Caracterização da poluição do ar: conceitos, fontes de ... · Profa. Samara Carbone 26 de Abril...
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Profa. Samara Carbone
26 de Abril de 2016
Caracterização da poluição do ar:
conceitos, fontes de poluição, tipos de
poluentes e impactos.
1
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2 Cubatão em 1982
Por que estudar a poluição do ar?
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Múmias egípcias com SiO2 e CE nos pulmões
Mas como, de onde ?
Indoor cooking
3
O problema é antigo...
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4
Escassez de lenha perto das cidades na Inglaterra
Uso de carvão
Link entre poluição e a saúde
Pequena era do gelo no século XVII e o aumento do uso de carvão
Tentativa de regularização (1661)
Substituição da lenha pelo carvão no século XIII
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5
A revolução industrial intensificou o problema
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6
O problema persiste, mesmo em países desenvolvidos
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7
Objetivos da aula de hoje
Quais são os poluentes atmosféricos?
De onde eles vem? Quais são as suas fontes?
Quais os impactos dos poluentes nas diferentes escalas (local, regional e global)?
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8
Objetivos da aula de hoje
Quais são os poluentes atmosféricos?
De onde eles vem? Quais são as suas fontes?
Quais os impactos dos poluentes nas diferentes escalas (local, regional e global)?
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O que é poluente atmosférico?
Gases e partículas sólidas/líquidas resultantes de atividades humanas e de fenômenos naturais dispersos no ar atmosférico.
Com efeitos adversos a saúde e/ou ao meio ambiente
(EPA, 2016)
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10
CO, SOx, NOx, O3, COV, CH4, fuligem, CE, MP entre outros.
Exemplos de poluentes atmosféricos
COV - Compostos orgânicos voláteis
Pressão de vapor > 0.27 KPa
MP – Material particulado: mistura complexa de partículas
sólidas e ou líquidas em suspensão na atmosfera, menores
que 100 µm.
MP10= MP com diâmetro < 10 µm
MP2.5= MP com diâmetro < 2.5 µm
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100 µm 2.5 µm
PM2.5
Material particulado
Material particulado ou aerossóis
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São classificados em primários e secundários
Poluentes primários: emitidos diretamente para a atmosfera.
Poluentes secundários: se formam na atmosfera a partir dos precursores.
fuligem
CO NOx
SOx COV
O3 MP OH*
NO3*
MP
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Londres 1952 Los Angeles 1958
Fog e smog associados à morbidade e mortalidade
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Londres 1952 Fog
Los Angeles 1958 Smog
SO2 e fuligem
H2SO4 e aerossóis
Alta UR
Pico de poluição de manhã
Baixas temperaturas, < 2ºC
COVs, NOx
O3, PAN, HNO3
Baixa UR
Pico de poluição à tarde/noite
Altas temperaturas, >23ºC
No entanto, fog e smog são bem diferentes
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SMOG fotoquímico em São Paulo
Smog = Smoke + fog
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Objetivos da aula de hoje
Quais são os poluentes atmosféricos?
De onde eles vem? Quais são as suas fontes?
Quais os impactos dos poluentes nas diferentes escalas (local, regional e global)?
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De acordo com a fonte emissora são classificados em naturais e antropogênicos/antrópicos
Naturais: emitidos naturalmente.
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De acordo com a fonte emissora são classificados em naturais e antropogênicos/antrópicos
Antrópicos: emitidos devido às atividades humanas.
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As fontes antrópicas podem e DEVEM ser controladas
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São resultantes principalmente da combustão incompleta de combustíveis fósseis
CxHy+ b O2 + 3.76 b N2 xCO2 + y/2H2O + 3.76 b N2 Δ
Combustão completa
Combustão incompleta
CxHy+ O2 + N2 CO2 + CO + COVs + CE + H2O + N2 Δ
Presença de átomos de S e N.
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Mas onde são medidos e como?
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CO
(p
pm
) N
O, N
O2
, O3
(µg m
- 3)
Hora local (h)
Perfil diário de medidas de gases em São Paulo? Média de Junho a Outubro de 2015
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Medidas contínuas são feitas na floresta Amazônica
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Série temporal de concentração de MP2.5 na floresta Amazônica
(Carbone et al., em preparação)
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Quem veio de onde ? E quanto?
