Исследователи Samsung разработали фильтр для очистки воздуха от пыли (PM) и летучих органических соединений (VOC) со сроком службы 20 лет, убирающий 95% PM и 82% VOC за проход, и моющийся при этом обычной водой почти до показателей первоначальной эффективности. Статья опубликована в престижнейшем журнале Nature Communications.
Чтобы вы понимали, сейчас чаще всего используют разные фильтры для PM и VOC. Оба этих фильтра одноразовые со сроком службы порядка полугода. По-моему, именно так и выглядит прорыв :)
Загрязнители
Мелкие взвешенные частицы aka пыль или Particulate Matter (PM). Чаще всего нужно следить за PM 10 и PM 2.5, то есть за частицами с размером меньше 10 мкм и 2.5 мкм, соответственно. 2.5 мкм раз в 30 тоньше человеческого волоса, но, как ни странно, примерно такой же длины, как крупная бактерия. Такая пыль может долго висеть в воздухе и быть супер-вредной (PM — самый сильный фактор риска, увеличивающий преждевременную смертность). Регулярная уборка пылесосом позволяет снизить концентрацию пыли дома, но только, если у вас хороший пылесос с герметичной системой и HEPA-фильтром. Но очиститель воздуха, всё же, будет эффективнее: он приведёт в норму показатели чистоты воздуха за час-другой.
Летучие органические соединения или Volatile Organic Compounds (VOC). Это то, что содержит в себе табачный дым, выделяет мебель из ЛДСП и МДФ, напольные покрытия, краски, благовония и даже 3D-принтеры. VOC также печально известны тем, что среди этих веществ много канцерогенов. Но не всё так печально: их концентрацию можно держать на приемлемом уровне, постоянно проветривая помещение.
Я хочу упомянуть еще два загрязнителя:
Выхлопные газы — пересекающееся с VOC множество. Чаще всего, угарный газ, оксиды серы и азота. Чаще всего нейтрализуются фотокаталитическими фильтрами (об этом ниже).
Углекислый газ. Дома главный загрязнитель — ты, username! Но не переживай, CO2 можно убирать так, как это делают космонавты, но лучше проветривать свою комнату!
Как определяют загрязнения в воздухе:
Мелкие взвешенные частицы (PM 2.5 и PM 10), чаще всего, определяют оптическим датчиком: фотоприёмник ловит свет, отраженный от пыли (смотрите рисунок 1). Как правило, измеряется в мкг/м3. Меньше 10 мкг/м3 — хорошо, остальное — не очень. Иногда измеряют в миллионных долях ppm (parts per million), 1 ppm = 10-6 (10-4 %), это своего рода «процент для лилипутов».
Летучие органические соединения (VOC) определяют более хитрым датчиком, в котором нагревается пластинка из оксида металла (смотрите рисунок 2). У её поверхности появляются ионы кислорода, которые вступают в реакцию с целевым газом и тем самым высвобождает электроны. Это приводит к изменению электрического сопротивления пластинки Сопротивление — это уже электрическая величина, которую можно измерить компактным аналогом мультиметра. На приборах, как правило, указывают показатель tVOC (total Volatile Organic Compounds) - суммарная концентрация всей летучей органики в воздухе (не обязательно вредной). Эта величина измеряется в мг/м3, иногда в ppm. Упрощенно, всё, что меньше 1 мг/м3 — хорошо (помните, что tVOC — общий показатель. Так-то для некоторых веществ нормативы ВОЗ гораздо строже (<0.001 мг/м3).
Существуют бытовые модели таких датчиков (как на рисунке 3), но они недешевые. Они измеряют концентрацию CO2, VOC и PM 2.5. Как пользователь такого, могу сказать: обратите внимание, что при первом включении датчик VOC может прогреваться 4 часа, не спешите паниковать. И человек сам является источником летучих органических соединений, так что не удивляйтесь, если он будет завышать показания рядом с вами.
Если нет бытового датчика, то часть показателей можно узнать в Интернете. В крупных городах есть станции экологического мониторинга. По ссылке можно посмотреть данные Мосэкомониторинга и народного ☭ мониторинга (вам нужно смотреть раздел: показ -> запыленность). Но самая большая карта у сервиса Breezometer. Онаработает по всем городам мира (он, вероятно, экстраполирует данные со станций, оборудования в домах и автомобилях).
Обратите внимание, Москва – довольно чистый город, по сравнению с мегаполисами Китая и Индии.
