Desenvolvimento de uma máscara facial para filtragem de partículas finas

2018

UNIVERSIDADE DE LISBOA

FACULDADE DE CIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA GEOGRÁFICA, GEOFÍSICA E ENERGIA

Desenvolvimento de uma máscara facial para filtragem de

partículas finas

Ricardo Pedro Ferreira

Mestrado Integrado em Engenharia da Energia e Ambiente

Dissertação orientada por:

Orientador: Guilherme Carrilho da Graça (FCUL)

Coorientador: Ana Filipa Silva (FCUL)

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Agradecimentos

Gostaria de agradecer em primeiro lugar a todos os meus familiares que contribuíram imenso para a minha formação. O esforço e dedicação de todos para me poderem dar a hipótese de tirar um curso superior significa muito para mim.

Depois aos meus amigos mais próximos que me acompanharam em todo este processo de altos e baixos, mantendo-me sempre motivado e focado no objetivo final.

Gostaria de dar um agradecimento especial à minha coordenadora e amiga Filipa Silva por todo o esforço, trabalho, motivação e paciência nesta longa jornada. Simultaneamente ao meu orientador Prof. Guilherme Carrilho da Graça por me ter dado a oportunidade de trabalhar com um grupo motivado e trabalhador num tema tão interessante.

Por último um especial agradecimento à minha namorada Daniela Carrulo por ter estado sempre presente nos bons e maus momentos deste processo, por me manter focado e motivado e por ser quem é.

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Resumo

A preocupação mundial de controlo de emissões e níveis de poluição atmosférica exige uma resposta da comunidade científica. A necessidade de diminuir os riscos para o ambiente e para a saúde humana requer uma otimização ou melhoria das tecnologias utilizadas hoje em dia.

Existem no mercado diversas soluções e métodos concebidos para minimizar os níveis de concentração de poluentes em ambientes interiores. Porém, é inevitável que o ser humano frequente espaços exteriores, onde a possibilidade de controlo de poluentes depende de fatores alheios a cada indivíduo. Os equipamentos de proteção respiratória individual (EPRs) são, atualmente, a única forma de proteção em ambientes exteriores poluídos, sendo utilizados principalmente na Ásia onde os níveis de poluição são frequentemente excessivos. Os EPRs mais comuns consistem em filtros físicos com alta capacidade de retenção de partículas, que apresentam simultaneamente elevadas perdas de carga que representam uma grande resistência à respiração. Este tipo de EPR representa a maior parte do mercado disponível de EPRs, estando avaliado em cerca de 200 milhões de dólares só na China.

Esta tese de mestrado visa desenvolver um protótipo de EPR que permita satisfazer as necessidades crescentes de proteção da população relativamente aos elevados níveis de poluição do ar ambiente. O protótipo proposto permite manter um elevado conforto do utilizador através da utilização de um filtro de precipitação eletrostática que se caracteriza por uma reduzida perda de carga e elevada eficiência de coleção de partículas. Neste tipo de filtro, o ar poluído passa através de um campo elétrico que ioniza as partículas em suspensão e as atrai para um coletor.

Foram estudadas diferentes configurações ionizador/coletor para aplicação num equipamento de proteção respiratória. Os ionizadores testados consistem em fios de cobre de diâmetro diminuto, sendo testadas diferentes geometrias de coletor.

O estudo iniciou-se através da simulação de campo eletrostático e eletrohidrodinâmico em software COMSOL. Com base nos resultados obtidos seguiram-se os testes experimentais para verificação de resultados simulados e adaptação a um suporte de EPR viável.

Os resultados obtidos são promissores, tendo-se atingindo eficiências de filtragem de cerca de 80% para partículas finas. O protótipo com melhor performance caracteriza-se por ter três ionizadores e uma grelha metálica como coletor. A tensão ótima aplicada entre ionizador e coletor é de 9 kV.

Palavras-chave:

Poluição atmosférica; Partículas; Filtros; Precipitação eletrostática; Eficiência coleção; Descarga Corona; Equipamento de proteção respiratória; Respirador; Simulação eletrohidrodinâmica

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Abstract

The global concern in controlling the emissions and levels of air pollution demands a response by the scientific community. The need to reduce the risks for the environment and human health requires an optimization or improvement of the technologies applied in our days.

There is already in the market different solutions and methods conceived to minimize the levels of pollutant’s concentrations in closed environments. However, it’s inevitable the population’s exposure to the exterior environment where the possibility to control the pollutants it is out of our hands. The individual respiratory protection devices are, at this point, the only way of protection in open spaces with high levels of pollution, especially on Asia where the levels of pollution are frequently exaggerated. The most common protection devices consist in physical filters technologies with high capacity for particles capture, which simultaneously presenting the user with high pressure losses in the breathing process. This technology represents the most share of the respiratory protection devices market, being evaluated over 200 million dollars just in China.

This master thesis aims to develop a respiratory protection device prototype that satisfy the population’s growing needs to protect from the high levels of global pollution. The prototype allows to keep at the same time a nice comfort to the users thanks to the technology applied: electrostatic precipitation, characterized by low pressure losses for high efficiencies. In this type of technology, the polluted air flows through an electric field that charge the particles in suspension and attract them to the collector plate.

In this thesis were evaluated several different prototypes for the application of electrostatic precipitation principle to a respiratory protection device. The ionizers are copper wires, alternating just the collector’s shape.

This study was conducted resorting to a simulation software to evaluate the electrostatic field created in the device and, also, the fluid’s behaviour when faced with charged particles (electrohydrodynamic simulation). After the simulation, an experiment was constructed to validate the results obtained previously.

The results obtained are very promising reaching high filtration efficiencies around 80% for fine particle. The prototypes that reach the best performance it is characterized by 3 ionizers and a grid acting as a collector. The optimum voltage applied between ionizer and collector was 9kV.

Keywords:

Air pollution; Particles; Filters; Electrostatic Precipitator; Collection efficiency; Corona Discharge; Equipments of respiratory protection; Respirator; Eletrohidrodynamic simulation

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Índice

Simbologias e Notações ... xii

1.Introdução ...1

2. Partículas em suspensão no ar ambiente-classificação, impactos e legislação ...2

2.1 Partículas ... 2

2.1.1 Tipos de Partículas e Classificação ... 2

2.1.2 Impactos na Saúde ... 3

2.1.3 Legislação e normas ... 4

3.Soluções existentes- Equipamentos individuais de proteção das vias respiratórias ...6

3.1 Critérios de desempenho ... 6

3.2 Mecanismos de remoção de partículas ... 6

3.3 Tecnologias ... 8

3.3.1 Filtro físico ... 8

3.3.2 Filtro impregnados ... 9

3.3.3 Filtro de precipitação ... 9

3.4 Equipamentos de Proteção Respiratória ... 22

3.4.1 Máscaras ... 23 3.4.2 Respiradores ... 23 3.5 Normas e Standards ... 26 EUA ... 26 Europa e Portugal ... 26 3.5.1.1. Fitting test ... 29

4. Estudo do conceito com base em software ... 30

4.1. Geometrias simuladas ... 31

4.1.1. Wire to wire design ... 31

4.1.2. Wire to grid design ... 33

vii 4.3. Fluido ... 35 4.4. Partículas ... 35 4.5. Simulações ... 37 5. Desenvolvimento de protótipos ... 42 5.1. Protótipos testados ... 42

5.1.1. Wire to wire design ... 42

4.1.2 Wire to grid design ... 43

5.2. Aparato experimental ... 43 5.2.1. Fonte de Partículas ... 43 5.2.2. Difusor ... 44 5.2.3. Túnel de ventilação ... 45 5.2.4. Circuito Elétrico ... 49 6. Resultados e Discussão ... 50 6.1. Eficiências ... 50 • Módulo 3 ... 50 • Módulo 4 ... 50 • Módulo 6 ... 51 6.2. Perdas de carga ... 54 7. Conclusões ... 55 Anexos ...I

