Mechanismen van filtratie voor hoogrendementsvezelfilters

Mechanismen van filtratie voor hoogrendementsvezelfilters

Overzicht
Er bestaat een veelvoorkomend misverstand dat vezelfilters zich gedragen als een zeef, waarbij deeltjes boven een bepaalde grootte worden gevangen en kleinere deeltjes doorgaan. Hoewel sommige filters, zoals membraanfilters in vloeistoffen, op deze manier functioneren, weerleggen vezelairfilters de logica door daadwerkelijk kleinere en grotere deeltjes effectiever te vangen dan middelgrote deeltjes. Hoogwaardige vezelfilters vormen een groot percentage van de filters die tegenwoordig wereldwijd worden gebruikt. Toepassingen omvatten ademhalingsbescherming, luchtmonsters, cleanrooms, industriële processen en ventilatiesystemen in gebouwen. Een vezelfilter bestaat uit een groot aantal willekeurig georiënteerde vezels. Deze vezels vormen een dicht materiaal of mat die deeltjes door zijn volledige diepte of dikte opvangt en vasthoudt. Het is de dikte, de vezeldiameter en de dichtheid van de mat die vezelfilters laten functioneren. De prestaties van een filter worden vaak uitgedrukt in termen van percentuele efficiëntie, gedefinieerd als de verhouding van de deeltjesconcentratie vóór de filter ten opzichte van de concentratie erna die door de filter is gegaan (vermenigvuldigd met 100). Figuur 0

De efficiëntie van een vezelfilter varieert voor verschillende deeltjesgroottes en stromingssnelheden. Het is zinloos om de efficiëntie van een vezelfilter te specificeren zonder ook de relevante deeltjesgrootte en stroming te vermelden. Bijvoorbeeld, NIOSH definieert een P100 (voorheen HEPA) ademhalingsfilter als minimaal 99,97 procent efficiënt voor deeltjes van 0,3 micrometer (μm) bij een stromingssnelheid van 85 liter per minuut (lpm). Evenzo moet een N95-klasse filter minimaal 95 procent efficiënt zijn tegen 0,3 μm deeltjes bij 85 lpm. De reden dat een deeltjesgrootte van 0,3 μm vaak wordt aangehaald, is omdat deeltjes met een diameter rond 0,3 μm waarschijnlijker door het filter gaan dan deeltjes van andere groottes. Met andere woorden, het is de worst-case deeltjesgrootte. De efficiëntie van het filter is hoger bij elke andere grootte. Lees verder om te ontdekken waarom.

Filtratiemechanismen
Verschillende fysieke mechanismen dragen bij aan de effectiviteit van een hoogwaardig vezelfilter bij het opvangen van deeltjes. De meest voorkomende mechanismen zijn interceptie, inertiële impactie en diffusie.

Interceptie
Interceptie vindt plaats wanneer een deeltje dat een gasstroom volgt binnen één deeltjesradius van een filtervezel komt. Het deeltje raakt de vezel en wordt gevangen, waardoor het uit de gasstroom wordt verwijderd. Dit wordt geïllustreerd in Figuur 1.

Voor een gegeven deeltjesgrootte zijn er bepaalde stroomlijnen die dicht genoeg bij een filtervezel bewegen zodat het deeltje wordt gevangen. Stroomlijnen die verder dan één deeltjesradius van een filtervezel liggen, dragen niet bij aan het interceptiemechanisme.

Inertiële impactie
Inertiële impactie treedt op wanneer een deeltje zo groot is dat het niet snel kan aanpassen aan de abrupte veranderingen in de stroomlijnrichting nabij een filtervezel. Het deeltje, vanwege zijn traagheid, blijft op zijn oorspronkelijke pad en raakt de filtervezel. Dit type filtratiemechanisme is het meest prominent bij hoge gasstromen en dichte vezelverpakkingen van het filtermedium. Dit mechanisme wordt geïllustreerd in Figuur 2.

