v1 : 25/09/2002 - AVAM

AMOSTRAGEM INDIVIDUAL DE UM AEROSSOL COM O COLETOR
INDIVIDUAL DE PARTICULADO - CIP 10
Ficha H4 CIP10 25-10-02 (2).doc
1)
(v1 : 25/09/2002)
OBJETIVOS
Esta ficha descreve o método de amostragem individual das frações de
um aerossol em relação á saúde, tal qual foram definidas pelas Normas
EM 481 [*1] e ISO 7708 [*2]. O amostrador CIP 10 [*3] existe em três
modelos: CIP 10-R [*4], CIP 10-T [*5] e CIP 10-I [*6], para amostragem
conforme a necessidade sendo a fração alveolar, torácica ou inalável.
Um exemplo de utilização do método é a medição da exposição
individual à poluentes particulados que contenham uma substância
para a qual existe um valor limite de exposição em fração alveolar,
torácica ou inalável.
2) MATERIAL
•
•
•
CIP 10 equipado com seletor de fração alveolar (fig.1), torácica (fig.2)
ou inalável (fig.2b ou fig.9).
Cassete Rotativo equipado com um filtro específico de espuma
poliuretana de grau 60 (60 PPI*).
Sistema de controle de fluxo com compensação de perda de carga
(Fig.3)
Figura 1 : Foto e esquema do aparelho CIP 10 em versão alveolar (CIP 10-R), fluxo de ar: 10 L.min
1 :Fenda anular de aspiração
6 : Saída do ar
2 :Capacete protetor
7 :Sinalizador de funcionamento
8 : Motor
3. Impactador
*
9 : Baterias
4. Filtro de espuma grau 45 PPI
*
5. Cassete rotativo com espuma de grau 60 (60 PPI )
10 : Circuito de regulagem
11 : Entrada 0-220 Vac.
*
PPI – Poros por polegada (número. de poros sobre um comprimento de 2,54 cm).
-1
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Figura 2a: Seletor da fração torácica
-1
(CIP 10-T, fluxo de ar 7 L.min )
3)
Figura 2b : Seletor da fração inalável
-1
(CIP 10-I, fluxo de ar 10 L.min )
PRICÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO CIP 10
O fluxo do aparelho é assegurado pela rotação em alta velocidade
(≅7000 rpm) de um cassete com espuma porosa no interior de uma
cavidade chamada cabeça, equipado com uma entrada axial e uma saída
tangencial. A aspiração é provocada pela combinação do escoamento
chamado ciclonico e anti-ciclonico descrito nos anos sessenta [*7, *8] e
utilizado em determinados amostradores anteriores ao CIP 10.
O fluxo é diretamente proporcional a velocidade da rotação [*9]. Se
obtivermos com o aparelho CIP 10 um fluxo relativamente elevado em
relação a sua compacidade, o dispositivo é em contrapartida sensível a
qualquer fuga de carga imposta pelo escoamento, o que faz com que a
medição do fluxo seja acompanhada obrigatoriamente por uma
compensação de perda de carga do instrumento de medição (Fig. 3).
As partículas recolhidas são coletadas no filtro rotativo de espuma de
poliuretano de grau 60. A filtragem através de uma espuma de poliuretano
foi estudada inicialmente por Brown [*10] e por Gibson e Vincent [*11].
Outros estudos foram realizados desde então [*12,*13]. A eficácia de
filtragem cresce proporcionalmente a velocidade de rotação do filtro, tal
como verificamos experimentalmente [*9].
