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 marcel.piovezan@ifsc.edu.br Curso Técnico Concomitante em Análises Químicas Unidade Curricular: Química Ambiental

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: 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 2

Centrando nosso Estudo

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. 1993. 844 p. energia, nitrogênio água, sais GEOSFERA BIOSFERA nutrientes, matéria orgânica 4 Fonte: Adaptado de Manahan, S.E. 1993 4

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

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

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

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

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

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

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

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

Quetionando a prática: Óxido de Enxofre IV (SO2) Demonstrando a presença de SO2 na atmosfera Quetionando 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

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

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

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

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

A ATMOSFERA 18

A ATMOSFERA: Composição química 19

A ATMOSFERA: Composição química 20

A ATMOSFERA : Composição química O Estudo de poluição do ar é feito no âmbito da baixa atmosfera (troposfera e estratosfera), porque? 21

A ATMOSFERA : Composição química Componente Ar normal ar poluído Nitrogênio 78,09% Oxigênio 20,94% Argônio 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 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. H2SO4 Poluentes primários Poluentes secundários CO2 Formam-se a partir da interação entre dois poluentes primários ou entre primários e os constituintes normais do ar. Encontram-se no ar da mesma forma em que foram emitidos pela fonte 23

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

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

A ATMOSFERA: O que afeta a poluição Fatores meteorológicos Ventos; Temperatura; Precipitações; Condições topográficas 26

A ATMOSFERA: O que afeta a poluição 27

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

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)

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; 30

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

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.

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

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

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

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

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)

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

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

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;

VEGETAÇÃO PROTETORA x POLUIÇÃO DO AR CIÊNCIAS DO AMBIENTE - CAP. 13.18

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. 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 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???

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 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 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. 13.28

CATALISADOR ou PÓS-QUEIMADOR CATALÍTICO Emissões de automóveis

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

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 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;

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

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.

Rota dos Gases Industriais até o Biofiltro Exaustor Umidificador Biofiltro

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.

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.

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

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

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%)

Referências 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. 60

Referências (vídeos e Notícias) 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. 61