![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/3aa/b0a/546/3aab0a546a6cd0061fe615c84606e885.png)
Мы проводим 90% нашей жизни в помещениях или закрытых пространствах. Химические процессы, постоянно происходящие в воздухе в этих пространствах, сильно влияют на наше здоровье. 8 из 10 аллергиков имеют периодические приступы аллергии из-за загрязнённого воздуха в помещении. По оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), почти 7 миллионов человек умирают каждый год от заболеваний, вызванных загрязнённым воздухом в помещениях.
Автомобильные и промышленные загрязнения, пыль, табачный дым, летучие органические соединения (ЛОС), дым лесных пожаров и другие загрязнители наружного воздуха попадают в дома посредством инфильтрации, в то время как повседневная деятельность в помещении, потребительские и строительные товары также добавляют химические соедения в воздух помещений. Химический состав этих газов и частиц влияют на воздух, которым мы дышим, и поверхности, с которыми мы взаимодействуем.
Чтобы устранить опасность для здоровья, вызванную загрязнением воздуха, существуют очистители воздуха. По сути, воздухоочиститель — это устройство, удаляющее загрязнения, присутствующие в воздухе. Особенно они полезны людям, страдающим аллергией и астмой. Быстро растущий уровень загрязнения и рост заболеваний, передающихся воздушно-капельным путём, заставляют задуматься о приобретении очистителя воздуха для своего дома.
В наши дни существует множество вариантов очистки воздуха: угольные фильтры, фильтры HEPA, ионные очистители воздуха, увлажнители воздуха, генераторы озона и другие. Сегодня очистители воздуха превратились из первых противогазов для фабричных рабочих, до автономных систем очистки воздуха, поскольку сам воздух, которым мы дышим, становится небезопасным.
Токсичные отношения
Источники газов и частиц в помещении можно разделить на первичные и вторичные. Первичные компоненты выделяются непосредственно из источников, тогда как вторичные компоненты образуются в результате химических реакций в воздухе (или на поверхностях) из молекул-предшественников.
Первичные источники внутри помещений включают в себя следующие основные категории: само здание (дерево, линолеум, пластик), потребительские товары (средства личной гигиены, чистящие средства или средства для приготовления пищи, оборудование и офисные товары), выбросы в результате метаболизма микробов и человека, деятельность жильцов (приготовление пищи) и преднамеренный (через оконные проёмы или системы вентиляции) или непреднамеренный (инфильтрация через протечки в покрытии дома) перенос наружного воздуха в дом.
Химия, происходящая внутри дома, является вторичным источником газов и частиц. Химические процессы включают газофазное окисление, разделение полулетучих веществ между газовой и конденсированной фазами, а также многофазные химические процессы, происходящие на или внутри поверхностей, в частицах воздуха или пыли.
Основное поглощение малых газов и частиц в воздухе помещений обычно включают осаждение на поверхности помещений, реакции в газовой фазе или фазе частиц с образованием изменённых молекул и удаление из дома посредством вентиляции в наружную атмосферу. Постоянный воздухообмен внутри и снаружи влияет на качество воздуха как внутри, так и снаружи. Воздействие различных компонентов, таких как ЛОС, увеличивает вероятность возникновения симптомов синдрома больного здания.
Использование твёрдых веществ для удаления веществ из газообразных или жидких растворов широко применялось ещё с библейских времён. Этот процесс, известный как адсорбция, включает в себя не что иное, как преимущественное распределение веществ из газообразной или жидкой фазы на поверхность твёрдой подложки.
С первых дней использования костяного угля для обесцвечивания растворов сахара и других пищевых продуктов, до более позднего внедрения активированного угля для удаления нервно-паралитических газов с поля боя и до сегодняшних тысяч применений, явление адсорбции стало полезным инструментом для очистки и разделения.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/898/381/0a8/8983810a8cbc94286565b3b8b816ac05.png)
Процесс адсорбции представляет собой отделение вещества от одной фазы с последующим его накоплением или концентрацией на поверхности другой. Адсорбирующая фаза представляет собой адсорбент, а материал, сконцентрированный или адсорбированный на поверхности этой фазы, представляет собой адсорбат.
Таким образом, адсорбция отличается от абсорбции, процесса, в котором материал, перенесённый из одной фазы в другую (например, жидкость), проникает во вторую фазу, образуя «раствор». Термин «сорбция» представляет собой общее выражение, охватывающее оба процесса.
