HEPA

HEPA ( / h ɛ p ə / , de alta eficiencia para partículas de aire ) de filtro, [1] también conocido como partículas de alta eficiencia de absorción de filtro y de alta eficiencia de partículas arrestancia filtro, [2] es una eficiencia estándar de filtro de aire . [3]

Filtro HEPA estructura interna corrugada y soporte de aluminio junto con la descripción de su principio de funcionamiento (interceptación, impacto y difusión de partículas de polvo a través de una densa fibra no tejida matras

Los filtros que cumplen con la norma HEPA deben satisfacer ciertos niveles de eficiencia. Los estándares comunes requieren que un filtro de aire HEPA debe eliminar, del aire que lo atraviesa, al menos el 99,95% (estándar europeo) [4] o el 99,97% ( ASME , US DOE ) [5] [6] de las partículas cuyo diámetro es igual hasta 0,3  µm ; aumentando la eficiencia de filtración para diámetros de partículas tanto inferiores como superiores a 0,3 μm. [7] Los filtros HEPA capturan polen , suciedad , polvo , humedad , bacterias (0,2-2,0 μm), virus (0,02-0,3 μm) y aerosoles líquidos submicrónicos (0,02-0,5 μm). [8] [9] [10] Algunos microorganismos , por ejemplo, Aspergillus niger , Penicillium citrinum , Staphylococcus epidermidis y Bacillus subtilis son capturados por filtros HEPA con oxidación fotocatalítica (PCO). HEPA también puede capturar algunos virus y bacterias que son ≤0,3 μm. [11] HEPA también puede capturar el polvo del piso que contiene Bacteroidia , Clostridia y Bacilli . [12]

HEPA 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. [13] Los filtros HEPA se utilizan en aplicaciones que requieren control de contaminación , como la fabricación de unidades de disco duro, dispositivos médicos, semiconductores, productos nucleares, alimentarios y farmacéuticos, así como en hospitales, [14] hogares y vehículos.

Four diagram each showing the path of small particle as it approaches a large fiber according to each of the four mechanisms
Los cuatro mecanismos principales de recolección de filtros: difusión , intercepción, impacto inercial y atracción electrostática.
Curva de eficiencia de recolección clásica con mecanismos de recolección de filtro

Los filtros HEPA están compuestos por una estera de fibras dispuestas al azar . [15] Las fibras se componen típicamente de polipropileno o fibra de vidrio con diámetros entre 0,5 y 2,0 micrómetros. La mayoría de las veces, estos filtros se componen de haces enredados de fibras finas . Estas fibras crean un camino estrecho y tortuoso a través del cual pasa el aire. Cuando las partículas más grandes pasan por esta vía, se comportan como un tamiz de cocina que está bloqueado físicamente al pasar. 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 mantener el mismo movimiento del aire hacia arriba y se aplastan con las fibras. Las partículas más pequeñas tienen muy poca inercia y siempre se mueven alrededor de las moléculas de aire como si fueran bombardeadas por estas moléculas ( movimiento browniano ). Debido a su movimiento, terminan chocando contra las fibras. [16] Los factores clave que afectan sus funciones son el diámetro de la fibra, el espesor del filtro y la velocidad frontal . El espacio de aire entre las fibras del filtro HEPA suele ser mucho mayor que 0,3 μm. Filtros HEPA de muy alto nivel para partículas particulares más pequeñas. A diferencia de los tamices o filtros de membrana , donde las partículas más pequeñas que las aberturas o los poros pueden pasar, los filtros HEPA están diseñados para apuntar a una variedad de tamaños de partículas. Estas partículas quedan atrapadas (se adhieren a una fibra) mediante una combinación de los siguientes tres mecanismos:

Difusión

Las partículas por debajo de 0,3 μm se capturan por difusión en un filtro HEPA. Un mecanismo de mejora que es el resultado de la colisión con las moléculas de gas por las partículas más pequeñas, especialmente las de menos de 0,1 μm de diámetro, que por lo tanto se ven impedidas y retardadas en su paso a través del filtro; este comportamiento es similar al movimiento browniano y aumenta la probabilidad de que una partícula se detenga por intercepción o impacto; este mecanismo se vuelve dominante en un flujo de aire más bajo .

