Filter School
Module 2

Filter School : Module 2

Le fonctionnement des filtres à air : Il s'agit du deuxième module sur les huit que compte la série Filter School de Camfil sur la technologie de filtration de l'air. Le module 2 décrit les mécanismes et les principes de filtration de l'air.

Avec la série Filter School, vous pouvez apprendre les bases de la filtration, acquérir des connaissances supplémentaires ou simplement vous mettre à jour. Ou, si vous êtes novice dans le domaine de la filtration, les articles vous donneront un « cours intensif » sur le sujet. Les modules, de nature très générale, sont simplement destinés à enseigner les bases. Les sujets sont décrits dans un langage courant pour en faciliter la compréhension. Commençons avec le module 2.

Particules et filtres particulaires

L'atmosphère contient un mélange complexe de polluants atmosphériques : les substances solides (particules), les gaz et fumées, les substances sous forme liquide (brume, brouillard, gouttelettes) et les radiations (voir Module 1). En fonction du local à protéger, il faut effectuer une filtration pour éliminer certains polluants avant que l’air ne puisse être utilisé.

La composition et la taille des particules atmosphériques varient considérablement. La taille varie de quelques nanomètres (nm) à des centaines de micromètres (µm), ce qui rend la filtration difficile en raison de la multitude de tailles de particules à traiter. Les particules de suie, par exemple, sont beaucoup plus petites que les particules de pollen.

Pour mieux comprendre les différentes tailles, supposons que nous prenions l’une des particules les plus petites - la suie, par exemple - et que nous la grossissions jusqu’à 10 millimètres. Dans le monde des particules, les grosses particules telles que le pollen auraient un diamètre d’environ 100 mètres et seraient aussi grosses que le London Eye, s’il est placé à proximité de la suie. Ou alors, imaginez que l’on mette côte à côte la bille d’une roulette et le Globe Arena de Stockholm. Ces comparaisons illustrent visuellement la multitude de tailles de particules qu'un filtre à particules doit capturer. Gardez aussi à l’esprit que les particules revêtent diverses formes et qu’elles ont des propriétés variables.

La capacité d’un filtre à collecter les particules dépend de divers phénomènes physiques, tant mécaniques qu’électriques. Comment fonctionne un filtre à air ? Voici une description des mécanismes et des principes de la filtration permettant la capture d’une particule ou d’un gaz.

Mécanismes et principes de la filtration

Différents types de filtres utilisent divers mécanismes pour piéger les particules. Un filtre ordinaire utilise un matériau filtrant (le « média ») constitué de fibres. Les plus courants utilisent les fibres de verre ou les fibres polymères. La version en fibre polymère a souvent des charges électrostatiques.

Il existe un certain nombre d’études théoriques et expérimentales sur la filtration de l'air avec des matériaux fibreux. Un filtre constitué de fibres utilise plusieurs mécanismes pour collecter des particules, lesquels sont décrits dans cet article. Le procédé de filtration global - la somme de plusieurs mécanismes différents - est très complexe. Un modèle simplifié est souvent utilisé pour calculer l'efficacité théorique des particules d'une seule fibre (la « théorie de l'efficacité d'une seule fibre »).

La sédimentation gravitationnelle 
Les grosses particules ont clairement tendance à tomber au sol : plus la particule est grosse, plus elle tombe rapidement. Dans le contexte de la filtration, cela signifie que les grosses particules vont en direction du sol et les surfaces horizontales. La plupart des particules piégées par sédimentation sont collectées avant le filtre. La sédimentation gravitationnelle fonctionne dans tous les filtres et élimine les particules grossières.

Efficacité totale des particules

L’efficacité des particules est alors le résultat total des différents mécanismes de filtration. La sédimentation gravitationnelle, la contrainte et l’impact par inertie auront un effet plus important sur les grosses particules, tandis que   l'effet de diffusion augmente   avec les particules plus petites. En conséquence, il est plus difficile de filtrer une taille spécifique de particule. En fonction de la vitesse de l'air et du média filtrant, la taille de particule de 0,1 à 0,3 µm est la plus difficile à collecter dans un filtre. On parle ici de MPPS (Most Penetrating Particle Size), sigle anglais désignant  la taille de particule ayant la plus forte pénétration.

Un détail intéressant : à l’ exception de l’attraction électrostatique, la filtration servant à éliminer les particules de référence standard en Europe conformément à la norme EN 779 – 0,4 μm – n’est pas affectée par la vitesse de l’air étant donné que l’interception est le principal mécanisme utilisé pour la collecte de cette taille de particule. La filtration devient plus efficace étant donné que la vitesse augmente pour les particules supérieures à 0,4 μm, mais elle augmente à des vitesses inférieures lors de la collecte des particules inférieures à 0,4  μm.

Filtres à gaz et filtres moléculaires

Les particules aéroportées nous fascinent et nous pouvons éliminer  toutes  les particules atmosphériques de l’ air, quels que soient leur nombre, leur taille, leur forme et leurs propriétés. Mais les gaz et les molécules passent à travers les meilleurs filtres à air. Les molécules sont 1 000 à 10 000 fois plus petites que les particules et existent généralement à des concentrations beaucoup plus élevées.

Comment pouvons-nous éliminer ces molécules incroyablement petites ?

- en se servant simplement des lois qui régissent le comportement des molécules de gaz. À titre d’exemple, les molécules de gaz ne supportent pas d’être dans des concentrations différentes dans le même espace. Elles tentent de réguler la concentration. Lorsque des molécules de gaz heurtent un adsorbant tel que le charbon actif, qui a une très grande surface, elles se diffusent (en régulant la concentration de gaz) en recherchant le carbone et en se fixant à sa surface.

*) La force de Van der Waals est la somme des forces attractives ou répulsives entre les molécules.

**) Le mouvement brownien est un modèle mathématique utilisé pour décrire la manière dont les particules se heurtent aux autres particules et se déplacent à des vitesses différentes, dans des directions à la fois diverses et aléatoires.