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Introdução a Engenharia Ambiental Eng. Vinicius Braga Pelissari Recursos Atmosféricos Composição da Atmosfera Terrestre Outros Gases Neônio, Criptônio, Hidrogênio, Metano, Dióxido de Nitrogênio Outros Componentes Vapor d‟água, Cristais de Sal, Material Particulado Orgânico e Inorgânico • Os gases tem papel fundamental nas reações químicas que ocorrem na atmosfera – Química da Atmosfera;‟ • O vapor d‟água e as partículas sólidas em suspensão (núcleos higroscópios) no ar tem fundamental importância no ciclo hidrológico (fenômeno da coalescência). O Meio Atmosférico As Camadas da Atmosfera – Estratificação Térmica Troposfera: caracteriza-se pelo rápido decréscimo da temperatura com a altitude (0,65°C por 100m) e pelo intenso transporte vertical de contaminantes; Estratosfera: aumento da temperatura com a altitude e lento transporte vertical de contaminantes - Ozonosfera; Mesosfera: rápido decréscimo da temperatura (-90°C); Termosfera: Absorve baixos comprimentos de radiação (N2 e O). Importante para as telecomunicações. O Meio Atmosférico Variação da Pressão com a Altura na Atmosfera O Meio Atmosférico Movimentos de Grande Escala na ATM – Gradiente de Pressão O Meio Atmosférico Segundo a ABNT poluição do ar é a alteração da composição ou das propriedades do ar por toda e qualquer forma de matéria e/ou energia, estranha ou não a sua composição normal que possa ou venha a causar: - danos á saúde do homem, fauna, flora e materiais; - prejuízos a segurança, ao uso e gozo da propriedade, à economia e ao bem estar da comunidade. Substância µg/m3 ppm (em volume) N2 8.95 10 780.900 O2 82.74 10 209.400 CO2 75.67 10 315 He 8.50 10 2 5,2 CH4 7.87 10 2 1,2 NOx 9.00 10 2 0,5 H2 4.13 10 1 0,5 sturavolumedami antentavolumedeco ppmãoConcentraç min )( sturavolumedami antetamassadocon m g ãoConcentraç min )( 3 Poluição do Ar Atmosférico A ATM é um reator químico no qual uma grande quantidade de espécies é continuamente introduzida e removida numa grande ordem de escalas espaciais e temporais. Microescala meteorológica: Fenômenos ocorrem nas escalas de ordem até 100 m como, por exemplo, a dispersão atmosférica de contaminantes provenientes de chaminés ou de construções. Mesoescala meteorológica: Fenômenos ocorrem nas escalas de 10 a 100 Km, onde acontecem as brisas marinhas e terrestres, ventos de vales e montanhas e altas e baixas pressões migratórias. Macroescala meteorológica: Sinótica: fenômenos que ocorrem desde centenas a milhares de quilômetros (por exemplo: zonas de alta e baixa pressão e frentes frias). Global: fenômenos que ocorrem em escalas acima de 5 103km. Escalas de Poluição do Ar Atmosférico Escalas de Tempo e de Comprimento que ocorrem na ATM Escala local • Escala vertical do problema - 100 m • Escala de tempo- horas Escala Urbana • Escala vertical do problema - 2km • Escala de tempo- dias Escalas de Poluição do Ar Atmosférico Escalas de Tempo e de Comprimento que ocorrem na ATM Escala Regional • Escala vertical do problema: troposfera • Escala de tempo: meses Escala Continental • Escala vertical do problema: estratosfera • Escala de tempo: anos Escalas de Poluição do Ar Atmosférico Escalas de Tempo e de Comprimento que ocorrem na ATM Escala Global Escala vertical do problema: atmosfera Escala de tempo: décadas Escalas de Poluição do Ar Atmosférico Escalas de Tempo e de Comprimento que ocorrem na ATM Escalas de Poluição do Ar Atmosférico Os poluentes do ar são classificados em primários e secundários: Os primários são aqueles lançados diretamente na ATM (SO2; NOX; CO e particulados). Os secundários formam-se na ATM por meio de reações que ocorrem devido à presença de substâncias químicas e determinadas condições físicas. O SO3, formado pelo SO2 e O2 no ar, reage com o vapor de água produzindo o ácido sulfúrico (H2SO4). • compostos