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O estagio coletor é precedido por um seletor de partículas. Sua função é
selecionar as partículas em função do seu diâmetro aerodinâmico. Ele
assegura a passagem da fração medida para o cassete rotativo retendo as
partículas maiores. Os três seletores valem-se de uma fenda anular
onidirecional de aspiração. O encaminhamento do aerossol no interior do
seletor difere em função da fração selecionada (Fig. 1, 2a, 2b ou 9). Uma
seleção correta é assegurada unicamente respeitando os fluxos nominais
dos seletores:
4)
Fração Alveolar
10 L.min-1
Fração torácica
7 L.min-1
Fração inalável
7 L.min-1
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DO CIP 10
O CIP 10 é um dispositivo compacto comparado com os dispositivos
clássicos compostos geralmente de uma cabeça de amostragem ligada a
uma bomba por um tubo flexível. As dimensões, o peso, a tensão das
baterias, o consumo, as características das espumas e outros parâmetros
técnicos encontram-se relacionados no manual técnico de utilização. [*14,
*15]. Resta ressaltar sua grande autonomia que ultrapassa 30 horas de
funcionamento para uma só carga de bateria.
A particularidade do CIP 10 reside ao mesmo tempo na utilização de um
filtro rotativo para aspirar o ar e coletar as partículas. Esta solução técnica
lhe confere algumas propriedades interessantes. A rotação do cassete
consome pouca energia em relação a uma bomba clássica, o que confere ao
aparelho uma grande autonomia. A utilização de um filtro de pouca perda de
carga em espuma de poliuretano permite seu funcionamento com um fluxo
relativamente elevado para uma amostragem do tipo individual (10 L.min-1)
e a coleta de uma massa importante de partículas sem saturação (até
50 mg.). Em contrapartida, a eficácia de retenção do filtro diminui levemente
para partícula finas menores de 2 µm. Esta diminuição é parcialmente
compensada por uma fraca superestimação da quantidade de partículas na
faixa de 3 à 5 µm em relação à convenção alveolar (Fig. 4).
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MEDIÇÃO E REGULAGEM DO FLUXO
A regulagem do fluxo do CIP 10 é obtido, modificando a velocidade da
rotação do motor que movimenta o cassete. A medição do fluxo necessita
de um dispositivo de compensação de perda de carga. Um esquema de
medição e regulagem do fluxo é representado na figura 3.
Figura 3: Esquema de medição e regulagem do fluxo do amostrador CIP 10.
O princípio da medição do fluxo com compensação da perda de carga
baseia-se na manutenção do equilíbrio do fluxo do amostrador com o fluxo
de compensação. O fluxo de compensação é regulado por uma válvula com
o fluxo nominal do amostrador e medido através de um contador de gás (ou
equivalente) calibrado. Esse fluxo é enviado num recinto no qual
encontram-se inserida a cabeça de aspiração do CIP 10 em condição de
funcionamento. O recinto possui uma tomada de pressão estática conectada
ao monômetro. O equilíbrio entre o ar expelido e o ar aspirado é atingido
quando a pressão diferencial ∆p entre a pressão atmosférica e a do recinto é
igual a zero. Se não for o caso, o fluxo de aspiração do aparelho CIP 10
deve ser modificado com a ajuda do potenciômetro sobre o circuito
eletrônico do aparelho até obter ∆p = 0. O modo de utilização esta descrito
no manual de utilização do amostrador [*14, *15].
Após a regulagem do fluxo para o valor nominal, a velocidade de rotação do
cassete rotativo pode ser medida com o auxilio de um conta-giros eletrônico.
A proporcionalidade direta entre a velocidade de rotação e o fluxo do CIP 10
[*9] permite uma verificação posterior do fluxo. Este procedimento pode ser
utilizado somente no caso da utilização de seletores do mesmo tipo
(medição da mesma fração de aerossol). Se no caso deste controle, a
velocidade de rotação for diferente da que foi registrada após a regulagem
do fluxo, o fluxo deverá ser reajustado ao fluxo normal seguindo o
procedimento completo de medição com compensação de perda de carga.
