HEPA

HEPA (от англ. High-Efficiency Particulate Air) — класс высокоэффективных воздушных фильтров, способных задерживать не менее 99,95 % (для класса H13) или 99,995 % (для класса H14) взвешенных в воздухе частиц размером от 0,1 до 0,3 мкм. Фильтры HEPA широко применяются в системах вентиляции, очистителях воздуха, пылесосах, медицинском оборудовании и промышленности для обеспечения чистоты воздуха в помещениях с повышенными требованиями к стерильности.

История

Разработка высокоэффективных фильтров началась в 1940-х годах в США в рамках Манхэттенского проекта. Учёные и инженеры столкнулись с необходимостью защиты персонала и окружающей среды от радиоактивных аэрозолей, образующихся при работе с плутонием и ураном. Первые образцы фильтров, способных улавливать частицы субмикронного размера, были созданы в 1942 году в Национальной лаборатории Лос-Аламоса.

В 1950-х годах технология была адаптирована для гражданских нужд, в первую очередь для больниц и фармацевтических производств. В 1961 году в Великобритании был разработан стандарт BS 3928, впервые установивший классификацию фильтров по эффективности. В 1968 году в США появился стандарт US Mil-Std-282, заложивший основы современных методов испытаний.

Массовое распространение HEPA-фильтры получили в 1980-х годах с развитием бытовых очистителей воздуха и пылесосов. В 2000-х годах стандарты были гармонизированы в международном масштабе: в 2009 году принят европейский стандарт EN 1822, а в 2011 году — российский ГОСТ Р ЕН 1822-1-2010.

Классификация

Согласно действующему европейскому стандарту EN 1822:2009, фильтры HEPA делятся на два основных класса:

Класс H (HEPA)

• H13 — эффективность не менее 99,95 % (для частиц MPPS)
• H14 — эффективность не менее 99,995 % (для частиц MPPS)

Класс U (ULPA — Ultra Low Penetration Air)

• U15 — эффективность не менее 99,9995 %
• U16 — эффективность не менее 99,99995 %
• U17 — эффективность не менее 99,999995 %

MPPS (Most Penetrating Particle Size) — размер частиц, при котором фильтр показывает наименьшую эффективность. Для HEPA-фильтров MPPS обычно находится в диапазоне 0,1–0,3 мкм.

В России классификация регламентируется ГОСТ Р ЕН 1822-1-2010, который полностью соответствует европейскому стандарту. В США действует стандарт ANSI/ASHRAE 52.2, где классы HEPA обозначаются как MERV 17–20.

Устройство и принцип действия

Конструкция

HEPA-фильтр представляет собой складчатую структуру из волокнистого материала, помещённую в жёсткую рамку. Основные элементы:

• Фильтрующий материал — стекловолокно диаметром 0,5–2,0 мкм, уложенное в виде нетканого полотна. Волокна располагаются хаотично, создавая лабиринт из множества каналов.
• Сепараторы — гофрированные алюминиевые или бумажные ленты, разделяющие складки фильтрующего материала для обеспечения равномерного потока воздуха.
• Рамка — изготавливается из оцинкованной стали, алюминия или пластика. Герметизируется полиуретановым или силиконовым уплотнителем.

Механизмы фильтрации

Улавливание частиц происходит за счёт четырёх основных механизмов:

1. Эффект зацепления (инерционное осаждение) — частицы размером более 1 мкм, двигаясь по инерции, не успевают огибать волокно и сталкиваются с ним.
2. Диффузия — частицы размером менее 0,1 мкм совершают броуновское движение, что увеличивает вероятность их контакта с волокном.
3. Перехват — частица, проходящая рядом с волокном, касается его и задерживается.
4. Электростатическое притяжение — некоторые фильтры содержат волокна с электростатическим зарядом, притягивающим противоположно заряженные частицы.

Наиболее трудноулавливаемыми являются частицы размером около 0,1–0,3 мкм, так как для них механизмы инерции и диффузии действуют наименее эффективно.

Характеристики

Эффективность

Эффективность HEPA-фильтра определяется как процент частиц, задержанных фильтром, от общего количества частиц, поступающих на него. Для класса H13 этот показатель составляет не менее 99,95 %, для H14 — не менее 99,995 %.

Сопротивление воздушному потоку

Начальное сопротивление фильтра (при чистом фильтрующем материале) обычно составляет 150–250 Па. По мере загрязнения сопротивление возрастает, что приводит к снижению производительности системы вентиляции. Максимально допустимое сопротивление для большинства HEPA-фильтров — 400–600 Па.

Пылеёмкость

Количество пыли, которое может удержать фильтр до достижения предельного сопротивления. Для HEPA-фильтров пылеёмкость составляет от 200 до 1000 г/м² в зависимости от конструкции и условий эксплуатации.

