Principi di filtrazione – Parte I

Filtrazione meccanica

La pandemia, che ha duramente colpito molti paesi a livello mondiale, ha contribuito ad accrescere la consapevolezza del ruolo fondamentale che rivestono gli impianti HVAC e, in particolar modo, la filtrazione dell’aria, nel raggiungere e mantenere un certo livello di qualità dell’aria in ambiente.

Non va però dimenticato che la filtrazione dell’aria è presente, direttamente o indirettamente, in ogni aspetto della nostra vita quotidiana: consumiamo bevande e cibi che vengono confezionati in atmosfera protetta, assumiamo medicinali prodotti in ambienti sterili, utilizziamo apparecchi elettronici realizzati in camere bianche con elevatissimi livelli di pulizia dell’aria e, non da ultimo, respiriamo aria opportunamente filtrata nei principali ambienti chiusi che frequentiamo e anche all’interno della nostra automobile.

Per soddisfare i diversi campi di applicazione dei filtri per l’aria esistono differenti tipologie di filtri, con diverse efficienze ma anche con diversi principi di funzionamento.

La scelta di uno o più filtri dipende, in buona sostanza, dal grado di pulizia dell’aria che si vuole ottenere e dalla tipologia e concentrazione degli inquinanti presenti nell’aria. Una buona conoscenza dei principi di filtrazione dell’aria è quindi fondamentale per selezionare la soluzione corretta in funzione del tipo di applicazione.

Per comprendere i principi di funzionamento dei filtri per l’aria, occorre innanzitutto dividerli in due gruppi principali, in funzione dei contaminanti da trattare, siano essi sotto forma di aerosol o in fase gassosa.

L’aerosol è una miscela di particelle solide e liquide sospese nell’aria, aventi un ampio range dimensionale che si estende dalle nanoparticelle di dimensioni inferiori a 0.1 µm, fino all’aerosol grossolano formato da particelle con dimensioni superiori a 10 µm.

I contaminanti gassosi, invece, sono quelli presenti in fase di gas alle normali condizioni atmosferiche; si definiscono poi come vapori quelle sostanze in forma gassosa che, alle normali condizioni atmosferiche, si trovano allo stato solido o liquido come, per esempio, la benzina. Per semplicità, d’ora in avanti saranno comunque indicati come gas o sostanze allo stato gassoso, anche quelle sostanze presenti nell’aria sotto forma di vapore.

L’ulteriore suddivisione per questi contaminanti gassosi è quella che divide le sostanze inorganiche da quelle organiche, ovvero con struttura a base di carbonio.

Ai fini della qualità dell’aria, è necessario evidenziare che per due gruppi di sostanze così diversi tra loro, si devono utilizzare differenti sistemi di filtrazione.

Filtrazione di particolato (aerosol)

La capacità di un elemento filtrante di trattenere parte delle particelle presenti nell’aria che lo attraversa, dipende da diversi fenomeni fisici, sia meccanici che elettrostatici che, agendo in sinergia, sono in grado di fermare una certa quantità di particelle all’interno di un intervallo dimensionale ben definito.

Per semplicità, i contaminanti vengono rappresentati come sfere di diametri diversi e le fibre dei media filtranti come dei cilindri (o dei cerchi in una raffigurazione bidimensionale).

I diversi fenomeni che concorrono all’efficienza globale di filtrazione, sono i seguenti:

Effetto setaccio
È il principale meccanismo di filtrazione per particolato di grandi dimensioni. Le particelle che vengono trattenute, infatti, sono quelle aventi un diametro maggiore della distanza tra le fibre del materiale filtrante. È lo stesso fenomeno che si verifica quando si immerge un retino da pesca in un mucchio di ghiaia: i sassolini con dimensione maggiore della trama della rete vengono trattenuti mentre quelli più piccoli passano attraverso le maglie del retino.

Questo meccanismo è però poco rilevante ai fini della filtrazione del particolato atmosferico, soprattutto in ambienti urbani, in quanto le particelle aerodisperse sono generalmente di dimensioni inferiori rispetto agli interspazi tra le fibre del materiale filtrante.

Impatto inerziale
Quando l’inerzia della singola particella trasportata dall’aria è tale da impedire alla particella stessa di seguire il flusso dell’aria intorno alle fibre del materiale filtrante, questa prosegue lungo la sua traiettoria originale fino ad impattare contro la fibra e restarle attaccata.

L’efficienza è direttamente proporzionale all’inerzia delle particelle (velocità, massa e dimensione) e al diametro delle fibre del materiale filtrante.

