Purificador de ar

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Antecedentes

Os purificadores de ar evoluíram em resposta às reações das pessoas a alérgenos como pólen, pelos de animais, poeira e esporos de mofo. As reações (espirros, coriza, coceira nos olhos e consequências ainda mais graves, como ataques de asma) são o resultado de antígenos encontrados em casa. Esses antígenos são os principais desencadeadores da asma, e há mais de 17 milhões de asmáticos só nos Estados Unidos. Os purificadores de ar removem uma parte dessas partículas, reduzindo assim as respostas do tipo alérgico.

Devido ao seu tamanho extremamente pequeno, os alérgenos são capazes de passar por um saco de aspirador de pó padrão e se redistribuir no ar, onde permanecem por dias. Mesmo um único micrograma de alérgenos de gatos é suficiente para provocar uma resposta alérgica na maioria dos seis a 10 milhões de americanos que são alérgicos a gatos. Outras partículas transportadas pelo ar - como bactérias e vírus - podem causar doenças, algumas das quais fatais. Há muitos motivos - alergias, asma, doenças fatais - que milhões de purificadores de ar são vendidos nos Estados Unidos todos os anos.

Existem dois tipos comuns de purificadores de ar que podem remover algumas ou todas as partículas causadoras de doenças e alergias no ar:filtros mecânicos - os mais eficazes são classificados como filtros de partículas de ar de alta eficiência (filtros HEPA) - e precipitadores eletrostáticos.

Os filtros HEPA são feitos de fios de vidro muito finos com um diâmetro inferior a 1 mícron (um mícron tem 0,00004 pol., 0,001 mm). Em comparação, um cabelo humano tem um diâmetro de cerca de 75 mícrons (0,003 pol, 0,07 mm). Os fios de vidro finos são emaranhados e comprimidos para formar uma esteira de filtro. Como os fios individuais são tão microscópicos, a maior parte do tapete consiste de ar. As aberturas na esteira são muito pequenas, geralmente menores que 0,5 mícron (0,00002 pol., 0,0005 mm). Os filtros HEPA coletarão partículas de até 0,3 mícrons (0,00001 pol, 0,0003 mm) de diâmetro. Mesmo que o filtro possa ter apenas 2,5 mm (0,10 pol.) De largura, ele consistiria em 2.500 camadas de fios de vidro.

Os precipitadores eletrostáticos dependem de forças eletrostáticas para remover as partículas do ar. Eles funcionam criando uma nuvem de elétrons livres através da qual as partículas de poeira são forçadas a passar. Conforme as partículas de poeira passam pelo plasma, elas ficam carregadas, tornando-as fáceis de coletar. Os precipitadores eletrostáticos podem coletar partículas com um diâmetro de até 0,01 mícrons (0,00001 mm).

Nem os filtros HEPA nem os precipitadores eletrostáticos podem remover compostos orgânicos voláteis do ar, portanto, não fazem nada para reduzir os odores. Por esse motivo, a maioria dos purificadores de ar são equipados com um pré ou pós-filtro composto de carvão ativado. O carvão ativado é produzido pelo aquecimento de uma fonte de carbono (cascas de coco, pneus velhos, ossos, etc.) a temperaturas muito altas na ausência de oxigênio, um processo também conhecido como pirólise ou destilação destrutiva. A pirólise separa o carbono puro dos demais materiais contidos na matéria-prima. O carbono puro é então exposto ao vapor a 1.500 ° F (800 ° C). O vapor de alta temperatura ativa o carbono. O processo de ativação forma milhões de rachaduras nos grãos de carbono. Essas fissuras têm diâmetros de cerca de 0,002 mícrons (0,000002 mm). Como existem tantas rachaduras, o processo de ativação fornece ao carbono uma enorme área de superfície por peso - cerca de 6,5 acres / oz (1.000 m ² / g). Os milhões de rachaduras fornecem locais onde os compostos orgânicos podem ser adsorvidos. Além disso, a superfície do carbono carrega uma carga elétrica residual que atrai produtos químicos não polares (produtos químicos que não têm cargas positivas e negativas separadas) para ela. O carvão ativado é muito eficaz na adsorção de compostos produtores de odores.

História

A pureza do ar tem sido uma preocupação desde que os seres humanos viveram em grupos. Uma das razões pelas quais os caçadores-coletores são nômades é que eles precisam se mudar periodicamente de seus depósitos de lixo e latrinas. Em A.D. 61, o filósofo romano Sêneca queixou-se do miasma de fumaça de chaminé que pairava constantemente sobre Roma. Em 1306, o rei Eduardo I da Inglaterra proibiu a queima de carvão em Londres devido aos pesados ​​poluentes deixados no ar.

