Baixe Controle da Poluição Atmosférica - Cap 1 - Introducão e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Ambiental, somente na Docsity! Henrique de Melo Lisboa CAPÍTULO I INTRODUÇÃO SUMÁRIO: 11 INTRODUÇÃO... rt 2 12 COMPOSICÃO DA ATMOSFERA............... 1.3 ALTURA E ESTRUTURA DA ATMOSFERA. 1.4 ALGUMAS DEFINICÕES IMPORTANTES. 1.5 CLASSIFICACÃO DOS POLUENTES... tener 7 1.5.1 Emissões primárias 1.5.2 Poluentes secundários 1.6 UNIDADES DE MEDIDA PARA OS POLUENTES ATMOSFERICOS 17 BIBLIOGRAFIA BÁSICA... eee eee Montreal Primeira versão - Outubro 2007 Controle da Poluição Atmosférica — Cap 1 - ENS/UFSC 1.1 INTRODUÇÃO * Resíduos | — resultado da interação do ser vivo como o seu ambiente (matéria ou energia) => podem interferir no ciclo vital => “ameaça a sobrevivência humana” * Poluição ambiental = lançamento ou a presença nas águas, no ar e/ou no solo, de matéria ou energia que podem danificar os usos, previamente definidos, destes recursos naturais (Nefusi, 1976). AR POLUIÇÃO ÁGUA estão quase sempre interrelacionados. SOLO * Usos doar — = uso indiscriminado: - usos metabolicos pelo homem, animais e vegetação - benefícios advindos dos fenômenos meteorológicos - comunicação - transporte - combustão - processos industriais - 1eceptor e transportador de resíduos da atividade humana => RESULTADO > POLUIÇÃO DO AR Presença ou lançamento no ambiente atmosférico de substâncias em concentrações suficientes para interferir direta ou indiretamente com a saúde, segurança e bem estar do homem, ou com o pleno uso e gozo de sua propriedade (Nefusi, 1976) - Figura 1.1. * Uso básico do ar > Manter a vida. Portanto, todos os outros usos devem sujeitar-se a manutenção de sua qualidade a Figura 1.1 - Poluição do ar níveis toleráveis. * Cinco compostos significam mais de 90% do problema da contaminação atmosférica: 1. Monoxidos de carbono (CO); 2. Óxidos de nitrogênio (NOs); 3. Hidrocarbonetos (HC); 4. Óxidos de enxofre (Sos); 5. Partículas. 12 COMPOSICÃO DA ATMOSFERA A atmosfera terrestre nada mais é do que uma mistura de gases, inodora e incolor que forma uma capa delgada ao redor da Terra - Figura 1.2. A composição desta mescla, desde o nível do solo até uma altura de 70 km é notavelmente constante (Quadro 1. 1), com pequenas variações devido a presença de um Figura 1. 2 - Atmosfera corpo estranho => o vapor d'água. terrestre Controle da Poluição Atmosférica — Cap 1 - ENS/UFSC A camada gasosa que envolve a Terra é composta principalmente de nitrogênio (78%), oxigênio (21%) 8 argônio (0,9%). À temperatura sofre imensas variações conforme a altitude, indo de -95'€ a 1.000'€ EUTTIS ALTITUDE | TEMPERATURA [da N a Pri PLC E] RR LES EP Ônibus es espacial ed ER URDU RU aa Nitrigenio Rida SUNT Camada de ozônio Nuvens nimbus eme Avião de passageiros Fenómenos de precipitação = = j Manto Eu : E RT 2oc luentes O Balões triputados Menta Erssast 4; Figura 1. 4- Composição e camadas da atmosfera. Os efeitos da altitude Na semana passada, vários eventos marcaram as comemorações dos cinquenta anos de conquista do Monte Everest, o pico mais alto do mundo (8 850 metros). O feito mais notável foi o do alpinista Lhakpa Gela, do Nepal, que escalou amontanha em 10 horas e 56 minutos, novo recorde mundial. O desafio de chegar ao topo do Everest no menor tempo possível envolve vários obstáculos. Confira no quadro as reações do organismo ao aumento da altitude fot Aedo] EU CORPO REAGE IRS DESTE MODO PR ps A quantidade de oxigénio é menor do que ao PDA nível do mar. A redução leva o alpinista a sentir (ecl uma leve euforia, seguida de cansaço, dor de Aliada) cabeça e diminuição da coordenação motora