Purificador de aire

Antecedentes

Los purificadores de aire evolucionaron en respuesta a las reacciones de las personas a los alérgenos como el polen, la caspa de animales, el polvo y las esporas de moho. Las reacciones (estornudos, secreción nasal, picazón en los ojos y consecuencias aún más graves, como ataques de asma) son el resultado de los antígenos que se encuentran en el hogar. Estos antígenos son los principales desencadenantes del asma y hay más de 17 millones de asmáticos solo en los Estados Unidos. Los purificadores de aire eliminan una parte de estas partículas, reduciendo así las respuestas de tipo alérgico.

Debido a su tamaño extremadamente pequeño, los alérgenos pueden pasar a través de una bolsa de aspiradora estándar y redistribuirse en el aire, donde permanecen durante días. Incluso un solo microgramo de alérgenos de gatos es suficiente para provocar una respuesta alérgica en la mayoría de los seis a 10 millones de estadounidenses que son alérgicos a los gatos. Otras partículas en el aire, como bacterias y virus, pueden causar enfermedades, algunas de las cuales son fatales. Hay muchas razones (alergias, asma, enfermedades mortales) por las que se venden millones de purificadores de aire en los Estados Unidos cada año.

Hay dos tipos comunes de purificadores de aire que pueden eliminar algunas o todas las partículas que causan enfermedades y alergias en el aire:filtros mecánicos (los más efectivos se clasifican como filtros de aire de partículas de alta eficiencia (HEPA)) y precipitadores electrostáticos.

Los filtros HEPA están hechos de hilos de vidrio muy finos con un diámetro de menos de 1 micrón (un micrón es 0,00004 pulgadas, 0,001 mm). En comparación, un cabello humano tiene un diámetro de aproximadamente 75 micrones (0,003 pulgadas, 0,07 mm). Los finos hilos de vidrio se enredan y comprimen para formar una estera filtrante. Debido a que los hilos individuales son tan microscópicos, la mayor parte de la alfombra está formada por aire. Las aberturas en el tapete son muy pequeñas, generalmente de menos de 0.5 micrones (0.00002 in, 0.0005 mm). Los filtros HEPA recolectarán partículas de hasta 0.3 micrones (0.00001 in, 0.0003 mm) de diámetro. Aunque el filtro puede tener solo 0,10 pulgadas (2,5 mm) de ancho, constaría de 2500 capas de hilos de vidrio.

Los precipitadores electrostáticos dependen de las fuerzas electrostáticas para eliminar las partículas del aire. Funcionan creando una nube de electrones libres a través de la cual las partículas de polvo se ven obligadas a pasar. A medida que las partículas de polvo atraviesan el plasma, se cargan, lo que facilita su recogida. Los precipitadores electrostáticos pueden recoger partículas de hasta un diámetro de 0,01 micrones (0,00001 mm).

Ni los filtros HEPA ni los precipitadores electrostáticos pueden eliminar los compuestos orgánicos volátiles del aire; por lo tanto, no hacen nada para reducir los olores. Por esta razón, la mayoría de los purificadores de aire están equipados con un prefiltro o postfiltro compuesto de carbón activado. El carbón activado se produce calentando una fuente de carbón (cáscaras de coco, llantas viejas, huesos, etc.) a temperaturas muy altas en ausencia de oxígeno, proceso también conocido como pirólisis o destilación destructiva. La pirólisis separa el carbono puro de los demás materiales contenidos en la materia prima. Luego, el carbón puro se expone al vapor a 1500 ° F (800 ° C). El vapor de alta temperatura activa el carbón. El proceso de activación forma millones de grietas en los granos de carbono. Estas fisuras tienen diámetros de aproximadamente 0,002 micrones (0,000002 mm). Debido a que hay tantas grietas, el proceso de activación proporciona al carbón una enorme área de superficie por peso, aproximadamente 6.5 acres / oz (1,000 m ² /gramo). Los millones de grietas proporcionan lugares donde se pueden adsorber compuestos orgánicos. Además, la superficie del carbono lleva una carga eléctrica residual que atrae a los productos químicos no polares (productos químicos que no tienen cargas positivas y negativas separadas). El carbón activado es muy eficaz para adsorber compuestos que producen olores.

Historial

La pureza del aire ha sido una preocupación desde que los seres humanos han vivido en grupos. Una de las razones por las que los cazadores-recolectores son nómadas es que periódicamente necesitan alejarse de sus vertederos de basura y letrinas. En A.D. En el 61, el filósofo romano Séneca se quejaba del miasma del humo de la chimenea que flotaba constantemente sobre Roma. En 1306, el rey Eduardo I de Inglaterra prohibió la quema de carbón en Londres debido a la gran cantidad de contaminantes que quedaban en el aire.

