Nos dias de hoje as crescentes ondas de calor no país atraem as pessoas cada vez mais para ambientes fechados climatizados. Ora no trabalho, no carro e até mesmo em casa, o ar condicionado se mantém constantemente ligado, expondo as pessoas ao que chamamos de poluição interna.

A falta de troca de ar com o ambiente externo faz com que a contaminação do ar por agentes biológicos, poeiras e outras partículas aumente, podendo atingir até vinte vezes mais o nível de poluição quando comparado ao ambiente externo (PNEUMOLOGIA, 2001).

Uma solução econômica e sustentável à situação é o uso de filtros. Tais equipamentos são inseridos dentro dos ar condicionados para filtração das partículas indesejadas permitindo que o ar, agora mais limpo, retorne a sala. Todavia, o uso do filtro inapropriado pode levar a consequências indesejáveis tanto para a qualidade do ar como para o desempenho do

equipamento e, consequentemente, para o bolso do consumidor.

Sabe-se que existem no mercado diversos filtros, cujas eficiências os classificam de maneira geral em: filtros grossos, médios, finos e absolutos. Tais eficiências são determinadas com base em normas de padronização de testes de filtração para esses materiais. Porém, tais normas possuem diferenças tanto na execução dos testes como também nas informações técnicas geradas. Logo, na hora da compra, o consumidor se depara com dificuldade no entendimento da eficiência real que o filtro possui.

Tendo em vista essa preocupação, será abordado a seguir as semelhanças e diferenças das duas normas mais utilizadas mundialmente. Tratam-se das normas europeia (EN 779) e americana (ASHRAE 52.2).

Há três propriedades essenciais na hora da aquisição de um filtro: eficiência, resistência à passagem do fluxo e capacidade de retenção de pó. A eficiência mede a capacidade do filtro em remover partículas da corrente de ar. A resistência à passagem do ar mede a diferença de pressão do ar, a uma determinada velocidade de filtração, passando pelo filtro, também chamado de perda de carga. Com o passar do tempo, o filtro torna-se cada vez mais eficiente, porém por outro lado, a resistência do ar também aumenta, elevando o consumo energético de sua operação. O valor máximo de resistência do ar que o filtro pode atingir é denominado perda de carga limite, o qual sinaliza quando o filtro deve ser limpo ou trocado. Por fim, a última característica define a habilidade do filtro em reter pó quando operando a uma vazão volumétrica específica (ASHRAE, 2008). Essas três propriedades constam na ficha técnica e são baseadas em testes de padronização das normas de filtros.

Em 1968, nos Estados Unidos a junção entre as técnicas dos institutos NIST (Instituto Nacional de Padronização e Tecnologia) e AFI (Instituto de filtros de ar) deram origem ao atual ASHRAE Standard 52.1-1992 (Associação americana de engenheiros de aquecedores, refrigeradores e ar condicionados). A ASHRAE Standard 52.1 inclui os testes de arraste e eficiência.

Todavia, esta norma tornou-se obsoleta e hoje é usada a norma ASHRAE Standard 52.2. Essa última, desenvolveu um novo critério na hora de determinar a eficiência, chamado MERV (Minimum efficiency reporting values) (ASHRAE, 2008). São 20 posições, sendo as primeiras, filtros menos eficientes e as últimas, os mais eficientes (Tabela 1). Os filtros absolutos (MERV 17-20) não são classificados com testes de eficiência e arraste. Há uma padronização distinta que deve ser usada para esses filtros.

A classificação MERV contém testes distribuídos em eficiências usando KCl como material particulado para três faixas de tamanho, também denominado PSE (Particle Size Removal Efficiency) que juntas irão sinalizar a classificação MERV (Tabela 2). A primeira delas, E1 (0.3-1.0μm), a segunda E2 (1.0-3.0μm) e a terceira E3 (3.0-10.0μm) (HUTTEN, 2016).

