Luftreiniger

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Hintergrund

Luftreiniger entwickelten sich als Reaktion auf die Reaktionen der Menschen auf Allergene wie Pollen, Tierhaare, Staub und Schimmelpilzsporen. Reaktionen (Niesen, laufende Nase, kratzende Augen und noch schwerwiegendere Folgen wie Asthmaanfälle) sind das Ergebnis von im Haushalt gefundenen Antigenen. Diese Antigene sind die Hauptauslöser von Asthma, und allein in den Vereinigten Staaten gibt es mehr als 17 Millionen Asthmatiker. Luftreiniger entfernen einen Teil dieser Partikel und reduzieren so allergische Reaktionen.

Aufgrund ihrer extrem geringen Größe können Allergene einen handelsüblichen Staubsaugerbeutel passieren und sich in der Luft umverteilen, wo sie tagelang bleiben. Sogar ein einziges Mikrogramm Katzenallergen reicht aus, um bei den meisten der sechs bis zehn Millionen Amerikaner, die auf Katzen allergisch sind, eine allergische Reaktion auszulösen. Andere Partikel in der Luft – wie Bakterien und Viren – können Krankheiten verursachen, von denen einige tödlich verlaufen. Es gibt viele Gründe – Allergien, Asthma, tödliche Krankheiten – dafür, dass jedes Jahr Millionen von Luftreinigern in den Vereinigten Staaten verkauft werden.

Es gibt zwei gängige Arten von Luftreinigern, die einige oder alle der krankheits- und allergieauslösenden Partikel aus der Luft entfernen können:mechanische Filter – die wirksamsten werden als hocheffiziente Partikelluftfilter (HEPA-Filter) klassifiziert – und elektrostatische Abscheider.

HEPA-Filter bestehen aus sehr feinen Glasfäden mit einem Durchmesser von weniger als 1 Mikrometer (ein Mikrometer entspricht 0,00004 Zoll, 0,001 mm). Zum Vergleich:Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von etwa 75 Mikrometern (0,003 Zoll, 0,07 mm). Die feinen Glasfäden werden ineinander verschlungen und zu einer Filtermatte verdichtet. Da die einzelnen Fäden so mikroskopisch klein sind, besteht der Großteil der Matte aus Luft. Die Öffnungen in der Matte sind sehr klein, im Allgemeinen weniger als 0,5 Mikrometer (0,00002 Zoll, 0,0005 mm). HEPA-Filter sammeln Partikel mit einem Durchmesser von bis zu 0,3 Mikrometer (0,00001 Zoll, 0,0003 mm). Auch wenn der Filter nur 2,5 mm breit ist, würde er aus 2.500 Lagen Glasfäden bestehen.

Elektrostatische Abscheider beruhen auf elektrostatischen Kräften, um Partikel aus der Luft zu entfernen. Sie funktionieren, indem sie eine Wolke freier Elektronen erzeugen, durch die Staubpartikel gezwungen werden, zu passieren. Wenn die Staubpartikel das Plasma passieren, werden sie aufgeladen, sodass sie leicht gesammelt werden können. Elektrofilter können Partikel bis zu einem Durchmesser von 0,01 Mikrometer (0,00001 mm) sammeln.

Weder HEPA-Filter noch Elektrofilter können flüchtige organische Verbindungen aus der Luft entfernen, tragen also nicht zur Geruchsminderung bei. Aus diesem Grund sind die meisten Luftreiniger mit einem Vor- oder Nachfilter aus Aktivkohle ausgestattet. Aktivkohle wird durch Erhitzen einer Kohlenstoffquelle (Kokosnussschalen, alte Reifen, Knochen usw.) bei sehr hohen Temperaturen in Abwesenheit von Sauerstoff hergestellt, ein Prozess, der auch als Pyrolyse oder zerstörende Destillation bezeichnet wird. Die Pyrolyse trennt den reinen Kohlenstoff von den anderen im Rohstoff enthaltenen Materialien. Der reine Kohlenstoff wird dann Dampf bei 1.500 °F (800 °C) ausgesetzt. Der Hochtemperaturdampf aktiviert die Kohle. Durch den Aktivierungsprozess entstehen Millionen von Rissen in den Kohlenstoffkörnern. Diese Risse haben Durchmesser von etwa 0,002 Mikrometer (0,000002 mm). Da es so viele Risse gibt, bietet der Aktivierungsprozess dem Kohlenstoff eine enorme Oberfläche pro Gewicht – ungefähr 1.000 m² ² /g). Die Millionen von Rissen bieten Orte, an denen organische Verbindungen adsorbiert werden können. Darüber hinaus trägt die Oberfläche des Kohlenstoffs eine elektrische Restladung, die unpolare Chemikalien (Chemikalien, die keine getrennten positiven und negativen Ladungen aufweisen) anzieht. Aktivkohle ist sehr effektiv bei der Adsorption von geruchserzeugenden Verbindungen.

