Penetração de partículas: o que é e como é medida

Subtítulo — Metodologias e parâmetros para quantificar a passagem de aerossóis através de meios filtrantes com rigor metrológico.

Em ambientes industriais e laboratoriais, medir a penetração de partículas permite quantificar a eficiência de filtros e meios filtrantes em condições controladas, comparáveis e rastreáveis a normas de ensaio.

1. Conceitos Fundamentais

Definição e métricas básicas

A penetração de partículas é a razão entre a concentração de aerossol a jusante e a concentração a montante do elemento filtrante, para um dado diâmetro aerodinâmico ou elétrico de partícula e em condições definidas de vazão e velocidade frontal. Em termos percentuais: Penetração (%) = Concentração jusante / Concentração montante × 100. A eficiência é o complemento: Eficiência (%) = 100 − Penetração.

Princípios físicos e comportamento de partículas

Partículas em escoamentos de baixa a moderada Reynolds interagem com fibras e poros do meio por mecanismos dominantes condicionados ao tamanho: difusão browniana (sub-200 nm), interceptação e impacto inercial (acima de 300 nm a poucos micrômetros). Cargas eletrostáticas e forças de imagem podem elevar a eficiência aparente em meios filtrantes eletretos. O comportamento de partículas depende também de densidade, forma, higroscopicidade e estado de aglomeração do aerossol.

Propriedades dos aerossóis e análise granulométrica

A análise granulométrica descreve a distribuição de tamanhos por número, superfície ou massa. A escolha do modo de representação afeta diretamente a interpretação da penetração. O tamanho de maior penetração MPPS — Most Penetrating Particle Size — é o diâmetro no qual a eficiência fracionária é mínima. Em filtros HEPA e ULPA, o MPPS costuma situar-se entre 80 e 300 nm, variando com o meio e as condições de ensaio.

Parâmetros críticos

• Vazão volumétrica e velocidade frontal — afetam regime de escoamento e balanço de mecanismos de captura.

• Pressão diferencial — indicador de resistência ao fluxo e condição do elemento; varia com carregamento e umidade.

• Temperatura e umidade relativa — alteram propriedades do aerossol de teste e do meio.

• Estado eletrostático do meio — eletretos requerem controle de neutralização e condicionamento.

• Estabilidade e traçabilidade do aerossol de teste — distribuição, concentração e neutralização por equilíbrio de cargas.

2. Métodos e Técnicas de Medição

Medição fracionária por número

Visa determinar a eficiência fracionária em função do tamanho. Cadeia típica: gerador de aerossol monodisperso ou polidisperso, neutralizador de carga, amostragem isocinética montante e jusante, seleção por mobilidade elétrica ou por aerodinâmica, detecção por contagem de partículas. Combinações comuns incluem DMA com CPC no sistema SMPS para 10 a 500 nm e APS para a faixa acima de 500 nm. O cálculo da penetração é feito ponto a ponto na distribuição, identificando o MPPS e a curva de eficiência fracionária.

Medição óptica por contagem

Contadores ópticos de partículas OPC classificam partículas por diâmetro óptico, útil para faixas a partir de 0,1 a 0,3 µm conforme instrumento. Vantagens: tempo de resposta rápido e simplicidade. Limitações: dependência do índice de refração, incerteza na calibração de tamanho e menor sensibilidade para sub-100 nm.

Medição fotométrica de massa

Fotômetros de dispersão integrados medem concentração massiva relativa de aerossol, sendo usados para ensaios globais de penetração e varreduras de vazamentos. Clássico em testes de filtros HEPA instalados e integridade de sistemas, conforme ISO 14644-3 e guias de qualificação. Vantagem: robustez e rapidez. Limitação: não resolve a eficiência fracionária e depende da resposta óptica da substância do aerossol de teste.

Medição gravimétrica

Coleta-se carga de partículas em filtros de referência a montante e a jusante, com balança analítica de alta resolução, permitindo determinar penetração por massa. Indicada para poeiras padronizadas em ensaios de carregamento e durabilidade. Limitações incluem tempo, sensibilidade a umidade e baixa resolução temporal.

Quando usar cada técnica

• Qualificação de filtros HEPA e ULPA — medição fracionária no MPPS, seguida de varredura de vazamentos; normas EN 1822 e ISO 29463.

• Filtros HVAC segundo normas de ensaio ISO 16890 — avaliação de eficiência fracionária e classes ePM1, ePM2,5 e ePM10.

• Ensaios de meios filtrantes e desenvolvimento de produto — SMPS/APS para curvas fracionárias, OPC para triagens rápidas, gravimetria para carregamento.

• Verificação em campo e comissionamento — fotometria e contagem de partículas conforme ISO 14644 em salas limpas.

3. Equipamentos Usados no Setor

Geração e condicionamento de aerossol de teste

Geradores de aerossol produzem distribuições estáveis com NaCl, KCl, DEHS, PAO ou esferas PSL. Neutralizadores estabelecem equilíbrio de cargas, essencial para medições por mobilidade. Diluidores e divisores isocinéticos asseguram linearidade de faixa e segurança do detector.

Sistemas TOPAS e equipamentos equivalentes no mercado oferecem geradores de aerossol, neutralizadores, diluidores e bancos de ensaio integrados para diferentes normas e faixas de vazão, permitindo configurar cadeias metrológicas reprodutíveis.

Espectrômetro de aerossol e contadores

• Espectrômetro de aerossol por mobilidade SMPS — combina DMA e CPC para distribuição por número em nanoescala.

