Fundamentos da Filtragem de Ar

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1 Fundamentos da Filtragem de Ar Autor: Eng Edmilson Alves - Engenheiro Industrial Mecânico, Gerente Técnico Comercial da Camfil Farr Latin America e coordenador do GT Grupo de Trabalho de Filtros de Ar Contato: edmilson.alves@camfilfarr.com Por: Edmilson Alves Fundamentos da filtragem de ar Já há algum tempo, a filtragem de ar deixou de ser um problema já que representa custo indesejado, para tornar-se uma excelente fonte de economia de recursos, sejam eles financeiros, através de menores custos de operação, energia ou de melhorias de processos, preservação de equipamentos ou menor custo de retrabalho, pelo simples fato de que o conhecimento está chegando ao mercado, e o mercado com mais conhecimento usa os recursos racionalmente, ou seja, só o necessário. O objetivo desse artigo é o de apresentar alguns breves fundamentos da filtragem de ar, e deixar o leitor com anseio de conhecer mais e buscar as fontes necessárias para tal. Para tanto, iniciaremos com um pouco de história da filtragem de ar. A história dos filtros de ar A história dos filtros de ar começa não surpreendentemente com bombeiros. Imagine entrar em uma casa para fazer um resgate, apenas com um pano molhado amarrado em volta do seu rosto, como se fazia no princípio do século XIX! O primeiro relato de que isso mudou foi com John e Charles Dean, em 1823, quando patentearam seu novo dispositivo de proteção contra fumaça. O objetivo era o de proteger os bombeiros contra fumaça e os produtos químicos perigosos presentes no ar quando de suas lutas contra os incêndios. Posteriormente, esse dispositivo foi adaptado por August Siebe para uso por mergulhadores, que mais tarde deu origem às máscaras contra gás usadas na 1ª Guerra Mundial. Outros nomes importantes nessa trajetória de proteção respiratória foram Lewis Haslett, com seu Protetor Pulmonar (em tradução livre de Lung Protector) de 1849, e, finalmente, John Stenhouse, precursor da utilização do Carvão Ativado, já em O primeiro sistema híbrido de proteção de partículas (ar) e moléculas (gases) foi feito pelo físico inglês John Tyndall, em 1871, e isso permitiu aos bombeiros a mobilidade que hoje têm para combater os incêndios. Durante o século XX, em especial durante os períodos de guerra 1ª e 2ª Guerras Mundiais e mais ainda durante a Guerra Fria (décadas de 40 a 90), entre as potências de cada época, o ar era amplamente utilizado como veículo para armas de batalha, como o monóxido de carbono e gases à base de ácido clorídrico e o famoso gás mostarda, todos datados da 1ª Guerra Mundial, cujo baixo custo e poder letal era equivalente a muitas metralhadoras da época. Estava dada a largada para a corrida química e nuclear, que culminou com o norteamericano Projeto Manhattan, que desenvolveu as bombas atômicas usadas em Hiroshima e Nagasaki. Isso levou todos os países desenvolvedores de tecnologia a uma busca por maior proteção contra partículas e moléculas veiculadas pelo ar, que podiam passar de simples produtos alergênicos a outros mortais, como o Antraz, por exemplo. Foi um período de muito temor para a humanidade, dado o alto grau de descobertas potencialmente letais e entre tantas descobertas, uma foi particularmente benéfica para o mundo pós-guerra: os filtros HEPA (High Efficiency Particulate Air Filter), ou seja, filtros de alta eficiência para particulado no ar. Durante o trabalho com material radioativo, era necessária uma forma de filtrar essas partículas prejudiciais e manter o ar limpo para os cientistas. As pesquisas já haviam demonstrado que elevadas doses de radiação eram fatais e, para minimizar esse risco, precisavam de uma maneira confiável para filtrar o ar. Era o ponto de partida para o desenvolvimento do filtro HEPA para captação mínima de 99,97% das partículas de 0,3 µm. 45

