วัสดุที่ใช้ในตัวกรอง HEPA คืออะไร?

กระบวนการผลิตวัสดุกรอง HEPA

การแสดงของวัสดุตัวกรอง HEPAคุณสมบัติของเส้นใยไม่ได้ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางวัสดุเพียงอย่างเดียว แต่ยังขึ้นอยู่กับกระบวนการผลิตที่ใช้ในการสร้างโครงสร้างเส้นใยด้วย กระบวนการสำคัญที่เกี่ยวข้องมีดังนี้:

1. การเป่าหลอม (วัสดุพอลิเมอร์)

การเป่าหลอม (Meltblown) เป็นวิธีการหลักในการผลิตแผ่นกรอง HEPA ที่ทำจากพอลิเมอร์ ในกระบวนการนี้ เม็ดพอลิเมอร์ (เช่น โพลีโพรพีลีน) จะถูกหลอมและอัดออกมาผ่านหัวฉีดขนาดเล็ก จากนั้นจะเป่าลมร้อนความเร็วสูงไปบนกระแสพอลิเมอร์ที่หลอมเหลว ทำให้พอลิเมอร์ยืดออกเป็นเส้นใยละเอียดมาก (โดยทั่วไปมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1–5 ไมโครเมตร) ซึ่งจะถูกวางลงบนสายพานลำเลียงที่กำลังเคลื่อนที่ เมื่อเส้นใยเย็นตัวลง เส้นใยจะยึดติดกันแบบสุ่มเพื่อสร้างเป็นใยที่ไม่ทอที่มีโครงสร้างสามมิติแบบมีรูพรุน ขนาดรูพรุนและความหนาแน่นของเส้นใยสามารถปรับได้โดยการควบคุมความเร็วลม อุณหภูมิของพอลิเมอร์ และอัตราการอัด ทำให้ผู้ผลิตสามารถปรับแต่งแผ่นกรองให้เหมาะสมกับประสิทธิภาพและความต้องการการไหลของอากาศที่เฉพาะเจาะจงได้ แผ่นกรองที่ผลิตด้วยกระบวนการเป่าหลอมนั้นคุ้มค่าและสามารถขยายขนาดได้ ทำให้เป็นตัวเลือกที่นิยมใช้มากที่สุดสำหรับการผลิตแผ่นกรอง HEPA ในปริมาณมาก

2. การปั่นเส้นใยด้วยไฟฟ้า (วัสดุนาโนไฟเบอร์)

การปั่นด้วยไฟฟ้า (Electrospinning) เป็นกระบวนการขั้นสูงที่ใช้ในการสร้างเส้นใยพอลิเมอร์ละเอียดพิเศษ (นาโนไฟเบอร์ มีเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ 10 ถึง 100 นาโนเมตร) ในเทคนิคนี้ สารละลายพอลิเมอร์จะถูกบรรจุลงในกระบอกฉีดยาที่มีเข็มขนาดเล็ก ซึ่งเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟแรงสูง เมื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้า สนามไฟฟ้าจะเกิดขึ้นระหว่างเข็มและตัวเก็บประจุที่ต่อลงดิน สารละลายพอลิเมอร์จะถูกดูดออกจากเข็มเป็นลำละเอียด ซึ่งจะยืดและแห้งในอากาศเพื่อสร้างนาโนไฟเบอร์ที่สะสมอยู่บนตัวเก็บประจุเป็นแผ่นบางๆ ที่มีรูพรุน แผ่นกรอง HEPA ที่ทำจากนาโนไฟเบอร์มีประสิทธิภาพการกรองที่ยอดเยี่ยม เนื่องจากเส้นใยขนาดเล็กสร้างเครือข่ายรูพรุนหนาแน่นที่สามารถดักจับอนุภาคละเอียดพิเศษได้ นอกจากนี้ เส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใยที่เล็กยังช่วยลดแรงต้านอากาศ ส่งผลให้ความดันลดลงน้อยลงและประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงขึ้น อย่างไรก็ตาม การปั่นด้วยไฟฟ้าใช้เวลานานและมีราคาแพงกว่าการเป่าหลอม (meltblowing) ดังนั้นจึงใช้เป็นหลักในงานที่มีประสิทธิภาพสูง เช่น อุปกรณ์ทางการแพทย์และตัวกรองสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ

3. กระบวนการวางแบบเปียก (วัสดุใยแก้ว)

แผ่นกรอง HEPA ที่ทำจากใยแก้วมักผลิตโดยใช้กระบวนการแบบเปียก (wet-laid process) คล้ายกับการผลิตกระดาษ ขั้นแรก ใยแก้วจะถูกสับเป็นชิ้นสั้นๆ (1–5 มิลลิเมตร) แล้วผสมกับน้ำและสารเคมี (เช่น สารยึดเกาะและสารกระจายตัว) เพื่อให้ได้สารละลายข้น จากนั้นสารละลายข้นจะถูกปั๊มลงบนตะแกรงเคลื่อนที่ (ตาข่ายลวด) ซึ่งน้ำจะไหลออกไป เหลือไว้เพียงแผ่นใยแก้วที่เรียงตัวแบบสุ่ม แผ่นใยแก้วจะถูกทำให้แห้งและให้ความร้อนเพื่อกระตุ้นสารยึดเกาะ ซึ่งจะเชื่อมใยแก้วเข้าด้วยกันเพื่อสร้างโครงสร้างที่แข็งและมีรูพรุน กระบวนการแบบเปียกช่วยให้สามารถควบคุมการกระจายตัวและความหนาของใยแก้วได้อย่างแม่นยำ ทำให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพการกรองที่สม่ำเสมอทั่วทั้งแผ่น อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้ใช้พลังงานมากกว่ากระบวนการเป่าหลอม (meltblowing) ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนของแผ่นกรอง HEPA ที่ทำจากใยแก้วสูงขึ้น

ตัวชี้วัดประสิทธิภาพหลักของวัสดุกรอง HEPA

ในการประเมินประสิทธิภาพของวัสดุกรอง HEPA จะมีการใช้ตัวชี้วัดประสิทธิภาพหลัก (KPI) หลายประการ ได้แก่:

1. ประสิทธิภาพการกรอง

ประสิทธิภาพการกรองเป็นตัวชี้วัดประสิทธิภาพที่สำคัญที่สุด โดยวัดเปอร์เซ็นต์ของอนุภาคที่ถูกดักจับโดยวัสดุกรอง ตามมาตรฐานสากล วัสดุกรอง HEPA แท้ต้องมีประสิทธิภาพขั้นต่ำ 99.97% สำหรับอนุภาคขนาด 0.3 ไมโครเมตร (มักเรียกว่า "ขนาดอนุภาคที่ทะลุผ่านได้มากที่สุด" หรือ MPPS) วัสดุกรอง HEPA คุณภาพสูงกว่า (เช่น HEPA H13, H14 ตามมาตรฐาน EN 1822) สามารถมีประสิทธิภาพ 99.95% หรือสูงกว่าสำหรับอนุภาคขนาดเล็กถึง 0.1 ไมโครเมตร ประสิทธิภาพจะถูกทดสอบโดยใช้วิธีการต่างๆ เช่น การทดสอบไดออกทิลพทาเลต (DOP) หรือการทดสอบลูกปัดโพลีสไตรีนลาเท็กซ์ (PSL) ซึ่งวัดความเข้มข้นของอนุภาคก่อนและหลังการผ่านวัสดุกรอง

2. การลดลงของความดัน

การลดลงของความดันหมายถึงความต้านทานต่อการไหลของอากาศที่เกิดจากวัสดุตัวกรอง การลดลงของความดันที่ต่ำกว่านั้นเป็นที่ต้องการ เพราะจะช่วยลดการใช้พลังงาน (สำหรับระบบปรับอากาศหรือเครื่องฟอกอากาศ) และปรับปรุงการหายใจได้สะดวกขึ้น (สำหรับหน้ากากป้องกันระบบทางเดินหายใจ) การลดลงของความดันของวัสดุ HEPA ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของเส้นใย ความหนา และขนาดรูพรุน โดยทั่วไปแล้ววัสดุที่มีความหนาแน่นสูงกว่าและมีรูพรุนเล็กกว่าจะมีประสิทธิภาพสูงกว่า แต่ก็มีการลดลงของความดันสูงกว่าด้วย ผู้ผลิตจึงปรับสมดุลปัจจัยเหล่านี้เพื่อสร้างวัสดุที่ให้ทั้งประสิทธิภาพสูงและการลดลงของความดันต่ำ เช่น การใช้เส้นใยที่มีประจุไฟฟ้าสถิตเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพโดยไม่ต้องเพิ่มความหนาแน่นของเส้นใย

