تنقية الهواء

تمّام درويش

متطلبات تنقية الهواء

منظومات تنقية الهواء

مصافي الهواء

مبدأ عمل مصافي الهواء

ضبط نقاوة الهواء ومعاييرها

تنقية الهواءair purification  هي تخليص الهواء من الملوثات التي يحملها. وتشمل عادة تنقية الهواء الداخل إلى أماكن السكن أو العمل أو المشافي، وتنقية الهواء الداخل إلى الملاجئ وتنقية هواء التنفس. كما تشمل أيضاً تنقية الهواء الداخل إلى بعض الآلات؛ مثل محركات الاحتراق الداخلي في المركبات. وثمّة تنقية أخرى تشمل الهواء الخارج من المصانع أو من الآلات لتجنب تلوث البيئة أو إلحاق الضرر بالعمال والقاطنين في الأماكن المجاورة. تستهدف تنقية الهواء أنواعاً عديدةً من الملوثات قد تكون صلبة (جسيمات) أو سائلة (رذاذ) أو غازية. تبدو عملية تنقية الهواء للوهلة الأولى سهلة، لكنها في الواقع عملية معقدة من حيث بنية منظومات التهوية وآليات التنقية وطرائق التأكد من تحقيق متطلباتها. وقد حظي موضوع نوعية الهواء باهتمام الإنسان منذ زمن طويل حين أدرك تأثير الدخان في صحته، ومن المفيد معرفة كمية الهواء التي تدخل رئتي الإنسان في اليوم والتي تبلغ وسطياً عشرين كيلوغراماً.

تعود أولى عمليات تنقية الهواء الصناعية إلى القرن التاسع عشر، ففي عام 1823 سجل جون وتشارلز دين e John & Charles Deanأول براءة اختراع لجهاز لتصفية الهواء من الدخان. وفي عام 1854 صمّم جون ستينهاوس  John Stenhouse  قناعاً لعمال المناجم والغطّاسين. وفي أثناء الحرب العالمية الثانية وفي إطار مشروع إنتاج القنبلة الذرية في الولايات المتحدة الأمريكية كانت الحاجة ماسّة إلى تصفية الهواء من الجسيمات المشعّة، فأدخلت هيئة الطاقة الذرية الأمريكية مصافي للهواء ذات كفاءة عالية دعيت اختصاراً مصافي الهيبا HEPA filter، وقد وجدت لها فيما بعد تطبيقات كثيرة، وتعد اليوم مكوناً رئيسياً في معظم منظومات تنقية الهواء.

متطلبات تنقية الهواء

تختلف متطلبات تنقية الهواء بحسب مصدر الهواء المراد تنقيته ومآله، وقد انكب المختصون في كل مجال على وضع شروط لتنقية الهواء في إطار مواصفات أو حدود إرشادية أو تشريعات خاصة، كما في حالة التشريعات التي تحدد نوعية الهواء الداخلي. والمقصود بالهواء الداخلي indoor air هواء الأماكن المأهولة المغلقة والذي يُجدّد بالتهوية والتنقية. وقد حظيت تنقية الهواء من الجسيمات  particulate matterالتي حجمها أصغر من 10 مكرومتر باهتمام كبير مؤخراً نظراً لخطورتها الكبيرة على الجهاز التنفسي، ويرمز إليها اختصاراً بـ-PM₁₀، مع تركيز متنامٍ على الجسيمات الدقيقة جداً والتي حجمها أصغر من 2.5 مكرومتر (PM_2.5).

ولكل مجالٍ متطلبات خاصة؛ فتنقية الهواء في المشافي -مثلاً- تتطلّب نظام تهوية خاصاً، يضمن الحد من حركة الهواء بين أقسام المشفى لضمان عدم انتقال الملوثات وانتشار العدوى من قسم إلى آخر؛ مع معالجة خاصة للهواء الداخل إلى كل قسم وتصفيته إلى المستوى المطلوب ولاسيما غرف العمليّات.

