Filtro HEPA
Estándar de eficiencia de los filtros de aire

Filtro HEPA
Esquema del filtro HEPA
Filtro HEPA de estructura interna corrugada y soporte de aluminio junto con la descripción de su principio de funcionamiento (intercepción, impacto y difusión de partículas de polvo a través de un material denso de fibra no tejida)
Descripción general
Otros nombresAire particulado de alta eficiencia, filtro de retención de partículas de alta eficiencia, HEPA
NormasDOE NE F 3-45, EN 1822, ISO 29463
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El filtro HEPA ( / ˈhɛpə / , filtro de aire de partículas de alta eficiencia ), [1] también conocido como filtro de detención de partículas de alta eficiencia , [2] es un estándar de eficiencia de los filtros de aire . [3]

Los filtros que cumplen con el estándar HEPA deben satisfacer ciertos niveles de eficiencia. Los estándares comunes requieren que un filtro de aire HEPA debe eliminar, del aire que pasa a través, al menos el 99,95% ( ISO , estándar europeo) [4] [5] o el 99,97% ( ASME , US DOE ) [6] [7] de partículas cuyo diámetro sea igual a 0,3  μm , y la eficiencia de filtración aumenta para diámetros de partículas menores y mayores de 0,3 μm. [8] Los filtros HEPA capturan polen , suciedad , polvo , humedad , bacterias (0,2–2,0 μm), virus (0,02–0,3 μm) y aerosol líquido submicrónico (0,02–0,5 μm). [9] [10] [11] Algunos microorganismos , por ejemplo, Aspergillus niger , Penicillium citrinum , Staphylococcus epidermidis y Bacillus subtilis son capturados por filtros HEPA con oxidación fotocatalítica (PCO). Un filtro HEPA también puede capturar algunos virus y bacterias que son ≤0,3 μm. [12] Un filtro HEPA también puede capturar polvo del piso que contiene bacteroideos , clostridios y bacilos . [13] HEPA se comercializó en la década de 1950, y el término original se convirtió en una marca registrada y luego en una marca genérica para filtros de alta eficiencia. [14] Los filtros HEPA se utilizan en aplicaciones que requieren control de la contaminación , como la fabricación de unidades de disco duro, dispositivos médicos, semiconductores, productos nucleares, alimenticios y farmacéuticos, así como en hospitales, [15] hogares y vehículos.

Mecanismo

Cuatro diagramas que muestran cada uno la trayectoria de una partícula pequeña a medida que se aproxima a una fibra grande de acuerdo con cada uno de los cuatro mecanismos.
Los cuatro mecanismos principales de recolección de filtros: difusión , intercepción, impacto inercial y atracción electrostática (dirección del flujo de aire de izquierda a derecha)
Curva de eficiencia de recolección clásica con mecanismos de recolección por filtro

Los filtros HEPA están compuestos por una estera de fibras dispuestas aleatoriamente . [16] Las fibras suelen estar compuestas de polipropileno o fibra de vidrio con diámetros entre 0,5 y 2,0 micrómetros. La mayoría de las veces, estos filtros están compuestos por haces enredados de fibras finas . Estas fibras crean un estrecho camino enrevesado por el que pasa el aire. Cuando las partículas más grandes pasan por este camino, los haces de fibras se comportan como un colador de cocina que bloquea físicamente el paso de las partículas. Sin embargo, cuando las partículas más pequeñas pasan con el aire, a medida que el aire se retuerce y gira, las partículas más pequeñas no pueden seguir el ritmo del movimiento del aire y, por lo tanto, chocan con las fibras. Las partículas más pequeñas tienen muy poca inercia y se mueven aleatoriamente como resultado de las colisiones con moléculas de aire individuales ( movimiento browniano ). Debido a su movimiento, terminan chocando contra las fibras. [17] Los factores clave que afectan sus funciones son el diámetro de la fibra, el espesor del filtro y la velocidad frontal, que es la velocidad del aire medida en una entrada o salida de un sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC). La velocidad frontal se mide en m/s y se puede calcular como el caudal volumétrico (m3 / s) dividido por el área frontal (m2 ) . El espacio de aire entre las fibras del filtro HEPA es típicamente mucho mayor que 0,3 μm. Los filtros HEPA tienen un nivel muy alto de partículas más pequeñas. A diferencia de los tamices o filtros de membrana , donde pueden pasar partículas más pequeñas que las aberturas o los poros, los filtros HEPA están diseñados para abordar un rango de tamaños de partículas. Estas partículas quedan atrapadas (se adhieren a una fibra) a través de una combinación de los siguientes tres mecanismos:

  1. Difusión: las partículas de menos de 0,3 μm se capturan por difusión en un filtro HEPA. Este mecanismo es el resultado de la colisión con las moléculas de gas por parte de las partículas más pequeñas, especialmente aquellas de menos de 0,1 μm de diámetro. Las partículas pequeñas son efectivamente arrastradas o rebotadas y chocan con las fibras del medio filtrante. Este comportamiento es similar al movimiento browniano y aumenta la probabilidad de que una partícula sea detenida por intercepción o impacto; este mecanismo se vuelve dominante en flujos de aire más bajos .
  2. Intercepción: las partículas que siguen una línea de flujo en la corriente de aire se acercan a un radio de una fibra y se adhieren a ella. Mediante este proceso se capturan partículas de tamaño mediano.
  3. Impacto; las partículas más grandes no pueden evitar las fibras siguiendo los contornos curvos de la corriente de aire y se ven obligadas a incrustarse directamente en una de ellas; este efecto aumenta con la disminución de la separación de las fibras y la mayor velocidad del flujo de aire.

La difusión predomina por debajo del tamaño de partícula de 0,1 μm de diámetro, mientras que la impactación y la intercepción predominan por encima de 0,4 μm. [18] Entre medias, cerca del tamaño de partícula más penetrante (MPPS) 0,21 μm, tanto la difusión como la intercepción son comparativamente ineficientes. [19] Debido a que este es el punto más débil en el rendimiento del filtro, las especificaciones HEPA utilizan la retención de partículas cerca de este tamaño (0,3 μm) para clasificar el filtro. [18] Sin embargo, es posible que las partículas más pequeñas que el MPPS no tengan una eficiencia de filtrado mayor que la del MPPS. Esto se debe al hecho de que estas partículas pueden actuar como sitios de nucleación para la condensación principalmente y formar partículas cerca del MPPS. [19]

Filtración de gas

Los filtros HEPA están diseñados para atrapar partículas muy finas de manera efectiva, pero no filtran gases ni moléculas de olor . Las circunstancias que requieren la filtración de compuestos orgánicos volátiles , vapores químicos u olores de cigarrillos , mascotas o flatulencias requieren el uso de un filtro de carbón activado (carbón vegetal) u otro tipo de filtro en lugar de un filtro HEPA o además de él. [20] Los filtros de tela de carbón, que se afirma que son mucho más eficientes que la forma de carbón activado granular en la adsorción de contaminantes gaseosos , se conocen como filtros de adsorción de gas de alta eficiencia (HEGA) y fueron desarrollados originalmente por las Fuerzas Armadas Británicas como defensa contra la guerra química . [21] [22]

Prefiltro y filtro HEPA

Se puede utilizar un filtro de bolsa HEPA junto con un prefiltro (normalmente activado con carbón) para prolongar la vida útil del filtro HEPA, que es más caro. [23] En este tipo de configuración, la primera etapa del proceso de filtración se compone de un prefiltro que elimina la mayor parte de las partículas de polvo, pelo , PM10 y polen de mayor tamaño del aire. El filtro HEPA de alta calidad de la segunda etapa elimina las partículas más finas que se escapan del prefiltro. Esto es habitual en las unidades de tratamiento de aire . [ cita requerida ]

Presupuesto

Una unidad de filtración HEPA portátil que se utiliza para limpiar el aire después de un incendio o durante los procesos de fabricación.

