Mecanismos de filtración para filtros fibrosos de alta eficiencia

Mecanismos de filtración para filtros fibrosos de alta eficiencia

Resumen
Existe una idea errónea popular de que los filtros fibrosos actúan como un tamiz donde las partículas de un tamaño determinado quedan atrapadas y las más pequeñas pasan a través. Aunque algunos filtros, como los filtros de membrana en líquidos, funcionan de esta manera, los filtros fibrosos de aire desafían el sentido común al atrapar de manera más efectiva partículas más pequeñas y más grandes que las de tamaño medio. Los filtros fibrosos de alta eficiencia constituyen un gran porcentaje de los filtros utilizados en todo el mundo hoy en día. Las aplicaciones incluyen protección respiratoria, muestreo de aire, salas limpias, procesos industriales y sistemas de ventilación en edificios. Un filtro fibroso está compuesto por una gran cantidad de fibras dispuestas de forma aleatoria. Estas fibras forman un material o estera densa que captura y retiene partículas a lo largo de toda su profundidad o grosor. Es el grosor, el diámetro de las fibras y la densidad de la estera lo que permite que los filtros fibrosos funcionen. El rendimiento del filtro a menudo se expresa en términos de porcentaje de eficiencia, definido como la relación entre la concentración de partículas aguas arriba y la concentración aguas abajo que ha pasado a través del filtro (multiplicado por 100). Figura 0

La eficiencia de un filtro fibroso varía según el tamaño de las partículas y las tasas de flujo. No tiene sentido especificar la eficiencia de un filtro fibroso sin también indicar el tamaño de partícula y el flujo pertinentes. Por ejemplo, NIOSH define un respirador P100 (antes HEPA) como aquel que tiene al menos un 99,97 por ciento de eficiencia para partículas de 0,3 micrómetros (μm) a una tasa de flujo de 85 litros por minuto (lpm). De manera similar, un filtro de clase N95 debe ser al menos un 95 por ciento eficiente contra partículas de 0,3 μm a 85 lpm. La razón por la que se referencia comúnmente un tamaño de partícula de 0,3 μm es porque las partículas cercanas a ese diámetro tienen más probabilidades de atravesar el filtro que cualquier otro tamaño. En otras palabras, es el tamaño de partícula en el peor caso. La eficiencia del filtro es mayor en cualquier otro tamaño. Continúe leyendo para descubrir por qué.

Mecanismos de filtración
Diversos mecanismos físicos contribuyen a la efectividad de un filtro fibroso de alta eficiencia en la captura de partículas. Los mecanismos más predominantes son la intercepción, el impacto inercial y la difusión.

Intercepción
La intercepción ocurre cuando una partícula que sigue una línea de corriente de gas pasa a una distancia de una radio de partícula de una fibra del filtro. La partícula toca la fibra y queda atrapada, siendo así retirada del flujo de gas. Esto se ilustra en la Figura 1.

Para un tamaño de partícula dado, existen ciertas líneas de corriente que se moverán lo suficientemente cerca de una fibra del filtro como para que la partícula quede atrapada. Las líneas de corriente que se encuentren a más de una radio de partícula de una fibra del filtro no contribuirán al mecanismo de intercepción.

Impacto inercial
El impacto inercial ocurre cuando una partícula es tan grande que no puede ajustarse rápidamente a los cambios abruptos en la dirección de la línea de corriente cerca de una fibra del filtro. La partícula, debido a su inercia, continuará en su trayectoria original y chocará contra la fibra del filtro. Este tipo de mecanismo de filtración es más predominante cuando hay altas velocidades de gas y un empaquetamiento denso de fibras en el medio filtrante. La Figura 2 ilustra este mecanismo.

Difusión
Para explicar el mecanismo de difusión en la captura de partículas, primero debemos hacer una revisión rápida de la teoría cinética de los gases. Esta teoría explica que un gas está compuesto por un gran número de moléculas que son pequeñas en comparación con las distancias entre ellas. Estas moléculas se comportan como esferas rígidas que viajan en línea recta cuando no chocan entre sí. En realidad, estas moléculas colisionan entre sí tantas veces que se mueven en trayectorias aleatorias en zigzag. Este movimiento aleatorio se conoce como movimiento browniano. El mecanismo de difusión de retención de partículas es resultado del movimiento browniano de las moléculas de gas. Las partículas pequeñas, con diámetros en el rango de 0,1 μm y menores, tienden a hacer movimientos aleatorios debido a su interacción con las moléculas de gas en zigzag. Cuando estas partículas pequeñas son golpeadas por las moléculas de gas, también comienzan a moverse de forma aleatoria, chocando con otras partículas. La difusión predomina con bajas velocidades de gas y partículas más pequeñas. Cuanto más pequeña sea una partícula y más lento el flujo, más tiempo tendrá para zigzaguear, aumentando así sus posibilidades de chocar y adherirse a una fibra del filtro.

Eficiencia general del filtro versus tamaño de partícula
Un gráfico que muestra cómo varía la eficiencia del filtro con el tamaño de las partículas se muestra en la Figura 4. Como se puede ver en el gráfico, la capacidad de un filtro para eliminar partículas de un flujo de gas está directamente relacionada con el tamaño de las partículas en el flujo. Para partículas muy pequeñas, menores de 0,1 μm de diámetro, el mecanismo principal de filtración es la difusión y el filtro es muy eficiente. Para partículas entre aproximadamente 0,1 y 0,4 μm, el filtro es menos eficiente ya que las partículas son demasiado grandes para un efecto de difusión significativo y demasiado pequeñas para un efecto de intercepción grande. Las partículas por encima de aproximadamente 0,4 μm entran en la región donde la intercepción junto con el impacto inercial son predominantes y el filtro vuelve a ser muy eficiente.

Resumen
La capacidad de un filtro para capturar partículas depende del tamaño de las partículas que atraviesan sus fibras, así como de la velocidad del flujo que pasa a través del filtro. Contrario a la creencia popular, un filtro fibroso no simplemente captura todas las partículas por encima de cierto tamaño. Tres mecanismos son predominantes para determinar la eficiencia de un filtro en función del tamaño de partícula. Estos son: intercepción, impacto inercial y difusión. Las partículas grandes, por encima de 0,4 μm de diámetro, serán capturadas tanto por los mecanismos de impacto como de intercepción. Las partículas medianas, generalmente consideradas las más penetrantes, en el rango de 0,1 a 0,4 μm de diámetro, son capturadas por los mecanismos de difusión y de intercepción. Las partículas pequeñas, por debajo de 0,1 μm de diámetro, son capturadas por el mecanismo de difusión.
El resultado de estos diversos mecanismos de filtración es una curva de eficiencia versus tamaño de partícula que tiene forma de campana invertida, como se ilustra en la Figura 4. Un filtro fibroso generalmente es menos efectivo para eliminar partículas en el rango de 0,1 a 0,4 μm de diámetro de partícula. Para probar un filtro en las peores condiciones, debe ser evaluado con un aerosol en el tamaño de partícula más penetrante.

Figura 0: Porcentaje de eficiencia
Figura 1: Intercepción directa de una partícula por una fibra del filtro
Figura 2: Impacto inercial
Figura 3: Difusión
Figura 4: Eficiencia del filtro versus tamaño de partícula