منظومات تنقية الهواء

غالباً ما تؤلف منظومات تنقية الهواء جزءاً من منظومات أشمل تضم أربع وظائف هي: التهوية والتدفئة والتكييف إلى جانب التنقية. ويعتمد تصميم منظومات تنقية الهواء على أنواع الملوثات المراد التخلّص منها وحجومها؛ وعلى كفاءة التنقية المطلوبة، والتكاليف التي تترتب على اقتناء المنظومة وتشغيلها وصيانتها، ويُعد عامل التكلفة أساسياً في اختيار مكونات المنظومة. ويمكن أن تشمل منظومة تنقية الهواء عدة مصافٍ مربوطة على التسلسل مع مضخات لسحب الهواء وشبكة أنابيب لتوزيعه ومنظِّمات ضغط ومقاييس. أما المصافي فيمكن أن تكون مصافي تعمل بالتصفية الميكانيكية و/أو مصافي كيميائية، كما يمكن أن تتضمن مرسبات دوّامية (سيكلونات) و/أو مرسبات إلكتروستاتية electrostatics (كهرراكدة) و/أو أجهزة غسيل الغازات.

تعمل المرسبات الدوّامية بقوى العطالة المتولدة من سرعة تيار الهواء، وتستخدم للتخلص من الملوثات التي تزيد أقطارها على 10 مكرومتر. وتوفّر تنقية الهواء بالمرسّبات الإلكتروستاتية تقنية فعّالة في إزالة الملوثات التي تراوح أقطارها بين 10 مكرومتر إلى 0.01 مكرومتر. يجري في المرسّب الإلكتروستاتي تأيين الملوثات فتصبح حاملة لشحنة موجبة، ثم تمر في التيار الهوائي بين صفائح متناوبة الشحنة فتنجذب الملوثات الموجبة إلى الصفائح السالبة، وتتناقص فعالية هذه المرسبات بسرعة بسبب تراكم الملوثات على الصفائح إلى أن تُزال بالغسيل.

تستخدم أجهزة غسيل الغازات للتخلص من العديد من الملوثات كالغازات الحامضية، وتتم عملية غسيل الهواء الملوث بوساطة محاليل مناسبة. وخير مثال عليها استخدام المحاليل القلوية لتخليص الهواء من غاز ثنائي أكسيد الكبريت SO₂الناتج من حرق الوقود الأحفوري الغني بالكبريت.

مصافي الهواء

مصفاة الهواء / أو مرشّح الهواء air filter؛ هي جهاز ينقي الهواء من الملوّثات الصلبة أو السائلة أو الغازية. تصنع هذه المصافي من أنسجة مسامية أو ألياف من القطن أو اللباد أو السلولوز أو الصوف الزجاجي أو البوليستر أو البوليبروبيلين، أو من مواد صلبة ذات بنية حبيبية تمتز الملوّثات كالفحم النشيط. ولكي تؤدي مصفاة الهواء الدور المطلوب منها يجب أن تنقي الهواء من دون أن تعيق تدفقه. تصنّف مصافي الهواء في أنواع كثيرة بحسب مجال استخدامها والمادة المصنوعة منها وشكلها والمواد المستهدفة بالتنقية وكفاءة التنقية (الشكل 1):

الشكل (1) نماذج من مصافي الهواء.

1-  مصافي الجسيمات الدقيقة particulate filters:

 تنقي هذه المصافي الهواء من الجسيمات بطريقة ميكانيكية، وتصنّف في عدة أنواع بحسب كفاءتها وأبعاد الجسيمات التي تحتجزها وطرائق الكشف عنها (الشكل 2).

الشكل (2) أبعاد ملوثات الهواء وطرائق كشفها.

-       المصافيالخشنة rough filters: هي مرشّحات تنقي الهواء من جسيمات الغبار الكبيرة حتى قطر  50 مكرومتراً.

-       المصافي الأولية primary filters: هي مرشّحات تنقي الهواء من أكبر قدر من الجسيمات التي يزيد قطرها على 5 مكرومتر، وتسمح بتدفق هوائي كبير.

-       مصافي المرحلة الثانية second-stage filters: هي مرشّحات تنقي الهواء من الجسيمات التي تجتاز المصافي الأولية والتي يراوح قطرها بين 0.5-5  مكرومتر. وتمرر هذه المصافي الهواء بسرعة خطّية صغيرة من مرتبة 12سم/ثا.