2 artigo técnico Essa descoberta chegou a ser classificada como Top Secret, já que era importantíssimo para as pretensões de defesa norte-americana que isso fosse mantido em segredo, sobretudo dos soviéticos. Uma vez que os filtros HEPA ganharam escala no mercado militar, o governo norte-americano liberou a fabricação dos filtros de ar para três empresas; com isso foi uma questão de pouco tempo para encontrarem novas aplicações para os filtros HEPA, chegando aos nossos dias com usos em quase todos segmentos de mercado existentes em todos os cantos do planeta. A diferenciação dos Filtros Grossos e Finos através das normas e sua evolução Os primórdios dos filtros de ar eram feitos como já vimos para a proteção humana; não demorou a analogamente serem utilizados em aplicações industriais, sendo que os primeiros filtros industriais eram feitos através do uso de tecidos de algodão, e o que diferenciava um filtro do outro era obviamente a distância entra o entrelaçamento das tramas (ou malha). Isso só se alterou na década de 20, quando se iniciaram os estudos nos Estados Unidos de uma forma de desenvolver um ensaio que pudesse diferenciar os filtros de ar, com relação à sua eficiência. De forma bem simples, o conceito adotado foi o de utilizar um pó conhecido, no caso o eleito foi o pó do deserto do Arizona; pesava-se a quantidade de pó antes de lançá-lo ao filtro. Posteriormente pesava-se o filtro; se, por exemplo, 1kg de pó era depositado contra o filtro, e 800 gramas ficavam retidas no filtro, dizia-se que o filtro tinha 80% de eficiência, pelo método que depois ficou conhecido como gravimétrico. Esse ensaio sofreu algumas revisões, que o deixou mais confiável, mas o conceito se manteve até hoje e para sua aplicação, em Filtros Grossos, é confiável e de bastante uso. A figura 1 mostra um esquema representativo de como é realizado esse ensaio, que é feito seguindo a norma ASHRAE , ou segundo o que estipula a BS2831 (Inglaterra). A partir da década de 30, com o desenvolvimento do não-tecido, com materiais mais finos que o algodão e processo diferenciado, o que se seguiu é que os filtros passaram a ter eficiência próxima de 100%, conforme o método gravimétrico, e isso gerou a necessidade de obter um segundo ensaio desses filtros, que desde então são classificados como Filtros Finos. A solução encontrada foi o desenvolvimento de um novo método de ensaio, que tinha diversos nomes, sendo o mais comum o de Método Colorimétrico. Outros nomes empregados: Opacimétrico, Eficiência Média e Dust Spot, Fotométrico, etc. Esse método consistia da utilização de um dispositivo exterior para determinar a diferença de coloração provocada entre duas amostras padrão, o que se dava pela análise da opacidade das mesmas. Não detalharei muito o mesmo, pois se trata de um método obsoleto e descontinuado, mas que serviu de base para muitos dos conceitos empregados ainda hoje em dia, como Capacidade de Acumulação de Pó (Dust Holding Capacity), além das tabelas de eficiência para partículas de 0,4 µm serem baseadas nos números propostos nessa norma. Caso haja interesse em se pesquisar esse Método, as normas que o regiam eram as já mencionadas ASHRAE 52.1, BS2831 e a DIN Essa norma foi suplantada nos Estados Unidos pela Placa defletora; 2 - Filtro em teste; 3 - Placa com orifício calibrado. Pesagem do pó de teste Pesagem do filtro Figura 1 Esquema representativo de teste gravimétrico

3 EN 779:2002. AIR FIL TER TER TEST RESULTS GENERAL Test no.: Date of test Supervisor: RHo Test requested by: Device receiving date Decive deliveredby: Device TESTED Model Manufacturer Construcion Type of media Net effective filtering area m 2 Device receiving date TEST DATA Test air flow rate m 3 /s RESULTS Irrital pressure drop Pa Final pressure drop 250/350/450 Pa Test air temperature Test air humidity Test aerosol ASHRAE Initial anestance Irritial efficiency (0,4mm) Dust holding capacity Average anestance Average efficiency (0,4mm) Fiter class (450Pa) Remarks NOTE: The performance results cannot themselves be quantitatively applied to predict perfomances in se The results relate only to the tested item Loading dust ASHRAE Untreated / discharged efficiency of filter material (0.4 mm) 80 / 10% Figura 2 Modelo do certificado de ensaio conforme EN779:2002 ASHRAE 52.2, que fala em eficiência ou classe MERV (Minimum Efficiency Reported Value Valor Mínimo de Eficiência Reportado) e na Europa pela EN779, em 1992, que tratam exclusivamente dos Filtros Grossos e Finos. No Brasil, em 2008, com a publicação da NBR16401, que substitui a NBR6401 