Ciências Atmosféricas: Conceitos, Poluição e Monitoramento

CIÊNCIAS ATMOSFÉRICAS Cristina Sales Oliveira e Liane Nakada 2 SUMÁRIO 1 CONCEITOS BÁSICOS 3 2 A POLUIÇÃO ATMOSFÉRICA E SUAS CONSEQUÊNCIAS 20 3 CLASSIFICAÇÕES E MUDANÇAS CLIMÁTICAS 36 4 MONITORAMENTO DA QUALIDADE DO AR 54 5 TECNOLOGIA DE CONTROLE DE POLUENTES ATMOSFÉRICOS 87 6 CONTROLE DE GASES E VAPORES 140 3 1 CONCEITOS BÁSICOS Apresentação Prezadoa alunoa Neste bloco serão apresentadas características importantes da atmosfera terrestre também serão definidos aspectos conceituais relacionados às ciências atmosféricas O bloco está dividido em cinco itens principais origem e composição da atmosfera radiação solar e balanço de energia temperaturas e escalas termométricas nuvens e precipitações e circulação geral da atmosfera Bons estudos 11 Origem e composição da atmosfera A atmosfera terrestre é o resultado de um processo evolutivo que ocorreu há milhões de anos e existem muitas teorias a respeito de sua origem e formação Uma das teorias mais aceitas defende que a Terra foi originada do acúmulo de partículas sólidas e frias decorrentes da formação do sistema solar e que passou a emitir gases principalmente dióxido de carbono CO2 a partir de processos geológicos internos Com o resfriamento terrestre e a formação dos oceanos ocorreu o surgimento da primeira planta capaz de realizar fotossíntese e consequentemente emitir oxigênio O2 para a atmosfera que passou a ter concentrações maiores de O2 até chegar na situação atual No Quadro 11 são apresentadas estimativas da composição atmosférica da Terra atual da Terra primitiva e dos planetas vizinhos no sistema solar 4 Quadro 11 Composição atmosférica da Terra atual Terra primitiva e planetas vizinhos Gás Terra Terra Primitiva Marte Vênus CO2 004 98 95 965 N2 781 19 27 35 O2 209 traços 013 traços Argônio 09 01 16 traços Fonte adaptado de Jardim 2001 Atualmente a atmosfera terrestre desempenha as importantes funções de absorver a radiação infravermelha emitida pelo sol e refletida pela Terra e de filtrar a radiação ultravioleta UV nociva aos seres vivos A atmosfera é subdividida em camadas definidas em função da altitude a saber Troposfera 10 16 km Estratosfera 50 km Mesosfera 85 km Termosfera 500 km e Exosfera 500 km Cada uma dessas camadas apresenta variações características de temperatura como ilustrado na Figura 11 Na troposfera a fonte de calor é a superfície terrestre e por essa razão ocorre diminuição de temperatura com o aumento da altitude Na estratosfera ocorre o inverso aumento de temperatura com o aumento da altitude em decorrência da absorção de radiação UV pelo ozônio O3 presente nesta camada atmosférica Na mesosfera ocorre redução de temperatura pois há menor concentração de espécies capazes de absorver energia Na termosfera a absorção de radiação com elevada energia associada ocasiona temperaturas na faixa de 1200oC 5 Figura 11 Camadas da atmosfera terrestre Fonte adaptada de Mozeto 2001 Elaborada por Liane Nakada 12 Radiação solar e balanço de energia A vida no planeta Terra é possível graças à radiação emitida pelo Sol visto que sem a radiação solar os organismos fotossintetizantes não teriam energia para o seu desenvolvimento e consequentemente os seres herbívoros os carnívoros e os onívoros não teriam alimento para obtenção de energia Dessa forma podemos perceber que a radiação solar tem fundamental papel ecológico além de climático Para compreender melhor a origem e a propagação dessa fonte de energia é necessário estudar o Sol que é a estrela do nosso sistema solar ao redor do qual orbitam os planetas Vejamos alguns dados interessantes sobre o Sol 6 O diâmetro do Sol é cerca de 110 vezes o da Terra A massa do Sol é de cerca de 329400 vezes a da Terra A potência média total do núcleo solar é de 392 x 1026 W a título de comparação a usina hidrelétrica de Itaipu tem uma potência instalada de 12 x 109 W Podemos dizer que o Sol é um imenso reator de fusão nuclear onde átomos de hidrogênio se fundem formando hélio e emitindo a radiação solar em forma de ondas eletromagnéticas Figura 12 Figura 12 Sol Fusão nuclear libera energia A radiação emitida pelo Sol abrange uma ampla faixa de comprimentos de onda mas chegam em nosso planeta radiação com comprimento de onda maior que 300 nm compreendendo radiação ultravioleta UV luz visível radiação infravermelha IV e ondas de rádio conforme ilustrado na Figura 13 7 Figura 13 Espectro eletromagnético e comprimentos de onda Fonte KHEMIS Espectro Eletromagnético In Wikimedia Commons Disponível em httpsptwikipediaorgwikiEspectroeletromagnC3A9ticomediaFicheiroEspectroEMptsvg Acesso em 25 jun 2021 Após o processo de passagem pela atmosfera a radiação remanescente chega à superfície na forma de luz direta ou difusa com composição de cerca de 10 de UV 45 de luz visível e 45 de IV A título de curiosidade a dispersão da radiação visível pelas moléculas de gases da atmosfera é o que confere a cor azul ao céu Na atmosfera e na superfície terrestre existem vários processos de reflexão e absorção da radiação incidente no planeta Dentre os processos que ocorrem na atmosfera terrestre podemos citar Absorção de grande parte da radiação ultravioleta pela camada de ozônio 8 Absorção de radiações visível e infravermelha nas camadas intermediárias da atmosfera contribuindo para o aquecimento do ar Reflexão de parte da radiação pelas nuvens e por partículas suspensas no ar É importante mencionar aqui o conceito de Albedo que é uma medida da capacidade de determinada superfície refletir radiação Em média o Albedo terrestre é estimado em torno de 30 o que equivale a dizer que 30 da radiação solar incidente na Terra é refletida de volta às camadas superiores da atmosfera O albedo varia em função das estações do ano e da rugosidade e da cor das superfícies sendo que em superfícies brancas alcança valores maiores do que em superfícies escuras como podemos verificar no Quadro 12 Quadro12 Albedo médio de superfícies diversas Superfície Albedo médio Água 7 Asfalto 75 Solo escuro 10 Floresta tropical 13 Canavial 15 Eucalipto 19 Pastagem gramado 20 Concreto 22 Solo claro 35 Neve 875 Fonte adaptado de Marin et al 2008 9 O estudo quantitativo da radiação refletida ou absorvida é denominado balanço de radiação Podemos dizer que toda a energia que penetra na atmosfera terrestre será refletida ou absorvida conforme representado na Figura 14 O montante de radiação disponível para utilização em processos biológicos é denominado saldo de radiação Figura 14 Representação esquemática do balanço de radiação O balanço de energia relaciona o saldo de radiação SR com os fluxos de calor latente L energia para a água passar do estado líquido para o gasoso calor sensível S energia para o aquecimento do ar calor no solo G energia transmitida para o solo e fotossíntese F energia para o processo de fotossíntese de acordo com a Equação 11 SR L S GFA Equação 11 10 Em que L energia para a água passar do estado líquido para o gasoso S energia para o aquecimento do ar G energia transmitida para o solo F energia para o processo de fotossíntese 𝐴 variação do armazenamento de energia térmica no ambiente Notas para fins de simplificação os termos F e 𝐴 podem ser desprezados em períodos de 24 h pois F representa menos de 5 de SR e o calor armazenado durante o dia é liberado durante a noite Outro aspecto importante relacionado ao Sol é o conceito da constante solar Jo que representa a quantidade de radiação recebida por uma superfície posicionada acima da atmosfera terrestre perpendicularmente aos raios solares Esse parâmetro pode ser estimado em função da área do tempo ou de ambos Nas camadas mais altas da atmosfera o valor de Jo é maior e vai sendo reduzido conforme se aproxima da superfície terrestre devido aos processos de absorção e reflexão que ocorrem na atmosfera Vejamos alguns valores médios de Jo em diferentes unidades Jo 2 cal cm²min o que significa que uma área de 1 cm² recebe 2 calorias por minuto de radiação solar Jo 13575 W m² o que significa que uma área de 1 m² recebe 13575 watts de radiação solar 11 13 Temperaturas e escalas termométricas O transporte de calor sensível a partir da superfície é o principal responsável pelo aquecimento do ar próximo à superfície terrestre e pode ocorrer através dos seguintes mecanismos Figura 15 Condução transferência de calor por contato direto processo lento Convecção o ar aquecido na superfície sobe e o ar frio desce processo mais rápido Radiação a superfície aquecida transfere parte do calor na forma de ondas longas Figura 15 Mecanismos de transporte de calor Para medições de temperatura do ar à superfície é indicado posicionar um termômetro a uma altura entre 125 e 2 m acima do nível do solo O termômetro além de ser um aparato popularmente conhecido usado para medições de temperatura corporal representa um importante instrumento para estudos ambientais sendo o 12 termômetro de líquido em vidro TLV o modelo mais empregado para fins meteorológicos Figura 16 O funcionamento de um TLV baseiase na variação de volume de um líquido sensível a variações de temperatura Em função de características como baixa temperatura de congelamento 38 elevada temperatura de ebulição 360 e dilatação linear o mercúrio é o líquido mais amplamente empregado como líquido sensível em termômetros convencionais No Brasil adotase a escala de graus Celsius para medição de temperatura que também pode ser feita utilizandose a escala de graus Fahrenheit como é o caso nos Estados Unidos Na Figura 16 é possível comparar as duas escalas Há também a escala Kelvin K denominada escala absoluta e utilizada para propósitos científicos Figura 16 Termômetro com escalas em graus Celsius C e graus Fahrenheit F 13 14 Nuvens e precipitações As nuvens são constituídas por gotículas de água em suspensão na atmosfera e podem conter partículas de poeira fumaça e resíduos industriais A formação das nuvens ocorre mediante o resfriamento de ar úmido na atmosfera e por esse motivo a ascensão do ar é essencial para a formação das nuvens As nuvens podem ser classificadas quanto a aspecto Estratiforme ou Cumuliforme constituição líquida sólida ou mista e altura da base das nuvens estágios alta média ou baixa As nuvens Estratiforme apresentam grande extensão horizontal e pequena espessura ocasionando precipitação leve e contínua enquanto as Cumuliformes apresentam grande espessura e pequena extensão nuvens isoladas causando precipitação forte e sob forma de pancada localizada Com base em suas características as nuvens também são classificadas em gêneros Cirrus Ci Cirrocumulus Cc Cirrostratus Cs Altocumulus Ac Altostratus As Nimbostratus Ns Stratus St Stratocumulus Sc Cumulus Cu e Cumulonimbus Cb Figura 17 Figura 17 Classificação das nuvens por gêneros Fonte CAMPOS A M Tipos de Nuvens In Wikimedia Commons Disponível em httpscommonswikimediaorgwikiFileRodzajechmursvg Acesso em 25 jun 2021 14 A ocorrência de gêneros de nuvens varia com os estágios que por sua vez variam nas diferentes zonas climáticas Quadro 13 Quadro 13 Variação dos estágios das nuvens nas diferentes zonas climáticas Estágios Altitude km Nuvens mais frequentes Zonas Polares Zonas Temperadas Zona Intertropical Alto 3 8 5 13 6 18 Ci Cc Cs Médio 2 4 2 7 2 8 Ac As Ns Baixo 2 2 2 St Sc Cu Cb Fonte adaptado de Almeida 2016 Precipitação é a denominação do fenômeno referente à queda de água do céu seja no estado líquido no caso das chuvas ou no estado sólido no caso de granizo ou neve A precipitação acontece quando massas de ar úmido atingem altas altitudes condensam e precipitam O ganho de altitude pode ocorrer por diferentes mecanismos convecção quando o ar quente sobe carregando umidade encontro de massa de ar quente e úmido com massa de ar frio e seco ou encontro com barreiras de relevo como por exemplo uma montanha Com base no mecanismo de formação a chuva é classificada em convectiva também conhecida como chuva de verão Figura 18 frontal ou ciclônica Figura 19 e orográfica Figura 110 15 Figura 18 Mecanismo de formação de chuva convectiva chuva de verão Fonte elaborada por Liane Nakada A chuva convectiva apresenta como características alta intensidade e curta duração pode ser acompanhada de relâmpagos trovões ventos fortes e granizo e muitas vezes está associada a nuvens do gênero Cumulonimbus Figura 19 Mecanismo de formação de chuva frontal Fonte elaborada por Liane Nakada 16 A chuva frontal apresenta como características intensidade baixa a moderada com longa duração atingindo vastas áreas Pode ser originada de nuvens do tipo cumuliforme associada a frente fria ou estratiforme associada a frente quente Figura 110 Mecanismo de formação de chuva orográfica Fonte elaborada por Liane Nakada A chuva orográfica também conhecida como chuva de serra apresenta como características baixa intensidade e curta duração 15 Circulação geral da atmosfera A circulação geral da atmosfera referese aos movimentos das massas de ar que acontecem na Troposfera em função das diferenças de temperatura e consequentemente de pressão que são geradas em decorrência da radiação solar que chega em variadas intensidades nas diferentes regiões do globo 17 De modo geral podemos dizer que o ar frio é mais pesado e tende a descer enquanto o ar quente é mais leve e tende a subir Além disso o ar também se move das zonas de alta pressão regiões nas quais há maior volume de ar em geral mais frias para as zonas de baixa pressão atmosférica em geral mais quentes Existe um padrão de circulação geral da atmosfera que é regido pelas chamadas células atmosféricas classificadas em célula de Hadley ou célula tropical célula de Ferrel ou célula das latitudes médias e célula polar conforme ilustrado na Figura 111 A célula de Hadley tropical ocorre nas regiões próximas à linha do Equador em latitudes entre 0 e 30o e é caracterizada por movimentos em direção aos polos na porção superior da atmosfera A célula de Ferrel latitudes médias como o próprio nome sugere ocorre em latitudes intermediárias entre a linha do Equador e os polos ou seja entre 30o e 60o e é caracterizada por movimentos em direção aos polos na parcela inferior da atmosfera A célula polar como o próprio nome indica ocorre nas proximidades dos polos em latitudes entre 60o e 90o Ao alcançar os polos o ar provindo das células de Hadley e de Ferrel desce gerando uma zona de alta pressão e ocasionando o deslocamento de ar para zonas de menor pressão e para as zonas tropicais 18 Figura 111 Representação esquemática da circulação geral da atmosfera Conclusão Neste bloco estudamos a origem e a composição da atmosfera terrestre o conceito de albedo e o balanço de radiação solar a temperatura e os mecanismos de transferência de calor a classificação das nuvens e a formação das chuvas por fim estudamos a circulação geral da atmosfera e as células atmosféricas REFERÊNCIAS ALMEIDA H A Climatologia aplicada à geografia Campina Grande EDUEPB 2016 JARDIM W F A evolução da atmosfera terrestre In Cadernos temáticos de Química Nova na Escola Edição Especial Maio 2001 19 MOZETO A A Química atmosférica a química sobre nossas cabeças In Cadernos temáticos de Química Nova na Escola Edição Especial Maio 2001 REFERÊNCIAS COMPLEMENTARES BRAGA B HESPANHOL I CONEJO J BARROS M SPENCER M PORTO M NUCCI N JULIANO N EIGER S Introdução à Engenharia Ambiental São Paulo Prentice Hall 2005 MARIN F R ASSAD E D PILAU F G Clima e Ambiente introdução à climatologia para ciências ambientais Campinas EMBRAPA 2008 PENA R F A Circulação atmosférica In Brasil Escola Disponível em httpsbrasilescolauolcombrgeografiacirculacaoatmosfericahtm Acesso em 16 abr 2021 20 2 A POLUIÇÃO ATMOSFÉRICA E SUAS CONSEQUÊNCIAS Apresentação Prezadoa alunoa Neste bloco serão apresentados os principais poluentes atmosféricos suas fontes de emissão e seus efeitos à saúde humana Também serão explicados os fenômenos denominados clima urbano inversão térmica ilhas de calor e buraco na camada de ozônio todos associados à poluição atmosférica Bons estudos 21 Poluentes atmosféricos A poluição do ar e suas consequências não são problemas novos visto que existem relatos de queixas de poluição do ar em Roma há dois mil anos em Londres nos séculos XIII XVII e XVIII e em diversos locais do mundo no século XX Após a revolução industrial com o crescente uso de carvão como combustível desastres decorrentes da poluição atmosférica causaram a morte de milhares de pessoas em Londres 1911 e 1952 e problemas respiratórios graves na Pensilvânia 1948 e em Nova York 1963 nos Estados Unidos Atualmente uma das principais preocupações referese a eventos críticos causados por emissões de poluentes por veículos automotivos A concentração e a dispersão de poluentes são influenciadas por fatores como clima topografia tipo e intensidade das atividades industriais locais Em razão da frequência de ocorrência e dos efeitos à saúde humana determinados poluentes são utilizados como indicadores de qualidade do ar A Resolução CONAMA Nº 4912018 estabelece o denominado padrão de qualidade do ar que utiliza como indicadores os seguinte poluentes Material particulado MP10 Material particulado MP25 Dióxido de 21 Enxofre SO2 Dióxido de Nitrogênio NO2 Ozônio O3 Fumaça Monóxido de Carbono CO Partículas Totais em Suspensão PTS e Chumbo Pb No Quadro 21 são apresentados os poluentes empregados como indicadores de qualidade do ar suas respectivas fontes de emissão e seus efeitos à saúde humana Quadro 21 Principais poluentes atmosféricos fontes de emissão e efeitos à saúde Poluentes atmosféricos Fontes de emissão Efeitos à saúde Material particulado MP10 partículas inaláveis Processos de combustão ou fenômenos naturais Problemas pulmonares As partículas inaláveis podem penetrar profundamente no sistema respiratório atingindo os alvéolos pulmonares Material particulado MP25 partículas inaláveis finas Partículas Totais em Suspensão PTS Dióxido de Enxofre SO2 Queima de combustíveis que contêm enxofre tais como óleo diesel e gasolina Irritação das mucosas dos olhos nariz e garganta coriza tosse e brônquio constrição Dióxido de Nitrogênio NO2 Processos de combustão Irritação das mucosas dos olhos nariz e garganta dispneia edema pulmonar bronquite dor no peito e taquicardia Ozônio O3 Reações entre os óxidos de nitrogênio NOx e compostos orgânicos voláteis COVs sob luz solar Irritação das mucosas dos olhos nariz e garganta edema pulmonar doenças crônicas do sistema respiratório Fumaça Processos de combustão Irritação das mucosas dos olhos nariz e garganta dor de cabeça alergias problemas pulmonares e cardiovasculares Monóxido de Carbono CO Combustão incompleta de combustíveis fósseis e compostos orgânicos Dor de cabeça náusea fraqueza tontura alucinações morte por asfixia Chumbo Pb Processos industriais Fraqueza insônia palidez perda de peso desnutrição anemia doença renal hipotensão 22 parâmetros auxiliares a serem avaliados em situações específicas a critério do órgão ambiental parâmetro a ser avaliado em áreas específicas em razão das fontes de emissões atmosféricas Fonte adaptado de CONAMA 2018 CETESB 2021 e USDHHS 2007 Os poluentes atmosféricos podem se apresentar sob diferentes formas tais como gases material particulado ou mesmo ruído e são classificados em primários aqueles que são lançados pela fonte geradora na atmosfera e secundários aqueles que são formados na atmosfera por meio de reações químicas entre poluentes primários e compostos presentes na atmosfera conforme ilustrado na Figura 21 Figura 21 Representação esquemática de poluentes primários e secundários Fonte elaborada por Liane Nakada 23 22 Clima urbano A partir de meados do século XX com a expansão das cidades a relação entre urbanização e alterações climáticas ganhou destaque e estudos sobre a influência do meio urbano sobre os componentes do clima têm evidenciado importantes alterações dentre as quais podemos destacar Alteração da composição atmosférica poluição do ar Elevação da temperatura local Redução de umidade relativa do ar ao mesmo tempo que se tem precipitações mais intensas e ocorrência mais recorrente de enchentes A elevação da temperatura local ocorre em função da diminuição do fluxo de calor latente e aumento do calor sensível causados pela redução de cobertura vegetal e canalização de corpos de água A substituição de áreas vegetadas por áreas pavimentadas também aumenta o albedo amplificando o índice de refletância e causando desequilíbrio térmico Além disso conglomerados de edifícios atuam como alterações de relevo formando os chamados cânions urbanos e contribuindo para a elevação da temperatura Outras alterações climáticas locais podem ser observadas em áreas urbanas quando comparadas com áreas rurais e diversos componentes climáticos podem sofrer alterações em decorrência de variados fatores No Quadro 22 é apresentada uma compilação de mudanças climáticas locais em áreas urbanas em comparação com áreas rurais 24 Quadro 22 Mudanças climáticas locais urbanas em comparação com o microclima rural Componentes climáticos Parâmetros Comparação com áreas rurais Composição atmosférica poluição do ar Material particulado Acréscimo de 10 vezes Dióxido de enxofre Acréscimo de 5 vezes Dióxido de carbono Acréscimo de 10 vezes Monóxido de carbono Acréscimo de 25 vezes Radiação Radiação total Decréscimo de 15 a 20 UV no inverno Decréscimo de 30 UV no verão Decréscimo de 30 Duração Decréscimo de 5 a 15 Nebulosidade Cobertura de nuvens Acréscimo de 5 a 10 Nevoeiro no inverno Acréscimo de 100 Nevoeiro no verão Acréscimo de 30 Precipitação Quantidade total Acréscimo de 5 a 10 Dias de chuva com 5 mm Acréscimo de 10 Temperatura Média anual Acréscimo de 05 a 10 C Mínimas do inverno Acréscimo de 10 a 20 C Umidade relativa Média anual Decréscimo de 6 Inverno Decréscimo de 2 Verão Decréscimo de 8 Velocidade do vento Média anual Decréscimo de 20 a 30 Movimentos extremos Decréscimo de 10 a 20 Calmarias Acréscimo de 5 a 20 Fonte adaptado de Ayoade 2011 25 Em razão de apresentarem implicações mais amplas duas alterações climáticas em meio urbano merecem destaque i o incremento de temperatura nas áreas urbanas relacionado às ilhas de calor e ii a poluição do ar nas cidades associada à inversão térmica A seguir veremos mais detalhes desses importantes fenômenos 23 Inversão térmica Conforme vimos no Bloco 1 na troposfera a temperatura do ar diminui com o aumento de altitude Esse resfriamento se deve ao gradiente adiabático de temperatura ao qual são submetidas as massas de ar em movimento vertical O gradiente adiabático de temperatura varia com a umidade do ar sendo cerca de 1 C para cada 100 m em ar seco ou 06 C a cada 100 m em ar úmido Outra característica importante na interface soloatmosfera é o aquecimento das superfícies pela radiação solar durante o dia com consequente aquecimento do ar pelo calor emitido por essas superfícies Como já vimos o ar quente tende a subir em razão de ter uma densidade menor que o ar frio A inversão térmica é um fenômeno que pode ser favorecido durante o inverno em áreas urbanas pois em um dia frio e ensolarado as superfícies são aquecidas pelo sol e atingem temperaturas relativamente altas durante o dia e à noite essas superfícies são rapidamente resfriadas enquanto o ar das camadas mais elevadas permanece aquecido produzindo assim uma camada de inversão térmica em altitudes próximas de 100 m O ar aquecido tende a subir e pode