Meccanismi di filtrazione per filtri fibrosi ad alta efficienza

Meccanismi di filtrazione per filtri fibrosi ad alta efficienza

Panoramica
Esiste un'idea sbagliata diffusa secondo cui i filtri fibrosi si comportano come un setaccio in cui le particelle di dimensione superiore a una certa soglia vengono intrappolate e quelle più piccole passano attraverso. Sebbene alcuni filtri, come i filtri a membrana nei liquidi, funzionino effettivamente in questo modo, i filtri a fibra di vetro sfidano il buon senso intrappolando in modo più efficace le particelle più piccole e più grandi rispetto a quelle di dimensioni medie. I filtri fibrosi ad alta efficienza costituiscono una grande percentuale dei filtri utilizzati nel mondo oggi. Le applicazioni includono protezione respiratoria, campionamento dell'aria, camere pulite, processi industriali e sistemi di ventilazione degli edifici. Un filtro fibroso è composto da un gran numero di fibre orientate casualmente. Queste fibre formano un materiale o tappeto denso che cattura e trattiene le particelle lungo tutta la sua profondità o spessore. È lo spessore, il diametro delle fibre e la densità del tappeto a permettere il funzionamento dei filtri fibrosi. La performance del filtro è spesso espressa in termini di percentuale di efficienza, definita come il rapporto tra la concentrazione di particelle a monte rispetto a quella a valle che ha attraversato il filtro (moltiplicato per 100). Figura 0

L'efficienza di un filtro fibroso varia in base alle diverse dimensioni delle particelle e ai flussi. È privo di senso specificare l'efficienza di un filtro fibroso senza indicare anche la dimensione della particella pertinente e il flusso. Ad esempio, NIOSH definisce un respiratore P100 (precedentemente HEPA) come avente almeno il 99,97 percento di efficienza per particelle di 0,3 micrometri (μm) a un flusso di 85 litri al minuto (lpm). Allo stesso modo, un filtro di classe N95 deve essere almeno al 95 percento efficiente contro particelle di 0,3 μm a 85 lpm. Il motivo per cui si fa spesso riferimento a una dimensione di particella di 0,3 μm è perché le particelle di diametro vicino a 0,3 μm sono più propense a passare attraverso il filtro rispetto a qualsiasi altra dimensione. In altre parole, è la dimensione di particella più sfidante. L'efficienza del filtro è più alta a qualsiasi altra dimensione. Continua a leggere per scoprire perché.

Meccanismi di filtrazione
Diversi meccanismi fisici contribuiscono all'efficacia di un filtro fibroso ad alta efficienza nel catturare particelle. I meccanismi più predominanti sono l'intercettazione, l'impatto inerziale e la diffusione.

Intercettazione
L'intercettazione avviene quando una particella che segue una linea di flusso gassoso si avvicina a una fibra del filtro di una distanza pari a un raggio della particella stessa. La particella tocca la fibra e viene catturata, quindi rimossa dal flusso di gas. Questo è illustrato in Figura 1.

Per una data dimensione di particella, ci sono alcune linee di flusso che si avvicineranno abbastanza a una fibra del filtro da catturare la particella. Le linee di flusso più lontane di un raggio di particella dalla fibra non contribuiranno al meccanismo di intercettazione.

Impatto inerziale
L'impatto inerziale si verifica quando una particella è così grande da non riuscire a adattarsi rapidamente ai cambiamenti improvvisi di direzione del flusso vicino a una fibra del filtro. La particella, a causa della sua inerzia, continuerà lungo il suo percorso originale e colpirà la fibra del filtro. Questo tipo di meccanismo di filtrazione è più predominante quando sono presenti alte velocità del gas e un'alta densità di fibre nel mezzo filtrante. La Figura 2 sotto illustra questo meccanismo.

Diffusione
Per spiegare il meccanismo di cattura per diffusione, dobbiamo prima fare una rapida revisione della teoria cinetica dei gas. Questa teoria spiega che un gas è composto da un gran numero di molecole di piccole dimensioni rispetto alle distanze tra di esse. Queste molecole si comportano come sfere rigide che viaggiano in linee rette quando non si scontrano tra loro. In realtà, queste molecole collidono tra loro così spesso che si muovono lungo percorsi casuali a zigzag. Questo movimento casuale è chiamato moto browniano. Il meccanismo di diffusione della ritenzione delle particelle è il risultato del moto browniano delle molecole di gas. Le piccole particelle, con diametri nell'intervallo di 0,1 μm e inferiori, tendono a muoversi casualmente a causa della loro interazione con le molecole di gas che si muovono a zigzag. Man mano che queste piccole particelle vengono urtate dalle molecole di gas, anche esse iniziano a muoversi casualmente, urtando altre particelle. La diffusione predomina con basse velocità del gas e particelle di dimensioni ridotte. Più piccola è una particella e più lento è il flusso, più tempo avrà per zigzagare, aumentando così le possibilità di colpire e aderire a una fibra del filtro.

Efficienza complessiva del filtro rispetto alla dimensione delle particelle
Un grafico che mostra come varia l'efficienza del filtro in funzione della dimensione delle particelle è mostrato in Figura 4. Come si può vedere dal grafico, la capacità di un filtro di rimuovere particelle da un flusso di gas è direttamente correlata alla dimensione delle particelle nel flusso stesso. Per particelle molto piccole, inferiori a 0,1 μm di diametro, il meccanismo di filtrazione principale è la diffusione e il filtro è molto efficiente. Per particelle comprese tra circa 0,1 e 0,4 μm, il filtro è meno efficiente poiché le particelle sono troppo grandi per un effetto di diffusione elevato e troppo piccole per un grande effetto di intercettazione. Particelle superiori a circa 0,4 μm entrano nella regione in cui prevalgono l'intercettazione e l'impatto inerziale, e il filtro diventa di nuovo molto efficiente.

Sintesi
La capacità di un filtro di catturare particelle dipende dalla dimensione delle particelle che attraversano le sue fibre e dalla velocità del flusso che passa attraverso il filtro. Contrariamente a quanto si pensa comunemente, un filtro fibroso non cattura semplicemente tutte le particelle di dimensione superiore a una certa soglia. Tre meccanismi sono predominanti nel determinare l'efficienza di un filtro rispetto alla dimensione delle particelle. Questi sono: intercettazione, impatto inerziale e diffusione. Le particelle grandi, superiori a 0,4 μm di diametro, verranno catturate sia tramite i meccanismi di impatto che di intercettazione. Le particelle di dimensioni medie, generalmente considerate le più penetranti, nell'intervallo di diametro da 0,1 a 0,4 μm, vengono catturate sia tramite i meccanismi di diffusione che di intercettazione. Le piccole particelle, inferiori a 0,1 μm di diametro, vengono catturate tramite il meccanismo di diffusione.
Il risultato dei vari meccanismi di filtrazione è una curva di efficienza rispetto alla dimensione delle particelle che ha una forma a campana rovesciata, come illustrato in Figura 4. Un filtro fibroso è generalmente meno efficace nel rimuovere particelle nell'intervallo di diametro da 0,1 a 0,4 μm. Per testare un filtro in situazioni di massima penetrazione, dovrebbe essere testato con un aerosol alla dimensione di particella più penetrante.

Figura 0: Percentuale di Efficienza
Figura 1: Intercettazione Diretta di una Particella da parte di una Fibra del Filtro
Figura 2: Impatto Inerziale
Figura 3: Diffusione
Figura 4: Efficienza del Filtro rispetto alla Dimensione delle Particelle