POLUIO ATMOSFRICA Material particulado (aerossol ...

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  • POLUIO ATMOSFRICA

    Material particulado

    (aerossol atmosfrico)

  • OXIDANTES, METAIS, AEROSSOL,

    SAIS, COMPOSTOS ORGNICOS,

    E AMNIA ATMOSFRICOS

    TRANSPORTE, DILUIO E

    REAES QUMICAS

    EMISSO

    DEPOSIO SECA DEPOSIO MIDA

    IMISSO

    O3 H2O2 HCOOH HCHO

    NO2/NO3- SO2/SO4

    2-

    HIDROCARBONETOS

    SO2 NO NO2 NH3 PARTCULAS

    H2SO4 HNO3 H2O2

    (NH4)2SO4 NH4NO3

    MATERIAL PARTICULADO,

    O3, H2O2, NOX/SO2

    (NH4)2SO4 NH4NO3

    Processos e compostos envolvidos na poluio do ar.

  • Material particulado

    (poeira)

    Aerossis atmosfricos so suspenses de partculas slidas e/ou lquidas

    (excluindo gotas de nuvem) no ar que tem velocidade terminal desprezvel.

    (Atmospheric Science An Introduction Survey, J.M. Wallace e P.V. Hobbs)

  • Regio central da cidade de So Paulo

    24 de junho de 2005

    http://www.uol.com.br

  • Definies:

    Aerossol uma suspenso na fase gasosa de partculas slidas ou lquidas.

    Aerossis atmosfricos o material constitudo de pequenas partculas slidas ou

    liquidas em suspenso no ar.

    Bioaerossol: aerossol de origem biolgica.

    (Exemplos: virus, bacteria, fungos, esporos ,e plens)

    O tamanho do aerossol, em geral, medido em unidades de micrometros (m):

    1 m = 106 m

    1 m = 104 angstrom ()

    partculas finas (1 m)

    Material particulado inalvel, MP10 (dimetro

  • Algumas caractersticas de partculas e aerossis na atmosfera e ambientes industriais

    (Finlayson Pitts & Pitts, 2000)

  • Qumica atmosfrica

    (incluindo poluio do ar)

    10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103

    radiao atmosfrica

    (processos pticos)

    eletricidade atmosfrica

    ons grandes

    ons

    pequenos

    Nuvens e precipitao

    Ncleos

    Aitken

    Partculas

    grandes

    Partculas

    gigantes

    Dimetro da partcula ( m)

    Classificao e comparao por tamanho das partculas atmosfricas

  • vrus bactria

    Poeira cigarros

    Aerossol atmosfrico

    1 nm 1 m 0,1 mm 1

    Dimetro da partcula, m

  • Exemplos de imagens de partculas atmosfricas

  • Tamanho da partcula: dimetro aerodinmico

    Partculas atmosfricas so geralmente consideradas como tendo um raio ou dimetro,

    ou seja, idealizadas como partculas esfricas.

    Na realidade, muitas partculas atmosfricas tm formas irregulares, portanto raios e

    dimetros geomtricos podem no ser significativos.

    Na prtica, o tamanho das partculas de forma irregular expresso em termos de algum

    tipo de dimetro equivalente ou efetivo que dependem de propriedade fsicas, em vez de

    propriedade geomtrica.

    Dimetro aerodinmico o mais usado para dimetro equivalente ou efetivo.

    definido como o dimetro de uma esfera de densidade unitria (1 g/cm3) que tem a

    mesma velocidade terminal de queda no ar como a partcula em considerao.

    Finlayson-Pitts & Pitts, 2000

  • Descrio matemtica de uma distribuio log-normal de

    partculas

    Finlayson-Pitts & Pitts, 2000

    Desvio padro para uma distribuio

    normal, sendo que a rea riscada

    representa 68% do total da rea sob a

    curva.

  • Modas de tamanho das partculas atmosfricas

    as curvas observadasde distribuio de tamanho do aerossol atmosfrico

    indicam ser uma combinao de distribuies mltiplas diferentes modas

    mltiplas

    Moda dos ncleos de Aitken: 0.01-0.08 m

    Moda acumulao: 0.08-2 m

    Moda grossa : 2-10 m

  • Distribuio de nmero ( N / logD)

    versus dimetro (logD) para um

    modelo de aerossol urbano tpico.

