AULA MATERIAL PARTICULADO ATMOSFERICO GRADUAÇÃO QUIMICA 2016

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MATERIAL PARTICULADO 
ATMOSFÉRICO 
Patricia A. de Souza 
Programa de Pós-Graduação em 
Geociências (Geoquímica ambiental) 
 A composição química da 
atmosfera terrestre sempre foi a 
mesma? 
 
Um breve retorno no tempo.... 
Formação da atmosfera da Terra 
A Terra foi formada a 4.5 bilhões de anos atrás 
 
H2 (g) (hidrogênio molecular) e He (g) (hélio) 
frequentemente perdidos para o espaço devido ao 
campo magnético da Terra pouco definido 
Atmosfera inicial – Disco de poeira em torno do Sol 
 
espaço 
Gases remanescentes 
 da nebulosa solar 
Formação da atmosfera da Terra 
Atmosfera secundária 
Após o escapamento do H2 e 
He..... 
 
1. Intenso processo de 
vulcanismo 
Com a liberação de vapor de 
H2O, CO2, CH4 e NH3 
 
 
 
2. Condensação do vapor de 
água e precipitação formando 
os oceanos 
 
3. Adicional entrada de gases 
pelo bombardeamento de 
meteoritos a 3.9 Bi anos atrás. 
A Terra foi formada a 4.5 bilhões de anos atrás 
 
Formação da atmosfera da Terra 
Atmosfera Primitiva 
(primórdios da formação da Terra 
~3.5 bilhões de anos atrás) 
Atmosfera Atual 
 
Condições inóspitas 
(aquecimento e resfriamento) 
Ambiente redutor 
Presença de gases H2, He e depois 
de CO2, CH4 (metano), NH3 (amonia), 
N2, SO2, vapor de H2O 
 
Ambiente bastante 
oxidativo 
(radical OH. , O3, O2) 
A Terra foi formada a 4.5 bilhões de anos atrás 
 
Formação da atmosfera da Terra 
A Terra foi formada a 4.5 bilhões de anos atrás 
 
Surgimento dos primeiros organismos vivos 
(bactérias simples). 
Processo de fotossíntese, consumo de CO2 e 
produção de O2. 
Decomposição do NH3 por fotólise (luz solar 
Formação da atmosfera da Terra 
Camadas da atmosfera 
Atmosfera 
superior 
(alta atmosfera) 
 Atmosfera 
Inferior 
(baixa 
Atmosfera) 
Camadas da atmosfera 
ATMOSFERA 
(sistema dinâmico) 
BIOSFERA 
(ecossistemas 
terrestres) 
Litosfera 
(intemperismo) 
HIDROSFERA 
(águas continentais – 
rios, lagos – e oceanos) 
INTERAÇÕES 
ATMOSFERA 
BIOSFERA 
(ecossistemas 
terrestres) 
Litosfera 
(vulcões, solo) 
 
HIDROSFERA 
(águas continentais e 
oceanos) 
EMISSÕES 
(naturais ou antrópicas) 
Escala espacial e temporal da variabilidade dos constituintes 
atmosféricos 
E na atmosfera ... 
 
 
ENTRADA ATMOSFERA 
REMOÇÃO 
(Deposição) 
Transformações químicas e/ou físicas 
(reações químicas e processos físicos) 
TEMPO DE PERMANÊNCIA NA ATMOSFERA → 
EFICIÊNCIA DO PROCESSO DE REMOÇÃO 
Escala espacial e temporal da variabilidade dos constituintes 
atmosféricos 
ATMOSFERA 
Processos de remoção 
(Deposições úmida e seca) 
BIOSFERA 
(ecossistemas 
terrestres) 
Litosfera 
(vulcões, solo) 
HIDROSFERA 
(águas continentais e 
oceanos) 
Deposição úmida - chuva, nevoeiro, neve. 
Deposição seca - partículas atmosféricas (aerossóis) e 
gases. 
Escala espacial e temporal da variabilidade dos constituintes 
atmosféricos 
Emissões 
Industrial Veicular 
Transporte 
Reações 
Seca Úmida 
Nevoeiro 
(fog) 
Deposições atmosféricas 
Natural 
Material Particulado Atmosférico 
Central do Brasil – Rio de Janeiro 
Material Particulado Atmosférico 
Material particulado atmosférico ou partículas de 
aerossol 
 
Mistura complexa de partículas sólidas e líquidas, de substâncias 
inorgânicas e orgânicas suspensas no ar (FINLANYSON e PITTS, 2000; 
SIENFELD e PANDS, 2006) 
Material Particulado Atmosférico 
1 µm = 10-6 m 
1 nm = 10-9 m 
Tamanho da partícula 
 
Expresso em relação ao seu tamanho aerodinâmico (Da; ou diâmetro de 
partícula), definido como o diâmetro de uma esfera que possui densidade unitária 
e mesma velocidade de sedimentação que a partícula em questão (Hinds, 1982). 
 
