MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
SECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA
CÂMPUS LAGES
QUÍMICA DA ATMOSFERA
Prof. Marcel Piovezan
[email protected]
Curso Técnico Concomitante em Análises Químicas
Unidade Curricular: Química Ambiental
Proposta de seminário (Apresentação)
Tema Central: Ciclos biogeoquímicos
Ciclo da H2O, C, N, S e O
O que deve conter:
biotas envolvidas (litosfera, hidrosfera, etc);
Principais moléculas e processos físico-químicos;
Principais reações químicas;
IMPORTANTE: Efeitos sobre a biota em casos de perturbação no
Ciclo natural.
Efeitos causados pela ação antropogênica.
Componentes por grupo: 2, máx. 3
Tempo de apresentação: 15 – 20 min.
Forma de apresentação: Livre e criativo (slides, resumo,
Pôster, maquete, vídeos, experimentos demonstrativos, etc…)
Data: 26/08/15 e 01/09/15
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Centrando nosso Estudo
INTERRELAÇÃO ENTRE AR, ÁGUA, SOLO, SISTEMAS
BIOLÓGICOS E A HOMEM
precipitação, vapor de água, ciclo
hidrológico, energia, CO2, O2
ATMOSFERA
CO2,
O2
vapor H2O
GEOSFERA
ANTROPOSFERA
(tecnologia)
água, sais
Ca2+, HCO3-
particulado
H2S
CO2
H2O
HIDROSFERA
biomassa,
nutrientes,
H2O,
CO2, O2
energia, nitrogênio
nutrientes, matéria orgânica
BIOSFERA
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Fonte: Adaptado de Manahan, S.E. 1993
Alguns Conceitos…
Fontes Naturais e Antropogênicas;
Geoquímica
Biogênica
Inorgânicos gasosos
(CO, SOx e NOx )
Antropogênica
Orgânicos gasosos
(COVs)
Compostos com efeitos ambientais significativos e
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sobre a biota.
Monóxido de Carbono (CO)
Origem e fonte:
Superfície terrestre
Biogênica
Antropogênica
(50 – 60%)
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Monóxido de Carbono (CO)
Na atmosfera encontra-se metano
2│CH2O│
Microorganismos
anaeróbicos
n
CH4 (g) + HO·(g)
Metano
nCO2 (g) +

radical
hidroxila
nCH4 (g)
H3C·(g) + H2O(g)
radicalAlquil
H3C·(g) + O2(g)  H3COO·(g)
Radical
metilperoxila
H3COO·(g) + NO(g)  H2CO·(g) + NO2 (g)
H2CO·(g) + O2(g)  H2CO(g) + HOO·(g)
formaldeído
H2CO(g) + hv
Biogênica
 CO(g) + H2(g)
Radical
metoxila
Radical
hidroperoxila
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Monóxido de Carbono (CO)
Combustão de material
orgânico:
Combustão completa:
CH3CH2CH3 (g) + 2O2(g)

3CO2 (g) + 4H2O(g)
propano
Combustão incompleta:
CH3CH2CH3 (g) + 7/2 O2(g)

3CO (g) + 4H2O(g)
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Monóxido de Carbono (CO)
Destino:
Mais alto:
Reação em cadeia
com HO·(catalisador)
Produzindo CO2
Próximo ao solo:
microorganismos
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Quais os efeitos do (CO) nos seres humanos?
O2(g)
Proteína com
grupos Heme
Fe3+
Oxihemoglobina
10
Quais os efeitos do (CO) nos seres humanos?
Afinidade da hemoglobina
pelo CO = 210 vezes
>70%
Fe3+
Oxihemoglobina
Fe2+
Carboxihemoglobina
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Óxido de Enxofre IV (SO2)
SO2 na atmosfera?
Ciclo na natureza
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Óxido de Enxofre IV (SO2)
Demonstrando a presença de SO2 na atmosfera
Quetionando a prática:
a)Que reações químicas ocorreram?
a)Do que é composta a névoa
esbranquiçada observada?
a)Por que a flor mudou de aspecto? O
que ocorreu?