de enxofre (SO2, SO3, H2S, sulfatos); • compostos de nitrogênio (NO, NO2, NH3, HNO3, nitratos); • compostos orgânicos de carbono (hidrocarbonetos, cetonas, ácidos orgânicos); • monóxido de carbono e dióxido de carbono; • compostos halogenados (HCl, HF, cloretos, fluoretos); • material particulado (mistura de compostos no estado sólido ou líquido). Principais Poluentes do Ar Fontes Pontuais: São aquelas que, devido às pequenas dimensões da sua área de lançamento, podem ser considerados um ponto em relação às demais fontes e à região impactada (chaminés). Fontes Não Pontuais: São aquelas que têm uma superfície significativa em relação as demais fontes e à região impactada (pilhas de materiais; vias; solos descobertos). Principais Fontes Poluidoras Fontes Fixas X Fontes Móveis Principais Fontes Poluidoras Principais Fontes Poluidoras Principais Fontes Poluidoras do Ar Monóxido de Carbono (CO): Composto gerado principalmente nos processos de combustão de combustíveis fósseis (veículos). Combina-se com a hemoglobina do sangue, ocupando o lugar do oxigênio, causando morte por asfixia. A exposição prolongada pois produz efeitos nocivos nos sistemas nervoso central, cardiovascular, pulmonar e outros. Hidrocarbonetos: São gases e vapores de odor desagradável (similar à gasolina ou diesel), irritantes dos olhos, nariz, pele e trato respiratório superior (câncer), resultantes da combustão incompleta e evaporação de combustíveis. Óxidos de Nitrogênio (NOx): O dióxido de nitrogênio (NO2) é altamente tóxico ao homem, aumentando a susceptibilidade às infecções respiratórias. A principal fontes de óxidos de nitrogênio são os processos de combustão, além de serem gerados por processos de descargas elétricas na atmosfera. Efeito dos Poluentes Óxidos de Enxofre (SOx): São produzidos pela queima de combustíveis que contenham enxofre em sua composição. O dióxido de enxofre (SO2), mesmo em concentrações muito baixas, provoca espasmos passageiros dos músculos lisos dos bronquíolos pulmonares. Pode aumentar a incidência de rinite, faringite e bronquite. Dióxido de Carbono (CO2): principal composto resultante da combustão de combustíveis fósseis e de outros materiais combustíveis que contenha carbono. O CO2 é um dos responsáveis pelo efeito estufa. Efeito dos Poluentes Material Particulado (MP): São as partículas de material sólido e líquido capazes de permanecer em suspensão, como é o caso da poeira, fuligem, partículas de óleo e pólen. O MP pode ser classificado, de acordo com o tamanho das partículas em: partículas totais em suspensão (PTS) e partículas inaláveis. As partículas totais em suspensão são, a grosso modo, todas as partículas menores do que 100 microns (um mícron é a milésima parte do milímetro). As partículas inaláveis podem ser classificadas como PM10 e PM2,5. As partículas inaláveis causam irritação nos olhos e garganta, reduzindo a resistência às infecções, provocando doenças crônicas. Efeito dos Poluentes EXERCÍCIOS 1) Explique como os movimentos de massa horizontal e vertical ocorrem na ATM. 2) Quais os tipos de fontes de poluição atmosférica? Dê exemplo. 3) Diferencie poluente primário de poluente secundário. 4) Dentro da descrição e classificação de poluentes, suas fontes e efeitos que possam causar a saúde dê exemplos dos seguintes compostos: a - H2S; b - H2SO4; c - NH3; d – Nox; e - CO2. 5 - Com relação a material particulado, relacione o tamanho da partículacom o impacto que a mesma poderá causar na saúde humana desde partículas grossas a partículas ultrafinas. 