Вдох-выдох

О необходимости очищать воздух массово заговорили с индустриализацией. Раньше с этой задачей справлялись и подручные средства – ткани, плотные сетки. В Индии, например, в теплый сезон над дверью устанавливали емкость, которая медленно заполнялась водой. Вода поступала за счет капиллярного эффекта от кокосовой пальмы, обвивавшей каркас входа. Когда уровень воды достигал определенной границы, сосуд опрокидывался, и вода проливалась на дверь, освежая воздух в помещении. Такой цикл мог повторяться на протяжении долгого времени, пока пальма благополучно росла.

Только в XIX веке за воздух взялись всерьез. Первые воздухоочистители были портативные, и их нужно было надевать на себя. Одним из таких стало придуманное в 1830 году Чарльзом Дином устройство, состоящее из медного шлема и прикрепленного к нему воротника и герметичной одежды. К задней стороне шлема цепляли шланг для подачи воздуха. Выдох осуществлялся через короткую трубу спереди. В общем, приятного и удобного мало. Но для тех времен «сойдет». Позже, через 30 лет, ученый Джон Стенхаус зарегистрировал устройство, очищающее воздух с помощью впитывающих свойств древесного угля. Грубо говоря, это были первые респираторы. Их усовершенствовали в 70-х годах, а пользовались ими, в основном, пожарные, чтобы не вдыхать ядовитые газы и частицы.

Маска Джона Стенхауса, commons.wikimedia.org

В 1897 году помощник аптекаря Морис Берже создал первую лампу каталитического горения. Ее предлагалось применять в госпиталях и больницах для очистки и ароматизации воздуха. Лампа представляла собой стеклянный сосуд, куда заливали спиртовой раствор. Внутри была каталитическая горелка из фитиля и керамической горловины. В качестве жидкого горючего в лампе использовали изопропиловый спирт. Сейчас лампа Берже непопулярна в медицине, но прибор популярен в домах и офисах как ароматизатор.

И только в начале XX века случился большой прорыв, когда в США в 30-е годы появились первые HEPA-фильтры (High Efficiency Particulate Air, или фильтр высокоэффективного удержания частиц). Изначальная причина – очистка воздуха от радиоактивных частиц на предприятиях ядерной промышленности. Сейчас же они применяются везде: от пылесосов и вентиляции до домашних систем очистки воздуха.

Смысл очистителя воздуха становится понятен из его названия. Городской воздух, мягко говоря, не самый полезный. И чтобы не подвергаться влиянию вредных частиц в его составе (выхлопные газы, пыль, вирусные частицы, выхлопы от предприятий промышленности и так далее), можно приобрести воздухоочиститель. Они бывают самые разные, но задача всех видов – сделать так, чтобы нам легче дышалось.

Механическая очистка

Для механической очистки применяют классические в нашем понимании фильтры, предназначенные для частиц разного размера. Обычно это три слоя: первый, похожий на мелкую сетку, второй – HEPA-фильтр и третий – угольный. Первый «ловит» очень крупные загрязнители: волосы, хлопья пыли и все, что можно увидеть невооруженным взглядом. HEPA-фильтр эффективно задерживает частицы от 0,3 микрон и больше. Технически он представляет собой хаотично переплетающиеся волокна толщиной от 0,5 до 50 микрон. Некоторые крупные частицы просто застревают в ячейке фильтра, как рыба в сети, а другие, самые мелкие, скапливаются в кучки благодаря эффекту адгезии. Вы могли замечать, что тополиный пух или пыль собираются в одном месте. Это, конечно, не пример адгезии, но ее следствие выглядит так же: частицы, соприкасаясь друг с другом, объединяются в скопления, которые тоже не могут проскочить через ячейки фильтра. Для самых-самых мелких частиц предназначен третий фильтр из активированного угля. Он имеет очень пористую структуру и большую площадь поверхности, которая этими порами образуется. Нежелательные частицы запаха или табачного дыма не проходят этот фильтр благодаря адсорбции, в ходе которой они прилипают к внешним стенкам угля. (Не стоит путать с абсорбцией, когда вещество оказывается внутри конструкции другого вещества, как вода в губке.)

Цена вопроса: стоимость очистителей с тройкой механических фильтров начинается в среднем от 5 тыс. рублей. Цена растет в зависимости от бренда, качества сборки и используемых материалов. Хороший очиститель обойдется примерно в 20 тыс. рублей.

Фотокаталитическая очистка

Фотокаталитическая очистка воздуха работает совершенно по-другому. Такие устройства не ловят вредные частицы, а трансформируют их. Настоящая школа волшебства в коробке с вентилятором. Главными волшебниками трудятся ультрафиолет и диоксид титана. Под воздействием ультрафиолета диоксид титана высвобождает со своей поверхности свободные электроны с отрицательным зарядом. Они, в свою очередь, взаимодействуют с молекулами воды в воздухе, расщепляя их на гидроксильные радикалы, которые представляют собой высокореактивные, недолговечные, незаряженные формы гидроксид-ионов. Эти радикалы затем атакуют более крупные молекулы загрязнителей, разрывая их химические связи и превращая в безвредные вещества, например, в углекислый газ и воду. В этом принципиальное отличие фотокатализатора от классических механических фильтров: вместо того чтобы складировать пойманные частицы внутри себя или на поверхности, устройство превращает их в другие.