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Chuva Ácida
• A queima de combustíveis
(carvão e derivados de
petróleo) principais causas
de SO2 na atmosfera
• O SO2 oxidar  SO3 + H2O  H2SO4
Responsáveis pela chuva ácida
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Efeitos da Chuva Ácida na Biosfera
• É mais ácida (próximo pH 4) que o
normal (pH 5)
• Comunidades ecológicas;
• Quando o pH < 4,
• TODOS: invertebrados, vertebrados
e
muitos
microrganismos
são
destruídos;
• Redução e mortalidade de peixes e
organismos aquáticos. Os lagos mais
sensíveis ao ataque das chuvas ácidas
são os com concentrações baixas de
íons alcalinos;
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Chuva Ácida
• A chuva ácida reage com
metais e carbonatos, como o
mármores e calcários, dando
prejuízos de bilhões de
dólares anualmente;
???
CaCO3(s) + H2SO4(aq)  CaSO4(aq) + H2CO3
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Óxido de Enxofre IV (SO2)
Efeitos do SO2
Não apresenta propriedades carcinogênicas
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A ATMOSFERA
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A ATMOSFERA: Composição química
19
A ATMOSFERA: Composição química
20
A ATMOSFERA : Composição química
O Estudo de poluição do ar é feito no âmbito da baixa
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atmosfera (troposfera e estratosfera), porque?
A ATMOSFERA : Composição química
Componente
Ar normal
ar poluído
Nitrogênio
78,09%
78,09%
Oxigênio
20,94%
20,94%
Argônio
0,93%
0,93%
Dióxido de carbono
305-370 ppm
330-550 ppm
Monóxido de carbono
0,12-0,9 ppm
10-360 ppm
Dióxido de enxofre
0,0002 ppm
0,01-0,06 ppm
Dióxido de nitrogênio
0,0005-0,02 ppm
0,12-0,25 ppm
Amônia
0,006-0,01 ppm
0,075-0,285 ppm
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A ATMOSFERA: Composição química
Poluição do ar
Qualquer modificação sofrida pela atmosfera natural
que causem prejuízos diretos e indiretos ao homem, a
fauna, a flora e aos demais recursos naturais em
todas as suas utilizações consideradas normais.
Poluentes
primários
Encontram-se
no ar da
mesma forma
em que foram
emitidos pela
fonte
CO2
Poluentes
secundários
H2SO4
Formam-se a partir da
interação entre dois
poluentes primários ou
entre primários e os
constituintes normais do ar.
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A ATMOSFERA: Principais poluentes
Poluente
Origem
Monitoramento
CO
Combustão incompleta de materias
carbonatdos. Os veículos
automotores constituem a
principal fonte
Espectrofotometria de
infravermelho (IV)
não-dispersivo
CO2
Ocorre naturalmente, mas também é
produzido na combustão de
materiais carbonados para
produção de energia. Queimadas.
(IV) não-dispersivo
NOx
Produzido naturalmente pelos vulcões.
Queima de combustíveis fósseis.
Queimadas.
Método da
quimioluminescência
HC
Evaporação e queima de combustíveis
fósseis em veículos automotores e
na indústria
Método da ionização de
chama
GC-FID
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A ATMOSFERA: Principais poluentes
Poluente
Origem
Monitoramento
SO2
Produzido naturalmente pelos
vulcões. Queima de
combustíveis fósseis.
Processos industriais
IV não-dispersivo
Material
particulado
Indústrias, mineração, veículos,
queimadas e construção civil.
IV não-dispersivo
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A ATMOSFERA: O que afeta a poluição
• Fatores meteorológicos
– Ventos;
– Temperatura;
– Precipitações;
• Condições topográficas
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A ATMOSFERA: O que afeta a poluição
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O que afeta a poluição: Ventos
Favorecem a dispersão dos poluentes, mas que em algum grau,
conseguem transferir estes a outras regiões
O que afeta a poluição: Temperatura
Troposfera torna-se mais fria a medida que sobe
– Condições favoráveis a dispersão de poluentes.
