Le développement de l'industrie moderne impose des exigences croissantes aux environnements d'expérimentation, de recherche et de production. La principale solution pour y parvenir est l'utilisation généralisée de filtres à air dans les systèmes de climatisation. Parmi eux, les filtres HEPA et ULPA constituent la dernière protection contre les particules de poussière pénétrant dans la salle blanche. Leur performance est directement liée au niveau de la salle blanche, ce qui affecte la qualité du procédé et du produit. Il est donc pertinent de mener des recherches expérimentales sur ces filtres. Les performances de résistance et de filtration des deux filtres ont été comparées à différentes vitesses de vent en mesurant l'efficacité de filtration du filtre en fibre de verre et du filtre en PTFE pour des particules de PAO de 0,3 μm, 0,5 μm et 1,0 μm. Les résultats montrent que la vitesse du vent est un facteur déterminant pour l'efficacité de filtration des filtres à air HEPA. Plus la vitesse du vent est élevée, plus l'efficacité de filtration est faible, et l'effet est plus marqué pour les filtres en PTFE.
Mots clés :Filtre à air HEPA ; Performances de résistance ; Performances de filtration ; Papier filtre PTFE ; Papier filtre en fibre de verre ; Filtre en fibre de verre.
Numéro CLC : X964 Code d'identification du document : A
Avec le développement continu des sciences et des technologies, la production et la modernisation des produits industriels modernes sont devenues de plus en plus exigeantes en matière de propreté de l'air intérieur. Les industries de la microélectronique, de la médecine, de la chimie, de la biologie, de l'agroalimentaire et d'autres secteurs nécessitent notamment une miniaturisation. La précision, la pureté, la qualité et la fiabilité des environnements intérieurs imposent des exigences de plus en plus élevées en matière de performance des filtres à air HEPA. La fabrication de filtres HEPA répondant à la demande des consommateurs est donc devenue une nécessité urgente pour les fabricants. L'un des problèmes a été résolu [1-2]. Il est bien connu que la résistance et l'efficacité de filtration d'un filtre sont deux indicateurs importants pour son évaluation. Cet article analyse expérimentalement la performance de filtration et la résistance des filtres à air HEPA de différents matériaux filtrants [3], ainsi que les différentes structures d'un même matériau filtrant. La performance de filtration et les propriétés de résistance du filtre fournissent une base théorique pour le fabricant de filtres.
1 Analyse de la méthode d'essai
Il existe de nombreuses méthodes de détection des filtres à air HEPA, et les normes varient d'un pays à l'autre. En 1956, la Commission militaire américaine a élaboré l'USMIL-STD282, une norme de test pour les filtres à air HEPA, ainsi que la méthode DOP pour les tests d'efficacité. En 1965, la norme britannique BS3928 a été établie, et la méthode de la flamme au sodium a été utilisée pour la détection de l'efficacité. En 1973, l'Association européenne de ventilation a élaboré la norme Eurovent 4/4, qui s'inspirait de la méthode de détection de la flamme au sodium. Plus tard, l'American Society for Environmental Testing and Filter Efficiency Science a compilé une série de normes similaires pour les méthodes de test recommandées, toutes utilisant la méthode de comptage au pied à coulisse DOP. En 1999, l'Europe a établi la norme BSEN1822, qui utilise la taille de particule la plus transparente (MPPS) pour détecter l'efficacité de la filtration [4]. La norme de détection chinoise adopte la méthode de la flamme au sodium. Le système de détection de la performance des filtres à air HEPA utilisé dans cette expérience est basé sur la norme américaine 52.2. La méthode de détection utilise une méthode de comptage à l'aide d'un pied à coulisse et l'aérosol utilise des particules de PAO.
1. 1 instrument principal
Cette expérience utilise deux compteurs de particules, simples, pratiques, rapides et intuitifs par rapport aux autres équipements de test de concentration de particules [5]. Ces avantages font que le compteur de particules remplace progressivement les autres méthodes et devient la principale méthode de test de concentration de particules. Il permet de compter à la fois le nombre et la granulométrie des particules (c'est-à-dire le comptage), ce qui constitue l'équipement principal de cette expérience. Le débit d'échantillonnage est de 28,6 l/min et la pompe à vide sans carbone se caractérise par un faible bruit et des performances stables. Si cette option est installée, la température, l'humidité et la vitesse du vent peuvent être mesurées et le filtre testé.
Le système de détection utilise des aérosols dont les particules de PAO servent de poussière à filtrer. Nous utilisons des générateurs d'aérosols (générateurs d'aérosols) de modèle TDA-5B, fabriqués aux États-Unis. La plage d'occurrence est de 500 à 65 000 pi³/min (1 pi³/min = 28,6 LPM), et la concentration est de 100 μg/L, 6 500 pi³/min ; 10 μg/L, 65 000 pi³/min.
