Filtry i filtrowanie
starożytność Już przed tysiącami lat wykorzystywano materiały roślinne do filtrowania płynów, głównie wody pitnej. Starożytni Egipcjanie używali pierwszych filtrów ceramicznych wykonanych z porowatych glinianych naczyń (1). Około 1300 roku p.n.e. w Chinach stosowano maski z tkaniny do ochrony przed kurzem i pyłem. W pochodzącym z 600 r. p.n.e. tekście sanskryckim „Sushruta Samhita” zaleca się filtrowanie wody przez piasek i żwir w celu jej oczyszczenia.
480 p.n.e. Słynny grecki lekarz Hipokrates jest znany jako wynalazca „rękawa Hipokratesa” (2). Był to kawałek tkaniny używany do filtrowania, przez który przelewano przegotowaną wodę w celu jej dalszego oczyszczenia. Hipokrates prowadził własne eksperymenty w oczyszczaniu wody. Uważał, że woda stosowana w terapiach musi być czysta.
I w. n. e. Pliniusz Starszy opisał, jak porowata skóra z pęcherzy zwierzęcych była używana przez rzymskich górników do ochrony przed pyłem tlenku ołowiu.
1627 W dziele „A Natural History of Ten Centuries” Francis Bacon opisuje, jak eksperymentował z odsalaniem wody. Jego pomysł opierał się na przekonaniu, że woda morska przepływająca przez wiele warstw piasku może spowodować odfiltrowanie soli. Chociaż jego hipoteza okazała się błędna, zapoczątkowała nowe zainteresowanie tą dziedziną. Pomysł został rozwinięty przez Lucasa Antoniusa Portiusa, który stworzył wielowarstwowy filtr piaskowy wykorzystujący zarówno przepływ w górę, jak i w dół, w celu uzyskania wody zdatnej do picia z morza. Pisał on o metodzie wielokrotnej filtracji piaskowej w swoim dziele „Soldier’s Vade Mecum”.
XVIII wiek Pojawiają się pierwsze filtry z wełny, gąbki i węgla drzewnego, z czasem powszechnie stosowane w domach. W połowie XVIII wieku Joseph Amy (3) uzyskał pierwszy patent na filtr do wody. Jego projekt zawierał warstwy węgla drzewnego, wełny i gąbki, aby wyeliminować niepożądane organizmy i cząsteczki. Wkrótce potem filtracja wody stała się preferowaną metodą oczyszczania wody dla wielu społeczności, ponieważ zaczęły one używać domowych filtrów wody.
1748 Jean-Antoine Nollet odkrywa proces osmozy, w którym rozpuszczona substancja przechodzi przez membranę z cieczy o niskim stężeniu substancji do cieczy o wysokim stężeniu. Zostało to później rozwinięte w celu stworzenia filtrów odwróconej osmozy i odsalania na dużą skalę.
1804-29 Pierwsze udokumentowane zastosowanie skutecznych filtrów piaskowych do oczyszczania wody miało miejsce w bielarni w Paisley w Szkocji, gdy John Gibb zainstalował eksperymentalny filtr tego typu (4). Opracowany przez niego „powolny filtr piaskowy” działa, ponieważ na górnej warstwie piasku tworzy się biowarstwa, a zawarte w nim organizmy żywią się bakteriami. Metoda ta została udoskonalona w ciągu kolejnych dwóch dekad przez inżynierów pracujących dla firm wodociągowych, a jej kulminacją było pierwsze uzdatnione publiczne źródło wody na świecie, zainstalowane przez inżyniera Jamesa Simpsona dla Chelsea Waterworks Company w Londynie w 1829 r. Instalacja ta zapewniała filtrowaną wodę dla każdego mieszkańca tego obszaru, a projekt sieci był szeroko kopiowany w całej Wielkiej Brytanii w kolejnych dziesięcioleciach. Ten rodzaj uzdatniania wody jest nadal stosowany w wielu częściach świata.
1823-71 John i Charles Deane opracowali w Stanach Zjednoczonych maskę dla strażaków, umożliwiając strażakom wchodzenie do płonących budynków bez narażania się na niebezpieczne opary dymu. W 1830 r. Charles Anthony Deane uzyskał patent na urządzenie składające się z miedzianego hełmu z dołączonym elastycznym kołnierzem i ubraniem. W 1848 r. Lewis P. Haslett z Louisville, KY, wynalazł urządzenie do ochrony płuc przed wdychaniem szkodliwych materiałów. Jako filtry zastosowano porowate tkaniny wełniane. W 1871 roku irlandzki fizyk John Tyndall ulepszył oryginalne maski strażackie stworzone przez Deane'ów, wprowadzając respirator wspomagający oddychanie strażaków. Połączenie urządzenia do oddychania i systemu filtracji stało się wczesnymi prekursorem dzisiejszych masek oddechowych. Wcześniej Tyndall opublikował artykuł zatytułowany „On the haze and dust”, gdzie wykazał, że pył w powietrzu może zawierać zarazki i choroby, a wystarczająca ilość respiratora z waty może odfiltrować unoszącą się w powietrzu materię.