EMITIR Etr | Com menos oxigênio no ar, há um aumento dudaddaadaad | le 507; da frequência cardíaca. O alpinista fica sem fôlego. O cérebro incha ligeiramente, causando dor de cabeça e náusea No topo do Everest, a pressão atmosférica equivale a 30% da existente ao nível do mar. AURA | Isso significa que o alpinista só consegue ata inalar 30% do oxigênio que respiraria se Alpinista DE) estivesse ao nível do mar. Mesmo se a pessoa escalando estiver em repouso, seu coração dispara, O O Everest que pode causar arritmia e até uma parada Figura 1. 5 — Efeitos da altitude sobre o organismo humano a medida que se sobe na atmosfera — Fonte: Revista Veja, 2005 Controle da Poluição Atmosférica — Cap 1 - ENS/UFSC Pruiba Alto (mo) Dericad membuteo A, Mem") atos de pikm Es L “e 4 Lo 300% 9 , -2 ! 1º ' ” —Mesopausa — so so mw 1077 19! Millos - “e 200) é Mesosfera 107º so ad as iene x o — Estratopauso— O g E —— x ss —o 10" —e— 19 —S— rumo 20 100 30 Estratosfera = » 10 vo? tz s tp Tropopausa — ad e É VD Brera "isso m fr", 3 Tropostera Pos hM / jd ME [Cota fon Té, 150, 200 210 220 250 240 250 260 210 280 250 300 0 néo “lgo “lia flo tio da E, Figura 1. 6 - Efeitos da altitude sobre o organismo humano Figura 1. 7 — Estrutura da atmosfera (fonte: (Everest em 1963) Donn, 1978) ETR 14 ALGUMAS DEFINICÕES IMPORTANTES POEIRAS - são partículas sólidas produzidas por manipulação, esmagamento, trituração, impacto rápido, explosão e desintegração de substâncias orgânicas ou inorgânicas, tais como rochas, minérios, metais, madeira ou cereais. As poeiras não tendem a flocular, a não ser sob a ação de forças eletrostáticas; não se difundem no ar, porém sedimentam sob a ação da gravidade (American Standard Association — ASA). Exemplo: poeira de sílica, poeira de asbesto, poeira de algodão. Observação: 1 micron ( Hm ) equivale a 1/1000 de milímetro ou 1 milionésimo do metro. A menor partícula visível ao olho humano mede, aproximadamente, 1/10 de milímetro. FUMOS - são partículas sólidas resultantes da condensação ou sublimação de gases, geralmente após volatilização de metais fundidos (substâncias que são sólidas à temperatura normal) que se acompanha amiúde de reação química, como oxidação. Os fumos floculam e as vezes coalescem. Partículas < 0,5 | m diâmetro (ASA). Exemplos: fumos metálicos em geral (chumbo, aluminio, zinco etc.) e fumos de cloreto de amônio. Observação: Fumaça: fumo resultante da combustão incompleta de materiais orgânicos (combustíveis em geral). Reação quimica de produtos de combustão 3C+0,535Co, I- 6 Controle da Poluição Atmosférica — Cap 1 - ENS/UFSC ouH+O, 5 H, O - gases ou vapores). Se a combustão for completa e o combustível não tiver cinzas, não teremos fumaça. São constituídas por partículas com diâmetros inferiores a 1 micrômetro (Nefusi, 1976). NÉVOAS - são gotículas líquidas em suspensão, produzidas pela condensação de gases ou pela passagem de um líquido a estado de dispersão, por respingo, formação de espumas e atomização. Partículas < 0,5 u m diâmetro (ASA). Exemplo: névoas de ácido sulfúrico, névoas de tinta e névoas de óleo 5 Deminster para condensar e coletar névoas (filtro de lã de vidro). As substâncias gasosas podem ser subdivididas em gases verdadeiros e vapores: VAPOR - é a forma gasosa de substâncias normalmente sólidas ou líquidas (ou seja, a 25 ºC e 760 mm Hg), que podem voltar a estes estados ou por aumento de pressão, ou por diminuição de temperatura. Os vapores são difusíveis (ASA). Os vapores são substâncias que existem no estado sólido ou líquido nas condições usuais do ambiente. O seu tamanho é o molecular. Exemplos; Vapores de