QUÍMICA DA ATMOSFERA Prof. Marcel Piovezan [email protected] Curso Técnico Concomitante em Análises Químicas Unidade Curricular: Química Ambiental

QUÍMICA DA ATMOSFERAQUÍMICA DA ATMOSFERA

Prof. Marcel [email protected]

Curso Técnico Concomitante em Análises

Químicas

Unidade Curricular: Química Ambiental

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃOSECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICAINSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIACÂMPUS LAGES

Proposta de seminário (Apresentação)

Tema Central: Ciclos biogeoquímicos

Componentes por grupo: 2, máx. 3Tempo de apresentação: 15 – 20 min.Forma de apresentação: Livre e criativo (slides, resumo, Pôster, maquete, vídeos, experimentos demonstrativos, etc…)Data: 26/08/15 e 01/09/15

Ciclo da H2O, C, N, S e O

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O que deve conter: biotas envolvidas (litosfera, hidrosfera, etc);Principais moléculas e processos físico-químicos;Principais reações químicas;IMPORTANTE: Efeitos sobre a biota em casos de perturbação noCiclo natural. Efeitos causados pela ação antropogênica.

Centrando nosso Estudo

ATMOSFERA HIDROSFERA

BIOSFERAGEOSFERA

ANTROPOSFERA

(tecnologia)

precipitação, vapor de água, ciclo hidrológico, energia, CO2, O2

nutrientes, matéria orgânica

biomassa, nutrientes,

H2O, CO2, O2

particuladoH2S CO2 H2O

minerais,

matéria

s-prim

as,

energ

ia, deje

tos

trans

porte

,

água

indu

strial

,

matér

ias-pr

imas

,

hidro

metalu

rgia

N2 ,N fixo, CO

2 , O2 ,

poluentesbiopolímeros,

pesticidas, agentes

tóxicos, engenharia

genéticaenergia, nitrogênio

Ca2+

, HCO

3-

CO2, O2 vapor H2O

água, sais

INTERRELAÇÃO ENTRE AR, ÁGUA, SOLO, SISTEMAS BIOLÓGICOS E A HOMEM

Fonte: Adaptado de Manahan, S.E. 19934

Alguns Conceitos…

Fontes Naturais e Antropogênicas;

Biogênica

Antropogênica

Inorgânicos gasosos(CO, SOx e NOx )

Orgânicos gasosos(COVs)

Geoquímica

5Compostos com efeitos ambientais significativos e sobre a biota.

Monóxido de Carbono (CO)

Origem e fonte:

BiogênicaAntropogênica

(50 – 60%)

Superfície terrestre

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Biogênica

Na atmosfera encontra-se metano

2│CH2O│ n nCO2 (g) + nCH4 (g) Microorganismos

anaeróbicos

CH4 (g) + HO·(g) H3C·(g) + H2O(g)

H3C·(g) + O2(g) H3COO·(g)

H3COO·(g) + NO(g) H2CO·(g) + NO2 (g)

H2CO·(g) + O2(g) H2CO(g) + HOO·(g)

H2CO(g) + hv CO(g) + H2(g)

Metano radical radicalAlquil hidroxila Radical

metilperoxila

Radical metoxila

Radical hidroperoxil

a

formaldeído

7


Combustão de material orgânico:

CH3CH2CH3 (g) + 2O2(g) 3CO2 (g) + 4H2O(g)propano

Combustão incompleta:

Combustão completa:

CH3CH2CH3 (g) + 7/2 O2(g) 3CO (g) + 4H2O(g)

8


Destino:

Próximo ao solo: microorganismos

Mais alto:Reação em cadeia com HO·(catalisador)Produzindo CO2

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Quais os efeitos do (CO) nos seres humanos? O2(g) Proteína com

grupos Heme

Oxihemoglobina

Fe3+

10

Quais os efeitos do (CO) nos seres humanos?

Afinidade da hemoglobina pelo CO = 210 vezes

>70%

Oxihemoglobina

Fe3+Fe2+

C ≡ O

Carboxihemoglobina11

Óxido de Enxofre IV (SO2)

Ciclo na natureza

SO2 na atmosfera?