1827 Uważa się, że nowoczesny filtr do wody, taki, którego używamy w domach, został wynaleziony przez Johna Doultona. Ceramiczny filtr do wody produkcji jego firmy (5) miała zamówić w 1835 roku sama królowa Wiktoria dla królewskiego domu. Doulton wykorzystał do swojego eksperymentu krzemionkę i wypaloną glinę. Jego wynalazek stanowił był skuteczniejszy od używanych wcześniej filtrów tkaninowych. Założona przez Doultona firma do dzisiaj produkuje ceramiczne filtry do wody.
1854 John Snow stosuje filtry do wody w celu ograniczenia rozprzestrzeniania się cholery w Londynie, gdy ustalono związek między jakością wody a epidemią.
1854 John Stenhouse opracowuje maskę antypyłową dla górników (6). Maska Stenhouse’a miała filtr z węgla drzewnego.
1901 Karl Benz patentuje filtr powietrza do silnika benzynowego.
1908 Pierwszy papierowy filtr do parzenia kawy został wynaleziony przez Melittę Benz w 1908 roku w celu zmniejszenia gorzkiego smaku związanego z gotowaniem kawy mielonej. Założona przez nią firma wciąż jest potentatem na rynku filtrów.
1914-18 W czasie I wojny światowej opracowano wiele rodzajów filtrów do nowego typu masek przeciwgazowych, w tym wykorzystujących bębny filtrujące powietrze.
1918-1927 Nagrodzony Noblem chemik Richard Zsigmondy wynalazł pierwszy filtr membranowy, a w konsekwencji ulepszony filtr membranowy o wysokiej dokładności. W 1927 roku współpracująca z Zsigmondym, firma farmaceutyczna Sartorius AG rozpoczęła komercyjną produkcję filtrów membranowych (7). Osiągnięcia te miały kluczowe znaczenie dla procesów filtracji żywności, krwi i leków na poziomie mikroskopowym.
1923 Pierwszy nowoczesny system filtra oleju samochodowego. Patent amerykański nr 1,646,377A uzyskał George Greenhalgh (8), ale zasługę przypisuje się też współpracującemu z nim Ernestowi Sweetlandowi. Wynaleźli system filtrowania oleju pod nazwą Purolator.
1940 Projekt Manhattan, w którym zbudowano broń jądrową, wymagał specjalnego sprzętu chroniącego przed promieniowaniem. W tym celu U.S. Army Chemical Corp i Naval Research Laboratory pracowały nad odtworzeniem wydajnych niemieckich filtrów, co doprowadziło do stworzenia nowego typu filtrów plisowanych. W trakcie dalszego rozwoju projektu opracowano filtry HEPA (skrót od High Efficiency Particulate Air Filter). Najwcześniejsze filtry HEPA wykorzystywały azbest, potem włókno szklane, a obecnie stosuje się głównie polipropylen, którego włókna tworzą mikroskopijnej wielkości pory. Współczesne filtry HEPA są w stanie przechwycić cząstki różnej wielkości, nawet te mniejsze od 0,3 μm. Według normy filtr klasy HEPA musi filtrować 99,97 proc. cząstek powietrza o wielkości 0,3 mikrona. W latach pięćdziesiątych XX wieku filtry HEPA zostały skomercjalizowane jako wysoce wydajne filtry powietrza. Stały się popularne w latach siedemdziesiątych i osiemdziesiątych XX wieku, gdy coraz więcej konsumentów zaczęło przejmować się zanieczyszczeniami powietrza (9).
lata 60. XX wieku Filtracja z przepływem krzyżowym zaczęła być szeroko stosowana w procesach przemysłowych. Jest to metoda filtracji, w której woda jest przepychana przez filtr membranowy, a nie bezpośrednio przez niego, w celu przedłużenia żywotności i wydajności filtra.
1965 Pojawiają się filtry polisulfonowe. Polisulfon jest jednym z wielu nowoczesnych tworzyw sztucznych, które zmieniły skuteczność filtracji. Jego wysoka temperatura topnienia i odporność na wodę sprawiają, że idealnie nadaje się do wielu form filtracji, a jako polimer pozwala na łatwą produkcję membran.
1973 Na rynku pojawia się rozwiązanie polegające na molekularnej filtracji gazowej, znane potem pod marką Purafil. Wykorzystuje do filtracji połączenie aktywowanego tlenku glinu z nadmanganianem potasu.
