مقدمة عن مواد ترشيح HEPA
يشير مصطلح HEPA، وهو اختصار لـ High-Efficiency Particulate Air (الهواء عالي الكفاءة)، إلى فئة من وسائط الترشيح المصممة لالتقاط الجسيمات الدقيقة المحمولة جواً بكفاءة استثنائية. في جوهرها،وسائط ترشيح HEPAالمادة هي الركيزة المتخصصة المسؤولة عن احتجاز الملوثات مثل الغبار وحبوب اللقاح وجراثيم العفن والبكتيريا والفيروسات، وحتى الجسيمات متناهية الصغر، أثناء مرور الهواء عبرها. وعلى عكس مواد الترشيح العادية، يجب أن تستوفي وسائط ترشيح HEPA معايير دولية صارمة، أبرزها معيار EN 1822 في أوروبا ومعيار ASHRAE 52.2 في الولايات المتحدة، والتي تتطلب كفاءة لا تقل عن 99.97% لالتقاط الجسيمات التي يصل حجمها إلى 0.3 ميكرومتر. ويتحقق هذا المستوى من الأداء بفضل التركيبة الفريدة والبنية وعمليات التصنيع الخاصة بوسائط ترشيح HEPA، والتي سنتناولها بالتفصيل لاحقًا.
المواد الأساسية المستخدمة في وسائط ترشيح HEPA
تتكون وسائط ترشيح HEPA عادةً من مادة أساسية واحدة أو أكثر، يتم اختيار كل منها لقدرتها على تكوين بنية مسامية ذات مساحة سطحية عالية، قادرة على احتجاز الجسيمات من خلال آليات متعددة (الاصطدام بالقصور الذاتي، والاعتراض، والانتشار، والتجاذب الكهروستاتيكي). تشمل المواد الأساسية الأكثر شيوعًا ما يلي:
1. الألياف الزجاجية (زجاج البوروسيليكات)
تُعدّ الألياف الزجاجية المادة التقليدية والأكثر استخدامًا في وسائط ترشيح HEPA، لا سيما في التطبيقات الصناعية والطبية وأنظمة التكييف والتهوية. تُصنع هذه الألياف من زجاج البوروسيليكات (مادة مقاومة للحرارة ومستقرة كيميائيًا)، وتُسحب إلى خيوط دقيقة للغاية، غالبًا ما يتراوح قطرها بين 0.5 و2 ميكرومتر. تكمن الميزة الرئيسية لوسائط الألياف الزجاجية في بنيتها غير المنتظمة الشبيهة بالشبكة: فعند تكديسها، تُشكّل الألياف شبكة كثيفة من المسام الدقيقة التي تعمل كحاجز مادي أمام الجسيمات. إضافةً إلى ذلك، تتميز الألياف الزجاجية بخمولها الكيميائي، وعدم سميتها، ومقاومتها لدرجات الحرارة العالية (حتى 250 درجة مئوية)، مما يجعلها مناسبة للبيئات القاسية مثل غرف الأبحاث النظيفة والمختبرات وأجهزة شفط الأبخرة الصناعية. مع ذلك، قد تكون وسائط الألياف الزجاجية هشة، وقد تُطلق أليافًا صغيرة عند تلفها، مما أدى إلى تطوير مواد بديلة لبعض التطبيقات.
2. الألياف البوليمرية (البوليمرات الاصطناعية)
في العقود الأخيرة، برزت الألياف البوليمرية (البلاستيكية) كبديل شائع للألياف الزجاجية في وسائط ترشيح الهواء عالي الكفاءة (HEPA)، لا سيما في المنتجات الاستهلاكية مثل أجهزة تنقية الهواء والمكانس الكهربائية وأقنعة الوجه. تشمل البوليمرات الشائعة الاستخدام البولي بروبيلين (PP) والبولي إيثيلين تيريفثالات (PET) والبولي أميد (النايلون) والبولي تترافلوروإيثيلين (PTFE، المعروف أيضًا باسم تيفلون®). تُنتج هذه الألياف باستخدام تقنيات مثل النفخ بالصهر أو الغزل الكهربائي، مما يسمح بالتحكم الدقيق في قطر الألياف (حتى النانومتر) وحجم المسام. توفر وسائط ترشيح الهواء عالي الكفاءة البوليمرية العديد من المزايا: فهي خفيفة الوزن ومرنة وأقل هشاشة من الألياف الزجاجية، مما يقلل من خطر انفصال الألياف. كما أنها أكثر فعالية من حيث التكلفة عند تصنيعها بكميات كبيرة، مما يجعلها مثالية للمرشحات التي تُستخدم لمرة واحدة أو منخفضة التكلفة. على سبيل المثال، تتميز وسائط ترشيح الهواء عالي الكفاءة المصنوعة من البولي تترافلوروإيثيلين (PTFE) بخاصية كره الماء (طاردة للماء) ومقاومة المواد الكيميائية، مما يجعلها مناسبة للبيئات الرطبة أو التطبيقات التي تتضمن غازات أكالة. من ناحية أخرى، يستخدم البولي بروبيلين على نطاق واسع في أقنعة الوجه (مثل أجهزة التنفس N95/KN95) نظرًا لكفاءته الممتازة في الترشيح وقابليته للتنفس.