Um exemplo de como avaliar o filtro usando essa norma é dado a seguir. Um determinado filtro tem como valores de E1, E2 e E3, 33.5%, 66.3% e 86.3%, respectivamente. Tais valores quando analisados podem determinar o número MERV. No caso, o valor de E1 igual a 33.5% deixa claro que o MERV será 11 ou abaixo. Já o E2 satisfaz a condição do MERV 11, já que essa faixa de tamanho deve ser entre 65 e 80%. Por fim, o E3 confirma que o MERV é de 11, pois também satisfaz a condição E3 menor que 85% (HUTTEN, 2016).

A Tabela 1 traz os distintos filtros de classificação MERV 1 a 20 com suas aplicações e tamanhos de partículas normalmente retidos.

Na Europa a classificação dos filtros é feita por meio da padronização EN779, cuja versão mais atualizada está em vigor desde abril de 2012. A norma EN779 possui nove categorias divididas em 3 grupos: G1-G4 para filtros grossos, M5-M6 para filtros médios e F7-F9 para filtros finos, que se encontram na Tabela 3 (HUTTEN, 2016). Já os filtros absolutos, que são classificados pela norma EN1822, possuem oito categorias divididas em 3 grupos: E10-E12 para os filtros EPA (também conhecidos como sub-HEPA), H13-H14 para os filtros HEPA e U15-U17 para os filtros ULPA, como descrito na Tabela 4.

Enquanto a norma americana ASHRAE Standard 52.2 utiliza para os testes de eficiência três faixas de tamanhos de partículas (E1, E2 e E3), a EN779 efetua os testes para um tamanho de partícula específico igual a 0,4 μm usando o aerossol DEHS líquido (HUTTEN, 2016).

O teste é realizado em um tamanho padrão (610mm x 610mm) e com uma vazão entre 0,24 m³/s (850m³/h) e 1,5m3/s (5400m³/h). Apesar do intervalo de vazão volumétrica, os testes são realizados para uma vazão específica (normalmente 3400m³/h). Os filtros da classe G são testados a uma pressão de 250 Pa enquanto que os filtros M e F a 450 Pa (HUTTEN, 2016).

Os principais resultados, mostrados na Tabela 3, são: eficiência média correspondente a partículas de 0,4 μm, perda de carga e capacidade de retenção de pó. A norma europeia insere os filtros absolutos em uma classificação distinta, como pode ser visto na Tabela 4.

As principais diferenças entre as normas estão pontuadas com relação a aerossol, vazão volumétrica, perda de carga e tamanhos de partículas na Tabela 5.

Em ambientes internos, há duas categorias de equipamentos utilizados para reter partículas em ar condicionados: precipitador eletrostático e filtro mecânico. O primeiro não faz uso de meios filtrantes, pois a deposição de partículas ocorre por meio de um campo de ionização com alta voltagem. Já o segundo, se refere exatamente aos filtros abordados das quais as normas acima são aplicadas (HUTTEN,2016).

Os filtros mecânicos possuem uma ampla faixa de performance em eficiência, perda de carga (diferença de pressão), permeabilidade e material do meio filtrante (poliéster, celulose, quartzo, vidro, dentre outros). Há diversos tipos de filtros: carvão ativado, plissado, bolsa, metálico viscoso, absolutos, dentre outros.

Na literatura pode-se encontrar alguns trabalhos sobre a influência de alguns fatores na performance de eficiência do meio filtrante. Kim et.al (2006) trouxe dados experimentais sobre a relação de umidade e partículas carregadas com eficiência. Os resultados mostraram que a eficiência não dependia da umidade porém era afetada pela carga de partículas cujo tamanho era menor que 100nm.

A variação da pressão absoluta de 93KPa a 693KPa foi avaliada por Innocentini et.al (2012). O trabalho mostrou que mesmo com a variação de pressão as constantes de permeabilidade se mostraram iguais. Todavia, o aumento de pressão do sistema levou a uma maior capacidade de filtração. As análises mostraram que o aumento de pressão acarretou em tortas mais porosas.