ficar aprisionado entre uma camada de ar frio superior e uma camada de ar frio próxima à superfície Essas condições são desfavoráveis à dispersão de poluentes emitidos na área urbana e podem tornar os níveis de poluição do ar críticos nas cidades conforme ilustrado nas Figura 22 e Figura 23 26 Figura 22 Representação esquemática do fenômeno de inversão térmica Figura23 Inversão térmica poluentes retidos na camada mais fria próxima à superfície 27 24 Ilhas de calor Outro problema relacionado à dinâmica do clima urbano referese às ilhas de calor Esse fenômeno tem sido observado em cidades ao redor do mundo desde o início do século XIX e é caracterizado por temperaturas mais altas em áreas urbanas e periféricas do que em áreas rurais próximas As ilhas de calor são formadas em áreas urbanas em função dos seguintes fatores Figura 24 Os materiais de construção comumente usados em áreas urbanas apresentam maior absorção e retenção de calor e menor retenção de umidade do que elementos naturais Os conjuntos de edifícios configuram os cânions urbanos que causam alterações na circulação do ar redução de velocidade dos ventos e maior absorção e retenção de calor As atividades antrópicas nas cidades geram calor A poluição atmosférica causa aumento do saldo de radiação 28 Figura 24 Fatores responsáveis pela formação de ilhas de calor no meio urbano Fonte Pesquisa FAPESP 2012 O calor elevado causa desconforto à população urbana e gera uma maior demanda energética para climatização Além disso o fenômeno das ilhas de calor também desfavorece a dispersão de poluentes atmosféricos Vejamos algumas características comuns às ilhas de calor urbanas são mais quentes que áreas rurais não urbanizadas são mais frescas após o amanhecer e mais quentes após o pôr do sol quando comparadas às áreas rurais apresentam temperaturas mais elevadas na camada limite que fica a até 2000 metros de altura criando colunas de ar quente nas cidades e contribuindo para o fenômeno das inversões térmicas Durante o dia devido à maior absorção de calor pelas superfícies urbanas a temperatura de calçadas e coberturas pode entre 27 e 50C mais quente que a do ar À noite as superfícies liberam calor e a temperatura tende a igualar à do ar Na Figura 29 25 é apresentado um perfil das ilhas de calor com a variação de temperatura ao fim da tarde em diversas áreas Figura 25 Ilhas de calor perfil de temperatura ao fim da tarde em diferentes áreas Fonte adaptada de NASA 1999 e USEPA 2021 elaborada por Liane Nakada 25 Buraco na camada de ozônio Para entender melhor o problema ambiental do buraco na camada de ozônio vamos estudar um pouco sobre o processo de formação do ozônio e sua relação com os diferentes tipos de radiação ultravioleta UV Conforme apresentado no Bloco 1 a camada de ozônio está situada na estratosfera a uma distância entre 16 e 50 km da superfície A camada de ozônio atua como um filtro de radiação ultravioleta UV proveniente do Sol absorvendo radiação UVC e parte da radiação UVB Figura 26 30 Figura 26 Representação esquemática da absorção de radiação UV pela camada de ozônio Como vimos na Figura 26 a radiação UV pode ser classificada em UVA UVB e UVC sendo essa classificação feita com base nos comprimentos de onda conforme descrito no Quadro 23 As radiações UVB e UVC são prejudiciais à saúde humana e ao meio ambiente podendo causar danos ao DNA e consequentemente tipos de câncer de pele e danos em materiais e plantações 31 Quadro 23 Tipos de radiação UV e suas características Tipo de radiação UV Comprimento de onda nm Informações UVA 320 400 Comprimento de onda próximo à radiação visível Não é absorvida pela camada de ozônio UVB 280 320 Efeitos prejudiciais à saúde humana e ao meio ambiente A maior parte da radiação UVB é absorvida pela camada de ozônio UVC 280 Extremamente prejudicial à saúde humana e ao meio ambiente É completamente absorvida pela camada de ozônio e pelo oxigênio da atmosfera Fonte adaptado de Braga et al 2005 Mas afinal quais os motivos que fazem com que a camada de ozônio absorva radiação UV Os processos de formação e destruição do ozônio O3 demandam energia para acontecer de modo que a radiação UV serve como fonte de energia Como o ozônio é uma molécula instável esses processos ocorrem constantemente mantendo a camada de ozônio estável Vejamos as reações que representam esses processos de formação e destruição de ozônio A radiação UV com comprimento de onda menor que 200 nm h1 provoca a quebra de uma molécula de oxigênio O2 gerando oxigênio atômico 𝑂2 ℎ1 2𝑂 Reação 21 O oxigênio atômico reage com o oxigênio formando ozônio na presença de um gás associado M normalmente gases nitrogenados Essa reação é necessária para manter o balanço energético 32 𝑂 𝑂2 𝑀 𝑂3 𝑀 Reação 22 Já o processo de destruição do ozônio ocorre com a decomposição das moléculas de ozônio por meio da absorção da radiação UV com comprimentos de onda compreendidos entre 200 nm e 300 nm h2 𝑂3 ℎ2 𝑂2 𝑂 Reação 23 𝑂3 𝑂 2𝑂2 Reação 24 Entretanto estudos conduzidos nas décadas de 1970 e 1980 comprovaram que os clorofluorcabonetos ou clorofluorcarbonos CFC utilizados em aparelhos de ar condicionado e refrigeradores são gases extremamente estáveis na atmosfera e reagem com o ozônio causando sua destruição Estimase que uma molécula de cloro pode destruir até 10 mil moléculas de ozônio e uma vez destruídas pelos CFC essas moléculas não formam ozônio novamente quebrando o ciclo demonstrado nas reações acima e reduzindo a densidade da camada de ozônio As reações que representam essa destruição são apresentadas a seguir 𝐶𝑙 𝑂3 𝐶𝑙𝑂 𝑂2 Reação 25 𝐶𝑙𝑂 𝑂 𝐶𝑙 𝑂2 Reação 26 𝑂 𝑂3 2𝑂2 Reação 27 Após estudos indicarem as possíveis reações do ozônio com os CFC a identificação de um buraco na camada de ozônio sobre a Antártica em 1983 despertou uma crescente preocupação Esse buraco representava uma redução da ordem de 50 da quantidade de O3 33 O fenômeno se repetiu em 1985 gerando especulações sobre um padrão cíclico e relacionado à circulação geral da atmosfera Pesquisas apontam que no inverno uma massa de ar estacionária acumula poluentes halogenados provenientes de outras regiões do globo e no início da primavera esses poluentes reagem com o ozônio gerando o buraco na camada de ozônio Com os indícios de problemas graves que poderiam ocorrer com a ampliação do fenômeno em 1987 foi assinado o Protocolo de Montreal ratificado por 188 países que se comprometeram a banir o uso de gases prejudiciais à camada de ozônio Além dos CFC após as emendas de 1990 1992 1995 1997 e 1999 dentre os gases banidos constavam o metilclorofórmio o brometo de metila entre outros Na Figura 27 estão compiladas imagens do buraco na camada de ozônio observado sobre a Antártica no mês de setembro desde o ano de 1985 até atualmente Figura 27 Buraco na camada de ozônio monitoramento da quantidade de ozônio na Antártica Fonte NASA 2021 Elaborada por Liane Nakada 34 Conclusão Neste bloco vimos um breve histórico sobre a questão da poluição atmosférica estudamos os principais poluentes do ar e as importantes consequências desse tipo de poluição tais como os fenômenos conhecidos como clima urbano inversão térmica ilhas de calor e buraco na camada de ozônio REFERÊNCIAS AYOADE J O Introdução à climatologia para os Trópicos São Paulo Bertrand Brasil 2011 BRAGA B HESPANHOL I CONEJO J BARROS M SPENCER M PORTO M NUCCI N JULIANO N EIGER S Introdução à Engenharia Ambiental São Paulo Prentice Hall 2005 CETESB Qualidade do ar poluentes CETESB 2021 Disponível em httpscetesbspgovbrarpoluentes Acesso em 16 abr 2021 Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo FAPESP Ilha de calor na Amazônia São Paulo Pesquisa FAPESP ed 200 2012 USDHH Department of Health and Human Services NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards DHHS NIOSH Publication No 2005149 454p 2007 USEPA Learn About Heat Islands In Heat Island Reduction Program 2021 Disponível em httpswwwepagovheatislandslearnaboutheatislands Acesso em 16 abr 2021 35 REFERÊNCIAS COMPLEMENTARES BRITO E G SILVA M V C CRISPIM A B Climatologia Fortaleza EdUECE 2019 106p GARTLAND L Ilhas de calor como mitigar zonas de calor em áreas urbanas São Paulo Oficina de Textos 2010 GOODMAN S J SAMUELSON D Heat Island NASA 1999 Disponível em httpsweathermsfcnasagovurbanurbanheatislandhtml Acesso em 16 abr 2021 NEWMAN P A NASH E R NASA Ozone Watch NASA 2021 Disponível em httpsozonewatchgsfcnasagovmonthlySHhtml Acesso em 16 abr 2021 36 3 CLASSIFICAÇÕES E MUDANÇAS CLIMÁTICAS Apresentação Prezado a estudante Neste bloco serão apresentadas duas classificações climáticas que são amplamente utilizadas em estudos ambientais Também serão explicados os fenômenos do efeito estufa El niño e La niña que apresentam estrita relação com as condições climáticas do planeta Por fim as mudanças climáticas e suas consequências serão definidas e exemplificadas e algumas medidas de controle serão listadas Bons estudos 31 Classificações climáticas As regiões climáticas do planeta Terra são determinadas pelas condições meteorológicas e influenciam na manutenção da vida na presença de água na erosão de rochas e na formação do perfil do solo Dentre os fatores meteorológicos que influenciam a origem das regiões climáticas terrestres podemos citar insolação pressão temperatura massas de ar e precipitação Existem diversas classificações climáticas que variam com base na escala espacial usada para determinação de modo que quanto maior a área mais generalista a classificação e inversamente quanto menor a área mais detalhada a classificação Além disso as classificações climáticas podem ser divididas em dois grupos em função da abordagem utilizada para sua elaboração 37 Classificações baseadas em métodos empíricos utilizam dados ambientais diretos ou derivados como temperatura umidade precipitação evaporação cobertura vegetal etc Classificações baseadas em métodos genéticos consideram os fatores meteorológicos como massas de ar circulação radiação solar etc No grupo das classificações empíricas podemos destacar as classificações de Köppen e suas modificações de Thornthwaite e de Trewartha enquanto no grupo das classificações genéticas podemos citar as classificações de Strahler de Flohn e de Alisov Devido à ampla aplicação global e difusão no Brasil vamos estudar com mais detalhes as classificações de Köppen e de Strahler A classificação climática de Köppen é baseada no pressuposto de que a vegetação reflete as características climáticas e por isso os aspectos fisionômicos da vegetação são utilizados para a definição dos climas terrestres A classificação de Köppen consiste em uma associação de letras maiúsculas que representam os grandes climas da Terra e letras minúsculas que representam as variações desses climas A definição da região climática é determinada por um grande grupo representado por letras maiúsculas um tipo pode ser representado por letras maiúsculas ou minúsculas e um subtipo representado por letras minúsculas A classificação de Köppen foi criada no início do Século XX e já passou por diversas modificações sendo que atualmente pode ser determinada com base nos critérios descritos no Quadro 31 conforme ilustrado na Figura 31 38 Figura 31 Representação dos grandes grupos climáticos da Terra segundo a classificação de Köppen 39 Quadro 31 Critérios para classificação de Köppen com modificações de Peel et al 2007 Fonte adaptado de Peel et al 2007 Elaborado por Liane Nakada Grupo Tipo Subtipo Descrição Critérios A Tropical Temperatura do mês mais frio 18C f Floresta úmida Precipitação no mês mais seco 60 mm m Monções Não é Af Precipitação no mês mais seco 100 precipitação média anual25 w Savana Não é Af Precipitação no mês mais seco 100 precipitação média anual25 B Árido Precipitação média anual 10 x precipitação limiar W Deserto Precipitação média anual 5 x precipitação limiar S Estepe Precipitação média anual 5 x precipitação limiar h Quente Temperatura média anual 18C k Frio Temperatura média anual 18C C Temperado Temperatura no mês mais quente 10C 0C temperatura no mês mais frio 18C s Verão seco Precipitação no mês mais seco do verão 40mm Precipitação no mês mais seco do verão Precipitação do mês mais úmido no inverno3 w Inverno seco Precipitação do mês mais seco no inverno Precipitação do mês mais úmido no verão10 f Sem estação seca Não é Cs nem Cw a Verão quente Temperatura no mês mais quente 22C b Verão morno Não é a Ao menos 4 meses com a temperatura acima de 10C c Verão frio Não é a nem b Entre 1 e 3 meses com a temperatura acima de 10C D Frio Temperatura no mês mais quente 10C Temperatura no mês mais frio 0C s Verão seco Precipitação no mês mais seco do verão 40mm Precipitação no mês mais seco do verão Precipitação do mês mais úmido no inverno3 w Inverno seco Precipitação do mês mais seco no inverno Precipitação do mês mais úmido no verão10 f Sem estação seca Não é Ds nem Dw a Verão quente Temperatura no mês mais quente 22C b Verão morno Não é a Ao menos 4 meses com a temperatura acima de 10C c Verão frio Não é a nem b nem d d Inverno muito frio Não é a nem b Temperatura no mês mais frio 38C E Polar Temperatura no mês mais quente 10C T Tundra Temperatura no mês mais quente 10C F Frost Temperatura no mês mais quente 10C Notas A precipitação limiar varia de acordo com as seguintes condições SE 70 da Precipitação média anual ocorrer no inverno ENTÃO a Precipitação limiar 2 x Temperatura média anual SE 70 da Precipitação média anual ocorrer no verão ENTÃO a Precipitação limiar 2 x Temperatura média anual 28 SE NÃO a Precipitação limiar 2 x Temperatura média anual 14 40 A classificação climática de Strahler é baseada na dinâmica das massas de ar e considera a umidade e a temperatura De acordo com a classificação de Strahler a Terra é dividida em três grandes grupos climáticos e suas subdivisões conforme descrito no Quadro 32 A classificação de Strahler consiste na determinação das seguintes características das massas de ar i região de origem equatorial E tropical T polar P antártica ou ártica A e ii superfície de origem continental c ou marítima m Quadro 32 Divisões climáticas da classificação de Strahler e suas características Grupos Climáticos Subdivisões Características Grupo I Climas quentes Equatorial úmido Tm e Em Baixas latitudes com predominância de massas de ar equatoriais e tropicais Litorâneo com ventos alísios Tm Desértico tropical Tc Desértico da costa ocidental Tm Tropical semiúmido Tm Em a Tc Grupo II Climas temperados Subtropical úmido Tm e Pc Médias latitudes região intertropical sob influência de massas de ar tropicais e massa de ar polares Mediterrâneo Pm e Tm Marítimo da costa ocidental Pm Desértico de latitudes médias Tc Pm e Pc Continental úmido Tm e Pc Seco de latitudes médias Grupo III Climas frios Continental subártico Pc e Pm Altas latitudes com predominância de massa de ar polar e ártica Tundra Pc Pm e A Marítimo subártico Pm Polar Climas das terras altas Fonte adaptado de Miranda e Souza 2012 Conforme apresentado no Quadro 32 as subdivisões do grupo I podem ser chamadas de climas quentes as do grupo II de climas temperados e as do grupo III de climas frios Um quarto grupo pode ser apontado associado a climas de altitude com um 41 comportamento semelhante ao do grupo III e caracterizado pelo clima típico das cadeias de montanhosas que apresentam gelo eterno como o Himalaia 32 El niño e La niña O fenômeno denominado El Niño Oscilação Sul ENOS é constituído por dois tipos de eventos conhecidos como El Niño e La Niña os quais são considerados como anomalias climáticas Tratase de um fenômeno atmosféricooceânico que acontece no oceano Pacífico Equatorial e afeta as condições atmosféricas em diversas regiões do globo Sob influência do ENOS o oceano Pacífico Equatorial apresenta variações da temperatura da superfície do mar TSM em relação à média histórica normal sob duas condições opostas i El Niño TSM mais alta e ii La Niña TSM mais baixa Essas alterações na temperatura do oceano causam efeitos globais relativos à temperatura e à precipitação No Brasil o El niño afeta as condições atmosféricas de diferentes formas nas diversas regiões do país por exemplo na região nordeste ocasiona secas severas no verão na região sudeste causa aumento das temperaturas médias e na região sul proporciona precipitações abundantes Figura 32 42 Figura 32 El niño variações climáticas em diferentes períodos do ano com representação esquemática do fenômeno Fonte INPE 2021 43 Eventos de La niña também apresentam diferentes consequências nas diversas regiões do Brasil na região nordeste ocasiona verão chuvoso na região sudeste causa quedas de temperatura no verão e na região sul acarreta secas severas no inverno Figura 33 44 Figura 33 La niña variações climáticas em diferentes períodos do ano com representação esquemática do fenômeno Fonte INPE 2021 45 A caracterização do fenômeno ENOS é realizada com emprego de índices tais como os índices Niño subdivididos em Niño 12 Niño 3 Niño 34 e Niño 4 que são as anomalias de TSM médias em diferentes regiões do Pacífico equatorial Desde o início de março de 2021 anomalias negativas no oceano Pacífico equatorial têm sido identificadas e monitoramentos recentes indicam que o fenômeno La niña está atualmente em curso Figura 34 Figura 34 Monitoramento de anomalias de temperatura da superfície do mar Fonte INPE 2021 33 Efeito estufa O efeito estufa é um fenômeno natural da atmosfera terrestre responsável pela presença de vapor de água na atmosfera e pela manutenção da temperatura do planeta Terra em condições favoráveis à vida Para se ter uma ideia sem o efeito estufa a temperatura média do planeta seria 18C 46 Para entender melhor o efeito estufa vamos destacar aqui o dióxido de carbono CO2 e o gás metano CH4 que apesar de representarem menos de 1 do volume de gases que compõem a atmosfera são os principais agentes do efeito estufa Esses dois importantes gases podem ter origem natural como por exemplo a partir da decomposição de biomassa por bactérias aeróbias CO2 e anaeróbias CH4 além de queimadas espontâneas e respiração animal Diversos outros gases também têm capacidade de incrementar o efeito estufa tais como o óxido nitroso N2O clorofluorcarbononetos CFC e seus substitutos HCFC e HFC ozônio O3 troposférico vapor de água H2O e aerossóis Mas então por que o efeito estufa é apresentado como um problema Isso pode acontecer quando gases de feito estufa GEE emitidos por atividades antrópicas Quadro 33 alteram as condições naturais o que causa um desequilíbrio da composição da atmosfera e consequentemente do efeito estufa Considerando essa situação temos o chamado aquecimento global uma das consequências das mudanças climáticas Quadro 33 Principais gases do efeito estufa e suas fontes de emissão antropogênica GEE Fontes de emissão antropogênica Dióxido de Carbono CO2 Queima de combustíveis fósseis processos industriais queimadas desmatamento decomposição de plantas e animais respiração Metano CH4 Queima de combustíveis fósseis processos industriais cultivo de arroz criação de gado matéria orgânica em decomposição Óxido Nitroso N2O Queima de combustíveis produção e uso de fertilizantes queima de resíduos agrícolas processos industriais manejo de agricultura e de animais CFC e seus substitutos Utilização como aerossóis e para refrigeração Fonte adaptado de CETESB 2021 47 Para compreender melhor o fenômeno do efeito estufa vamos relembrar alguns conceitos de termodinâmica A transferência de calor entre moléculas pode ocorrer por três mecanismos condução convecção ou radiação como já vimos brevemente no Bloco 1 A condução ocorre por meio da agitação de moléculas e é mais comum para sólidos e a convecção ocorre por meio de diferença de densidades e é mais comum para líquidos Já a transferência de calor por radiação térmica apresenta um mecanismo relacionado à radiação emitida devido à alta temperatura de um corpo ou seja quanto mais quente um corpo maior a radiação emitida e menor o comprimento de onda Para entender melhor esses conceitos vamos utilizar o exemplo de uma estufa de plantas A radiação solar atinge a superfície terrestre na forma de ondas curtas em sua maioria radiação ultravioleta UV A radiação solar atravessa a estrutura de vido e aquece as superfícies que após aquecidas transmitem parte do calor na forma de ondas longas por exemplo infravermelho As ondas longas têm dificuldade de atravessar o vidro e continuam aquecendo as superfícies e plantas dentro da estufa Desse modo a estufa mantém uma temperatura interna maior que a temperatura externa Agora imagine o planeta como uma grande estufa com os gases de efeito estufa exercendo a função de uma estrutura de vidro A radiação UV emitida pelo Sol passa pelos gases da atmosfera e aquece a superfície terrestre que libera calor em forma de radiação infravermelha que é capturada pelos GEE intensificando o efeito estufa e consequentemente aumentando a temperatura do planeta Figura 35 48 Figura 35 Representação esquemática do efeito estufa Fonte elaborada por Liane Nakada 34 Mudanças climáticas Com o crescimento populacional e a expansão industrial ocorreram importantes alterações na dinâmica de emissões de GEE de modo que com o crescimento da produção industrial no mundo as emissões de dióxido de carbono CO2 apresentaram rápido aumento com consequente alteração na dinâmica do efeito estufa Com a alteração das concentrações de GEE em especial o CO2 o planeta passou a sofrer um processo gradual de aquecimento denominado aquecimento global que se refere a um aumento da temperatura média do planeta e não é representado por eventos locais ou temporários Considerase que os extremos climáticos períodos muito frios ou muito quentes são intrinsecamente relacionados com esse aumento de temperatura 49 Com o objetivo de estudar as mudanças climáticas suas causas e seus impactos para a humanidade e para o meio ambiente em 1988 foi criado o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas IPCC do inglês Intergovernmental Panel on Climate Change a partir de uma iniciativa do programa ambiental das nações unidas e da organização meteorológica mundial O IPCC divulga periodicamente relatórios sobre a situação do aquecimento global e suas consequências Vejamos a seguir alguns dados apontados nesses estudos A concentração de CO2 na atmosfera passou de 278 ppm antes da Revolução Industrial para 400 ppm atualmente um aumento de cerca de 44 O século XX foi o mais quente dos últimos 500 anos com um incremento de cerca de 06C Estimase que nos próximos 100 anos a temperatura terrestre pode aumentar até 2C As evidências e dados divulgados pelo IPCC fizeram a comunidade internacional colocar o tema como uma das prioridades para o novo milênio e os impactos desse aquecimento assim como possíveis medidas de controle começaram a ser estudadas 35 Impactos e controle das mudanças climáticas Muitas consequências negativas podem ser atribuídas às mudanças climáticas e dentre as principais podemos citar Figura 36 Derretimento de calotas polares com aumento no número de icebergs o derretimento do gelo polar causa alterações nos ecossistemas e habitats Impactos nos corais oceânicos o aumento da temperatura da água do mar pode causar a morte de corais 50 Elevação do nível dos mares alguns países como Bangladesh Holanda e Kiribati cujos territórios estão a menos de um metro ou abaixo do nível do mar poderão