1. 2 salles blanches
Afin d'améliorer la précision de l'expérience, le laboratoire de niveau 10 000 a été conçu et décoré conformément à la norme fédérale américaine 209C. Le revêtement de sol utilisé se distingue par les avantages du terrazzo, sa résistance à l'usure, sa bonne étanchéité, sa flexibilité et sa construction complexe. Le matériau utilisé est une laque époxy et les murs sont en bardage de salle blanche assemblé. La salle est équipée de 6 lampes de purification de 220 V, 2 x 40 W, disposées selon les exigences d'éclairage et d'équipements de terrain. La salle blanche dispose de 4 sorties d'air supérieures et de 4 bouches de retour d'air. La salle de douche d'air est conçue pour une commande tactile ordinaire. La durée de la douche d'air est de 0 à 100 s, et la vitesse du flux d'air de chaque buse à volume d'air de circulation réglable est supérieure ou égale à 20 ms. La surface de la salle blanche étant inférieure à 50 m² et le personnel étant inférieur à 5 personnes, une sortie sécurisée est prévue. Le filtre HEPA sélectionné est GB01×4, le volume d'air est de 1000m3/h et l'efficacité de filtration est supérieure ou égale à 0,5μm et 99,995%.
1. 3 échantillons expérimentaux
Les modèles de filtre en fibre de verre sont : 610 (L) × 610 (H) × 150 (L) mm, type déflecteur, 75 plis, taille 610 (L) × 610 (H) × 90 (L) mm, avec 200 plis, taille du filtre PTFE 480 (L) × 480 (H) × 70 (L) mm, sans type déflecteur, avec 100 plis.
2 Principes de base
Le principe de base du banc d'essai est le soufflage d'air par le ventilateur. Le filtre HEPA/UEPA étant également équipé d'un filtre HEPA, l'air est considéré comme purifié avant d'atteindre le filtre HEPA/UEPA testé. L'appareil émet des particules de PAO dans la canalisation pour former la concentration souhaitée de gaz poussiéreux et utilise un compteur de particules laser pour déterminer cette concentration. Le gaz poussiéreux traverse ensuite le filtre HEPA/UEPA testé. La concentration de particules dans l'air filtré est également mesurée à l'aide d'un compteur de particules laser. La concentration de poussière dans l'air avant et après le filtre est comparée, ce qui permet de déterminer les performances du filtre HEPA/UEPA. De plus, des trous d'échantillonnage sont disposés respectivement avant et après le filtre, et la résistance à chaque vitesse de vent est testée à l'aide d'un micromanomètre à inclinaison.
Comparaison des performances de résistance des 3 filtres
La résistance du filtre HEPA est une caractéristique importante. Soucieuse de répondre aux besoins d'efficacité des utilisateurs, cette résistance est liée au coût d'utilisation : faible résistance, faible consommation d'énergie et économie. Par conséquent, la résistance du filtre est devenue un critère important.
Selon les données de mesure expérimentales, la relation entre la vitesse moyenne du vent des deux filtres structurels différents de la fibre de verre et du filtre PTFE et la différence de pression du filtre est obtenue.La relation est illustrée dans la figure 2 :
Les données expérimentales montrent qu'à mesure que la vitesse du vent augmente, la résistance du filtre augmente linéairement, et les deux droites des deux filtres en fibre de verre coïncident sensiblement. Il est facile de constater qu'à une vitesse du vent de filtration de 1 m/s, la résistance du filtre en fibre de verre est environ quatre fois supérieure à celle du filtre en PTFE.
Connaissant la surface du filtre, la relation entre la vitesse de la face et la différence de pression du filtre peut être dérivée :
Les données expérimentales montrent qu'à mesure que la vitesse du vent augmente, la résistance du filtre augmente linéairement, et les deux droites des deux filtres en fibre de verre coïncident sensiblement. Il est facile de constater qu'à une vitesse du vent de filtration de 1 m/s, la résistance du filtre en fibre de verre est environ quatre fois supérieure à celle du filtre en PTFE.
Connaissant la surface du filtre, la relation entre la vitesse de la face et la différence de pression du filtre peut être dérivée :
En raison de la différence entre la vitesse de surface des deux types de filtres et la différence de pression de filtre des deux papiers filtres, la résistance du filtre avec la spécification de 610 × 610 × 90 mm à la même vitesse de surface est supérieure à la spécification 610 ×. Résistance du filtre 610 x 150 mm.
Cependant, il est clair qu'à vitesse superficielle égale, la résistance du filtre en fibre de verre est supérieure à celle du PTFE. Ceci démontre que le PTFE est supérieur au filtre en fibre de verre en termes de résistance. Afin de mieux comprendre les caractéristiques des filtres en fibre de verre et la résistance du PTFE, des expériences complémentaires ont été menées. L'étude directe de la résistance des deux papiers filtres en fonction de la vitesse du vent du filtre est présentée ci-dessous.
Cela confirme en outre la conclusion précédente selon laquelle la résistance du papier filtre en fibre de verre est supérieure à celle du PTFE sous la même vitesse du vent [6].
