TECNOLOGIA DE FILTRAÇÃO DE PARTICULADOS USANDO
MEMBRANAS DE PTFE EM NÃO TECIDOS
Dr. Luciano Peske Ceron – ceron.luciano@gmail.com
Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, PGETEMA Av. Ipiranga 6681- Porto Alegre - RS - CEP: 90619-900
Renner Têxtil Ltda
Av. Clemente Cifali 469 - Cachoeirinha - RS - CEP: 94935-225
Resumo: Membranas são barreiras semipermeáveis de separação física entre duas fases utilizadas
em processos de separação seletiva dos componentes de misturas químicas ou físicas. As membranas têm sido desenvolvidas e exploradas de maneira intensiva na última década para filtração de particulados nas mais variadas aplicações, a citar, processamento de cimento, carvão, fabricação de detergente em pó, dentre outras. Entretanto, apesar do desenvolvimento industrial e o meio acadêmico do assunto, a transferência tecnológica deste tema não tem atingido o mercado a contento. Neste trabalho apresenta-se um breve panorama sobre a aplicação de membranas em não tecidos. É ressaltada a utilização da filtração tangencial como o modo ideal de aplicação industrial, otimizando a continuidade do processo e viabilizando aplicação em larga escala.
Palavras-chave: Filtração, Membrana, Não tecido, Particulados.
TECHNOLOGY USING MEMBRANE FILTRATION PARTICULATE
PTFE IN NOW-WOVEN
Abstract: Semipermeable membranes are barriers between two physically separated stages used in
processes of selective separation of components of chemical or physical mixtures. The membranes have been developed and explored intensively in the last decade for filtration of particulates in various applications, quote processing, cement, coal, manufacturing of detergent powder, among others. However, despite the industrial development of the academic subject, the technology transfer of this issue has hit the market properly. This papers presents a brief overview of the application of now-woven membranes. It emphasizes the use of tangential flow filtration as the ideal mode of industrial application, optimizing the continuity of the process and enabling large-scale application.
1. MEMBRANAS EXPANDIDA DE PTFE
Membrana é uma fina camada expandida de politetrafluoretileno (ePTFE), Figura 1, depositada pelo processo de laminação em não tecidos (Figura 2). O PTFE tem alta resistência à oxidação e hidrólise, inerte a ácidos e bases, com resistência térmica de -200ºC até 315ºC. A superfície da manga filtrante é tornada lisa através da fina camada microporosa que proporciona ao filtro baixa perda de carga, máxima vazão de gás e, portanto, maior captação e recuperação de particulado (NORA’AINI et al., 2010).
Figura 1 - Micrografia de membrana. Figura 2 - Laminação sobre não tecido. Fonte: CLOUGH (2010).
Mangas filtrantes com membranas foram projetadas para garantir baixas emissões até 5 mg/Nm3, porém, o teflon é um polímero tipicamente frágil à abrasão. Por esta razão, as mangas com membranas são indicadas para relações ar-pano até 1,0 m3/m2.min. Contudo, em geral, os filtros são projetados com relações ar-pano superiores a 1,5 m3/m2.min para minimizar a área filtrante e consequentemente o custo do filtro. Se uma manga com membrana for instalada num filtro com elevada relação ar-pano é verificada uma considerável elevação da perda de carga média durante os três primeiros meses, após o qual, ela se estabiliza. Isso ocorre, porque, nesses primeiros meses de operação, a membrana ainda existe, sendo posteriormente arrancada do não tecido pela elevada velocidade do pó abrasivo (CLOUGH, 2010).
A membrana de ePTFE proporciona uma filtração por superfície altamente eficiente que suspende as partículas de poeira muito bem (Figura 3), principalmente, para baixa granulometria. Esta característica impede a eventual migração de poeira na profundidade, evitando a subida gradual na resistência através dos filtros, que resultaria em aumento da pressão diferencial ao longo do tempo (Figura 4), como em não tecidos convencionais (RENNER TEXTIL, 2001).
Figura 3 - Filtração superficial. Figura 4 - Controle de perda de pressão. Fonte: RENNER TEXTIL (2001).
A economia significativa de operação de filtro de mangas está focada em gerenciamento de ar comprimido para jet pulso. O controle operacional de filtros com membrana ePTFE mostra na Figura 5 uma redução significativa na resistência do sistema (queda de pressão), em relação aos não tecidos normal. Com a pressão reduzida, devido à membrana ePTFE, os motores do ventilador operam com uma redução significativa no consumo de energia. Portanto, a curva de desempenho do ventilador sofre uma redução da pressão e consumo de energia usando a manga com membrana ePTFE (DARCOVICH et al., 1997).
