Testes de Filtros – Conceitos e Fundamentos

Pituã Brasil Business
16 de nov.
6 min de leitura

Base científica e metodologias para ensaios de desempenho e conformidade

Referência técnica objetiva para projetar, executar e validar teste de filtros com confiabilidade metrológica e alinhamento às normas de ensaio.

1. Conceitos Fundamentais

Princípios físicos de captura

A separação de partículas em filtros resulta da combinação de mecanismos dominantes em diferentes faixas granulométricas. Em fibras e meios porosos, atuam:

Difusão browniana: relevante para nanopartículas (<100 nm), com captura por movimento aleatório e contato com as fibras.
Intercepção: partículas seguem as linhas de corrente e colidem ao se aproximarem da fibra a uma distância menor que o seu raio.
Impactação inercial: para diâmetros aerodinâmicos maiores e altas velocidades, a inércia desvincula a trajetória da corrente e causa impacto em superfícies.
Assentamento gravitacional: contribuição para partículas grossas em velocidades baixas.
Atração eletrostática: em meios filtrantes com carga (eletretos), forças coulombianas aumentam a captura sem grande penalidade de pressão diferencial.

O ponto de mínima eficiência, denominado MPPS (Most Penetrating Particle Size), é crítico no projeto e na validação de filtros HEPA/ULPA, pois estabelece a condição mais rigorosa para avaliação de eficiência fracionária.

Comportamento de partículas e propriedades dos aerossóis

O comportamento de partículas em escoamentos depende do diâmetro aerodinâmico, densidade, forma e carga. A análise granulométrica deve considerar se a distribuição é expressa por número, área ou massa, pois a resposta do sistema de teste e medição varia com o princípio de detecção.

Diâmetro de mobilidade elétrica (SMPS) e diâmetro aerodinâmico (APS) são grandezas distintas e complementares.
A higroscopicidade e a aglomeração podem alterar a distribuição durante o ensaio.
Neutralização de carga é recomendada para garantir medição representativa do comportamento de partículas em condições padronizadas.

Parâmetros críticos

Eficiência integral e eficiência fracionária (por classe de tamanho).
Pressão diferencial (perda de carga) em função da vazão/velocidade face, com controle de temperatura e umidade.
Concentração e estabilidade do aerossol de teste ao longo do tempo.
Condições de contagem de partículas e amostragem (isocinética, diluições).
Condições de pré-tratamento (ex.: descarga com IPA para meios eletrostáticos conforme ISO 16890).

2. Métodos e Técnicas de Medição

Medição fracionária (por tamanho)

A medição fracionária determina a eficiência por classe de diâmetro e é mandatória para filtros de alta eficiência segundo EN 1822 e ISO 29463. Tipicamente usa-se um espectrômetro de aerossol combinando DMA/CPC (SMPS) para 10–500 nm e APS para partículas >0,5 µm. Mede-se a concentração a montante e a jusante para cada bin de tamanho, calculando a eficiência fracionária e localizando o MPPS.

Vantagens: alta resolução, rastreabilidade metrológica, identificação do MPPS e avaliação do mecanismo de captura.
Limitações: maior complexidade, necessidade de diluições estáveis, sensibilidade a aglomeração e cargas.
Aplicações: certificação de filtros HEPA e ULPA, P&D de meios filtrantes e avaliação de eletretos.

Medição fotométrica/integral

Mede a atenuação óptica total de um aerossol de teste (DEHS/PAO) por fotometria de luz espalhada. É amplamente utilizada para testes de integridade (varredura de vazamentos) em filtros instalados e para avaliações rápidas da eficiência integral. Normas correlatas incluem ISO 14644-3 (salas limpas) e partes da EN 1822 para ensaios de integridade.

Vantagens: resposta rápida, ideal para detecção de vazamentos e varredura de superfícies.
Limitações: não resolve por tamanho; sensível à calibração do fotômetro e às propriedades ópticas do aerossol.
Aplicações: qualificação em campo de filtros HEPA/ULPA e testes de integridade de sistemas.

