Testes em Mídia vs. Testes no Filtro Completo: Implicações Metrológicas, Normativas e de Projeto

Subtítulo: Diferencie corretamente ensaios em meios filtrantes e em elementos completos para assegurar conformidade, eficiência fracionária, contagem de partículas confiável e reprodutibilidade em aplicações críticas.

Resumo técnico: Este artigo descreve fundamentos científicos da filtração de aerossóis, métodos de medição, diferenças entre medições ópticas, fracionárias e gravimétricas, normas de ensaio (ISO 16890, EN 1822/ISO 29463, ISO 5011, ISO 29461, ISO 14644-3), e o papel dos sistemas de teste e medição — incluindo espectrômetro de aerossol, contadores de partículas e bancos de ensaio como os sistemas TOPAS.

1. Conceitos Fundamentais

Meios filtrantes vs. elemento filtrante completo

Meios filtrantes (mídia) são as camadas fibrosas ou membranas responsáveis pela captura das partículas. Filtros completos integram a mídia a suportes, molduras, vedações, espaçadores e geometrias (ex.: dobras/pleats), influenciando distribuição de fluxo, pressão diferencial (ΔP) e risco de fugas periféricas.

Ensaios em mídia isolam propriedades intrínsecas do material. Ensaios no filtro completo incluem efeitos de montagem, heterogeneidade do escoamento e integridade de vedação, refletindo o desempenho real do produto.

Princípios físicos de captura

• Difusão browniana (dominante < 0,1 µm): partículas colidem aleatoriamente com fibras.

• Intercepção: trajetória de centroide próxima à fibra resulta em captura.

• Impacto inercial (relevante > 0,5–1 µm): partículas com inércia não acompanham linhas de corrente.

• Peneiramento e assentamento gravitacional: efetivos para partículas grandes em poros menores ou baixas velocidades.

• Interações eletrostáticas: mídias electret elevam eficiência inicial, sensíveis a descarga (IPA, solventes) e umidade.

A combinação desses mecanismos gera uma eficiência fracionária dependente do diâmetro aerodinâmico/mobilidade. O ponto de menor eficiência define a MPPS (Most Penetrating Particle Size), tipicamente 0,07–0,2 µm para filtros HEPA e ULPA.

Parâmetros críticos de engenharia

• Eficiência fracionária e penetração por classe de tamanho (análise granulométrica).

• Pressão diferencial (ΔP) em função da velocidade face e do carregamento por pó.

• Capacidade de pó e evolução de ΔP (estabilidade operacional).

• Condições ambientais: temperatura, umidade e estado de carga elétrica da mídia.

• Integridade e estanqueidade do elemento e da montagem (desempenho de vedação).

2. Métodos e Técnicas de Medição

Ensaios em mídia (folha plana)

Em bancos de teste de filtros para mídia plana, uma área definida é exposta a um aerossol de teste com distribuição controlada. Concentrações a montante e jusante são medidas por espectrômetro de aerossol (p.ex., SMPS para 10–500 nm e APS/OPC para >0,3 µm) ou por contagem de partículas em canais discretos. A eficiência é calculada por 1 – (Cdown/Cup) por faixa de tamanho.

Acondicionamento do aerossol requer neutralização de carga (p.ex., fonte de raio-X brando), diluição e controle de umidade para minimizar artefatos por deposição difusiva em linhas ou por forças eletrostáticas. A ΔP é medida com transdutores de baixa incerteza para caracterizar resistência do meio.

Vantagens: comparabilidade de materiais, triagem rápida em P&D, custos reduzidos. Limitações: não captura efeitos de pleat, uniformidade de fluxo, fugas e tolerâncias de montagem do filtro completo.

Ensaios no filtro completo

Para filtros finais, a avaliação inclui eficiência integral e varredura de fugas. Normas EN 1822 e ISO 29463 para HEPA/ULPA definem determinação da MPPS, eficiência fracionária e scan test por photometria ou contagem local. ISO 16890 classifica filtros de ventilação pela eficiência integrada em ePM1, ePM2,5 e ePM10, considerando distribuição ambiental de partículas e descarga IPA para mídias electret.