A Revolução Industrial dos séculos XVIII e XIX apenas piorou o problema. A queima de carvão para produzir eletricidade e combustível para trens produziu uma nuvem negra de fumaça sobre todos os principais centros industriais do mundo e cobriu cidades inteiras com fuligem. Para lidar com esse problema, os engenheiros construíram chaminés de fumaça mais altas para mover os resíduos aerotransportados para longe da fonte. Independentemente da altura das pilhas, as pessoas a favor do vento reclamaram das cinzas e dos gases ácidos da combustão do carvão (a fonte da chuva ácida) destruindo suas plantações. A poluição do ar piorou novamente após a Segunda Guerra Mundial, quando os automóveis se tornaram o principal meio de transporte no mundo industrializado. A poluição automotiva proporcionou a Los Angeles a pior qualidade do ar do mundo.

Matérias-primas

Os materiais que vão para os filtros HEPA e precipitadores eletrostáticos são:uma caixa feita de plástico, um ventilador elétrico para induzir o fluxo de ar através do filtro, o próprio filtro e interruptores de controle para controlar a velocidade do ventilador e girar o purificador de ar ligado e desligado. Os filtros HEPA são feitos de fibras de vidro de borosilicato ou fibras plásticas (por exemplo, polipropileno) unidas com até 5% de aglutinante acrílico (o mesmo composto que liga a tinta látex a uma casa). Os precipitadores eletrostáticos geram íons ao operar tensões de corrente contínua positivas extremamente altas por meio de fios de aço colocados entre placas de carregamento de aço aterradas. As caixas são quase que universalmente feitas de plástico, geralmente poliestireno de alto impacto, cloreto de polivinila, polietileno de alta densidade ou polipropileno. A maioria dos purificadores de ar também são normalmente equipados com um pós-filtro composto de carvão ativado.

Design

Os filtros HEPA são projetados com base no tamanho das partículas a serem removidas e na taxa de fluxo de ar necessária. Quanto mais finos os poros no material HEPA, mais finas são as partículas removidas do ar. No entanto, coletar partículas mais finas significa que o material do filtro entupirá mais cedo e precisará ser trocado com mais frequência. O designer irá especificar o diâmetro das fibras de vidro e a densidade da manta do tecido do filtro que fixa o tamanho dos poros do filtro. Os filtros HEPA podem conter aglutinantes que fornecem resistência adicional, mas também produzem um filtro que entope mais cedo.

O projeto de um precipitador eletrostático é consideravelmente mais complexo. Os precipitadores eletrostáticos domésticos geralmente são projetados para ter dois componentes, um componente ionizante (onde a nuvem de elétrons é criada) e um componente coletor (onde as partículas de poeira carregadas são retiradas do ar). O componente coletor consiste em uma série de placas de aço paralelas - metade são aterradas e a outra metade carrega uma tensão de corrente contínua positiva - portanto, placas alternadas são carregadas positiva ou negativamente. A unidade ionizante consiste em fios finos amarrados entre um conjunto separado de placas ionizantes de aço aterradas paralelas, mas colocadas na frente das placas coletoras. Os fios finos carregam uma corrente contínua de voltagem positiva muito alta (até 25.000 volts em um purificador de ar doméstico). As cargas positivas nos fios induzem um fluxo de elétrons entre os fios e as placas ionizantes adjacentes. Como há uma voltagem muito alta no fio, os elétrons são empurrados em sua direção por uma aceleração de cerca de 1.000 vezes a aceleração da gravidade, o que acelera os elétrons a velocidades muito altas. Por exemplo, quando uma partícula de excremento de ácaro passa flutuando pelo fio, os elétrons de alta velocidade colidem com os elétrons nas moléculas da partícula, batendo Um exemplo de um precipitador eletrostático e seus componentes. alguns deles grátis. À medida que essas moléculas perdem elétrons, elas assumem uma carga positiva e, portanto, são atraídas para a placa coletora carregada negativamente. O projetista deve selecionar uma voltagem alta o suficiente para produzir um número suficiente de elétrons para ionizar as partículas que passam pelo precipitador e espaçar as placas coletoras próximas o suficiente para que as partículas de poeira ionizada sejam capturadas nas placas antes que o ventilador do precipitador possa puxá-las completamente através do purificador de ar.

