QUÍMICA DA ATMOSFERA Prof. Marcel Piovezan

Apresentação em tema: "QUÍMICA DA ATMOSFERA Prof. Marcel Piovezan"— Transcrição da apresentação:

1 QUÍMICA DA ATMOSFERA Prof. Marcel Piovezan
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO SECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA CÂMPUS LAGES QUÍMICA DA ATMOSFERA Prof. Marcel Piovezan Curso Técnico Concomitante em Análises Químicas Unidade Curricular: Química Ambiental

2 Proposta de seminário (Apresentação)
Tema Central: Ciclos biogeoquímicos Ciclo da H2O, C, N, S e O 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 no Ciclo natural. Efeitos causados pela ação antropogênica. Componentes por grupo: 2, máx. 3 Tempo de apresentação: min. Forma de apresentação: Livre e criativo (slides, resumo, Pôster, maquete, vídeos, experimentos demonstrativos, etc…) Data: 03/03/16 e 08/03/16 2

3 Centrando nosso Estudo

4 INTERRELAÇÃO ENTRE AR, ÁGUA, SOLO, SISTEMAS BIOLÓGICOS E A HOMEM
precipitação, vapor de água, ciclo hidrológico, energia, CO2, O2 ATMOSFERA HIDROSFERA transporte, água industrial, matérias-primas, hidrometalurgia N2 ,N fixo, CO2, O2, poluentes CO2, O2 vapor H2O particulado H2S CO2 H2O biomassa, nutrientes, H2O, CO2, O2 ANTROPOSFERA (tecnologia) Ca2+, HCO3- biopolímeros, pesticidas, agentes tóxicos, engenharia genética minerais, matérias- primas, energia, dejetos MANAHAN, S.E. Fundamentals of Environmental Chemistry. Lewis Publishers, London p. energia, nitrogênio água, sais LITOSFERA BIOSFERA nutrientes, matéria orgânica 4 Fonte: Adaptado de Manahan, S.E. 1993 4

5 Fontes Naturais e Antropogênicas;
Alguns Conceitos… Fontes Naturais e Antropogênicas; Geoquímica Biogênica Inorgânicos gasosos (CO, SOx e NOx ) Orgânicos gasosos (COVs) Biogenica: microrganismos anaeróbicos em processos vitais Geoquimica:fenomenos da natureza Antropogenica: processos da ação humana Antropogênica Compostos com efeitos ambientais significativos e sobre a biota. 5 5

6 Monóxido de Carbono (CO)
Origem e fonte: Superfície terrestre Antropogênica (50 – 60%) Biogênica 6

7 Radical metilperoxila Radical hidroperoxila
Monóxido de Carbono (CO) Na atmosfera encontra-se metano 2│CH2O│ n nCO2 (g) + nCH4 (g) Microorganismos anaeróbicos Biogênica CH4 (g) + HO·(g)  H3C·(g) + H2O(g) Metano radical radicalAlquil hidroxila Radical metilperoxila H3C·(g) + O2(g)  H3COO·(g) H3COO·(g) + NO(g)  H2CO·(g) + NO2 (g) Radical metoxila H2CO·(g) + O2(g)  H2CO(g) + HOO·(g) formaldeído Radical hidroperoxila H2CO(g) + hv  CO(g) + H2(g) 7

8 Monóxido de Carbono (CO)
Combustão de material orgânico: Combustão completa: CH3CH2CH3 (g) + 5O2(g)  3CO2 (g) + 4H2O(g) propano Combustão incompleta: CH3CH2CH3 (g) + 7/2 O2(g)  3CO (g) + 4H2O(g) 8

9 Monóxido de Carbono (CO)
Destino: Mais alto: Reação em cadeia com HO·(catalisador) Produzindo CO2 Próximo ao solo: microorganismos 9