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Demonstrando a presença de SO2 na atmosfera

Quetionando a prática:

a)Que reações químicas ocorreram?

a)Do que é composta a névoa esbranquiçada observada?

a)Por que a flor mudou de aspecto? O que ocorreu?

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• A queima de combustíveis (carvão e derivados de petróleo) principais causas de SO2 na atmosfera

• O SO2 oxidar SO3 + H2O H2SO4

Responsáveis pela chuva ácida

Chuva Ácida

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• É mais ácida (próximo pH 4) que o normal (pH 5)

• Comunidades ecológicas;

• Quando o pH < 4, • TODOS: invertebrados,

vertebrados e muitos microrganismos são destruídos;

• Redução e mortalidade de peixes e organismos aquáticos. Os lagos mais sensíveis ao ataque das chuvas ácidas são os com concentrações baixas de íons alcalinos;

Efeitos da Chuva Ácida na Biosfera

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• A chuva ácida reage com metais e carbonatos, como o mármores e calcários, dando prejuízos de bilhões de dólares anualmente;

CaCO3(s) + H2SO4(aq) CaSO4(aq) + H2CO3

Chuva Ácida

??????

16


Efeitos do SO2

Não apresenta propriedades carcinogênicas

17

18

A ATMOSFERAA ATMOSFERA

19

A ATMOSFERA: Composição A ATMOSFERA: Composição químicaquímica

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21

A ATMOSFERA : Composição A ATMOSFERA : Composição químicaquímica

O Estudo de poluição do ar é feito no âmbito da baixa atmosfera (troposfera e estratosfera), porque?

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A ATMOSFERA : Composição A ATMOSFERA : Composição químicaquímica

Componente Ar normal ar poluído

Nitrogênio 78,09% 78,09%

Oxigênio 20,94% 20,94%

Argônio 0,93% 0,93%

Dióxido de carbono 305-370 ppm 330-550 ppm

Monóxido de carbono 0,12-0,9 ppm 10-360 ppm

Dióxido de enxofre 0,0002 ppm 0,01-0,06 ppm

Dióxido de nitrogênio 0,0005-0,02 ppm 0,12-0,25 ppm

Amônia 0,006-0,01 ppm 0,075-0,285 ppm

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Poluição do ar Qualquer modificação sofrida pela atmosfera natural que causem prejuízos diretos e indiretos

ao homem, a fauna, a flora e aos demais recursos naturais em todas as suas utilizações

consideradas normais.

Formam-se a partir da interação entre dois

poluentes primários ou entre primários e os

constituintes normais do ar.

Poluentes primários

H2SO4

CO2Encontram-se no ar da

mesma forma em que foram

emitidos pela fonte

Poluentes secundários

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A ATMOSFERA: Principais A ATMOSFERA: Principais poluentespoluentesPoluente Origem Monitoramento

CO

Combustão incompleta de materias carbonatdos. Os

veículos automotores constituem a principal fonte

Espectrofotometria de infravermelho (IV)

não-dispersivo

CO2

Ocorre naturalmente, mas também é produzido na combustão de materiais

carbonados para produção de energia. Queimadas.

(IV) não-dispersivo

NOx

Produzido naturalmente pelos vulcões. Queima de

combustíveis fósseis. Queimadas.

Método da quimioluminescência

HC

Evaporação e queima de combustíveis fósseis em

veículos automotores e na indústria

Método da ionização de chama

GC-FID

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Poluente Origem Monitoramento

SO2

Produzido naturalmente pelos vulcões. Queima de

combustíveis fósseis. Processos industriais

IV não-dispersivo

Materialparticulad

o

Indústrias, mineração, veículos, queimadas e

construção civil. IV não-dispersivo

A ATMOSFERA: Principais A ATMOSFERA: Principais poluentespoluentes

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A ATMOSFERA: O que afeta a A ATMOSFERA: O que afeta a poluiçãopoluição

• Fatores meteorológicos– Ventos;– Temperatura;– Precipitações;

• Condições topográficas

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A ATMOSFERA: O que afeta a A ATMOSFERA: O que afeta a poluiçãopoluição

O que afeta a poluição: O que afeta a poluição: Ventos

Favorecem a dispersão dos poluentes, mas que em algum grau, conseguem transferir estes a outras regiões

Troposfera torna-se mais fria a medida que sobe – Condições favoráveis a dispersão de poluentes.

