Очистка воздуха от дыма

Дымами называются мельчайшие твердые частицы, взвешенные в воздухе; как и туманы (мельчайшие жидкие частицы), они представляют дисперсные (сильно измельченные) системы в газах и носят общее название аэрозолей. Аэрозоли обычно состоят из частиц различных размеров, диаметр которых колеблется от 10^-3 до 10^-7 см. По величине частиц к ним с одной стороны примыкает пыль с частицами диаметром от 10^-8 до 10^-2 см, с другой— газообразные вещества с молекулами диаметром порядка 10^-8 см.

В шахтах дым образуется главным образом во время пожаров и взрывов в результате горения угля, крепи, кабельной изоляции и других органических веществ. Такой дым состоит из частиц несгоревшего углерода, или смолы, или соединений несгоревших углеводородов. Так как дым образуется в результате неполного сгорания, то он чаще всего получается одновременно с окисью углерода. Поэтому отравляющее действие дыма относится обычно за счет присутствующей или сорбированной на поверхности частиц окиси углерода. Сам по себе дым оказывает раздражающее действие на органы дыхания и на слизистые оболочки глаз; поэтому в фильтрующих противогазах, предназначенных для работы или для самоспасания во время аварий в шахтах, необходимо предусматривать и защиту от дымов.

Очистка воздуха от дыма в фильтрующих противогазах основана, как и очистка от вредных газов и паров, на принципе фильтрации. При этом удержание наиболее мелких частиц дыма (диаметром менее 10^-6 см) фильтрующими материалами происходит аналогично процессу адсорбции газов или паров твердыми сорбентами, т. е. действием сил притяжения между сорбируемым веществом и сорбентом, так называемых кохезионных сил.

Однако гранулированные пористые тела (например активированный уголь), являющиеся хорошими адсорбентами газов и паров, для задержания дымов непригодны. Имеющиеся в них ультрапоры слишком малы для того, чтобы частицы дыма могли в них проникать, каналы же между зернами слишком велики, чтобы задерживать даже пыль. Противопылевые фильтры также непригодны для защиты от дымов, так как поры в них, рассчитанные на механический отсев частиц диаметром свыше 10^-3 см, настолько крупны, что пропускают дымовые частицы. Поэтому для очистки воздуха от дымов разработаны специальные фильтры, основанные на учете особенностей дисперсных систем.

Частицы дыма, увлекаемые воздушным потоком через коробку противогаза, совершают движение трех родов: аналогичное частицам   газа  тепловое движение,  благодаря  которому  наиболее мелкие частицы диффундируют (наподобие газов) со значительной скоростью; прямолинейное движение под влиянием гравитационных сил (собственного веса) и электрических сил, вызывающих, в зависимости от знака, притяжение или отталкивание заряженных частиц от положительно или отрицательно заряженных тел; движение, вызванное потоком газа, которое может быть прямолинейным или вихревым в зависимости от характера самого потока. В последнем случае следует учесть влияние центробежных сил на движение частиц.

Частицы дыма, приближающиеся пo крупности к пыли (10^-3 см=10μ), способны оседать с возрастающей скоростью и практически не участвуют в тепловом движении.

Частицы диаметром от 10^-3 до 2,5·10^-5 см (от 10 до 0,25 μ) оседают с постоянной скоростью и диффундируют в очень малой степени.

Частицы крупностью от 10^-5 до 10-7 см (от 100 до 1 mμ) не оседают (наподобие газов) и диффундируют со значительной скоростью (см. табл. 18).

Tаблица 18. Скорость движения аэрозолей в зависимости от их радиуса

В общем случае средняя результирующая (из всех родов движения) величина смещения частиц за определенный промежуток времени обратно пропорциональна корню квадратному из их радиуса.

В зависимости от величины частиц и связанных с этим физических свойств фильтрующие материалы по-разному удерживают различные фракции пыли. Схематически процесс может быть изображен следующим образом (рис. 58). Наиболее крупные частицы, характеризующиеся наиболее медленным движением, задерживаются на фильтрующем материале по принципу отсева (как на сите) и осаждаются на нем под влиянием силы тяжести и центробежных сил.

Более мелкие частично закупоривают поры фильтрующего материала, частично прилипают к его поверхности (например к многочисленным тонким волокнам волокнистого фильтра) при непосредственном соприкоснопении, под действием кохезионных сил, а отчасти также под влиянием центробежных и гравитационных сил. Наконец, самые мелкие частицы, характеризующиеся тепловым движением, приходят в непосредственное соприкосновение с поверхностью фильтрующего материала (в частности в его порах), на которой и «адсорбируются» наподобие пара или газа. Рис. 58. Схема улавливания частиц дыма различных размеров волокнистым фильтром

Опыт показал, что лучше всего задерживаются фильтрами частицы очень малого диаметра (менее 5·10^-6 см = 50 mμ) и сравнительно большого размеpa (свыше 4-10^-5 см=0,4μ), так как первые легче достигают поверхности фильтрующего материала вследствие значительной скорости диффузии, а вторые вследствие большой скорости оседания. Хуже всего задерживаются частицы дыма диаметром от 5·10^-6; до 4·10^-5 см (от 0,05 μ до 0,4 μ, так как скорость диффузии их очень невелика, скорость оседания также. Дым, получающийся в результате горения угля и крепи, в значительной степени состоит из частиц диаметром от 10^-4 до 2,5·10^-5 см.

