O papel dos aerossóis em testes de vazamento de filtros: fundamentos, métodos e equipamentos

Pituã Brasil Business
16 de nov.
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Subtítulo: aerossol de teste controlado é o ponto de partida para sensibilidade, rastreabilidade e comparabilidade na avaliação de vazamentos em filtros e meios filtrantes.

A gestão rigorosa do aerossol de teste determina a detecção de falhas, a repetibilidade e a conformidade normativa nos ensaios de integridade de filtros, desde unidades HEPA/ULPA até elementos automotivos e meios filtrantes em P&D.

1. Conceitos Fundamentais

O desempenho de um teste de filtros com foco em vazamentos depende da física de aerossóis e dos mecanismos de coleta no meio. A correta compreensão do comportamento de partículas no escoamento guiado pelo filtro permite definir os parâmetros críticos do ensaio.

1.1 Princípios físicos e mecanismos de captura

Difusão browniana: dominante para diâmetros abaixo de ~100 nm, aumenta a captura por deslocamentos aleatórios.
Intercepção: relevante em partículas de 0,1 a 1 µm, quando a linha de corrente passa a uma distância menor que o raio da partícula.
Impactação inercial: prevalece acima de ~1 µm, quando a inércia impede que a partícula siga a linha de corrente nas mudanças de direção.
Sedimentação gravitacional: significativa em baixas velocidades para partículas maiores.
Forças eletrostáticas: cargas no meio ou nas partículas podem elevar a eficiência aparente; neutralização do aerossol reduz vieses.

Para filtros HEPA e ULPA, a MPPS (Most Penetrating Particle Size) geralmente situa-se entre 0,05 e 0,3 µm. Ensaios de integridade e eficiência fracionária devem considerar esta faixa, pois define o ponto de menor eficiência do meio.

1.2 Propriedades do aerossol de teste

Distribuição de tamanho: caracterizada por CMD (diâmetro médio em contagem) e GSD (desvio geométrico). A análise granulométrica deve ser rastreável.
Concentração: em número (partículas/cm³) ou massa (mg/m³); deve garantir relação sinal-ruído adequada sem saturar instrumentos.
Estado de carga: próximo da distribuição de Boltzmann após neutralização para reduzir efeitos eletrostáticos.
Higroscopicidade: sais (NaCl/KCl) crescem com umidade; óleos (DEHS/PAO) são menos higroscópicos, impactando estabilidade e leitura óptica.

1.3 Parâmetros críticos do ensaio

Vazão e velocidade de face: determinam o regime de coleta e a perda por difusão/impactação.
Pressão diferencial: monitoramento obrigatório para correlacionar carga do filtro e condições operacionais.
Temperatura e umidade: influenciam viscosidade do ar e propriedades do aerossol (especialmente sais).
Amostragem upstream/downstream: isocinética e com linhas de amostragem otimizadas para minimizar perdas.
Critérios de aceitação: limiares de vazamento (por exemplo, 0,01% em fotometria) ou penetração fracionária por classe de tamanho.

2. Métodos e Técnicas de Medição

O método selecionado deve responder à pergunta técnica do ensaio: detecção de vazamentos localizados, avaliação integral de penetração, ou medição de eficiência fracionária. A seguir, as abordagens mais utilizadas.

2.1 Fotometria de espalhamento (varredura de vazamentos)

Princípio: mede a atenuação/espalhamento óptico do aerossol de teste (DEHS/PAO) comparando sinal upstream e downstream; a leitura é expressa em porcentagem do desafio.
Aplicação: varredura em HEPA/ULPA e vedações em instalações; adequado para identificar vazamentos localizados em superfícies e junções.
Vantagens: alta sensibilidade a vazamentos; resposta em tempo real; mapeamento rápido.
Limitações: não seletivo em tamanho; depende da propriedade óptica do aerossol e da concentração; pode saturar com desafios altos.

