Luchtreiniger

Achtergrond

Luchtreinigers zijn geëvolueerd als reactie op de reacties van mensen op allergenen zoals pollen, huidschilfers van dieren, stof en schimmelsporen. Reacties (niezen, loopneus, krassende ogen en zelfs ernstigere gevolgen zoals astma-aanvallen) zijn het gevolg van antigenen die in huis worden aangetroffen. Deze antigenen zijn belangrijke veroorzakers van astma, en alleen al in de Verenigde Staten zijn er meer dan 17 miljoen astmapatiënten. Luchtreinigers verwijderen een deel van deze deeltjes, waardoor allergische reacties worden verminderd.

Door hun extreem kleine formaat kunnen allergenen door een standaard stofzuigerzak gaan en zich opnieuw verspreiden in de lucht waar ze dagenlang blijven. Zelfs een enkele microgram allergenen voor katten is voldoende om een ​​allergische reactie op te wekken bij de meeste van de zes tot tien miljoen Amerikanen die allergisch zijn voor katten. Andere deeltjes in de lucht, zoals bacteriën en virussen, kunnen ziekten veroorzaken, waarvan sommige fataal zijn. Er zijn veel redenen - allergieën, astma, dodelijke ziekten - dat er elk jaar miljoenen luchtreinigers in de Verenigde Staten worden verkocht.

Er zijn twee veelvoorkomende soorten luchtreinigers die sommige of alle ziekte- en allergieveroorzakende deeltjes in de lucht kunnen verwijderen:mechanische filters - de meest effectieve worden geclassificeerd als High Efficiency Particulate Air-filters (HEPA-filters) - en elektrostatische filters.

HEPA-filters zijn gemaakt van zeer fijne glasdraden met een diameter van minder dan 1 micron (een micron is 0,0004 inch, 0,001 mm). Ter vergelijking:een mensenhaar heeft een diameter van ongeveer 75 micron (0,003 inch, 0,07 mm). De fijne glasdraden zijn in elkaar verstrengeld en samengeperst tot een filtermat. Omdat de afzonderlijke draden zo microscopisch klein zijn, bestaat het grootste deel van de mat uit lucht. De openingen in de mat zijn erg klein, meestal minder dan 0,5 micron (0,00002 in, 0,0005 mm). HEPA-filters zullen deeltjes met een diameter tot 0,3 micron (0,00001 in, 0,0003 mm) opvangen. Hoewel het filter slechts 2,5 mm breed mag zijn, zou het uit 2500 lagen glasdraden bestaan.

Elektrostatische stofvangers vertrouwen op elektrostatische krachten om deeltjes uit de lucht te verwijderen. Ze werken door een wolk van vrije elektronen te creëren waar stofdeeltjes doorheen worden gedwongen. Terwijl de stofdeeltjes door het plasma gaan, worden ze geladen, waardoor ze gemakkelijk te verzamelen zijn. Elektrostatische stofvangers kunnen deeltjes met een diameter tot 0,01 micron (0,00001 mm) opvangen.

Noch HEPA-filters noch elektrostatische stofvangers kunnen vluchtige organische stoffen uit de lucht verwijderen, dus doe niets om geurtjes te verminderen. Om deze reden zijn de meeste luchtreinigers uitgerust met een voor- of nafilter bestaande uit actieve kool. Actieve kool wordt geproduceerd door een koolstofbron (kokosnootschillen, oude banden, botten, enz.) bij zeer hoge temperaturen te verhitten in afwezigheid van zuurstof, een proces dat ook bekend staat als pyrolyse of destructieve destillatie. Pyrolyse scheidt de zuivere koolstof van de andere materialen in de grondstof. De zuivere koolstof wordt vervolgens blootgesteld aan stoom bij 1.500 ° F (800 ° C). De stoom op hoge temperatuur activeert de koolstof. Het activeringsproces vormt miljoenen scheuren in de koolstofkorrels. Deze scheuren hebben een diameter van ongeveer 0,002 micron (0,00002 mm). Omdat er zoveel scheuren zijn, geeft het activeringsproces de koolstof een enorm oppervlak per gewicht - ongeveer 6,5 acres/oz (1.000 m ² /G). De miljoenen scheuren bieden locaties waar organische verbindingen kunnen worden geadsorbeerd. Bovendien draagt ​​het oppervlak van de koolstof een resterende elektrische lading die niet-polaire chemicaliën (chemicaliën die geen gescheiden positieve en negatieve ladingen hebben) aantrekt. Actieve kool is zeer effectief in het adsorberen van geurproducerende verbindingen.

