purificateur d'air

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Contexte

Les purificateurs d'air ont évolué en réponse aux réactions des gens aux allergènes comme le pollen, les squames animales, la poussière et les spores de moisissures. Les réactions (éternuements, écoulement nasal, yeux qui piquent et conséquences encore plus graves telles que les crises d'asthme) sont le résultat d'antigènes trouvés dans la maison. Ces antigènes sont des déclencheurs majeurs de l'asthme, et il y a plus de 17 millions d'asthmatiques aux États-Unis seulement. Les purificateurs d'air éliminent une partie de ces particules, réduisant ainsi les réactions de type allergique.

En raison de leur taille extrêmement petite, les allergènes sont capables de passer à travers un sac d'aspirateur standard et de se redistribuer dans l'air où ils restent pendant des jours. Même un seul microgramme d'allergènes félins suffit à déclencher une réaction allergique chez la plupart des six à dix millions d'Américains allergiques aux chats. D'autres particules en suspension dans l'air, telles que les bactéries et les virus, peuvent provoquer des maladies, dont certaines sont mortelles. Il existe de nombreuses raisons - allergies, asthme, maladies mortelles - pour lesquelles des millions de purificateurs d'air sont vendus aux États-Unis chaque année.

Il existe deux types courants de purificateurs d'air qui peuvent éliminer tout ou partie des maladies et des particules allergènes dans l'air :les filtres mécaniques - les plus efficaces sont classés comme filtres à particules à haute efficacité (filtres HEPA) - et les précipitateurs électrostatiques.

Les filtres HEPA sont constitués de fils de verre très fins d'un diamètre inférieur à 1 micron (un micron correspond à 0,00004 po, 0,001 mm). Par comparaison, un cheveu humain a un diamètre d'environ 75 microns (0,003 in, 0,07 mm). Les fils de verre fins sont enchevêtrés et comprimés pour former un tapis filtrant. Parce que les fils individuels sont si microscopiques, la majeure partie du tapis est constituée d'air. Les ouvertures dans le tapis sont très petites, généralement inférieures à 0,5 micron (0,0002 po, 0,0005 mm). Les filtres HEPA recueilleront les particules jusqu'à 0,3 micron (0,00001 po, 0,0003 mm) de diamètre. Même si le filtre ne mesure que 0,10 pouce (2,5 mm) de large, il serait composé de 2 500 couches de fils de verre.

Les précipitateurs électrostatiques s'appuient sur des forces électrostatiques pour éliminer les particules de l'air. Ils fonctionnent en créant un nuage d'électrons libres à travers lequel les particules de poussière sont forcées de passer. Lorsque les particules de poussière traversent le plasma, elles se chargent, ce qui les rend faciles à collecter. Les précipitateurs électrostatiques peuvent collecter des particules jusqu'à un diamètre de 0,01 micron (0,00001 mm).

Ni les filtres HEPA ni les précipitateurs électrostatiques ne peuvent éliminer les composés organiques volatils de l'air, donc ne font rien pour réduire les odeurs. Pour cette raison, la plupart des purificateurs d'air sont équipés d'un pré- ou post-filtre composé de charbon actif. Le charbon actif est produit en chauffant une source de charbon (coques de noix de coco, vieux pneus, os, etc.) à très haute température en l'absence d'oxygène, un processus également connu sous le nom de pyrolyse ou distillation destructive. La pyrolyse sépare le carbone pur des autres matériaux contenus dans la matière première. Le carbone pur est ensuite exposé à de la vapeur à 1 500 °F (800 °C). La vapeur à haute température active le charbon. Le processus d'activation forme des millions de fissures dans les grains de carbone. Ces fissures ont des diamètres d'environ 0,002 micron (0,000002 mm). Parce qu'il y a tellement de fissures, le processus d'activation fournit au charbon une énorme surface par poids—environ 6,5 acres/oz (1 000 m ² /g). Les millions de fissures fournissent des emplacements où les composés organiques peuvent être adsorbés. De plus, la surface du carbone porte une charge électrique résiduelle qui attire vers elle des produits chimiques non polaires (produits chimiques qui n'ont pas de charges positives et négatives séparées). Le charbon actif est très efficace pour adsorber les composés produisant des odeurs.

Historique

La pureté de l'air est une préoccupation depuis que les êtres humains vivent en groupe. L'une des raisons pour lesquelles les chasseurs-cueilleurs sont nomades est qu'ils doivent périodiquement s'éloigner de leurs dépotoirs et de leurs latrines. En après JC 61, le philosophe romain Sénèque se plaignait des miasmes de fumée de cheminée qui planaient constamment sur Rome. En 1306, le roi Édouard Ier d'Angleterre interdit la combustion du charbon à Londres en raison des lourds polluants laissés dans l'air.

