Filtration mécanique
La pandémie, mondiale a fait prendre conscience du rôle fondamental joué par les systèmes CVC et, en particulier, par la filtration de l’air, pour atteindre et maintenir un certain niveau de qualité de l’air dans l’environnement.
Toutefois, la filtration de l’air est présente, directement ou indirectement, dans tous les aspects de notre vie quotidienne : nous consommons des boissons et des aliments conditionnés dans une atmosphère protégée, nous prenons des médicaments produits dans des environnements stériles, nous utilisons des appareils électroniques fabriqués dans des salles blanches avec des niveaux très élevés de propreté de l’air et, enfin, nous respirons un air correctement filtré dans les principaux environnements fermés que nous fréquentons, ainsi qu’à l’intérieur de nos voitures.
Pour répondre aux différents domaines d’application des filtres à air, il existe différents types de filtres, avec des efficacités différentes mais aussi des principes de fonctionnement différents.
Le choix d’un ou plusieurs filtres dépend, en bonne partie, du degré de propreté de l’air que l’on veut obtenir et de la concentration des polluants présents dans l’air. Une bonne connaissance des principes de la filtration de l’air est donc fondamentale pour choisir la bonne solution en fonction du type d’application.
Pour comprendre les principes de fonctionnement des filtres à air, il est nécessaire de les diviser en deux grands groupes, en fonction des contaminants à traiter, qu’ils soient sous forme d’aérosols ou en phase gazeuse.
L’aérosol est un mélange de particules solides et liquides en suspension dans l’air, ayant une large gamme dimensionnelle qui s’étend des nanoparticules de dimensions inférieures à 0.1 µm, jusqu’à l’aérosol grossier formé par des particules de dimensions supérieures à 10 µm.
Les contaminants gazeux, quant à eux, sont ceux qui sont présents en phase gazeuse dans des conditions atmosphériques normales ; les vapeurs sont définies comme les substances sous forme gazeuse qui, dans des conditions atmosphériques normales, sont à l’état solide ou liquide, comme par exemple l’essence. Toutefois, par souci de simplicité, les substances présentes dans l’air sous forme de vapeur seront dorénavant également appelées gaz ou substances à l’état gazeux.
Une autre subdivision de ces contaminants gazeux est celle qui sépare les substances inorganiques des substances organiques, c’est-à-dire celles qui ont une structure à base de carbone.
En ce qui concerne la qualité de l’air, il est nécessaire de souligner que pour deux groupes de substances différents, il faut utiliser des systèmes de filtration différents.
Filtration des particules (aérosol)
La capacité d’un élément filtrant à retenir une partie des particules présentes dans l’air qui le traverse, dépend de différents phénomènes physiques, tant mécaniques qu’électrostatiques qui, agissant en synergie, sont capables d’arrêter une certaine quantité de particules dans un intervalle dimensionnel bien défini.
Pour simplifier, les contaminants sont représentés par des sphères de différents diamètres et les fibres du média filtrant par des cylindres (ou des cercles dans une représentation bidimensionnelle).
Les différents phénomènes qui contribuent à l’efficacité globale de la filtration sont les suivants :
Effet de tamisage
C’est le principal mécanisme de filtration des grosses particules. Les particules retenues, en effet, sont celles dont le diamètre est supérieur à la distance entre les fibres du matériau filtrant. C’est le même phénomène qui se produit lorsque vous plongez un filet de pêche dans un tas de gravier : les cailloux plus gros que la trame du filet sont retenus tandis que les plus petits passent à travers les mailles du filet.
Toutefois, ce mécanisme est peu pertinent pour la filtration des particules atmosphériques, en particulier dans les environnements urbains, car les particules en suspension dans l’air sont généralement plus petites que les espaces entre les fibres du matériau filtrant.
Impact inertiel
Lorsque l’inertie de la particule unique transportée par l’air est telle qu’elle empêche la particule de suivre le flux d’air autour des fibres du matériau filtrant, elle poursuit sa trajectoire initiale jusqu’à ce qu’elle heurte la fibre et y reste attachée.
L’efficacité est directement proportionnelle à l’inertie des particules (vitesse, masse et taille) et au diamètre des fibres du matériau filtrant.Interception
Les particules plus petites que celles retenues par effet d’inertie suivent le flux d’air, lapent les fibres et sont retenues lorsqu’elles touchent leur surface.
