Monitorização da Qualidade do Ar · Artigo 18.º Valores limite (VL), limiares de alerta (LA), valor alvo (VA) e níveis críticos ... Monitorização da Qualidade do Ar Cristina

Monitorização da Qualidade do Ar

Cristina R.Oliveira

1

Grupo de Química Electroanalítica e Ambiental

Departamento de Química e Bioquímica

[email protected]

Análise Química Ambiental – Mestrado de Química

2Monitorização da Qualidade do Ar Cristina Oliveira

Conteúdos• Ar exterior e interior• A atmosfera• Poluição atmosférica• Aerossóis atmosféricos• Avaliação da qualidade do ar• Rede de Monitorização da Qualidade do Ar• Aerossóis marinhos – Estudos realizados• Aerossóis urbanos - Estudos realizados• Aplicações da metrologia à avaliação da qualidade do ar• Qualidade do ar interior• Exemplos de estudos realizados


A atmosfera terrestre é uma camada de gases que cercam

o planeta Terra e o protegem do ambiente hostil do espaço

exterior.

Esta mistura de gases é conhecida como ar. A atmosfera

protege a vida na Terra absorvendo radiação UV solar e

reduzindo temperaturas extremas entre o dia e a noite.

A sua temperatura média é de 15 ºC.

A Atmosfera


Constituição de uma atmosfera

limpa:

Azoto

Oxigénio

Gases Nobres

Dióxido

Carbono

A Atmosfera

o restante são quantidades vestigiais de outros gases (CH4,

NOx, CO, H2, SO2 e O3), vapor de água, poeiras e

microorganismos.

É a fonte de dióxido de carbono para a fotossíntese das

plantas e de oxigénio para a respiração.

Gases como o O3 e o CO2 são componentes secundários

da atmosfera que têm um efeito importante na absorção da

radiação.

O O3 nas camadas superiores da atmosfera filtra a radiação

UV perigosa para os organismos vivos. Na troposfera é um

poluente. É tóxico para os animais e plantas e também

danifica materiais devido às suas propriedades oxidantes.


A Atmosfera


A composição da atmosfera terrestre tem vindo a ser

alterada em consequência das actividades humanas e

algumas destas mudanças são prejudiciais à saúde do

homem e aos ecossistemas, constituindo o que se designa

por poluição atmosférica, por ex: chuvas ácidas, smog

fotoquímico e gases com efeito de estufa.

Azoto

Ozono

A Atmosfera


Poluição atmosférica pode existir na forma de gases,

líquidos ou sólidos.

•Variação nas

concentrações

• Presença de

outras

substâncias

Poluição Atmosférica


Poluentes atmosféricos são geralmente classificados em :

Gases poluentes - óxidos de enxofre (SO2,SO3), monóxido

de carbono (CO), óxidos de azoto (NO, NO2, NOx),

amoníaco (NH3), compostos orgânicos (HC, COV, PAH)

Odores - alguns cheiros são conhecidos por serem

causados por agentes químicos específicos, tais como

(H2S), sulfureto de carbono (CS2) e mercaptanos (R-SH, S

R1 R2), outros são difíceis de definir quimicamente.

Partículas em suspensão - partículas suspensas no ar

incluem partículas totais em suspensão (TSP), material

particulado PM10, PM2,5, partículas finas e ultrafinas,

poeiras, cinzas, etc.

Poluição Atmosférica

11

AEROSSÓIS ATMOSFÉRICOS

Monitorização da Qualidade do Ar Cristina Oliveira


Aerossóis atmosféricos ou matéria particulada (PM-

Particulate Matter) – pequenas partículas (< 100 µm)

sólidas ou líquidas, suspensas no ar. Individualmente

invisíveis a olho nu. Colectivamente podem alterar a

visibilidade.

Têm tamanhos, formas e composição química diferentes.

As menores sólidas têm 0,002 mm (2 µm) enquanto as

gasosas têm de 0,01-1 µm. As maiores chegam aos 100

µm. Gotículas que coalescem e formam partículas

maiores são consideradas gotas que geralmente caiem,

deixando de estar suspensas.