Geschiedenis

Luchtzuiverheid is een punt van zorg zolang mensen in groepen hebben geleefd. Een van de redenen dat jager-verzamelaars nomadisch zijn, is dat ze af en toe van hun vuilstortplaatsen en latrines moeten vertrekken. In AD 61 klaagde de Romeinse filosoof Seneca over het miasma van schoorsteenrook dat constant boven Rome hing. In 1306 verbood koning Edward I van Engeland het verbranden van steenkool in Londen vanwege de zware vervuilende stoffen die in de lucht achterbleven.

De industriële revolutie van de achttiende en negentiende eeuw verergerde het probleem alleen maar. Het verbranden van kolen om elektriciteit te produceren en brandstoftreinen produceerden een donkere rookwolk boven elk belangrijk industriecentrum ter wereld en bedekten hele steden met roet. Om dit probleem aan te pakken, bouwden ingenieurs hogere rookstapels om afval in de lucht verder van de bron te verwijderen. Ongeacht hoe hoog de stapels werden, klaagden de mensen tegen de wind over de as en de zure gassen van de verbranding van steenkool (de bron van zure regen) die hun gewassen vernietigden. Luchtvervuiling nam een ​​andere wending na de Tweede Wereldoorlog, toen auto's het belangrijkste vervoermiddel in de geïndustrialiseerde wereld werden. Autosmog heeft Los Angeles de slechtste luchtkwaliteit ter wereld bezorgd.

Grondstoffen

De materialen die in zowel HEPA-filters als elektrostatische stofvangers worden gebruikt, zijn:een behuizing van plastic, een elektrische ventilator om lucht door het filter te laten stromen, het filter zelf en bedieningsschakelaars om de snelheid van de ventilator te regelen en de luchtreiniger te draaien aan en uit. De HEPA-filters zijn gemaakt van borosilicaatglasvezels of kunststofvezels (bijv. polypropyleen) die aan elkaar zijn gebonden met maximaal 5% acrylbindmiddel (dezelfde verbinding die latexverf aan een huis bindt). Elektrostatische precipitators genereren ionen door extreem hoge positieve gelijkstroomspanningen te laten lopen door staaldraden tussen geaarde stalen laadplaten. Koffers zijn bijna universeel gemaakt van plastic, meestal slagvast polystyreen, polyvinylchloride, polyethyleen met hoge dichtheid of polypropyleen. De meeste luchtreinigers zijn meestal ook uitgerust met een nafilter bestaande uit actieve kool.

Ontwerp

HEPA-filters zijn ontworpen op basis van de grootte van de te verwijderen deeltjes en het vereiste luchtdebiet. Hoe fijner de poriën in het HEPA-materiaal, hoe fijner de deeltjes die uit de lucht worden verwijderd. Door fijnere deeltjes op te vangen, zal het filtermateriaal echter eerder verstopt raken en vaker vervangen moeten worden. De ontwerper specificeert de diameter van de glasvezels en de matdichtheid van het filterweefsel dat de filterporiegrootte fixeert. HEPA-filters kunnen bindmiddelen bevatten die voor extra stevigheid zorgen, maar dit levert ook een filter op dat eerder verstopt raakt.

