Cada vez mais as indústrias estão empenhadas em buscar soluções para os impactos ambientais gerados pelas suas atividades produtivas, preservando a saúde, meio ambiente e o bem estar da população. Atualmente, a indústria fica sujeita a processos judiciais por não cumprir as normas e assumir os riscos que possam causar danos ao meio ambiente e, dependendo do segmento em que a indústria está inserida, a integridade física dos colaboradores e populações ao redor. Com o objetivo de manter a qualidade do ar perante a resolução nacional CONAMA nº 436/2011, o uso de sistemas de filtragem como os filtros de mangas em plantas industriais continua crescendo de forma exponencial, devido à necessidade de adequação às diversas exigências impostas.
Os filtros de mangas possuem uma alta eficiência na retenção das partículas, de até 99,99%, abrangendo uma ampla faixa granulométrica (LORA,2002), sendo utilizados em grande escala em indústrias de fundição. Segundo a Associação Brasileira de Fundição (ABIFA), a produção por meio de fundição obteve um crescimento correspondente à faixa que varia de 12% a 15%, fazendo com que o volume de negócios obtivesse um incremento de 28% a 30%. o Brasil é um dos 10 maiores mercados de fundição do mundo, com uma capacidade de produção que gira em torno de 4 milhões de toneladas anuais. Além disso, o Brasil possui 1.167 empresas no ramo, sendo que 40% delas atuam com fundição de ferro, 21% alumínio e 14% com aço. As demais empresas correspondentes aos 25% restantes, atuam com a fundição de metais não ferrosos, cobre, zinco e magnésio.
Fundição é o processo de fabricação de peças metálicas, tendo como princípio, o enchimento com metal líquido de uma cavidade de um molde com formato e dimensões correspondentes ao da peça a ser fabricada. O processo de fundição permite obter peças que vão de pequenas à grandes dimensões, desde geometrias simples até as mais complexas, tornando essa a principal vantagem em relação aos demais processos. Contudo, existem desvantagens como a microporosidade, tensões residuais e variações no tamanho de grão quando se tratando de aço fundido, ocasionando menor resistência e ductilidade ao material.
Apesar da existência de várias variantes, a fundição se demostra um processo simples e que pode ser ilustrada no fluxograma abaixo, considerando uma fundição por gravidade em areia.

O processo fabril de peças metálicas por fundição gera muitos compósitos voláteis como dióxido de enxofre e ferro, além de grande quantidade de particulados que se não houver um controle, são emitidos para atmosfera, provocando efeitos adversos à saúde humana, como por exemplo, doenças respiratórias e cardiovasculares (DE SOUZA et al., 2010). Portanto, medidas como o monitoramento, avaliação técnica dos sistemas de exaustões e uma avaliação criteriosa de elementos filtrantes tornam-se necessários para avaliar a efetividade tanto dos projetos de engenharia quanto dos procedimentos operacionais (FAZENDA, 2005).
O objetivo deste trabalho é propor uma avaliação da eficiência de elementos filtrantes de poliéster utilizados em um filtro de manga existente em indústrias de fundição, através de análises laboratoriais, propondo novas especificações técnicas e buscando melhorar a eficiência da ventilação industrial aplicada para este ramo.

