A tecnologia de nanofibras tem recebido atenção cada vez maior nos últimos anos, especialmente no mercado de filtração
Este material, cujo diâmetro das fibras está entre 1 e 1.000 nm, continua sendo uma tecnologia de grande interesse para as aplicações de filtração. Entende-se, dentro deste mercado, que quanto menor o diâmetro, maiores são as características de retenção de partículas do meio filtrante.
Em uma comparação dimensional destas fibras, um fio de cabelo humano possui diâmetro de 30.000 nm, as fibras de algodão cerca de 18.000, e uma fibra standard de meltblown 5.000 nm.
Por suas características físicas, uma nanofibra não é identificada pelo olho humano – utiliza-se de microscópios para observar as características físicas e de qualidade destes materiais.
A produção desta fibra utiliza o mesmo processo das fine fibers, de modo a obter pequenas microfibras sintéticas, com diâmetro inferior a 5 µm. Este processo gera uma distribuição das fibras onde 50% do material contêm diâmetros inferiores a 1 µm. Recentes desenvolvimentos devem levar a tamanhos de fibras da ordem de 0,3 µm.
Desenvolvimentos deste gênero são quase sempre considerados como uma evolução das fibras existentes e compreendem um importante avanço em termos de processos de fabricação, controle e formulação química para melhoria do desempenho de filtração. Para a filtração de fluidos líquidos, ainda persistem barreiras com a ligação aparentemente inquebrável entre a perda de pressão (Delta P) e vazões menores, cujos ganhos são uma maior retenção de partículas. Isto é claramente exemplificado pelo desenvolvimento do menor diâmetro das fibras sintéticas. Os fabricantes continuam a melhorar os equipamentos de extrusão e a desenvolver novos polímeros para produzir fibras de diâmetros cada vez menores.
São poucas as alternativas atualmente para melhorarmos sua composição, forma ou capacidade de formação na máquina de papel, para alterar a relação existente entre o DeltaP, a vazão e retenção de partículas.
A tecnologia Ahlstrom Disruptor™ é capaz de romper esta relação, e representa um avanço na Engenharia que sinergicamente combina os melhores aspectos de filtração por carga eletrostática e mecânica em um meio filtrante.
O Disruptor™ foi desenvolvido pelos engenheiros Fred Tepper e Kalédine Leo, da empresa norte americana Argonide Filtration Technologies Corporation, fabricado e vendido pela Ahlstrom sob uma licença mundial exclusiva.
Rod Komlenic, Vice-Presidente de Desenvolvimento de Negócios da Ahlstrom Filtration, em Windsor Locks, CT, Estados Unidos, acredita que o Disruptor™ é uma revolução na filtração.
Verdadeiramente único?
O “ingrediente ativo” no Disruptor™ é a sua composição de fibras de nanoalumina AlO(OH). Estas fibras têm cerca de 2 nm de diâmetro e 200 – 300 nm de comprimento, e uma densa aplicação de carga eletrostática, calculada para atingir até 0,65 µm da fibra. Com áreas de superfície de até 500 m2 por grama de fibras de nanoalumina, um filtro plissado tipo cartucho com dimensões de 2,5” x 10” terá mais de 10.000 metros quadrados de área de superfície ativa.
No processo de fabricação, as nanofibras são adicionadas na superfície da tela de microfibra de vidro. A figura 1 mostra a estrutura da nanofibras. As microfibras de vidro / nanoalumina são depois misturadas com outras fibras para criar uma matriz onde os poros podem ser controlados durante a formação do não tecido.
O tamanho médio dos poros do Disruptor™ é projetado para ser um pouco menor que 2 µm. Este tamanho permite que todo o volume de um poro possa estar dentro do campo eletrostático preenchido pelas nanofibras, de maneira que estas cargas possam atuar na retenção da partícula no meio filtrante.
Com uma espessura média de 0,8 mm, uma partícula terá que passar por cerca de 400 poros antes de atravessar a seção transversal da folha, criando uma zona de retenção entre o contaminante e as fibras carregadas eletrostaticamente.
Sendo o Disruptor™ uma síntese de filtração mecânica e por diferença de cargas, este material pode ter um tamanho de poro relativamente alto, e que permite uma boa permeabilidade relacionada à baixa perda de carga.
Filtração e Capacidade de Absorção
Tendo as características de ambos os meios elétricos e mecânicos, o Disruptor™ traz um novo recurso para a filtração de água e para a remoção de:
• Partículas – Como regra geral, todas as partículas tendem a se tornar mais eletronegativas quanto menor seu tamanho. Portanto, a eficiência de filtração do Disruptor™ melhora com partículas cada vez menores e, desta forma, permite reter partículas contaminantes menores de 0,5 µm até tamanhos da ordem de [nm], como vírus, partículas de metais, bactérias, cistos, células, proteínas, endotoxinas, DNA e RNA.
