Zastosowanie filtrów z węglem aktywnym w przenośnym urządzeniu

Zastosowanie filtrów z węglem aktywnym w przenośnym urządzeniu

Węgiel aktywny w ochronie środowiska i przemyśle (2008)
WALTER MUCHA, JÓZEF S. PASTUSZKA
Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki, Katedra Ochrony Powietrza
ul. Akademicka 2, 44-100 Gliwice
EWA MARCHWIŃSKA-WYRWAŁ
Śląski Uniwersytet Medyczny, Wydział Zdrowia Publicznego
ul. Piekarska 18, 41-902 Bytom
ZASTOSOWANIE FILTRÓW Z WĘGLEM AKTYWNYM
W PRZENOŚNYM URZĄDZENIU DO FILTRACJI
I DEZYNFEKCJI POWIETRZA WEWNĘTRZNEGO
Powietrze wewnętrzne jest często zanieczyszczone cząstkami pyłu i bioaerozolem.
Narażenie na bioaerozole może być szczególnie groźne w przychodniach zdrowia
i w szpitalach. Z tego powodu bardzo ważne jest oczyszczanie powietrza w tego typu
pomieszczeniach, zwłaszcza w salach operacyjnych. Takim oczyszczaczem powietrza
jest, między innymi, urządzenie EWG, które wykorzystuje specjalnie zaprojektowany zestaw elektrod o oryginalnej topologii, generujących wysokie napięcie. Wcześniejsze badania pokazały, że ten przenośny oczyszczacz powietrza może być z powodzeniem
stosowany do dezynfekcji powietrza wewnętrznego. Niestety, ze względu na występujące wysokie napięcie zaobserwowano znaczącą emisję ozonu w trakcie pracy urządzenia. Aby zredukować emisję ozonu, zastosowano w urządzeniu EWG filtr węglowy. Niniejszy artykuł przedstawia wstępne wyniki badań efektywności usuwania
ozonu przez użyty filtr.
SŁOWA KLUCZOWE:
filtr węglowy, usuwanie ozonu, bioaerozol,
sterylizacja powietrza
WPROWADZENIE
Badania rozkładu czasu populacji generalnej wskazują, że od 50% do nawet
około 80% czasu spędza się w mieszkaniach [1]. Typowy podział czasu na poszczególne mikrośrodowiska dla populacji generalnej przedstawiono na rysunku 1. Ponadto, powietrze w pomieszczeniach nieprodukcyjnych często charakteryzuje się
nadmiernym stężeniem pyłu zawieszonego i bioaerozoli. Wszystko to sprawia,
że największe narażenie populacji generalnej na aerozole pyłowe i bakteryjne następuje w pomieszczeniach. Dotyczy to nawet obszarów, gdzie środowisko zewnętrzne jest silnie zanieczyszczone [2]. Problem ten staje się szczególnie istotny
w pomieszczeniach, które powinny charakteryzować się dużą czystością, a nawet
sterylnością powietrza, takich jak: sale operacyjno-zabiegowe, poczekalnie medyczne, hale produkcyjne w zakładach farmaceutycznych i spożywczych. Ponieważ wiele składników pyłu zawieszonego oraz bioaerozolu stanowią alergeny,
często konieczne jest zapewnienie ponadstandardowej czystości powietrza nawet w
pomieszczeniach mieszkalnych. Z tego względu bardzo ważne jest konstruowanie
236
W. Mucha, J.S. Pastuszka, E. Marchwińska-Wyrwał
urządzeń do szybkiego i skutecznego oczyszczania powietrza w pomieszczeniach. W odniesieniu do aerozolu pyłowego zadanie to spełniają różnego typu
oczyszczacze powietrza, które pobierają i filtrują powietrze. Sterylizację pomieszczeń w trakcie pobytu w nich osób próbuje się realizować za pomocą tzw. zamkniętych lamp bakteriobójczych. Składają się one ze świetlówek ultrafioletowych UV-C
umieszczonych w zamkniętej obudowie z dwoma otworami. Świetlówki nie posiadają luminoforu i są wykonane ze szkła przepuszczającego ultrafiolet. Na skutek
działania wentylatora wyciągowego, umieszczonego w obudowie przed otworem
wylotowym, następuje wymuszony ruch powietrza wraz z zawieszonymi w nim
mikroorganizmami z otoczenia urządzenia do otworu wlotowego. Pobierane powietrze przemieszcza się wzdłuż świetlówek, gdzie jest poddawane działaniu promieniowania ultrafioletowego, a następnie wychodzi na zewnątrz przez otwór wylotowy. Urządzenia te, jak sama nazwa wskazuje, stosowane są głównie do sterylizacji
bakteryjnej. Ich skuteczność niszczenia grzybów mikroskopijnych w powietrzu jest
znacznie mniejsza.
