Filtr wstępny to zazwyczaj najmniej zaawansowany technologicznie produkt - cienka gąbka lub siatka. Czasem to perforowana plastikowa płytka lub nawet część obudowy. Jego zadaniem jest zatrzymanie dużych cząstek zanieczyszczeń takich jak sierść, włosy, kurz i niektóre alergeny. Zazwyczaj gołym okiem zobaczysz, że jest on już przybrudzony i trzeba go umyć lub odkurzyć. Doskonale uzmysławia, że nawet w wyglądającym na czyste pomieszczeniach, coś wisi w powietrzu.

Drugi filtr to już najbardziej zaawansowana technologia wojskowa XX w. Do 1952 r. poniższy opis byłby opatrzony klauzulą “ TOP SECRET”. W oczyszczaczach powietrza najważniejszy jest bowiem filtr HEPA, czyli wysokowydajny filtr cząsteczek powietrza (High Efficiency Particulate Air). Jego koncepcję opracował amerykański fizykochemik Irving Langmuir - laureat nagrody Nobla z 1932 r. W trakcie pracy nad projektem Manhattan, który doprowadził do budowy bomby atomowej, armia USA miała problem z filtrowaniem radioaktywnych cząsteczek, powstających przy produkcji ładunków. Irving Langmuir po dokładnej analizie napromieniowanego pyłu, rekomendował, aby skoncentrować prace na cząsteczkach o rozmiarze 0,3 mikrometra, czyli w nomenklaturze z literką “PM” to byłoby PM0.3. Są one najgroźniejsza dla naszego zdrowia, bo szybko i głęboko wnikają do naszego organizmu. Filtry początkowo były stosowane w maskach gazowych a dopiero później opracowano ich “pokojowe” wersje. Pierwsze informacje o ich budowie opublikowane zostały przez Komisję Energii Atomowej w wydanym w 1952 r. “Podręczniku oczyszczania powietrza” (Handbook on Air Cleaning). Komisja jest bezpośrednim spadkobiercą projektu Manhattan. 

Filtr HEPA pozwala nam się prawie całkowicie pozbyć cząstek stałych z powietrza. Jest swoistym sitkiem, które wyłapuje pyły (w tym te smogowe - PM2.5 i PM10), drobiny kurzu czy alergeny. Jest skuteczny także w wypadku bakterii i wirusów, dzięki wykorzystaniu specjalnych zjawisk fizycznych.

Filtr jest wykonany z włókien szklanych. Włókna są rozmieszczone chaotycznie a odstępy między nimi wahają się od 0,5 mikrometra do 2 mikrometrów (PM0.5 i PM2). Dzięki takiemu rozkładowi możliwe jest wykorzystanie właśnie aż trzech różnych zjawisk fizycznych do oczyszczania powietrza. Pierwsze to dyfuzja, czyli rozproszenie i dotyczy cząsteczek o wielkości poniżej 0,1 mikrometra (PM0.1). To np. niektóre wirusy. Tak małe cząsteczki są wrażliwe na zderzenia z atomami gazów, tworzących powietrze - azotem, tlenem czy dwutlenkiem węgla. Każde takie zderzenie spowalnia lub zmienia kierunek poruszania się cząsteczki zanieczyszczenia a w efekcie zostaje ona uwięziona w filtrze, niczym w niekończącym się labiryncie z filmu “Cube”. Model ruchu zanieczyszczeń to tzw. model ruchów Browna. W 1827 roku szkocki biolog Robert Brown w swoim mikroskopie zauważył, że pyłki kwiatowe w wodzie są cały czas w chaotycznym ruchu. Szybciej ruszają się mniejsze cząstki oraz gdy wzrasta temperatura. Nigdy jednak się nie zatrzymują. Opis matematyczny tego ruchu podali wybitni synowie handlarza kołder i cesarskiego urzędnika - Albert Einstein i Marian Smoluchowski. Zauważyli, że ruch pyłków jest wywołany przez różnice w liczbie oraz prędkości bombardujących z różnych stron cząsteczek wody. Z tego samego opisu matematycznego korzystają dziś gracze giełdowi przy wycenie niektórych instrumentów finansowych. A to dopiero początek naszej przygody z filtrem HEPA. Drugi mechanizm jego działania to przechwytywanie. Zanieczyszczenia o wielkości od 0,4 mikrometra (PM0.4, np. bakterie) do 1 mikrometra (PM1) wpadając w filtr są przyciągane przez włókna i doczepiają się do nich jak rzepy na łące. Zwróć uwagę, że między mechanizmami rozproszenia i przechwytywania mamy dziurę w ochronie dla cząstek o wielkości powyżej 0,1 a mniejszych niż 0,4 mikrometra. Dlatego przyjmuje się, że filtry HEPA są skuteczne przy wyłapywaniu cząsteczek większych niż 0,3 mikrometra, tak jak rekomendował Irving Langmuir, ale faktycznie też pomagają wyłapać drobinki o rozmiarze poniżej 0,1 mikrometra. Ostatni sposób działania tego filtra to zderzenia. Zanieczyszczenia o wielkości powyżej 1 mikrometra wpadają ze strumieniem powietrza w filtr i uderzają w włókna, które je zatrzymują. To właśnie one z czasem powodują zapychanie się filtra i zmuszają nas do jego wymiany.

