¿Por qué los filtros P1, P2, N95, P3 tienen una vida útil?

Los filtros P1, P2, N95 y P3 tienen una vida útil que se suele marcar en 40 horas de uso o 30 días abiertos, lo que llegue antes. Para entender por qué, necesitamos explicar que se basan en cargas electrostáticas que se van apantallando con el uso y exposición al medioambiente. Trato aquí de hacer un recorrido divulgativo del proceso:

Nos centramos en los campos eléctrostáticos (no nos metemos en el jardín de las cargas en movimiento):

Un electrón tiene carga negativa que notamos como -1e, un protón tiene carga positiva, que notamos como +1e. El neutrón, como bien dice su nombre, tiene carga 0. Fijaos que es curioso que un electrón tiene 10000 veces menos masa que el protón, pero tienen la misma carga (negativa y positiva, respectivamente).


El campo eléctrico E generado por una carga q en el vacío es

donde ϵ_0 es una constante y r la distancia a la carga. Primera consecuencia interesante: el campo eléctrico decae con r^2, quiere decir que decae rápido con la distancia (decaería más lento si fuese r^1, más deprisa si es r^3). 

Lo cierto es que en la naturaleza rara vez encontramos las cargas separadas, los átomos tienen una colección de protones, electrones y neutrones, y en condiciones normales son neutros, tienen tantas cargas positivas como negativas (tantos electrones como protones). ¿Cómo es que podemos cargar un globo al frotarlo? Porque estamos moviendo electrones de las capas electrónicas más superiores (menos atados al átomo) de elementos que tienen tendencia a donar electrones a elementos que tienen tendencia a recibirlos. El vidrio tiene tendencia a donar, el globo de látex tiene tendencia a recibir. Fijaos que digo electrones todo el rato, los protones no los vas a mover de esta manera en absoluto, las fuerzas fuertes del núcleo atómico lo impiden. Que los protones y neutrones se muevan de su átomo solo ocurre con procesos radiactivos que no tienen que ver con lo que hablamos aquí.

¿Qué pasa cuando un material tiene tendencia a donar electrones, como es el vidrio? Que queda un exceso de carga positiva (más protones que electrones). Lo contrario pasa con materiales como el látex o la mayoría de polímeros, tienden a aceptar electrones, quedando un exceso de estos, y así un exceso de carga negativa. ¿Cómo hacemos esto? Pues frotando, energía mecánica en forma de rozamiento. El rozamiento con un trapo no es distinto del rozamiento con aire, cuando lo miras con la lupa de los procesos microscópicos.


Veámos qué diferencia hay entre conductores y dieléctricos: en un conductor, las capas más altas electrónicas del átomo, están tan poco ligadas a estos que permiten su movimiento con facilidad. Tanto es así, que cuando tienes un conductor, como es un hilo de cobre, los electrones de esta capa conductora pueden literalmente saltar de átomo en átomo sin mucho esfuerzo. Por eso, al establecer una diferencia de potencial "fluye" la carga eléctrica: fluyen estos electrones. Dato curioso pero irrelevante: los electrones se mueven a razón de 1 mm por segundo en un cable de cobre, pero tú ves que la luz se enciende instantáneamente, esto pasa porque lo que se propaga a la velocidad de la luz no son los electrones, sino el campo eléctrico generado por estos. Si añades carga eléctrica a un conductor debidamente aislado, se carga con más y más electrones que como se pueden mover “fácilmente”, tienden a estar lo más lejos unos de otros, por aquello de que cargas de igual signo se repelen, así llegas a tener unos peinados muy chulos:


En el momento que tocas tierra, estos electrones fluyen hacia esta y te descargas. Un conductor solo puede estar cargado si está aislado.

Ahora vamos a por los dieléctricos, que nos interesan en tanto que son los materiales más idóneos para hacer filtros electrostáticos. Los dieléctricos son aislantes, y a esta categoría pertenecen los plásticos habituales. Tú usas guantes y herramientas de plástico para tocar cables eléctricos justo por esta razón. Que sean aislantes solo quiere decir que se oponen a que la carga fluya por ellos como en un conductor, pero los campos eléctricos externos siguen sufriéndolos (o gozándolos, que decía un profesor en mi uni). ¿Qué pasa cuando pones un campo eléctrico externo en forma de diferencia de potencial? Pues que los electrones no saltan libremente entre átomos como en un conductor, pero sí se pueden desplazar respecto al núcleo atómico, polarizándolo en el proceso. Hemos inducido un dipolo eléctrico. Cuando el campo externo se retire, el dipolo eléctrico inducido desaparece:


Esto de los dipolos eléctricos ocurre no solo a nivel atómico, también a niveles moleculares y supramoleculares, es así el caso de la molécula de agua que consta de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno y que por su distribución tiene una parte más cargada positivamente y una más cargada negativamente. Estos son dipolos permanentes, la molécula está polarizada, o a secas, es polar (en contraposición a aquella que no está polarizada y llamamos apolar, por ejemplo muchos compuestos orgánicos son apolares):

Así, tenemos ya muchos mecanismos para generar campos electrostáticos en un dieléctrico: a) podemos aplicar un campo eléctrico externo, pero en cuanto cese el campo externo, cesan los dipolos eléctricos inducidos por este. b) Con determinados dieléctricos y hasta cierto punto, podemos aplicar el campo eléctrico mientras el material se solidifica, de manera que se retiene físicamente parte de los dipolos inducidos. c) Podemos incrustar cargas eléctricas en un dieléctrico poniendo un material con mucha tendencia a perder o ganar electrones, en un medio con la tendencia opuesta. d) Podemos frotar la superficie (esto es un mecanismo que solo ocurrirá en la parte expuesta al rozamiento) con otro material o incluso con aire. En el caso de los dieléctricos plásticos la tendencia será a quedar cargados negativamente.

Así, ya vemos que tenemos que separar entre cargas incrustadas permanentes, y cargas generadas por rozamiento en la superficie del material que no son permanentes, que se pueden perder, pero que se renuevan con rozamiento. Este mecanismo por rozamiento es más importante cuanta más área/volumen tengas, y es el caso en microfibras donde tiene mucha área por volumen de material (el caso contrario sería un bloque sólido con mucho volumen y poca área).

Vale, y ¿por qué si tengo dipolos más o menos permanentes, la eficiencia de mi filtro decae con el tiempo? Porque lo estás mojando con humedad de tu cuerpo y humedad ambiente. En ambos casos tienes agua y sales (iones) disueltos en ella. Lo difícil es tener agua sin iones (por eso cuesta tanta energía hacer ósmosis inversa para quitar iones del agua). Incluso si tienes agua sin ningún ión, con el contacto con el aire terminará por disolver iones de este.

Veamos el mecanismo: cuando el agua con iones entra en contacto con la superficie cargada, la mayoría de electrones libres generados por rozamiento quedan rápidamente capturados por el agua. Pero ni las cargas que queden libres, ni las cargas permanentes, ni los dipolos permanentes quedan indemnes, se produce lo que se llama el apantallamiento de la carga eléctrica por la doble capa eléctrica:

En el caso de la figura, la superficie tiene cargas negativas, de modo que en contacto con agua con iones disueltos, los iones positivos (cationes) rápidamente se ven atraídos por la carga negativa de la superficie. Si aquí terminase la historia, se neutraliza la carga y listo. Pero también existen iones negativos en solución (aniones) que van a sentirse atraídos por la capa de cationes. Se formará la doble capa de iones, y el efecto final es que la carga total se apantalla, tanto más cuantos más iones haya en el medio.

Supón que tienes coloides (partículas) de látex que de por sí tienen carga negativa en agua pura, tanto por las cargas incrustadas, dipolos permanentes, como por el rozamiento con el agua pura. Las partículas de látex en este estado son estables en agua, se repelen entre sí. Pero si añades sal, la carga se apantalla por esta doble capa y las partículas agregan y sedimentan (o creman, dependiendo de la densidad respecto al agua). Un fenómeno análogo pasa con la leche, que son gotas de grasa estabilizadas (esto es, recubiertas) por proteínas de la leche, y estas proteínas cargadas se repelen de otras gotas de grasa recubiertas de proteínas, tanto por carga eléctrica como por simple impedimento de que las gotas de aceite se lleguen a tocar (impedimento estérico). Cuando echas limón a la leche, desnaturaliza las proteínas que recubren las gotas de aceite y estas ya no se repelen entre sí, agregando, liberando la grasa, que coalesce, y pasa lo que llamamos que se ha cortado la leche.

Cuando el agua que impregna las fibras se evapora, la mayoría de iones no se evaporan, con lo cual con el tiempo se van acumulando y apantallando las cargas. Esta es una de las principales razones por la que los fabricantes te dicen que garantizan 40 horas de uso de un filtro, o 30 días abierto al aire, lo que llegue antes.

Que nos interesa que el filtro esté cargado está claro, no solo porque posiblemente si las cargas de las fibras se apantallan completamente las fibras empiezan a agregarse también, sino porque uno de los mecanismos para eliminar partículas/virus es la atracción electrostática.

¿Hay posibilidad de resetear un filtro en este sentido? No, al menos no con mecanismos convencionales que involucran procesos como lavados, secados y demás.


Accede o Regístrate para comentar.