Material Particulado Atmosférico 
MP10 
Al, Cd, Fe, Mn, 
Cu, Zn, Pb, V... 
Compostos 
aromáticos 
policíclicos 
Elementos 
traço 
Naftaleno, 
antraceno, 
fenantreno 
C orgânico 
Sais inorgânicos 
(NH4)2SO4, 
MgSO4, NH4NO3, 
NaCl, NaNO3, 
CaCO3 
Diâmetro de aerodinâmico (Da) 
Outros 
compostos 
orgânicos 
Argilo-minerais, 
Poeira do solo Fe2O3, Al2O3, 
silicatos, ... 
Vírus, bactéria, 
póllen 
Black-carbon 
Material Particulado Atmosférico 
Possuem diversos tamanhos e formatos 
Cinzas 
vulcânicas 
Pólen Sais da água 
do mar 
Fuligem 
Material Particulado Atmosférico 
Figure 3 Particle of biological origin, identified in the PM2.5-10 of sample III (a), soot particle, identified in the 
PM2.5-10 of sample III (b), cubic-shaped particle, identified in the PM2.5-10 of sample I (d) and particle 
characteristic of soil resuspension (above) and particle possibly originated from anthropic sources (bellow), 
both identified in thePM2.5-10 of sample I (d). 
Material Particulado Atmosférico 
 Classificação pelo diâmetro aerodinâmico (Da) ou Dp 
(diâmetro da partícula) 
 
1. Partículas Totais em Suspensão (TPS) 
 Da < 100 μm 
 
2. Partículas Inaláveis (PI ou PM10) 
 Da < 10 μm PM10 = PM2,5 + PM2,5-10 
 
3. Partículas Inaláveis Grossas ou Material particulado 
grosso (PM2,5-10) 
 Da entre 2,5 e 10 μm 
 
4. Inaláveis Finas ou material particulado fino (MP2,5) 
 Da ≤ 2,5 μm 
 
5. Partículas Ultra–finas (PM0,1) 
 Da < 0,1 μm (0,1 μm = 100 nm ; nanopartículas) 
 
Material Particulado Atmosférico 
MPA apresenta inúmeras origens que são 
simplificadamente distribuídas em diferentes 
tamanhos de partículas (proposto por Whitby, 1978). 
 
 
Classificação das partículas em modas, definidas 
pelos picos de distribuição em função log-normal 
(proposto por Whitby, 1978); 
 
Distribuição de n partículas por intervalo de 
tamanho (ΔDp) 
 
Nt = ʃ °° Nn(Dp)dDp 
 
Nn(Dp)dDp = número de partículas por cm3 de ar que 
tem diâmetro que varia de Dp a Dp+ dDp 
 
Material Particulado Atmosférico 
° 
Material Particulado Atmosférico 
Material Particulado Atmosférico 
 
• Tempo de residência: alguns dias até semanas; 
 
• Partículas primárias (aerossóis primários): Partículas 
primárias (aerossóis primários): São emitidas diretamente da 
fonte, geralmente, por processos mecânicos: ação do vento no solo 
(ressuspensão de poeira do solo), poeira de rochas, no mar (produzindo 
spray marinho), atividades biogênicas (incluindo fragmentos de plantas). 
 
• Partículas secundárias (aerossóis primários): São formadas na 
atmosfera por processos de conversão gás-partícula (alteração de 
tamanho e composição), ou seja, por processos industriais e de queima de 
combustíveis fósseis, que levam a emissões de gases que na atmosfera se 
convertem para material particulado. 
 
 
 
Material Particulado Atmosférico 
Distribuição Global dos Aerossóis 
• Areas amarelas são predominantemente formadas por partículas grossas, como poeira. 
 
• Áreas vermelhas são aerossóis, principalmente finos, como o fumo ou poluição. 
 
• Áreas em cinza indicam áreas sem dados. 
 
http://earthobservatory.nasa.gov/Features/Aerosols/ 
Material Particulado Atmosférico 
Composiição química 
Formação do material particulado atmosférico 
NH3(g) + H2SO4(g) → (NH4)SO4 (s) 
 
Formação do ácido sulfúrico 
 
 
OH + SO2(g) → HOSO2(g) 
HOSO2(g) + O2 → HO2 + SO3(g) 
SO3 + H2O → H2SO4(g) 
FORMAÇÃO DE PARTÍCULAS NA ATMOSFERA 
Partículas de sulfato de amônio 
 HNO3(g) + NH3(g) → NH4NO3(s) 
 
Formação do Ácido Nítrico 
NO2(g) + hv → NO(g) + O(g) 
O(g) + O2(g) + M → O3(g) + M 
O3(g) + NO(g) → NO2(g)+ O2(g) 
 