La Revolución Industrial de los siglos XVIII y XIX no hizo más que empeorar el problema. La quema de carbón para producir electricidad y trenes de combustible produjo una oscura nube de humo sobre cada uno de los principales centros industriales del mundo y cubrió ciudades enteras de hollín. Para hacer frente a este problema, los ingenieros construyeron chimeneas más altas para alejar los desechos en el aire de la fuente. Independientemente de la altura de las pilas, la gente se quejaba de que las cenizas y los gases ácidos de la combustión del carbón (la fuente de la lluvia ácida) destruían sus cultivos. La contaminación del aire volvió a empeorar después de la Segunda Guerra Mundial, cuando los automóviles se convirtieron en el principal medio de transporte en el mundo industrializado. El smog de los automóviles ha proporcionado a Los Ángeles la peor calidad de aire del mundo.

Materias primas

Los materiales que entran tanto en los filtros HEPA como en los precipitadores electrostáticos son:una carcasa de plástico, un ventilador eléctrico para inducir el flujo de aire a través del filtro, el filtro en sí e interruptores de control para controlar la velocidad del ventilador y encender el purificador de aire. encendido y apagado. Los filtros HEPA están hechos de fibras de vidrio de borosilicato o fibras plásticas (por ejemplo, polipropileno) unidas con hasta un 5% de aglutinante acrílico (el mismo compuesto que une la pintura de látex a una casa). Los precipitadores electrostáticos generan iones al ejecutar voltajes de corriente continua positiva extremadamente altos a través de cables de acero colocados entre placas de carga de acero conectadas a tierra. Las cajas están hechas casi universalmente de plástico, generalmente poliestireno de alto impacto, cloruro de polivinilo, polietileno de alta densidad o polipropileno. La mayoría de los purificadores de aire también suelen estar equipados con un postfiltro compuesto de carbón activado.

Diseño

Los filtros HEPA están diseñados según el tamaño de las partículas que se eliminarán y el caudal de aire requerido. Cuanto más finos sean los poros del material HEPA, más finas serán las partículas eliminadas del aire. Sin embargo, recolectar partículas más finas significa que el material del filtro se obstruirá antes y necesitará ser reemplazado con mayor frecuencia. El diseñador especificará el diámetro de las fibras de vidrio y la densidad de la estera de la tela filtrante que fija el tamaño de los poros del filtro. Los filtros HEPA pueden contener aglutinantes que brindan resistencia adicional, pero esto también produce un filtro que se obstruye antes.

El diseño de un precipitador electrostático es considerablemente más complejo. Los precipitadores electrostáticos domésticos generalmente están diseñados para tener dos componentes, un componente ionizante (donde se crea la nube de electrones) y un componente recolector (donde las partículas de polvo cargadas se extraen del aire). El componente colector consta de una serie de placas de acero paralelas (la mitad están conectadas a tierra y la otra mitad lleva un voltaje de corriente continua positiva), por lo que las placas alternas tienen carga positiva o negativa. La unidad de ionización consta de alambres delgados tendidos entre un conjunto separado de placas ionizantes de acero conectadas a tierra paralelas a las placas colectoras, pero colocadas frente a ellas. Los cables delgados llevan una corriente continua de voltaje positivo muy alto (hasta 25.000 voltios en un purificador de aire doméstico). Las cargas positivas en los cables inducen un flujo de electrones entre los cables y las placas ionizantes adyacentes. Debido a que hay un voltaje muy alto en el cable, los electrones son empujados hacia él por una aceleración de alrededor de 1000 veces la aceleración de la gravedad, que acelera los electrones a velocidades muy altas. Por ejemplo, cuando una partícula de excremento de ácaros del polvo flota más allá del cable, los electrones de alta velocidad chocan con los electrones en las moléculas de la partícula, golpeando Un ejemplo de un precipitador electrostático y sus componentes. algunos de ellos gratis. A medida que estas moléculas pierden electrones, adquieren una carga positiva y, por lo tanto, son atraídas por la placa colectora cargada negativamente. El diseñador debe seleccionar un voltaje lo suficientemente alto para producir una cantidad suficiente de electrones para ionizar las partículas que pasan a través del precipitador, y espaciar las placas colectoras lo suficientemente cerca como para que las partículas de polvo ionizado sean capturadas en las placas antes de que el ventilador del precipitador pueda tirar de ellas. completamente a través del purificador de aire.