10 Quais os efeitos do (CO) nos seres humanos? O2(g)
Proteína com grupos Heme O monóxido de carbono, CO, é um sério problema à saúde humana, através das hemácias, que contém a hemoglobina, responsável pelo transporte de oxigênio às células do corpo; A afinidade da hemoglobina humana pelo CO é 210 vezes maior do que pelo O2, ou seja, o CO se liga à hemoglobina formando a carboxiemoglobina, inativando fração significativa de hemogloblina no sangue e fragilizando o transporte de oxigênio; Fe3+ Oxihemoglobina 10 10

11 Afinidade da hemoglobina
Quais os efeitos do (CO) nos seres humanos? Afinidade da hemoglobina pelo CO = 210 vezes >70% Fe2+ C ≡ O Fe3+ O monóxido de carbono, CO, é um sério problema à saúde humana, através das hemácias, que contém a hemoglobina, responsável pelo transporte de oxigênio às células do corpo; A afinidade da hemoglobina humana pelo CO é 210 vezes maior do que pelo O2, ou seja, o CO se liga à hemoglobina formando a carboxiemoglobina, inativando fração significativa de hemogloblina no sangue e fragilizando o transporte de oxigênio; Oxihemoglobina Carboxihemoglobina 11 11

12 Óxido de Enxofre IV (SO2)
SO2 na atmosfera? Pg 158 livro Ciclo na natureza 12 12

13 Questionando a prática:
Óxido de Enxofre IV (SO2) Demonstrando a presença de SO2 na atmosfera Questionando a prática: Que reações químicas ocorreram? Do que é composta a névoa esbranquiçada observada? Por que a flor mudou de aspecto? O que ocorreu? Pg 158 livro 13 13

14 Responsáveis pela chuva ácida
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 14 14

15 Efeitos da Chuva Ácida na Biosfera
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; 15 15

16 Chuva Ácida 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 16 16

17 Óxido de Enxofre IV (SO2)
Efeitos do SO2 Não apresenta propriedades carcinogênicas Pg 158 livro 17 17

18 A ATMOSFERA Importante!
Conhecer as características da atmosfera (composição físico – química) Poluentes  Diluição  Dispersão 18

19 A ATMOSFERA: Composição química
19

20 A ATMOSFERA : Composição química
O Estudo de poluição do ar é feito no âmbito da baixa atmosfera (troposfera e estratosfera), porquê? 20

21 A ATMOSFERA : Composição química
Componente Ar normal ar poluído Nitrogênio 78,09% Oxigênio 20,94% Argônio 0,93% Dióxido de carbono ppm ppm Monóxido de carbono 0,12-0,9 ppm 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 Um fenômeno interessante na atmosfera é o da inversão térmica, ocasião na qual a ação dos poluentes do ar pode ser bastante agravada. A coisa funciona assim: normalmente, o ar próximo à superfície do solo está em constante movimento vertical, devido ao processo convectivo (correntes de convecção). A radiação solar aquece a superfície do solo e este, por sua vez, aquece o ar que o banha; este ar quente é menos denso que o ar frio, desse modo, o ar quente sobe (movimento vertical ascendente) e o ar frio, mais denso, desce (movimento vertical descendente).  Este ar frio que toca a superfície do solo, recebendo calor dele, esquenta, fica menos denso, sobe, dando lugar a um novo movimento descendente de ar frio. E o ciclo se repete. O normal, portanto, é que se tenha ar quente numa camada próxima ao solo, ar frio numa camada logo acima desta e ar ainda mais frio em camadas mais altas porém, em constantes trocas por correntes de convecção. Esta situação normal do ar colabora com a dispersão da poluição local. Na inversão térmica, condições desfavoráveis podem, entretanto, provocar uma alteração na disposição das camadas na atmosfera. Geralmente no inverno, pode ocorrer um rápido resfriamento do solo ou um rápido aquecimento das camadas atmosféricas superiores. Quando isso ocorre, o ar quente ficando por cima da camada de ar frio, passa a funcionar como um bloqueio, não permitindo os movimentos verticais de convecção: o ar frio próximo ao solo não sobe porque é o mais denso e o ar quente que lhe está por cima não desce, porque é o menos denso. Acontecendo isso, as fumaças e os gases produzidos pelas chaminés e pelos veículos não se dispersam pelas correntes verticais. Os rolos de fumaça das chaminés assumem posição horizontal, ficando nas proximidades do solo. A cidade fica envolta numa “neblina” e conseqüentemente a concentração de substâncias tóxicas aumenta muito. 21 21