Как работают обычные фильтры:
PM. 2.5: HEPA-фильтры (High Efficiency Particulate Arrestance, высокоэффективное удержание частиц) (смотрите рисунок 4). В среднем, степень очистки >95%, срок службы порядка полугода.
H11 – маркировка класса фильтра, этот чистит не менее 95% пыли. Источник
Также рекомендую прочитать прекрасную статью о том, как работают HEPA-фильтры и почему их эффективность растет по мере загрязнения (хотя и падает их пропускная способность). Коротко и упрощенно принцип работы HEPA-фильтра можно объяснить через описание механизмов фильтрации:
«сито», когда частичка больше, чем пора фильтра (она просто не пролезает туда).
адгезия (прилипание): частичка касается поверхности и практически навсегда прилепляется (работают силы межмолекулярного взаимодействия).
аутогезия (слипаемость): то же самое, что и адгезия, но работает, когда частичка касается другой частички.
Cовсем маленькие частицы пыли натыкаются на волокна фильтра благодаря броуновскому движению (так они с большей вероятностью “задевают” волокна), а сравнительно большие врезаются туда по инерции, не успевая обогнуть их с потоком воздуха. Win-win situation!
Кстати, в Советском Союзе был свой HEPA – фильтры Петрянова-Соколова.
VOC: угольные (адсорбционные) и фотокаталитические фильтры (как правило, используются вместе).
Угольные фильтры (как на рисунке 5) улавливают практически все токсичные примеси воздуха с молекулярной массой более 40 атомных единиц. Эффективность очистки ~ 90%, срок службы ~ полгода.
Фотокаталитический фильтр (показан на рисунке 6) имеет пористый носитель с нанесенным ТiО2-фотокатализатором, который облучается светом и через который продувается воздух. Загрязнители адсорбируются на поверхности фотокатализатора и под действием света от ультрафиолетовой (УФ) лампы окисляются до углекислого газа и воды. Приятный бонус: УФ уничтожает некоторые бактерии и даже вирусы (но нужно смотреть мощность и время экспозиции). Угольный фильтр могут поставить второй ступенью после фотокаталитического (тогда он служит дольше). Степень очистки такой системы >95% (но по некоторым веществам ниже, например, по диоксиду серы ~15%). Срок службы ~ 2 года.
Из статьи и комментариев к ней следует, что фотокаталитические фильтры имеют сравнительно невысокую производительность. Чтобы эффективно очищать от летучей органики целую квартиру, требуется большая установка (размером примерно с половину холодильника).
Как работает новый фильтр
Керамический фотокаталитический фильтр для очистки воздуха, о котором исследователи Samsung написали в журнале Nature, сделан по принципу «два в одном». Керамические HEPA секции в нем чередуются с секциями, покрытыми фотокатализатором Cu2O/TiO2 и облучаемыми ультрафиолетом (смотрите рисунок 7).
Керамика – это необычный материал для HEPA. Обычно его используют для водяных фильтров или нейтрализаторов выхлопных газов (обычные HEPA-фильтры делают из стеклопластиковых волокон). Но в этом случае это сделано, прежде всего, для того, чтобы фильтр можно было мыть.
Более того, для фильтра используется не простая пористая керамика, а покрытая мембраной из неорганических материалов (в нашем случае, кордерит, алюмосиликат магния и железа). Это позволяет быстро переходить в режим фильтрации, при котором поступающая пыль задерживается первыми слоями налипших на фильтр собратьев (на английском это называется dust cake), это, в целом, эффективнее чем обычный механизм фильтрации (пояснение на рисунке 8).
Ниже приведу в упрощенном виде таблицу из статьи авторов, где сравниваются параметры керамического фильтра с кордеритовой мембраной и без неё.
Параметр |
Керамический фильтр |
Керамический фильтр с мембраной |
Падение давления при скорости движения потока 1 м/с, Па |
62 |
136 |
Степень фильтрации PM 2.5, % |
51.1 |
97.7 |
Степень фильтрации PM 10, % |
53.6 |
98.0 |
Из этой таблицы видно, что эффективность керамического фильтра с мембраной значительно выше, чем «обычного» керамического фильтра, хотя его воздушное сопротивление (падение давления на фильтре) тоже выше.
Таким образом, воздух, попадая в секцию с HEPA-фильтром, натыкается на пробку и просачивается сквозь керамику с мембраной в фотокаталитическую секцию, покрытую Cu2O/TiO2 и облучаемую УФ-лампой (подробнее об этом на рисунках 9 и 10).