Intercettazione
Le particelle di dimensione inferiore rispetto a quelle trattenute per effetto inerziale seguono il flusso dell’aria, lambiscono le fibre e vengono trattenute quando ne toccano la loro superficie.

Questo effetto è proporzionale alla dimensione delle particelle e alla profondità del materiale filtrante; è invece inversamente proporzionale alla distanza tra le fibre e al loro diametro.

Diffusione
Le particelle più piccole, con diametro inferiore a 1 µm, sono soggette ai movimenti browniani delle molecole dell’aria, a causa dei quali deviano in maniera del tutto casuale dalle linee di flusso che lambiscono le fibre.

Se questa deviazione è abbastanza ampia, le particelle impattano contro la superficie delle fibre e vi restano attaccate. Questo meccanismo è quello più rilevante per le particelle ultrafini, in quanto il suo apporto è inversamente proporzionale alla dimensione delle particelle.

Altri fattori che influenzano l’effetto di diffusione sono la velocità dell’aria e la dimensione delle fibre: minori velocità e fibre di diametro minore influiscono positivamente, così come una maggiore densità e quantità di fibre.

Attrazione elettrostatica
I media filtranti, soprattutto quelli composti da fibre di materiale sintetico, presentano un certo valore di carica elettrostatica derivante sia dalle lavorazioni alle quali sono sottoposti, sia da un processo svolto appositamente per indurre questa carica e aumentare l’efficienza iniziale dell’elemento filtrante.
Questo effetto può influenzare notevolmente l’efficienza complessiva di un filtro, ma è molto difficile quantificarne il valore reale. I test per la classificazione dei filtri secondo la UNI EN ISO 16890, che prevedono la prova di efficienza prima e dopo la scarica elettrostatica del medium filtrante, consentono infatti di verificare l’incidenza dell’attrazione elettrostatica sull’efficienza complessiva di un elemento filtrante nuovo, ovvero prima della sua messa in servizio.

Nel corso della reale vita operativa, però, molti fattori contribuiscono a degradare, più o meno rapidamente, l’efficienza della carica elettrostatica: temperatura, umidità, deposizione di particolato sulle fibre, riducono gradualmente l’effetto della carica elettrostatica e, di conseguenza, anche l’efficienza complessiva del filtro.
A prescindere dal tasso di riduzione della carica elettrostatica durante la vita operativa del filtro, altri fattori che influenzano l’incidenza di questo effetto sono la velocità dell’aria, la dimensione delle particelle, il diametro delle fibre e l’eventuale carica dei contaminanti presenti nell’aria.

L’effetto elettrostatico è inversamente proporzionale alla velocità dell’aria, alla dimensione del particolato e al diametro delle fibre del materiale filtrante, oltre a essere più accentuato su particelle aventi carica elettrostatica di segno opposto rispetto a quello del materiale filtrante.

EFFICIENZA COMPLESSIVA

I diversi effetti sopra descritti agiscono insieme e sinergicamente, fornendo un certo valore di efficienza complessiva come somma dei loro singoli contributi.
L’impatto inerziale e il fenomeno di setaccio, come già visto, sono efficienti sulle particelle di dimensioni maggiori; l’attrazione elettrostatica, l’intercettazione e, soprattutto, la diffusione risultano invece i fenomeni primari per la cattura delle particelle più piccole.

Questa suddivisione dei compiti aiuta a capire il significato di un acronimo, utilizzato maggiormente per i filtri EPA, HEPA e ULPA, ma caratteristico di ogni filtro, l’MPPS (Most Penetrating Particle Size).
Esiste infatti sempre una dimensione caratteristica di particelle contraddistinta dal maggior grado di penetrazione del supporto filtrante, rispetto alle altre particelle di dimensione maggiore o minore.
In questo modo è anche facilmente capibile che l’efficienza di un elemento filtrante non diminuisce al diminuire della dimensione del particolato contenuto nel flusso d’aria che lo attraversa, ma presenta in realtà un minimo proprio in un intorno dimensionale centrato sul valore MPPS. Risulta quindi che le particelle, più facilmente catturabili da parte di un filtro, sono sia quelle più grandi che quelle più piccole rispetto alla dimensione MPPS.
Per i test di efficienza dei comuni filtri per la ventilazione, classificati in accordo alla UNI EN ISO 16890, la dimensione minima dell’aerosol di prova è 0.3 µm per cui, anche le curve di efficienza che si ottengono, non mostrano alcun valore di efficienza su aerosol di dimensioni inferiori.

