Para comprender este y todos los demás mecanismos de retención de partículas debemos tener en cuenta que una membrana filtrante es como una pared permeable con millones de poros, estos poros son verdaderos “túneles” que cambian continuamente de dirección, haciendo que un flujo de aire deba realizar constantes cambios para poder penetrar el filtro. Cuando las partículas que son transportadas por el flujo de aire “tocan” alguna de las fibras de la media filtrante durante el paso a través del filtro, quedan adheridas a las fibras siendo eliminadas de la corriente de aire que  las transportaba. La diferencia entre los mecanismos de filtración de fundamenta en que no todas las partículas siguen las líneas del flujo de aire y se disminuye la velocidad a la cual pasan por el filtro para incrementar la probabilidad de ser adheridas al filtro.

1. MECANISMO DE FILTRACIÓN N°1: DIFUSION

La difusión es el método por el cual un filtro captura las partículas más pequeñas la cuales están en el orden de 0,09 µm a 0,2 µm. Las partículas que se encuentran entre estos diámetros poseen una masa muy baja lo cual permite que no sigan las líneas de flujo del aire (escapan de las líneas de inercia) razón por la cual estas partículas se muevan en el aire siguiendo patrones de movimiento browniano. Al disminuir la velocidad a la cual el aire penetra un filtro se aumenta la probabilidad de que las partículas distribuidas en estos tamaños queden adheridas a las fibras del filtro. Cabe señalar que las partículas se adhieren a las fibras de un filtro al igual que las partículas capturadas por los mecanismos de intercepción e impacto inercial  debido a las fuerzas de Van de Waals, específicamente las fuerzas de London y de Keeson las cuales son fuerzas atractivas presentes en la materia y razón por la cual podemos ver como una partícula de polvo se adhiere a las palas de un ventilador. Para ejemplificar este  mecanismo nos serviremos del siguiente ejemplo:

Imagine que liberamos un pesado bote en un rio caudaloso en el cual existe una gran roca a la mitad, lo más probable es que el bote al llegar a la roca se estrelle de frente con ella y se destruya, es decir debido a su masa el bote seguirá una trayectoria lineal sin cambios en el sentido de la línea del flujo de agua. En cambio si lo que lanzamos al rio fuese una pelota, nos daríamos cuenta que la pelota también seguiría la línea del flujo de agua pero al llegar a la roca la pelota solo la rozaría modificando su trayectoria siguiendo rio abajo. A medida que disminuyamos la masa de lo que se lance al rio veríamos cada vez más independencia de la línea de inercia. Para las partículas más pequeñas que son chocadas y tironeadas por las moléculas de gas, las trayectorias en un flujo son totalmente aleatorias y reciben el nombre de movimiento browniano ya que se trasladan al azar a través de las líneas del flujo que las transporta, al hacerlo experimentan repentinos cambios en su trayectoria, este movimiento arbitrario es causado por el constante bombardeo de otras pequeñas partículas y las moléculas del gas en la cual están suspendidas. Podríamos ejemplificar esta situación imaginando lanzar en el rio un globo el cual debido a su masa tan baja seria constantemente perturbado por el viento describiendo una trayectoria de tipo browniano.

En este ejemplo la roca al medio del rio sería una fibra de la media filtrante y los objetos lanzados representarían partículas de distintos tamaños y masa. La diferencia seria que al rozar una fibra, las partículas por efecto de las fuerzas atractivas de Van der Waals quedan adheridas y son removidas del flujo de aire.

2. MECANISMO DE FILTRACIÓN N°2: INTERCEPCIÓN

El mecanismo de Intercepción opera entre tamaños de partículas de 0,15 µm a 0,5 µm y es la forma mediante la cual partículas con una mayor masa son adheridas a las fibras de un filtro de alta eficiencia.  Este caso podría ser ejemplificado por una pelota liberada en un rio (segundo caso), en el cual debido a que posee una mayor masa sigue las líneas de inercia del fluido teniendo una ligera interacción con la fibra que representa la roca siendo finalmente adherida a la fibra y removido del flujo. Se debe tener en cuenta que a mayor velocidad del fluido, aumenta la energía cinética y por ende también la inercia de los cuerpos que son transportados y están suspendidos en él, por esta razón cuerpos o partículas que tienen un comportamiento que responde al mecanismo de difusión al aumentar la velocidad del flujo y aumentar su inercia pueden responder al mecanismo de intercepción, esta es la razón especifica porque un filtro HEPA que no es reemplazado durante un largo tiempo pierde efectividad de retención para las partículas más pequeñas, ya que al disminuir su permeabilidad disminuye la cantidad de “caminos” por donde los cuales el aire penetra el filtro, al disminuir estos canales una misma cantidad de aire tendrá que penetrar por los canales restantes aumentando la velocidad y la inercia de las partículas que son transportadas en el flujo de aire. Este aumento de la velocidad explica la saturación de tipo exponencial que se observa en un filtro de alta eficiencia y en el aumento de la presión necesaria para que el aire pueda atravesarlo.

