Filtry třídy HEPA a ULPA s ohledem na ochranu před virovým onemocněním

Úvod

Současná světová situace vyvolaná pandemií COVID-19 upoutala blíže pozornost veřejnosti na možnosti filtrace virových částic a jejich nosičů pomocí filtrů pro záchyt pevných a kapalných aerosolů. Mimo široce dostupné zdroje, které popisují základy použití filtrů se objevují i související zajímavosti, anebo naopak také zavádějící články. Považujeme proto za vhodné shrnout zde pár základních pojmů, jako návrh k orientaci v této problematice, především pro technickou veřejnost a profesionály v oboru klimatizační a ventilační techniky.

V historii bylo zkoušeno mnoho způsobů filtrací, druhů látek a materiálů k odstraňování částic prachu a aerosolů¹ ze vzduchu. Již z doby starého Říma byly známy bavlněné roušky chránící dýchací cesty lidí před prachem. Později bylo zjištěno v medicíně, že velmi malé částice prachu a aerosolů slouží také jako nosiče pro přenos mikroorganismů vzduchem obecně (platí také pro bakterie a viry). Tyto organismy následně ovlivňují zdraví člověka – za běžné situace kontaminují organismus dýchacími cestami, při operačních výkonech přes operační ránu apod.

V průběhu let se pro odlučování prachů a aerosolů ze vzduchu vyvinula celá řada způsobů². Naše pozornost se v tomto článku upírá na způsob odlučování částic ve vláknité vrstvě, složené z filtračních vláken. Podle velikosti a také principů, které se uplatní při takovém odlučování, rozdělují mezinárodní standardy následující skupiny filtrů³:

1. Standardní filtry
   
   • hrubozrnné, dříve značené G1–G4, částice > 10 μm
   • jemnozrnné, dříve označené F5–F9, částice > 1 μm
2. Filtry s vysokou účinností, pro záchyt velmi jemných prachů a aerosolů, tj. pro částice < 1 μm
   
   • HEPA (High Efficiency Particulate Air filter), také značené H10–H14,
   • ULPA (Ultra Low Penetration Air filter), také značené U15–U17

Kapénková infekce je přenos respiračních patogenů na malých kapalných částečkách – vzduchem, z infikovaného na zdravého člověka. Kapénky jsou produkovány nejen během kýchání a kašlání, ale i během běžné řeči. [7] Budeme se proto zabývat mechanismem odlučování a strukturou u filtrů HEPA/ULPA, určených právě pro záchyt jemných částic aerosolů.

Filtry HEPA a ULPA – struktura, skladba, použití

Obrázek 1: Vláknitá struktura HEPA filtru (svrchní vrstva) použitého pro dlouhodobou ochranu uzavřeného prostoru [1]

Z hlediska použitých materiálů byla vyvíjena a zkoušena u těchto filtrů celá řada filtračních materiálů pro zachycení částic různých velikostí, z nichž se pro záchyt velmi malých částic dnes nejvíce používají vláknité filtrační materiály viz Obr. 1

Přitom bylo zjištěno, že tyto filtry nepůsobí jako „síto“ a částice s průměrem 0,15–0,5 μm mnohem silněji pronikají tímto filtrem, než částice menší (< 0,15 μm) a částice větší (> 0,5 μm), viz Obr. 2.

Tyto filtry jsou vyvíjeny a testovány na ten rozměr částic, který zachytávají nejhůře, tj. u nichž dochází k největšímu průniku. A nejhůře zachytávají částice o velikosti cca 0,15 až 0,5 um. Přičemž ale HEPA filtr dosahuje u takovýchto částic záchytu 99,97 %, resp. ULPA filtr pak dosahuje záchytu až 99,997 %. Přesnější rozdělení a vyčíslení přípustné lokální netěsnosti detailněji je uvedeno např. v [4]. Odtud také vyplývá možná oblast použití vysoce účinných filtrů.

