Проживая большую часть жизни в городах, задыхающихся от пыли, люди вынуждены придумывать способы от неё избавиться, так как отсутствие пыли в воздухе, это не только комфорт, но и здоровье — ведь пыль бывает и практически не извлекаемая из органов дыхания, накапливаясь десятилетие за десятилетием (привет, силикозу, и прочим радостям). 

И здесь, на первый план выходит один из очень интересных видов фильтрации воздуха, придуманный достаточно давно — электростатический фильтр. 

Способ подобной фильтрации появился фильтр ещё в середине XIX века, благодаря работам немецкого математика М.Гольдфельда, ещё в 1824 году. 

Тут надо понимать, что он жил в то время, когда бурно развивалась научная мысль об электричестве и, волей-неволей, революционные открытия, результаты исследований, попадали в массовое сознание, увлекая людей, даже далёких от области физики электрических явлений — что и произошло с нашим математиком: он выдвинул идею, что загрязняющим частицам в воздухе, можно придать электрический заряд, если их пропустить через заряженную область пространства, и это, в свою очередь, должно привести к тому, что далее, если этот воздух будет проходить мимо заземлённых пластин, то, частицы в этом воздухе, притянутся к пластинам, и, таким образом, воздух очистится.

Забегая вперёд, надо сказать, что этот принцип, в дальнейшем, и лёг в основу всех систем для электростатической очистки воздуха, но, на момент изобретения он не был реализован в конкретном устройстве, по ряду причин, о которых будет ниже.

Дело в том, что, на тот момент, сама концепция электростатической очистки воздуха была достаточно революционной, но, к сожалению, аппаратные средства ещё не позволяли реализовать её в полной мере: не существовало достаточно надёжных и стабильных источников высокого напряжения, не было выпрямителей, а сами экспериментаторы были ограничены только несовершенной аппаратной частью той эпохи — электрофорными машинами, и простыми гальваническими элементами. 

Кроме того, самим обществом ещё не было осознано, что подобная высококачественная очистка воздуха необходима, — промышленные и бытовые стандарты были достаточно низкими.

Таким образом, слабое развитие аппаратной части, а также электротехнической науки, только проживающий на тот момент бурное развитие, отсутствие осознания самим обществом потребности в очистке, привело к тому, что эта идея пролежала чуть не 100 лет без работы, прежде чем была реализована последователями...

Хотя, был один из последователей, который ещё в конце XIX века провёл промышленное тестирование идеи Гольдфельда и звали нашего экспериментатора — сэр Оливер Джозеф Лодж.

Личностью, надо сказать, он был достаточно прелюбопытной: был разносторонне развит и проводил свои собственные работы, сочетая фундаментальную науку и инженерный подход, интересуясь многими техническими областями на фундаментальном уровне и разрабатывая в их рамках свои собственные устройства: его интересы включали широкий круг областей – от радиотехники до самой природы электричества. 

Скажем, проводя свои работы в области радиотехники и двигаясь в своих разработках независимо от работ Г.Герца, он провёл собственный эксперимент с радиопередачей, который прошёл успешно, осуществив передачу на 150 метров. 

Кроме того, его вклад в радиотехнику трудно переоценить, из-за разработки «согласующих цепей», что легло в основу теории машин для радиопередачи в дальнейшем. 

Его заслуги были высоко оценены современниками ещё при жизни, благодаря чему, он занимал пост профессора физики в одной из самых ведущих школ Великобритании – Университетском колледже Ливерпуля. 

Однако, вернёмся к его работе в предметной области…

Благодаря обширным познаниям с одной стороны, и, проведённым экспериментам, с другой стороны, всё это, в совокупности, привело его к логичной идее поработать с зарядом частиц, что он благополучно и осуществил, проведя впечатляющий опыт в начале 1880-х годов, на побережье реки Мерси, в районе Ливерпуля.

