Mécanismes de filtration pour les filtres fibres à haute efficacité

Mécanismes de filtration pour les filtres fibres à haute efficacité

Vue d'ensemble
Il existe une idée reçue populaire selon laquelle les filtres fibreux se comportent comme une passoire où les particules de taille supérieure à une certaine taille sont piégées et les particules plus petites passent à travers. Bien que certains filtres, tels que les filtres à membrane dans les liquides, fonctionnent de cette manière, les filtres à air fibreux défient le bon sens en piégeant en réalité de manière plus efficace les particules plus petites et plus grandes que celles de taille moyenne. Les filtres fibreux à haute efficacité représentent un pourcentage important des filtres utilisés dans le monde entier aujourd'hui. Les applications incluent la protection respiratoire, l'échantillonnage de l'air, les salles blanches, les processus industriels et les systèmes de ventilation des bâtiments. Un filtre fibreux est composé d'un grand nombre de fibres orientées de manière aléatoire. Ces fibres forment un matériau ou un tapis dense qui capture et retient les particules tout au long de sa profondeur ou de son épaisseur. C'est l'épaisseur, le diamètre des fibres et la densité du tapis qui permettent aux filtres fibreux de fonctionner. La performance du filtre est souvent exprimée en pourcentage d'efficacité, défini comme le rapport de la concentration de particules en amont par rapport à la concentration en aval qui a traversé (multiplié par 100). Figure 0

L'efficacité d'un filtre fibreux varie en fonction de la taille des particules et du débit. Il est inutile de spécifier l'efficacité d'un filtre fibreux sans indiquer également la taille de particule pertinente et le débit. Par exemple, NIOSH définit un masque respiratoire P100 (anciennement HEPA) comme étant efficace à au moins 99,97 % pour des particules de 0,3 micromètres (μm) à un débit de 85 litres par minute (lpm). De même, un filtre de classe N95 doit être efficace à au moins 95 % contre des particules de 0,3 μm à 85 lpm. La raison pour laquelle une taille de particule de 0,3 μm est couramment référencée est que les particules proches de 0,3 μm de diamètre ont plus de chances de passer à travers le filtre que toute autre taille. En d'autres termes, c'est la taille de particule dans le pire cas. L'efficacité du filtre est plus élevée à toute autre taille. Continuez à lire pour découvrir pourquoi.

Mécanismes de filtration
Divers mécanismes physiques contribuent à l'efficacité d'un filtre fibreux dans la capture des particules. Les mécanismes les plus prédominants sont l'interception, l'impact inertiel et la diffusion.

Interception
L'interception se produit lorsqu'une particule suivant une ligne de courant de gaz se trouve à une distance d'une fibre filtrante équivalente à un rayon de particule. La particule touche la fibre et est capturée, étant ainsi retirée du flux de gaz. Cela est illustré dans la Figure 1.

Pour une taille de particule donnée, il existe certains lignes de courant qui se rapprochent suffisamment d'une fibre filtrante pour que la particule soit capturée. Les lignes de courant situées à plus d'un rayon de particule d'une fibre ne contribueront pas au mécanisme d'interception.

Impact inertiel
L'impact inertiel se produit lorsqu'une particule est si grosse qu'elle ne peut pas s'ajuster rapidement aux changements brusques de direction de la ligne de courant près d'une fibre filtrante. La particule, en raison de son inertie, continuera sur sa trajectoire initiale et heurtera la fibre. Ce type de mécanisme de filtration est le plus prédominant lorsque la vitesse du gaz est élevée et que l'agencement des fibres du média filtrant est dense. La Figure 2 ci-dessous illustre ce mécanisme.

Diffusion
Pour expliquer le mécanisme de diffusion de la capture de particules, il est d'abord nécessaire de faire une brève revue de la théorie cinétique des gaz. Cette théorie explique qu'un gaz est composé d'un grand nombre de molécules qui sont de petite taille par rapport aux distances qui les séparent. Ces molécules se comportent comme des sphères rigides qui se déplacent en ligne droite lorsqu'elles ne se cognent pas entre elles. En réalité, ces molécules entrent en collision tellement souvent qu'elles se déplacent selon un chemin aléatoire en zigzag. Ce mouvement aléatoire est appelé mouvement brownien. Le mécanisme de diffusion de la rétention des particules résulte du mouvement brownien des molécules de gaz. Les petites particules, dont le diamètre est compris entre 0,1 μm et moins, ont tendance à effectuer des mouvements aléatoires en raison de leur interaction avec les molécules de gaz zigzaguantes. Lorsqu'elles sont heurtées par ces molécules, ces petites particules commencent également à se déplacer de manière aléatoire, en heurtant d'autres particules. La diffusion est prédominante à faibles vitesses de gaz et pour des particules plus petites. Plus une particule est petite et plus le débit est lent, plus elle aura de temps pour zigzaguer, augmentant ainsi ses chances de heurter et d'adhérer à une fibre filtrante.

Efficacité globale du filtre en fonction de la taille des particules
Un graphique montrant comment l'efficacité du filtre varie avec la taille des particules est présenté dans la Figure 4. Comme le montre le graphique, la capacité d'un filtre à éliminer les particules d'un flux de gaz est directement liée à la taille des particules dans le flux. Pour les très petites particules, inférieures à 0,1 μm de diamètre, le mécanisme de filtration principal est la diffusion et le filtre est très efficace. Pour les particules comprises entre environ 0,1 et 0,4 μm, le filtre est moins efficace car les particules sont trop grandes pour un effet de diffusion important et trop petites pour un effet d'interception important. Les particules supérieures à environ 0,4 μm entrent dans la région où l'interception ainsi que l'impact inertiel sont prédominants, et le filtre devient à nouveau très efficace.

Résumé
La capacité d'un filtre à capturer des particules dépend de la taille des particules traversant ses fibres ainsi que de la vitesse du flux passant à travers le filtre. Contrairement à la croyance populaire, un filtre fibreux ne capture pas simplement toutes les particules au-dessus d'une certaine taille. Trois mécanismes prédominent dans la détermination de l'efficacité d'un filtre en fonction de la taille des particules. Il s'agit de : l'interception, l'impact inertiel et la diffusion. Les grosses particules de plus de 0,4 μm de diamètre seront capturées à la fois par les mécanismes d'impact et d'interception. Les particules moyennes, généralement considérées comme les plus pénétrantes, dans la gamme de diamètre de 0,1 à 0,4 μm, sont capturées par la diffusion et l'interception. Les petites particules, inférieures à 0,1 μm de diamètre, sont capturées par le mécanisme de diffusion.
Le résultat des différents mécanismes de filtration est une courbe d'efficacité en fonction de la taille des particules qui a une forme de cloche inversée, comme illustré dans la Figure 4. Un filtre fibreux est généralement le moins efficace pour éliminer les particules dans la gamme de diamètre de 0,1 à 0,4 μm. Pour tester un filtre dans des situations extrêmes, il doit être testé avec un aérosol à la taille de particule la plus pénétrante.

Figure 0 : Pourcentage d'efficacité
Figure 1 : Interception directe d'une particule par une fibre filtrante
Figure 2 : Impact inertiel
Figure 3 : Diffusion
Figure 4 : Efficacité du filtre en fonction de la taille des particules