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Nota:A regulagem do fluxo deve-se realizar sistematicamente na mudança do
tipo de seletor. Mesmo se os seletores da fração alveolar e da fração
inalável são utilizados com o mesmo fluxo (10 L/.min-1), as regulagens não
são idênticas. Esses dois seletores impõem realmente ao fluxo de ar,
perdas de carga diferentes. Conseqüentemente a velocidade de rotação é
levemente diferente nos dois casos. Isto é válido também para o seletor de
fração torácica que funciona com o fluxo nominal de 7 L/.min-1.
6)
MONTAGEM E UTILIZAÇÃO
O acoplamento dos diferentes seletores e a montagem do cassete rotativo
são relatados no manual de utilização do aparelho [*14, *15]. Para a
amostragem individual o CIP 10 pode ser montado numa bolsa de
amostragem que permita sua fixação sobre o peito nas proximidades das
vias respiratórias superiores. A inicialização e a parada do aparelho poderá
se realizar com o auxílio de um interruptor magnético. A concentração
maciça do aerossol desconta-se da massa das partículas coletadas no
cassete rotativo equipado de seu filtro em espuma de poliuretano. O
procedimento de pesagem encontra-se descrito também [*15, *28]. No caso
de algumas aplicações analíticas a espuma pode ser incinerada e somente
as partículas minerais podem ser recuperadas para análise (no caso do
silício, por exemplo) [*27]. Se as substâncias das quais queremos medir a
concentração no ar são solúveis num solvente, podemos recuperá-las por
extração.
7)
PERFORMANCE DO AMOSTRADOR
A eficácia da amostragem foi medida em laboratório em função do diâmetro
aerodinâmico das partículas e comparado as curvas convencionais de
amostragem de frações de aerossol ligadas à saúde [*1, *2]. As
performances do amostrador foram avaliadas e expressadas em forma de
fichas de divergências e precisão obedecendo a norma européia EN 13205
[*17]. Pelo fato do amostrador permitir em função seletora de medir uma das
três frações convencionais, convém avaliar suas performances fração por
fração.
Performances de amostragem da fração alveolar
Para amostrar a fração alveolar de um aerossol, o aparelho é utilizado na sua
versão CIP10-R com o seletor representado na figura 1, com o fluxo de 10 L/min-1.
As medidas de eficácia foram realizadas num túnel aero métrico nas condições
próximas das conhecidas como ar calmo valendo-se de um aerossol polidisperso.
Os resultados relativos à eficácia da amostragem encontram-se representados na
figura 4 em função do diâmetro aerodinâmico das partículas [*16]. A curva
convencional alveolar é igualmente representada.
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A eficácia experimental encontra-se próxima da curva convencional, mas
apresenta um máximo acima de 2µ. A diminuição da eficácia inferior a 2 µm
deve-se a rejeição parcial das partículas menores pelo filtro rotativo.
As fichas de desvio e precisão correspondentes a eficácia medida
encontram-se representadas na figura 5 para uma série de distribuição
granulométrica de um aerossol do tipo log-normal. Os parâmetros de
distribuição constituem as coordenadas da ficha: MMAD – Mass Median
Aerodynamic Diameter (Diametro aerodinâmico mediano em massa) e GSD
- Geometric Standard Deviation (Desvio geométrico). Podemos lembrar que
a carta de desvio representa os desvios relativos entre a concentração que
será medida pelo amostrador em pauta e a concentração que corresponderia
exatamente à convenção alveolar para o mesmo aerossol. A carta de desvio
indica de fato « a imprecisão » da definição da concentração dos aerossóis em
relação à concentração convencional. Ela é composta essencialmente pelo
valor absoluto do desvio ao qual se acrescenta os elementos de incerteza
relativa á determinação experimental da eficácia e sobre a utilização do
amostrador (por exemplo, o fluxo).