3. المواد المركبة
لدمج مزايا المواد الأساسية المختلفة، تُصنع العديد من وسائط ترشيح HEPA الحديثة من هياكل مركبة. على سبيل المثال، قد يتكون المركب من لب من الألياف الزجاجية لتحقيق كفاءة عالية وثبات هيكلي، مغطى بطبقة خارجية بوليمرية لتوفير المرونة ومقاومة الغبار. ومن المركبات الشائعة الأخرى "وسائط الترشيح الكهروستاتيكية"، التي تتضمن أليافًا مشحونة كهروستاتيكيًا (عادةً ما تكون بوليمرية) لتعزيز التقاط الجسيمات. تجذب الشحنة الكهروستاتيكية الجسيمات الصغيرة جدًا (أصغر من 0.1 ميكرومتر) وتحتفظ بها من خلال قوى كولوم، مما يقلل الحاجة إلى شبكة ألياف كثيفة للغاية ويحسن تدفق الهواء (انخفاض الضغط). هذا يجعل وسائط ترشيح HEPA الكهروستاتيكية مثالية للتطبيقات التي تُعد فيها كفاءة الطاقة وسهولة التنفس أمرًا بالغ الأهمية، مثل أجهزة تنقية الهواء المحمولة وأجهزة التنفس. كما تتضمن بعض المركبات طبقات من الكربون المنشط لإضافة قدرات ترشيح الروائح والغازات، مما يوسع وظائف المرشح لتشمل ما هو أبعد من الجسيمات.
عمليات تصنيع وسائط ترشيح HEPA
أداءوسائط ترشيح HEPAلا يعتمد ذلك على تركيب المادة فحسب، بل يعتمد أيضاً على عمليات التصنيع المستخدمة لتشكيل بنية الألياف. فيما يلي العمليات الرئيسية المعنية:
1. النفخ بالذوبان (الوسائط البوليمرية)
تُعدّ تقنية النفخ بالذوبان الطريقة الأساسية لإنتاج وسائط ترشيح الهواء عالية الكفاءة (HEPA) البوليمرية. في هذه العملية، تُذاب حبيبات البوليمر (مثل البولي بروبيلين) وتُبثق عبر فوهات دقيقة. ثم يُضخ هواء ساخن عالي السرعة فوق تيارات البوليمر المنصهر، مما يؤدي إلى تمددها وتحويلها إلى ألياف دقيقة للغاية (يتراوح قطرها عادةً بين 1 و5 ميكرومترات) تُرسّب على سير ناقل متحرك. ومع تبريد الألياف، تترابط معًا بشكل عشوائي لتشكيل نسيج غير منسوج ذي بنية مسامية ثلاثية الأبعاد. ويمكن ضبط حجم المسام وكثافة الألياف من خلال التحكم في سرعة الهواء ودرجة حرارة البوليمر ومعدل البثق، مما يسمح للمصنعين بتصميم الوسائط لتلبية متطلبات الكفاءة وتدفق الهواء المحددة. وتتميز وسائط الترشيح بتقنية النفخ بالذوبان بفعاليتها من حيث التكلفة وقابليتها للتوسع، مما يجعلها الخيار الأكثر شيوعًا لمرشحات HEPA المنتجة بكميات كبيرة.