Tabulka 2: Oblasti použití filtrů H11 až H13, vybráno z [4]

Celkový efekt zachycování částic HEPA/ULPA filtrů

Obrázek 2: Odlučivost podle velikosti částice [1]

Obrázek 3: Odlučovací mechanismy na vláknité struktuře [1]

Jak jsme již uvedli nahoře, u vláknitých filtrů je důležité vzít v úvahu všechny fyzikální principy záchytu (odloučení) částic. Vezměme v úvahu Obrázek 2, graf závislost celkové odlučivosti (uvedeno v %) na průměru částic (uvedeno v μm) [1].

Celková (Total) účinnost je u HEPA a UPLA filtrů složena ze čtyř mechanismů:

• Setrvačný (inertial Impaction), platný pro částice (> 1 μm) a větší, kdy při obtékání vláken a při určité vzdálenosti od nich opouští částice dráhu unášecího media (vzduch) a setrvačností naráží na povrch vláken a zastavuje se, ulpí kombinací sil (Van der Waalsovy síly, elektrostatické a kapilární).
• Intercepční (Interception) se navíc projevuje při vazkém obtékání vlákna s uvažováním vlivu sousedních vláken.
• Difusní efekt (Diffusion) – kdy velmi malé částice (< 0,3 μm) se pohybují v mediu (vzduch) ovlivněny Brownovým pohybem, vychylují se nárazem na molekuly vzduchu a zůstávají v prostoru filtru. Pravděpodobnost tohoto efektu roste s klesající velikostí částic.
• Sítový efekt, dominuje pro relativně veliké částice, především na svrchních vrstvách filtru (viz také Obrázek 1).

Rozborem použitých HEPA filtrů z ISS⁴ pod elektronovým mikroskopem, zjistili specialisté v laboratořích NASA, že první vrstva je celá pokrytá zbytky bakterií a pevných částic [1]. Vnitřní struktura filtru je plná zachycených menších částic.

Materiály pro výrobu těchto filtrů (HEPA, ULPA) jsou tvořeny svazky vláken (umělohmotných z polyesteru a polyethylenu, nebo skleněných) s velkým podílem dutin.

Pro vyšší stupně filtrace se požívá směsi skleněných vláken v širokém spektru průměrů, které se speciálními postupy zpracovávají na neorientované rouno (ve kterém jsou vlákna třídimenzionálně neuspořádaně zapracována). Následně je toto rouno speciálními postupy mechanicky, termicky a chemicky opracované a zpevněné.

Někdy se mluví u těchto filtrů také jako o filtrech akumulačních (pojímají velké množství částic), hloubkových filtrech anebo také vláknových filtrech. Na odlučivost pevných částic má obecně vliv výška filtračního média. Velikost tohoto média se určuje v palcích, u nás v milimetrech. Efektivní filtrační plocha tedy dosahuje i 40násobku čelního průřezu.

Pro přehled nabízíme Tabulku 3 se srovnáním nejdůležitějších strukturálních parametrů u standardních jemných filtrů a u filtrů HEPA/ULPA.

Standardní podmínky při provozování HEPA a ULPA filtrů

Charakteristika, frakční odlučivost, diferenční tlak, akumulační schopnost a doba mezi výměnami filtru jsou mezi sebou úzce provázány. Počáteční tlak ztráta u těchto filtrů bývá 80 až 250 Pa. Specifická konečná tlaková ztráta je dle výrobce (např. kolem 450 Pa), ale je podstatně vyšší než tlaková ztráta zaneseného standardního hrubého či jemného filtru. Proto nelze snadno nahradit např. jemný filtr ve vzduchotechnické jednotce novým filtrem HEPA.

Vysoce účinné HEPA a ULPA filtry jsou akumulační (absorbují partikulární částice) a nejsou proto určeny k regeneraci, nýbrž musejí být ekologicky likvidovány. Filtry jsou řazeny do kategorie nebezpečného odpadu a jako s takovými se s nimi musí zacházet – likvidaci musí provádět k tomu určená firma s patřičnými oprávněními.

Mezi faktory ovlivňujícími dobu výměny filtru patří vzdušná vlhkost a teplota. Stav proudícího vzduchu má významný vliv na mikrobiologický nárust na filtru, a tím ovlivňuje možnost průniku bakterií. Aby se z filtru následně nestal emitátor mikroorganismů, je nutné zvážit provozní podmínky a kvalitní a pravidelný servis.