Długość życia filtra zależy m.in. od jego efektywności. W większości przypadków w warunkach domowych wystarczający jest filtr nawet niższej klasy niż HEPA tzw. EPA (Efficiency Particulate Air) 12. Oznaczenia to informuje, że filtr jest w stanie wyłapać 99,5 proc. cząsteczek o wielkości powyżej 0,5 mikrometra (PM0.5). Wyższe klasy filtrów mogą być rekomendowane dla alergików, ale nie zawsze ich kupno ma sens. Po pierwsze obudowy oczyszczaczy to nie reaktory jądrowe ani zakłady produkcji bomb atomowych. One nie są szczelne, więc część zasysanego przez wentylator powietrza omija filtr. Nie całe powietrze wychodzące z urządzenia jest czyste. Po drugie sam filtr nie czyści. Potrzebny jest jeszcze ciągły strumień powietrza. Im dokładniejszy filtr tym mocniejszy musi być wentylator, który wdmuchuje do niego powietrza. Zazwyczaj im mocniejszy wentylator, tym jest głośniejszy. Przy tej samej mocy urządzenia filtr EPA 12 o skuteczności 99,5 proc. da czystsze powietrze niż HEPA 13 o skuteczności 99,95 proc. czy nawet stosowany w elektrowniach atomowych filtr absolutny klasy ULPA U17 o skuteczności 99,999995 proc. Przez gęstsze filtry przeleci po prostu mniej metrów sześciennych zanieczyszczonego powietrza. Dlatego dla oczyszczaczy kluczowy parametr to wskaźnik Clean Air Delivery Rate (CADR). Ten standard został opracowany przez amerykańskie Stowarzyszenie Producentów Sprzętu Gospodarstwa Domowego (AHAM - Association of Home Appliance Manufacturers). Zazwyczaj z tyłu urządzenia jest naklejka, która zawiera informacje o tym do jakiej powierzchni pokoju odpowiedni jest dany oczyszczacz dla trzech rodzajów zanieczyszczeń: dymu, czyli cząsteczek 0,09–1 mikrometra (PM0.09 - PM1), pyłu o rozmiarze 0,5–3 mikrometrów i pyłków roślinnych od 5 do 11 mikrometrów. Niestety wartość CADR też jest często podawana w metrach sześciennych na godzinę, co utrudnia analizę. Ważny też jest tryb pracy urządzenia bo producenci często chwalą się najbardziej efektywnym trybem pracy, a więc jednocześnie najgłośniejszym. Czasem ta wartość zbliża się do 70 db, a więc dolnego progu, gdzie hałas zaczyna negatywnie wpływać na nasze zdrowie.  Wybierając oczyszczacz warto dokładnie sprawdzić jakim parametrem CADR chwali się producent i czy jesteśmy w stanie zaakceptować poziom dźwięku związany z pracą urządzenia. 