La révolution industrielle des XVIIIe et XIXe siècles n'a fait qu'aggraver le problème. Brûler du charbon pour produire de l'électricité et des trains de carburant a produit un nuage de fumée noire sur tous les grands centres industriels du monde et a couvert des villes entières de suie. Pour faire face à ce problème, les ingénieurs ont construit des cheminées de fumée plus hautes pour éloigner les déchets en suspension dans l'air de la source. Quelle que soit la hauteur des cheminées, les gens sous le vent se sont plaints des cendres et des gaz acides provenant de la combustion du charbon (la source des pluies acides) détruisant leurs récoltes. La pollution de l'air s'est encore aggravée après la Seconde Guerre mondiale, lorsque les automobiles sont devenues le principal moyen de transport dans le monde industrialisé. Le smog automobile a fourni à Los Angeles la pire qualité de l'air au monde.

Matières premières

Les matériaux qui entrent dans les filtres HEPA et les précipitateurs électrostatiques sont :un boîtier en plastique, un ventilateur électrique pour induire un flux d'air à travers le filtre, le filtre lui-même et des commutateurs de commande pour contrôler la vitesse du ventilateur et faire tourner le purificateur d'air allumé et éteint. Les filtres HEPA sont constitués de fibres de verre borosilicaté ou de fibres de plastique (par exemple, polypropylène) liées avec jusqu'à 5 % de liant acrylique (le même composé qui lie la peinture au latex à une maison). Les précipitateurs électrostatiques génèrent des ions en faisant passer des tensions de courant continu positives extrêmement élevées à travers des fils d'acier placés entre des plaques de charge en acier mises à la terre. Les boîtiers sont presque universellement fabriqués en plastique, généralement en polystyrène résistant aux chocs, en chlorure de polyvinyle, en polyéthylène haute densité ou en polypropylène. La plupart des purificateurs d'air sont également généralement équipés d'un post-filtre composé de charbon actif.

Conception

Les filtres HEPA sont conçus en fonction de la taille des particules à éliminer et du débit d'air requis. Plus les pores du matériau HEPA sont fins, plus les particules extraites de l'air sont fines. Cependant, la collecte de particules plus fines signifie que le matériau filtrant se colmatera plus tôt et devra être remplacé plus fréquemment. Le concepteur spécifiera le diamètre des fibres de verre et la densité du tapis du tissu filtrant qui fixe la taille des pores du filtre. Les filtres HEPA peuvent contenir des liants qui offrent une résistance supplémentaire, mais cela produit également un filtre qui se bouche plus tôt.

La conception d'un dépoussiéreur électrostatique est considérablement plus complexe. Les précipitateurs électrostatiques domestiques sont généralement conçus pour avoir deux composants, un composant ionisant (où le nuage d'électrons est créé) et un composant collecteur (où les particules de poussière chargées sont extraites de l'air). Le composant collecteur se compose d'une série de plaques d'acier parallèles - la moitié sont mises à la terre et la moitié transportent une tension continue positive - ainsi, les plaques alternatives sont chargées positivement ou négativement. L'unité d'ionisation se compose de fils minces enfilés entre un ensemble séparé de plaques d'ionisation en acier mises à la terre parallèles aux plaques collectrices mais placées devant. Les fils minces transportent un courant continu de tension positive très élevée (jusqu'à 25 000 volts dans un purificateur d'air domestique). Les charges positives dans les fils induisent un flux d'électrons entre les fils et les plaques ionisantes adjacentes. Parce qu'il y a une très haute tension sur le fil, les électrons sont poussés vers lui par une accélération d'environ 1 000 fois l'accélération de la gravité, ce qui accélère les électrons à des vitesses très élevées. Par exemple, lorsqu'une particule d'excréments d'acariens flotte devant le fil, les électrons à grande vitesse entrent en collision avec les électrons dans les molécules de la particule, frappant Un exemple de dépoussiéreur électrostatique et de ses composants. certains d'entre eux sont gratuits. Lorsque ces molécules perdent des électrons, elles prennent une charge positive et sont ainsi attirées par la plaque collectrice chargée négativement. Le concepteur doit sélectionner une tension suffisamment élevée pour produire un nombre suffisant d'électrons pour ioniser les particules traversant le précipitateur, et espacer les plaques collectrices suffisamment près les unes des autres pour que les particules de poussière ionisées soient capturées sur les plaques avant que le ventilateur du précipitateur ne puisse les tirer. complètement à travers le purificateur d'air.