2. Filtro de mangas
As primeiras aplicações industriais de um sistema de filtros de mangas tiveram por objetivo a recuperação de produtos valiosos contidos do pó presentes nos fumos resultantes de processos de fundição e de refinamento de materiais não ferrosos. Em 1852, S.T Jones, oriundo dos Estados Unidos da América, patenteou um projeto de um filtro com uma única manga para o processo de recuperação de fumos de óxido de zinco. Após esse período, grandes avanços tecnológicos surgiram, mesmo estes sendo de patentes já existentes antes mesmo deste tempo (ASCO JOUCOMATIC, 2019).
Naquela época o sistema por jato de ar reverso foi desenvolvido e possuía muitas vantagens sobre os sistemas que utilizavam mecanismos de vibrações mecânicas para limpar os sacos. No final dos anos 50, graças a um projeto idealizado por T.V. Reinauer, foi introduzido o sistema de filtro de jato pulsado, conhecido como pulse-jet, proporcionando uma operação de limpeza mais eficiente, de forma contínua e uniforme. O projeto era muito simples e quase não tinha partes mecânicas móveis.
Com o passar dos anos, os desenvolvimentos cresceram, visto que as legislações cada vez mais forçavam as indústrias, as siderúrgicas e as minerações a utilizarem sistemas de controle de poluição de ar, garantindo assim, um interessante mercado potencial para as empresas fabricantes de filtros. Hoje o filtro de mangas é considerado o principal equipamento para o controle e redução da emissão de particulados sólidos para atmosfera oriundos de um processo, visto que sua aplicabilidade se justifica pela ótima relação custo x benefício e pela sua alta eficiência (ASCO JOUCOMATIC,2019).
O filtro de manga consiste em um equipamento composto por um exaustor e dutos, formam um sistema que tem por objetivo a retirada do ar contaminado oriundo de processos poluidores e realizar a separação de material particulado dos gases por meio de mangas em tecidos apropriados para a filtragem, obtendo-se ao final um processo não poluente (OASIS INDUSTRIAL, 2019). As mangas possuem um sistema de fixação do tipo aço-mola, sendo montadas sobre gaiolas que evitam o colapso das mesmas. A remoção das mangas ocorre através de portas de acesso existentes no topo do equipamento (MACINTYRE, 2013).
O processo de filtração ocorre por meio da passagem da mistura gasosa contendo materiais particulados, através do elemento filtrante, formando uma camada de pó, geralmente chamada de torta de filtração, ficando retida na superfície das mangas filtrantes (MACINTYRE, 2013).
A limpeza de mangas é realizada por jato pulsante, sistema de limpeza automático, com jatos de ar comprimido em contracorrente, promovendo uma inversão momentânea do sentido do fluxo de ar nas mangas, removendo o particulado depositado sobre o meio filtrante (BATISTONI, 2011). Em geral, os filtros de mangas são dispostos em baterias ou conjuntos, objetivando dessa forma obter uma ideal área de filtragem, conforme figura 2.

A velocidade de filtração, comumente conhecida como RAP (relação ar-pano), é uma variável muito importante dentro do processo, pois ela está relacionada com o dimensionamento de um filtro de mangas. A velocidade de filtração pode ser determinada através da equação 1, onde Q é a vazão de processo, N corresponde ao número de mangas e A é a área filtrante total de uma manga (SANTINI, 2011).

Segundo (CERON; EINLOFT; LIGABUE, 2012), a perda de carga em filtros de mangas apresenta um comportamento não linear em função do tempo, devido a compressibilidade da torta. Contudo, a pressão máxima de operação tende a ter um comportamento linear após a formação da torta, podendo variar entre 50 a 250 mmca, conforme mostra a figura 3.

A saturação das mangas ocorre quando há a redução da permeabilidade, ficando aproximadamente em 30% do valor original do material limpo (CERON, 2013). Após esse período, é indicada a troca do elemento filtrante, afim de normalização do processo. Para um cálculo correto de tempo de troca dos meios filtrantes, torna-se necessário o conhecimento de vida útil e durabilidade do elemento filtrante.
Vida útil corresponde ao tempo de uso econômico da manga atendendo todas as exigências sobre o controle de emissão de poluentes para atmosfera. Uma vez que, após este tempo, a baixa captação (resultante da alta perda de carga devido ao entupimento da manga) e a alta emissão (ou desperdício de matéria-prima por emissão na chaminé no caso dos filtros de processo), resultam em um custo mais elevado que o custo da troca das mangas.

2.1. Elementos Filtrantes
A escolha do meio filtrante depende de alguns fatores cruciais como as características físico-químicas do gás e partículas a serem filtradas, sistema de limpeza, custo e disponibilidade no mercado (SANTINI, 2011). Um elevado teor de umidade em um filtro de manga, pode ocasionar um ataque químico do elemento filtrante por hidrólise, que corresponde à um processo químico que envolve a quebra de uma molécula em presença de água, tornando o material mais suscetível à baixa resistência mecânica e assim, aumentando as chances de ocorrências de rasgos e furos do tecido da manga (CERON, 2013). O quadro 1 mostra alguns tipos de materiais aplicados para filtração.

