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1 Filtros de Proteção Individual Mestrado Integrado em Engenharia Química Q1Q1_01 Porto, Outubro de 2012 Filtros de proteção individual Página 1

2 PROJETO FEUP MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA QUÍMICA 1º ano, 1º semestre Ano-letivo 2012/2013 Monitor: Victor Jardim Supervisor: Professor José Miguel Loureiro Autores: Ana Luísa Moreira de Azevedo Inês Gonçalves Rodrigues Jéssica Alexandra Reis Pereira Joana de Matos Silva Luís Emanuel Queirós dos Reis Mafalda Isabel Ferreira Barros Maria João Enes da Silva Mariana Sequeira Peixoto Araújo Carvalho Filtros de proteção individual Página 2

3 Resumo As máscaras e os filtros de proteção individual protegem os seres humanos das ameaças tóxicas ao sistema respiratório. Os fenómenos de adsorção física e química são fundamentais no seu funcionamento e resultam de ligações entre adsorventes e os gases e vapores tóxicos. Filtros de proteção individual Página 3

4 Abstract Masks and filters protect human beings from toxic threats to the lungs and the respiratory system. Chemical and Phisical adsorpsion are very significant in the behavior of filters in masks and result of bonds between toxic products and adsorbents (such as activated carbon). Filtros de proteção individual Página 4

5 Índice Introdução 8 1. Origem e evolução das máscaras e filtros de proteção individual 9 2. Estrutura das máscaras e dos filtros Tipos de máscaras Filtros das máscaras Geometria dos filtros Funcionamento das máscaras Adsorção e adsorventes A adsorção definições Distinção entre adsorção e absorção Carvão ativado um adsorvente Adsorção física e química Intensificação de processos Isotérmicas 16 Conclusão 18 Referências bibliográficas 19 Filtros de proteção individual Página 5

6 Índice de tabelas Tabela 1 - Diferença entre adsorção física e química 15 Filtros de proteção individual Página 6

7 Índice de figuras Ilustração 1 - Representação de diferentes tipos de filtros 9 Ilustração 2 - Fotografia de uma máscara Hypo Helmet 10 Ilustração 3 - Máscara dos anos Ilustração 4 - Esquema de geometrias de filtros 12 Ilustração 5 - Imagem obtida através de um microscópio electrónico dos poros de uma amostra de carvão ativado 14 Ilustração 6 - Representação da utilização de uma máscara de proteção individual 16 Ilustração 7 - Diferentes isotérmicas 16 Ilustração 8 - Relação entre a pressão relativa e a quantidade de substância adsorvida 17 Filtros de proteção individual Página 7

8 Introdução O termo filtro é utilizado, genericamente, para definir materiais que são seletivos para determinadas substâncias, separando-as de outras. No âmbito do nosso trabalho, filtros são dispositivos constituídos por matérias microporosas, utilizados para retirar partículas e outras substâncias nocivas do ar. Tal é conseguido dada a existência de uma força de atração entre o material microporoso e as moléculas nocivas, permitindo que estas adiram à superfície do mesmo. Os filtros supra-referidos constituem a base do funcionamento das máscaras de proteção individual, fundamentais para a segurança e bem-estar em ambientes de risco. Dada a vulnerabilidade do organismo humano aos poluentes atmosféricos, ao crescimento exponencial da indústria e, consequentemente, à crescente necessidade de utilização de produtos tóxicos, surgiu a necessidade da utilização de máscaras de proteção individual [2]. Estas são cada vez mais sofisticadas, reduzindo o efeito nocivo destas substâncias. A eficiência das máscaras de proteção individual depende da ocorrência de reações químicas que permitem a retenção da substância no filtro, impedindo que o gás perigoso seja inalado. Filtros de proteção individual Página 8