К сожалению, исторические данные весьма скупы на детали эксперимента, известно лишь, что, в ходе него, был использован одиночный электрод, протянутый вдоль реки, который, впоследствии, был подключен к источни��у высокого напряжения, благодаря чему, туман, застилающий местность, был моментально превращён в хлопья, подобные снегу, в радиусе около 15 метров, вокруг электрода (видимо, дело происходило ранним утром). 

Можно предположить, что наблюдаемое объяснялось отсутствием на тот момент выпрямителей и были широко распространены катушки Румкорфа, дающие импульсный переменный ток.

Таким образом, если смоделировать ситуацию, то, в этом эксперименте, одним электродом выступал собственно протянутый провод, а в качестве второго электрода — выступала земля. 

Если бы ток пыл выпрямленным, то частицы заряжались бы зарядом одного знака, после чего начинали своё упорядоченное движение в направлении другого электрода. 

Однако, из-за постоянной смены полярности, происходило хаотическое колебание частиц в воздухе, в следствии чего, они соударялись, слипались между собой, формируя пространственные образования относительно большого веса, из-за чего начинающие оседать вниз, подобно снегу.

Кстати говоря, наверное, интересный опыт был бы и в наше время, если попробовать осадить туман переменным током! ;-)

Эдакое физическое шоу…

Благодаря современным экспериментаторам, мы можем предположить, что, если бы сэр Лодж имел источник постоянного тока, то хлопьев бы не наблюдалось, а сам процесс выглядел примерно так:

Тем не менее, надо думать, чт�� своим экспериментом он был настолько воодушевлён, что осторожность покинула его, и он решил ввязаться в сомнительную авантюру — коммерческий проект, с практическим применением нового, на тот момент, эффекта, с целью использования его для очистки газов металлургического производства в Уэльсе.

Почему он вообще решил двигаться в этом направлении: чтобы понять это, надо понимать условия той эпохи, рубежа XIX-XX веков: повсеместная промышленная революция, с сопутствующей урбанизацией,  — с одной стороны, катастрофически увеличивала загрязнение окружающей среды, а с другой — делала крайне чувствительным к этому загрязнению людей, из за всё увеличивающейся скученности: скажем, то тут, то там, начинали возникать эксцессы с выпадением кислотных осадков и иными вредными веществами, на территории, рядом с производствами (и последующими судебными исками за это). 

А если рассматривать конкретное металлургическое производство, с которым взялся сотрудничать Лодж, то оно наносило весьма большой вред окружающей среде (впрочем, это было типично и для других аналогичных заводов) — выпадением диоксида серы и других соединений, что повреждало растительность и особенно от этого страдали фермеры, причём, дважды: как за счёт гибели посевов, так и за счёт падежа скота (особенно, овец), поедающих отравленную растительность.

А сернистый ангидрид в выбрасываемых газах приводил к образованию, в атмосферных условиях, серной кислоты, разрушающей постройки людей. В общем, проблем хватало (надо думать, как и исков). А тут – вроде как отличный вариант это всё решить…

Наверное, вы уже догадались: ничего не вышло (да и шансов то не было, с таким оборудованием).

Так как система фильтрации его разработки не смогла очищать заводские газы. 

Точные исторические данные, по поводу причины такой неудачи отсутствуют, однако, можно предположить, (опять же, повторяясь), что одной из причин было отсутствие надёжного источника питания, который мог бы обеспечить выпрямленное высокое напряжение, а в 1800-е годы, даже несмотря на то, что на дворе шёл их конец, такая система была мало доступна. 

Кроме того, наверняка, он использовал тот же самый единый протянутый электрод, как и в эксперименте на берегу реки, тогда как дальнейшие экспериментаторы, с успешными вариантами фильтров, уже использовали распушённые электроды* — то есть, например, стальную проволоку, которая обматывалась асбестовой нитью или шнуром.

*Впрочем, как мы увидим далее, похоже, всё таки ключевым, было отсутствие выпрямленного источника тока, так как современные версии таких фильтров, отлично работают, даже всего с 1 проводом!

Однако, уже в 1906 году, идея электростатического фильтра получила наконец успешное воплощение, и автором её выступил Фредерик Коттрелл, работавший профессором химии в университете Беркли. 