3. ความสามารถในการกักเก็บฝุ่น (DHC)

ความสามารถในการดักจับฝุ่น (Dust Holding Capacity หรือ DHC) คือปริมาณสูงสุดของอนุภาคฝุ่นละอองที่วัสดุกรองสามารถดักจับได้ก่อนที่ความดันตกคร่อมจะเกินขีดจำกัดที่กำหนด (โดยปกติ 250–500 Pa) หรือประสิทธิภาพลดลงต่ำกว่าระดับที่ต้องการ ค่า DHC ที่สูงขึ้นหมายความว่าตัวกรองมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น ช่วยลดต้นทุนการเปลี่ยนและลดความถี่ในการบำรุงรักษา โดยทั่วไปแล้ววัสดุกรองใยแก้วจะมีค่า DHC สูงกว่าวัสดุกรองโพลีเมอร์ เนื่องจากโครงสร้างที่แข็งแรงกว่าและปริมาตรรูพรุนที่ใหญ่กว่า ทำให้เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีฝุ่นมาก เช่น โรงงานอุตสาหกรรม

4. ความทนทานต่อสารเคมีและอุณหภูมิ

สำหรับงานเฉพาะทาง ความทนทานต่อสารเคมีและอุณหภูมิเป็นตัวชี้วัดประสิทธิภาพที่สำคัญ วัสดุกรองใยแก้วสามารถทนต่ออุณหภูมิได้ถึง 250°C และทนต่อกรดและด่างส่วนใหญ่ ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานในโรงงานเผาขยะหรือโรงงานแปรรูปทางเคมี วัสดุกรองพอลิเมอร์ที่ทำจาก PTFE มีความทนทานต่อสารเคมีสูงและสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงถึง 200°C ในขณะที่วัสดุกรองโพลีโพรพีลีนมีความทนทานต่อความร้อนน้อยกว่า (อุณหภูมิใช้งานสูงสุดประมาณ 80°C) แต่มีความทนทานต่อน้ำมันและตัวทำละลายอินทรีย์ได้ดี

การใช้งานของวัสดุกรอง HEPA

แผ่นกรอง HEPA ถูกนำไปใช้ในงานหลากหลายประเภทในอุตสาหกรรมต่างๆ โดยมีแรงผลักดันจากความต้องการอากาศสะอาดและสภาพแวดล้อมที่ปราศจากอนุภาค:

1. การดูแลสุขภาพและการแพทย์

ในโรงพยาบาล คลินิก และโรงงานผลิตยา แผ่นกรอง HEPA มีความสำคัญอย่างยิ่งในการป้องกันการแพร่กระจายของเชื้อโรคในอากาศ (เช่น แบคทีเรีย ไวรัส และสปอร์ของเชื้อรา) โดยใช้ในห้องผ่าตัด ห้องไอซียู ห้องปลอดเชื้อสำหรับการผลิตยา และอุปกรณ์ทางการแพทย์ เช่น เครื่องช่วยหายใจและเครื่องช่วยหายใจแบบครอบศีรษะ แผ่นกรอง HEPA ที่ทำจากใยแก้วและ PTFE เป็นที่นิยมใช้เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูง ทนต่อสารเคมี และสามารถทนต่อกระบวนการฆ่าเชื้อ (เช่น การนึ่งฆ่าเชื้อ) ได้

