Séparation des particules
La méthode la plus courante pour séparer les particules, des courants de gaz dans les systèmes CVC et dans les applications industrielles, consiste à utiliser des filtres à fibres. D’autres procédés de séparation des particules, tels que les cyclones, les épurateurs ou les PES, sont généralement plus complexes et ne sont donc utilisés que dans des zones industrielles spécifiques. La section suivante examine en détail la filtration des fibres.
L’efficacité d’un filtre pour la séparation des particules est également connue sous le nom d’efficacité fractionnée. Il s’agit du rapport entre le nombre de particules d’une taille donnée qui se sont déposées dans le filtre et le nombre total de particules de cette taille en amont du filtre. L’efficacité du filtre peut être définie à la fois en termes de quantité et de masse (la masse de poussière arrêtée par rapport à la masse de poussière totale qui alimente le filtre appelé la gravité). Par conséquent, lors de la spécification de la performance du filtre, il est important de toujours être sûr de la taille de la particule sur laquelle les données sont basées et si elle est définie en termes de quantité ou de masse. Seules les valeurs mesurées selon le même standard peuvent être comparées. En effet, les différentes normes reposent généralement sur différentes méthodes de mesure et ne sont donc pas directement comparables.
Normalement, dans les applications de ventilation et de CVC dans les bâtiments, on utilise des filtres à fibres, où la taille moyenne des pores est significativement plus grande que la taille de la particule à arrêter. Les particules peuvent pénétrer dans le milieu filtrant et le traverser, au cas où elles pourraient suivre parfaitement les lignes d’air. Comme ce n’est pas le cas, il y a une certaine probabilité que, sur leur chemin à travers le média filtrant, les particules frappent une fibre, où elles se déposeront et resteront.
Ce sont les mécanismes qui conduisent une particule à frapper une fibre. Les mécanismes sont :
Interception : Ce principe signifie que le chemin sur lequel se déplace le centre de gravité d’une particule passe la fibre à une distance de moins de la moitié du diamètre de la particule. Par conséquent, la particule frappe la fibre et s’y dépose. La probabilité qu’une particule frappe une fibre à cause de l’interception augmente avec la taille de la particule. L’interception concerne les particules d’un diamètre compris entre 0,5 et 1 μm.
Inertie : En raison des forces d’inertie, les particules ne peuvent pas suivre complètement les lignes de courant d’air qui circulent autour d’une fibre. Au lieu de cela, ils frappent les fibres à une certaine proximité sur un chemin moins courbe. L’importance de l’inertie pour la collecte des particules augmente avec l’augmentation de la masse des particules (c’est-à-dire le diamètre des particules) et la vitesse des particules. Dans le cas de la vitesse typique de l’air dans la filtration d’air, l’effet d’inertie devient dominant à partir d’un diamètre de particule de 1 μm.
Diffusion : En raison du mouvement thermique irrégulier connu sous le nom de mouvement brownien, les particules oscillent. Cela signifie que de très petites particules qui, autrement, traverseraient une fibre, les frappent et s’y déposent. La collection de particules basée sur la diffusion augmente avec la réduction de la taille des particules et la diminution de la vitesse de l’air. En supposant qu’il n’y ait pas d’interaction électrostatique prédominante, les nanoparticules (c’est-à-dire les particules d’un diamètre <100 nm) sont déposées presque exclusivement par diffusion.
Électrostatique : L’interaction électrostatique attire les particules vers les fibres. Si les particules et les fibres ont des charges électrostatiques opposées, elles s’attireront les unes les autres. Cependant, si seule la fibre ou la particule est chargée électrostatiquement, il suffit également de polariser la contrepartie respective pour générer une force d’attraction.
La collection de particules basée sur les interactions électrostatiques diminue en augmentant la vitesse de l’air. Dans la filtration d’air industriel, cet effet est utilisé dans les milieux électret, où les fibres sont chargées électrostatiquement de manière sélective dans le processus de production. Parce que les champs électrostatiques augmentent l’efficacité de filtration des médias filtrants sans augmenter la résistance au flux et donc la chute de pression, ces médias filtrants sont particulièrement économes en énergie. Toutefois, dans certaines conditions (par exemple une humidité très élevée ou une proportion très élevée de particules submicroniques dans l’air à filtrer), la charge électrostatique peut être réduite au cours de l’opération de filtration. En fin de compte, cela pourrait conduire à une diminution de l’efficacité de filtration du filtre.