Явления адсорбции наблюдаются в большинстве природных физических, биологических и химических систем, а операции адсорбции с использованием твёрдых веществ, таких как активированный уголь и синтетические смолы, широко используются в промышленности, а также для очистки воды и воздуха.
Хороший CADR
Существует два типа технологий очистки воздуха: активные и пассивные. Активные очистители воздуха выделяют в воздух отрицательно заряженные ионы, в результате чего загрязняющие вещества прилипают к поверхностям, тогда как пассивные очистители воздуха используют воздушные фильтры для удаления загрязняющих веществ. Пассивные очистители более эффективны, поскольку вся пыль и твёрдые частицы удаляются из воздуха и собираются в фильтрах. Для очистки воздуха можно использовать несколько различных процессов различной эффективности.
Современные технологии очистки воздуха можно разделить на две категории:
Очистители воздуха с фильтрами (фильтры предварительной очистки, фильтры HEPA (High Efficiency Particulate Air), фильтры с активированным углём, постоянные/моющиеся фильтры)
Очистители воздуха без фильтров (ионизаторы воздуха, электрофильтры, генераторы озона, термодинамическая стерилизация, ультрафиолетовое бактерицидное облучение, ультрафиолетовое бактерицидное облучение, очистители с фотокаталитическим окислением)
Очистители воздуха коммерческого класса производятся либо в виде автономных устройств, которые могут быть прикреплены к вентиляционной установке (AHU) или к установкеHVAC, используемой в медицинской, промышленной и коммерческой отраслях. Очистители воздуха также могут использоваться в промышленности для удаления примесей из воздуха перед обработкой. Для этого обычно используются адсорберы с переменным давлением или другие методы адсорбции.
В настоящее время на рынке очистителей воздуха доминируют очистители с HEPA-фильтрами. Ультрафиолетовое бактерицидное облучение, очистители с активированным углём, увлажнители и ионизаторы являются наиболее распространёнными очистителями воздуха для домашнего и коммерческого использования, помогающими при астме и аллергии. Фотокаталитическое окисление (ФКО) является одной из новых технологий.
Очистители ФКО также используют ультрафиолет для реакции с катализатором — TiO2. Реакция окисляет бактерии, вирусы, грибки, запахи и ЛОС, а также расщепляет загрязняющие вещества на безвредные молекулы углекислого газа и воды, делая воздух чище.
![Tefal Pure Air NanoCaptur PT3040F0 Tefal Pure Air NanoCaptur PT3040F0](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/93a/0fb/790/93a0fb7906772f11ec9ad3b470a4c7f1.jpeg)
Фильтры HEPA удаляют не менее 99,97% частиц диаметром 0,3 микрона, что обычно соответствует минимальной эффективности фильтра. Большинство коммерческих систем фильтрации в помещениях полагаются на фильтры HEPA.
Различные исследования подтверждают преимущества портативных воздухоочистителей на основе HEPA для снижения концентрации аэрозолей из многих источников, включая снижение рисков передачи COVID-19, а также улучшают клинические проявления у пациентов с аллергическим ринитом за счёт уменьшения количества твёрдых частиц и аллергена пылевых клещей.
Стоимость воздухоочистителей на основе HEPA обычно зависит от их производительности, которая обычно характеризуется скоростью подачи чистого воздуха (Clean air delivery rate, CADR).CADR определяет количество эквивалентных воздухообменов в час (Air changes per hour, ACH), достижимое в помещении заданного размера. Рекомендуется, чтобы CADR воздушного фильтра составлял около двух третей площади пола комнаты.