O trecho descrito acima, corresponde ao que normalmente acontece com não tecidos de poliéster, trivialmente os mais baratos, utilizados em filtração de particulados. Além disso, em sistemas de filtração com umidade excessiva, somados com o pó resultante do processo, tem-se como resultante a aglomeração interna do não tecido, e consequentemente, o aumento do diferencial de pressão no equipamento. A fim de se evitar consequências como estas, realizam-se tratamentos de impermeabilização na manga com resinas de politetrafluoretileno, aumentando a resistência à umidade do material do meio filtrante (CERON; KENES; TOMAZZONI, 2011).
Os polímeros apresentam comportamento intermediário entre o de um sólido elástico, hookeano e de um liquido viscoso Newtoniano. Para mangas filtrantes de não tecidos, é recomendado seu uso até perder cerca de 50% da resistência mecânica de tração e alongamento, durante aplicação na filtração de particulados, após é previsível ocorrer rasgos e furos, sendo necessário a troca do filtro (CERON; EINLOFT; LIGABUE; 2012).

2.1.1. Microfibras
Os não tecidos podem ser classificados conforme as características das fibras que compõem o elemento filtrante: fibras ou microfibras.
As microfibras consistem em tecidos de alta qualidade compostos com fios 100 vezes mais finos que um cabelo humano, o que significa que 9.000 metros de fio, terão o peso equivalente de 1 grama. São compostas por filamentos de não tecidos extremamente finos na ordem de 1 dtex proporcionando um aumento da área superficial e a redução dos espaços entre as fibras e que devido a esse fator, seu uso para a filtração no meio industrial tem crescido ao longo dos anos (BRESSAN et al., 2018). A figura 4 mostra um tecido comum e microfibra em relação ao contato com particulados.

2.1.2. Fibra de Poliéster
As fibras de poliéster destacam-se devido a sua elevada estabilidade dimensional, elasticidade, boa resistência ao desgaste e ruptura. Segundo (SILVEIRA, 2014), as fibras de poliéster possuem alta resistência ao ataque de agentes químicos e sintéticos, além de serem resistentes às influências de luz e condições climáticas. A versatilidade da fibra de poliéster a torna o tipo de polímero mais utilizado nas indústrias, estando presentes nas fibras têxteis, não tecidos, polímeros de alta performance, plásticos de engenharia, etc. (SKEIST,1990).
Em (MORONI et al.,2005), afirma-se que o não tecido consiste em uma estrutura plana, sem a existência de entrelaço entre as fibras, conforme mostrado na figura 5.

2.2. Membrana PTFE Expandida
As membranas consistem em películas semipermeáveis que realizam a separação física entre duas fases em um processo de filtração industrial, mostrado na figura 6. A utilização de membranas em filtrações industriais tem sido alvo contínuo de estudos, a fim de se obter uma maior eficiência na retenção de particulados, visto que, sua aplicação está vinculada a diversos processos como no processamento de cimento, carvão, detergente em pó e outros mercados (CERON, 2016).

A membrana de PTFE consiste em uma camada fina de politetrafluoretileno formada através de um processo de laminação em não tecidos. É um material altamente resistente à oxidação e ao processo de hidrólise, possui alta resistência à ácidos e bases, sendo um material indicado para trabalho com altas temperaturas, atendendo a faixa de 200°C à 315°C. Conforme (CERON, 2016), a membrana de PTFE expandida permite uma filtração tangencial de alta qualidade na superfície de não tecidos, retendo principalmente particulados de granulometria pequena, evitando assim o aumento gradual da resistência causada pelo acúmulo de torta e consequentemente, o aumento do diferencial de pressão no equipa mento como em tecidos não convencionais.
A utilização de membranas de PTFE geralmente é indicada para processos que tenham relação ar-pano de até 1,0 m³/m².min, devido ao teflon possuir alta fragilidade à abrasão (CERON, 2013).

