Угольный фильтр — одно из эффективных средств очистки воздуха от вредных газов и неприятных запахов. Он широко применяется в промышленном и бытовом вентиляционно-климатическом оборудовании.
В этой статье подробно рассмотрим принцип работы воздушного угольного фильтра и его эффективность в борьбе с различными загрязнениями.
Адсорбционные свойства угля
Материал, который служит основой для изготовления воздушных угольных фильтров, — природный уголь. Для понимания принципа работы такого фильтра важны свойства исходного материала: процесс очищения воздуха от загрязнений становится возможным благодаря структуре и адсорбционным свойствам угля.
Структура угля сложная. Природный материал образуется из органических растительных остатков: древесины, торфа, углеводородных отложений и других органических веществ. Таким образом, уголь состоит из множества мелких частиц — гранул. Каждая гранула состоит из углеродных атомов, связанных между собой в трёхмерную сетку. Эта сетка образует неровную поверхность угля — его пористую структуру.
Поры — это маленькие отверстия или каналы в структуре угля. Их размер и форма зависят от различных факторов: типа исходного материала и условий термического разложения в процессе формирования угля.
Поры образуются в результате химических и физических процессов, которые происходят во время формирования угля
Именно эта пористая структура делает уголь адсорбентом — эффективным веществом для удаления различных загрязняющих веществ.
- Микропоры. Это самые маленькие поры в структуре угля, которые имеют диаметр менее 2 нанометров. Их размер сравним с размером молекул, и они способны задерживать молекулы газов и жидкостей.
- Мезопоры. Это поры среднего размера с диаметром от 2 до 50 нанометров. Они могут задерживать более крупные молекулы и имеют большую вместимость.
- Макропоры. Это самые большие поры с диаметром более 50 нанометров. Они обеспечивают хорошую проницаемость и позволяют веществам легко проникать внутрь угля.
Чем больше пор в угле, тем большее количество вещества он может поглотить и обработать. Структуру и пористость угля изменяют методом активации: он позволяет увеличивать размер и количество пор в угле, что влияет на его адсорбционные свойства.
Свойства угля как материала, обеспечивающего очищение от загрязнений, обусловлены его пористой структурой. Большая площадь поверхности и разнообразие пор делают уголь эффективным в адсорбции — поглощении различных веществ. Причём чем больше пор в структуре угля, тем лучше его адсорбционные свойства.
Как угольный фильтр чистит воздух: принцип работы
Угольный фильтр состоит из двух основных компонентов: каркаса и наполнителя.
- Угольный материал. Основной компонент угольного фильтра — активированный уголь. Это специально обработанный уголь, который имеет большую удельную поверхность благодаря увеличенному количеству пор. Активированный уголь получается путём обработки обычного угля высокими температурами и паром, что создаёт большое количество микро- и мезопор.
- Каркас. Угольный материал помещается в каркас, который обеспечивает его стабильность. Каркас обычно изготавливается из металла или пластика. Вокруг угольного материала также может быть расположен фильтрационный материал, который помогает удерживать пыль и другие крупные загрязнения, чтобы они не попадали в поры угля и не забивали их.
В фильтре уголь может быть расположен в сотах: закреплён на стенках ячеек с помощью клея, что обеспечивает равномерность его распределения.
Принцип работы угольного фильтра для очистки воздуха основан на природных адсорбционных свойствах угля — удерживании вредных веществ на его поверхности и поглощении запахов.
При прохождении воздуха через угольный фильтр загрязнения удаляются благодаря физическим и химическим процессам.
- Физическое поглощение. Поры угля действуют как механические ловушки, задерживая частицы газов и предотвращая их попадание в воздушный поток.
- Химическое поглощение. Активированный уголь взаимодействует с веществами на химическом уровне, благодаря этому при контакте с углём газы, пары и запахи удаляются из воздуха. Этот процесс называется химической адсорбцией, или хемосорбцией.
Хемосорбция — это процесс поглощения газов или паров химическими веществами. В ходе хемосорбции происходит химическое взаимодействие между газами и поверхностными активными центрами хемосорбента.
Процесс хемосорбции обычно включает 4 этапа.
- Диффузия. Газы или пары проникают через поверхностный слой к хемосорбенту. Этот шаг зависит от концентрации газов и паров в окружающей среде и их растворимости в хемосорбенте.
- Адсорбция. Когда газы или пары достигают поверхности хемосорбента, происходит их физическое и химическое взаимодействие с активными центрами хемосорбента. В результате газы или пары адсорбируются на поверхности хемосорбента.
- Образование хемосорбционного слоя. Газы или пары продолжают адсорбироваться на поверхности хемосорбента, что приводит к образованию слоя адсорбированных молекул. Этот слой может быть монослоем или многослойным, в зависимости от свойств хемосорбента и концентрации газов или паров.
