توصیف عملکردی فیلتر هپا:

فیلتر هوای ذرات ریز با کارایی بالا (HEPA ->High-efficiency particulate air) یک استاندارد برای کارایی فیلتر هواست.

فیلترهایی که استاندارد هپا HEPA را رعایت می‌کنند باید سطح کارایی خاصی داشته باشند. در استانداردهای معمول انتظار می‌رود که فیلتر هوای HEPA حداقل 99.95% از هوای عبوری-(طبق استاندارد اروپایی) یا 99.97% (ASME، DOE طبق استاندارد ایالات متحده) ذراتی که قطری معادل 0.3 میکرومتر دارند را حذف کند.

فیلتر هپا در دهه 1950 تجاری‌سازی شد و عبارت اولیه به یک نام تجاری ثبت‌شده و بعدها به یک عبارت عمومی برای فیلترهای دارای کارایی بالا تبدیل شد. فیلترهای HEPA در کاربردهایی که نیاز به کنترل آلودگی است، از قبیل ساخت دیسک درایوها، ابزار پزشکی، اجسام نیمه‌هادی، محصولات هسته‌ای، غذایی و دارویی و نیز در بیمارستان‌ها خانه‌ها و وسایل نقلیه استفاده می‌شوند.

[lwptoc]

مکانیزم

مکانیزم اصلی مجموعه فیلترها: پخش، جلوگیری، اثرگذاری اینرسی و جذب الکترواستاتیکی

فیلترهای هپا از یک بخش حصیری ساخته می‌شوند که فیبرهایی با جهتگیری تصادفی دارند. فیبرها معمولاً از فایبرگلاس ساخته‌شده و قطری بین 0.5 تا 2 میکرومتر دارند. فاکتورهای کلیدی که بر عملکرد فیلتر اثر می‌گذارند: قطر فیبر، ضخامت فیلتر و سرعت برخورد هستند. فضای هوایی بین فیلتر هپا و فیبرها معمولاً بیش‌تر از 0.3 میکرومتر است. برخلاف فیلترهای غشایی و الک‌ها که در آن‌ها ذرات کوچک‌تر از سوراخ‌های باز یا حفرات می‌توانند از فیلتر عبور کنند، فیلترهای هپا طراحی شدند تا محدوده‌ای از اندازه ذرات را مورد هدف قرار دهند. این ذرات از طریق ترکیبی از سه مکانیزم زیر گیر میافتند (به یک فیبر می‌چسبند).

پخش یا انتشار (Diffusion)

یک مکانیزم پیشرو که نتیجه برخورد مولکول‌های گاز به کوچک‌ترین ذرات به‌ویژه ذرات با قطر زیر 0.1 میکرومتر می‌باشد. درنتیجه این ذرات متوقف‌شده و در حرکت در مسیر خود در فیلتر دچار تأخیر می‌گردند. این رفتار مشابه حرکت برونی است و احتمال اینکه ذره با مکانیزم جلوگیری یا اثرگذاری متوقف شود را بالا می‌برد. این مکانیزم در جریان هوای پایین غالب است.

جلوگیری (Interception)

ذراتی که یک خط از جریان را در مسیر هوا دنبال می‌کنند در شعاعی از یک فیبر قرار گرفته و به آن میچسبند. سپس شعاع هوا با تغییر مسیر از مانع عبور و از فیلتر خارج می‌شود. (ذرات تا ۱۰۰ نانومتر)

اثرگذاری (Inertial Impaction)

ذرات بزرگ‌تر با دنبال کردن کانتورهای منحنی جریان هوا قادر نیستند خود را از فیبرها دور نگه‌دارند و مجبور می‌شوند که مستقیماً در یکی از آن‌ها جای می‌گیرند. این تأثیر با کاهش فاصله بین فیبرها و سرعت بالاتر جریان هوا افزایش می‌یابد.

مکانیزم پخش در اندازه ذرات زیر 0.1 میکرومتر غالب است، در حالیکه مکانیزمهای اثرگذاری و جلوگیری غالباً در ذرات بالاتر از 0.4 میکرومتر عمل می‌کنند. در این میان، حول پرنفوذترین اندازه ذره (MPPS) یعنی 0.21 میکرومتر، هر دو مکانیزم پخش و جلوگیری به‌طور قابل‌مقایسه‌ای ناکارآمد هستند. از انجاییکه این حالت ضعیف‌ترین نقطه در عملکرد فیلتر است، الزامات هپا از ابقاء ذرات در نزدیکی این اندازه (0.3 میکرومتر) به‌منظور دسته‌بندی فیلترها استفاده می‌کند. اما ممکن است که ذرات کوچک‌تر از MPPS کارایی فیلتر بالاتر از MPPS نداشته باشند. این موضوع به آن خاطر است که این ذرات می‌توانند غالبا به‌عنوان هسته برای تراکم عمل کنند و ذراتی با قطر نزدیک به MPPS تشکیل دهند.