de 1980, foi adotada a classificação dos Filtros Grossos e Finos, que determina a classificação dos filtros conforme partículas de 0,4µm, exposto no artigo da Engª Eliane Bennett na Revista da SBCC n 39, março/abril de 2009, páginas 34 e 35. Só como adendo ao que está nesse artigo, um ponto valiosíssimo com a adoção da EN779:2002, é que a partir de agora os usuários, projetistas e demais envolvidos no uso de filtros de ar poderão solicitar certificados dos ensaios dos filtros acabados por instituição independente. A má notícia é que ainda não temos um laboratório independente no Brasil que possa fazer tais análises, restando aos fabricantes enviarem seus filtros para avaliação nos Estados Unidos ou na Europa (Finlândia, Itália, França e Alemanha são alguns dos países com instituições respeitadas e que fazem esses laudos para empresas de todo o mundo). A figura 2 apresenta um modelo do certificado de ensaio do filtro, com os dados requeridos pela norma EN779:2002. Dentre todas as informações desse certificado, a mais importante é a da eficiência para partículas de 0,4µm, obtida com os filtros sem nenhum tratamento para a remoção da carga eletrostática presente especialmente nos filtros feitos com meio filtrante sintético (Poliéster, Polipropileno, etc) quando os filtros sintéticos apresentam as melhores eficiências possíveis, e depois, ao passar por um processo de tratamento para a remoção da carga eletrostática (através da aplicação de Isopropanol, Surfactantes ou exposição a descargas de Diesel), a eficiência dos filtros despenca junto com a carga eletrostática, ou seja, à medida que a carga se dissipa, a eficiência cai proporcionalmente, o que não se observa em filtros de origem mineral. Em alguns casos, filtros sintéticos chegam a despencar de 80% para 10% de eficiência para partículas de 0,4 µm, como demonstra o gráfico da Figura (%) Efficiency 0,4mm Filter 1 Filter Running time (hours) Figura 3 Gráfico comparativo da evolução da eficiência de um filtro sintético (Filter 2) e um de fibra de vidro (Filter 1) ao longo de sua vida útil Fonte : Camfil Farr 47

4 artigo técnico Figura 4 Microfibras de vidro Figura 5 Fibras sintéticas Olhando o gráfico da figura 3, é fácil perceber que a eficiência do Filtro 2 cai com o tempo, em função de perder a carga eletrostática, enquanto que o Filtro 1, mantém aproximadamente a mesma eficiência ao longo do tempo com pouca variação. Isso se dá porque, enquanto eletricamente carregados, os filtros sintéticos atraem as partículas em direção às fibras (onde as capturam) e ao perderem sua carga, o processo passa a ser puramente mecânico, ao passo que nos filtros dotados de fibras minerais o processo é puramente mecânico durante toda a vida útil do filtro. Nas Figuras 4 e 5 estão fotos de filtros microscópicas da disposição das fibras de vidro e das fibras sintéticas, em mesma escala. A norma EN779 também estabelece como parâmetros de troca dos filtros usar a pressão diferencial medida através de manômetros diferenciais, e quando atingir os valores abaixo: Filtros Grossos Classe G 250 Pa Filtros Finos Classe F 450 Pa A consolidação do uso dos Filtros HEPA Como visto anteriormente, não foi difícil levar os filtros HEPA para as mais variadas aplicações. O primeiro (e mais empregado até hoje) método de ensaio foi o descrito pela norma norte-americana Militar STD 282, que trata das eficiências dos filtros para partículas de 0,3 µm. Até então se acreditava que essa partícula era a de mais difícil captação, e que partículas menores seriam ainda mais difíceis de serem captadas. O ensaio, relativamente simples, consistia de 2 etapas: 1. Contagem de partículas de 0,3µm antes e depois do filtro para determinar a eficiência requerida, mínima de 99,97% para serem considerados HEPA, passando a eficiências superiores em algumas necessidades; 2. Varredura para comparação das concentrações antes e depois dos filtros, de forma a determinar se o mesmo possui um vazamento, em fábrica. IEST-RP EN 1822 Uso na Fábrica Uso em campo Tipos de Filtros, Designação e Métodos de Teste Parte 1 Sim Sim 48 Tipos e Geração de Aerossóis CC007 Parte 2 Sim Sim Teste do Meio Filtrante Planificado CC021 Parte 3 Sim Não Uso de Fotômetro e Contador de Partículas Contagem de Partículas de mm / MPPS Teste de Eficiência por Contagem de Partículas * A EN 1822 aceita somente a Contagem de Partículas ** Exceto para eficiência média calculada *** Sim, se usado equipamento especial no local Parte 4* Sim Sim** Todas as Partes Sim Sim CC007 Parte 5 Sim Não*** Figura 6 Tabela de equivalência entre condições de fábrica e do meio filtrante

