O método de absorção de raios beta é um método de medição que utiliza o princípio de que os raios beta são atenuados proporcionalmente à massa de uma substância quando esta é irradiada com raios beta, um tipo de radiação.
Os raios beta são elétrons de alta velocidade (partículas carregadas) ejetados pelo decaimento de núcleos atômicos instáveis. Quando os raios beta atravessam uma substância, colidem com os átomos dessa substância, causando ionização e excitação (os orbitais dos elétrons sobem para um nível de energia mais alto) dos átomos, com absorção de raios beta e emissão de ondas eletromagnéticas (raios X) devido à alteração orbital dos raios beta, resultando na atenuação da intensidade dos raios beta. Essa atenuação dos raios beta é proporcional à massa (espessura) da substância que atravessa a substância.
A concentração de massa＊1 de material particulado ambiente＊2 pode ser medida usando este princípio. As seções seguintes descrevem a medição de material particulado ambiente usando o método de absorção de raios beta.
*1 : Concentração de massa: Massa de material particulado por unidade de volume da atmosfera. A unidade é μg/m3.
*2 : Material particulado ambiente: Material particulado em suspensão na atmosfera.
Figura 1: Princípio de medição da concentração de massa de material particulado no ar ambiente por absorção de raios beta.
No método de absorção de raios beta, as partículas em suspensão no ar ambiente são coletadas em um filtro (papel de filtro).
O material particulado ambiente coletado é irradiado com raios beta, e a intensidade dos raios beta que passam pelo filtro é medida. (Figura 1)
Os raios beta têm a propriedade de atenuar exponencialmente com o aumento da massa (espessura) da substância que penetram. Consequentemente, a massa de material particulado ambiente coletado pode ser calculada usando a Equação 1. Uma vez que o coeficiente de absorção de massa "μm" é quase constante, a massa de material particulado ambiente "Xm" no filtro pode ser obtida pela razão entre "I" e "I0".
Xm = ln(I0/I)/μm (Equação 1)
Xm: Massa de partículas atmosféricas retidas no filtro
I: Intensidade dos raios beta que passaram pelo filtro e material particulado ambiente coletado
I0: Intensidade do raio beta que passou apenas pelo filtro
μm: Coeficiente de absorção de massa
Equação 1: Cálculo da massa de material particulado ambiente por absorção de raios beta
A concentração de massa de material particulado no ar ambiente é calculada a partir de "Xm" e do volume da amostra de ar ambiente coletada durante a amostragem do material particulado.
Nas descrições a seguir, os analisadores que medem a concentração de massa de material particulado no ar ambiente usando o método de absorção de raios beta serão descritos simplesmente como monitores de partículas ambientais ou monitores de poeira ambiental.
Figura 2: Estrutura do monitor de partículas ambientais
Estrutura geral do monitor de partículas ambientais
O monitor de partículas ambientais mede automaticamente a concentração de massa usando raios beta atenuados pela matéria particulada coletada continuamente em papel (filtro). O monitor de partículas ambientais consiste em uma entrada de ar, um separador de tamanho de partículas (ex.: impactor, ciclone), um mecanismo de coleta por filtro, uma fonte de raios beta, um detector de cintilação, um sensor de fluxo e uma seção de processamento de sinal. (Figura 2)
Na seção de amostragem, o ar da amostra flui para um separador de tamanho de partículas após passar por uma entrada de ar que impede a entrada de poeira grossa, insetos e chuva no ar ambiente. O separador de tamanho de partículas classifica o material particulado no ar da amostra de acordo com o diâmetro do material particulado a ser medido. O material particulado classificado é coletado em um filtro a uma vazão constante pelo mecanismo de coleta do filtro.
Gráfico 1: Relação entre o diâmetro do material particulado e a eficiência de coleta
Separador de tamanho de partículas
As partículas em suspensão no ar ambiente apresentam comportamentos e efeitos na saúde diferentes dependendo do seu tamanho, sendo geralmente divididas em três grupos de acordo com o diâmetro das partículas.