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Índice de Equações

Equação 1 - velocidade de drift de uma partícula ... 13

Equação 2 - Cálculo do caudal no túnel de ventilação ... 47

Equação 3 - Cálculo da eficiência do módulo ... 47

Índice de Figuras

Figura 2 - Distribuição de partículas por dimensões ... 3

Figura 3 - Concentração de PM2.5 em comparação com o valor limite de 2014 nos 28 estados membros da EU NOTA: Linha vermelha – limite anual estipulado pela EU; Linha azul – limite anual estipulado pela WHO ... 5

Figura 4 - Mecanismo de : a) impacto b) sedimentação c) difusão d) intercepção [10] ... 7

Figura 5 - Mecanismo eletrostático [10] ... 8

Figura 6 - Exemplo da constituição de um filtro HEPA ... 8

Figura 7 - Exemplo de um coletor tubular ... 11

Figura 8 - Exemplo de um coletor em formato de placa ... 12

Figura 9 - Diferentes designs de ionizadores já utilizados ... 12

Figura 10 - Variação da eficiência do ESP em função do diâmetro das partículas, para diferentes valores de tensão do ionizador, adaptado de [17] ... 13

Figura 11 -a) Características elétricas do ESP comercial estudado na referência [15] b) Efeitos da polaridade da tensão na produção de corrente de Corona, adaptado de ... 14

Figura 12 - Eficiência de coleção para as duas polaridades em função da tensão aplicada ... 15

Figura 13 – a) Eficiência de coleção em função da distância entre ionizador (fio) e coletor(placa) ,adaptado de [20] b) Eficiência de coleção em função da tensão aplicada para diferentes distancias (Sx) entre ionizador e coletor ,adaptado de [21] ... 16

Figura 14 - Influência da distância entre ionizador e coletor na eficiência de coleção de partículas ,adaptado ... 16

Figura 15 - Influência de zonas pontiagudas na eficiência do ESP, adaptado de [22] ... 17

Figura 16 - Efeitos do diâmetro dos fios ionizadores no comportamento elétrico do ESP [15] ... 17

Figura 17 – a) Eficiência de coleção para diferentes diâmetros de ionizadores em função da tensão aplicada, adaptado de [20] b) Eficiência da coleção para diferentes diâmetros de ionizadores em função da tensão aplicada,adaptado de [21] ... 18

Figura 18 – a) Eficiência de coleção em função do número de ionizadores, adaptado de [22] b) Eficiências de coleção para diferentes quantidades de ionizadores,adaptado de [20] ... 18

Figura 19 – Eficiência de coleção em função da tensão aplicada para diferentes espaçamentos entre ionizadores Sy [21] ... 19

Figura 20 - Eficiência de coleção de partículas em função da velocidade do fluido, adaptado de [22] 19 Figura 21 - Efeito da humidade relativa na coleção de partículas ,adaptado de [25] ... 20

Figura 22 – a) Influência da corrosão dos materiais na produção de ozono do ESP, adaptado de [15] b) Produção de ozono em função da corrente de corona gerada para diferentes materiais de elétrodo, adaptado de [16] ... 20

Figura 23 - Produção de ozono em função de a) tensão aplicada e b) corrente de descarga para ambas as polaridades de tensão, adaptado de ... 21

Figura 24 - Comparação de eficiências e produção de ozono para diferentes tensões e correntes de descarga, adaptado de [15] ... 21

x Figura 25 – a) Influência dos diâmetros dos ionizadores na produção de ozono. Adaptado de [15] b) Influência do diâmetro do ionizador e tensão aplicada na eficiência e produção de ozono do sistema.

Adaptado de [15] ... 22

Figura 26 - Esquema da organização dos EPR nos dois principais grupos (método de funcionamento e e consumo de energia) ... 24

Figura 27 - Exemplo de um respirador de pressão negativa,produto 3M série7500 half mask ... 25

Figura 28 - Exemplo de um PAPR, produto 3M 6900PF full facepiece ... 25

Figura 29 - Organigrama da organização necessária para a obtenção de uma simulação correta [48] 30 Figura 30 - Geometria do módulo 1 em COMSOL ... 32

Figura 31 - Geometria do módulo 2 em COMSOL ... 32

Figura 32 - Geometria do módulo 3 em COMSOL ... 33

Figura 33 - Geometria do módulo 4 em COMSOL ... 33

Figura 34 - Geometria do módulo 5 em COMSOL ... 34

Figura 35 - Geometria do módulo 6 em COMSOL ... 34

Figura 36 - Geometria do módulo 7 em COMSOL ... 34

Figura 37 - Esquema iterativo para obtenção de 𝜌𝑖𝑜𝑛𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑟 . Adaptado de ... 36

Figura 38 - Vista superior: à esquerda a distribuição do potencial elétrico; à direita o campo de velocidades no módulo ... 39

Figura 39 - À esquerda a vista lateral da distribuição do potencial elétrico; à direita o campo de velocidades numa vista superior ... 39

Figura 40 - À esquerda a vista lateral da distribuição do potencial elétrico; à direita o campo de velocidades em vista superior ... 39

Figura 41 - Vista superior: à esquerda a distribuição do potencial elétrico; à direita o campo de velocidades no módulo ... 40

Figura 42 - Visão lateral da distribuição do potencial elétrico à esquerda ; à direita uma vista superior da distribuição de velocidades no módulo... 40

Figura 43 - Visão lateral da distribuição do potencial elétrico à esquerda ; à direita uma vista superior da distribuição de velocidades no módulo... 40

Figura 44 - Vista superior: à esquerda a distribuição do potencial elétrico; à direita o campo de velocidades no módulo ... 41

Figura 45 - Módulo 3 ... 42

Figura 46 - Módulo 4 ... 43

Figura 47 - Módulo 6, coletor em estrutura de rede com 3 ionizadores ... 43

Figura 48 - Dispositivo onde ocorre a queima da fonte de partículas ... 44

Figura 49 - conexão entre fonte de partículas e difusor através de bombeamento por tubos ... 44

Figura 50 - Invólucro, que através do difusor, faz a conexão ao túnel de ventilação ... 45

Figura 51 - Difusor e conexão selada com o túnel de ventilação ... 45

Figura 52 - Túnel de ventilação ... 46

Figura 53 - selagem do túnel de ventilação ... 46

Figura 54 - Local de colocação do módulo, dois tubos para leitura de partículas ... 47

Figura 55 -a) Interface do leitor de partículas DUSTTRAK b) Manómetro de pressões diferenciais; Modelo HD755 da companhia EXTECH ... 48

Figura 56 - Perdas de carga e eficiências para vários tipos de EPR's ... 49

Figura 57 - Reóstato utilizado experimental com o propósito de variar a tensão fornecida aos ionizadores e coletores ... 49

Figura 58 - Eficiências versus tensão para o Módulo 3: Incenso ... 50

Figura 59 - Eficiências versus tensão para o Módulo 4: Incenso ... 51

xi

Figura 61 - Eficiência versus tensão para o Módulo 6: Incenso ... 52

Figura 62 - Eficiência versus tensão para o Módulo 6: Tabaco ... 52

Figura 63 - Eficiências versus tensão para o Módulo 1: Incenso ... I Figura 64 - Eficiências versus tensão para o Módulo 1: Tabaco... I Figura 65 - Eficiências versus tensão para o Módulo 2: Incenso ... I Figura 66 - Eficiências versus tensão para o Módulo 2: Tabaco... I Figura 67 - Eficiências versus tensão para o Módulo 4: Incenso, gama de tensões [2-4] kV ... II Figura 68 - Eficiências versus tensão para o Módulo 4: Tabaco, gama de tensões [2-4] kV ... II Figura 69 - Eficiências versus tensão para o Módulo 5: Incenso ... II Figura 70 - Eficiência versus tensão para o Módulo 7: Incenso ... III Figura 72 - Eficiência versus tensão para o Módulo 7: Tabaco ... III Figura 71 - Simulação das perdas de carga para o módulo 1 ... III Figura 73 - Simulação das perdas de carga do módulo 2, vista geral e vista lateral ... IV Figura 74 - Simulação das perdas de carga do módulo 3 ... IV Figura 75 - Simulação das perdas de carga do módulo 4 ... IV Figura 76 - Simulação das pressões diferenciais no módulo 5 ... V Figura 77 - Simulação das pressões diferenciais no módulo 6 ... V Figura 78 - Simulação das pressões diferenciais no módulo 7 ... V