Добавление сокатализатора Cu2O улучшает фотокаталитическую активность традиционного катализатора TiO2, благодаря легкому разделению зарядов и высокой плотности носителей заряда.
После оптимизационных расчетов был использован массив 2х2 УФ-светодиодов. Расчеты показали, что лучшие показатели интенсивности света 38,1 (в центре) и 40,8 мВт/см2 (сбоку) достигаются при расположении ламп на расстоянии около 30 мм до поверхности фильтра (смотрите рисунок 11).
Почему новый фотокаталитический фильтр эффективен:
Удаляет >95% PM и >82% VOC за один проход потока воздуха через него.
1 дм3 фильтра может держать в себе 20 г пыли – это примерно в 4 раза больше, чем у обычных фильтров.
Моется обычной водой.
Может быть использован повторно 10 раз с сохранением эффективности фильтрации (другими словами, прослужит 20 лет).
Регенерация фильтра
Исследования показали, что простая промывка водой в направлении против улавливания пыли является наиболее эффективным способом регенерации такого фильтра. Утверждения о 20-летнем сроке службы фильтра следуют именно из этих данных (смотрите рисунок 12).
Апробация опытных образцов таких фильтров
Новые фильтры тестировали в течение 30 месяцев в одном из зданий в Южной Корее. Исследователи подтвердили, что эффективность фильтрации PM 2.5 остается выше 98% в течение 30 месяцев без замены и регенерации, в то время как обычные фильтрующие элементы показали сравнительно низкую эффективность (62%) и требовали замены каждые 3-6 месяцев.
Кроме того, в течение 12 месяцев исследовалась отдельно стоящая система очистки
воздуха с использованием нового фильтра на подземной парковке (подробнее на
рисунке 13).
Всё вышеописанное создаёт оптимистичное впечатление. Кажется, что произошел технологический скачок пусть даже и в небольшой области знаний, связанной с воздушными фильтрами. Конечно, у этой технологии есть (или будут обнаружены) недостатки (например, наверняка, такие фильтры будут заметно дороже применяемых в данный момент), но, безусловно, эта разработка способна улучшить качество нашей жизни в ближайшее время.
Спасибо за внимание!
Вячеслав Шумаев
кандидат физико-математических наук, ведущий инженер Samsung
Комментарии (28)
mentin
26.06.2023 14:56+695% PM это не тянет на требования HEPA, это MERV 16, одна ступенька ниже. Но все равно круто. Главное чтобы фильтр не стоил как 10 одноразовых.
Slava_Shumaev Автор
26.06.2023 14:56Всё так, спасибо, что уточнили! Если кому любопытно, здесь прямо по максимуму написано про классификацию воздушных фильтров (в том числе и про Minimum Efficiency Rating Value (MERV)).
rever50
26.06.2023 14:56+14 светодиода на 30 мм. что делать с подсветкой если площадь хотя бы 200х200?
а если толщина 60? и мыть всю эту гирлянду тоже как-то надо. сколько потребляет эта светомузыка?Slava_Shumaev Автор
26.06.2023 14:56Давайте, я прикреплю рисунок из приложения к статье авторов (Supplementary Fig.6). Там рассматривается система светодиодов.
Распределение интенсивности света и дистанция, на которую он распространяется, в зависимости от расстояния УФ-светодиодов до поверхности фильтра и плотности ячеек (CPSI, cells per square inch). 4 светодиода эффективнее всего светят, когда находятся на расстоянии 30 мм от поверхности фильтра. Я предполагаю, что по площади каждый блок светодиодов накрывает площадь 60х60 мм. Написано, что он потребляет 3.2 Вт. Значит, на для покрытия 600х600 нужно примерно 12 таких блоков с потреблением под 40 Вт. Также видно, что на толщине в 60 мм всё будет работать не очень хорошо — интенсивность света здорово снижается с расстоянием.
Благодаря Вашему вопросу я уточнил текст своей статьи, спасибо!
sim31r
26.06.2023 14:56+1В камере с белыми или зеркальными стенками весь свет попадет на фильтры. Если учитывать налипание пыли на стенки, то и с линзой надо этот момент учитывать, на линзу светодиода тоже может пыль осесть.
Slava_Shumaev Автор
26.06.2023 14:56+1Обожаю Хабр интересные идеи в комментах! Спасибо!
