اگر در مورد ماسک‌ها و مکانیسم های فیلتراسیون آنها تحقیق کرده‌اید، ممکن است همان سؤالی را در ذهن داشته باشید که ما به آن رسیده‌ایم. سوال اصلی این است «چرا ماسک‌ها با مقدار استاندارد 0.3 میکرومتر یا حدود این مقدار آزمایش می‌شوند؟» به همراه این مورد سوال دیگری هم پیش می‌آید «این اندازه ذره چه ویژگی خاصی دارد؟» اگر با دنیای ماسک های تنفسی آشنایی ندارید، این متن را تا انتها دنبال کنید تا اطلاعات مفیدی به دست آورید. البته به شما پیشنهاد میکنم که قبل از مطالعه این متن، مقاله عملکرد هوشمندانه ماسک های نانوالیاف را مطالعه نمایید تا در رابطه با چگونگی به دام افتادن ذرات با اندازه های گوناگون در این دسته از ماسک ها اطلاعاتی به دست آورید. در این مبحث می‌خواهیم مروری بر مکانیسم های فیلتراسیون ماسک‌ها داشته باشیم و دلیل ایجاد یک ناهنجاری نسبتا منحصر به فرد را بررسی کنیم. این ناهنجاری به شکل MPPS یا «بزرگترین اندازه ذرات نافذ» نام‌گذاری شده است.
منطقی است که کوچک‌ترین ذرات، ذراتی هستند که به راحتی از فیلترها عبور می‌کنند. با این حال، این تمام معنای مورد نظر نیست. به بیان دیگر یک اندازه ذره وجود دارد که از 0.05μm تا 0.5μm متغیر است و در واقع بیشترین نفوذ را دارد. ذرات بزرگتر از این مقدار و یا کوچک‌تر از آن به طور موثرتری فیلتر می‌شوند. اگرچه ممکن است کمی گیج کننده به نظر برسد؛ اما با ادامه بحث متوجه این مسئله می‌شوید. زیرا این سوال را هم بررسی می‌کنیم که چرا بسیاری از ماسک‌ها (و فیلترها) ذرات را در 0.1μm و 1μm بهتر از مقدار 0.3μm فیلتر می‌کنند.
آشنایی با فیلترهای مهم در مکانیسم های فیلتراسیون
قبل از اینکه به ادامه مطلب برویم، بد نیست با نحوه عملکرد فیلترها آشنا شویم؛ زیرا این مسئله برای درک مکانیسم‌های فیلتراسیون ضروری است. ما روی فیلترهای فیبری تمرکز خواهیم کرد که اغلب در ماسک های تنفسی استفاده می‌شوند. با این حال، فیلترهای دیگری مانند فیلترهای کربن فعال (برای ترکیبات آلی فرار و سایر گازهای مضر) هم در این دسته بندی قرار می‌گیرند.
فیلترهای الیافی از هزاران الیاف کوچک ساخته شده‌اند که اندازه آنها بسیار زیاد است. برخی از آنها می‌توانند ذرات کمتر از 1μm را هم فیلتر کنند، در حالی که برخی دیگر می‌توانند ذراتی به اندازه 100μm را کنار بزنند. این الیاف به صورت تصادفی روی هم قرار می‌گیرند و شبکه‌ای از الیاف را ایجاد می‌کنند. بین این فیبرها فضاهای خالی وجود دارد که به ما اجازه می‌دهد تا تنفس کنیم.
هنگامی که ذرات وارد فیلتر می‌شوند در حفره‌هایی که خیلی کوچک هستند گیر نمی‌کنند. در عوض، در حین حرکت در فیلتر، ذرات با فیبرها برخورد می‌کنند و از طریق مکانیسم فیلتراسیون، متوقف می‌شوند. در نتیجه به این سوال مهم می‌رسیم که:
مکانیسم های فیلتراسیون چیست؟
کلید درک MPPS در درک مکانیسم های فیلتراسیون است که در فیلترهای ماسک‌ها یافت می‌شود. در حالی که مکانیسم‌های دیگری هم در این راستا بررسی شده‌اند که رایج‌ترین آنها رسوب الکترواستاتیک و ته‌نشینی گرانشی است.