dom 60%
stanowisko pracy 30%
środki transportu 6%
na zewnątrz pomieszczeń 3%
Rys. 1. Rozkład czasu w poszczególnych mikrośrodowiskach dla populacji generalnej
według [1]
Na zupełnie innej zasadzie działa skonstruowany w USA oczyszczacz EWG
(Electron Wind Generator). Jest to nieduże urządzenie, które wytwarza silne pole
elektryczne. Dzięki odpowiedniej topologii elektrod aparat generuje ciągły ruch
powietrza poprzez siatkę elektrod. Pobierane w ten sposób powietrze jest sterylizowane w polu elektrycznym. Ponieważ przedstawione wyżej działanie aparatu EWG
implikuje jonizację cząstek pyłu, można także oczekiwać, że aparat ten będzie
oczyszczać powietrze z drobnych cząstek aerozolu, np. z cząstek dymu tytoniowego. Należy dodać, że dym tytoniowy zawiera głównie cząstki submikronowe, które
są bardzo trudno usuwalne ze środowiska w wyniku tradycyjnej filtracji.
Przeprowadzone do tej pory badania [3] wskazują, ze stosowanie sterylizatora
EWG wydaje się być bardzo obiecujące, gdyż w komorze sterylizatora następuje
niszczenie pobranych bakterii i grzybów w polu wysokiego napięcia poprzez nieodwracalne uszkodzenie błony komórkowej i zakłócenie replikacji drobnoustrojów
w wyniku podwójnego pękania nici DNA. Praca urządzenia EWG znacząco zmniej-
Zastosowanie filtrów z węglem aktywnym w przenośnym urządzeniu …
237
sza stężenie aerozolu bakteryjnego i grzybowego w pomieszczeniach, lecz efektywność oczyszczania / sterylizacji zależy także od wewnętrznych źródeł emisji
bioaerozoli, przede wszystkim od ilości osób przebywających w pomieszczeniu,
oraz od cyrkulacji powietrza (stopnia wymiany powietrza) i od kubatury pomieszczenia. Najlepsze wyniki otrzymano w małych pomieszczeniach przy niewielkiej
wymianie powietrza, np. w pokoju biurowym o kubaturze około 30 m3 lub w małej, 3-osobowej sali chorych. Przy zamkniętych oknach i tylko sporadycznie otwieranych drzwiach początkowe stężenie aerozolu bakteryjnego w tego typu pomieszczeniach zmniejszało się po 2 godzinach pracy urządzenia do połowy stężenia
początkowego, a po 1026 godzinach pracy urządzenia do 15% stężenia wyjściowego [3]. Niestety, praca tego sterylizatora wiąże się z emisją ozonu. Jakkolwiek
ozon ma dodatni wpływ na spadek stężenia żywych mikroorganizmów w powietrzu,
to wzrost stężenia ozonu w pomieszczeniach niekorzystnie wpływa na zdrowie
ludzi. W normalnych warunkach ozon jest ostro pachnącym gazem barwy błękitnej
o silnych właściwościach utleniających. W warunkach naturalnych ozon wpływa
na człowieka, oddziałując na układ oddechowy (podrażnienie gardła, kaszel, podrażnienie oczu, nudności, zawroty głowy), przy czym długotrwałe narażenie powoduje bardziej rozległe i nieodwracalne zmiany, zwłaszcza w płucach [4].
Wartości dopuszczalne stężenia w pomieszczeniach przeznaczonych na pobyt
ludzi wynosi w Polsce: pomieszczenia kategorii A - 0,1 mg/m3, pomieszczenia kategorii B - 0,15 mg/m3 [5, 6], NDS najwyższe dopuszczalne stężenie na stanowisku
pracy - 0,15 mg/m3 [6].