Índice de Tabelas

Tabela 2 - Valores estabelecidos pela UE para partículas [9,2] ... 5

Tabela 3 - EN143 e EN149 de 2001 para filtros e filtros aplicados em respiradores ... 26

Tabela 4 - Valores máximos de resistência à respiração para filtros de partículas segundo a norma EN143:2001[36][37] ... 27

Tabela 5 - Classificação segundo EN 14387:2004+A1:2008 ... 27

Tabela 6 - Fatores de proteção [40] ... 28

Tabela 7 - Condições fronteira definidas no software para as diferentes simulações ... 37

Tabela 8 - Resumo dos valores provenientes das simulações ... 38

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Simbologias e Notações

EPR(s) -Equipamento(s) de Proteção respiratória

HEPA - High Efficiency Particulate Air

ESP- Electrostatic Precipitator

PAPR – Powered Air-Purifying Respirator

OMS – Organização mundial de Saúde – WHO(english acronym) EU – European Union

EHD – electrohydrodynamic PM - Particulate Matter

VOCs- Volatile organic compounds EPA- Environmental Protection Agency CFD – Computational fluid dynamics SCBA – self -contained breathing apparatus

NIOSH - National Institute for Occupational Safety and Health APF-Assigned Protection Factor

PF – Protection Factor

NPF- nominal protection factor FFP – filter facepiece

OSHA - Occupational Safety and Health Administration FF- fit factor

CE- Comissão europeia FDM-finite difference method FEM-finite explicit method FVM-finite volume method

PDE- Partial differential equations

1

1.Introdução

Por poluição define-se a introdução de qualquer substância, acima de uma dada concentração, que possa ter consequências nocivas à saúde humana e meio ambiente. Para esta tese o foco será a poluição do ar ambiente, que pode ocorrer através de líquidos, gases, sólidos em suspensão ou até mesmo energia, e a sua interação com o Homem. Os poluentes atmosféricos podem ter fontes naturais como erupções vulcânicas ou fontes artificiais devido à atividade humana.

De forma a proteger-se dos diversos ataques à saúde, o Homem recorre a equipamentos que protejam as suas vias respiratórias eficientemente das mais diversas partículas presentes no ar exterior. O uso mais recorrente é o de respiradores caracterizados por elevadas eficiências, porém com elevada resistência à respiração do utilizador. Este tipo de filtros requer uma manutenção regular ou trocas dos diferentes filtros, aplicados aos respiradores, de forma a não prejudicar a eficiência do equipamento ao longo da sua utilização.

A precipitação eletrostática aplicada a um respirador permite alcançar elevadas eficiências de filtragem para todo o tipo de partículas a baixas perdas de carga para o utilizador, facilitando a sua respiração e aumentando o seu conforto. Será necessária uma limpeza regular do coletor de forma a evitar perdas de eficiência devido à acumulação de partículas. O conceito de precipitação eletrostática estudado neste trabalho vem oferecer alternativas viáveis ao mercado existente de equipamentos de proteção respiratória (EPRs)

Nesta tese desenvolveu-se um protótipo de máscara facial baseada no princípio da precipitação eletrostática com o objetivo de oferecer um conceito inovador de EPR – um EPR sem limitações à respiração normal dos utilizadores. Para tal desenvolveu-se um método que permitisse quantificar a eficiência e perdas de carga do sistema. Inicialmente uma simulação computacional eletrohidrodinâmica possibilitou a obtenção de dados relativos a parâmetros de desempenho fundamentais no precipitador eletrostático.

Os módulos otimizados através das simulações foram submetidos a um teste experimental para obtenção de valores experimentais que permitissem provar o potencial do sistema no mercado atual de EPRs.

2

2. Partículas em suspensão no ar ambiente-classificação, impactos

e legislação

Neste capítulo pretende-se compreender o que são as partículas em suspensão no ar ambiente, como se caracterizam, que impacto podem ter na vida do Homem e a legislação relacionada.

2.1 Partículas

O ar ambiente é constituído em mais de três quartos (≈78%) do seu volume de azoto e 21% de oxigénio, representando estes a maioria da constituição do ar que respiramos. Em menor percentagem encontram-se gaencontram-ses como o árgon (0.9%), dióxido de carbono (0.03%) e vapor de água (3%) [1]. Outros gaencontram-ses ou partículas presentes no ar são considerados poluentes tal como qualquer um dos gases já referidos, quando presentes em elevadas concentrações.

Os poluentes podem surgir em três diferentes estados: liquido, gás ou sólido. São uma mistura de partículas incluindo poeiras, fumos, nevoeiros, neblinas e organismos. Têm tanto origem natural como incêndios, vento e erosão, mas também a maior parte das partículas atualmente tem origem antropogénica.

De forma a reduzir os níveis de poluição atmosférica é necessário entender quais as principais fontes antropogénicas de poluição. O passo seguinte na redução da poluição é diminuir e controlar as emissões das partículas dessas mesmas fontes.

Apesar do decréscimo da concentração de poluentes do ar ambiente nas últimas décadas, que é apresentado na Figura 1,existem ainda sectores que não reduziram as suas emissões.

De notar que a monitorização da concentração das partículas no ar (PM 2.5) só começou a ser realizada a nível europeu a partir dos anos 2000, altura em que a tecnologia se terá tornado mais acessível e a temática da poluição terá ganho maior importância.

Figura 1 - Emissões totais dos principais poluentes atmosféricos [2]

2.1.1 Tipos de Partículas e Classificação

As poeiras comuns são constituídas por diversas partículas em suspensão como: pêlos de animais, poléns, esporos de plantas, fungos e ácaros. As poeiras são partículas no estado sólido com origem em processos naturais ou mecânicos que se encontram no ar devido à ação do vento. Só é considerada poeira qualquer partícula cujo diâmetro seja inferior a 100 µm.

Fumos são partículas no estado gasoso, ou uma mistura entre gasoso e sólido, provenientes de uma combustão incompleta cujo tamanho médio varia entre 0.1 µm e 0.3 µm.

3 Por último até micro-organismos se podem encontrar como bactérias, bolores, vírus e esporos [3]. Os vírus e bactérias podem ser bastante pequenos na casa das centésimas do micrómetro, mas podem se agregar com a saliva e assim tornam-se maiores e mais fáceis de remover. Já os esporos são de dimensões superiores atingindo as dezenas de micrómetros de diâmetro.

Os nevoeiros e fogs são um agregado de pequenas gotas de partículas que em condições de pressão e temperatura normais estariam no estado líquido.

Os tamanhos das diferentes partículas podem sofrer alterações devido a diferentes processos como colisões devido a forças gravitacionais, vento, forças elétricas, evaporação ou condensação. Existindo assim uma vasta gama de morfologias e propriedades químicas e físicas das diferentes partículas numa amostra de ar. Este aspeto é fundamental para o estudo de um filtro, visto ser necessário a escolha adequada de um filtro consoante o ambiente poluído onde se encontrará.

É apresentado uma figura que resume as variadas partículas em termos de diâmetro.

Figura 2 - Distribuição de partículas por dimensões [4]

2.1.2 Impactos na Saúde

Segundo Kampa e Castanas (2008) [5], para além das comuns alergias que as variadas partículas poderão causar, quando em elevadas concentrações provocam e agravam ataques de asma ou bronquite, sendo os doentes respiratórios os mais suscetíveis a esta situação.

4 Em casos extremos de exposição à poluição podem surgir doenças como o cancro dos pulmões. A poluição do ar é o 4º maior fator de risco para a saúde do povo chinês num estudo realizado pelo

Global Burden of Desease em 2010, em particular as partículas em suspensão com um diâmetro inferior

a 2.5µm. [6,7] . É de extrema importância poder controlar e reduzir estes níveis de poluição ao qual as pessoas estão expostas no exterior.

2.1.3 Legislação e normas

De forma a reduzir a exposição da população à poluição, e a reduzir o impacto que esta tem na saúde e no ambiente, são várias as imposições legais, normativas e de referências em vigor.

