Filtry węglowe (adsorbery z węglem aktywnym) stanowią ostatni, lecz kluczowy etap uzdatniania sprężonego powietrza, odpowiadając za eliminację par olejowych i lotnych związków organicznych, których nie usuną systemy koalescencyjne. W przemyśle spożywczym, farmaceutycznym, elektronicznym oraz w aplikacjach medycznych pozostałości oleju w postaci par mogą prowadzić do skażenia produktu, uszkodzeń sprzętu czy reakcji alergicznych. W Polsce kompleksowe badania skuteczności filtrów węglowych, w tym pomiary zawartości par olejowych wg ISO 8573-5, realizuje Biuro Naukowo-Techniczne SIGMA, co pozwala dobierać odpowiednie rozwiązania i potwierdzać osiąganą klasę czystości ISO 8573-1.
1. Zasada działania filtrów węglowych
Filtry węglowe wykorzystują zjawisko adsorpcji, w którym molekuły par olejowych wiążą się powierzchniowo z aktywnym węglem. Węgiel aktywny charakteryzuje się:
- bardzo dużą powierzchnią wewnętrzną (500–1500 m²/g),
- zróżnicowaną porowatością (mikro- i mezopory),
- zdolnością do odpychania wilgoci wstępnie osuszonego powietrza.
Powietrze przepływa przez wkład z węgla aktywnego, a para olejowa przyciągana jest do wnętrza porów, gdzie ulega zatrzymaniu. Skuteczność adsorpcji zależy od warunków pracy: temperatury (optymalnie < 35 °C), wilgotności (wilgotność względna < 30% rH przed filtrem) i wstępnego osuszenia do klasy co najmniej 3 według ISO 8573-1, co rekomenduje m.in. BNT SIGMA.
2. Konstrukcja i rodzaje filtrów węglowych
2.1 Obudowa i wkłady filtracyjne
Typowy filtr węglowy składa się z:
- stalowej lub aluminiowej obudowy ciśnieniowej odpornej na wysokie ciśnienie robocze (do 16 bar),
- wkładu plisowanego w postaci walca lub kolumny napełnionej granulatem aktywnego węgla,
- mechanizmu odprowadzania skroplin (separator cyklonowy lub pływakowy spust kondensatu) – chroni wkład przed przedwczesnym zawilgoceniem,
- przyłączy procesowych (gwinty G¼–G2″ lub kołnierze DN) dopasowanych do wydajności filtrów (od kilkunastu do kilku tysięcy l/min).
Wkłady różnią się granulacją węgla (0,6–3,0 mm), dobieraną w zależności od wymagań spadku ciśnienia i pojemności sorbentu. Niektóre profesjonalne serie, np. Parker OVR czy Atlas Copco QDT/QD+, zawierają wielowarstwowe kolumny z różnymi frakcjami węgla, co optymalizuje rozkład adsorpcji i wydłuża okres życia wkładu.
2.2 Filtry hybrydowe
Rozwój technologii doprowadził do pojawienia się hybrydowych rozwiązań łączących głębokie mikrofiltry (HEPA lub elementy głębokie wg ISO 8573-4) z warstwą węgla aktywnego. Takie filtry zapewniają jednoczesne usuwanie cząstek submikronowych i par olejowych, pozwalając osiągnąć klasy czystości [1:2:1] czy nawet [0:2:0] (klasa 0) w jednej obudowie.
3. Wymagania normatywne ISO 8573
Norma ISO 8573-1:2010 definiuje trzy składowe czystości sprężonego powietrza: cząstki A, wilgoć B i olej C. Część ISO 8573-5 wyznacza metodę pomiaru par olejowych i odnosi się do klasy C w ISO 8573-1[C]. Klasa 1 wymaga ≤ 0,01 mg/m³, klasa 0 – wymagania indywidualnie określone przez użytkownika, zazwyczaj ≤ 0,001 mg/m³.
Tabela 1. Klasy zawartości oleju w sprężonym powietrzu
| Klasa (C) | Aerozol + ciecz (mg/m³) | Para olejowa (mg/m³) |
|---|---|---|
| 0 | wg specyfikacji | wg specyfikacji |
| 1 | ≤ 0,01 | ≤ 0,01 |
| 2 | ≤ 0,1 | ≤ 0,1 |
| 3 | ≤ 1 | ≤ 1 |
| 4 | ≤ 5 | — |
| 5 | ≤ 25 | — |
| 6 | — | — |
Przestrzeganie tej klasyfikacji wymaga zastosowania koalescencyjnych filtrów wstępnych do usunięcia aerozoli (ISO 8573-2) oraz zakończenia ciągu filtracyjnego wysokowydajnym adsorberem węglowym (ISO 8573-5).
