อะไรทำให้เป็นไส้กรอง HEPA: ฟิสิกส์ มาตรฐาน และประสิทธิภาพจริง

ไส้กรองที่เกิดในยุคนิวเคลียร์

ไส้กรองอากาศอนุภาคประสิทธิภาพสูง (HEPA) พัฒนาขึ้นในทศวรรษ 1940 เมื่อโครงการนิวเคลียร์ของสหรัฐฯ ต้องการวิธีกันไม่ให้คนงานสูดอนุภาคกัมมันตรังสี และไม่ให้ห้องปฏิบัติการและโรงงานปล่อยออกสู่ภายนอก ไส้กรองรุ่นแรกเรียกว่า absolute filter ส่วนชื่อ HEPA เริ่มใช้กันทั่วไปในภายหลัง ประวัติการทำความสะอาดอากาศของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ บันทึกว่าเทคโนโลยีนี้เติบโตจากโครงการเหล่านั้นจนกลายเป็นอุตสาหกรรม [1]

แนวคิดเดิมยังกำหนดนิยามของสหรัฐฯ จนถึงวันนี้ ข้อกำหนดไส้กรอง HEPA ของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ กำหนดประสิทธิภาพขั้นต่ำ 99.97% สำหรับอนุภาค 0.3 µm และทดสอบไส้กรองทุกชิ้นแยกกันก่อนใช้งาน [2] สิ่งที่เริ่มจากการป้องกันฝุ่นกัมมันตรังสี ปัจจุบันเป็นหัวใจของห้องสะอาด ห้องผ่าตัด โรงงานยา ตู้ชีวนิรภัย และเครื่องฟอกอากาศ

ไม่ใช่ตะแกรง: เส้นใยดักอนุภาคอย่างไร

เป็นเรื่องธรรมดาที่จะนึกถึงไส้กรองเป็นตะแกรงที่มีรูเล็กกว่าอนุภาคที่ต้องการหยุด แต่ไส้กรอง HEPA ไม่ได้ทำงานแบบนั้น วัสดุกรองเป็นแผ่นใยแก้วขนาดจิ๋วที่เรียงตัวแบบสุ่ม เส้นใยจำนวนมากบางกว่าหนึ่งไมโครเมตร และช่องว่างระหว่างเส้นใยใหญ่กว่าอนุภาคที่ดักได้มาก อนุภาคถูกดักเพราะสัมผัสเส้นใยแล้วติดอยู่ด้วยแรงแวนเดอร์วาลส์ โดยมีสามทางหลักที่อนุภาคจะสัมผัสเส้นใย [3]

• การกระแทกด้วยความเฉื่อย: อนุภาคใหญ่และหนักไม่สามารถเลี้ยวตามอากาศที่อ้อมเส้นใย จึงพุ่งชนเส้นใยตรง ๆ ได้ผลดีที่สุดกับอนุภาคใหญ่กว่าประมาณ 1 µm
• การสกัดกั้น: อนุภาคไหลตามอากาศ แต่ผ่านใกล้เส้นใยมากจนขอบแตะเส้นใย ได้ผลดีที่สุดกับอนุภาคขนาดกลาง
• การแพร่: อนุภาคที่เล็กมากถูกโมเลกุลอากาศชนไปมา (การเคลื่อนที่แบบบราวน์) จึงเคลื่อนข้ามกระแสลมจนชนเส้นใย ได้ผลดีที่สุดกับอนุภาคเล็กกว่าประมาณ 0.1 µm และยิ่งดีเมื่อความเร็วลมต่ำ

อนุภาคที่หยุดยากที่สุด

แต่ละกลไกแข็งแรงที่ปลายด้านหนึ่งของช่วงขนาดและอ่อนที่อีกด้าน การกระแทกและการสกัดกั้นแรงขึ้นเมื่ออนุภาคใหญ่ขึ้น ส่วนการแพร่แรงขึ้นเมื่ออนุภาคเล็กลง ระหว่างนั้นมีขนาดที่ไส้กรองมีประสิทธิภาพต่ำที่สุด เรียกว่าขนาดอนุภาคที่ทะลุผ่านได้มากที่สุด (MPPS) สำหรับวัสดุกรองใยแก้ว HEPA มักอยู่ระหว่างประมาณ 0.1 ถึง 0.3 µm ขึ้นกับวัสดุกรองและความเร็วลม [3]