2. الغزل الكهربائي (وسائط الألياف النانوية)
الغزل الكهربائي عملية متطورة تُستخدم لإنتاج ألياف بوليمرية فائقة الدقة (ألياف نانوية، بأقطار تتراوح بين 10 و100 نانومتر). في هذه التقنية، يُعبأ محلول البوليمر في محقنة مزودة بإبرة دقيقة، موصولة بمصدر طاقة عالي الجهد. عند تطبيق الجهد، يتولد مجال كهربائي بين الإبرة وجامع مؤرض. يُسحب محلول البوليمر من الإبرة على شكل تيار دقيق، يتمدد ويجف في الهواء ليشكل أليافًا نانوية تتراكم على الجامع على هيئة طبقة رقيقة مسامية. توفر وسائط ترشيح الألياف النانوية عالية الكفاءة (HEPA) كفاءة ترشيح استثنائية، لأن الألياف الدقيقة تُشكل شبكة كثيفة من المسام قادرة على احتجاز حتى الجسيمات فائقة الدقة. إضافةً إلى ذلك، يُقلل قطر الألياف الصغير من مقاومة الهواء، مما يؤدي إلى انخفاض الضغط وزيادة كفاءة الطاقة. مع ذلك، يُعد الغزل الكهربائي أكثر استهلاكًا للوقت وأعلى تكلفة من النفخ بالصهر، لذا يُستخدم بشكل أساسي في التطبيقات عالية الأداء مثل الأجهزة الطبية وفلاتر الفضاء.
3. عملية التشكيل الرطب (وسائط الألياف الزجاجية)
تُصنع وسائط ترشيح الهواء عالية الكفاءة (HEPA) المصنوعة من الألياف الزجاجية عادةً باستخدام عملية التشكيل الرطب، المشابهة لصناعة الورق. في البداية، تُقطع الألياف الزجاجية إلى أطوال قصيرة (1-5 مليمترات) وتُخلط بالماء ومواد كيميائية مضافة (مثل المواد الرابطة والمشتتة) لتكوين معجون. ثم يُضخ المعجون على شاشة متحركة (شبكة سلكية)، حيث يُصرّف الماء، تاركًا طبقة من الألياف الزجاجية ذات اتجاهات عشوائية. تُجفف الطبقة وتُسخّن لتنشيط المادة الرابطة، التي تربط الألياف معًا لتشكيل بنية صلبة مسامية. تتيح عملية التشكيل الرطب تحكمًا دقيقًا في توزيع الألياف وسُمكها، مما يضمن أداء ترشيح متسقًا عبر الوسائط. مع ذلك، تُعد هذه العملية أكثر استهلاكًا للطاقة من عملية النفخ بالذوبان، مما يُساهم في ارتفاع تكلفة مرشحات HEPA المصنوعة من الألياف الزجاجية.
مؤشرات الأداء الرئيسية لوسائط ترشيح HEPA
لتقييم فعالية وسائط ترشيح HEPA، يتم استخدام العديد من مؤشرات الأداء الرئيسية (KPIs):
1. كفاءة الترشيح
تُعدّ كفاءة الترشيح أهم مؤشر أداء رئيسي، إذ تقيس نسبة الجسيمات المحتجزة بواسطة وسائط الترشيح. ووفقًا للمعايير الدولية، يجب أن تحقق وسائط ترشيح HEPA الحقيقية كفاءة لا تقل عن 99.97% للجسيمات التي يبلغ قطرها 0.3 ميكرومتر (والتي يُشار إليها غالبًا باسم "حجم الجسيمات الأكثر اختراقًا" أو MPPS). ويمكن لوسائط ترشيح HEPA عالية الجودة (مثل HEPA H13 وH14 وفقًا للمعيار EN 1822) أن تحقق كفاءة تصل إلى 99.95% أو أعلى للجسيمات التي يصل قطرها إلى 0.1 ميكرومتر. ويتم اختبار الكفاءة باستخدام طرق مثل اختبار ثنائي أوكتيل فثالات (DOP) أو اختبار خرزات لاتكس البوليسترين (PSL)، والتي تقيس تركيز الجسيمات قبل وبعد مرورها عبر وسائط الترشيح.
2. انخفاض الضغط
يشير انخفاض الضغط إلى مقاومة تدفق الهواء الناتجة عن وسائط الترشيح. يُعد انخفاض الضغط مرغوبًا فيه لأنه يقلل من استهلاك الطاقة (لأنظمة التكييف أو أجهزة تنقية الهواء) ويُحسّن من سهولة التنفس (لأجهزة التنفس). يعتمد انخفاض الضغط في وسائط ترشيح HEPA على كثافة أليافها وسُمكها وحجم مسامها: فالوسائط الأكثر كثافة ذات المسام الأصغر تتميز عادةً بكفاءة أعلى، ولكنها تعاني أيضًا من انخفاض ضغط أكبر. يوازن المصنّعون بين هذه العوامل لإنتاج وسائط توفر كفاءة عالية وانخفاضًا في الضغط، على سبيل المثال، باستخدام ألياف مشحونة كهربائيًا لتعزيز الكفاءة دون زيادة كثافة الألياف.