Los filtros HEPA, según lo define el estándar del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) adoptado por la mayoría de las industrias estadounidenses, eliminan al menos el 99,97 % de los aerosoles de 0,3 micrómetros (μm) de diámetro. [24] La resistencia mínima del filtro al flujo de aire, o caída de presión , generalmente se especifica alrededor de 300 pascales (0,044 psi) a su caudal volumétrico nominal . [7]

La especificación utilizada en la Unión Europea : la Norma Europea EN 1822-1:2019, de la que se deriva la ISO 29463, [4] define varias clases de filtros en función de su retención en el tamaño de partícula más penetrante (MPPS) dado: filtros de aire de partículas eficientes (EPA), filtros de aire de partículas de alta eficiencia (HEPA) y filtros de aire de partículas ultra bajas (ULPA). La eficiencia promedio del filtro se denomina "general" y la eficiencia en un punto específico se denomina "local": [4]

EficienciaEN 1822ISO 29463Retención (promedio)Retención (punto)
Agencia de Protección AmbientalE10—≥ 85%—
E11ISO 15 E
ISO 20 E		≥ 95%
≥ 99%		—
E12ISO 25 E
ISO 30 E		≥ 99,5 %
≥ 99,9 %		—
Filtro HEPAH13ISO35H
ISO40H		≥ 99,95 %
≥ 99,99 %		≥ 99,75 %
≥ 99,95 %
H14ISO 45 H
ISO 50 U		≥ 99,995 %
≥ 99,999 %		≥ 99,975 %
≥ 99,995 %
ULPAU15ISO 55 U
ISO 60 U		≥ 99,9995 %
≥ 99,9999 %		≥ 99,9975 %
≥ 99,9995 %
U16ISO65U
ISO70U		≥ 99,99995 %
≥ 99,99999 %		≥ 99,99975 %
≥ 99,9999 %
U17ISO75U≥ 99,999995 %≥ 99,9999 %

Vea también las diferentes clases de filtros de aire para comparar.

Especificaciones para respiradores

Filtro HEPA
Otro(s) nombre(s)Aire particulado de alta eficiencia, filtro de retención de partículas de alta eficiencia, HEPA
Regulado porDepartamento de Energía de los Estados Unidos , Administración de Seguridad y Salud Minera , Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional
Regulación30 CFR 11 , 42 CFR 84 , DOE NE F 3-45
Programa de NIOSHTC-21C
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Para los respiradores , MSHA y NIOSH definen HEPA como filtros que bloquean ≥ 99,97 % de partículas DOP de 0,3 micrones , según 30 CFR 11 y 42 CFR 84. Desde la transición a 42 CFR 84 en 1995, el uso del término HEPA ha quedado en desuso, excepto para los respiradores purificadores de aire motorizados . [25]

Marketing

Algunas empresas utilizan el término de marketing "True HEPA" para dar a los consumidores la seguridad de que sus filtros de aire cumplen con el estándar HEPA, aunque este término no tiene ningún significado legal o científico. [26] Los productos que se comercializan como "tipo HEPA", "similares a HEPA", "estilo HEPA" o "99% HEPA" no satisfacen el estándar HEPA y es posible que no hayan sido probados en laboratorios independientes. Aunque estos filtros pueden acercarse razonablemente a los estándares HEPA, otros se quedan significativamente cortos. [27]

Eficacia y seguridad

En términos generales (y permitiendo alguna variación dependiendo de factores como el caudal de aire, las propiedades físicas de las partículas que se filtran, así como los detalles de ingeniería de todo el diseño del sistema de filtración y no solo las propiedades del medio filtrante), los filtros HEPA experimentan la mayor dificultad para capturar partículas en el rango de tamaño de 0,15 a 0,2 μm. [28] La filtración HEPA funciona por medios mecánicos, a diferencia de las tecnologías de tratamiento iónico y de ozono , que utilizan iones negativos y gas ozono respectivamente. Por lo tanto, la probabilidad de desencadenamiento de efectos secundarios pulmonares como asma [29] y alergias es mucho menor con los purificadores HEPA. [30]

