FILTRAZIONE

FILTRAZIONE (XV, p. 376)

È un processo che serve a separare non solo sostanze solide da un liquido, come è detto alla voce, ma anche sostanze solide o liquide contenute in sospensione in un gas (filtrazione dei gas).

Filtrazione dei gas.

Scopo di questo processo può essere il ricupero di sostanze pregevoli contenute in sospensione nel gas oppure l'eliminazione di sostanze nocive. Esso trova quindi molteplici applicazioni: in particolare negl'impianti di macinazione, al fine di trattenere le frazioni più leggiere di sostanza macinata; e negl'impianti termici, per liberare dal fumo i gas della combustione. L'aria atmosferica stessa viene di solito filtrata se deve servire per alimentare motori a combustione interna, o per raffreddamento o per impianti di ventilazione, condizionamento,ecc.

Depurazione dell'aria atmosferica. - È una delle applicazioni più importanti della filtrazione dei gas, e ha lo scopo di eliminare le sostanze nocive che sono in sospensione nell'aria.

Queste impurità possono essere di varia natura (v. aria, IV, p. 283) e in quantità assai diverse, a seconda delle regioni, dell'altezza, ecc. Ove non vi siano speciali ragioni d'inquinamento il loro peso si aggira sui seguenti valori:

Il diametro di una particella di pulviscolo atmosferico comune inferiore in generale a 0,5 ÷ 1. I micron (i micron = ¹/₁₀₀₀ mm.); le dimensioni però variano a seconda della natura del pulviscolo stesso. Nella tabella qui unita sono rappresentate le principali caratteristiche di varie impurità dell'aria, e i mezzi di eliminazione; il peso specifico di tali impurità può essere assai variabile. Agli effetti igienici l'azione del pulviscolo è sempre dannosa, sia nei riguardi della respirazione, sia per l'intercettazione dei raggi solari; alcune speciali qualità di polveri in sospensione possono dar luogo a malattie specifiche, come la silicosi, la febbre da fieno (v. XV, p. 235), ecc.

Il rendimento, o efficacia, della filtrazione si suole indicare col peso delle materie trattenute dal filtro, espresso in percentuale di quello totale delle materie in sospensione.

Vi sono apparecchi appositamente costruiti per la determinaziont approssimata di tale dato.

Filtri comuni. - Per filtrazione grossolana si possono usare i separatori, nei quali si utilizza la diversa densítà delle sostanze in sospensione, facendo agire su queste delle forze che ne provocano la separazione. Così nel processo di decantazione, che avviene solo per forza di gravità: esso, però, non è praticamente usato per i gas. Larga applicazione trovano invece i separatori centrifughi; il tipo più comune di questì è dato da cicloni, molto usati nei molini (v. molino, XXIII, p. 563) e in altre industrie per la separazione di polveri grossolane. Altri tipi di separatori centrifughi contengono invece parti meccaniche rotanti che imprimono il moto all'aria e provocano nello stesso tempo la separazione delle particelle in sospensione; essi sono simili ai ventilatori centrifughi, ma con palette di forme speciali: la fig. i rappresenta uno di tali apparecchi. L'efficacia di questi separatori dipende dalle dimensioni e dalla densità del pulviscolo o meglio dalla velocità di caduta delle particelle; il loro campo di applicazione è approssimativamente indicato nella tabella.

Altri apparecchi di filtrazione utilizzano i bruschi cambiamenti di direzione nel moto del gas, determinati da schermi o superficie asciutte: la fig. 2 rappresenta schematicamente uno di tali filtri.

In taluni apparecchi, oltre che utilizzare i cambiamenti di direzione del gas, per aumentare il rendimento si cospargono le superficie lambite con sostanze adesive; si fa così agire un altro elemento che costituisce la caratteristica dei filtri adesivi. Fra i varî tipi di questi filtri ricorderemo quelli ad anelli metallici (Raschig, fig. 3), a lamiere ondulate, a trucioli metallici; si usano anche il vetro filato e altre materie fibrose. Questi filtri sono assai usati negl'impianti di ventilazione per la loro notevole efficacia (che praticamente è dell'80-90%) e perché permettono anche la separazíone di particelle abbastanza minute (spore ecc.).

Come materiali adesivi generalmente si usano olî, cui si aggiungono sostanze speciali. Quando si adoperi l'acqua, si passa alla categoria dei filtri lavatori. Questi possono essere a scorrimento, analoghi a quelli adesivi, nei quali l'acqua viene fatta scorrere sopra superficie lambite dal gas e si fa circolare a mezzo di una pompa, rinnovandola solo in piccola parte. Negl'impianti di ventilazione, le sostanze contenute nell'aria che si sciolgono nell'acqua conferiscono a quest'ultima proprietà ossidanti e corrosive; le superficie devono quindi essere resistenti a tali azioni, per cui si usa il materiale ceramico a preferenza di quello metallico. Altra categoria di questi filtri è data dai lavatori a spruzzo (figura 4), nei quali l'acqua viene spruzzata in goccioline minutissime in una camera attraversata dall'aria. Questi apparecchi vengono usati anche per altri scopi (umidificazione, raffreddamento; v. ventilazione, XXXV, p. 124). Agli effetti della filtrazione, e cioè della separazione delle sostanze solide, la loro efficacia è piuttosto scarsa raggiungendo in generale il 60-70%; al lavatore a spruzzo occorre far seguire un separatore delle goccioline, le quali altrimenti verrebbero trascinate in sospensione.