El
proceso de fabricación

El caso

• 1 Los gránulos de la materia prima (poliestireno de alto impacto, cloruro de polivinilo, polietileno de alta densidad o polipropileno) se introducen en una tolva y se calientan hasta el punto de fusión, 300-590 ° F (150-310 ° C) .
• 2 El plástico fundido se inyecta a alta presión en un molde de la caja. El molde generalmente está hecho de acero para herramientas por un fabricante de moldes altamente calificado. Las rejillas de ventilación en el molde permiten que el aire atrapado se escape a medida que ingresa el plástico. El diseñador del molde debe asegurarse de que el molde se llene uniformemente con plástico y de que todo el aire arrastrado pueda escapar; de lo contrario, la pieza final podría contener pequeñas burbujas de aire o incluso huecos.
• 3 El agua se fuerza a través de los canales integrados en el molde para transferir el calor del plástico fundido al medio ambiente. Una vez que la pieza está lo suficientemente fría, lo que puede tardar hasta dos minutos, se abre el molde. Los pasadores operados hidráulicamente empujan la pieza fuera del molde abierto a un recipiente de recepción.

El ventilador

• 4 Se usa un ventilador eléctrico para sacar aire a través del purificador de aire. El ventilador generalmente se compra a un proveedor de piezas pequeñas. El ventilador consta de un pequeño motor eléctrico con aspas metálicas unidas a la toma de fuerza del motor. Las aspas del ventilador generalmente se sueldan por puntos a un collar, que se desliza en la toma de fuerza y ​​se atornilla en su lugar.
• 5 El ventilador generalmente se fija a la caja con tornillos de acero.

filtros HEPA

1. Las fibras de vidrio que componen un filtro HEPA se crean pasando vidrio o plástico fundido a través de poros muy finos en una boquilla giratoria. Las fibras de vidrio resultantes se enfrían y endurecen casi instantáneamente debido a sus pequeños diámetros.
2. La boquilla giratoria se mueve hacia adelante y hacia atrás (haciendo que las fibras de vidrio formen una red) por encima de una cinta transportadora en movimiento sobre la que se recogen las fibras. La velocidad de la cinta transportadora determina el grosor del material del filtro; una cinta transportadora lenta permite que se acumulen más fibras de vidrio en la cinta.
3. La fusión y el enfriamiento de la fibra produce cierta unión de las fibras. A medida que avanza el transportador, se rocía un aglutinante de látex sobre la tela para proporcionar resistencia adicional. La tela puede tener cualquier ancho hasta el tamaño práctico de la maquinaria y se puede cortar al tamaño especificado por el cliente antes de que la tela se enrolle en los rodillos.
4. Una vez que se forman las alfombrillas HEPA, se doblan en un patrón de acordeón en una carpeta automática. El patrón de acordeón permite hasta 50 pies ² (5 m ² ) de material filtrante para encerrar en un espacio reducido.
5. El filtro en forma de acordeón se encierra en una caja de filtro, que generalmente consta de una rejilla de alambre abierta. El propósito de la caja del filtro es soportar el filtro.

Precipitadores electrostáticos

1. El sistema de recolección del precipitador electrostático se fabrica encerrando placas de acero en una carcasa de plástico, a menudo mediante ensamblaje manual. Las placas están dispuestas paralelas entre sí en la carcasa.
2. Luego, los cables se conectan a placas alternas a través de las cuales se aplicará a las placas la corriente continua positiva de alto voltaje. Las otras placas están conectadas a tierra.
3. La unidad de ionización se construye colocando cables de diámetro pequeño frente a las placas colectoras.
4. Un transformador de voltaje, que se utiliza para convertir la corriente alterna doméstica de 115 voltios en corriente continua de alto voltaje, se fija a la caja del precipitador. Este voltaje se dirige tanto a las placas colectoras cargadas positivamente como a los cables ionizantes.

El filtro de carbón activado

• 1 El filtro de carbón activado (para la reducción de olores) generalmente consiste en una tela o espuma impregnada de carbón. Este se fabrica infundiendo la materia prima con carbón activado en polvo.
• 2 Luego, el filtro de carbón se envuelve alrededor del interior o el exterior del filtro HEPA, o se estira en un marco en la entrada o salida del precipitador electrostático.