PM2,5 (Material Particulado 2,5): Comumente referido como material particulado fino. Partículas finas suspensas no ar com diâmetro de aproximadamente 2,5 µm. Especificamente, o material particulado com diâmetro de 2,5 µm é coletado com uma eficiência de coleta de 50%.
PM10 (Material Particulado 10): Partículas finas suspensas no ar com diâmetro aproximado de 10 μm. Especificamente, partículas com diâmetro de 10 µm são coletadas com uma eficiência de coleta de 50%.
SPM (Material Particulado em Suspensão): Geralmente chamado de material particulado em suspensão. Partículas com diâmetro de 10 μm ou menos (diferentes de PM10) que estão suspensas no ar.
A eficiência de coleta é um importante indicador de desempenho de um separador de partículas por tamanho e representa a porcentagem de partículas de um determinado diâmetro que são coletadas. O Gráfico 1 mostra a relação entre o diâmetro do material particulado e a eficiência de coleta.
Por exemplo, o separador de partículas PM2.5 com eficiência de coleta de 50% descrito acima apresenta o seguinte desempenho: se partículas com diâmetro de 2,5 µm forem introduzidas no dispositivo, metade delas será coletada e a outra metade não. Partículas diferentes de PM2.5 são coletadas de acordo com seu próprio diâmetro (correspondente ao diâmetro do material particulado aerodinâmico) e eficiência de coleta (correspondente à taxa de retenção) na curva de PM2.5 (curva vermelha) do Gráfico 1.
Os tipos típicos de separadores de tamanho de partículas são os impactadores, os ciclones e as peneiras multiestágios. Existe uma correlação entre o diâmetro e a massa do material particulado, e esses separadores utilizam diversas forças para coletar as partículas com o mesmo diâmetro. Os impactadores utilizam a força inercial, os ciclones utilizam a força centrífuga e as peneiras multiestágios utilizam a sedimentação gravitacional. Impactadores e ciclones são os principais separadores de tamanho de partículas utilizados para medir o material particulado no ar ambiente. Segue um breve princípio de funcionamento dos impactadores (Figura 3) e dos ciclones (Figura 4).
Figura 3: Estrutura e princípio do impactor
O impactor utiliza a força inercial para separar partículas por massa. Um fluxo de ar amostrado (seta azul) gerado através de um bocal retangular atinge uma placa de impacto (seta azul) e tem sua direção alterada (seta vermelha). As partículas mais pesadas atingem a placa de impacto e são coletadas nela. As partículas mais leves fluem rio abaixo (seta vermelha) juntamente com o ar amostrado.
Figura 4: Estrutura e princípio do ciclone
O fluxo de ar da amostra, introduzido pela entrada do ciclone, acelera ao seguir o cone do ciclone, formando um fluxo turbilhonar (seta azul) e um fluxo reverso (seta vermelha). Devido à interação entre as forças centrífuga e de arrasto, as partículas pesadas presentes no ar da amostra são transportadas ao longo do cone pelo fluxo turbilhonar e coletadas, enquanto as partículas leves são separadas pelo fluxo reverso.
Foto 1: Seção de amostragem real
HORIBA coleta PM2.5 do ar ambiente combinando impactadores e ciclones. (Foto 1)
Insetos, poeira grossa e chuva são removidos na entrada de ar, as partículas PM10 presentes na amostra de ar são separadas pelo impactor, e as partículas PM2,5 são posteriormente separadas e coletadas pelo ciclone a partir das PM10 pelo impactor.
Foto 2: Exemplo de material particulado ambiente coletado em uma fita de filtro.