sofrer com inundações ou mesmo ter todo o território tomado pelo mar Alterações nos ciclos hidrológicos potencial aumento de regiões atingidas pela seca causando decréscimo da produção agrícola além da formação de novos desertos nas regiões equatoriais Alterações na cobertura vegetal e no equilíbrio ecológico em decorrência de intensas mudanças de temperatura Migração de vetores de doenças de ocorrência em regiões quentes como por exemplo a dengue para regiões mais frias 51 Figura 36 Impactos das mudanças climáticas As medidas de controle que podem contribuir para reduzir o aquecimento global e consequentemente diminuir os impactos ambientais das mudanças climáticas consistem na utilização de tecnologias mais limpas na redução das emissões de GEE e na manutenção de florestas e áreas vegetadas que podem atuar como sumidouros naturais de GEE 52 Vejamos alguns exemplos de medidas para conter o aquecimento global Substituição de combustíveis fósseis por renováveis em grandes frotas de transporte Incremento de fontes renováveis de energia Melhorias no setor da construção civil com redução do desperdício de materiais Gestão adequada de resíduos sólidos Implementação de projetos agropastoris de baixa emissão de GEE Manutenção da cobertura florestal e incentivo a projetos de reflorestamento Conclusão Neste bloco estudamos as classificações climáticas de Köppen e de Strahler as anomalias climáticas do fenômeno El niño oscilação sul e suas consequências no Brasil o efeito estufa as mudanças climáticas globais seus impactos e possíveis medidas de controle REFERÊNCIAS CETESB Gases do Efeito Estufa PROCLIMA 2021 Disponível em httpscetesbspgovbrproclimagasesdoefeitoestufa Acesso em 18 abr 2021 INPE El Niño e La Niña CPTEC 2021 Disponível em httpenoscptecinpebr Acesso em 18 abr 2021 53 MIRANDA R A C SOUZA L Climatologia Geográfica Volume 2 Rio de Janeiro Fundação Cecierj 2013 240p PEEL M C FINLAYSON B L McMAHON T A Updated world map of the Köppen Geiger climate classification In Hydrology and Earth System Sciences v 11 p 1633 1644 2007 REFERÊNCIAS COMPLEMENTARES BRAGA B HESPANHOL I CONEJO J BARROS M SPENCER M PORTO M NUCCI N JULIANO N EIGER S Introdução à Engenharia Ambiental São Paulo Prentice Hall 2005 CEPreMG Classificação climática Ciências Atmosféricas UNIFEI 2021 Disponível em httpsmeteorologiaunifeiedubrpagclassificacaoclimatica Acesso em 18 abr 2021 MARIN F R ASSAD E D PILAU F G Clima e Ambiente introdução à climatologia para ciências ambientais Campinas EMBRAPA 2008 NASCIMENTO D T F LUIZ G C OLIVEIRA I J Panorama dos sistemas de classificação climática e as diferentes tipologias climáticas referentes ao estado de Goiás e ao Distrito Federal Brasil In Élisée Revista De Geografia Da UEG v 5 n 2 p 5986 2017 UNITED NATIONS The Intergovernmental Panel on Climate Change IPCC 2021 Disponível em httpswwwipccch Acesso em 14 abr 2021 54 4 MONITORAMENTO DA QUALIDADE DO AR Apresentação Prezadoa alunoa Neste bloco serão apresentados os principais conceitos envolvendo o Monitoramento da Qualidade do Ar a importância os requisitos e os tipos de monitoramento rede manual e automática Serão apresentados os principais poluentes encontrados na atmosfera que causam danos à saúde da população e ao meio ambiente Serão apresentados os padrões de qualidade do ar e os padrões de emissão Não obstante serão apresentados os principais métodos de referência utilizados para análise da concentração de poluentes na atmosfera Bons estudos 41 Poluição atmosférica e principais poluentes De acordo com a Resolução CONAMA Nº 491 de 2018 poluente atmosférico é definido como qualquer forma de matéria em quantidade concentração tempo ou outras características que tornem ou possam tornar o ar impróprio ou nocivo à saúde inconveniente ao bemestar público danoso aos materiais à fauna e flora ou prejudicial à segurança ao uso e gozo da propriedade ou às atividades normais da comunidade CONAMA 2018 s p Os poluentes podem ser classificados em Poluentes primários são aqueles emitidos diretamente pelas fontes emissores por exemplo monóxido de carbono dióxido de carbono material particulado óxidos de nitrogênio óxidos de enxofre hidrocarbonetos aldeídos e outros 55 Poluentes secundários são aqueles formados na atmosfera por meio de reações químicas entre poluentes primários e constituintes naturais presentes no ar por exemplo ozônio ácido sulfúrico formado pelas reações entre o SO2 e O2 que produz SO3 que reage com água sendo precursor da chuva ácida peroxiacetil nitrato O nível de poluição é determinado pela quantificação das substâncias poluentes presentes no ar sendo que a qualidade do ar varia em função das condições meteorológicas as quais determinam a maior ou menor diluição dos poluentes Os efeitos à saúde ocasionados pela poluição atmosférica especialmente registrados pelos episódios agudos de contaminação do ar como ocorrido em Londres em 1952 que levou milhares de pessoas ao óbito bem como o desenvolvimento de doenças respiratórios ou mesmo o smog fotoquímico ocorrido Los Angeles e que também ocorre em demais cidades grandes devido as emissões atmosféricas levaram aos órgãos ambientais a necessidade de medidas de monitoramento e controle Há uma crescente necessidade de ações efetivas para obtenção de uma melhoria na qualidade do ar especialmente em grandes centros urbanos A poluição atmosférica tornouse um dos fatores que mais afetam a saúde e qualidade de vida da população O desenvolvimento e aplicação de estratégicas de gestão da qualidade do ar necessitam de um diagnóstico adequado dos níveis de poluição A avaliação da qualidade do ar é bastante complexa e envolve a medição das concentrações dos poluentes identificação das fontes emissoras estudos de tendência estimativa da poluição em áreas não monitoradas e a previsão do impacto ambiental em áreas estratégicas Nesse caso utilizamse três ferramentas para colaborar com a avaliação da qualidade do ar Monitoramento da qualidade do ar Modelagem da qualidade do ar Inventário de emissões atmosféricas 56 Segundo a CETESB 2017 os principais poluentes atmosféricos chamados de poluentes regulamentados considerados indicadores de qualidade do ar são descritos a seguir Dióxido de Enxofre SO2 tratase de um gás tóxico e incolor emitido por fontes naturais ou antropogênicas Este gás pode reagir com outros componentes na atmosfera formando material particulado secundário pode reagir com o oxigênio formando SO3 e este reagir com água e formar ácido sulfúrico ocasionando episódios de chuva ácida Podem causar efeitos negativos à saúde como o agravamento dos sintomas da asma entre outros problemas no sistema respiratório Dióxido de Nitrogênio NO2 referese a um gás poluente com potencial oxidante sendo considerado precursor da formação de ozônio Acarreta efeitos sobre o sistema respiratório bem como sobre as mudanças climáticas globais Sua presença na atmosfera acarreta formação do smog fotoquímico e da chuva ácida Hidrocarbonetos HC compostos principalmente por carbono e hidrogênio podendo ser emitido na forma de gases partículas finas ou gotas Podem ser classificados em HCT hidrocarbonetos totais e HCNM hidrocarbonetos não metano que correspondem aos hidrocarbonetos totais HCT menos o metano CH4 Estes compostos são precursores da formação do ozônio troposférico e intensificador do efeito estufa a presença do gás metano Material Particulado MP o CONAMA classifica estes poluentes em três categorias dentre elas Partículas Totais em Suspensão PTS Partículas Inaláveis MP10 que são subdivididas em Partículas Inaláveis Finas MP25 e Fumaça FMC Consiste em materiais sólidos de pequeno diâmetro que apresentam características físicas e químicas diversas Pode ser classificado 57 em função do diâmetro das partículas devido à relação existente entre o tamanho da partícula e a possibilidade de penetração no sistema respiratório As principais fontes de emissão de material particulado são a queima de combustíveis fósseis queima de biomassa vegetal emissões de amônia na agricultura e emissões decorrentes de obras de maneira geral Os malefícios da inalação de material particulado podem causar o desenvolvimento de câncer no sistema respiratório arteriosclerose inflamação de pulmão agravamento de sintomas de asma entre outros inclusive dependendo da concentração e característica do material particulado podem ocorrer mortes O MP pode ser emitido diretamente dos processos ou formado a partir de reações químicas entre outros compostos como óxidos de enxofre óxidos de nitrogênio e compostos orgânicos voláteis O MP leve tende a permanecer suspenso na atmosfera por um longo período dependendo do seu tamanho e da forma de precipitação se seca efeito da gravidade ou úmida chuva Partículas Inaláveis MP10 referese às partículas cujo diâmetro é menor ou igual a 10µm Em função do tamanho podem ficar retidas na parte superior do sistema respiratório Partículas Inaláveis Finas MP25 são partículas de diâmetro menor ou igual a 25µm Devido ao tamanho se inalados podem alcançar os alvéolos pulmonares ocasionados danos ao trato respiratório Partículas Totais em Suspensão PTS referese a partículas de diâmetro menor ou igual a 50 µm incluindo as inaláveis A parcela inalável pode causar sérios danos à saúde da população outra parte pode interferir nas condições estéticas e climáticas do ambiente Fumaça FMC referese às partículas suspensas na atmosfera emitidas pelos processos de combustão A determinação da concentração de fumaça 58 é medida pela refletância da luz que incide na poeira coletada em um filtro o que está diretamente relacionado ao teor de fuligem presente na atmosfera Monóxido de Carbono CO tratase de um gás inodoro e incolor formado no processo de queima incompleta de combustíveis fósseis biomassa entre outros sendo um dos principais poluentes presentes na atmosfera Nas áreas urbanas este poluente é decorrente principalmente dos veículos automotores A toxicidade deste gás se deve à alta afinidade com a hemoglobina no sangue formando a carboxihemoglobina impedindo o transporte de oxigênio ao cérebro coração e para o resto do corpo durante o processo de respiração Os efeitos variam em função da concentração e tempo de exposição podendo causar fadiga e dor no peito ou em piores casos levar a asfixia e morte Ozônio O3 é um poluente secundário formado a partir de reações químicas entre o NOx COV na presença de radiação solar É um gás altamente oxidante na troposfera camada inferior da atmosfera O ozônio desempenha um papel filtro da radiação solar quando presente na estratosfera camada situada entre 15 e 50 km de altitude O ozônio na estratosfera impede que grande parte dos raios ultravioletas cheguem à superfície terrestre causando danos à saúde da população Porém na troposfera camada próxima a superfície terrestre o ozônio possui uma característica oxidante causando danos à saúde como por exemplo o agravamento dos sintomas de asma de insuficiência respiratória outras doenças pulmonares como enfisemas bronquites doenças cardiovasculares arteriosclerose 59 Compostos Orgânicos Voláteis COVs corresponde aos gases e vapores produzidos pela queima incompleta e evaporação de combustíveis e outros produtos orgânicos Estes compostos são principalmente emitidos pelos veículos pelas indústrias pelos processos de estocagem e transferência de combustível Os COVs apesar de não serem legislados pelo CONAMA são importantes para entendimento das reações químicas que ocorrem na atmosfera pois são precursores da formação de ozônio além de ocasionar danos à saúde da população Dentre os vários compostos destacamse os hidrocarbonetos leves compostos por hidrogênio e carbono aldeídos cetonas e álcoois destaque para os aromáticos como benzeno tolueno etilbenzeno e xilenos 42 Monitoramento da qualidade do ar A determinação da qualidade do ar por questões práticas e econômicas deve ser limitado a um número de poluentes em função da sua ocorrência e efeitos deletérios à saúde e meio ambiente Quando se determina a concentração de um poluente na atmosfera medese o grau de exposição como resultado do processo de lançamento deste poluente por suas fontes de emissão e interações com outros poluentes ou compostos presentes ou seja como este poluente se comporta de forma química reações químicas ou física diluição A qualidade do ar pode sofrer alterações em decorrência das condições meteorológicas que favorecem ou não a dispersão de poluentes Um período típico de piora na qualidade do ar é no inverso devido as condições desfavoráveis de dispersão de poluentes De acordo com a IUPAC uma rede de monitoramento de emissões atmosféricas referemse a duas ou mais estações para medição periódicas regulares e simultâneas 60 de parâmetros meteorológicos e de concentração de poluentes instaladas em uma dada região geográfica para determinar a extensão e natureza da poluição e estabelecer tendências das concentrações O monitoramento se divide em medição das emissões e da qualidade do ar O monitoramento das emissões referese a estabelecer as concentrações ou taxa de emissão de poluentes dos dutos das chaminés para quantificar o lançamento à atmosfera O monitoramento da qualidade do ar referese à mediação da concentração dos poluentes onde há circulação de pessoas animais e presença de vegetação exposta às condições que podem afetar a saúde a visibilidade bem como danos materiais Há que se ressaltar que o monitoramento do ar não se refere apenas ao levantamento de dados de concentração e poluentes mas ao estabelecimento de estratégicas de planejamento e controle de poluição do ar por meio de inventários de emissões implantação de modelos de qualidade do ar modelos de dispersão atmosféricas entre outros De maneira geral o monitoramento da qualidade do ar por meio das medições é fundamental no estabelecimento de políticas públicas para controle da poluição atmosférica De acordo com a Companhia Ambiental do Estado de São Paulo CETESB o monitoramento da qualidade do ar no estado para contabilizar as concentrações de poluentes foi iniciado na Região Metropolitana de São Paulo em 1972 com 14 estações de medição diária dos níveis de dióxido de enxofre SO2 e fumaça preta Posteriormente o monitoramento foi automatizado com expansão das estações contemplando as medições de concentração de poluentes como SO2 material particulado inalável MP10 ozônio O3 óxidos de nitrogênio NO NO2 e NOx monóxido de carbono CO e hidrocarbonetos nãometânicos NMHC bem como os parâmetros meteorológicos como direção e velocidade do vento temperatura e umidade relativa do ar 61 De acordo com a CETESB 2021 e Lora 2008 os objetivos do Monitoramento da qualidade do ar Fomentar uma base científica para elaborar estratégias e estipular prioridades no controle de poluição atmosférica Avaliar a eficiência das medidas de controle Avaliar tendências da qualidade do ar auxiliando na identificação de problemas futuros de poluição Determinar o nível de exposição da população e seus efeitos à saúde Conferir o atendimento aos padrões estabelecidos pela legislação de modo a determinar situações críticas e acionar planos de emergência ou alarme Informar à população sobre níveis de poluição Disponibilizar dados para gerenciamento de qualidade do ar como planejamento de tráfego e uso do solo Identificar fontes poluidoras Verificar a influência da poluição sobre o ecossistema Determinar a trajetória de poluentes Validar modelos de dispersão atmosférica Para a eficácia das medidas de controle da qualidade do ar por meio da rede de monitoramento é importante Determinar as concentrações mais elevadas na região em estudo Determinar as concentrações nas regiões que apresentam maior densidade demográfica 62 Avaliar as concentrações resultantes nos receptores críticos ou vulneráveis Avaliar o impacto da emissão e poluentes de uma grande fonte de emissão ou grupos emissores num mesmo local Planejamento de uma rede de monitoramento Dentre os fatores que determinam o planejamento de uma rede de monitoramento podese destacar os cultos envolvidos os recursos humanos o tempo de implantaçãooperação da rede de monitoramento Com relação aos efeitos da poluição à saúde deve se atentar ao local com presença da população os poluentes que deverão ser analisados bem como as microrregiões que apresentam maior exposição a poluente que requerem o monitoramento O número de estações e equipamentos que devem compor a rede de monitoramento depende dos objetivos da rede da área a ser contemplada da variabilidade espacial dos poluentes do tipo de equipamento e dos recursos financeiros humanos disponíveis A meta para o planejamento de monitoramento da qualidade do ar consiste em obter uma distribuição espacial e temporal representativa para uma determinada região A escala espacial refere se a área de abrangência que apresenta níveis de concentração medidos é similar As escalas de representatividades podem ser divididas em Microescala 100m 100m média escala 500m 500m escala de bairro 4000m 63 4000 escala média 50km 50km escala regional 500km Acima de 500 km escala ampla As classificações são bastante genéricas todavia cada poluente atmosférico apresenta características próprias em termos de distribuição espacial fontes emissoras e padrões legais As características influenciam a necessidade de cada região e a escala de representatividade apropriada Não há necessidade de medir todos os poluentes num mesmo local devido as características reativas e de fontes de emissão de poluentes Por exemplo em locais próximos as vias de tráfego devem ser implantadas estações destinadas as medições de poluentes emitidos pelos veículos como o NOx CO CO2 COV entre outros Por exemplo o ozônio é um poluente secundário formado pela reação química entre o NOx COV emitidos pelos veículos dessa maneira não há a necessidade de instalar um medidor de ozônio De maneira geral a variabilidade espacial dos poluentes secundários como o ozônio NO2 entre outros tender a ser menor que a dos primários CO CO2 SO2 MP em estações localizadas próximas as fontes Já em locais distantes das fontes emissoras a participação dos poluentes secundários devido as reações químicas são superiores aos poluentes primários recomendandose a instalação de estações destinadas a medição destes poluentes Localização das estações de Monitoramento A seleção do local para implantação das estações de monitoramento deve considerar Condições meteorológicas 64 Características topográficas Existência de dados anteriores Modelagem de qualidade do ar Infraestrutura e proteção contra vandalismo O controle da poluição do ar depende da qualidade dos dados fornecidos pela rede de monitoramento de forma que os resultados sejam consistentes confiáveis representativos que minimize falhas na coleta de dados e que seja possível realizar uma comparação com dados anteriores A Escala Temporal referese aos aspectos de frequência e duração das medições Com não é possível monitorar continuamente todos os poluentes pois a utilização de amostradores tornase dispendiosa optouse por adotar os critérios utilizados em países desenvolvidos que faz a amostragem de 24 horas a cada seis dias Isso significa que a cada seis dias é realizada a amostragem para variar o dia da semana na qual foi feita a coleta e ter uma representatividade em cada dia da semana Por exemplo no domingo a amostragem apresenta baixos níveis de emissões de poluentes devido a interrupção de atividades industriais e menor circulação de veículos sendo este valor distinto dos dias úteis Como a próxima amostragem ocorrerá num sábado e assim sucessivamente até que se tenha uma amostra a cada dia da semana aumentando a abrangência temporal sem precisar medir diariamente Esta estratégia se aplica a alguns poluentes MP SO2 etc quando não houve ultrapassagem dos padrões estabelecidos por lei entretanto há outros compostos como o ozônio monóxido de carbono que a legislação exige que sejam monitorados diariamente Quando ocorre a ultrapassagem dos limites previstos em lei em duas medições diárias há que se aumentar a frequência das análises 65 A duração das medições deve considerar aspectos como densidade populacional redundância de estações para fins de pesquisa científica ou implantação de empreendimentos com potencial poluidor 43 Padrões de Qualidade do ar Segundo a Cetesb 2021 o padrão de qualidade do ar estabelece um limite máximo permitido para as concentrações de poluentes na atmosfera de forma a preservar a saúde e bemestar da população bem como evitar danos à flora e fauna aos materiais e ao meio ambiente em geral A resolução nº 491 de 19 de novembro de 2018 estabelece os padrões de qualidade do ar considerando como referência os valoresguia de qualidade do ar recomendados pela Organização Mundial da Saúde OMS em 2005 que variam de acordo com a abordagem adotada para manter o equilíbrio entre os aspectos que envolvem riscos à saúde viabilidade técnica e econômica entre outros fatores Os valoresguia recomendados pela OMS consideram toda a heterogeneidade entre os estados bem como a dificuldade na formulação de políticas públicas de qualidade do ar devendose considerar as circunstâncias locais para adoção de padrões nacionais Os padrões de qualidade do ar no âmbito federal foram recentemente alterados pela Resolução CONAMA nº 4912018 que revogou a Resolução CONAMA nº 31990 A resolução CONAMA nº 4912018 define Padrões de qualidade do ar intermediários PI padrões estabelecidos como valores temporários a serem cumpridos em etapas Padrão de qualidade do ar final PF valores guia definidos pela Organização Mundial da Saúde OMS em 2005 Episódio crítico de poluição do ar situação caracterizada pela presença de altas concentrações de poluentes na atmosfera em curto período de tempo resultante da ocorrência de condições meteorológicas desfavoráveis à dispersão dos mesmos 66 Plano de Controle de Emissões Atmosféricas documento contendo abrangência identificação de fontes de emissões atmosféricas diretrizes e ações com respectivos objetivos metas e prazos de implementação visando ao controle da poluição do ar no território estadual ou distrital observando as estratégias estabelecidas no Programa Nacional de Controle da Qualidade do Ar PRONAR Índice de Qualidade do Ar IQAR valor utilizado para fins de comunicação e informação à população que relaciona as concentrações dos poluentes monitorados aos possíveis efeitos adversos à saúde CONAMA 2018 s d Os padrões Intermediários correspondem aos valores temporários que devem ser cumpridos por etapas buscando uma melhoria gradativa da qualidade do ar por meio da redução das emissões de fontes fixas e móveis Os padrões finais corresponde aos estabelecidos pelo OMS que visam a preservação da saúde da população mediante episódios de poluição atmosférica A resolução prevê o atendimento aos padrões de qualidade do ar em quatro etapas P1 P2 P3 e PF conforme descrito na Tabela 41 Como observase na tabela para os poluentes Monóxido de Carbono CO Partículas Totais em Suspensão PTS e Chumbo Pb devem considerados os padrões finais de qualidade do ar Os padrões de qualidade intermediários devem ser adotados respeitando os Planos de Controle de Emissões Atmosféricas bem como os Relatórios de Avaliação da Qualidade do Ar elaborados pelos órgãos competentes 67 Tabela 41 Padrões de qualidade do ar Poluente Atmosférico Período de Referência PI1 PI2 