Un tipo di filtri assai usato è quello a secco, in cui si utilizzano tessuti (tela, panno) di ampia superficie e aventi fori minutissimi tali cioè da trattenere le particelle contenute in sospensione dall'aria che li attraversa. Data la grande superficie richiesta si sono studiate forme adatte per renderli poco ingombranti: la fig. 5 rappresenta uno di questi filtri (per impianti di ventilazione. Filtri di tale tipo si usano anche negli apparecchi di protezione contro i gas asfissianti (v. maschera: Maschera antigas, XXII, p. 489) e in impianti industriali (v. molino, XXIII, p. 563).

Un'operazione importante nell'uso dei filtri è quella del ricupero o dell'eliminazione delle sostanze solide separate, in modo da ricostruire l'efficacia del filtro stesso. Nei separatori o nei lavatori, tale eliminazione avviene in modo continuo e non richiede nessuna speciale operazione. Nei filtri adesivi essa può avvenire in varî modi: o con la sostituzione degli elementi filtranti, oppure col lavaggio a mano degli elementi stessi in un bagno di liquido speciale, o infine col lavaggio continuo ed automatico (fig. 6). Nei filtri a secco la pulizia si fa con aspiratori, oppure con scuotitori a mano o automatici.

Una caratteristica importante dei filtri, da tenere in considerazione nello studio delle rispettive applicazioni, è la resistenza che essi offrono al passaggio dell'aria. Tale resistenza nei filtri adesivi e in quelli a secco aumenta con l'accrescersi del deposito sopra i filtri stessi, fino a raggiungere il valore massimo, per il quale si rende necessaria la pulizia o il cambio dei filtri.

Gli elementi che servono a caratterizzare il funzionamento di un filtro sono pertanto i seguenti:

sistema di filtrazione e suo campo di applicazione;

portata dell'aria e del gas che può attraversare il filtro;

sistema usato per la pulizia o ricostruxione del filtro;

peso massimo della polvere trattenuta, oltre il quale occorre procedere alla pulizia o al cambio;

resistenza offerta dal filtro al passaggio del gas, in corrispondenza del massimo carico del filtro e con la portata indicata;

efficacia del filtro, in relazione al suo campo di applicazione.

Elettrofillri. - Questa classe di filtri presenta caratteristiche speciali. Essi, pur funzionando sul principio dei separatori, possono avere un'efficacia superiore a quella di tutti gli altri sistemni di filtrazione (v. tabella), in quanto che essi trattengono particelle di diametro minimo e cioè fino a 0,1 micron e anche fino a o,01 micron; hanno inoltre il vantaggio di offrire una resistenza piccola al passaggio del gas e di non richiedere complicati processi di pulizia e di manutenzione.

L'azione dell'elettrofiltro si basa principalmente sull'attrazione e repulsione, secondo la legge di Coulomb, di corpi caricati elettricamente. La fig. 7 rappresenta schematicamente uno di tali filtri; esso consta di un tubo del diametro, in generale, da 20 a 30 cm. e di lunghezza a 3 a 5 metri, lungo il cui asse è teso un filo metallico del diametro da 2 a 3 mm. Il filo viene collegato al polo negativo e il tubo al polo positivo di un generatore di corrente continua ad alta tensione (da 40 a 60 kilovolt): al disopra di una certa intensità del campo elettrico si crea attorno al filo una zona d'intensa ionizzazione che dà origine a cariche positive e negative. Queste ultime, respinte dal filo e attratte dal tubo, nell'attraversare la zona intermedia, si uniscono alle particelle in sospensione nel gas, che si depositano così sul tubo, cedendo in parte la loro carica elettrica, ma restandovi attaccate per effetto di un residuo della carica stessa, finché, accumulandosi, cadono per il proprio peso e vengono così eliminate. Caso per caso, in relazione alle caratteristiche del gas e delle materie in sospensione, va studiato un valore della tensione fra i due elettrodi che assicuri un'intensa carica elettrica delle particelle, senza che avvenga la scarica fra i due elettrodi.

La velocità di separazione delle varie particelle, a parità d'intensità del campo, diminuisce col loro diametro; essa è stata determinata sperimentalmente; così per un'intensità del campo uguale a 1 (unità c. g. s.), la velocità, per particelle di diametro variabile da 20 micron a 0,02 micron, varia da 0,69 cm./s. a 0,35 cm./s. Al moto dovuto all'azione elettrica si aggiunge poi sempre il moto turbolento delle particelle. In base alla velocità di separazione v determinata per il campo di intensità 1, si sono date delle formule per determinare l'efficacia η del filtro nei varî casi; secondo Deutsch si ha approssimativamente:

essendo E l'intensità del campo elettrico in unità c. g. s., R il raggio del tubo del filtro in cm., L la lunghezza del tubo in cm., V la velocità del gas in cm./s.

Dalla formula si può desumere che per rendimenti superiori all'80-90% occorre aumentare notevolmente l'intensità del campo e quindi la potenza: in generale e quando non si tratti di prodotti da separare di notevole valore o pericolosi, ci si limita a rendimenti dell'80% pur potendosi raggiungere rendimenti fino al 98%. L'energia occorrente varia da 0,1 a 0,5 kW per 1000 mc./ora di gas e arriva in talun casia 1,5-2 kW. In generale, la perdita di carica del gas attraverso gli elettrofiltri varia da 2 a 8 mm. di colonna d'acqua.

Gli elettrofiltri vengono usati per l'eliminazione del fumo, per la depurazione di gas contenenti particelle nocive in varie industrie chimiche, per il ricupero delle polveri di lignite degl'impianti di essiccazione, per l'eliminazione delle particelle d'acqua in sospensione nel gas d'acqua, e in numerosi altri casi.

Bibl.: Am. Soc. of Heating and Ventilating Engineers Guide, New York 1936; E. Berl, Chemische Ingenieur-Technik, Berlino; P. Rosin e E. Rammler, Arbeitsweise u. Wirkungsgrad von Windsichtern, ivi 1930.