1. Developing an AC Low Voltage Electrostatic Filter for Motorcycle Exhaust System in Reducing Ultrafine Particle Emission
(Desarrollo de un filtro electrostático de bajo voltaje AC para el sistema de escape de motocicletas para reducir la emisión de partículas ultrafinas)
Contexto
El objetivo del estudio fue desarrollar un sistema de filtración de partículas ultrafinas utilizando un bajo voltaje 12V AC para aplicarlo a las emisiones de escape de motocicletas. En este, se probaron tres filtros electrostáticos denominados F1, F2 y F3, que se construyeron a partir de placas planas de aluminio de 8 x 4 cm cubiertas por un marco de filtro hecho de acrílico de alta calidad, y se conectaron a la fuente eléctrica (12V) que se alternó bajo dos frecuencias diferentes: 60 Hz (baja frecuencia) y 1300 Hz (alta frecuencia).
Asimismo, se utilizó un contador TSI P-Trak 8525 de partículas ultrafinas en cinco tiempos de muestreo. Para ello, la medición del material particulado se realizó en una sala de laboratorio (condición controlada) que se encontraba libre del contaminante del aire ambiente.
Resultados
El filtro F1 tuvo una eficiencia máxima del 22% para 60 Hz AC y del 14 % para 1300 Hz AC.
El filtro F2 tuvo una eficiencia del 31% para 60 Hz AC y 20% para 1300 Hz AC.
El filtro F3 disminuyó la concentración de partículas ultrafinas con al menos un 35% de eficiencia para 60 Hz AC, y un 22% para 1300 Hz AC.
Se concluyó que el filtro F3 (60 Hz) tuvo la eficiencia de filtro más alta (35 %), mientras que F1 (1300 Hz) tuvo el porcentaje más bajo (14 %).
Los datos presentados en resultados se tomaron de (Ponco et al., 2018).
Figura 1. Eficiencias del filtro para 1300 Hz (izquierda) y 60 Hz (derecha).
La figura 1 muestra que la eficiencia del filtro aumenta con respecto al tiempo de medición, pero disminuye con el aumento de la frecuencia.
2. Filtration of Submicron Particles from Motorcycle Emission Using a DC Low Electrostatic Filter
(Filtración de partículas submicrónicas de emisiones de motocicletas mediante un filtro electrostático de bajo DC)
Contexto
El presente estudio desarrolló un método de sistema de filtrado de partículas submicrónicas, PM 0.1, emitidas por motocicletas basado en el principio de captura electrostática aplicando un bajo voltaje DC constante de 12 V proveniente de la batería del motor, y donde la eficiencia (en %) está definida por la capacidad del filtro para reducir las partículas ultrafinas mostrando la diferencia de concentración antes y después de aplicarlo en el escape del motor. Se utilizaron cuatro filtros de prueba denominados F1, F2, F3 y F4, y las concentraciones de partículas se midieron cada 5 minutos utilizando un contador de partículas ultrafinas TSI P-Trak 8525.
La configuración experimental se muestra en la figura 2, donde los componentes principales son a) contador TSI P-Trak 8525; b) sonda de medición; d) acumulador; g) filtro electrostático; f) cables y h) motocicleta.
Figura 2. Configuración experimental del filtro.
Tabla 1. Concentraciones medias de partículas ultrafinas.
Figura 3. Eficiencias (%) promedio de recolección de partículas del filtro para F1, F2, F3 y F4.
Resultados
La concentración medida antes de instalar el filtro se denominó como F0.
El filtro F1 redujo la concentración de partículas hasta en un 10,1 % para el motor de muestra M1 y M2; un 11,7% para el motor de muestra M3, y un 9,3% para M4.
La eficiencia de F1 estuvo en el rango de 9,3 - 11,7 %.
El filtro F2 tuvo una eficiencia del 14,4% para M1; 16,1% para M2, 14,8 para M3 y 17,9% para M4.
La eficiencia se volvió mayor para F3: para M1 tuvo una eficiencia del 19,8%, para M2 del 23,7%; M3 del 22% y para M4 del 21,9%.
Entre los filtros, F4 ofreció la mayor eficiencia de reducción debido a que presentó la distancia de separación de placas más pequeña (de 9 mm).