Например, для помещений площадью 300 кв.метр CADR соответствует 200. Ограничения очистки воздуха в помещении включают в себя шум, потребление энергии, а также первоначальные затраты и затраты на техническое обслуживание сменных фильтров. Стоимость комнатных фильтров с рейтингомEnergy Star, предназначенных для рынка жилых помещений, варьируется от 0,71 до 2,66 долларов США за CADR, что делает их недоступными для многих людей.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/edd/d22/e5f/eddd22e5f16d4711f2ce9360e1aef118.jpeg)
Недавно предложенный, простой в изготовлении и недорогой альтернативный воздухоочиститель, состоящий из фильтров MERV-13 и коробчатого вентилятора, даёт возможность большему количеству людей получить доступ к воздухоочистителям на основе фильтров. Этот очиститель, сделанный своими руками (DIY), известный как «Corsi-Rosenthal Box» (CR Box), находит применение в школьных классах и других помещениях благодаря доступности материалов. Хотя фильтры MERV-13 имеют более низкую эффективность фильтрации, чем фильтры HEPA, очистка воздуха в помещении с использованием MERV-13 всё равно приведёт к снижению концентрации частиц.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/736/ed5/ff4/736ed5ff4e22ad97585b8072f20b4bec.png)
![CR Box CR Box](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/a55/daa/23d/a55daa23dcdfaaaf8e01978bb0e8af2f.png)
Другие методы
Ультрафиолетовое бактерицидное облучение – UVGI можно использовать для стерилизации воздуха. Системы UVGI могут представляют собой устройства с экранированными УФ-лампами, в которых используется вентилятор, пропускающий воздух мимо УФ-излучения. Они могут устанавливаются в системах вентиляции для удаления микроорганизмов.
Активированный уголь — пористый материал, который может адсорбировать ЛОС, но не удаляет более крупные частицы. Процесс адсорбции при использовании активированного угля должен достичь равновесия, поэтому полное удаление загрязнений может оказаться затруднительным.
Активированный уголь — это всего лишь процесс перевода загрязняющих веществ из газообразной фазы в твердую фазу, когда отягчённые или нарушенные загрязнения могут быть регенерированы в источниках воздуха в помещении. Активированный уголь можно использовать при комнатной температуре, и он уже давно используется в коммерческих целях. Обычно он используется в сочетании с другими технологиями фильтрации, особенно с HEPA. Другие материалы также могут поглощать химические вещества, но стоят дороже.
![Vitek VT-8552 Vitek VT-8552](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/20c/546/a5b/20c546a5bdf966de76c1e09f76ac23ff.jpeg)
В электронных воздухоочистителях с поляризованными средами используются активные среды с электронным усилением, объединяющие элементы как электронных воздухоочистителей, так и пассивных механических фильтров. Большинство электронных воздухоочистителей с поляризованными средами используют безопасное напряжение постоянного тока 24 В для создания поляризующего электрического поля.
Большинство частиц в воздухе имеют заряд, а многие даже биполярны. Когда переносимые по воздуху частицы проходят через электрическое поле, поляризованное поле переориентирует частицу, чтобы она прилипла к одноразовой подушке из волоконного материала. Ультрамелкие частицы (UFP), которые не собираются при первом прохождении через подушку для материала, поляризуются и агломерируются с другими частицами, молекулами запаха и ЛОС и собираются при последующих проходах.
Эффективность электронных воздухоочистителей с поляризованными материалами увеличивается по мере их загрузки, обеспечивая высокоэффективную фильтрацию. Технология поляризованных сред является неионизирующей, что означает отсутствие образования озона.
Фотокаталитическое окисление (ФКО) — это новая технология в отрасли отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. В дополнение к перспективам повышения качества воздуха в помещении (IAQ), ФКО имеет дополнительный потенциал для ограничения поступления некондиционированного воздуха в помещения здания, тем самым предоставляя возможность добиться экономии энергии.
Проектировщику системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха следует правильно применять технологию, так как ФКО может значительно увеличить количество формальдегида в жилых помещениях. Системы ФКО способны полностью окислять и разлагать органические загрязнения. Воздуховодные агрегаты ФКО могут быть установлены в существующую систему вентиляции и кондиционирования. ФКО не является технологией фильтрации, поскольку она не улавливает и не удаляет частицы. Иногда её сочетают с другими технологиями фильтрации для очистки воздуха. Системы ФКО часто имеют высокие коммерческие затраты.
Родственной технологией, имеющей отношение к очистке воздуха, является фотоэлектрохимическое окисление. Технически ФЭХО является типом ФКО, но включает в себя электрохимические взаимодействия между материалом катализатора и химически активными частицами (например, посредством внедрения катодных материалов) для улучшения квантовой эффективности; таким образом, можно использовать УФА-излучение меньшей энергии в качестве источника света и при этом добиться повышенной эффективности.
В ионизаторах используются заряженные электрические поверхности или иглы для генерации электрически заряженных ионов воздуха. Эти ионы соединяются с частицами в воздухе, которые затем электростатически притягиваются к заряженной коллекторной пластине. Этот механизм производит следовые количества озона и других окислителей в качестве побочных продуктов. Большинство ионизаторов производят озон в соотношении 1:20 000 000, что соответствует стандарту промышленной безопасности.