A norma européia EN 13205 [*17] prevê que o desvio e a imprecisão não devem
ultrapassar respectivamente ± 10% para o desvio e 30% para a imprecisão no
interior do domínio granulométrico correspondente a fração especificada. A título
de informação os índices BPC e APC nas fichas (Fig. 5) indicam cada um a
porcentagem de pontos satisfazendo os critérios correspondentes. Os aerossóis
quase mono-dispersados sendo pouco freqüentes na indústria, só as
distribuições com um desvio-tipo geométrico GSD ≥ 2 são consideradas para o
cálculo dos índices de performance BPC e APC.
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Figura 5 :
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Carta de desvio e carta de precisão do amostrador CIP 10-R, fluxo 10 L.min-1,
em relação à fração convencional alveolar EN 481.
BPC - Bias Performance Criterium (Indice de performance sobre o desvio)
APC - Accuracy Performance Criterium (Indice de performance sobre a precisão)
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Podemos constatar que o critério do desvio de medição da concentração
alveolar é satisfatório em 81% dos pontos e o critério de precisão em 94%. Este
desempenho pode ser considerado como sendo muito satisfatória para a maior
parte. Entretanto convém sinalizar uma baixa das performances para os
aerossóis compostos principalmente de partículas submicrônicas. Isto deve-se
a baixa eficácia da filtragem do filtro rotativo para esse tamanho de partículas,
tal como foi relatado no capítulo 4. No caso dos aerossóis poli-dispersados
essa baixa de desempenho para as partículas submicrônicas é largamente
compensada pela muito boa eficácia obtida para as partículas submicrônicas.
Em contrapartida é fortemente desaconselhado utilizar o CIP 10 para
amostragem dos aerossóis muito finos, principalmente os fumos (cujas
distribuições granulométricas encontram-se localizadas na extremidade
esquerda da carta), para evitar subestimar perigosamente sua concentração.
Esta precaução destina-se principalmente aos fumos de soldagem, os fumos de
diesel e no geral aos aerossóis ultra-finos.
Desempenho de amostragem da fração torácica
Para amostragem da fração torácica de um aerossol o aparelho é utilizado na sua
versão CIP 10-T, com o seletor representado na figura 2a, com fluxo de 7 L/min-1.
A medição de eficácia foi realizada num túnel aerométrico nas condições
próximas do ar calmo utilizando um aerossol poli-disperso. Os resultados relativos
à eficácia de amostragem são representados sobre a figura 6 em função do
diâmetro aerodinâmico das partículas [5]. A curva convencional torácica encontrase igualmente representada.
1,2
Coulter dolomita
Coulter Aloxita 175
APS dolomita
CEN convenção torácica
Eficácia de coleta (APS)
Modelo
1
Eficacia
0,8
0,6
0,4
0,2
0
1
10
Diâmetro aerodinâmico (µm)
Figura 6 :
Eficácia de amostragem da fração torácica do aparelho CIP 10-T
Em função do diâmetro aerodinâmico das partículas. Fluxo de ar 7 L.min-1
100
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A eficácia experimental se encontra próxima da curva convencional além de 2µm
mas apresenta um máximo. Ela é ligeiramente superior a eficácia convencional
entre 10 e 30 µm. A diminuição de eficácia abaixo de 2µm deve-se a rejeição
parcial dessas pequenas partículas pelo filtro rotativo. Os dois efeitos
compensam-se parcialmente.
As cartas de desvio e precisão correspondendo à eficácia medida são
representadas sobre a figura 7. As exigências normativas [*17] relativas ao
desvio e precisão de amostragem da fração torácica são as mesmas que para a
fração alveolar.
CIP 10 – T Carta de Desvio
CIP 10 – T Carta de Precisão
Figura 7 :
-1
Carta de desvio e precisão do amostrador CIP 10-T, fluxo 7 L.min , em
relação á fração convencional torácica EN 481.
