Segundo Brown (1993) o processo de carregamento de meios filtrantes fibrosos com partículas geralmente ocorre em 3 fases. Na primeira fase ocorre a filtração de profundidade, onde a queda de pressão cresce gradualmente a medida que as partículas se depositam no interior do meio filtrante. A segunda fase é chamada de regime transicional onde ocorre um aumento mais rápido da queda de pressão a medida que uma quantidade significativa de espaços vazios do meio filtrante é ocupada por partículas. Na terceira fase ocorre a filtração superficial onde a queda de pressão aumenta dramaticamente a medida que há a formação de uma torta na superfície do meio filtrante.
Existem vários trabalhos sobre a filtração focada na performance de meios filtrantes relacionados com várias condições operacionais e ambientais, como por exemplo velocidade de filtração, tipos de partículas, temperatura e umidade relativa (BARROS et al., 2014; BARROS et al., 2015; BORTOLASSI et al., 2015; BORTOLASSI et al., 2017). Também se sabe que esses estudos são realizados, na maioria, com filtros novos. Entretanto, o comportamento dos meios filtrantes durante o carregamento não é completamente entendido, uma vez que grande parte desses estudos são realizados analisando a relação da quantidade de massa retida com a queda de pressão (PENICOT et al, 1999; WANG et al, 2015; ZURAIMI et al, 2017). Faltam na literatura estudos relacionando essas variáveis com a eficiência de coleta dos meios
(8) ;
[
m³/s = (m2 * m2/ Pa*s)*(Pa/m)]
filtrantes durante o processo de carregamento com pó, principalmente analisando o desempenho na filtração de nanopartículas.
Saleem e Krammer (2007) consideraram a velocidade de filtração e concentração de pó na formação de camadas de torta de filtração. Três níveis de concentração de massa de partículas foram testados, 7,32, 4,81 e 4,53 g/m³. Eles descobriram que a densidade e resistência da torta de filtração foram maiores para menor concentração de poeira. A velocidade de filtração teve maior efeito sobre a queda de pressão do filtro e densidade e resistência específica da torta em comparação com o efeito de concentração de pó. Os autores consideraram a faixa de concentração de pó testada limitada para maiores conclusões.
O comportamento de um filtro ou meio filtrante durante o carregamento com pó é muito importante na determinação de sua vida útil (PENICOT et al, 1999). Esse mesmo autor e seus colaboradores realizaram experimentos onde realizaram o carregamento de filtros HEPA com partículas sólidas. Observaram que, para este tipo de meio filtrante, as duas primeiras fases da filtração ocorrem em um curto período de tempo, com a terceira etapa ocorrendo muito rápido após o início de seu uso. Com isso, a queda de pressão se torna função linear da massa de pó coletada.
Wang et al (2015) estudaram a influência da taxa de carregamento de pó, ou seja, concentração mássica de partículas e vazão, na queda de pressão de meios filtrantes de alta eficiência. Foi observado que a taxa de carregamento de pó exerce efeito sobre a queda de pressão durante o carregamento de partículas, especialmente para baixas taxas de carregamento. A queda de pressão do meio filtrante diminui conforme a concentração de massa de partículas aumenta. Isso ocorre porque as partículas coletadas na superfície do meio filtrante tiveram maior tempo e espaço para alcançar um status onde não havia muita interferência de entrada posterior de partículas. Para altas concentrações mássicas, as partículas coletadas possuem menos chance de alcançar um status onde não há interferência, resultando em maior porosidade da torta formada. Tanto Wang et al. (2015) como Penicot et al. (1999) observaram que as fases da filtração dependem da forma como os meios filtrantes são construídos, da sua permeabilidade, material, etc.
Tang et al. (2018) realizaram filtração de um aerossol gerado a partir de uma solução aquosa de NaCl utilizando um SMPS como contador de partículas. Neste trabalho foram testados meios filtrantes com carga e sem carga elétrica e com o aerossol de duas maneiras diferentes. Neutralizado por um neutralizador radioativo de Po-210,
onde a carga das partículas é rearranjada para a distribuição de Boltzmann, carregado unipolarmente com um detector de aerossol elétrico (EAD), onde as partículas recebem múltiplas cargas positivas. As eficiências de coleta foram calculadas com a queda de pressão inicial de cada meio filtrante e quando a queda de pressão atingiu um valor cinco vezes maior. Os autores apresentaram a média desses valores. Foi observado neste trabalho a diminuição da eficiência de coleta com o aumento da velocidade de filtração. Também foi observado que a eficiência de coleta do meio filtrante com carga elétrica foi significantemente maior que do meio filtrante sem carga elétrica, principalmente para partículas maiores que 20 nm. Ou seja, a eficiência de coleta tem uma melhoria quando ocorre o carregamento elétrico do meio filtrante, uma vez que não ocorra a mudança da resistência do ar. Os autores também observaram uma eficiência de coleta maior dos meios filtrantes quando utilizado aerossol carregado unipolarmente, principalmente para partículas maiores que 100 nm. Com relação a massa depositada foi observado que, para um mesmo tamanho de partícula, a maior eficiência de coleta do meio filtrante de eletreto ocorre quando o mesmo está novo. Durante o processo há uma diminuição da eficiência de coleta logo no início do processo e um aumento à medida que a quantidade de massa coletada aumenta, como mostra a Figura 2. Os autores atribuíram esse fato a blindagem das cargas das fibras devido ao depósito das partículas. Os mesmos autores afirmaram que as partículas depositadas longe das fibras perturbam mais o escoamento que as partículas depositadas diretamente nas fibras, resultando numa maior força de arrasto e, consequentemente, maior queda de pressão.
Figura 2. Eficiência de coleta de partículas com diâmetro de 50 nm em relação a massa
depositada utilizando um meio filtrante com carga elétrica (EM) e aerossol carregado uniporlamente (CP) e neutralizado (NP).
Nos próximos capítulos estão apresentadas as atividades realizadas para esse trabalho. O trabalho foi dividido em duas partes: a primeira realizada no Laboratório de Teste de Filtros e Tecnologia de Aerossóis do DENERG do Politecnico di Torino, onde foram realizadas a qualificação do sistema de testes e ensaios de filtração com meios filtrantes novos, e a segunda no Laboratório de Controle Ambiental do DEQ/UFSCar, onde foram realizadas também a qualificação do sistema de testes, uma adaptação do sistema de teste e ensaios de filtração aumentando a queda de pressão dos meios filtrantes. É importante salientar que cada capítulo apresenta toda a atividade realizada em cada local, incluindo descrição de equipamentos, metodologias e resultados.
4. SISTEMA DE TESTES DE MEIOS FILTRANTES DO LABFILTRI DO