1980 Pierwsze filtry cząstek stałych do silników wysokoprężnych. Pomagają usuwać sadzę i spaliny z silników wysokoprężnych w celu zmniejszenia zanieczyszczenia powietrza. Zaczęły być stosowane w pojazdach drogowych w połowie lat 80., a w kolejnych dziesięcioleciach podjęto wysiłki, aby uczynić je obowiązkowymi dla wszystkich silników wysokoprężnych.
1991 Dzięki technologii True Medical HEPA i węgla aktywnego, Richard Taylor tworzy filtr, który rozwiązał kwestie zanieczyszczenia środowiska cząstkami stałymi, toksyczności chemicznej i nieprzyjemnych zapachów. Wraz z żoną założył firmę Austin Air Systems Limited, obecnie jednego z najbardziej znanych producentów oczyszczaczy powietrza.
II–III dekada XXI w. W dziedzinę filtrów wkraczają nanotechnologie. Nanocząsteczki mogą być wykorzystywane do zabijania bakterii i usuwania zanieczyszczeń z membran, umożliwiając bardziej wydajną i ekonomiczną filtrację. W 2021 r. w trakcie pandemii filtr wykonany z polimerowych nanorurek, nici o średnicy około 300 nanometrów, pokonał w testach trzy typy dostępnych na rynku masek, wyłapując w przeprowadzonych eksperymentach 99,9 proc. aerozoli zawierających koronawirusy. Pory w tym materiale mają średnicę zaledwie kilku mikrometrów. Wykorzystana do wytwarzania badanych membran technika produkcji, znana pod nazwą „elektrospinning”, jest efektywna kosztowo i może być wykorzystana do masowej produkcji nanowłókien do środków ochrony osobistej i systemów filtracji powietrza.
2023 Zespół specjalistów z Instytutu Nauki i Technologii Daegu Gyeongbuk (DGIST) w Korei Południowej opracował nową metodę usuwania mikrozanieczyszczeń z tworzyw sztucznych w wodzie (10). Wykorzystują do tego filtr z materiału znanego jako kowalencyjny szkielet triazenowy (CTF), wysoce porowatego materiału o dużej powierzchni, która pozwala na efektywne wychwytywanie drobin. Otrzymany filtr okazał się skuteczny w szybkim usuwaniu mikroplastiku z wody - według doniesień ponad 99,9 proc. jego drobin usuwanych jest w ciągu 10 sekund.
Rodzaje filtrów do wody i powietrza
I. Filtry do oczyszczania wody
• filtry mechaniczne - zatrzymują zanieczyszczenia stałe, np. piasek, rdza,
– filtry sitowe - wykorzystują sito o odpowiedniej wielkości oczek do zatrzymywania cząstek o określonym rozmiarze,
– filtry włókninowe - składają się z gęstej warstwy włóknin, która zatrzymuje cząstki na swojej powierzchni,
• filtry osadnikowe:
– filtry piaskowe - wykorzystują warstwę piasku do wyłapywania cząstek i zanieczyszczeń,
– filtry żwirowe - skupiają się na zatrzymywaniu większych cząstek przy użyciu warstwy żwiru,
• filtry chemiczne - redukują związki chemiczne, metale ciężkie, chlor,
• filtry węglowe - pochłaniają zanieczyszczenia organiczne i zapachy,
• filtry membranowe:
– filtry mikrofiltracyjne - skutecznie eliminują cząstki o rozmiarach od 0,1 do 10 mikrometrów,
– filtry ultrafiltracyjne - usuwają cząstki o rozmiarach od 0,001 do 0,1 mikrometra, w tym bakterie i wirusy,
– filtry nanofiltracyjne - usuwają cząstki o rozmiarach od 0,001 do 0,01 mikrometra oraz substancje organiczne i sole,
– filtry odwróconej osmozy - usuwają większość zanieczyszczeń, w tym sole, metale ciężkie, bakterie i wirusy, przy wykorzystaniu membran,
• filtry ultradźwiękowe - rozbijają zanieczyszczenia na cząsteczki,
• filtry fotokatalityczne - rozkładają związki chemiczne przy użyciu światła UV.
II. Filtry do oczyszczania powietrza
• filtry wstępne - zatrzymują duże zanieczyszczenia, kurz, owady,
• filtry HEPA - pochłaniają drobny kurz, pyłki, bakterie, wirusy,
• filtry węglowe - redukują nieprzyjemne zapachy i gazy,
• filtry adsorpcyjne - usuwają opary chemiczne i VOC,
• filtry utleniające - rozkładają szkodliwe związki, np. ozon, dwutlenek chloru,
• filtry elektrostatyczne - działają na zasadzie przy-ciągania cząstek przez ładunek elektryczny,
• filtry fotokatalityczne - kombinują fotokatalizę (reakcje chemiczne indukowane światłem) z adsorpcją, aby zneutralizować zanieczyszczenia, takie jak toksyczne gazy i odoranty.
M.U.