PI3 PF mgm³ mm³ mgm³ mgm³ ppm Material Particulado MP10 24 horas 120 100 75 50 Anual¹ 40 35 30 20 Material Particulado MP25 24 horas 60 50 37 25 Anual¹ 20 17 15 10 Dióxido de Enxofre SO2 24 horas 125 50 30 20 Anual¹ 40 30 20 Dióxido de Nitrogênio NO2 1 hora² 260 240 220 200 Anual¹ 60 50 45 40 Ozônio O3 8 horas³ 140 130 120 100 Fumaça 24 horas 120 100 75 50 Anual¹ 40 35 30 20 Monóxido de Carbono CO 8 horas³ 9 Partículas Totais em Suspensão PTS 24 horas 240 Anual4 80 Chumbo Pb5 Anual¹ 05 1 Média aritmética anual 2 Média horária 3 Máxima média móvel obtida no dia 4 Média geométrica anual 5 Medido nas partículas totais em suspensão Fonte Conama 2018 68 O Plano de Controle de Emissões Atmosféricas deve abranger regiões que requer atenção prioritária identificar as fontes emissoras e respectivos poluentes e estabelecer diretrizes e ações voltados a atender os objetivos metas e prazos para implantação Os órgãos ambientais devem elaborar um Relatório de Avaliação da Qualidade do Ar anualmente contendo a descrição das características da região da rede de monitoramento os poluentes atmosféricos monitorados as Redes de Monitoramento Tipos de Rede e Parâmetros Monitorados automática e manual Metodologia de Monitoramento e tratamento dos dados representativa dos dados e estações de medições descrição das fontes emissoras bem como as estimativas de emissão de fontes móveis e estacionárias A Resolução CONAMA nº 4912018 estabelece também critérios para episódios agudos de poluição do ar classificados em estados de Atenção Alerta e Emergência Para estabelecimento dos estados descritos deve se considerar além das concentrações ultrapassadas as condições meteorológicas desfavoráveis à dispersão dos poluentes A Tabela 42 apresenta as concentrações dos poluentes em função da classificação dos estados de poluição atmosférica estabelecidos na legislação Durante os períodos de atenção alerta e emergência as atividades emissoras de poluentes ficam sujeitas a interrupções ou restrições pelo órgão de controle até que os indicadores apresentem uma melhora 69 Tabela 42 Critérios para episódios agudos de poluição do ar Nível Poluentes e concentrações SO2 mgm³ média de 24h Material Particulado CO O3 NO2 Ppm mgm³ mgm³ MP10 mgm³ média de 24h MP25 mgm³ média de 24h média móvel de 8h média móvel de 8h média de 1h Atenção 800 250 125 15 200 1130 Alerta 1600 420 210 30 400 2260 Emergência 2100 500 250 40 600 3000 Fonte CONAMA 2018 44 Índice de qualidade do ar Com o intuito de fornecer informações rápidas e precisas sobre a qualidade do ar estabeleceuse índices de qualidade do ar IQA de forma a padronizar a divulgação das condições atmosféricas Os parâmetros contemplados para formulação do índice de qualidade são Partículas inaláveis MP10 Partículas inaláveis finas MP25 Fumaça FMC Ozônio O3 Monóxido de carbono CO Dióxido de nitrogênio NO2 Dióxido de enxofre SO2 70 É calculado um índice que corresponde a valor adimensional para cada um dos poluentes O índice representa uma qualificação que corresponde a uma nota para a qualidade do ar e é representado por uma cor conforme apresentado na Tabela 43 Tabela 43 Índice de Qualidade do ar Fonte CETESB 2019 A Resolução Conama nº 4912018 estabelece que a qualidade do ar classificada como N1 Boa IQAr 40 correspondente aos indicadores definidos como Padrões Finais O índice é determinado pela Equação abaixo Em que Iini valor do índice que corresponde à concentração inicial da faixa Ifin valor do índice que corresponde à concentração final da faixa Cini concentração inicial da faixa onde se localiza a concentração medida Cfin concentração final da faixa onde se localiza a concentração medida C concentração medida do poluente 71 Exercício de Aplicação A estação de monitoramento de Interlagos localizada na cidade de São Paulo SP apresentou os seguintes dados para os poluentes material particulado ozônio e dióxido de nitrogênio MP10 média de 24 horas de 225 μgm3 O3 máxima média de 8 horas de 145 μgm3 NO2 máxima de 1 hora de 235 μgm3 Para MP10 o valor observado 225 μgm3 se encontra na faixa de concentração entre 151 μgm3 e 250 μgm3 correspondendo aos valores de índice 121 e 200 Para O3 o valor observado de 145 μgm3 se encontra na faixa de concentração entre 131 μgm3 e 160 μgm3 correspondendo aos valores de índice 81 e 120 Para NO2 o valor observado de e 235 μgm3 se encontra na faixa de concentração entre 201 μgm3 e 240 μgm3 correspondendo aos valores de índice 41 e 80 Cálculo do IQAR para a concentração medida de 225 μgm3 de MP10 IQAR121200121250151225151 180 Cálculo do IQAR para a concentração medida de 145 μgm3 de O3 IQAR8112081160131145131 998 Cálculo do IQAR para a concentração medida de 235 μgm3 de NO2 IQAR418041240201235201 75 72 Para determinar a qualidade do ar no local onde foram medidas as concentrações de poluentes deve se considerar a pior situação ou seja o poluente que apresentou o maior valor adimensional a partir das concentrações obtidas No exemplo acima o maior valor de IQAr calculado foi 180 correspondendo a uma qualidade do ar Muito Ruim mediante a classificação da legislação Este IQAR será portanto o índice divulgado à população Índice de Qualidade do ar e efeitos na saúde Para efeito de divulgação utilizase o índice mais elevado isto é embora a qualidade do ar de uma estação seja avaliada para todos os poluentes monitorados a sua classificação é determinada pelo maior índice pior caso O indicador de qualidade do ar está diretamente relacionado aos efeitos à saúde como mostra a Tabela 44 CETESB 2019 73 Tabela 44 Efeitos à saúde Qualidade Índice Significado N1 Boa 0 40 N2 Moderada 41 80 Pessoas de grupos sensíveis crianças idosos e pessoas com doenças respiratórias e cardíacas podem apresentar sintomas como tosse seca e cansaço A população em geral não é afetada N3 Ruim 81 120 Toda a população pode apresentar sintomas como tosse seca cansaço ardor nos olhos nariz e garganta Pessoas de grupos sensíveis crianças idosos e pessoas com doenças respiratórias e cardíacas podem apresentar efeitos mais sérios na saúde N4 Muito Ruim 121 200 Toda a população pode apresentar agravamento dos sintomas como tosse seca cansaço ardor nos olhos nariz e garganta e ainda falta de ar e respiração ofegante Efeitos ainda mais graves à saúde de grupos sensíveis crianças idosos e pessoas com doenças respiratórias e cardíacas N5 Péssima 200 Toda a população pode apresentar sérios riscos de manifestações de doenças respiratórias e cardiovasculares Aumento de mortes prematuras em pessoas de grupos sensíveis Fonte CETESB 2019 Adaptado 74 45 Padrões de Emissões As Emissões Atmosféricas consistem no lançamento na atmosfera de qualquer matéria líquida sólida ou gasosa que possa alterar a qualidade do ar e causar danos à saúde da população podendo estas ser Emissão Pontual emissões decorrentes de uma fonte provida de dispositivo para controle de fluxo Exemplos ventiladores dutos e chaminés Emissão Fugitiva lançamento de poluentes na atmosfera de maneira difusa e sem dispositivos para controle de seu fluxo Exemplos vazamentos de conexões vazamento de recipientes com substâncias voláteis tolueno xileno alguns álcoois entre outros vazamento de gases de aterros sanitários As emissões atmosféricas podem ser realizadas por diversas fontes sendo classificadas em Fontes fixas ocupam uma área delimitada possibilitando um monitoramento direto na fonte Exemplo Indústrias Usinas termelétricas entre outros Fontes móveis são as que se dispersam a partir de fontes que não tem um ponto fixo como ocorre nas estacionária referese aos lançamentos difusos Exemplo emissões veiculares O limite de emissões difere do padrão de qualidade do ar pois o segundo referese ao limite máximo de concentração de poluentes na atmosfera e o primeiro trata das emissões máximas permitidas lançadas por fonte Os limites máximos de emissões de poluentes por tipo de fontes fixas são estabelecidos pelas legislações Resoluções CONAMA nº 38206 e nº 43611 Dentre os principais poluentes legislados podese destacar SO2 SO3 MP NOx Chumbo 75 Fluoretos Amônias que são produzidas nos processos de combustão de óleo gás natural e processos industriais específicos do setor industrial Os padrões de emissão correspondem aos valores máximos de emissão permitidos para serem lançados à atmosfera sendo expresso na forma da concentração gravimétrica mgNm3 em condições normais de temperatura e pressão definidas com a pressão a 101325 mbar correspondente a 1 atmosfera ou 760 mmHg e a temperatura é 273 K correspondente a 0º C Caso seja especificado a condição referencial de oxigênio é necessário utilizar uma fórmula para efetuar a conversão CR Concentração do poluente corrigida para a condição estabelecida nessa resolução OR Percentagem de oxigênio de referência conforme essa resolução estabelecida para cada fonte fixa de emissão OM Percentagem de oxigênio medido durante a amostragem CM Concentração do poluente determinada na amostra Os padrões de emissão são definidos em normativas resoluções específicas para os diferentes tipos de processos como geração de calor a partir da combustão de óleo combustível gás natural biomassa de canadeaçúcar e derivados de madeira da geração de energia elétrica por meio de turbinas os processos de refinarias de petróleo a fabricação de celulose processo de obtenção de chumbo e alumínio primário processos de fusão do vidro para a indústrias do cimento Portland usinas siderúrgicas e de exploração de minério de ferro processos envolvendo a produção de fertilizantes ácido sulfúrico ácido nítrico e ácido fosfórico Para processos não 76 especificados nas regulamentações vigentes o órgão ambiental licenciador poderá definir o padrão de emissão para aquela determinada atividades MIHELCIC 2018 Caso não esteja estabelecido o padrão de emissão para uma determinada fonte ou processo deve se utilizar valores referência de fontes semelhantes ou basearse em dados de outros países O fator de emissão corresponde ao valor que representa a quantidade de emissões poluentes produzidos em relação a quantidade da atividade produtora de poluentes e pode ser expresso pela multiplicação entre a quantidade de uma atividade específica por um fator de emissão específico da fonte EA x EF Em que E é a emissão em massa ou massa por tempo kg ou kgdia A medida da atividade da fonte específica litros de combustível produtos químicos etc EF fator de emissões kgl de combustível ou kgkg de produtos manufaturado Para o caso de as emissões possuírem uma tecnologia de controle a expressão pode ser expressa como EA x EF x 1 ER100 Em que ER eficiência de captura do poluente 77 Exemplo Uma indústria localizada no interior de Goiás possui uma caldeira queimando 150000 l de óleo combustível por dia Considere que o fator de emissão de CO de caldeiras industriais movidas a óleo combustível seja de 06 kg CO por m3 de óleo queimado Solução Aplicando a fórmula do fator de emissão temos EA x EF E 150000 L óleodia x 06 kg CO m3 x 1m31000L 90 kgCOdia As emissões atmosféricas devem ser monitoradas para controle de processos numa frequência estabelecida em conformidade com as necessidades operacionais e de controle da fonte geradora O Plano de Monitoramento das Emissões Atmosféricas consiste num documento elaborado pelo empreendedor antes da realização da amostragem de forma apresentar uma descrição das atividades que devem ser monitoradas O plano deverá ser encaminhado ao órgão ambiental para ser programada a amostragem 46 Metodologias de amostragem de poluentes O monitoramento de poluentes envolve medidas da concentração de poluentes na atmosfera Sendo estabelecidos os poluentes prioritários que requer o monitoramento devese escolher os equipamentos mais adequados sendo estes capazes de fornecer dados de concentração e comparar com os padrões estabelecidos pelas legislações vigentes 78 Os equipamentos de monitoramento das concentrações de poluentes podem ser divididos em ALVARES Jr 2002 BRASIL 2020 Amostradores passivos Amostradores ativos Amostradores automáticos Sensores remotos Bioindicadores Amostradores Passivos referese às amostragens realizadas por um determinado período podendo ser um mês uma semana etc A amostra gás ou vapor é coletada por meio da difusão molecular num dispositivo que faz uso de um filtro com material absorvente para um determinado poluente que será analisado em laboratório Geralmente os amostradores passivos são simples e apresentam baixo custo possibilitando ser instalados de forma simultâneamodular ou com outros equipamentos Estes dispositivos não exigem o uso de sistema de bombeamento ou outro equipamento de sucção para forçar o movimento da amostra Devido à baixa resolução temporal não é possível fazer uma comparação dos dados obtidos com os padrões de qualidade do ar de curto prazo Por meio de amostradores passivos podese medir a concentração de alguns poluentes como o dióxido de enxofre dióxido de nitrogênio ozônio monóxido de carbono Dentre as principais técnicas disponíveis destacase espectrofotometria cromatografia de troca iônica refletância Amostradores Ativos referese a amostragem de um volume de ar sendo succionado por intermédio de um sistema de bombeamento que 79 direciona a amostra para um meio coletor químico ou físico por um determinado período O processo da coleta é realizado por absorção adsorção filtração ou mesmo um combinado entre estas opções Após a coleta as amostras são analisadas em laboratório Estes amostradores são aplicados para análise deSO2 MP NO2 O3 entre outros De acordo com Brasil 2020 os métodos de referência para monitoramento de poluentes atmosféricos são Amostrador ativo para medição de material particulado Os tipos mais comuns de MP monitorados são partículas totais em suspensão MP com diâmetro menor que 10 mm e partículas com diâmetro menor que 25 mm Os dispositivos para mensuração deste poluente se dividem em duas partes sendo a primeira destinada ao sistema de entrada da amostra e os filtros coletores e a segunda referese aos dispositivos para a análise propriamente dita Dentre os equipamentos utilizados para mensuração do MP temos os amostradores de grandes volumes high vol médio volume médiumvol e para pequenos volumes lowvol que são classificados em função do volume da amostra e não do tamanho do particulado O princípio de funcionamento do High vol consiste no método gravimétrico na qual há a passagem da amostra de ar por um filtro de fibra de vidro que são pesados numa balança determinado o ganho de massa devido a presença do MP após 24 horas de amostragem O MP é retido no filtro e um medidor de vazão mede o fluxo de gás amostrado A concentração de partículas totais presentes na amostra é determinada pela relação entre a massa de partículas e o volume de ar amostrado sendo expressa em mgm3 PTS MPvgás mgm3 O HiVol é composto pelo amostrador casa ou gabinete rotâmetros e regulador de fluxo 80 Para medição de fumaça proveniente das emissões veiculares a amostra do ar utiliza se um método para acelerar o motor do veículo para obtenção máxima da bomba injetora para providenciar a maior velocidade de arranque do veículo Após atingir a maior velocidade do veículo é seguida à etapa de desaceleração que é responsável pela emissão de fumaça No Brasil é utilizada a escala de Ringelmann para avaliação in loco que consiste na comparação visual da fumaça emitida pelos veículos por meio de um disco de papel em escala colorimétrica de branco a preto Este método consta com a percepção do observador sendo portanto subjetiva Esta escala consiste num cartão de papelão formando um pentagrama com uma escala de cinco variações de cores o que indica o grau de poluição do veículo analisado A escala vai se cinza claro até preto sendo utilizada para comparar com a fumaça emitida dos escapamentos As emissões que apresentam coloração acima do nível 2 da escala são autuados por estarem fora dos padrões estabelecidos pela legislação O método da refletância consiste na coleta da amostra do ar por meio de um filtro de fibra de vidro circular com uma área mínima sendo a amostra encaminhada para análise num refletômetro para determinação da refletância das partículas presentes Este dispositivo é composto por um sensor com uma lâmpada que emite luz com intensidade constante e um medidor A luz emitida pela lâmpada ao atingir a superfície produz um efeito de refletância que se pretende mensurar sendo essa refletida e uma célula recebe esse sinal Essa célula gera uma tensão cujo sinal é enviado ao medidor apresentando a intensidade da refletância em porcentagem Amostrador ativo para SO2 A medição da concentração e dióxido de enxofre SO2 é realizada pelo método da pararonasilina e pelo método do peróxido de hidrogênio Em ambos são utilizados borbulhadores por onde uma determinada amostra de ar é succionada através de um sistema de bombeamento na qual o gás reage com uma solução contendo reagentes 81 específicos O método da pararonasilina consiste em absorver o dióxido de enxofre na solução de tetracloromercurato de potássio ou sódio de forma a produzir diclorossulfitomercurato completo que reage com pararonasilina e o formaldeído Esta reação forma um ácido chamado metilpararonasilina sulfônico que apresenta uma coloração intensa A absorbância da solução é mensurada pelo espectrofotômetro ou colorímetro que aponta a concentração de SO2 na amostra Tratase de um método simples e específico para medir a concentração de SO2 porém requer um laboratório bem estruturado pois requer profissionais capacitados e manuseio de substâncias perigosas No método do peróxido de hidrogênio a amostra é submetida a uma solução de peróxido de hidrogênio H2O2 que oxida o SO2 formando ácido sulfúrico A acidez representa a concentração de SO2 na atmosfera sendo obtida por meio de titulação com solução padrão Este método consiste em avaliar a acidez da amostra e portanto não é exclusivo para determinar o SO2 como também o NH3 que pode estar presente na amostra e interferir nos resultados Amostrador ativo para NO2 O Método de coleta de amostra similar ao SO2 diferenciando a solução responsável pela absorção que neste caso é o nitrito de sódio O íon nitrito reage com uma solução de ácido fosfórico produzindo um composto que apresenta uma coloração que serve como indicador da concentração de dióxido de nitrogênio na amostra Amostrador ativo para CO A análise de monóxido de carbono em amostradores ativos é realizada pelo método espectrofotometria de infravermelho não dispersivo Este método consiste na absorção de radiação infravermelha por CO em uma amostra de ar coletada em um analisador que utiliza fotometria infravermelha de comprimento não dispersivo A 82 radiação infravermelha passa através de uma célula contendo a amostra de ar a ser analisado e a absorção é medida por um detector Uma outra camada contendo um gás não absorvente chamada de célula de referência recebe um feixe de radiação igual a célula da amostra A célula com a amostra de ar contendo CO transmite ao detector uma quantidade reduzida de energia infravermelha que é inversamente proporcional a concentração de CO Os valores desiguais de energia recebida pelos dois compartimentos da célula permitem que a membrana que separa os lados gere uma corrente alternada na qual o sinal elétrico de saída que está diretamente relacionado a concentração de CO Analisadores automáticos referese a amostrados com uma resolução temporal alta onde é possível obter resultados das concentrações dentro de 30 a 60 minutos utilizando princípios eletro ópticos Nestes amostradores a amostra a ser analisada entra numa câmara de reação na qual o gás possui uma propriedade ótica especifica que pode ser mensurada diretamente ou por meio de uma reação química que produz um efeito de quimiluminescência ou luz fluorescente O detector produz um sinal elétrico sendo este sinal proporcional a concentração do poluente Os poluentes serão analisados por meio de diferentes princípios eletroópticos conforme segue descrito na tabela abaixo 83 Tabela 41 Métodos referência para análise de poluentes Parâmetros Método de Medição Partículas inaláveis finas Radiação Beta Partículas inaláveis Radiação Beta Dióxido de enxofre Fluorescência de pulso ultravioleta Óxidos de nitrogênio Quimiluminescência Monóxido de carbono Infravermelho não dispersivo GFC Enxofre reduzido total Oxidação térmicafluorescência de pulso ultravioleta Ozônio Ultravioleta Benzeno tolueno Cromatografia gasosa Método Fluorescência na Região do Ultravioleta Neste método o SO2 sofre um processo de excitação pela radiação ultravioleta que reduz a energia propiciando a emissão de radiação fluorescente secundária cuja intensidade representa a concentração deste gás na amostra A amostra passa por uma célula de medição do analisador sendo esta irradiada com luz ultravioleta Método da Quimiluminescência O método consiste em determinar a concentração de ozônio e Nox por meio da obtenção de energia luminosa produzida pela reação química cuja energia gerada é resultado da dissociação de ligações fracas produzindo compostos intermediários sendo estes eletroliticamente excitados Ao retornar ao estado original emitem uma luz mensurada por um fotodetector Para determinar o ozônio este é submetido a uma reação com o etileno produzindo compostos que apresentam fluorescência 84 liberando luz O fluxo de recebimento de luz no fotodetector depende das concentrações de ozônio e etileno Se demora mais para medir o etileno do que o ozônio a luz emitida corresponde a fração de ozônio na amostra Para determinar o NO2 a reação química correspondente é entre o ozônio e NO sendo o ozônio fornecido em alta concentração A luz emitida no fotodetector corresponde a concentração de NO na amostra Sensores remotos dispositivos que fornecem dados da concentração de poluentes em pontos mais distantes do equipamento utilizando técnicas de espectroscopia Os dispositivos são compostos por uma fonte de luz e um receptor Estes equipamentos são aplicados na medição da concentração de hidrocarbonetos e monóxido de carbono Estes dispositivos são instalados próximo as vias de tráfego intenso em que de um lado é posicionado a fonte de luz e do outro lado o receptor onde são medidas as concentrações antes e após a passagem dos veículos por exemplo Bioindicadores técnicas que utilizam o biomonitoramento da poluição atmosférica realizado por meio de plantas Esta técnica possibilita utilizar a superfície da planta como uma fonte receptora de poluente ou ainda fazer uso da capacidade da planta em acumular ou metabolizar gases poluentes em seu tecido devendo ser encaminhada ao laboratório para análises O uso das plantas como bioindicador pode ser realizado por meio da avaliação dos poluentes sobre metabolismo ou a genética da planta necessitando portanto de técnicas mais avançadas Outra forma de avaliar a poluição atmosférica com a ajuda das plantas é analisar a aparência visual da mesma e ainda a distribuição geográfica de determinadas espécies que serve como indicador de qualidade de ar O uso do bioindicador é aplicável em áreas onde não é possível realizar o monitoramento por meio de dispositivos mais avançados observando portanto limitações ao amplo uso desta alternativa devido as 85 dualidades de obtenção de dados confiáveis rápidos das condições climáticas entre outros Conclusão Neste bloco você aprendeu os principais