Vzduchový filtr pevných částic (nebo také k filtraci prachu) je zařízení, které v procesu filtrace (čištění) vzduchu (plynu) separuje pevné částice (např. prach) z proudu protékajícího vzduchu (plynu) a dále je zadržuje na povrchu nebo mezi filtračními prvky (např. vlákny) prostřednictvím mechanismů filtrace.
Proces filtrace vzduchu (plynu) je jev nebo soubor fyzikálních jevů, vlivem kterých jsou aerosolové částice vylučovány z proudu vzduchu (plynů), ve kterém jsou obsaženy, když se při proudění nachází v blízkosti povrchu kolektorů (filtračních prvků, např. vláken, granulí). Proces filtrace vzduchu je tedy výsledkem složitého systému jevů působících v prostoru filtračního zařízení, podporujících odstraňování částic z plynu a jejich usazování na povrchu kolektoru (vlákna). Když zůstanou dostatečně dlouhou dobu v oblasti působení různorodých sil a jevů, se mohou částice usazovat na povrchu kolektoru v důsledku bezprostřední srážky nebo mohou být k němu směřovány v důsledku působení filtračních mechanismů. Tyto mechanismy mohou působit jednotlivě nebo v odpovídající kombinaci, přičemž působení jednoho z nich je vždy dominující. Proces filtrace vzduchu je procesem čištění vzduchu od nečistot v podobě pevných částic následující cestou jejich mechanického oddělení z proudu vzduchu a dále procesem čištění vzduchu od nečistot v podobě plynových částic následující cestou jejich chemické nebo fyzické sorpce sorbentem.
Mechanismy filtrace jsou jevy, z jejichž výskytu vyplývá separace částic prachu z toku proudícího vzduchu (plynu) a jejich zadržení na povrchu nebo mezi filtračními prvky (např. vlákny).
Spolu se zmenšováním částic prachu a jejich hmotnosti až na rozměr, jež je charakteristický pro plyn, se budou částice stále více řídit kinetikou plynů. Pohyblivé částice plynu budou narážet do malých částic (o průměru <1 μm) a budou je rozkmitávat do tzv. Brownova pohybu. Trajektorie pohybu velmi malých částic prachu přemisťovaných spolu s proudem plynu a pohybujících se Brownovým pohybem se mohou významně odchylovat od tvaru linie proudu, rovněž v oblasti vlivu elementu filtrace. Nárazy částic plynu pohybujících se Brownovým pohybem do částic prachu mohou způsobit vyvedení nejmenších částic prachu směrem k elementům filtrace. Jednotlivé částice prachu nacházející se v proudu plynu nabíhajícího na element filtrace budou mít různé možnosti, jak se s tímto elementem srazit. Význam difuzního mechanismu je zvláště významný pro submikronové částice. Pro částice větší než 1 μm Brownovy pohyby slábnou, začínají kmitat, a pro částice větší než 20 μm je difuzní mechanismus nepozorovatelný. V případě částic o průměru 0,3÷1 μm má difuze malou hodnotu a současně je efekt usazování pod vlivem setrvačných nárazů pro rozsah rychlosti do 1 m/s rovněž malý. Efekt difuze je dobře viditelný pro částice nepřekračující 1 μm, zvláště v případě, kdy je průměr vlákna větší než průměr částice prachu. V podmínkách vysoce efektivního čištění aerosolu se prakticky uplatňuje pouze jev difuze a zachycení.
Při průtoku zaprášeného vzduchu kolem elementů filtrace nejsou trajektorie částic s větší hmotností a s větším průměrem identické s čárami proudění. Takové částice opouštějí čáry proudění a dostávají se k povrchu elementu filtrace (k vláknu ve filtrační vrstvě) přes sousední vrstvu. Takový mechanismus usazování vystupuje při vysokých rychlostech proudění vzduchu (1÷3 m/s) a v případě částic s velkými rozměry. V případě velmi malé hmotnosti, malého průměru (<1 μm) a nepříliš velké rychlosti průtoku (<1 m/s) není pravděpodobnost setrvačného nárazu s povrchem vlákna vysoká. Prakticky pro částice o průměru ≤ 0,2 μm a rychlosti nižší než 1 m/s může být vliv setrvačnosti na celkovou účinnost filtru zanedbatelný. Naopak pro částice ≥1μm se mechanismus setrvačnosti stává jedním z nejpodstatnějších v procesu filtrace.