Ogólnie musimy założyć, że na jedno pomieszczenie potrzebujemy jeden oczyszczacz z filtrem EPA. Drzwi są zbyt dużą barierą, aby urządzenie mogło wymusić odpowiednią cyrkulację powietrza. Mając pokój o powierzchni 20 m2 i wysokości 2,5 metra, potrzebujemy oczyszczacza o minimalnym współczynniku CADR ok. 160 m3/h w trybie, który najczęściej będziemy używać. Aby obliczyć przybliżoną wartość CADR wystarczy pomnożyć powierzchnię pokoju przez osiem. Przy większych pomieszczeniach wymagane jest dodatkowe wymuszenie obiegu powietrza i dlatego  ten przelicznik będzie trochę większy, np. dla 50 m2 trzeba kupić sprzęt o wydajności 600 m3/h. Pamiętaj, że skuteczny oczyszczacz powinien być wyposażony w filtr EPA 12 i przefiltrować całe powietrze w pokoju co 20 min.

W odkurzaczu możemy wybrać filtr wyższej klasy HEPA 13 lub 14, zwłaszcza jeśli w domu są alergicy. Trzeba jednak zwracać uwagę na moc ssącą odkurzacza, bo gęsty filtr może oznaczać mniejszą efektywność odkurzania. Do okapów właśnie z tego powodu nie montuje się tego rodzaju filtrów.

Kolejny rodzaj filtra ma wkład z węglem aktywowanym, inaczej zwanym też aktywnym. Jest to dosyć paradoksalna konstrukcja - do oczyszczania powietrza wykorzystujemy w nim... właściwie sadzę. Widok czarnej sadzy z komina to raczej dla każdego z nas znak, że ktoś nas truje a nie leczy. Sama produkcja tej sadzy polega zaś na spalaniu zazwyczaj drewna w temperaturze 500C z ograniczonym dostępem tlenu. Proces ten fachowo nazywa się pyrolizą i jego trakcie dochodzi do emisji zabójczego dla nas czadu. Produktem ubocznym jest ocet destylowany. W podobny sposób zresztą wytwarza się znany z sezonu grillowego węgiel drzewny. Mamy więc dwa szkodliwe procesy, których efekty okazują się całkiem przydatne. Przy produkcji węgla aktywowanego wykorzystuje się gorącą parę wodną, aby zapewnić odpowiednią czystość całego procesu.

Węgiel aktywny zawdzięcza swą nazwę specyficznej budowie, przypominającej gąbkę. Każda gąbka, gdyby ją rozłożyć na płasko, ma gigantyczną powierzchnię. Jeden gram węgla ma powierzchnię ponad 3000 m2, czyli prawie połowy boiska do piłki nożnej. Gdy na problemy jelitowe łykasz tabletkę z węglem aktywowanym to średnio jego powierzchnia odpowiada rozmiarowi wielkiej willi - 450 m2. 

Jeśli przez tą gąbkę przepuścimy zanieczyszczone powietrze to do atomów węgla zaczną się “przelepiać” substancje szkodliwe. Robią to na dwa sposob, wykorzystując zjawisko adsorpcji, czyli właśnie wiązania cząsteczek na powierzchni. Adsorpcja fizyczna to przyciąganie między atomami węgla a substancją szkodliwą. Nie jest to proces trwały i jeśli np. podgrzejemy taki zużyty filtr to cząsteczki zostaną uwolnione. Drugi typ adsorpcji to chemisorpcja (adsorpcja chemiczna). W tym wypadku atomy węgla wchodzą w reakcje chemiczne i tworzą trwałe wiązania z składnikami szkodliwymi. 