6 – Explique as escalas de tempo e comprimento da poluição do ar. Recursos Atmosféricos Efeito Estufa • Processo natural responsável por manter a temperatura média do planeta próxima dos 15°C em virtude da presença dos chamados “gases estufa” (CO2, metano, óxido nitroso, CFC, ozônio, etc.). • A emissão de gases em grande quantidade pelo homem aumenta a quantidade de energia mantida na ATM devido a absorção do calor refletido ou emitido pela superfície do planeta, o que provoca a elevação da temperatura da Terra (ATM natural x gases estufa). • Supõe-se que, além de provocar modificações climáticas, o aquecimento da terra pode causar a elevação do nível dos oceanos, afetando todas as formas de vida. Poluição Global Efeito Estufa Poluição Global Na ECO-92 e Kyoto-97 foi desenvolvido o “Clean Development Mechanism – CDM visando a diminuição dos gases estufa (controle do efeito estufa). • Os países industrializados, por meio de compensação financeira a países específicos em vias de desenvolvimento, ganham créditos para ultrapassar suas cotas de emissão estabelecidas (1ton de carbono custará entre US$ 10 a US$ 100); • Os recursos recebidos pelos países em desenvolvimento devem ser, obrigatoriamente, aplicados em projetos que promovam o “seqüestro de carbono” da atmosfera com a promoção de reflorestamentos. A madeira produzida não poderá ser utilizada como lenha nem em qualquer outra forma de combustão para evitar o retorno do carbono seqüestrado a ATM; • Os países em desenvolvimento deverão emitir os “Certificados de Redução de Emissão de Carbono” para serem negociados com os países industrializados. Efeito Estufa Poluição Global Camada de Ozônio • A camada de ozônio (O3) da ATM situa-se entre quinze e cinqüenta quilômetros de altitude, ela tem a capacidade de „filtrar‟ as radiações solares, impedindo que grande parte das radiações ultravioleta chegue até a superfície do solo. O O3 presente funciona como um atenuador da radiação ultravioleta, utilizando a energia desse tipo de radiação nas reações químicas Associadas aos processos de formação e destruição dele mesmo. Poluição Global • Os países desenvolvidos já estão se mobilizando no sentido de diminuir o uso de CFCs. O principal evento neste caminho, foi o „Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer‟ (UNEP 1987), onde foi assinado um documento por vários países e estabeleceu um cronograma para diminuir o uso de CFC no mundo. • Os países desenvolvidos são responsáveis pelo uso de 67% do CFCs a nível mundial. Em 1990 uma nova reunião em Londres decidiu pela eliminação total dos CFCs até o ano 2000 nos países desenvolvidos e 2010 nos subdesenvolvidos. Entretanto, isso não se verificou até o presente. Camada de Ozônio Poluição Global • Os gases nitrogenados e sulfonados produzidos por uma série de atividades da sociedade moderna reagem com o vapor d‟água na atmosfera produzindo ácidos (nítrico e sulfúrico). Esses, por sua vez, precipitam-se nos solos pela ação da chuva. - considera-se ácida a chuva que apresenta pH inferior a 5,6; - chuvas em regiões industriais da Europa e EUA chegam a apresentar pH da ordem de 3; - na região amazônica já se verificam chuvas com pH de 4,7 devido à formação de ácido sulfídrico proveniente da oxidação do H2S produzido nos alagados da região ou à formação de ácidos orgânicos (fórmico e acético) na queima da biomassa. Chuva Ácida Poluição Global Problemas ocasionados pela chuva ácida • Perdas de produtividade na agricultura provenientes da acidificação de solos; • Acidificação da água, principalmente em lagos e reservatórios para o abastecimento e produção de energia elétrica; • Destruição de obras civis e monumentos. • A chuva ácida deixa de ser local para ser global quando emissões de uma determinada região podem gerar deposições ácidas em outras (conflitos internacionais). Estima-se que 50% da chuva ácida do Canadá provem dos Estados Unidos. Chuva Ácida Poluição Global Os problemas de poluição local são formados por episódios críticos de poluição em cidades e dependem dos poluentes que são gerados e das condições climáticas existentes para sua dispersão (smog industrial e