Utilization of Insulation Waste of PU Foam as Air Purifier Filter

Abstract

Thailand’s electronic waste production reached 0.4 million which included refrigerator waste. Refrigerators that are no longer required are sorted and separated to recycle valued parts, while over 20,000 m3 of rigid polyurethane (PU) insulating foam is discarded in community dumping sites or illegally burned. This research aimed to add value to the PU foam waste by adopting it as an air purifier. Thus, we designed and constructed a prototype of a portable air purifier embedding a filter to trap PM2.5 made from PU foam. Our designed 36x36x78-cm3 air purifier was made from aluminum and covered with galvanized iron flat sheet. It was equipped with a 220-W centrifugal fan and griller tower to distribute dirty air evenly. An air filter cartridge was a 31x5x44-cm3 aluminum frame filling with three individual PU foam shapes, including stripe, cubic and ball. The experiments were divided into 3 parts as follows. Experiment 1 - the air purifier performance was evaluated in terms of a clean air delivery rate (CADR) for removal of PM2.5. Test particles were generated by burning an incense stick in an 8-m3 test chamber to achieve an initial concentration of 250 µg/m3. CADRs were determined by fitting 1.5-h concentration profiles to mass balance models, using nonlinear regression. Experiment 2 - the air purifier performance was evaluated in terms of CADR for removal of formaldehyde using the PU foam shape that exhibited the highest CADR for PM2.5 removal. The initial concentration was 1 ppm. The CADR was determined with the similar fashion as the PM2.5 CADR. Experiment 3- a service life of the PU foam filter was evaluated from conducting an air purifier model containing 9 g of PU foam. Test particles were generated by burning incense sticks continuously and monitoring the output PM2.5 concentration. Results show that the air purifier had the PM2.5 removal efficiency of 79% for the stripe shape, 89% for the cubic shape and 92% the ball shape. The CADRs for PM2.5 removal were 14.3 m3/h for the stripe shape, 18.6 m3/h for the cubic shape and 21.3 m3/h for the ball shapes. The ball-shape filter exhibited the similar CADR to the 35-Watt HEPA commercial air purifier. An additional prefilter sheet helped to increase the CADRs for all PU foam filter shapes by 50-90%. The CADR for formaldehyde removal was 0.24 m3/h. The 100-g PU foam filter was estimated to trap PM2.5 up to 277,000 mg. The service life of the air purifier was estimated using a simulation of the indoor environment with three different PM2.5 levels, i.e. 0.05, 0.1, 0.2 and 0.3 mg/m3, and 8-h/day operation period, The service life was 44, 22, 11 and 7 months, respectively. The production cost is 5,000 baht. It is noteworthy that the expired PU foam air filter can be ultimately used such as an aggregate as lightweight concrete.