-       مصافي المرحلة النهائية final stage filters/ أو المصافي الدقيقة: هي مرشّحات تنقي الهواء من الجسيمات الدقيقة جداً والتي تجتاز مصافي المرحلة الثانية، وتصنع من ألياف الصوف الزجاجي أو التفلون، ولها نوعان:

أ‌.       مصافي الهواء ذات الكفاءة العالية high-efficiency particulate air filter: تنقي الهواء من الجسيمات الدقيقة بكفاءة عالية؛ حتى 99.97% للجسيمات التي يزيد قطرها على 0.3 مكرومتر.

ب‌.  مصافي الهواء ذات التسريب المنخفض جداً ultra low penetration air filter: تصفي الهواء من الجسيمات الدقيقة بكفاءة تزيد على 99.999% للجسيمات في المجال 0.1-0.2 مكرومتر، ولا تتجاوز السرعة الخطية للهواء المار في هذه المصافي 3 سم/ثا.

2-   مصافي الغازات gas filters:

 تستخدم هذه المصافي لتصفية الهواء من الغازات والأبخرة الضارّة، وتصنع أساساً من مواد مازّة كالفحم النشيط activated carbon، كما يمكن أن تُصنع من الزيوليت الطبيعي أو الصناعي أو من الألومينا أو هلام السيليكا silica gel أو من مواد بوليميرية بحسب الغازات المراد تصفيتها. تمتاز المواد المازّة بمساميتها الكبيرة وبسطحها النوعي الكبير الذي يحقق تماساً كبيراً بين سطح حبيبات المادة المازّة وجزيئات الملوثات المحمولة في التيار الهوائي. وتعتمد آلية التصفية على الامتزاز (الادمصاص) الفيزيائي أو الكيميائي أو الاثنين معاً. ويستخدم الفحم النشيط عموماً لتصفية المركبات العضوية، ويستخدم هلام السيليكا والألومينا لتصفية المركبات القطبية كهربائياً.

تفقد مصافي الجسيمات فعاليتها بتراكم المواد فيخف الضغط ويتناقص تدفق الهواء، في حين تفقد مصافي الغازات فعاليتها بتناقص قدرتها على التقاط الملوثات، وتحدث فيها ظاهرة الاختراق؛ أي مرور الغازات الضارة المراد تصفيتها في المصفاة من دون احتجازها.

3-    مصافي أقنعة التنفّس respiratory air filters:

تستخدم أنواع مختلفة من المصافي لتنقية هواء التنفس في بيئات العمل الصناعية وفي مجالات الحماية المدنية والعسكرية. وتحتوي المصافي التي تركب على قناع الوجه الواقي على مرشِّح ورقي ومرشِّح من مادة مازّة مناسبة للغازات الموجودة في بيئة العمل؛ كالفحم النشيط البسيط الذي يمتز المركبات العضوية، وقد تتكون من طبقات متعددة تسمح بالتقاط أنواع مختلفة من الأبخرة والغازات الضارّة. أما المصفاة الشاملة المعدة للاستخدام المدني والعسكري فتحتوي على فحم نشيط من نوع خاص مدعّم بإضافات تعزز من قدرته على امتزاز طيف واسع من الأبخرة والغازات.

4-    مصافي هواء الملاجئ shelter air filters:

 تستخدم مصافي هواء الملاجئ لتنقية الهواء الداخل إلى الملاجئ المدنية والعسكرية في زمن الخطر والحروب، وتسمح بإمرار الهواء بتدفقات كبيرة تتناسب مع طاقة استيعاب الملجأ. وتتألف هذه المصافي عادةً من مرشِّح أولي ومرشِّح هيبا ومرشِّح من الفحم النشيط. تستخدم عادة في مصافي الملاجئ العسكرية أنواع متطورة من الفحم النشيط الذي يسمح بامتزاز طيف واسع من الملوثات.

5-   مصافي هواء غرف العمليات surgery room air filters:

 تتطلب المشافي منظومات تصفية خاصة ولاسيما غرف العمليات وغرف العناية المشددة، كما أن بعض الصناعات الصيدلانية تتطلب أيضاً درجة مرتفعة من نقاوة الهواء المصفّى ولاسيما صناعة اللقاحات والهرمونات والمضادات الحيوية والإنزيمات. تسمح التصفية الميكانيكية بالتخلص من الجراثيم، ولأن مصافي الجسيمات غير قادرة على التخلص تماماً من الڤيروسات بسبب صغر حجمها (أقل من 0.1 مكرومتر) فلا بد من تعقيم الهواء.