Aerossóis Atmosféricos


Aerossóis AtmosféricosOs aerossóis podem ser classificados em função do seu

tamanho, fonte e origem

Tamanho

• Grosseiras - PM10-2,5

• Finas - PM2,5 ( ≤ 2,5 mm)

• Ultrafinas – PM0,1

• Nanopartículas

Grão de areia

Cabelo

Humano

50-70 µm

PM2.5

PM10

PM10

PM2.5

14

Fontes

tráfego motorizado indústrias refinarias e

cimenteiras

lareiras


Antropogénicas

incêndiosvulcõeserosãospray marinho

Naturais


http://www.google.pt/url?url=http://lagash.blogs.sapo.pt/2009/07/&rct=j&frm=1&q=&esrc=s&sa=U&ei=V5A_VJ_XBc2tac-lgcAC&ved=0CCEQ9QEwBjhQ&usg=AFQjCNEhLL1gPiHkPUxVA7skOSIkBnvhjw

http://www.google.pt/url?url=http://lagash.blogs.sapo.pt/2009/07/&rct=j&frm=1&q=&esrc=s&sa=U&ei=V5A_VJ_XBc2tac-lgcAC&ved=0CCEQ9QEwBjhQ&usg=AFQjCNEhLL1gPiHkPUxVA7skOSIkBnvhjw

http://www.google.pt/url?url=http://iadrn.blogspot.com/2011/10/exercito-persa-desaparecido-e.html&rct=j&frm=1&q=&esrc=s&sa=U&ei=zJA_VI_QN9DnaoXNgNgG&ved=0CB0Q9QEwBA&usg=AFQjCNHhfCaY8hBq2ocH7z8N28Re35GXGw

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http://www.google.pt/url?url=http://diariodigital.sapo.pt/news.asp?id_news%3D677200&rct=j&frm=1&q=&esrc=s&sa=U&ei=D5E_VP3JLsexafatgvgD&ved=0CCEQ9QEwBg&usg=AFQjCNFEBMnzGKl8Ot7RRaBEpj3zby2ZSQ

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http://www.google.pt/url?url=http://g1.globo.com/mundo/noticia/2013/06/incendios-florestais-destroem-casas-no-estado-americano-do-colorado.html&rct=j&frm=1&q=&esrc=s&sa=U&ei=OZE_VMjYM8L2aoekgLgE&ved=0CCsQ9QEwCw&usg=AFQjCNFGQYSL-BNfINg5s6uKrfwLeL7bdw

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http://blogs.diariodepernambuco.com.br/mobilidadeurbana/wp-content/uploads/2012/04/engarrafamento2.jpg

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15

Origem

Primária - emitidos directamente para a atmosfera

Secondária - resultam de reacções químicas entre gases

ou partículas e gases



16

Composição

Na fracção fina - sulfato, amónio, compostos orgânicos,

carbono elementar e certos metais de transições

Na fracção grosseira - silício, cálcio, magnésio, alumínio,

ferro e partículas orgânicas biogénicas (pólens e fragmentos

de plantas)

Nitrato pode aparecer em qualquer delas



Tempo de vida dependente do tamanho

Partículas maiores precipitam mais rapidamente - minutos

a dias; partículas finas – permanecem de vários dias a

vários semanas/meses no ar.

As ultrafinas assentam tão lentamente que se podem

manter indefinidamente no ar.

Efeitos dos Aerossóis

17

absorvendo e reflectindo a energia solar, modificando as

propriedades ópticas da atmosfera

intervindo na formação/tempo de vida das nuvens

No clima

No património edificado

danificando edifícios e estátuas


Efeitos dos Aerossóis

18

Mais grave nas crianças e idosos, pode provocar a doença

pulmonar obstrutiva crónica(DPOC), bronquite,

asma,doenças pulmonares, doenças cardiovasculares,

cancro.

Finas > efeito na saúde que as grosseiras

Efeito depende também da composição

(Pb, Hg, Cd, OC, PAH, dioxinas, etc.)

