Nous en avons tous fait l’expérience ces derniers mois, puisque nous avons été contraints de porter des masques au quotidien pour nous protéger des risques d’infection. Ces dispositifs sont basés sur les mêmes mécanismes de fonctionnement que les filtres à air courants, avec une efficacité plus ou moins importante selon le degré de protection du masque. Lorsque nous les portons, nous pouvons encore sentir et distinguer les odeurs et les parfums qui nous entourent. Certaines odeurs indiquent la présence de polluants sous forme d’aérosols, mais il existe aussi des contaminants gazeux, totalement inodores, qui sont inhalés sans que l’on s’en aperçoive.
En laissant de côté, pour le moment, certaines applications critiques, qui impliquent la présence de polluants à haut risque dans l’air, comme des composés chimiques particuliers ou des radio-isotopes, les contaminants les plus courants sont : le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre (CO2 et SO2), le monoxyde de carbone (CO), les oxydes d’azote (NOx), l’ozone (O3) et les composés organiques volatils (COV), également connus sous l’acronyme VOC (Volatile Organic Compounds) qui comprennent une large gamme de composés chimiques très répandus.
La filtration de ces contaminants est basée sur le phénomène d’adsorption physico-chimique, obtenu par l’utilisation de matières spécifiques, généralement du charbon actif, des zéolithes, des oxydes d’aluminium ou des résines échangeuses d’ions. Il ne faut pas confondre adsorption et absorption, ce sont deux phénomènes complètement différents. Une substance qui est absorbée par un matériau pénètre dans la matière sans en faire partie intégrante ; pour l’adsorption, en revanche, il se créer un lien au niveau moléculaire entre l’adsorbant et l’adsorbé.
Ce phénomène présente des aspects plus complexes que la filtration mécanique des particules mais son principe de fonctionnement de base peut être résumé en quelques points fondamentaux. La valeur d’efficacité d’un filtre pour ces applications ainsi que sa durée de vie opérationnelle dépendent de la surface totale du matériau adsorbant utilisé.
Si l’on considère un milieu filtrant dont la structure chimique est principalement constituée d’atomes de carbone, l’activation de la filtration se fera lorsque le charbon sera traversé par des courants d’air chaud, de vapeur ou de dioxyde de carbone par exemple (D’où le nom de charbon actif). La structure réticulaire d’un grain de charbon actif est composée d’un très grand nombre de pores de dimensions infinitésimales, augmentant ainsi la surface de filtration active totale, soit celle qui entre en contact avec l’air qui la traverse. La haute porosité des substances utilisées pour ces filtres, permet donc d’avoir d’énormes surfaces actives par unité de volume. Par exemple, pour le charbon, nous dépassons les 1000 m² de surface pour chaque gramme de matériau, et parfois même les 2000 m²/g. Si l’on considère qu’une piscine olympique à 10 couloirs mesure 50 mètres de long et 25 mètres de large, on peut dire que la surface effective d’un gramme de charbon actif est comparable à celle de deux piscines olympiques.
Lorsque l’air traverse le filtre, les molécules de contaminants pénètrent dans le matériau adsorbant, se répartissent dans les micropores de quelques micromètres de diamètre qui composent sa structure, adhèrent à la surface du milieu filtrant et y restent piégées. Cependant, l’interaction entre ces molécules et le matériau filtrant qui les a adsorbées est faible (adsorption physique), ce qui rend ce processus réversible. Cela signifie qu’en fonction de la concentration des molécules capturées, de la température de l’air et de l’interaction éventuelle avec d’autres substances, certaines de ces molécules peuvent être à nouveau libérées dans le flux d’air (désorption).
Ce phénomène indésirable de désorption est facilité par :
- L’augmentation de la température de l’air.
- L’augmentation de l’humidité de l’air. Les molécules d’eau sont également adsorbées et prennent la place des substances à filtrer.
- L’augmentation de la vitesse de l’air. Ce paramètre est fondamental car une élimination efficace des contaminants moléculaires implique un temps de contact suffisant entre les contaminants et le milieu adsorbant.
Pour limiter ces phénomènes, certains matériaux adsorbants sont imprégnés de substances chimiques. Ainsi, en plus de l’adsorption physique, nous aurons également une adsorption chimique irréversible qui se fera grâce à des réactions entre le contaminant et cette substance d’imprégnation.
Cet effet, bien qu’irréversible, n’est pas infini. La durée de vie de ces filtres est également directement liée à la quantité de substance d’imprégnation capable de donner lieu à la réaction chimique avec le contaminant. Lorsque toute la structure réticulaire du milieu filtrant a réagi avec les molécules à adsorber, le filtre n’est plus en mesure de retenir efficacement les substances polluantes qui le traversent.
Par conséquent, un filtre à charbon actif neuf, ayant une certaine valeur d’efficacité de filtration pour un certain contaminant, aura tendance à perdre progressivement de son efficacité pendant sa durée de vie au fur et à mesure que sa surface effective atteindra son point de saturation. Les contaminants présents dans le flux d’air passeront donc de plus en plus à travers le filtre.
Les éléments filtrants doivent donc être remplacés lorsque la concentration de contaminant en aval de la section de filtration atteint la valeur de conception maximale admissible.
Il est donc possible de définir la capacité totale d’adsorption comme la quantité totale de contaminant retenue par le système de filtration au point de saturation de toute la surface active des pores du milieu filtrant. Pour des raisons pratiques, il est plus utile de définir une capacité d’adsorption opérationnelle, en l’indiquant comme la quantité totale de contaminant retenue par le système de filtration, lorsqu’on atteint la valeur limite de concentration admissible en aval de la section de filtration, c’est-à-dire lorsque l’efficacité de l’adsorption n’est plus en mesure de garantir la valeur minimale de contaminant libéré dans l’environnement.