Para garantizar que un filtro HEPA funcione de manera eficiente, los filtros deben inspeccionarse y cambiarse al menos cada seis meses en entornos comerciales. En entornos residenciales, y dependiendo de la calidad general del aire ambiente, estos filtros pueden cambiarse cada dos o tres años. Si no se cambia un filtro HEPA de manera oportuna, se generará una tensión en la máquina o el sistema y no se eliminarán las partículas del aire de manera adecuada. Además, dependiendo de los materiales de empaquetadura elegidos en el diseño del sistema, un filtro HEPA obstruido puede provocar una desviación importante del flujo de aire alrededor del filtro. [31]

Aplicaciones

Personal del hospital modelando un respirador purificador de aire motorizado (PAPR) equipado con un filtro HEPA, utilizado para proteger contra patógenos transmitidos por el aire o aerosolizados, como la tuberculosis.

Biomédica

Los filtros HEPA son fundamentales para prevenir la propagación de bacterias y virus en el aire y, por lo tanto, las infecciones . Por lo general, los sistemas de filtración HEPA para uso médico también incorporan unidades o paneles de luz ultravioleta de alta energía con revestimiento antimicrobiano para eliminar las bacterias y los virus vivos atrapados por el medio filtrante. [ cita requerida ]

Algunas de las unidades HEPA mejor valoradas tienen un índice de eficiencia del 99,995%, lo que garantiza un nivel muy alto de protección contra la transmisión de enfermedades por vía aérea . [ cita requerida ]

COVID-19

Aspiradoras

Filtro HEPA original para aspiradoras Philips serie FC87xx

Muchas aspiradoras también utilizan filtros HEPA como parte de sus sistemas de filtración. Esto es beneficioso para las personas que sufren de asma y alergias, porque el filtro HEPA atrapa las partículas finas (como el polen y las heces de los ácaros del polvo doméstico ) que desencadenan los síntomas de alergia y asma. Para que un filtro HEPA en una aspiradora sea eficaz, la aspiradora debe estar diseñada de manera que todo el aire que ingresa a la máquina se expulse a través del filtro, sin que nada de aire se escape por él. Esto a menudo se conoce como "HEPA sellado" o, a veces, como "HEPA verdadero". Las aspiradoras simplemente etiquetadas como "HEPA" pueden tener un filtro HEPA, pero no todo el aire pasa necesariamente a través de él. Finalmente, los filtros de aspiradoras comercializados como "similares a HEPA" generalmente utilizan un filtro de una construcción similar al HEPA, pero sin la eficiencia de filtrado. Debido a la densidad adicional de un filtro HEPA verdadero, las aspiradoras HEPA requieren motores más potentes para proporcionar una potencia de limpieza adecuada. [ cita requerida ]

Algunos modelos más nuevos afirman ser mejores que los anteriores con la inclusión de filtros "lavables". Por lo general, los filtros HEPA verdaderos lavables son caros. Un filtro HEPA de alta calidad puede atrapar el 99,97 % de partículas de polvo de 0,3 micrones de diámetro. A modo de comparación, un cabello humano tiene entre 50 y 150 micrones de diámetro. Por lo tanto, un filtro HEPA verdadero atrapa de manera efectiva partículas varios cientos de veces más pequeñas que el ancho de un cabello humano. [32] Algunos fabricantes afirman tener estándares de filtrado como "HEPA 4", sin explicar el significado detrás de ellos. [ cita requerida ] Esto se refiere a su clasificación de Valor de Informe de Eficiencia Mínima (MERV). [ cita requerida ] Estas clasificaciones se utilizan para evaluar la capacidad de un filtro de purificador de aire para eliminar el polvo del aire a medida que pasa a través del filtro. MERV es un estándar utilizado para medir la eficiencia general de un filtro. La escala MERV va de 1 a 16 y mide la capacidad de un filtro para eliminar partículas de entre 10 y 0,3 micrómetros de tamaño. Los filtros con clasificaciones más altas no solo eliminan más partículas del aire, sino que también eliminan partículas más pequeñas.

Calefacción, ventilación y aire acondicionado.

