Jak działa oczyszczacz powietrza i co się dzieje z brudem w filtrze

Oczyszczacz powietrza wciąga powietrze wentylatorem i przepuszcza je przez filtr HEPA, który zatrzymuje cząstki trzema mechanizmami: bezwładnością (duże cząstki uderzają we włókna), przechwyceniem (średnie przylegają do włókien) i dyfuzją (najmniejsze docierają do włókien przez chaotyczny ruch Browna). Filtr H13 zatrzymuje co najmniej 99,95% cząstek nawet w najtrudniejszym rozmiarze 0,1-0,3 µm, zgodnie z normą EN 1822. Zatrzymane cząstki gromadzą się wewnątrz jako dendryty i ciasto filtracyjne, stopniowo zwiększając opór powietrza i obniżając CADR - dlatego filtr trzeba wymieniać co 6-12 miesięcy, a nie myć. Spośród 102 modeli w naszym rankingu 39 deklaruje klasę H13, a kolejnych 35 pisze samo HEPA bez podanej klasy.

Jak działa oczyszczacz powietrza? Wentylator wciąga powietrze z pokoju, przepuszcza je przez filtr zatrzymujący zanieczyszczenia i oddaje z powrotem. Żadnej chemii, żadnego promieniowania - czysto mechaniczny proces. Ale to, co dzieje się z cząstką pyłu wewnątrz filtra, jest ciekawsze, niż sugeruje prostota całego urządzenia.

Wentylator, filtr i nic więcej

Konstrukcja sprowadza się do trzech elementów: obudowy z wlotem i wylotem powietrza, wentylatora i zestawu filtrów. Wentylator tworzy podciśnienie po jednej stronie filtra, wymuszając przepływ powietrza przez włókninę. Czyste powietrze wraca do pokoju z drugiej strony.

Większość urządzeń ma co najmniej dwa stopnie filtracji. Filtr wstępny - siatka lub pianka - łapie największe cząstki: sierść zwierząt, kłaczki tkanin, duże pyłki. Za nim stoi filtr główny, najczęściej HEPA, który odpowiada za drobne frakcje. Niektóre modele mają też warstwę węgla aktywnego do pochłaniania gazów i zapachów.

W naszej bazie 102 oczyszczaczy CADR - objętość czystego powietrza dostarczanego na godzinę - sięga od 78 do 720 m³/h. Mały model z CADR 78 m³/h poradzi sobie z pokojem kilkunastometrowym. Ten z 720 m³/h obsłuży otwartą przestrzeń ponad 100 m².

Jak działa oczyszczacz powietrza z filtrem HEPA

Filtr HEPA to nie sito z dziurkami o określonej wielkości. Gdyby nim był, przepuszczałby wszystko mniejsze od rozmiaru otworu. Tymczasem wychwytuje cząstki wielokrotnie mniejsze od odległości między włóknami. Robi to dzięki trzem odrębnym mechanizmom fizycznym, z których każdy najlepiej działa w innym zakresie rozmiarów.

Bezwładność (impakcja). Duże cząstki - pyłki roślin, zarodniki pleśni, widoczny pył - mają wystarczającą masę, żeby nie podążyć za strumieniem powietrza, gdy ten zakręca wokół włókna filtra. Lecą prosto i uderzają we włókno. Im większa cząstka i im szybszy przepływ, tym skuteczniej.

Przechwycenie (intercepcja). Cząstki średniej wielkości podążają za strumieniem powietrza, ale przechodzą tak blisko włókna, że dotykają go swoją krawędzią i przylegają. Nie muszą uderzać - wystarczy, że miną włókno w odległości mniejszej niż ich promień.

Dyfuzja. Najmniejsze cząstki, poniżej 0,1 mikrona, poruszają się chaotycznie, popychane zderzeniami z cząsteczkami gazu. Fizyka nazywa to ruchem Browna. Przypadkowe zmiany kierunku zwiększają prawdopodobieństwo kontaktu z włóknem filtra. Im mniejsza cząstka, tym silniejszy efekt.