فیلتر گاز

فیلترهای هپا برای گیرانداختن کارآمد ذرات بسیار ریز طراحی شده‌اند، اما مولکول‌های گاز و بو را فیلتر نمی‌کنند. در شرایطی که نیاز به فیلتر ترکیبات ارگانیک فرّار، بخارهای شیمیایی، سیگار، بوی حیوانات خانگی باشد، از کربن فعال یا دیگر انواع فیلتر به‌جای یا همراه با فیلتر هپا استفاده کنید. فیلترهای پارچه‌ای کربن که ادعا می‌شود در جذب آلاینده‌های گازی چند برابر کاراتر از دانه‌های کربن فعال هستند، با نام فیلترهای جذب گاز دارای کارایی بالا (HEGA-High Efficiency Gas Adsorption) شناخته می‌شوند و در ابتدا توسط ارتش بریتانیا برای دفاع در برابر حمله شیمیایی ساخته شدند.

پیش فیلتر و فیلتر هپا

می‌توان فیلتر هپا را همراه با یک پیش فیلتر (معمولاً فعال‌شده با کربن) برای افزایش عمر استفاده فیلترهای هپا گران‌تر استفاده کرد. در چنین مجموعه‌ای، مرحله اول در فرایند فیلترکردن یک پیش فیلتر است که بیشتر گردوغبار درشت، مو، PM10 و گرده‌ها را از هوا حذف می‌کند. فیلتر هپا با کیفیت بالا در مرحله دوم ذرات ریزی را که از پیش فیلتر عبور می‌کند، حذف می‌کند.

الزامات

فیلترهای هپا، همان‌طور که توسط استاندارد دپارتمان انرژی امریکا (DOE) تعریف شده و توسط بیشتر صنایع آمریکایی استفاده می شوند، حداقل 99.97% ذرات معلق در هوا با قطر 0.3 میکرومتر را حذف می‌کنند. مقاومت حداقلی فیلتر به جریان هوا، یا افت فشار معمولاً در حدود 300 پاسکال (0.044 psi) در دبی حجمی اسمی آن تعیین می‌شود.

الزامات استفاده‌شده در انجمن اروپا: استاندارد اروپایی EN 1822-1:2009 چند گروه از فیلترهای هپا را بر اساس بقای آن‌ها تحت بزرگ‌ترین ابعاد ذره موجود (MPPS) تعریف می‌کند. کارایی متوسط فیلتر «کارایی کلی» و کارایی آن در یک نقطه «کارایی موضعی» نامیده می‌شود

کلاس فیلتر هپا	نگهداری (میانگین)	نگهداری (موضعی)
E10	> 85%	–
E11	> 95%	–
E12	> 99.5%	–
H13	> 99.95%	> 99.75%
H14	> 99.995%	> 99.975%
U15	> 99.9995%	> 99.9975%
U16	> 99.99995%	> 99.99975%
U17	> 99.999995%	> 99.9999%

امروزه رتبه‌بندی فیلتر هپا برای هر فیلتر هوا با کارایی بالا که می‌تواند به حداقل استانداردهای عملکرد کارایی فیلتر یکسان دست یابد کاربرد داشته و معادل با درجه‌بندی اخیر N100 موسسه ملی برای امنیت و سلامت حرفه‌ای برای فیلترهای تنفس مصنوعی می‌باشد. دپارتمان انرژی ایالات‌متحده (DOE) الزامات خاصی برای فیلترهای هپا در کاربردهای مبتنی بر DOE دارد.

بازاریابی

برخی شرکت‌ها از عبارت بازاریابی «هپا واقعی» برای اطمینان بخشیدن به مشتریان در خصوص اینکه فیلترهای هوای آن‌ها استاندارد هپا را رعایت می‌کند، استفاده می‌کنند. بااین‌وجود این عبارت هیچ معنی علمی یا قانونی ندارد. محصولاتی که با نام «از نوع هپا»، «مشابه هپا» یا «99% هپا» فروخته می‌شوند، استاندارد هپا را رعایت نمی‌کنند و ممکن است در آزمایشگاه‌های غیروابسته آزمایش نشده باشند. بااین‌حال چنین فیلترهایی ممکن است به طور منطقی و قابل قبولی به استانداردهای هپا نزدیک باشند و بقیه به‌طور قابل‌توجهی دور از انتظار می‌باشند.

