Uma opção largamente utilizada na operação da separação gás-sólido é a filtração de gases através de um filtro de tecido

por Eduardo Hiromitsu Tanabe, Paulo Paschoal e Mônica Lopes Aguiar

Visando minimizar a quantidade de poluentes atmosféricos, por parte de indústrias e automóveis, principalmente dos materiais particulados prejudiciais à saúde humana, estão em vigência normas de controle ambiental que devem ser obrigatoriamente seguidas por todos os setores industriais. Neste sentido, torna-se necessário o aprimoramento de métodos para a remoção de partículas contidas nos gases, de modo a torná-los cada vez mais econômicos e eficientes.
A filtração de ar é um dos métodos mais comuns na coleta de material particulado, por se tratar de um equipamento relativamente barato, de fácil operação e de alta eficiência na remoção de material particulado numa faixa de distribuição granulométrica bastante ampla.
A melhor condição de operação de filtração de material particulado é a combinação entre a máxima eficiência de coleta e a mínima perda de carga. Os tecidos utilizados nesses equipamentos são muito importantes para o desempenho dos filtros, uma vez que as propriedades do elemento coletor devem ser compatíveis com o gás e o pó coletado, de acordo com as suas características físicas, químicas e térmicas.
É importante conhecer o comportamento dos diferentes meios filtrantes nos processos de filtração e de limpeza, para que estes possam ser utilizados de forma mais eficiente e com menores custos.
Os tipos de tecidos utilizados em filtração industrial atualmente englobam uma variedade de materiais considerável, incluindo tecidos trançados e tecidos não trançados, também chamados feltros. Os materiais de fabricação incluem cerdas naturais, artificiais e sintéticas. O desenvolvimento de novas fibras promoveu a difusão da técnica de controle de emissão de particulados, com melhor resistência ao calor, a materiais corrosivos entre outras características, ampliando o campo de utilização dos filtros manga.
Um tecido trançado é uma estrutura produzida pelo entrelaçamento de um conjunto de fios de trama formando um ângulo próximo a 90º.
O conjunto de fios que correm longitudinalmente o tecido é chamado de urdume e forma a estrutura básica do tecido trançado. As formas mais usuais de trançar os tecidos são: o trançado plano, sendo este, o mais simples, com cada fio da trama passando acima e abaixo do urdume; o trançado sarja, formado pelo entrelaçamento de mais de um e menos de quatro fios longitudinais em seqüência do fio transversal; e o cetim, onde mais de quatro fios longitudinais são entrelaçados por vez. Estes tipos de entrelaçamento podem ser visualizados na Figura 1.

O tecido não trançado, ou feltro, é formado por uma estrutura plana, flexível e porosa, constituído de um véu ou manta de fios ou filamentos, orientados ou não, e consolidados por vias mecânicas, químicas ou térmicas, ou ainda pela combinação destas.
A fabricação dos feltros se inicia pela formação de uma manta, constituída por uma ou mais camadas de véus. Estes véus são obtidos por processos de cardagem, por fluxo de ar, por deposição eletrostática, por suspensão em meio líquido ou por fiação direta de filamentos contínuos.
A fim de melhorar a performance dos filtros de tecido, em alguns casos, realizam-se tratamentos finalizadores como a calandragem, a escovação, a chamuscagem e a impregnação química, que modificam as características superficiais dos meios filtrantes, alterando a permeabilidade, a capacidade de coleta e de penetração de partículas, e até mesmo influenciam na capacidade de liberar a torta de filtração, no processo de limpeza.
É possível observar as diferenças estruturais de tecidos trançados e não trançados a partir da Figura 2, onde são apresentadas, com ampliação de 50 vezes, as fotografias da superfície de 2 tecidos, em (a) o nylon (tecido trançado) e em (b) o poliéster não tratado (tecido não trançado), geradas no microscópio eletrônico de varredura (MEV).
Observa-se através da Figura 2, que o tecido trançado apresenta uma estrutura de fibras ordenada, enquanto que no feltro, a disposição das fibras não é uniforme, com uma maior abertura superficial.