El estudio concluyó que el filtro electrostático de bajo voltaje DC funciona bien para reducir las partículas ultrafinas emitidas por la motocicleta. Asimismo, la eficiencia del filtro depende de la distancia de separación de dos placas. Una distancia de separación más pequeña ofrece una mayor disminución de partículas ultrafinas en lugar de una más grande.
Los datos presentados en resultados se tomaron de (Wardoyo et al., 2017 ).
3. Reducing indoor air pollutants with air filtration units in wood stove homes
(Reducción de contaminantes del aire interior con unidades de filtración de aire en hogares con estufas de leña)
Contexto
El objetivo del estudio fue evaluar la eficiencia de la unidad de filtración de aire Filtrete 3M Ultra Clean Air Purifiers en la reducción de material particulado PM2.5 y endotoxina dentro de los hogares que utilizan estufas de leña para fines domésticos.
La investigación se llevó a cabo al norte de los estados de Idaho y Montana, Estados Unidos, donde prevalece la quema de leña para la calefacción del hogar (Noonan et al., 2017).
Asimismo, se utilizó un DustTrak 8530 para monitorear y medir en tiempo real las concentraciones de PM2.5 relacionadas con el humo de la leña; y en cada unidad de filtración de aire se instaló un medidor de kilovatios de registro de datos para estimar el cumplimiento del uso del filtro.
Figura 4. Filtrete 3M Ultra Clean Air Purifiers.
Figura 5. Esquema de la reducción (en porcentaje) de PM y endotoxinas.
Donde:
EU/m3 = unidades de endotoxinas por metro cúbico de aire.
EU/mg = unidades de endotoxinas por miligramo de masa PM.
Figura 6. Medidas de la contaminación del aire interior de referencia y posteriores a la intervención con las unidades de filtración de aire.
Resultados
Los hogares que queman combustible de biomasa para uso doméstico presentan elevadas concentraciones de endotoxinas en el aire interior. Sin embargo, estas medidas se redujeron en concentración absoluta de EU/m3 (p<0,01) y de UE/mg (p<0,10) tras la aplicación de la unidad de filtro.
En cada evento de muestreo, el DustTrak 8530 midió concentraciones promedio de PM2.5 de 60 segundos durante el período de 48 horas. Se ha demostrado que la unidad de filtración presentada reduce la concentración de PM en interiores en un 68% - 76%.
No se requiere el uso constante de la unidad de filtro para la reducción de contaminantes.
En ausencia de tecnologías de reemplazo efectivas para las estufas tradicionales que queman biomasa, el uso de dispositivos de filtración de aire para la eliminación de partículas más pequeñas con propiedades tóxicas conocidas como PM2.5 requerirá filtros de costos elevados y de alta eficiencia.
Los datos presentados en resultados se tomaron de (Noonan et al., 2017).
4. Electrostatic precipitator for fine and ultrafine particle removal from indoor air environments
(Precipitador electrostático para la eliminación de partículas finas y ultrafinas de ambientes de aire interior)
Figura 7. Esquema de la distribución y el funcionamiento del precipitador electrostático.
Contexto
El objetivo del estudio fue evaluar la eficacia de un precipitador electrostático (ESP) en la reducción de partículas de tamaño nano y micrométrico en ambientes de aire interior.
Las nanopartículas y material particulado con diámetros inferiores a 100 nm, se consideran peligrosas debido a su alta concentración y su capacidad para penetrar profundamente en las vías respiratorias (Chen et al., 2020).
Los precipitadores electrostáticos se utilizan para eliminar eficazmente las partículas finas suspendidas en los gases de combustión de alta temperatura. En términos generales, su funcionamiento consiste en cargar eléctricamente el material particulado (PM), arrastrado por el flujo de gases, con los electrodos de descarga de alto voltaje y posteriormente las placas colectoras, que tienen una carga opuesta, atraen electrostáticamente a dicho PM reteniéndolo en el ESP.
Resultados
Los resultados se discuten según el tamaño de partícula, sin embargo, el ESP se puede diseñar para que sea efectivo para todos los tamaños, aunque esto implica un aumento en el tamaño del dispositivo.
El diseño del electrodo de descarga de corona tiene un papel importante en la eficiencia. La eficiencia de carga puede llegar al 90-100 % para partículas de 100 nm con un diseño adecuado.