- Насыщение. После достижения определённой концентрации газов или паров в хемосорбционном слое происходит насыщение хемосорбента. Насыщение означает, что все доступные активные центры хемосорбента заняты адсорбированными молекулами, и процесс хемосорбции прекращается.
Физические и химические процессы, протекающие в наполнителе угольного фильтра, работают вместе и обеспечивают тем самым эффективную очистку воздуха от загрязнений: опасных газов, паров, неприятных запахов. Комбинация этих процессов делает угольные фильтры необходимым инструментом для улучшения качества воздуха.
От каких загрязнений избавляет воздушный угольный фильтр
Основное отличие угольного фильтра от других эффективных фильтров для очистки воздуха — в способности удалять вредные газы. Приводим неполный список наиболее опасных соединений, с которыми справляется воздушный угольный фильтр.
- Диоксид серы (SO₂) — один из основных компонентов промышленных выбросов и автомобильных выхлопных газов. Это вредный газ, вызывающий раздражение слизистых оболочек и проблемы с дыханием.
- Оксиды азота (NOx). Оксид азота (NO) и диоксид азота (NO₂) в большом количестве содержатся в выбросах автотранспорта и промышленных предприятий. Эти газы также негативно влияют на качество воздуха и вызывают проблемы с дыхательной системой.
- Формальдегид. Источники этого загрязнителя — дым табака, строительные материалы, мебель, бытовая химия. Это канцерогенное вещество, вызывающее раздражение глаз и дыхательных путей.
- Бензол и толуол присутствуют в испаряющихся органических растворителях, красках, клеях и других промышленных продуктах. Эти токсичные вещества вызывают головные боли, головокружение и раздражение слизистых оболочек.
- Аммиак может присутствовать в воздухе из-за использования удобрений и деятельности животноводческой промышленности. Это также раздражающий газ, который вызывает проблемы с дыханием и слезоточивость глаз.
Благодаря своей высокой адсорбционной способности угольные фильтры очищают воздух от широкого спектра загрязнений и удаляют различные запахи: от табака, приготовления пищи, запахи домашних животных и любые другие неприятные запахи.
Насколько эффективен воздушный угольный фильтр
Эффективность воздушных угольных фильтров зависит от нескольких факторов: типа угля и его качества, размера, конструкции фильтра, плотности наполнителя, размера пор угля.
Удельная поверхность угля может колебаться в пределах 500–2000 квадратных метров на 1 грамм. Такие высокие значения достигаются благодаря большому количеству пор: при вычислении общей площади поверхности угля учитывается площадь каждой микроскопической полости в материале.
Исходя из данных, приведённых выше, в среднем 1 грамм угля имеет удельную площадь 1250 квадратных метров. Сложно поверить, но если площадь стандартного футбольного поля — 7140 квадратных метров, то всего 5–6 граммов угля могут иметь площадь поверхности, сравнимую с таким футбольным полем.
Взаимодействие веществ — в данном случае загрязнителей и угольного адсорбента — носит поверхностный характер, именно поэтому показатель удельной поверхности — важный фактор эффективности такого взаимодействия
- Чем больше площадь поверхности угля и чем больше поры, тем больше загрязнений может задерживать и удалять из воздуха фильтр.
- Эффективность угольного фильтра также зависит от времени контакта воздуха с углём: чем длительнее этот период, тем больше загрязнений может задержать угольный фильтр.
Исследование эффективности воздушного угольного фильтра
В разных странах регулярно проводятся исследования эффективности угольных фильтров. Группа испанских учёных во главе с Э. Гальего подтвердили, что фильтры с активированным углём в очистителях воздуха снижают содержание некоторых летучих органических соединений, включая спирт и эфир. С. Н. Максимов и другие исследователи из США изучили способность фильтров с активированным углём адсорбировать летучие органические соединения и токсичные газы, образующиеся во время пожаров.
В работе группы корейских исследователей, которую возглавил Сон Ын Ким, описана общая эффективность работы различных фильтров (HEPA, фотокаталитических, угольных) для снижения уровня загрязнений внутри помещений. Учёные пришли к выводу, что угольный фильтр продемонстрировал самую высокую эффективность по всем параметрам, протестированным в эксперименте.
Значительная часть исследований проводится в лабораториях или методом имитации условий. Например, в одном из таких исследований определение эффективности угольного фильтра проводилось с помощью дизельного автопогрузчика: в помещении имитировали воздух, приближённый по своему составу к воздуху на Московской кольцевой автомобильной дороге (МКАД). Результаты этого исследования представлены в таблице ниже.
В среднем угольный фильтр способен очистить воздух на 80%–95%. Однако в отдельных случаях эффективность очистки может достигать 100%, например применительно к формальдегиду.