![Gezatone AP500 Gezatone AP500](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/899/427/a92/899427a9221dace98967f15a1295afb8.jpeg)
Генераторы озона предназначены для производства озона и иногда продаются как воздухоочистители для всего дома. В отличие от ионизаторов, генераторы озона предназначены для производства озона, сильного окислителя, который может окислять многие другие химические вещества. Генераторы могу производить более 3000 мг озона в час.
Как и в случае с другими приборами, связанными со здоровьем, вокруг претензий некоторых компаний, особенно в отношении ионных очистителей воздуха, существуют разногласия. Многие очистители воздуха генерируют некоторое количество озона, энергетического аллотропа трёх атомов кислорода, а при наличии влажности — небольшое количество NOx. Из-за характера процесса ионизации ионные очистители воздуха имеют тенденцию генерировать больше всего озона.
Высокая концентрация озона опасна. Озон может повредить лёгкие, вызывать боль в груди, кашель, одышку и раздражение горла. Это также может усугубить хронические респираторные заболевания, такие как астма, и поставить под угрозу способность организма бороться с респираторными инфекциями даже у здоровых людей. Люди, страдающие астмой и аллергией, наиболее подвержены неблагоприятному воздействию высоких уровней озона.
Генераторы озона, используемые для шоковой обработки (нежилые помещения), которые необходимы подрядчикам по устранению дыма, плесени и запаха, а также компаниям по уборке мест преступлений для окисления и окончательного удаления повреждений от дыма, плесени и запаха, считаются ценным и эффективным инструментом при использовании для коммерческих и промышленных целей. Однако появляется всё больше свидетельств того, что эти машины могут производить нежелательные побочные продукты.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/956/14c/73a/95614c73a6720041c24a62b47a5776cd.gif)
История
Когда в Америке началась промышленная революция, сжигание угля стало массовым во всех растущих городах. Использование угля позволило инженерам производить электроэнергию и топливо для привода поездов и отопления домов. Однако, поскольку уголь стал основным ресурсом для развития городской жизни, воздух стал загрязняться дымом и тёмными облаками смога.
В начале промышленной революции в США Джон и Чарльз Дин в 1823 году разработали маску для пожарных, позволяющую пожарным проникать в горящие здания, не вдыхая опасный дым.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/f30/2a9/1de/f302a91de692a1be6dd3c7df235a93cc.png)
В 1854 году Джон Стенхаус разработал маску, которую шахтёры носили для защиты от загрязнённого воздуха. Маска Стенхауса была основана на конструкции фильтра с древесным углём. Эти маски сделали огромный прогресс в области очистки воздуха. Использование древесного угля в воздушных фильтрах позволило Стенхаусу отфильтровывать из воздуха больше вредных газов, чем предыдущие фильтрующие маски. В 1871 году Джон Тиндаль модернизировал маски пожарных, созданные Динами, представив свой респиратор. Сочетание респираторного устройства и системы фильтрации стало ранним предшественником сегодняшних респираторных масок.
Создание HEPA-фильтра
HEPA-фильтр до того, как он стал частью бытовых систем фильтрации, таких как портативный очиститель воздуха Air Health Skye, был сверхсекретным правительственным проектом. История HEPA-фильтра начинается с листка бумаги, который британцы нашли в немецком противогазе в начале Первой мировой войны. Они обнаружили, что бумага очень хорошо улавливает химический дым. Воспроизведя эту идею для своих противогазов, Химический корпус британской армии также внедрил эту идею в «абсолютный воздушный фильтр» — механический вентилятор, который мог бы очищать воздух в оперативном штабе.
В 1942 году США начали Манхэттенский проект в Ок-Ридже, штат Теннесси, который привёл к созданию первой ядерной бомбы. Они знали, что им нужен способ защитить почти 90 000 работников Манхэттенского проекта. Взяв за основу британские проекты противогаза и абсолютного фильтра, Химический корпус армии США и Комитет исследований национальной обороны заказали совместный проект по разработке фильтра, который мог бы удалять опасные радиоактивные частицы из воздуха.