Interceptación

Las partículas que siguen una línea de flujo en la corriente de aire entran dentro de un radio de una fibra y se adhieren a ella. Este proceso captura partículas de tamaño medio.

Impactacion

Las partículas más grandes no pueden evitar las fibras siguiendo los contornos curvos de la corriente de aire y se ven obligadas a incrustarse en una de ellas directamente; este efecto aumenta al disminuir la separación de las fibras y aumentar la 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. [17] En el medio, cerca del tamaño de partícula más penetrante (MPPS) 0.21 μm, tanto la difusión como la intercepción son comparativamente ineficientes. [18] Debido a que este es el punto más débil en el desempeño del filtro, las especificaciones HEPA utilizan la retención de partículas cercanas a este tamaño (0.3 μm) para clasificar el filtro. [17] 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 principalmente para la condensación y formar partículas cerca del MPPS. [18]

Filtración de gas

Los filtros HEPA están diseñados para detener 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 exigen el uso de carbón activado (carbón vegetal) u otro tipo de filtro en lugar o además de un filtro HEPA. [19] Los filtros de tela de carbón, que se dice que son muchas veces más eficientes que la forma de carbón activado granular en la adsorción de contaminantes gaseosos , se conocen como filtros de adsorción de gases de alta eficiencia (HEGA) y fueron desarrollados originalmente por las Fuerzas Armadas Británicas como una defensa contra guerra química . [20] [21]

Prefiltro y filtro HEPA

Se puede usar un filtro de bolsa HEPA junto con un prefiltro (generalmente activado por carbón) para extender la vida útil del filtro HEPA más caro. [22] En tal configuración, la primera etapa del proceso de filtración se compone de un prefiltro que elimina la mayor parte del polvo, cabello , PM10 y partículas de polen más grandes del aire. El filtro HEPA de alta calidad de segunda etapa elimina las partículas más finas que se escapan del prefiltro. Esto es común en las unidades de tratamiento de aire .

Una unidad de filtración HEPA portátil que se utiliza para limpiar el aire después de un incendio o durante los procesos de fabricación.
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Color después del uso de un filtro HEPA en una ciudad extremadamente contaminada

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. [23] 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 tasa de flujo volumétrico nominal . [6]

La especificación utilizada en la Unión Europea : Norma europea EN 1822-1: 2009, de la cual se deriva la ISO 29463, [24] define varias clases de filtros por su retención en el tamaño de partícula más penetrante (MPPS): Filtros de aire de partículas eficientes (EPA), 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": [24]

EficienciaEN 1822ISO 29463Retención (promediado)Retención (spot)
EPA E10-≥ 85%-
E11ISO 15 E
ISO 20 E		≥ 95%
≥ 99%		-
E12ISO 25 E
ISO 30 E		≥ 99,5%
≥ 99,9%		-
HEPA H13ISO 35 H
ISO 40 H		≥ 99,95%
≥ 99,99%		≥ 99,75%
≥ 99,95%
H14ISO 45 H
ISO 50 H		≥ 99,995%
≥ 99,999%		≥ 99,975%
≥ 99,995%
ULPA U15ISO 55 U
ISO 60 U		≥ 99,9995%
≥ 99,9999%		≥ 99,9975%
≥ 99,9995%
U16ISO 65 U
ISO 70 U		≥ 99,99995%
≥ 99,99999%		≥ 99,99975%
≥ 99,9999%
U17ISO 75 U≥ 99,999995%≥ 99,9999%

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

Hoy en día, una clasificación de filtro HEPA es aplicable a cualquier filtro de aire altamente eficiente que pueda alcanzar los mismos estándares de rendimiento de eficiencia de filtro como mínimo y es equivalente a la clasificación más reciente del Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional P100 para filtros de respirador. El Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) tiene requisitos específicos para los filtros HEPA en aplicaciones reguladas por el DOE.