2.3. Mecanismos de Filtração
Diferentemente da filtração de profundidade, a filtração de superfície ocorre quando a espessura do meio filtrante é semelhante a granulometria das partículas a serem filtradas, ocorrendo a filtração somente na superfície do meio filtrante. As partículas com o diâmetro menor que o poro do meio filtrante, atravessam o elemento acompanhando o fluxo do fluido que está passando pelo equipamento, enquanto que as maiores ficam retidas na superfície. Existem também aquelas partículas que se encaixam dentro do poro do meio filtrante, obstruindo a passagem do fluido e assim, ocasionando um aumento de diferencial de pressão no equipamento. Quando isso acontece, torna-se necessário o acionamento do sistema de limpeza, podendo ser de forma automática ou de forma manual, torna-se necessário (SUTHERLAND, 2008).
Ao se tratar de filtração de superfície, a membrana de politetrafluoretileno (PTFE) é uma das membranas mais utilizadas neste fim, proporcionando uma elevada taxa de eficiência de filtração de não tecidos e tecidos, compreendendo a faixa granulométrica de 1 a 10 µm. O PTFE resiste a ataques químicos mais severos podendo também ser utilizados em operações com altas temperaturas (CERON, 2013). A figura 7, exemplifica os dois tipos de mecanismos citados.

A escolha entre filtração de superfície ou profundidade, como mecanismo ideal a se adotar, deverá ser determinado levando-se em consideração diversos fatores encontrados no processo em que está inserido, como vazão, pressão de trabalho, viscosidade, temperatura de trabalho dos gases, operação contínua ou batelada, compatibilidade química entre o fluido a ser filtrado e a manga usada como elemento filtrante, além de levar em consideração a qualidade final do fluido a ser utilizado e o seu destino final (SPARKS, 2015).

2.4. Tratamento Antiaderente
A presença de umidade combinada com o pó do particulado originado pelos processos resulta em sua aglomeração sobre a superfície do elemento filtrante, ocasionando uma obstrução da passagem de ar devido à resistência adicional causada pela torta de filtração. Dispor de uma baixa passagem de ar, significa possuir uma baixa captação de pó e que apresentará uma elevada perda de carga. Além disso, excesso de umidade pode ocasionar em ataque químico do elemento filtrante por hidrólise, independentemente se a umidade estiver na forma gasosa ou líquida (CERON, 2013).
O tratamento consiste na impermeabilização da manga filtrante com resinas especiais à base de Politetrafluoretileno (Teflon), formando uma película antiaderente que envolve todas as fibras do não tecido da manga e que desta forma, repelem pós-aglomerantes, úmidos ou gordurosos. As resinas são incorporadas aos tecidos filtrantes por meio de imersão da manta em banho e que posteriormente, passam pelo processo de polimerização em secadoras para a realização da ancoragem (CERON, 2011).

3. Materiais e métodos
Os testes foram realizados em laboratórios na Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul (PUCRS).

3.1. Meio Filtrante e Material Particulado
As mangas filtrantes utilizadas em análise são de não tecidos de poliéster com 550 g/m² pertencentes à uma indústria de fundição. As informações referentes aos tecidos filtrantes utilizados são relatadas no quadro 2.
O quadro 3 indica os quatro tipos de não tecidos de elementos filtrantes avaliados como prospecção neste presente trabalho, contendo os seus respectivos custos unitários e para aquisição de 150 mangas. Os custos foram obtidos pela consulta com vários fornecedores, portanto, é um custo médio de mercado.

3.2. Gramatura e Espessura
O teste de gramatura (g/m²) foi realizado em uma balança analítica, conforme a norma NBR 12984:2009 – determinação de massa por unidade de área em não tecidos. Realizou-se o teste de espessura (mm) em um Medidor de Espessura, estando de acordo com a norma NBR 13371:2005 referente à determinação de espessura em não tecido. Ambos, possuem o objetivo de avaliar as condições do elemento filtrante limpo e após o uso.

3.3. Teste Granulométrico
O material particulado oriundo de processos de fundição foi fornecido pela indústria de fundição, sendo a caracterização realizada em equipamento Malvem Matersizer Microplus MAF 5001. Foi realizado conforme norma ABNT NM 248, sendo utilizadas peneiras especificadas pela norma ABNT NBR ISO 3310-1:2010.

