Aula 2 Química ambiental Atmosférica

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QUÍMICA DA ATMOSFERA
Prof. Marcel Piovezan
marcel.piovezan@ifsc.edu.br
 Curso Técnico Concomitante em Análises Químicas
Unidade Curricular: Química Ambiental
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO SECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA
CÂMPUS LAGES 
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Proposta de seminário (Apresentação)
Tema Central: Ciclos biogeoquímicos
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
Ciclo da H2O, C, N, S, P e O 
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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.
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Centrando nosso Estudo
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ATMOSFERA
HIDROSFERA
BIOSFERA
LITOSFERA
ANTROPOSFERA
(tecnologia)
precipitação, vapor de água, ciclo hidrológico, energia, CO2, O2
nutrientes, matéria orgânica
biomassa, 
nutrientes, 
H2O, 
CO2, O2
particulado
H2S 
CO2 
H2O
minerais, matérias-primas, energia, dejetos
transporte, 
água industrial, matérias-primas, hidrometalurgia
N2 ,N fixo, CO2, O2, poluentes
biopolímeros, pesticidas, agentes tóxicos, engenharia genética
energia, nitrogênio
Ca2+, HCO3-
CO2, 
O2 
vapor H2O
água, sais
INTERRELAÇÃO ENTRE AR, ÁGUA, SOLO, SISTEMAS BIOLÓGICOS E A HOMEM
Fonte: Adaptado de Manahan, S.E. 1993
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Alguns Conceitos…
Fontes Naturais e Antropogênicas;
Biogênica
Antropogênica
Inorgânicos gasosos
(CO, SOx e NOx )
Orgânicos gasosos
(COVs)
Geoquímica
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Compostos com efeitos ambientais significativos e sobre a biota.
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Monóxido de Carbono (CO)
Origem e fonte:
Biogênica
Antropogênica 
(50 – 60%)
Superfície terrestre
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Monóxido de Carbono (CO)
Biogênica
Na atmosfera encontra-se metano
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 hidroperoxila
formaldeído
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Monóxido de Carbono (CO)
Combustão de material orgânico:
CH3CH2CH3 (g) + 5O2(g)  3CO2 (g) + 4H2O(g)
propano
Combustão incompleta:
Combustão completa:
CH3CH2CH3 (g) + 7/2 O2(g)  3CO (g) + 4H2O(g)
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Monóxido de Carbono (CO)
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+
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Quais os efeitos do (CO) nos seres humanos? 
Afinidade da hemoglobina 
pelo CO = 210 vezes
 >70% 
Oxihemoglobina
Fe3+
Carboxihemoglobina
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Óxido de Enxofre IV (SO2)
Ciclo na natureza
SO2 na atmosfera? 
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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
???
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Óxido de Enxofre IV (SO2)
Efeitos do SO2
Não apresenta propriedades carcinogênicas
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A ATMOSFERA
Importante!
Conhecer as características da atmosfera (composição físico – química)
Poluentes  Diluição  Dispersão
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A ATMOSFERA: Composição química
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A ATMOSFERA : Composição química
O Estudo de poluição do ar é feito no âmbito da baixa atmosfera (troposfera e estratosfera), porquê?
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A ATMOSFERA : Composição química
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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. 
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A ATMOSFERA: Composição química
Tipos de poluentes
Formam-se a partir da interação entre dois poluentes primários ou entre primários e os constituintes normais do ar.
(reações fotoquímicas)
Poluentes primários 
H2SO4
HNO3
H2CO3
COV’s
organoperóxidos
COx
SOx
NOx
HC
MP
Encontram-se no ar da mesma forma em que foram emitidos pela fonte
Poluentes secundários 
HC – hidrocarbonetos
MP – Material particulado
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A ATMOSFERA: Principais poluentes
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A ATMOSFERA: Principais poluentes
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Análise de Infravermelho (IV)
https://www.youtube.com/watch?v=WukLduaDkU0
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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
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Instrumentação:
Consistem de cinco seções principais:
Fonte de Radiação.