Figura 5 - Curvas típicas de pressão x fluxo de ar. Fonte: DARCOVICH et al. (1997). 2. NÃO TECIDOS
O meio filtrante mais utilizado para sistemas de particulados é um não tecido permeável, também conhecido por feltro ou não tecido, que tem como função reter as partículas sólidas no início da operação, deixando passar o gás filtrado. O não tecido é um têxtil com distribuição aleatória das fibras, ou seja, sem um entrelaçamento ordenado e homogêneo dos fios, como mostrado na Figura 6 (MORONI, 2005).
Figura 6 - Micrografia de não tecido. Fonte: CERON (2012).
3. FILTRO DE MANGAS
O princípio de funcionamento de um sistema de filtro de mangas, o gás é carregado de impurezas que entra no filtro pela moega inferior e movimenta-se para cima, já com velocidade reduzida. As partículas são retidas na parte externa das mangas filtrantes, enquanto o ar atravessa as mesmas. O gás filtrado é expelido para a atmosfera, conforme mostra a Figura 7 (RENNER TÊXTIL, 2001).
Figura 7 - Sistema de filtração de particulados. Fonte: RENNER TÊXTIL (2001). 3.1. Filtração de Particulados
A captura de partículas de uma corrente gasosa por filtração em não tecidos é um dos métodos mais comuns utilizados na limpeza de gases, por sua alta eficiência de captura que pode atingir 99,99% e por ser insensível às flutuações nas condições de operação (LEUBNER & RIEBEL, 2004).
A filtração de gás-sólido por filtro de mangas é feita de fora para dentro, com sentido radial, isto é, o fluido tem que atravessar a parede porosa do meio filtrante, que irá reter as partículas maiores que o tamanho dos poros (Figura 8). Uma vez formada uma camada uniforme de material particulado sobre meio filtrante, estes são removidos por um sistema de limpeza por jato de ar comprimido no sentido contrário ao da filtração. O pulso de ar comprimido é proporcionado em uma válvula diafragma pilotada por solenóide e controlada por um programador eletrônico, que poderá ser acionado por tempo ou por diferença de pressão no interior do filtro (LO et al., 2010).
p(Lmt) - tempo para percorrer espessura do não tecido.
p(0,t) - tempo inicial de formação da torta.
p(L,t) - tempo final de formação da torta. z - medida inicial da espessura da torta. Lm - espessura do meio filtrante.
L(t) - espessura do não tecido com o acúmulo da torta.
Figura 8 - Filtração de particulados. Fonte: CERON et al. (2012).
3.2. Permeabilidade
A permeabilidade é uma medida macroscópica que indica a maior ou menor facilidade com que um fluído submetido a um gradiente de pressão percola os vazios em um meio poroso. Portanto, uma adequada descrição de permeabilidade deve combinar aspectos do fluído, da estrutura porosa e do escoamento (FREITAS, 2003). O escoamento do fluído gera uma perda de carga de energia, refletida na forma de queda de pressão ao longo do meio poroso. A permeabilidade pode ser determinada na Equação 1, conhecida como equação de Forchheimer para fluídos compressíveis, onde a queda de pressão descreve uma dependência não linear com a velocidade do fluído (INNOCENTINI, 1997).
ΔP = µ . ѵs + ρ . ѵs 2
(1) L K1 K2
Sendo ΔP a variação de pressão absoluta antes e depois do filtro, µ e ρ, a viscosidade e a densidade do fluido, L, a espessura do meio e ѵs a velocidade superficial de escoamento do gás. Os parâmetros K1 e K2 são as permeabilidades darciana e não darciana. O primeiro termo da Equação (1) representa a contribuição das forças viscosas sobre a queda de pressão, causada pelo atrito entre as moléculas do fluído e pelo atrito entre o fluído e o meio poroso. O segundo termo representa as forças inerciais, causadas pela turbulência do fluído escoante e/ou pela tortuosidade do meio poroso.
A permeabilidade é um dos principais controles em aplicações envolvendo a filtração, pois esta propriedade é reduzida pelo depósito de pó residual. Isso leva a uma variação nos valores entre a permeabilidade do tecido limpo e depois de usado, que é refletida na forma de queda de pressão ao longo do meio poroso (FREITAS et al., 2002). Idealmente, o filtro deveria remover o máximo de impurezas com a mínima resistência ao fluído de arraste. Nas aplicações com não tecidos, baixas permeabilidades implicam em baixas taxas de filtração, o que não é economicamente vantajoso para o processo (INNOCENTINI et al., 2009; MOREIRA & COURY, 2004).