Il range dimensionale dell’aerosol di prova, 0,3 – 10 µm, è quello utilizzato per definire le classi ePM1, ePM2.5, ePM10 e, conseguentemente, quello su cui basare il dimensionamento dei filtri per l’aria in funzione della qualità dell’aria richiesta.
È, però anche, possibile verificare come si comporta la curva di efficienza estendendo il range dimensionale dell’aerosol di test a dimensioni inferiori a 0.3 µm, anche se questi ulteriori valori di efficienza non sono utilizzati per la classificazione del filtro.

Di seguito la curva dell’efficienza spettrale dello stesso filtro a tasche rigide, con medium filtrante in microfibra di vetro, classificato ePM2.5 55%. Il test è stato effettuato a 0.944 m³/s di portata con un contaparticelle ottico, dopo l’annullamento della potenziale carica elettrostatica mediante vapori di alcol isopropilico (IPA), in un range di particelle compreso tra 90 – 5500 nm (0.09 – 5.5 µm).

Si può notare come, l’efficienza di filtrazione sia praticamente totale su particelle di dimensione superiore a 5 µm, che collidono contro le fibre o vengono intrappolate tra gli interspazi delle singole fibre del medium filtrante.
Al ridursi della dimensione delle particelle l’efficienza diminuisce fino ad arrivare ad un valore minimo in funzione di una ben definita dimensione, che rappresenta il valore MPPS per questo specifico filtro, per poi risalire lentamente per particelle di diametro inferiore.
Questo andamento risulta più evidente osservando la curva in un campo ridotto di dimensioni delle particelle, fino ad 1 µm di diametro, come riportato nel grafico seguente.

In questa visualizzazione evince che:

  • L’aerosol più difficile da trattenere, ovvero quello per il quale l’efficienza risulta essere minima, è quello con diametro tra 170 e 270 nm
  • L’efficienza sulle particelle più piccole dell’aerosol di prova, del diametro di 90 nm, è uguale a quella su particelle di dimensioni 4 volte superiori, con diametro di 350 nm
  • La curva dell’efficienza a sinistra del valore MPPS riprende a salire, ma con una pendenza molto inferiore rispetto a quella che si ha sulla destra del punto MPPS.

Una curva di questo tipo, con tale andamento e con un punto di minimo per una determinata dimensione di aerosol, si riscontra anche per altre classi di efficienza. La differenza fondamentale è che al variare della classe di efficienza del filtro, la curva sarà traslata verso l’alto o verso il basso, a seconda che il filtro abbia un’efficienza superiore o inferiore.

Il grafico seguente mostra gli stessi dati di prova anche per un filtro classificato ISO ePM1 85% ed il relativo andamento della curva delle efficienze rispetto al filtro precedente, classificato ISO ePM2.5 55%.

Anche in questo caso si nota che, al contrario di quanto a volte si possa credere, un filtro continua ad avere un certo valore di efficienza anche per dimensioni di particelle inferiori rispetto a quelle utilizzate nell’aerosol di test e, questo valore, varia comunque con l’efficienza globale del filtro.

La curva di efficienza per granulometrie inferiori a 0.3 µm indica il comportamento del filtro su quelle particelle estremamente fini che, anche se non rientrano tra i parametri di dimensionamento di un sistema di filtrazione per impianti di ventilazione per applicazioni non critiche, sono comunque presenti nell’aria con concentrazioni più o meno elevate.

Tuttavia, ciò non deve portare a credere che utilizzare una qualsiasi classe di efficienza per una qualsivoglia sezione filtrante, serva a fermare sufficientemente qualsiasi dimensione di contaminante. La selezione dei filtri si deve basare su un’analisi del contaminante presente nell’aria da trattare, della sua concentrazione e del livello di qualità dell’aria richiesto per la singola applicazione.
In base a questa valutazione sarà poi possibile scegliere accuratamente il grado di filtrazione necessario e l’elemento o gli elementi filtranti più idonei allo scopo, ma con la consapevolezza che ciò che abbiamo scelto contribuirà a ridurre la concentrazione di contaminante non solo di granulometria pari o maggiore di quello su cui abbiamo basato la selezione, ma anche di quello costituito da particelle di diametro inferiore.
La selezione di un adeguato sistema di filtrazione servirà quindi a trattenere efficientemente il particolato per cui lo abbiamo scelto, ma agirà anche su quelle dimensioni di particelle più fini che, generalmente, non pensiamo possano essere comunque fermate da una seppur buona sezione filtrante.

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