Verlauf

Die Luftreinheit ist ein Thema, seit Menschen in Gruppen gelebt haben. Einer der Gründe, warum Jäger und Sammler Nomaden sind, ist, dass sie sich regelmäßig von ihren Müllhalden und Latrinen entfernen müssen. In n. Chr. 61 klagte der römische Philosoph Seneca über das Miasma des Schornsteinrauchs, das ständig über Rom hing. 1306 verbot König Edward I. von England das Verbrennen von Kohle in London wegen der starken Schadstoffe in der Luft.

Die industrielle Revolution des 18. und 19. Jahrhunderts hat das Problem nur verschlimmert. Die Verbrennung von Kohle zur Erzeugung von Strom und Treibstoff für Züge erzeugte eine dunkle Rauchwolke über allen wichtigen Industriezentren der Welt und bedeckte ganze Städte mit Ruß. Um dieses Problem zu lösen, bauten Ingenieure höhere Schornsteine, um luftgetragene Abfälle weiter von der Quelle wegzubewegen. Unabhängig davon, wie hoch die Schornsteine ​​​​wurden, beschwerten sich die Menschen im Wind über die Asche und die sauren Gase der Kohleverbrennung (die Quelle des sauren Regens), die ihre Ernten zerstörten. Die Luftverschmutzung verschlechterte sich nach dem Zweiten Weltkrieg noch einmal, als Autos das wichtigste Transportmittel in der industrialisierten Welt wurden. Autosmog hat Los Angeles die schlechteste Luftqualität der Welt beschert.

Rohstoffe

Die Materialien, die sowohl in HEPA-Filtern als auch in elektrostatischen Abscheidern verwendet werden, sind:ein Gehäuse aus Kunststoff, ein elektrischer Ventilator, um einen Luftstrom durch den Filter zu erzeugen, der Filter selbst und Steuerschalter zur Steuerung der Geschwindigkeit des Ventilators und zum Drehen des Luftreinigers an und aus. Die HEPA-Filter bestehen aus Borosilikat-Glasfasern oder Kunststofffasern (z. B. Polypropylen), die mit bis zu 5 % Acrylbindemittel (der gleichen Verbindung, die Latexfarbe an ein Haus bindet) verbunden sind. Elektrostatische Abscheider erzeugen Ionen, indem sie extrem hohe positive Gleichspannungen durch Stahldrähte führen, die zwischen geerdeten Stahlladeplatten angeordnet sind. Koffer werden fast überall aus Kunststoff hergestellt, meist aus schlagfestem Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polyethylen hoher Dichte oder Polypropylen. Die meisten Luftreiniger sind zudem meist mit einem Nachfilter aus Aktivkohle ausgestattet.

Design

HEPA-Filter werden basierend auf der Größe der zu entfernenden Partikel und dem erforderlichen Luftdurchsatz entwickelt. Je feiner die Poren des HEPA-Materials sind, desto feiner werden die Partikel aus der Luft entfernt. Das Sammeln feinerer Partikel bedeutet jedoch, dass das Filtermaterial früher verstopft und häufiger ausgetauscht werden muss. Der Designer legt den Durchmesser der Glasfasern und die Mattendichte des Filtergewebes fest, die die Filterporengröße festlegt. HEPA-Filter können Bindemittel enthalten, die zusätzliche Festigkeit bieten, aber dies führt auch zu einem Filter, der früher verstopft.