O que afeta a poluição: O que afeta a poluição: Temperatura

Quando o ar quente fica aprisionado entre duas camadas de ar frio – Condições de estagnação de poluentes (INVERSÃO TÉRMICA)

30Processo que normalmente retém e aglutina os poluentes;

O que afeta a poluição: O que afeta a poluição: Precipitações

O retorno do vapor d’água presente na atmosfera, no estado líquido ou sólido à superfície da terra. Formas de precipitação:

chuva, neve, granizo, orvalho e geada

Condições topográficas

As irregularidades do terreno influenciam sobre o grau de

dispersão de poluentes

O que afeta a poluição:O que afeta a poluição:

Autodepuração*• Os processos de emissão de

poluentes associados aos processos de turbulência da atmosfera caracterizam a

capacidade de autodepuração.

* É a sua capacidade de promover a estabilização de determinada carga poluidora nele lançada.

O que afeta a poluição:O que afeta a poluição:

• Comprometimento em níveis locais, regionais e até globais:

– Da saúde;– Dos bens materiais;– Dos recursos naturais.

Consequências da poluição:Consequências da poluição:

Efeitos sobre os seres vivos e materiais

Poluente Consequências

NOxAfecções respiratórias e alterações sanguíneas; destroem a clorofila;

causam edemas pulmar; deterioram borracha, tecidos; favorecem ao envelhecimento precoce; contribuem para o fenômeno.

MP

Problemas estéticos; Suja com fuligem os prédios e a paisagem; produz bruma e reduz a visibilidade; irrita mucosas e brônquios; carreia poluentes

tóxicos para os pulmões; reduz a produção de vitamina D em recém-nascidos; causa danos às plantas, modificações no clima terretres;

distúrbios digestivos, anemia, nervosismos, parasilia, câncer nas vias respiratórias.

HC Formam névoa escura e amarelada sobre as cidades; irritam olhos e mucosas; alguns são cancerígenos

SOx Irritam as vias respiratórias; destroem a clorofila; correm ferro, aço e mármore; causam danos irreversíveis aos pulmões quando combinados com

partículas; provocam a acidez da chuva

COx Níveis muito baixos – agrava o coração e compromete o funcionamento

normal do cérebro.Níveis elevados – causa a morte por asfixia e é o principal responsável do

efeito estufa.

Legenda: NOx, óxidos de N; MP, material particulado; HC, hidrocarbonetos; Sox óxidos de S; Cox, óxidos de C

• Além da Chuva ácida;

• Efeito estufa;

• Camada de ozônio.

Consequências da poluição: Efeitos Consequências da poluição: Efeitos globaisglobais

Efeito estufaFormação:

• Aumento da concentração dos gases de estufa como dióxido de carbono, metano, óxido nitroso, clorofluorcarbonetos (CFC) e !!!!ozônio!!!.

Consequência direta:

• Aumento progressivo da temperatura global


http://videoseducacionais.cptec.inpe.br/

Degradação da camada de ozônioCaracterísticas

• Faixa de 30 km de espessura;

• Altamente rarefeito;

• Capacidade de interagir com grande número de substâncias químicas.– CFC (freon)


Melhorando a qualidade do arMelhorando a qualidade do ar• Investigação do problema;

– Levantamento das fontes poluidoras•O que? Onde? Quando?;

– Identificação dos padrões de qualidade• PRONAR: Res. CONAMA 05/89, 03/90 e 08/90 e PROCONVE:

Res. CONAMA 18/86 e 06/93

•

USEPA

Medidas de controle da qualidade Medidas de controle da qualidade do ardo ar

•

1. Planejamento e zoneamento territorial;2. Redução ou eliminação da emissões;3. Controle das emissões.

1.PLANEJAMENTO TERRITORIAL E ZONEAMENTO1.PLANEJAMENTO TERRITORIAL E ZONEAMENTO

Localização adequada da fontes poluidoras em relação a outra áreas; De que falamos?De que falamos?

Distribuição adequada das edificações;

Melhoria da circulação dos veículos;

Melhoria e incentivo ao uso de transporte coletivo.

