Modellazione dei valori di caduta di pressione su ultra

Jan 12, 2024

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5449 (2023) Citare questo articolo

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Sono state condotte simulazioni fluidodinamiche computazionali di filtri fibrosi con 56 combinazioni di diverse dimensioni di fibra, densità di impaccamento, velocità frontali e spessori per sviluppare modelli che prevedono cadute di pressione attraverso filtri in nanofibra. L'accuratezza del metodo di simulazione è stata confermata confrontando le cadute di pressione numeriche con i dati sperimentali ottenuti per i filtri in nanofibra elettrofilata di poliacrilonitrile. Nelle simulazioni è stato considerato un effetto di scivolamento aerodinamico attorno alla superficie delle piccole nanofibre. I risultati hanno mostrato che, a differenza del caso della teoria della filtrazione convenzionale, le cadute di pressione attraverso gli strati sottili dei filtri in nanofibra elettrofilata non sono proporzionali allo spessore. Questo potrebbe essere un fattore critico per ottenere cadute di pressione precise attraverso i filtri in nanofibra elettrofilata con strati estremamente sottili. Infine, abbiamo derivato il prodotto del coefficiente di resistenza aerodinamica e del numero di Reynolds in funzione della densità di impaccamento, del numero di Knudsen e del rapporto tra spessore e diametro delle fibre per ottenere l'equazione di correlazione per la previsione della caduta di pressione. L'equazione ottenuta prevedeva le cadute di pressione attraverso i filtri in nanofibra con la differenza relativa massima inferiore al 15%.

L’impatto negativo dell’inquinamento atmosferico non può essere sopravvalutato. Minaccia il sistema respiratorio umano e causa quindi gravi problemi di salute tra cui malattie cardiache, polmonite, ictus, diabete e cancro ai polmoni1,2,3,4. Poiché si stima che milioni di decessi ogni anno siano causati dall’esposizione all’inquinamento dell’aria interna ed esterna, l’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) considera l’inquinamento atmosferico il principale rischio per la salute ambientale5,6. Il particolato (PM), una miscela complessa di particelle fini solide e liquide con varie composizioni chimiche, è uno dei principali inquinanti atmosferici1,7. Le piccole dimensioni e l’ampia superficie del PM2,5 (dimensione aerodinamica inferiore a 2,5 µm) possono penetrare in profondità nei polmoni umani e possono essere tossiche, aumentando così la morbilità e la mortalità8,9,10,11. Pertanto, è di notevole importanza controllare e rimuovere efficacemente il PM dalla vita quotidiana degli esseri umani.

La filtrazione dell'aria è considerata uno dei metodi più efficaci per controllare la qualità dell'aria. Ciò viene generalmente ottenuto utilizzando membrane e materiali fibrosi12,13. Le prestazioni dei materiali filtranti possono essere valutate utilizzando diversi parametri14. In generale, la prestazione dei filtri viene valutata in base al fattore di qualità (\({\text{QF}} = - \ln \;(1 - \eta )/\Delta P\)); pertanto, la caduta di pressione (ΔP) attraverso il mezzo filtrante è un fattore importante oltre all'efficienza di rimozione (η) misurata in termini di consumo energetico15,16. I filtri dell'aria di tipo fibroso sono ampiamente utilizzati in molte applicazioni di filtrazione a causa delle loro strutture altamente porose (ovvero, bassa densità di impaccamento) rispetto ai filtri di tipo a membrana17. I filtri dell'aria fibrosi convenzionali sono costituiti da fibre con diametri diversi, da pochi micron a decine di micron. Queste fibre di grandi dimensioni richiedono uno spessore notevole per catturare il particolato con un’elevata efficienza di rimozione, che induce grandi cadute di pressione. Per affrontare questo compromesso tra efficienza e caduta di pressione, i filtri in nanofibra con dimensioni delle fibre da decine di nanometri a centinaia di nanometri, prodotti mediante processo di elettrofilatura, hanno attirato un'attenzione significativa18,19,20,21,22. Uno dei vantaggi distintivi dei filtri in nanofibra è che, a causa dello scorrimento aerodinamico attorno alla superficie delle piccole nanofibre, la resistenza al flusso di gas è ridotta, il che porta a minori perdite di carico tra le singole fibre23,24,25,26.

Per sviluppare questa tecnica promettente, molti ricercatori hanno condotto indagini sperimentali relative a parametri di prestazione quali resistenza meccanica, efficienza di rimozione e caduta di pressione27. Leung et al.28 hanno esaminato gli effetti della densità e dello spessore dell'impaccamento sull'efficienza di rimozione e sulla caduta di pressione impilando strati di nanofibre di ossido di polietilene con diametro medio di 208 nm. Il loro studio ha rivelato che i filtri multistrato in nanofibra riducono notevolmente la caduta di pressione rispetto al singolo strato con la stessa quantità di deposizione di nanofibra. Zhang et al.29 hanno sviluppato filtri in nanofibra di poliimmide elettrofilati con stabilità alle alte temperature per l'applicazione della rimozione di PM2,5 dai gas di scarico delle automobili. Xia et al.30 hanno esaminato la relazione tra la caduta di pressione e la velocità frontale per le nanofibre elettrofilate raccogliendo 122 dati sperimentali dalla letteratura. Inoltre, sono state utilizzate simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD) per studiare le complesse caratteristiche del flusso all'interno dei filtri in nanofibra poiché l'approccio numerico presenta il vantaggio di una regolazione semplificata dei parametri di filtrazione31. Hosseini32 ha sviluppato simulazioni CFD 3D per stimare le cadute di pressione a diverse densità di impaccamento e dimensioni delle fibre. Quan et al.33 hanno modellato numericamente l'effetto di scorrimento su una singola nanofibra per trovare le fibre funzionali con effetto di scorrimento ottimale, che potrebbero essere applicabili ai filtri fibrosi strutturati a sandwich per ridurre le cadute di pressione.