Mundo;

Em 1987 a OMS (Organização Mundial de Saúde, WHO) introduziu diretrizes baseadas em provas científicas extraídas de inúmeros estudos sobre efeitos da poluição do ar na saúde do Homem. O documento, que vem sido atualizado, tem como principal objetivo disseminar informação para que as diferentes legislações mundiais possam ter maior impacto no controlo e redução dos níveis de poluição ou simplesmente informar cada cidadão dos riscos que corre. Para tal, foi necessário identificar as partículas de interesse a serem regulamentadas.

Surge como critério a Particulate Matter (PM), termo usado para a mistura de partículas sólidas e pequenos líquidos presentes no ar que podem assumir as mais pequenas dimensões na escala do nanómetro até às dimensões visíveis a olho nu. Os valores adotados pela Organização Mundial de Saúde são os PM2.5 e PM10. Podem-se expressar em μg/m3 ou ng/cm3 sendo PMx as partículas que atravessem,

com 50% de eficiência, um orifício com o diâmetro “X” [8]. Dando o exemplo das PM2.5, serão todas

as partículas que consigam atravessar com 50% de eficiência um orifício de 2.5μm de diâmetro. Apesar de geralmente associarmos uma partícula a um formato esférico, esta poderá ter variadas formas e tamanhos. Uma partícula com um diâmetro de 2.5 μm, mas com um comprimento considerável poderá não atravessar a abertura dependendo da orientação da partícula em relação ao orifício.

PM2.5 são as principais partículas responsáveis pelos efeitos negativos na saúde observados nos

ambientes urbanos. Penetram profundamente no sistema respiratório podendo alcançar a corrente sanguínea através dos alvéolos pulmonares. As PM10 penetram profundamente nos pulmões e são

formadas essencialmente por processos mecânicos como atividades de construção, ventos ou provenientes de fontes de combustão. Os diferentes tamanhos influenciam a mobilidade das partículas e o seu tempo de permanência em suspensão no ar.

O mais recente documento concebido pela OMS tem o título “WHO Air quality guidelines for

particulate matter, ozone, nitrogen dioxide and sulfur dioxide” e foi atualizado em 2005 contendo já

limites aconselháveis para a concentração de diversos poluentes atmosféricos [9]. Surgindo os seguintes valores para as Particulate matter:

Tabela 1 - Valores estabelecidos pela OMS para partículas [9]

Partículas Valor Média

PM 2.5 10 μg/m 3 _anual 25 μg/m3 _{24 horas} PM 10 20 μg/m 3 _anual 50 μg/m3 _{24 horas}

Nos Estados Unidos da América a autoridade competente pela legislação e regularização destes valores é a EPA (Environmental Protection Agency), que em 2012 definiu os limites máximos de 12 μg/m3 _no

que toca a PM2.5 numa base anual e a base de 24 horas mantem-se nos 35 μg/m3.

5

Europa e Portugal;

Portugal, como Estado-Membro, tem de se reger pela mesma diretiva sendo que os valores atuais legislados são os seguintes:

Tabela 2 - Valores estabelecidos pela UE para partículas [9,2]

Poluente Valor Média Excedências

permitidas por ano

PM 2.5 25 μg/m3 _{24 horas n/a}

PM 10 40 μg/m3 _{anual n/a}

50 μg/m3 _{24 horas 35}

A crescente preocupação do efeito da poluição na saúde do Homem traduziu-se num progressivo acompanhamento e estudo das partículas finas presentes no ar. Como por exemplo, em 2014 a União Europeia realizou um levantamento das concentrações de PM 2.5 a todos os estados membros da união europeia usando os valores médios anuais de concentração. Foram obtidos os valores mínimos, máximos e médios para todos os países. Os retângulos marcam o percentil de 25% e 75% tendo obtido a seguinte figura:

Figura 3 - Concentração de PM2.5 em comparação com o valor limite de 2014 nos 28 estados membros da EU NOTA: Linha vermelha – limite anual estipulado pela EU; Linha azul – limite anual estipulado pela WHO

A Figura 3 mostra que os valores limite foram ultrapassados em 4 estados membros, tendo sido registadas tais ocorrências em áreas urbanas ou suburbanas.

Com o estudo a nível europeu e global da poluição atmosférica, em especial ênfase nas partículas finas, é possível agora apresentar as diversas soluções existentes no mercado que visam a filtragem destas mesmas partículas.

6

3.Soluções existentes- Equipamentos individuais de proteção das

vias respiratórias

Os filtros de ar foram evoluindo e baseiam-se em princípios físicos e/ou químicos, o grande propósito é obter o máximo de retenção de partículas. Diferentes tipos de tecnologias têm diferentes processos de funcionamento e dependendo da tecnologia aplicada existirá uma filtração específica. Os filtros de ar, presentemente, são um sistema composto por mais de um tipo de tecnologia de forma a otimizar todo o processo.

3.1 Critérios de desempenho

Durante o processo de seleção de um filtro de ar é necessário fazer um estudo de propriedades do local de forma a garantir a melhor resposta à tarefa designada. O estudo deverá focar-se nos seguintes aspetos: • Começar por caracterizar os contaminantes do ar, o tamanho das partículas mais dominantes no

fluido e a concentração dessas partículas e poeiras

• A eficiência alvo do filtro de ar para as partículas especificadas • O consumo elétrico do filtro para as metas estabelecidas (caso haja) • Analisar as perdas de pressão do filtro e o tempo de vida do sistema

Diferentes situações requerem diferentes abordagens e consequentemente diferentes tipos de filtro. De forma a distinguir diferentes desempenhos dos filtros existem critérios como a eficiência, perdas de carga e capacidade de retenção de partículas.

A eficiência do sistema poderá entender-se como a eficiência global do sistema tendo em conta todos os aspetos técnicos (consumo de energia, remoção de partículas, etc).

As perdas de carga representam a consequência para o escoamento do fluido, em termos de pressão estática, do atravessamento do ar através do filtro. Quanto maior for a perda de carga do fluido num filtro maior será a necessidade de uso de mecanismos de propulsão e maior o consumo elétrico do sistema.

A capacidade de retenção de partículas é a massa de partículas que um filtro consegue reter até a sua eficiência sofrer alterações consideráveis ou até atingir a perda de carga máxima. Sendo assim, determinado o tempo de vida de um sistema e quando é necessário substituição ou manutenção do filtro. Os critérios de desempenho permitem ao utilizador a escolha mais apropriada de um filtro para diferentes situações. Dependendo da sua utilização, tanto para uso exterior em respiradores ou uso interior em filtros de ar.

3.2 Mecanismos de remoção de partículas

A remoção das partículas de uma porção de ar é realizada através da combinação de diferentes mecanismos. Os mecanismos responsáveis pela captação de partículas são o impacto, estrangulação, difusão, interceção e efeitos eletrostáticos. Diferentes tecnologias de filtros baseiam-se em diferentes mecanismos de captação de partículas:

A remoção por impacto ocorre quando existe uma mudança repentina de direção das partículas causando um embate das mesmas com o meio fibroso do filtro devido à inércia das partículas: a incapacidade de alterarem a sua direção de modo a evitar a fibra. A inércia das partículas é ditada pelo seu tamanho, densidade, velocidade ou formato.

Estrangulação ou sedimentação é o mecanismo que promove a limpeza do ar através da captação das partículas numa malha com espaçamentos inferiores ao diâmetro das partículas, ficando estas colhidas na malha do filtro. Este mecanismo baseia-se essencialmente na gravidade para atrair as partículas para o meio fibroso, portanto fluxos de ar mais lentos favorecem este mecanismo.

A difusão caracteriza-se pelo movimento aleatório de partículas de encontro com o filtro ou meio de filtragem. É o principal mecanismo responsável pela captação das partículas muito finas. O movimento de partículas com menores dimensões é afetado pelo choque com as moléculas do ar e dado isso podem

7 cruzar-se ao acaso com o tecido fibroso e ocorrer a retenção das partículas. O movimento aleatório das partículas depende fortemente do tamanho da partícula e da temperatura do ar. Com a diminuição do tamanho da partícula e o aumento da temperatura média do ar ocorre uma maior difusão da partícula aumentando assim a possibilidade de captura desta na fibra. Um baixo fluxo de ar também é uma vantagem, visto que a partícula fica mais tempo no interior do filtro aumentando a probabilidade da sua captura.