Het ontwerp van een elektrostatische stofvanger is aanzienlijk complexer. Elektrostatische stofvangers voor thuisgebruik zijn meestal ontworpen om twee componenten te hebben, een ioniserende component (waar de elektronenwolk wordt gecreëerd) en een verzamelende component (waar de geladen stofdeeltjes uit de lucht worden getrokken). De verzamelcomponent bestaat uit een reeks parallelle stalen platen - de helft is geaard en de andere helft heeft een positieve gelijkstroomspanning - dus afwisselende platen zijn positief of negatief geladen. De ionisatie-eenheid bestaat uit dunne draden die tussen een afzonderlijke set geaarde stalen ionisatieplaten zijn gespannen, evenwijdig aan, maar vóór de collectorplaten. De dunne draden voeren een zeer hoge positieve gelijkspanning (tot 25.000 volt in een luchtreiniger voor thuis). De positieve ladingen in de draden induceren een stroom van elektronen tussen de draden en de aangrenzende ioniserende platen. Omdat er een zeer hoge spanning op de draad staat, worden elektronen ernaartoe geduwd door een versnelling van ongeveer 1000 keer de versnelling van de zwaartekracht, die de elektronen versnelt tot zeer hoge snelheden. Als bijvoorbeeld een deeltje uitwerpselen van huisstofmijt langs de draad drijft, botsen de hogesnelheidselektronen met de elektronen in de moleculen van het deeltje, waardoor ze kloppen. Een voorbeeld van een elektrostatische stofvanger en zijn componenten. sommige zijn gratis. Omdat deze moleculen elektronen verliezen, nemen ze een positieve lading aan en worden dus aangetrokken door de negatief geladen collectorplaat. De ontwerper moet een spanning kiezen die hoog genoeg is om voldoende aantallen elektronen te produceren om de deeltjes die door de stofvanger gaan te ioniseren, en de collectorplaten dicht genoeg bij elkaar plaatsen zodat de geïoniseerde stofdeeltjes op de platen worden opgevangen voordat de ventilator van de stofvanger ze kan trekken volledig door de luchtreiniger.

Het fabricageproces

De zaak

• 1 Pellets van de grondstof (high-impact polystyreen, polyvinylchloride, polyethyleen met hoge dichtheid of polypropyleen) worden in een trechter gevoerd en verwarmd tot het smeltpunt, 300-590°F (150-310°C) .
• 2 Het gesmolten plastic wordt onder hoge druk in een mal van de koffer gespoten. De mal wordt meestal gemaakt van gereedschapsstaal door een zeer bekwame matrijzenmaker. Ventilatieopeningen in de mal zorgen ervoor dat de meegesleepte lucht kan ontsnappen als het plastic binnenkomt. De vormontwerper moet ervoor zorgen dat de vorm gelijkmatig met plastic wordt gevuld en dat alle meegesleepte lucht kan ontsnappen, anders kan het laatste deel kleine luchtbellen of zelfs holtes bevatten.
• 3 Water wordt door in de mal ingebouwde kanalen gedwongen om warmte van het gesmolten plastic naar de omgeving over te brengen. Als het onderdeel voldoende is afgekoeld, wat tot twee minuten kan duren, gaat de mal open. Hydraulisch bediende pennen duwen het onderdeel uit de open mal in een opvangbak.

De ventilator

• 4 Een elektrische ventilator wordt gebruikt om lucht door de luchtreiniger te trekken. De ventilator wordt meestal gekocht bij een leverancier van kleine onderdelen. De ventilator bestaat uit een kleine elektromotor met metalen ventilatorbladen die aan de krachtafnemer van de motor zijn bevestigd. De ventilatorbladen zijn meestal gepuntlast aan een kraag, die op de krachtafnemer wordt geschoven en op zijn plaats wordt vastgeschroefd.
• 5 De ventilator wordt meestal met stalen schroeven aan de behuizing bevestigd.