Истощение адсорбента и вероятность повторного загрязнения
Существует потенциальная обеспокоенность тем, что адсорбированные в фильтре загрязняющие вещества могут высвобождаться и повторно попадать в помещения. Это связано с обратимостью физического процесса адсорбции.
Однако напомним, что в угольном фильтре происходит не только физическая адсорбция, но и химическая. Процесс хемосорбции, в отличие от физической адсорбции, может быть как обратимым, так и необратимым.
- В случае обратимой хемосорбции адсорбированные молекулы могут быть высвобождены из хемосорбента при изменении условий, например при изменении температуры или давления.
- В случае необратимой хемосорбции адсорбированные молекулы остаются связанными с хемосорбентом навсегда и не могут быть высвобождены.
Следует помнить, что со временем уголь теряет свою адсорбционную способность: адсорбент истощается, то есть все поры заполняются загрязнителями. В результате эффективность очищения воздуха снижается. Именно поэтому угольные фильтры в приборах и оборудовании нужно обновлять. Регулярность замены зависит от интенсивности их использования. В среднем рекомендуется это делать не реже 1 раза в год.
В каких устройствах применяются воздушные угольные фильтры
Угольные фильтры широко используют в системах вентиляции и кондиционирования для очистки воздуха в помещениях. Они также являются неотъемлемой частью инженерных систем на предприятиях, где требуется очистка воздуха от вредных выбросов. Кроме того, угольные фильтры используют в бытовых очистителях воздуха, кухонных вытяжках и пылесосах.
Системы вентиляции
Угольные фильтры широко применяют в системах вентиляции для очистки воздуха, который циркулирует внутри зданий. Они играют важную роль в удалении вредных газообразных примесей, летучих органических соединений, неприятных запахов, обеспечивая чистоту воздуха и здоровый микроклимат.
Вентиляционные системы с угольными фильтрами используют в офисах, больницах, магазинах, помещениях общепита и других коммерческих и общественных зданиях. Фильтры устанавливают в систему вентиляции в соответствии с проектной документацией, чтобы обеспечить эффективное прохождение воздуха через все фильтрующие элементы.
Использование угольных фильтров в системах вентиляции помогает предотвратить проникновение загрязнённого уличного воздуха внутрь зданий. Это в свою очередь способствует созданию здорового и комфортного микроклимата в помещениях.
Кондиционеры
Некоторые модели кондиционеров оснащены угольными фильтрами для очистки воздуха. Производители подчёркивают, что такие кондиционеры помогают очищать воздух от вредных газов и запахов.
Однако стоит отметить, что эффективность таких приборов в очистке воздуха ограничена из-за небольшой площади фильтров. Поскольку фильтрующий материал покрывает лишь часть заборной сетки, через которую проходит воздух, то и обрабатывается лишь часть воздуха. Оставшийся воздух возвращается в помещение загрязнённым.
Использование кондиционеров с угольным фильтром для очистки воздуха неоправданно в связи с низкой эффективностью таких устройств. Улучшить качество воздуха в помещении можно только с помощью полноценного воздухоочистителя.
Бытовые воздухоочистители
Угольные фильтры используют в бытовых воздухоочистителях для улучшения микроклимата помещений. Такие приборы работают поэтапно, чтобы очистить воздух от различных загрязнений, вредных веществ, запахов.
Угольные фильтры применяют в воздухоочистителях в качестве дополнительной ступени очистки именно от газов и запахов. Для полноценной фильтрации воздуха от всех видов загрязнений в таких устройствах также должны быть предусмотрены и другие фильтры: фильтры тонкой очистки HEPA, фотокаталитические или электростатические фильтры.
С мельчайшими твёрдыми частицами лучше справляются HEPA-фильтры, так как они могут задерживать до 99,995% частиц размером от 0,1 до 0,3 микрона. Подробнее об этом виде воздушных фильтров — в статье «Что такое НЕРА-фильтр и его эффективность для очистки воздуха».
Для борьбы с вирусами и бактериями эффективны фотокаталитические и электростатические фильтры. Фотокаталитические фильтры разлагают органические загрязнения на безопасные соединения, подробно рассказываем об этом в статье «Фотокаталитический фильтр для очистки и обеззараживания воздуха».
Важно отметить, что при использовании воздухоочистителей не рекомендуется проветривать помещение, так как грязный воздух с улицы будет постоянно поступать в комнату, и очиститель не успеет обработать весь входящий поток.