conceitos envolvendo a poluição atmosférica e os métodos de monitoramento da qualidade do ar Também foram apresentados os padrões de qualidade do ar e os padrões de emissões bem como as legislações e normas vigentes REFERÊNCIAS ALVARES Jr O M LACAVA C I V FERNANDES P S Emissões Atmosféricas Brasília SENAIDN 2002 BRASIL Ministério do Meio Ambiente Secretaria de Qualidade Ambiental Departamento de Qualidade Ambiental e Gestão de Resíduos Guia técnico para o monitoramento e avaliação da qualidade do ar Brasília MMA 2020 CETESB Companhia Ambiental do Estado de São Paulo Qualidade do Ar no Estado de São Paulo 2018 São Paulo CETESB 2019 Disponível em httpscetesbspgovbrarwpcontentuploadssites28201907Relatoriode QualidadedoAr2018pdf Acesso em 25 jun 2021 CETESB Poluição do Ar Gerenciamento e Controle de Fontes Escola Superior da CETESB 2017 Disponível em httpscetesbspgovbrposgraduacaowp contentuploadssites33201711ApostilaPoluiC3A7C3A3odoAr GerenciamentoeControledeFontespdf Acesso em abr de 2021 LORA E E S Prevenção e Controle da Poluição nos Setores Energético Industrial e de Transportes Rio de Janeiro Editora Interciência 2008 86 MIHELCIC J R ZIMMERMAN J B Engenharia Ambiental fundamentos sustentabilidade e projeto Rio de Janeiro LTC 2018 87 5 TECNOLOGIA DE CONTROLE DE POLUENTES ATMOSFÉRICOS Apresentação Prezadoa alunoa Neste bloco serão apresentados os principais conceitos envolvendo o tratamento de ar para remoção de material particulado Veremos também os princípios de remoções as forças atuantes os tipos de equipamentos disponível para controle da poluição do ar Não obstante serão apresentadas as principais formulações matemáticas para dimensionamento dos equipamentos de controle de material particulados como câmaras de sedimentação ciclones precipitador eletrostáticos e filtros de manga Bons estudos 51 Tecnologias de controle de material particulado O controle das emissões atmosféricas provenientes de processos industriais pode ser dividido em duas classes a Métodos indiretos por meio de modificação do processo ou equipamento b Métodos diretos por meio de tecnologias de tratamento As medidas indiretas referemse a estratégias para impedir à geração do poluente diminuir a quantidade de poluentes geradas e ou diluir os poluentes por meio de chaminés elevadas com o objetivo de impedir o escape ou formação dos gases Impedir à geração do poluente por meio da substituição de matérias primas e reagentes Exemplo trocar o enxofre por soda na produção de celulose não adicionar chumbo tetraetila na gasolina utilizar resina sintética ao invés de borracha para produção de escovas de pintura 88 Mudanças de processos ou operação utilização de operações contínuas automáticas dar preferência a sistemas fechados reutilizar vapores no processo como ocorre na indústria petrolífera utilizar o processo soda ao invés de KRAFT em fabricação de celulose para redução das emissões de gás sulfídrico Reduzir a quantidade de poluentes através de processos com boas práticas de operação e manutenção de equipamentos armazenamento adequado de substâncias e materiais propícios a emissão educação ambiental mudanças de combustíveis para opções com menor teor de enxofre substituir combustíveis fósseis por alternativos renováveis ou energia elétrica As medidas diretas referemse a técnicas para concentrar os poluentes na fonte e direcionálos ao tratamento antes do lançamento e uso de tecnologias para retenção de poluentes após geração através de equipamentos de controle de poluição do ar Os equipamentos empregados no controle de material particulado e gases possuem distintas eficiências em função do tamanho da partícula das características do gás e volume de gás a ser tratado A eficiência de coleta de MP está relacionada ao tamanho do diâmetro da partícula ou a um intervalo de tamanhos A separação do MP do fluxo gasoso é possível por meio da atuação de diferentes forças conforme descrito a seguir Sedimentação gravitacional tratase de um mecanismo de deposição indicado para partículas grandes maiores que 20micra A eficiência deste sistema baseiase na velocidade terminal da partícula sendo diretamente proporcional à densidade e diâmetro 89 Ut velocidade terminal da partícula p diâmetro da partícula g constante gravitacional p densidade da partícula g densidade do gás carreador μg viscosidade do gás carreador C fator de correção de Cunningham adimensional O Fator de correção de Cunnigham é considerado como uma correção no coeficiente de arrasto utilizado para prever a força de arrasto de uma partícula se movendo dentro de um fluido Para o caso do ar a fórmula para correção é expressa por Força centrífuga Nesse mecanismo uma Força Centrífuga incide sobre as partículas em movimento numa trajetória circular Essa força faz com que a partícula se afaste do centro do círculo seguindo o sentido das paredes de um ciclone por exemplo A força centrífuga é dada por m massa da partícula r raio da trajetória Vn velocidade tangencial da partícula 90 A remoção de particulado por meio da força centrífuga será mais eficiente quanto maior for o diâmetro da partícula e sua velocidade tangencial e quanto menor o diâmetro do coletor Os ciclones que utilizam este mecanismo de remoção de particulado geralmente são empregados como dispositivos de prétratamento impactação inercial Este mecanismo de remoção de particulado consiste no impacto da partícula frente a um obstáculo reduzindo a energia da partícula que estava em movimento e se separe do fluxo gasoso O impacto das partículas sobre o obstáculo pode ser realizado por meio de gotículas de um lavador de gases ou pelas fibras do tecido utilizado no filtro de mangas por exemplo Intercepção tratase de um caso limite da impactação e portanto a remoção das partículas ocorre quando estas ao atingir o coletor obstáculo estão a uma distância igual ao seu diâmetro O mecanismo de intercepção ocorre quando as partículas raspam o equipamento Força eletrostática A força eletrostática está presente em dispositivos denominados precipitadores eletrostáticos onde a presença de cargas elétricas positivas e negativas A remoção de particulado por meio da precipitação eletrostática é realizada através da formação de íons gasosos pela descarga de alta voltagem num eletrodo de descarga que carrega eletricamente as partículas presentes no fluxo gasoso O campo elétrico formado entre o eletrodo de descarga e o da coleta permite que a partícula carregada seja direcionada ao eletrodo de polaridade oposta portanto sendo descarregada e por fim é coletada na parte inferior do dispositivo A camada de partícula se desprende do eletrodo de coleta por gravidade depositandose no silo de coleta 91 De acordo com a lei de Coulomb a força eletrostática é expressa por Fe qE Em que Fe força eletrostática q carga elétrica da partícula E intensidade do campo elétrico 52 Eficiência da remoção de material particulado A escolha do dispositivo de coleta deve levar em consideração alguns aspectos como eficiência de remoção de particulados consumo de energia custo de investimento características do gás e MP periculosidade dos compostos MIHELCIC 2018 Para determinar a eficiência de coleta de particulado utilizase a razão entre a quantidade coletada pela quantidade total presente na amostra No caso de gases as quantidades são expressas em função da concentração e para o material particulado a unidade é massa de partículas A eficiência global de coleta é definida pela expressão abaixo onde A representa a carga de entrada concentração e B a carga de saída MIHELCIC 2018 Na prática é possível utilizar diferentes tipos ou unidades de equipamentos de controle da poluição em série como por exemplo um sistema composto por um ciclone e lavador de gases Portanto deve se considerar a eficiência global de coleta do sistema como representado pela equação abaixo 92 A parcela de particulado que passa pelo equipamento coletor ou seja a não coletada é denominada taxa de penetração P P 100 Exercício de Aplicação Calcular a eficiência global de coleta a penetração e a concentração do poluente após passar pela unidade de controle de poluição do ar para um sistema composto de três equipamentos em série para remoção do material particulado Dados Concentração de material particulado presente no gás amostrado 10000 kgh Equip1 40 Equip2 60 Equip3 90 Solução Eficiência Global g 1104x106x109x100 976 Penetração P1109760024 93 Emissão após equipamento de controle Ef Ef Ei x P Ei1 10000 kgh x 0024 240 kgh Massa de MP coletado 10000 240 9760 kg Como o material particulado possui partículas de diferentes granulometrias é comum utilizar a eficiência fracionada dos dispositivos de coleta A eficiência fracionada é calculada quando se conhece a granulometria do particulado sendo expressa pela equação a seguir A eficiência de remoção de particulados pode ser determinada de forma global ou por frações Figura 51 Separação de Material Particulado Fonte adaptado de LORA 2002 A eficiência total pode ser calculada também a partir da eficiência por frações como Em que Efi eficiência por frações eficiência de separação das partículas com diâmetro dpi fi fração em massa de particulados de diâmetro dpi 94 Exemplo de aplicação Considere o dispositivo de remoção de particulado conforme apresentado na figura Figura 52 Dispositivo de remoção de particulado a Cálculo da eficiência global E CoCCo 850126850 851 b Cálculo da eficiência fracionada E Ef1x fi 099040080035040025 766 Diâmetro de corte O Diâmetro de corte referese ao tamanho da partícula cujo diâmetro é removido pelo dispositivo de coleta com 50 de eficiência Este parâmetro é importante para determinar o desempenho de diferentes equipamentos de modo geral o equipamento que apresenta menor diâmetro de corte é o que tem melhor desempenho uma vez que será possível remover partículas menores COOPER 1994 LORA 2002 95 Os equipamentos mais utilizados para controle da poluição atmosférica podem ser divididos em coletores de material particulado e gases e vapores 53 Câmaras de sedimentação A câmara de sedimentação consiste em um dispositivo de remoção de material particulado cujo mecanismo de coleta é a força gravitacional por meio de expansões câmara metálica do duto de passagem do fluxo gasoso O gás ao entrar na câmara de sedimentação que possui seção maior que o duto de transporte do fluxo gasoso perde a velocidade de forma que as partículas maiores sejam atraídas para a parte inferior do dispositivo por ação da gravidade Após esta deposição o material particulado é coletado e o restante do fluxo gasoso segue o mesmo sentido de entrada A velocidade do gás no interior da câmara gravitacional não deve exceder 3ms para evitar arraste de particulado Este equipamento é destinado a remoção de MP grande entretanto para que partículas menores sejam coletadas tornase necessário que as dimensões da câmara sejam muito grandes inviabilizando sua aplicação O fluxo gasoso entra por um difusor para uniformizar a velocidade do gás sendo retirado do lado oposto após a remoção do particulado Uma alternativa para aumentar a velocidade é a instalação de chicanas que consiste em obstáculos para facilitar a remoção dos poluentes LORA 2002 96 Figura 52 Câmara Gravitacional com chicanas Figura 53 Câmara Gravitacional com chicanas Balanço de Massa de remoção de particulados O dimensionamento de uma câmara de sedimentação baseia se principalmente na velocidade terminal da partícula suspensa bem como no regime de escoamento que pode ser laminar ou turbulento em função do número Reynolds onde U corresponde a velocidade do fluxo gasoso no interior da câmara viscosidade gás e a densidade gás podem ser calculadas na temperatura e pressão médias do gás e Dh corresponde ao diâmetro hidráulico 97 Cálculo da velocidade U Cálculo da viscosidade e densidade do gás Os valores de massa molar MMg o R e Cn são determinados em função das características do gás Tabela 52 Propriedades de alguns gases Gás MMg gmol mo105 Pas Cn Intervalo de Temperatura ºC NH3 17 0831 503 20 a 300 CO2 44 138 254 20 a 280 CL2 71 123 350 20 a 280 O2 32 192 125 15 a 830 C3H8 44 075 290 20 a 300 Ar seco padrão 29 173 125 15 a 800 Fonte ÇENGEL 2013 Em que 98 Cálculo da vazão volumétrica entrada e saída do equipamento Se as pressões na entrada e saída não se alteram é possível utilizar a fórmula a seguir Cálculo da vazão volumétrica média a vazão volumétrica do gás deve ser calculada com base na temperatura média entre a entrada e saída da câmara Cálculo do diâmetro hidráulico 99 Em que W largura da câmara H altura da câmara L comprimento da câmara Portanto para determinar o Número de Reynolds utilizase a formulação matemática a seguir sendo considerado Resed2300 escoamento laminar e Resed2300 escoamento turbulento Quando há um escoamento laminar as partículas se depositam por toda a seção da câmara e neste caso o comprimento do equipamento está diretamente relacionado à eficiência de coleta quanto maior o comprimento L maior a probabilidade da partícula se sedimentar Aplicando um balanço de massa para uma partícula com diâmetro dpi temos WEi CEi x QE WRi CEixVTix WL Considerando a eficiência fracionária para remoção de particulado i temos Rearranjando as equações temos 100 Em que Vti velocidade terminal da partícula Wlargura da câmara Lcomprimento da câmara Qm vazão volumétrica média A velocidade da partícula em queda livre é determinada pela equação abaixo Em que p a densidade da partícula kgm3 f densidade do fluido kgm3 g aceleração da gravidade 981ms2 dpi diâmetro da partícula m CD coeficiente de atrito O CD corresponde ao coeficiente de atrito e número de Arquimedes Ar sendo a equação válida para Ar entre 0 e 1300 101 Para uma determinada eficiência i pode se determinar o comprimento L necessário da câmara rearranjando a fórmula da eficiência Em caso de regime turbulento Resed 2300 a mistura do gás não favorece a sedimentação das partículas apenas para a camada laminar no fundo da câmara Portanto no caso de regime turbulento a eficiência de coleta é dada em função da camada limite A eficiência do regime turbulento pode ser expressa pelo modelo mistura lateral completo aplicando se ao escoamento cujo número de Reynolds varia entre 2300Re6000 e o modelo de mistura lateral e longitudinal completa para número de Re6000 Modelo mistura lateral completo Modelo de mistura lateral e longitudinal completa 102 Aplicando o balanço de massa no equipamento de remoção de particulados temos Considere que as partículas em suspensão no fluxo gasoso entrem no equipamento de remoção por E e saia por C e S portanto WE Ws WC WE CE x QE WS CS x QS Para determinar a eficiência de coleta global do sedimentador temos a formulação a seguir em que WEVazão mássica de particulado suspenso na entrada kgs WS Vazão mássica de particulado suspenso na saída kgs WSi Vazão mássica de particulado com diâmetro dPi na saída do equipamento kgs WEi Vazão mássica de particulado com diâmetro dPi na entrada do equipamento kgs Com base no equacionamento acima é possível determinar a concentração de particulado no fluxo gasoso na saída do equipamento 103 Ou corrigida nas CNTP é dada por Exercício de Aplicação Um coletor gravitacional de dimensões H4m W4m e L5m recebe um fluxo gasoso de um processo a temperatura constante de 60C sob uma pressão de 710 mmHg A vazão do gás a ser tratado é de 1200 m3h sendo que esse possui uma concentração de particulados de 10 gm3 As partículas têm densidade 2200 kgm3 distribuídas como mostra a tabela abaixo dPimm 5 10 25 60 120 wi massa 3 15 29 34 19 Determine a A velocidade terminal da partícula Vti b O número de Reynolds do coletor e o regime de escoamento Re c A eficiência de remoção para cada tamanho de partícula i d A eficiência global e A vazão mássica de particulado coletado no equipamento f A concentração de partículas na saída do equipamento Cs gm3 g A concentração de partículas corrigida para a condição normal de temperatura e pressão CsN gm3 104 Solução Parâmetros Valor Equação L m 5 Enunciado Hm 4 Enunciado W m 4 Enunciado Dhm 4 U ms 0021 Qm m3h 1200 Tm ºC 60 PmmmHg 710 QE m3h 1200 Enunciado Re 4080 rgás 0991530337 mgás 203E05 MMg gmol 29 Valores tabelados em função da característica do gás RLmmHgmolk 6236 Valores tabelados em função da característica do gás 105 Cn 125 Valores tabelados em função da característica do gás m0 105 Pas 173E05 Valores tabelados em função da característica do gás Regime turbulento Re2300 é considerado regime turbulento modelo mistura lateral 2300Re6000 CE gm3 10 Enunciado TE ºC 60 Enunciado TS ºC 60 Enunciado PE mmHg 710 Enunciado PS mmHg 710 Enunciado WE kgh 12 Qsm3h 1200 p kgm3 2200 Enunciado WS kgh 1808392 Wckgh 102 WEWSWC nglobal 085 Cs gm3 151 CsN gNm3 197 O cálculo do WS kgh é demonstrado na próxima tabela 106 Dpi m Wi Wei kgh Ar Cp Vti ms i WSi kgh Enunciado Enunciado WEi wEiWE 1 2 3 Neste exercício o regime é turbulento modelo mistura lateral completa 5 003 0360 0009 498386 000171 009729 0324975 10 015 1800 0070 62711 000680 033507 1196869 25 029 3480 1086 4188 004162 091766 0286539 60 034 4080 15018 372 021622 100000 0000009 120 019 2280 120147 78 066942 100000 0000000 Somatório 1 12000 WS kgh 1808392 1 Número de Arquimedes 2 Coeficiente de Atrito 3 Velocidade Terminal da partícula 54 Ciclones São equipamentos destinados a remoção de material particulado por meio de uma força centrífuga para a coleta de partículas Os ciclones podem ter entrada do fluxo gasoso de forma tangencial ou radial Estes dispositivos apresentam uma estrutura composta por corpo cônico cilíndrico com entrada de gases tangencial e uma abertura na parte superior do equipamento A força da gravidade em conjunto com a força centrípeta é responsável pela remoção do Material Particulado uma vez que a ação das forças leva as partículas no sentido na parede do ciclone em que perdem a energia e tendem a seguir um fluxo descendente onde são coletadas no silo de particulados 107 Figura 51 Ciclone Esses dispositivos são recomendados para remoção de material particulado de grande granulometria servindo como como précoletores de equipamentos como por exemplo os filtros de manga ou os precipitadores eletrostáticos Esses dispositivos apresentam baixo custo de instalação e manutenção não possuem partes móveis são constituídos por diversos materiais e ocupam um espaço pequeno Os ciclones podem ser empregados na recuperação de produtos em indústrias alimentícias grãos fibras pós etc bem como na indústria química Em indústrias metalúrgicas de não ferrosos podem ser empregados como um primeiro estágio para remoção de particulados de plantas de incineração fornos ou fornalhas Para aumentar a eficiência de coleta é possível fazer um arranjo agrupando os ciclones em paralelo na qual a vazão do fluxo gasoso é dividida entre os ciclones de forma igualitária Para tratar alta vazão de gases tornase necessário a junção de várias unidades de ciclones formando os multiciclones LENZI 2019 108 Figura 52 Entrada do gás no ciclone Os ciclones podem ser classificados em função da eficiência e da perda de carga Ciclones de baixa eficiência 5 PC 10 cm H2O Ciclones de média eficiência 10 PC 20 cm H2O Ciclones de alta eficiência cone longo 20 PC 25 cm H2O Dimensionamento de ciclone O dimensionamento de ciclones é baseado em sete relações geométricas que são expressas em frações do diâmetro Dc LORA 2002 109 Figura 53 Dimensões de Ciclone D diâmetro do cilindro corpo H altura da entrada Lb comprimento do cilindro corpo W largura da entrada Lc comprimento do cone De diâmetro do tubo de saída do gás S comprimento do tubo vórtex no interior do ciclone Dd diâmetro do tubo de saída do pó Fonte Adaptado de Lora 2002 110 Tabela 53 Relações geométricas para diferentes tipos de ciclones Lapple Stairmand Swift HD 05 05 044 WD 025 02 021 DeD 05 05 04 LbD 2 15 14 LcD 2 25 25 SD 0625 05 05 DdD 025 0375 04 K 4029 5513 6992 NH 8 64 924 Baixa eficiência Média eficiência Alta eficiência K parâmetro de configuração geométrica adimensional NH parâmetro de perda de carga adimensional A eficiência de ciclones está relacionada pelo seu diâmetro crítico ou pelo seu diâmetro de corte O diâmetro crítico corresponde ao diâmetro da partícula na qual a eficiência de remoção de particulado é 100 O diâmetro de corte corresponde ao diâmetro da partícula removida com 50 de eficiência Em que dcorte d50 m g viscosidade do gás kgms b largura da entrada do ciclone m p densidade da partícula kgm3 111 Vi velocidade do gás na entrada do ciclone de 15 a 21 ms velocidade das partículas Nv número de voltas do vortex 3 a 10 para ciclones de alta eficiência deve ser utilizados maiores valores número de revolução dadas pela partícula no interior do ciclone De acordo com Lora 2002 os ciclones convencionais e de alta eficiência apresentam diâmetro de corte em torno de 8 mm e 3 mm respectivamente A eficiência fracionada pode ser calculada pela equação de De Paola e Theodore onde d corresponde ao diâmetro da partícula Em que d diâmetro da partícula d50 o diâmetro de corte referese ao diâmetro da partícula coletado com 50 de eficiência Exercício de Aplicação Considere um ciclone convencional com as proporções padrão descritas por Lapple com diâmetro do ciclone de 1 m Considere uma vazão de gás de 150m3min a uma temperatura de 350K e 1 atm A densidade das partículas de 1600kgm3 e distribuição delas conforme tabela abaixo A viscosidade do gás é de 0075 kgmhora e a densidade é de 101 kgm3 Calcule a eficiência de coleta do ciclone Adotar número de vórtex igual a seis 112 Distribuição das partículas m mássica 02 1 24 9 46 10 610 30 1018 30 1830 14 3050 5 50100 1 Solução Dados Considerar as relações geométricas do ciclone tipo Lapple para diâmetro de 1 metro vazão 150 m3min viscosidade do gás 0075 kgmhr número de vórtex 6 densidade da partícula 1600 kgm3 diâmetro 10 m largura 025 m altura 05 m Primeiro deve se determinar o diâmetro de corte que corresponde ao diâmetro das partículas que são removidas com 50 de eficiência Partículas com diâmetro maior que o diâmetro de corte são removidas com eficiência superior a 50 Vazão Velocidade x área Q v x A vQA Área base x altura 113 Área 025050125m2 v150m3min0125m2 1200mmin Pela tabela de dimensões do ciclone podese determinar a área uma vez que foi dado o valor do diâmetro de 1 metro Através do valor do diâmetro podese determinar as demais dimensões d50 90075kgmhr025m 2314161200mmin601600kgm3605106 d50623m Depois de determinado o diâmetro de corte deve se calcular a eficiência fracionada ou seja para cada intervalo de diâmetro de partículas Distribuição das partículas mm média da distribuição de partículas ni mássica porcentagem coletada 02 1 00251 1 0025 24 3 01881 9 1693 46 5 03915 10 3915 610 8 06222 30 18667 1018 14 08346 30 25037 1830 24 09368 14 13115 3050 40 09763 5 4881 50100 75 09931 1 0993 TOTAL 683 De acordo com os cálculos apresentados acima a eficiência de coleta do ciclone é o somatório das eficiências fracionadas 114 Eficiência total de coleta t mi x i683 55 Filtros de Manga Segundo Lenzi 2019 os filtros de manga utilizam a filtração para remoção de particulado da corrente gasosa podendo ser aplicado tanto no controle de poluição como para recuperação de produtos como ocorre no processo de produção de óxido de zinco O princípio de remoção de particulado por meio da filtração corresponde à passagem do gás a ser tratado através