Срок службы

В системах вентиляции HEPA-фильтры требуют замены каждые 6–12 месяцев при нормальной запылённости воздуха. В условиях высокой запылённости (промышленные предприятия, стройки) срок службы может сокращаться до 1–3 месяцев. В бытовых очистителях воздуха при регулярной эксплуатации фильтр служит 1–2 года.

Применение

Медицина

HEPA-фильтры являются обязательным элементом систем вентиляции в операционных, палатах интенсивной терапии, родильных отделениях и лабораториях. В России требования к очистке воздуха в медицинских учреждениях регламентируются СанПиН 2.1.3.2630-10. Фильтры класса H13 и H14 устанавливаются в:

• Операционные блоки — для предотвращения инфицирования ран
• Палаты для иммунокомпрометированных пациентов — защита от грибковых и бактериальных инфекций
• Микробиологические лаборатории — для предотвращения утечки опасных микроорганизмов

Фармацевтическая промышленность

Производство стерильных лекарственных средств (инъекционных растворов, глазных капель, вакцин) требует чистоты воздуха класса ISO 5 (класс A по GMP). HEPA-фильтры устанавливаются в ламинарных шкафах, чистых помещениях и системах подачи воздуха.

Пищевая промышленность

На предприятиях по производству детского питания, молочных продуктов, напитков и кондитерских изделий HEPA-фильтры используются для предотвращения микробного загрязнения продукции.

Электронная промышленность

Производство микрочипов, полупроводников, жёстких дисков и оптических приборов требует чистоты воздуха класса ISO 3–5. HEPA-фильтры задерживают частицы, способные вызвать короткое замыкание или дефекты на поверхности микросхем.

Бытовое использование

В бытовых очистителях воздуха, пылесосах и кондиционерах HEPA-фильтры применяются для удаления пыли, пыльцы, спор плесени, шерсти животных и табачного дыма. В России популярны модели с HEPA-фильтрами от производителей Xiaomi, Philips, Dyson, Tefal и других.

Атомная промышленность

На атомных электростанциях и предприятиях по переработке ядерного топлива HEPA-фильтры устанавливаются в системах вентиляции для улавливания радиоактивных аэрозолей. Требования к таким фильтрам регулируются ГОСТ Р 54436-2011.

Критика и ограничения

Неэффективность против газов и запахов

HEPA-фильтры не задерживают газообразные загрязнители: формальдегид, бензол, аммиак, оксиды азота, табачный дым в газовой фазе. Для удаления газов требуются дополнительные угольные или каталитические фильтры.

Риск вторичного загрязнения

При неправильной эксплуатации (несвоевременная замена) на поверхности фильтра могут размножаться бактерии и грибки, которые затем выбрасываются в воздух. Некоторые производители обрабатывают фильтрующий материал антибактериальными составами.

Высокое сопротивление воздушному потоку

HEPA-фильтры создают значительное сопротивление, что требует использования мощных вентиляторов и увеличивает энергопотребление. В системах вентиляции зданий это может приводить к дополнительным эксплуатационным расходам.

Ограниченный срок службы

В условиях высокой запылённости HEPA-фильтры быстро забиваются и требуют замены, что увеличивает эксплуатационные затраты. Некоторые модели допускают частичную очистку пылесосом, но это снижает эффективность.

Интересные факты

• Первый HEPA-фильтр был создан для улавливания радиоактивной пыли при производстве атомной бомбы.
• В 2019 году компания Dyson выпустила пылесос с HEPA-фильтром, способным задерживать частицы размером до 0,3 мкм с эффективностью 99,99 %.
• В операционных HEPA-фильтры устанавливаются в комбинации с ламинарным потоком воздуха, который движется сверху вниз со скоростью 0,3–0,5 м/с, создавая стерильную зону вокруг операционного стола.
• В России производство HEPA-фильтров осуществляется на предприятиях «Экофильтр» (Москва), «НПО Фильтр» (Санкт-Петербург) и «Технофильтр» (Екатеринбург).

Источники

• ГОСТ Р ЕН 1822-1-2010 «Фильтры очистки воздуха высокоэффективные (HEPA и ULPA)»
• EN 1822:2009 «High efficiency air filters (EPA, HEPA and ULPA)»
• СанПиН 2.1.3.2630-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к организациям, осуществляющим медицинскую деятельность»
• ГОСТ Р 54436-2011 «Фильтры очистки воздуха для атомных станций»
• ANSI/ASHRAE Standard 52.2-2017 «Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size»
• Hinds W.C. «Aerosol Technology: Properties, Behavior, and Measurement of Airborne Particles» — 2nd ed., Wiley, 1999