FILTRAZIONE
FILTRAZIONE (XV, p. 376; App. I, p. 597)
Tra le tecniche speciali di f. sviluppate di recente in risposta a specifiche esigerize di vari settori applicativi rientra la f. assoluta dei gas, una tecnica che consente il raggiungimento di rendimenti di separazione superiori al 99,9%. Efficienze così spinte sono richieste, per es., per il trattamento di effluenti contenenti particelle radioattive o comunque nocive, per il condizionamento di ambienti che esigono una rigorosa depolverizzazione, ecc. Ma la caratteristica principale della f. assoluta è quella di consentire parallelamente un elevato grado di sterilizzazione del fluido filtrato giacché la maggior parte dei batteri, o per dimensioni proprie o perché supportati da microparticelle condensate disperse nel mezzo fluido, può essere trattenuta e quindi eliminata. Le applicazioni quantitativamente più consistenti della f. assoluta riguardano proprio questo aspetto e in particolare il trattamento dell'aria destinata da un lato alla creazione di ambienti di lavoro e di degenza in atmosfera sterile, dall'altro all'alimentazione di processi industriali di tipo biologico e fermentativo.
La f. assoluta si basa sull'impiego di strati di materiali fibrosi o microporosi disposti trasversalmente alla direzione di flusso del fluido da depurare. Diversi meccanismi contribuiscono a livello microscopico al processo di ritenzione delle particelle da parte del mezzo filtrante: urto inerziale, intercettazione, diffusione, moti browniani, forze elettrostatiche. La descrizione teorica dei singoli contributi è piuttosto complessa; si possono tuttavia riassumere le principali risultanze qualitative: a) la capacità di ritenzione cresce al diminuire del diametro delle fibre; b) alle basse velocità di flusso e per piccoli diametri delle particelle il maggior contributo alla ritenzione deriva dai meccanismi d'intercettazione e diffusione, mentre al crescere di questi due parametri acquista preponderanza il meccanismo inerziale; ne consegue per un dato filtro l'esistenza di un valore critico sia della velocità che del diametro delle particelle a cui corrisponde un minimo di capacità di ritenzione; c) la ritenzione totale cresce in ogni caso al crescere dello spessore dello strato filtrante.
A titolo comparativo, in tabella sono riportati valori tipici del rendimento di separazione (rapporto tra la quantità in peso di materia ritenuta dal filtro e la quantità totale contenuta nel mezzo fluido a monte) di filtri assoluti e di filtri convenzionali.
L'efficienza della f. assoluta viene ancor meglio caratterizzata attraverso la definizione di purezza dell'effluente. Pur non essendoci in proposito una regolamentazione univoca, si usa a tale scopo definire convenzionalmente alcune classi di purezza, basate sul numero di particelle residue di una data dimensione presenti nell'unità di volume di effluente. Le classi 100,1000,10.000 (rispettivamente 100, 1000, 10.000 particelle di 0,5 μm di diametro per piede cubo) rappresentano degli standard comunemente accettati.
Elementi di progettazione di un filtro assoluto sono: a) la sezione trasversale, che si ricava in funzione della portata del fluido da filtrare con la condizione di ottenere una velocità di flusso nell'intorno del valore critico; b) lo spessore dello strato filtrante s, che è legato al rendimento di separazione richiesto, per es., dalla relazione:
in cui df è il diametro delle fibre, α la porosità dello strato, e l'efficienza di ritenzione delle fibre, η il rendimento di separaziorie; c) la perdita di carico ΔP incontrata dal fluido nell'attraversamento del filtro, calcolabile, per es., dalla relazione ΔP = 2Cρsv2(1 − ε)m/(πdf) in cui, oltre le variabili già definite, C è il coefficiente di attrito, ρ e v rispettivamente la densità e la velocità del fluido, ε e m due parametri caratteristici dello strato.
Strutturalmente i filtri assoluti sono costituiti da pacchetti filtranti contenuti entro appropriati telai prismatici di dimensioni e caratteristiche standardizzate dai costruttori specializzati. I materiali filtranti sono di tipo fibroso o microporoso: tra i primi vanno citate le fibre di vetro, cotone, canapa, rayon, amianto, legno, usate spesso in combinazione al fine di sfruttare i rispettivi pregi (indeformabilità, resistenza alla temperatura e all'attacco chimico, porosità, ecc.); tra i secondi i pannelli di vetro e di metallo sinterizzati che consentono i gradi più spinti di separazione.
La ritenzione delle particelle all'interno dello strato filtrante, sebbene alquanto più diluita che nei filtri convenzionali, determina anche nei filtri assoluti un progressivo sporcamento che si traduce in incremento della perdita di carico e diminuzione di efficienza. Il mezzo più efficace per ovviare a tali inconvenienti consiste nel ridurre progressivamente la compressione del pacchetto filtrante in modo da mantenere la sua porosità a un valore uniforme. Questa operazione si esegue semplicemente agendo sul telaio di supporto e consente il più razionale sfruttamento del filtro riducendo anche la frequenza delle periodiche sostituzioni.
Bibl.: R. H. Perry, C. H. Chilton, Chemical engineers' handbook, New York 19735; S. Aiba, A. E. Humphrey, N. F. Millis, Biochemical engineering, ivi 1973.