de um tecido que ao atravessar os poros do tecido retem parte das partículas na sua superfície A remoção de particulados se inicia com a colisão das partículas contra as fibras do tecido filtrante que promove uma aderência às mesmas Com o acúmulo de partículas nas fibras do tecido formase o meio de coleta torta de filtro A torta de filtro consiste portanto no conjunto tecidotorta formando o meio filtrante Periodicamente estas partículas acumuladas precisam ser removidas para evitar a formação de uma camada muito espessa dificultando a passagem do gás pois aumento da queda de pressão no filtro O filtro de manga possui uma estrutura em formato tubular semelhante a uma manga de camisa que são dispostas em fileiras emparelhadas instaladas no interior de uma caixa metálica Este dispositivo apresenta alta eficiência de coleta apresentando valores maiores que 999 Os parâmetros importantes para avaliar o desempenho dos filtros de manga são a capacidade de filtração vazão de gás a ser tratado tipo de meio filtrante temperatura de operação se o processo é contínuo ou intermitente o tipo de mecanismo de limpeza 115 A escolha do meio filtrante influencia no desempenho dos filtros O meio filtrante precisa apresentar resistência química e mecânica ser compatível com a temperatura do gás sendo estas características de cada material fornecida pelo fabricante LENZI 2019 Os principais materiais que compõe os filtros de manga são algodão lã poliamida poliéster polipropileno fios metálicos fibras de vidro entre outros sendo que cada um tem uma resistência a determinada temperatura do gás Os filtros de tecido podem ser classificados em função do formato do meio filtrante ou seja tipo manga ou tipo envelope O filtro de mangas possui o formato de saco alongado tubular sendo o sistema de limpeza realizado por sacudimento mecânico ar reverso ou jato pulsante O mecanismo de sacudimento mecânico consiste na remoção de particulado por agitação mecânica seja horizontal ou vertical Esse método não é muito eficiente para o caso de partículas com maior aderência uma vez que a agitação excessiva pode danificar as magas ou desprendêlas da estrutura de sustentação O gás a ser tratado entra no equipamento pela parte interna e sai deixando as partículas do lado de dentro O mecanismo de ar reverso consiste na remoção de partículas por meio da injeção de ar no sentido oposto ao fluxo gasoso sendo recomendado para baixas vazões de gás a ser tratado O jato pulsante de ar comprimido é o sistema mais empregado para limpeza de filtros de manga e possui um tubo de Venturi acoplado ao topo de cada manga promovendo um jato de ar por toda a extensão da manga promovendo uma expansão nestas e fazendo com que a camada aderida ao tecido se desprenda O gás segue o fluxo pela parte interna do equipamento sendo este empurrado de entro para fora do tecido Neste caso o equipamento é composto por uma estrutura metálica similar a uma gaiola para evitar seu estrangulamento 116 Figura 57 Princípio de operação de filtro de manga Principais vantagens do filtro de manga Alta eficiência para remoção de partículas pequenas Pode separar uma grande variedade de particulados Baixa queda de pressão Principais desvantagens do filtro de manga Danos às mangas por altas temperaturas e gases corrosivos As mangas não operam em condições úmidas Custos de manutenção e troca das mangas Perigo de fogo e explosões incêndios nas mangas Requer destinação final para as cinzas Dimensionamento de filtro de manga 117 O dimensionamento da área destinada a filtração depende da velocidade de filtração denominada razão vazão de gásárea filtrante A velocidade está relacionada com o tipo de partícula a concentração de particulados do material filtrante utilizado e do sistema de limpeza No caso do método de limpeza por sacudimento mecânico os valores variam de 03 mmin a 1 mmin Para o jato reverso com meio filtrante tipo feltro os valores variam de 2 mmin a 5 mmin LORA 2002 O parâmetro que se deve estimar corresponde a área total de filtração Af m2 sendo determinada a partir da vazão de gás m3s e da taxa de filtração ou velocidade de filtração v ms denominada relação gáspano assim Af Qgásvf Exercício de Aplicação Calcular o número de mangas necessárias para remoção de partículas do efluente gasoso cuja vazão é igual a 472 x106 cm3seg sendo os dados vf 4 cms dimensões das mangas 020 m e H 40 m Primeiro calculase a área total de uma manga considerando a área lateral mais a área da base 118 Atotal Alateral Abase Atotal 2 π r h π r² Atotal 2 x π x 010 x 40 π x 0102 Atotal 254 m2 por manga Área filtrante Q gás Vf Área filtrante 4720 m3 seg 004 mseg Área filtrante 118 m2 Número de mangas 118 m² 254 m²manga Número de mangas 4637 50 mangas Exercício de Aplicação Determine o número de mangas de um filtro para remoção de material particulado presente no fluxo gasoso de uma indústria de cimento A vazão do gás é de 10000 m3h as dimensões das mangas são 30 m de comprimento e 025 m de diâmetro O sistema de limpeza empregado é por sacudimento com velocidade de 102 cms Qgás 10000 m3h 277 m3s vf 102 cms 00102 ms Af Qgásvf Af 27700102 2716 m2 119 Atotal Alateral Abase Atotal 2 π r h π r² Atotal 2 π 01253 π 0125² 240m Número de mangas N 2716240 1129 mangas 113 mangas O processo conta com uma velocidade ótima de filtração vótima que prolonga a vida útil do meio filtrante sendo recomendado adotála no projeto de um filtro de mangas A velocidade ótima depende de alguns parâmetros do fluido das características do material particulado e das condições operacionais sendo expressa pela formulação matemática a seguir LORA 2002 COOPER 1994 Em que FGP Fator básico da relação gáspano FSL Fator sistema de limpeza FAF Fator aplicação do filtro FG Fator granulometria do particulado FCP Fator carga de particulados FTG Fator temperatura do gás FCC Fator condições climáticas 120 Os valores correspondentes aos parâmetros que compõe a velocidade ótima são fornecidos na literatura que são apresentados nas tabelas a seguir Tabela 53 Relação Gás Pano FGP para diferentes produtos Fonte LORA 2002 Tabela 54 Fator Sistema de Limpeza FSL Tipo de Sistema de Limpeza FSL Sacudimento e fluxo reverso 065 Jato pulsante com tubos Venturi 1 Jato pulsante direto 13 121 Tabela 55 Tipo de Aplicação de Filtro FAF Tipo de Aplicação de Filtro FAF Captação simples 1 Recuperação de produtos 09 Filtro de processo 08 Tabela 56 Faixa granulométrica predominante Faixa granulométrica predominante diâmetro médio de sauter dvs m FG 100 12 50100 11 1050 1 510 09 25 08 2 07 O diâmetro de sauter corresponde ao diâmetro de uma esfera que possui a mesma razão volumeárea superficial e densidade que a partícula Primeiro calculamos o diâmetro de sauter em função da distribuição granulométrica do particulado no fluxo gasoso e com base no resultado determinase o fator FG Tabela 57 Fator Carga de Particulados Carga de particulados gm3 FCP até 10 13 11 a 20 12 20 a 35 11 122 36 a 60 1 60 a110 09 110 a 150 085 150 a 210 08 Tabela 58 Fator Temperatura do Gás ºC Temperatura do Gás ºC FTG até 50 1 50 a 60 09 65 a 85 08 85 a 150 07 150 a 200 06 Tabela 59 Fator em relação a condição climática Condição Climática FCC Clima tropical úmido 08 A determinação do número de mangas é dada por Em que dmanga diâmetro m C comprimento da manga m A área total de filtração At é obtida dividindose vazão de gás a ser tratado Q pela velocidade ótima de filtração vótima que foi determinada pela fórmula e parâmetros definidos anteriormente 123 A queda de pressão é determinada pelas parcelas correspondentes ao meio filtrante e à torta de partículas depositadas sobre o filtro Queda de pressão no meio filtrante P meio filtrante Em que Ka permeabilidade do meio filtrante Ldm2min a 20 mmH2O obtido pela literatura Vsvelocidade de filtração ms Recordando que a velocidade de filtração pode ser determinada pelas fórmulas abaixo Queda de pressão na torta de partículas Ptorta 124 A queda de pressão correspondente a parcela da torta de filtro varia durante a filtração pois as partículas são depositadas aumentando a espessura provocando uma resistência ao escoamento Em que Rt resistência específica da torta s1 CE concentração total de partículas na entrada no filtro em kgm3 T é o tempo de filtração em s A resistência da torta é determinada de forma experimental em laboratório simulando condições reais de operação do filtro mesma temperatura pressão concentração total de partículas na corrente gasosa e velocidade ótima de filtração ou ainda por meio de dados disponíveis na literatura A queda de pressão durante um ciclo de filtração Pfiltração é estimada somando as contribuições do meio filtrante e da torta de filtração conforme apresenta a expressão a seguir A queda de pressão máxima Pmáximo não deve ser superior a 100 mmH2O O tempo de filtração em um ciclo é calculado pela expressão a seguir Exercício de Aplicação 125 Uma indústria de cimento presente implantar um sistema de filtros de manga para recuperar pó de cimento que apresenta densidade de 2520 kgm3 A vazão de gás do processo é de 1000 m3h estando à temperatura ambiente de 35C e pressão de 720 mmHg A concentração de partícula na entrada do equipamento é 8 gm3 Considere a massa molar do gás de 29gmol e a viscosidade gás igual a 188 x 105 Pas Determine a velocidade ótima de filtração a área total de filtração e o número de mangas considerando dmanga 20 cm C 2 m Considere a permeabilidade da manga comercial K permeabilidade do meio filtrante de 150 Ldm2min a 20 mmH2O e a resistência específica da torta de cimento de 32x105s1 Cálculo também o tempo correspondente ao ciclo de filtração tciclo para uma queda de pressão máxima admissível de 100mmH2O no sistema Considere que a distribuição granulométrica do cimento seja dada por dpim 1 2 3 5 10 Wi massa 5 15 35 25 20 Solução Cálculo da vazão mássica Do enunciado temos CE 8 gm3 QE 1000 m3h WE CE x QE WE8 gm3 x 1000 m3h 126 WE 80 kgh Do enunciado temos QE 1000 m3h TE 35ºC PE 720 mmHg Ts 35ºC Ps 720 mmHg Tm TETs2 35ºC Pm PE PS 2 720mmHg A viscosidade gás e a densidade gás podem ser calculadas na temperatura e pressão médias do gás pelas equações abaixo Do enunciado temos p 2520 kgm3 MMg29gmol gás 188 x 105 Pas gás 720 mmHg 29 gmol623 35273 1088 kgm3 A vazão volumétrica deve ser calculada na temperatura média entre a entrada e saída do equipamento de coleta de particulados 127 QM 1000 3535 720720 1000 m3h O principal diâmetro médio útil na análise de aerossóis é o diâmetro médio de Sauter dvs calculado por dpim 1 2 3 5 10 Wi massa 5 15 35 25 20 Para o cálculo vamos considerar a tabela abaixo dp wi widp 1 005 005 2 015 0075 3 035 0117 5 025 005 10 02 002 Somatório 0311667 dvs mm 10311667 321 Dimensionamento do filtro de mangas É necessário substituir os parâmetros estabelecidos nas tabelas apresentadas anteriormente para o caso do filtro de mangas deste projeto 128 Tipo de Manga jato pulsante FGP Fator básico da relação gáspano Fator Razão Gás pano básico FGP 23 FSL Fator sistema de limpeza Jato Pulsante FSL 13 FAF Fator aplicação do filtro Para coletar pó de cimento FAF 09 FG Fator granulometria do particulado Com o diâmetro de sauter calculado anteriormente acima temse um valor de 32 mm e portanto na tabela o fator granulometria FG 08 FCP Fator carga de particulados Como definido no enunciado temse que a concentração total de entrada de partículas é de 8 gm3 portanto o FCP de acordo com valores tabelados é de 130 FTG Fator temperatura do gás Como a temperatura do gás é de 35ºC temse que o fator FTG é de 10 FCC Fator condições climáticas FCC 08 Aplicando os fatores na equação abaixo temos Vótima ms 160 23013009008131008 Vótima373102ms Cálculo do número de mangas 129 Cálculo da área da manga Foi dado no enunciado que o comprimento da manga é de Cmanga 20m e o diâmetro da manga é de d manga 020m Amanga 31416 20 020 1257 m2 At 1000 m3h 0037ms3600 sh75 m2 Cálculo do número de mangas Nmangas AtAmanga Nmangas 751257 597 6 mangas Cálculo da queda de pressão Perda de carga do meio filtrante 130 DPmeiofiltrante 12x104 x 373 x102 150 DPmeiofiltrante 120000000247 2964 30 mmH2O Queda de pressão na torta de partículas Ptorta Do enunciado a queda de pressão máxima Pmáximo em um filtro de mangas não deve ser superior a 100 mmH2O portanto é possível calcular Ptorta Pfiltração Pmeio filtrante Ptorta100 mmH2O 30 mmH2O Ptorta 97 mmH2O A queda de pressão durante um ciclo de filtração Pfiltração pode ser estimada somandose as contribuições do meio filtrante e da torta de filtração Para determinar o tempo de filtração devemos utilizar a fórmula acima rearranjada tciclo 101003 32105003720008 131 970 263 tciclo 461 min 56 Precipitador Eletrostático O princípio de funcionamento do precipitador eletrostático baseiase na força eletrostática atuante nas partículas da corrente gasosa Este equipamento é empregado no controle da emissão de material particulado em usinas geradoras de energia queima de combustíveis usos industriais e comerciais É capaz de trabalhar com gases em altas temperaturas e pressões apresentando alta eficiência de coleta para partículas menores O processo de remoção consiste em três etapas principais o carregamento das partículas a coleta das partículas e por fim a remoção do particulado Os mecanismos de carregamento das partículas podem ser por eletrificação por contato ou atrito por indução corrente corona e por ionização sendo o efeito corona mais empregado em precipitador eletrostático Neste dispositivo o gás contendo as partículas em suspensão estas são carregadas eletricamente e ao passar pelas placas onde há a atuação de alta tensão estas são migradas em direção à placa que apresenta sinal contrário a carga das partículas Estas são coletadas na placa oposta e posteriormente removida do fluxo gasoso Essa velocidade que a partícula adquire no sentido da placa oposta é denominada velocidade de migração podendo ser similarmente comparada a velocidade de sedimentação mediante atuação de força gravitacional Trata se da velocidade com que a partícula uma vez ionizada migra do interior do fluxo gasoso para os eletrodos de coleta 132 De acordo com Cooper 1994 uma partícula carregada com carga qp no campo elétrico de intensidade E é submetida a uma força elétrica Fe qpE paralela às linhas de força do campo elétrico sendo que essa força elétrica altera a trajetória da partícula Figura 58 Velocidade de migração A força de arraste é definida por Rearranjando a fórmula temos Em que Vz velocidade de migração ms dp diâmetro da partícula m qp carga elétrica da partícula CoulombC E intensidade de campo elétrico NewtonC ou Voltm 133 Cs fator de escorregamento de Cunningham μ viscosidade do gás kgms Zp eletromobilidade da partícula CmNs O carregamento das partículas ocorre quando uma corrente ou descarga corona é produzida quando aplicada uma alta voltagem é aplicada entre dois eletrodos Um dos eletrodos é constituído por um fio e o outro por uma placa produzindo um campo elétrico não uniforme A carga elétrica pode ser determinada pela equação Em que qp carga elétrica da partícula CoulombC E intensidade de campo elétrico NewtonC ou Voltm εo permissividade do vácuo 8854x1012 CmV ou Faradaym εr constante dielétrica da partícula adimensional dp diâmetro da partícula m A eficiência da coleta de particulado é determinada pela equação abaixo ou 134 Ei eficiência de coleta para um tamanho de partícula dp Vz velocidade de migração ms A área de coleta do precipitador m2 V vazão volumétrica do gás m3s As partículas podem apresentar uma certa resistividade elétrica o que influencia no processo de remoção de poluentes uma vez que representa a resistência das partículas em transferir cargas De maneira geral quanto mais baixa a resistividade mais facilmente possibilita a passagem de uma carga elétrica Há que ressaltar que partículas com baixa resistividade apresentam menor eficiência na coleta pois embora sejam facilmente carregadas perdem a carga com a mesma intensidade Baixa resistividade 102 a 105 Ωm Média resistividade 105 a 108 Ωm Alta resistividade acima de 108 Ωm Para dimensionar um precipitador eletrostático tornase necessária calcular a área de coleta específica SCA definida como a razão entre a área superficial total de coleta e a vazão volumétrica do gás a ser tratado sendo usualmente recomendado valores entre 11 SCA 45 m21000m3h Outro parâmetro importante no dimensionamento do precipitador eletrostático é a razão de aspecto Ar sendo definida como a razão entre o comprimento L e a altura 135 H de uma placa de coleta do precipitador Valores típicos de AR são 10 AR LH 20 A distância entre as placas deve variar entre 20 e 30 cm se a distância entre as placas é alta a influência do campo elétrico é baixa e tensão aplicada usualmente varia entre 30 a 70 kV O equacionamento matemático para o dimensionamento de um precipitador será apresentado no exemplo abaixo COOPER 1994 Exercício de Aplicação Projetar um precipitador eletrostático para controle de emissão de material particulado em suspensão num fluxo gasoso dada a distribuição granulométrica do MP conforme apresentado na tabela a seguir Considere que o processo tenha uma vazão de gás de 7000m3h numa temperatura de 130ºC e pressão de 1atm As partículas apresentam densidade de 2000 kgm3 Adotar constante dielétrica do MP de 30 adimensional Considera a densidade do gás ar de 0873 kgm3 e a viscosidade 2283x105 Nsm2 Faixa de diâmetros μm dp médioμm xi 0 1 05 5 1 2 15 6 2 4 3 12 4 6 5 11 6 10 8 12 10 16 13 11 16 22 19 13 22 32 27 17 32 60 46 13 TOTAL 100 136 Cálculo da área de coleta De acordo com a literatura o valor de SCA pode ser entre 11 SCA 45 m21000m3h Neste exemplo vamos adotar SCA 11 m21000 m3h Área total de coleta SCA x V 11 70001000 105m2 Cálculo das dimensões Considere o esquema abaixo com as indicações das dimensões de um precipitador Para esse exemplo vamos adotar H 150 m altura da placa Portanto o comprimento L é dado pela fórmula Base x altura sendo que em precipitadores o comprimento da placa L15H L 5H 1515 225 m A Área de uma placa ambos os lados 2xLH 675 m2 Número de placas área total de coletaárea superficial total da placa Número de placas 105m2675 156 16 placas 137 Número de sessões Número de placas 1 16117 sessões Considere a distanciamento das placas w de 025m Portanto a cota largura é dada por número de sessões x 025 17025425 m Área total de coleta é dada por 16 placas x 675m2 de cada placa de ambos os lados 108m2 Cálculo da eficiência A B C D E F G H I Faixa de diâmetros μm Dados no enunciado dp médio μm MÉDIA A e B xi Enunciado carga qp Cs Vz ms Ei xiEi 0 1 05 5 375512E18 1334281 140E02 0314 157 1 2 15 6 337961E17 1110877 349E02 0610 366 2 4 3 12 135184E16 1055439 663E02 0833 1000 4 6 5 11 375512E16 1033263 108E01 0946 1041 6 10 8 12 961312E16 1020789 171E01 0990 1188 10 16 13 11 253846E15 1012794 276E01 0999 1099 16 22 19 13 54224E15 1008753 401E01 1000 1300 22 32 27 17 109499E14 100616 569E01 1000 1700 32 60 46 13 317834E14 1003616 967E01 1000 1300 TOTAL 100 Eficiência 915 Coluna E cálculo da carga qp 138 Coluna F cálculo do coeficiente Cs Coluna G Cálculo da velocidade de migração Coluna H cálculo da eficiência Coluna I cálculo da eficiência fracionada para cada partícula xiEi Tabela 510 Parâmetros para cálculo da eficiência Voltagem 30000 E0 permissividade do vácuo 8854x1012 CmV ou Faradaym 8854E12 Er Constante dielétrica do pó 30 adimensional 3 E Intensidade do campo voltagem aplicada espaçamento entre placas w2 300000 Pressão cmHg 76 Conclusão Neste bloco você aprendeu os principais conceitos envolvendo os tipos de equipamentos mais utilizados para a remoção de particulado Foram apresentadas as vantagens e desvantagens e aplicações para cada equipamento Também vimos as principais formulações para o dimensionamento dos equipamentos de controle de material particulado 139 REFERÊNCIAS ÇENGEL Y Termodinâmica Porto Alegre AMGH 2013 COOPER D C E ALLEY F C Air Pollution Control A Design Approach Illinois Waveland Press 1994 LENZI E Introdução à química da atmosfera ciência vida e sobrevivência Rio de Janeiro LTC 2019 LORA E E S Prevenção e Controle da Poluição nos Setores Energético Industrial e de Transportes Rio de Janeiro Editora Interciência 2008 MIHELCIC J R ZIMMERMAN J B Engenharia Ambiental fundamentos sustentabilidade e projeto Rio de Janeiro LTC 2018 REFERÊNCIAS COMPLEMENTARES BAIRD C E CANN M Química Ambiental Porto alegre Editora Bookman 2008 140 6 CONTROLE DE GASES E VAPORES Apresentação Prezadoa alunoa Neste bloco serão apresentados os principais conceitos sobre o tratamento de gases e odores com o intuito de minimizar a poluição atmosférica Veremos os principais conceitos envolvendo os lavadores de gases absorvedores e controle de emissões de NOx e SOx Bons estudos 61 Lavadores de Gases De acordo com Wang 2004 o processo de remoção de poluentes através dos lavadores de gases referese a uma operação unitária onde um ou mais componentes de um gás são absorvidos por uma substância absorvente O processo de lavagem úmida de gases geralmente utiliza a água como solução absorvente e na lavagem a seco podese fazer uso de um pó seco ou semisseco com propriedades absorventes Os lavadores são dispositivos empregados nas remoções de substâncias indesejáveis presentes num fluxo gasoso tanto de poluentes gasosos como de material particulado em suspensão A remoção é realizada por meio do contato direto do líquido água com a substância que se pretende remover Os lavadores podem apresentar diferentes configurações sendo que os tipos Torre e Venturi são os mais empregados O princípio de funcionamento deste equipamento baseiase na atomização de um líquido de lavagem para a formação de pequenas gotas que capturam o material particulado suspenso no gás sendo portanto regido pelo 141 mecanismo de coleta chamado impactação O processo será mais eficiente quanto maior a quantidade de gotas e menor o seu diâmetro Figura 61 Princípio de remoção de particulados por meio de lavador de gases No caso de remoção de material particulado o equipamento recebe o nome de lavador de gases e no caso de gases é denominado absorvedor Material particulado O gás com uma determinada concentração de material particulado é forçado através da aspersão de gotas com as quais as partículas se chocam se depositam por difusão As partículas agem como núcleo de condensação de água aumentando de tamanho facilitando sua remoção do fluxo gasoso Gases e vapores A remoção de gases e vapores por meio de um líquido é denominado absorção que pode ser definido como um processo de transferência de massa pelo qual um componente em uma fase é transferido para outra desde que haja um gradiente de concentração entre as fases Para maximizar o processo de remoção de particulado deve se proporcionar uma maior área de interface entre as fases liquida e gasosa ou seja maior número de gotículas aspergindo sobre o fluxo gasoso garantir boa turbulência ou seja melhorar a mistura entre as fases e promover um tempo de residência suficiente para que ambas fases possam ter contato e seja possível a remoção do poluente gasoso em 142 questão Para particulados o tempo de residência é um fator que pode causar problemas na remoção uma vez que para ser eficiente a coleta a velocidade do gás e do líquido precisa ser reduzida Então esse dispositivo para remoção de ambos particulados e gases simultaneamente