água; gasolina, mercúrio, benzeno, álcool etílico, naftalina. GASES são normalmente fluidos sem forma que ocupam o espaço que os contém e só podem liquefazer-se ou solidificar-se sob a ação combinada de aumento de pressão e diminuição de temperatura. Em outras palavras, os gases verdadeiros não estão presentes na forma liquida ou sólida nas condições usuais do ambiente em termos de temperatura e pressão. O seu tamanho logicamente é o molecular: O monóxido de carbono, o cloro e o ozonio são exemplos de gases verdadeiros. Os gases são difusíveis, não sedimentam nem se aglomeram, chegando a sua divisão ao nível molecular, permanecendo, portanto, intimamente misturados com o ar, sem se separarem por si mesmos. AEROSSÓIS - são partículas em suspensão no ar, em forma sólida ou líquida. O uso de combustíveis fósseis (carvão, petróleo) e a queima da vegetação são algumas das causas de formação dos aerossóis. Os aerossóis contribuem para o resfriamento da superficie da Terra, por produzirem espalhamento e reflexão da luz solar incidente. CATALIZADOR - é uma substância que, presente em pequena quantidade numa pequena quantidade numa reação quimica, aumenta consideravelmente a sua velocidade, sem ser consumido no processo e sem alterar a composição final da reação. 1.5 CLASSIFICACÃO DOS POLUENTES I- De acordo com a origem: a) Poluentes primários: estão presentes na atmosfera na forma em que são emitidos como resultado de algum processo - Figura 1. 8. Por exemplo, os COV (compostos org. voláteis, onde aí incluem-se os hidrocarbonetos, etc...), SO>, NOx, etc. b) Poluentes secundários: são produzidos na ATM pela reação entre dois ou mais poluentes primários, ou pela reação com constituintes normais atmosféricos, com ou sem foto ativação - Figura 1. 8. Neste caso, pode-se citar o ozônio (03), o PBN (peroxibenzolnitrato) e PAN (peroxiacetilnitrato), todos eles oxidantes fotoquímicos. Controle da Poluição Atmosférica — Cap 1 - ENS/UFSC C.1— Alcanos ou parafinas : CH, (metano) 2,4 dimetil Hexano Ciclanos HC -CH, Ciclobutano I I H,C-CH, Reagem pela substituição de um átomo de H. C.2- Alcenos H,C=CH, C.3- Alcadienos HC=CH-CH=CH, 1,3 Butadieno C4- Alcinos HC = CH Acetileno C.5- Aldeidos HC=C-C-O0 Acroleina H;C-C-O0 [o I H H Acetaldeido H C.6 - Aromáticos (com núcleo benzênico) Tolueno Estireno H;C O Benzeno O- HC=CH, C.7 - Mercaptanas > perceptíveis mesmo a 0,03 ppb (cheiro de ovo podre). Semelhantes aos álcoois : R— OH Grupamento — SH ligado a um radical hidrocarboneto : R - SH Exemplo : cHSH Metil Mercaptana C;HssH Etil Mercaptana C.8- Cetonas, Esteres, Ácidos orgânicos, Fenóis, etc oBS: Alquila : radical que se obtém retirando um H de um HC alifático” ION : agrupamento de átomos com excesso ou falta de carga elétrica negativa D. Compostos de enxofre inorgânicos Óxidos de enxofre: emissão mundial de SO, = 80 + 10º ton/ano; - queima do carvão; - refino do petróleo; - fundições primárias de cobre, zinco e chumbo; - causam efeitos adversos sobre a saúde, visibilidade, materiais vegetação, segundo sua proporção no ar. * HC não cíclico I- 10 Controle da Poluição Atmosférica — Cap 1 - ENS/UFSC - HS = gás sulfidrico (causam odor em baixas concentrações — cheiro de ovo podre) > 0,1 ppm. Ver reportagem da Revista Eng. samitária, out.-dez.86 sobre o ataque do gás sulfidrico às instalações de esgoto sanitário. E.