@sim31r Можно пойти ещё дальше и сделать механизм для очистки лизны от пыли для такой системы. Например, ультразвуковой, как на этом видео.
@IvanPetrofИзлучающие в ультрафиолете волокна — это будет топ! Офигенная идея!
rever50
26.06.2023 14:56-1Жуть. как отводить тепло? что делать с излучением? по снипам допускается 50 Вт/м2. а тут речь идет о киловаттах. на цену на освещение этого чудо фильтра уже можно не обращать вниманиее.
sim31r
26.06.2023 14:56+2Светят же не в помещение, а на секцию фильтра. Который может быть 100 см2 (40*100 = 4000 мВт = 4 Вт или 0.096 кВтч в сутки). На фоне мощности вентилятора в 100 Вт например, эти затраты можно игнорировать.
SexTools
26.06.2023 14:56А я дурак все это время просто мыл HEPA-фильтр
Slava_Shumaev Автор
26.06.2023 14:56А как это сказалось на фильтрующей способности? Вы замеряли запыленность до и после мытья?
Есть статья (не бог весть что, конечно), где утверждают, что у HEPA сильно снижается эффективность фильтрации после мытья (но она чуть растёт, если фильтр пылесосить). Там используют показатель CADR (Clean Air Delivery Rate). Вот интересная статья на Хабре об этом.
nikolz
"Может быть использован повторно 10 раз с сохранением эффективности фильтрации (другими словами, прослужит 20 лет). "
Другими словами, если его мыть раз в 2 года, то 20 лет, а если раз в месяц то 2 года.
Кроме того, нельзя линейно прогнозировать срок службы при малом сроке реальной работы. Более вероятно, что по мере работы будут накапливаться усталостные разрушения и срок службы будет уменьшаться нелинейно и существенно быстрее, чем мечталось.
Slava_Shumaev Автор
А часто мыть фильтр Вы будете в том случае, если фильтруете воздух с большим количеством пыли, поэтому, думаю, эти показатели следует смотреть вместе с таким параметром, как пылеёмкость (dust loading capacity, т. е. количество пыли, при котором воздушное сопротивление будет выше определенного значения). Как утверждают авторы, пылеёмкость их фильтров в 4 раза больше "обычных" HEPA. То есть то, что забьёт HEPA за месяц, этот фильтр будет очищать на протяжении четырёх. А это уже само по себе здорово!
Я так понимаю, 20 лет получили для условий, при которых HEPA служит полгода (например, паркинг какого-нибудь здания), поэтому тут всё сравнительно честно.
Конечно, экстраполяция - вещь неблагодарная, но фильтры тестили на протяжении почти 2.5 лет (я не стал писать об этом в статье, но графики есть у авторов, Fig. 6b), что даёт повод для осторожного оптимизма.
arheops
Ну так обычный HEPA больше 95% фильтрует. Чем меньше фильтрует тем больше пылеемкость как правило.
Срок службы похоже просто измерен количеством регинераций. Сколько будет на 10й регинерации — не сказано
Slava_Shumaev Автор
Да, как верно заметил @mentin, этот фильтр чуть не дотягивает до HEPA, но тут можно попробовать выкрутиться, поставив HEPA (или даже ULPA, если пройдёт по воздушному сопротивлению) после него. С пылевой нагрузкой в ~20 раз меньше (новый фильтрует 95% пыли), HEPA прослужит гораздо дольше.
В этой статье на рисунке 12 (в статье авторов Fig. 5c) есть показатели качества очистки и воздушного сопротивления после каждой из 10 регенераций, взгляните.
arheops
Не прослужит. Полгода регламентируются не емкостью фильтра, фильтр фильтрует бактерии и они в нем начинают размножаться.
Если вы ставите хепа после — то смысла особого в пред фильтре "почти хепа" нету.
Slava_Shumaev Автор
Про бактерии Вы правы. Можно, конечно, пофантазировать и сделать систему УФ-светодиодов светящей и на новый фильтр, и на HEPA, стоящий за ним.
А вот точно ли нет смысла в том, чтобы ставить "почти HEPA" перед HEPA? На оборудовании предфильтры часто есть. Например, в этом бризере перед HEPA H-13 (эффективность фильтрации 99,95%) стоит фильтр предварительной очистки G4 (эффективность фильтрации 80-90%).
arheops
Дорогие предфильтры ставят только на очень грязных производствах.
Рбычно ставят копеечные бумажные g4-g9 и в отдельных случаях g1-g3 вида носок, если в воздухе летает древесная пыль в промышленных обьемах, к примеру.
