Filtr powietrza cząstek stałych (cząsteczkowy lub też przeciwpyłowy) to urządzenie, które w procesie filtracji (oczyszczania) powietrza (gazu) separuje cząsteczki stałe (np. pył) ze strumienia przepływającego powietrza (gazu) oraz zatrzymuje je na powierzchni lub pomiędzy elementami filtracyjnymi (np. włóknami) poprzez mechanizmy filtracji.
Proces filtracji powietrza (gazu) to zjawisko lub zespół zjawisk fizycznych, pod wpływem, których cząstki aerozolowe są wydzielane ze strumienia powietrza (gazów), w którym są zawieszone, gdy przepływając znajdują się one w pobliżu powierzchni kolektorów (elementów filtracyjnych, np. włókien, granuli). Proces filtracji powietrza jest zatem wynikiem złożonego układu zjawisk działających w przestrzeni urządzenia filtracyjnego, sprzyjających usunięciu cząstek z gazu i osadzenia ich na powierzchni kolektora (włókna). Pozostając dostatecznie długo w obszarze działania różnorodnych sił i zjawisk, cząstki mogą osadzać się na powierzchni kolektora w wyniku bezpośredniego zderzenia lub mogą być do niego kierowane wskutek działania mechanizmów filtracyjnych. Mechanizmy te mogą oddziaływać pojedynczo lub w odpowiedniej kombinacji, przy czym działanie jednego z nich jest zawsze dominujące. Proces filtracji powietrza to proces oczyszczania powietrza z zanieczyszczeń w postaci cząsteczek stałych następujący w drodze mechanicznego oddzielenia ich ze strumienia powietrza oraz proces oczyszczania powietrza z zanieczyszczeń w postaci cząsteczek gazowych następujący w drodze ich sorpcji chemicznej lub fizycznej poprzez sorbent.
Mechanizmy filtracji to zjawiska, z występowania których wynika separacja cząstek pyłu ze strumienia przepływającego powietrza (gazu) oraz zatrzymanie ich na powierzchni filtracyjnej lub pomiędzy elementami filtracyjnymi (np. włóknami).
W miarę zmniejszania się średnic cząstek pyłu i ich masy, aż do osiągnięcia wielkości charakteryzujących cząstki gazu, ziarna w coraz większym stopniu będą podlegać prawom rządzącym kinetyką gazów. Cząsteczki gazu znajdując się w nieustannym ruchu będą uderzać w submikronowe ziarna (o średnicy < 1 μm), wprawiając je w zygzakowate ruchy zwane ruchami Browna. Tory ruchu bardzo drobnych cząstek pyłu, przemieszczających się wraz ze strugami gazu i poruszających się dodatkowo ruchami Browna, mogą znacznie odbiegać od kształtu linii prądu, także w strefie opływu elementu filtracyjnego. Zderzenia cząsteczek gazu, poruszających się ruchami Browna, z cząstkami pyłu mogą spowodować wytrącanie najmniejszych ziaren pyłu ze strumienia gazu w kierunku elementów filtracyjnych. Poszczególne cząstki pyłu, znajdujące się w strudze gazu napływającego na element filtracyjny, będą miały różne możliwości zderzenia się z powierzchnią tego elementu. Znaczenie mechanizmu dyfuzyjnego jest szczególnie istotne dla cząstek submikronowych. Dla cząstek większych od 1 μm ruchy Browna słabną, przybierają formę drgań, a dla cząstek większych od 20 μm stają się niezauważalne. W przypadku cząstek o średnicach 0,3 ÷ 1 μm współczynnik dyfuzji przyjmuje małe wartości, a jednocześnie dla tych cząstek, w zakresie prędkości do 1 m/s, efekt osadzania bezwładnościowego również jest mały. Można przyjąć, że efekt osadzania dyfuzyjnego jest dobrze widoczny dla cząstek o średnicy nie przekraczającej 1 μm, szczególnie w przypadku, gdy średnica włókna jest większa od średnicy ziarna. W warunkach wysoko skutecznego oczyszczania aerozolu praktycznie występuje tylko zjawisko dyfuzji i zaczepiania.
Przy przepływie zapylonego powietrza wokół elementów filtracyjnych, tory cząstek pyłu o większej masie i o dużej średnicy, nie są identyczne z liniami prądu. Cząstki takie opuszczają linie prądu i docierają do powierzchni elementu filtracyjnego (do włókna w warstwie filtracyjnej) poprzez warstwę przyścienną. Taki mechanizm osadzania występuje przy dużych prędkościach przepływu powietrza (1÷3 m/s) oraz dla cząstek o dużych wymiarach. Przy bardzo małej masie cząstek, ich niewielkiej średnicy (< 1 μm) i niedużej prędkości przepływu (< 1 m/s) prawdopodobieństwo zderzenia bezwładnościowego z powierzchnią włókna może być niewielkie. Praktycznie dla cząstek o średnicy ≤ 0,2 μm i prędkości mniejszej od 1 m/s wpływ bezwładności na całkowitą skuteczność filtracji może być pominięty. Natomiast dla cząstek ≥ 1 μm mechanizm bezwładnościowy staje się jednym z najistotniejszych zjawisk w procesie filtracji.