2. ระบบปรับอากาศและคุณภาพอากาศภายในอาคาร

ระบบทำความร้อน การระบายอากาศ และการปรับอากาศ (HVAC) ในอาคารพาณิชย์ ศูนย์ข้อมูล และบ้านพักอาศัย ใช้แผ่นกรอง HEPA เพื่อปรับปรุงคุณภาพอากาศภายในอาคาร (IAQ) แผ่นกรอง HEPA ชนิดโพลีเมอร์นิยมใช้ในเครื่องฟอกอากาศในบ้านและตัวกรอง HVAC เนื่องจากมีราคาถูกและประหยัดพลังงาน ในขณะที่แผ่นกรองใยแก้วใช้ในระบบ HVAC ขนาดใหญ่สำหรับอาคารพาณิชย์ในสภาพแวดล้อมที่มีฝุ่นละอองสูง

3. อุตสาหกรรมและการผลิต

ในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรม เช่น การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ การผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และการประกอบรถยนต์ แผ่นกรอง HEPA ถูกนำมาใช้เพื่อรักษาสภาพห้องปลอดเชื้อที่มีปริมาณอนุภาคต่ำมาก (วัดเป็นอนุภาคต่อลูกบาศก์ฟุต) การใช้งานเหล่านี้ต้องการแผ่นกรอง HEPA คุณภาพสูง (เช่น H14) เพื่อป้องกันการปนเปื้อนของชิ้นส่วนที่ไวต่อการปนเปื้อน โดยทั่วไปแล้ว แผ่นกรองใยแก้วและวัสดุผสมจะได้รับความนิยมเนื่องจากมีประสิทธิภาพสูงและทนทาน

4. ผลิตภัณฑ์สำหรับผู้บริโภค

แผ่นกรอง HEPA ถูกนำมาใช้มากขึ้นในผลิตภัณฑ์สำหรับผู้บริโภค เช่น เครื่องดูดฝุ่น เครื่องฟอกอากาศ และหน้ากากอนามัย ส่วนแผ่นกรองโพลีเมอร์แบบเป่าละลาย (polymeric meltblown media) เป็นวัสดุหลักในหน้ากาก N95/KN95 ซึ่งกลายเป็นสิ่งจำเป็นในช่วงการระบาดของ COVID-19 เพื่อป้องกันไวรัสในอากาศ ในเครื่องดูดฝุ่น แผ่นกรอง HEPA ช่วยป้องกันฝุ่นละอองขนาดเล็กและสารก่อภูมิแพ้ไม่ให้ถูกปล่อยกลับเข้าสู่อากาศ ทำให้คุณภาพอากาศภายในอาคารดีขึ้น

แนวโน้มในอนาคตของวัสดุตัวกรอง HEPA

เนื่องจากความต้องการอากาศบริสุทธิ์เพิ่มมากขึ้นและเทคโนโลยีพัฒนาไปอย่างต่อเนื่อง แนวโน้มหลายประการจึงกำลังกำหนดอนาคตของวัสดุตัวกรอง HEPA:

1. เทคโนโลยีนาโนไฟเบอร์

การพัฒนาแผ่นกรอง HEPA ที่ทำจากเส้นใยนาโนเป็นแนวโน้มสำคัญ เนื่องจากเส้นใยละเอียดพิเศษเหล่านี้มีประสิทธิภาพสูงกว่าและแรงดันตกคร่อมต่ำกว่าแผ่นกรองแบบดั้งเดิม ความก้าวหน้าในเทคนิคการปั่นด้วยไฟฟ้าและการเป่าหลอมทำให้การผลิตแผ่นกรองเส้นใยนาโนมีต้นทุนที่คุ้มค่ามากขึ้น ส่งผลให้มีการใช้งานในภาคอุตสาหกรรมและผู้บริโภคเพิ่มมากขึ้น นักวิจัยยังกำลังศึกษาการใช้พอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ (เช่น กรดโพลีแลคติก หรือ PLA) สำหรับแผ่นกรองเส้นใยนาโนเพื่อแก้ไขปัญหาสิ่งแวดล้อมเกี่ยวกับขยะพลาสติก

2. การเสริมแรงด้วยไฟฟ้าสถิต

วัสดุกรองแบบอิเล็กเตรต ซึ่งอาศัยประจุไฟฟ้าสถิตในการดักจับอนุภาค กำลังได้รับการพัฒนาให้ทันสมัยยิ่งขึ้น ผู้ผลิตกำลังพัฒนาเทคนิคการชาร์จประจุแบบใหม่ๆ (เช่น การปล่อยประจุโคโรนา การชาร์จประจุแบบไตรโบอิเล็กทริก) ที่ช่วยยืดอายุการใช้งานของประจุไฟฟ้าสถิต ทำให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพที่สม่ำเสมอ ตลอดอายุการใช้งานของตัวกรอง ซึ่งจะช่วยลดความจำเป็นในการเปลี่ยนตัวกรองบ่อยครั้งและลดการใช้พลังงาน