• Colóides – Os testes indicaram a possibilidade de eliminar ou reduzir muitas substâncias coloidais, incluindo sílica.
• Metais dissolvidos – capacidade de remoção pode ser demonstrada no caso do ferro, estanho, cobre, chumbo, alumínio e prata.
A grande área de superfície das fibras de nanoalumina e a estrutura de poros em sua formação criam uma capacidade de retenção de partículas correspondente a 1,5 a 7 vezes o seu peso, dependendo do contaminante. Alguns testes mostram que o Disruptor™ é muito eficaz na clarificação da água. Quando testados segundo a norma ASTM D 4989-95 para SDI, os resultados foram inferiores a 0,5 ou abaixo dos limites mensuráveis.
Embora a tecnologia Disruptor™ permita remover vírus e bactérias, o meio filtrante não desativa, mata ou suprime o crescimento de materiais biológicos; pode ser utilizado para inativar o material biológico retirado da água através da adição de produtos adequados.
O Disruptor™ também permite que não tecidos fabricados com tecnologia Wet Laid possam atingir capacidades de filtração similares às membranas UF e MF, mas com uma queda bastante considerável de pressão em cartuchos plissados, por exemplo. A Figura 2 mostra o intervalo de retenção de filtração obtida com o material não tecido.
Pelo fato de manter a sua integridade estrutural durante o processo de fabricação do filtro e depois de montado, a nanoalumina pode ser usada como uma única camada, ou laminada junto a materiais pré-filtros para melhorar as características de desempenho ou processo.
Uma variedade de PET spunbond ou de mantas de PP podem ser laminadas para aumentar a resistência à plissagem do meio filtrante. Um material pré-filtro, como PP meltblown, microfibras de vidro, papel ou feltro também pode ser laminados.
Aspectos funcionais
Devido à sua grande área superficial, as cargas eletrostáticas e os grupos de hidroxilas no Disruptor™ podem ter suas funcionalidades alteradas por modificação química, ou através da adição de partículas para criar afinidade com compostos específicos. O trabalho de desenvolvimento tem se mostrado promissor em melhorias, como por exemplo, para remover metais como chumbo e arsênico.
Diferentes nanopartículas também podem ser adicionadas ao meio filtrante, assim como partículas de carvão ativado com um tamanho médio de 25 µm e até 60% em peso.
Ao aumentar a superfície externa em relação ao volume, o caminho para a difusão da solução na partícula é significativamente reduzida também. Este aumento de área de superfície aumenta significativamente a taxa de adsorção, quando comparado com o típico carvão ativado granular, com tamanhos de dezenas ou mesmo centenas de micra. A figura 3 é uma foto microscópica de uma tela com carbono retido após ser lavado em etanol.
Com tantos sítios de adsorção ativa, a performance do meio filtrante tende a ser bastante alta. A Figura 3 mostra uma comparação da reação cinética do Disruptor ™ com vários produtos de carbono em sua superfície.
Cada meio filtrante foi movimentado por um fluxo dinâmico que contém uma solução de iodo a 20 ppm, a um nível detectável de 0,5 ppm no efluente.
Outros nano-pós, como catalisadores e nano-óxidos também foram adicionados com êxito ao meio filtrante. Se os efeitos antimicrobianos são necessários, vários produtos podem ser adicionados ao carvão ativado em pó, ou amarrados à estrutura da nanoalumina, através eletroadesão. Essas inclusões podem reduzir a presença de muitos organismos, reduzindo sua proliferação no meio filtrante, uma vez retirados da água.
Oportunidades de filtração
O mercado de água oferece grandes oportunidades que incluem água potável, alimentos e bebidas, indústria farmacêutica, processos que utilizam água e residências.
– Água Potável – Para casa, restaurantes, farmácias, aplicações industriais e outras de menor volume, o Disruptor™ se torna um excelente meio filtrante para a remoção de contaminantes, como partículas biológicas, ferro, sílica coloidal e outras partículas que contribuem para a turbidez. Esses contaminantes também contribuem para a incrustação das membranas de RO e reduzem a vida útil de carbono e resinas de desionização, pelo bloqueio de seus princípios ativos pelo meio filtrante, onde sua remoção irá melhorar as taxas de fluxo da membrana e aumentar a vida útil a jusante, como membranas de osmose reversa, resinas de desionização e blocos de carbono.
– Alimentos e bebidas – Muitos dos benefícios apresentados acima se aplicam igualmente a esta categoria de utilização. Melhoria da qualidade da água através da redução de turbidez e seus contaminantes irá produzir um sabor mais puro na degustação de produtos, tais como água mineral, sucos, refrigerantes, café etc.