Quando o ar quente fica aprisionado entre duas camadas de ar frio
– Condições de estagnação de poluentes (INVERSÃO TÉRMICA)
O que afeta a poluição: Precipitações
O retorno do vapor d’água presente na atmosfera,
no estado líquido ou sólido à superfície da terra.
Formas de precipitação:
chuva, neve, granizo, orvalho e geada
Processo que normalmente retém e aglutina os poluentes;
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O que afeta a poluição:
 Condições topográficas
As irregularidades do terreno
influenciam sobre o grau de
dispersão de poluentes
O que afeta a poluição:
Autodepuração*
• Os processos de emissão de poluentes
associados aos processos de
turbulência da atmosfera
caracterizam a capacidade de
autodepuração.
*
É a sua capacidade de promover a estabilização
de determinada carga poluidora nele lançada.
Consequências da poluição:
• Comprometimento em níveis locais,
regionais e até globais:
– Da saúde;
– Dos bens materiais;
– Dos recursos naturais.
Efeitos sobre os seres vivos e materiais
Poluente
Consequências
NOx
Afecções respiratórias e alterações sanguíneas; destroem a clorofila; causam
edemas pulmar; deterioram borracha, tecidos; favorecem ao
envelhecimento precoce; contribuem para o fenômeno.
MP
Problemas estéticos; Suja com fuligem os prédios e a paisagem; produz
bruma e reduz a visibilidade; irrita mucosas e brônquios; carreia
poluentes tóxicos para os pulmões; reduz a produção de vitamina D em
recém-nascidos; causa danos às plantas, modificações no clima terretres;
distúrbios digestivos, anemia, nervosismos, parasilia, câncer nas vias
respiratórias.
HC
Formam névoa escura e amarelada sobre as cidades; irritam olhos e
mucosas; alguns são cancerígenos
SOx
Irritam as vias respiratórias; destroem a clorofila; correm ferro, aço e
mármore; causam danos irreversíveis aos pulmões quando combinados com
partículas; provocam a acidez da chuva
COx
Níveis muito baixos – agrava o coração e compromete o funcionamento
normal do cérebro.
Níveis elevados – causa a morte por asfixia e é o principal responsável do
efeito estufa.
Legenda: NOx, óxidos de N; MP, material particulado; HC, hidrocarbonetos; Sox óxidos de S; Cox, óxidos de C
Consequências da poluição: Efeitos globais
• Além da Chuva ácida;
• Efeito estufa;
• Camada de ozônio.
Consequências da poluição: Efeitos globais
Efeito estufa
Formação:
• Aumento da concentração dos gases de
estufa como dióxido de carbono, metano,
óxido nitroso, clorofluorcarbonetos (CFC)
e !!!!ozônio!!!.
Consequência direta:
• Aumento progressivo da temperatura global
http://videoseducacionais.cptec.inpe.br/
Consequências da poluição: Efeitos globais
Degradação da camada de ozônio
Características
• Faixa de 30 km de
espessura;
• Altamente rarefeito;
• Capacidade de interagir
com grande número de
substâncias químicas.
– CFC (freon)
Melhorando a qualidade do ar
• Investigação do problema;
– Levantamento das fontes poluidoras
• O que? Onde? Quando?;
– Identificação dos padrões de qualidade
• PRONAR: Res. CONAMA 05/89, 03/90 e 08/90 e PROCONVE:
Res. CONAMA 18/86 e 06/93
USEPA
Medidas de controle da qualidade do ar
1. Planejamento e zoneamento territorial;
2. Redução ou eliminação da emissões;
3. Controle das emissões.
1.PLANEJAMENTO TERRITORIAL E ZONEAMENTO
Localização adequada da fontes poluidoras em relação a
outra áreas; De que falamos?
Distribuição adequada das edificações;
Melhoria da circulação dos veículos;
Melhoria e incentivo ao uso de transporte coletivo.