Le processus de fabrication

Le cas

• 1 Les granulés de la matière première (polystyrène choc, chlorure de polyvinyle, polyéthylène haute densité ou polypropylène) sont introduits dans une trémie et chauffés jusqu'au point de fusion, 300-590°F (150-310°C) .
• 2 Le plastique fondu est injecté sous haute pression dans un moule du boîtier. Le moule est généralement fabriqué à partir d'acier à outils par un mouliste hautement qualifié. Des évents dans le moule permettent à l'air entraîné de s'échapper lorsque le plastique entre. Le concepteur du moule doit s'assurer que le moule se remplit uniformément de plastique et que tout l'air entraîné est autorisé à s'échapper, sinon la pièce finale pourrait contenir de petites bulles d'air ou même des vides.
• 3 L'eau est forcée à travers des canaux intégrés dans le moule pour transférer la chaleur du plastique fondu dans l'environnement. Une fois la pièce suffisamment refroidie, ce qui peut prendre jusqu'à deux minutes, le moule s'ouvre. Des goupilles à commande hydraulique poussent la pièce hors du moule ouvert dans un bac de réception.

Le ventilateur

• 4 Un ventilateur électrique est utilisé pour aspirer l'air à travers le purificateur d'air. Le ventilateur est généralement acheté auprès d'un fournisseur de petites pièces. Le ventilateur se compose d'un petit moteur électrique avec des pales de ventilateur en métal fixées à la prise de force du moteur. Les pales du ventilateur sont généralement soudées par points à un collier, qui est glissé sur la prise de force et boulonné en place.
• 5 Le ventilateur est généralement fixé au boîtier avec des vis en acier.

Filtres HEPA

1. Les fibres de verre qui composent un filtre HEPA sont créées en faisant passer du verre ou du plastique fondu à travers des pores très fins dans une buse rotative. Les fibres de verre résultantes refroidissent et durcissent presque instantanément en raison de leurs petits diamètres.
2. La buse de filage se déplace d'avant en arrière (ce qui fait que les fibres de verre forment une bande) au-dessus d'une bande transporteuse en mouvement sur laquelle les fibres sont collectées. La vitesse de la bande transporteuse détermine l'épaisseur du matériau filtrant - une bande transporteuse lente permet à davantage de fibres de verre de s'accumuler sur la bande.
3. La fusion et le refroidissement de la fibre produisent une certaine liaison des fibres. Au fur et à mesure que le convoyeur avance, un liant en latex est pulvérisé sur le tissu pour fournir une résistance supplémentaire. Le tissu peut avoir n'importe quelle largeur jusqu'à la taille pratique de la machine et peut être coupé à la taille spécifiée par le client avant que le tissu ne soit enroulé sur des rouleaux.
4. Une fois les tapis HEPA formés, ils sont pliés en accordéon dans une plieuse automatique. Le motif accordéon permet jusqu'à 50 pieds ² (5 m ² ) de matériau filtrant à enfermer dans un petit espace.
5. Le filtre en forme d'accordéon est ensuite enfermé dans un boîtier de filtre, généralement constitué d'une grille métallique ouverte. Le boîtier du filtre a pour but de supporter le filtre.

Précipitateurs électrostatiques

1. Le système de collecte du précipitateur électrostatique est fabriqué en enfermant des plaques d'acier dans un boîtier en plastique, souvent à la main. Les plaques sont disposées parallèlement les unes aux autres dans le boîtier.
2. Les fils sont ensuite connectés à des plaques alternées à travers lesquelles le courant continu positif haute tension sera appliqué aux plaques. Les autres plaques sont mises à la terre.
3. L'unité d'ionisation est construite en faisant passer des fils de petit diamètre devant les plaques collectrices.
4. Un transformateur de tension, utilisé pour convertir le courant alternatif domestique de 115 volts en courant continu haute tension, est fixé au boîtier du précipitateur. Cette tension est transmise à la fois aux plaques collectrices chargées positivement et aux fils ionisants.

Le filtre à charbon actif

• 1 Le filtre à charbon actif (pour la réduction des odeurs) se compose généralement de tissu ou de mousse imprégné de charbon. Ceci est fabriqué en infusant la matière première avec du charbon actif en poudre.
• 2 Le filtre à charbon est ensuite enroulé autour de l'intérieur ou de l'extérieur du filtre HEPA, ou tendu dans un cadre à l'entrée ou à la sortie du précipitateur électrostatique.

Assemblage

• 3 Il y a très peu de composants dans un purificateur d'air. Pour cette raison, ils sont généralement assemblés sur banc. Dans l'assemblage sur banc, des convoyeurs en mouvement amènent les composants ou sous-ensembles individuels (par exemple, le ventilateur déjà fixé au boîtier) sur un banc où une personne les assemble ensuite à la main. Dans un purificateur d'air HEPA typique, il peut n'y avoir que cinq composants à assembler :le boîtier, le ventilateur, le filtre à particules, le filtre à charbon et l'interrupteur marche/arrêt.