- Compostos de nitrogênio: principais - NO, NO, e NH; NO combustão a altas temperaturas e operações industriais. NO, > combinação do O da ATM com o N da ATM. > irritante aos tecidos. > relaciona-se com as reações fotoquimicas da ATM. NH, > amônia — altamente tóxico >33 mg/m” F. Óxidos de carbono F.1- Monóxido de carbono (CO) - queima de combustivel. EUA (1962) > 100 x 10º ton/ano; efeitos nocivos à saúde. F.2- Dióxidos de carbono (CO.) - influencia a longo prazo no aumento da temperatura da Terra. G. Compostos halogenados: Derivados de hidro-carbonetos pela substituição de um ou mais hidrogênios por halogênios (F, Cl, Br, D). São corrosivos e irritantes, e os fluoretos metálicos tem propriedades tóxicas, que tem se manifestado em danos a colheita e a agropecuária. Ex: CH; —Cl Cloro metano ou cloreto de metil CCLF, dicloro-difluor metano (freon) —“clorofluorcarbono” HF e HCI 5 gás fluorídrico e gás clorídrico H Compostos radioativos 1.5.2 Poluentes secundários Ar poluído 5 química e fisicamente instável em função da: - concentração relativa dos reagentes; - grau de fotoativação; - parâmetros meteorológicos; - influencia da topografia local; - umidade relativa. Exemplo 1: SO, + O, (dissolvido em gotículas de água) > H, SO, S+ 0, 5 So, SO, + 4% O, 5 SO; (apresença de O, e óxido de ferro aceleram a reação) SO; + HO 5 HiSO, (névoa irritante) I1-11 Controle da Poluição Atmosférica — Cap 1 - ENS/UFSC Exemplo 2: Reações fotoquímicas - óxidos de nitrogênio (NO, NO» , NO; ) - segundo Bem e Mac Auliffe, 1981 (pág. 69-70): A química dos óxidos de nitrogênio é um capítulo importante na problemática da poluição do ar. O monóxido de nitrogênio produzido pelos motores de combustão interna (N; + O, < 2NO) é emitido pelos gases dos escapamentos em concentrações locais suficientementes altas para tornar eficiente a subsequente oxidação pela ATM: 2NO+ 0, 5 2NO, D O dióxido de nitrogênio absorve eficientemente a radiação no ultravioleta e é visível como “névoa marrom” característica dos episódios de smog fotoquimico: NO,+h, > NO+O 2 A molécula de dióxido de nitrogênio absorverá um foton de luz visível (UV) e a energia do fóton absorvido (h,) produz uma molécula “excitada”de dióxido de nitrogênio, que é muito menos estável que a normal, no estado fundamental, e esta a seguir se fragmenta. A fotodecomposição (2) produz átomos de oxigênio bastante ativados, capazes de iniciar uma sequência complexa de reações que conduzem a formação de componentes irritantes para os olhos, tais como ozômio, aldeídos, nitratos de peroxiacila e nitratos de alquila. A reação (3) indica um dos primeiros passos da sequência: 0+0,4+4M 5 0, +M (3) Nas atmosferas poluídas, tanto os átomos de oxigênio como ozônio (oxidantes) podem reagir posteriormente com outros constituintes, como, por exemplo, hidrocarbonetos, dióxido de enxofre, monóxido de carbono e material particulado. NO+O, > NO; (4 NO;+0, > NOHO, (4.1) Uma vez que se forma o NO, pode-se escrever uma série de reações que mantém o equilíbrio do dióxido de nitrogênio: NO, +h, > NO+O 6) 0+0,5 O; (6) 0;+ NO 5 NO,+ O, (D Desse modo, a reação é efetivamente fotossensibilizada pelo dióxido de nitrogênio. Exemplo 3: Oxidantes fotoquímicos Os oxidantes fotoquímicos presentes nas camadas inferiores da atmosfera, dos quais se destaca o ozônio (O; ), são provenientes da reação dos óxidos de nitrogênio (NO) com os compostos orgânicos voláteis (COVs), ob a influência da radiação solar, principalmente durante os meses do ano com maiores horas de insolação. O ozônio é um poluente atmosférico importante em termos de toxicologia humana, dado que penetra nas vias aéreas respiratórias profundas, atacando principalmente os I- 12 Controle da Poluição Atmosférica — Cap 1 - ENS/UFSC Mol - massa atômica ou massa molecular de um composto, expresso em unidade de massa. Ex:H)O0 ) 2+16=18 (peso molecular) > 1 Mol de água tem 18g. 1 mol de ar: m = 28,966 (massa molecular do ar) CNTP . 