O processo de fabricação

O caso

• 1 Pellets da matéria-prima (poliestireno de alto impacto, cloreto de polivinila, polietileno de alta densidade ou polipropileno) são alimentados em uma tremonha e aquecidos até o ponto de fusão, 300-590 ° F (150-310 ° C) .
• 2 O plástico derretido é injetado sob alta pressão em um molde da caixa. O molde é geralmente feito de aço ferramenta por um fabricante de moldes altamente qualificado. As aberturas no molde permitem que o ar contido escape conforme o plástico entra. O projetista do molde deve garantir que o molde seja preenchido uniformemente com plástico e que todo o ar contido escape, caso contrário, a parte final pode conter pequenas bolhas de ar ou até mesmo vazios.
• 3 A água é forçada através de canais embutidos no molde para transferir calor do plástico derretido para o ambiente. Assim que a peça estiver suficientemente fria, o que pode levar até dois minutos, o molde se abre. Pinos operados hidraulicamente empurram a peça para fora do molde aberto em uma caixa de recebimento.

O fã

• 4 Um ventilador elétrico é usado para puxar o ar pelo purificador de ar. O ventilador é geralmente adquirido de um fornecedor de peças pequenas. O ventilador consiste em um pequeno motor elétrico com pás de metal conectadas à tomada de força do motor. As pás do ventilador são geralmente soldadas por pontos a um colar, que é colocado na tomada de força e aparafusado no lugar.
• 5 A ventoinha geralmente é fixada ao gabinete com parafusos de aço.

Filtros HEPA

1. As fibras de vidro que constituem um filtro HEPA são criadas pela passagem de vidro ou plástico derretido através de poros muito finos em um bico giratório. As fibras de vidro resultantes esfriam e endurecem quase que instantaneamente por causa de seus diâmetros minúsculos.
2. O bocal giratório se move para frente e para trás (fazendo com que as fibras de vidro formem uma teia) acima de uma esteira rolante na qual as fibras são coletadas. A velocidade da correia transportadora determina a espessura do material do filtro - uma correia transportadora lenta permite que mais fibras de vidro se acumulem na correia.
3. O derretimento e resfriamento da fibra produz alguma ligação das fibras. À medida que o transportador avança, um aglutinante de látex é pulverizado sobre o tecido para fornecer resistência adicional. O tecido pode ter qualquer largura até o tamanho prático da máquina e pode ser cortado no tamanho especificado pelo cliente antes de ser enrolado nos rolos.
4. Uma vez que os tapetes HEPA são formados, eles são dobrados em um padrão de acordeão em uma pasta automática. O padrão de acordeão permite até 50 pés ² (5 m ² ) de material de filtro a ser encerrado em um pequeno espaço.
5. O filtro em forma de acordeão é então encerrado em uma caixa de filtro, geralmente consistindo de uma grade de arame aberta. O objetivo da caixa do filtro é apoiar o filtro.

Precipitadores eletrostáticos

1. O sistema de coleta do precipitador eletrostático é fabricado envolvendo placas de aço em um invólucro de plástico, geralmente com montagem manual. As placas são dispostas paralelamente entre si na caixa.
2. Os fios são então conectados a placas alternadas através das quais a corrente contínua positiva de alta tensão será aplicada às placas. As outras placas estão aterradas.
3. A unidade ionizante é construída passando fios de pequeno diâmetro na frente das placas coletoras.
4. Um transformador de tensão, usado para converter a corrente alternada doméstica de 115 volts em corrente contínua de alta tensão, é fixado na caixa do precipitador. Essa tensão é aplicada tanto às placas coletoras com carga positiva quanto aos fios ionizantes.

O filtro de carvão ativado

• 1 O filtro de carvão ativado (para redução de odores) geralmente consiste em um pano ou espuma impregnada com carvão. Isso é fabricado pela infusão da matéria-prima com carvão ativado em pó.
• 2 O filtro de carbono é então enrolado na parte interna ou externa do filtro HEPA ou esticado em uma estrutura na entrada ou na saída do precipitador eletrostático.

Montagem

• 3 Existem poucos componentes em um purificador de ar. Por esse motivo, geralmente são montados em bancada. Na montagem de bancada, transportadores móveis trazem os componentes individuais ou subconjuntos (por exemplo, o ventilador já conectado à caixa) para uma bancada onde uma pessoa os monta manualmente. Em um purificador de ar HEPA típico, pode haver apenas cinco componentes que requerem montagem:caixa, ventilador, filtro de partículas, filtro de carbono e o botão liga / desliga.