Ensamblaje

• 3 Hay muy pocos componentes en un purificador de aire. Por este motivo, se suelen montar en banco. En el montaje en banco, los transportadores en movimiento llevan los componentes o subconjuntos individuales (por ejemplo, el ventilador ya conectado a la caja) a un banco donde una persona los ensambla a mano. En un purificador de aire HEPA típico, es posible que solo haya cinco componentes que requieran ensamblaje:carcasa, ventilador, filtro de partículas, filtro de carbón y el interruptor de encendido / apagado.

Control de calidad

La eficiencia del filtro es la prueba de control de calidad más importante para los purificadores de aire. La Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales (ASTM) publica las pruebas de control de calidad que los filtros deben cumplir antes de que puedan usarse en ciertas aplicaciones o comercializarse como filtros HEPA (p. Ej., ASTM-F50:Prácticas estándar para el tamaño y recuento continuo de partículas en el aire en Áreas controladas de polvo y salas blancas que utilizan instrumentos capaces de detectar un submicrómetro único y partículas más grandes). El Departamento de Defensa de los Estados Unidos ha promulgado un estándar en el que las partículas de dioctilftalato (DOP) pasan a través de un filtro. Para pasar, el filtro debe eliminar el 99,97% de la DOP afluente.

Subproductos / Residuos

Los subproductos de la fabricación incluyen los materiales sin carbono que se destilan de la fabricación de carbón activado, material de filtro de especificación y material en exceso que debe desecharse en la producción de filtros HEPA. La mayoría de los demás residuos de fabricación, los canales de plástico de las máquinas de inyección y el exceso de chapa metálica, se pueden reciclar.

Se producen desechos adicionales durante el funcionamiento de los filtros de aire. Los iones producidos por los precipitadores electrostáticos interactúan con el oxígeno del aire para producir ozono. En altas concentraciones, el ozono es venenoso. Es poco probable que los niveles de ozono producidos en un precipitador electrostático doméstico alcancen niveles peligrosos, pero algunas personas son sensibles incluso a niveles bajos de ozono. Las placas colectoras en un precipitador electrostático deben limpiarse periódicamente.

Los filtros HEPA tienen una vida útil limitada, según la cantidad de aire que se filtra a través de ellos y la cantidad de partículas en el aire. La mayoría de los fabricantes recomiendan que se reemplacen cada pocos años. Los filtros usados ​​no se pueden reciclar y, por lo tanto, terminan en vertederos.

El carbón activado se puede reciclar, pero el costo de manipular la pequeña cantidad de carbón contenida en un purificador de aire doméstico sería prohibitivo. Generalmente, también termina en los vertederos después de que se usa por completo.

El futuro

A medida que los científicos aprendan más sobre los contaminantes ambientales y su impacto en la salud humana, aumentará la necesidad de proporcionar aire más limpio en los hogares y oficinas. La generación actual de filtros HEPA solo puede eliminar partículas de hasta 0,3 micrones (0,00001 pulgadas, 0,0003 mm) de diámetro, mientras que se cree que las partículas de hasta 0,1 micrones (0,0001 mm) de diámetro pueden causar daño mecánico al tejido pulmonar. Los virus pueden tener tan solo 0,02 micrones (0,00002 mm) de diámetro. Claramente, todavía se puede avanzar en el control de la contaminación del aire interior. La dirección actual de la tecnología es hacia materiales de filtrado cada vez más finos. El nuevo estándar en filtración es el filtro ULPA, que significa Aire de penetración ultrabaja. Se requiere un filtro ULPA para poder eliminar partículas de hasta 0,12 micrones (0,00012 mm) de diámetro, aproximadamente un tercio del diámetro de la partícula más pequeña que un filtro HEPA puede eliminar.

Dónde obtener más información

Libros

Cooper, David C. y F. C. Alley. Control de la contaminación del aire:un enfoque de diseño. Prospect Heights, IL:Waveland Press, Inc., 1994.

Dios santo, Thad. Calidad ambiental interior. Nueva York:Lewis Publishers, 1999.

Mycock, John C. y col. Manual de ingeniería y tecnología de control de la contaminación atmosférica. Nueva York:Lewis Publishers, 1995.

Publicaciones periódicas

Christiansen, S. C., et al. "Exposición y sensibilización a alérgenos ambientales de niños predominantemente hispanos con asma en el centro de la ciudad de San Diego". Revista de alergia e inmunología clínica (Agosto de 1996):288-294.

Otro

"Precipitación electrostática". Tin Works, Inc. 3 de junio de 2001. .

"Filtro de medios." Equipo Mac. 3 de junio de 2001. .

"Moldeo por inyección de plástico." Sociedad de Diseñadores Industriales de América. 17 de junio de 2001. .

Jeff Raines