Eficiência de coleta de nanopartículas

Três amostras circulares de cada material filtrante, com diâmetros de 7,15 cm, foram submetidas a ensaios para determinação da eficiência de coleta de nanopartículas, com diâmetros de mobilidade elétrica na faixa de 10–300 nm, na unidade experimental apresentada esquematicamente pela Figura 49. Os ensaios foram realizados à temperatura ambiente, na faixa de 22,0–25,0 °C, pressão ambiente na faixa de 92,0–92,3 kPa, umidade relativa do ar ambiente em 42–47 %, e umidade do ar comprimido em torno de 20 %. Para geração das partículas nanométricas, foi utilizada solução de cloreto de sódio, NaCl, à concentração de 1,0 g L^-1, preparada a partir de NaCl puro, da marca Synth, com densidade de 2,165 g cm^-3, e água deionizada, proveniente de purificador Milipore Simplicity Ultrapure Water System. Para pesagem do NaCl, foi utilizada balança analítica Shimadzu AY220, com resolução de 0,1 mg.

A solução de NaCl foi adicionada ao gerador de partículas TSI 3079A.

Figura 49 – Unidade experimental para avaliação da eficiência de coleta de nanopartículas.

1- Solução; 2- Secador por difusão; 3- Rotâmetro.

SMPS- Scanning Mobility Particle Sizer.

Fonte: Acervo pessoal.

O cloreto de sódio é um sal não tóxico, de fácil acesso, altamente solúvel em água e que dificilmente forma aglomerados, características determinantes para que fosse

utilizado na geração de nanopartículas. Ademais, sua resistividade elétrica, entre 10⁶–10⁷ Ω m, encontra-se numa faixa ótima recomendada para a avaliação da eficiência de coleta de precipitadores eletrostáticos (ZHUANG et al., 2000). Partículas com resistividade elétrica menor que 10² Ω m descarregam completa e rapidamente após serem coletadas e, dessa forma, tendem a ser reintroduzidas no seio do escoamento. Por outro lado, partículas com resistividade elétrica maior que 10⁸ Ω m dificilmente perdem suas cargas elétricas quando em contato com as placas coletoras, o que reduz o potencial elétrico e prejudica a precipitação eletrostática (SEVILLE, 1997; PARKER, 2003).

O aerossol gerado com nanopartículas, com vazão ajustada no gerador de 2,4 L min^-1, passou por um secador por difusão TSI 3062, que continha sílica-gel em seu interior para remoção da umidade, e foi misturado à corrente de ar previamente filtrado em filtros TSI 3074B e HEPA TSI 1602051. O ar era fornecido por compressor Schulz MSV 12/175. O ar purificado juntamente com as nanopartículas de NaCl passou então por um neutralizador de aerossol de criptônio-85 (Kr-85) TSI 3054 e seguiu para o dispositivo onde estava alocada a amostra do material filtrante. As tubulações a montante e a jusante do dispositivo tinham diâmetros internos de 2,6 cm e, em seu interior, sondas com diâmetros internos de 2,0 mm e angulação de 90°

faziam a coleta do aerossol a ser analisado. As sondas estavam instaladas a distâncias suficientes do dispositivo de filtração para permitir a homogeneização do aerossol e evitar perturbações no escoamento próximo ao filtro. Uma válvula de 3 vias era manipulada de forma que a amostragem fosse realizada ora antes ora depois da passagem do aerossol pelo filtro.

No final da linha, o aerossol passou por rotâmetro Gilmont n° 14 CP90533 e foi liberado para a atmosfera. A vazão observada no rotâmetro foi controlada pelo manuseio da válvula existente no início da linha, e foi ajustada de acordo com as velocidades superficiais de filtração desejadas, de 1,0 e 2,0 m min^-1. Para velocidade superficial de filtração de 1,0 m min

-1, a vazão real requerida era de 4,0 L min^-1 e para a velocidade de 2,0 m min^-1, a vazão real era de 8,0 L min^-1. Tais vazões foram corrigidas levando em consideração a temperatura e a pressão ambientes, de forma análoga à descrita no subtópico 4.2.4 (Equação 59), para que se soubessem as vazões a serem estabelecidas no rotâmetro, em NL min^-1. As velocidades superficiais de filtração foram definidas de acordo com a faixa que é comumente utilizada em filtros de mangas industriais, de 0,3–3,7 m min^-1 (MORRIS; ALLEN, 1997). Além disso, a velocidade recomendada pela norma VDI 3926 (2004) para a simulação da operação de filtros de mangas é 2,0 m min^-1. As velocidades de 1,0 e 2,0 m min^-1 foram utilizadas também na determinação da eficiência de coleta de micropartículas (subtópico 4.2.7).