pode não ser tão efetivo com exceção de gases que apresentem boa solubilidade em líquidos A solubilidade é responsável pela quantidade de líquido e tempo de residência necessário para a efetiva remoção de gases e material particulado Este parâmetro depende da temperatura e da pressão à medida que aumenta a temperatura o volume de líquido que pode ser absorvido diminui Há casos em que se torna necessário o resfriamento do gás antes de ser enviado ao lavador Parâmetros Operacionais Queda de pressão Quanto maior a queda de pressão maior a eficiência de remoção de particulados entretanto este aspecto acarreta maior consumo de energia devido a movimentação de gases e bombeamento do líquido absorvente Razão LíquidoGás parâmetro que está relacionado com a quantidade de líquido necessário para tratar um determinado volume de gás Este parâmetro denominado Razão Líquido Gás expressa o volume de líquido necessário por metro cúbico de gás Láguam3 gás sendo influenciado pelo projeto do reator Para remoção de particulados recomendase trabalhar em razões LG entre 05 e 3 Láguam3 gás e para gases os valores são um pouco maiores da ordem de 3 a 5 Láguam3 gás 143 Aspectos relacionados ao uso de lavadores Os lavadores permitem a remoção de particulado bem como gases e vapores do fluxo gasoso desde que os gases apresentem boa solubilidade com o líquido utilizado no processo Este equipamento apresenta alta eficiência de coleta para partículas pequenas substâncias pegajosas efluentes sob alta temperatura Neste dispositivo a umidade do gás não é um problema como ocorre em filtros de manga e precipitador eletrostático e os gases e particulados que apresentem inflamabilidade poderão ser tratados neste equipamento sem riscos de explosões Além da remoção de poluentes o lavador de gases oferece uma solução para o resfriamento do gás A utilização do lavador de gases para tratamento de poluentes requer alto consumo de energia apresentam problemas corrosivos dependendo das características do gás requer o tratamento de efluentes uma vez que utiliza grande quantidade de líquido se o gás está em alta temperatura proporciona maior taxa de evaporação do líquido absorvente é uma tecnologia restrita a regiões com baixa disponibilidade de água O lavador de gases é composto por uma tubulação para encaminhamento do gás a ser tratado vaso de lavagem eliminador de névoa sistema de bombeamento e circulação de água sistema de tratamento de efluentes líquidos e chaminé exaustora Os lavadores podem apresentar diversas configurações lavadores de bandeja lavadores ciclones de spray torres de enchimento lavador Venturi Os lavadores do tipo torres de enchimento são compostos por um cilindro preenchido com material de enchimento O enchimento pode ser feito por materiais compostos 144 por carbono cerâmica vidro plástico teflon aço inoxidável entre outros materiais sendo comercialmente conhecido como anéis de Raschig Esses dispositivos têm a função de aumentar a área superficial de contato entre líquido e gás reduzir a perda de carga do gás distribuir uniformemente o líquido absorvente pelo reator O preenchimento deve apresentar boa resistência mecânica não ser reativo e ser resistente à abrasão e corrosão além de ser economicamente viável Os lavadores Venturi conhecidos como lavadores gásatomizador possibilita um maior contato entre o gás e o líquido através da nebulização da água no sentido oposto ao fluxo gasoso Estes equipamentos são muito eficientes para remoção de particulados pequenas 04 a 20 μm O lavador tipo Venturi possui uma garganta por onde são aspergidos os líquidos absorvedores por meio de bicos atomizadores sob pressão gerando pequenas gotículas incidentes sob o gás O gás sob alta velocidade passa pela garganta o que favorece o contato entre o líquido e o componente que precisa ser removido do fluxo gasoso O lavador Venturi possui alta eficiência além de que ocupa pouco espaço de instalação O lavador do tipo bandejas ou pratos possuem uma torre vertical com algumas bandejas perfuradas na parte interna da estrutura A remoção do material particulado presente no gás ocorre pelo contato do mesmo com as gotículas do líquido absorvente no interior do lavador pelo borbulhamento do líquido que cobre as bandejas O lavador é composto por furos distribuídos uniformemente nos pratos possuindo forma e arranjo diversos porém independente do formato o gás em ascensão promove uma resistência à passagem do líquido causando um acúmulo em cada prato aumentando o contato entre as fases Nesta configuração de lavadores tornase necessário manter as bandejaspratos sob um tamanho e com número de furos suficiente para manter a altura ideal do líquido em cada prato No lavador do tipo torres de aspersão o gás passa por uma câmara reator entrando em contato com gotículas de líquido absorvente lançados através de bicos 145 atomizadores que controlam o tamanho das gotas de forma a aumentar o contato entre particulado e líquido Estes dispositivos apresentam alta eficiência na remoção de particulado Projeto de lavador de gases tipo torre de aspersão O dimensionamento de um lavador de gases para remoção de particulados e gases depende de alguns parâmetros Vazão volumétrica média do gás a ser tratado QM Temperatura de entrada do gás TgE Temperatura de saída do gás TgS Temperatura média do líquido de lavagem Tl Pressão absoluta da corrente gasosa na entrada Pg E Pressão absoluta da corrente gasosa na saída PgE Concentração total de entrada das partículas CE Densidade da partícula p Distribuição granulométrica do material particulado dpi x wi No caso dos lavadores recomendase para o dimensionamento considerar alguns parâmetros para melhorar o seu desempenho Velocidade média do gás vgás Deve ser entre 060 e 10ms e a velocidade do gás deve ser menor que a velocidade terminal da gota Vtgota 146 Razão Líquidogás RLG LG deve se adotar no processo valores entre 0001 a 0003m3águam3gás Diâmetro da gota Dgota O diâmetro da gota varia entre 01 e 10mm sendo o diâmetro ótimo de 08mm Altura útil do lavador HL a altura do lavador deve ser menor que 7 metros para minimizar problemas com instalação e manutenção porém quanto maior a altura melhor o desempenho do equipamento A vazão volumétrica do gás é calculada pela fórmula abaixo onde Tm referese à temperatura média entre a temperatura de entrada e saída do reator o mesmo para pressão O QE corresponde a vazão de gás na entrada Q L R LG Q m Se a velocidade do gás vgás e a vazão volumétrica média dos gases Qm forem conhecidas é possível determinar o diâmetro do lavador DL pela expressão matemática a seguir Se o diâmetro do lavador DL e a vazão volumétrica média dos gases Qm rearranjando a fórmula anterior é possível determinar a velocidade média dos gases vgás por 147 A área do lavador é dada pela fórmula abaixo A Razão líquido gás pode ser adotada segundo os parâmetros mencionados anteriormente ou calculada pela fórmula a seguir Q L R LG Q m O cálculo da eficiência fracionada é determinado pela fórmula abaixo Em que RLG razão líquidogás m3águam3gás Literatura ou estimada pelo projeto dpi diâmetro da partícula m KPi parâmetro de impactação para cada tamanho de partícula dpi HL altura do lavador m Literatura ou estimada no projeto 020 fator que considera que apenas 20 das gotas atuarão na coleta das partículas Dgota diâmetro da gota gerada no bico atomizador m Literatura ou estipulada pelo projeto vgás velocidade média de ascensão do gás ms Literatura ou estipulada pelo projeto 148 mgás viscosidade do gás Pas hi eficiência fracionária para uma única gota vtgota velocidade terminal da gota ms A velocidade terminal da gota vtgota pode ser determinada pela equação abaixo na qual as propriedades do gás estão disponibilizadas na literatura A velocidade terminal da gota usar a densidade da gota de água gota calculada pela equação abaixo sendo válida para o intervalo de temperatura da água Tl de 0 a 100C No caso de lavador com fluxo contracorrente a queda de pressão deve ser compatível com o peso das gotas de água além de ser superior as perdas por atrito nas paredes Neste caso podese utilizar a equação seguinte Em que P queda de pressão no lavador Pa QL vazão volumétrica do líquido no lavador m3s 149 gota densidade do líquido pulverizado no lavador kgm3 g aceleração da gravidade 98 ms2 H altura útil do lavador m vg velocidade de ascensão do gás no lavador ms vtgota velocidade terminal da gota no lavador ms A área da seção transversal do lavador m2 Vamos aplicar os conceitos apresentados Exercício de Aplicação Determine a eficiência de remoção de poluentes por meio de um lavador tipo torre de aspersão com dimensões estabelecidas altura 60 m e diâmetro de 12m O gás entra no reator em fluxo contracorrente com vazão de 3600 m3gáshora em temperatura de 70C e pressão de 720 mmHg e sai com temperatura de 60C e 700 mmHg Mediuse que a concentração de particulado na entrada do dispositivo é de 10gm3 O material particulado apresenta densidade de 1400 kgm3 e uma distribuição granulométrica conforme tabela abaixo dpi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 15 20 30 40 50 wi 2 3 3 3 4 4 7 9 10 15 17 9 6 5 3 Para esse exemplo vamos adotar a razão LíquidoGás RLG de 0003máguam3gás e o diâmetro da gota de 08 mm A temperatura do líquido na entrada do lavador é de 35C e o coeficiente de atrito é de 125 Considere que o gás possui as mesmas propriedades físicas do ar 150 Solução Dimensões do Lavador Do enunciado temos que as dimensões do lavador são Altura H60 m Diâmetro D12 m A área é calculada por A 31416 1224 113 m2 Parâmetros do Lavador Do Enunciado RLG 0003 m3águam3gás Qm 3600 m3gáshora dgota8x104 m T 35ºC Cálculo da velocidade do gás QAxv V QA Q31416xD24 151 V4Q31416xD2 vgás43600m3h3600m3s 31416122 vgás088 ms Cálculo da densidade da gota Para a velocidade terminal da gota usar a densidade da gota de água gota determinada pela equação definida anteriormente sendo válida para o intervalo de temperatura da água Tl de 0 a 100C gota densidade do líquido pulverizado no lavador kgm3 gota14887 x 105 353 57544 103352 105411023510001 gota9941 kgm3 Cálculo da velocidade terminal da gota A vtgota é determinada pela equação abaixo e os coeficientes devem ser determinados pelas características do gás que no caso do exemplo devese considerar o gás com as mesmas propriedades físicas do ar gásPxMMgRT273 gás72029623670273 152 gás0976 kgm3 gás173105702732731527312570273125 gás 21x105 Pas O cálculo da velocidade da gota requer a utilização do coeficiente de atrito que está relacionado ao número de Arquimedes determinada em função das características do gás e do líquido Cálculo do Ar Ar 43 9940976211052 x 98109760810003Ar 15148 Cálculo do Coeficiente de Atrito Cd 43215148100471514823 051711541514813Cd 0921 Cálculo da velocidade da gota Vtgota 43 x 994 097609760921 981 000080534 ms 153 Cálculo da vazão de líquido Q L R LG Q m R LG volume de líquido volume de gás R LG Vazão de líquido vazão de gás Vazão de líquidoRLG vazão de gás QLRLG QG Q L0003 3600108 m3águah Cálculo da queda de pressão P 108 994 981 63403600 13600113 P647Pa Cálculo da vazão mássica da partícula CE10gm3 QE3600 m3gash WE CE x QE WE10 gm31000 x 3600 m3h36 kgh 154 Como há uma diferença de valores na entrada e saída do lavador a vazão de entrada é diferente da saída TE70ºC TS 60 ºC PE720 mmHg PS700 mmHg QS 36006070720700 31739 m3h Tm 70602 65ºC Pm 7207002 710 mmHg Qm 36006570720710 33899 m3h Cálculo da eficiência fracionada do lavador 155 WEi wi x WE Para cada diâmetro de partícula temos um WEi diferente WE CExQE WE 10 gm3 x 3600 m3h x 1000gkg 36kgh dpi wi Kpi i i WEi kgh WEi wi x WE Wskgh WSWEi1i 1 1 00081 00001 00012 036 035957 2 2 00326 00020 00179 072 070714 3 2 00733 00090 00786 072 066339 4 2 01304 00246 02011 072 057522 5 5 02037 00508 03704 18 113321 6 5 02933 00872 05480 18 081352 7 7 03993 01319 06992 252 075794 8 9 05215 01823 08098 324 061610 9 12 06600 02355 08829 432 050582 10 15 08148 02893 09283 54 038728 15 17 18333 05237 09915 612 005192 20 9 32593 06777 09979 324 000677 30 6 73333 08333 09995 216 000109 40 5 130370 09007 09997 18 000049 50 3 203704 09347 09998 108 000022 Somatório 658 No lavador de gases a concentração de partículas em suspensão na Entrada E e Saída C e S pode ser representada pela figura abaixo WE WS Wc Wc WEWS Wc 36 kgh 658 kgh 2942 kgh 156 Cálculo da eficiência global hglobal WEWSWE hglobal 3665836 82 Cálculo da concentração de aerossol Cs gm3 Ws Qs Cs 658 31739 00021 21x 10 3 kgm3 Cs 21 gm3 Convertendo para condições normais temos CsN gm3 CsTSTNPNPS Lembrando que as condições normais de T e P são 273 K e 760 mmHg Substituindo na fórmula acima temos a conversão para as condições normais CsN 21 60273273760700 278 gNm3 62 Absorvedor O processo de absorção consiste na remoção de poluentes de uma corrente gasosa através da dissolução em um líquido similar a um lavador de gases mas neste caso voltado ao tratamento de gases e não material particulado No absorvedor o absorvente ou solvente corresponde ao líquido pelos quais os poluentes são absorvidos dissolvidos o absorvato ou soluto referese ao poluente 157 gasoso que se pretende remover ex SO2 H2S CO entre outros Nestes dispositivos a interface que corresponde a área de contato entre o gás e o líquido e a solubilidade sendo definida como a capacidade do gás em ser dissolvido no líquido são aspectos que interferem na eficiência do processo De acordo com Cooper 1994 os absorvedores são muito empregados na remoção e recuperação de amônia da indústria de fertilizantes remoção de fluoreto de hidrogênio dos exaustores de fornalhas controle de dióxido de enxofre proveniente da queima de combustíveis fósseis recuperação e solventes solúveis em água como acetona e controle de odores O mecanismo empregado por este equipamento consiste em transferir o poluente da fase gasosa para a líquida por meio do contato gáslíquido por meio da difusão A transferência de massa de gás para o líquido é realizada até que atinja a saturação criando uma condição de equilíbrio A solubilidade do poluente estabelece o limite da quantidade de massa que pode ser removida mediante um volume de líquido O uso de reagente possibilita que gases possam ser solubilizados favorecendo a remoção destes da parcela de gás a ser tratado RICHARDS 2000 A solubilidade dos poluentes no líquido solvente é o parâmetro mais importante para a eficiência da absorção e consiste na transferência de massa sendo fundamental considerar uma boa área interfacial máximo contato entre o gás e o líquido o tempo de residência e alta solubilidade do poluente no absorvente O contato entre as fases pode ser obtido por meio de colunas ou torres recheadas ou de aspersão constituídas de materiais como por exemplo anéis de Rasching que preenche as torres e por onde ocorre a dispersão do líquido absorvente ou por pratos por onde o fluxo gasoso entrará em contato com o líquido 158 No caso do absorvedor de recheio a seleção deste material de preenchimento é fundamental pois este possui uma função que garante o bom desempenho do equipamento Este material deve apresentar alta resistência química alta porosidade boa relação área superficialvolume de recheio m2m3 baixa relação pesovolume de recheio kgm3 alta resistência mecânica e baixo custo A utilização de absorvedores para remoção de poluentes requer pouco espaço para instalação uma vez que possuem dimensões reduzidas é versátil pois trata tanto gases quanto Material particulado há a possibilidade de operação com fluidos corrosivos apresenta baixa queda de pressão tem baixo custo de implantação e manutenção O bom desempenho do absorvedor de colunas recheadas requer o atendimento a alguns itens como a escolha do solvente que geralmente é a água Solvente universal a seleção do recheio a avaliação dos dados de equilíbrio de fases a estimativa do diâmetro e da altura da coluna e a determinação da queda de pressão RICHARDS 2000 O solvente precisa apresentar alta solubilidade do gás baixa pressão de vapor ou seja baixa volatilidade para minimizar as taxas de evaporação não deve ser corrosivo baixa viscosidade baixa toxicidade baixo ponto de congelamento baixo custo não inflamável O equilíbrio de fases é o parâmetro que influencia no desempenho da remoção de poluentes da corrente gasosa Para compreender o fenômeno de equilíbrio de fases considere que ambas as fases se comportem como ideais Observe a figura abaixo e considere uma mistura gasosa composta por A e B em equilíbrio com uma mistura líquida 159 Figura 63 Mistura gasosa Podese definir Em que xA fração molar de A na fase líquida yA fração molar de A na fase gasosa H constante da lei de Henry Nm2 varia de acordo com a substância P pressão Nm2 K constante de equilíbrio varia de acordo com a substância De maneira geral quanto menor a constante de Henry mais deslocado para o líquido será o equilíbrio e portanto melhor será a absorção Quanto menor a constante de Henry mais fácil o deslocamento do gás para o líquido absorvente 160 Dimensionamento de absorvedores O parâmetro a ser considerado no dimensionamento de absorvedores de torres recheadas é a área de interface de contato entre as fases na qual se realiza a transferência de massa Esta área está relacionada com volume de recheio necessário e ao tamanho do lavador altura e diâmetro Nas colunas recheadas dois fluidos estão em contato ao longo da altura da coluna e a concentração do componente que se deseja absorver soluto varia em cada fase à medida que ele avança pela coluna com consequente variação da força da concentração ao longo da coluna Considere o esquema Figura 63 Dimensões do absorvedor L1 e L2 vazões molares do líquido V1 e V2 vazões molares do gás xA2 fração molar do poluente A no líquido na entrada xA1 fração molar do poluente A desejável no líquido após passar pelo absorvedor 161 yA1 fração molar de A no gás que vem da fonte yA2 fração molar de A no gás desejável no gás após passar pelo absorvedor NA fluxo de massa de A Aplicando um balanço de massa temos ENTRADA SAÍDA Em regime permanente sem reação química Para o lado do gás V1yA1 V2yA2 NA NA V1yA1 V2yA2 Para o lado do líquido L2xA2 NA L1xA1 NA L1xA1 L2xA2 Portanto V1yA1 V2yA2 L1xA1 L2xA2 Assumindo V1 V2 V e L1 L2 L temse a equação que representa a curva de operação do sistema sendo a relação LV O total do gás de interesse A removido por unidade de tempo no absorvedor é expresso por NAmAi UmyAyAmAi 162 Ai área de interface NAm fluxo molar médio de A Um coeficiente global de transferência de massa yA fração molar de A no gás em equilíbrio com o líquido de composição xA yAyAm força motriz média Chamase de força motriz média pois a concentração e gás varia no fluxo gasoso e na entrada do absorvedor O coeficiente global de transferência de massa é dado por Analogamente é possível afirmar NAUmxA xA Os coeficientes globais variam ao longo do sistema dada a concentração temperatura e pressão As grandezas yAyA e xA xA consistem na força motriz global para a transferência de massa entre as duas fases por toda a coluna do absorvedor O valor de Ai pode ser determinado pela equação abaixo Ai aAZ a área de interface por unidade de volume de recheio m2m3 A área da seção da torre vazia Z altura do recheio do absorvedor m 163 A altura da unidade de transferência Hov está relacionada com a eficiência de remoção de gases O número de unidades de transferência Nov está relacionado à dificuldade da remoção do poluente Z HovNov A eficiência da coluna de absorção é dada por 𝑬 𝟏 𝑯 𝑷𝑿𝑨𝟐 𝒚𝑨𝟏 𝐞𝐱𝐩 𝟏 𝟏 𝜶𝑨 𝑵𝒐𝒗 𝟏 𝐞𝐱𝐩 𝟏 𝟏 𝜶𝑨 𝑵𝒐𝒗 𝟏 𝜶𝑨 Onde A representa a dificuldade da absorção de um determinado poluente Quanto maior o fator de absorção maior a dificuldade de absorção A altura da Unidade de Transferência é dada pela equação a seguir na qual HV e hL são os coeficientes médios de transferência de massa entre as fases líquida e gasosa 164 mV vazão mássica do gás mL vazão mássica do líquido A área da seção da coluna vazia ScV número de Schmidt do lado do gás ScL número de Schmidt do lado do líquido μV viscosidade do gás ρV densidade do gás ρL densidade do líquido DABV coeficiente de difusão do lado do gás DABL coeficiente de difusão do lado do líquido α β γ φ e δ são parâmetros tabelados em função das características do recheio Os coeficientes de difusão DABV e DABL são disponibilizados na literatura A partir da relação LV o balanço global de massa e o tipo de recheio determinase o diâmetro da coluna com dados experimentais disponíveis na literatura que leva em consideração CS fator de capacidade fts F fator de empacotamento que varia em função do tipo de recheio e νL viscosidade cinemática do líquido 102cm2s Viscosidade cinemática do líquido que é dada em função das características do líquido 165 A área da seção da coluna e o diâmetro são determinados pelas equações a seguir A Queda de Pressão na coluna é determinada pela equação Em que ΔP queda de pressão total Nm2 m n constantes tabeladas para os recheios Z altura da coluna m ρV densidade do gás kgm3 ρL densidade do líquido kgm3 mV vazão mássica do gás kgh mL vazão mássica do líquido kgh A área da seção da coluna vazia De acordo com Strigle 1994 para maximizar a remoção de poluentes do fluxo gasoso recomendase adotar uma razão LV entre 11 e 17 vezes a razão LVmin obtida pelo balanço de massa Considerase um valor típico LV 15 LVmin A queda de pressão ΔPz 025 a 10 polegada de H2Oft Um valor típico 05 inH2Oft 166 Exemplo Um processo industrial gera uma vazão de efluente gasoso de 454 kgh composto por 60 de SO2 e 94 de ar seco que precisa ser tratado A solução proposta consiste em um absorvedor composto por coluna recheada com anéis Raching cerâmicos de 1 pol O efluente gasoso deve conter no máximo 01 molar de SO2 O líquido empregado no processo de absorção será água isenta de SO2 Determine a altura da coluna do absorvedor que possui diâmetro de 061m considerando T 87 ºF P 1 atm difusividade do SO2 no ar DABV 13x105 m2s e na água DABL 17 x109 m2s SCv122 e SCL4725 Solução Do enunciado temos yA1006 yA20001 xA2 00 água pura livre de SO2 xA1 mV1000 lbh 167 Determinar xA1 Constante de Henry do SO2 H 485x106 Nm2 valor disponível na Literatura O equilíbrio será atingido no ponto 1 P 1 atm 101325 Nm2 006485x106 101325xA1 xA1000125 Cálculo do LV mínimo LV 0060010001250 472 Como recomendado LV 15 LV min temos LV 15472 708 Calculado o valor da relação LV temos 708 006001 xA10 xA1000083 Cálculo do número de unidades de transferências Nov 168 corresponde à altura de cada unidade de transferência Substituindo os valores na expressão referente ao número de unidades de transferência temos Nov110676ln006001106760676 Nov93 Agora precisamos determinar o Hov pelas equações mencionadas no texto e descritas abaixo Da literatura temos Massa molar do SO2 64 ggmol Massa molar do ar 29 ggmol Massa molar da água 18 ggmol 169 Massa molar da mistura gasosa SO2 no gás MMSO2 Ar no gás MMAr 006 x 64 094x29 311 ggmol mV Vazão de gás 454 kgh Vazão mola do gás V 454311 146 kgmolh Vazão molar do líquido Da razão LV 708 temos L 708 x 146 1034 kgmolh Portanto temos mL 1034 x 18 18612 kgh Ou seja o absorvedor está tratando 454kgh de gás com uma vazão de líquido de 18612kgh A área da seção do absorvedor é circular portanto A D24 3141606124 0293m2 mLA520293177kgsm2 mVA01260293043k gsm2 Substituindo os valores calculados na fórmula para determinar os coeficientes de transferência