Zjawisko grawitacji ma znaczący wpływ na tory ruchu i prędkość poruszania się cząstki pyłu wówczas, gdy zapylony gaz przepływa przez warstwę filtracyjną z bardzo małą prędkością, a cząstki charakteryzują się dużymi średnicami. Grawitacyjne osadzanie na powierzchni elementu filtracyjnego może być zauważalne dla cząstek o wielkości 1 mm, jeśli będą one przepływały z prędkością mniejszą od 0,5 mm/s przez warstwę utworzoną z włókien o średnicy 10 μm.
Cząstka pyłu może zderzyć się z elementem filtracyjnym poruszając się także wzdłuż linii prądu gazu, a więc bez wpływu mechanizmu bezwładnościowego. Takie zjawisko, zwane mechanizmem zaczepienia, może zaistnieć w przypadku bardzo małych cząstek pyłu o niewielkiej gęstości, poruszających się z niewielkimi prędkościami, a więc wtedy, gdy zjawisko osadzania inercyjnego (bezwładnościowego) jest pomijalnie małe. W skrajnym przypadku mechanizmowi zaczepienia może podlegać cząstka, które zetknie się stycznie z powierzchnią elementu filtracyjnego. Skuteczność zatrzymania ziaren w wyniku zaczepienia wzrasta również wraz ze zwiększaniem się wymiarów cząstek. Na zwiększenie efektywności filtracji w przypadku, gdy dominującym zjawiskiem jest zaczepienie, najbardziej wpływa jednoczesne występowanie w materiale włókien o różnej grubości i wynikający stąd efekt przesłaniania.
Na charakter ruchu cząstki pyłu w pobliżu elementu filtracyjnego, a więc także na prawdopodobieństwo zderzenia, wpływać mogą również siły elektrostatycznego oddziaływania zarówno pomiędzy samymi cząstkami, jak i między cząstkami a elementami filtracyjnymi. Gdy na układ cząstka-kolektor (włókno) nie działa zewnętrzne pole elektryczne, można rozróżnić następujące przypadki oddziaływania elektrostatycznego:
Każda cząstka pyłu i kropla cieczy poruszająca się wraz z gazem może posiadać ładunki elektryczne. Ładunki te powstają zarówno w trakcie tworzenia się pyłów i mgieł, jak i w trakcie ich przenoszenia przez gaz oraz uderzeń o powierzchnię ciał stałych. W naturalnie naelektryzowanych aerozolach (pyłowo-gazowych i kroplowo-gazowych) istnieje na ogół równowaga ładunków dodatnich i ujemnych. Przewaga sumy ładunków jednego znaku nad sumą ładunków drugiego znaku nie przekracza 20%. O przewadze jednego z ładunków decyduje rodzaj materiału fazy rozproszonej, sposób jej powstawania i transportu. Natomiast na pojawianie się ładunku elektrostatycznego w materiale może mieć wpływ elektryczne ładowanie włókien filtru w wyniku:
Dotyczy tylko cząstek, których średnica jest większa niż wolny przekrój pomiędzy włóknami.
Sorpcja czyli pochłanianie jednej substancji przez drugą jest wynikiem działania sił dyspersyjnych Londona (rodzaj sił oddziaływania międzycząsteczkowego Van der Waalsa). Siły te mają podobne właściwości do siły grawitacji działającej np. między planetami w układzie słonecznym. Cząsteczka węgla aktywowanego może usuwać cząstki zanieczyszczeń gazowych powietrza za pomocą adsorpcji (sorpcji powierzchniowej).
Ilość zanieczyszczeń i wykorzystywany mechanizm filtracji decydują o tym, czy na elemencie filtracyjnym zachodzi filtracja powierzchniowa, czy też wgłębna. Znaczenie mają tutaj również rozmiary cząstek oraz odległości pomiędzy np. włóknami w elemencie filtracyjnym. Filtracja powierzchniowa zachodzi w przypadku zatrzymania przeważającej ilości zanieczyszczeń w postaci cząstek stałych, zawartych w filtrowanym powietrzu na powierzchni elementu filtracyjnego. Powstaje wówczas warstwa zanieczyszczeń (placek filtracyjny), która następnie bierze udział w procesie filtracji. Z biegiem czasu warstwa ta rośnie, rośnie również opór przepływu. Filtracja wgłębna, zwana też objętościową, zachodzi natomiast w przypadku małej ilości cząstek stałych, które albo są zatrzymywane na powierzchni elementu filtracyjnego, albo wnikają w jego strukturę. Nie można wówczas wyróżnić wyraźnej warstwy.