3. سعة احتجاز الغبار (DHC)
قدرة احتجاز الغبار هي أقصى كمية من الجسيمات التي يمكن للوسط الترشيحي احتجازها قبل أن يتجاوز انخفاض الضغط حدًا معينًا (عادةً 250-500 باسكال) أو قبل أن تنخفض كفاءته عن المستوى المطلوب. تعني قدرة احتجاز الغبار الأعلى عمرًا أطول للمرشح، مما يقلل تكاليف الاستبدال وتكرار الصيانة. تتميز وسائط الألياف الزجاجية عادةً بقدرة احتجاز غبار أعلى من الوسائط البوليمرية نظرًا لبنيتها الأكثر صلابة وحجم مسامها الأكبر، مما يجعلها مناسبة للبيئات عالية الغبار مثل المنشآت الصناعية.
4. مقاومة المواد الكيميائية ودرجات الحرارة
في التطبيقات المتخصصة، تُعدّ مقاومة المواد الكيميائية ودرجات الحرارة من أهم مؤشرات الأداء الرئيسية. تتحمل وسائط الألياف الزجاجية درجات حرارة تصل إلى 250 درجة مئوية، وهي مقاومة لمعظم الأحماض والقواعد، مما يجعلها مثالية للاستخدام في محطات حرق النفايات أو منشآت المعالجة الكيميائية. تتميز الوسائط البوليمرية المصنوعة من مادة PTFE بمقاومة عالية للمواد الكيميائية، ويمكنها العمل في درجات حرارة تصل إلى 200 درجة مئوية، بينما تتميز وسائط البولي بروبيلين بمقاومة أقل للحرارة (أقصى درجة حرارة تشغيل تبلغ حوالي 80 درجة مئوية)، ولكنها توفر مقاومة جيدة للزيوت والمذيبات العضوية.
تطبيقات وسائط ترشيح HEPA
تُستخدم وسائط ترشيح HEPA في مجموعة واسعة من التطبيقات عبر مختلف الصناعات، مدفوعة بالحاجة إلى هواء نظيف وبيئات خالية من الجسيمات:
1. الرعاية الصحية والطبية
في المستشفيات والعيادات ومرافق تصنيع الأدوية، تُعدّ وسائط ترشيح HEPA ضرورية لمنع انتشار مسببات الأمراض المحمولة جوًا (مثل البكتيريا والفيروسات وجراثيم العفن). تُستخدم هذه الوسائط في غرف العمليات ووحدات العناية المركزة وغرف التعقيم المستخدمة في إنتاج الأدوية، وفي الأجهزة الطبية كأجهزة التنفس الاصطناعي. وتُفضّل وسائط ترشيح HEPA المصنوعة من الألياف الزجاجية أو مادة PTFE نظرًا لكفاءتها العالية ومقاومتها للمواد الكيميائية وقدرتها على تحمّل عمليات التعقيم (مثل التعقيم بالبخار).
2. أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء وجودة هواء المبنى
تستخدم أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) في المباني التجارية ومراكز البيانات والمنازل وسائط ترشيح HEPA لتحسين جودة الهواء الداخلي. وتُستخدم وسائط HEPA البوليمرية بشكل شائع في أجهزة تنقية الهواء المنزلية وفلاتر أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء نظرًا لانخفاض تكلفتها وكفاءتها في استهلاك الطاقة، بينما تُستخدم وسائط الألياف الزجاجية في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء التجارية واسعة النطاق في البيئات التي تكثر فيها الأتربة.
3. الصناعة والتصنيع
في البيئات الصناعية، مثل تصنيع أشباه الموصلات، وتصنيع الإلكترونيات، وتجميع السيارات، تُستخدم وسائط ترشيح HEPA للحفاظ على غرف نظيفة ذات مستويات منخفضة للغاية من الجسيمات (مقاسة بالجسيمات لكل قدم مكعب). تتطلب هذه التطبيقات وسائط ترشيح HEPA عالية الجودة (مثل H14) لمنع تلوث المكونات الحساسة. وتُفضل وسائط الألياف الزجاجية والوسائط المركبة هنا لكفاءتها العالية ومتانتها.
4. المنتجات الاستهلاكية
تُستخدم وسائط ترشيح HEPA بشكل متزايد في المنتجات الاستهلاكية مثل المكانس الكهربائية وأجهزة تنقية الهواء وأقنعة الوجه. وتُعدّ وسائط الترشيح البوليمرية المصهورة بالنفخ المادة الأساسية في أجهزة التنفس N95/KN95، التي أصبحت ضرورية خلال جائحة كوفيد-19 للحماية من الفيروسات المحمولة جوًا. وفي المكانس الكهربائية، تمنع وسائط ترشيح HEPA الغبار الناعم والمواد المسببة للحساسية من إعادة إطلاقها في الهواء، مما يُحسّن جودة الهواء الداخلي.