Na saúde


GUIDELINES FOR AIR QUALITY – WHO

EPA – Environmental Protection Agency

EEA – European Environmental Agency

MINISTÉRIO DO AMBIENTE E DO ORDENAMENTODO TERRITÓRIO

Decreto-Lei n.º 102/2010 de 23 de Setembro

O presente decreto-lei fixa os objectivos para a qualidade do ar

ambiente tendo em conta as normas, as orientações e os programas

da Organização Mundial da Saúde, destinados a evitar, prevenir ou

reduzir as emissões de

poluentes atmosféricos.Artigo 18.º

Valores limite (VL), limiares de alerta (LA), valor alvo (VA) e níveis críticos

(NC) para o dióxido de enxofre (SO2), dióxido de azoto (NO2), óxidos de

azoto (NOx), partículas em suspensão (PM10 e PM2,5), chumbo e

benzeno.



Avaliação da Qualidade do Ar

O índice de qualidade do ar de uma determinada área

resulta da média aritmética calculada para cada um dos

poluentes medidos em todas as estações da rede dessa

área.

O3 NO2 CO SO2 PM10 PM2,5 C6H6

Correlação com dados metereológicos – direcção e

velocidade do vento, HR, etc.

http://www.qualar.org/ Agência Portuguesa do Ambiente

http://www.qualar.org/


Avaliação da Qualidade do Arhttp://www.qualar.org/ Agência Portuguesa do Ambiente

Amostragem Activa

Amostradores de Alto

Volume

Amostradores de

Baixo Volume

Amostragem Passiva


Avaliação da Qualidade do ArRede de Monitorização da Qualidade do Ar

(EQA) Rurais, Industriais e Urbanas (Tráfego e Fundo )

Tráfego - situam-se em zonas de tráfego

automóvel intenso e de passagem de

grande número de pessoas.O seu objectivo

é fornecer dados de concentrações dos

níveis máximos de exposição a que estão

sujeitas as pessoas nessas zonas, para os

poluentes tipicamente resultantes das

emissões directas dos automóveis.

Urbanas de fundo – localizam-

se em áreas afastadas das vias de

tráfego principais ou de fontes

industriais importantes


Avaliação da Qualidade do ArRede de Monitorização da Qualidade do Ar

Zona Tipologia Concelho Estação

AML Norte (a)

Urbana de fundo

Amadora Reboleira

Lisboa

Beato

Restelo

Olivais

Oeiras Quinta do Marquês

Loures Loures-Centro

Sintra Mem Martins

Vila Franca de Xira Alverca

CascaisCascais-Escola da

Cidadela

Urbana de tráfego Lisboa

Avenida da

Liberdade

Santa Cruz de

Benfica

Entrecampos

Odivelas Odivelas-ramada

AML Sul (a)

Suburbana industrial Seixal Paio Pires

Urbana de fundo Almada Laranjeiro

Urbana industrial

Barreiro

Escavadeira

Urbana de fundo Fidalguinhos

Urbana industrial Lavradio

Setúbal (a)Urbana de fundo

SetúbalArcos

Urbana de tráfego Quebedo

Oeste, Vale do Tejo

e Península de

SetúbalRural de fundo

Chamusca Chamusca

Lourinhã Lourinhã

Palmela Fernão Pó


Avaliação da Qualidade do ArEquipamento nas EQA

Equipamentos

na EQA da

Av. da

Liberdade

Lisboa


Avaliação da Qualidade do ArEquipamento nas EQA

Equipamentos na EQA dos Olivais

Lisboa



Amostradores de alto volume



Amostradores de baixo volume


Avaliação da Qualidade do ArAmostradores de baixo volume

1

2

3

1) Medidor de gás

2) Bomba de vácuo

3) Medidor de caudal

Estação de Amostragem Dentro da caixa:

AEROSSÓIS MARINHOSMonitorização de aerossóis marinhos, no Cabo da Roca, captados

em amostras de ar com uma direcção pré-definida (N-NW) para

serem massas de ar oceânicas limpas e se poder determinar a

origem de poluentes de massas de ar continental – até 2008



Local de amostragem Amostrador de alto

volume e sensores

Interior do amostrador

de alto volume

Computador para controlo

remoto da amostragem

30

De volta ao laboratório...