Contagem de partículas por óptica (OPC)

Os contadores ópticos de partículas classificam por bins de tamanho (tipicamente 0,3–10 µm) com base em espalhamento de luz, seguindo ISO 21501-4. São essenciais em ensaios conforme ISO 16890, em que a eficiência em massa ePM1, ePM2,5 e ePM10 é derivada a partir da eficiência fracionária por número combinada a distribuições de referência.

Vantagens: operação contínua, robustez e boa faixa dinâmica para micrômetros.
Limitações: sensibilidade a índices de refração; resolução limitada para submicrométricas.

Medição gravimétrica e de capacidade

Baseada na massa coletada e na variação de peso do filtro/porta-amostra, é utilizada para determinar capacidade de retenção e evolução da pressão diferencial sob carregamento. Referências incluem ISO 16890 (avaliação em massa), ISO 5011 (filtros de admissão de motores) e ISO 11155-1 (filtros de cabine).

Vantagens: diretamente relacionada à massa de partículas e vida útil.
Limitações: baixa resolução temporal; requer balanças analíticas e condicionamento ambiental estável.

Quando usar cada técnica

HEPA/ULPA: eficiência fracionária com SMPS/APS (EN 1822/ISO 29463) e teste de integridade fotométrico.
Ventilação geral: classificação por ISO 16890 com OPC, descarga por IPA quando aplicável e cálculo de ePM1/ePM2,5/ePM10.
Automotivo e motores: ISO 5011 e ISO 11155-1 com ensaios gravimétricos, pressão diferencial e curvas de carregamento.
Turbinas a gás: ISO 29461, avaliação de eficiência e perda de carga em alta vazão e ambientes severos.

3. Equipamentos Usados no Setor

Geração e condicionamento de aerossol

Geradores de aerossol de líquido (DEHS/PAO) e sal (NaCl/KCl) com controle de concentração e distribuição; exemplos incluem sistemas TOPAS para geração estável e reprodutível.
Neutralizadores de carga (raios X/soft X ou radionuclídeos) para alcançar equilíbrio de Boltzmann, conforme exigido por normas de ensaio.
Misturadores, diluidores e condicionadores para estabilizar o aerossol de teste e assegurar uniformidade a montante.

Sistemas de teste e medição

Espectrômetro de aerossol: SMPS (DMA+CPC) para 10–500 nm e APS para 0,5–20 µm, suportando análise granulométrica de alta resolução.
Contadores de partículas ópticos (OPC) para bins micrométricos; CPC para concentrações muito baixas a jusante.
Fotômetros para ensaios de integridade e eficiência integral com resposta rápida.
Bancadas de ensaio modulares com controle de vazão, temperatura, umidade, pressão diferencial e porta-amostras padronizados; soluções comerciais, como sistemas TOPAS, integram geração, medição e automação de ensaios.
Sensores e aquisição: transdutores de pressão diferencial de alta resolução, medidores de vazão massiva e balanças analíticas para gravimetria.

Equipamentos para análise de meios filtrantes

Células para amostras planas que medem penetração, eficiência fracionária e pressão diferencial em diferentes velocidades face.
Instrumentos de permeabilidade ao ar e espessura para caracterização básica do meio.
Recursos para condicionamento por IPA e temperatura/umidade, relevantes para meios eletrostáticos.

4. Aplicações Reais em Indústria e Laboratórios

Salas limpas, filtros HEPA e ULPA

Para qualificação de filtros finais em ambientes ISO Class 1–8, realiza-se teste de integridade por varredura com fotômetro e aerossol de teste (DEHS/PAO) conforme ISO 14644-3. Em laboratório, a certificação segue EN 1822/ISO 29463, medindo eficiência fracionária no MPPS com espectrômetro de aerossol e verificando a pressão diferencial no ponto nominal de operação.

Indústria farmacêutica e biotecnologia

Requisitos de compliance exigem reprodutibilidade e rastreabilidade. Sistemas de teste e medição com calibração conforme ISO 21501-4 para contagem de partículas e protocolos documentados garantem comparabilidade entre lotes e auditorias regulatórias.