เรื่องนี้มีความหมายในทางปฏิบัติที่มักเข้าใจผิด ไส้กรองที่จัดระดับที่จุดอ่อนที่สุดจะมีประสิทธิภาพสูงกว่าสำหรับขนาดอื่นทั้งหมด ไส้กรอง HEPA ที่หยุดอนุภาค 0.3 µm ได้ 99.97% จะหยุดทั้งฝุ่นที่ใหญ่กว่าและอนุภาคที่เล็กกว่ามากได้ในสัดส่วนที่สูงกว่า รวมถึงอนุภาคขนาดเท่าไวรัสที่เล็กที่สุด ซึ่งการแพร่ดักได้ดีมาก

สองวิธีในการจัดระดับ HEPA

ระบบการจัดระดับหลักมีสองระบบ และไม่ใช่การทดสอบแบบเดียวกัน แนวทางของสหรัฐฯ ทั้งของกระทรวงพลังงานและแนวปฏิบัติที่แนะนำของ IEST ทดสอบที่ 0.3 µm คงที่ [2] มาตรฐานยุโรป EN 1822 และมาตรฐานสากล ISO 29463 ทดสอบที่ MPPS ของไส้กรองแต่ละชิ้น สแกนหารอยรั่วเฉพาะจุดทุกชิ้น และจัดเป็นคลาส [5][6] เนื่องจาก MPPS ดักยากกว่า 0.3 µm ตัวเลขทั้งสองจึงแปลงกันได้ไม่ตรงทีเดียว ข้อกำหนดที่ระบุคลาส EN 1822 ควรตอบด้วยรายงานผลทดสอบของคลาสนั้น

EN 1822 ยังกำหนด E10, U16 และ U17 ส่วน ISO 29463 ใช้ระบบคู่ขนาน โดย ISO 35 H เทียบเท่า H13 และ ISO 45 H เทียบเท่า H14

คิดเป็นการทะลุผ่าน ไม่ใช่ประสิทธิภาพ

ตัวเลขประสิทธิภาพที่ใกล้ 100% ซ่อนความแตกต่างที่มาก การดูการทะลุผ่าน คือสัดส่วนอนุภาคที่ผ่านไปได้ จะชัดเจนกว่ามาก ไส้กรอง H13 อาจปล่อยผ่านได้ถึง 50 อนุภาคจาก 100,000 ที่ MPPS ส่วน H14 ได้ถึง 5 การเปลี่ยนจาก H13 เป็น H14 จึงหมายถึงอนุภาคด้านปลายน้อยลงสิบเท่า แม้ตัวเลขประสิทธิภาพจะต่างกันแค่ทศนิยมตำแหน่งที่สาม

มุมมองเดียวกันอธิบายว่าทำไมขั้นนี้จึงมีต้นทุน การกักอนุภาคได้มากขึ้นต้องใช้วัสดุกรองที่แน่นกว่าหรือมากกว่า ซึ่งมักหมายถึงความดันตกคร่อมสูงขึ้นหรือไส้กรองที่ลึกขึ้น และพลังงานพัดลมที่มากขึ้น นี่คือเหตุผลที่ห้อง ISO 7 และ ISO 8 มักเลือก H13 ส่วน H14 เลือกใช้เมื่อคลาสของห้องหรือข้อกำหนดต้องการ

จากไส้กรองที่ดีสู่การติดตั้งที่ดี

ไส้กรองที่ผ่านการทดสอบจากโรงงานยังอาจล้มเหลวบนฝ้าได้ อากาศไหลไปทางที่ง่ายที่สุด และทางนั้นมักอ้อมรอบไส้กรองแทนที่จะผ่านเข้าไป เช่น ช่องในปะเก็น มุมที่เสียหาย หรือเฟรมที่ไม่แนบกับตู้ รอยรั่วส่วนใหญ่ที่พบตอนเริ่มเดินระบบอยู่ที่ปะเก็นและเฟรม ไม่ใช่ในวัสดุกรอง ISO 14644-3 จึงกำหนดการทดสอบรั่วหน้างาน โดยปล่อยละอองลอยด้านต้นน้ำแล้วสแกนหน้าด้านปลายน้ำทั้งหมดและปะเก็นด้วยหัววัด [4]