هر یک از این مکانیسم‌ها ذراتی را که از دستگاه تنفس عبور می‌کنند به روشی متفاوت جذب می‌کند. علاوه بر این، همه آنها به روش‌های مختلف بر اندازه ذرات متفاوت تأثیر می‌گذارند. به این معنا که برخی از این مکانیسم‌ها (مانند ته نشینی گرانشی) در برابر ذرات بزرگ مؤثر هستند؛ اما تأثیر کمی بر ذرات کوچک‌تر دارند. گاهی حتی هیچ تأثیری ندارند.
این مسئله می‌تواند به صورت معکوس هم اتفاق بیفتد. جایی که برخی مکانیسم‌ها مانند انتشار براونی تنها بر ذرات کوچک‌تر تأثیر می‌گذارد؛ اما تأثیر کمی بر ذرات بزرگتر دارد (یا هیچ تأثیری ندارد). بد نیست انواع مختلف روش‌های فیلتراسیون که معمولا در فیلترهای فیبری مورد توجه هستند را با هم مرور کنیم.
ته نشینی گرانشی:
از جمله مکانیسم های فیلتراسیون ناشی از نیرویی است که بر ذرات وارد و باعث می‌شود که جهت نیرو را دنبال کنند. در این حالت، نیروی اصلی حالت گرانشی دارد و ذرات را مجبور به پایین آمدن می‌کند. این ذرات در حال سقوط، با الیاف موجود در فیلتر تماس پیدا کرده و روی آنها می‌نشینند.
ضربه اینرسی:
مکانیسم دیگری است که بر ذرات عبوری از فیلتر تأثیر می‌گذارد. در داخل یک فیلتر، مسیری با کمترین مقاومت و خطوط جریان وجود دارد. ذرات سعی خواهند کرد این خطوط جریان را از طریق فیلتر دنبال کنند. اما نمی‌توانند از خط جریان پیروی کنند پس روی الیاف گیر می‌کنند.
رهگیری:
سومین مکانیسم رایج است و زمانی اتفاق می‌افتد که یک ذره، یک خط جریان را از طریق فیلتر دنبال کند. با این حال، خط جریان خیلی نزدیک به یک فیبر می‌گذرد و باعث می‌شود ذره گیر کرده و از ادامه مسیر بازبماند.
انتشار (همچنین به نام انتشار براونی هم شناخته می‌شود):
مکانیسم نهایی فیلتراسیون است و در کوچک‌ترین ذرات رخ می‌دهد. با توجه به قانون حرکت براونی، این ذرات اغلب از خطوط جریان خارج می‌شوند. اما در حین سرگردانی به فیبر درون فیلتر می‌چسبند.
به یاد داشته باشید مکانیزم دیگری که در برخی فیلترها استفاده می‌شود، جذب الکترواستاتیکی است. این روش شامل شارژ الیاف ماسک با بار مثبت یا منفی است تا ذرات نوع مخالف را جذب کنند.
رابطه مکانیسم های فیلتراسیون و اندازه ذرات
اکنون که به طور مختصر به مکانیسم های فیلتراسیون آشنا شدید، مهم است که در مورد چگونگی تأثیر هر یک از این روش‌ها بر ذرات با اندازه‌های مختلف اطلاعاتی به دست آورید. گفتیم که هر مکانیزم دارای محدوده اندازه ذرات متفاوتی است تا بتواند به خوبی عمل کند. در نتیجه رابطه آنها این‌طور بررسی می‌شود که:
-
ته نشینی گرانشی: تنها بر بزرگترین و کندترین ذرات متحرک تأثیر می‌گذارد. ذرات معمولا بزرگتر از 1μm هستند. با این حال، اکثر ذرات آن‌قدر کوچک هستند که تحت تأثیر این مکانیسم قرار نگیرند و به همین دلیل، ته نشین شدن اغلب به عنوان مکانیزم فیلتراسیون در نظر گرفته نمی‌شود.
-
ضربه اینرسی: بر ذرات با اندازه متوسط تأثیر می‌گذارد. در حالی که اندازه دقیق می‌تواند متفاوت باشد، اما معمولا بر ذرات بزرگتر از 0.4μm تا 0.6μm تاثیر می‌گذارد. این بدان معنی است که تأثیر اینرسی در برابر ذرات کوچک‌تر از 0.4μm کمتر می‌شود و این یکی از دلایلی است که بزرگترین اندازه ذرات نافذ برابر با 0.3μm است.