Diskuse – závěr

V období zvýšené pozornosti a hygienických požadavků ve vztahu k virovým nákazám je dobré zvažovat možná opatření. Využití HEPA filtrů má své důvody a zavedenou praxi. Jejich instalace dává smysl ve vícestupňovém filtračním uspořádání, v odůvodněných případech. Dle názoru autorů nelze doporučit i v dnešní době pro běžného uživatele nic „lepšího“ než pobyt na čerstvém vzduchu.

Pokud však dojde na další hygienická opatření a s tím přijdou dotazy uživatelů a provozovatelů budov, můžeme říct, že využití filtrace s instalovanými HEPA filtry (HEPA filtrace) je jedním z bezproblémových a funkčních řešení, a to nejen v budovách zdravotnického charakteru. Přenosu infekcí (konkrétně SARS-CoV-2) se takto ve svém informačním dokumentu [4] z dubna 2020 věnuje americká oborová asociace ASHRAE⁵. Uvádí se zde, že přenos virové infekce vzduchem je dostatečně pravděpodobný. A tedy stojí za to expozici člověka vůči virovým částicím řídit, tj. aktivně ji snižovat.

Dokument uvádí řadu efektivních způsobů, které se navzájem mohou doplňovat. Nabízí se zde změna v provozování budovy, resp. změna v nastavení⁶ nebo změna provedení HVAC systému budovy. Za účinnou strategii je jmenována: vysoce účinná filtrace v místnostech s větším množstvím lidí nebo se zvýšeným rizikem přenosu infekce; změna teploty a vlhkosti; instalace lokálního odsávání; úpravy v proudění vzduchu; nebo instalace lokální HEPA filtrace.

Použitá literatura

1. Perry J. L., Agui J. H., Vijayakumar R., Submicron and Nanoparticulate Matter Removal by HEPA-Rated Media Filters and Packed Beds of Granular Materials, NASA STI, Alabama, May 2016, NASA/TM—2016–218224
2. Gail L., Hortig H-P., VDI Buch: Reinraumtechnik, Springer-Verlag, Berlin, 2002, ISBN 978-3-642-19435-1
3. ČSN EN ISO 16890 – 1, 2, 3, 4, UNMZ 2019
4. Hemerka J., Filtrace atmosférického vzduchu I, II, III, TZB-info online
   https://vetrani.tzb-info.cz/vzduchotechnicka-zarizeni/5815-filtrace-atmosferickeho-vzduchu-i, cit. 2020-06
5. Board of Directors, ASHRAE Position Document on Infectious Aerosols, Atlanta, April 2020
6. Wikipedia, Aerosol, online https://cs.wikipedia.org/wiki/Aerosol, cit. 2020-06
7. Wikipedia, Kapénková infekce, online https://cs.wikipedia.org/wiki/Kap%C3%A9nkov%C3%A1_infekce, cit. 2020-06

Poznámky

¹ Aerosol je heterogenní směs malých pevných nebo kapalných částic v plynu. První případ se také označuje jako dým, druhý jako mlha. Rozptýlené částice mají velikost od 10 nm do 10 μm, což odpovídá shlukům několika molekul až částicím tak hmotným, že už nemohou snadno poletovat v atmosféře. [6] ... Zpět

² Tím myslíme filtraci na vláknitém materiálu, elektrostatické odlučování, gravitační odlučování atd., nevyjímaje sorpční filtraci. ... Zpět

³ Nová série norem ČSN EN ISO 16890 – 1, 2, 3, 4 založená na účinnosti odlučování částic podle velikosti (ePM_x) zavádí rozlišení podle účinnosti odloučení částic ePM₁₀, ePM_2,5, ePM₁ – blíže viz [3]. ... Zpět

⁴ ISS – International Space Station, Mezinárodní vesmírná stanice ... Zpět

⁵ American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers ... Zpět

⁶ A takto také řada provozovatelů reagovala např. odstavením některých rekuperátorů; nastavením podtlaku v určitých provozních prostorech apod. ... Zpět