...para tratar e analisar as amostras.

30

31

EXPERIMENTAL

1/4 Filtro

Extracção em H2O

(centrifuga)

Digestão Ácida

(filtro extraído)

Espectroscopia de

Atómica

Absorpção

Cromatografia iónica

(extrato)

Catiões

Massa no Filtro / mg

Aniões

Câmara de ar limpo Pesagem dos filtros

Extracção por centrifugação Análise dos extractos por IC


AEROSSÓIS MARINHOSAvaliação da Qualidade do Ar


AEROSSÓIS MARINHOSAvaliação da Qualidade do Ar

Na+ vs. Cl-

y = 0.84 x + 5.46

R 2 = 0.996

0

250

500

750

1000

0 250 500 750 1000

[Cl-] / nmol m-3

[Na+] /

nmol m

-3 Concentração de sal marinho com

uma razão molar Na+/Cl- de 0,84indica que o aerosol é dominado pelosal marinho.

NH4+ vs. NO3

-

y = 0.52 x + 7.74

R 2 = 0.44

0

10

20

30

40

0 10 20 30 40

[NO3-] / nmol m-3

[NH

4+] /

nmol m

-3

NH4+ vs. nssSO4

2-

0

10

20

30

40

0 5 10 15 20

[nssSO42-] / nmol m-3

[NH

4+] /

nmol m

-3

NO3- vs. nssSO4

2-

y = 1.71 x + 2.12

R 2 = 0.66

0

10

20

30

40

0 5 10 15 20

[nssSO42-] / nmol m-3

[NO

3-] /

nmol m

-3

NO3- e nssSO4

2- estãorelacionados. Isto indica umaorigem antropogénica para ambas asespécies.

NH4+ relaciona-se

melhor com o NO3- do

que com o nssSO42-


34

Terraço do C8 Terraço do C1

AEROSSÓIS URBANOSAvaliação da Qualidade do Ar


Cromatografia Iónica- Iões inorgânicos - Gases

Cromatografia Gasosa- Compostos Orgânicos

(VOC, PAH, OC, etc.)

GFAAS- Metais

Local de Amostragem-Terraço do Edifício C1 - FCUL

Campanhas de vários meses todos os dias

35



QUARTZO®Teflon®0.5 + n-hexano

What®41 + TEA

What®41

Aerossóis solúveis em água

e

Gases (NOx e SO2)Compostos Orgânicos

Ar amostrado: 24 horas a um fluxo de 12 L min-1 (~17 m3)


Amostragem

Tratamento da Amostra e Análise

Extracção ultrasónica

com água ultrapura

Cromatografia Iónica

(IC)

solução

Catiões Aniões

Na+; NH4+; K+;

Mg2+; Ca2+

Cl-; NO2-; Br-; NO3

-;

PO43-; SO4

2-; C2O42-

What® 41 What® 41 + TEA

Extracção ultrasónica

com tampão Na2CO3 / NaHCO3

NO2-; NO3

-; SO42-

Soluções

padrãoCromatografia Iónica

(IC)

solução

Aniões

Filtros

37

AEROSSÓIS URBANOS


PTFE ® + n-hexano

Filtros

Extracção com n-hexano durante 1 hora

num agitador a 400 rpm

Cromatografia Gasosa - Espectrometria de Massa

(GC-MS)

Quartzo ®

Concentrado até à secura em fluxo de He

Compostos Orgânicos

( C17 – C31)


EspéciesGasosas

Resultados

Aerossóis

0

1

2

3

4

5

6

7

2-Mar 7-Mar 12-Mar 17-Mar 22-Mar 27-Mar 1-Apr

[NO

x]