Comparaison des performances des filtres à 4 filtres
Selon les conditions expérimentales, l'efficacité de filtration du filtre pour les particules d'une granulométrie de 0,3 μm, 0,5 μm et 1,0 μm à différentes vitesses de vent peut être mesurée, et le graphique suivant est obtenu :
De toute évidence, l'efficacité de filtration des deux filtres en fibre de verre pour les particules de 1,0 μm à différentes vitesses de vent est de 100 %, tandis que celle des particules de 0,3 μm et 0,5 μm diminue avec l'augmentation de la vitesse du vent. On constate que l'efficacité de filtration du filtre pour les grosses particules est supérieure à celle des petites particules, et que les performances de filtration du filtre de 610 × 610 × 150 mm sont supérieures à celles du filtre de 610 × 610 × 90 mm.
En utilisant la même méthode, un graphique montrant la relation entre l'efficacité de filtration du filtre PTFE 480×480×70 mm en fonction de la vitesse du vent est obtenu :
En comparant les figures 5 et 6, l'effet de filtration du filtre en verre à particules de 0,3 μm et 0,5 μm est meilleur, notamment pour le contraste de poussière de 0,3 μm. L'effet de filtration des trois particules sur les particules de 1 μm est de 100 %.
Afin de comparer plus intuitivement les performances de filtration du filtre en fibre de verre et du matériau filtrant en PTFE, les tests de performance du filtre ont été effectués directement sur les deux papiers filtres, et le graphique suivant a été obtenu :
Le graphique ci-dessus est obtenu en mesurant l'effet de filtration du papier filtre en PTFE et en fibre de verre sur des particules de 0,3 µm à différentes vitesses de vent [7-8]. Il est évident que l'efficacité de filtration du papier filtre en PTFE est inférieure à celle du papier filtre en fibre de verre.
Compte tenu des propriétés de résistance et des propriétés de filtration du matériau filtrant, il est facile de voir que le matériau filtrant en PTFE est plus adapté à la fabrication de filtres grossiers ou sous-HEPA, et le matériau filtrant en fibre de verre est plus adapté à la fabrication de filtres HEPA ou ultra-HEPA.
5 Conclusion
Les perspectives d'applications de filtration sont explorées en comparant les propriétés de résistance et de filtration des filtres en PTFE et des filtres en fibre de verre. L'expérience montre que la vitesse du vent est un facteur déterminant pour l'efficacité de filtration des filtres HEPA. Plus la vitesse du vent est élevée, plus l'efficacité de filtration est faible, et plus l'effet sur le filtre en PTFE est évident. Globalement, le filtre en PTFE a une efficacité de filtration inférieure à celle du filtre en fibre de verre, mais sa résistance est inférieure à celle du filtre en fibre de verre. Par conséquent, le matériau filtrant en PTFE est plus adapté à la fabrication de filtres à faible ou faible efficacité, tandis que le matériau filtrant en fibre de verre est plus adapté à la production de filtres efficaces ou ultra-efficaces. Le filtre HEPA en fibre de verre de 610 × 610 × 150 mm est inférieur à celui du filtre HEPA en fibre de verre de 610 × 610 × 90 mm, et ses performances de filtration sont supérieures. Actuellement, le prix des filtres en PTFE pur est supérieur à celui de la fibre de verre. Cependant, comparé à cette dernière, le PTFE offre une meilleure résistance à la température, à la corrosion et à l'hydrolyse. Par conséquent, plusieurs facteurs doivent être pris en compte lors de la production de filtres, notamment pour allier performances techniques et économiques.
Références :
[1]Liu Laihong, Wang Shihong. Développement et application de filtres à air [J]•Filtrage et séparation, 2000, 10(4) : 8-10.
[2] CN Davis Air Filter [M], traduit par Huang Riguang. Pékin : Atomic Energy Press, 1979.
[3] GB/T6165-1985 Méthode d'essai de performance des filtres à air à haute efficacité : transmittance et résistance [M]. Bureau national des normes, 1985.
[4]Xing Songnian. Méthode de détection et application pratique d'un filtre à air à haute efficacité[J]•Équipement de prévention des épidémies bioprotectrices, 2005, 26(1) : 29-31.
[5]Hochrainer. Développements ultérieurs du compteur de particules
sizerPCS-2000fibre de verre [J]•Filtre Journal ofAerosolScience, 2000,31(1): 771-772.
[6]E. Weingartner, P. Haller, H. Burtscher etc. Pression
DropAcrossFiberFilters[J]•Aerosol Science, 1996, 27(1) : 639-640.
[7]Michael JM et Clyde Orr. Filtration - Principes et pratiques[M].
New York : Marcel Dekker Inc, 1987•
[8] Zhang Guoquan. Mécanique des aérosols – base théorique de l’élimination et de la purification des poussières [M] • Pékin : China Environmental Science Press, 1987.
Date de publication : 06/01/2019