22 A ATMOSFERA: Composição química
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. 22

23 A ATMOSFERA: Composição química MP – Material particulado
Tipos de poluentes H2SO4 HNO3 H2CO3 COV’s organoperóxidos Poluentes primários COx SOx NOx HC MP Encontram-se no ar da mesma forma em que foram emitidos pela fonte Poluentes secundários Formam-se a partir da interação entre dois poluentes primários ou entre primários e os constituintes normais do ar. (reações fotoquímicas) HC – hidrocarbonetos MP – Material particulado 23

24 A ATMOSFERA: Principais poluentes
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 24

25 A ATMOSFERA: Principais poluentes
Origem Monitoramento SO2 Produzido naturalmente pelos vulcões. Queima de combustíveis fósseis. Processos industriais IV não-dispersivo Material Particulado (MP) Indústrias, mineração, veículos, queimadas e construção civil. 25

26 Análise de Infravermelho (IV)

27 Instrumentação: Fonte de IV
Infravermelho (IV) Instrumentação: Fonte de IV A radiação é produzida por um filamento (óxido metálico Zr, Tório ou Césio ) ou carbeto de silício (CSi).... O feixe de radiação é dividido por dois espelhos. os feixes atravessam células, uma correspondendo a um material de referência e outra á amostra desconhecida. 1000 – 1800 oC

28 Instrumentação: Infravermelho (IV)
Fonte Amostra Referência Combinador de Feixe Rede de Difração Detector Interferograma Consistem de cinco seções principais: Fonte de Radiação. Área de amostras. Combinador de Feixe. Rede de Difração. Detector.

29 Análise de Infravermelho (IV): Inferogramas e interpretação
29

30 Análise de Infravermelho (IV): Inferogramas e interpretação
30

31 A ATMOSFERA: O que afeta a poluição
Fatores meteorológicos Ventos; Temperatura; Precipitações; Condições topográficas 31

32 A ATMOSFERA: O que afeta a poluição
Dispersão 32

33 Efeito da dispersão na Terra:
33

34 Efeito da dispersão na Terra:
34

35 35

36 O que afeta a poluição: Ventos
Favorecem a dispersão dos poluentes, mas que em algum grau, conseguem transferir estes a outras regiões

37 O que afeta a poluição: Temperatura
Troposfera torna-se mais fria a medida que sobe Condições favoráveis a dispersão de poluentes. Quando o ar quente fica aprisionado entre duas camadas de ar frio Condições de estagnação de poluentes (INVERSÃO TÉRMICA)

38 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 Processo que normalmente retém e aglutina os poluentes; 38

39 Condições topográficas
O que afeta a poluição: Condições topográficas As irregularidades do terreno influenciam sobre o grau de dispersão de poluentes

40 Autodepuração* O que afeta a poluição:
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.

41 Consequências da poluição:
Comprometimento em níveis locais, regionais e até globais: Da saúde; Dos bens materiais; Dos recursos naturais.

42 Efeitos sobre os seres vivos e materiais
Poluente Consequências NOx Afecções 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

43 Consequências da poluição: Efeitos globais
Além da Chuva ácida; Efeito estufa; Camada de ozônio.

44 Consequências da poluição: Efeitos globais
Efeito estufa Formação: 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

45 Consequências da poluição: Efeitos globais
Degradação da camada de ozônio Características Faixa de 30 km de espessura; Altamente rarefeito; Capacidade de interagir com grande número de substâncias químicas. CFC (freon)

46 Melhorando 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

47 Medidas de controle da qualidade do ar
1. Planejamento e zoneamento territorial; 2. Redução ou eliminação da emissões; 3. Controle das emissões.

