MINISTRIO DA EDUCAO SECRETARIA DE EDUCAO PROFISSIONAL E

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO SECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA C MPUS 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 H 2 O, C, N, S, P e O O que deve conter: biotas envolvidas (litosfera, hidrosfera, etc); Principais moléculas e processos físico-químicos; Um experimento que 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: 10 -12 min. Forma de apresentação: Livre e criativo (slides, resumo, Pôster, maquete, vídeos e experimentos demonstrativos. Data: 07/03/17 e 09/03/17 2

Centrando nosso Estudo

INTERRELAÇÃO ENTRE AR, ÁGUA, SOLO, SISTEMAS BIOLÓGICOS E A HOMEM precipitação, vapor de água, ciclo hidrológico, energia, CO 2, O 2 ATMOSFERA Ca 2+, HCO 3 - HIDROSFERA e, al, , t N or tri as p 2 , s us rim gia n N a O nd -p lur r i f t 2, i a ias ta po xo, u g ér me l u á C en CO 2, at rbo te O 2 , m id i O 2 s op h particulado ol biomassa, vapor H 2 O ím s H 2 S a a e nutrientes, ri , ANTROPOSFERA ng gen ero é CO 2 a i t e s t a g H 2 O, nh es , (tecnologia) m er H 2 O p ar t e CO 2, O 2 s, en os ia óx st i , a t ge ico icid er as eje n m i né s, as m pri d ti , ca energia, nitrogênio água, sais LITOSFERA BIOSFERA nutrientes, matéria orgânica 4 Fonte: Adaptado de Manahan, S. E. 1993

Alguns Conceitos… Fontes Naturais e Antropogênicas; Geoquímica Biogênica Inorgânicos gasosos (CO, SOx e NOx ) Antropogênica Orgânicos gasosos (COVs) Compostos com efeitos ambientais significativos e 5 sobre a biota.

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

Monóxido de Carbono (CO) Na atmosfera encontra-se metano 2│CH 2 O│ Microorganismos anaeróbicos n CH 4 (g) + HO·(g) Metano n. CO 2 (g) + radical hidroxila n. CH 4 (g) H 3 C·(g) + H 2 O(g) radical. Alquil H 3 C·(g) + O 2(g) H 3 COO·(g) Radical metilperoxila H 3 COO·(g) + NO(g) H 2 CO·(g) + NO 2 (g) H 2 CO·(g) + O 2(g) H 2 CO(g) + HOO·(g) formaldeído H 2 CO(g) + hv Biogênica CO(g) + H 2(g) Radical metoxila Radical hidroperoxila 7

Monóxido de Carbono (CO) Combustão de material orgânico: Combustão completa: CH 3 CH 2 CH 3 (g) + 5 O 2(g) 3 CO 2 (g) + 4 H 2 O(g) propano Combustão incompleta: CH 3 CH 2 CH 3 (g) + 7/2 O 2(g) 3 CO (g) + 4 H 2 O(g) 8

Monóxido de Carbono (CO) Destino: Mais alto: Reação em cadeia com HO·(catalisador) Produzindo CO 2 Próximo ao solo: microorganismos 9

Quais os efeitos do (CO) nos seres humanos? O 2(g) Proteína com grupos Heme Fe 3+ Oxihemoglobina 10

Quais os efeitos do (CO) nos seres humanos? Afinidade da hemoglobina pelo CO = 210 vezes >70% C≡ Fe 3+ Oxihemoglobina O Fe 2+ Carboxihemoglobina 11

Óxido de Enxofre IV (SO 2) SO 2 na atmosfera? Ciclo na natureza 12

Chuva Ácida • A queima de combustíveis (carvão e derivados de petróleo) principais causas de SO 2 na atmosfera • O SO 2 oxidar SO 3 + H 2 O H 2 SO 4 Responsáveis pela chuva ácida 13

Efeitos da Chuva Ácida na Biosfera • É mais ácida (próximo p. H 4) que o normal (p. H 5) • Comunidades ecológicas; • Quando o p. H < 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; 14

Chuva Ácida • A chuva ácida reage com metais e carbonatos, como o mármores e calcários, dando prejuízos de bilhões de dólares anualmente; ? ? ? Ca. CO 3(s) + H 2 SO 4(aq) Ca. SO 4(aq) + H 2 CO 3 15

Óxido de Enxofre IV (SO 2) Efeitos do SO 2 Não apresenta propriedades carcinogênicas 16

A ATMOSFERA Importante! Conhecer as características da atmosfera (composição físico – química) Poluentes Diluição Dispersão 17

A ATMOSFERA: Composição química 18

A ATMOSFERA : Composição química O Estudo de poluição do ar é feito no âmbito da baixa 19 atmosfera (troposfera e estratosfera), porquê?