    Finlayson-Pitts & Pitts, 2000

  • Distribuio de nmero, rea e volume para um modelo de aerossol urbano tpico.

    A rea sob a curva resulta no nmero total de

    partculas na faixa de tamanho. nmero

    rea

    volume

    A rea sob a curva resulta na rea

    superficial total de partculas na faixa de

    tamanho.

    A rea sob a curva resulta no volume total

    de partculas na faixa de tamanho.

    Finlayson-Pitts & Pitts, 2000

    As distribuies de rea e volume

    so importantes para reaes de

    gases na superfcie ou mesmo

    reaes dentro da partcula.

  • cabelo humano

    ~70 m dimetro mdio

    < 2,5 m de dimetro

    < 10 m de dimetro

    Areia de gro fino

    ~90 m dimetro mdio EPA, Office of Research and Development

    Comparao dos dimetros de um fio de

    cabelo humano e areia com MP2,5 e MP10

  • MATERIAL PARTICULADO

    Partculas Finas Partculas Grossas

    Courtesy of

    U. Lohmann

  • Tools for Improving Air Quality Management, Formal Report 339/11

  • Tools for Improving Air Quality Management, Formal Report 339/11

  • Esquema da

    Distribuio de

    Tamanho do

    aerossol atmosfrico. (Finlayson-Pitts e Pitts,

    2000).

  • Esquema da

    Distribuio de

    Tamanho do

    aerossol atmosfrico. (Finlayson-Pitts e Pitts,

    2000).

    Partculas inalveis =

    Material particulado (fino + grosso)

    ou (MP2,5 + MP2,5-10)

    =

    MP10

  • Distribuio de tamanho mdia da

    massa das partculas coletadas

    pelo MOUDI durante experimento

    em So Paulo (ICB/USP), agosto

    a outubro de 2005.

    Valores calculados da mdia e

    desvio padro em a) e curva

    ajustada para a mdia com

    respectivas modas.

    DISSERTAO DE MESTRADO, 2007

    Marcio Gledson Lopes Oliveira

    Orientadora: Maria de Ftima Andrade

  • (1) As partculas grossas so geralmente produzidas por processos

    mecnicos como a moagem, o vento ou eroso

    (2) Partculas na faixa de acumulao tipicamente surgem do crescimento de

    partculas da moda dos ncleos de condensao de vapores de baixa

    volatilidade e de coagulao das partculas menores na faixa de ncleos.

    (3) Dois picos no modo de acumulao so resultado de diferentes processos

    atmosfricos agindo sobre as partculas menores: modo de condensao e

    modo de gotculas.

    (4) As partculas de modo Aitken surgem temperatura ambiente, da

    converso de gs de partculas (nucleao) e processos de combusto.

    Fontes de partculas de diferentes modas:

  • Processos de formao, crescimento e remoo de aerossol atmosfrico

    Nucleao

    Condensao / coagulao

    Limpeza / evaporao

    Sedimentao

    Desintegrao mecnica

  • Nucleao

    Condensao / coagulao

    Limpeza / evaporao

    Sedimentao

    Desintegrao mecnica

    Processos fsicos e qumicos do aerossol na atmosfera.

  • Principais fontes de material particulado

    Aerossol secundrio????

    Inorgnico (sais de nitrato e sulfato de amnio)

    Orgnico (emisses biognicas e antrpicas de

    COVs seguido de reaes fotoqumicas)

  • Fontes de gases e partculas

    Estratosfera

    Troposfera

    nitratos hidrocarbonetos

    Aviao sulfatos

    cinzas

    poeira

    Atividade Vulcnica

    partculas de sal marinho

    Oceanos

    partculas de solo

    poeira

    Agricultura

    hidrocarbonetos

    nitratos

    sulfatos

    soot

    poeira

    Atividades urbanas e industriais

    hidrocarbonetos

    poeira plens

    esporos

    Emisses naturais

    soot

    poeira

    Queima e corte de florestas

    Mineraes e pedreiras

  • Combusto

    Idealmente

    Combustvel + ar > CO2 + H2O + calor

    Realidade

    Combustvel + ar > CO2 + H2O + calor +

    NOx + SO2 + CO + Material Particulado +

    + combustvel no queimado (hidrocarbonetos)