Em aplicações automotivas, ISO 5011 especifica eficiência e capacidade de pó por método gravimétrico com pó padrão. Para turbomáquinas e filtração industrial, ISO 29461 avalia desempenho com névoa, sal e poeira em condições definidas de fluxo e ΔP.

Vantagens: representa o desempenho real, incluindo vedação e efeitos geométricos. Limitações: maior complexidade, necessidade de maior capacidade de geração de aerossol e controle preciso de fluxo, e custos superiores.

Medição óptica, fracionária e gravimétrica: quando usar

• Fracionária (SMPS/APS/OPC): indispensável para MPPS e conformidade EN 1822/ISO 29463; recomendada para P&D e qualificação fina.

• Photometria: sensível a fugas em varreduras rápidas; não resolve tamanho, mas excelente para integridade de HEPA/ULPA e testes em campo (ISO 14644-3, IEST RP CC034).

• Gravimétrica: massa retida vs. massa enviada; útil para capacidade de pó, ΔP vs. carga (ISO 5011, protocolos de poeira padronizada).

A seleção deve considerar objetivo (desenvolvimento de mídia vs. qualificação do produto), faixa de tamanho crítica, limite de detecção e reprodutibilidade.

3. Equipamentos Usados no Setor

Sistemas de geração e condicionamento de aerossol

• Geradores: bicos Laskin, nebulizadores/atomizadores para DEHS/PAO; geradores salinos (NaCl/KCl); geradores de poeira ambiental/padrão para testes gravimétricos.

• Neutralizadores: raio-X brando para ajustar distribuição de carga e garantir condições reprodutíveis.

• Módulos de diluição e mistura: asseguram concentrações dentro da faixa dinâmica dos instrumentos e escoamento homogêneo.

Sensores e analisadores de partículas

• Espectrômetro de aerossol por mobilidade elétrica (SMPS/EEPS) para 10–500 nm.

• Aerodynamic Particle Sizer (APS) e contadores ópticos (OPC) para 0,3–20 µm.

• Photômetros para varredura de fugas em HEPA/ULPA e testes de integridade em campo.

• CPC (Condensation Particle Counter) para alta sensibilidade em ultrafinos.

Bancos de ensaio e acessórios

• Bancos para mídia plana com porta-amostras padronizados, controle de velocidade face e medição de pressão diferencial.

• Bancos para filtros completos com dutos estanques, platôs de vazão, placas de orifício/medidores mássicos, mesas de scan e sistemas de detecção.

• Sistemas TOPAS e outros bancos de referência: integração de geração de aerossol, condicionamento, detecção e automação para testes repetíveis de meios filtrantes e filtros completos, inclusive para filtros HEPA e ULPA.

• Condicionamento ambiental (temperatura/umidade) para avaliar influência climática e estabilidade eletrostática.

4. Aplicações Reais em Indústria e Laboratórios

Ventilação geral e HVAC

Filtros classificados por ISO 16890 devem ser ensaiados no filtro completo para obter ePM1, ePM2,5 e ePM10. Ensaios em meios filtrantes auxiliam P&D (seleção de fibras, gramatura, carga eletrostática), mas a classificação normativa depende do elemento final e inclui descarga IPA para avaliar comportamento de partículas sem efeito eletrostático.

Salas limpas e farmacêutica

Para HEPA/ULPA (EN 1822/ISO 29463), a eficiência em MPPS e o scan test de fugas são mandatórios no filtro completo. Em operação, a ISO 14644-3 especifica testes de integridade em campo com aerossol de teste (PAO/DEHS) e photometria, garantindo contagem de partículas conforme classe da sala.

Automotivo e motores de combustão

ISO 5011 avalia eficiência gravimétrica, capacidade de pó e evolução de ΔP do elemento completo com poeira padronizada. Ensaios em mídia suportam otimização de estruturas de camadas (pré-filtros, nanofibras), mas o desempenho final depende do pleating, distribuição de fluxo e vedação do elemento.

