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Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Title: Estudo do desempenho de um analisador de mobilidade elétrica de nanopartículas
Author: Camargo, Eduarda Cristina de Matos
First Advisor: Arouca, Fábio de Oliveira
First coorientator: Damasceno, João Jorge Ribeiro
First member of the Committee: Vieira, Luiz Gustavo Martins
Second member of the Committee: Batista, Fabiana Regina Xavier
Third member of the Committee: Arruda, Edu Barbosa
Summary: Analisador de Mobilidade Elétrica é um equipamento utilizado para produzir nanopartículas de aerossóis em estreitas faixas de tamanho, previamente estabelecidas como função das cargas elétricas das partículas, a fim de se produzir correntes monodispersas desejáveis. As partículas polidispersas que entram neste equipamento fazem uma trajetória que é função da intensidade do campo elétrico e de sua mobilidade elétrica, sendo que esta trajetória é função apenas do diâmetro da partícula de aerossol. A importância de se produzir aerossóis monodispersos está ligada à sua aplicação na calibração de equipamentos de alta precisão na presente era da nanotecnologia. Outro fator relevante está diretamente relacionado à questão da saúde ocupacional, na qual nanopartículas podem oferecer risco à saúde humana enquanto presentes no ar respirável numa concentração acima da permitida pela legislação ambiental. O processo de separação por mobilidade elétrica engloba quatro estágios principais: (i) geração de nanopartículas polidispersas; (ii) estabilidade de cargas das partículas; (iii) separação por mobilidade elétrica e, (iv) contagem das partículas produzidas para cálculos de eficiência. Os analisadores comerciais (Differential Mobility Analyzer) são equipamentos com preços muito elevados no mercado devido a tecnologia de ponta a que são submetidos, por isso, o presente trabalho buscou desenvolver e otimizar um analisador com tecnologia própria e de baixo custo. Para tanto, partindo-se de um aerossol polidisperso (ampla faixa de tamanho) produzido com nanopartículas de NaCl em diferentes concentrações, obteve-se um aerossol monodisperso (estreita faixa de tamanhos), via classificação por mobilidade elétrica. O sistema utilizado consistia basicamente de cilindros concêntricos de aço inoxidável com nanopartículas polidispersas sendo alimentadas na região anular, ao passo que ar ultrapuro era alimentado ao sistema. As partículas eletricamente carregadas foram atraídas ou repelidas no eletrodo central de acordo com suas cargas adquiridas. Cálculos de projeto levaram a disposição de um orifício de coleta no sistema que possibilitou a classificação das patículas por faixas de tamanho na escala nanométrica. Após os experimentos realizados na FEQUI/UFU, constatou-se que a quantidade de nanopartículas produzida no sistema era função da concentração de NaCl utilizado na solução, assim como o tamanho médio das partículas produzidas. Paralelamente, testes foram realizados no Departamento de Engenharia Química da Universidade Federal de São Carlos (DEQ/UFSCar), utilizando um analisador comercial (SMPS) da marca TSI. Estes testes auxiliaram na comparação dos resultados experimentais com os teóricos, mostrando que o presente Analisador de Mobilidade Elétrica foi bastante eficiente na produção de nanoaerossóis monodispersos, com preço inferior a 10% do valor do equipamento comercial. Um balanço de mobilidade para classificação de nanopartículas, baseado nas distribuições de cargas, foi proposto para estimativas das distribuições de tamanho produzido, sendo este balanço representativo para o aerossol monodisperso e de excesso.
Abstract: Electrical Mobility Analyzer is a device used to produce aerosol nanoparticles in narrow size ranges previously set as a function of the electrical charges of the particles in order to produce desirable monodisperse chains. The polydisperse particles entering this equipment make a trajectory that is a function of the electric field strength and its electrical mobility, and this trend is a function of the aerosol particle diameter. The importance of producing monodisperse aerosols is linked to its application in the calibration of high-precision equipment in this era of nanotechnology. Another relevant factor is directly related to the issue of occupational health, in which nanoparticles may pose a risk to human health as present in the breathing air at a concentration higher than that allowed by the environmental legislation. The electric mobility separation process involves four main stages: (i) generating polydisperse nanoparticles; (ii) the stability of the particles loads; (iii) separation by electric mobility, and (iv) counting the particles produced to calculate efficiency. Commercial analyzers (Differential Mobility Analyzer) are devices with very high prices in the market due to the latest technology concerning them, therefore, the present study sought to develop and optimize an analyzer with its own technology and low cost. For this purpose, starting from a polydisperse aerosol (broad size range) produced with nanoparticles at different NaCl concentrations yielded a monodisperse aerosol (narrow size range) via electric mobility rating. The system used was basically concentric cylinders of stainless steel with polydisperse nanoparticles being fed into the annular region, while ultrapure air was fed to the system. The electrically charged particles were attracted or repelled the central electrode according to their acquired loads. Design calculations led to the disposal of a collection hole in the system that allowed the classification of patículas by size ranges in the nanometer scale. After the experiments conducted in FEQUI / UFU, it was found that the amount of nanoparticles produced in the system was a function of concentration of NaCl used in solution as well as the average size of the particles produced. In addition, tests were performed in the Department of Chemical Engineering, Federal University of São Carlos (DEQ / UFSCar), using a commercial analyzer (SMPS) TSI brand. These tests helped the comparison of experimental results with theoretical, showing that this Electric Mobility Analyzer was quite efficient in the production of monodisperse nanoaerossóis, priced less than 10% of the value of commercial equipment. A mobility swing nanoparticle classification, based on the load distribution has been proposed to estimate size distributions produced, which is representative for balance and excessive monodisperse aerosol.
Keywords: Nanopartículas
Aerossóis
Nanoparticles
Aerosols
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Language: por
Country: BR
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Institution Acronym: UFU
Department: Engenharias
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Quote: CAMARGO, Eduarda Cristina de Matos. Estudo do desempenho de um analisador de mobilidade elétrica de nanopartículas. 2015. 102 f. Dissertação (Mestrado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2015.
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/15236
Date of defense: 20-Feb-2015
Appears in Collections:DISSERTAÇÃO - Engenharia Química

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