Márketing

Algunas empresas utilizan un término de marketing conocido como "True HEPA" para garantizar a los consumidores que sus filtros de aire cumplen con el estándar HEPA, aunque este término no tiene ningún significado legal o científico. [25] Los productos que se comercializan como "tipo HEPA", "tipo HEPA", "estilo HEPA" o "99% HEPA" no satisfacen el estándar HEPA y es posible que no hayan sido probados en laboratorios independientes. Aunque tales filtros pueden acercarse razonablemente a los estándares HEPA, otros se quedan cortos significativamente. [26]

Está comprobado que la purificación de partículas de tamaño medio es la más difícil en HEPA (0,15 a 0,2 µm). [27] La filtración HEPA funciona por medios mecánicos, a diferencia de la filtración iónica y de ozono , que utilizan iones negativos y gas ozono respectivamente. Por lo tanto, las posibilidades de posibles efectos secundarios pulmonares como asma [28] y alergias son mucho menores con los purificadores HEPA. [29] Para asegurarse de que un filtro HEPA funcione de manera eficiente, deben revisarse y cambiarse al menos cada seis meses en entornos comerciales. En entornos residenciales, se pueden cambiar cada dos o tres años. Si no se cambia un filtro HEPA de manera oportuna, se producirá una tensión en la máquina o el sistema y no se eliminarán las partículas del aire correctamente. [30]

El personal del hospital modela un respirador purificador de aire motorizado (PAPR) equipado con un filtro HEPA, que se usa para proteger de patógenos aerotransportados o en aerosol como la tuberculosis

Biomédico

Los filtros HEPA son fundamentales para prevenir la propagación de organismos bacterianos y virales transportados por el aire y, por lo tanto, la infección . 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 vivas y los virus atrapados por los medios de filtrado. [ cita requerida ] Algunas de las unidades HEPA mejor calificadas tienen una calificación de eficiencia del 99,995%, lo que asegura un nivel muy alto de protección contra la transmisión de enfermedades transmitidas por el aire .

COVID-19

El SARS-CoV-2 es de aproximadamente 0,125 µm. Las gotas de SARS-CoV-2 en el aire pueden ser capturadas por filtros HEPA, incluso si están en el suelo. [ ¿cómo? ] [31] [32]

Aspiradoras

Filtro HEPA original para aspiradoras Philips de la serie FC87xx

Muchas aspiradoras también usan filtros HEPA como parte de sus sistemas de filtración. Esto es beneficioso para las personas que padecen 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 modo que todo el aire que ingresa a la máquina se expulse a través del filtro, sin que nada de aire se escape. Esto a menudo se denomina "HEPA sellada" o, a veces, la más vaga "HEPA verdadera". Las aspiradoras simplemente etiquetadas como "HEPA" pueden tener un filtro HEPA, pero no todo el aire pasa necesariamente a través de él. Por último, los filtros de aspiradora comercializados como "similares a HEPA" suelen utilizar un filtro de construcción similar a HEPA, pero sin la eficacia de filtrado. Debido a la densidad adicional de un verdadero filtro HEPA, las aspiradoras HEPA requieren motores más potentes para proporcionar un poder de limpieza adecuado.

Algunos modelos más nuevos afirman ser mejores que los anteriores con la inclusión de filtros "lavables". Generalmente, los filtros HEPA verdaderos lavables son costosos. Un filtro HEPA de alta calidad que puede atrapar el 99,97% de las partículas de polvo de 0,3 micrones de diámetro. En aras de la comparación, un cabello humano tiene entre 50 y 150 micrones de diámetro. Por lo tanto, un verdadero filtro HEPA atrapa partículas cientos de veces más pequeñas que el ancho de un cabello humano. [33] Algunos fabricantes afirman que existen estándares de filtro como "HEPA 4", sin explicar el significado que se esconde detrás de ellos. Esto se refiere a su calificación de Valor de Informe de Eficiencia Mínima (MERV). Estas clasificaciones se utilizan para evaluar la capacidad de un filtro de aire para eliminar el polvo del aire a medida que pasa a través del filtro. MERV es un estándar que se utiliza para medir la eficiencia general de un filtro. La escala MERV varía de 1 a 16 y mide la capacidad de un filtro para eliminar partículas de 10 a 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