5 Era relativamente simples, mas ainda assim causou (e causa) muita confusão até hoje, mesmo entre profissionais renomados do mercado. Por isso, o IEST (Institute of Environmental Sciences Technologies), através de sua família de resoluções, tentou deixar mais claro, como demonstra a Figura 6, que pode servir de consulta no site do IEST Até mesmo a norma ISO 14644, em sua Parte 3, para tentar desfazer essas confusões, determina que O ensaio para detecção de pontos de vazamento em sistemas de filtragem instalados não deve ser confundido com teste de eficiência individual dos filtros no local de manufatura. Também na Figura 6, pode-se observar que se menciona a norma EN1822, que é a norma que classifica os filtros HEPA e ULPA (Ultra Low Penetration Air, ou seja, filtros de muito baixa penetração) na Europa e podemos dizer que na Ásia também. Essa norma foi determinada principalmente pelo avanço na descoberta de como a eficiência da filtragem de partículas se comporta, sendo a principal descoberta a de que as partículas em um determinado tamanho menor que os 0,3µm propostos pela Mil Std 282, na verdade tem um ponto onde a eficiência é a pior possível, ou seja, é o chamado Tamanho da Partícula com Maior Penetração, ou o comumente chamado MPPS, da sigla em inglês para Most Penetrating Particle Size. O gráfico da Figura 7 mostra bem esse efeito, onde se pode notar que há um tamanho de partícula que tem o pior resultado de eficiência e partículas menores que essa tem melhor eficiência. Eficiência % Ponto da Mil. STD mm Tamanho da Película com Maior Penetração MPPS Figura 7 Gráfico de eficiência por tamanho de partícula de um filtro HEPA classe H13 comum Este fenômeno é explicado pelo fato de que as partículas transportadas no interior de um fluido recebem aceleração a partir do impacto ocorrido com as moléculas do fluido e com as demais partículas em suspensão e, uma vez que estas não são esferas perfeitas e não recebem todos os impactos na direção de seu centro de gravidade e alinhados com a direção do movimento principal do fluido, a cada momento a partícula pode receber aceleração em uma direção diferente, gerando um movimento completamente aleatório, o que acaba acarretando em sua colisão e captura por uma das diversas camadas de fibras do meio filtrante. Esta trajetória irregular da partícula faz com que esta partícula pareça vibrar ou oscilar em relação ao restante do fluido e é conhecido como movimento browniano. A principal mudança da EN1822 para a maneira como era feito anteriormente pela Mil STD-282, é que agora a norma EN1822 pede que os fabricantes informem: Qual é o tamanho da partícula com maior penetração? Qual é a eficiência para esse tamanho de partículas? De posse dessa informação, é possível saber qual o tamanho de partículas agressivo ao processo/produto do projeto, e dessa forma escolher qual o filtro recomendado ao mesmo. A EN1822 classifica os filtros conforme a tabela que é apresentada na Figura 8. Efficiency Efficiency Leak MPPS MPPS rate class Filter local MPPS EN1822 type % % local > > % H H H 12 HEPA H 13 99,95 99,75 0,25 H 14 99,995 99,975 0,025 H 15 99, ,9975 0,0025 H 16 ULPA 99, , ,00025 H 17 99, ,9999 1E-04 Figura 8 Tabela de Classificação de Filtros HEPA e ULPA conforme a norma EN1822 Outra mudança é de que a EN1822 observa a eficiência local dos filtros, já que trabalha com contadores de partículas fazendo varredura em toda a superfície do filtro, determinando a eficiência local, e com todos os dados, determinando a eficiência total do filtro, diferente da Mil Std-282, que aceitava a eficiência só no papel filtrante ou então a eficiência total (overall) dos filtros. Como bem propôs, em recente artigo, Eliane Bennett: vamos completar a classificação dos filtros e eliminar essas lacunas? Também acredito que todos sairão ganhando. 49