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Introduzione
Comunemente si è portati a pensare che i filtri in fibra si comportino come un setaccio, dove le particelle al di sopra di una certa dimensione vengono fermate mentre quelle più piccole lo attraversano senza essere catturate. Se è vero che alcuni filtri – come quelli a membrana per liquidi – si comportano effettivamente così, i filtri per aria smentiscono il senso comune trattenendo effettivamente sia le piccole che le grandi particelle, con una efficienza elevata rispetto a quelle di medie dimensioni.
I filtri in fibra ad alta efficienza rappresentano una larga percentuale dei filtri utilizzati nel mondo. Tra le diverse applicazioni troviamo: la protezione respiratoria, il campionamento dell’aria, le camere bianche, alcune tipologie di processi industriali e i sistemi di ventilazione degli edifici.
Un filtro in fibra è costituito da un gran numero di fibre orientate casualmente. Queste fibre formano un materiale denso (“materassino”) che cattura e trattiene le particelle per tutto il suo spessore. Questo spessore, assieme al diametro delle fibre e alla densità del materassino, sono i parametri principali che caratterizzano il funzionamento di questi filtri.
La prestazione del filtro è spesso espressa in termini di efficienza percentuale, definita come il rapporto tra la concentrazione (a valle) delle particelle che hanno oltrepassato il filtro e la concentrazione in entrata (a monte), secondo la seguente formula

Efficienza (%) = [1 – (Concentrazione in uscita / Concentrazione in entrata)] x 100

L’efficienza varia in funzione delle dimensioni delle particelle e del flusso da trattare: non ha senso specificare l’efficienza del filtro senza specificare anche questi altri due parametri.
Per esempio, il NIOSH definisce che un filtro respiratorio P 100 (formalmente un HEPA) deve avere una efficienza minima del 99,97% per particelle da 0,3 micron ad un flusso di 85 l/min. Analogamente, un filtro di classe N95 deve avere una efficienza minima del 95% per particelle da 0,3 micron ad un flusso di 85 l/min.
Il fatto che si faccia normalmente riferimento a particelle da 0,3 micron è perché le particelle di queste dimensioni sono quelle che più facilmente attraversano il filtro. In altre parole, sono il tipo di particelle che rappresentano le “peggiori condizioni di utilizzo”.
L’efficienza del filtro è minima per queste particelle e maggiore per qualsiasi altra dimensione. Di seguito spieghiamo perché.

Meccanismi di filtrazione
Sono diversi i meccanismi fisici che contribuiscono all’elevata efficienza di cattura dei filtri in fibra. I meccanismi predominanti sono l’intercettazione, l’impatto inerziale e la diffusione (vedi Figura 1).

resp-filtration
(Figura 1 – tratta da http://blogs.cdc.gov/niosh-science-blog/2009/10/14/n95/)

Impatto inerziale
Si ha impatto inerziale quando una particella è così grossa da non riuscire a seguire le brusche variazioni di direzione delle linee di flusso in prossimità della fibra ma, a causa della propria inerzia, prosegue per la tangente ed impatta sulla fibra. Questo tipo di meccanismo è predominante quando si è in presenza di elevate velocità del flusso e di elevata densità del materassino.

Intercettazione
Si ha intercettazione quando una particella in un flusso gassoso cade all’interno del raggio d’azione di una fibra del filtro. La particella tocca la fibra e ne viene catturata.
Per una data dimensione della particella, ci sono certe linee di flusso che si trovano sufficientemente vicine alla fibra da permettere la cattura della particella. Le linee di flusso che si trovano a distanze maggiori del raggio della particella non contribuiscono al meccanismo dell’intercettazione.

Diffusione
Prima di spiegare il meccanismo di cattura per diffusione di una particella, dobbiamo fare una breve digressione sulla teoria cinetica dei gas. Questa teoria spiega che un gas è composto da un gran numero di molecole che hanno tra di loro distanze molto più grandi delle loro dimensioni. Queste molecole si comportano come sfere rigide che viaggiano su linee rette quando non collidono tra loro. Ma in realtà queste molecole collidono in continuazione, e quindi hanno un movimento complessivo a zigzag che risulta casuale. Questo moto casuale viene denominato moto Browniano.
Il meccanismo di cattura per diffusione è il risultato di questo moto. Le particelle piccole, con diametri inferiori a 0,1 micron, tendono anche loro ad avere moti casuali provocati dalla loro collisione con le molecole del gas e, a loro volta, collidono tra loro. La diffusione è predominante a basse velocità di flusso e con le particelle più piccole. Più piccole le particelle e più lento il flusso, maggiore è il tempo che le particelle hanno a disposizione per il loro moto casuale, aumentando di conseguenza la probabilità di colpire una fibra e di essere catturate.

Efficienza globale di un filtro in funzione delle dimensioni delle particelle
In Figura 2 viene mostrato un esempio di come vari l’efficienza di un filtro in funzione delle dimensioni delle particelle.

resp-diffusion
(Figura 2 – tratta da http://blogs.cdc.gov/niosh-science-blog/2009/10/14/n95/)

Come si può osservare, la capacità di cattura è strettamente legata alle dimensioni delle particelle.
Per particelle molto piccole, inferiori a 0,1 micron di diametro, il meccanismo primario di cattura è la diffusione ed il filtro risulta molto efficiente.
Per particelle comprese tra 0,1 e 0,4 micron, il filtro è meno efficiente poiché le particelle sono troppo grosse perché la diffusione sia efficace e troppo piccole perché sia efficace l’intercettazione. Le particelle con diametro maggiore di 0,4 micron entrano nel campo in cui sono predominanti sia l’intercettazione sia l’impatto inerziale e quindi l’efficienza del filtro aumenta di nuovo.
Il risultato complessivo dei tre meccanismi di cattura si esprime con una curva a forma di campana capovolta, come illustrato in Figura 4. Un filtro in fibra, dunque, è generalmente meno efficace nel rimuovere particelle tra 0,1 e 0,4 micron di diametro. E’ per questo motivo che i filtri vengono testati con aerosol di queste dimensioni, al fine di verificare l’efficienza minima nelle “peggiori condizioni di funzionamento”.




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