Utilização de barreiras a propagação dos poluentesUtilização de barreiras a propagação dos poluentes;

VEGETAÇÃO PROTETORA x POLUIÇÃO DO AR

CIÊNCIAS DO AMBIENTE - CAP. 13.18

2. REDUÇÃO OU ELIMINAÇÃO DAS EMISSÕES2. REDUÇÃO OU ELIMINAÇÃO DAS EMISSÕES

Uso de matéria prima e combustíveis menos poluidores;

Uso de energia elétrica no transporte;

Modificação dos processos industriais; Química verde

Operação e manutenção adequada dos equipamentos e processos;

Controle meteorológico.CIÊNCIAS DO AMBIENTE - CAP. 13.27

PROTOCOLO DE KYOTO• Tratado internacional com compromissos para

a redução da emissão dos gases que provocam o efeito estufa, considerados como causa do aquecimento global;

• Negociado em 1997, entrou oficialmente em vigor em 16 de fevereiro de 2005fevereiro de 2005 com 163 países envolvidos

• Por ele se propõe um calendário pelo qual os países desenvolvidos têm a obrigação de reduzir a quantidade de gases poluentes em, pelo menos, 5,2% até 2012, em relação aos níveis de 1990;

• Instrumentos – Mercado de Carbono e o Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL).

• E hoje???

PROTOCOLO DE KYOTOMeio Ambiente: Enfraquecido, Meio Ambiente: Enfraquecido, Protocolo de Kyoto é estendido Protocolo de Kyoto é estendido

até 2020até 2020

O secretário-geral da ONU, Ban Ki-moon, é recebido pelo primeiro-ministro do Catar, na abertura da COP 18, em Doha, capital do país

Resumo da 18ª. Conferência das Partes (COP 18) na Convenção-Quadro das Nações Unidas sobre Mudança do Clima

Somente 37 dos 194 países signatários da COP apoiam hoje o Protocolo de Kyoto.

Juntos, eles respondem por apenas 15% do total das emissões de gás carbônico.

Relutância dos Estados Unidos em assinar o tratado limitou o alcance das propostas para diminuir o aquecimento do planeta (em 1997).

EUA e China, juntos respondem por 40%

das emissões de gases poluentes, estão

isentos das responsabilidades

legais aplicadas aos demais países

http://vestibular.uol.com.br/resumo-das-disciplinas/atualidades/meio-ambiente-enfraquecido-protocolo-de-kyoto-e-estendido-ate-2020.htm

O BRASIL E O PROTOCOLO DE KYOTO• O Brasil assinou o Protocolo de Kyoto em 29 de

Abril de 1998;

• A Assembléia Legislativa aprovou o texto do Protocolo apenas em 20 de julho de 2002, sob o Decreto Legislativo nº 144 de 2002;

• Sendo que a ratificação do Protocolo pelo Brasil foi feita somente em 23 de Agosto de 2002.

• Não incluia metas obrigatórias para os membros do Brics (Brasil, Rússia, Índia, China e África do Sul).

• Países desenvolvidos deveriam arcar com responsabilidades maiores pela poluição.

3. CONTROLE DAS EMISSÕES3. CONTROLE DAS EMISSÕES

Equipamentos de retenção de gases e partículas:

filtros de manga;Coletores inerciais, coletores

gravitacionais;ciclones, precipitadores eletrostáticos; torres de borrifo/enchimento ;pós-queimadores catalíticos

(catalisadores); condensadores de vapores.

CIÊNCIAS DO AMBIENTE - CAP. 13.28

Diluição de poluentes mediante o uso de chaminés altas;

CATALISADOR ou PÓS-QUEIMADOR CATALÍTICO

Emissões de automóveis

PRECIPITADOR ELETOSTÁTICO (99,5% MP)

Ionização do ar

Carregamento do MP

Migração Adesão

Legenda:Fio de carregamentoCargas elétricas Material Particulado (MP)

+ -

Emissões Industriais de MP

FILTRO DE MANGA (99,9% MP)

Emissões Industriais de MP

LAVADORES DE GÁS

Emissões Industriais de MP e outros gases solúveis

Tratamento adequado / Estudo de caso

Identificação das Fontes * Processamento de subprodutos (produção de farinhas de vísceras, penas e de carne).