Les filtres moléculaires sont fabriqués avec des adsorbants qui sont principalement sous forme de granulés, et qui sont utilisés pour former une couche très épaisse de matériau. Ils sont soit rectangulaires, soit sous forme cartouches cylindriques fixés à une plaque métallique rectangulaire ou carrée. Ils sont installés à l’intérieur des unités de traitement de l’air ou d’autres types de conteneur comme des caissons pour l’installation en gaine.
Les filtres à faible épaisseur d’adsorbant ou avec du carbone incorporé dans des couches de média filtrant sont plus largement utilisés dans les systèmes HVAC « standard » par rapport aux filtres à charbon destinés aux applications critiques, en effet, leurs pertes de charge sont beaucoup plus faibles.Comme déjà mentionné plus haut, l’un des paramètres les plus importants pour le dimensionnement des filtres moléculaire est le temps de contact entre la substance à adsorber et le matériau adsorbant. Ce paramètre est proportionnel au volume du milieu adsorbant et inversement proportionnel au débit, ainsi qu’à la vitesse. De faibles valeurs de vitesse et des volumes élevés de matière active permettent un temps de contact relativement élevé entre le polluant aérogène et le milieu adsorbant, ce qui augmente la probabilité que le contaminant puisse pénétrer dans les micropores et réagir chimiquement (dans le cas d’un milieu filtrant imprégné). D’autre part, une vitesse trop élevée ou une quantité réduite de matériau adsorbant entraînera une réduction de l’efficacité de la capture des contaminants aériens.
Pour ces raisons, il est important de dimensionner les sections filtrantes en fonction des indications de débit d’air données dans la documentation technique des différents filtres ; ces débits sont généralement inférieurs aux débits nominaux prévus pour les filtres à particules ayant la même section frontale.
Il est également essentiel de connaître le type de contaminant, ainsi que sa concentration dans l’air, afin de sélectionner l’élément filtrant le plus approprié. Pour les différents types de molécules, il sera nécessaire de choisir le substrat adsorbant le plus approprié et surtout la substance d’imprégnation ayant la plus grande affinité chimique avec le polluant à adsorber.
Si l’on veut classer les principaux contaminants en phase gazeuse par macro-familles, on peut les diviser en plusieurs catégories :
- Solvants organiques
- Gaz acides
- Gaz de base
- Aldéhydes et formaldéhydes
- Radioisotopes et radionucléides
Afin de bien comprendre le dimensionnement d’une section filtrante dans un milieu critique, considérons comme exemple une installation industrielle d’extraction d’air de 6.000 m³/h d’air contaminé, qui a besoin d’un étage de préfiltration d’efficacité ISO ePM1 80% ou plus, d’un étage de filtration moléculaire et enfin d’un filtre HEPA de classe H14.
Les trois différentes sections de filtres seront installées dans un système de confinement approprié afin de garantir le remplacement en toute sécurité des filtres saturés. La première étape consiste à sélectionner les étages de filtration les plus appropriés et à calculer la quantité de filtres nécessaires, puis à choisir le conteneur le plus approprié au besoin. Afin de limiter les pertes de charge globales et compte tenu du fait que des efficacités de filtration particulièrement élevées sont requises, la meilleure solution consiste à utiliser des filtres à haut débit avec une surface filtrante élevée ; le filtre moléculaire est choisi en fonction du type de contaminant et de sa concentration.
Le tableau suivant présente les principales données techniques des éléments filtrants les plus appropriés.
| MODELE | EFFICACITE | DEBIT NOMINAL | PERTE DE CHARGE INITIALE |
|---|---|---|---|
| NH 5 – 610x610x292 | ISO ePM1 85% | 4.000 m³/h | 145 Pa |
| NA 5 – 610x610x292 | H14 | 4.000 m³/h | 280 Pa |
| CAF 5 – 610x610x298 | Charbon actif | 1.300 m³/h | 120 Pa |
La section de filtration contenant un étage de filtration moléculaire, il sera indispensable lors du dimensionnement de prévoir un nombre de filtres tel que le débit maximal de chaque élément ne dépasse pas le débit nominal du débit le plus petit admissible soit pour le charbon actif. En divisant donc le débit total par celui indiqué pour ce filtre et en indiquant par “n” le nombre de filtres nécessaires, on obtient :En arrondissant cette valeur à l’entier supérieur, on constate que pour le débit d’air de conception, 5 filtres à charbon actif sont nécessaires mais, par conséquent, également 5 préfiltres et 5 filtres HEPA ; chacun de ces filtres fonctionnera donc à 1.200 m³/h.
En faisant ensuite une proportion entre le débit réel de chaque filtre et le débit nominal, il est possible d’estimer les différentes valeurs de perte de charge pour le filtre HEPA et le préfiltre :En substituant les valeurs relatives des pertes de charge initiales dans les conditions nominales, on peut obtenir avec une bonne approximation les valeurs correspondant au débit réel de fonctionnement pour le cas d’exemple :Pour le filtre à charbon actif, étant donné la différence minime entre le débit nominal et le débit de conception, la valeur initiale de la perte de charge peut toujours être considérée comme la valeur réelle.
A ce stade, après avoir choisi le modèle de filtres, calculé la quantité nécessaire et estimé la perte de charge initiale, il ne manque plus que la sélection du système de confinement.
Pour ce faire, nous considérons le nombre d’étages de filtration, dans notre exemple 3, et le nombre de filtres pour chaque étage, dans ce cas 5.
Le système de confinement doit donc pouvoir accueillir 15 filtres au total, en divisant le débit total en cinq parties pour permettre à chaque section de filtre à trois étages de traiter 1.200 m³/h.
Un exemple d’un tel système est présenté dans la figure suivante.