امنیت

فیلترسازی با هپا با ابزار مکانیکی غیرمشابه با فیلترسازی یونی یا ازونی صورت می‌گیرد که به ترتیب از گاز یون یا ازون منفی استفاده می‌کنند. بنابراین، احتمال عوارض تنفسی مشابه آسم و آلرژی‌ها بسیار کمتر از تصفیه‌کننده‌های هپا است. برای اطمینان از اینکه فیلتر هپا به‌طور کارآمدی کار می‌کند، باید حداقل هر 6 ماه در مصارف تجاری چک و تعویض شود. در مصارف خانگی می‌توان این فیلترهای را هر 2 یا 3 سال تعویض کرد. عدم تعویض فیلتر هپا در طولانی‌مدت منجر به افزایش تنش بر روی ماشین یا سیستم می‌شود و ذرات موجود در هوا را به‌خوبی حذف نمی‌کند.

کاربردها

پزشکی

فیلترهای هپا در جلوگیری از پخش ارگانیزم‌های ویروسی یا باکتریایی که از طریق هوا منقل می‌شوند و در نتیجه عفونت، مهم هستند. معمولاً سیستم‌های فیلتر هپا در کاربردهای پزشکی واحدهای نور ماورای بنفش پرانرژی یا پنلهای با پوشش ضدباکتریایی را به کار می‌گیرند تا باکتری‌ها و ویروس‌های گرفتار در فیلتر را بکشند. برخی از بهترین واحدهای هپا بازدهی 99.995% دارند که سطح بالایی از حفاظت در برابر انتقال بیماری‌هایی که از طریق هوا منتقل می‌شوند، فراهم می‌کنند.

کارکنان بیمارستان یک دستگاه تنفس مصنوعی تصفیه هوا محرک (PAPR) متناسب با فیلتر هپا استفاده کردند تا از پاتوژنهای ایروسل شده یا معلق در هوا از قبیل سل محافظت کنند.

جاروبرقی‌ها

فیلتر اصل هپا برای کیسه جاروبرقی‌ بوش

بسیاری از جاروبرقی‌ها نیز از فیلترهای هپا به‌عنوان بخشی از سیستم‌های فیلترسازی خود استفاده می‌کنند. این مورد برای کسانی که از آسم یا آلرژی رنج می‌برند مفید است، چراکه فیلتر هپا ذرات ریز (ازجمله گرده، غبار فضولات مایت) را به دام می‌اندازد که علائم آسم و آلرژی را هدف قرار می‌دهد. برای اینکه یک فیلتر هپا در جاروبرقی مؤثر باشد، جاروبرقی باید به نحوی طراحی شود که همه هوایی که به داخل ماشین کشیده می‌شود از فیلتر عبور داده شود بدون اینکه نشت کند. این موضوع اغلب «هپا آب‌بندی‌شده» یا گاهی عبارت مبهم‌تر «هپا واقعی» نامیده می‌شود. جاروبرقی‌هایی که فقط «هپا» در نام آن‌هاست ممکن است یک فیلتر هپا داشته باشند، اما ضرورتاً همه هوا از آن‌ها عبور نمی‌کند. نهایتاً فیلترهای جاروبرقی که تحت عنوان «مشابه هپا» فروخته می‌شوند معمولاً از یک فیلتر با ساختار مشابه هپا استفاده می‌کنند، اما بازدهی فیلترسازی مشابه ندارند. به دلیل چگالی بیشتر یک فیلتر هپا واقعی، جاروبرقی هپا به موتورهای قوی بیشتری برای تأمین قدرت تصفیه کافی نیاز دارد.

برخی مدل‌های جدیدتر ادعا می‌کنند که با به‌کارگیری فیلترهای «قابل شستشو» از نمونه‌های اولیه بهترند. عموماً، فیلترهای هپا واقعی قابل شستشو گران هستند. یک فیلتر هپا با کیفیت آن است که بتواند 99.97% از ذرات غبار با قطر 0.3 میکرون را به دام بیاندازد. برای مقایسه، یک تار موی انسان حدود 50 تا 150 میکرون قطر دارد. بنابراین یک فیلتر واقعی هپا ذرات با ابعاد چند صد برابر کوچک‌تر از عرض موی انسان را به‌طور مؤثری در دام می‌اندازد. برخی سازندگان ادعا می‌کنند که استانداردهای فیلترهایی از قبیل «هپا 4» را دارند بدون اینکه توضیحی در مورد مفهوم پشت آن بدهند. این موضوع به درجه‌بندی مقدار گزارش بازدهی حداقل آن‌ها (MERV) اشاره دارد. این درجه‌بندی‌ها برای رتبه‌بندی توانایی یک فیلتر تصفیه هوا در حذف گردوغبار از هوایی که از آن عبور می‌کند، استفاده می‌شوند. مقیاس MERV از 1 تا 20 متغیر است و توانایی یک فیلتر برای حذف ذرات 10 تا 0.3 میکرومتری را اندازه‌گیری می‌کند. MERV استانداردی است که برای اندازه‌گیری بازدهی کل فیلتر استفاده می‌شود. فیلترهای دارای رتبه‌بندی بالاتر نه‌تنها ذرات معمولی بلکه ذرات ریزتر را نیز از هوا حذف می‌کنند.