3.3. Perda de Carga
A queda de pressão ou perda de carga é uma importante variável de projeto, que descreve a resistência que enfrenta o fluxo de gás ao passar pelo filtro. É determinada pela diferença de pressão entre dois pontos do filtro, medido na entrada e na saída, após ser filtrado pelo meio filtrante (LO et al., 2010). O aumento da perda de carga do sistema ocorre à proporção que as partículas são depositadas, determinando a frequência de ciclos de limpeza no filtro (Figura 9). Portanto, afeta o tempo de vida do não tecido (RODRIGUES, 2006). O tempo de saturação do tecido depende da permeabilidade do têxtil, do tamanho das partículas e da velocidade de filtração (CALLÉ et al., 2002; SALEEM; KRAMMER, 2007).
Figura 9 - Perda de carga e ciclos de limpeza. Fonte: CERON (2012).
4. METODOLOGIA
4.1. Emissão de Particulados
O controle das emissões de particulados é monitorado em sistemas de filtração, conforme recomenda a legislação CONAMA nº 382 de 2006. Os testes de amostragem de emissão de particulados foram realizados nas condições plenas de carga do filtro de forma direta e continua em duto de chaminé do filtro, Figura 10, de acordo com a norma NBR 12019:1990 - Efluentes gasosos em dutos e chaminés de fonte estacionárias - Determinação de materiais particulados. A sonda Autel, modelo RP-04 foi colocada na parte interna do duto da chaminé. A calibração inicial da sonda foi ajustada por parametrização em medidor de particulado Autel, modelo GDM-1, que monitorou o controle de emissão de forma contínua, com alarme de pico de emissão ajustado. Foi usado o software de monitoramento ambiental FSC da Autel, via computador, para obter os dados de emissão. Os resultados são apresentados em mg/Nm3 de emissão de particulados.
Figura 10 - (a) Parte externa da sonda em chaminé; (b) Parte interna da sonda em chaminé. 4.2. Pressão Diferencial
Para o controle da pressão diferencial entre as câmaras limpa e suja nos filtros de mangas foi usado um equipamento programador eletrônico diferencial de pressão Ecomatic, modelo ECO20. O controle da limpeza das mangas filtrantes foi por variação de pressão no sistema, que é mais econômica em função de minimizar ar comprimido e não afetar a resistência mecânica do não tecido. A metodologia seguiu a norma NBR 10701:1989 - Determinação de pontos de amostragem em dutos chaminés de fontes estacionárias. Os resultados são expressos em função da perda de carga (mmCA). 4.3. Ensaio de Tração
Os ensaios mecânicos de tração foram realizados em máquina universal de ensaio - dinamômetro Frank 81565 IV, Figura 11, no laboratório Têxtil da Renner em amostras de mangas usadas. Os resultados foram obtidos por um sistema de dados com placa National Instruments SC-2345 Series interligado via computador, para posterior obtenção das propriedades mecânicas de tensão na ruptura, deformação máxima de ruptura e módulo de elasticidade. Foram realizados
conforme as normas: NBR 13041:1993 - Não tecido - Determinação da resistência à tração e alongamento; NBR 13908:1997 - Não tecido - Preparação de corpos-de-prova para ensaios laboratoriais. As dimensões dos corpos de prova em formato de tiras retangulares foram de 50 x 350 mm. Aplicou-se uma velocidade de afastamento vertical constante na garra de 100 mm/min, com uma célula de carga de 10 kN, até o rompimento do corpo de prova. Os resultados são apresentados em função da redução nominal de tração (daN).
Figura 11 - Dinamômetro. 4.4. Permeabilidade
A determinação da permeabilidade foi realizada em Permeabilimetro Karl Schroder KG, modelo 6940 Weinheim, conforme a Figura 12. O método consiste em colocar amostra no orifício de fluxo do equipamento, ajustar a pressão constante de 20 mm de coluna d’água em aparelho Gauge, modelo DPF-15E e ligar o temporizador digital para análise por 30 segundos. O resultado da permeabilidade é medida em manômetro pelo fluxo de ar (L/min.dm2)que atravessa o não tecido. O ar é gerado em aspirador Arno Papa-Pó, modelo APAC de 700 W, com fluxo invertido, levado por mangueira até o aparelho. Foi usada como referência a norma NBR 13706:1996 - Não tecido - Determinação da permeabilidade ao ar. Os resultados mostrados são em função da redução nominal de fluxo de ar (L/min.dm2 a 20 mmCA).
5. RESULTADOS
5.1. Indústria de Cimento
Os resultados foram avaliados, no mesmo filtro, com uma frequência de três meses em indústria de cimento durante um período de doze meses. Primeiro com mangas de não tecido de poliéster 600 g/m2 (sem membrana), identificada por PE/PE 601 e após com mangas de não tecido de poliéster 500 g/m2, identificada por PE/PE 502 membrana ePTFE. Os controles de perda de carga e emissão de particulados foram acompanhados no processo da empresa. Já a permeabilidade e tração foram realizadas em amostras de mangas filtrantes retiradas dos filtros e avaliadas em laboratório têxtil na Renner Têxtil, Cachoeirinha/RS. Os resultados são mostrados na Tabela 1 e Figura 13.