9 1. Origem e evolução das máscaras e filtros de proteção individual Durante a I Grande Guerra, iniciou-se a produção e utilização de armas químicas (por exemplo, o gás mostarda). Neste contexto, começou a verificar-se, de forma intensiva, a nocividade destas substâncias e os efeitos negativos, resultantes da sua utilização. Assim, a necessidade de proteção da população resultou na produção de máscaras de proteção individual. A primeira máscara foi desenvolvida em 1915, tendo sido produzidos 38 milhões de exemplares [1]. Ao longo do tempo foram realizadas alterações consideráveis que permitiram o aumento da sua eficiência. Em 1943, foi produzida uma máscara constituída por carvão ativado impregnado com cobre, prata e crómio, o que possibilitou a diminuição do peso da mesma, facilitando a sua utilização. Atualmente, existem vários tipos de máscaras, tendo cada uma a sua função específica. A escolha adequada da máscara é fundamental para minimizar os riscos corridos. Ilustração 1 - Representação de diferentes tipos de filtros. Filtros de proteção individual Página 9

10 2. Estrutura das máscaras e dos filtros 2.1. Tipos de máscaras A evolução dos filtros das máscaras de proteção individual ocorreu a um ritmo acelerado. Uma das primeiras máscaras a serem desenvolvidas denominava-se Hypo Helmet. Estas máscaras primitivas não eram mais do que um saco, que cobria toda a cabeça, feito de flanela pré-molhada. Ilustração 2 - Fotografia de uma máscara Hypo Helmet. As máscaras modernas são compostas por um corpo de borracha (fabricada com silicone que possui duas válvulas, uma de inalação e outra de exalação) que impede o contacto direto do tóxico com a face. O ar inspirado passa pelo filtro e o ar expirado é libertado por uma válvula. As lentes são de policarbonato de alto impacto com tratamento antirrisco. Possuem ainda um transmissor de voz para facilitar a comunicação, e podem possuir uma ligação a um cantil (o que permite a hidratação do utilizador) [7]. Filtros de proteção individual Página 10

11 Ilustração 3 - Máscara dos anos 90 (fonte: Filtros das máscaras O componente mais importante das máscaras de proteção individual é o filtro [3]. O composto tóxico (adsorvato) entra no filtro onde é removido pelo carvão (adsorvente), protegendo o utilizador. A capacidade de remoção de substâncias perigosas do ar é limitada, pelo que o conhecimento do momento em que uma determinada concentração, prédefinida por restrições de toxicidade, atinge o limite de adsorção, é de extrema importância. Esse momento denomina-se tempo de quebra e limita o período durante o qual o filtro é eficiente na sua função protetora. A previsão do funcionamento dos filtros pode ser efetuada, recorrendo a equações que descrevem o seu comportamento dinâmico, permitindo determinar os respetivos tempos e curvas de quebra. Vários autores desenvolveram modelos de previsão do tempo de quebra dos filtros. Filtros de proteção individual Página 11

12 De todas essas equações, a mais frequentemente usada na correlação de dados experimentais de tempos de quebra de filtros de proteção individual é a equação de Wheeler-Jonas: Em que: -CE representa a concentração de soluto à entrada do filtro; -We representa a capacidade do adsorvente; - b representa a densidade absoluta do filtro; -Cb representa a concentração de quebra; -Q representa o caudal volumétrico; -W representa a massa do adsorvente. No entanto, esta equação é uma simplificação da equação de Danby. As equações referidas consideram que, na remoção dos compostos tóxicos, está somente envolvido o fenómeno de adsorção física. No entanto, para determinados compostos, a remoção dá-se por adsorção física seguida de reação química. Friday (1988) desenvolveu o primeiro modelo com adsorção e reação simultâneas para aplicação aos filtros de proteção [7] Geometria dos filtros Os filtros utilizados nas máscaras de proteção individual podem ter várias geometrias. Os mais usados possuem uma geometria de escoamento axial (G2). Ilustração 4 - Esquema de geometrias de filtros. Filtros de proteção individual Página 12