-
رهگیری: بر ذرات با اندازه متوسط تأثیر می‌گذارد. مشابه ضربه اینرسی، رهگیری بیشترین تأثیر را روی ذرات بزرگتر از 0.4μm دارد. این دو مورد از مکانیسم های فیلتراسیون معمولا در یک محدوده اندازه ذرات تاثیر دارند و اغلب در ارتباط با یکدیگر کار می‌کنند.
-
انتشار: فقط بر کوچک‌ترین ذرات تأثیر می‌گذارد. انتشار زمانی اتفاق می‌افتد که قطر ذرات کمتر از 0.1μm باشد؛ بنابراین، اکثر ماسک‌ها و فیلترهای تولید شده با این مکانیسم، فیلتر بهتری از ذرات کوچک‌تر از 0.3 میکرومتر دارند.
همان‌طور که می‌بینید، محدوده‌ای بین 0.1μm و 0.4μm وجود دارد که نشان می‌دهد هیچ مکانیزمی کاملا مؤثر نیست. در حالی که رهگیری و انتشار در این محدوده اتفاق می‌افتد، آنها به اندازه ذرات بزرگتر/کوچک‌تر موثر نیستند. به همین دلیل است که MPPS در این محدوده رخ می‌دهد. حالا سوال بعدی این است که:
MPPS یا همان بزرگترین اندازه ذرات نافذ چیست؟
این گزینه ما را به نافذترین اندازه ذرات می‌رساند. همان‌طور که می‌بینیم با مکانیسم های مختلف فیلتراسیون، هر نوع بر اندازه متفاوتی از ذرات را فیلتر می‌کند. همیشه شکل غالب مکانیزم فیلتراسیون در حال استفاده است. با این حال، نقطه‌ای بین این مکانیسم‌ها وجود دارد که در آن هیچ سیستم غالبی وجود ندارد. این نقطه بین انتشار و رهگیری است و در جایی که رهگیری در برابر ذرات بزرگتر و انتشار در برابر ذرات کوچک‌تر مؤثرتر نیست، مورد بررسی قرار می‌گیرد. در این محدوده هیچ‌کدام کاملا مؤثر نیستند و در ارتباط با یکدیگر عمل می‌کنند.
در این محدوده بین مکانیسم های فیلتراسیون و اندازه ذرات است که MPPS رخ می‌دهد. این همان پدیده‌ای است که در همه فیلترهای مختلف رخ می‌دهد و به همین دلیل است که ما فیلترهای HEPA و تنفسی را با استفاده از اندازه ذرات حدود 0.3 میکرومتر آزمایش می‌کنیم.
در حالی که MPPS بسته به مشخصات فیلتر می‌تواند متفاوت باشد، استفاده از آن یک عدد استاندارد شناخته شده است. معمولاً MPPS از 0.05 تا 0.5 میکرومتر متغیر است و در ماسک‌های تنفسی حدود 0.3 میکرومتر در نظر گرفته می‌شود.
هنگامی که ماسک‌ها و سایر فیلترها با استفاده از MPPS آزمایش می‌شوند، نشان می‌دهند که عملکرد فیلتر در بدترین شرایط قرار دارد. در واقعیت، اندازه ذرات بسیار بیشتر از آزمایش‌های MPPS مورد استفاده برای تأیید فیلترها متفاوت است. با این حال، این آزمایش انجام می‌شود تا بتوانیم ببینیم فیلترها در بدترین حالت خود چگونه عمل می‌کنند.
آشنایی با تست فیلتر تنفسی و مکانیسم های فیلتراسیون
در حالی که MPPS بدترین اندازه ذرات برای فیلترها است، شرایط دیگری نیز وجود دارد که باید در نظر گرفته شوند؛ زیرا می‌توانند بر قابلیت‌های فیلتراسیون تأثیر بگذارند. برخی از این عوامل عبارتند از رطوبت، سرعت جریان و بار ذرات.
هنگامی که ماسک‌های تنفسی برای استاندارد NIOSH آزمایش می‌شوند، نه تنها اندازه ذرات «بدترین سناریو» مد نظر است، بلکه بسیاری از این عوامل نیز بررسی می‌شوند تا بدانیم مکانیسم های فیلتراسیون خوب عمل می‌کنند یا خیر. رطوبت به مدت 24 ساعت قبل از آزمایش روی 85 درصد در دمای 38 درجه سانتیگراد تنظیم شده است، سرعت جریان 85 لیتر در دقیقه (نرخ کار نسبتا بالا) است و ذرات از نظر بار خنثی می‌شوند.