    + COVs (compostos orgnicos volteis)

  • Padres Nacionais de Qualidade do Ar (Resoluo CONAMA no. 3 de 28/06/1990)

    Poluente

    Tempo de

    amostragem

    Padro primrio

    g/m3

    partculas 24 horas1 150

    inalveis MAA3 50

    fumaa 24 horas1 150

    MAA3 60

    SO2 24 horas1 365

    MAA3 80

    NO2 1 hora1 320

    MAA3 100

    CO 1 hora1 40000 (35 ppm)

    8 horas1 10000 (9ppm)

    O3 1 hora1 160

    MP10

    25 g m-3 mdia de 24h

    10 g m-3 mdia anual

    50 g m-3 mdia de 24h

    20 g m-3 mdia anual

    MP2,5

    Recomendaes

    Organizao Mundial da Sade

    OMS (WHO, 2005)

    No Brasil no h padro para MP2,5

  • Emisses relativas de poluentes por tipo de fonte na RMSP, 2008

    (CETESB, 2009)

  • Emisses relativas por fontes na RMSP (CETESB, 2012)

  • Ressuspenso de poeira de solo

    (industrial, agricultura,

    minerao, estradas de terra), de

    fontes biolgicas, construo /

    demolio, spray marinho

    Combusto (carvo, leo,

    gasolina, diesel, madeira);

    converso gs-partcula de NOx,

    SO2 e COVs, fundio, moinhos

    (farinhas)

    Diferenas entre material particulado:

    fino (MP2,5) grosso (MP2,5-10)

    Fontes

    Caminho de

    formao Perturbao mecnica,

    suspenso de poeira

    reao qumica, nucleao,

    condensao, coagulao de

    nevoeiro/nuvem

    Poeira suspensa, cinzas de carvo

    e leo, xidos de elementos da

    crosta (Si, Al, Ti, Fe), CaCO3,

    NaCl, plen, mofo, esporos, restos

    de animais e vegetais

    Composio

    SO42-, NO3

    -, NH4+, H+, carbono

    elementar, molculas

    orgnicas, gua,metais (Pb,

    Cd, Cu, Ni, Zn, Mn, etc)

    Tempo de vida

    (atmosfera)

    Distncia

    percorrida

    Dias a semanas Minutos a dias

    Entre 100 e 1000 km Geralmente < 10 km

  • Fontes dominantes e compostos presentes nas partculas da moda de nucleao,

    acumulao e grossa. Fonte: adaptado de Jacobson (2002).

