Węgiel aktywny w ochronie środowiska i przemyśle (2008) WALTER MUCHA, JÓZEF S. PASTUSZKA Politechnika Śląska, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki, Katedra Ochrony Powietrza ul. Akademicka 2, 44-100 Gliwice EWA MARCHWIŃSKA-WYRWAŁ Śląski Uniwersytet Medyczny, Wydział Zdrowia Publicznego ul. Piekarska 18, 41-902 Bytom ZASTOSOWANIE FILTRÓW Z WĘGLEM AKTYWNYM W PRZENOŚNYM URZĄDZENIU DO FILTRACJI I DEZYNFEKCJI POWIETRZA WEWNĘTRZNEGO Powietrze wewnętrzne jest często zanieczyszczone cząstkami pyłu i bioaerozolem. Narażenie na bioaerozole może być szczególnie groźne w przychodniach zdrowia i w szpitalach. Z tego powodu bardzo ważne jest oczyszczanie powietrza w tego typu pomieszczeniach, zwłaszcza w salach operacyjnych. Takim oczyszczaczem powietrza jest, między innymi, urządzenie EWG, które wykorzystuje specjalnie zaprojektowany zestaw elektrod o oryginalnej topologii, generujących wysokie napięcie. Wcześniejsze badania pokazały, że ten przenośny oczyszczacz powietrza może być z powodzeniem stosowany do dezynfekcji powietrza wewnętrznego. Niestety, ze względu na występujące wysokie napięcie zaobserwowano znaczącą emisję ozonu w trakcie pracy urządzenia. Aby zredukować emisję ozonu, zastosowano w urządzeniu EWG filtr węglowy. Niniejszy artykuł przedstawia wstępne wyniki badań efektywności usuwania ozonu przez użyty filtr. SŁOWA KLUCZOWE: filtr węglowy, usuwanie ozonu, bioaerozol, sterylizacja powietrza WPROWADZENIE Badania rozkładu czasu populacji generalnej wskazują, że od 50% do nawet około 80% czasu spędza się w mieszkaniach [1]. Typowy podział czasu na poszczególne mikrośrodowiska dla populacji generalnej przedstawiono na rysunku 1. Ponadto, powietrze w pomieszczeniach nieprodukcyjnych często charakteryzuje się nadmiernym stężeniem pyłu zawieszonego i bioaerozoli. Wszystko to sprawia, że największe narażenie populacji generalnej na aerozole pyłowe i bakteryjne następuje w pomieszczeniach. Dotyczy to nawet obszarów, gdzie środowisko zewnętrzne jest silnie zanieczyszczone [2]. Problem ten staje się szczególnie istotny w pomieszczeniach, które powinny charakteryzować się dużą czystością, a nawet sterylnością powietrza, takich jak: sale operacyjno-zabiegowe, poczekalnie medyczne, hale produkcyjne w zakładach farmaceutycznych i spożywczych. Ponieważ wiele składników pyłu zawieszonego oraz bioaerozolu stanowią alergeny, często konieczne jest zapewnienie ponadstandardowej czystości powietrza nawet w pomieszczeniach mieszkalnych. Z tego względu bardzo ważne jest konstruowanie
236 W. Mucha, J.S. Pastuszka, E. Marchwińska-Wyrwał urządzeń do szybkiego i skutecznego oczyszczania powietrza w pomieszczeniach. W odniesieniu do aerozolu pyłowego zadanie to spełniają różnego typu oczyszczacze powietrza, które pobierają i filtrują powietrze. Sterylizację pomieszczeń w trakcie pobytu w nich osób próbuje się realizować za pomocą tzw. zamkniętych lamp bakteriobójczych. Składają się one ze świetlówek ultrafioletowych UV-C umieszczonych w zamkniętej obudowie z dwoma otworami. Świetlówki nie posiadają luminoforu i są wykonane ze szkła przepuszczającego ultrafiolet. Na skutek działania