HEPA-filters

1. De glasvezels waaruit een HEPA-filter bestaat, worden gemaakt door gesmolten glas of plastic door zeer fijne poriën in een draaiend mondstuk te leiden. De resulterende glasvezels koelen en harden bijna onmiddellijk uit vanwege hun kleine diameters.
2. Het draaiende mondstuk beweegt heen en weer (waardoor de glasvezels een web vormen) boven een bewegende transportband waarop de vezels worden verzameld. De snelheid van de transportband bepaalt de dikte van het filtermateriaal - een langzame transportband zorgt ervoor dat er meer glasvezels op de band kunnen komen.
3. Het smelten en afkoelen van de vezel zorgt voor enige binding van de vezels. Naarmate de transportband vordert, wordt een latexbindmiddel op de stof gespoten om extra sterkte te bieden. De stof kan elke breedte hebben tot aan de praktische afmetingen van de machine en kan op de door de klant gespecificeerde maat worden gesneden voordat de stof op rollen wordt opgenomen.
4. Zodra de HEPA-matten zijn gevormd, worden ze in een automatische map in een accordeonpatroon gevouwen. Het accordeonpatroon staat tot 50 ft toe ² (5 m ² ) van filtermateriaal dat in een kleine ruimte moet worden ingesloten.
5. Het accordeonvormige filter wordt dan ingesloten in een filterkast, meestal bestaande uit een open draadrooster. Het doel van het filterhuis is om het filter te ondersteunen.

Elektrostatische stofvangers

1. Het opvangsysteem van de elektrostatische stofvanger wordt vervaardigd door stalen platen in een plastic behuizing te plaatsen, vaak met de hand. In de kast zijn de platen evenwijdig aan elkaar opgesteld.
2. Draden worden vervolgens verbonden met alternatieve platen waardoor de positieve gelijkstroom met hoge spanning op de platen wordt toegepast. De andere platen zijn geaard.
3. De ionisatie-eenheid wordt geconstrueerd door draden met een kleine diameter voor de collectorplaten te laten lopen.
4. Een spanningstransformator, die wordt gebruikt om 115 volt huishoudelijke wisselstroom om te zetten in hoogspanningsgelijkstroom, is bevestigd aan de stofvangerbehuizing. Deze spanning wordt zowel naar de positief geladen collectorplaten als naar de ionisatiedraden geleid.

Het actieve koolfilter

• 1 Het actief koolfilter (voor geurreductie) bestaat meestal uit met koolstof geïmpregneerde doek of schuim. Dit wordt vervaardigd door de grondstof te infuseren met actieve kool in poedervorm.
• 2 Het koolstoffilter wordt vervolgens om de binnen- of buitenkant van het HEPA-filter gewikkeld, of in een frame gespannen bij de inlaat of uitlaat van de elektrostatische stofvanger.

Montage

• 3 Er zijn zeer weinig componenten in een luchtreiniger. Om deze reden worden ze meestal op een bank gemonteerd. Bij bankmontage brengen bewegende transportbanden de afzonderlijke componenten of subassemblages (bijvoorbeeld de ventilator die al aan de behuizing is bevestigd) naar een bank waar een persoon ze vervolgens met de hand assembleert. In een typische HEPA-luchtreiniger zijn er mogelijk maar vijf componenten die moeten worden gemonteerd:behuizing, ventilator, roetfilter, koolstoffilter en de aan/uit-schakelaar.

Kwaliteitscontrole

Filterefficiëntie is de belangrijkste kwaliteitscontroletest voor luchtreinigers. De American Society for Testing and Materials (ASTM) publiceert kwaliteitscontroletests waaraan filters moeten voldoen voordat ze in bepaalde toepassingen kunnen worden gebruikt of als HEPA-filters op de markt kunnen worden gebracht (bijv. ASTM-F50:Standard Practices for Continuous Sizing and Counting of Airborne Particles in Stof gecontroleerde gebieden en cleanrooms met behulp van instrumenten die in staat zijn om enkele submicrometer en grotere deeltjes te detecteren. Het Amerikaanse ministerie van Defensie heeft een norm uitgevaardigd waarin dioctylftalaat (DOP)-deeltjes door een filter worden geblazen. Om te slagen, moet het filter 99,97% van het influent DOP verwijderen.