Trzy mechanizmy pracują jednocześnie. Bezwładność dominuje przy dużych cząstkach, dyfuzja przy ultradrobnych, intercepcja wypełnia środek. Dlatego filtr HEPA wychwytuje zarówno pyłki o średnicy 30 µm, jak i drobiny spalin o rozmiarze 0,01 µm.

Dlaczego 0,3 mikrona to najtrudniejszy rozmiar, nie granica

W opisach oczyszczaczy pojawia się magiczne 0,3 µm. Wielu kupujących rozumie to jako dolną granicę filtracji - poniżej niej filtr nic nie łapie. Jest odwrotnie.

0,3 mikrona, a ściślej zakres 0,1-0,3 µm zależnie od konstrukcji konkretnego filtra, to rozmiar, przy którym żaden z trzech mechanizmów nie ma przewagi. Bezwładność już nie działa, bo cząstka jest za lekka. Dyfuzja jeszcze nie na pełnych obrotach, bo cząstka jest za duża na intensywny ruch Browna. Naukowcy nazywają to MPPS - most penetrating particle size, czyli rozmiar najtrudniejszy do wychwycenia.

Europejska norma EN 1822 definiuje klasy filtrów właśnie przy MPPS, w najgorszym punkcie. H13 musi zatrzymać co najmniej 99,95% cząstek tego rozmiaru. Przy pyłkach (10-50 µm) skuteczność jest wyższa, bo bezwładność i intercepcja dają filtrowi dodatkową przewagę. Przy wirusach i drobinach spalin mniejszych niż 0,1 µm dyfuzja wychwytuje je ze skutecznością rosnącą w dół.

Filtr HEPA nie ma dolnej granicy wielkości cząstek. Ma punkt, w którym jest najmniej skuteczny - i nawet tam zatrzymuje ponad 99,9% tego, co przez niego przechodzi.

Co się dzieje z brudem w filtrze

Cząstki zatrzymane przez włókna nie znikają. Przylegają do powierzchni dzięki siłom van der Waalsa - słabym oddziaływaniom międzycząsteczkowym, które w skali mikro wystarczają, żeby utrzymać drobinę na miejscu. Na początku użytkowania cząstki osadzają się głęboko w strukturze włókniny, tworząc rozgałęzione łańcuchy zwane dendrytami.

Z czasem przestrzenie między włóknami zapełniają się. Brud gromadzi się na powierzchni filtra, tworząc warstwę nazywaną ciastem filtracyjnym. Warstwa ta sama staje się dodatkowym filtrem - skuteczność wychwytywania rośnie. Ale rośnie też opór stawiany powietrzu.

Kiedy opór się podwaja, wentylator zaczyna przegrywać. Przepływ spada, a z nim CADR. Oczyszczacz pracuje głośniej, bo silnik obraca się szybciej, próbując utrzymać strumień powietrza. W pewnym momencie urządzenie nadal hałasuje, ale czyści powietrze gorzej niż nowe na najniższym biegu. Dlatego filtry trzeba wymieniać, nie myć ani regenerować - struktura włókniny HEPA jest zbyt delikatna na płukanie, a dendrytów nie da się wytrząsnąć.

Producenci zalecają wymianę co 6-12 miesięcy. Realna żywotność zależy od jakości powietrza w okolicy - w mieście z paleniskami filtr zapcha się szybciej niż na przedmieściach. Ile kosztuje wymiana filtra i prąd w skali roku, liczyliśmy w osobnym artykule.

Oczyszczacz powietrza z filtrem HEPA 13 - co kryje się za numerem

Europejska norma EN 1822 dzieli filtry na klasy według skuteczności w najtrudniejszym punkcie. W oczyszczaczach domowych spotykane są przede wszystkim dwie:

• H13 - zatrzymuje co najmniej 99,95% cząstek przy MPPS (przepuszcza 5 na 10 000)
• H14 - co najmniej 99,995% (przepuszcza 5 na 100 000)

Oczyszczacz powietrza z filtrem HEPA 13 deklaruje filtrację klasy H13. Spośród 102 modeli w naszym rankingu 39 podaje tę klasę wprost, pod różnymi nazwami handlowymi: HEPA H13, NanoProtect HEPA H13, True HEPA H13. Kolejnych 35 pisze samo HEPA bez numeru.