ประเทศไทยผลิตขยะอิเล็กทรอนิกส์สูงถึง 0.4 ล้านตัน ซึ่งในจำนวนนี้เป็นตู้เย็นที่หมดสภาพโดยมีการคัดแยกชิ้นส่วนที่มูลค่าไปจำหน่าย ในขณะที่ฉนวนกันความร้อนโฟมพียูปริมาณกว่า 20,000 ลบ.ม. ถูกทิ้งในบ่อขยะของชุมชนหรือถูกลักลอบเผาทิ้ง งานวิจัยนี้ต้องการเพิ่มมูลค่าขยะโฟมพียูด้วยการใช้เป็นไส้กรองเครื่องฟอกอากาศ โดยออกแบบและสร้างเครื่องฟอกอากาศแบบเคลื่อนย้ายได้ที่ใช้ไส้กรองโฟมพียูจากฉนวนกันความร้อนเพื่อดักจับฝุ่นละอองขนาดเล็กกว่า 2.5 ไมครอน (PM2.5) โครงของเครื่องฟอกอากาศทำจากอะลูมิเนียมขนาด 36x36x78 ลบ.ซม. หุ้มด้วยแผ่นเหล็กเรียบ ติดตั้งพัดลมหอยโข่ง ขนาด 220 วัตต์ มี กริลเลอร์เพื่อกระจายลม ส่วนไส้กรองทำจากเฟรมอะลูมิเนียมขนาด 31x5x44 ลบ.ซม. ทดสอบโฟมพียู 3 รูปแบบ ได้แก่ แบบเส้น แบบลูกเต๋า และแบบก้อน แบ่งเป็น 3 การทดลองดังนี้ การทดลองที่ 1 วัดสมรรถนะของเครื่องฟอกด้วยค่าอัตราการส่งอากาศที่ถูกฟอกต่อหน่วยเวลา (CADR) สำหรับกำจัดฝุ่น PM2.5 โดยจุดธูปในห้องทดสอบ 8 ลบ.ม. ให้ได้ความเข้มข้นเริ่มต้นประมาณ 250 มคก./ลบ.ม. คำนวณค่า CADR จากข้อมูลการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้น PM2.5 เป็นเวลา 1.5 ชม. ด้วยสมการสมดุลมวลของฝุ่นในห้องทดสอบและใช้การวิเคราะห์ถดถอยแบบไม่เป็นเชิงเส้น การทดลองที่ 2 วัดสมรรถนะของเครื่องฟอกด้วยค่า CADR สำหรับกำจัดฟอร์มัลดีไฮด์ โดยการนำไส้กรองรูปแบบโฟมพียูที่ให้ค่า CADR สูงสุดมาใช้ในการทดลอง ใช้ความเข้มข้นเริ่มต้นประมาณ 1 พีพีเอ็ม คำนวณค่า CADR การกำจัดฟอร์มัลดีไฮด์เช่นเดียวกับของการกำจัดฝุ่น PM2.5 และการทดลองที่ 3 ประเมินอายุการใช้งานไส้กรองโฟมพียู โดยทดสอบกับเครื่องฟอกอากาศจำลองที่ใส่โฟมพียู 9 กรัม และจุดธูปให้เกิดฝุ่นอย่างต่อเนื่องแล้ววัดความเข้มข้นฝุ่นขาออก ผลการทดสอบพบว่า เมื่อสิ้นสุดระยะเวลาทดสอบ 1.5 ชม. เครื่องฟอกอากาศมีประสิทธิภาพกำจัด PM2.5 ดังนี้ ไส้กรองโฟมพียูรูปแบบเส้น 79, แบบลูกเต๋า 89 และแบบก้อน 92 เปอร์เซ็นต์ และเครื่องฟอกอกาศมีค่า CADR ดังนี้ ไส้กรองโฟมพียูรูปแบบเส้น 14.3, แบบลูกเต๋า 18.6 และแบบก้อน 21.3 ลบ.ม./ชม. โดยไส้กรองแบบก้อนให้ค่า CADR ใกล้เคียงเครื่องฟอกอากาศเชิงพาณิชย์บางรุ่นที่ใช้ไส้กรอง HEPA กำลังไฟ 35 วัตต์ เมื่อเสริมไส้กรองโฟมพียูด้วยแผ่นกรองหยาบสามารถเพิ่ม CADR ของเครื่องฟอกได้ 50-90 เปอร์เซ็นต์ สำหรับการกำจัดฟอร์มัลดีไฮด์ เครื่องฟอกอากาศมีค่า CADR เท่ากับ 0.24 ลบ.ม./ชม. การประเมินอายุการใช้งานเครื่องฟอกอากาศต้นแบบที่มีไส้กรองโฟมพียูจำนวน 100 กรัม จะสามารถดักฝุ่นได้ประมาณ 277,000 มก. เมื่อจำลองสถานการณ์ที่มีความเข้มข้นฝุ่นในสิ่งแวดล้อมต่างกันคือ 0.05, 0.1, 0.2 และ 0.3 มก./ลบ.ม. และเปิดเครื่องฟอกอากาศ 8 ชั่วโมงต่อวัน พบว่าอายุการใช้งานไส้รองกรองโฟมพียูเท่ากับ 44, 22, 11 และ 7 เดือน ตามลำดับ ค่าใช้จ่ายในการสร้างเครื่องฟอกประมาณ 5,000 บาท ทั้งนี้โฟมพียูที่หมดความสามารถในการดักจับฝุ่นแล้วสามารถนำไปใช้ประโยชน์ในขั้นสุดท้าย เช่น การผสมผลิตอิฐมวลเบา