Volume 1 - Edição 19 - Setembro de 2004
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Efeito da Umidade Relativa sobre o Desempenho de Cartuchos Químicos contra Vapores Orgânicos
Introdução
Nos Estados Unidos, a OSHA (Occupational Safety and Health Administration) não permite mais o uso de parâmetros como odor, gosto ou irritação como indicadores primários do fim da vida útil de cartuchos químicos.
As regulamentações da OSHA para uso de cartuchos exigem o estabelecimento de trocas programadas com base em informações objetivas. Um dos modelos matemáticos mais comumente utilizados para estimar a vida útil de cartuchos contra Vapores Orgânicos (VO) foi desenvolvido por Wood.(1) Entretanto, este modelo não leva em conta o efeito potencial da umidade relativa (UR) superior a 50% sobre a vida útil destes cartuchos.
O efeito da umidade relativa sobre a vida útil de cartuchos contra VO depende do grau de umidade relativa, da concentração do contaminante, da volatilidade e da miscibilidade (capacidade de se dissolver) em água deste contaminante. A extensão do efeito da UR elevada sobre a performance de cartuchos contra VO é freqüentemente subestimada. Um antigo trabalho publicado por Nelson demonstrou que cartuchos contra VO acondicionados e testados a uma UR de 90% apresentaram apenas cerca de metade da vida útil dos
cartuchos acondicionados e testados a uma UR de 50%.(2) Contudo, tais testes foram realizados a uma concentração de ensaio de 1000 ppm. A observação de Nelson que a presença da umidade pode ter um efeito ainda maior sobre a performance de cartuchos químicos a concentrações de VO mais baixas do que 1000 ppm, tipicamente encontradas nos locais de trabalho, não tem sido amplamente reconhecida.
Um artigo apresentado por Johnson na AIHCE (American Industrial Hygiene Conference & Exposition) de 2001 descreveu o efeito da UR sobre cartuchos contra VO em
concentrações típicas dos locais de trabalho (5 a 1000 ppm).(3) Fatores de correção foram determinados para diversos solventes orgânicos, representando uma ampla faixa de volatilidade, incluindo: n-hexano, benzeno, tolueno e estireno (Tabela 1). Os cartuchos foram testados sem pré-condicionamento a fim de reproduzir a competição dinâmica entre o vapor d'água e os vapores de solvente pelos sítios ativos em cartuchos novos. Os testes foram realizados a uma vazão de ar de 32 L/min por cartucho (equivalente a 64 L/min para um par de cartuchos) até atingir uma concentração limitante (breakthrough) igual a 1% da concentração de ensaio.
Solvente Pressão de Vapor, mmHg Ponto de Ebulição, ºC
n-Hexano 124 69
Benzeno 75 80
Tolueno 21 110,6
Estireno 5 145-146
Experimentos com estas quatro substâncias a várias concentrações ilustram o efeito
dramático da umidade relativa sobre a vida útil de cartuchos contra VO. Este impacto deve ser considerado ao se estabelecer um plano de troca programada para estes cartuchos. Discussão
As Figuras 1 a 4 mostram os fatores de correção necessários para ajustar uma estimativa de vida útil calculada a UR=50% (segundo o modelo de Wood) para cada solvente em várias concentrações de ensaio e UR mais elevadas. A vida útil assim calculada deve ser dividida pelo fator de correção no eixo y para se obter a vida útil real a 65, 75, 85 ou 90% de UR, respectivamente, considerando-se uma concentração limitante (breakthrough) igual a 1% da concentração de ensaio.
Fig. 1 Fatores de correção versus concentração de n-hexano a 65% de umidade relativa, 22,5 ºC e 1% de concentração limitante
Fig. 2 Fatores de correção versus concentração dos solventes a 75% de umidade relativa, 22,5 ºC e 1% de concentração limitante
Fig. 3 Fatores de correção versus concentração dos solventes a 85% de umidade relativa, 22,5 ºC e 1% de concentração limitante
(breakthrough).
Fig. 4 Fatores de correção versus concentração dos solventes a 90% de umidade relativa, 22,5 ºC e 1% de concentração limitante
(breakthrough).
Observa -se que o efeito da umidade relativa é mais acentuado para substâncias voláteis, tais como o n-hexano, e em baixas concentrações. Ainda usando o n-hexano como exemplo, a altas concentrações (~400 ppm) o fator de correção necessário para UR=85% é
aproximadamente igual a 2, enquanto para concentrações mais baixas (~10 ppm), com o mesmo nível de umidade relativa, a vida útil estimada deveria ser reduzida por um fator de aproximadamente 16.
