Meios filtrantes para ar de alta eficiência obtidos por eletrofiação usando poliestireno expandido reciclado

dc.contributor.advisor1Béttega, Vádila Giovana Guerra
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0752059622240208
dc.contributor.advisor1orcidhttps://orcid.org/0000-0002-0096-6329
dc.contributor.authorLima, Felipe de Aquino
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/8335700003224104
dc.contributor.authororcidhttps://orcid.org/0000-0002-9062-3417
dc.date.accessioned2025-04-07T12:08:16Z
dc.date.issued2025-02-21
dc.description.abstractThe increasing generation of polystyrene (PS) waste has driven the search for efficient reuse strategies. A promising alternative lies in its reutilization to produce filter media via electrospinning, combining air pollution mitigation with waste recovery and enhancing the sustainability of the process. Therefore, this study proposes a rapid electrospinning method (5 minutes) for producing PS-based filters aimed at the removal of nano- and microparticles from the air. A statistical evaluation was conducted to investigate the influence of polymer solution concentration (5–25%), percentage of DL-limonene (10–50%), applied voltage (15–25 kV), and injection flow rate (0.4–1.2 mL/h) on particle collection efficiency, air permeability, and fiber diameter. To improve mechanical strength, PS/PET hybrid filters were developed using three different methods: a trilayer arrangement and dual-needle setups with separate solutions injected either from the same side or from opposite sides of a rotating collector. In this stage, the PET content was varied to assess its effect on elastic modulus, maximum tensile strength, and elongation at break. To enhance applicability, PS fibers were mechanically processed into short nanofibers to formulate suspensions in isopropyl alcohol, ethanol, water, and their mixtures. Suspensions in isopropyl alcohol were deposited onto twelve different substrates—including common materials and low-efficiency filters—using vacuum filtration and spray deposition, and subsequently evaluated for their micro- and nanoparticle collection performance. The optimal condition for nanoparticle collection was achieved with 13.5% PS, 50% DL-limonene, 25 kV, and 1.2 mL/h, resulting in a collection efficiency of 99.97 ± 0.01%, air permeability of 2.6 ± 0.5 × 10⁻¹³ m², mean fiber diameter of 708 ± 176 nm, and a quality factor of 0.19 Pa⁻¹. DL-limonene, a natural solvent, proved advantageous by significantly enhancing collection efficiency and reducing fiber diameter. Incorporation of PET increased the mechanical strength of the filters, with the configuration using opposite arranged needles showing the best performance. Although the collection efficiency dropped to approximately 95%, both the tensile strength and elongation at break increased by up to 16-fold compared to PS-only filters. While ethanol-based suspensions produced more uniform membrane surfaces, isopropyl alcohol yielded higher filtration efficiencies. The deposition of short nanofibers substantially improved the filtration efficiency of various substrates, achieving performance levels comparable to HEPA H13 filters. Among the tested methods, spray deposition was the most effective, providing up to 2% higher collection efficiencies and normalized pressure drops (∆P/L) up to 3.2 times lower. The FS-15P Needle-Punched foam stood out, exhibiting a ∆P/L approximately 75.6 times lower and collection efficiencies for both nano- and microparticles within 1% of the HEPA H13 standard. Beyond its technical performance, the spray method offers practical advantages in terms of applicability and ease of handling, particularly when compared to continuous electrospun nanofibers. This approach facilitates broader use by non-specialized operators and supports the commercial viability of nanofiber suspensions. Overall, the findings highlight the potential of recycled polystyrene as a promising raw material for the development of efficient and sustainable filter media for atmospheric pollution control.eng