13 Os filtros de proteção coletiva são normalmente de escoamento radial para fora (G1.1). Teoricamente, existe também uma geometria de escoamento radial para dentro (G1.2), que seria mais eficiente que as anteriores, mas atualmente ainda não é utilizada [7]. 3. Funcionamento das máscaras 3.1. Adsorção e adsorvente Distinção entre adsorção e absorção Absorção é um processo em que gases ou líquidos se fixam na massa de um sólido, ou gases se fixam em líquidos, em todo o seu volume (por exemplo, uma esponja). Pelo contrário, a adsorção é um processo em que a fixação apenas ocorre na superfície do sólido. A adsorção é um processo que ocorre quando um líquido ou um gás contacta com a superfície de um sólido, permanecendo na superfície deste [6]. tamanhos: As diferentes superfícies dos adsorventes apresentam poros de diferentes Poros menores que 2nm (microporos) Poros com aberturas entre 2nm ou 5nm (mesoporos) Poros com aberturas maiores que 5nm (macroporos) Carvão ativado um adsorvente O carvão ativado foi um dos primeiros adsorventes conhecidos e é, atualmente, um dos mais utilizados na produção de filtros de proteção individual devido às suas ótimas propriedades de adsorção. Este, geralmente, é produzido a partir da decomposição térmica (queima) controlada de materiais carbonáceos, seguida pela ativação. A ativação visa o aumento da sua área superficial e porosidade. Podemos classificar dois tipos de ativação: ativação física e química. A ativação física é feita com vapor de água, ar ou outro agente oxidante, enquanto a ativação química envolve a impregnação de agentes desidratantes como ácido fosfórico, hidróxido de potássio e cloreto de zinco. Filtros de proteção individual Página 13

14 Portanto o carvão ativado torna-se ótimo a aprisionar outras impurezas, principalmente gases/vapores (substâncias químicas orgânicas), mas também substâncias como o cloro. Porém outras substâncias químicas não são atraídas pelo carbono (sódio, nitratos, etc.) passando diretamente por ele. Isso significa que um filtro de carvão ativado vai remover certas impurezas, mas vai ignorar outras. Nestes casos o adsorvente não pode ser o carvão ativado. Ilustração 5 - Imagem obtida através de um microscópio eletrónico dos poros de uma amostra de carvão ativado. Quando todos os poros estão preenchidos, o filtro de carvão ativado para de funcionar. Nesse ponto deve substituir-se o respetivo filtro Adsorção física e química Podemos classificar o fenómeno de adsorção em dois tipos: adsorção física e adsorção química. Esta classificação é feita a partir das forças envolvidas na interação entre o adsorvato e o adsorvente, e pelo valor da energia envolvida no fenómeno. Na adsorção física observa-se normalmente a deposição de mais de uma camada de adsorvato sobre a superfície adsorvente. As forças atuantes são as forças de Van der Walls. Estas operam em estados líquido, sólido e gasoso. As energias libertadas são relativamente baixas e o equilíbrio é atingido rapidamente. Pelo contrário, a adsorção química envolve interações químicas, em que a substância adsorvida reage com a superfície do adsorvente havendo a formação de Filtros de proteção individual Página 14

15 ligações químicas. Neste caso ocorre a libertação de uma quantidade de energia considerável. Desta maneira muitos filtros podem libertar os produtos não tóxicos destas reações e adsorver, novamente, produtos tóxicos. ambos: O quadro seguinte mostra, de uma forma sintética, as diferenças entre Adsorção Física Causada por forças de van der Waals. Não há transferências de eletrões. Reduzido calor de adsorção. Formação de multicamadas abaixo da temperatura crítica. Acontece apenas abaixo da temperatura crítica. Adsorvente quase não é afetado. Adsorção Química Causada por forças eletrostáticas e ligações covalentes. Há transferências de eletrões Maior calor de adsorção. Somente se formam monocamadas. Acontece a tanto a altas como baixas temperaturas. Adsorvente altamente modificado na superfície. Tabela 1 - Diferença entre adsorção física e química Intensificação de processos Hoje em dia, segundo um pensamento sustentável e economicista, interessa adotar processos que levem tanto à diminuição da pegada ecológica como dos custos de produção. Deste modo, a intensificação de processos tem vindo a ser utilizada intensivamente nas indústrias, rentabilizando a produção, executando, para isso, operações na mesma unidade processual [5]. Este fenómeno foi implementado também nos filtros de proteção individual de modo a aumentar o tempo de exposição ao tóxico sem haver danos para o ser humano. Dada a reduzida espessura dos filtros de proteção (cerca de 2 cm), o ganho de tempo que resulta apenas do fenómeno de adsorção é reduzido, cerca de 30 segundos. Porém a combinação dos fenómenos de adsorção com uma reação Filtros de proteção individual Página 15