Gravitace má významný vliv na dráhu a rychlost pohybu částice prachu tehdy, když zaprášený plyn proudí filtrační vrstvou velmi malou rychlostí a částice mají velké průměry. Gravitační usazování na povrchu elementu filtrace může být pozorovatelné v případě částic o průměru 1 mm, pokud budou proudit rychlostí nižší než 0,5 mm/s vrstvou s vlákny o průměru 10 μm.
Částice prachu se může srazit s elementem filtrace rovněž při pohybu podél linie proudění plynu, tedy bez vlivu setrvačného mechanismu. K takovému jevu může dojít v případě velmi malých částic s malou hustotou pohybujících se pomalou rychlostí, tedy v takovém případě, kdy je setrvačný jev zanedbatelný. V krajním případě může mechanismu zachycení podléhat částici, jež se setká s povrchem elementu filtrace. Účinnost zadržení prachu v případě mechanismu zachycení roste se zvětšujícími se rozměry částic. Na zvýšení efektivity filtrace v případě, kdy dominuje zachycení, má největší vliv současný výskyt (v materiálu) vláken s rozdílnou tloušťkou a z něho vyplývající efekt clonění.
Na charakter pohybu částice prachu poblíž elementu filtrace včetně pravděpodobnosti nárazu mají vliv rovněž elektrostatické síly, jež působí mezi samotnými částicemi i mezi částicemi a elementy filtrace. Když na soustavu částice-kolektor (vlákno) nepůsobí vnější elektrické pole, je možné rozlišit následující případy elektrostatického působení:
Každá částice prachu a kapka tekutiny pohybující se s plynem může mít elektrické náboje. Tyto náboje vznikají rovněž v případě vzniku prachu a mlhy a rovněž během jejich přenosu plynem a nárazu na povrch tuhých těles. V aerosolech s přirozenou elektrizací (na bázi směsi prachu a plynu a směsi kapek tekutiny a plynu) existuje obecná rovnováha plusových a minusových nábojů. Převaha jedněch nábojů nad druhými nepřesahuje 20%. O převaze jednoho z nábojů rozhoduje druh materiálu rozptýlené fáze, způsob jejího vzniku a transportu. Na přítomnost elektrostatického náboje v materiálu může mít vliv elektrický náboj vláken filtru v důsledku:
Týká se pouze částic, jejichž průměr je větší než volný průřez mezi vlákny.
Sorpce čili pohlcování jedné látky druhou je výsledkem působení disperzních sil - Londonova interakce (druh Van der Waalsových sil mezimolekulární interakce). Tyto síly mají podobné vlastnosti jako gravitační síla působící např. mezi planetami ve sluneční soustavě. Částice aktivního uhlí může odstraňovat částice plynových nečistot vzduchu pomocí adsorpce (povrchové sorpce).
Množství nečistot a používaný mechanismus filtrace rozhodují o tom, zda na filtračním prvku dochází k filtraci povrchové nebo hloubkové. Význam zde mají rovněž rozměry částic a vzdálenosti mezi např. vlákny ve filtračním prvku. K povrchové filtraci dochází v případě zadržení převažujícího množství nečistot v podobě pevných částic, obsažených ve filtrovaném vzduchu na povrchu filtračního prvku. Vzniká pak vrstva nečistot (filtrační koláč), který se následně účastní procesu filtrace. Postupem času tato vrstva narůstá, roste rovněž průtočný odpor. K hloubkové filtraci, nazývané také objemovou, dochází zase v případě malého množství pevných částic, které jsou buď zadržovány na povrchu filtračního prvku, anebo pronikají do jeho struktury. Pak nelze rozlišit výraznou vrstvu.