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 20

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. 21

A ATMOSFERA: Composição química Tipos de poluentes Poluentes primários Encontram-se no ar da mesma forma em que foram emitidos pela fonte HC – hidrocarbonetos MP – Material particulado COx SOx NOx HC MP H 2 SO 4 HNO 3 H 2 CO 3 COV’s organoperóxidos Poluentes secundários Formam-se a partir da interação entre dois poluentes primários ou entre primários e os constituintes normais do ar. (reações fotoquímicas) 22

A ATMOSFERA: Principais poluentes Poluente Origem Combustão incompleta de materias CO carbonatdos. Os veículos automotores constituem a principal fonte Monitoramento Espectrofotometria de infravermelho (IV) não -dispersivo Ocorre naturalmente, mas também é CO 2 produzido na combustão de materiais carbonados para (IV) não-dispersivo produção de energia. Queimadas. Produzido naturalmente pelos vulcões. NOx Queima de combustíveis fósseis. Queimadas. Evaporação e queima de combustíveis HC fósseis em veículos automotores e na indústria Método da quimioluminescência Método da ionização de chama GC-FID 23

A ATMOSFERA: Principais poluentes Poluente Origem Monitoramento Produzido naturalmente pelos SO 2 vulcões. Queima de combustíveis fósseis. IV não-dispersivo Processos industriais Material Particulado (MP) Indústrias, mineração, veículos, queimadas e construção civil. IV não-dispersivo 24

Análise de Infravermelho (IV) https: //www. youtube. com/watch? v=Wuk. Ldua. Dk. U 0

Infravermelho (IV) Instrumentação: Fonte de IV • A radiação é produzida por um filamento (óxido metálico Zr, Tório ou Césio ) ou carbeto de silício (CSi). . 1000 – 1800 o. C • 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.

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

O que é Análise de Infravermelho (IV) https: //www. youtube. com/watch? v=BYCa. ANLWv 3 I

Análise de Infravermelho (IV): Inferogramas e interpretação 29

A ATMOSFERA: O que afeta a poluição • Fatores meteorológicos – Ventos; – Temperatura; – Precipitações; • Condições topográficas 30

A ATMOSFERA: O que afeta a poluição Dispersão 31

Efeito da dispersão na Terra: 32

Efeito da dispersão na Terra: 33

34

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; 37

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

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.

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 recémnascidos; 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; 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 equipamentos e processos; adequada dos Controle meteorológico. CIÊNCIAS DO AMBIENTE - CAP. 13. 27

PROTOCOLO DE KYOTO • Tratado internacional 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? ? ?

PROTOCOLO DE KYOTO 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 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); 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 + Legenda: Fio de carregamento Cargas elétricas Material Particulado (MP) Emissões Industriais de MP Adesão -

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, térmica, catalítica ou ozonização) • Físicos {condensação, ativado) e absorção}. adsorção oxidação (carvão * Scrubbers: São colunas de absorção de troca gás/líquido

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

Rota dos Gases Industriais até o Biofiltro Exaustor Umidificador 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 encontrase disperso mediante borrifação. Desvantagem: • O Efluente líquido gerado deve ser tratado

QUÍMICOS: OZÔNIO O processo baseia-se no elevado poder oxidante do O 3. 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: 40 h. 67

Referências (vídeos e Notícias) MAPA DAS EMISSÕES. Disponível em: <http: //meioambiente. cptec. inpe. br/>. Acesso em: 11 mar. 2015 às 10: 25 h. EFEITO ESTUFA. Disponível em: <http: //videoseducacionais. cptec. inpe. br>. Acesso em: 11 mar. 2015 às 10: 25 h. PROTOCOLO DE KYOTO. Disponível em: <http: //vestibular. uol. com. br/resumo-dasdisciplinas/atualidades/meio-ambiente-enfraquecido-protocolo-de-kyoto-eestendido-ate-2020. htm>. Acesso em: 11 mar. 2015 às 10: 25 h. 68