Благодаря малым размерам частицы дыма имеют относительно большую поверхность, вследствие чего на единицу веса они способны поглощать количества газа, превосходящие сорбцию газа веществом в ледисперсном виде. Поэтому фильтрующие противогазы ддя защиты отокиси углерода необходимо снабжать противодымными фильтрами не только для предохранения дыхательных путей от раздражающего действия дыма, но и для защиты от окиси углерода, адсорбированной дымовыми частицами.

Концентрация дыма может выражаться либо в миллиграммах на литр (соответственно в г/м3), либо числом частиц в единице объема. В обоих случаях обычно указывают и средний диаметр частиц.

Количество дымовых частиц в определенном объеме не остается постоянным. В результате столкновения их между собой происходит коагуляция дыма  («слипание» мелких частиц дыма в более крупные агрегаты) под действием кохезионных сил. В зависимости от степени коагуляции, которая протекает тем интенсивнее, чем больше концентрация дыма, изменяются и физические свойства дымовых частиц. Дымовые частицы имеют неправильную форму хлопьев.

Из описания физических свойств дымовых частиц можно сделать вывод, что для улавливания их требуются фильтрующие материалы, у которых поры или каналы были бы по диаметру больше дымовых частиц и которые в то же время не образовывали бы больших каналов между частицами фильтрующего материала. Такая структура фильтра обеспечивает максимальную поверхность соприкосновения с улавливаемыми дымовыми частицами и характеризуется большой геометрической удельной поверхностью фильтрующего материала, т. е. поверхность на 1 г вещества, не включая его пор. Пористость фильтрующего материала, учитывая, что поры малого диаметра нс имеют значения для улавливания дыма, менее важна, чем величина геометрической удельной поверхности. Отсюда ясно, почему весьма пористый материал, являющийся хорошим сорбентом газов и паров (например активированный уголь), оказывается непригодным в качестве фильтрующего материала (табл. 19).

Tаблица 19. Величина удельной поверхности угля и фильтрующих материалов для улавливания дымов

Таким образом, хорошими фильтрующими материалами оказываются мелковолокнистые вещества — вата, шерсть, алигнин (клетчатка, остающаяся после обработки дерева растворителями). Для защиты от дыма применяются также специально приготовленные картон или бумага, волокнистые материалы, пропитанные или опудренные хвойной смолой, канифолыо, серой, ликоподием, а также порошкообразные фильтры.

Как бы ни был эффективен фильтр, следует считать вероятным, что некоторое, хотя бы и очень малое число дымовых частиц, увлеченных воздушными струями, может не встретить на своем пути поверхности фильтрующего материала и проскочить через фильтр. Чем длинее путь частицы, тем такая вероятность меньше, следовательно, чем больше толщина фильтра, тем меньше должна быть величина проскока.  Действительно, опыт показывает, что с увеличением толщины фильтра (длины слоя) величина проскока асимптотически приближается к нулю. Таким образом, теоретически полную очистку воздуха от дыма можно получить лишь при бесконечно большой толщине фильтра. На практике удовлетворяются толщиной фильтра, ограничивающей проскок концентрацией дыма, оказывающей слабое, мало заметное физиологическое действие. Проскок дыма практически не зависит ст времени действия фильтра, так как благодаря постепенному заполнению пор и каналов фильтра осевшими в них дымовыми частицами действие его должно даже улучшаться до тех пор, пока возрастающее сопротивление воздушному потоку не сделает пользование им невозможным.

Поэтому время защитного действия противодымного фильтра определяется не наступлением проскока через фильтр, а физиологическим эффектом раздражения дыхательных путей, вызываемым накоплением определенного количества проскочившего через фильтр дыма.

Если обозначить минимальное количество дыма (например в мг), которое способно вызвать раздражающее или отравляющее действие, через m, количество дыма, проскакивающего через фильтр на каждый литр фильтруемого воздуха (в мг/л)—через n и объемное количество фильтруемого воздуха в (л/мин)—через V то время защитного действия фильтра определится из формулы:

                  (83)

Отношение количества дыма, проскочившего через фильтр, к концентрации его перед дымовым фильтром, называется коэффициентом проскока или проницаемостью фильтра:

                    (84)

Отношение разности концентрации дыма впереди фильтра и позади него к концентрации дыма впереди фильтра, выраженное в процентах, называется эффективностью фильтра η

               (85)

Эффективность фильтра, помимо свойств поглощаемого дыма, зависит от плотности набивки фильтра (количества фильтрующего материала в г на 1 см3), от толщины фильтра (длины слоя), от удельной скорости воздуха, проходящего через фильтр, и от концентрации дыма.