Der Aufbau eines Elektrofilters ist wesentlich komplexer. Elektrofilter für den Heimgebrauch bestehen normalerweise aus zwei Komponenten, einer ionisierenden Komponente (wo die Elektronenwolke erzeugt wird) und einer Sammelkomponente (wo die geladenen Staubpartikel aus der Luft gezogen werden). Die Sammelkomponente besteht aus einer Reihe paralleler Stahlplatten - die Hälfte ist geerdet und die andere führt eine positive Gleichspannung -, so dass abwechselnde Platten entweder positiv oder negativ geladen sind. Die Ionisationseinheit besteht aus dünnen Drähten, die zwischen einem separaten Satz geerdeter Stahl-Ionisationsplatten parallel zu den Kollektorplatten, jedoch vor diesen angeordnet sind. Die dünnen Drähte führen einen sehr hohen Gleichstrom mit positiver Spannung (bis zu 25.000 Volt in einem Heimluftreiniger). Die positiven Ladungen in den Drähten induzieren einen Elektronenfluss zwischen den Drähten und den benachbarten ionisierenden Platten. Da an dem Draht eine sehr hohe Spannung anliegt, werden Elektronen mit einer Beschleunigung von etwa 1000-facher Erdbeschleunigung dorthin gedrückt, wodurch die Elektronen auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Wenn beispielsweise ein Partikel aus Hausstaubmilbenkot am Draht vorbeischwebt, kollidieren die Hochgeschwindigkeitselektronen mit den Elektronen in den Molekülen des Partikels und klopfen Ein Beispiel für einen elektrostatischen Abscheider und seine Komponenten. einige von ihnen kostenlos. Da diese Moleküle Elektronen verlieren, nehmen sie eine positive Ladung an und werden so von der negativ geladenen Kollektorplatte angezogen. Der Designer muss eine Spannung wählen, die hoch genug ist, um eine ausreichende Anzahl von Elektronen zu erzeugen, um die durch den Abscheider strömenden Partikel zu ionisieren, und die Kollektorplatten eng genug beieinander platzieren, damit die ionisierten Staubpartikel auf den Platten aufgefangen werden, bevor der Abscheiderventilator sie anziehen kann vollständig durch den Luftreiniger.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Der Fall

• 1 Pellets des Rohmaterials (hochschlagzähes Polystyrol, Polyvinylchlorid, hochdichtes Polyethylen oder Polypropylen) werden in einen Trichter gefüllt und auf den Schmelzpunkt von 300-590 °F (150-310 °C) erhitzt. .
• 2 Der geschmolzene Kunststoff wird unter hohem Druck in eine Form des Gehäuses gespritzt. Die Form wird in der Regel von einem hochqualifizierten Formenbauer aus Werkzeugstahl hergestellt. Belüftungsöffnungen im Werkzeug ermöglichen das Entweichen der mitgeführten Luft beim Eintritt des Kunststoffs. Der Formkonstrukteur muss sicherstellen, dass sich die Form gleichmäßig mit Kunststoff füllt und die gesamte mitgeführte Luft entweichen kann, da sonst das fertige Teil kleine Luftblasen oder sogar Hohlräume enthalten kann.
• 3 Wasser wird durch in die Form eingebaute Kanäle gedrückt, um die Wärme des geschmolzenen Kunststoffs an die Umgebung zu übertragen. Sobald das Teil ausreichend abgekühlt ist, was bis zu zwei Minuten dauern kann, öffnet sich die Form. Hydraulisch betätigte Stifte drücken das Teil aus der geöffneten Form in einen Aufnahmebehälter.

Der Fan

• 4 Ein elektrischer Ventilator wird verwendet, um Luft durch den Luftreiniger zu ziehen. Der Ventilator wird in der Regel von einem Kleinteilelieferanten bezogen. Der Ventilator besteht aus einem kleinen Elektromotor mit metallenen Ventilatorflügeln, die am Nebenabtrieb des Motors befestigt sind. Die Lüfterflügel sind in der Regel mit einem Kragen punktgeschweißt, der auf den Nebenabtrieb geschoben und verschraubt wird.
• 5 Der Lüfter wird normalerweise mit Stahlschrauben am Gehäuse befestigt.