wentylatora wyciągowego, umieszczonego w obudowie przed otworem wylotowym, następuje wymuszony ruch powietrza wraz z zawieszonymi w nim mikroorganizmami z otoczenia urządzenia do otworu wlotowego. Pobierane powietrze przemieszcza się wzdłuż świetlówek, gdzie jest poddawane działaniu promieniowania ultrafioletowego, a następnie wychodzi na zewnątrz przez otwór wylotowy. Urządzenia te, jak sama nazwa wskazuje, stosowane są głównie do sterylizacji bakteryjnej. Ich skuteczność niszczenia grzybów mikroskopijnych w powietrzu jest znacznie mniejsza. dom 60% stanowisko pracy 30% środki transportu 6% na zewnątrz pomieszczeń 3% Rys. 1. Rozkład czasu w poszczególnych mikrośrodowiskach dla populacji generalnej według [1] Na zupełnie innej zasadzie działa skonstruowany w USA oczyszczacz EWG (Electron Wind Generator). Jest to nieduże urządzenie, które wytwarza silne pole elektryczne. Dzięki odpowiedniej topologii elektrod aparat generuje ciągły ruch powietrza poprzez siatkę elektrod. Pobierane w ten sposób powietrze jest sterylizowane w polu elektrycznym. Ponieważ przedstawione wyżej działanie aparatu EWG implikuje jonizację cząstek pyłu, można także oczekiwać, że aparat ten będzie oczyszczać powietrze z drobnych cząstek aerozolu, np. z cząstek dymu tytoniowego. Należy dodać, że dym tytoniowy zawiera głównie cząstki submikronowe, które są bardzo trudno usuwalne ze środowiska w wyniku tradycyjnej filtracji. Przeprowadzone do tej pory badania [3] wskazują, ze stosowanie sterylizatora EWG wydaje się być bardzo obiecujące, gdyż w komorze sterylizatora następuje niszczenie pobranych bakterii i grzybów w polu wysokiego napięcia poprzez nieodwracalne uszkodzenie błony komórkowej i zakłócenie replikacji drobnoustrojów w wyniku podwójnego pękania nici DNA. Praca urządzenia EWG znacząco zmniej-
Zastosowanie filtrów z węglem aktywnym w przenośnym urządzeniu 237 sza stężenie aerozolu bakteryjnego i grzybowego w pomieszczeniach, lecz efektywność oczyszczania / sterylizacji zależy także od wewnętrznych źródeł emisji bioaerozoli, przede wszystkim od ilości osób przebywających w pomieszczeniu, oraz od cyrkulacji powietrza (stopnia wymiany powietrza) i od kubatury pomieszczenia. Najlepsze wyniki otrzymano w małych pomieszczeniach przy niewielkiej wymianie powietrza, np. w pokoju biurowym o kubaturze około 30 m 3 lub w małej, 3-osobowej sali chorych. Przy zamkniętych oknach i tylko sporadycznie otwieranych drzwiach początkowe stężenie aerozolu bakteryjnego w tego typu pomieszczeniach zmniejszało się po 2 godzinach pracy urządzenia do połowy stężenia początkowego, a po 10 26 godzinach pracy urządzenia do 15% stężenia wyjściowego [3]. Niestety, praca tego sterylizatora wiąże się z emisją ozonu. Jakkolwiek ozon ma dodatni wpływ na spadek stężenia żywych mikroorganizmów w powietrzu, to wzrost stężenia ozonu w pomieszczeniach niekorzystnie wpływa na zdrowie ludzi. W normalnych warunkach ozon jest ostro pachnącym gazem barwy błękitnej o silnych właściwościach utleniających. W warunkach naturalnych ozon wpływa na człowieka, oddziałując na układ oddechowy (podrażnienie gardła, kaszel, podrażnienie