fotoquímico). • Smog é um termo que combina as palavras “smoke” e “fog” (fumaça e neblina). • O smog ocorre quando a poluição ocorre em combinação com gotículas de vapor de água. Poluição Local Smog Industrial • É típico de regiões frias e úmidas. Os picos de concentração ocorrem exatamente no inverno, em condições climáticas adversas para a dispersão dos poluentes. • Esse tipo de smog predomina em regiões industriais onde é intensa a queima de óleo. Seus principais componentes são o SO2 e o material particulado. smog industrial x inversão térmica Poluição Local Smog Fotoquímico • É típico de regiões ensolaradas, quentes, de clima seco. O principal agente poluidor são os veículos que geram uma série de poluentes (NOx, CO). • Esses gases sofrem várias reações na Atmosfera por efeito da radiação solar (fotoquímico), formando novos compostos. Sua principal característica é a cor avermelhada/marrom e seu pico de concentração ocorre por volta das 10 ou 12 horas. Poluição Local • Perfil térmico (adiabático) da atmosfera tem relação direta com a capacidade de dispersão de poluentes por mistura vertical; Gradiente de Temperatura Adiabático Seco = -1°C por 100m de altura • Quando a temperatura da ATM diminui mais rápido que a adiabática, ela é dita superadiabática. Se um poluente for lançado numa certa altitude, a tendência é que ele passe para uma outra altitude, afastando-se da posição inicial. Essa é a condição desejada por dispersar rapidamente os poluentes. Dispersão de Poluentes na ATM • Se a temperatura da ATM diminui mais lentamente do que a adiabática, é dita subadiabática, e nesse caso ela tende a permanecer estável. Esta situação não proporciona a mistura vertical, dada a estabilidade do ar, diminuindo o potencial de dispersão da ATM; • O caso extremo é quando a temperatura da ATM aumenta com a altitude (inversão térmica). Neste caso a ATM é extremamente estável (poluição aumenta). Dispersão de Poluentes na ATM As inversões térmicas ocorrem na sua maioria por dois mecanismos: por radiação e por subsidência. • Inversão por Radiação: ocorre na maioria das vezes no inverno. A inversão ocorre em altitudes da ordem de 100m. Esse tipo de inversão não ocorre em dias nublados. Dispersão de Poluentes na ATM • Inversão por Subsidência: ocorre em altitudes maiores e dura alguns dias. Deve-se ao fenômeno de subsidência (correntes de ar descendentes) formado pela diferença de pressão existente entre grandes massas de ar que se deslocam na ATM. As zonas propícias para a formação dessas correntes verticais descendentes localizam-se próximas as latitudes de 30° norte e sul. Dispersão de Poluentes na ATM O estudo de como o meio atmosférico transporta e dispersa os poluentes nele lançados está relacionado com o estudo da pluma de poluentes emitidos por uma chaminé. Desprezando-se as diferenças de densidades entre os poluentes e o ar, a velocidade de saída dos poluentes da chaminé e a sedimentação dos poluentes (MP), a forma da pluma de poluentes emitidospor uma chaminé pode ser classificada de acordo com o perfil de temperatura da atmosfera: Dispersão de Poluentes na ATM A pluma do tipo looping ocorre numa situação em que o perfil térmico é superadiabático (dias claros com muita insolação - muita turbulência). Os turbilhões (eddies) dispersam rapidamente a nuvem de poluição. Locais próximos a fonte podem ocorrer altos índices de poluição Dispersão de Poluentes na ATM A pluma conning ocorre quando o perfil é subadiabático (dias nublados e com ventos moderados). Sua dispersão é menor que o da pluma looping. Provoca o aumento da concentração de poluentes nas proximidades do solo, em locais bem distantes da fonte. Dispersão de Poluentes na ATM A pluma fanning ocorre quando toda a massa de poluentes está contida numa camada de inversão. A mistura vertical quase inexiste devido a estabilidade do