Il filtro per il disinquinamento perfetto esiste, ma c'è un bel prezzo da pagare

Abbiamo visto come un moto di particelle sospese in un fluido, eterno nella sua agitazione, consenta una estrazione di parte di esse dal sistema aerosol e quindi contribuisca al disinquinamento dell’aria. Basta un contatto delle particelle con pareti esterne e fra di loro, nella coagulazione. Basta poi avere pazienza, perché questa particolare sottrazione di particelle dal gas dipende dal tempo. È il moto browniano. Ma siamo sempre, continuando con la nostra metafora, nella zona della “formica”, cioè delle particelle sufficientemente piccole da subire calci casuali dalle molecole circostanti che le fanno sballottare a caso. Ci spostiamo ora nell’altro estremo, dalla parte della mongolfiera, delle particelle così grandi da sentire il fluido (sia una gas o un liquido) come un continuo. Qui troviamo un effetto banale che chiamiamo “setaccio” e un altro un po’ più astuto che chiamiamo “cattura aerodinamica”. Il setaccio è un noto arnese da cucina che era indispensabile quando il mugnaio restituiva al contadino, che conferiva il grano da macinare, farina e crusca assieme. Col setaccio la massaia separava l’una dall’altra; ciò che ha dimensione superiore al passo della rete del setaccio, la crusca, rimane sopra, mentre la farina passa tra le maglie della rete. Così c’è un effetto analogo al setaccio anche nelle nostre mascherine, di buon uso al tempo del Covid: le particelle più grosse delle maglie del tessuto non passano e rimangono bloccate. Ma succede anche qualcosa d’altro che si chiama “cattura aerodinamica”, e per spiegarlo abbiamo bisogno di un disegnino:

Ogni particella avrà normalmente una densità maggiore del fluido che la ospita e quindi se immaginiamo la fibra del tessuto come un ostacolo cilindrico, schematizzato qui nella sua sezione circolare, il fluido dovrà scorrere intorno alla fibra. Mentre questo avviene, la particella, per la sua maggiore inerzia (infatti la sua massa è maggiore della massa di ugual volume del fluido) abbandona la linea di flusso e finisce per toccare l’ostacolo e rimanervi aderente. Il risultato è l‘attesa sottrazione della particella dal fluido. Questo succede tuttavia solo per le particelle abbastanza grandi da avere una inerzia apprezzabile. Le più piccole cambiano semplicemente “corsia”, si avvicinano all’ostacolo senza toccarlo. Questa è la cattura aerodinamica.

Così parliamo collettivamente di efficienza di cattura dell’ostacolo, il rapporto fra quelle catturate e quelle “spazzate”  dallo ostacolo. Rapporto che non sarà mai uguale a uno, ed è bene tenerlo presente pur raccomandando fermamente l’uso delle mascherine. La cattura aerodinamica la troviamo nel principale sistema di abbattimento delle polveri negli effluenti industriali: i filtri “a manica” e “a tessuto”. Un meccanismo che la natura conosce bene: se guardate con attenzione una ragnatela in campagna (nelle siepi che non ci sono più…) vedete il filo singolo della ragnatela coperto di particelle, e verificate così la regola semplice: più è sottile l’ostacolo (filo o fibra) maggiore è l’efficienza di cattura; infatti alla particelle basta un piccolissimo spostamento dal suo filetto fluido per finire contro l’ostacolo. Ovviamente anche la velocità del fluido rispetto all’ostacolo è importante. Purtroppo la velocità del nostro fiato, quando respiriamo attraverso la mascherina è limitata e così non si avrà mai una efficienza massima, anche per questa ragione.

Prima di passare ad altri meccanismi di cattura e completare il quadro dei meccanismi che portano alla rimozione delle particelle dal fluido mostriamo un dispositivo che sarebbe risolutivo del problema, unificando con felice combinazione i due meccanismi visti finora. Si tratta di un filtro con tanti canaletti cilindrici perpendicolari alla superficie. Sulla superficie vengono depositate vicino al poro le particelle per cattura aerodinamica  mentre le piccolissime vengono catturate dentro ai pori per cattura browniana (i pori sono piccolissimi e loro si agitano toccando la parete del poro). Meraviglioso! Lo chiamiamo infatti “filtro assoluto” (qui sotto l'immagine), perché non passa nessuna particelle e si ha disinquinamento perfetto. Ma c’è un però, un prezzo da pagare, non da poco. C’è da mantenere una differenza di pressione con pompe potenti per fare passare il fluido, la portata è fortemente limitata ed è noto che questi filtri (detti nuclepore) sono fragili membrane. Insomma considerazioni che ci fanno capire che il disinquinamento totale coi filtri assoluti è possibile ma funziona solo per piccoli flussi in laboratorio ed è inapplicabile industrialmente. Ma è utile come incoraggiamento in questa battaglia per la purezza dell’aria. Per dirla col Ruzzante “per ogni gaudenza (purificazione totale) ci vuole sofferenza (dispositivi tecnologici avanzati, consumo di energia e costi relativi)”.

Possiamo ora completare il quadro delle forze agenti sulle particelle sospese aggiungendo le forze elettriche e la diffusio-foresi. Entrambe vengono utilizzate nell’abbattimento dell’inquinamento da particolato negli impianti industriali. È noto che una particelle carica elettricamente si muove sotto l’azione di un campo elettrico esterno. Questa forza può essere utilizzata se le due condizioni sono assicurate: presenza di campo elettrico e particelle cariche elettricamente. Queste condizioni si verificano negli elettro-precipitatori  industriali. Le particelle vengono elettrificate ionizzando l’aria e utilizzando l’elevata mobilità degli ioni. Il campo elettrico viene stabilito caricando le armature metalliche del condotto attraversato dall’effluente.

Più complicato è spiegare il principio della diffusio-foresi, e relativa forza diffusio-foretica, per il quale dovremo fare ricorso, ancora una volta, alla teoria cinetica dei gas, pura costruzione mentale, come abbiamo visto già per termo-foresi e moto browniano. Abbiamo immaginato allora le molecole del gas come palline tutte uguali… Ma se fossero due specie di palline diverse con massa diversa a dare calci alle particelle che cosa succederebbe? Chiederò ancora uno piccolo sforzo per concludere questo mini ciclo sulla fisica del disinquinamento delle particelle, ma prometto una gratificazione. Il bello sarà scoprire che la diffusio-foresi avrà a che fare, insieme alle altre forze già descritte, con le nubi e le precipitazioni e col sistema che la natura ha disposto per fare pulizia in casa sua, cioè nell’atmosfera. Alla prossima.