3.4. Ensaio de Permeabilidade
O ensaio de permeabilidade segue padrões definidos pela norma NBR 13706:1996-Não tecido-Determinação de permeabilidade ao ar.
A determinação da permeabilidade do tecido foi realizada através de um Permeabilímetro Karl Schroeder KG. O resultado da permeabilidade é medido em manômetro pelo fluxo de ar que atravessa o não tecido em L/min.dm². A permeabilidade foi avaliada de três formas que se diferem: na condição de manga limpa (sem uso), condição de manga suja (sem batimentos de limpeza, caracterizando a manga na forma coletada) e na condição de manga com simulações de batimentos de limpeza, tendo como objetivo esse, a verificação de regeneração do tecido filtrante.

3.5. Resistência à Tração e Alongamento
Os ensaios mecânicos de tensão em materiais não tecidos estão de acordo com às normas NBR 13041:1993- Não tecido - Determinação da resistência à tração e alongamento, sendo realizados com o elemento filtrante disposto em sentido longitudinal, através de máquina universal de ensaio – Dinamômetro, com uma velocidade de afastamento vertical constante das garras de 100 mm/min, utilizando uma célula de carga de 10 kN até o rompimento do corpo de prova.

3.6. Microscopia Eletrônica de Varredura
A análise MEV foi realizada em equipamento de microscopia eletrônica de varredura Philips, modelo XL 30, possuindo uma tensão de aceleração de 20 KV. O Objetivo da microscopia eletrônica é caracterizar a fibra de poliéster do elemento filtrante limpo e identificar a deposição de materiais particulados ao longo das fibras após o uso. Os corpos de prova foram preparados para teste por meio de uma metalizadora
Bal-Tec, modelo SCD 005, metalizando com ouro as amostras, permitindo uma maior facilidade de visualização de resultados no equipamento.

4. Resultados e discussões
4.1. Teste Granulométrico
O resultado da análise granulométrica é demonstrado através da figura 8 com os percentuais de particulados retidos em cada peneira, conforme dado as aberturas de cada malha.
Através do gráfico observamos que o particulado se encontra retido em uma faixa de 6,27 % a 35% correspondendo respectivamente, as peneiras de 355 µm a 106 µm, caracterizando o particulado como fino. Existe ainda uma parcela que ficou retida no recipiente de fundo, correspondendo a 15%.

4.2. Elementos Filtrantes
Os resultados laboratoriais das análises de gramatura, permeabilidade, resistência à tração e alongamento, espessura e permeabilidade são representados no quadro 4.

A permeabilidade do elemento filtrante sujo encontra-se muito baixa, cerca de 12 L/min.dm² no fundo e 15 L/min.dm² no topo, o mesmo se verifica na situação após batimentos no tecido 18 L/min.dm² e 24 L/min.dm² respectivamente, simulando o sistema de limpeza, não havendo regeneração. Conforme recomendações técnicas, a vazão mínima para trabalho é de cerca 30% do valor da manga limpa correspondendo a um limite mínimo de 50 L/min.dm², condição essa que não se constatou e que evidenciou uma saturação interna completa do elemento filtrante.
Nesse contexto, a vazão de ar pelo material torna-se resistiva mesmo que durante o processo de filtração a perda de carga seja menor, em função do pequeno espaço nos poros internos do material. A saturação interna dos elementos filtrantes explica-se através da grande quantidade de material particulado depositado com cerca de 829 g/m² em uma manga filtrante com 1,9 mm de espessura e que após a simulação de limpeza, alterou para 711 g/m², o que ainda se considera um valor alto ocorrendo dessa forma, a passagem de pó fino, principalmente no topo com presença de manchas de umidade, indicando a necessidade da realização de tratamento impermeabilizante antiaderente.
As análises de tração e alongamento mostram que o material em que o elemento filtrante é confeccionado apresenta baixa resistência mecânica à esforços de tração, estando abaixo de 50% em relação ao padrão indicado, caracterizando uma não realização plena do movimento de expansão na limpeza interna por jato pulsante de ar comprimido e retração durante o processo de filtração normal. A resistência do material neste contexto, é um fator de suma importância, pois não tecidos em boas condições possuem alta resistência à flexão, podendo atingir números entre 120.000 e 150.000 ciclos de limpeza de ar.
A partir dos dados fornecidos sobre as mangas filtrantes, pôde-se calcular a velocidade de filtração conforme a equação 1, determinando desta forma, a relação ar-pano existente no processo, resultando em uma velocidade de 1,98 m³/m².min.