A interceção ocorre quando as partículas se aproximam de uma fibra perpendicular ao caminho do fluido, divergem e comprimem de modo a contornar a fibra e retornar o seu caminho posteriormente. Se a dimensão da partícula for suficientemente grande de modo a encontrar-se com a fibra, esta é capturada. Com o aumento das partículas aumenta também a probabilidade de interceção das mesmas pelo meio fibroso. Neste mecanismo as partículas não se desviam do seu percurso.

A captação de partículas através de atração de cargas elétricas é um fenómeno conhecido como eletrostática. A partícula é carregada e as fibras do filtro têm a carga oposta favorecendo assim o encontro de ambas e consequentemente a captura das partículas. [10]

Figura 4 - Mecanismo de : a) impacto b) sedimentação c) difusão d) intercepção [10]

a) _b)

8

3.3 Tecnologias

3.3.1 Filtro físico

O filtro físico é um tipo de filtro que representa uma barreira física para as partículas entre dois ambientes. Uma malha de fibras com diferentes tamanhos e dispostas aleatoriamente de forma a captar o máximo de partículas possível.

Segundo critérios do Departamento de Energia dos Estados Unidos da América, um filtro físico que remova pelo menos 99.97% das partículas presentes com dimensões iguais ou inferiores a 0.3 micrómetros é designado um filtro HEPA (High Efficiency Particulate Air). [11]

O HEPA é o tipo de filtro mais recorrente no mercado, presente em aviões, carros, aspiradores e aplicações biomédicas. Este tipo de filtros foi projetado durante o Projeto Manhattan [12] com a necessidade de impedir a propagação de partículas radioativas no local de estudo. Porém devido à sua constituição, o filtro HEPA é caracterizado com um elevado valor de resistência ao fluxo de ar a rondar os 300 Pa, dificultando assim a respiração no uso com respiradores ou a sua utilização em simultâneo com soluções de ventilação natural, exigindo mecanismos de propulsão de fluidos com elevado consumo elétrico.

Existe outro tipo de filtro físico, Charged Media filters, que retém as partículas no aparelho devido à presença de um filtro (semelhante ao HEPA) com carga eletrostática de forma a garantir uma retenção com maior eficiência. Têm maior eficiência que os filtros HEPA em termos de captação de partículas de dimensões reduzidas, porém necessitam de manutenção mais regular visto que se o filtro acumular muitos resíduos a sua eficiência decresce rapidamente em simultâneo com o aumento de perda de carga.

Figura 6 - Exemplo da constituição de um filtro HEPA[13] Figura 5 - Mecanismo eletrostático [10]

9

3.3.2 Filtro impregnados

São fibras altamente porosas embebidas ou revestidas em material viscoso, como o óleo que facilitam o processo de filtragem das partículas. Este tipo de filtros é caracterizado por baixas perdas de carga (na ordem dos 100 Pa) e um baixo custo face à eficiência alcançada. A eficiência é razoável devido à disparidade de captação entre partículas de maiores dimensões e partículas mais finas. As partículas maiores são facilmente capturadas, porém as mais finas atravessam facilmente o filtro. Por esta razão são apenas usados como pré-filtros para filtros de maior eficiência ou aplicados mais na área residencial. [14]

3.3.3 Filtro de precipitação

Os filtros de precipitação eletrostática, são uma tecnologia que através da criação de um campo elétrico originará descargas de corona responsáveis por carregarem electrostaticamente as partículas do ar. A retenção ou captação das partículas, carregadas eletrostaticamente, ocorre numa placa ou superfície aderente à qual chamamos coletor. O fio condutor (ionizador) irá criar iões que ao aderirem às partículas presentes no ar, serão facilmente captadas pela placa coletora quando sujeita ao potencial correto. Esta tecnologia tem um consumo energético reduzido, estando apenas dependente do caudal de ar para garantir a filtração. A placa coletora com o uso não precisa ser substituída, apenas lavada regularmente para não afetar a eficiência do sistema.

Com o mesmo princípio do precipitador eletrostático, existem os filtros de iões ou de ozono, porém a sua precipitação ocorre em qualquer superfície adjacente, tratando-se de pavimento ou paredes. A sua eficácia em termos de limpeza de uma divisão reduz drasticamente devido à acumulação de partículas captadas nas superfícies às quais chamamos pontos sujos (dirty spots).

Com estes três tipos de tecnologias baseadas em descargas elétricas surge o inconveniente da produção de ozono. A concentração de ozono deve ser controlada visto que pode causar problemas de saúde e a maior parte dos filtros no mercado já contêm medidas de redução ou controlo. Apesar deste inconveniente são aplicados em quartos de isolamento de hospitais visto que são altamente eficazes no combate aos agentes infeciosos e bolores.

3.3.3.1. Precipitação eletrostática-principio teórico

O filtro de precipitação eletrostática é uma tecnologia bastante aplicada maioritariamente nas indústrias, visto que consegue suportar grandes volumes de ar com uma variada gama de temperaturas e pressões obtendo eficiências de remoção de partículas na ordem dos 99%. Normalmente são instalados em chaminés industriais como medida de controlo de emissões e podem atingir dimensões até 10 metros de altura tornando-se assim dispendiosos.

O funcionamento do filtro baseia-se, como o nome indica, na precipitação eletrostática. A captura de moléculas ou partículas através da atração ou repulsão de cargas elétricas. As cargas opostas atraem-se ou repulsam-se se forem cargas do mesmo sinal. Usa-se esta propriedade para remover facilmente do fluido uma partícula carregada eletrostaticamente para uma placa coletora de sinal oposto.

O filtro é composto por uma região de ionização e uma superfície coletora. O processo será apresentado em seguida e pode ser resumido essencialmente por uma seção onde o ar é ionizado, as partículas serão carregadas eletrostaticamente com as cargas livres ionizadas, facilitando a atração das mesmas para o coletor através do campo elétrico criado entre a região de ionização e o coletor.

• Ionização

Intencionalmente as partículas são carregadas com uma dada carga (sinal positivo ou negativo) ao atravessarem o que chamamos de ionizadores ou elétrodos de descarga. São frequentemente fios equidistantes, com espessura reduzida de modo a potenciar a ionização do ar envolvente aos mesmos. É aplicada corrente direta nos ionizadores, mantendo-os a elevados valores de tensão na ordem de grandeza dos kV. Dada a sua geometria e reduzida espessura os valores de tensão necessários para criar uma descarga que ionize o ar envolvente são menores. A descarga ocorre quando o campo elétrico tem uma intensidade alta o suficiente ao redor de um condutor de forma a produzir uma região condutora (o ar). Caso a intensidade seja demasiado alta causará a quebra do campo elétrico e ocorrem faíscas e descargas diretas de corrente.

10 A corrente (cargas livres) flui de um elétrodo com potencial elevado para um fluido neutro, neste caso o ar, ionizando-o e criando uma região de plasma em redor do ionizador. Esta região é composta por diversos iões que irão aderir mais tarde às partículas e serão os responsáveis pela atração das partículas ao coletor.

De preferência estes ionizadores devem ser carregados com uma tensão positiva, de modo a criar uma descarga de corona positiva. Este tipo de descarga leva à criação de ozono, um gás prejudicial ao homem, porém, a geração de ozono é de uma ordem de grandeza inferior quando comparada à geração de ozono por uma descarga negativa [15]. Isto ocorre porque o número de eletrões nas descargas negativas é de uma ordem de grandeza superior e a região do plasma de corona criado estende-se para além da região de ionização [16]. É bastante importante controlar e reduzir ao máximo a produção de ozono porque em pequenas concentrações é fatal. A diretiva europeia regula que não deve ser ultrapassado o valor de 0.12 ppm de O3 para a média diária de 8 horas de trabalho [3] enquanto que a WHO é mais restrita e define

0.1 ppm de O3 na mesma série temporal. [9]

• Carregamento de partículas

A ionização cria eletrões livres que serão afastados dos ionizadores por forças do campo elétrico criado pelos mesmos ionizadores. Estas forças irão acelerar os eletrões que irão chocar com as moléculas do fluido ionizando-as.