2.2 Contagem de partículas e espectrometria

OPC (Optical Particle Counter): resolve classes de tamanho típicas de 0,1–10 µm por espalhamento de luz. Bom para ensaios fracionários e para varreduras com limiares por contagem.
ESMPS/SMPS (Espectrômetro de mobilidade elétrica): mede distribuição de 10–500 nm por mobilidade elétrica com neutralização prévia. Essencial para MPPS e eficiência fracionária de HEPA/ULPA.
APS (Aerodynamic Particle Sizer): classifica 0,5–20 µm por diâmetro aerodinâmico, útil em filtros industriais e de turbinas.
Aplicações: determinação upstream/downstream de penetração por faixa de tamanho; cálculo de eficiência fracionária e integral.
Limitações: necessidade de diluição para altas concentrações; sensibilidade a perdas em linhas; calibração rigorosa.

2.3 Métodos gravimétricos

Princípio: coleta em filtros de referência e pesagem de massa; avalia penetração em massa sob desafios padronizados.
Aplicações: filtros de ventilação (ISO 16890) e automotivos (ISO 5011) para caracterização global de eficiência e capacidade de retenção.
Limitações: resolução temporal limitada; não detecta vazamentos localizados; não distingue faixas de tamanho.

2.4 Ensaios em campo e em fábrica

Fábrica (EN 1822/ISO 29463): determinação de MPPS, eficiência integral e varredura de vazamentos em HEPA/ULPA.
Em campo (ISO 14644-3): ensaios de integridade em salas limpas via fotometria ou contagem de partículas após injeção de aerossol de teste no sistema HVAC.
Ventilação geral (ISO 16890): classificação com desafio padronizado e determinação de eficiência fracionária para PM1, PM2,5 e PM10.

3. Equipamentos Usados no Setor

A seleção de sistemas de teste e medição impacta diretamente a incerteza e a reprodutibilidade dos resultados. Abaixo, os principais grupos de equipamentos e seu papel técnico.

3.1 Geração e condicionamento de aerossol

Geradores por bico Laskin e atomizadores: produzem aerossol de DEHS/PAO com estabilidade e concentração ajustável para varredura por fotometria.
Nebulizadores de sal (NaCl/KCl): para ensaios que exigem partículas submicrométricas e baixa volatilidade; requerem controle de umidade.
Neutralizadores: de raios X suave ou corona controlada para impor distribuição de carga de Boltzmann e reduzir efeitos eletrostáticos.
Sistemas de diluição e mistura: asseguram concentração adequada e homogeneidade upstream.

3.2 Medição de partículas

Espectrômetro de aerossol (SMPS/ESMPS/APS): análise granulométrica de alta resolução para eficiência fracionária e MPPS.
Contadores de partículas (OPC/CPC): monitoramento rápido em faixas discretas e contagem total; CPC estende sensibilidade a nanos.
Fotômetros: leitura integral da concentração para detecção de vazamentos em varredura.

3.3 Bancadas, acessórios e integração

Bancadas de ensaio de filtros: para elementos automotivos e industriais com controle de vazão, temperatura, pressão diferencial e desafio padronizado.
Mesas de varredura e sondas isocinéticas: garantem velocidade de varredura e amostragem consistentes.
Softwares de aquisição e controle: sincronizam geração, medição e cálculo de eficiência/penetração.

Fabricantes especializados fornecem soluções modulares e rastreáveis. Como referência técnica, os sistemas TOPAS incluem geradores de aerossol, espectrômetros e bancadas de ensaio amplamente utilizados em laboratórios, P&D e produção para conformidade com normas de ensaio como EN 1822/ISO 29463, ISO 16890 e ISO 14644-3.

4. Aplicações Reais em Indústria e Laboratórios

4.1 Filtros HEPA e ULPA em salas limpas

Fábrica: determinação de MPPS e varredura de vazamentos conforme EN 1822/ISO 29463 com aerossol de teste e espectrometria para eficiência fracionária.
In situ: ISO 14644-3 recomenda injeção de aerossol upstream e varredura downstream por fotometria ou por contagem de partículas, com limiares definidos.
Parâmetros-chave: uniformidade do desafio, controle de pressão diferencial e rastreabilidade da calibração.

4.2 Indústria farmacêutica e biotecnologia

Validação periódica de sistemas HVAC e equipamentos com filtros HEPA, focando integridade de vedação e detecção de pontos de bypass.
Registro de contagem de partículas e eficiência fracionária para auditorias GMP e compliance.
Gestão de tendências de pressão diferencial para prever fim de vida útil.