La eficiencia de partículas de 10 a 25 nm de diámetro fue del 94%; entre 30 y 300 nm la eficiencia fue del 99%, mientras que en el tamaño de partícula más penetrante (de 0,1 a 0,5 µm de diámetro) se tuvo una eficiencia del 96%.
Uno de los problema que presentan los ESP es el rearrastre de las partículas conductoras de electricidad, ya que pierden su carga rápidamente en el electrodo colector.
ESP puede reducirse para adaptarse a la combustión de biomasa a pequeña escala.
Los datos presentados en resultados se tomaron de (Chen et al., 2020).
5. Reduction of personal PM2.5 exposure via indoor air filtration systems in Detroit: an intervention study
(Reducción de la exposición personal a PM2.5 a través de sistemas de filtración de aire interior en Detroit: un estudio de intervención )
Contexto
El presente estudio de intervención fue diseñado en Michigan, Estados Unidos, para investigar la eficacia de dos sistemas de filtración, de alta (HE) y baja eficiencia (LE), en la reducción de niveles de concentración interior y exposición personal a PM2.5 con el propósito de mitigar los efectos vinculados a la salud en personas de bajos ingresos.
Para controlar de manera más efectiva las concentraciones de partículas finas en interiores, el aumento de la eficiencia del filtro por encima del 85% da como resultado reducciones elevadas de las concentraciones. Los modelos utilizados fueron el HAPF30D-U2 (filtro de fibra de vidrio, LE) y HAPF300D-U2 (HE), se ha demostrado que LE elimina el 99% de las partículas de 2 micras de tamaño y HE, el 99,97 % de las partículas de 0,3 micras de tamaño (Maestas et al., 2018).
Figura 8. Comparaciones de las concentraciones de PM2.5 (en µg/m3) con respecto al control, filtro de aire de baja eficiencia (LE) y filtro de aire de alta eficiencia (HE).
Resultados
Se utilizó un escenario de control (sin unidades de filtración) para comparar la efectividad de las concentraciones de PM antes y después de la intervención.
Las concentraciones medias de PM2.5 en interiores se redujeron en un 60% y 52% utilizando filtros HE y LE, respectivamente.
Los niveles de exposición personal a PM2.5 disminuyeron en un 53% y 31% utilizando filtros HE y LE, respectivamente.
Si bien las intervenciones para ambos filtros produjeron reducciones significativas a todas horas (Figura 5), el filtro de alta eficiencia (HE) mostró una mayor reducción durante las horas típicas de sueño (22 h - 8 h).
Este hallazgo demuestra que las endotoxinas transportadas por el aire y el material particulado se pueden reducir de manera eficiente en las casas que utilizan estufas leña con el uso de filtros económicos de baja eficiencia (LE).
Los datos presentados en resultados se tomaron de (Maestas et al., 2018).
Chen, L., Gonze, E., Ondarts, M., Outin, J., & Gonthier, Y. (2020). Electrostatic precipitator for fine and ultrafine particle removal from indoor air environments. Separation and Purification Technology, 116964. doi: 10.1016/j.seppur.2020.116964
Maestas, M., Brook, R., Ziemba, R., Li, F., Crane, R., Klaver, Z., et al. (2018). Reduction of personal PM2.5 exposure via indoor air filtration systems in Detroit: an intervention study. J Expo Sci Environ Epidemiol, 29(4), 484–490. doi: 10.1038/s41370-018-0085-2
Noonan, C., McNamara, M. L., Thornburg, J., Semmens, E. O. & Ward, T. J. (2017). Reducing indoor air pollutants with air filtration units in wood stove homes. Science of the Total Environment, 592, 488–494. doi: 10.1016/j.scitotenv.2017.03.111
Ponco, A. Rayvaldo, F. Budianto, A. (2018). Developing an AC Low Voltage Electrostatic Filter for Motorcycle Exhaust System in Reducing Ultrafine Particle Emission. 2018 3rd International Seminar on Sensors, Instrumentation, Measurement and Metrology (ISSIMM). doi: 10.1109/ISSIMM.2018.8727727
Wardoyo, A. Budianto, A. (2017). Filtration of Submicron Particles from Motorcycle Emission Using a DC Low Electrostatic Filter. International Journal of Applied Engineering Research 12(8):1725-1728. Recuperado de https://www.researchgate.net/publication/317217735_Filtration_of_submicron_particles_from_motorcycle_emission_using_a_DC_low_electrostatic_filter