As moléculas do gás ionizadas, ocasionalmente encontram-se com as partículas presentes no fluido. As partículas que desejamos filtrar podem sofrer diversos agregamentos de moléculas ionizadas até a partícula atingir a carga de saturação onde não é possível mais nenhuma molécula se agregar. Neste ponto a partícula já está carregada eletrostaticamente tendo o seu próprio campo elétrico e será atraída para a placa coletora. As partículas de maiores dimensões têm uma carga de saturação superior (conseguem agregar mais moléculas ionizadas) e consequentemente sentirão maior atração por parte da placa coletora facilitando a sua coleção.

• Coleção de partículas

A placa coletora é o componente onde ocorrerá a deposição ou fixamento das partículas. Segundo o princípio eletrostático, a placa sendo eletrificada de maneira a que a sua carga seja oposta à da partícula produzirá uma força de atração na mesma devido ao campo elétrico criado. Pode, simultaneamente, existir movimento das partículas carregadas eletrostaticamente para a placa coletora através de difusão de cargas, que como indica é o movimento aleatório das partículas ir de encontro à placa coletora. Após aderirem à placa coletora, a carga das partículas é removida através de uma ligação à terra, de forma a não se acumularem inúmeras cargas de sinal oposto no coletor e neutralizar o efeito desejado. A contínua deposição de partículas na placa coletora e a sua não remoção leva a um aumento da camada de partículas que poderá afetar a eficiência do filtro. Em certos casos existem componentes nos sistemas que removem a sujidade quando esta se começa a acumular não pondo em risco a eficiência do sistema. Caso o coletor seja no formato tubular, o mais usual é ser limpo através de jatos de água enquanto que as placas coletoras planas (mais utilizadas) são também limpas por jatos de água ou um processo chamado “rapping”. Este último processo consiste em pequenas vibrações ou impulsos na placa coletora de modo a remover as camadas de poeiras que se foram agregando.

3.3.3.2. Precipitador eletrostático - constituição 3.3.3.2.1. Tipos de ESP

Os filtros eletrostáticos podem ser classificados de diferentes maneiras de acordo com as suas especificações técnicas. Essas classificações baseiam-se em:

• Método de carregamento - de uma só unidade ou várias unidades.

Os filtros de uma só unidade têm uma área comum onde ocorre a ionização e a separação das partículas pelo mesmo campo elétrico que cria a descarga de corona. Este tipo de filtros são os que provocam maior geração de ozono.

11 Os filtros de várias unidades separam a área onde ocorre a ionização da área onde há coleção de partículas, sendo esta feita em uma ou mais unidades através de coletores com campo elétrico estático onde não existe descarga de corona e consequente produção de ozono.

• Estrutura dos coletores –placas, tubos ou grelha • Estrutura dos ionizadores – fios ou placa

• Temperatura de operação – “cold-side e “hot-side” • Método de remoção de partículas – Seco ou húmido

3.3.3.2.2. Estrutura de coletor

• Tubular

Os precipitadores tubulares são coletores cilíndricos com os ionizadores (fios) colocados centralmente ao longo do comprimento do cilindro. O gás percorre verticalmente o interior dos tubos sendo ionizado e as partículas serão removidas nas paredes cilíndricas dos tubos. As poeiras deverão ser depois removidas com jatos de água e o precipitador deverá ser bem selado para evitar fugas do material precipitado. São usados maioritariamente para neblinas sendo apropriados para remover partículas húmidas, como por exemplo centrais que trabalhem com ácido sulfúrico, tratamento de gases ou centrais de tratamento de aço.

Figura 7 - Exemplo de um coletor tubular

• Placa

É o formato de coletores mais utilizado, sendo mais propício para remoção de partículas secas. Neste tipo de desenho de coletor qualquer conceito de ionizador é compatível seja fio, grelha ou placa. O gás entra na seção de ionização onde os ionizadores estão equidistantes entre si e todos à mesma distância para as placas coletoras.

Este design é utilizado para recolher partículas em suspensão da maior parte das indústrias, incluindo vidro, cimento ou papel. Tem a capacidade de tratar elevados volumes de gás e são concebidos para atingir elevadas eficiências de filtragem de partículas. São feitas geralmente de aço carbónico (a sua forma mais básica) ou aço inoxidável de maneira a evitar corrosão da placa. As placas são de reduzida espessura e espaçadas de 15 a 30 cm quando usadas com fios ionizadores.

12

Figura 8 - Exemplo de um coletor em formato de placa

Os coletores podem surgir também numa grelha de fios como têm surgido nos últimos anos vários exemplos de ESP (Electrostatic Precipitator). O principal propósito da alteração de estrutura é eliminar a possibilidade de os fios não serem equidistantes como pode acontecer quando estão dispostos na vertical e também aumentar a área de coleção de partículas. Inconvenientemente, caso uma das pontas do coletor se solte da grelha é necessária a remoção de todo o coletor para a reparação de um só fio.

3.3.3.2.3. Ionizadores

Os ionizadores ou elétrodos de descarga são na sua maioria fios de reduzida espessura e redondos com 1 a 4 milímetros de diâmetro. Podem ser colocados verticalmente suspensos num suporte rígido com um peso na parte inferior que permite que fiquem alinhados. O fio em geral é de aço, cobre, alumínio ou titânio, de preferência um material altamente condutor e o menos dispendioso possível. As pontas dos fios têm de estar isoladas para minimizar as faíscas e erosão consequente do metal. Já foram utilizados diferentes conceitos de ionizador como o fio torcido e restantes opções que surgem na seguinte figura:

Figura 9 - Diferentes designs de ionizadores já utilizados

3.3.3.2.4. Circuito elétrico

O equipamento elétrico é uma parte fundamental de um ESP tendo a função de controlar e criar a força do campo elétrico gerado entre os ionizadores e os coletores. Cria-se o campo elétrico através de uma fonte que consiste num transformador e um retificador. Sem pôr de parte a segurança, é necessário um circuito de proteção também. A fonte tem como função manter a tensão ao nível necessário para criar ionização sem provocar faíscas entre ionizador e coletor. Uma tensão contínua ao longo do tempo e estável.

13 O transformador eleva as tensões de rede para valores superiores, na ordem de grandeza dos kV. Enquanto que o retificador converte corrente alternada em corrente direta que é necessária para ocorrer a ionização.

O filtro deve sofrer modificações em termos de operação e de especificações de modo a melhorar a eficiência na coleção de partículas como também a reduzir a produção de ozono.

Nos seguintes parágrafos serão referenciados os diferentes parâmetros que influenciam o desempenho de um filtro bem como a sua produção de ozono.

3.3.3.3. Parâmetros que influenciam a coleção de partículas

• Partículas e suas propriedades

Segundo Yu Lin e Jinn Tsai [17] comprovaram experimentalmente, a eficiência na filtragem das partículas aumenta com o incremento do diâmetro das partículas envolvidas. Será mais fácil captar uma partícula quando esta apresenta maiores dimensões como pode ser verificado na figura seguinte:

Figura 10 - Variação da eficiência do ESP em função do diâmetro das partículas, para diferentes valores de tensão do ionizador, adaptado de [17]

Tal resultado pode ser explicado pelas forças que atuam na partícula: a força de arrasto ou drag force (FD) causado pelo movimento do fluido e a força eletrostática devido à carga da partícula (FE). Estas

forças atuam na partícula e influenciam a sua velocidade de drift. A velocidade de drift é a velocidade com que uma carga se desloca quando submetida a um campo elétrico.

A força de arrasto tem pouca influência na partícula dado a sua pequena dimensão, porém a força eletrostática tem um maior papel neste tipo de sistemas. Uma partícula com maior diâmetro consegue captar um maior número de cargas e assim sentir uma maior atração por parte do coletor que consequentemente origina uma maior eficiência na coleção.

𝑤

=

𝑑

𝐸

𝐸

4𝜋𝜇

Equação 1 - velocidade de drift de uma partícula [18]

Pela Equação 1 justifica-se que quanto maior o diâmetro de uma partícula maior será a sua velocidade de drift (we). O rácio entre a força eletrostática e de arrastamento a atuar sobre a partícula aumenta com

o incremento do diâmetro da partícula tendo o coletor uma maior influência sobre a partícula.

