычно его используют для водяных фильтров или нейтрализаторов выхлопных газов (обычные HEPA-фильтры делают из стеклопластиковых волокон). Но в этом случае это сделано, прежде всего, для того, чтобы фильтр можно было мыть.

Более того, для фильтра используется не простая пористая керамика, а покрытая мембраной из неорганических материалов (в нашем случае, кордерит, алюмосиликат магния и железа). Это позволяет быстро переходить в режим фильтрации, при котором поступающая пыль задерживается первыми слоями налипших на фильтр собратьев (на английском это называется dust cake), это, в целом, эффективнее чем обычный механизм фильтрации (пояснение на рисунке 8).

Рисунок 8. микрофотографии a - рамического фильтра, b - керамика, дополнительно покрытой мембраной. Справа схема, объясняющая понятие «dust cake»

Рисунок 8. микрофотографии a — рамического фильтра, b — керамика, дополнительно покрытой мембраной. Справа схема, объясняющая понятие «dust cake»

Ниже приведу в упрощенном виде таблицу из статьи авторов, где сравниваются параметры керамического фильтра с кордеритовой мембраной и без неё.

Параметр

Керамический фильтр

Керамический фильтр с мембраной

Падение давления при скорости движения потока 1 м/с, Па

62

136

Степень фильтрации PM 2.5, %

51.1

97.7

Степень фильтрации PM 10, %

53.6

98.0

Из этой таблицы видно, что эффективность керамического фильтра с мембраной значительно выше, чем «обычного» керамического фильтра, хотя его воздушное сопротивление (падение давления на фильтре) тоже выше.

Таким образом, воздух, попадая в секцию с HEPA-фильтром, натыкается на пробку и просачивается сквозь керамику с мембраной в фотокаталитическую секцию, покрытую Cu2O/TiO2 и облучаемую УФ-лампой (подробнее об этом на рисунках 9 и 10).

Рисунок 9. a - секции фильтра, чередующиесяв шахматном порядке, b – срезы фильтра – туда попали две секции очистки от пыли (левая верхняя и правая нижняя, они покрыты мембраной из кордерита) и две – фотокатализа (правая верхняя и левая нижняя, покрыты оксидом титана). Источник

Рисунок 9. a — секции фильтра, чередующиесяв шахматном порядке, b — срезы фильтра туда попали две секции очистки от пыли (левая верхняя и правая нижняя, они покрыты мембраной из кордерита) и две — фотокатализа (правая верхняя и левая нижняя, покрыты оксидом титана). Источник

Добавление сокатализатора Cu2O улучшает фотокаталитическую активность традиционного катализатора TiO2, благодаря легкому разделению зарядов и высокой плотности носителей заряда.

Рисунок 10. Схема воздействия УФ на катализатор. Оно приводит к освобождению нескольких форм кислорода, который разрывает VOC вплоть до воды и углекислого газа. Источник

Рисунок 10. Схема воздействия УФ на катализатор. Оно приводит к освобождению нескольких форм кислорода, который разрывает VOC вплоть до воды и углекислого газа. Источник

После оптимизационных расчетов был использован массив 2×2 УФ-светодиодов интенсивностью света 38,1 (в центре) и 40,8 мВт/см2 (сбоку) и максимальным расстоянием распространения света внутри фильтра около 30 мм (смотрите рисунок 11).

Рисунок 11. Эффективность фильтрации VOC в зависимости от типа применяемых УФ-светодиодов. График из статьи авторов.

Рисунок 11. Эффективность фильтрации VOC в зависимости от типа применяемых УФ-светодиодов. График из статьи авторов.

Почему новый фотокаталитический фильтр эффективен:

  • Удаляет >95% PM и >82% VOC за один проход потока воздуха через него.

  • 1 дм3 фильтра может держать в себе 20 г пыли — это примерно в 4 раза больше, чем у обычных фильтров.

  • Моется обычной водой.

  • Может быть использован повторно 10 раз с сохранением эффективности фильтрации (другими словами, прослужит 20 лет).

Регенерация фильтра

Исследования показали, что простая промывка водой в направлении против улавливания пыли является наиболее эффективным способом регенерации такого фильтра. Утверждения о 20-летнем сроке службы фильтра следуют именно из этих данных (смотрите рисунок 12).

Рисунок 12. Эффективность фильтрации почти не упала в течение 10 циклов регенерации, а сопротивление потоку даже немного снизилось. Фото и график из статьи авторов.

Рисунок 12. Эффективность фильтрации почти не упала в течение 10 циклов регенерации, а сопротивление потоку даже немного снизилось. Фото и график из статьи авторов.

Апробация опытных образцов таких фильтров

Новые фильтры тестировали в течение 30 месяцев в одном из зданий в Южной Корее. Исследователи подтвердили, что эффективность фильтрации PM 2.5 остается выше 98% в течение 30 месяцев без замены и регенерации, в то время как обычные фильтрующие элементы показали сравнительно низкую эффективность (62%) и требовали замены каждые 3–6 месяцев.

Кроме того, в течение 12 месяцев исследовалась отдельно стоящая система очистки
воздуха с использованием нового фильтра на подземной парковке (подробнее на
рисунке 13). 

Рисунок 13. Фото экспериментального стенда на одной из парковок в Южной Корее и результаты измерений двух показателей PM в течение года при расходе 4000 м3/ч (это очень высокий показатель, этого хватит для проветривания семи квартир). Источник

Рисунок 13. Фото экспериментального стенда на одной из парковок в Южной Корее и результаты измерений двух показателей PM в течение года при расходе 4000 м3 (это очень высокий показатель, этого хватит для проветривания семи квартир). Источник

Всё вышеописанное создаёт оптимистичное впечатление. Кажется, что произошел технологический скачок пусть даже и в небольшой области знаний, связанной с воздушными фильтрами. Конечно, у этой технологии есть (или будут обнаружены) недостатки (например, наверняка, такие фильтры будут заметно дороже применяемых в данный момент), но, безусловно, эта разработка способна улучшить качество нашей жизни в ближайшее время.

Спасибо за внимание!

16745071452e58ff0260cc37152c7036.PNGВячеслав Шумаев

кандидат физико-математических наук, ведущий инженер Samsung

© Habrahabr.ru