Durante a noite 
 
NO2(g) + O3(g) → NO3(g) + O2(g) 
NO3(g) + NO(g) → 2NO2(g) 
NO2(g) + NO3(g) + M → N2O5(g) + M 
N2O5(g) + H2O(g) → 2HNO3(g) 
 
Partículas de nitrato de amônio 
Durante o dia 
 
OH(g) + NO2 (g) + M → HNO3(g) + M 
 
FORMAÇÃO DE PARTÍCULAS NA ATMOSFERA 
 
NaCl (s) + HNO3(g) → NaNO3(s) + HCl(g) 
 
 reação de dupla troca 
 
 
EM ÁREAS LITORÂNEAS COM ABUNDÂNCIA DE AEROSSÓIS 
NA ATMOSFERA COM SAIS PROVENIENTES DO MAR 
Efeitos adversos na saúde humana 
 
1. Problemas respiratórios 
2. Problemas cardiovasculares 
 
Material Particulado Atmosférico 
Material Particulado Atmosférico 
Material Particulado Atmosférico 
http://breatheproject.org/learn/ 
Material Particulado Atmosférico 
ESTUDOS EPIDEMIOLOGICOS 
Aumento da 
morbilidade e 
mortalidade 
 
Concentração da 
massa do material 
particulado 
atmosférico 
(Pope et al. 2004). 
Material Particulado Atmosférico 
http://iris.paho.org/xmlui/bitstream/handle/123456789/9585/02.pdf?sequence=1&isAllo
wed=y 
• Objetivo: Investigar os efeitos de curto prazo da 
exposição ao material particulado de queimadas da 
Amazônia na demanda diária de atendimento ambulatorial 
por doenças respiratórias de crianças e de idosos 
 
• Metodologia: Os registros diários de atendimento 
ambulatorial - 14 unidades de saúde do município de Alta 
Floresta, Mato Grosso, região sul da Amazônia brasileira. 
• Coleta de dados de material particulado – INPE 
 
• Período : janeiro de 2004 a dezembro de 2005. 
Material Particulado Atmosférico 
Material Particulado Atmosférico 
Durante 2004 -2005 
Atendimento 
 
1646 crianças 
262 idosos 
Causas respiratórias 
14 unidades de saúde 
Material Particulado Atmosférico 
Brook et al.,2010 
Objetivo: Revisar e fornecer novas evidências que associam a 
exposição ao material particulado às doenças cardiovasculares. 
 
 
Revisão de trabalhos entre 2004 e 2009 
 
Material Particulado Atmosférico 
As setas representam a associação qualitativa baseada na extensão das evidência 
epidemiológicas de diversos estudos 
↑↑↑ - indica forte evidência epidemiologica 
em todos os estudos 
↑↑ - indica moderada evidência 
epidemiologica em todos os estudos 
↑ - indical algum ou limitado/fraca 
evidência epidemiologica observados 
em todos os estudos 
Sumário das evidências epidemiologicas de efeitos cardiovasculates do MP2,5 
relacionado a exposição as emissões veiculares (tráfego intenso) e aos 
processos de combustão (Brook et al 2010) 
Estudos epidemiológicos 
curta exposição 
(dias) 
Longa exposição 
 (meses a anos) 
mortalidade cardiovascular ↑↑↑ ↑↑↑ 
hospitalizações cardiovasculares ↑↑↑ ↑ 
Doença esquimica do coração ↑↑↑ ↑↑↑ 
Insuficiência cardíaca ↑↑ ↑ 
Acidente vascular cerebral 
isquêmico ↑ ↑ 
Doenças Vasculares ↑ ↑↑ 
Arritmia cardíaca ↑ ↑ 
Inflamação sistêmica ↑↑ ↑ 
Espalhamento ou absorção da radiação solar (radiação de 
onda curta). A radiação solar incidente é afetada 
Efeito sobre o meio-ambiente 
Efeito Direto 
Absorção 
Aumento do albedo 
terrestre 
Aumento do 
aquecimento da 
atmosfera 
Espalhamento 
Efeito sobre o meio-ambiente 
Forçante radiativa 
Medida de influência que um fator tem de alterar o balanço energético da Terra 
Promove alteração do albedo das nuvens; 
 
Efeito sobre o meio-ambiente 
 
Albedo pode ser 
definido como a 
razão entre a 
irradiância 
electromagnética 
reflectida (de forma 
direta ou difusa) e 
a quantidade 
incidente 
 
Outro importante efeito do aumento da concentração de MPA 
 Redução da visibilidade 
Efeito sobre o meio-ambiente 
Yosemite National Park (Califórnia) 
Shenandoah National Park (Virginia) 
Efeito sobre o meio-ambiente 
Efeito indireto 
formação dos núcleos de condensação de nuvens (cloud 
condensation nuclei, CNN) 
 Promove alteração do ciclo hidrológico 
 
