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Filtration de l'air


Un taux élevé de particules fines dans l’air est facteur de risques sanitaires. Les effets peuvent être divers allant d’une simple toux irritante à un accident vasculaire cérébral (AVC) ou à une crise cardiaque.

Particules fines

Les particules fines sont l’une des principales formes de pollution de l’air créée par la combustion des combustibles fossiles et le traitement des tissus industriels.

Elles sont émises directement dans l’atmosphère par un nombre élevé de sources anthropiques et naturelles. Il s’agit par exemple des particules minérales résultant de l’érosion de sols, du sable d’origine désertique. Les particules peuvent être formées dans l’atmosphère à partir de substances organiques gazeuses telles que le dioxyde de soufre, l’oxyde d’azote, l’ammoniaque et le méthane. Elles proviennent du chauffage domestique, des particules émises directement par la combustion des carburants automobiles etc.

Les différents types de particules fines

Dans le cadre de la pollution atmosphérique, on distingue 3 classes de particules :

  • Les particules fines PM10 ( 10 µm ou 0.01 mm),
  • les particules fines PM2.5 (2,5 µm ou 0,0025 mm)
  • et les particules fines PM1 ( <1 µm ou 0,001mm) qui sont les particules les plus dangereuses.
L’inhalation de ces particules ont des effets différents selon les personnes.
Les particules fines PM10
Ce sont les particules ayant un diamètre aérodynamique inférieur à 10 microns. Ces particules sont souvent appelées «particules grossières». Elles issues du trafic routier, de l’usure de la chaussée, et sont formées par combustion. Selon leur taille, Ces particules restent dans les poumons.
Les particules fines PM2,5
Ce sont les particules qui ont un diamètre aérodynamique inférieur à 2,5 micromètres. Une grande partie d’entre elles résulte des activités polluantes (moteurs diesel, suies, particules issues de la transformation chimique des gaz polluants en nitrates et sulfates, déchets de la combustion). Ces particules peuvent atteindre les alvéoles pulmonaires.
Les particules fines PM1 :
Les particules dont le diamètre est inférieur à 0,1 micromètre, appelées « particules ultrafines » ou « nanoparticules ». Les particules ultra fines sont les plus dangereuses car elles peuvent passer la barrière alvéo-capilaire et pénétrer directement dans les poumons par la circulation sanguine et se propagent ainsi aux organes.
La filtration d'un fluide a pour but d'intercepter les particules solides contenues par le fluide qui le traverse, et les retenir de manière durable.
Les particules solides en suspension sont séparées du fluide qui les véhicule selon trois mécanismes principaux:

Modes de captation

L'interception directe par tamisage

Interception de particules par tamisageC'est le plus simple. Une particule solide, d'une taille supérieure à la taille des pores du filtre sera retenue, tandis que les plus petites pourront traverser.
C'est typiquement le mécanisme principal utilisé par les surfaces filtrantes de type tamis.

On imagine que la sélection des particules sera franche. Dans la réalité, ce type de filtres est capable de retenir une proportion significative de particules plus petites que le diamètre de pores, pour différentes raisons; par exemple:
 - les particules sont rarement sphériques et peuvent avoir des tailles significativement différentes selon l'axe selon lequel elles se présentent
 - une particule retenu, peut n'obstruer que partiellement l'orifice, et peut aider à collecter des particules plus fines
 - plusieurs particules plus fines que l'orifice peuvent se présenter simultanément et former un pont
L'interception directe n'est applicable que pour les particules les plus grosses. Il est mécaniquement difficile de réaliser un tamis résistant,dont les ouvertures sont inférieures à 50µm.


L'interception par inertie

Interception des particules par inertieLes particules entrainée comme le fluide en écoulement, possèdent une masse et sont affectés d'une vitesse; ils possèdent donc un moment d'inertie. En traversant le filtre, le fluide tend à contourner les obstacles  et est donc dévié de sa trajectoire, tandis que les particules tendent à continuer leur chemin en ligne droite. Ce faisant elles vont percuter l'obstacle et y adhérer.
Ce comportement dépend de la différence de masse volumique entre le fluide et les particules; il est beaucoup plus présent si le fluide est un gaz plutôt qu'un liquide. Dans la filtration des gaz, les particules de l'ordre de 1µm de diamètre peuvent être capturés selon ce mécanisme.
Les particules de taille inférieure au diamètre des pores du média filtrant peuvent ainsi être capturées. Les particules les plus fines seront plus facilement entrainées par le liquide que les plus grosses, et seront donc plus difficilement capturées par ce mécanisme.