Ponieważ reakcje zachodzą tylko na powierzchni węgla to wielkość jego kanalików decyduje o tym, jakie zanieczyszczenia jest on w stanie zredukować. Najlepiej sprawdza się przy usuwaniu lotnych związków organicznych. Potrafi zmagazynować, zatrzymać lub zredukować ponad 250 różnych substancji, w tym szkodliwe składniki dymu papierosowego. Potrzebuje jednak do tego czasu. Odpowiedni filtr węglowy może usunąć nawet 97 proc. lotnych związków organicznych, jeśli czas kontaktu zanieczyszczonego powietrza z węglem wynosił ok. 0,2 sekundy. Niestety producenci oczyszczaczy rzadko podają te dane, ograniczając się do informacji o wadze użytego w filtrze węgla. Czas kontaktu powietrza z filtrem zależy od mocy wentylatora, więc ciężko podać jakąś ogólną regułę poza “im więcej, tym lepiej”. Najlepsze urządzenia mają nawet 4-kilogramowe filtry. Do potrzeb domowych powinien wystarczyć filtr z kilogramem węgla aktywnego. 

Filtr węglowy to wyposażenie pochłaniaczy kuchennych. Zazwyczaj to urządzenie nie podłączone do systemu wentylacji i rolą węgla aktywnego jest właśnie filtrowanie powietrza zanieczyszczonego przy gotowaniu. O wiele efektywniejszym sprzętem jest okap kuchenny. On wyprowadza powietrza znad pieca na zewnątrz. Zazwyczaj ma też opcję montażu dodatkowego filtra węglowego. Trzeba jednak pamiętać o jego regularnej wymianie. 

Prosty filtr węglowy można też łatwo zbudować sobie samemu. Za kilkanaście złotych w internecie można kupić ok. półkilowe paczki węgla aktywowanego. Następnie dosypujemy go na wierzch do doniczek z kwiatkami. Nie zaszkodzi im to a np. storczykom bardzo służy. Naturalny obieg powietrza będzie filtrował powietrze. Możesz dodać mały wiatrak, aby zwiększyć jego przepływ. Tak zaawansowane projekty w latach 80. XX wieku budowali eksperci NASA. W dalszej części poradnika przedstawię schemat ich dzieła. 

Czasem w filtrach można znaleźć inne substancje, które mogą pomóc w usuwaniu dodatkowych zanieczyszczeń. Np. “wrzące kamienie”, czyli zeolity wychwytujące tlenki azotu i siarki.  Ich nazwa pochodzi od charakterystycznej cechy tych skał. Pod wpływem ciepła pokrywają się pęcherzykami, wyglądają jakby kipiały (gr. dzeo - wrzeć). To uwalnia się zawarta w nich woda. Zmiękczają one też wodę, dlatego często wykorzystuje się je w proszkach do prania.

Inny dodatek to żel krzemionkowy. Jeśli masz kota to pewnie choć raz kupiłeś ten żel do jego kuwety. Jeśli nie masz kota to spotkałeś ten żel w małej saszetce w pudełku z butami lub sprzętem elektronicznym, na której było napisane “Do not eat!”. Żel bardzo dobrze pochłania wilgoć, ale też podobno metale ciężkie. Niestety nie mogłem znaleźć żadnych badań potwierdzających efektywność jego użycia w oczyszczaczach powietrza i ilości preparatu, jaką powinniśmy w tym celu użyć.

Swoistym filtrem jest jonizator powietrza. Filtruje on powietrza na poziomie atomów. Najbardziej popularna technologia to plasmacluster. Jonizator to dwie silnie naładowane elektrycznie igły, które powodują, że atomy tlenu i wodoru unoszące się w powietrzu przyjmują odpowiednio ładunki ujemny i dodatni. Stają się więc rodnikami, czyli mają w sobie niesparowany elektron. On z łatwością wchodzi w reakcję z innymi cząsteczkami. W technologii plasmacluster jony skupiają się wokół cząsteczki wody i tworzą układ, przypominający kiść winogron. Stąd wzięło się logo tego “wynalazku”. Taka kiść rodników, gdy dotrze do organicznego zanieczyszczenia, wchodzi w reakcję z jego białkiem, powodując odłączenie się atomu wodoru i powstanie cząsteczki wody. Wirus, bakteria czy alergen pozbawiony elementu białka staje się niegroźny. Tyle teoria.