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Efecto de filtro HEPA dentro del sistema HVAC doméstico : sin (OUTdoor) y con filtro (INdoor)

La calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) [34] es una tecnología que utiliza filtros de aire, como los filtros HEPA, para eliminar los 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 efectividad y el estado de reparación de los sistemas de filtrado de aire, ya que piensan que gran parte del aire en la cabina de un avión es recirculado. Casi todo el aire en un avión presurizado es, de hecho, traído desde el exterior, circula a través de la cabina y luego expulsado a través de válvulas de salida en la parte trasera del avión. [35] Aproximadamente el 40 por ciento del aire de la cabina pasa por un filtro HEPA y el otro 60 por ciento proviene del exterior del avión. Los filtros de aire certificados bloquean y capturan el 99,97 por ciento de las partículas en el aire. [36]

Vehículos de motor

En 2016, se anunció que el Tesla Model X tendría el primer filtro de grado HEPA del mundo en un automóvil. [37] Tras el lanzamiento del Model X, Tesla ha actualizado el Model S para que también tenga un filtro de aire HEPA opcional. [38]

La idea detrás del desarrollo del filtro HEPA nació de las máscaras de gas que usaban los soldados que combatían en la Segunda Guerra Mundial. Un trozo de papel que se encontró insertado en una máscara de gas alemana tenía una eficiencia de captura notablemente alta del humo químico. El Cuerpo Químico del Ejército Británico lo duplicó y comenzó a fabricarlo en grandes cantidades para sus propias máscaras de gas de servicio. Necesitaban otra solución para la sede operativa, donde las máscaras de gas individuales no eran prácticas. El Cuerpo de Químicos del Ejército desarrolló una unidad combinada de soplador mecánico y purificador de aire, que incorporaba papel de celulosa y asbesto en forma de pliegues profundos con espaciadores entre los pliegues. Fue referido como un filtro de aire "absoluto" y sentó las bases para futuras investigaciones en el desarrollo del filtro HEPA. [39]

La siguiente fase del filtro HEPA se diseñó en la década de 1940 y se utilizó en el Proyecto Manhattan para prevenir la propagación de contaminantes radiactivos en el aire . [40] El Comité de Investigación del Cuerpo Químico y de la Defensa Nacional del Ejército de EE. UU. Necesitaba desarrollar un filtro adecuado para eliminar materiales radiactivos del aire. El Cuerpo de Químicos del Ejército 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 0,3 micrones como el "tamaño más penetrante", el más difícil y preocupante. [41]

Se comercializó en la década de 1950 y el término original se convirtió en una marca registrada y más tarde en una marca genérica de filtros de alta eficiencia. [13]

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

  • Purificador de aire
  • Tasa de suministro de aire limpio
  •  Sala blanca : sala que se utiliza para procesos industriales o de investigación que no toleran el polvo.
  • Precipitador electrostático : atrapa partículas con alto voltaje
  • Aspirador hipoalergénico - aspirador con filtro de aire de alta eficiencia
  • Valor de informe de eficiencia mínima  : escala de medición para la efectividad de los filtros de aire (MERV)
  • Respirador  : dispositivo que se usa para proteger al usuario de la inhalación de contaminantes.
  • ULPA : elimina el 99,999% del polvo, polen, moho, bacterias y partículas de más de 120 nm (0,12 μm)
  • Irradiación germicida ultravioleta  : método de desinfección con luz ultravioleta

Notas al pie

  1. ^ "GLOSARIO" . Corporación HEPA . Archivado desde el original el 20 de abril de 2020 . Consultado el 14 de mayo de 2021 .
  2. ^ "HEPA" . El diccionario gratuito . Archivado desde el original el 20 de abril de 2020 . Consultado el 14 de mayo de 2021 .
  3. ^ "Eficiencia del filtro de aire HEPA: calidad del filtro HEPA y bypass" . Poder purificador de aire . Archivado desde el original el 20 de abril de 2020 . Consultado el 14 de mayo de 2021 .
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  • Nota de aplicación de TSI ITI-041: Mecanismos de filtración para filtros fibrosos de alta eficiencia