Jak się wydaje, rozwiązaniem opisanego wyżej problemu mogłoby być zastosowanie filtrów węglowych.
W niniejszej pracy przedstawiono wstępne wyniki badań redukcji emisji ozonu
z przenośnego wysokonapięciowego sterylizatora powietrza na skutek zastosowania filtra węglowego.
1. METODYKA BADAŃ
Węgiel aktywny, stosowany powszechnie w systemach ochrony powietrza jako
adsorbent różnych zanieczyszczeń, jest materiałem porowatym, którego strukturę
tworzy zbiór przypadkowo ułożonych grafitowych płytek. Wytwarza się go z różnych surowców: węgla kamiennego, torfu, drewna i łupin orzecha kokosowego.
Większość węgli stosowanych w ochronie powietrza produkowana jest z węgla kamiennego. Grafitowe płytki posiadają bardzo dużą powierzchnię właściwą (jeden
gram osiąga nawet 900 m2), co zapewnia doskonałe możliwości adsorpcji zanieczyszczeń organicznych.
Wydaje się, że sterylizator EWG mógłby zostać rozbudowany o filtr węglowy,
ale także o filtr tkaninowy, który wychwytywałby cząstki pyłu. Wtedy jednak niezbędne byłoby zwiększenie strumienia pobieranego powietrza, co można zrealizować poprzez dostawienie małego wentylatora. Schemat takiego hybrydowego układu, pełniącego funkcje odpylacza i sterylizatora, przedstawia rysunek 2.
238
W. Mucha, J.S. Pastuszka, E. Marchwińska-Wyrwał
Rys. 2. Schemat układu sterylizującego, hybrydowego, z filtrem węglowym
W niniejszej pracy przedstawiono wyniki pomiarów skuteczności zatrzymania
ozonu w filtrze z węgla aktywnego, umieszczonego w urządzeniu do sterylizacji
powietrza. Oznaczenia ilościowe wykonano metodą kolorymetryczną z użyciem
dwumetylo-p-fenylodwuaminy. Stężenia ozonu w cieczy absorpcyjnej zmierzono
za pomocą skaningowego spektrometru UV-VIS firmy Shimadzu.
Pomiary przeprowadzono w dwóch seriach przez dwa dni. Pierwsza seria pomiarów była realizowana bez filtra węglowego, natomiast seria druga z filtrem
węglowym. Warunki meteorologiczne dla obu dni były porównywalne, a pomiary
rozpoczynały się o godzinie 8:00. Pomieszczenie, w którym przeprowadzano pomiary, miało kubaturę 85 m3 i posiadało wentylację naturalną. Pobory próbek powietrza próbek wykonywano co 1 h przez okres 7 h.
2. WYNIKI I DYSKUSJA
Na rysunku 3 przedstawiono wyniki stężeń ozonu mierzone w trakcie pracy sterylizatora EWG w pomieszczeniu pomiarowym bez filtra węglowego oraz z filtrem
węglowym. Jak widać, gdy nie stosowano węgla aktywnego, stężenie ozonu w pomieszczeniu dość szybko rosło w okresie pierwszych trzech godzin pracy sterylizatora, osiągając wartość prawie 2,8 µg/m3 i następnie po czterech godzinach stabilizowało się na poziomie nieco ponad 3 µg/m3. Gdy filtr węglowy był założony,
stężenie ozonu wzrastało znacznie wolniej i stabilizowało się na znacznie niższym
poziomie - około 1,2 µg/m3.
239
Zastosowanie filtrów z węglem aktywnym w przenośnym urządzeniu …
Rys. 3. Stężenie ozonu w pomieszczeniu sterylizowanym aparatem EWG w funkcji czasu
pracy sterylizatora
W oparciu o pomiary stężenia ozonu oraz prędkości gazów u wylotu sterylizatora możliwe było obliczenie emisji ozonu. Otrzymane wyniki zamieszczono w tabeli 1. Jak widać, chwilowa emisja ozonu ze sterylizatora EWG wynosiła około
9 µg/min, przy czym założenie filtra węglowego redukowało tę emisję do poziomu
około 4 µg/min. Zatem skuteczność zatrzymania ozonu w filtrze węglowym wynosiła 60%. Jest to znacznie większa efektywność niż efektywność usuwania ozonu z powietrza za pomocą innych materiałów filtracyjnych. Przykładowo, Zhao
i współpracownicy [7] otrzymali efektywność usuwania ozonu dla filtrów stosowanych w urządzeniach wentylacyjno-klimatyzacyjnych w granicach od 0 do 9%
dla filtrów czystych i od 10 do 41% dla filtrów obciążonych pyłem (zużytych).