4.2. Microscopia Eletrônica de Varredura
As fibras de poliéster do elemento filtrante, são identificadas conforme figura 9, nas amostras de mangas limpas. A fibra possui um formato cilíndrico, apresentando um diâmetro de 18,43 µm. A análise foi realizada em cinco amostras do mesmo filtro de poliéster nas condições de filtro limpo e sujo e em todas elas, foi identificado o mesmo resultado.

Conforme figura 10, as amostras sujas apresentaram uma deposição excessiva de particulados na parte superficial do elemento filtrante, figura (a). Internamente, o tecido filtrante apresenta um elevado acúmulo de particulado nas fibras, caracterizando a saturação interna do mesmo, o que justifica a sua baixa permeabilidade apresentada nas demais análises. O diâmetro de fibra apresentado na análise de MEV dos elementos filtrantes sujos variam de 18,72 a 20,89 µm.

5. Conclusão
A análise granulométrica caracterizou o material particulado com elevado percentual de pó fino, o que torna a especificação de mangas com 550 g/m² incorreta, existindo a necessidade de elevar a gramatura do material não tecido para 600 g/m², visto que os resultados de MEV identificaram uma má retenção de particulados nas fibras do não tecido, além de um acúmulo excessivo de particulados, reduzindo a vida útil do filtro. Outra alternativa de especificação técnica, seria utilizar mangas de 550 g/m² com Membrana PTFE, filtração de superfície, sendo justificada para particulados finos e baixas relações ar-pano, de até 1,0 m³/m².min, porém, a mesma fica descartada pelo motivo da má retenção de particulados identificada e pela alta relação ar-pano obtida de 1,98 m³/m².min, além do alto custo de investimento, sendo necessários R$ 11.430,00 para a aquisição de 150 mangas. Neste sentido, haveria a necessidade de um novo projeto no espelho do filtro, com maior número de mangas ou diminuir a vazão do filtro de mangas.
Os ensaios mecânicos (espessura, gramatura, permeabilidade, tração e alongamento) nas condições de manga limpa, suja e com simulação de batimentos, caracterizaram mangas irreversivelmente saturadas, devido a presença de deposição de particulados finos e carregados de umidade. A alternativa técnica para aplicação de captura de partículas finas neste caso, é a utilização de mangas com microfibras de poliéster 600 g/m² e tratamento antiaderente. A microfibra no material filtrante proporciona alta eficiência de retenção de particulados, possuindo tratamento antiaderente com repelência para pós úmidos, oleosos e gordurosos constituído por polimerização com Politetrafluoretileno.
O tratamento antiaderente adequa-se para a situação proposta, já que há a existência de umidade presente na captação de particulados, evitando a deposição excessiva no interior do material filtrante e formando antecipadamente a torta de filtração, reduzindo a perda de carga residual do equipamento. Financeiramente, as mangas de microfibras com antiaderente possuem um maior custo quando comparadas às mangas de poliéster, representando um aumento de 36% do investimento. Contudo, a aplicação de mangas com microfibras torna-se viável, devido as melhores propriedades mecânicas, possibilitando um aumento expressivo na vida útil do não tecido filtrante, na capacidade de retenção de particulados e consequentemente, aumento da eficiência global do equipamento.
O presente estudo surgiu da crescente necessidade prática do controle ambiental, sendo cada vez mais exigido pela legislação vigente, estando em pauta no dia-a-dia das indústrias. O uso de não tecidos compostos de microfibra, representam uma alternativa extremamente viável tecnicamente e financeiramente para a filtração de particulados de pó fino, representando um aumento significativo de eficiência do filtro de mangas aplicado em uma indústria de fundição de materiais metálicos.

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