Tabela 1 - Resultados com não tecido sem e com membrana. Período
(Meses)
PE/PE 601 PE/PE 502 membrana ePTFE
Emissão (mg/Nm3) Perda de Carga (mmCA) Permeabilidade (Redução) Tração (Redução) Emissão (mg/Nm3) Perda de Carga (mmCA) Permeabilidade (Redução) Tração (Redução) 0 0 60 100 100 0 60 100 100 3 7,2 130 60 81 1,3 95 78 92 6 15,3 170 45 63 2,4 117 62 82 9 29,5 200 35 45 3,1 130 47 60 12 48,3 225 20 34 4,6 135 35 52
Figura 13 - Resultados para cimento com não tecido sem e com membrana.
Os melhores resultados foram alcançados com membranas para o controle de emissão, que se mantiveram praticamente estável com baixa perda de carga, proporcionando um aumento de produtividade de 8% no processo de filtração.
5.2. Indústria de Carvão
Os resultados foram realizados com uma frequência de dois meses em processo de finos de carvão, durante seis meses. Primeiro com mangas de não tecido de poliéster 550 g/m2 (sem membrana), identificada por PE/PE 551 e após com mangas de não tecido de poliacrilonitrila homopolímero 500 g/m2, identificada por DT/DT 502 com membrana ePTFE.. Os resultados são apresentados na Tabela 2 e Figura 14.
Tabela 2 - Resultados com não tecido sem e com membrana. Período
(Meses)
PE/PE 551 DT/DT 502 membrana ePTFE
Emissão (mg/Nm3) Perda de Carga (mmCA) Permeabilidade (Redução) Tração (Redução) Emissão (mg/Nm3) Perda de Carga (mmCA) Permeabilidade (Redução) Tração (Redução) 0 0 110 100 100 0 50 100 100 2 46,5 135 35 55 1,5 63 93 94 4 89,5 170 18 22 2,4 71 85 88 6 128,4 185 10 15 4,5 83 79 76
Figura 14 - Resultados para carvão com não tecido sem e com membrana.
Os resultados mais significativos foram alcançados para o controle de emissão e menor perda de carga usando membrana ePTFE, com um retorno de produtividade de 10% no processo de filtração.
5.3. Indústria de Detergente em Pó
Os resultados foram realizados com uma frequência de três meses em processo de detergente em pó, em um período de seis meses. Primeiro com mangas de não tecido de poliéster 550 g/m2 (sem membrana), identificada por PE/PE 551 e após com mangas de não tecido de poliéster 500 g/m2, identificada por PE/PE 502 membrana ePTFE. Os resultados são apresentados na Tabela 3 e Figura 15.
Tabela 3 - Resultados com não tecido sem e com membrana. Período
(Meses)
PE/PE 551 PE/PE 502 membrana ePTFE
Emissão (mg/Nm3) Perda de Carga (mmCA) Permeabilidade (Redução) Tração (Redução) Emissão (mg/Nm3) Perda de Carga (mmCA) Permeabilidade (Redução) Tração (Redução) 0 0 150 100 100 0 60 100 100 3 75,1 163 22 63 2,9 72 97 94 6 174,2 180 14 32 5,7 80 91 85
Figura 15 - Resultados para detergente em pó com não tecido sem e com membrana.
Os resultados com membrana ePTFE mostram uma menor emissão e perda de carga. Os valores de tração e permeabilidade variaram muito pouco. O ganho de produtividade foi de 10% no processo de filtração.
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Os resultados mostram uma melhora significativa para aplicação de membrana ePTFE em não tecidos para processo de cimento, carvão e detergente em pó. Os controles de emissão, perda de carga, permeabilidade e tração foram significativamente superiores em relação a não tecidos sem membrana. Portanto, embora seja uma metodologia já usada no Brasil é pouco aplicada devido o desconhecimento e maior custo inicial do material com membrana. Porém, em longo prazo de uso, com baixa manutenção e alta produtividade, ficam justificadas a sua utilização nestes tipos de processos.
Os modelos de mecanismos ajustados para a filtração de particulados podem ser representados pelas Figuras 16 e 17, respectivamente, sem e com membrana, para filtração interna e tangencial, devido os resultados alcançados neste trabalho.
Figura 16 - Filtração interna em não tecido sem membrana ePTFE.
Figura 17 - Filtração tangencial em não tecido com membrana ePTFE.
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