Para compostos com baixa volatilidade, tais como o estireno, o efeito da UR elevada é pequeno em qualquer concentração. Por exemplo, a UR=85% um fator de correção de cerca de 1,5 parece adequado para ajustar toda a faixa de concentrações de estireno testada. Na prática, uma estimativa de vida útil calculada a UR de 50% (modelo de Wood) deve ser dividida pelo fator de correção no eixo vertical a fim de determinar a vida útil prevista a 75, 85 ou 90% de umidade relativa. Por exemplo, para 25 ppm de tolueno a 85% de umidade relativa, o fator de correção seria de aproximadamente 4. Para outros solventes que não os considerados neste estudo, o composto com pressão de vapor (P.V.) ou ponto de ebulição
(P.E.) mais próximo poderia ser usado como substituto. Ex.: Metil-etil cetona tem
P.E.=79,5 oC e P.V. de saturação de aproximadamente 75 mmHg a 20 oC. Logo, os fatores de correção para o benzeno poderiam ser aplicados neste caso.
Testes de vida útil foram realizados também a UR de 65% (Fig. 1). Comparados aos testes feitos a umidades relativas mais altas, os efeitos foram bastante limitados. Os fatores de correção para o solvente mais volátil neste estudo, o n-hexano, variaram de 1,9 para uma concentração de ensaio de 25 ppm, até 1,0 (nenhuma correção) para concentrações de 1000 ppm.
Neste estudo foram utilizados solventes imiscíveis (insolúveis) em água com o objetivo de evidenciar os casos em que os efeitos da UR são mais intensos (pior situação). Solventes miscíveis em água são menos fortemente afetados pela umidade relativa.(4) À temperatura ambiente, UR=85% é equivalente a cerca de 27000 ppm de água. Sob estas condições, uma quantidade significativa de água ficará adsorvida no interior dos poros do carvão ativado. Isso permite uma maior retenção de compostos miscíveis em água ou mesmo compostos que são normalmente considerados pouco solúveis em água. Por exemplo, dicloroetileno e metil-etil cetona foram menos fortemente afetados pela alta umidade do que compostos não miscíveis em água com as mesmas propriedades químicas e capacidade de adsorção. Deve-se observar que, ao contrário da performance dos cartuchos contra VO, a vida útil de cartuchos projetados para remover gases ácidos e bases pode efetivamente aumentar com alta UR. A presença do vapor d'água pode melhorar a interação entre o tratamento químico (impregnante) no carvão ativado e o contaminante ácido ou alcalino.
Conclusão
Estes experimentos ilustram o impacto potencial da umidade relativa sobre a vida útil de cartuchos contra VO dependendo do contaminante em questão. A observação de Nelson largamente empregada de que a alta umidade relativa reduz a vida útil do cartucho pela metade é verdadeira somente para altas concentrações de contaminantes (> 1000 ppm). Para concentrações inferiores a 300 ppm e a alta UR (> 65%), a vida útil do cartucho pode ser reduzida a valores muito menores que a metade, sendo tanto menor quanto mais baixa for a concentração do vapor orgânico no ambiente de trabalho.
O impacto da UR elevada deve ser considerado ao se estabelecer um plano de troca programada para cartuchos químicos. Estimativas de vida útil calculadas para baixa umidade relativa (UR=50%) devem ser divididas pelo fator de correção apropriado quando uma alta umidade relativa estiver presente no local de trabalho. De acordo com o
julgamento profissional, pode surgir a necessidade de testar a performance dos cartuchos contra VO no próprio ambiente de trabalho para uma estimativa mais refinada.
Referências
1. Wood, G.O. Estimating Service Lives of Organic Vapor Cartridges. Am. Ind. Hyg. Assoc. Journal 55(1): 11-15 (1994).
2. Nelson, G.O.; Correia, A.N.; Harder, C.A. Respirator Cartridge Efficiency Studies:
VII. Effect of Relative Humidity and Temperature. Am. Ind. Hyg. Assoc. Journal 37:
280-288 (1976).
vapor cartridge performance". Artigo apresentado na American Industrial Hygiene Conference & Exposition , New Orleans, Louisiana (Junho, 2001).
4. Kawar, K.H.; Underhill, D.W. Effect of Relative Humidity on the Adsorption of
Selected Water-Miscible Organic Vapors by Activated Carbon. Am. Ind. Hyg. Assoc.
Journal 60: 730-736 (1999). Sobre o Autor
Este artigo foi escrito por: Erik Johnson, CIH
Erik Johnson é Higienista Industrial Certificado e trabalha na área de Serviços Técnicos da Divisão de Saúde Ocupacional e Segurança Ambiental (OH&ESD), 3M EUA.
