Modelando valores de queda de pressão em ultra

Jan 12, 2024

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 5449 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Simulações computacionais de dinâmica de fluidos de filtros fibrosos com 56 combinações de diferentes tamanhos de fibras, densidades de embalagem, velocidades de face e espessuras foram realizadas para o desenvolvimento de modelos que prevêem quedas de pressão em filtros de nanofibras. A precisão do método de simulação foi confirmada pela comparação das quedas de pressão numérica com os dados experimentais obtidos para filtros de nanofibras eletrofiados de poliacrilonitrila. Nas simulações, foi considerado um efeito de deslizamento aerodinâmico em torno da superfície das pequenas nanofibras. Os resultados mostraram que, diferentemente do caso da teoria de filtração convencional, as quedas de pressão nas camadas finas dos filtros de nanofibras eletrofiados não são proporcionais à espessura. Isso pode ser um fator crítico para a obtenção de quedas de pressão precisas nos filtros de nanofibra eletrospun com camadas extremamente finas. Finalmente, derivamos o produto do coeficiente de arrasto e do número de Reynolds em função da densidade de empacotamento, número de Knudsen e razão entre espessura e diâmetro da fibra para obter a equação de correlação para a previsão da queda de pressão. A equação obtida previu as quedas de pressão nos filtros de nanofibra com a diferença relativa máxima inferior a 15%.

O impacto negativo da poluição do ar não pode ser subestimado. Ameaça o sistema respiratório humano e, portanto, causa graves problemas de saúde, incluindo doenças cardíacas, pneumonia, derrame, diabetes e câncer de pulmão1,2,3,4. Como estima-se que milhões de mortes anualmente sejam causadas pela exposição à poluição do ar interna e externa, a Organização Mundial da Saúde (OMS) considera a poluição do ar o maior risco ambiental à saúde5,6. O material particulado (PM), uma mistura complexa de partículas finas sólidas e líquidas com várias composições químicas, é um dos principais poluentes atmosféricos1,7. O tamanho pequeno e a grande área de superfície do PM2,5 (tamanho aerodinâmico inferior a 2,5 µm) podem penetrar profundamente nos pulmões humanos e podem ser tóxicos, aumentando assim a morbidade e a mortalidade8,9,10,11. Portanto, é de importância significativa controlar e remover efetivamente o PM da vida diária dos seres humanos.

A filtragem do ar é considerada um dos métodos mais eficazes para controlar a qualidade do ar. Isso geralmente é obtido usando membranas e materiais fibrosos12,13. O desempenho dos materiais filtrantes pode ser avaliado por diversas métricas14. Em geral, o desempenho dos filtros é avaliado pelo fator de qualidade (\({\text{QF}} = - \ln \;(1 - \eta )/\Delta P\)); portanto, a queda de pressão (ΔP) através do meio filtrante é um fator importante além da eficiência de remoção (η) medida em termos de consumo de energia15,16. Os filtros de ar do tipo fibroso são amplamente empregados em muitas aplicações de filtração devido às suas estruturas altamente porosas (ou seja, baixa densidade de empacotamento) em comparação com os filtros do tipo membrana17. Os filtros de ar fibrosos convencionais consistem em fibras com diversos diâmetros de alguns mícrons a dezenas de mícrons. Essas fibras de tamanho grande requerem uma espessura substancial para capturar PM com alta eficiência de remoção, o que induz grandes quedas de pressão. Para resolver esse compromisso entre eficiência e queda de pressão, os filtros de nanofibras com tamanhos de fibra de dezenas de nanômetros a centenas de nanômetros, que são produzidos pelo processo de eletrofiação, atraíram atenção significativa18,19,20,21,22. Uma das vantagens distintas dos filtros de nanofibra é que, devido ao deslizamento aerodinâmico em torno da superfície das pequenas nanofibras, a resistência contra o fluxo de gás é reduzida, o que leva a menores quedas de pressão nas fibras individuais23,24,25,26.

Para desenvolver essa técnica promissora, muitos pesquisadores realizaram investigações experimentais relacionadas a métricas de desempenho, como resistência mecânica, eficiência de remoção e queda de pressão27. Leung et al.28 examinaram os efeitos da densidade e espessura do empacotamento na eficiência de remoção e queda de pressão empilhando camadas de nanofibras de óxido de polietileno com diâmetro médio de 208 nm. Seu estudo revelou que os filtros de nanofibras multicamadas reduzem consideravelmente a queda de pressão em comparação com a camada única com a mesma quantidade de deposição de nanofibras. Zhang et al.29 desenvolveram filtros de nanofibras de poliimida eletrospun com estabilidade de alta temperatura para a aplicação de remoção de PM2,5 do gás de escape do carro. Xia et al.30 examinaram a relação entre a queda de pressão e a velocidade de face para nanofibras eletrofiadas coletando 122 dados experimentais da literatura. Além disso, simulações de dinâmica de fluidos computacional (CFD) têm sido usadas para investigar as características complexas de fluxo dentro de filtros de nanofibras, pois a abordagem numérica tem a vantagem de simplificar o ajuste dos parâmetros de filtração31. Hosseini32 desenvolveu simulações CFD 3-D para estimar quedas de pressão em diferentes densidades de embalagem e tamanhos de fibra. Quan et al.33 modelaram numericamente o efeito de deslizamento em uma única nanofibra para encontrar as fibras funcionais de efeito de deslizamento ideal, que poderiam ser aplicáveis ​​a filtros fibrosos estruturados em sanduíche para reduzir quedas de pressão.