Filtros automotivos e de motores

Ensaios por ISO 5011 avaliam eficiência em massa, capacidade de retenção e crescimento da pressão diferencial durante o carregamento com poeira padrão. Para filtros de cabine (ISO 11155-1), a ênfase recai sobre a eficiência fracionária para PM e a queda de pressão em condições representativas do veículo.

Ventilação e HVAC (ISO 16890)

A classificação ePM é obtida a partir de medições por contagem de partículas em bins definidos, com conversão para eficiência em massa. A descarga por IPA (quando aplicável) avalia a dependência eletrostática dos meios filtrantes. O controle de umidade, concentração e estabilidade do aerossol de teste é determinante para a reprodutibilidade.

Turbinas a gás e ambientes severos

Filtros de admissão devem manter alta eficiência com baixa pressão diferencial em altos regimes de vazão e partículas higroscópicas/salinas. Ensaios conforme ISO 29461 consideram condições ambientais desafiadoras e transientes, exigindo instrumentação robusta e análise granulométrica combinada (APS/OPC).

P&D de meios filtrantes

A comparação de meios (antes do plissamento) requer células de teste com controle fino de velocidade face, medições fracionárias por SMPS/APS e protocolos de condicionamento padronizados. A análise de decaimento de desempenho de eletretos após exposição a solventes ou umidade orienta o design para estabilidade ao longo do ciclo de vida.

5. Boas Práticas e Parâmetros Críticos

Rastreabilidade metrológica: calibrar OPC/CPC segundo ISO 21501-4; verificar vazão com padrões rastreáveis e manter certificados atualizados (ISO/IEC 17025).
Controle de aerossol de teste: garantir neutralização de carga, homogeneidade a montante e diluições estáveis para evitar saturação de detectores e desvios por aglomeração.
Amostragem representativa: projetar pontas de amostragem isocinéticas, evitar ângulos mortos e garantir estanqueidade para minimizar bypass.
Pressão diferencial: usar transdutores com resolução adequada à faixa de ensaio; registrar ΔP em função da vazão e temperatura para análises comparativas.
Reprodutibilidade: documentar rigorosamente as condições (T, UR, vazão, concentração, tempo de estabilização); aplicar planos de ensaio e critérios de aceitação consistentes.
Incerteza de medição: realizar testes repetidos, avaliar componentes de incerteza (instrumental, amostragem, estabilidade do aerossol) e reportar intervalos confiáveis.
Seleção de método: preferir eficiência fracionária para filtros críticos (HEPA/ULPA), fotometria para integridade em campo e gravimetria para capacidade e vida útil.
Prevenção de erros: evitar saturação do CPC/OPC, monitorar perdas em dutos, mitigar condensação e artefatos eletrostáticos, e validar curvas de diluição.
Conformidade normativa: seguir normas de ensaio aplicáveis (ISO 16890, EN 1822, ISO 29463, ISO 14644-3, ISO 5011, ISO 29461, ISO 11155-1), registrando desvios e justificativas técnicas.

Comparação resumida entre métodos

Fracionária (SMPS/APS): máxima resolução por tamanho; ideal para desenvolvimento e certificação de alto rigor.
Fotométrica: rápida e sensível a vazamentos; excelente para testes de integridade e verificações de campo.
Gravimétrica: correlata à massa e vida útil; adequada para filtros de processo, automotivos e HVAC.

6. Conclusão Técnica

A confiabilidade de um teste de filtros depende da aderência a fundamentos científicos, da seleção correta do método (fracionário, fotométrico ou gravimétrico) e do controle rigoroso de variáveis como aerossol de teste, contagem de partículas e pressão diferencial. O uso de equipamentos adequados — geradores estáveis, espectrômetro de aerossol, contadores calibrados, fotômetros e bancadas integradas, incluindo sistemas TOPAS — sustenta a reprodutibilidade e a conformidade com normas de ensaio.

Medições bem executadas garantem decisões técnicas robustas, reduzem incertezas e aceleram a certificação de filtros HEPA e ULPA, filtros de ventilação geral e aplicações críticas em salas limpas, farmacêutica, automotivo e turbinas a gás.

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