По рекомендации производителей воздухоочистителей, при включении таких приборов окна нужно плотно закрывать
При этом отказываться от проветривания нельзя, ведь в этом случае воздух быстро станет несвежим — лишённым кислорода и насыщенным углекислым газом, который мы выделяем в процессе дыхания. Избыток этого газа может оказывать негативное воздействие на организм человека, вызывая головокружение и слабость, ухудшение концентрации и памяти, бессонницу, повышая риск развития сердечно-сосудистых заболеваний. Подробнее об этом рассказываем в статье «Влияние углекислого газа на человека».
Воздухоочистители с угольным фильтром помогают очищать воздух от вредных газообразных веществ и запахов. Однако проветривание всё равно необходимо, чтобы обеспечить поступление свежего воздуха и удаление избытка углекислого газа. Наилучшего эффекта в очистке воздуха — избавления от мельчайших твёрдых частиц, органических загрязнителей, вредных газов и запахов — можно достичь при комбинации угольного фильтра с фильтром тончайшей очистки HEPA, фотокаталитическим или электростатическим фильтром.
Приточные воздухоочистители
Один из бытовых приборов с угольным фильтром, который позволяет подойти к вопросу улучшения микроклимата комплексно, — приточный воздухоочиститель AIRNANNY A7.
От обычных воздухоочистителей это устройство отличается тем, что обеспечивает не только фильтрацию воздуха, но и проветривание в автоматическом режиме. При этом весь объём приточного воздуха проходит очистку перед подачей в помещение: прибор сначала забирает воздух с улицы через воздуховод, затем пропускает его через каскад фильтров и только после этого очищенный и свежий воздух поступает в квартиру.
В линейке представлены 4 модели приточных воздухоочистителей с угольным фильтром, которые отличаются комплектацией и набором функций.
- AIRNANNY A7 Simple оснащён трёхступенчатой системой очистки воздуха (префильтрр, фильтр F7, угольный фильтр) и подходит для базовой очистки воздуха от основных загрязнений, вредных газов и запахов с улицы.
- AIRNANNY A7 Flow оснащён трёхступенчатой системой очистки воздуха (префильтрр, высокоэффективный HEPA-фильтр, угольный фильтр) и подходит в том случае, если нужна тонкая очистка воздуха от мельчайших загрязнений, аллергенов, вредных газов и запахов с улицы.
- AIRNANNY A7 Start оснащён трёхступенчатой системой очистки воздуха (префильтрр, высокоэффективный HEPA-фильтр, угольный фильтр) и ультразвуковым увлажнителем. Модель подходит, если нужна не только тонкая очистка воздуха от мельчайших вредных частиц, запахов и газов, но и увлажнение воздуха.
- AIRNANNY A7 BabyCare оснащён трёхступенчатой системой очистки воздуха (префильтрр, высокоэффективный HEPA-фильтр, угольный фильтр), ультразвуковым увлажнителем и датчиками уровня углекислого газа и влажности. Модель подходит, если требуется нормализовать микроклимат по всем параметрам с возможностью настройки работы прибора в автоматическом режиме. Устройство подбирает производительность работы с учётом уровня углекислого газа и влажности в помещении. Таким образом, воздух в квартире будет всегда свежим, чистым и достаточно увлажнённым.
Приточный воздухоочиститель AIRNANNY A7 с угольным фильтром помогает не только очистить воздух от вредных газов и запахов, но и решить проблему проветривания параллельно с фильтрацией воздуха. Прибор подаёт в квартиру очищенный от загрязнений воздух и предварительно подогревает его в холодное время года. Некоторые модели устройства оснащены также фильтром тонкой очистки и ультразвуковым увлажнителем — для улучшения микроклимата по всем основным параметрам.
Итоговые рекомендации
Угольный фильтр — средство очистки воздуха от различных загрязнений, эффективность которого в отношении летучих органических соединений может достигать 100%.
Принцип его работы основан на физическом и химическом поглощении — адсорбции молекул вредных веществ.
Угольные фильтры широко применяют в системах очистки промышленных выбросов, в системах вентиляции, воздухоочистителях и других устройствах для обеспечения чистого и здорового воздуха.
Особенность угольных фильтров состоит в том, что они устраняют вредные газы и неприятные запахи из воздуха — этого не могут обеспечить даже высокоэффективные фильтры тонкой очистки HEPA.
Максимальной защиты от загрязняющих веществ в воздухе можно достичь при использовании приборов, оснащённых каскадом фильтров. К ним относятся модели приточного воздухоочистителя AIRNANNY A7 с 3-ступенчатой системой очистки, включающей угольный фильтр. Такие устройства проветривают помещение в автоматическом режиме, предварительно очищают весь приточный воздух и помогают улучшить микроклимат.
Если понравилась статья, ставьте лайк и подписывайтесь!
Хотите узнать больше о том, как создать комфортный микроклимат в доме или офисе? — заходите в блог.
Оригинал статьи в нашем блоге.
