Как работают HEPA и угольные фильтры в очистителях воздуха

Бытовой очиститель воздуха может одновременно сталкиваться с совершенно разными загрязнениями. Пыль, пыльца и мелкие частицы находятся в воздухе в виде твердых или жидких взвесей, а бытовые запахи и многие летучие соединения распространяются уже в газообразной форме. Один и тот же фильтрующий материал не одинаково хорошо работает с этими двумя группами загрязнителей.

По этой причине в современных приборах часто объединяют механическую и сорбционную фильтрацию. Например, в Smartmi Air Purifier 3 используются фильтрующий слой для мелких частиц и активированный уголь для газообразных загрязнителей и запахов. Такое сочетание показывает общий принцип устройства многих очистителей: каждый материал выполняет свою задачу, а качество очистки зависит не только от самого факта наличия фильтра, но и от его конструкции, площади, количества сорбента и объема проходящего воздуха.

Почему загрязнения воздуха нельзя считать одинаковыми

В бытовом представлении загрязненный воздух часто связывают прежде всего с пылью. На практике его состав гораздо сложнее. В помещении одновременно могут присутствовать частицы разного размера, аэрозоли и газообразные вещества.

К частицам относятся:

• обычная домашняя пыль;
• пыльца растений;
• частицы сажи и дыма;
• мелкие волокна тканей;
• отдельные компоненты аэрозолей;
• частицы, занесенные с улицы;
• часть биологических загрязнений, переносимых воздушным потоком.

Отдельную группу образуют вещества, находящиеся в газовой фазе. Их источниками могут быть приготовление пищи, табачный дым, бытовая химия, строительные и отделочные материалы, мебель, животные и различные процессы внутри помещения.

Различие принципиальное. Частицу можно физически задержать в структуре волокнистого материала. Молекулы газа настолько малы, что свободно проходят через обычный механический фильтр вместе с воздухом. Для их удержания требуется другой механизм.

Именно этим объясняется разделение функций между HEPA-фильтрами и угольными слоями.

Как работает HEPA-фильтр

HEPA относится к высокоэффективным механическим фильтрам. Внешне его рабочая часть обычно выглядит как плотно сложенный гармошкой волокнистый материал. Складки увеличивают площадь фильтрации без чрезмерного увеличения размеров самого очистителя.

Воздух проходит через сеть волокон, а находящиеся в нем частицы взаимодействуют с этой структурой и остаются внутри материала.

Распространенное представление о HEPA как о чрезвычайно мелком сите не совсем точно. Если бы принцип работы ограничивался отверстиями определенного размера, самые маленькие частицы действительно могли бы беспрепятственно проходить через фильтр. В реальности действуют сразу несколько физических механизмов.

Крупные частицы сталкиваются с волокнами

Относительно крупная частица обладает заметной инерцией. Воздушный поток способен изменить направление между волокнами, а частица не всегда успевает точно повторить эту траекторию. Она сталкивается с волокном и удерживается на нем.

Этот механизм особенно заметен для крупных аэрозольных загрязнений.

Более мелкие частицы зацепляются за материал

Часть загрязнений движется вместе с воздушным потоком, но проходит достаточно близко к волокну. При соприкосновении частица остается на поверхности фильтрующего материала.

Большая площадь и сложная структура волокон повышают вероятность такого контакта.

Очень мелкие частицы движутся менее предсказуемо

У самых небольших частиц заметнее броуновское движение — хаотические отклонения под воздействием столкновений с молекулами воздуха. Их путь становится менее прямолинейным, что увеличивает вероятность контакта с волокнами.

По этой причине утверждение, что HEPA задерживает частицы только крупнее некоторого жестко заданного размера, вводит в заблуждение.

Для HEPA-фильтров часто приводят эффективность на частицах около 0,3 мкм. Этот размер используется не потому, что более мелкие частицы обязательно проходят через фильтр, а потому, что он находится в области наиболее проникающих частиц для подобных материалов. EPA указывает, что HEPA-фильтр теоретически способен задерживать не менее 99,97% частиц размером 0,3 мкм, при этом частицы большего и меньшего размера могут улавливаться с еще большей эффективностью.

Что HEPA действительно способен убрать из воздуха

Механический высокоэффективный фильтр полезен там, где загрязнение существует в форме взвешенных частиц.

Он может снижать концентрацию:

• мелкодисперсной пыли;
• пыльцы, пока она находится во взвешенном состоянии;
• частиц дыма и сажи;
• некоторых аэрозолей;
• частиц шерсти и перхоти животных;
• спор и других частиц подходящего размера.

При этом очиститель воздействует только на то, что попадает в его воздушный поток. Осевшая на полу пыль, загрязнение мягкой мебели или частицы на шторах самостоятельно в фильтр не перемещаются. Если они снова поднимаются в воздух, часть из них может быть захвачена прибором.

Этот нюанс особенно важен при оценке эффективности очистителя. Хороший фильтр не означает, что устройство мгновенно удалит все частицы из комнаты. Необходимо, чтобы воздух достаточно регулярно проходил через фильтрующий элемент.