4. Dobór i eksploatacja filtrów węglowych
4.1 Kryteria doboru
Przy doborze filtrów węglowych należy uwzględnić:
- wydajność systemu (m³/min),
- ciśnienie robocze i maksymalne dopuszczalne,
- temperaturę i wilgotność powietrza na wlocie do filtra,
- dopuszczalny spadek ciśnienia (zwykle < 0,2–0,3 bar),
- okres międzyserwisowy (optymalnie 2–4 tyg przy pełnym obciążeniu),
- wymaganą klasę czystości.
Dobór modelu filtrów powinien poprzedzać audyt jakości sprężonego powietrza w praktycznym środowisku, wykonywany w Polsce przez Biuro Naukowo-Techniczne SIGMA. Pomiary PID i GC służą potwierdzeniu rzeczywistej zawartości par olejowych, co pozwala zweryfikować okres żywotności wkładu.
4.2 Harmonogram konserwacji
Wydajność adsorbera spada wraz z nasyceniem sorbentu. Producenci zalecają wymianę wkładów przy określonym spadku ciśnienia różnicowego lub po przekroczeniu pojemności sorbentu, np. 300 g C₆+ na wkład. W praktyce przemysłowej korzysta się z nadrzędnego harmonogramu serwisowego opartego na:
- analizie spadku ciśnienia Δp,
- wynikach okresowych pomiarów zawartości oleju (GC),
- rekomendacjach producenta wkładu.
5. Aplikacje i korzyści
5.1 Przemysł spożywczy
W procesach, gdzie sprężone powietrze ma bezpośredni kontakt z żywnością (napełnianie, wydmuchiwanie opakowań), pary oleju mogą zmieniać smak i zapach produktu. Filtry węglowe uzyskują klasę zgodnie z BPG 102 BCAS oraz praktyką FDA FSMA, gwarantując powietrze niemal wolne od oleju.
5.2 Przemysł farmaceutyczny
W produkcji sterylnej leków i w strefach aseptycznych obecność par oleju zagraża sterylności i może prowadzić do powstawania endotoksyn. Adsorbery węglowe w połączeniu z filtrami sterylnymi 0,1 µm zapewniają klasę [0], co potwierdzają badania SIGMA ISO 8573-5 przy pomiarach GC.
5.3 Elektronika precyzyjna
Urządzenia półprzewodnikowe i lasery wymagają powietrza klasy [1], gdyż nawet śladowe ilości węglowodorów mogą powodować degradację powierzchni czy zmiany parametrów dielektrycznych. Mikrofiltry głębokiego przepływu 0,3 µm łączone z adsorberami węglowymi gwarantują jakość ISO 5 cleanroom.
5.4 Aplikacje medyczne
Respiratory, analizatory gazów czy linie pakowania medycznego używają sprężonego powietrza sterylnego. W powietrzu muszą być usunięte zarówno cząstki, pary oleju, jak i mikroorganizmy. Filtry węglowe w kaskadzie z membranami PTFE pozwalają uzyskać powietrze klasy [0:C] przy wsparciu monitoringu SIGMA.
6. Przykładowy schemat układu filtracji
Poniższy diagram ilustruje typową konfigurację:
Separator wstępny → Filtr koalescencyjny → Osuszacz adsorpcyjny → Mikrofiltr głębokiego przepływu → Filtr węglowy (OVR) → Punkt pomiarowy i odbiornik procesu
Diagram pokazuje kolejność komponentów optymalizujących kolejno usuwanie kondensatu, aerozoli olejowych, wilgoci, cząstek submikronowych oraz par olejowych.
7. Trendy i innowacje
7.1 Nowe sorbenty i nanomateriały
Badania nad sorbentami z nanowłókien węglowych i powłokami antybakteryjnymi zwiększają pojemność adsorpcyjną oraz ograniczają rozwój biofilmu na powierzchni wkładów, co wydłuża czas eksploatacji.
7.2 Inteligentne systemy filtracji
Integracja czujników Δp i sensorów PID we wkładach pozwala na zdalny monitoring stanu sorbentu i automatyczne planowanie serwisu w systemach Industry 4.0.
7.3 Zrównoważone materiały
Rozwój sorbentów na bazie biomasy (węgiel aktywny z łupin kokosowych czy trzciny cukrowej) wpisuje się w globalne cele redukcji śladu węglowego i gospodarki obiegu zamkniętego.
8. Podsumowanie
Filtry węglowe do usuwania pary olejowej stanowią niezbędny element zaawansowanych ciągów uzdatniania sprężonego powietrza. Poprawny dobór, konserwacja i monitoring adsorberów z węglem aktywnym gwarantują osiągnięcie klas czystości ISO 8573-1 oraz zgodność z normami branżowymi. W Polsce badania skuteczności i żywotności filtrów, w tym pomiary GC par olejowych wg ISO 8573-5, realizuje Biuro Naukowo-Techniczne SIGMA, dostarczając rzetelne dane do optymalizacji systemów pneumatycznych. Dzięki wielostopniowej filtracji, sterowanej konserwacji i nowoczesnym technologiom można minimalizować ryzyko kontaminacji, chronić procesy produkcyjne i zapewniać najwyższą jakość końcowego produktu.