1 gmol de CO, > 22,41 (no estado . 1 gmol de CO > 22,41 gasoso) . 1 gmol de H5O > 22,41 (gasoso) . 1 Kgmol > 2,4mº Igmol deCO, 9 C-12; O-16x2 =>4g CO? 92241 nas CNTP A equação de estado pode ser escrita na forma familiar m PV=-— RT M onde, P= pressão absoluta (dynes/em?) V = volume do gás (em?) m = massa do gás (g)- M = peso molecular (g - mole) T =temperatura absoluta (K) R= constante universal dos gases 8,31x 107 dyna cm” g-mole K A pressão deverá ser expressa em milibares e o volume em mº. Assim: Imb= 107 dynes em? Im” = 10º cm” R=831x10º mbr? g-mole K PV PIVI 1 ATM. 22,41 1 ATM.V OBS): --—-- =R=—. = nen = nn => Calcula-se o novo T T1 273,15 K 323,15 volume de gás a uma temperatura qualquer OBS»: Escala KELVIN (K) = Escala absoluta para “C 0º=273,15K K => para que se possa introduzir em qquer equação matemática (valores positivos). 1 1 atm. 22,41 28,966 10º kg 273,15K 1 1,033kg. 22,4m* kgfm R=......... qem (ema => R=29244 un 28,966kg m? 10! 273,15K kg. K I- 15 Controle da Poluição Atmosférica — Cap 1 - ENS/UFSC Conversão de unidades : ngm? em ppm ou ppb O número de moles por litro em 1 atmosfera de pressão e 25 C (298 K) é dado por : n P latm moles vo RT > atm.l =0,0409 0,082 — x298K K.mol Como 1 atmosfera a 25 “C possui 4,09 x 10? moles", 1 ppm terá (4,09 x 10?) x 10 4 ou 4,09 x 10º moles! ou 4,09 x 10º moles. mº. Se o peso molecular do poluente é MW (molecules weight) gramas por mol, portanto, 1 ppm em unidade de massa será (4,09 x 10%) x (MW) gm” ou (40,9) x (MW) ugm”. Portanto: 1 ppm = 40,9xMWugm”* A conversão de unidades de ppm para ug/m” (em 1 atmosfera de pressão e 25ºC) considerando uma quantidade Z ppm de um determinado composto, pode ser estabelecida por: C = 40,9x2xM Wugm”* A conversão de unidades de ug/m? para ppm (em 1 atmosfera de pressão e 25ºC) considerando uma quantidade N ug/m” de um determinado composto, pode ser estabelecida por: — 0,02445xN (MW) 2 24,453N =>" ppb (MW) Pr ppm Ou considerando ppb Cc Exemplo: Seja o benzeno (CeHs) MW = 78 g/mol transformar de 25 ug/m” para ppb supondo 1 atmosfera de pressão e 25 ºC. CASOS pb C=784ppb 78 Generalizando para uma condição qualquer em que T=YK (kelvin)e P=X atm. Seja transformar Z pmm em ug/m? tem-se: C= 12195420 Mem * Seja transformar Z ug/m” em pmm tem-se : -3 = 8210 12 ppb -6 — 82210 17x XY ppm Ou considerando ppb | € c MW x MW Exemplo: Transforme 100 ug.m” benzeno (C6H6; MW = 78 g mol) para ppb supondo 1 atmosfera de pressão e 35 ºC. — 82x10% 308 Cc x100x—— ppb = I PF C=-32,38ppb 1 16 Controle da Poluição Atmosférica — Cap 1 - ENS/UFSC OUTROS EXEMPLOS DE APLICAÇÃO 1) Uma indústria emite 0,2% de SO, por volume a uma temperatura de 260ºF (400 K). O volume de gases emitido é 2,36 x 10? mº/seg. Considere a pressão atmosférica de 980 mb. Qual é a taxa de emissão em unidades de massa/tempo? 23610 mi zeg” 02%s0, Solução m PV="RT M 02 =2x10!x102=2x 10º 100 Seja a equação de estado m= EM vevoso,) 0) RT Sendo P=980mb M=64 T=400K V/t=2,36x 10m'/s Q=A taxa de emissão = g/s Dividindo (1) por t tem-se m=236x10x980x64x2x10º = 890 g/s t 831x107x 400 Q=m=890 g/s t 2) Na amostragem de ar de SO, numa chaminé os gases estão a uma temperatura de 25 ºC (T;). Que correção deve ser aplicada para se obter na saída da chaminé a concentração verdadeira se a temperatura ambiente é de -12 C (TA) assumindo uma queda de pressão desprezível? Solução Ts=25ºC =298K Ta=-12ºC =261K A medida da concentração dos gase na chaminé será dada pela equação de estado m= PM Vs RTs a) A concentração verdadeira, encontrada no ambiente, será: m =PM Va RTA (2) Assim Cm JaxTa=PM v R (3) Cam )s x Ts=PM V R (4) 354) Cm )xTa=(m)xTs 1- 17