HEPA-Filter

1. Die Glasfasern, aus denen ein HEPA-Filter besteht, werden hergestellt, indem geschmolzenes Glas oder Kunststoff in einer Spinndüse durch sehr feine Poren geleitet wird. Die resultierenden Glasfasern kühlen und härten aufgrund ihrer winzigen Durchmesser fast sofort aus.
2. Die Spinndüse bewegt sich vor und zurück (wodurch die Glasfasern ein Vlies bilden) über einem sich bewegenden Förderband, auf dem die Fasern gesammelt werden. Die Geschwindigkeit des Transportbandes bestimmt die Dicke des Filtermaterials – ein langsames Transportband lässt mehr Glasfasern auf dem Band aufbauen.
3. Das Schmelzen und Abkühlen der Faser erzeugt eine gewisse Bindung der Fasern. Während das Förderband voranschreitet, wird ein Latexbindemittel auf das Gewebe gesprüht, um zusätzliche Festigkeit zu verleihen. Der Stoff kann bis zur praxisgerechten Größe der Maschine beliebig breit sein und kann auf das vom Kunden vorgegebene Maß gekürzt werden, bevor der Stoff auf Rollen aufgerollt wird.
4. Sobald die HEPA-Matten geformt sind, werden sie in einem automatischen Ordner zu einem Akkordeonmuster gefaltet. Das Akkordeonmuster erlaubt bis zu 50 ft ² (5 m ² ) von Filtermaterial auf kleinem Raum einzuschließen.
5. Der ziehharmonikaförmige Filter wird dann in ein Filtergehäuse eingeschlossen, das normalerweise aus einem offenen Drahtgitter besteht. Der Filterkasten dient dazu, den Filter zu tragen.

Elektrofilter

1. Das elektrostatische Abscheider-Sammelsystem wird hergestellt, indem Stahlplatten in ein Kunststoffgehäuse eingeschlossen werden, oft durch Handmontage. Die Platten sind im Gehäuse parallel zueinander angeordnet.
2. Drähte werden dann mit abwechselnden Platten verbunden, durch die der positive Hochspannungs-Gleichstrom an die Platten angelegt wird. Die anderen Platten sind geerdet.
3. Das Ionisationsgerät besteht aus Drähten mit kleinem Durchmesser vor den Kollektorplatten.
4. Am Abscheidergehäuse ist ein Spannungswandler befestigt, mit dem 115-Volt-Haushalts-Wechselstrom in Hochspannungs-Gleichstrom umgewandelt wird. Diese Spannung wird sowohl an die positiv geladenen Kollektorplatten als auch an die ionisierenden Drähte geleitet.

Der Aktivkohlefilter

• 1 Der Aktivkohlefilter (zur Geruchsminderung) besteht in der Regel aus kohleimprägniertem Tuch oder Schaumstoff. Diese wird hergestellt, indem der Rohstoff mit pulverisierter Aktivkohle angereichert wird.
• 2 Der Kohlefilter wird dann um die Innen- oder Außenseite des HEPA-Filters gewickelt oder in einem Rahmen entweder am Einlass oder am Auslass des Elektrofilters gespannt.

Montage

• 3 Ein Luftreiniger enthält nur sehr wenige Komponenten. Aus diesem Grund werden sie normalerweise auf einer Werkbank montiert. Bei der Tischmontage bringen sich bewegende Förderbänder die einzelnen Komponenten oder Unterbaugruppen (z. B. den bereits am Gehäuse befestigten Lüfter) zu einer Werkbank, wo sie dann von einer Person von Hand montiert werden. In einem typischen HEPA-Luftreiniger müssen möglicherweise nur fünf Komponenten zusammengebaut werden:Gehäuse, Lüfter, Partikelfilter, Kohlefilter und der Ein-/Ausschalter.

Qualitätskontrolle

Die Filtereffizienz ist der wichtigste Qualitätskontrolltest für Luftreiniger. Die American Society for Testing and Materials (ASTM) veröffentlicht Qualitätskontrolltests, die Filter erfüllen müssen, bevor sie in bestimmten Anwendungen eingesetzt oder als HEPA-Filter vermarktet werden können (z. B. ASTM-F50:Standard Practices for Continuous Sizing and Counting of Airborne Particles in Staubkontrollierte Bereiche und Reinräume mit Instrumenten, die in der Lage sind, einzelne Submikrometer- und größere Partikel zu erkennen). Das US-Verteidigungsministerium hat einen Standard veröffentlicht, bei dem Dioctylphthalat (DOP)-Partikel durch einen Filter geblasen werden. Um zu bestehen, muss der Filter 99,97% des einfließenden DOP entfernen.