Od 2000 r. wiele oczyszczaczy wyposażonych jest w jonizatory powietrza. Skuteczność technologii badało kilkanaście ośrodków naukowych na całym świecie. Japoński koncern, który opracował tą technologię, chwali się, że stworzył specjalny program “marketingu akademickiego”. Uczestniczą w nim niezależne placówki badawcze z całego świata i wszystkie one potwierdzają skuteczność technologii. Niestety wszystkiego tego dowiemy się z materiałów prasowych firmy. 

W recenzowanych czasopismach naukowych ukazało się tylko kilka artykułów naukowych np. o pozytywnym wpływie technologii na atopowe zapalenie skóry u myszy. Brak jednak kluczowych publikacji, pokazujących wpływ technologii na jakość powietrza w pomieszczeniach. Wiele “badań” podawanych dotyczyło np. filtracji tylko jednego metra sześciennego powietrza lub było prowadzonych przez ośrodki typu wietnamski Instytut Pasteura. W 2015 r. zapowiadano publikację badań dotyczących pozytywnego wpływu jonizacji na walkę z wirusem ptasiej grypy H7N9. Miały one ukazać się w Journal of Preventive Medicine. Nie udało mi się do nich dotrzeć. Czasopismo to jest wydawane jedynie w języku wietnamskim. Nawet wiele informacji prasowych o wynikach badań jest publikowana tylko po japońsku. Na pewno działa tu jakiś filtr, ale nie do końca wiadomo czy poprawi on jakość powietrza w Twoim domu. Są niezależne badania np. szwedzkich naukowców nad wpływem jonizacji na ograniczenie przenoszenia wirusa grypy, ale w renomowanych czasopismach naukowych nie ma ich aż tyle, jak sugerują producenci sprzętu. Podobnie brak naukowo potwierdzonej skuteczności oczyszczaczy z filtrem plazmowym, który jest odmianą jonizatora powietrza.

Kolejny typ filtra do oczyszczania wykorzystuje zwykłą wodę. Dzięki temu jest tani, ale ma też swoje ograniczenia. Filtr ten wykorzystuje lepkość wody. Jeśli kiedykolwiek pijąc kawę, rozlałeś trochę na spodek, a przy następny łyku podniosłeś go razem z filiżanką to już wiesz, że woda jest dobrym klejem. Wystarczy zwiększyć powierzchnię jej kontaktu z zanieczyszczeniami a “przykleją” się do niej substancje, których chcemy się pozbyć. Filtry wodne zazwyczaj robią fale lub przypominają porowate talerze ułożone w zmywarce. Obracają się one, częściowo zanurzone w wodzie, która zatrzymuje się na ich ściankach i niczym lep na muchy, łapie cząstki zanieczyszczeń. Główny problem to wielkość tego co się przyklei - niestety te najmniejsze cząstki PM2.5 czy nawet PM10, uciekną z kąpieli. Za to są bardzo dobre w pochłanianiu zapachów, dymu papierosowego czy pyłków. Robią one z pyłkami dokładnie to co letni deszcz - zmywają je z powietrza. Istotnym aspektem jest też wpływ filtra na wilgotność. Świetnie nadaje się do pomieszczeń, gdzie powietrze jest zbyt suche. Niestety w miejscach zbyt wilgotnych tylko pogorszy problem. 

Spójrzmy teraz na filtry biologiczne, a więc rośliny. Postawienie w pokoju kilku palm areka czy języków teściowej to doskonały sposób, aby zamienić dwutlenek węgla na tlen. Kluczowa jest jednak ich liczba. Przy trzyosobowej rodzinie w każdym pokoju powinieneś mieć 12 około półtora metrowych palm areka lub 18 języków teściowej. Niestety im będziesz dalej czytać, tym mniej zostanie miejsca dla Ciebie w mieszkaniu.

