Les filtres HEPA : dispositif filtrant pour les particules

Protéger les procédés de fabrication sensibles en microélectronique par exemple, prévenir la contamination microbiologique dans les laboratoires de recherche, éliminer les agents infectieux aéroportés dans le secteur de la santé… Les filtres HEPA sont utilisés dans de nombreux secteurs, de l’industrie nucléaire aux secteurs agroalimentaire et pharmaceutique en passant par la fabrication des semi-conducteurs ou l'aérospatiale.

Les filtres HEPA, c'est quoi ?

Les filtres HEPA (High Efficiency Particulate Air) sont utilisés pour filtrer les particules aériennes, avec une haute efficacité. Ils sont également appelés filtres THE (Très Haute Efficacité) ou filtres absolus. En pratique, on qualifie de HEPA les dispositifs filtrants capables de filtrer, en un unique passage, au moins 99,97% des particules de diamètre supérieur ou égal à 0,3 µm. Une gamme de polluants particulièrement difficiles à éliminer. Les filtres HEPA répondent à une norme bien définie (voir ci-dessous). Ils sont capables de capturer de très fines particules, nocives pour la santé : poussière, acariens, pollen, poils d’animaux et même dans certains cas bactéries et virus.

Les filtres HEPA, comment ça marche ?

Le média filtrant des filtres HEPA est composé de fibres, typiquement des fibres de verre, entremêlées. Elles forment ainsi une membrane, qui va piéger les particules. Le diamètre d’une fibre de verre est compris entre 0,5 et 2 µm. En jouant sur l'agencement des fibres dans le filtre, on pourra néanmoins capturer des éléments d’une taille inférieure à 0,3 µm. Trois processus distincts sont à l'oeuvre pour filtrer les particules.

Les plus grosses (diamètre > 1µm) sont arrêtées par collision avec les fibres de verre. Les particules de grande taille ont une inertie trop importante pour suivre le flux de l'air quand celui-ci dévie pour suivre le contour d'une fibre du filtre. Elles continuent sur leur lancée et adhèrent à la face avant de la fibre avec laquelle elles entrent en collision. Plus l’espacement entre les fibres est faible et la vitesse du flux de l’air transportant les particules élevées, plus ces impacts sont nombreux.

Les plus petites (diamètre < 0,1 µm) sont filtrées grâce au phénomène de diffusion lié au mouvement brownien. Les petites particules ne se déplacent pas selon les lignes du flux autour de la fibre. Elles sont en permanence bousculées par le mouvement brownien des molécules d'air. Quand elles rencontrent les fibres du filtre, elles y adhèrent et se retrouvent piégées. La probabilité pour que les particules entrent en contact avec les fibres augmente lorsque la vitesse du flux d'air chute, que le diamètre de la particule et celui de la fibre diminuent.

Enfin, les particules de taille intermédiaire, les plus difficiles à arrêter, le sont par interception. Les particules moyennes suivent le flux d'air autour de la fibre du filtre. Si elles suivent une ligne de flux d'air qui se rapproche suffisamment de la fibre au point que la distance à la fibre soit inférieure au rayon de la particule, cette dernière est interceptée. 

L'effet d'interception ne dépend pas de la vitesse de l'air sauf si sa variation est suffisamment importante pour modifier le tracé du flux d'air autour de la fibre. L'interception augmente avec la taille de la particule, la diminution du diamètre de la fibre et la réduction de la distance entre les fibres.

La norme HEPA

Selon la norme européenne EN1822 : 2009, les filtres HEPA sont classés en différentes catégories, selon leur efficacité minimale (en %) : E10 à E12, H13 et H14, et U15 à U17 (ULPA)

Les filtres HEPA : Pourquoi faire ?

Les filtres HEPA sont utilisés dans le traitement de matières dangereuses (amiante, métaux lourds, poussières cancérogènes, lubrifiants …), dans les dispositifs de climatisation (salles opératoires, laboratoires, salles propres…), dans les procédés industriels sensibles (pharmacie, biotechnologie, chimie, optique, transformation des aliments, micro-électronique…) ou enfin comme filtre de sécurité aval dans la technique de dépoussiérage.

Différents filtres HEPA

En fonction des applications, différents types de filtres HEPA peuvent être mis en place. Au-delà de l'efficacité de filtration exigée, on cherchera à minimiser la résistance du filtre pour maîtriser les coûts énergétiques de fonctionnement.

On distingue 2 familles de filtres :

Les filtres HEPA turbulents sont utilisés dans les applications où la qualité de l'air est un critère essentiel, mais où le flux ne doit pas nécessairement être laminaire. Ces filtres garantissent un débit élevé grâce à une conception dite en plissement en profondeur. La surface de filtration du filtre est 50 fois supérieure à la face frontale du filtre. Cette structure assure une résistance faible et un coût énergétique relativement bas.

Dans les salles blanches, où la qualité de l’air joue un rôle capital, on recourt souvent aux filtres HEPA avec flux laminaire. S'ils garantissent un débit moindre que les filtres pour débits d'air turbulents, ils permettent d'obtenir une pureté irréprochable.

Certains filtres HEPA sont conçus pour être déployés en conditions difficiles : haute température (jusqu'à 370°C), forte humidité, environnements oxydants, flux chimiquement corrosifs, environnements radioactifs … Pour les charges à forte teneur en particules solides qui obstrueraient rapidement les inserts des filtres HEPA classiques, il existe des systèmes de filtres HEPA autonettoyants à jet pulsé de qualité HEPA.

En savoir plus sur :

• Les filtres HEPA en microélectronique
• Les filtres HEPA en salle blanche
• Les filtres HEPA pour les centrales de traitement d'air

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