Outros fatores que ainda podem proporcionar uma performance diferente estão ligados aos mecanismos de filtração. Há cinco mecanismos de filtração: gravitacional, difusional, intercepção direta, inercial e eletroforético. O predomínio de cada um deles depende do diâmetro da fibra, velocidade, tamanho da partícula, carga das partículas, porosidade do meio filtrante, dentre outros fatores (HINDS,1999).

Como descrito anteriormente, as diferenças em vazão volumétrica utilizada, tipos de aerossol, faixas de distribuição de partículas para o cálculo da eficiência do filtro tornam as normas cada vez mais distintas. Em outras palavras, dependendo a norma seguida o mesmo filtro pode apresentar performances diferentes.

Tendo em vista essa preocupação, alguns pesquisadores vem buscando analisar os resultados trazidos pelas diferenças entre as normas. A seguir serão apontados trabalhos recentes encontrados na literatura sobre o tema.

Zhou et. al (2007) aponta em seu trabalho as vantagens entre as duas normas mais utilizadas, a europeia e a americana. Segundo ele a norma americana se aproxima mais da realidade quando utiliza o KCl como aerossol em vez de DEHS, pois o mesmo se assemelha mais à poeira atmosférica. Outra vantagem da americana é com relação a faixa de distribuição das partículas. O cálculo de eficiência leva em conta três intervalos enquanto a europeia apenas calcula para o tamanho de 0,4μm. Por outro lado, a europeia faz o descarregamento do filtro, obtendo valores de eficiência e perda de carga mais reais.

Na tentativa de estimar a perda de carga limite, as normas também medem a capacidade de retenção de pó máxima para cada filtro. Todavia, elas usam na etapa de carregamento um pó artificial em vez do pó atmosférico. Em seus estudos, Gustavson (2013) trouxe resultados distintos para cada tipo de pó. A pressão final de 450 Pa foi atingida a uma quantidade de pó atmosférico dez vezes menor (50g) do que o pó artificial (500g).

Apesar da norma americana buscar três faixas de tamanhos de partículas, a preocupação com partículas de diâmetros menores é crescente. Segundo Azimi et al (2014) há uma falta de inclusão de partículas PM 2,5 e também as nanopartículas, inferiores a 0,1 μm na estimativa de eficiência. Na literatura, pode-se encontrar alguns estudos das normas porém operando com faixas de partículas menores, tais como Azimi et.al (2014); ONDRÁCEK et.al (2013); STEFFENS, (2007) e BORTOLASSI (2016).

O laboratório de Controle Ambiental do Departamento de Engenharia Química da UFSCar vem realizando testes de eficiência e resistência a passagem de fluxo para meios filtrantes em até escalas nanométricas. Todos os meios filtrantes são previamente caracterizados. Os diâmetros das fibras, porosidade e espessura dos meios filtrantes são obtidas por meio de análises através de imagens geradas no MEV (Microscópio eletrônico de varreduras). Na geração de aerossol é utilizado o atomizador modelo 3079 da TSI (Trust Science Innovation). As partículas são contabilizadas a jusante e montante do filtro através do SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer). Por meio dele, pode-se obter a concentração de partículas por faixa de diâmetro. Nele estão acoplados, um impactador (modelo 1035900), um classificador eletrostático (modelo 3080) e um contador de partículas ultra finas (modelo 3776), todos da marca TSI. Na Figura 1, encontra-se o aparato experimental utilizado para medir a eficiência dos filtros.

Para o carregamento de pó é utilizado um aparato experimental que conta com um dispersor de pó e um contador de partículas APS (Aerodynamic Particle Sizer), ambos da marca TSI (Figura 2).

A dificuldade em classificar os filtros realmente não é pequena e as diferenças entre as padronizações acentuam isso ainda mais. Os diversos fatores que influenciam a sua performance devem ser analisados com cautela. Por ser um assunto de extrema importância, cada vez mais avanços em parcerias entre empresas e universidades tem sido alcançado, mas ainda há muito campo a ser explorado. O ponta pé inicial já foi dado, agora é continuar. 

 

Profa. Dra. Mônica Lopes Aguiar, Ana Elisa Lista e Marcos Vinicius Oishi Departamento de Controle Ambiental da Universidade Federal de São Carlos