Composição média do MP2.5 em São Paulo
Orgânicos
Outros
Amônio
CE
Sulfatos
Ressuspensão de solo
(Brito et al., 2013)
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Veículos leves vs veículos pesados
Traçadores atmosféricos representam a impressão digital de uma fonte poluidora
CO COV
NOx MP SO2
COV
Navios: SO2, V e Ni
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Emissões industriais
Emissão industrial e seu traçadores
Cimenteiras: Ca, Na, Si
Metalúrgicas: Produção de aço - Fe, alumino-silicatos (Al2O3.SiO2), Cl Produção de Cu, Al
Cerâmica: SO2, CO, Al, Ti, Fe
Termelétricas: Emissão de CO, SO2, COVs, fuligem, ...
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COV, CO, CO2, MP
Emissão por agricultura principalmente na forma de queima de biomassa
MP2.5: destacam-se o K e nos aerossóis orgânicos a molécula de levoglucosan.
(Composição média em massa de queimadas na Amazônia)
Orgânicos
sulfato nitrato
amônio
CE
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Fluxograma para identificação e quantificação das fontes de poluentes atmosféricos
Medidas ambientais (concentração de massa,
composição química)
Técnicas para identificação de fontes
Modelos receptores (CMB*, PMF*, PCA*), Datação de 14C/12C
Contribuição das fontes
*CMB – Carbon Mass Balance *PMF – Positive Matrix Factorization *PCA – Principal component analysis
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Modelos receptores são utilizado para estimar a contribuição de fontes de emissão atmosférica
Resolver a equação de balanço de massa.
𝑥 = 𝑓 ×𝑔 + E
X=concentração total medida
g=fração do poluente na fonte
f=concentração da fonte
E=incerteza da medida
Seu perfil de emissão é constante.
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Exemplos de aplicação de PMF
(Ulbrich et al., 2009)
𝑋 = 𝑓 ×𝑔 + 𝐸
MP2.5
Org
Outros Amônio
CE
Sulfatos Ressuspensão de solo
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Exemplo de aplicação do CMB
𝑆𝑖 = 𝐺𝑆𝑖/𝑠𝑜𝑙𝑜 × 𝐹𝑆𝑜𝑙𝑜 + 𝐺𝑆𝑖/𝑐𝑖𝑚 × 𝐹𝐶𝑖𝑚 + 𝐺𝑆𝑖/𝑆𝑖𝑑 × 𝐹𝑆𝑖𝑑 + 𝐸
Fração de Si no solo
massa do Solo em MP10 (?)
Determinação da contribuição das fontes de Si em MP10
𝑋 = 𝑔 ×𝑓 + 𝐸
Solo
Cimenteira Siderúrgica
Org
Outros Amônio
CE
Sulfatos Ressuspensão de solo
Si Resíduos
Massa total=100 g m-3
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Razão 14C/12C e 13C/12C
Na natureza as seguintes formas de C coexistem, 12C, 13C
(estáveis) e 14C (radioativa).
14C/12C Amostra 14C/12C em 1950
Permite a diferenciação entre C de origem moderna ou antiga.
F14C=
Exemplos de aplicação em Oyama (2015)
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Exemplo de aplicação da razão 14C/12C
Orgânicos
Outros
Amônio
CE
Sulfatos
Elementos crostáceos
Composição média medida em túneis em São Paulo em 2010.
CE
Veicular
Queima de
biomassa
C orgânico
Veicular
Queima de biomassa
Outros
Brito et al., 2013
Oyama (2015)
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35
Objetivos da aula de hoje
Quais são os poluentes atmosféricos?
De onde eles vem? Quais são as suas fontes?
Quais os impactos dos poluentes nas
diferentes escalas (local, regional e global)?
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36
Escalas local, regional e global
Global > 2000 Km
Regional > 200 Km
Local ou urbana < 20 Km
Uberlândia São Paulo
São Paulo
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Antartica > 100 km Nova Delhi < 1.5 km
Fotos de Ismo Koponen e Petteri Mönkkönen
É responsável pela degradação da visibilidade
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Folha exposta à 80 ppb de O3
Cedida por Marísia - Instituto de Botânica
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Impactos da poluição do ar: Chuva ácida
Chuva ácida
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40
Impactos da poluição do ar: Chuva ácida
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Nem sempre os efeitos ocorrem próximo às fontes
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Acidificação do solo solubilidade do Al3+
Raízes não se aprofundam no solo acidificado
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Interação dos poluentes com a radiação solar afeta o balanço radiativo
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Muito aerossol (muito poluído)
Pouco aerossol (mais limpo)
(Competição pelo vapor d’agua é maior)
Concentração de aerossóis muito elevadas podem levar a supressão da precipitação
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Efeitos na saúde: quanto menor, mais longe vai no organismo
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Mensagens da aula de hoje
Os poluentes são classificados de acordo com a emissão em primários e secundários ou de acordo com a fonte em naturais e antrópicos.