Nebenprodukte/Abfälle

Zu den Nebenprodukten der Herstellung gehören die kohlenstofffreien Materialien, die bei der Herstellung von Aktivkohle destilliert werden, Spezifikationsfiltermaterial und überschüssiges Material, das bei der Herstellung von HEPA-Filtern entsorgt werden muss. Die meisten anderen Produktionsabfälle, Kunststoffkufen aus den Spritzgussmaschinen und überschüssiges Blech, können recycelt werden.

Beim Betrieb von Luftfiltern fallen zusätzliche Abfälle an. Die von elektrostatischen Abscheidern erzeugten Ionen interagieren mit Sauerstoff in der Luft, um Ozon zu erzeugen. In hohen Konzentrationen ist Ozon giftig. Es ist unwahrscheinlich, dass die Ozonwerte, die in einem elektrostatischen Abscheider für den Hausgebrauch erzeugt werden, gefährliche Werte erreichen, aber einige Menschen sind selbst auf niedrige Ozonwerte empfindlich. Die Kollektorplatten in einem Elektrofilter müssen regelmäßig gereinigt werden.

HEPA-Filter haben eine begrenzte Lebensdauer, abhängig von der durch sie gefilterten Luftmenge und der Menge an Partikeln in der Luft. Die meisten Hersteller empfehlen, sie alle paar Jahre auszutauschen. Die gebrauchten Filter können nicht recycelt werden und landen somit auf Deponien.

Aktivkohle kann recycelt werden, aber die Kosten für die Handhabung der kleinen Menge an Kohlenstoff, die in einem Luftreiniger zu Hause enthalten ist, wären unerschwinglich. In der Regel landet es auch nach vollständiger Nutzung auf Deponien.

Die Zukunft

Da Wissenschaftler mehr über Umweltschadstoffe und deren Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit erfahren, wird der Bedarf an saubererer Luft in Wohnungen und Büros immer größer. Die aktuelle Generation von HEPA-Filtern kann nur Partikel mit einem Durchmesser von bis zu 0,3 Mikrometer (0,00001 Zoll, 0,0003 mm) entfernen, während angenommen wird, dass Partikel mit einem Durchmesser von bis zu 0,1 Mikrometer (0,0001 mm) das Lungengewebe mechanisch schädigen können. Viren können einen Durchmesser von bis zu 0,02 Mikrometern (0,00002 mm) haben. Bei der Bekämpfung der Luftverschmutzung in Innenräumen sind offensichtlich noch Fortschritte zu erzielen. Die aktuelle Richtung der Technologie geht in Richtung immer feinerer Filtermaterialien. Der neue Standard in der Filtration ist der ULPA-Filter, der für Ultra Low Penetrating Air steht. Ein ULPA-Filter ist erforderlich, um Partikel mit einem Durchmesser von bis zu 0,12 Mikrometer (0,00012 mm) entfernen zu können, etwa ein Drittel des Durchmessers der kleinsten Partikel, die ein HEPA-Filter entfernen kann.

Weitere Informationen

Bücher

Cooper, David C. und F.C. Alley. Luftreinhaltung:Ein Designansatz. Prospect Heights, IL:Waveland Press, Inc., 1994.

Göttlich, Thad. Umweltqualität in Innenräumen. New York:Lewis Publishers, 1999.

Mycock, John C., et al. Handbuch der Luftreinhaltungstechnik und -technologie. New York:Lewis Publishers, 1995.

Zeitschriften

Christiansen, S.C., et al. "Exposition und Sensibilisierung gegenüber Umweltallergenen von überwiegend hispanischen Kindern mit Asthma in der Innenstadt von San Diego." Zeitschrift für Allergie und klinische Immunologie (August 1996):288-294.

Andere

"Elektrostatischer Niederschlag." Tin Works, Inc. 3. Juni 2001. .

"Filtermedien." Mac-Ausrüstung. 3. Juni 2001. .

"Kunststoff-Spritzguss." Gesellschaft für Industriedesigner in Amerika. 17. Juni 2001. .

Jeff Raines