Его установка, кардинально отличалась от предыдущих попыток, тем, что он использовал:

• Выпрямленное высокое напряжение, с отрицательной полярностью на электроде, предназначенном для образования коронного разряда;

• В качестве самого электрода использовалась сетка, обмотанная асбестовым шнуром, чтобы увеличить её "пушистость".

Первый успех пришёл в 1907 году, когда система фильтрации, будучи установленная на металлургическом заводе, прошла жёсткий тест с улавливанием сернокислотного пара, который подавался сквозь трубу из свинца (свинец устойчив к действию серной кислоты), в которой были установлены пластины из свинца, между которыми размещались пластины из сетки, обмотанной асбестом, которая была подвешена на изоляторах из слюды, а свинцовые пластины были заземлены.

Эффективность установки, превзошла все ожидания: пар активно оседал на свинцовых пластинах и стекал вниз, а, из трубы, выходили только следовые, малые остатки этого пара! 

В дальнейшем, он сделал очень полезную вещь: так как это изобретение было запатентовано на него, он передал патент в общественное пользование!

Это сразу же вызвало резкую «вспышку» внедрения технологии по всему миру, принеся существенную пользу обществу...

Тут надо ещё сделать небольшое отступление и акцентироваться вот на чём: мы узнали, что в установке Котрелла коронирующий электрод был подключен к отрицательный полярности источника питания и это не случайно: дело в том, что отрицательная корона обладает гораздо большей стабильностью, тогда как положительная склонна к образованию разрядов-стримеров, то есть, склонность к переходу в дуговой разряд. 

Поэтому, при отрицательной полярности, можно применять большие значения напряжения, чтобы более эффективно производить зарядку частиц и, как следствие, — их осаждение. 

Также, отрицательные ио��ы, намного более подвижны, что существенно ускоряет процесс зарядки частиц. 

Именно поэтому, начиная с тех времён и по нынешнее время, большинство электростатических фильтров имеет отрицательную полярность на коронирующем электроде.

Принцип действия

Таким образом, как мы могли видеть, процесс удаления компонентов, которые должны быть отфильтрованы, можно условно разделить на три стадии:

• Пропускание потока газов сквозь фильтр, в ходе чего происходит зарядка содержащихся в газах частиц;

• Заряженные частицы, находясь в области действия электрического поля, притягиваются к одному из электродов и оседают на его поверхности (обычно, положительной полярности);

• Далее, происходит удаление осаждённых частиц, либо, как мы видели выше, под действием силы тяжести, самотёком, либо, если такой способ удаления невозможен, — периодическим встряхиванием фильтра, или омыванием его.

В общем случае можно сказать, что фильтр эффективно позволяет удалять из потока газов аэрозольные взвеси, а также частицы веществ, содержащиеся в нём (пыль, частицы сгоревших веществ в дыму). 

При этом, наиболее эффективно удаляются частицы, с условно средним электрическим сопротивлением, тогда как с низким и высоким сопротивлением возникают проблемы:

• С низким сопротивлением: быстро расстаются с зарядом, вследствие чего, могут быть снова подхвачены воздушным потоком и унесены им;

• С высоким сопротивлением: плохо расстаются с зарядом, и возникает даже явление «обратного коронного разряда», что уменьшает эффективность работы установки: осадительный электрод покрывается слоем частиц, которые, начинают демонстрировать коронный разряд уже между этим слоем и самим электродом, на котором они находятся, из-за чего: а) электрод всё больше и больше покрывается изолирующим слоем; б) разряд разрыхляет этот слой, унося в поток.

Таким образом, можно сказать, что в общем случае, частицы с сопротивлением больше 10¹⁰ Ом•см плохо осаждаются и, среди них можно назвать такие как: зола, цемент и другие диэлектрики. 

Также, плохо осаждаются частицы с низким сопротивлением (до 10⁷ Ом•см): сажа, металлическая пыль, графитовая пыль. 

Хорошо осаждаются практически все аэрозоли, а также большинство промышленных пылевых загрязнителей, со средним сопротивлением, находящимся между указанными двумя крайними вариантами выше. 