Pelo próprio processo de produção, os feltros exibem muito mais poros por unidade de área que os tecidos trançados, assim uma grande quantidade de partículas são retidas no interior do tecido após a limpeza, conferindo, a estes, maiores eficiência de filtração nos ciclos subseqüentes, diferentemente do que ocorre com tecidos trançados, onde se deve evitar que a limpeza elimine completamente a camada superficial da torta, o que diminuiria a eficiência da filtração.
Devido a menor eficiência de filtração obtida com os tecidos trançados e ainda pelo fato destes apresentarem maior resistência inicial ao escoamento, a maior parte das aplicações de filtros manga se dá com a utilização de feltros.
Tanto os tecidos trançados quanto os feltros possuem uma eficiência inicial relativamente baixa, porque apenas a superfície do meio filtrante oferece resistência às partículas em suspensão. Após se iniciar a formação da torta esta colabora com o processo, uma vez que passa a fazer parte do filtro. Porém, a espessura da torta cresce gradativamente e, consequentemente, vai aumentando a perda de carga no filtro, tornando-se necessário efetuar uma limpeza periódica do mesmo, para remover a torta, e manter assim o filtro em condições novamente favoráveis de operação.
Para uma torta ser removida do tecido, uma força deve ser aplicada para quebrar as interações adesivas que unem a torta ao tecido ou a coesão interna da torta. Após a limpeza do filtro, era de se esperar que o tecido voltasse a ter suas propriedades iniciais, porém não é isso o que acontece na prática. A remoção completa da torta não é atingida, e na maioria das vezes, é observado um fenômeno conhecido como Patchy Cleaning, ou remoção por blocos, onde há remoção completa de alguns pedaços de torta, exceto por uma fina camada de pó, sendo que outras partes da torta permanecem intactas. A Figura 3 mostra, em (a), a superfície do meio filtrante com a torta de filtração e, em (b), o meio filtrante após a limpeza, podendo-se observar o fenômeno de remoção por blocos.

A deposição das partículas no interior do meio filtrante é um fenômeno que pode ocorrer em maior ou menor grau, dependendo das características do material particulado e do meio filtrante envolvidos, bem como das condições operacionais. Deve haver bom senso ao considerar estes aspectos, uma vez que o acúmulo excessivo de partículas provoca um aumento da perda de carga no próximo ciclo e resulta, em um maior consumo energético.
A análise do primeiro ciclo de filtração revela importantes características do processo, sendo estas relacionadas com as propriedades do meio filtrante e do material particulado utilizados. Rodrigues (2006) comparou o comportamento de diferentes tecidos, trançados e não trançados, em seu primeiro ciclo de filtração e limpeza, sendo os feltros: polipropileno, acrílico, poliéster tratado e poliéster não tratado; e os trançados: algodão, poliéster trançado e nylon. A partir da Figura 4, que mostra a curva de perda de carga em função da carga mássica para os diferentes meios filtrantes analisados, o autor verificou que a perda de carga inicial dos tecidos trançados é muito superior à dos feltros, sendo esta uma vantagem na utilização dos últimos.

Para os tecidos trançados, verificou-se uma maior perda de carga inicial, em relação aos feltros. Além disso, as curvas de filtração apresentaram concavidade oposta aos demais tecidos, indicando um rápido aumento da perda de carga durante o processo de filtração.
No caso dos feltros, o polipropileno apresentou a menor fase inicial de filtração interna. Este comportamento linear predominante da curva caracteriza uma filtração superficial, com baixa penetração de partículas no interior do tecido.
Isso porque o polipropileno apresentou valores relativamente baixos de permeabilidade ao ar (2,2 10-8 m²) e de porosidade superficial (0,72), quando comparado a outros tecidos como acrílico e poliéster que apresentaram um período de filtração interna consideravelmente maior.
A partir do trabalho de Rodrigues (2006) comprovou-se a importância em se conhecer as propriedades do meio filtrante, bem como seu comportamento em diferentes condições de operação e trabalhando com variados materiais particulados. Uma vez conhecido o desempenho do tecido em uma ampla faixa de condições operacionais e utilizando diferentes tipos de partículas, pode-se definir melhor a finalidade de cada meio filtrante e operar os filtros manga de forma eficiente e com maior economia de energia.
Tendo em vista a maior utilização dos tecidos não trançados nas operações de filtração envolvendo filtros manga, e ainda devido a maior perda de carga inicial que os tecidos trançados proporcionam, optou-se por realizar um estudo da influência da profundidade de deposição das partículas e uma análise do fenômeno Patchy Cleaning utilizando-se os tecidos não trançados.

