Aerossol DOP/PAO vs. aerossóis modernos — o que mudou?

Subtítulo: Evolução dos aerossóis de teste, impacto nos métodos de medição e consequências para a conformidade normativa em ensaios de filtros.

Resumo técnico: a substituição do DOP por PAO e a adoção de aerossóis modernos (DEHS, NaCl/KCl, PSL) alteraram a forma de projetar, executar e interpretar o teste de filtros, exigindo medições fracionárias com maior rastreabilidade metrológica, melhor controle de análise granulométrica e integração com normas atuais como EN 1822/ISO 29463 e ISO 16890.

1. Conceitos Fundamentais

A filtragem de partículas em gases depende de mecanismos físicos que variam com o diâmetro aerodinâmico/óptico/mobilidade: difusão browniana (predominante < 100 nm), interceptação (submicrométricas), impacto inercial (micrométricas), peneiramento e efeitos eletrostáticos. A combinação desses mecanismos gera a Most Penetrating Particle Size (MPPS), tipicamente entre 0,05–0,2 µm em filtros HEPA e ULPA, onde a eficiência de coleta é mínima.

Para caracterizar aerossóis e desempenho de filtros, são críticos: distribuição de tamanho (lognormal ou monodispersa), concentração numérica (#/cm³) e em massa (mg/m³), forma e rugosidade (fator de forma), densidade e índice de refração. Na análise, distinguem-se métricas como CMD/GMD (diâmetro mediano/médio geométrico), GSD (dispersão geométrica) e MMAD (diâmetro aerodinâmico mediano em massa).

Historicamente, o DOP (dioctilftalato) foi amplamente usado como aerossol de teste em verificação de vazamentos por fotometria. Por questões toxicológicas, foi substituído por PAO (polyalphaolefin, ex. Emery 3004) e por óleos como DEHS. Paralelamente, normas modernas priorizam aerossóis com distribuição e estabilidade controladas (ex. NaCl/KCl secos e PSL monodisperso) para medições rastreáveis da eficiência fracionária.

Implicações-chave dessa evolução:

• Do enfoque em massa para número/tamanho: fotômetros (massa) não resolvem size; espectrometria (número por faixa) é mandatória para MPPS e conformidade fracionária.

• Maior rastreabilidade: uso de espectrômetro de aerossol (SMPS/APS/OPS/OPC) e contagem de partículas segundo ISO 21501-4 reduz incertezas e melhora reprodutibilidade.

• Controle de carga elétrica: neutralização (soft X-ray/corona) estabiliza o comportamento de partículas e a deposição em meios filtrantes.

Comparativo conceitual

2. Métodos e Técnicas de Medição

Medição fotométrica (massa)

O fotômetro compara a concentração em massa upstream/downstream via espalhamento de luz. É robusto para teste de filtros em varredura de vazamentos (leak scan) e verificações de integridade em campo. Limitações: ausência de resolução por tamanho e dependência do índice de refração. Adequado para comissionamento e rotina, não para classificação fracionária.

Medição por contagem e espectrometria (número por faixa)

• OPC/OPS (Optical Particle Counter/Spectrometer): classificação por intensidade de espalhamento; cobre ~0,3–10 µm. Base dos ensaios ISO 16890 (aerossol sólido salino, tipicamente KCl/NaCl).

• SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer): espectrômetro de aerossol por mobilidade elétrica com CPC; cobre ~10–500 nm, ideal para MPPS em HEPA/ULPA (EN 1822/ISO 29463).

• APS (Aerodynamic Particle Sizer): classifica 0,5–20 µm por tempo de voo (diâmetro aerodinâmico); complementar ao SMPS para faixas maiores.

Esses métodos permitem calcular penetração P = Cdown/Cup e eficiência E = 1 − P, ponto a ponto, resultando na eficiência fracionária e na identificação da MPPS.

Medição gravimétrica

Determinação por ganho de massa (filtros de membrana/impactadores) antes/depois sob fluxo controlado. Útil para poeiras de processo e validação de balanço de massa. Limitações: baixa resolução temporal e ausência de resolução por tamanho.

Pressão diferencial e desempenho aerodinâmico

A pressão diferencial (Δp) é monitorada com transdutores de alta precisão e está diretamente ligada à perda de carga do sistema. Ensaios devem assegurar regime de escoamento conhecido (Re, desenvolvimento de perfil, retificação de fluxo com colmeias) e correção para condições padrão (T, P, UR). Δp é parâmetro crítico de custo energético e dimensionamento.

Quando usar cada técnica

• Fotometria: varredura rápida de vazamentos em filtros instalados, FAT/SAT, verificações de integridade.

• SMPS/OPC/APS: classificação e desenvolvimento de meios filtrantes, determinação de MPPS, conformidade EN 1822/ISO 29463/ISO 16890.

• Gravimetria: validações de massa, poeiras de processo, correlação com emissões.

• Δp: otimização de meios e geometrias, trade-off eficiência x consumo.

3. Equipamentos Usados no Setor

• Geradores de aerossol: bico Laskin (PAO/DEHS), atomizadores de jato/vento, nebulizadores com secagem (NaCl/KCl), geradores de PSL. Papel: produzir distribuição estável e concentrada do aerossol de teste dentro das especificações.