• Espectrômetro por aerodinâmica APS — mede partículas de 0,5 a dezenas de micrômetros por tempo de voo.

• Contadores ópticos de partículas OPC — contagem de partículas por faixas, úteis para monitoramento de sala limpa e triagens.

• Fotômetros — medição de concentração massiva relativa para testes de integridade e varredura de vazamentos em filtros HEPA e ULPA.

Sistemas de teste e medição para filtros e meios filtrantes

• Bancos de ensaio para filtros HVAC conforme ISO 16890 — controle de vazão, geração de aerossol de teste e medição fracionária.

• Bancos para filtros HEPA e ULPA conforme EN 1822 e ISO 29463 — determinação do MPPS, eficiência global e varredura.

• Bancadas para meios filtrantes planos flat-sheet — medição de eficiência fracionária, pressão diferencial e carregamento.

• Sistemas de ensaio para filtros automotivos e de motores — conforme ISO 11155-1, ISO 5011 e ISO 29461, com poeiras padronizadas e medição de queda de pressão.

4. Aplicações Reais em Indústria e Laboratórios

Salas limpas e setor farmacêutico

Em qualificação de ambientes ISO 14644, realiza-se contagem de partículas no ar ambiente e testes de integridade dos filtros finais com fotometria PAO ou DEHS. A penetração medida a jusante deve atender ao nível de classe e ao critério de vazamento, garantindo contenção e assepsia.

Filtros HEPA e ULPA

Para classificação H13 a U17, a medição de eficiência fracionária ao MPPS é mandatória segundo EN 1822 e ISO 29463. O procedimento inclui estabilização, varredura de vazamentos e determinação da eficiência global. Espectrômetros de aerossol e fotômetros são complementares para confirmar desempenho.

HVAC e edifícios comerciais

Normas de ensaio como ISO 16890 avaliam a eficiência fracionária contra PM1, PM2,5 e PM10. A penetração por classes fornece base comparável para seleção de filtros, otimizando equilíbrio entre qualidade do ar e consumo energético associado à pressão diferencial.

Automotivo e motores de combustão

Filtros de cabine e de admissão de ar são avaliados por penetração e queda de pressão sob poeiras padronizadas e ciclos de carregamento ISO 11155-1 e ISO 5011. Em turbomáquinas e turbinas a gás, a série ISO 29461 especifica métodos para avaliar eficiência e durabilidade em regimes de alta vazão.

P&D de meios filtrantes

Laboratórios otimizam composições de fibras, gramatura e tratamentos de superfície correlacionando penetração, eficiência fracionária e pressão diferencial ao longo do carregamento. A análise granulométrica detalhada orienta ajustes no design do poro e em camadas de suporte.

5. Boas Práticas e Parâmetros Críticos

Metrologia e reprodutibilidade

• Calibração rastreável de vazão, detectores e espectrômetros. Verificação periódica com padrões de contagem e esferas PSL.

• Neutralização consistente do aerossol de teste para comparabilidade interlaboratorial.

• Controle de temperatura e umidade, com registro para correção de densidade do ar e propriedades do aerossol.

• Verificação de isocineticidade na amostragem a montante e a jusante para evitar vieses.

Projeto do ensaio e incerteza

• Definir faixa de tamanho relevante ao uso final e densidade de pontos para a eficiência fracionária, incluindo a região do MPPS.

• Quantificar incertezas de contagem de partículas, diluição, vazão e fundo de linha base blank.

• Utilizar replicatas e sequências de validação ao trocar meios filtrantes, assegurando reprodutibilidade.

Operação de sistemas de teste e medição

• Selecionar geradores compatíveis com a substância e faixa de concentração desejadas, garantindo estabilidade temporal.

• Empregar diluidores quando necessário para manter detectores dentro da faixa linear e reduzir perdas por deposição.

• Minimizar vazamentos e by-pass na fixação do elemento filtrante com vedações adequadas e verificação de estanqueidade.

• Monitorar continuamente a pressão diferencial para correlacionar eficiência e resistência hidráulica durante o carregamento.

Normas de ensaio e conformidade

• HVAC — ISO 16890 para classificação e eficiência fracionária em aerossol neutro.

• Alta eficiência — EN 1822 e ISO 29463 para HEPA e ULPA, com MPPS e varredura de vazamentos.

• Salas limpas — ISO 14644-3 para métodos de teste, contagem de partículas e verificação de integridade.

• Automotivo e motores — ISO 11155-1, ISO 5011 e ISO 29461 para condições de poeira e ciclos de ensaio.

Evitar erros comuns

• Não assumir equivalência entre eficiência por massa e por número — bases diferentes geram conclusões distintas.

• Evitar comparar dados sem harmonizar faixas de tamanho, carga do filtro e velocidade frontal.

• Prevenir carga eletrostática persistente em eletretos sem condicionamento padronizado.

• Considerar perdas difusivas em linhas de amostragem, especialmente abaixo de 100 nm.

6. Conclusão Técnica

A penetração de partículas é o parâmetro central para qualificar o desempenho de filtros e meios filtrantes, devendo ser determinada com técnicas compatíveis com o objetivo do ensaio e as normas de referência. A medição adequada da eficiência fracionária, acompanhada de controle de pressão diferencial, análise granulométrica e balanço de incertezas, garante comparabilidade e decisão técnica embasada.

Espectrômetros de aerossol, contadores de partículas, fotômetros e bancos de ensaio normativos, incluindo soluções como sistemas TOPAS e equivalentes, compõem a infraestrutura necessária para resultados robustos e reprodutíveis ao longo do ciclo de P&D, qualificação e controle de qualidade.

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