Bijproducten/afval

De bijproducten van de productie omvatten de niet-koolstofmaterialen die worden gedestilleerd bij de productie van actieve kool, specificatiefiltermateriaal en overtollig materiaal dat moet worden weggegooid bij de productie van HEPA-filters. Het meeste andere productieafval, plastic lopers van de injectiemachines en overtollig plaatwerk, kan worden gerecycled.

Bij de werking van luchtfilters ontstaat er extra afval. De ionen die door elektrostatische stofvangers worden geproduceerd, interageren met zuurstof in de lucht om ozon te produceren. Bij hoge concentraties is ozon giftig. Het is onwaarschijnlijk dat de ozonniveaus die in een elektrostatische stofvanger voor thuis worden geproduceerd, gevaarlijke niveaus bereiken, maar sommige mensen zijn zelfs gevoelig voor lage ozonniveaus. De collectorplaten in een elektrostatische stofvanger moeten periodiek worden gereinigd.

HEPA-filters hebben een beperkte levensduur, afhankelijk van de hoeveelheid lucht die erdoor wordt gefilterd en de hoeveelheid fijnstof in de lucht. De meeste fabrikanten raden aan om ze om de paar jaar te vervangen. De gebruikte filters kunnen niet worden gerecycled en komen dus op de vuilstort terecht.

Actieve kool kan worden gerecycled, maar de kosten voor het verwerken van de kleine hoeveelheid koolstof in een luchtreiniger voor thuis zouden onbetaalbaar zijn. Over het algemeen komt het ook op stortplaatsen terecht nadat het volledig is gebruikt.

De Toekomst

Naarmate wetenschappers meer leren over milieuverontreinigende stoffen en hun impact op de menselijke gezondheid, zal de behoefte aan schonere lucht in huizen en kantoren alleen maar toenemen. De huidige generatie HEPA-filters kan alleen deeltjes met een diameter tot 0,3 micron (0,00001 in, 0,0003 mm) verwijderen, terwijl wordt aangenomen dat deeltjes met een diameter tot 0,1 micron (0,0001 mm) mechanische schade aan longweefsel kunnen veroorzaken. Virussen kunnen een diameter hebben van slechts 0,02 micron (0,00002 mm). Het is duidelijk dat er nog steeds vooruitgang kan worden geboekt bij het beheersen van luchtvervuiling binnenshuis. De huidige richting van de technologie is in de richting van steeds fijnere filtermaterialen. De nieuwe standaard in filtratie is het ULPA-filter, wat staat voor Ultra Low Penetrating Air. Een ULPA-filter is nodig om deeltjes met een diameter tot 0,12 micron (0.00012 mm) te kunnen verwijderen, ongeveer een derde van de diameter van het kleinste deeltje dat een HEPA-filter kan verwijderen.

Waar meer te leren

Boeken

Cooper, David C. en F.C. Alley. Beheersing van luchtverontreiniging:een ontwerpbenadering. Prospect Heights, IL:Waveland Press, Inc., 1994.

Goddelijk, Thad. Milieukwaliteit binnenshuis. New York:Lewis Publishers, 1999.

Mycock, John C., et al. Handbook of Air Pollution Control Engineering and Technology. New York:Lewis Publishers, 1995.

Tijdschriften

Christiansen, S.C., et al. "Blootstelling en sensibilisatie aan omgevingsallergenen van overwegend Spaanse kinderen met astma in de binnenstad van San Diego." Journal of Allergy and Clinical Immunology (augustus 1996):288-294.

Overige

"Elektrostatische neerslag." Tin Works, Inc. 3 juni 2001. .

"Filter media." Mac-apparatuur. 3 juni 2001. .

"Spuitgieten van kunststof." Industrial Designers Society of America. 17 juni 2001. .

Jeff Raines