    Moda grossa Moda de Nucleao Moda de acumulao

    H2O(aq), SO42-,

    NO3-, NH4

    + BC, Corg, SO4

    2-, Fe, Zn H2O, Na+, Ca2+, Mg2+,

    K+, Cl-, SO42-, Br-, OC

    Emisses por

    combustveis fsseis

    Emisses por queima

    de biomassa

    Emisses por poeira

    do solo, spray marinho

    SO42-, NO3

    -, BC (EC), Corg, K+, Cl-,

    Na+, Ca2+, Mg2+, Fe, Mn, Zn, Pb, V,

    Cd, Cu, Co, Sb, As, Ni, Cr BC, MO, SO4

    2-, Fe, Zn

    Si, Al, Fe, Ti, P, Mn, Co,

    Ni, Cr, Na+, Ca2+, Mg2+,

    K+, SO42-, Cl-, CO3

    2-, Corg

    Emisses por queima

    De biomassa Emisses industriais Cinza da queima de

    biomassa, cinza das

    emisses industriais,

    desgaste de pneus

    BC, Corg, Fe, Al, S, P, Mn, Zn,

    Pb, Ba, Sr, V, Cd, Cu, Co, Hg,

    Sb, As, Sn, Ni, Cr, H2O,

    NH4+, Na+, Ca2+, K+, SO4

    2-,

    NO3-, Cl-, CO3

    2-

    BC, Corg, K+, Na+, Ca2+,

    Mg2+, SO42-, NO3

    -, Cl-, Fe,

    Mn, Zn, Pb, V, Cd, Cu, Co,

    Sb, As, Ni, Cr

    Condensao /

    dissoluo

    H2O(aq), SO42-,

    NO3-, NH4

    +, Corg

    Coagulao de todos os

    componentes da moda de

    nucleao

    Coagulao de todos os

    componentes da moda de

    nucleao

    Condensao /

    dissoluo

    Condensao /

    dissoluo

    H2O(aq), NO3-

  • Distribuio de tamanho

    observada de partculas totais

    em suspenso e de alguns

    constituintes inorgnicos de

    partculas coletadas no

    Japo.

    Finlayson-Pitts & Pitts, 2000

  • Amostragem: impactador em cascata (MOUDI)

  • Metodologia de amostragem

    Aerossis atmosfricos

    Amostradores: Coletor de Particulados Fino e Grosso e Impactador em Cascata

    Estgio Dimetro de

    corte (m)

    inlet 18

    1A 10

    2A 5,60

    3A 3,20

    4A 1,80

    5A 1,00

    6A 0,56

    7A 0,32

    8A 0,18

    9A 0,10

    10A 0,056

    After filter < 0,056

  • Tools for Improving Air Quality Management, Formal Report 339/11

  • Amostragens dirias (24h) a partir de maio de 2007

  • Filtros de policarbonato, antes

    da amostragem, deixados para

    climatizao em sala

    apropriada

    T ~ 22 oC

    UR ~ 45%

  • Mtodos analticos

    Aps a amostragem, inicia-se a fase de anlises:

    1. Concentrao em massa - GRAVIMETRIA

    2. Black Carbon por REFLETNCIA

    3. Concentrao de elementos (Al, Fe, Pb, Mn, Ni, Cu, Zn,

    Si, S, Ca, V, Ti ) por FLUORESCNCIA DE RAIOS-X

    4. anlise de ons (Cl-, NO3-, SO4

    2-, Na+, K+, Ca2+, Mg2+, NH4+)

    por CROMATOGRAFIA DE ONS.

  • Balana com preciso de

    6 casas ( g)

    Equipamento para tirar a

    eletricidade esttica

    do filtro.

  • Refletncia: Black Carbon

    Black Carbon (BC)

  • Aps a pesagem e refletncia, os filtros so cortados

    e colados em suporte apropriado para a anlise de

    raios-X.

  • FRX Fluorescncia de Raios X Elementos: Al, Si, P, S, Cl, K, Ca,Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Pb

    EDX (Energy Dispersive

    X-ray Fluorescence)

  • Cromatograma de amostra de extrato aquoso de

    deposio seca (Cuiab, 09/2006)

    concentraes ( mol L-1):

    Fluoreto

  • Cromatogramas de mistura padro (a) de ons e de guas de chuva (b).

  • Combustion -

    35%

    Nitrate - 13%

    Sulfate - 47%

    Soil - 5%

    Composio do Material Particulado Fino

    na parte leste dos EUA.

    Composio mdia do Material

    Particulado inalvel- So

    Paulo

    Veculos

    37%

    Sulfato sec.

    20%Nitrato sec.

    1%

    Carbono

    sec.

    30%

    Queima

    biomassa

    7%

    Solo

    5%

    Material particulado (MP)

    Inalvel MP2,5-10

    Fino MP2,5

    Composio qumica

  • Material particulado fino (MP2,5),

    distribuio de fontes para a RMSP

    (CESTESB, 2009)

    ~51%

    Aerossol

    secundrio

  • Resultados de anlise elementar e nions de MP2,5 amostrados em diferentes

    cidades brasileiras

    1

    10

    100

    1000

    10000

    Mg Al

    Si P S Cl K

    Ca Ti V Cr

    Mn

    Fe

    Co Ni

    Cu

    Zn

    Se Br

    Pb

    clo

    reto

    nitra

    to

    su

    lfa

    to

    Co

    nc

    en

    tra

    o (

    ng

    .m-3

    )