Utilização de barreiras a propagação dos poluentes;
VEGETAÇÃO PROTETORA x POLUIÇÃO DO AR
CIÊNCIAS DO AMBIENTE - CAP. 13.18
2. REDUÇÃO OU ELIMINAÇÃO DAS EMISSÕES
Uso de matéria prima e combustíveis menos
poluidores;
Uso de energia elétrica no transporte;
Modificação dos processos industriais;
 Química verde
Operação e manutenção
equipamentos e processos;
adequada
dos
Controle meteorológico.
CIÊNCIAS DO AMBIENTE - CAP. 13.27
PROTOCOLO DE KYOTO
• Tratado internacional com compromissos para a
redução da emissão dos gases que provocam o efeito
estufa, considerados como causa do aquecimento
global;
• Negociado em 1997, entrou oficialmente em vigor em
16 de fevereiro de 2005 com 163 países envolvidos
• Por ele se propõe um calendário pelo qual os países
desenvolvidos têm a obrigação de reduzir a quantidade
de gases poluentes em, pelo menos, 5,2% até 2012,
em relação aos níveis de 1990;
• Instrumentos – Mercado de Carbono e o Mecanismo de
Desenvolvimento Limpo (MDL).
• E hoje???
PROTOCOLO DE KYOTO
Meio Ambiente: Enfraquecido,
Protocolo de Kyoto é estendido
até 2020
Resumo da 18ª. Conferência das Partes
(COP 18) na Convenção-Quadro das Nações
Unidas sobre Mudança do Clima
Somente 37 dos 194 países signatários da
COP apoiam hoje o Protocolo de Kyoto.
Juntos, eles respondem por apenas 15%
do total das emissões de gás carbônico.
Relutância dos Estados Unidos em assinar
o tratado limitou o alcance das propostas
para diminuir o aquecimento do planeta
(em 1997).
O secretário-geral da ONU, Ban Ki-moon, é recebido
pelo primeiro-ministro do Catar, na abertura da
COP 18, em Doha, capital do país
EUA e China, juntos
respondem por 40% das
emissões de gases
poluentes, estão isentos
das responsabilidades
legais aplicadas aos demais
países
http://vestibular.uol.com.br/resumo-das-disciplinas/atualidades/meio-ambiente-enfraquecido-protocolo-de-kyoto-e-estendido-ate-2020.htm
O BRASIL E O PROTOCOLO DE KYOTO
• O Brasil assinou o Protocolo de Kyoto em 29 de Abril
de 1998;
• A Assembléia Legislativa aprovou o texto do Protocolo
apenas em 20 de julho de 2002, sob o Decreto
Legislativo nº 144 de 2002;
• Sendo que a ratificação do Protocolo pelo Brasil foi
feita somente em 23 de Agosto de 2002.
• Não incluia metas obrigatórias para os membros do Brics (Brasil,
Rússia, Índia, China e África do Sul).
• Países desenvolvidos deveriam arcar com responsabilidades maiores
pela poluição.
3. CONTROLE DAS EMISSÕES
Diluição de poluentes
mediante o uso de
chaminés altas;
Equipamentos de retenção
de gases e partículas:
filtros de manga;
Coletores
inerciais,
coletores
gravitacionais;
ciclones, precipitadores eletrostáticos;
torres de borrifo/enchimento ;
pós-queimadores
catalíticos
(catalisadores);
CIÊNCIAS DO AMBIENTE - CAP. 13.28
CATALISADOR ou PÓS-QUEIMADOR
CATALÍTICO
Emissões de automóveis
PRECIPITADOR ELETOSTÁTICO
(99,5% MP)
Ionização do ar
Carregamento do MP
Migração
+
Legenda:
Fio de carregamento
Cargas elétricas
Material Particulado (MP)
Emissões Industriais de MP
Adesão
-
FILTRO DE MANGA (99,9% MP)
Emissões Industriais de MP
LAVADORES DE GÁS
Emissões Industriais de MP e outros gases solúveis
Tratamento adequado / Estudo de caso
PROBLEMA
* Odores Desagradáveis
Identificação das Fontes
* Processamento de subprodutos (produção de
farinhas de vísceras, penas e de carne).