/ m

g(N

) m

-3 NOx

NO3-

0

2

4

6

8

2-Mar 7-Mar 12-Mar 17-Mar 22-Mar 27-Mar 1-Abr

[NO

3- ] m

g m

-3

39

AEROSSÓIS URBANOS


C17-C31 - associados a compostos de origem antropogénica

< concentrações correspondem às férias da Páscoa

0.0E+00

5.0E+05

1.0E+06

1.5E+06

2.0E+06

2.5E+06

3.0E+06

3.5E+06

2-Mar 6-Mar 10-Mar 14-Mar 18-Mar 22-Mar 26-Mar 30-Mar

m/z

57

0.0E+00

4.0E+06

8.0E+06

1.2E+07

1.6E+07

2.0E+07

2-Mar 6-Mar 10-Mar 14-Mar 18-Mar 22-Mar 26-Mar 30-Mar

m/z

51

Compostos Orgânicos (C17-C31)

40

AEROSSÓIS URBANOS


Em paralelo em

dois locais

TráfegoFundo urbano

Área Residencial(Olivais- OL )

Avenida com intenso tráfego(Avenida da Liberdade- AL)

30 dias consecutivos(~ 3 semanas chuva e

1 ultima de sol)

Jan-Fev 2009

35 diasconsecutivos(sem chuva)Jun-Jul 2008

Duas campanhas

Locais de Amostragem

41



PM2.5

Olivais - OL Amostrador tipo Gent Avenida - AL

Filtro no suporte

24 h a um fluxo de 12 L min-1 (~17 m3)

Nuclepore 0.4 mm

Nuclepore 8 mm PM10-2.5

Ar

Ar

42

AEROSSÓIS URBANOS


Extracção US

com H2O ultrapura

Cromatografia Iónica

(IC)

Solução

Catiões Aniões

Na+, NH4+, K+,

Mg2+, Ca2+

Cl-, NO2-, Br-, NO3

-,

PO43-, SO4

2-

Soluções

Padrão

Proton Induced X-ray Emission

(PIXE)

Elementos

Mg, Al, Si, S, Cl, K, Ca, Ti, V, Cr,

Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Br, Sr, Zr, Pd,

Cd, Ba, W, Pb

Tratamento da Amostra e Análise

43

AEROSSÓIS URBANOS


ResultadosVerão

OL

AL0

20

40

60

PM

(mg/m3)

PM10

PM2.5

Limit value (50 mg/m3)

0

20

40

60

PM

(mg/m3)

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 1 2

PM10

PM2.5

June July


0

20

40

60

PM

(mg/m3)

PM10

PM2.5


0

20

40

60

PM

(mg/m3)

20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

PM10

PM2.5

Jan Feb


Inverno

OL

AL

44

AEROSSÓIS URBANOS


45

Examplos de trajectórias de massas de ar calculadas pelo modelo HYSPLIT

para diferentes dias mostrando massas de ar de origens Oceânica (a) e

Continental (b)

Back-TrajectoriesVerão

Inverno

(a)

(b)

(b)

(a)


• Chemosphere 83 (2011) 1588–1596

• Atmospheric Environment 71 (2013) 15-25

Túnel do Marquês de Pombal

Valores de iões e metais medidosFiltros quartzo do Hi-Vol (1.13 m3/min)

Túnel da João XXI

0.0

0.2

0.4

0.6

Cd Cr Ni Pb

Teo

r M

eta

is (m

g/m

3)

Ascendente

Descendente

Cl- NO2- NO3

- PO43- SO4

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

0

2

4

6

8

10

Teo

r Iõ

es (m

g/m

3)

Ascendente

Descendente

46

AEROSSÓIS URBANOS


47

AEROSSÓIS URBANOS


WD-XRF analysis

Si 32%

Al 27%

Sx 8%

Ca 5%

F 4%

Na 4%

Mg 3%

P 3%

K 3%Ti 2%

Cl 1%

Others8%

a

Al 22%

Ca 3%

K 10%

Mg 3%

Na 4%P 2%

Si 14%

Sx 26%

Others16%

b

SEM-EDS

analysisII-AI

II-B

II-DII-C

D

C

B

A

Si

Al

Fe

Sx

Ca

F

Na

Mg

P

K

Ti

Cl PM10

T

RH WS

-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0

PC 1 : 24.75%

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

PC

2 :

21

.87

%

Si

Al

Fe

Sx

Ca

F

Na

Mg

P

K

Ti

Cl PM10

T

RH WS

a

Al

Ca

F

Fe K

Mg

Na

Px

Si

Sx

PM2.5 T

RH

WS

-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0

PC1 : 36.84%

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

PC

2 :