อีกสามสิ่งกำหนดว่าไส้กรอง HEPA ที่ติดตั้งแล้วจะทำงานได้ดีเพียงใดในระยะยาว ไส้กรองก่อนหน้าที่ดีช่วยไม่ให้วัสดุกรอง HEPA อุดตันเร็ว อัตราลมต้องอยู่ในช่วงพิกัด เพราะประสิทธิภาพต่ออนุภาคที่เล็กที่สุดลดลงเมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น และต้องดูแลไส้กรองอย่างระมัดระวัง คือแกะกล่องที่หน้างาน ตรวจสอบ ไม่สัมผัสวัสดุกรอง และติดตั้งทันที

หลักฐานจากห้องจริง

การทดสอบในห้องปฏิบัติการแสดงว่าไส้กรองทำอะไรได้ ส่วนการศึกษาภาคสนามแสดงว่ามันทำอะไรจริงในการใช้งาน ระหว่างการระบาดของโควิด-19 ทีมที่โรงพยาบาล Addenbrooke's ในเคมบริดจ์ ติดตั้งเครื่องกรองอากาศ HEPA แบบเคลื่อนที่พร้อมระบบฆ่าเชื้อด้วยรังสียูวีในหอผู้ป่วยโควิด-19 และหอผู้ป่วยวิกฤต แล้วเก็บตัวอย่างอากาศในสัปดาห์ที่ปิดเครื่อง เปิดเครื่อง และปิดอีกครั้ง ในหอผู้ป่วยตรวจพบ SARS-CoV-2 ในอากาศในสัปดาห์ที่ปิดเครื่อง แต่ไม่พบในสัปดาห์ที่เปิดเครื่อง และละอองชีวภาพอื่นทั้งแบคทีเรีย เชื้อรา และไวรัสก็ลดลงด้วย [7]

ผู้วิจัยระมัดระวังเรื่องข้อจำกัด การศึกษานี้มีขนาดเล็ก และวัดไวรัสในอากาศ ไม่ใช่จำนวนการติดเชื้อ นี่เป็นวิธีที่เหมาะในการอ่านหลักฐานส่วนใหญ่เกี่ยวกับการกรอง HEPA การกำจัดอนุภาคออกจากอากาศได้รับการพิสูจน์อย่างดีแล้ว ส่วนจะเปลี่ยนผลลัพธ์ได้มากเพียงใดขึ้นกับอัตราลม ห้อง และทุกอย่างที่เกิดขึ้นในห้อง

วิธีเขียนข้อกำหนดไส้กรอง HEPA

• ระบุคลาสและมาตรฐาน เช่น H14 ตาม EN 1822-1 หรือ 99.97% ที่ 0.3 µm หากข้อกำหนดของคุณใช้แนวทางสหรัฐฯ
• ขอรายงานผลทดสอบแยกสำหรับไส้กรองแต่ละชิ้น แสดงประสิทธิภาพและผลการสแกนรอยรั่ว
• ระบุอัตราลมต่อไส้กรองและความดันตกคร่อมเริ่มต้นสูงสุดที่ยอมรับได้
• เลือกโครงสร้างตามการใช้งาน: แผงจีบละเอียดสำหรับฝ้าและ FFU ตัววีหรือแบบกล่องสำหรับอัตราลมสูง แบบมีแผ่นกั้นสำหรับงานหนักหรืออุณหภูมิสูง
• กำหนดวัสดุเฟรมและการซีล (ปะเก็นหรือเจล) ให้เข้ากับตู้หรือโครงฝ้า
• วางแผนการทดสอบรั่วหน้างานกับผู้ติดตั้งก่อนไส้กรองมาถึง

สิ่งที่ไส้กรอง HEPA ทำไม่ได้

ไส้กรอง HEPA กำจัดอนุภาค ไม่กำจัดก๊าซ กลิ่น ไอตัวทำละลาย แอมโมเนีย หรือก๊าซกรดจะผ่านไปได้ เพราะโมเลกุลเล็กกว่าอนุภาคมากและไม่ติดกับใยแก้ว หากก๊าซเป็นปัญหา ต้องใช้ไส้กรองเคมีที่มีถ่านกัมมันต์หรือวัสดุกรองชุบสารร่วมกับขั้น HEPA และไส้กรอง HEPA ชดเชยรูปแบบการไหลของอากาศที่ไม่ดีไม่ได้ อากาศสะอาดที่ส่งไปผิดที่ หรือถูกประตูหรือแหล่งความร้อนพัดเลี่ยงจุดทำงาน ไม่ได้ปกป้องอะไรเลย