do gás e líquido temos hV0557 x 04303217705112205011 m hL000235520293 x 8x1040224724805 046 m 170 O valor de Hov corresponde à altura da unidade de transferência HOV0114851061013251708046042m Portanto a altura total da coluna do absorvedor é determinada pelo número de unidades de transferência multiplicado pela altura de cada unidade de transferência Z HovNov 042934m 63 Adsorvedor A adsorção é um processo utilizado para a remoção de gases e vapores presentes em baixas concentrações sendo também aplicada na recuperação de solventes na indústria farmacêutica alimentícia petroquímica As moléculas de um fluido aqui denominado de adsorvato tendem a interagir e aderirse à superfície de um sólido chamado de adsorvente Alguns sólidos possuem a propriedade de adsorver em sua superfície componentes específicos que se deseja remover de uma mistura gasosa ou líquida conferindo a essa propriedade o nome de seletividade preferência do adsorvente em adsorver a substância de interesse poluente em detrimento de outra presente no gás O adsorvente possui uma capacidade de reter substâncias em sua superfície denominada de capacidade de adsorção g de adsorvatog de adsorvente gmol de adsorvatog de adsorvente Na absorção como pode ser verificado na figura 64 a substância que se deseja remover permeia o volume de outra como exemplo a água sendo absorvida por uma esponja já na adsorção as substâncias permanecem na superfície do adsorvente 171 Figura 64 Diferença do processo de Adsorção imagem da esquerda e Absorção imagem da direita O bom desempenho do processo de adsorção depende primeiramente do adsorvente utilizado pois este deve apresentar alta capacidade de seletividade capacidade de adsorção e estabilidade química ser poroso apresentando diâmetros reduzidos com uma área superficial específica elevada m2g ou m2m3 Quanto maior a área superficial do absorvente melhor será a remoção do poluente ou seja quanto mais poroso é o absorvente maior será a área de contato entre a substância a ser removida e o meio de remoção Os equipamentos utilizados no processo de adsorção são as colunas empacotadas ou de leito fixo similar às colunas de absorção O gás a ser tratado contendo uma concentração inicial de Co passa pelo leito que inicialmente está isento de contaminante Grande parte da fração da fase sólida é adsorvida no topo do leito Passado um tempo a parte superior do leito entra em processo de saturação com o adsorbato e a adsorção passa a ocorrer nas camadas subsequentes do leito Essa faixa de adsorção é denominada de zona de transferência de massa ZTM ou zona de adsorção 172 O gás a ser tratado passa pelo leito preenchido até a ZTM atinja a saída do adsorvente Neste momento ocorre o ponto de ruptura ou de quebra na qual a partir deste ponto a concentração de poluente na saída do reator é maior e o leito atinge a saturação Neste momento o sistema atinge o ponto de equilíbrio ou seja a concentração do poluente na saída é equivalente à da entrada no adsorvedor No processo de adsorção o termo tempo estequiométrico test corresponde ao tempo decorrido de adsorção na qual a concentração num determinado ponto do leito é de 50 da concentração inicial C05Co O material adsorvente apresenta a característica de ser um material sólido poroso preferencialmente com grande área superficial específica Como exemplo podese citar o carvão ativado alumina ativada zeolita e sílica gel Tabela 61 Características de adsorventes Adsorvente Área Superficial m2m3 Diâmetro de poro Å Carvão ativado 1000 a 2400 15 a 25 Alumina ativada 650 a 3200 20 a 50 Sílica gel 750 a 2400 10 a 20 Zeolita 1200 a 3200 4 a 13 Esses materiais podem ser recuperados por meio de um processo de dessorção regeneração que consiste na passagem em fluxo contrário de vapor a baixa pressão Nesta passagem o material será condensado juntamente com o adsorvato substância poluente A regeneração é uma alternativa para reduzir os custos do sistema permitindo que o adsorvente seja reutilizado Como tratase de um processo cíclico ou seja o adsorvente é utilizado até que atinja a saturação depois é submetido a um processo de regeneração para posteriormente ser utilizado novamente no processo Enquanto o adsorvente é limpo tornase necessário outra coluna para dar continuidade ao tratamento do gás para não interromper o processo Dessa forma um sistema de adsorção é constituído por colunas ligadas em série 173 Os principais métodos de regeneração do adsorvente são Aquecimento do leito Redução da pressão interna da coluna sob temperatura constante Passagem de um gás inerte sob temperatura e pressão constantes Deslocamento químico que consiste na introdução de uma espécie química competitiva à substância adsorvida promovendo o deslocamento desta Dimensionamento de Adsorvedor Para o dimensionamento do adsorvedor é necessário definir duas propriedades envolvidas no processo Capacidade de adsorção quantidade de espécie adsorvida pela massa de adsorvente kgkg gg Seletividade razão das capacidades ou seja quanto que o adsorvente retem de uma determinada substância em comparação com outra espécie A Figura 65 apresenta a curva de efluência que corresponde a um teste dinâmico geralmente estabelecido em laboratório em escala piloto que deve ser aplicado a casos reais que consiste em mensurar o tempo de saturação de um leito adsorvedor para tratar uma corrente gasosa ou líquida sendo conhecida a concentração da substância de interesse Este teste mede a capacidade de adsorção do adsorvente medindose a concentração do adsorvato na saída do leito em relação ao tempo Esta curva apresenta o perfil de concentração ou curva de efluência 174 Figura 65 Curva de Efluência O tempo de efluência tb corresponde ao início da saída do adsorbato do leito CC05 o tempo de efluência estequiométrico ts é determinado em CCo 50 Para determinar a quantidade de adsorbato ma poluente retido no adsorvente utiliza se a curva de efluência e extraise as expressões matemáticas a seguir ma xAitsVρ εVρxAi ma ρxAitsV εVol xAi fração mássica do adsorbato na corrente gasosa ou liquida ts tempo de efluência estequiométrico V vazão volumétrica do fluido 175 ρ densidade do fluido ε porosidade do leito V volume do leito No cálculo da quantidade de poluentesubstância retida no adsorvente deve considerar que nem toda substância permanece retida devido a macroporosidade do material Esta parcela é calculada por εf ε εaρempρap ε porosidade do leito εa porosidade do adsorvente ρemp densidade de empacotamento do leito ρap densidade aparente do adsorvente Rearranjando a fórmula e considerando a parcela não retida a capacidade de adsorção é determinada por q xAiρmadstsV εfV q capacidade de adsorção molg kgkg gg mads massa de adsorvente na coluna do leito 176 A quantidade de adsorvente necessário para reter a substância de interesse é dada por mads VxAiρtc q V vazão volumétrica do fluido q capacidade de adsorção tc tempo de ciclo entre o processo de adsorção e dessorção O fator de correção é dado por mads VxAiρtc q 1tstbts A área da seção do leito leva em consideração a velocidade superficial 04 v 06 ms Dessa forma temos que a vazão corresponde a multiplicação da área pela velocidade conforme segue equação a seguir A Vv Do valor da área é possível determinar o diâmetro do leito É recomendado 2 LD 4 L altura do leito D diâmetro do leito 177 64 Controle de Nox Os processos de combustão principalmente são responsáveis pela emissão de grande quantidade de NOx à atmosfera O NOx está diretamente relacionado com a formação de ozônio troposférico que é um poluente atmosférico A formação do ozônio se dá através da reação química entre COV NOx hv O3 O NOx é produzido durante o processo de combustão a partir do N2 do ar e do nitrogênio presente no combustível Figura 66 Formação do NOx Mecanismo de formação do NOx térmico De acordo com Lora 2002 no processo de combustão dos combustíveis fósseis utilizando ar uma parte do N2 e do O2 reagem formando o óxido nítrico NO e dióxido de nitrogênio NO2 sob altas temperaturas temperatura de chama O N2 e O2 reagem apenas em altas temperaturas como ocorre em câmaras de combustão As constantes de equilíbrio e de concentração de gases influencia na velocidade da reação química de formação do NOx Os principais fatores que colaboração para a formação do NOx são temperatura da chama tempo de residência dos gases na região de combustão e quantidade de oxigênio utilizado no processo 178 Dependendo do processo a temperatura de chama pode atingir cerca de 1300oC promovendo a formação de uma quantidade de NOx significativa para um tempo de residência curto Dentre as alterativas para minimizar a formação de NOx destacase Reduzir a concentração de oxigênio na zona de máxima temperatura Diminuir a temperatura de chama Reduzir o tempo de residência dos gases na zona de máxima temperatura Mecanismo de formação do NOx combustível Muitos materiais possuem o nitrogênio na sua composição elementar e as ligações CN são mais fracas que as ligações entre NN de forma que é possível a formação de NOx através do nitrogênio presente nestas substâncias A formação do NOx a partir do nitrogênio molecular depende de altas temperaturas e portanto a produção de NOx do combustível é superior a contribuição do térmico pois esta produção depende da relação arcombustível que é utilizado no processo A quantidade de NOx que é produzido pela rota do combustível aumenta com o excesso de ar sendo menos dependente da temperatura da reação Uma maneira de minimizar a formação do NOx combustível é reduzir o teor de nitrogênio no combustível o que muitas vezes não é possível por se tratar de uma característica intrínseca do material Nestes casos deve se modificar as condições operacionais como uso de pouco excesso de ar na queima e aquecimento de ar secundário LORA 2002 179 Mecanismo de formação do NOx rápido As relações entre o nitrogênio molecular e os radicais livres de hidrocarbonetos favorecem a formação de NOx conforme apresentado no exemplo abaixo CHx N2 HCN NH3CN etc HCN O2 NOx Esse mecanismo depende muito da razão arcombustível e pouco da temperatura da chama sendo que sempre será formada uma fração de NOx independente das condições operacionais De maneira geral a formação do NOx depende de alguns fatores sendo caracterizado como Altas temperaturas favorecem a formação do NOx térmico Baixa temperatura favorece a formação do NOx combustível Independente da temperatura sempre haverá formação de NOx rápido Exercício A cidade de SP bateu recorde de veículos registrados em 2015 8milhões A emissão média de óxidos de nitrogênio dos carros é 2gkm as por veículo e a taxa de emissão de hidrocarbonetos HC é de 1 gkm por veículo Cada automóvel trafega cerca de 40 km por dia de trabalho 180 Calcule a quantidade de NOx NO e NO2 emitidos na atmosfera em cada dia de trabalho MM NO2 46 gmol volume MM NO 30 gmol volume MM HC 46 gmol volume NOx número de veículos x distância percorrida x fator de emissão NOx 8000000 milhões de veículos 40km 2gkmveículo 640tondia 1mol ocupa 224L 224x 103m3 Portanto Volume 640x106 gramas224x103m346gmol 311652 m3dia Calculamos o volume de NOx pelo NO2 embora a emissão de combustão seja em NO pois esse último é muito instável e reage rapidamente na atmosfera convertendose em NO2 Métodos de controle de emissão de NOx A redução de emissão de NOx pode ser realizada por meio de alguns métodos sendo que muitas vezes se torna necessário utilizar mais de um deles A Controle no processo de combustão B Tratamento do gás C Substituição do combustível 181 A Controle do processo de combustão modificações Por meio de modificações no processo de combustão é possível minimizar a formação de NOx LORA 2002 CETESB 2015 Redução do excesso de ar no processo consiste em reduzir a quantidade de ar injetado no processo ou seja minimizar a quantidade de oxigênio na região de chama Esta estratégia reduz a temperatura da chama inibindo as reações químicas entre N2 e O2 que favorecem a formação de NOx térmico e NOx combustível Há que se ressaltar que existe um limite para redução do excesso do ar para que não atrapalhe as reações de combustão Combustão por etapas Consiste em injetar uma menor quantidade de ar na zona de combustão primária criando uma atmosfera rica em combustível O ar é injetado na zona secundária para completar o processo de combustão de forma que não se observa uma temperatura muito elevada na zona principal De maneira geral a combustão por etapas minimiza a formação de NOx por meio de algumas estratégias como fornecer uma condição de carência de oxigênio na zona de combustão principal menor temperatura de chama e a temperatura de pico na região chamada zona secundário é baixa também favorecendo a não formação de óxidos Neste mecanismo prevalece o controle da relação arcombustível desfavorecendo a formação tanto do NOx combustível quanto o NOx térmico Recirculação de gás Neste mecanismo ocorre a recirculação de parte dos gases de combustão no interior da câmara principal ou seja na região de combustão O gás utilizado para recirculação reduz a temperatura de chama e dilui o oxigênio desfavorecendo a formação de NOx São necessários ventiladores de alta temperatura dutos e um espaço dedicado a recirculação sendo portanto uma tecnologia mais dispendiosa Uma desvantagem deste método é que uma 182 recirculação de gases superior a 30 pode ocasionar instabilidade da chama aumentar a formação de CO e de compostos orgânicos Queimadores com baixa emissão de NOx temse utilizado queimadores com baixa emissão e NOx de forma a manter a temperatura da chama baixa e dissipar o calor rapidamente Esses queimadores são desenvolvidos com controladores de chama de forma que minimizam as reações entre nitrogênio e oxigênio Essas chamas têm um formato mais alongado e portanto o pico de temperatura da chama é reduzido desfavorecendo a formação de NOx térmico Este mecanismo possibilita a redução de cerca de 2540 da emissão de óxidos de nitrogênio Requeima do gás neste caso utilizase queimadores separados na câmara de combustão que operam em atmosfera rica em combustível Ocorre a introdução de ar acima do queimador de gás para completar a combustão uma vez que a razão arcombustível é essencial nestes processos Injeção de água e vapor a injeção de água ou vapor reduz a temperatura da chama e portanto há redução da formação do NOx térmico B Tratamento do gás De acordo com Cooper 1994 o tratamento de gás para remoção de óxidos de nitrogênio se faz necessário posteriormente as medidas de controle de formação de NOx e quando é exigido níveis de emissões de NOx muito baixos Dentre os métodos disponíveis destacase Redução Seletiva não catalítica SNCR Esta tecnologia consiste na utilização de ureia ou amônia para reagir com o NOx sob alta temperatura Os produtos da reação são considerados limpos N2 e água 183 permanecendo uma pequena fração de amônia no gás a ser tratado A amônia ou ureia é injetada no reator próximo a ao pico de temperatura da chama A eficiência da remoção de NOx da corrente gasosa depende das concentrações de amônia e do NOx presente no gás geralmente utilizase uma relação 09 para 1 Redução Seletiva catalítica SCR Nesta tecnologia há a presença de uma série de catalisadores instalados no reator por onde o gás flui para que ocorra a reação entre NOx e amônia O gás do processo é resfriado por meio de um trocador de calor e o ar contendo amônia ou vapor é injetado através de bocais instalados no reator para garantir uma boa distribuição do reagente sobre o catalisador Dentre os catalisadores mais empregados destacase o dióxido de titânio trióxido de tungstênio pentóxido de vanádio entre outros A razão de injeção de amônia é de 085 para 1 Obtémse por esta técnica uma eficiência em torno de 60 a 90 C Substituição do combustível As emissões de NOx podem ser minimizadas por meio da substituição de combustível por outros que apresentem menores teores de nitrogênio em sua composição elementar iniciar o processo de combustão do carvão com gás natural e a co incineração do gás De maneira geral um aspecto a se considerar na escolha do método de controle das emissões de NOx é o custo de investimento das tecnologias disponíveis 184 65 Controle de SOx A queima de combustíveis fósseis é a principal fonte de emissões de SOx à atmosfera Dentre as alternativas para minimizar a emissão dessas fontes temos Utilização de combustíveis com menores teores de enxofre Dessulfurização de gás combustível Lavagem a seco adsorção Combustão em leito fluidizado Tratamento do combustível A Utilização de combustíveis com menores teores de enxofre Para minimizar as emissões de SOx em processos de combustão é através da substituição do combustível por um com menor teor de enxofre em sua composição elementar podendo atingir redução nas taxas em 80 Entretanto devese ressaltar que a substituição por combustível com menor teor acarreta um combustível de menor poder calorífico ou seja menor produção de energia O poder calorifico deve ser considerado na avaliação da troca do combustível uma vez que combustíveis com menor teores de enxofre possuem baixo PCI e portanto requer maiores quantidades para suprir a mesma demanda por combustíveis As caldeiras que mais empregam carvão para queima e produção de energia possuem característica específica que muitas vezes requer o combustível com maior teor de enxofre 185 B Dessulfurização de gás combustível Uma das técnicas mais empregadas no controle de SOx de processo de combustão e fundições de cobre que consiste na lavagem de gases absorção A absorção pode ser a seco ou via úmida sendo que nesta última utilizase um líquido absorvedor para remover o SO2 Os processos podem ser regenerativos ou não sendo que os regenerativos podem produzir subprodutos com valor comercial como por enxofre elementar ácido sulfúrico ente outros Processos nãoregenerativos nestes processos há a formação de subprodutos lama que devem ser encaminhados ao tratamento ou disposição final adequada Dentre os processos mais empregados destacase lavagem por cal lavagem por calcário lavador alcalino duplo Dessulfurização por cal lavagem por cal consiste em empregar uma solução de cal hidróxido de cálcio CaOH2 ou CaO por meio da injeção de água Esta solução reage com o SOx absorvido nas gotículas aspergidas produzindo sulfito de cálcio CaSO3 e sulfato de cálcio CaSO4 sendo removidas como partículas sólidas As reações químicas envolvidas neste processo são CaO H2O CaOH2 SO2H2O H2SO3 H2SO3CaOH2 CaSO32H2O CaSO32H2O 12 O2CaSO32H2O O custo da cal é maior do que o calcário apresentando uma eficiência de 95 Dessulfurização por calcário lavagem por calcário consiste na utilização de uma solução alcalina preparada com calcário CaCO3 e apresenta uma eficiência de cerca de 90 sendo uma tecnologia de baixo custo O calcário 186 pode ser utilizado diretamente ou por meio da injeção na fornalha na qual o calor do processo provoca uma descarbonatação do calcário CaCO3 calor CaO CO2 Neste método o SO2 é absorvido neutralizado e oxidado a sulfito de cálcio e sulfato de cálcio Lavador Alcalino Duplo a lavagem dupla utiliza dois tipos de reagente para remoção de SO2 da corrente gasosa sendo um utilizado para a absorção e outro para regeneração do líquido de lavagem A solução de sulfito de sódio e hidróxido de sódio é responsável pela neutralização do dióxido de enxofre e não há formação de precipitado no interior do equipamento pois tratase de soluções solúveis em água porém a grande quantidade de sulfitosulfato de sódio empregada requer o tratamento do efluente produzido no processo Processos regenerativos Estes processos são mais dispendiosos que os não regenerativos entretanto ocupam espaços reduzidos e é possível recuperar produtos com valor comercial Dentre os processos regenerativos destacamse Dessulfurização por óxido de magnésio O óxido de magnésio MgO reage com o SO2 formando sulfito de magnésio MgSO2 ou sulfato de magnésio MgSO4 sendo estes sólidos calcinados para regenerar o MgO e produzir gás SO2 concentrado que é empregado na produção de ácido sulfúrico ou enxofre elementar Neste processo há pouca formação de resíduos sólidos porém requer altas temperaturas para a calcinação dos sólidos em forno Dessulfurização via Wellman Lord Um dos métodos regenerativos mais empregados que usa Na2SO3NaOH como absorvente Neste método o SO2 é absorvido por meio de uma solução aquosa de sulfito de sódio para formar 187 bissulfito de sódio sendo esta solução encaminhada a um evaporador cristalizador O sulfito de sódio é reciclado e o SO2 convertido em ácido sulfúrico Dessulfurização via Citrato neste caso é empregado o citrato de sódio ou ácido cítrico como agente de tamponamento de forma a garantir a solubilidade do SO2 Esta reação depende do pH uma vez que quanto mais alcalina a solução maior a absorção do dióxido de enxofre O SO2 sendo absorvido pela água forma H2SO3 criando uma condição ácida que inibe o processo Neste caso tornase necessária a adição do agente de tamponamento O íon citrato presente na solução aumenta a solubilidade do SO2 favorecendo o processo de absorção C Lavagem a seco Adsorção O processo de lavagem a seco é dividido em duas etapas sendo a primeira voltada a promover o contato do gás a ser tratado com uma corrente de álcalis hidróxido de cálcio e a segunda consiste na remoção de subprodutos por meio de precipitador eletrostático filtros de manga Os lavadores a seco podem ser spray de absorção injeção a seco ou combinação de ambos D Combustão em Leito Fluidizado Nesse caso é empregado por exemplo o calcário junto com o combustível carvão para a remoção da fração de SO2 formando sulfato de cálcio O ar de combustão passa pelo leito em movimento fluidizado no qual os materiais combustível e o calcário reagem entre si formando subprodutos CaSO4 Ambos sulfato de cálcio e o material 188 particulado produzidos no processo são removidos pelo precipitador eletrostático ou filtros de manga Conclusão Neste bloco você aprendeu os principais conceitos que envolvem o tratamento de gases e odores com o intuito de minimizar a poluição atmosférica Foram apresentados os principais conceitos envolvendo os lavadores de gases os absorvedores os absorvedores e o controle de emissões de NOx e SOx Não obstante você aprendeu a dimensionar um equipamento para lavagem de gases absorção e adsorção de gases e odores REFERÊNCIAS CETESB Plano de redução de emissões de fontes estacionárias guia de melhor tecnologia prática disponível 2015 Disponível em httpscetesbspgovbrarwp contentuploadssites28201509GUIAPREFE020517pdf Acesso em abr de 2021 COOPER D C E ALLEY F C Air Pollution Control A Design Approach Illinois Editora Waveland Press 1994 LORA E E S Prevenção e Controle da Poluição nos Setores Energético Industrial e de Transportes Rio de Janeiro Editora Interciência 2008 MIHELCIC J R ZIMMERMAN J B Engenharia Ambiental fundamentos sustentabilidade e projeto Rio de Janeiro LTC 2018 RICHARDS J Control of Gaseous Emissions In Student Manual APTI Course EPA 2000 189 STRIGLE R F Packed Tower Design and Application random and structured packing Houston Gulf Publishin Company 1994 REFERÊNCIAS COMPLEMENTARES BAIRD C E CANN M Química Ambiental Porto Alegre Editora Bookman 2008 ÇENGEL Y Termodinâmica Porto Alegre AMGH 2013 LENZI E Introdução à química da atmosfera ciência vida e sobrevivência Rio de Janeiro LTC 2019