Почему HEPA плохо решает проблему запахов

Запах может сопровождать видимое загрязнение, но сам по себе обычно связан с присутствием летучих химических соединений.

Размер отдельных молекул несопоставим с размерами частиц пыли. Воздух вместе с такими веществами способен проходить через структуру механического фильтра. HEPA может задержать частицы дыма, но это еще не означает, что одновременно исчезнут все газообразные компоненты и характерный запах.

EPA отдельно отмечает, что фильтры, рассчитанные только на частицы, не предназначены для удаления газообразных загрязнителей. Для работы с газами требуется специальная сорбирующая среда, например активированный уголь.

Этим объясняются ситуации, когда после включения очистителя количество видимой пыли или дымовой взвеси уменьшается, но определенный запах остается.

Как работает активированный уголь

Угольный фильтр действует совершенно иначе. Его задача заключается не в механическом перехвате частиц волокнами, а преимущественно в адсорбции молекул на поверхности материала.

Здесь важно различать адсорбцию и абсорбцию. При абсорбции вещество проникает в объем другого вещества. При адсорбции молекулы закрепляются на поверхности.

Активированный уголь специально обрабатывают так, чтобы получить чрезвычайно развитую пористую структуру. Внутри гранул или частиц находится множество микроскопических пор. Благодаря этому небольшое количество углеродного материала имеет очень большую внутреннюю поверхность.

Когда загрязненный воздух проходит через такой слой, определенные молекулы попадают в поры и удерживаются на поверхности.

С какими загрязнителями работает угольный слой

Способность угольного фильтра удерживать конкретное вещество зависит от химической природы загрязнителя, структуры сорбента, его количества, влажности воздуха, скорости потока и времени контакта.

В бытовых очистителях угольные фильтры используют главным образом для уменьшения концентрации некоторых:

• летучих органических соединений;
• компонентов бытовых запахов;
• газообразных продуктов табачного дыма;
• запахов приготовления пищи;
• соединений, связанных с жизнедеятельностью домашних животных;
• испарений отдельных бытовых и отделочных материалов.

Называть активированный уголь универсальным поглотителем любых газов было бы неправильно. Разные вещества адсорбируются неодинаково. Для некоторых соединений обычный активированный уголь работает хорошо, для других эффективность ниже, а отдельные опасные газы требуют специализированных средств контроля.

EPA также обращает внимание, что газофазные фильтры предназначаются для определенных групп загрязнителей и не могут удалять из воздуха все возможные газообразные вещества. В частности, бытовую угольную фильтрацию нельзя рассматривать как средство защиты от угарного газа.

Почему количество угля имеет большое значение

Надпись «угольный фильтр» сама по себе почти ничего не говорит о его реальной способности работать с запахами.

В одном устройстве это может быть массивный слой гранулированного сорбента, в другом — тонкий материал с небольшим количеством углерода. Формально оба решения содержат активированный уголь, но их потенциальная сорбционная емкость различается.

Чем больше доступной поверхности сорбента и чем дольше загрязненный воздух взаимодействует с ней, тем больше возможностей для захвата молекул.

На результат влияют:

Масса сорбента

Тонкий угольный слой может относительно быстро насытиться при высокой концентрации загрязнителей. Больший объем сорбента обычно имеет больший потенциальный ресурс, хотя итоговые характеристики зависят и от конструкции.

Скорость воздушного потока

Высокая производительность очистителя полезна для обработки большого объема воздуха. Для газовой фильтрации одновременно имеет значение время контакта воздуха с сорбентом. Слишком короткое прохождение через небольшой угольный слой может ограничивать эффективность.

Тип угля

Активированный уголь различается сырьем, способом обработки, структурой пор и дополнительными модификациями. Некоторые материалы лучше работают с определенными группами химических соединений.

Условия эксплуатации

Температура, влажность и концентрация загрязнителя способны влиять на адсорбцию. Результаты лабораторного тестирования в строго контролируемых условиях не всегда полностью повторяют поведение фильтра в конкретной квартире.

Почему HEPA и угольный фильтр дополняют друг друга

У этих материалов нет необходимости конкурировать между собой. Они предназначены для разных задач.

Представим воздух кухни после приготовления пищи. В нем могут одновременно находиться мельчайшие аэрозольные капли, частицы продуктов горения и летучие соединения, создающие запах.

HEPA работает с частицами. Угольный слой — с частью молекул в газовой фазе.

Похожая ситуация возникает при попадании уличного дыма в помещение. Механический фильтр способен задерживать мелкие частицы, однако запах и газообразная составляющая требуют отдельной сорбционной ступени.

Система из нескольких материалов позволяет обрабатывать более широкий спектр загрязнений, чем один фильтр.

Зачем перед HEPA устанавливают предварительный фильтр

В многоступенчатой системе часто присутствует еще один элемент — грубая предварительная очистка.

Она задерживает крупную пыль, волосы, пух и другие сравнительно большие загрязнения. Такие частицы технически мог бы удержать и основной высокоэффективный материал, но расходовать его ресурс на крупный мусор нецелесообразно.

Предварительная ступень снижает нагрузку на последующие слои и помогает дольше сохранять их рабочие свойства.