• Condicionamento e neutralização: secadores por dessicante, trocadores térmicos, neutralizadores por soft X-ray/corona para controle de carga.

• Sistemas de teste e medição: bancos com dutos padronizados, retificadores de fluxo, amostragem isocinética, controle de vazão/Δp, automação de sequências, integração com espectrômetro de aerossol e contagem de partículas.

• Instrumentação de medição: SMPS/APS/OPC/OPS, CPC, fotômetros, manômetros e transdutores diferenciais, analisadores de umidade e temperatura.

• Ensaios de meios filtrantes: porta-amostras para áreas definidas, variação de velocidade superficial, varredura de ponto de operação e mapeamento de eficiência fracionária.

• Soluções de referência: sistemas TOPAS e plataformas análogas são amplamente usados para geração/condicionamento de aerossóis, bancos modulares de ensaio e integração com SMPS/OPC, atendendo protocolos de normas de ensaio.

4. Aplicações Reais em Indústria e Laboratórios

Filtros automotivos e industriais

Para pré-filtros e filtros finos em HVAC e motores, ISO 16890 requer eficiência fracionária em 0,3–10 µm usando KCl/NaCl e OPC. Ensaios incluem Δp vs. vazão, curva de carregamento (poeira ISO), medição de “bleed-through” e vida útil prevista.

Salas limpas, filtros HEPA e ULPA

Classificação e ensaio conforme EN 1822/ISO 29463 envolvem determinação da MPPS (via SMPS) e varredura de vazamentos por fotometria ou OPC. Em validações de campo (ISO 14644), a contagem de partículas ambiente e o teste de integridade dos módulos HEPA/ULPA são críticos para assegurar conformidade de classe.

Indústria farmacêutica e biotecnologia

Rotinas de qualificação (IQ/OQ/PQ) exigem aerossóis seguros (PAO/DEHS) e métodos rastreáveis. A seleção entre fotometria e espectrometria depende do objetivo: integridade (vazamento) vs. desempenho fracionário do meio.

Turbinas a gás e geração de energia

Ensaios com poeiras e sais higroscópicos quantificam comportamento de partículas sob alta vazão. A combinação SMPS+APS cobre a faixa submicrométrica a micrométrica, enquanto a medição de pressão diferencial orienta o custo energético e intervalos de manutenção.

Meios filtrantes e P&D

Laboratórios de P&D e QA avaliam fibras, cargas eletrostáticas e tratamentos (oleofóbicos/hidrofóbicos). O SMPS permite mapear a eficiência fracionária na MPPS; o OPC/APS complementa faixas maiores. A reprodutibilidade depende da análise granulométrica do aerossol e do controle ambiental (T/UR).

5. Boas Práticas e Parâmetros Críticos

• Definição do aerossol de teste: selecione PAO/DEHS para varredura de vazamento e estabilidade; use NaCl/KCl secos ou PSL para ensaios normativos de eficiência fracionária.

• Neutralização de carga: adote neutralizador (soft X-ray/corona) para reduzir artefatos de deposição eletrostática e garantir classificação correta por mobilidade.

• Controle de concentração: mantenha concentrações dentro das faixas lineares dos instrumentos (evitando saturação de OPC/CPC e saturação óptica em fotômetros).

• Amostragem isocinética: dimensione sondas e vazões de amostragem para evitar vieses de tamanho por aceleração/decantação.

• Calibração e rastreabilidade: aplique ISO 21501-4 para OPC; verifique vazão de amostragem, resposta de tamanho (PSL) e incertezas. Programe verificações periódicas do CPC/SMPS e fotômetros.

• Condições ambientais: controle temperatura e umidade; para NaCl/KCl, use secagem e estabilização para evitar crescimento higroscópico. Documente T/UR/pressão.

• Geometria do banco de ensaio: assegure desenvolvimento de fluxo (≥10D), retificação por colmeias e ausência de fugas. Verifique pressão diferencial com transdutores calibrados e linhas de impulso simétricas.

• Protocolo de varredura: em testes de vazamento, defina velocidade de varredura, sobreposição de trajetórias e resolução espacial coerentes com a área do filtro e a sensibilidade requerida.

• Tratamento de dados: calcule P e E por faixa de diâmetro; aplique correções de perdas em linhas (difusão/impacção) quando necessário. Reporte GMD/GSD e condições de geração.

• Reprodutibilidade: padronize o set-up, registre parâmetros de geração, faça análise granulométrica do aerossol e use sistemas de teste e medição com automação e registro contínuo.

6. Conclusão Técnica

A transição de DOP para PAO e a adoção de aerossóis modernos (DEHS, NaCl/KCl, PSL) redesenharam o panorama dos ensaios de filtragem. A medição deixou de ser predominantemente em massa para ser orientada por tamanho e número, alinhada à MPPS e às normas de ensaio contemporâneas (EN 1822/ISO 29463, ISO 16890, ISO 14644). O uso criterioso de espectrômetro de aerossol, contagem de partículas, controle de pressão diferencial e sistemas de teste e medição bem projetados — como os fornecidos por plataformas técnicas especializadas, incluindo sistemas TOPAS — é determinante para confiabilidade, comparabilidade e reprodutibilidade.

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