Turbinas a gás e ar de processo

ISO 29461 aborda desempenho sob névoa, sal e poeira, com foco em reprodutibilidade e condições de alta vazão. Apenas testes no filtro completo capturam fenômenos como re-entrainment, coalescência e escoamento não uniforme em módulos grandes.

Laboratórios de P&D e fabricação de meios

Ensaios em mídia são essenciais para análise granulométrica fina, avaliação de electrets e estudos de envelhecimento térmico/úmido. Bancos com SMPS/APS e controle de ΔP permitem mapear a eficiência fracionária e otimizar estruturas multimodais de fibras.

5. Boas Práticas e Parâmetros Críticos

Projeto do ensaio e controle metrológico

• Definir a faixa de tamanho em torno da MPPS para HEPA/ULPA; complementar com APS/OPC para >0,3 µm em HVAC e automotivo.

• Garantir isocineticidade e homogeneidade na amostragem a montante e jusante para reduzir viés em contagem de partículas.

• Neutralizar carga do aerossol e aplicar descarga IPA quando requerido (ISO 16890) para avaliar a contribuição eletrostática da mídia.

• Controlar ΔP e velocidade face com incerteza conhecida; registrar deriva térmica/úmida.

• Verificar estanqueidade do banco e da montagem (vedações, flanges, juntas).

Redução de incerteza e aumento da reprodutibilidade

• Calibração rastreável de espectrômetros, contadores e transdutores de pressão.

• Checagem de zero/background e testes em branco antes da sequência.

• Estabilidade do aerossol: monitorar concentração ao longo do tempo; usar feedback ou diluição estável.

• Minimizar perdas por parede com linhas curtas, antiestáticas e fluxo apropriado.

• Replicatas e SOPs: procedimentos documentados, critérios de aceitação e análise estatística (ex.: repetibilidade, reprodutibilidade interlaboratorial).

Escolha de equipamentos e configuração

• Mídia: porta-amostras padronizados, SMPS/OPC, gerador DEHS/NaCl, neutralizador e medição precisa de ΔP.

• Filtro completo: banco estanque com controle de vazão, mesa de scan com photometria e opção de contagem fracionária; integração de segurança e automação.

• Sistemas TOPAS: bancos modulares que integram geração, condicionamento e medição para diferentes normas, úteis para padronização e reprodutibilidade em QA e P&D.

Erros comuns a evitar

• Concluir sobre eficiência fracionária usando apenas photometria (sem resolução por tamanho).

• Não considerar fugas de vedação, atribuindo baixa eficiência à mídia.

• Operar contadores fora da faixa (coincidence loss) por concentração excessiva.

• Ignorar descarga eletrostática exigida por norma (ISO 16890), superestimando eficiência.

• Comparar resultados sem harmonizar análise granulométrica, condições ambientais e ΔP.

6. Conclusão Técnica

Ensaios em meios filtrantes e em filtros completos respondem a perguntas diferentes e complementares. A mídia determina o potencial intrínseco de captura; o filtro completo traduz esse potencial em desempenho real, incorporando distribuição de fluxo, geométria e integridade de vedação. A escolha correta de sistemas de teste e medição — espectrômetro de aerossol, contagem de partículas, photometria e medição de pressão diferencial — é determinante para obter reprodutibilidade e conformidade com normas de ensaio como ISO 16890, EN 1822/ISO 29463, ISO 5011, ISO 29461 e ISO 14644-3.

Implementar protocolos robustos, calibrar instrumentos e selecionar o método adequado (fracionário, photométrico, gravimétrico) reduz incertezas e evita decisões de projeto equivocadas. Em contextos críticos — salas limpas, filtros HEPA e ULPA, turbinas a gás, HVAC e automotivo — o impacto de uma medição adequada se traduz em confiabilidade operacional, eficiência energética e conformidade regulatória.

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