Contrôle qualité

L'efficacité du filtre est le test de contrôle qualité le plus important pour les purificateurs d'air. L'American Society for Testing and Materials (ASTM) publie des tests de contrôle de la qualité auxquels les filtres doivent satisfaire avant de pouvoir être utilisés dans certaines applications ou être commercialisés en tant que filtres HEPA (par exemple, ASTM-F50 :Standard Practices for Continuous Sizing and Counting of Airborne Particles in Zones contrôlées contre la poussière et salles blanches utilisant des instruments capables de détecter un seul sous-micromètre et des particules plus grosses). Le département américain de la Défense a promulgué une norme dans laquelle les particules de dioctylphtalate (DOP) sont soufflées à travers un filtre. Pour réussir, le filtre doit éliminer 99,97 % du DOP entrant.

Sous-produits/Déchets

Les sous-produits de la fabrication comprennent les matériaux non carbonés qui sont distillés à partir de la fabrication de charbon actif, les matériaux filtrants spécifiés et les matériaux en excès qui doivent être éliminés lors de la production de filtres HEPA. La plupart des autres déchets de fabrication, glissières en plastique des machines d'injection et tôles en excès, peuvent être recyclés.

Des déchets supplémentaires sont produits lors du fonctionnement des filtres à air. Les ions produits par les précipitateurs électrostatiques interagissent avec l'oxygène de l'air pour produire de l'ozone. À des concentrations élevées, l'ozone est toxique. Les niveaux d'ozone produits dans un dépoussiéreur électrostatique domestique sont peu susceptibles d'atteindre des niveaux dangereux, mais certaines personnes sont sensibles à des niveaux d'ozone même faibles. Les plaques collectrices d'un dépoussiéreur électrostatique doivent être nettoyées périodiquement.

Les filtres HEPA ont une durée de vie limitée, en fonction de la quantité d'air qui est filtrée à travers eux et de la quantité de particules dans l'air. La plupart des fabricants recommandent de les remplacer toutes les quelques années. Les filtres usagés ne peuvent pas être recyclés et finissent donc dans les décharges.

Le charbon actif peut être recyclé, mais le coût de gestion de la petite quantité de charbon contenu dans un purificateur d'air domestique serait prohibitif. En général, il finit également dans les décharges après son utilisation complète.

Le futur

À mesure que les scientifiques en apprendront davantage sur les polluants environnementaux et leur impact sur la santé humaine, le besoin de fournir un air plus pur dans les maisons et les bureaux ne fera que croître. La génération actuelle de filtres HEPA ne peut éliminer que les particules jusqu'à 0,3 micron (0,00001 in, 0,0003 mm) de diamètre alors que l'on pense que les particules jusqu'à 0,1 micron (0,0001 mm) de diamètre peuvent endommager mécaniquement le tissu pulmonaire. Les virus peuvent avoir un diamètre aussi petit que 0,02 micron (0,0002 mm). De toute évidence, des progrès peuvent encore être réalisés dans la lutte contre la pollution de l'air intérieur. La direction actuelle de la technologie est vers des matériaux filtrants de plus en plus fins. La nouvelle norme en matière de filtration est le filtre ULPA, qui signifie Ultra Low Penetrating Air. Un filtre ULPA est nécessaire pour pouvoir éliminer les particules jusqu'à 0,12 micron (0,00012 mm) de diamètre, soit environ un tiers du diamètre de la plus petite particule qu'un filtre HEPA peut éliminer.

Où en savoir plus

Livres

Cooper, David C. et F.C. Alley. Contrôle de la pollution atmosphérique :une approche de conception. Prospect Heights, Illinois :Waveland Press, Inc., 1994.

Divin, Thad. Qualité de l'environnement intérieur. New York :Lewis Publishers, 1999.

Mycock, John C., et al. Manuel d'ingénierie et de technologie de contrôle de la pollution atmosphérique. New York :Lewis Publishers, 1995.

Périodiques

Christiansen, S.C., et al. "Exposition et sensibilisation aux allergènes environnementaux des enfants à prédominance hispanique souffrant d'asthme dans le centre-ville de San Diego." Journal d'allergie et d'immunologie clinique (août 1996) :288-294.

Autre

"Précipitations électrostatiques." Tin Works, Inc. 3 juin 2001. .

"Filtrer les médias." Équipement Mac. 3 juin 2001. .

« Plastique :moulage par injection ». Industrial Designers Society of America. 17 juin 2001. .

Jeff Raines