19

.86

%

Al

Ca

F

Fe K

Mg

Na

Px

Si

Sx

PM2.5 T

RH

WS

b

- 1.0

- 0.5

0.0

1.0

0.5

- 1.0

- 0.5

0.0

1.0

0.5

- 1.0 - 0.5 0.0 0.5 1.0 - 1.0 - 0.5 0.0 0.5 1.0

-2.5

PCA analysis Air Masses Trajectories

Desenvolvimento de um modelo de medição detalhado para a quantificação da

incerteza da extracção

• Accred Qual Assur 17 (2012) 147-157

Determinação da

composição IónicaDia 1

Dia 2Determinação da

composição Iónica

Terraço do C8

APLICAÇÕES DA METROLOGIA À AVALIAÇÃO DA QUALIDADE DO AR

48


• Talanta 104 (2013) 10-16

Amostragem

Desenvolvimento de modelos capazes de determinar separadamente a

contribuição da amostragem, da extracção e a quantificação dos iões no extracto

49


50


Qualidade do Ar InteriorO que é a Qualidade do ar interior (QAI)?

“Qualidade do ar interior dos edifícios e estruturas,

especialmente no que respeita à saúde e conforto dos

ocupantes desses edifícios”.

(US EPA)

Crescente preocupação

na comunidade científica

sobre os efeitos da QAI

na saúde.

Ambiente interior de um

edifício é um sistema

complexo.

51


Qualidade do Ar InteriorPrincipais fatores que afetam a QAI

QAI

Ocupantes

Ventilação

Materiais

Ar exterior

52


Ambiente exterior

Formação de poluentes

Ambiente interior

Acumulação de poluentes

Aumento da concentração de

partículas

Qualidade do Ar Interior

Dispersão de poluentes

A grande preocupação do legislador prende-se com os

sistemas de ventilação (arejamento) dos edifícios

Decreto –Lei n.º 118/2013 de 20 de Agosto

53


Qualidade do Ar InteriorLocais de Amostragem

Lab A Lab C Corredor

Amostragem

54

Quartz N 0,4 N 8

Filtros antes da amostragem

Suporte dos filtrosAmostrador tipo

Gent

Filtros após a amostragem

Quartz N 0,4 N 8

Recolha das

amostras



Análise Experimental

55


Balança

analítica

Análise

Gravimétrica

Filtros

Nucleopore

N0,4 µm e N8 µm

GC-MS

Análise

de

orgânicos

Filtros de

Quartz

IC

Análise

de

inorgânicos

Filtros

Nucleopore

N0,4 µm e N8 µm


Resultados

56


0

5

10

15

20

25

Corredor Lab. A Lab. B

Valor

Máximo

Legislado

0

10

20

30

40

50

Corredor Lab. A Lab. B

µg

/ m

3

Amostra 1

Amostra 2

Amostra 3

Amostra 4

Amostra 5

Amostra 6

Amostra 7

Amostra 8

Valor

Máximo

Legislado

Análise gravimétrica

PM10 PM2,5


57


Qualidade do Ar InteriorLocais de Amostragem

Lab A Lab C BAR

SALA

58


Qualidade do Ar InteriorAmostragem

Pesagem dos filtros antes da

amostragem

Bomba + amostrador

Pesagem dos filtros após a amostragem

Análise Experimental

59


Balança

analítica

Análise

Gravimétrica

IC

Análise

de

inorgânicos


SEM-EDS

Análise

de

particulas

DIF RX

Análise

de

paticulas

Resultados

60


Análise gravimétrica


21

43

14 14

10 10

7

21

14 14

32

17

42

14

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Co

nce

ntr

açã

o n

o a

r /

µ·

m-3

Nº do filtro

61

Obrigada pela V. Atenção


Monitorização da Qualidade do Ar

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Monitorização da Qualidade do Ar · Artigo 18.º Valores limite (VL), limiares de alerta (LA), valor alvo (VA) e níveis críticos ... Monitorização da Qualidade do Ar Cristina