Efeito sobre o meio-ambiente 
Efeito sobre o meio-ambiente 
Temporada chuvosa na Bacia Amazônica 
 
• Dezembro-março 
 
Emissão do MPA ~ regiões marinhas remotas 
 
Emissão do MPA (Da < 2,5 µm) ~ 8 Tg/ano 
Emissão do MPA (Da < 10 µm) ~10 Tg/ano 
(Yokelson et al., 2008) 
 
Torna-se um dos locais mais poluídos do planeta 
(Artaxo et al., 2002) 
Temporada de estiagem na Bacia 
Amazônica 
 
• Junho-setembro 
• Eventos de queimada para manuntenção de 
pasto ou deflotestamento 
http://www.energetica.ind.br/IMPAC_GV_SA235.pdf 
 Empregado para PTS 
Da 0,01 a 100 µm 
Monitoramento do MPA 
Amostrador Hi-Vol (High volume) 
 
Amostrador Moudi 
(impactador inercial em cascata) 
http://www.energetica.ind.br/IMPAC_GV_SA235.pdf 
Monitoramento do MPA 
Dichotomous sampler PM10 
Cálculo da concentração do PM 
Vazão total ar (1 atm; 25ºC): 16,7 L min
-1 
• 90% para vazãocoleta PM2,5 
• 10% para PM2,5-10 (1,67 L min
-1). 
Amostrador de MP10 
MP – Padrões da Qualidade do Ar 
Organização Mundial da Saúde 
http://apps.who.int/iris/bitstream/10665/69477/1/WH
O_SDE_PHE_OEH_06.02_eng.pdf 
MP2,5 10 */10**µg/m3 média anual 
25*/25** µg/m3 média 24 h 
MP10 20*/20** µg/m3 média anual 
50 */50** µg/m3 média 24 h 
MP2,5 12*/15** µg/m3 média anual 
35*/35** µg/m3 média 24 h 
MP10 50*/50** µg/m3 média anual 
150*/150** µg/m3 média 24 h 
US - EPA 
https://www3.epa.gov/ttn/naaqs/standards/pm/s_pm_hi
story.html 
PTS 80 */ 60** µg/m3 média anual 
240*/150** µg/m3 média 24 h 
MP10 50*/50** µg/m3 média anual 
365*/80** µg/m3 média 24 h 
CONAMA – Brasil 
*Padrão primário 
** Padrão secundário 
Padrão primário: Concentração de poluentes atmosféricos 
ultrapassadas, poderão afetar a saúde da população, 
podendo ser entendidos como níveis máximos toleráveis de 
concentração de poluentes atmosféricos; 
MP – Padrões da Qualidade do Ar 
Padrão secundário: Concentrações de poluentes 
atmosféricos abaixo das quais se prevê o mínimo efeito 
adverso sobre o bem-estar da população, assim como o 
mínimo dano à fauna e < ora, aos materiais e meio ambiente 
em geral, podendo ser entendidos como níveis desejados de 
concentração de poluentes 
MP – Padrões da Qualidade do Ar 
MP – Padrões da Qualidade do Ar 
MP – Padrões da Qualidade do Ar 
MP – Padrões da Qualidade do Ar 
Composição Química do MPA 
Amostragem exaustão veicular 
Materiais e Métodos 
• Coleta 
– Amostrador: Dicotômico 
PM10 
– Tempo: 24 h a cada 6 dias 
– Período: Fev. 2004 – Fev. 
2005 
 
• Tratamento 
– Congelamento dos filtros 
– Filtragem: membrana de 
0,22 mm de poro após 
extração aquosa 
 
Figura 1. Amostrador PM10 Graseby 241próximo ao INPE 
(23˚12’48,6”S; 45˚51’59,1”W) 
São José dos Campos 
 
Comparação entre as concentrações médias 
diárias de SO2 e SO4
2- associado ao PM2,5 
Variação semanal 
 São José dos Campos 
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
seg ter qua qui sex sab dom
Co
nc
en
tra
çã
o 
( mg
m-
3 )
Fino Grosso
Produção do Biodiesel 
Reação de transesterificação 
ROH = NaOH ou KOH 
Óleo vegetal catalisador 
Produção do Biodiesel – Benefícios 
Misturas 
B5 = 5% do biodiesel no diesel 
B10 = 10% do biodiesel no diesel 
B20 = 20% do biodiesel no diesel 
 
http://www.agricultura.gov.br/arq_editor/relat
orio_biodiesel.pdf 
1. As algas são ricas em 
óleos e podem crescer 
em diversas condições e 
serem produzidas em 
longa escala. 
 
2. As microalgas podem 
fixar biologicamente 
CO2 e são hábeis para 
converter 
Reação de transesterificação