Diffusie
Om het diffusiemechanisme van deeltjesopvang uit te leggen, moeten we eerst een korte review geven van de kinetische theorie van gassen. Deze theorie verklaart dat een gas bestaat uit een groot aantal moleculen die klein zijn in vergelijking met de afstanden tussen hen. Deze moleculen gedragen zich als starre bollen die in rechte lijnen reizen wanneer ze niet tegen elkaar botsen. In werkelijkheid botsen deze moleculen zo vaak dat ze zich bewegen in een willekeurig, zigzaggend patroon. Deze willekeurige beweging wordt Brownse beweging genoemd. Het diffusiemechanisme van deeltjesretentie is het resultaat van de Brownse beweging van gasmoleculen. Kleine deeltjes, met diameters in de range van 0,1 μm en kleiner, neigen naar willekeurige beweging door hun interactie met de zigzaggende gasmoleculen. Terwijl deze kleine deeltjes door de gasmoleculen worden gebotst, beginnen ze ook willekeurig te bewegen en botsen ze tegen andere deeltjes. Diffusie is predominant bij lage gasstromen en kleinere deeltjes. Hoe kleiner een deeltje en hoe trager de stroming, hoe meer tijd het heeft om te zigzaggen, waardoor het veel meer kans heeft om een filtervezel te raken en eraan te blijven plakken.

Algemene filterefficiëntie versus deeltjesgrootte
Een grafiek die laat zien hoe de filterefficiëntie varieert met deeltjesgrootte, wordt weergegeven in Figuur 4. Zoals uit de grafiek blijkt, is het vermogen van een filter om deeltjes uit een gasstroom te verwijderen rechtstreeks gerelateerd aan de grootte van de deeltjes in de stroom. Voor zeer kleine deeltjes, minder dan 0,1 μm in diameter, is het primaire filtratiemechanisme diffusie en is het filter zeer efficiënt. Voor deeltjes tussen ongeveer 0,1 en 0,4 μm is de efficiëntie lager omdat de deeltjes te groot zijn voor een sterk diffusie-effect en te klein voor een groot interceptie-effect. Deeltjes groter dan ongeveer 0,4 μm komen in het gebied waar interceptie samen met inertiële impactie overheersen en het filter weer zeer efficiënt wordt.

Samenvatting
Het vermogen van een filter om deeltjes op te vangen hangt af van de deeltjesgrootte die door de vezels gaat en de snelheid van de stroming door het filter. In tegenstelling tot de populaire overtuiging, vangt een vezelfilter niet simpelweg alle deeltjes boven een bepaalde grootte. Drie mechanismen zijn overheersend bij het bepalen van de efficiëntie van een filter versus deeltjesgrootte. Dit zijn: interceptie, inertiële impactie en diffusie. Grote deeltjes boven 0,4 μm in diameter worden gevangen door zowel het impactie- als het interceptiemechanisme. Middelgrote deeltjes, die over het algemeen als de meest penetreerbare worden beschouwd, in de range van 0,1 tot 0,4 μm, worden gevangen door zowel diffusie- als interceptiefiltratie. Kleine deeltjes, onder 0,1 μm in diameter, worden gevangen door het diffusiemechanisme.
Het resultaat van de verschillende filtratiemechanismen is een efficiëntie versus deeltjesgrootte curve met een omgekeerde klokvorm, zoals geïllustreerd in Figuur 4. Een vezelfilter is over het algemeen het minst effectief bij het verwijderen van deeltjes in de range van 0,1 tot 0,4 μm in diameter. Om een filter te testen op worstcasesituaties, moet het worden getest met een aerosol bij de meest penetreerbare deeltjesgrootte.

Figuur 0: Percentuele Efficiëntie
Figuur 1: Directe interceptie van een deeltje door een filtervezel
Figuur 2: Inertiële impactie
Figuur 3: Diffusie
Figuur 4: Filterefficiëntie versus deeltjesgrootte