As amostras de aerossol coletadas seguiram para um neutralizador de amerício-241 (Am-amerício-241) e, depois, para um sistema de análise de partículas por diferencial de mobilidade elétrica (Scanning Mobility Particle Sizer – SMPS), composto por um classificador eletrostático TSI 3080, acoplado a um analisador de mobilidade diferencial (DMA) TSI 3081, e um contador de partículas TSI 3776. O sistema era conectado a um computador, no qual o software Aerosol Instrument Manager (versão 8.0) fazia a aquisição e exibição dos dados. Dessa forma, as concentrações numéricas de partículas (# cm^-3) foram registradas por faixa de tamanho, entre 10 e 300 nm. No software, os parâmetros de tempo de amostragem (scan up), tempo de descarregamento do sistema para nova aferição (retrace) e as vazões sheath e sample foram definidos como 300 s, 15 s, 10,0 e 1,0, respectivamente. As vazões sheath e sample devem seguir a razão 10:1, por recomendação do fabricante, e sua escolha determina a faixa de diâmetros a ser contabilizada. Para alcançar a vazão de amostragem desejada, uma bomba de vácuo auxiliar GAST 0523-V5424Q-G588DX foi utilizada.

As vazões amostradas para análise pelo SMPS eram de 1,0 L min^-1, o que fez com que as amostragens não fossem isocinéticas. Arouca; Feitosa; Coury (2010) mostraram que a amostragem de partículas nanométricas não altera a concentração ou a distribuição de tamanho das partículas, mesmo sob condições não isocinéticas, já que o mecanismo de coleta inercial não atua sobre partículas nessa faixa de tamanho. Nanopartículas são, dessa forma, capazes de seguir o escoamento, mesmo quando sujeitas às variações abruptas de velocidade que ocorrem, por exemplo, em sondas de amostragem.

Para cada amostra e condição de velocidade de filtração, quatro amostragens a montante do filtro e três amostragens a jusante foram realizadas, na ordem mostrada na Tabela 18. Com os resultados, as eficiências fracionárias foram calculadas em triplicata, conforme mostram as Equações 63–65, totalizando, dessa forma, nove medições para cada meio filtrante e para cada condição de velocidade de filtração. O objetivo de se calcular as eficiências desta forma foi minimizar erros relacionados às flutuações inerentes ao gerador de aerossol, já que as medições a montante e a jusante do filtro não eram realizadas de forma simultânea.

A partir desses dados, curvas de eficiência de coleta em função do diâmetro de mobilidade elétrica das partículas foram construídas e as eficiências totais médias e desvios padrão para a faixa de tamanho de 10–300 nm foram calculadas. As eficiências de coleta dos filtros PAN, PAN/PTFE e PE em função do diâmetro de mobilidade elétrica das partículas são

apresentadas na Figura 50 e as eficiências para toda a faixa de diâmetros (10–300 nm) estão na Tabela 19.

Tabela 18 – Esquema de amostragem adotado para determinação da eficiência de coleta de nanopartículas.

Amostragem Posição Concentração medida (# cm^-3)

1 Antes do filtro 𝐶₁

2 Após o filtro 𝐶₂

3 Antes do filtro 𝐶₃

4 Após o filtro 𝐶₄

5 Antes do filtro 𝐶₅

6 Após o filtro 𝐶₆

7 Antes do filtro 𝐶₇

𝜂_𝐹1 = (𝐶₁+ 𝐶₃

2 − 𝐶₂) (𝐶₁+ 𝐶₃ 2 )

⁄ (63)

𝜂_𝐹2= (𝐶₃+ 𝐶₅

2 − 𝐶₄) (𝐶₃+ 𝐶₅ 2 )

⁄ (64)

𝜂_𝐹3= (𝐶₅+ 𝐶₇

2 − 𝐶₆) (𝐶₅+ 𝐶₇ 2 )

⁄ (65)

Figura 50 – Eficiência de coleta fracionária dos meios filtrantes PAN, PAN/PTFE e PE em função do diâmetro de mobilidade elétrica das partículas (10–300 nm).