Materiais Utilizados
Nos ensaios de filtração realizados, utilizou-se como material particulado o concentrado fosfático, fornecida pela FOSFÉRTIL S/A, com densidade da partícula de 2,8 g/cm³, determinada através de um picnômetro a Hélio, modelo Micromeritics Accupyc 1330, e o diâmetro médio volumétrico de 4,5 μm, obtido por análise no contador de partículas Malvern Mastersizer. Todas estas análises foram realizadas no Laboratório de Controle Ambiental do Departamento de Engenharia Química da UFSCar. Os meios filtrantes analisados foram os tecidos de acrílico (AC), polipropileno (PP) e poliéster tratado (PT), cedidas pela empresa GINO CACCIARI. As propriedades destes meios filtrantes estão apresentadas na Tabela 1.

Análise da profundidade de deposição das partículas
O equipamento utilizado nos ensaios de filtração foi projetado e construído no DEQ-UFSCar e encontra-se no Laboratório de Controle Ambiental; maiores
detalhes podem ser obtidos no trabalho de Rodrigues (2006). Nesse estudo foram realizados 10 ciclos de filtração, utilizando velocidade superficial de filtração (VF) de 10 cm/s. O processo de remoção da torta foi realizado através da técnica de limpeza por fluxo de ar reverso, com velocidade de limpeza (VL) de 12 cm/s. A perda de carga máxima (Pmax) admitida no filtro foi de 10 cmHO (981 Pa).

Realizou-se a análise da profundidade de deposição da torta de filtração, empregando-se o método de análise microscópica, desenvolvido por Coury e Aguiar (1995). A torta de filtração foi pré-endurecida com vapor do adesivo instantâneo Loctite-416, embutida com a resina PMS-10, fornecida pela empresa Loctite do Brasil, em seguida polida e esmerilada, para só então ser analisada no microscópio óptico (MO) e no microscópio eletrônico de varredura (MEV).

Para cada ciclo realizado foram obtidas, a partir do MEV, imagens de 10 perfis transversais do filtro, para avaliar a profundidade de deposição das partículas, processadas através do analisador de imagem Image-Pro Plus 3.0.
Para avaliar a influência do tecido utilizado como meio filtrante na profundidade de deposição das partículas e na perda de carga residual, construíram-se as curvas de profundidade média de deposição das partículas no interior dos meios filtrantes e da perda de carga residual, em função do número de ciclos, apresentados nas Figuras 6 e 7, respectivamente.

Pôde-se verificar na Figura 6 que o tecido de polipropileno foi o que apresentou o menor valor de profundidade de deposição das partículas entre os tecidos estudados. Isto mostra, através da análise da estrutura deste tecido, que devido a menor permeabilidade e a menor abertura superficial mostrados na Tabela 1, as partículas capturadas no tecido proporcionaram uma rápida formação da torta de filtração, impedindo que outras partículas penetrassem intensamente no interior do meio filtrante.
Na Figura 7 verifica-se que, apesar do poliéster tratado apresentar um dos maiores valores de profundidade de deposição, foi o que apresentou a menor perda de carga residual. Essa maior profundidade obtida não significou entupimento dos poros, mas uma distribuição mais homogênea das partículas no tecido, garantindo uma maior permeabilidade do ar e, conseqüentemente, menor resistência ao escoamento, obtendo-se menores perdas de cargas residuais, maiores períodos de filtração e maior eficiência de coleta, o que torna, este tecido vantajoso, econômico e com maior vida útil.
Em relação ao tecido de polipropileno, embora tenha apresentado a menor profundidade de deposição das partículas, como visto na Figura 6, foi o tecido com o qual se obteve a maior perda de carga residual. Este fato indica que, como o espaçamento entre as fibras é menor para este tecido, as partículas depositadas no mesmo proporcionaram um fechamento dos poros exercendo uma maior resistência à passagem ao ar, e aumentando a perda de carga no sistema.
Como a maior parte da torta se forma na superfície do tecido de polipropileno, a perda de carga residual sofre forte dependência das propriedades da torta formada e não apenas da profundidade de deposição das partículas.
Estes resultados estão de acordo com os obtidos por Tognetti (2007), em que os meios filtrantes de acrílico e de poliéster apresentaram um período de filtração interna consideravelmente maior que o obtido para o meio filtrante de polipropileno. Este comportamento foi atribuído às
diferentes características dos meios filtrantes, como porosidade e permeabilidade, apresentadas na Tabela 1. Nesse trabalho, o autor (Tognetti, 2007) observou que quanto maior a permeabilidade ao ar, mais significativa era a filtração interna.