Что же касается физического устройства, то, на практике, получили распространение несколько конструкций:

• Пластинчатого типа: наиболее хорошо известный и распространённый тип, который обычно состоит из параллельно установленных металлических пластин, на расстоянии порядка 20-30 см друг от друга, перед которыми, на некотором расстоянии от них, по центру промежутка между пластинами, устанавливается коронирующая проволока, на которой формируется отрицательный коронный разряд, питаемый напряжением, в среднем, от 20 кВ. 

  Газы продуваются со стороны проволочных электродов — в сторону металлических пластин, в процессе чего, загрязнители в газах получают заряд, и, доходя до пластин, осаждаются на них:

• Трубчатого типа: представляют собой альтернативу первому варианту, и отличается от него тем, что осадительные электроды представляют собой уже не пластины, а массив трубок, круглого или шестиугольного сечения, где, по оси каждый из трубок, расположен электрод заряда (т.е. коронирующий):

Какой из этих двух типов является более эффективным, трудно сказать однозначно, однако, можно отметить, что пластинчатые позволяют пропускать большие объемы воздуха, практически не создавая ему аэродинамическое сопротивление (благодаря чему, они широко и распространились), — впрочем, это не уникальная характеристика пластинчатых, так, как то же самое можно сказать и про трубчатые. 

Однако, чем однозначно трубчатые отличаются от пластических, так это тем, что трубчатые обычно используются в сложных химических процессах, и для установки в трубопроводы, для фильтрации, например, аэрозольных кислотных туманов.

Стоит отметить, что такое разделение доминирует в промышленном использовании, однако, для бытовых устройств, всё совсем по-другому, и доминирует трубчатая конструкция, так как она позволяет в компактном корпусе разместить устройство, с достаточной эффективностью фильтрации.

В целом, можно сказать, что электростатический способ фильтрации является весьма эффективным так как позволяет фильтровать огромные потоки газов и аэрозолей, не создавая на их пути большого сопротивления потоку, кроме того, сами установки, с технической стороны, представляют собой весьма надёжные устройства, в которых «ломаться, практически нечему». 

При этом, если рассматривать бытовые системы фильтрации, то, можно сказать, что они являются весьма эффективными при фильтрации воздушных масс от микробов, вирусов — как находящихся на поверхности механических загрязнителей, так и свободно взвешенных в воздухе.

Причём, простая фильтрация, их, как правило, не убивает, поэтому фильтры, предназначенные специально для противомикробной обработки, ещё снабжаются внутри ультрафиолетовым излучателем — чтобы постоянно дезинфицировать микробный слой, на осадительном электроде.

После ознакомления со всей информацией выше, может сложиться превратное представление, что электростатические фильтры являются идеалом способов фильтрации, однако, у них есть и свои существенные минусы:

• Образование озона во время работы;

• Эффективность напрямую зависит от свойств самой пыли;

• С увеличением загрязнения, сильно падают фильтрационные свойства, поэтому, электростатические фильтры необходимо снабжать либо системами встряхивания, либо обмыва.

Тем не менее, их плюсы весьма существенны, что и объясняет их широкое распространение, в частности, крайняя простота, надёжность и эффективность, что позволяет строить их практически любому желающему, из подручных материалов, множества вариаций конструкции.

Кстати, довольно большое число людей используют подобные фильтры для очистки выходных газов, от разнообразных лазерных гравировочных станков: от хобби-настольных, до профессионального уровня!

Используют этот принцип заряда частиц и совершенно неожиданным образом: для скоростного копчения рыбы! В коптильном шкафу подвешивается рыба на заземлённых подвесах, что даёт экстремально быстрое копчение: по одному из форумов, мне известны люди, которые коптили так порцию рыбы за 1 минуту! То есть, получается сверхскоростной способ копчения, в промышленных объёмах...

Таким образом, сам принцип, которому уже более 100 лет, «живее всех живых», широко используется и никуда пропадать не собирается, давая людям новые возможности...