Il est donc nécessaire d’assurer une certaine efficacité de filtration minimale, basée uniquement sur des mécanismes mécaniques de collecte des particules et qui reste efficace même après élimination complète de toutes les charges électrostatiques. Il est important de trouver un équilibre optimal entre la collecte de particules électrostatiques économes en énergie et la collecte purement mécanique. Dans la pratique, cependant, toute perte d’efficacité de filtration due à la réduction de la charge peut être compensée au moins en partie par une efficacité de filtration accrue associée à la charge de poussière accrue du filtre.
Le phénomène d’augmentation de l’efficacité du filtre due à la charge électrostatique est illustré dans la figure 1.
La courbe 1 montre l’efficacité du filtre sans dépendre de la charge électrostatique, tandis que la courbe 2 correspond au filtre avec une charge décroissante après une courte période de temps.
Figure 1: Augmentation de l’efficacité due à la charge électrostatique.
Dans la pratique, les mécanismes de collecte des particules décrits ci-dessus se produisent tous simultanément et se chevauchent en conséquence. Il en résulte une dépendance totale de l’efficacité fractionnelle en fonction de la taille des particules comme le montre la figure 2. La courbe avec un minimum distinctif dans la gamme de taille des particules entre 0,1 et 0,5 μm est typique de la filtration de charge profonde avec des médias de filtre à fibres. Les particules plus petites peuvent être arrêtées très efficacement en raison de la diffusion. Pour les particules plus grandes, des niveaux élevés de collecte des particules sont obtenus en raison de l’inertie et de l’interception. La taille de la particule avec la plus basse arrêter et la plus grande pénétration est généralement connue avec l’abréviation MPPS (Taille de particule la plus pénétrante). Avec l’augmentation de la vitesse de l’air, l’efficacité fractionnelle minimale diminue et se déplace vers de plus petites particules.
Figure 2: Mécanismes de transport dans la séparation des particules en fibres.
Élimination des polluants gazeux
Outre les particules, on trouve dans l’air une grande variété de types et de concentrations de gaz polluants.
- Adsorption et absorption
Techniquement parlant, ceux-ci sont en grande partie éliminés de l’air par sorption, c’est-à-dire adsorption ou absorption. L’adsorption concerne l’accumulation de substances de la phase gazeuse (Adsorbate) à la surface d’un solide (adsorbant). Ceci est différent de l’absorption, dans laquelle les substances pénètrent à l’intérieur d’un solide ou d’un liquide et se dissolvent dans celui-ci.
L’adsorption est généralement un processus physique, dans lequel les atomes ou les molécules adhèrent à la surface d’un solide par les forces de van der Waals. Dans ce cas, nous parlons de fission. La force de cette force d’adhérence dépend de la combinaison de matériaux.
La vitesse de sorption (c’est-à-dire la quantité de gaz polluant déposée ou libérée par unité de temps) dépend de la température, de la concentration de gaz polluant et de la vitesse de diffusion de la phase gazeuse vers ou depuis la surface de l’adsorbant.
- Absorbants communs
L’adsorbent le plus couramment utilisé dans les applications techniques est le charbon actif, qui absorbe habituellement une quantité très spécifique de différents gaz, tels que les hydrocarbures aliphatiques ou cycliques (MSP) et les alcools. Pour cette raison, il est souvent utilisé pour arrêter les odeurs dans la climatisation des bâtiments et les systèmes industriels de traitement de l’air. Dans l’utilisation pratique, la forte affinité de la vapeur d’eau (humidité) par le charbon actif est problématique car, dans le cas de la fissuration pure, l’eau peut déplacer (désorbe) beaucoup d’autres substances et diminuer l’efficacité d’adsorption du charbon actif.