oczu, nudności, zawroty głowy), przy czym długotrwałe narażenie powoduje bardziej rozległe i nieodwracalne zmiany, zwłaszcza w płucach [4]. Wartości dopuszczalne stężenia w pomieszczeniach przeznaczonych na pobyt ludzi wynosi w Polsce: pomieszczenia kategorii A - 0,1 mg/m 3, pomieszczenia kategorii B - 0,15 mg/m 3 [5, 6], NDS najwyższe dopuszczalne stężenie na stanowisku pracy - 0,15 mg/m 3 [6]. Jak się wydaje, rozwiązaniem opisanego wyżej problemu mogłoby być zastosowanie filtrów węglowych. W niniejszej pracy przedstawiono wstępne wyniki badań redukcji emisji ozonu z przenośnego wysokonapięciowego sterylizatora powietrza na skutek zastosowania filtra węglowego. 1. METODYKA BADAŃ Węgiel aktywny, stosowany powszechnie w systemach ochrony powietrza jako adsorbent różnych zanieczyszczeń, jest materiałem porowatym, którego strukturę tworzy zbiór przypadkowo ułożonych grafitowych płytek. Wytwarza się go z różnych surowców: węgla kamiennego, torfu, drewna i łupin orzecha kokosowego. Większość węgli stosowanych w ochronie powietrza produkowana jest z węgla kamiennego. Grafitowe płytki posiadają bardzo dużą powierzchnię właściwą (jeden gram osiąga nawet 900 m 2 ), co zapewnia doskonałe możliwości adsorpcji zanieczyszczeń organicznych. Wydaje się, że sterylizator EWG mógłby zostać rozbudowany o filtr węglowy, ale także o filtr tkaninowy, który wychwytywałby cząstki pyłu. Wtedy jednak niezbędne byłoby zwiększenie strumienia pobieranego powietrza, co można zrealizować poprzez dostawienie małego wentylatora. Schemat takiego hybrydowego układu, pełniącego funkcje odpylacza i sterylizatora, przedstawia rysunek 2.
238 W. Mucha, J.S. Pastuszka, E. Marchwińska-Wyrwał Rys. 2. Schemat układu sterylizującego, hybrydowego, z filtrem węglowym W niniejszej pracy przedstawiono wyniki pomiarów skuteczności zatrzymania ozonu w filtrze z węgla aktywnego, umieszczonego w urządzeniu do sterylizacji powietrza. Oznaczenia ilościowe wykonano metodą kolorymetryczną z użyciem dwumetylo-p-fenylodwuaminy. Stężenia ozonu w cieczy absorpcyjnej zmierzono za pomocą skaningowego spektrometru UV-VIS firmy Shimadzu. Pomiary przeprowadzono w dwóch seriach przez dwa dni. Pierwsza seria pomiarów była realizowana bez filtra węglowego, natomiast seria druga z filtrem węglowym. Warunki meteorologiczne dla obu dni były porównywalne, a pomiary rozpoczynały się o godzinie 8:00. Pomieszczenie, w którym przeprowadzano pomiary, miało kubaturę 85 m 3 i posiadało wentylację naturalną. Pobory próbek powietrza próbek wykonywano co 1 h przez okres 7 h. 2. WYNIKI I DYSKUSJA Na rysunku 3 przedstawiono wyniki stężeń ozonu mierzone w trakcie pracy sterylizatora EWG w pomieszczeniu pomiarowym bez filtra węglowego oraz z filtrem węglowym. Jak widać, gdy nie stosowano węgla aktywnego, stężenie ozonu w pomieszczeniu dość szybko rosło w okresie pierwszych trzech godzin pracy sterylizatora, osiągając wartość prawie 2,8 µg/m 3 i następnie po czterech godzinach stabilizowało się na poziomie nieco ponad 3 µg/m 3. Gdy filtr węglowy był założony, stężenie ozonu wzrastało znacznie wolniej i stabilizowało się na znacznie niższym poziomie - około 1,2 µg/m 3.