dc.description.resumoO aumento da geração de resíduos de poliestireno (PS) impulsiona a busca por formas eficientes de reaproveitamento. Uma alternativa promissora é sua reutilização na produção de meios filtrantes por eletrofiação, unindo a mitigação da poluição do ar ao aproveitamento de um resíduo, ampliando a sustentabilidade do processo. Logo, este trabalho propõe um método rápido (5 minutos) de eletrofiação de PS para obtenção de filtros destinados à remoção de nano e micropartículas do ar. Avaliou-se estatisticamente a influência da concentração da solução polimérica (5 a 25%), porcentagem de DL-limoneno (10 a 50%), voltagem (15 a 25 kV) e vazão de injeção (0,4 a 1,2 mL/h) na eficiência de coleta, permeabilidade ao ar e diâmetro das fibras. Buscando maior resistência mecânica, foram desenvolvidos meios filtrantes com fibras de PS e PET por três métodos (camada tripla e uso de duas agulhas com soluções separadas, dispostas no mesmo lado ou em lados opostos do coletor rotativo). Nessa etapa, variou-se a quantidade de PET para analisar o impacto no módulo de elasticidade, tensão máxima e deformação na ruptura. Para aumentar a aplicabilidade, fibras de PS foram trituradas para produzir nanofibras curtas e desenvolver suspensões em álcool isopropílico, álcool etílico, água e suas misturas. As suspensões com álcool isopropílico foram depositadas em doze substratos diferentes (desde materiais comuns até filtros de baixa eficiência) por filtração a vácuo e por pulverização, sendo avaliadas quanto à coleta de micro e nanopartículas. A condição otimizada para a eficiência de coleta de nanopartículas: 13,5% de PS, 50% de DL-limoneno, 25 kV e 1,2 mL/h, resultando em eficiência de 99,97 ± 0,01%, permeabilidade de 2,6 ± 0,5 × 10⁻¹³ m², diâmetro médio de 708 ± 176 nm e fator de qualidade de 0,19 Pa⁻¹. O DL-limoneno, um solvente natural, mostrou-se vantajoso, aumentando estatisticamente a eficiência de coleta de nanopartículas e reduzindo o diâmetro das fibras. A presença de PET elevou a resistência mecânica dos materiais, sendo o arranjo com agulhas em lados opostos o que apresentou melhor desempenho. Por mais que a eficiência tenha caído para cerca de 95%, o aumento da tensão máxima e deformação na ruptura, em relação as membranas apenas com PS, foram de até 16 vezes para ambos os parâmetros. Embora o álcool etílico tenha gerado superfícies mais regulares, o álcool isopropílico proporcionou maiores eficiências. A deposição de nanofibras curtas aumentou a eficiência de substratos a níveis próximos aos de filtros HEPA da classe H13. A pulverização foi o método mais eficaz, com eficiências até 2% superiores e quedas de pressão normalizadas (∆P/L) geralmente até 3,2 vezes menores. A espuma FS-15P Agulhado se destacou, com ∆P/L cerca de 75,6 vezes menor e eficiência para nano e micropartículas com diferença inferior a 1% em relação ao filtro HEPA H13. Além do desempenho técnico, o método de pulverização oferece vantagens práticas em termos de aplicabilidade e facilidade de manuseio, especialmente quando comparado às nanofibras contínuas obtidas por eletrofiação. Essa abordagem amplia o potencial de uso por operadores não especializados e favorece a viabilidade comercial das suspensões de nanofibras. Esses resultados reforçam o potencial do poliestireno reciclado como uma matéria-prima promissora para o desenvolvimento de meios filtrantes sustentáveis e eficientes, voltados ao controle da poluição atmosférica.
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.description.sponsorshipId88887.604897/2021-00
dc.identifier.citationLIMA, Felipe de Aquino. Meios filtrantes para ar de alta eficiência obtidos por eletrofiação usando poliestireno expandido reciclado. 2025. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/21816.por
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.14289/21816
dc.language.isopor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlos
dc.publisher.addressCampus São Carlos
dc.publisher.initialsUFSCar
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
dc.subjectEletrofiação
dc.subjectFiltração de ar
dc.subjectNanofibras
dc.subjectReciclagem
dc.subjectPoliestireno
dc.subjectPoluição atmosférica
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
dc.titleMeios filtrantes para ar de alta eficiência obtidos por eletrofiação usando poliestireno expandido reciclado
dc.title.alternativeHigh-efficiency air filter media obtained by electrospinning using recycled expanded polystyreneeng
dc.typeTese

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