48 1.PLANEJAMENTO TERRITORIAL E ZONEAMENTO
Localização adequada da fontes poluidoras em relação a outra áreas; 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 poluentes;

49 VEGETAÇÃO PROTETORA x POLUIÇÃO DO AR
CIÊNCIAS DO AMBIENTE - CAP

50 2. 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

51 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 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???

52 Meio Ambiente: Enfraquecido, Protocolo de Kyoto é estendido até 2020
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). 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 EUA e China, juntos respondem por 40% das emissões de gases poluentes, estão isentos das responsabilidades legais aplicadas aos demais países

53 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.

54 3. CONTROLE DAS EMISSÕES Equipamentos de retenção
Diluição de poluentes mediante o uso de chaminés altas; 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

55 CATALISADOR ou PÓS-QUEIMADOR CATALÍTICO
Emissões de automóveis

56 PRECIPITADOR ELETOSTÁTICO (99,5% MP)
Ionização do ar Carregamento do MP Migração Adesão - + Legenda: Fio de carregamento Cargas elétricas Material Particulado (MP) Emissões Industriais de MP

57 FILTRO DE MANGA (99,9% MP) Emissões Industriais de MP

58 LAVADORES DE GÁS Emissões Industriais de MP e outros gases solúveis

59 Tratamento adequado / Estudo de caso
PROBLEMA * Odores Desagradáveis Identificação das Fontes * Processamento de subprodutos (produção de farinhas de vísceras, penas e de carne). Caracterização do Efluente Gasoso * Compostos Sulfurados (Mercapetanas); * Compostos Nitrogenados (aminas); * Moléculas Orgânicas contendo Grupos cetona, aldeídos e ácidos carboxílicos;

60 ESTRATÉGIAS DE TRATAMENTO
Buscar minimizar a emissão de odores gerados pela Indústria, adotando medidas de controle. PRINCIPAIS MÉTODOS Bioquímicos (biofiltro, bioscrubbers ou lodo ativado) Químicos (scrubbers químicos, oxidação térmica, catalítica ou ozonização) Físicos {condensação, adsorção (carvão ativado) e absorção}. * Scrubbers: São colunas de absorção de troca gás/líquido

61 SISTEMAS BIOQUÍMICOS : Biofiltros Vantagens:
Ar Limpo Biopelícula Ar Limpo Leito + microorganismos Leito empacotado Ar com odor Ar com odor (úmido) Vantagens: Pouca supervisão e consumo de energia; Elimina diversos compostos Desvantagens: Pouco controle das condições Risco de entupimento Lixiviado Empregam bactérias suportadas que decompõem os compostos orgânicos presentes no efluente, empregando-os como substrato para o seu desenvolvimento.

62 Rota dos Gases Industriais até o Biofiltro
Exaustor Umidificador Biofiltro

63 BIOSCRUBBERS São colunas de absorção de troca gás/líquido Vantagens:
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.

64 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.

65 O Efluente líquido gerado deve ser tratado
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

66 QUÍMICOS: OZÔNIO VANTAGENS: É isento de resíduos;
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

67 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%)

68 Referências MANAHAN, S.E. Fundamentals of Environmental Chemistry. Lewis Publishers, London p. LENZI, E. FAVERO, L. O. B. Introdução à Química da Atmosfera - Ciência Vida e Sobrevivência. Rio de Janeiro (RJ): LTC, 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:< veicular>. Acesso em: 11 nov às 23:40h. 68

69 Referências (vídeos e Notícias)
MAPA DAS EMISSÕES. Disponível em: < Acesso em: 11 mar às 10:25h. EFEITO ESTUFA. Disponível em: < Acesso em: 11 mar às 10:25h. PROTOCOLO DE KYOTO. Disponível em: < Acesso em: 11 mar às 10:25h. 69