BPC - Bias Performance Criterium (Índice de desempenho relativo ao desvio)
APC - Accuracy Performance Criterium (Índice de desempenho relativo á precisão)
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Podemos constatar que o critério relativo ao desvio (BPC) é atendido em 73%
dos pontos e o critério de precisão (APC) em 94% com a condição GSD ≥ 2
(Fig. 7). Este desempenho pode ser considerado muito satisfatório para a maior
parte. Entretanto convém assinalar uma baixa do desempenho para os aerossóis
compostos essencialmente de partículas submicrônicas. Isto se deve a baixa da
eficácia de filtragem do filtro rotativo para esse tamanho de partículas, tal como
foi mencionado no capítulo 4. No caso dos aerossóis poli-dispersados essa baixa
de desempenho para as partículas submicrônicas é por demais compensada pela
muito boa eficácia obtida para as partículas micrônicas. Para o caso da medição
da fração torácica este efeito tem geralmente pouca repercussão sobre os
resultados considerando-se que essa fração considera as partículas até
aproximadamente 30 µm. Entretanto é insistentemente desaconselhado utilizar
CIP 10-T para amostragem dos aerossóis muito finos, notavelmente fumos (cujas
distribuições granulométricas encontram-se situadas na extremidade esquerda
do gráfico), para evitar subestimar gravemente sua concentração. Esta
precaução refere-se, por exemplo, aos fumos de soldagem, os fumos de diesel e
em geral aos aerossóis ultrafinos.
O CIP 10-T pode ser utilizado notoriamente para amostragem de aerossóis na
indústria têxtil onde foi possível substituir com vantagem o elutriador vertical [*18]
que só podia ser utilizado em postos fixos. Seu desempenho em relação ao
elutriador foi verificado tanto em laboratório quanto em fábrica [*19]. Neste tipo de
indústria, o aerossol presente nos locais de trabalho pode conter fibras têxteis de
dimensões avantajadas, freqüentemente aglomeradas em montículos que podem
obstruir o seletor torácico do CIP10-T e impedir desta forma seu funcionamento.
Recomenda-se neste caso utilizar uma grade externa protegendo a fenda de
aspiração, representada na figura 8. Foi possível verificar que sua utilização não
modifica nem o fluxo nem o desempenho do aparelho [*20].
Grade metálica:
Aço inoxidável Ø 0.2 mm
Trançado 0.8 x 0.8 mm
Superfície da grade 21 cm2
.
Figura 8: Seletor torácico equipado com sua
grade exterior.
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Desempenho de amostragem da fração inalável
O CIP10 é utilizado para a amostragem da fração convencional inalável na sua
versão CIP10-I utilizando o seletor inalável (Fig. 2b) com fluxo de 10 L.min-1. Os
desempenhos do seletor inalável só puderam ser estudados recentemente por falta
de instalações experimentais adequadas. Sua eficácia é comparável aos outros
dispositivos testados durante estudos promovidos pela comunidade européia [*6,
*21]. Bartley [*22] calculou para um conjunto de oito amostradores da fração inalável
o limite superior do intervalo de confiança do desvio no nível 95% partindo dos
resultados dos próprios estudos europeus {*6}.
Esse limite não ultrapassou 50% para 3 aparelhos unicamente, dos quais o
aparelho CIP10-I. Baldwyn e al.[*23] efetuaram medidas comparativas no local
entre o CIP10-I e o aparelho IOM {24}. Concluiu-se sobre a compatibilidade dos
resultados entre as duas técnicas e sobre a vantagem do CIP10 no caso onde o
processo industrial dá origem a projeção de partículas. Podemos constatar que na
sua configuração atual, o amostrador CIP10-I apresenta desempenho comparável
as de outros dispositivos utilizados na França e no exterior [*22, *23].
Entretanto um depósito de partículas foi constatado na parte superior do seletor
durante os ensaios em laboratório. Esse depósito diminui a eficácia de transmissão
das partículas entre a fenda de aspiração e o nível coletor do CIP10.