3. สื่อมัลติฟังก์ชั่น

วัสดุตัวกรอง HEPA ในอนาคตจะได้รับการออกแบบให้ทำหน้าที่หลายอย่าง เช่น ดักจับอนุภาค กำจัดกลิ่น และทำให้ก๊าซเป็นกลาง ซึ่งกำลังดำเนินการอยู่โดยการผสมผสานถ่านกัมมันต์ วัสดุเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง (เช่น ไทเทเนียมไดออกไซด์) และสารต้านจุลชีพเข้าไปในวัสดุ ตัวอย่างเช่น วัสดุ HEPA ที่มีคุณสมบัติต้านจุลชีพสามารถยับยั้งการเจริญเติบโตของแบคทีเรียและเชื้อราบนพื้นผิวตัวกรอง ลดความเสี่ยงของการปนเปื้อนทุติยภูมิ

4. วัสดุที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

ด้วยความตระหนักด้านสิ่งแวดล้อมที่เพิ่มมากขึ้น จึงมีการผลักดันให้มีการใช้วัสดุตัวกรอง HEPA ที่ยั่งยืนมากขึ้น ผู้ผลิตกำลังสำรวจทรัพยากรหมุนเวียน (เช่น โพลิเมอร์จากพืช) และวัสดุที่รีไซเคิลได้ เพื่อลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของตัวกรองแบบใช้แล้วทิ้ง นอกจากนี้ ยังมีความพยายามที่จะปรับปรุงความสามารถในการรีไซเคิลและการย่อยสลายทางชีวภาพของวัสดุโพลิเมอร์ที่มีอยู่ เพื่อแก้ไขปัญหาขยะตัวกรองในหลุมฝังกลบ

วัสดุตัวกรอง HEPA เป็นวัสดุพิเศษที่ออกแบบมาเพื่อดักจับอนุภาคในอากาศขนาดเล็กได้อย่างมีประสิทธิภาพสูง มีบทบาทสำคัญในการปกป้องสุขภาพของมนุษย์และรักษาสภาพแวดล้อมที่สะอาดในอุตสาหกรรมต่างๆ ตั้งแต่เส้นใยแก้วแบบดั้งเดิมไปจนถึงเส้นใยนาโนโพลีเมอร์ขั้นสูงและโครงสร้างคอมโพสิต องค์ประกอบของวัสดุตัวกรอง HEPA ถูกปรับแต่งให้ตรงกับความต้องการเฉพาะของการใช้งานที่แตกต่างกัน กระบวนการผลิต เช่น การเป่าหลอม การปั่นด้วยไฟฟ้า และการวางแบบเปียก จะกำหนดโครงสร้างของวัสดุ ซึ่งส่งผลต่อตัวชี้วัดประสิทธิภาพหลัก เช่น ประสิทธิภาพการกรอง การลดลงของความดัน และความสามารถในการดักจับฝุ่น เมื่อเทคโนโลยีพัฒนาไปเรื่อยๆ แนวโน้มต่างๆ เช่น เทคโนโลยีเส้นใยนาโน การเสริมประสิทธิภาพด้วยไฟฟ้าสถิต การออกแบบอเนกประสงค์ และความยั่งยืน กำลังผลักดันนวัตกรรมในวัสดุตัวกรอง HEPA ทำให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น คุ้มค่ามากขึ้น และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น ไม่ว่าจะเป็นในด้านการดูแลสุขภาพ การผลิตทางอุตสาหกรรม หรือผลิตภัณฑ์สำหรับผู้บริโภค วัสดุตัวกรอง HEPA จะยังคงเป็นเครื่องมือสำคัญในการสร้างความมั่นใจว่าอากาศจะสะอาดและมีสุขภาพที่ดีขึ้นในอนาคต