Cet effet est proportionnel à la taille des particules et à la profondeur du matériau filtrant ; il est inversement proportionnel à la distance entre les fibres et à leur diamètre.
Diffusion
Les plus petites particules, d’un diamètre inférieur à 1 µm, sont soumises aux mouvements browniens des molécules d’air, ce qui les fait dévier de manière aléatoire des lignes d’écoulement qui recouvrent les fibres.
Si cet écart est suffisamment important, les particules frappent la surface des fibres et s’y collent. Ce mécanisme est le plus pertinent pour les particules ultrafines, car sa contribution est inversement proportionnelle à la taille des particules.
D’autres facteurs influençant l’effet de diffusion sont la vitesse de l’air et la taille des fibres : des vitesses plus faibles et des fibres de plus petit diamètre ont une influence positive, tout comme une densité et une quantité de fibres plus élevées.Attraction électrostatique
Les médias filtrants, en particulier ceux en fibres synthétiques, ont une certaine valeur de charge électrostatique provenant à la fois du traitement auquel ils sont soumis et d’un processus réalisé spécifiquement pour induire cette charge et augmenter l’efficacité initiale de l’élément filtrant.
Cet effet peut considérablement influencer l’efficacité globale d’un filtre, mais il est très difficile de quantifier sa valeur réelle. Les tests pour la classification des filtres selon UNI EN ISO 16890, qui prévoient le test d’efficacité avant et après la décharge électrostatique du média filtrant, permettent en effet de vérifier l’incidence de l’attraction électrostatique sur l’efficacité globale d’un nouvel élément filtrant, c’est-à-dire avant sa mise en service.
Cependant, au cours de la vie réelle, de nombreux facteurs contribuent à dégrader, plus ou moins rapidement, l’efficacité de la charge électrostatique : la température, l’humidité, le dépôt de particules sur les fibres, réduisent progressivement l’effet de la charge électrostatique et, par conséquent, l’efficacité globale du filtre.
Outre le taux de réduction de la charge électrostatique pendant la durée de vie du filtre, d’autres facteurs influent sur l’incidence de cet effet : la vitesse de l’air, la taille des particules, le diamètre des fibres et la charge éventuelle des contaminants présents dans l’air.
L’effet électrostatique est inversement proportionnel à la vitesse de l’air, à la taille des particules et au diamètre des fibres du matériau filtrant, et est plus prononcé sur les particules ayant une charge électrostatique de signe opposé à celle du matériau filtrant.EFFICACITÉ GLOBALE
Les différents effets décrits ci-dessus agissent ensemble et en synergie, fournissant une certaine valeur d’efficacité globale comme la somme de leurs contributions individuelles.
L’impact inertiel et le phénomène de tamisage, comme nous l’avons déjà vu, sont efficaces sur les particules les plus grandes ; l’attraction électrostatique, l’interception et, surtout, la diffusion sont au contraire les principaux phénomènes de capture des particules plus petites.Cette répartition des tâches permet de comprendre la signification d’un acronyme, surtout utilisé pour les filtres EPA, HEPA et ULPA, mais caractéristique de tout filtre, le MPPS (Most Penetrating Particle Size).
En fait, il existe toujours une taille de particule caractéristique qui se distingue par un plus grand degré de pénétration du média filtrant, par rapport à d’autres particules de taille supérieure ou inférieure.
De cette façon, il est également facile de comprendre que l’efficacité d’un élément filtrant ne diminue pas avec la taille des particules contenues dans le flux d’air qui le traverse, mais qu’elle présente en fait un minimum dans un cercle dimensionnel centré sur la valeur MPPS. Il en résulte donc que les particules les plus facilement capturées par un filtre sont à la fois les plus grosses et les plus petites par rapport à la dimension MPPS.
Pour les essais d’efficacité des filtres communs pour la ventilation, classés selon la norme UNI EN ISO 16890, la taille minimale de l’aérosol d’essai est de 0,3 µm, de sorte que même les courbes d’efficacité obtenues ne présentent aucune valeur d’efficacité sur des aérosols de taille inférieure.Vous trouverez ci-dessous un graphique relatif au test d’efficacité d’un filtre à poche rigide ISO ePM2.5 55%.La plage de dimensions de l’aérosol testé, 0,3 – 10 µm, est celle utilisée pour définir les classes ePM1, ePM2.5, ePM10 et, par conséquent, celle sur laquelle se base le dimensionnement des filtres à air en fonction de la qualité d’air requise.