Zastosowanie filtrów z węglem aktywnym w przenośnym urządzeniu 239 Rys. 3. Stężenie ozonu w pomieszczeniu sterylizowanym aparatem EWG w funkcji czasu pracy sterylizatora W oparciu o pomiary stężenia ozonu oraz prędkości gazów u wylotu sterylizatora możliwe było obliczenie emisji ozonu. Otrzymane wyniki zamieszczono w tabeli 1. Jak widać, chwilowa emisja ozonu ze sterylizatora EWG wynosiła około 9 µg/min, przy czym założenie filtra węglowego redukowało tę emisję do poziomu około 4 µg/min. Zatem skuteczność zatrzymania ozonu w filtrze węglowym wynosiła 60%. Jest to znacznie większa efektywność niż efektywność usuwania ozonu z powietrza za pomocą innych materiałów filtracyjnych. Przykładowo, Zhao i współpracownicy [7] otrzymali efektywność usuwania ozonu dla filtrów stosowanych w urządzeniach wentylacyjno-klimatyzacyjnych w granicach od 0 do 9% dla filtrów czystych i od 10 do 41% dla filtrów obciążonych pyłem (zużytych). TABELA 1. Zestawienie parametrów sterylizatora oraz wyniki pomiarów emisji ozonu Średnica efektywna wylotu 0,18 m Średnia prędkość gazów u wylotu 2 m/s Strumień powietrza przepływający przez sterylizator 183,22 m 3 /h Emisja ozonu bez zastosowania filtra z węglem aktywnym 9,175 µg/min Emisja ozonu z zastosowanym filtrem z węglem aktywnym 3,77 µg/min Skuteczność zatrzymania ozonu w filtrze węglowym 60% WNIOSKI Zastosowanie filtra z węgla aktywnego w przenośnym wysokonapięciowym sterylizatorze powietrza (EWG) redukuje emisję ozonu z tego urządzenia o 60%. Tak znaczący spadek emisji powoduje, że po wielogodzinnej pracy sterylizatora zaopatrzonego w filtr węglowy, w pomieszczeniu naturalnie wentylowanym, o kubaturze 85 m 3, stężenie ozonu w powietrzu zmniejsza się około trzykrotnie w stosunku do stężenia ozonu występującego w trakcie pracy sterylizatora bez filtra węglowego.
240 W. Mucha, J.S. Pastuszka, E. Marchwińska-Wyrwał LITERATURA [1] Zabiegała B., Patryka M., Namieśnik J., Jakość powietrza wewnętrznego - analiza i monitoring, Nowe horyzonty w analityce i monitoringu środowiskowym, Centrum Doskonalenia Analityki i Monitoringu Środowiskowego, Gdańsk 2003. [2] Pastuszka J.S., Narażenie na aerozole ziarniste, włókniste i biologiczne (bakterie i grzyby mikroskopijne) populacji generalnej Górnośląskiego Okręgu Przemysłowego, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2001. [3] Pastuszka J.S., Marchwińska-Wyrwał E., Wlazło A., Badanie skuteczności sterylizacji powietrza pomieszczeń przy pomocy oczyszczacza EWG (Electron Wind Generator), Materiały V Konferencji Naukowej Śląskie Seminarium Ochrony Środowiska (red. A. Misiołek), Bytom 2004, 73-74. [4] Gawęda E., Szkodliwe substancje chemiczne emitowane przez wybrane urządzenia biurowe podczas ich pracy, Raport CIP-PIB Bezpieczeństwo pracy 2004, 4, 19-23. [5] Zarządzenia Ministra Zdrowia i Opieki Społecznej z dnia 12 marca 1996 r. w sprawie dopuszczal- nych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia, Mon. Pol. Nr 19, poz. 231. [6] Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 29.11.2002 r. w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy, DzU Nr 217, poz. 1833. [7] Zhao P., Siegel J.A., Corsi R.L., Ozone removal by HVAC filters, Atmospheric Environment 2007, 41, 3151-3160. USING OF CARBON FILTERS IN THE PORTABLE CLEANER DEVICE FOR FILTRATION AND STERILIZATION OF INDOOR AIR Indoor air is frequently polluted by particulate matter and bioaerosol. Exposure to bioaerosols may be especially hazardous in the clinic and hospitals. Hence, it is very important to clean air in such buildings, especially in the surgery rooms. The Electron Wind Generator (EWG) is an air purification device using a sophisticated combination of electrode topology and specially designed high voltage power supply. The previous studies showed that this portable air cleaner can be successfully used for disinfection of indoor air. Unfortunately, due to the high voltage the significant emission of ozone during the work of this cleaner has been observed. Therefore, we applied the carbon filter in the EWG device to reduce the emission of ozone. This paper presents the preliminary results of the study on ozone removal efficiencies for used filter. KEYWORDS: carbon filter, ozone removal, bioaerosol, air sterilization