16 química simultâneas, devido à utilização de filtros de carvão ativado impregnado com metais que catalisam a degradação dos produtos orgânicos, provoca uma diminuição da concentração do tóxico e consequentemente da sua velocidade de propagação. Aumentando assim para 30 minutos o tempo de proteção que o filtro oferece. Ilustração 6 - Representação da utilização de uma máscara de proteção individual Isotérmicas A relação entre a quantidade de químico adsorvido e a que se pretende adsorver pode ser visualizada através de isotérmicas (curvas obtidas a partir da quantidade de soluto adsorvido em função da concentração do mesmo, no equilíbrio). As isotérmicas de adsorção podem ser favoráveis, desfavoráveis ou lineares [4]. Ilustração 7 - Diferentes isotérmicas. Filtros de proteção individual Página 16

17 Isotérmica Linear: Relaciona-se com o comportamento das soluções homogéneas, que ocorre (normalmente) para baixas concentrações de solução. Todas as isotérmicas devem tender para esta. Isotérmica favorável: As concentrações maiores viajam mais depressa. Isotérmica desfavorável: As concentrações maiores viajam mais devagar. A IUPAC identificou 6 tipos de isotérmicas. Tipo I: características de sólidos microporosos; Tipo II e III: características de sólidos não porosos ou macroporosos; Tipos IV e V: características de sólidos dos tipos II e III mas com mesoporos nos quais ocorre o fenómeno de condensação capilar; Tipo VI: ocorre em superfícies não porosas e representa uma adsorção camada a camada. (Figueiredo et al. 1987) Ilustração 8 - Relação entre a pressão relativa e a quantidade adsorvida. A isotérmica de vapores, normalmente, do tipo I, representa os processos em que ocorre adsorção química (Langmuir), sendo esta que se verifica nas máscaras de proteção individual. As concentrações superiores viajam a velocidade superior. A reação faz com que a concentração diminua. Assim, a velocidade de propagação dos produtos químicos perigosos diminui, tornando a proteção eficaz [8]. : velocidade da concentração c : porosidade Filtros de proteção individual Página 17

18 Conclusão As máscaras de proteção individual têm como função proteger-nos de produtos tóxicos perigosos para a saúde. Desde que foram criadas, estas máscaras já evitaram muitas mortes em ambiente bélico e em ambiente industrial. Apesar de terem várias aplicações todas as máscaras têm o mesmo princípio de atuação: a adsorção. Assim, nos filtros ocorre a associação de um catalisador e um adsorvente, o que provoca uma diminuição da velocidade de propagação da substância tóxica no filtro, tornando a máscara e a proteção eficazes. Estas máscaras têm permitido à humanidade explorar novos ambientes e tem contribuído para a evolução e melhoria do processo industrial no que toca ao manuseamento de produtos tóxicos. Filtros de proteção individual Página 18

19 Referências bibliográficas [1] acedido a 28/09/2012 [2] acedido a 27/09/2012 [3] acedido a 27/09/2012 [4] ontent&task=view#4, acedido a 22/09/2012 [5] acedido a 27/09/2012 [6] acedido a 29/09 /2012 [7]Filtros de Carvão Activado Impregnado. Sua Aplicação na Remoção de Gases e Vapores Tóxicos por Adsorção e Reacção Química Simultâneas, Ana Mafalda de Almeida Peixoto Ribeiro, Tese de doutoramento, FEUP [8]Figueiredo, J.L., F.R. Ribeiro, J.J. de Melo Orfão e F. Lemos Catálise heterogênea. Fund. Calouste Gulbenkian. Filtros de proteção individual Página 19