La filtrazione dell'aria è presente, in maniera diretta o indiretta, 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. A seconda della tipologia e della concentrazione di inquinanti presenti nell'aria e del grado di pulizia dell'aria che si vuole ottenere, si possono scegliere differenti tipologie di filtri, non solo con diverse efficienze ma anche con differenti principi di funzionamento. La conoscenza dei principi di filtrazione dell'aria permette di selezionare la soluzione corretta in funzione del tipo di applicazione. In questo breve articolo ci soffermeremo sulla filtrazione del particolato (aerosol).

A cura di R.A. Basso (Sagicofim Spa)

Con il termine aerosol ci si riferisce ad 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 di dimensioni superiori a 10 µm.
La capacità di un elemento filtrante di trattenere parte dell'aerosol presente 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). 
Vediamo ora quali sono i diversi fenomeni che concorrono all'efficienza globale di filtrazione. 

Effetto setaccio 

Si tratta del principale meccanismo di filtrazione per particolato di grandi dimensioni. Le particelle che vengono trattenute, infatti, sono quelle aventi un diametro maggiore della distanza fra le fibre del materiale filtrante. E' 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 fra le fibre del materiale filtrante. 

Impatto inerziale

Quando l'inerzia della singola particella trasportata dell'aria è tale da impedirle 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 vengono a contatto con la loro superficie.
Questo effetto è proporzionale alla granulometria dell'aerosol e alla profondità del materiale filtrante; è invece inversamente proporzionale alla distanza fra 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 la loro deviazione è abbastanza ampia, impattano contro la superficie delle fibre e vi restano attaccate. Questo meccanismo è quello più rilevante per le particelle ultrafine, in quanto il suo apporto è inversamente proporzionale alla dimensione dell'aerosol. 
La velocità dell'aria e la dimensione delle fibre sono due fattori che influenzano l'effetto di diffusione: 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 u 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 ella 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'ara, 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. 

L'articolo è una parte di una interessante serie di articoli apparsi sulla Newsletter SagiCofim OnAIR (http://www.sagicofim.com/news/on-air/), che vi invitiamo a leggere.

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Pubblicato su Ascca News 2/2021