ESTUDO DO DESEMPENHO DE UM ANALISADOR DE MOBILIDADE ELTRICA DE

NANOPARTCULAS

1 Eduarda Cristina de Matos Camargo, 2 Joo Jorge Ribeiro Damasceno e 2 Fbio de Oliveira Arouca

1Discente do curso de Mestrado de Engenharia Qumica 2 Professor da Faculdade de Engenharia Qumica da UFU/MG

1,2 Faculdade de Engenharia Qumica da Universidade Federal de Uberlndia. Av Joo Naves de vila, 2121, Bloco 1K,

Campus Santa Mnica, Uberlndia - MG, CEP 38408-100

e-mail: arouca@feq.ufu.br

RESUMO - O DMA um equipamento utilizado para classificar nanopartculas carregadas eletricamente. As partculas que entram neste equipamento fazem uma trajetria que funo da intensidade do campo eltrico e de sua mobilidade eltrica. Pode-se selecionar, partindo-se de um aerossol polidisperso que possui dimetros de diferentes tamanhos, um aerossol monodisperso; sendo este importante para calibrar equipamentos de alta preciso que apresentam produtos constitudos de nanopartculas de diferentes composies qumicas. Este trabalho teve como intuito produzir nanopartculas monodispersas em correntes gasosas e avaliar o desempenho de um analisador de mobilidade eltrica. Os resultados obtidos mostraram a influncia da concentrao de sal na quantidade de nanopartculas presentes no aerossol de entrada, sendo que os resultados encontrados para as correntes de aerossol monodisperso e de excesso mostraram-se interessantes, da mesma forma que o balano proposto foi bem representativo.

Palavras-Chave: nanopartculas, aerossol monodisperso, mobilidade eltrica

INTRODUO

Os chamados aerossis (nanopartculas) so formados por processos qumicos, fsicos e/ou biolgicos, e suas aplicaes tecnolgicas esto aumentando em vrios campos, incluindo materiais de sntese, biotecnologia, produo de semicondutores, produtos farmacuticos, nano- compsitos e cermicos.

A classificao eletrosttica de aerossis o processo pelo qual as partculas de aerossol so separadas em classes de acordo com a sua mobilidade eltrica. Segundo Knutson e Whitby (1975), esta classificao de aerosol tem uma longa histria de aplicaes, comeando com os estudo de eletricidade atmosfrica entre meados dos sculos XIX e XX. Foi nos anos 60 que a tcnica foi usada para analisar as distribuies de tamanho de aerossis e os primeiros analisadores de mobilidade foram comercializados (exemplo: Analisador de Aerossol Whitby) (Whitby e Clark, 1966).

O analisador de mobilidade diferencial (DMA) tornou-se uma ferramenta amplamente utilizada para classificar e gerar partculas monodispersas, partculas com uma estreita faixa

de dimetros (Intra e Tippayawong, 2008). O importante para a produo de aerossis monodispersos calibrar equipamentos de alta preciso devido ampla gama de produtos com diferentes composies qumicas. Outro fator relevante est diretamente relacionado com a questo da sade ocupacional, em que nanopartculas podem representar um risco para os seres humanos, quando presentes no ar com uma concentrao acima da legislao ambiental permitida, uma vez que elas podem penetrar no sistema respiratrio.

O objetivo deste projeto produzir nano-partculas monodispersas em correntes gasosas utilizando-se um equipamento projetado e cons-trudo na FEQUI/UFU com o intuito de promover a separao de nanopartculas em aerossis po-lidispersos.

MATERIAIS E MTODOS

Fundamentao Terica

Velocidade Axial: Considerando como

sendo a velocidade axial mdia da partcula (su-

posta como sendo a mesma do gs), pode-se express-la pela Equao 1:

(1)

sendo Q a vazo volumtrica, A a rea da seo transversal do DMA (regio anular), r2 o raio do cilindro externo e r1 o raio do cilindro interno.

Velocidade Radial: Considerando te como a velocidade radial da partcula, tem-se a Equa-o 2:

(2)

em que E a intensidade do campo eltrico para cilindros concntricos, sendo funo da tenso eltrica aplicada (V) e da mobilidade eltrica da partcula (Zp), representada pela Equao 3:

(3)

dado igual ao nmero de cargas; e a carga do eltron = 1,6 x 10-19 Coulomb; C o Fator de Es-corregamento de Cunningham (correo da des-continuidade do meio adimensional), a visco-sidade do gs (aerossol) e Dp o dimetro da par-tcula.

Figura 1 - Distribuio de vazes dentro do

DMA

Como mostrado na Figura 1, o Analisador de Mobilidade Diferencial apresenta duas vazes de entrada: Aerossol Polidisperso (Qpoly) que adentra o DMA prximo parede interna do cilin-dro externo e vazo de Invlucro ou Diluio (Qsh), penetra o analisador ao redor do cilindro interno. E duas vazes de sada: vazo de Mo-nodisperso (Qmono), ou do aerossol classificado, e vazo de Excesso (Qexc) - corrente constituda pelas partculas no classificadas na fenda de amostragem (ou de classificao).