25 50 75 100

10 100

ηF(%)

d_p (nm)

PAN, 1,0 m/min PAN, 2,0 m/min PAN/PTFE, 1,0 m/min PAN/PTFE, 2,0 m/min PE, 1,0 m/min PE, 2,0 m/min

Tabela 19 – Eficiência de coleta total de partículas com diâmetros na faixa 10–300 nm para os meios filtrantes PAN, PAN/PTFE e PE.

Material Filtrante 𝑽_𝒇 (m min^-1) 𝜼_𝑭 (%) – 10–300 nm

PAN 1,0 93,48 ± 0,68

2,0 88,71 ± 0,32

PAN/PTFE 1,0 99,21 ± 0,05

2,0 98,08 ± 0,32

PE 1,0 91,43 ± 0,62

2,0 85,84 ± 1,80

4.2.6.1 Influência do tipo de material filtrante

A membrana de PTFE foi responsável por eficiências de coleta próximas a 100

% para toda a faixa de diâmetros estudada, em ambas as condições de velocidade superficial de filtração. O filtro PAN/PTFE tinha fibras com diâmetro menor, conforme discutido no subtópico 4.2.3, e era menos permeável à passagem do ar que os demais filtros, conforme evidenciado pelos resultados apresentados no subtópico 4.2.4. Esses resultados indicaram que sua matriz fibrosa era mais interconectada, com alta razão entre área superficial e volume, dificultando a passagem das nanopartículas e, portanto, aumentando a eficiência de coleta. O material mais permeável ao escoamento do ar, PE, foi também o que apresentou as menores eficiências de coleta de nanopartículas.

4.2.6.2 Influência do diâmetro das partículas

Partículas com diâmetros dentro da faixa avaliada (10–300 nm) são coletadas principalmente devido à atuação do mecanismo de difusão Browniana, cuja eficiência diminui à medida que o diâmetro das partículas aumenta, o que explica o comportamento das curvas apresentadas. Com o filtro PAN, as eficiências caíram abaixo de 98,00 % para partículas maiores que 37,20 e 27,90 nm, às velocidades superficiais de filtração de 1,0 e 2,0 m min^-1, respectivamente. Com o filtro PAN/PTFE, as eficiências caíram abaixo de 98,00 % para partículas maiores que 88,20 e 46,10 nm, aos níveis de velocidade menor e maior, respectivamente. Já no caso do filtro PE, eficiências abaixo de 98,00 % foram obtidas para partículas com diâmetros maiores que 31,10 e 21,70 nm, às velocidades de 1,0 e 2,0 m min^-1, respectivamente.

Partículas extremamente finas, com diâmetros próximos ao início da faixa avaliada, foram coletadas com eficiência de 100 %, mesmo quando utilizados os filtros mais permeáveis, PAN e PE. Não foram observados mínimos de eficiência nas curvas apresentadas, mas é notável que a inclinação delas começa a diminuir à medida que se aproximam do fim da faixa de diâmetros avaliada. Uma região de mínima eficiência provavelmente seria observada para partículas maiores, além da qual a eficiência de coleta aumentaria devido à intensificação dos mecanismos de coleta por interceptação direta e impactação inercial (DONOVAN, 1985;

HINDS, 1999).

4.2.6.3 Influência da velocidade superficial de filtração

O aumento da velocidade do aerossol faz com que o movimento Browniano perca magnitude frente à força de arraste que o fluido exerce sobre as partículas, motivo pelo qual as curvas de eficiência à velocidade superficial de 2,0 m min^-1 estiveram abaixo das curvas à velocidade de 1,0 m min^-1 para todos os filtros (DONOVAN, 1985; HINDS, 1999).