Filtrační technika - základy

Atmosférický vzduch

Vzduch, který nás obklopuje, je směsí nejrůznějších plynů. Přírodní atmosférický vzduch sestává přibližně z 21% kyslíku, 78% dusíku, jakož i z 1% argonu, oxidu uhličitého a vodíku. Kromě toho se zde v menších množstvích vyskytují ještě vzácné plyny, jako je neon, hélium, krypton a xenon, a v nejrůznějších množstvích také vodní pára.

Atmosférický prach

Ve vzduchu se nachází mnoho nejrůznějších cizích látek, které částečně vznikající v důsledku přírodních procesů, jako jsou povětrnostní

Filtrační složenec - Minipleat Technik

eroze, zemětřesení, výbuchy sopek, a částečně jsou vyvolány lidskými činnostmi, např. výfukovými plyny spalovacích motorů, průmyslovými výrobní procesy nebo odpadními plyny z technologických procesů chemického průmyslu atd.
Směs prachu v atmosférickém vzduchu se tedy skládá z pevných, zrnitých částic, kouřových plynů, mlhy a různých vláken. Chemicko-fyzikální vyšetření obecně potvrzují přítomnost křemičitanů různého původu: kouř, saze, stopy zvětrávání organických a anorganických látek, např. bavlny nebo jiných rostlinných vláken, a kovový prach. Dále zde nacházíme přirozené organismy, jako jsou bakterie, plísně, pyly a zárodky.
Částice vznášející se ve vzduchu, který dýcháme, se nazývají aerosoly.

Vzduchové filtry

Poznatky o škodlivých koncentracích a jejich účincích vedly v mnoha oblastech k používání vzduchových filtrů. Vzduchové filtry se používají k čištění přiváděného vzduchu ve větracích a klimatizačních zařízeních. V současné době se čistí vzduch přiváděný do mnoha různých průmyslových procesů, k spalovacím motorům, turbogenerátorům atd., přiváděný a odpadní vzduch laboratoří a nemocnic, odpadní vzduch jaderných elektráren a čisticích zařízení. Stručně řečeno, technický pokrok vede k vývoji technicky stále kvalitnějších filtrů.
Filtry se dělí do různých tříd: Filtry pro hrubý prach, filtry pro jemný prach, standardní aerosolové filtry a vysoce účinné aerosolové filtry. Toto rozdělení bere v úvahu různé materiály filtrů, a tedy nejrůznější fyzikální účinky postupů odlučování částic. Kromě toho existují také adsorpční filtry, které se používají pro odlučování plynů a pachů, a elektrické filtry, které pracují na elektrostatickém principu. Tyto filtry však z důvodů provozní bezpečnosti a nákladů dosáhly dosud jenom nepatrného významu.

Filtry pro hrubý prach

Pro výrobu filtrů na hrubý prach se používají organická vlákna, syntetická vlákna, skelná vlákna nebo též kovové materiály. V podstatě se hrubý prach v těchto filtračních materiálech odlučuje na základě tzv. nárazového jevu. Prachové částice nenásledují proudění molekul vzduchu v blízkosti filtračních vláken, setrvačná síla částic totiž způsobuje jejich narážení na vlákna. Vlákna mohou být ošetřena adhesivním prostředkem, případně dochází k uchycení částic na povrchu vláken následkem jejich speciálních vlastností. Protože filtry pro hrubý prach jsou při menším znečištění méně účinné a znečištění je z větší části způsobeno jemnějším prachem, nabývají postupně na významu následující filtrační stupně.

Filtry pro jemný prach a aerosolové filtry (HEPA)

Filtrační vrstvy používané v těchto filtrech sestávají převážně ze skelných mikrovláken s průměrem vláken v rozsahu 1-10 μm. Rychlost

Filtrační médium
čisté / zanesené prachovými částicemi

proudění těmito filtračními vrstvami je zpravidla v rozsahu 2-12 cm/s. Odlučování v těchto filtrech je v podstatě zajištěno pomocí blokovacího a difúzního jevu.
Následkem svých nepatrných hmotností částice v blízkosti filtračních vláken nenásledují směr proudění vzduchu, ale dotýkají se vláken, jsou k nim přitahovány a následkem přilnavosti se pevně uchytí. Tento postup označujeme jako tzv. blokovací jev.
V případě částic o velikosti pod 1 μm jsou částice ovlivňovány na úrovni pohybu molekul a rozkmitají se. Tím se částice odchylují ze směru proudění vzduchu, dostávají se přitom k filtračním vláknům a dochází k jejich odlučování. Tento postup se nazývá difúzní jev. V případě blokovacího i difúzního jevu jsou částice působením van der Waalsových sil vázány k vláknu. Použití adhezních prostředků je potom zbytečné.

Zkušební metody

Na základě rozdílných odlučovacích schopností filtrů a tedy i rozdílných oblastí použití byly vyvinuty také rozdílné zkušební postupy pro jednotlivá filtrační media. Filtry pro jemný prach a filtry pro hrubý prach jsou testovány zkušebními postupy uvedenými v ČSN EN 779. Při zkouškách filtrů pro hrubý prach (třídy filtrace G1 - G4) se používá syntetický prach, který umožňuje zjištění gravimetrického stupně odlučování.
U filtrů pro jemný prach (třídy filtrace F5 - F9) se ke stanovení stupně účinnosti používají přírodní aerosoly, tzn. nezpracovaný venkovní vzduch. V tomto případě se stanoví stupeň účinnosti filtru na základě vyšetření stejného množství vzduchu před a za testovaným filtrem pomocí zkušebních filtračních papírů. Pro určení stupně účinnosti se vzájemně porovnají množství vzduchu potřebná pro stejné zčernání zkušebních filtračních papírů.
Zkušební postup pro aerosolové filtry (HEPA) je popsán v ČSN EN 1822. Tyto filtry se vystavují zkoušce, při které se stanoví stupeň účinnosti popř. stupeň propustnosti filtru, vzhledem k částicím s průměrem přibližně 0,3 μm. V této oblasti je odlučování částic obecně nejobtížnější. Větší i menší částice se v zásadě odlučují snadněji.

Výkon filtru

Výkonostní parametry zjištěné pomocí nákladných zkušebních metod lze dosáhnout pouze při dodržení předepsaných provozních hodnot. Zejména u filtrů pro hrubý prach má rychlost vstupního proudění velký vliv na výkon odlučování, tj. na ukládání prachu a tedy také životnost. To je založeno na tom, že účinnost filtrace závisí na stanovené rychlosti proudu vzduchu filtračním materiálem. Filtry pro jemný prach a aerosolové filtry si uchovají svůj stupeň účinnosti bez výraznějších změn i při větších odchylkách od jmenovitého zatížení. Tyto fyzikální skutečnosti je nutno vzít bezpodmínečně v úvahu při technickém řešení vícestupňových filtračních zařízení s proměnlivými objemy proudění.