Sendo o subscrito 1 para os limites inferio-res e o subscrito 2 para os limites superiores da banda de mobilidade eltrica, rearranjando as equaes de Zp, obtm-se:

(4)

em que e so os valores do dimetro da

partcula e Fator de Escorregamento de Cunnin-gham centrais, respectivamente.

Unidade Experimental

Com o intuito de verificar a eficincia do classificador de partculas, utilizou-se os seguin-tes equipamentos na unidade experimental: Contador de partculas: utilizado para se obter a concentrao de partculas tanto na en-trada como na sada do DMA; Compressor de ar: para a diluio das par-tculas nanomtricas dos testes experimentais; Filtros de ar de alta eficincia: para se ob-ter uma alta purificao de ar; Atomizador comercial: utilizado para a ge-rao de aerossol polidisperso uniforme; Secador de difuso: usado para remover o excesso de umidade presente no fluxo do aeros-sol proveniente do atomizador, sendo preenchido com slica-gel; Fonte neutralizadora de raio-X: usado com a finalidade de produzir ons de ar positivos e negativos; Rotmetros: ajuste das vazes de escoa-mento do gs; Mini compressor de ar: finalidade de pro-mover um incremento na vazo e presso de entrada do aerossol no DMA; Fonte de alta tenso: tinha como funo estabelecer uma tenso varivel no DMA; Analisador de Mobilidade Diferencial (DMA): Este equipamento foi projetado e constru-do na FEQUI/UFU com a finalidade de separar nanopartculas polidispersas produzindo uma cor-rente de sada monodispersa.

Procedimento Experimental

Primeiramente, fez-se solues de NaCl

para serem usadas na gerao de partculas na-nomtricas, o material particulado usado como reagente foi o cloreto de sdio (NaCl).

Solues aquosas de Cloreto de Sdio fo-ram preparadas nas concentraes de 0,1; 0,5; 1; 2 e 3 g/L, utilizando-se gua ultra pura como sol-vente. As concentraes usadas no foram maio-res que 3 g/L em virtude da formao de aglome-rados e da possvel corroso que o sal, em ele-vadas concentraes, poderia ocasionar nos equipamentos e tubulaes.

Os testes iniciavam-se com a purgao do compressor para a retirada de excesso de gua com a finalidade de minimizar a umidade do ar e aumentar a vida til dos filtros de purificao da corrente gasosa e do secador de difuso com slica em gel. Em seguida, direcionava ar para os filtros que eram interligados ao atomizador co-mercial contendo um reservatrio que era preen-chido com a soluo de NaCl ( 80 mL).

Em seguida, as partculas adentravam uma fonte de raio X com o objetivo de serem neutrali-zadas, assim o aerossol neutralizado seguia para o Analisador de Mobilidade Eltrica. O DMA es-tava conectado a uma fonte de alta tenso em que aplicava-se voltagens de 0 4000V, sendo que dividiu-se a aplicao de tenso em faixas, totalizando 45 valores de tenso aplicada. As leituras de vazo de entrada, monodisperso e de excesso foram feitas em intervalos de 1 min du-rante 10 s utilizando-se o contador de partculas CPC. Os experimentos foram realizados em tre-plicadas para se garantir a preciso dos resulta-dos.

Para avaliar a estabilidade na gerao de aerossis, ou seja, do comportamento da gerao do atomizador comercial, foram coletadas as concentraes de partculas na entrada do DMA para cada concentrao de NaCl usada. A razo Qpoly = Qsh utilizada no DMA foi de 0,6/6 L/min e a presso no atomizador foi fixada em 103 kPa, mantidas nesses valores em todos os testes rea-lizados.

RESULTADOS E DISCUSSO

Para se projetar o DMA da FEQUI/UFU foi necessrio primeiramente uma simulao do comportamento do mesmo; para tal, fez-se tra-tamento estatstico para descobrir as variveis significativas que influenciariam nos clculos, sendo estas: as 4 vazes mssicas (ar de invlu-cro, polidisperso, monodisperso e excesso); o comprimento (L); os dimetros do cilindro externo e interno: r2 e r1, respectivamente.

Era necessrio encontrar a relao entre tenso e dimetro de partcula. No clculo do projeto, simulou-se tenses variando de 20 a 10000 V e para cada valor de tenso foram cal-

culados: ; ; e ; C1 e C2. Como Dp

funo de C e vice-versa, foi necessrio um pro-cedimento iterativo para encontrar os valores de

interesse. Com os valores da tenso e de

encontrados aps as iteraes, foi possvel ajus-tar Dp = f (Tenso) utilizando o software tbc2D.

Da Equao 3 foi possvel calcular a mobi-

lidade eltrica (Zp) para cada e C* calculado,

considerando diferentes nmeros de carga ( ),

usando =1,83.10-5 kg/m.s; como ilustrado na Figura 2. Pode-se concluir que quanto maior a carga das partculas maior ser a mobilidade el-trica apresentada por ela. Outra observao reti-rada da Figura 2 a de que quanto maior o ta-manho da partcula, menor ser a capacidade da mesma em ser atrada pelo campo eltrico, ou seja, menor Zp a partcula ter.

Figura 2 - Mobilidade eltrica das partculas

em funo do dimetro para diferentes cargas

Figura 3 - Distribuio de probabilidades de

cargas em funo do dimetro das partculas

Na Figura 3 represe