3. MECANISMO DE FILTRACIÓN N°3: IMPACTO INERCIAL

El impacto inercial es el mecanismo de eliminación de partículas comprendidas entre los tamaños de 0,35 µm a partículas de hasta 20 µm (tamaño máximo de los poros por los cuales circula el aire). Este mecanismo representa a todas aquellas partículas que al ser más grandes siguen completamente las líneas del flujo que las transporta pero que no pueden cambiar su trayectoria al llegar a una fibra chocando de frente siendo adheridas y eliminadas del flujo de aire. Este comportamiento puede ser ejemplificado al bote de nuestro ejemplo el cual debido a su masa choca de frente con la roca

4. MECANISMO DE FILTRACIÓN N°4: TAMIZACIÓN

La tamización es el mecanismo más conocido y se puede definir como el método mediante el cual un cuerpo es detenido al quedar atrapado en un poro con un diámetro menor. Todas aquellas partículas de un tamaño a partir de 10 µm hacia arriba experimentan una retención por tamización que además bloquea el poro. Es por esta razón que las partículas de elevado tamaño acortan de modo acelerado la vida útil de un filtro de alta eficiencia.

5. INTERACCIÓN ENTRE DISTINTOS MECANISMOS

Tal como ya hemos vistos los mecanismos de filtración actúan selectivamente de acuerdo a los siguientes factores:

De acuerdo a lo anterior, la velocidad del flujo de aire es un parámetro crítico, ya que dependiendo de su valor una partícula podrá aumentar su energía cinética y su inercia, por esta razón es muy importante que un filtro de alta eficiencia pueda mantener sus velocidades de diseño a fin de que pueda cumplir con la eliminación de partículas según la distribución para la cual fue construido.

Los mecanismos de filtración antes tratados actúan en conjunto y los rangos de tamaño explicados no son limites rígidos, sino que son áreas bajo la curva en los cuales el efecto de un mecanismo de filtración va haciéndose más fuerte o disminuyendo dependiendo de la inercia de la partícula, de su diámetro aerodinámico, o  de las condiciones ambientales.

Existe una región de transición entre la difusión y el impacto inercial, en donde actúa el mecanismo de intercepción, dependiendo de la velocidad a la cual se mueven las partículas.

En esta región de transición comprendida entre 0,04 µm a 0,4 µm en el cual se produce una caída de la eficacia de filtración, existe un tamaño de partícula para el cual los mecanismos antes tratados son menos eficaces. Este tamaño de partícula de mayor penetración está directamente relacionado con la velocidad a la cual se desplazan las partículas. Para aquel tamaño de partícula para el cual la penetración es mayor o dicho de otra manera al punto para el cual la eficacia de filtrado es menor se le conoce como Tamaño de mayor penetración (MPPS: Most penetrating particle size ). Cualquier filtro de alta eficiencia posee un MPPS el cual va cambiando de acuerdo al grado de saturación a lo largo de su vida útil.

Una velocidad de flujo elevada actúa aumentando el rango de tamaños de partículas de mayor penetración (MPPS) mientras que una velocidad de flujo pequeña, desplaza el MPPS hacia un tamaño de partículas mayores. Cabe recordar que estos tamaños de partícula están en la zona de transición de los mecanismos de difusión e impacto inercial.

Podemos citar las siguientes consideraciones:

  • Una velocidad de flujo elevada disminuye el efecto de filtración por DIFUSION.
  • Una velocidad de flujo baja, disminuye la región de transición entre los mecanismos de difusión e intercepción en los cuales se produce el MPPS de un filtro
  • Un filtro con una alta saturación aumenta la velocidad a la cual el aire penetra el filtro, esto repercute aumentando el intervalo de partículas que tienen una mayor penetración.

 

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