Escuela de filtración
Módulo dos

Escuela de filtración: módulo dos

Cómo funcionan los filtros de aire: este es el segundo módulo de los ocho que conforman la serie Escuela de filtración de Camfil sobre el mundo de la tecnología de filtración del aire. El módulo dos describe los mecanismos y los principios de la filtración del aire.

Con la serie Escuela de filtración, puede aprender los conceptos básicos de la filtración, ampliar sus conocimientos o simplemente ponerse al día. Si es nuevo en esto de la filtración, estos artículos le proporcionarán un "curso intensivo" sobre el tema. Los módulos son muy generales y tienen por objetivo enseñar los conceptos básicos. Los temas se describen en términos sencillos para facilitar su comprensión. Empecemos con el módulo 2.

Partículas y filtros de partículas

La atmósfera contiene una compleja mezcla de contaminantes que abarcan desde sustancias sólidas (materia particulada), gases y humos, hasta sustancias en forma líquida (bruma, niebla, gotas de vapor) y radiación (véase el módulo 1). En función de lo que se quiera proteger, se necesita filtración para eliminar ciertos contaminantes antes de poder utilizar el aire.

La composición y el tamaño de las partículas atmosféricas varía considerablemente. El tamaño varía desde unos pocos nanómetros (nm) hasta cientos de micrómetros (μm), lo que convierte la filtración en un desafío debido a las grandes diferencias de tamaño de las partículas en cuestión. Por ejemplo, las partículas de hollín son mucho más pequeñas que las de polen.

Para comprender mejor las diferencias entre los tamaños, vamos a suponer que cogemos una de las partículas más pequeñas ( como el hollín, por ejemplo ) y la agrandamos a 10 milímetros. Siguiendo esa escala, en el mundo de las partículas, las más grandes, como el polen, tendrían un diámetro de unos 100 metros y serían tan grandes como el London Eye, si las comparásemos con el hollín. O podemos imaginarnos una bolita de las que se usan en las ruletas de casino junto al Globe Arena de Estocolmo. Visualmente, estos ejemplos ilustran el amplio abanico de tamaños de partículas que debe capturar un filtro de partículas. También hay que tener en cuenta que las partículas pueden presentar distintas formas y tienen propiedades diferentes.

La capacidad de un filtro para capturar partículas depende de varios fenómenos físicos, tanto mecánicos como eléctricos. ¿Cómo funciona un filtro de aire? A continuación se ofrece una breve descripción de los mecanismos y principios de filtración que hacen posible capturar una partícula o un gas.

Mecanismos y principios de filtración

Los distintos tipos de filtros emplean mecanismos diversos para atrapar partículas. Un tipo de filtro bastante común utiliza material filtrante ("medio") hecho de fibra. Los más habituales emplean fibra de vidrio o fibras de polímero. La versión con fibras de polímero suele presentar carga electrostática.

Hay bastantes estudios, tanto teóricos como experimentales, sobre la filtración del aire con medios fibrosos. Un filtro construido con fibras emplea varios mecanismos para atrapar partículas, que se describen en este artículo. El proceso de filtración general (la suma de varios mecanismos diferentes) es muy complejo. A menudo se utiliza un modelo simplificado para calcular la eficiencia teórica para atrapar partículas de una sola fibra (la "teoría de la eficiencia de una sola fibra").

Sedimentación gravitacional 
Las partículas grandes muestran una clara tendencia a precipitarse hacia el suelo: cuanto más grande es la partícula, más rápido cae. En el contexto de la filtración, esto significa que las partículas grandes caen hacia el suelo y las superficies horizontales. La mayoría de las partículas atrapadas mediante sedimentación gravitacional se recogen antes de llegar al filtro. La sedimentación gravitacional funciona en todos los filtros y elimina las partículas gruesas.

Eficiencia de partículas total

La eficiencia de partículas, por lo tanto, es el resultado total de los distintos mecanismos de filtración. La sedimentación gravitacional, el tamizado y el impacto de inercia son más efectivos contra las partículas gruesas, mientras que el efecto de la difusión aumenta con las partículas más pequeñas. Como consecuencia, lo más difícil es filtrar un tamaño de partícula determinado. En función de la velocidad del aire y del medio filtrante, las partículas con tamaños comprendidos entre 0,1 y 0,3 μm son las más difíciles de atrapar en un filtro. A esto se le llama MPPS, que corresponde a las siglas en inglés de “tamaño de partícula más penetrante” (most penetrating particle size).

Un detalle curioso: a excepción de la atracción electrostática, la filtración para eliminar la partícula de referencia estándar en Europa según EN 779 (0,4 μm) no se ve afectada por la velocidad del aire, ya que la intercepción es el mecanismo principal empleado para atrapar este tamaño de partícula. La filtración se hace más efectiva a medida que la velocidad aumenta cuando se trata de partículas de tamaño superior a 0,4 μm, pero con partículas más pequeñas, es más efectiva a menor velocidad.

Filtros de gas y moleculares

Nos fascinan las partículas en suspensión y somos capaces de eliminar todas las partículas atmosféricas del aire, sin importar su cantidad, tamaño, forma o propiedades. Sin embargo, los gases y las moléculas pueden atravesar incluso los mejores filtros de aire. Las moléculas son entre 1000 y 10.000 veces más pequeñas que las partículas y suelen estar presentes en concentraciones mucho mayores.

¿Cómo eliminar estas moléculas tan diminutas?

Simplemente utilizando las leyes que rigen el comportamiento de las moléculas de gas. Por ejemplo, las moléculas de gas no toleran estar en distintas concentraciones en un mismo espacio; siempre tratan de equilibrar su concentración. Por eso, cuando las moléculas de gas chocan con un adsorbente, como el carbón activado, que tiene una superficie muy amplia, se difunden (reparten la concentración del gas) buscando el carbón y adhiriéndose a su superficie.

*) La fuerza de Van der Waals es la suma de las fuerzas de atracción o repulsión entre las moléculas.

**) El movimiento browniano es un modelo matemático que describe cómo las partículas colisionan unas con otras y se mueven a distintas velocidades, en distintas direcciones aleatorias.