Но в этом и состоит слабое место катализатора: он не может служить вечно, и со временем его эффективность будет уменьшаться. Вдобавок ко всему он производит небольшое количество озона, который при долгосрочном воздействии может навредить здоровью, стать причиной астмы или других заболеваний дыхательных путей. В статье химиков Армина Висталера и Чарльза Весклера (Armin Wisthaler and Charles J. Weschler) упоминается, что озон – нестабильный газ, и через короткое время он разлагается на кислород, которым мы дышим (О₂), и атомарный кислород (О), который является мощнейшим окислителем и вступает в реакцию практически со всем вокруг. Он образует летучие соединения, которые и становятся причиной заболеваний. В России предельно допустимая концентрация озона в воздухе рабочей зоны составляет 0,1 мг на кубический метр.

Фотокаталитические фильтры сами по себе пока точно не являются самодостаточными. Так как рабочая площадь катализатора довольно мала (в домашнем очистителе вряд ли поместится что-то больше 0,5 м²), эффективность по очистке трудно назвать внушительной. Тем не менее, он способен уничтожать бактерии и даже вирусы. Срок жизни его рабочей детали пока достигает около полугода, а замена стоит не меньше 3 тыс. рублей, если вообще удастся ее найти.

Цена вопроса: стоимость очистителя с фотокатализатором, в котором есть и механические фильтры, начинается от 20 тыс. рублей. Однако можно найти только фотокаталитический фильтр для автомобиля стоимостью 5 тыс. рублей.

Ионизация воздуха

Ионизатор сам по себе не чистит воздух, как механические фильтры, которые собирают частицы в одном месте, или фотокатализаторы, которые занимаются превращением брюк в шорты. Если совсем коротко, ионизатор помогает пыли найти свое место, где вы будете ее поджидать со шваброй. Он заряжает сами частицы пыли негативным зарядом благодаря двум электродам, расположенным внутри устройства. Дальше есть два варианта развития: в одном случае ионизированные частицы оседают на положительно заряженной пластине, и ее надо периодически чистить, либо отрицательно заряженные частицы вылетают вместе с потоком воздуха из очистителя и сцепляются с положительно заряженными частицами в помещении и просто оседают на поверхность, которую потом тоже необходимо протереть или пропылесосить.

Главный недостаток ионизаторов – они тоже производят озон, который мы обсуждали выше. Чем хуже спроектирован ионизатор, тем больше озона он излучает. К сожалению, стандартов по производству домашних ионизаторов нет, и выяснить его потенциальную безопасность можно только экспериментально. Поэтому рекомендуется пользоваться им ограниченное количество времени: включить, подождать, протереть и пропылесосить помещение, выключить.

Цена вопроса: стоимость отдельного ионизатора начинается от 3 тыс. рублей.

Мойка воздуха

Само название намекает, что без воды тут не обойтись. Принцип работы моек основывается на том, что воздух пропускается через паровую завесу. Частицы намокают и падают в поддон с водой. На самом деле главная задача моек – увлажнение воздуха, пар все-таки не является надежным фильтром. Но какую-то часть загрязнителей он улавливает, например крупную пыль и пыльцу. Главным недостатком считается сам принцип работы – поддон надо регулярно, практически ежедневно мыть, иначе вода будет источать неприятный запах. Проверено на личном опыте.

Цена вопроса: стоимость моек воздуха находится в районе 10 тыс. рублей.

Инерционная очистка

Если вы бывали рядом с лесопилками или деревообрабатывающими цехами, то наверное замечали странное сооружение, которое выглядит как воронка, направленная узкой частью вниз. Это тоже фильтр, но работает по-другому. Воронка имеет один вход для грязного воздуха (сверху сбоку в широкой части), выход для посторонних частиц (внизу в узкой части по центру), а сверху по центру широкой части устанавливается выхлопная труба для чистого воздуха. Грязный воздух с помощью компрессора поступает в воронку и закручивается на очень большой скорости, образуя в каком-то роде циклон, благодаря чему эти фильтры и получили название. Скорость вращения внутри высокая, и частицы тяжелее воздуха приобретают очень большую инерцию, ударяясь о стенки. И когда поток воздуха закручивается снизу, то частицы по инерции падают вниз, а чистый воздух выходит из выхлопной трубы сверху. Эффективность циклона определяется отношением его высоты к ширине. Оптимальным является 1,6, это число еще называют «золотым сечением». Степень очистки может колебаться от 83 % для частиц диаметром 5 микрон до 99,5 % для частиц диаметром 20 микрон. Такие фильтры ставят на предприятиях, КаМАЗах и даже в домашних пылесосах. У них нет сменных частей, как в фильтрах механической очистки, но они чаще всего отличаются большими размерами и подвержены износу с внутренней части воронки из-за огромного трения, которое создается крупными частицами на большой скорости. Из-за этого стенки со временем становятся неровными, что снижает эффективность фильтрации.

Воздушный фильтр КАМАЗа, carnovato.ru

Как и у любого устройства, у очистителя есть свои ограничения. Сам по себе он отвечает только за то, чтобы в воздухе не было вредных веществ. Если вы держите окно на улицу постоянно открытым, то справляться со своими обязанностями он будет на грани возможностей. Результат можно получить, если очиститель есть в каждом помещении, – одно устройство не сможет справиться со всей квартирой за раз. Ну и не стоит забывать о том, что чистота воздуха – это лишь один из признаков хорошего климата внутри квартиры, необходимо также следить за температурой и влажностью. А для этого придумали другие устройства.