– Indústria Farmacêutica – A remoção de contaminantes anteriormente referidos, bem como restos celulares, proteínas, DNA, RNA e endotoxinas, permitirá uma produção de baixo custo e de alta pureza.
O meio filtrante atua também no tratamento de muitos contaminantes nos resíduos farmacêuticos, incluindo desreguladores endócrinos.
– Água para aplicações industriais – Abrange uma ampla gama de aplicações industriais, onde a remoção de ferro e material biológico é crítica. Disruptor™ pode ser usado para controlar estes teores em trocadores de calor, chillers, soldagem robótica, sistemas de refrigeração e caldeiras para proporcionar a troca de calor mais eficaz e necessária para manter o sistema limpo e o controle do crescimento biológico.
Saúde e segurança
Todos os materiais utilizados no Disruptor™, exceto pela aplicação da nanoalumina, têm sido amplamente utilizados na fabricação de meios filtrantes para aplicações em ar e água.
A nanoalumina em si é composta do mineral boemita AlOOH (mono-hidrato de óxido de alumínio), um metal encontrado em abundância e amplamente utilizado. Compostos apropriados para a redução ao metal não são comuns na natureza, portanto, as fontes são o óxido de alumina, cuja principal fonte é a bauxita. A alumina é, uma mistura dos minerais gibbsita, Al (OH)3, com quantidades menores da boemita mais densa e AlOOH. Bugosh sugere o uso de AlOOH fibrilada para o tratamento de úlceras, como espessante em alimentos e como corante alimentar.
Publicações mais recentes mostram que a boemita fibrilar é usada como analgésico no tratamento de úlceras. Testes de dissolução de agregados de nanoalumina em ácidos estomacais constataram que 80% deste conteúdo foi dissolvido em 18 horas. Uma inspeção dos componentes de quase todos os analgésicos estomacais mostra quantidades elevadas de hidróxido de alumínio “gel”, que se acredita ser boemita ou pseudo-boemita.
Com uma vasta experiência relacionada ao estudo de bactérias (E. coli, K. terrigina, B. globiggi, B.diminuta) a Argonide Corporation descobriu a nanoalumina como um produto não-bioativo. As bactérias tendem a se proliferar no meio ambiente, tornando-se um substrato muito eficaz para a fermentação e nos processos biocatalíticos.
A colaboração entre a Argonide Corporation e a Universidade de Purdue (Estados Unidos) no desenvolvimento da nanoalumina teve como resultados a descoberta de seus substratos como base para o crescimento de células ósseas.
O Instituto de Virologia e Biotecnologia e Centro de Pesquisas Vetor (Novosibirsk, na Rússia) avaliou a toxicidade da fibras de nanoalumina e dos meios filtrantes produzidos com este material. Eles mediram a toxicidade para E. coli, Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis, Bacillus pumilis e Candida albicans, sem nenhum efeito tóxico conhecido por qualquer uma das culturas, com exceção dos controles.
Uma vez que não é prejudicial às bactérias, as descargas de nanoalumina para o meio ambiente não afetam as bactérias naturais ou as bactérias utilizadas em sistemas de filtração das empresas – são quimicamente menos persistentes na natureza em relação às fibras minerais, tais como amianto, dióxido de titânio, alumina (Al2O3) e SIC. A Figura 4 mostra a foto de fagos ajudantes (pequenos vírus que afetam apenas bactérias) presentes em meios filtrantes com nanoalumina.
A lavagem do filtro antes do uso é recomendada para remover restos de fabricação. Testes em laboratório mediram os alumínios solúveis e não-solúveis em duas situações distintas, antes e depois da lavagem dos filtros. Os resultados em ambos os casos foram detectados em menos de (100 mg/L) de alumínio, dentro do padrão de água potável.
Conclusões
A tecnologia hibrida Ahlstrom Disruptor™ produz um meio filtrante que funciona através de um efeito sinérgico de nanofibras carregadas eletrostaticamente e filtragem mecânica. A meio tem uma área muito grande e poros com cerca de 2 µm que criam um filtro de profundidade, com elevada capacidade de retenção de partículas finas, aliada a uma queda de pressão muito baixa em relação a qualquer meio filtrante tradicional de eficiência semelhante.
O Disruptor™ é um produto utilizado para remover partículas como bactérias, vírus, colóides e metais dissolvidos na água – é um meio filtrante que pode substituir tecnologias como meltblown, microfibra de vidro, papéis com base de fibras naturais (celulose), assim como membranas de osmose reversa.
Ahlstrom Mount Holly Springs, LLC
Autorização de publicação concedida pela Ahlstrom do Brasil, matéria publicada na revista Filtration + Separation by Elsevier.