Efecto del filtro HEPA en el interior del sistema HVAC del hogar : sin filtro (EXTERIOR) y con filtro (INTERIOR)

La calefacción, la ventilación y el aire acondicionado (HVAC) [33] es una tecnología que utiliza filtros de aire, como los filtros HEPA, para eliminar contaminantes del aire, ya sea en interiores o en vehículos. Los contaminantes incluyen humo, virus, polvos , etc., y pueden originarse tanto en el exterior como en el interior. El HVAC se utiliza para proporcionar comodidad ambiental y, en ciudades contaminadas , para mantener la salud. [ cita requerida ]

Vehículos

Aerolíneas

Los aviones de pasajeros modernos utilizan filtros HEPA para reducir la propagación de patógenos transportados por el aire en el aire recirculado. Los críticos han expresado su preocupación por la eficacia y el estado de conservación de los sistemas de filtrado de aire, ya que creen que gran parte del aire de la cabina de un avión se recircula. Casi todo el aire de un avión presurizado , de hecho, se introduce desde el exterior, se hace circular por la cabina y luego se expulsa a través de válvulas de salida en la parte trasera del avión. [34] Alrededor del 40 por ciento del aire de la cabina pasa por un filtro HEPA y el 60 por ciento restante proviene del exterior del avión. Los filtros de aire certificados bloquean y capturan el 99,97 por ciento de las partículas transportadas por el aire. [35]

Vehículos de motor

En 2016, se anunció que el Tesla Model X tendría el primer filtro de grado HEPA del mundo en un automóvil Tesla. [36] Tras el lanzamiento del Model X, Tesla actualizó el Model S para que también tenga un filtro de aire HEPA opcional. [37]

Historia

La idea detrás del desarrollo del filtro HEPA nació de las máscaras de gas que usaban los soldados que luchaban en la Segunda Guerra Mundial. Un trozo de papel encontrado insertado en una máscara de gas alemana tenía una eficiencia de captura de humo químico notablemente alta. El Cuerpo Químico del Ejército británico duplicó esto y comenzó a fabricarlo en grandes cantidades para sus propias máscaras de gas de servicio. Necesitaban otra solución para los cuarteles generales operativos, donde las máscaras de gas individuales eran poco prácticas. El Cuerpo Químico del Ejército desarrolló una unidad combinada de soplador mecánico y purificador de aire, que incorporaba papel de celulosa y amianto en una forma profundamente plisada con espaciadores entre los pliegues. Se lo denominó filtro de aire "absoluto" y sentó las bases para futuras investigaciones en el desarrollo del filtro HEPA. [38]

La siguiente fase del filtro HEPA se diseñó en la década de 1940 y se utilizó en el Proyecto Manhattan para evitar la propagación de contaminantes radiactivos en el aire . [39] El Cuerpo Químico del Ejército de los EE. UU. y el Comité de Investigación de Defensa Nacional necesitaban desarrollar un filtro adecuado para eliminar materiales radiactivos del aire. El Cuerpo Químico del Ejército le pidió al Premio Nobel Irving Langmuir que recomendara métodos de prueba de filtros y otras recomendaciones generales para crear el material para filtrar estas partículas radiactivas. Identificó las partículas de tamaño de 0,3 micrones como el "tamaño más penetrante", el más difícil y preocupante. [40]

Se comercializó en la década de 1950 y el término original se convirtió en una marca registrada y más tarde en una marca genérica para filtros de alta eficiencia. [14]

A lo largo de las décadas, los filtros han evolucionado para satisfacer las demandas cada vez más altas de calidad del aire en diversas industrias de alta tecnología, como la industria aeroespacial, la industria farmacéutica, los hospitales, la atención médica, los combustibles nucleares, la energía nuclear y la fabricación de circuitos integrados . [ cita requerida ]

Véase también

Referencias

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Lectura adicional

  • Nota de aplicación ITI-041 de TSI: Mecanismos de filtración para filtros fibrosos de alta eficiencia
Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Detención de partículas de alta eficiencia .
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