الاتجاهات المستقبلية في مواد وسائط ترشيح HEPA
مع تزايد الطلب على الهواء النظيف وتقدم التكنولوجيا، تشكل عدة اتجاهات مستقبل مواد وسائط ترشيح HEPA:
1. تقنية الألياف النانوية
يُعدّ تطوير وسائط ترشيح الهواء عالية الكفاءة (HEPA) القائمة على الألياف النانوية اتجاهًا رئيسيًا، إذ توفر هذه الألياف فائقة الدقة كفاءة أعلى وانخفاضًا أقل في الضغط مقارنةً بالوسائط التقليدية. وقد ساهمت التطورات في تقنيات الغزل الكهربائي والنفخ بالذوبان في جعل إنتاج وسائط الألياف النانوية أكثر فعالية من حيث التكلفة، مما وسّع نطاق استخدامها في التطبيقات الاستهلاكية والصناعية. كما يستكشف الباحثون استخدام البوليمرات القابلة للتحلل الحيوي (مثل حمض البوليلاكتيك، PLA) في وسائط الألياف النانوية لمعالجة المخاوف البيئية المتعلقة بالنفايات البلاستيكية.
2. تعزيز الشحنات الكهروستاتيكية
تتطور وسائط الترشيح الكهروستاتيكية، التي تعتمد على الشحنة الكهروستاتيكية لحجز الجسيمات، بشكل متزايد. ويعمل المصنّعون على تطوير تقنيات شحن جديدة (مثل التفريغ الإكليلي والشحن الاحتكاكي) لتحسين عمر الشحنة الكهروستاتيكية، مما يضمن أداءً ثابتًا طوال عمر المرشح. وهذا يقلل الحاجة إلى استبدال المرشح بشكل متكرر ويخفض استهلاك الطاقة.
3. الوسائط متعددة الوظائف
ستُصمَّم وسائط ترشيح HEPA المستقبلية لأداء وظائف متعددة، مثل التقاط الجسيمات، وإزالة الروائح، ومعادلة الغازات. ويتحقق ذلك من خلال دمج الكربون النشط، والمواد المحفزة ضوئيًا (مثل ثاني أكسيد التيتانيوم)، والمواد المضادة للميكروبات في هذه الوسائط. فعلى سبيل المثال، يمكن لوسائط ترشيح HEPA المضادة للميكروبات أن تمنع نمو البكتيريا والعفن على سطح المرشح، مما يقلل من خطر التلوث الثانوي.
4. مواد مستدامة
مع تزايد الوعي البيئي، يتزايد التوجه نحو استخدام مواد ترشيح HEPA أكثر استدامة. ويبحث المصنّعون عن موارد متجددة (مثل البوليمرات النباتية) ومواد قابلة لإعادة التدوير للحد من الأثر البيئي للمرشحات أحادية الاستخدام. إضافةً إلى ذلك، تُبذل جهود لتحسين قابلية إعادة تدوير وتحلل الوسائط البوليمرية الحالية، ما يُسهم في معالجة مشكلة نفايات المرشحات في مكبات النفايات.
مادة مرشحات HEPA عبارة عن ركيزة متخصصة مصممة لالتقاط الجسيمات الدقيقة المحمولة جوًا بكفاءة استثنائية، ما يجعلها عنصرًا أساسيًا في حماية صحة الإنسان والحفاظ على بيئات نظيفة في مختلف القطاعات. بدءًا من الألياف الزجاجية التقليدية وصولًا إلى الألياف النانوية البوليمرية المتطورة والهياكل المركبة، يتم تصميم تركيبة مادة مرشحات HEPA لتلبية المتطلبات الفريدة لمختلف التطبيقات. وتحدد عمليات التصنيع، مثل النفخ بالصهر والغزل الكهربائي والترسيب الرطب، بنية هذه المادة، والتي بدورها تؤثر على مؤشرات الأداء الرئيسية، مثل كفاءة الترشيح وانخفاض الضغط وقدرة احتجاز الغبار. ومع تقدم التكنولوجيا، تدفع اتجاهات مثل تقنية الألياف النانوية والتحسين الكهروستاتيكي والتصميم متعدد الوظائف والاستدامة الابتكار في مجال مرشحات HEPA، ما يجعلها أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة وصديقة للبيئة. وسواء في مجال الرعاية الصحية أو التصنيع الصناعي أو المنتجات الاستهلاكية، ستظل مرشحات HEPA أداة أساسية لضمان هواء نقي ومستقبل صحي.
تاريخ النشر: 27 نوفمبر 2025