15 września 1989 r. NASA opublikowała raport “A study of interior landscape plants for indoor air pollution abatement: An Interim Report”. Zespołem badaczy kierował Bill Wolverton. Efekty tych badań były cytowane wiele razy, a wpisanie w Google hasła “rośliny NASA” daje nam 350 tys. wyników. Mało który autor jednak zerknął choćby na podsumowanie tego badania, w którym znajdziemy taki m.in. fragment “rośliny domowe, wymagające małej ilości światła, wraz z filtrem zawierającym węgiel aktywowany, pokazują potencjał dla poprawy jakości powietrza wewnętrznego". W treści znajdziemy też taki rysunek. Czy już wiesz, że coś się tam dzieje?

Tak, w raporcie przedstawiono wyniki filtrowania powietrza z wykorzystaniem roślin i węgla aktywowanego. Jak już wiesz z wcześniejszej lektury, węgiel aktywowany świetnie się do tego nadaje. Możesz więc sam zbudować w domu instalację godną naukowców NASA.

Ale co z roślinami? Wolverton badał kilkanaście gatunków roślin. Umieszczano je w doniczkach, jak na schemacie i wsadzano do komory o wymiarach 9,3 m2 a następnie wpuszczano różne lotne związki organiczne. Po 24 godzinach sprawdzano poziom zanieczyszczeń. Wyniki były obiecujące, bo rośliny potrafiły nawet usunąć do 70 proc. szkodliwych substancji. Były też całkowicie oderwane od codziennej sytuacji, chyba, że mieszkasz w niewielkim, hermetycznym pokoju bez dopływu świeżego powietrza. Zwróć też uwagę, że eksperci z NASA testowali wyłącznie trzy lotne związki organiczne - benzen, trichloroetylen i formaldehyd. Nie testowano skażenia pyłami PM2.5 i PM10. Nagłówek internetowy “Antysmogowe rośliny NASA” powinien więc raczej wzbudzić w Twojej głowie pytania - czy Międzynarodowa Stacja Kosmiczna jest opalana węglem a na obiad astronaucie jedzą kiełbasę z grilla? - niż zachęcić Cię do wizyty w sklepie ogrodniczym.

W 2019 r. ukazał się najnowszy artykuł naukowy podsumowujący stan wiedzy o możliwościach wykorzystania roślin do filtrowania powietrza. Autorzy przyjrzeli się najpierw 196 eksperymentom, które zostały opisane w 12 wcześniej opublikowanych pracach. Następnie powtórzyli je mierząc współczynnik przepływu czystego powietrza, czyli znany już nam CADR. Miało to urealnić hermetyczne eksperymenty. Niestety badane rośliny oscylowały wokół wyniku na poziomie 0,023 m3 /h. Przypomnę, że mając pokój o powierzchni 20 m2 i wysokości 2,5 metra, potrzebujemy efektywności oczyszczania CADR ok. 160 m3/h. Zmieszczenia jakiś 7 tys. roślin w Twojej sypialni, chyba mogłoby Cię skłonić do spania w hermetycznie zamkniętej kopule? Mając jedną roślinę w pokoju będzie ona w stanie oczyszczać całość powietrza z lotnych związków organicznych średnio co ok. trzy miesiące. Zaleca się, aby trwało to 20 min.

Nie można jednak całkiem skreślać roślin z listy narzędzi do walki o zdrowe powietrze. Mają one zbadany wpływ na naszą jakość życia (dobrostan). Dodatkowo w wypadku lotnych związków organicznych bardzo obiecujące są badania nad zielonymi ścianami (ogrodami wertykalnymi). Odpowiednia konstrukcja i integracja z systemem wentylacji może nam pozwolić uzyskać poziom CADR nawet w przedziale od 10 do 100 m3 /h.

Teraz czas na ćwiczenie, abyś w praktyce mógł wykorzystać poznaną wiedzę. Zaplanuj zmiany w swoim domu.