Mechanismen filtracji dla wysokowydajnych filtrów włóknistych

Przegląd
Istnieje powszechne przekonanie, że filtry włókniste zachowują się jak sito, w którym cząstki powyżej określonego rozmiaru są zatrzymywane, a mniejsze przechodzą przez filtr. Chociaż niektóre filtry, takie jak filtry membranowe w cieczach, faktycznie działają w ten sposób, filtry powietrzne włókniste zaprzeczają zdrowemu rozsądkowi, skuteczniej zatrzymując zarówno mniejsze, jak i większe cząstki niż cząstki średniego rozmiaru. Wysoko wydajne filtry włókniste stanowią dużą część filtrów używanych na całym świecie. Zastosowania obejmują ochronę dróg oddechowych, próbki powietrza, czyste pomieszczenia, procesy przemysłowe oraz systemy wentylacji budynków. Filtr włóknisty składa się z dużej liczby losowo ułożonych włókien. Te włókna tworzą gęsty materiał lub matę, która wychwytuje i zatrzymuje cząstki na całej swojej głębokości lub grubości. To grubość, średnica włókien i gęstość maty umożliwiają funkcjonowanie filtrów włóknistych. Wydajność filtra często wyraża się w procentowej skuteczności, zdefiniowanej jako stosunek stężenia cząstek na początku do stężenia cząstek po filtracji (pomnożony przez 100). Rysunek 0

Skuteczność filtra włóknistego różni się w zależności od rozmiaru cząstek i przepływu powietrza. Nie ma sensu określać skuteczności filtra włóknistego bez podania odpowiedniego rozmiaru cząstek i przepływu. Na przykład, NIOSH definiuje filtr respiracyjny P100 (dawniej HEPA) jako co najmniej 99,97 procent skuteczny dla cząstek o rozmiarze 0,3 mikrometra (μm) przy przepływie 85 litrów na minutę (lpm). Podobnie, filtr klasy N95 musi być co najmniej 95 procent skuteczny przeciwko cząstkom o rozmiarze 0,3 μm przy 85 lpm. Powodem, dla którego często odnosi się do rozmiaru cząstek 0,3 μm, jest fakt, że cząstki o rozmiarze bliskim 0,3 μm mają największą szansę przejścia przez filtr niż cząstki o innych rozmiarach. Innymi słowy, jest to cząstka o najgorszym przypadku skuteczności filtracji. Skuteczność filtra jest wyższa przy innych rozmiarach. Dowiedz się dlaczego.

Mechanizmy filtracji
Różne mechanizmy fizyczne przyczyniają się do skuteczności filtra włóknistego w wychwytywaniu cząstek. Najważniejsze mechanizmy to przechwytywanie, impakt inercyjny i dyfuzja.

Przechwytywanie
Przechwytywanie zachodzi, gdy cząstka podążająca za strumieniem gazu zbliża się na odległość jednej promienia cząstki od włókna filtra. Cząstka dotyka włókna i jest zatrzymywana, przez co zostaje usunięta z przepływu gazu. Ilustracja przedstawiona jest na Rysunku 1.

Dla danego rozmiaru cząstki, istnieją określone strumienie, które będą się zbliżać na tyle, aby cząstka została zatrzymana. Strumienie znajdujące się dalej niż jeden promień cząstki od włókna filtra nie przyczyniają się do mechanizmu przechwytywania.

Impakt inercyjny
Impakt inercyjny występuje, gdy cząstka jest tak duża, że nie jest w stanie szybko dostosować się do nagłych zmian kierunku strumienia wokół włókna filtra. Cząstka, ze względu na swoją bezwładność, kontynuuje swoją pierwotną trajektorię i uderza w włókno filtra. Ten mechanizm filtracji dominuje przy wysokich prędkościach gazu i gęstym upakowaniu włókien w materiale filtracyjnym. Ilustracja tego mechanizmu znajduje się na Rysunku 2.