Área de amostras. 
Combinador de Feixe.
Rede de Difração.
Detector.
Infravermelho (IV)
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O que é Análise de Infravermelho (IV)
https://www.youtube.com/watch?v=BYCaANLWv3I
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Análise de Infravermelho (IV): Inferogramas e interpretação
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A ATMOSFERA: O que afeta a poluição
Fatores meteorológicos
Ventos;
Temperatura;
Precipitações;
Condições topográficas
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A ATMOSFERA: O que afeta a poluição
Dispersão
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Efeito da dispersão na Terra:
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Efeito da dispersão na Terra:
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 O que afeta a poluição: Ventos
Favorecem a dispersão dos poluentes, mas que em algum grau, conseguem transferir estes a outras regiões
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 Troposfera torna-se mais fria a medida que sobe 
Condições favoráveis a dispersão de poluentes.
 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)
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Processo que normalmente retém e aglutina os poluentes;
 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
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Condições topográficas
 As irregularidades do terreno influenciam sobre o grau de dispersão de poluentes
 O que afeta a poluição:
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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:
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Comprometimento em níveis locais, regionais e até globais:
Da saúde;
Dos bens materiais;
Dos recursos naturais.
 Consequências da poluição:
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Efeitos sobre os seres vivos e materiais 
Legenda: NOx, óxidos de N; MP, material particulado; HC, hidrocarbonetos; Sox óxidos de S; Cox, óxidos de C
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Além da Chuva ácida;
Efeito estufa;
Camada de ozônio.
 Consequências da poluição: Efeitos globais
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Efeito estufa
Formação:
Aumento da concentração dos gases de estufa como dióxidode carbono, metano, óxido nitroso, clorofluorcarbonetos (CFC) e !!!!ozônio!!!.
Consequência direta:
Aumento progressivo da temperatura global
 Consequências da poluição: Efeitos globais
http://videoseducacionais.cptec.inpe.br/
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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)
 Consequências da poluição: Efeitos globais
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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
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Medidas de controle da qualidade do ar
 
1. Planejamento e zoneamento territorial;
2. Redução ou eliminação da emissões;
3. Controle das emissões.
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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;
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VEGETAÇÃO PROTETORA x POLUIÇÃO DO AR
CIÊNCIAS DO AMBIENTE - CAP. 13.18
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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
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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???
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PROTOCOLO DE KYOTO
Meio Ambiente: Enfraquecido, Protocolo de Kyoto é estendido até 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
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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.
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3. 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;
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CATALISADOR ou PÓS-QUEIMADOR CATALÍTICO
Emissões de automóveis
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PRECIPITADOR ELETOSTÁTICO (99,5% MP)
Ionização do ar
Carregamento do MP
Migração
Adesão
+
-
Emissões Industriais de MP
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FILTRO DE MANGA (99,9% MP)
Emissões Industriais de MP
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LAVADORES DE GÁS
Emissões Industriais de MP e outros gases solúveis
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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; 
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 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
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SISTEMAS BIOQUÍMICOS
: Biofiltros
Leito
 + microorganismos
Ar com odor
(úmido)
Ar Limpo
Lixiviado
Ar com odor
Leito
 empacotado
Ar Limpo
Biopelícula
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. 
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Rota dos Gases Industriais até o Biofiltro
Exaustor
Umidificador
Biofiltro
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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.
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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.
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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
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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
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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%)
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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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MANAHAN, S.E. Fundamentals of Environmental Chemistry. Lewis Publishers, London. 1993. 844 p.
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Biogenica: microrganismos anaeróbicos em processos vitais
Geoquimica:fenomenos da natureza
Antropogenica: processos da ação humana
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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;
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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;
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Pg 158 livro
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Pg 158 livro
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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.
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