TABELA 1.
Zestawienie parametrów sterylizatora oraz wyniki pomiarów emisji ozonu
Średnica efektywna wylotu
0,18 m
Średnia prędkość gazów u wylotu
2 m/s
Strumień powietrza przepływający przez sterylizator
183,22 m3/h
Emisja ozonu bez zastosowania filtra z węglem aktywnym
9,175 µg/min
Emisja ozonu z zastosowanym filtrem z węglem aktywnym
3,77 µg/min
Skuteczność zatrzymania ozonu w filtrze węglowym
60%
WNIOSKI
Zastosowanie filtra z węgla aktywnego w przenośnym wysokonapięciowym
sterylizatorze powietrza (EWG) redukuje emisję ozonu z tego urządzenia o 60%.
Tak znaczący spadek emisji powoduje, że po wielogodzinnej pracy sterylizatora
zaopatrzonego w filtr węglowy, w pomieszczeniu naturalnie wentylowanym, o kubaturze 85 m3, stężenie ozonu w powietrzu zmniejsza się około trzykrotnie w stosunku do stężenia ozonu występującego w trakcie pracy sterylizatora bez filtra
węglowego.
240
W. Mucha, J.S. Pastuszka, E. Marchwińska-Wyrwał
LITERATURA
[1] Zabiegała B., Patryka M., Namieśnik J., Jakość powietrza wewnętrznego - analiza i monitoring,
Nowe horyzonty w analityce i monitoringu środowiskowym, Centrum Doskonalenia Analityki
i Monitoringu Środowiskowego, Gdańsk 2003.
[2] Pastuszka J.S., Narażenie na aerozole ziarniste, włókniste i biologiczne (bakterie i grzyby mikroskopijne) populacji generalnej Górnośląskiego Okręgu Przemysłowego, Oficyna Wydawnicza
Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2001.
[3] Pastuszka J.S., Marchwińska-Wyrwał E., Wlazło A., Badanie skuteczności sterylizacji powietrza
pomieszczeń przy pomocy oczyszczacza EWG (Electron Wind Generator), Materiały V
Konferencji Naukowej Śląskie Seminarium Ochrony Środowiska (red. A. Misiołek), Bytom 2004, 73-74.
[4] Gawęda E., Szkodliwe substancje chemiczne emitowane przez wybrane urządzenia biurowe podczas ich pracy, Raport CIP-PIB Bezpieczeństwo pracy 2004, 4, 19-23.
[5] Zarządzenia Ministra Zdrowia i Opieki Społecznej z dnia 12 marca 1996 r. w sprawie
dopuszczal- nych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia, Mon. Pol. Nr 19, poz.
231.
[6] Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 29.11.2002 r. w sprawie najwyższych
dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy, DzU
Nr 217, poz. 1833.
[7] Zhao P., Siegel J.A., Corsi R.L., Ozone removal by HVAC filters, Atmospheric Environment
2007, 41, 3151-3160.
USING OF CARBON FILTERS IN THE PORTABLE CLEANER DEVICE
FOR FILTRATION AND STERILIZATION OF INDOOR AIR
Indoor air is frequently polluted by particulate matter and bioaerosol. Exposure
to bioaerosols may be especially hazardous in the clinic and hospitals. Hence, it is very
important to clean air in such buildings, especially in the surgery rooms. The Electron Wind Generator (EWG) is an air purification device using a sophisticated combination of electrode topology and specially designed high voltage power supply.
The previous studies showed that this portable air cleaner can be successfully used
for disinfection of indoor air. Unfortunately, due to the high voltage the significant
emission of ozone during the work of this cleaner has been observed. Therefore,
we applied the carbon filter in the EWG device to reduce the emission of ozone.
This paper presents the preliminary results of the study on ozone removal efficiencies
for used filter.
KEYWORDS:
carbon filter, ozone removal, bioaerosol, air sterilization