4.3 Turbinas a gás e filtros industriais

Ensaios de elementos de alta vazão com APS e OPC para avaliar penetração em diâmetros aerodinâmicos relevantes.
Monitoramento de integridade em campo por fotometria com desafios controlados para identificação de vazamentos em módulos.
Integração com sistemas de teste e medição para correlação entre carga de partículas, perda de desempenho e pressão diferencial.

4.4 Filtros automotivos e de cabine

Ensaios de elementos de admissão (referência ISO 5011) com métodos gravimétricos e fracionários para caracterizar penetração por tamanho e capacidade de retenção.
Verificação de vazamentos localizados em plissas e vedações por varredura e contagem.
Cabine (ISO 11155): foco em partículas finas e gases; para particulados, OPC/SMPS quantificam a eficiência fracionária em PM1/PM2,5.

4.5 Meios filtrantes em P&D

Uso de espectrômetro de aerossol para curvas de eficiência fracionária em amostras planas sob diferentes velocidades de face.
Avaliação de envelhecimento e carga com acompanhamento de pressão diferencial e deslocamento da MPPS.
Comparações entre materiais com e sem carga eletrostática intrínseca.

5. Boas Práticas e Parâmetros Críticos

5.1 Redução de incerteza e aumento de reprodutibilidade

Caracterização do desafio: medir CMD e GSD com SMPS/OPC e registrar concentração; manter estabilidade ao longo do ensaio.
Neutralização: aplicar neutralizador adequado para reduzir variações por carga de partícula.
Amostragem isocinética: sondas dimensionadas e posicionadas; linhas curtas, condutivas e com baixas perdas por difusão/impactação.
Calibração rastreável: vazão, fotômetro, OPC, SMPS e transdutores de pressão diferencial com certificados atualizados.
Controle ambiental: temperatura e UR estáveis, especialmente com aerossol salino para evitar crescimento higroscópico.
Uniformidade upstream: câmaras de mistura e placas de orifício/retificadores quando necessário.

5.2 Escolha do método e do equipamento

Vazamentos localizados: fotometria de varredura quando o objetivo é identificar pontos de falha rapidamente.
Eficiência fracionária/MPPS: SMPS (nanos) e OPC/APS (micros); combinar técnicas para cobertura ampla de tamanho.
Ensaios gravimétricos: quando a métrica de massa é requisito normativo (e.g., ISO 16890 e ISO 5011).
Aerossol de teste: DEHS/PAO para fotometria; NaCl/KCl para fracionário submicrométrico; considerar compatibilidade com sensores e normas de ensaio.

5.3 Evitar erros comuns

Saturação de sensores: ajustar diluição; verificar linearidade do fotômetro.
Perdas em linhas: minimizar curvaturas; usar materiais adequados; validar fator de transmissão.
Não neutralizar o aerossol: pode superestimar eficiência por atração eletrostática.
Injeção não uniforme: resulta em leituras inconsistentes entre pontos de amostragem.
Condições de UR não controladas: alteram a distribuição de tamanho de sais e a resposta óptica.

5.4 Protocolos e conformidade normativa

Seguir EN 1822/ISO 29463 para HEPA/ULPA (MPPS, eficiência integral e varredura).
Aplicar ISO 16890 para ventilação geral com foco em PM1/PM2,5/PM10.
Adotar ISO 14644-3 em verificações in situ de salas limpas com aerossol de teste padronizado.
Documentar incerteza, repetibilidade e reprodutibilidade segundo boas práticas metrológicas.

6. Conclusão Técnica

O aerossol de teste é o elemento central na avaliação de vazamentos e da integridade de filtros. A definição correta da distribuição de tamanho, concentração e estado de carga, aliada ao método de medição apropriado (fotometria, contagem e espectrômetro de aerossol, gravimetria) e ao controle de pressão diferencial, é determinante para resultados confiáveis e comparáveis.

Normas de ensaio como EN 1822/ISO 29463, ISO 16890 e ISO 14644-3 estruturam os requisitos de desempenho, enquanto sistemas de teste e medição bem especificados — incluindo geradores de aerossol, fotômetros, contadores e espectrômetros, como os sistemas TOPAS — viabilizam ensaios com rastreabilidade, sensibilidade e reprodutibilidade.

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