3 ставят в больницах только.
nikolz
Если мыть через полгода, то получается не 20 лет, а 5 лет.
Относительно пылеемкости в 4 раза... Тут надо сравнивать стоимость такого фильтра. Сомневаюсь, что его цена будет всего в 4 раза больше. Кроме того, если фильтр не использовать все время, то он будет банально забиваться пылью снаружи, что приведет к необходимости его замены существенно раньше, чем через 5 лет.
Производство существующих фильтров налажено в больших масштабах и инвестиции в их разработку давно окупились. Внедрение принципиально новых фильтров требует больших инвестиций и следовательно приведет к существенно более высоким ценам на конечный продукт. Ожидаемый результат можно оценить на примере внедрения светодиодных ламп.
Кстати, законодательное внедрение светодиодных ламп произошло по причине провальных инвестиций в Европе в производство этих ламп.
Arhammon
Обычно фильтры идут каскадом, сразу PM2.5 никто не фильтрует, всегда есть фильтр грубой очистки.
nikolz
Полагаю, что в данном случае акцент сделан не на самое слабое место.
"Основа любого HEPA-фильтра – хаотично расположенные волокна разной толщины, примерно 0,5-5 мкм. " - т е пассивный элемент фильтрации.
В данном варианте имеем сложную активную схему - фотокаталитический фильтр с мембраной и катализатором. В итоге надежность фильтра т е срок службы будет определяться:
1) ресурсом УФ фотодиодов, а УФ фотодиоды в десятки и сотни раз дороже обычных светодиодов;
2) ресурсом мембраны, разрыв которой приводит к полной потере фильтрующих свойств;
3) ресурсом катализатора, срока активности которого должен быть 20 лет. А это уже нонсенс.
Ну и вишенка на торте - сравните стоимость бумажного фильтра и предлагаемой системы.
При этом вентилятор никто не отменял. Потребление электроэнергии будет больше.
Arhammon
А вот не надо равнять одну хепу и это. У меня например есть фильтр в виде каскада предфильтр, хепа, абсорбер, фотокаталитический с тем же самым ультрафиолетом, только в виде ламп... Так что имеет смысл только сравнение всего фильтра целиком, а не конкретного элемента.
nikolz
Не возражаю. Напишите сравнение Вашего с простым бумажным или трековым фильтром и напишите цену, размеры, потребление, период работы без вашего вмешательства, стомость тех обслуживания и запасных деталей.
Arhammon
Если смотреть на паспортный ресурс фильтров и ~ 500р за каждый фильтр. Итого 2000 в год. Так пять лет, дальше просто извините срок службы прошел расходка больше не продаётся. Итого за паспортный срок службы ~ 5000+5x2000. Но предположим я не занимаюсь оригами из левых фильтров, еще 5 лет оригинальные комплекты. Здесь нужно как-то поиграться с курсами, потому что 15000р десятилетней давности, это не совсем-то же что сейчас. Пусть будет 25000р в сегодняшних деньгах. Сейчас левые фильтры где-то 700р еще 14000р за 5 лет. Итого 39000р. Предположим я не сам его разбирал помыл, а в каком-то очень дешевом сервисе за 1000р. Итого +/- километр - 40000р за 10 лет, если менять фильтры по инструкции. Дальше особо можно не считать, тк. уже ресурс движка заканчивается. Реальные расходы естественно ниже, тк. фильтры меняются реже, а те же фотокаталитические вообще не меняются поскольку их нет.
Как-то доводы о том что один фильтр с хорошим ресурсом будет очень дорогим при таком раскладе уже не смотрятся...
Slava_Shumaev Автор
Можно попробовать оценить цену фильтра в первом (и очень грубом) приближении. Мы знаем цену схожих (подобных) керамических изделий:
керамический катализатор для выхопной системы автомобиля ~10 тыс. рублей .
керамический фильтр для воды ~ 15 тыс. рублей.
В фильтре будет ещё и покрыти из кордерита, катализатор (оксиды титана и меди) и УФ лампы, поэтому он выйдет дороже, но не думаю, что прямо на порядок.
Поэтому, мне кажется, что цена будет сопоставима с упомянутыми выше 40 тысячами (цена HEPA за 10 лет, 10 лет обусловлены ресурсом электродвигателя вентиллятора).
Slava_Shumaev Автор
@nikolz Да, это справедливые замечания, спасибо!