A forma mais eficiente de mitigar a poluição do ar é identificando as suas fontes.
Os impactos da poluição do ar ocorrem em todas as escalas degradando a visibilidade, saúde e o meio ambiente.
A poluição do ar pode ser estudada através de equipamentos de medidas em locais de interesse.
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Bibliografia e leituras recomendadas 1) Ulbrich, I. M., Canagaratna, M. R., Zhang, Q., Worsnop, D. R., Jimenez, J. L.: Interpretation of organics components from Positive Matrix Factorization of aerosol mass spectrometric data. Atmos. Chem. Phys., 9, 2891–2918, 2009.
2) Carbone, S., J. F. Brito, L. Xu, N. L. Ng, L. Rizzo3, R. Stern, G. Cirino, B. Holanda, E. Senna, S. Wolff, J. Saturno, X. Chi, R. A. F. Souza, A. Arana, M. de Sá, M. Krüger, M. O. Andreae, C. Pöhlker, H. M. J. Barbosa, P. Artaxo: Long-term chemical composition and source apportionment of submicron aerosol particles in the central Amazon basin (ATTO), in preparation to be submitted to Atmos. Chem. Phys. Discus., 2016.
3) Brito, J., Rizzo, L., Herckes, P., Vasconcellos, P. C., Caumo, E. S. E., Fornaro, A., Ynoue, R., Artaxo, P., Andrade, M. F. Physical–chemical characterisation of the particulate matter inside two road tunnels in the São Paulo Metropolitan Area. Atmos. Chem. Phys., 13, 12199 – 12213, 2013.
4) Paatero P., Tapper, U. Positive Matrix Factorization: a non-negative factor model with optimal utilization of error estimates of data values. Environmetrics, 5, 111–126,1994.
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Bibliografia e leituras recomendadas 5) Paatero P., Tapper, U. Positive Matrix Factorization: a non-negative factor model with optimal utilization of error estimates of data values. Environmetrics, 5, 111–126,1994.
6) Lin, J., Pan, D., Davis, S. J., Zhang, Q., He, K., Wang, C., Streets, D. G., Wuebbles, D. J., Guan, D. China’s international trade and air pollution in the United States. PNAS, 111(5), 1736 – 1741, 2014.
7) Oyama, B. Contribution of the vehicular emission to the organic aerosol composition in the city of Sao Paulo. USP PhD thesis, 2015.
8) Lenzi, E., Favero, L. O. B. Química da atmosfera, Ed. LTC, 2009.
9) Seinfeld, J. H., Pandis, S. N.: Atmospheric chemistry and physics. From air pollution to climate change. 2nd ed. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, USA, 2006.
10) EPA – Environmental Protection Agency (USA), https://www3.epa.gov/airtoxics/pollsour.html , acessado em 31 de março de 2016.
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Slides complementares
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Escalas local, regional e global
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H2SO4 e a formação da chuva ácida
SO2 é dissolvido na água (gota de nuvem ou de chuva) formando ácido sulfúrico
SO2 (g) SO2 .H2O (aq)
SO2 + OH* + M HSO3 + M
HSO3 + O2 SO3 + HO2
SO3 + H2O + M H2SO4 + M
(1-2 semanas)
SO2 .H2O (aq) HSO3- + H+
H2O2 (g) H2O2 (aq)
HSO3- + H2O2 (aq) + H+
SO42- + 2H+ + H2O
SO42- + 2H+ H2SO4
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NO2 + OH* + M HNO3 + M
NO2 + O3 NO3 + O2
NO3* + NO2 + M N2O5 + M
N2O5 + H2O 2HNO3 aerossol
HNO3 e a formação de chuva ácida
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Poluição nos EUA devido às emissões chinesas
Leitura recomendada