    SP BH P. Al. Curitiba Rio Recife

  • Exemplo de comparao entre EDX e IC para o enxofre

    0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

    0.0

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1.0

    1.2

    1.4

    Y = A + B * X

    Value Error

    ---------------------------------------

    A 0.008 0.004

    B 1.004 0.012

    ---------------------------------------

    R SD N P

    ---------------------------------------

    0.982 0.046 262

  • http://www.cetesb.sp.gov.br/

  • Perfil da variao da concentrao mdia anual de MP10 na RMSP

  • Perfil da variao da concentrao mdia anual de SO2 na RMSP

    2000-2009 rede automtica

    1975 1980 1985 1990 1995 2000

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    Manual

    Automtica

    SO

    2 (

    g m

    -3 )

    Ano (1974-2005)

    PQAR

  • 1980 1985 1990 1995 2000 20050

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    90

    co

    nce

    ntr

    atio

    n

    (g

    m-3)

    year

    SO2 PM

    10

    Variao das concentraes mdias anuais de MP10 e SO2 na RMSP

  • C. E. Kolb, Nature 2002, 417(6889), 597

    Aerossol atmosfrico: viso ampla

  • Efeito dos aerossis no clima

    Aerossis espalham radiao aumentam albedo da Terra resfriamento

    Exemplo: erupo do vulco Pinatubo em 1991

    Linha azul temperatura observada

    Linha vermelha temperatura modelada

  • Efeito direto do aerossol atmosfrico na

    forante radiativa

    O efeito do aerossol no fluxo de energia do aerossol na

    atmosfera depende do tamanho e da composio qumica das

    partculas:

    -Partculas escuras (contendo carvo) tendem a absorver

    radiao, ento aquecendo a atmosfera da Terra.

    - partculas pequenas tendem a espalhar luz, aumentando o

    albedo da Terra.

  • Efeito indireto do aerossol atmosfrico na

    forante radiativa Aerossis servem de ncleos de condensao de nuvens (NCC).

    -NCC so partculas que podem contribuir na formao de gotas de neblina

    (ou nevoeiro) e nuvens na presena de supersaturao de vapor de gua.

    - em atmosfera sem partculas, as nuvens no se formam.

    -O aumento do nmero de partculas, deve

    aumentar o nmero de NCC,

    aumentando a cobertura de nuvens

    e, assim, maior o albedo.

  • http://www.geog.ucsb.edu/events/department-news/738/nasa-earth-image-of-the-week-ship-

    tracks-of-the-pacific/

    NASA Earth Image of the Week:

    Ship Tracks of the Pacific.

    Image: NASA MODIS Rapid Response System

    linhas nestas nuvens devido

    navios sobre o Oceano Atlntico,

    na costa leste dos Estados

    Unidos. 11/05/2005

  • Efeito dos aerossis

    no clima

    Efeitos diretos

    aerossis espalham e

    absorvem radiao no

    visvel e infravermelho

    efeito total: resfriamento

    Efeitos indiretos

    servem como ncleos de

    condensao de nuvens

    (NCC)

    mais NCC leva a mais

    cobertura de nuvens

    efeitos possveis incluem

    mudanas no albedo da

    Terra e mudanas no ciclo

    hidrolgico.

  • Bibliografia:

    C. Baird. Qumica Ambiental, 2a.ed., Bookman, Porto Alegre, 2002.

    Brasseur, G.P., Orlando, J.J., Tyndall, G.S., Atmospheric Chemistry and

    Global Change, Oxford University Press, New York, 1999.

    J.H. Seinfeld e S. N. Pandis, "Atmospheric Chemistry and Physics: from

    air pollution to climate change", John Wiley & Sons, New York, 1998.

    http://www.abema.org.br/ (Associao Brasileira de Entidades

    Estaduais de Meio Ambiente)

    http://www.cetesb.sp.gov.br/

    http://www.epa.gov/air/

    http://www.abema.org.br/http://www.cetesb.sp.gov.br/http://www.geog.ouc.bc.ca/http://www.epa.gov/air/

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