Типичная последовательность может выглядеть так:

• предварительное задержание крупных загрязнений;
• фильтрация мелких взвешенных частиц;
• адсорбция части газообразных веществ.

Реальное устройство фильтров может отличаться. Слои объединяют в один картридж, меняют их последовательность, добавляют специальные сорбенты или используют материалы с несколькими функциями.

Почему запах не всегда исчезает сразу

Наличие угольного фильтра не означает мгновенного устранения источника запаха.

Очиститель работает с воздухом, который прошел через его корпус. Если запах постоянно образуется в помещении, сорбционная система должна непрерывно обрабатывать новые порции загрязненного воздуха.

Кроме того, пахучие вещества способны оседать или впитываться в:

• текстиль;
• ковры;
• мягкую мебель;
• дерево;
• обои;
• пористые отделочные материалы.

Позднее они могут постепенно возвращаться в воздух. Очиститель уменьшает концентрацию загрязнений в воздушной среде, но не очищает непосредственно поверхности комнаты.

Если источник продолжает выделять вещества, борьба только с их присутствием в воздухе имеет ограниченный результат.

Что происходит после насыщения угольного фильтра

У активированного угля есть конечная сорбционная емкость. По мере заполнения доступных участков поверхности способность удерживать новые молекулы снижается.

Внешне насыщенный угольный элемент может выглядеть почти так же, как новый. В отличие от крупной пыли, накопившиеся на сорбенте молекулы обычно невозможно оценить визуально.

По этой причине ресурс угольной части зависит не только от календарного срока эксплуатации. Фильтр в помещении с редкими и небольшими источниками запахов испытывает одну нагрузку, а рядом с интенсивным источником дыма или летучих соединений — совсем другую.

Указанный производителем период замены стоит воспринимать как ориентир для предусмотренных условий эксплуатации, а не как универсальный срок для любых помещений.

CADR и эффективность фильтра — не одно и то же

При сравнении очистителей важно не смешивать эффективность фильтрующего материала и производительность всего устройства.

HEPA может обладать очень высокой эффективностью захвата частиц, но очиститель должен еще пропустить через него достаточный объем воздуха. Если прибор обрабатывает слишком мало воздуха для конкретной комнаты, снижение концентрации загрязнений будет происходить медленно.

Для оценки работы с частицами широко используется CADR — показатель подачи очищенного воздуха. Чем он выше при сопоставимых условиях, тем больший объем воздуха прибор способен обработать за определенное время.

При этом CADR относится прежде всего к удалению частиц и сам по себе не характеризует качество удаления газообразных загрязнителей. EPA отмечает, что для бытовых газофазных фильтров нет столь же распространенной универсальной системы оценки, как CADR для частиц.

Нельзя сделать вывод о способности устройства устранять запахи только по высокой производительности вентилятора.

Почему очиститель не заменяет вентиляцию

Фильтрация и вентиляция решают связанные, но разные задачи.

Большинство бытовых очистителей работает по принципу рециркуляции. Прибор забирает воздух из комнаты, пропускает его через фильтры и возвращает обратно. Количество свежего наружного воздуха от этого не увеличивается.

Очиститель не предназначен для полноценного удаления избытка углекислого газа, возникающего при дыхании людей. Он также не заменяет вытяжную вентиляцию там, где необходимо удалять значительное количество влаги, продуктов приготовления пищи или загрязнений непосредственно от источника.

Если причиной проблемы становится постоянно работающий источник газообразных веществ, приоритетным способом контроля остается уменьшение самого источника и обеспечение подходящего воздухообмена. Фильтрация выступает дополнительным инструментом.

На что смотреть при оценке фильтрующей системы

Количество ступеней само по себе не является показателем качества. Формулировка «четырехступенчатая» или «пятиступенчатая» может описывать совершенно разные конструкции.

Полезнее разобраться, какие физические задачи выполняет каждый элемент.

Для механической очистки имеют значение эффективность фильтра и производительность устройства. Для сорбционной — тип и количество сорбента, загрязнитель, против которого он рассчитан, и условия эксплуатации. Также важны доступность сменных картриджей и понятный регламент обслуживания.

Если задача связана главным образом с пылью и мелкодисперсными частицами, ключевую роль играет эффективная механическая фильтрация и достаточный воздухообмен через прибор. Если заметную проблему создают запахи и газообразные соединения, необходимо отдельно оценивать сорбционную часть.

Два фильтра — две разные физические задачи

HEPA и активированный уголь работают с разными типами загрязнений, поэтому оценивать их стоит не по количеству ступеней, а по тому, какую задачу должен решать очиститель. Для пыли, дыма и аэрозольных частиц важны качество механической фильтрации и производительность прибора. Для запахов и летучих соединений — наличие полноценного сорбционного слоя и достаточное количество активированного угля.

При этом эффективность очистителя зависит не только от фильтров. Значение имеют площадь помещения, скорость воздухообмена, размещение устройства, состояние расходников и наличие постоянных источников загрязнения. Если проблема связана с запахами, испарениями или духотой, очистку воздуха стоит сочетать с вентиляцией и устранением самого источника.