Para além das dimensões das partículas, a sua resistividade elétrica influencia o desempenho do filtro. Uma partícula com baixa resistividade elétrica significa que facilmente perderá as cargas elétricas que

NOTA: Eo-intensidade do campo elétrico do ionizador ; Ep- intensidade do campo elétrico do coletor ; µf- viscosidade do fluido ; dp- diâmetro da partícula

14 aderiram à sua superfície, aumentando a probabilidade da partícula reentrar no fluido quando ocorrer a sua coleção na placa coletora. Naturalmente a eficiência de coleção do sistema reduz.

No caso de a partícula ter uma resistividade elétrica muito elevada também é prejudicial ao funcionamento do sistema. A acumulação de partículas na placa coletora com dificuldade em perder as cargas elétricas adquiridas terá um efeito atenuador no campo elétrico do coletor. Reduzindo o efeito de atração do campo elétrico no sistema, a coleção das partículas será mais difícil, causando uma diminuição da eficiência do sistema. No caso de existir uma elevada acumulação de cargas no coletor poderá levar ao aparecimento de pequenas descargas ou faíscas denominadas de “back corona”. Em suma os extremos de resistividade elétrica são prejudiciais para o funcionamento do ESP. [18]

• Magnitude e polaridade da tensão aplicada

A ionização é o processo fulcral em qualquer ESP, sendo por isso, o processo alvo de maior otimização. Para ocorrer ionização são necessárias tensões elevadas no sistema e tal fenómeno é potenciado pela tensão fornecida ao ionizador. Analisando novamente a Equação 1 constata-se que quanto maior a tensão aplicada maior será a velocidade de drift da partícula e consequentemente mais fácil a captação da partícula aumentando a eficiência do sistema.

Aumentando a magnitude da tensão aplicada aos terminais dos ionizadores a intensidade do campo elétrico no precipitador aumenta, levando a um maior número de iões livres. Consequentemente existirá maior número de moléculas de gás a serem ionizadas em movimento, o que significa que maior será a corrente, denominada de corrente de corona. Visto existirem mais cargas livres que possam agregar-se às partículas aumenta a probabilidade de captação das mesmas.

A aplicação de uma tensão excessiva aos ionizadores poderá causar pequenas descargas (faíscas) do campo elétrico. Estas descargas ocorrem visto que o gás se torna condutor entre a placa coletora e o próprio ionizador. As descargas elétricas não são favoráveis ao processo dado que levam ao colapso do campo elétrico interrompendo a ionização das moléculas do gás e a sua coleção. [18] [19]

No caso de a polaridade aplicada aos terminais do ionizador ser positiva, é necessária uma maior tensão para que obtenha um certo valor de corrente de corona como pode ser verificado pelos diferentes gráficos apresentados posteriormente (Figura 11). Sendo a nível de desempenho preferencial a aplicação de polaridade negativa para atingir corona, que se traduz numa poupança nos custos elétricos(Figura 11 a).

Figura 11 -a) Características elétricas do ESP comercial estudado na referência [15] b) Efeitos da polaridade da tensão na produção de corrente de Corona, adaptado de [20]

a)

15

Figura 12 - Eficiência de coleção para as duas polaridades em função da tensão aplicada, adaptado de [20]

Na Figura 12 verifica-se que para a polaridade negativa obtém-se maiores valores de eficiência do que a polaridade positiva segundo o estudo de Zakariya Al-Hamouz intitulado de “Numerical and

experimental evaluation of fly ash collection efficiency in electrostatic precipitators” [20] que compara

valores obtidos experimentalmente com um método numérico de elementos finitos.

Contudo, como já foi referido anteriormente, a polaridade positiva produz menos ozono que a polaridade negativa devido ao menor valor de corrente de corona produzida, que é possível de constatar na Figura 11 b).

Em suma, quanto maior a tensão, maior será a eficiência. Sendo que a polaridade negativa exige um menor valor de tensão para a ocorrência de descarga de corona e, portanto, é mais eficaz.

• Distância entre ionizador e coletor

Este fator influencia a intensidade do campo elétrico. É um fator que causa bastante influência quando se trata de um ESP de uma só fase, onde o carregamento e captação das partículas se dá no mesmo local. O campo elétrico criado na região é simultâneo para ambos os componentes, portanto quanto maior a distância entre ambos os componentes do ESP menor será a força de atração do campo elétrico responsável pela captação das partículas. Resultando em uma menor densidade de cargas, exigindo um maior valor de tensão a aplicar para que ocorra ionização. [21]

Nos ESPs de múltiplas fases, onde existem regiões separadas fisicamente para o carregamento das partículas e para a sua coleção, a influência da distância entre o ionizador e o coletor na eficiência do sistema é irrelevante.

As pesquisas de Zakariya Al-Hamouz [20] e de Kim & Lee [21], respetivamente, focam este parâmetro que influencia da seguinte maneira o desempenho do ESP:

16

Figura 13 – a) Eficiência de coleção em função da distância entre ionizador (fio) e coletor(placa) ,adaptado de [20] b) Eficiência de coleção em função da tensão aplicada para diferentes distancias (Sx) entre ionizador e coletor ,adaptado de [21]

• Geometria dos ionizadores e quantidade dos mesmos

A descarga de corona ocorre quando o campo elétrico é forte o suficiente para ionizar o fluido e este tornar-se condutor. Se o ionizador tiver zonas/pontos salientes, a intensidade do campo elétrico nesse local será maior do que em outra região facilitando a descarga de corona. Daí o uso de fios ou placas com agulhas como foi referido no capítulo anterior na Figura 9.

Arif et al.[22] estudaram a influência deste parâmetro no seu artigo cientifico de título “CFD modeling

of particle charging and collection in electrostatic precipitators” obtendo a seguinte figura:

Figura 14 - Influência da distância entre ionizador e coletor na eficiência de coleção de partículas ,adaptado de [22]

17

Figura 15 - Influência de zonas pontiagudas na eficiência do ESP, adaptado de [22]

Como se pode verificar através da Figura 15, o elétrodo com cantos ou saliências obtém uma maior eficiência, este fenómeno é explicado pelos autores. Os cantos provocam uma região onde a densidade de cargas é alta e localizada, enquanto que para um fio essa densidade é uniforme ao longo do seu comprimento e de uma ordem de grandeza inferior.

A geometria dos ionizadores facilita o processo de ionização. Foi comprovado cientificamente que a redução do diâmetro dos fios ionizadores diminui a tensão ao qual ocorrem as descargas de corona, melhorando os consumos do filtro e a sua eficiência:

Figura 16 - Efeitos do diâmetro dos fios ionizadores no comportamento elétrico do ESP [15]

Com a redução do diâmetro dos ionizadores a curva I-V do filtro sofre um abaixamento. Para uma dada tensão aplicada a corrente de corona aumenta substancialmente, aumentando o número de cargas que poderão aderir às partículas. Como consequência teremos um aumento na eficiência do coletor:

18

Figura 17 – a) Eficiência de coleção para diferentes diâmetros de ionizadores em função da tensão aplicada, adaptado de [20] b) Eficiência da coleção para diferentes diâmetros de ionizadores em função da tensão aplicada,adaptado de [21]

Conjuntamente, a quantidade de ionizadores é um parâmetro importante na conceção do ESP. Poderá pensar-se que quanto mais ionizadores mais eficiente será o sistema, porém a partir de uma certa quantidade de ionizadores a eficiência do sistema estabiliza como é visualizado nas seguintes figuras (Figura 18). O consequente aumento de ionizadores para além dessa quantidade traria prejuízo ao sistema em termos de maior consumo elétrico e não um retorno equivalente na eficiência do sistema.