Análise do fenômeno Patchy Cleaning
A fim de analisar o fenômeno de remoção por blocos, Patchy Cleaning, optou-se pela utilização do tecido, não trançado, de polipropileno, uma vez que este apresentou uma filtração predominantemente superficial, com a formação de uma torta espessa, facilitando o processo de análise da torta remanescente, após a limpeza.
Pouco se conhece sobre o comportamento da regeneração de um meio filtrante, ainda não é claro, por exemplo, se a posição das áreas regeneradas na superfície do mesmo mudam com o passar dos ciclos de filtração e limpeza, ou se o meio filtrante é sempre regenerado na mesma posição.
Dittler e Kasper (1999), realizaram experimentos de filtração, e com um sistema óptico de medidas, determinaram a frequência local de regeneração. Eles concluíram que algumas áreas tendem a ser regeneradas com mais frequência que outras, e que a espessura da torta de filtração formada aumenta nas áreas que não são regeneradas frequentemente. Os autores concluíram ainda, que o comportamento da filtração é bastante influenciado quando não há a completa regeneração do filtro, ou seja, quando ocorre o fenômeno Patchy Cleaning, ou limpeza por blocos.
A Figura 8 apresenta uma ilustração do processo de limpeza de um meio filtrante, através da técnica de fluxo de ar reverso, evidenciando a ocorrência do fenômeno Patchy Cleaning, onde pedaços da torta de filtração são destacados do meio filtrante.

A torta formada apresenta variações em sua espessura, e nas regiões onde ocorreu o fenômeno Pacthy Cleaning (limpeza por blocos), há ausência de material particulado. Um exemplo dessas áreas onde a torta foi totalmente removida no processo de limpeza, pode ser visualizado a partir da Figura 9, que mostra parte de um patchy (bloco) com ampliação de 200 vezes.

Para a realização deste estudo, foram tiradas 5 fotografias de cada amostra, através do microscópio óptico (MO), com ampliação de 200 vezes, e a partir de cada fotografia efetuaram-se 5 medidas de espessura da torta, com as quais efetuou-se uma média aritmética entre os valores obtidos, para só então obter um valor de espessura média da torta remanescente, após o processo de limpeza do meio filtrante.
A Figura 10 apresenta um exemplo de como foram realizadas as medidas de espessura da torta a partir de uma fotografia.

Para verificar a espessura de tortas de filtração em diferentes ciclos de filtração e limpeza, realizou-se a análise de tortas de filtração formadas, através do método de análise microscópica desenvolvido por Coury e Aguiar (1995). É importante ressaltar que foram analisadas, preferencialmente, áreas do meio filtrante onde verificou-se pouco desprendimento de torta no processo de limpeza.
As espessuras da torta foram medidas através do software analisador de imagens, para o 1º ciclo, 3º e 10º ciclos de filtração e limpeza, referentes aos ensaios onde utilizou-se perda de carga máxima de 40 cmHO (3923 Pa), velocidade superficial de filtração de 5 cm/s e velocidade de limpeza de 10 cm/s. Obtiveram-se médias de profundidade iguais a 209,2μm, 216,5μm e 253,9μm, para os ciclos 1, 3 e 10, respectivamente. Para facilitar a visualização dos dados obtidos, estes foram dispostos na forma de um gráfico de barras, ilustrado pela Figura 11.

Observou-se através da Figura 11 que, ao longo dos ciclos de filtração, ocorreu uma tendência de aumento da espessura da torta remanescente, com uma diferença média de 7,2μm, entre os ciclos 1 e 3, e 38,7μm, entre os ciclos 3 e 10.
Esse comportamento comprova os resultados obtidos por Dittler e Kasper (1999), que verificaram que o meio filtrante é regenerado mais facilmente em certas posições, e a torta nas áreas não regeneradas do mesmo ficam mais espessas ao longo dos ciclos, e portanto, a resistência ao fluxo nessas áreas é maior.