Работая с лауреатом Нобелевской премии Ирвингом Ленгмюром, они определили, что наиболее важными являются частицы диаметром 0,3 микрона, и сосредоточили свои усилия на фильтрации частиц такого размера. Результатом стал первый HEPA-фильтр, хотя официально он не был известен как таковой до 1960-х годов. В конечном счёте, эти фильтры не были эффективны в снижении воздействия радиации, но они обеспечивали отличную защиту от газообразного хлора, иприта и дыма. Таким образом, они использовались как в штаб-квартире Манхэттенского проекта, так и в противогазах американских солдат до конца Второй Мировой войны.
За десятилетие после окончания Второй мировой войны военный и частный секторы нашли больше применений HEPA-фильтрам. Исследователи обнаружили, что механические фильтры эффективны против многих других частиц в воздухе, включая пыль, пыльцу, шерсть животных, плесень и дым. В начале 1950-х годов HEPA был зарегистрирован как торговая марка и представлен на рынке как фильтр для очистки воздуха. Сначала они получили широкое распространение в пылесосах, а вскоре были приняты во многих отраслях промышленности, которым требовались высокоэффективные воздушные фильтры.
Примерно в это же время всё больше американцев стали беспокоиться о качестве воздуха. В 1963 году Конгресс принял Закон о чистом воздухе, который установил стандарты по снижению загрязнения воздуха. Хотя это и не первая попытка решить проблему качества воздуха, она помогла стимулировать более широкое движение и привела к буму популярности домашних очистителей воздуха HEPA в 1970-х и 1980-х годах.
HEPA стал настолько распространённым, что многие люди используют его как общий термин для обозначения высокоэффективных воздушных фильтров. Технологические достижения сделали очистители воздуха HEPA меньше и проще в эксплуатации, чем оригинальный «абсолютный фильтр», сохранив при этом их эффективность.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/b66/95f/da4/b6695fda43c9e17ea4fca42833518587.jpeg)
Первый бытовой HEPA-фильтр был продан в 1963 году братьями Манфредом и Клаусом Хаммесами в Германии, которые создали Incen Air Corporation, которая была предшественником корпорации IQAir.
С появлением десятков продуктов с фильтрами HEPA новые и интересные способы борьбы с аллергией и астмой наконец стали широко доступны для использования в жилых помещениях. Первые очистители воздуха HEPA были громоздкими, сложными в эксплуатации и традиционно использовались только в больницах и фармацевтических учреждениях, а также среди производителей компьютерных чипов. Затем предприятия начали обращать внимание на проблемы качества воздуха в помещениях среди бытовых потребителей.
По мере совершенствования технологии фильтрации воздуха росла и коммерческая жизнеспособность продуктов для очистки воздуха. Такие компании, как IQAir North America, Austin Air Systems, AllerAir и Blueair, постепенно извлекли выгоду из новых изменений, внесённых в технологию очистки воздуха. Например, специальные очищающие воздушные фильтры были установлены на моделях Mercedes Benz в 1990 году. Вскоре после этого та же компания (IQAir) представила фильтры HEPA H13, которые были способны улавливать в 100 раз больше загрязняющих веществ, чем предыдущие фильтры HEPA.
В 1991 году компания Austin Air Systems решила проблему загрязнения окружающей среды твёрдыми частицами, неприятных запахов и химической токсичности новым способом. Во-первых, они представили концепцию фильтра предварительной очистки, который продлил срок службы и эффективность фильтров HEPA. Они также разработали систему забора воздуха на 360 градусов, которая значительно повысила эффективность очистки воздуха.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/e3a/b48/ba3/e3ab48ba33af3424b934ff9e550ad1c3.gif)
Сегодня высокотехнологичные очистители воздуха позволяют удалять загрязнения, которые до сих пор считались неизбежными. Сегодняшние очистители воздуха, изначально способные улавливать частицы, могут также справляться с токсичными газами, а также микроскопическими аллергенами и загрязнителями. Будущее, вероятно, принесёт дальнейшие достижения, которые однажды могут создать внутреннюю среду для большинства домов, сравнимую с качеством воздуха в горных вершинах.
Очистители воздуха прошли долгий процесс исследований и разработок на протяжении десятилетий — от масок до современных автономных систем очистки, используемых сегодня. Потребность в очистителях воздуха растёт с ростом населения. Продолжаются исследования, направленные на создание жизнеспособных и эффективных воздушных фильтров, обработанных биоцидами (т. е. воздушных фильтров, покрытых противомикробными веществами), для предотвращения распространения передающихся по воздуху патогенов. Будет интересно увидеть дальнейшее развитие этой технологии.