Вследствие того, что дым не представляет собой монодисперсной системы (т. е. системы взвешенных аэрозолей с одинаковым диаметром частиц) и, кроме того, изменяется во времени (вследствие коагуляции), до сих пор не удалось выразить зависимость эффективности фильтра от перечисленных факторов, сформулированную в виде простого уравнения, пригодного для всех случаев практики. Поэтому при расчете противодымных фильтров приходится пользоваться специальными таблицами, составленными на основании опытных данных. В пределах удельных скоростей воздуха, с которыми приходится иметь дело при конструировании фильтрующих противогазов (от 200 до 400 см3/см2·мин), скорость проходящего воздуха относительно мало влияет на эффективность фильтра. Поэтому таблицы обычно дают зависимость между эффективностью фильтра, плотностью набивки и толщиной слоя при стандартной концентрации дыма (например 0,05 мг/л табачного дыма). В табл. 20 приведена такая зависимость для фильтров из волокнистого материала.

Эффективность фильтра также в значительной мере зависит от характера воздушного потока. В противоположность поглотителям газа и пара, пульсирующий поток оказывает на эффективность фильтра благоприятное влияние.

Tаблица 20. Эффективность фильтра в зависимости от его плотности и длины слоя, в %

Сопротивление противодымного фильтра прямо пропорционально длине слоя (толщине фильтра), удельной скорости тока воздуха и квадрату или кубу плотности фильтра.
Сопротивление противодымного фильтра может быть вычислено по эмпирически найденной формуле (32):

                         (86)

где V — объемная скорость воздуха, л/мин; S — площадь сечения фильтра, см2; Δ — плотность набивки, г/см3; L — толщина фильтра, см; α, β и n зависят от материала фильтра и определяются экспериментально.

Для наиболее часто применяемых в качестве фильтрующих материалов — ваты и алигинна — эти константы имеют следующее значение:

В обычных так называемых объемных фильтрах отрицательный эффект спрессования материала (увеличение сопротивления) может оказаться более сильным, чем положительное влияние (увеличение эффективности фильтра): размер каналов между волокнами может оказаться еще недостаточно малым для удержания дымовых частиц всех без исключения размеров, в то время как сопротивление вырастет уже до недопустимых пределов. Так как при прочих равных условиях сопротивление зависит от диаметра воздухозодов и скорости протекания по ним воздуха, то при невозможности увеличить каналы можно снизить сопротивление за счет уменьшения скорости протекания воздуха. Это достигается в так называемых развернутых фильтрах.

В них фильтрующий материал спрессован до такой степени, что теряет вид волокнистой массы и становится похожим на бумагу или картон, с порами настолько малого размера, что даже при толщине 3—4 мм достигается почти полное задержание дымовых частиц всех размеров. Уменьшение скорости воздуха в таком фильтре достигается за счет увеличения во много раз сечения фильтрующего слоя, малая же толщина фильтрующего картона позволяет придавать ему форму, обеспечивающую возможность монтажа даже в небольшие противогазовые коробки. Фильтрующему картону придают обычно форму гофрированных вкладышей пли складчатых гармоник.

Для определения сопротивления развернутого бумажного фильтра необходимо иметь экспериментально установленные данные о сопротивлении его при какой-либо определенной скорости проходящего воздуха. Тогда сопротивление любого другого фильтра, изготовленного из того же картона, может быть найдено из следующего простого соотношения:

              (87)

где S₀ и υ₀ — соответственно сечение и удельная скорость воздуха, имевшие место при экспериментальном определении сопротивления.

При расчете объемного противодымного фильтра обычно задается требуемая эффективность и максимально допустимое сопротивление. Расчет удобно вести следующим образом: выбирают оптимальные e отношении сокращения объема коробки респиратора величины Δ и L, соответствующие требуемой эффективности, и, вставив их в выше приведенную формулу (сопротивления), определяют сечение слоя S в зависимости от допустимого сопротивления. Ввиду большого сопротивления, оказываемого противодымным фильтром, расчет противогазовой коробки удобно вести, начиная с фильтра; при этом определяется сечение коробки, а следовательно, н удельная скорость воздуха — величины, по которым затем рассчитывается слой сорбента.

При расчете развернутого бумажного фильтра задача сводится к определению площади фильтра по допустимому сопротивлению при заданной скорости прохождения воздуха, т. е.

                       (88)

В фильтрующих самоспасателях, применяемых в горной промышленности, учитывая малый срок защитного действия самоспасателя, монтируется противодымный фильтр (ватная прокладка) очень небольшой толщины.