Różnica nie jest kosmetyczna. Filtr klasy E12, który nadal mieści się w szerokim pojęciu HEPA, przepuszcza dziesięciokrotnie więcej cząstek niż H13. Brak podanej klasy nie oznacza automatycznie gorszego filtra, ale nie daje podstaw, żeby zakładać lepszy. Szczegółowo rozkładamy to w porównaniu klas HEPA H13 i H14.

Węgiel aktywny i inne warstwy

Filtr HEPA łapie cząstki stałe: pył, pyłki, zarodniki, sierść, drobiny spalin. Gazy i zapachy przelatują przez włókninę bez przeszkód - to pojedyncze cząsteczki, tysiąckrotnie mniejsze od czegokolwiek, co filtr mechaniczny potrafi zatrzymać.

Tu wkracza węgiel aktywny. Gram węgla aktywnego ma powierzchnię wewnętrzną rzędu 500-1500 m², dzięki mikroskopijnym porom, w których cząsteczki gazów ulegają adsorpcji. Lotne związki organiczne, formaldehyd, zapach gotowania - osiadają na węglu i zostają zatrzymane. Ale węgiel się wyczerpuje. Gdy pory się zapełnią, filtr przestaje pochłaniać nowe cząsteczki i wymaga wymiany.

Filtr wstępny - siatka lub pianka na wlocie - pełni rolę ochronną. Łapie sierść i duże włókna, zanim dotrą do filtra głównego, i wydłuża jego żywotność. Filtr wstępny można wyczyścić pod kranem lub odkurzaczem. Filtra HEPA - nie.

CADR, czyli tempo czyszczenia

Sam filtr to połowa równania. Druga połowa to prędkość, z jaką powietrze przez niego przechodzi. CADR (Clean Air Delivery Rate) łączy obie wielkości: to objętość czystego powietrza dostarczanego w ciągu godziny, wyrażona w m³/h.

Pokój 20 m² o suficie 2,5 m ma objętość 50 m³. Oczyszczacz z CADR 100 m³/h wymienia powietrze w takim pokoju dwa razy na godzinę. Przy CADR 200 m³/h - cztery razy. Więcej wymian to niższe stężenie zanieczyszczeń w stanie ustalonym.

Dwie wymiany na godzinę to poziom podstawowy. Przy alergii orientacyjnym celem są cztery. Jak to policzyć dla konkretnego metrażu, tłumaczymy w poradniku o wymaganym CADR.

CADR mierzy się dla nowego filtra. Wraz z zapychaniem się wkładu CADR spada, bo wentylator nie daje rady przepchnąć tej samej ilości powietrza przez rosnący opór. W naszej bazie 59 ze 102 modeli ma czujnik jakości powietrza - te urządzenia automatycznie podnoszą obroty, gdy stężenie pyłu rośnie. Ale czujnik nie odróżni, czy PM2.5 jest podwyższone przez gotowanie, czy przez zapchany filtr. Gdy mimo wysokich obrotów odczyt nie spada do poziomu, który urządzenie osiągało wcześniej, to sygnał, że wkład wymaga wymiany.

Kiedy następnym razem zobaczysz w specyfikacji HEPA H13 obok CADR 400 m³/h, będziesz wiedzieć, co za tymi liczbami stoi - bezwładność, przechwycenie i dyfuzja po stronie filtra, objętość i częstotliwość wymian po stronie wentylatora. A kiedy inny model napisze samo HEPA bez klasy i poda metry kwadratowe zamiast CADR, będziesz wiedzieć, czego brakuje. Porównanie 102 modeli z podziałem na klasy filtrów i wydajność znajdziesz w rankingu oczyszczaczy powietrza. O tym, dlaczego jonizacja nie zastępuje filtracji mechanicznej, piszemy osobno - bo to zupełnie inna zasada działania.

Szerszy kontekst: jak wybrać oczyszczacz powietrza krok po kroku - CADR do metrażu, zmierzony hałas, klasa filtra i koszt używania w jednym miejscu.