Interception par diffusion

Les particules en suspension subissent de la part des molécules du fluide, des collisons qui les font dévier de la trajectoire générale du fluide; c'est le mouvement Brownien. Les trajectoires latérales des particules qui en résulte, augmente leur probabilité de rencontrer un obstacle et d'y adhérer.
Interception des particules par diffusionCe mécanisme est peu présent dans les liquides en raison de la viscosité du fluide qui s'oppose au déplacement des particules en son sein. Il concerne surtout les très fines particules (<0,1µm) dont l'inertie est la plus faible.
Par ce mécanisme, les particules de taille inférieure à la taille des pores du média peuvent être capturées et retenues.

Relargage des particules

Dans les mécanismes de filtration par inertie et par diffusion, la force de rétention est constituée principalement par les forces de Van der VAAL (attraction des particules de faibles masses par des masses relativement importantes) et les forces électrostratiques (les particules chargées électriquement adhèrent au média).
La force qui essaye de détacher la particule de média est principalement due à la perte de charge ou à une vitesse de passage trop élevée.

Les particules interceptées par le média filtrant peuvent dans certaines conditions être réentrainées par le fluide en mouvement. Ce phénomène doit bien sûr dans la mesure du possible être évité. Plusieurs raisons à cela:
 - la perte de charge lié à la vitesse d'écoulement du fluide, se traduit sur les particules par une force qui tend à les entrainer. Les particules capturées à faible débit peuvent être réentrainées quand le débit augmente.
 - la géométrie du média filtrant peut varier avec les variations de débit et de perte de charge. Par exemple dans un média constitué de fibres, l'écartement des fibres peut augmenter avec le débit de fluide, laissant s'échapper des particules précédemment retenues à débit plus faible.

"MPPS"

MPPS est l’abréviation de "Most Penetrating Particle Size". Il s’agit de la taille de particules la plus difficile à capturer. Elle se situe entre 0,1 et 0,4 micromètre (µm). Ces particules sont trop grosses pour être interceptée grâce au phénomène de diffusion, et trop petites pour être captées grâce à leur inertie.

Classification des filtres

 Il existe en Europe deux types de normes pour les filtres à air:
  • la norme ISO 16890 qui a remplacé la norme EN 779:2012 pour les filtres grossiers et les filtres fins
  • La norme EN 1822:2009 s’applique pour les filtres EPA (Efficient Particulate Air Filter), HEPA (High Efficient Particulate Air Filter) et ULPA (Ultra Low Penetration Air Filter).

Filtres fins et grossiers

La nouvelle norme ISO 16 890 divise les filtres à air en quatre groupes. Selon cette norme un filtre doit avoir une efficacité minimum de 50 % pour la taille de particule visée:
Classification des filtres sur l'air selon ISO 16890
ISO ePM1 ePM1 min ≥ 50 % (virus, nanoparticules, gaz d’échappement)
ISO ePM2,5 ePM2,5 min ≥ 50 % (bactérie, champignons et les spores de moisissure, pollen, poussière de toner)
ISO ePM10 ePM10 ≥ 50 % (pollen, poussière de désert)
ISO Grossier ePM10 < 50 % (sable, cheveux)

Ces quatre nouveaux groupes remplacent les classes G1 à G4 pour les filtres grossiers et F5 à F9 pour les filtres fins. Aucune équivalence officielle n'existe entre la norme EN 779 et la norme ISO 16890, mais des fournisseurs de matériel proposent le tableau suivant (tiré du site https://www.france-air.com/):

EN 779 ISO 16 890
ISO ePM1 ISO ePM2,5 ISO ePM10 ISO Grossier
G2 - - - 50 - 60 %
G3 - - - 50 - 70 %
G4 - - - 60 - 80 %
M5 - - 50 - 70 % -
M6 - - 60 - 80 % -
F7 50 - 65 % 65 - 75 % 80 - 90 % -
F8 65 - 90 % 75 - 95 % 90 - 100 % -
F9 80 - 90 % 85 - 95 % 90 - 100 % -


Filtres haute efficacité

Ces filtres sont surtout utilisés dans les applications devant éliminer des aérosols pathogènes, ou des environnements de fabrication industrielle nécessitant un air très propre.

La norme EN1822 sert à la classification des filtres EPA, HEPA et ULPA

 Pour tester un filtre, il convient d’abord de définir la MPPS. Puis, selon la classe du filtre, l’efficacité globale et l’efficacité locale seront définies.

Classification des filtres très haute efficacité
selon la norme EN 1822
Norme EN 1822 Efficacité minimale (%)
Groupe
de filtre
Classe
de filtre
Valeurs intégrales
MPPS
Valeurs locales
MPPS
EPA E10 85 -
E11 95 -
E12 99,5 -
HEPA H13 99,95 99,75
H14 99,995 99,975
ULPA U15 99,9995 99,9975
U16 99,99995 99,99975
U17 99,999995 99,9999

Les normes américaines utilisent les mêmes dénominations et les mêmes seuils d'efficacité, mais se réfèrent à un diamètre de particules standard à 0,3µm.

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