ar. A mistura horizontal é também muito pequena devido a falta de ventos. Não provoca grandes concentrações em baixas altitudes. Dispersão de Poluentes na ATM A pluma lofting ocorre quando o lançamento dos efluentes é feito acima da camada de inversão. Ocorre ao anoitecer, quando a inversão por radiação se inicia. A pluma fumigation ocorre pela quebra da inversão por radiação, dura 30 a 60 minutos. Dispersão de Poluentes na ATM A pluma trapping ocorre quando os poluentes ficam retidos entre duas camadas de inversão. • No geral, chaminés localizadas em locais de clima quente e seco irão exibir comportamento looping ao entardecer e, dependendo da sua altura, lofting ou fanning nas primeiras horas da manhã. Em clima úmido e dia nublado pode gerar condições para a pluma conning. Dispersão de Poluentes na ATM Além dos processos de mistura em função da turbulência vertical (temperatura), ocorre o transporte horizontal, que depende do movimento dos ventos (advecção). O movimento dos ventos depende de forças de pressão, da força de coriolis e de forças de atrito. Dispersão de Poluentes na ATM A legislação brasileira de qualidade do ar segue muito de perto as leis norte-americanas elaboradas pelo Environmental Protection Agency – EPA (National Ambient Air Quality Standart – NAAQS). Padrões de Qualidade do Ar Padrões de Qualidade do Ar Nível de Atenção: decréscimo da resistência física e significativo agravamento dos sintomas em pessoas cardíacas; pessoas idosas ou com doenças cardíacas devem reduzir as atividades físicas e permanecer em casa. Padrões de Qualidade do Ar Nível de Alerta: aparecimento prematuro de certas doenças, além de significativo agravamento de sintomas. Decréscimos da resistência física em pessoas saudáveis; idosos e pessoas com enfermidades devem permanecer em casa e evitar esforço físico. A população em geral deve evitar atividades exteriores. Padrões de Qualidade do Ar Nível de emergência: morte prematura de idosos e pessoas doentes. Pessoas saudáveis podem acusar sintomas adversos que afetam sua atividade normal; todas as pessoas devem permanecer em casa, mantendo as portas e janelas fechadas. Evitar o tráfego. Padrões de Qualidade do Ar Formas de Controle da Poluição do Ar - Melhorar a eficiência dos sistemas de combustão; - Substituir o combustível fóssil por outras fontes de energia; - Queimar carvão liquefeito ou gaseificado em vez do carvão sólido; - Desestimular o uso do automóvel particular e incentivar o uso do transporte coletivo público; - Implementar dispositivos nos veículos de transporte a fim de diminuir a emissão do MP e; - Remover o MP da fumaça emitida pelas chaminés. Controle da Qualidade do Ar - Precipitadores eletrostáticos: remove até 99,5% da massa total de particulado, sem remover partículas finas; - Filtros de manga ou de tecido: remove até 99,9% de particulado, incluindo partículas finas; Equipamentos de Controle da Poluição - Separador ciclônico: remove de 50 a 90% de partículas grandes, mas muito pouco do material médio e fino; - Lavadores de gás: remove até 99,5% de particulado, mas não o material fino. Remove de 80 a 95% de SO2. Equipamentos de Controle da Poluição EXERCÍCIOS 7) Explique o que é a destruição da camada de ozônio associada com as reações que ocorrem entre o ozônio e os gases lançados na atmosfera. 8) Explique o que é efeito estufa. Em que condições ele pode ser considerado maléfico? Quais são os mais conhecidos “gases estufas”? 9) Contextualize o termo “Crédito de Carbono”. 10) A contaminação de ambientes internos também é considerada um tipo de poluição ambiental. Quais as características desse tipo de poluição? 11) Explique como o gradiente de temperatura da ATM relaciona-se com a dispersão dos poluentes. 12) O que é inversão térmica. Recursos Atmosféricos
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