The sample air containing the divided particulate matter by the particle size separator passes through a filter, and only the separated particulate matter is collected on the filter. (Photo 2) For continuous automatic measurement of particulate matter, it is necessary to have a mechanism that winds up a roll of tape-like filter (filter tape), or a mechanism that prepares several filters and changes them automatically. HORIBA uses the filter tape to collect perticulate matter in ambient air. (Photo 2)
O tamanho da malha do filtro deve ser menor que o diâmetro selecionado das partículas e permitir a passagem suave do ar através do filtro. A eficiência de coleta de partículas no filtro é alterada pelo tamanho da malha. A eficiência de coleta de partículas do ar ambiente deve ser de pelo menos 99,7%. Os filtros são normalmente feitos de fibra de vidro ou materiais à base de politetrafluoroetileno (PTFE).
Foto 3: Fita de filtro
Além disso, o material deve ser o mais fino possível para minimizar a absorção de raios beta no próprio filtro. Por exemplo, a espessura média (espessura da película) das fitas de filtro HORIBA é de 140 μm. (Foto 3)
Ao utilizar o mecanismo automático de rebobinagem da fita de filtro, as partículas coletadas na fita de filtro não devem aderir à parte traseira da fita rebobinada, caso contrário, será necessário analisá-las novamente.
Fonte de raios beta
HORIBA utiliza o 14C * como fonte de raios beta, que é uma fonte de radiação selada e segura, com uma intensidade inferior a 10 MBq, podendo ser utilizada sem qualificações ou notificações especiais de manuseio.
O carbono-14 ocorre naturalmente e também é usado em aplicações como a datação por radiocarbono, devido à sua longa meia-vida de 5.700 anos.
Detector (detector de cintilação)
Um detector de cintilação consiste em um cintilador e um PMT (tubo fotomultiplicador). O cintilador é um material fluorescente que absorve radiação e emite luz imediatamente. Os raios beta que atravessam a fita de filtro com o material particulado coletado entram no cintilador, emitindo luz, que é detectada pelo PMT. Esse valor de detecção do PMT é usado na Equação 1 para calcular a massa do material particulado coletado. A concentração de massa (μg/ m³) do material particulado coletado é então calculada a partir do valor da massa calculada e do valor medido pelo sensor de fluxo.
Foto 4: Película atenuadora padrão
Como é difícil verificar a sensibilidade da seção de medição usando as partículas efetivamente coletadas na fita de filtro, utiliza-se uma película fina que atenua os raios beta de forma equivalente às partículas coletadas na fita de filtro. Essa película fina (película atenuadora padrão) é feita de mylar, poliimida ou outros materiais. (Foto 4)
Figura 5: Filme atenuador padrão para verificar a sensibilidade da seção de medição
Este filme atenuador padrão facilita a manutenção da precisão da seção de medição, verificando periodicamente a sensibilidade da medição. (Figura 5)
As partículas presentes no ar dentro do monitor, enquanto se aguarda a medição, podem aderir à fina fita filtrante de PTFE, que possui carga elétrica. Isso pode ser minimizado utilizando-se uma fita filtrante com a menor carga possível. HORIBA desenvolveu uma fita filtrante exclusiva que combina materiais à base de PTFE e tecidos não tecidos. Comparada às fitas filtrantes feitas apenas de PTFE, essa fita apresenta menor higroscopicidade e menor carga eletrostática, reduzindo, assim, os fatores que influenciam as medições. (Tabelas 1 e 2)
Tabela 1: Comparação da higroscopicidade de fitas filtrantes
Tabela 2: Comparação da eletrificação para fitas de filtro
O material particulado ambiente é composto por diversas substâncias, como elementos inorgânicos e orgânicos, e é classificado em MP, MP2,5, MP10, etc., de acordo com o diâmetro das partículas. Quanto menores as partículas, maior a probabilidade de penetrarem profundamente no corpo e causarem doenças respiratórias. Os monitores que utilizam o método de absorção de raios beta são usados para medir o material particulado no ar ambiente em diversos contextos, devido à sua facilidade de uso.
Fita/filtro para amostragem de PM
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