6-   مصافي هواء المركبات vehicle air filters:

 تتطلب عملية الاحتراق الداخلي في محركات المركبات هواءً خالياً من الغبار الذي يسبب التأَكل الميكانيكي لقطع المحرك؛ ويلوّث زيت المحرّك. وتُستخدم لهذا الغرض مصافٍ من الورق المقوّى والمطوّى ذي المسام، كما تُستخدم في بعض أنواع المركبات مصافٍ إسفنجية أو مصافٍ زيتية أو مصافٍ ذات كفاءة عالية بحسب نوع المركبة والوسط المحيط الذي ستعمل فيه.

مبدأ عمل مصافي الهواء

ثمّة أربع آليات للتصفية الميكانيكية للهواء يوضحها الشكل (3)؛ هي الغربلة والارتطام والاعتراض والانتشار، فالغربلة هي المبدأ الأهم والأبسط في عملية التصفية حيث تُحتجز الجسيمات التي يزيد حجمها على حجم المسامات بين ألياف المادة التي تتكون منها مصفاة الهواء. أما التصفية بالارتطام فتعتمد على تصادم الجسيمات الكبيرة في التيار الهوائي بالألياف بسرعة كبيرة فتلتصق بها. وتحدث التصفية بالاعتراض عندما تحتجز الألياف الكبيرة الجسيمات الصغيرة. أما التصفية بالانتشار فتتم عندما تتحرك الجسيمات الصغيرة بشكل عشوائي بحركة دوّامية فتواجه في مسارها ألياف وسط الترشيح. فالغربلة والارتطام هما الآليتان الرئيسيتان لتنقية الهواء من الجسيمات الكبيرة في المصافي الخشنة والأولية، أما الاعتراض فهو الآلية الرئيسية لتنقية الهواء من الجسيمات في المصافي ذات الكفاءة المتوسطة، في حين تعتمد المصافي الدقيقة أساساً على الانتشار. وعموماً فإن الكفاءة الكلية لمصفاة الهواء هي محصلة كفاءة كل من الآليات الأربع مجتمعة.

الشكل (3) آليات التصفية الميكانيكية للهواء.

ضبط نقاوة الهواء ومعاييرها

تتعلق نوعية الهواء الداخلي indoor air quality بجودة الهواء داخل المباني من حيث إنه صحي ومريح للأشخاص الموجودين فيها، ومن المعروف أن بعض المباني تسبب عوارض صحية مزعجة لمن يقطنها أو يعمل ضمنها كاحمرار العينين والصداع وصعوبة التنفس. وهذا ما يدعى بمتلازمة البناء المُمْرض sick building syndrome، ويصعب عادة تحديد السبب المباشر لهذه العوارض، ولكنه يعزى إلى رداءة نوعية الهواء فيها بسبب سوء التهوية؛ ولوجود نسب مرتفعة من ملوثات الهواء التي قد يكون مصدرها داخلياً أو خارجياً.

للحصول على هواء نقي إلى درجة معينة يجب أولاً تقييم نوعية الهواء قبل التنقية، وتحديد متطلبات التنقية ثم تصميم منظومة التنقية ووضعها في الخدمة، ثم اختبارها بعد التركيب. ويفضل وجود نظام مراقبة مستمر.

تُصنّف مصافي الهواء وتُختبر وفق المواصفات الدولية كالمواصفتين EN779 وEN1822 الصادرتين عن الاتحاد الأوربي والمواصفة الأمريكية ASHRAE 52.2 الصادرة عن الجمعية الأمريكية لمهندسي التدفئة والتبريد والتكييف. يعتمد المبدأ العام لاختبار كفاءة مصافي الجسيمات على قياس عدد الجسيمات في التيّار الهوائي قبل دخوله مصفاة الهواء وبعد مروره فيها، ويستخدم لتحديد الكفاءة عادةً اختبار اختراق مادة دي أوكتيل فتالاتdioctyl phthalate . أما مصافي الغازات فتركيز الغاز هو معيار الكفاءة حيث يقاس معدل اختراق الغاز للمصفاة.