این عوامل همراه با MPPS شرایطی را ایجاد می‌کنند که در آن ماسک تنفسی یا فیلتر باید در بدترین حالت خود، بهترین عملکرد را داشته باشد. در تئوری، اینها بدترین (یا نزدیک به بدترین) شرایطی هستند که در آن فیلتر باید مورد استفاده قرار بگیرد.
بنابراین، درجه فیلتراسیونی که ما برای ماسک‌ها و فیلترها به دست می‌آوریم، در واقع کمتر از آن چیزی است که در استفاده در دنیای واقعی انتظار داریم. در حالی که این شرایط خاص بر اساس سیستم رتبه بندی تنفس تغییر می‌کنند، اما در نهایت نشان می‌دهند که سیستم NIOSH برای رتبه بندی چقدر سختگیرانه عمل می‌کند. اکثر سیستم‌های تایید کننده ماسک‌ها هم از MPPS استفاده می‌کنند، اما برخی از عوامل متغیر را متفاوت در نظر می‌گیرند.
جمع بندی مکانیسم های فیلتراسیون
اگرچه ممکن است در ابتدا منطقی به نظر نرسد، اما دلایل زیادی وجود دارد که نشان می‌دهد بازده فیلتراسیون در اواسط محدوده اندازه ذرات، کاهش می‌یابد. امیدوارم این مبحث به روشن شدن چگونگی و چرایی این اتفاق کمک کرده باشد. جالب‌ترین نکته این است که اکثر سیستم‌های رتبه‌بندی ماسک‌های تنفسی (به ویژه NIOSH) در آزمایشات خود از MPPS استفاده می‌کنند؛ بنابراین، آزمایشاتی که این ماسک‌ها از سر می‌گذرانند باید (در حد منطق) در بدترین شرایط ممکن باشد تا بهترین مکانیسم های فیلتراسیون انتخاب شوند. با این حال، حتی در بدترین حالت هم ماسک‌ها می‌توانند امتیاز N95 یا بالاتر از آن را کسب کنند.
اگر سؤال دیگری در مورد فیلتراسیون یا جنبه‌های مرتبط آن دارید، با ما در تماس باشید. تا بتوانیم از سوالات شما استفاده کرده و با بار علمی خودمان را بالاتر ببریم.
سوالات متداول
- MPPS به چه معناست؟
MPPS مخفف «بزرگترین اندازه ذرات نافذ» است. این مورد به اندازه ذره‌ای اشاره دارد که بالاترین میزان نفوذ را با وجود مکانیسم های فیلتراسیون خواهد داشت.
- MPPS چه اندازه‌ای است؟
MPPS بسته به متغیرهای فیلتر (مواد، ضخامت و بسیاری از عوامل دیگر) متفاوت است. معمولا بین 0.05μm و 0.5μm قرار دارد.
- منافذ تنفسی چقدر بزرگ هستند؟
منافذ روی ماسک‌ها اغلب می‌توانند بزرگتر از 50 میکرومتر باشند. با این حال، توجه به این نکته مهم است که اندازه منافذ، ذرات را جذب نمی‌کند. بلکه ذرات از طریق مکانیسم های فیلتراسیون انتشار، نهفتگی، رهگیری و ته نشینی گرفتار می‌شوند.
- چرا ماسک‌ها با مکانیسم های فیلتراسیون در 0.3 میکرومتر تست می‌شوند؟
ماسک‌ها در 0.3μm آزمایش می‌شوند؛ زیرا MPPS می‌تواند برای ایمنی اکثر فیلترها مضر باشد. در حالی که MPPS مقدار دقیقی ندارد، معمولا نزدیک به 0.3μm بررسی می‌شود.
- آیا ماسک‌ها می‌توانند ذرات کوچک‌تر از 0.3 میکرومتر را فیلتر کنند؟
بله. در واقع، آنها معمولا در برابر ذرات کوچک‌تر هم موثرتر هستند. 0.3μm نافذترین اندازه ذره است و هر دو ذرات بزرگتر و کوچک‌تر نفوذ کمتری در این محدوده دارند. با این حال، هنگامی که به ذرات ریز (مانند ذرات چند ده نانومتری) رسیدید، روند فیلتراسیون کاهش پیدا می‌کند.