Figura 18 – a) Eficiência de coleção em função do número de ionizadores, adaptado de [22] b) Eficiências de coleção para diferentes quantidades de ionizadores,adaptado de [20]

Um aumento razoável do número de ionizadores leva à formação de uma densidade de carga mais uniforme espacialmente, aumentando a probabilidade de carregamento das partículas. Existindo um limite máximo de ionizadores que possam ser aplicados ao sistema sem colocar em risco a eficiência e a segurança elétrica do mesmo com possíveis descargas elétricas.

a) b)

b) a)

19 • Distância entre ionizadores

A distância entre ionizadores afeta o campo elétrico na região e consequentemente afeta a corrente produzida. Para qualquer tipo de escoamento no ESP é recomendado colocar os ionizadores no plano médio entre os coletores e em seguida realizar um estudo da variação da produção de corrente de corona em função da distância entre ionizadores. Como se pode verificar pela seguinte figura, o menor espaçamento entre fios ionizadores (Sy) não representa a maior eficiência de coleção de partículas visto

que os valores de eficiência tendem a estabilizar a partir de um dado distanciamento.

Figura 19 – Eficiência de coleção em função da tensão aplicada para diferentes espaçamentos entre ionizadores Sy [21]

Diversas referências constatam que para um dado raio de ionizador e distância entre ionizador e coletor existe um valor de espaçamento entre ionizadores para o qual o valor de corrente produzida é máxima. [23][24]

• Velocidade do fluido

A capacidade de retenção das partículas num dado ESP depende da velocidade do fluido que atravessa o sistema. Quanto menor for a velocidade, maior será o tempo a que as partículas estarão sujeitas às cargas provenientes do ionizador. Aumenta desta forma a probabilidade de as partículas serem carregadas e consequentemente a sua coleção. [25]

Figura 20 - Eficiência de coleção de partículas em função da velocidade do fluido, adaptado de [22]

• Humidade relativa

A humidade do ar a curto prazo tem poucos efeitos no ESP podendo causar um incremento ligeiro na eficiência de coleção visualizado na Figura 21, porém a longo prazo foram encontrados problemas mais sérios desde falhas momentâneas até falhas completas do sistema de coleção. Este problema ocorre com humidades relativas elevadas devido à elevada concentração de vapor de água que condensa na

20 superfície disponível do coletor, que devido aos movimentos do ar se encontra abaixo da temperatura de orvalho.

Com uma camada fina de água a superfície torna-se condutora e assim fornece uma hipótese de descarga da placa através do seu suporte levando à rápida degradação do ESP.

Figura 21 - Efeito da humidade relativa na coleção de partículas ,adaptado de [25]

3.3.3.4. Parâmetros que influenciam a produção de ozono:

• Tipo do ionizador

Segundo Davidson e Boelter [15] o material de que é feito o ionizador pode ter influência no desempenho do filtro eletrostático em termos de produção de ozono. Os materiais com maior tendência a criar óxidos terão uma maior produção de ozono e serão, consequentemente, mais prejudiciais à saúde do Homem. A energia mínima necessária para a ocorrência de corrosão num material em função da produção de ozono é evidenciada na Figura 22 :

Figura 22 – a) Influência da corrosão dos materiais na produção de ozono do ESP, adaptado de [15] b) Produção de ozono em função da corrente de corona gerada para diferentes materiais de elétrodo, adaptado de [16]

Verifica-se pela Figura 22 que os materiais menos reativos à oxidação (prata e cobre) são os que têm menor produção de ozono em comparação com outros como o titânio e o tungsténio.

• Corrente de Corona e magnitude e polaridade da tensão aplicada

Através da análise da Figura 23 b) verifica-se que quanto maior a corrente de ionização gerada no elétrodo, maior é a produção de ozono para um dado material. Este parâmetro está intimamente correlacionado com a tensão aplicada aos terminais dos ionizadores, em termos de magnitude e polaridade da mesma.

É de extrema importância conhecer a influência de ambos os parâmetros sobre a produção de ozono, como tal Feng et al.[26] realizou um estudo de onde surgiram as seguintes figuras:

21

Figura 23 - Produção de ozono em função de a) tensão aplicada e b) corrente de descarga para ambas as polaridades de tensão, adaptado de [26]

Como foi referido anteriormente, apesar da polaridade negativa obter uma ligeira melhoria nas eficiências do sistema verifica-se agora que essa polaridade produz ozono com uma ordem de grandeza superior quando comparada com a polaridade positiva, referido também previamente neste documento. Pela Figura 23 comprova-se que quanto maior a tensão aplicada e maior a corrente de descarga no elétrodo maior será a produção de ozono. Esta influência é explicada através do maior número de descargas de corona ocorridas devido a uma maior tensão aplicada nos ionizadores. O mesmo se sucede para a corrente produzida, quanto maior é o campo elétrico na região maior é a ionização do gás. Originando a formação de um maior número de cargas em movimento correspondendo a uma maior magnitude de corrente de descarga.

Figura 24 - Comparação de eficiências e produção de ozono para diferentes tensões e correntes de descarga, adaptado de [15]

Na Figura 24 podemos verificar a influência da corrente na produção de ozono e na eficiência do sistema simultaneamente numa escala normalizada. Comprovando por outra referência bibliográfica que quanto menor a corrente produzida menor é a eficiência e a produção de ozono. Pelos últimos dois testes é possível constatar que a corrente provoca uma maior influência na produção de ozono do que a tensão aplicada aos ionizadores

• Geometria dos ionizadores

O diâmetro dos ionizadores permite também reduzir a formação de ozono do ESP. Quanto menor o diâmetro dos ionizadores menor é a produção de ozono dos mesmos, visto que é necessária uma tensão inferior para a ocorrência da descarga de corona.

22

Figura 25 – a) Influência dos diâmetros dos ionizadores na produção de ozono. Adaptado de [15] b) Influência do diâmetro do ionizador e tensão aplicada na eficiência e produção de ozono do sistema. Adaptado de [15]

Novamente, segundo a pesquisa de Boelter e Davidson [15], comprovamos através de uma escala normalizada que quanto menor o diâmetro dos ionizadores maior é a eficiência do sistema e em simultâneo menor a produção de ozono.

Em suma, o filtro eletrostático tem as vantagens de ter um custo de operação baixo combinado com altas eficiências (incluindo para partículas de reduzidas dimensões). É capaz de processar elevados volumes de fluido com baixas perdas de pressão estática. Contudo tem um capital inicial elevado, a estrutura requer mais área que as restantes tecnologias e a sua eficiência é reduzida quando tem de processar partículas com elevada/reduzida resistividade elétrica.

3.4 Equipamentos de Proteção Respiratória

A permanência do Homem em ambientes exteriores é inevitável e de forma a poder evitar os diversos riscos para a saúde já evidenciados no capítulo “2.1.2 Impactos na Saúde”, surgiram diferentes equipamentos que visam a proteção das vias respiratórias de cada individuo.

É relatado desde o primeiro século o uso de vesículas de animais para proteção das vias respiratórias de trabalhadores romanos em minas [27] ou até a criação de um tecido fino embebido em água por Leonardo da Vinci que protegia os marinheiros de uma arma tóxica que ele próprio produzira. [28] O grande impulso que provocou uma rápida evolução e proliferação dos equipamentos individuais de proteção das vias respiratórias foi a Grande Guerra Mundial. O uso por ambas as partes de gases tóxicos como o gás de cloro levou à investigação de mecanismos de defesa, que por sua vez causaram uma grande produção de máscaras ou respiradores que filtrassem os componentes tóxicos e permitissem a sobrevivência das tropas. O gás cloro por ser um gás bastante mais denso que o ar quando libertado percorria as trincheiras obrigando os soldados a procurar terreno mais alto potenciando ainda mais o número de mortes.

Atualmente é estimado que aproximadamente 5 milhões de trabalhadores usem este tipo de equipamentos no seu local de trabalho. [27]

É necessário desde já distinguir o termo “máscara” de “respirador”. A máscara é um objeto utilizado de forma a criar uma barreira física entre o portador e o meio exterior com o intuito de reduzir a exposição ou a propagação de doenças através do contacto direto ou gotas. Ao contrário dos respiradores que têm como principal objetivo a proteção das vias respiratórias de pequenas partículas e de portadores de agentes infeciosos transmissíveis por vetor aéreo. [29][30]

Nestes próximos capítulos será feita a distinção e apresentação de ambos os equipamentos com especial detalhe no respirador.