Il est toutefois également possible de vérifier le comportement de la courbe d’efficacité en étendant la gamme de dimensions de l’aérosol testé à des dimensions inférieures à 0,3 µm, même si ces valeurs d’efficacité supplémentaires ne sont pas utilisées pour la classification du filtre.
Ci-dessous, la courbe d’efficacité spectrale du même filtre à poche rigide, avec un média filtrant en microfibre de verre, classé ePM2.5 55%. L’essai a été réalisé à un débit de 0,944 m³/s avec un compteur optique de particules, après annulation de la charge électrostatique potentielle au moyen de vapeurs d’alcool isopropylique (IPA), dans une gamme de particules comprise entre 90 et 5500 nm (0,09 – 5,5 µm).On constate que l’efficacité de la filtration est pratiquement totale sur les particules supérieures à 5 µm, qui se heurtent aux fibres ou sont piégées entre les espaces intermédiaires des fibres individuelles du milieu filtrant.
Au fur et à mesure que la taille des particules diminue, l’efficacité diminue jusqu’à atteindre une valeur minimale en fonction d’une taille bien définie, qui représente la valeur MPPS pour ce filtre spécifique, puis remonte lentement pour les particules de plus petit diamètre.
Cette tendance est plus évidente en observant la courbe dans une gamme de taille de particules réduite, jusqu’à 1 µm de diamètre, comme le montre le graphique suivant.Cette visualisation le montre :
- L’aérosol le plus difficile à retenir, c’est-à-dire celui pour lequel l’efficacité est la plus faible, est celui dont le diamètre est compris entre 170 et 270 nm.
- L’efficacité sur les plus petites particules de l’aérosol testé, d’un diamètre de 90 nm, est égale à celle sur des particules quatre fois plus grandes, d’un diamètre de 350 nm.
- La courbe d’efficacité à gauche de la valeur MPPS recommence à monter, mais avec une pente beaucoup plus faible que celle à droite du point MPPS.
Une telle courbe, avec une telle pente et un point minimum pour une taille d’aérosol donnée, se retrouve également pour d’autres classes d’efficacité. La différence fondamentale est que, lorsque la classe d’efficacité du filtre change, la courbe est déplacée vers le haut ou vers le bas, selon que le filtre a une efficacité supérieure ou inférieure.
Le graphique suivant montre les mêmes données d’essai pour un filtre classé ISO ePM1 85% et la tendance relative de la courbe d’efficacité par rapport au filtre précédent, classé ISO ePM2.5 55%.Dans ce cas également, on constate que, contrairement à ce que l’on croit parfois, un filtre continue à avoir une certaine valeur d’efficacité même pour des tailles de particules plus petites que celles utilisées dans l’aérosol testé et que cette valeur varie toutefois avec l’efficacité globale du filtre.
La courbe d’efficacité pour les tailles de particules inférieures à 0,3 µm indique le comportement du filtre sur ces particules extrêmement fines qui, même si elles ne sont pas incluses dans les paramètres de dimensionnement d’un système de filtrage pour systèmes de ventilation pour applications non critiques, sont néanmoins présentes dans l’air avec des concentrations plus ou moins élevées.
Cependant, cela ne doit pas conduire à croire que l’utilisation de n’importe quelle classe d’efficacité pour n’importe quel système de filtrage arrêtera suffisamment n’importe quelle taille de contaminant. Le choix du filtre doit être basé sur une analyse du contaminant présent dans l’air à traiter, de sa concentration et du niveau de qualité de l’air requis pour l’application individuelle.
Sur la base de cette évaluation, il sera alors possible de choisir avec précision le degré de filtration nécessaire et le ou les éléments filtrants les plus appropriés à l’objectif visé, mais en sachant que ce que nous avons choisi contribuera à réduire la concentration de contaminant non seulement d’une granulométrie égale ou supérieure à celle sur laquelle nous avons basé la sélection, mais aussi de celle constituée de particules d’un diamètre inférieur.
Le choix d’un système de filtration adéquat servira donc à retenir efficacement les particules pour lesquelles nous l’avons choisi, mais il agira également sur des particules plus fines que nous ne pensions pas pouvoir être arrêtées par cette efficacité de filtration.