پاکت جاروبرقیدیدن همه

گرمایش و تهویه مطبوع

تأثیر فیلتر هپا در سیستم تهویه مطبوع داخل خانه: بدون (هوای بیرون) و با (هوای داخل) فیلتر

گرمایش و تهویه مطبوع (HVAC) فناوری آسایش محیطی وسایل نقلیه و درون خانه است که از یک فیلتر هوا برای حذف آلودگی‌های درونی و بیرونی (دود، ویروس‌ها و پودرها) استفاده می کند. فیلتر هپا در شهرهای الوده برای حفظ سلامت بسیار مفید است.

وسایل نقلیه

خطوط هوایی

خطوط هوایی مدرن از فیلترهای هپا برای کاهش توسعه پاتوژنهای انتقال‌یافته از طریق هوا در هوای گردش یافته استفاده می‌کنند. منتقدان نگرانی خود را در خصوص کارآمد بودن و حالت تعمیر سیستم‌های فیلترسازی بیان نموده‌اند. آن‌ها فکر می‌کنند که بیشتر هوا در اتاقک هواپیما دوباره گردش می‌یابد. درواقع تقریباً همه هوا در یک هواپیمای تحت‌فشار از بیرون آورده می‌شود، در اتاقک گردش می‌یابد و سپس از شیرهای جریان خروجی در پشت هواپیما خارج می‌شود.

وسایل نقلیه موتوری

در سال 2016، اعلام شد که تسلا مدل X اولین فیلتر از درجه هپا را دارد. پس از ارائه مدل X، تسلا مدل S را به‌روزرسانی کرد تا یک فیلتر هوای هپا دلخواه نیز داشته باشد .

تاریخچه

ایده پست توسعه فیلتر هپا از ماسک‌های گازی پوشیده شده توسط سربازانی که در جنگ جهانی دوم می‌جنگیدند، گرفته شده است. تکه کاغذی که در یک ماسک گازی المانی جاگذاری شده بود توانایی قابل‌توجهی در جذب دود شیمیایی از خود نشان داد. جوخه‌های شیمیایی ارتش بریتانیا از این موضوع کپی‌برداری کرده و شروع به ساخت آن در تعداد بیشتر برای ماسک‌های گازی سرویس‌های خود کرد. آن‌ها به راه‌حل دیگری برای ستاد عملیاتی، جاییکه ماسک‌های گازی تک‌نفره کاربردی نداشتند، نیاز داشتند. جوخه‌های شیمیایی ارتش ترکیبی از یک دمنده مکانیکی و واحد تصفیه هوا توسعه دادند که در آن از کاغذ سلولوز-ازبستی به شکل کاملاً چین‌دار و با فاصله گذارهایی (اسپیسر) بین چینها استفاده می‌شد. به این محصول فیلتر هوای «کامل» گفته می‌شد و پایه تحقیقات بیشتر برای توسعه فیلتر هپا بود.

فاز بعدی فیلتر هپا در دهه 1940 طراحی شد و در پروژه منهتن برای جلوگیری از گسترش آلاینده‌های رادیواکتیو موجود در هوا استفاده شد. جوخه شیمیایی ارتش از برنده جایزه نوبل ایروینگ لانگمویر خواست که روش‌های آزمون فیلتر و توصیه‌های عمومی دیگری برای ساخت ماده مناسب برای فیلترسازی این ذرات رادیواکتیو پیشنهاد دهد. او ذرات 0.3 میکرونی را به‌عنوان «نفوذکنندهترین» ذرات –نگران‌کننده‌ترین و مشکل‌ترین- شناسایی کرد.

جزئیات ارتباط فیلتر هپا و جذب مواد رادیواکتیو رو در مقاله زیر میتونید مطالعه کنید.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S173857331930628X

این محصول در دهه 1950 تجاری‌سازی شده و عبارت اولیه به یک نام تجاری ثبت‌شده و بعدها به یک عبارت عمومی برای فیلترهای با کارایی بالا تبدیل شد.

در طول دهه‌ها فیلترها توسعه یافتند تا تقاضاهای بیشتر و بالاتری برای تامین کیفیت هوا در صنایع تکنولوژی پیشرفته مختلف از قبیل هوافضا، تولید دارو، بیمارستان‌ها، حفظ سلامت، سوخت‌های هسته‌ای، توان هسته‌ای و ساخت مدارهای مجتمع را برآورده کنند.

ترجمه شده از ویکی پدیا

https://en.wikipedia.org/wiki/HEPA