PROBLEMA* Odores Desagradáveis

Caracterização do Efluente Gasoso* Compostos Sulfurados (Mercapetanas); * Compostos Nitrogenados (aminas); * Moléculas Orgânicas contendo Grupos cetona, aldeídos e ácidos carboxílicos;

• Buscar minimizar a emissão de odores gerados pela Indústria, adotando medidas de controle.

• Bioquímicos (biofiltro, bioscrubbers ou lodo ativado)

• Químicos (scrubbers químicos, oxidação térmica, catalítica ou ozonização)

ESTRATÉGIAS DE TRATAMENTO

• Físicos {condensação, adsorção (carvão ativado) e absorção}.

* Scrubbers: São colunas de absorção de troca gás/líquido

PRINCIPAIS MÉTODOS

SISTEMAS BIOQUÍMICOS: Biofiltros

Leito + microorganismos

Ar com odor(úmido)

Ar Limpo

Lixiviado

Ar com odorLeito

empacotado

Ar LimpoBiopelícul

a

Vantagens:Pouca supervisão e consumo de energia;Elimina diversos compostos

Desvantagens:Pouco controle das condições Risco de entupimento

Empregam bactérias suportadas que decompõem os compostos orgânicos presentes no efluente, empregando-os como substrato para o seu desenvolvimento.

Rota dos Gases Industriais até o Biofiltro

ExaustorUmidificador

Biofiltro

BIOSCRUBBERS

São colunas de absorção de troca gás/líquido

As colunas são recheadas com microrganismos suportados,

que são constantemente borrifados com água.

Vantagens:•Remove compostos altamente solúveis;

Desvantagens:•O efluente residual acaba

gerando odores.

Processos Biológicos: Landfarming

Baseiam-se nas propriedades físico-químicas do solo e de sua intensa atividade microbiana, (biodegradação) e fixação dos gases

Minimizando os riscos de contaminação ambiental. Aplicações controladas na superfície ou no interior do

solo, acompanhada por práticas de manejo e monitoramentos constantes,

- Evitar lixiviação de lençóis freáticos.

QUÍMICOS: SCRUBBER

Os gases contaminados são

injetados pela parte inferior do tanque. Ao fluírem verticalmente para cima entram em contato com o líquido de limpeza (reativo), o

qual encontra-se disperso mediante

borrifação.

Desvantagem: •O Efluente líquido

gerado deve ser tratado

QUÍMICOS: OZÔNIO

O processo baseia-se no elevado poder oxidante do O3.

Comumente empregado em série com outros métodos,

como o lodo ativado.

VANTAGENS:•É isento de resíduos;

•Não há risco de transporte, pois sua produção é local.

DESVANTAGEM:Custo elevado

FÍSICOS: ADSORÇÃO POR CARVÃO ATIVADO

• Sua elevada área superficial facilita a adsorção da maioria dos

compostos gasosos.

• Concentra os poluentes;

• Necessita de um tratamento (pirólise), ou descartado como

resíduo.

•Elevada eficiência (100%)

MANAHAN, S.E. Fundamentals of Environmental Chemistry. Lewis Publishers, London. 1993. 844 p.

LENZI, E. FAVERO, L. O. B. Introdução à Química da Atmosfera - Ciência Vida e Sobrevivência. Rio de Janeiro (RJ): LTC, 2011. 465 p.

BAIRD, C.; CANN, M. Química Ambiental. 4. ed. Porto Alegre (RS): Bookman, 2011.

Emissões veiculares no estado de São Paulo 2011 / CETESB Disponível em:<http://www.cetesb.sp.gov.br/ar/emissao veicular>. Acesso em: 11 nov. 2014 às 23:40h.

Referências

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MAPA DAS EMISSÕES. Disponível em: <http://meioambiente.cptec.inpe.br/>. Acesso em: 11 mar. 2015 às 10:25h.

EFEITO ESTUFA. Disponível em: <http://videoseducacionais.cptec.inpe.br>. Acesso em: 11 mar. 2015 às 10:25h.

PROTOCOLO DE KYOTO. Disponível em: <http://vestibular.uol.com.br/resumo-das-disciplinas/atualidades/meio-ambiente-enfraquecido-protocolo-de-kyoto-e-estendido-ate-2020.htm>. Acesso em: 11 mar. 2015 às 10:25h.

Referências (vídeos e Notícias)

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