Uma verificação da eficácia de aspiração realizou-se experimentalmente [*25],
sendo esta julgada satisfatória, pois o encaminhamento das partículas a leva para
dentro do próprio seletor, a fim de minimizar o fenômeno de depósito das partículas
sobre as paredes. Dando prosseguimento a esse estudo, modificações de
geometria interior foram aplicadas ao seletor para eliminar o depósito. O novo
protótipo (fig. 9) foi testado [*26]. A melhoria do encaminhamento das partículas
sugadas para o cassete rotativo deve-se a aceleração radial do aerossol dentro da
fenda anular e a sua retomada vertical no eixo da fenda. Essa melhoria traz-se pelo
aumento da eficácia de transmissão do novo seletor em relação as versões
precedentes ( fig. 10).
A eficácia de transmissão encontra-se próxima da unidade, o que corresponde a
ausência de depósito no seletor. A eficácia global de amostragem do novo modelo
foi medida para duas velocidades de vento externo W=1 e 3 m.s-1 e no ar calmo .
Os resultados experimentais são mencionados na figura 11 onde são
acompanhados da curva convencional inalável. Eles mostram uma eficácia global
de amostragem satisfatória em relação ao tamanho das partículas [*26].
Figura 9: Esquema do novo modelo
de seletor inalável
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2
2
1,8
1,8
• W = W1 =m/s
1 m/s
1,6
ô
ôÅ
2 versões
anteriores Selector Fig. 1a
W = 1 m/s
Selector Fig. 1b
1,4
Sampling efficiency
Transmission efficiency
1,6
nova versão
Selector Fig, 1c
1,2
1
0,8
0,6
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,4
0,2
0,2
0
0
0
10
20
30
Dae (µ m)
40
50
Figura 10: Eficácia de transmissão dos
seletores inaláveis do CIP 10-I
8)
W = W3 =m/s
3 m/s
Å Ar calmo
Calm Air
Inhalable Inalável
Convention
---Convenção
1,4
60
0
10
20
30
Dae (µ m)
40
50
60
Figura 11: Eficácia global de amostragem da nova
versão do CIP 10-I
OBSERVAÇÕES SOBRE A UTILIZAÇÃO DO MÉTODO
O fluxo elevado e a grande autonomia do CIP 10 permite coletar uma
quantidade apreciável de matéria particulada para um amostrador individual.
As partículas de aerossol sendo coletadas no cassete rotativo equipado com
um filtro de espuma de poliuretano, a análise da massa da amostra
apresenta algumas particularidades: A pesagem do cassete pode ser
afetada pela umidade do ar por causa do caráter hidrófilo da superfície da
espuma de poliuretano. As pesagens devem ser realizadas de
preferência num local com higrometria estável utilizando cassetes
padrão. O procedimento é descrito em outro local [*15, *28].
Para análises químicas ou mineralógicas, o material coletado deve ser
extraído do filtro. Exceto uma amostra solúvel o procedimento de lavagem
demonstra-se inseguro. Podemos incinerar a espuma conforme o método
descrito na norma AFNOR [*27], mas no caso exclusivo de análise de
substâncias minerais. Nos outros casos onde temos análise para realizar, é
preferível optar pela técnica de amostragem sobre filtro com o amostrador
CATHIA (descrito em outra ficha METROPOL [*29]), que utiliza as mesmas
cabeças de coleta e os mesmos seletores. Isto é imperativo para a
amostragem de partículas fibrosas das quais a análise se realiza por
contagem e medição das fibras no microscópio na superfície de um filtro.
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9)
REFERÊNCIAS
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De f i n i çã o d a sFr a ções d e t am an hod a s partículas para amostragem ligadas aos
problemas de saúde. ISO 7708 - Classificação AFNOR X43-100.
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Fabriés, J.F., Görner, P., Kauffer, E., Wrobel, R., Vigneron, J.C. (1998) Amostrador Torácico
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Anual de Higiene Ocupacional, 41, 135-153.
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respirável. Journal of Aerosol Science, 11, 151-159.
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