Dyfuzja
Aby wyjaśnić mechanizm dyfuzji w wychwytywaniu cząstek, najpierw musimy szybko przypomnieć sobie teorię kinetyczną gazów. Teoria ta wyjaśnia, że gaz składa się z dużej liczby cząsteczek, które są małe w porównaniu do odległości między nimi. Te cząsteczki zachowują się jak sztywne sfery, które poruszają się po liniach prostych, gdy nie zderzają się ze sobą. W rzeczywistości, te cząsteczki tak często się zderzają, że poruszają się losowo, zygzakowatą trajektorią. Ten losowy ruch nazywany jest ruchem Browna. Mechanizm dyfuzji w zatrzymywaniu cząstek wynika z ruchu Browna cząsteczek gazu. Małe cząstki, o średnicy w zakresie 0,1 μm i mniejsze, mają tendencję do wykonywania losowych ruchów z powodu interakcji z zygzakującymi cząsteczkami gazu. Gdy te małe cząstki są uderzane przez cząsteczki gazu, zaczynają się poruszać losowo, uderzając w inne cząstki. Dyfuzja dominuje przy niskich prędkościach gazu i mniejszych cząstkach. Im mniejsza cząstka i im wolniejszy przepływ, tym więcej czasu ma na zygzakowate poruszanie się, co zwiększa szansę na trafienie i przyleganie do włókna filtra.

Ogólna skuteczność filtra w zależności od rozmiaru cząstek
Wykres pokazujący, jak skuteczność filtra zmienia się w zależności od rozmiaru cząstek, przedstawiony jest na Rysunku 4. Jak widać na wykresie, zdolność filtra do usuwania cząstek z strumienia gazu jest bezpośrednio związana z rozmiarem cząstek w strumieniu. Dla bardzo małych cząstek, poniżej 0,1 μm średnicy, głównym mechanizmem filtracji jest dyfuzja i jest ona bardzo skuteczna. Dla cząstek o rozmiarze od około 0,1 do 0,4 μm, skuteczność filtra jest mniejsza, ponieważ cząstki są zbyt duże, aby działał efekt dyfuzji, i zbyt małe, aby działał efekt przechwytywania. Cząstki powyżej około 0,4 μm wchodzą w obszar, w którym dominują przechwytywanie i impakt inercyjny, i filtr jest ponownie bardzo skuteczny.

Podsumowanie
Zdolność filtra do wychwytywania cząstek zależy od rozmiaru cząstek przechodzących przez jego włókna oraz od prędkości przepływu powietrza przez filtr. Wbrew powszechnemu przekonaniu, filtr włóknisty nie zatrzymuje po prostu wszystkich cząstek powyżej określonego rozmiaru. Trzy główne mechanizmy decydują o skuteczności filtra w zależności od rozmiaru cząstek. Są to: przechwytywanie, impakt inercyjny i dyfuzja. Duże cząstki powyżej 0,4 μm w średnicy będą zatrzymywane zarówno przez mechanizm impaktu, jak i przechwytywania. Średnie cząstki, które są uważane za najbardziej penetrujące, w zakresie od 0,1 do 0,4 μm, są zatrzymywane zarówno przez mechanizmy dyfuzji, jak i przechwytywania. Małe cząstki, poniżej 0,1 μm, są zatrzymywane przez mechanizm dyfuzji.
Efektem różnych mechanizmów filtracji jest krzywa skuteczności w zależności od rozmiaru cząstek, która ma kształt odwróconej dzwonowej, jak pokazano na Rysunku 4. Filtr włóknisty jest zazwyczaj najmniej skuteczny w usuwaniu cząstek w zakresie od 0,1 do 0,4 μm średnicy cząstek. Aby przetestować filtr w najgorszych warunkach, należy go sprawdzić za pomocą aerozolu o najbardziej penetrującym rozmiarze cząstek.

Rysunek 0: Skuteczność procentowa
Rysunek 1: Bezpośrednie przechwytywanie cząstki przez włókno filtra
Rysunek 2: Impakt inercyjny
Rysunek 3: Dyfuzja
Rysunek 4: Skuteczność filtra w zależności od rozmiaru cząstek