Controle de qualidade

A eficiência do filtro é o teste de controle de qualidade mais importante para purificadores de ar. A American Society for Testing and Materials (ASTM) publica testes de controle de qualidade que os filtros devem cumprir antes de serem usados ​​em certas aplicações ou comercializados como filtros HEPA (por exemplo, ASTM-F50:Práticas Padrão para Contagem e Dimensionamento Contínuo de Partículas Aerotransportadas em Áreas com controle de poeira e salas limpas usando instrumentos capazes de detectar um único submicrometro e partículas maiores). O Departamento de Defesa dos Estados Unidos promulgou um padrão no qual as partículas de dioctilftalato (DOP) são sopradas através de um filtro. Para passar, o filtro deve remover 99,97% do DOP influente.

Subprodutos / resíduos

Os subprodutos da fabricação incluem os materiais sem carbono que são destilados da fabricação do carvão ativado, o material do filtro de especificação e o material em excesso que deve ser descartado na produção de filtros HEPA. A maioria dos outros resíduos de fabricação, canais de plástico das máquinas injetoras e folhas de metal em excesso, podem ser reciclados.

Resíduos adicionais são produzidos durante a operação dos filtros de ar. Os íons produzidos por precipitadores eletrostáticos interagem com o oxigênio do ar para produzir ozônio. Em altas concentrações, o ozônio é venenoso. É improvável que os níveis de ozônio produzidos em um precipitador eletrostático doméstico atinjam níveis perigosos, mas algumas pessoas são sensíveis até mesmo a níveis baixos de ozônio. As placas coletoras em um precipitador eletrostático precisam ser limpas periodicamente.

Os filtros HEPA têm vida útil limitada, dependendo da quantidade de ar que é filtrado por eles e da quantidade de partículas no ar. A maioria dos fabricantes recomenda que sejam substituídos a cada poucos anos. Os filtros usados ​​não podem ser reciclados e, portanto, vão parar em aterros sanitários.

O carvão ativado pode ser reciclado, mas o custo de manuseio da pequena quantidade de carbono contido em um purificador de ar doméstico seria proibitivo. Geralmente, também acaba em aterros sanitários depois de totalmente utilizado.

O Futuro

À medida que os cientistas aprendem mais sobre os poluentes ambientais e seu impacto na saúde humana, a necessidade de fornecer um ar mais limpo em residências e escritórios só aumentará. A geração atual de filtros HEPA só pode remover partículas de até 0,3 mícrons (0,00001 pol, 0,0003 mm) de diâmetro, enquanto se acredita que partículas de até 0,1 mícrons (0,0001 mm) de diâmetro podem causar danos mecânicos ao tecido pulmonar. Os vírus podem ter até 0,02 mícrons (0,00002 mm) de diâmetro. Claramente, ainda há progresso que pode ser feito no controle da poluição do ar interno. A direção atual da tecnologia é para materiais de filtro cada vez mais finos. O novo padrão em filtragem é o filtro ULPA, que significa Ultra Low Penetrating Air. Um filtro ULPA é necessário para remover partículas de até 0,12 mícrons (0,00012 mm) de diâmetro, cerca de um terço do diâmetro da menor partícula que um filtro HEPA pode remover.

Onde aprender mais

Livros

Cooper, David C. e F. C. Alley. Controle da poluição do ar:uma abordagem de projeto. Prospect Heights, IL:Waveland Press, Inc., 1994.

Godish, Thad. Qualidade Ambiental Interior. Nova York:Lewis Publishers, 1999.

Mycock, John C., et al. Manual de Engenharia e Tecnologia de Controle de Poluição do Ar. Nova York:Lewis Publishers, 1995.

Periódicos

Christiansen, S. C., et al. "Exposição e sensibilização a alérgenos ambientais de crianças com asma predominantemente hispânicas no centro da cidade de San Diego." Jornal de Alergia e Imunologia Clínica (Agosto de 1996):288-294.

Outro

"Precipitação eletrostática". Tin Works, Inc. 3 de junho de 2001. .

"Meio filtrante." Equipamento Mac. 3 de junho de 2001. .

"Plástico:Moldagem por Injeção." Sociedade de Designers Industriais da América. 17 de junho de 2001. .

Jeff Raines

Os desafios do design de produto Âmbar