Caracterização do Efluente Gasoso
* Compostos Sulfurados (Mercapetanas);
* Compostos Nitrogenados (aminas);
* Moléculas Orgânicas contendo Grupos
aldeídos e ácidos carboxílicos;
cetona,
ESTRATÉGIAS DE TRATAMENTO
• Buscar minimizar a emissão de odores gerados
pela Indústria, adotando medidas de controle.
PRINCIPAIS MÉTODOS
• Bioquímicos (biofiltro, bioscrubbers ou lodo
ativado)
• Químicos
(scrubbers
químicos,
térmica, catalítica ou ozonização)
• Físicos
{condensação,
ativado) e absorção}.
adsorção
oxidação
(carvão
* Scrubbers: São colunas de absorção de troca
gás/líquido
SISTEMAS BIOQUÍMICOS: Biofiltros
Ar Limpo
Biopelícul
a
Ar Limpo
Leito
empacotado
Ar com odor
Leito
+ microorganismos
Vantagens:
Ar com odor
(úmido)
Pouca supervisão e consumo de energia;
Elimina diversos compostos
Lixiviado
Empregam
bactérias
suportadas
que
decompõem
os
compostos
orgânicos
presentes no efluente, empregando-os
como
substrato
para
o
seu
desenvolvimento.
Desvantagens:
Pouco controle das condições
 Risco de entupimento
Rota dos Gases Industriais até o Biofiltro
Exaustor
Umidificador
Biofiltro
BIOSCRUBBERS
São colunas de absorção de troca gás/líquido
As colunas são recheadas com
microrganismos suportados,
que são constantemente
borrifados com água.
Vantagens:
•Remove compostos
altamente solúveis;
Desvantagens:
•O efluente residual acaba
gerando odores.
Processos Biológicos: Landfarming
Baseiam-se nas propriedades físico-químicas do solo e de sua
intensa atividade microbiana, (biodegradação) e fixação
dos gases
Minimizando os riscos de contaminação ambiental.
Aplicações controladas na superfície ou no interior do
solo, acompanhada por práticas de manejo e
monitoramentos constantes,
- Evitar lixiviação de lençóis freáticos.
QUÍMICOS: SCRUBBER
Os gases contaminados são
injetados pela parte
inferior do tanque. Ao
fluírem verticalmente para
cima entram em contato
com o líquido de limpeza
(reativo), o qual encontrase disperso mediante
borrifação.
Desvantagem:
•O Efluente líquido gerado
deve ser tratado
QUÍMICOS: OZÔNIO
O processo baseia-se no elevado
poder oxidante do O3.
Comumente empregado em série com
outros métodos, como o lodo
ativado.
VANTAGENS:
•É isento de resíduos;
•Não há risco de transporte,
pois sua produção é local.
DESVANTAGEM:
Custo elevado
FÍSICOS: ADSORÇÃO POR CARVÃO ATIVADO
• Sua elevada área superficial
facilita a adsorção da maioria dos
compostos gasosos.
• Concentra os poluentes;
• Necessita de um tratamento
(pirólise), ou descartado como
resíduo.
•Elevada eficiência (100%)
Referências
MANAHAN, S.E. Fundamentals of Environmental Chemistry.
Lewis Publishers, London. 1993. 844 p.
LENZI, E. FAVERO, L. O. B. Introdução à Química da
Atmosfera - Ciência Vida e Sobrevivência. Rio de Janeiro
(RJ): LTC, 2011. 465 p.
BAIRD, C.; CANN, M. Química Ambiental. 4. ed. Porto Alegre
(RS): Bookman, 2011.
Emissões veiculares no estado de São Paulo 2011 / CETESB
Disponível em:<http://www.cetesb.sp.gov.br/ar/emissao
veicular>. Acesso em: 11 nov. 2014 às 23:40h.
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Referências (vídeos e Notícias)
MAPA DAS EMISSÕES. Disponível em: <http://meioambiente.cptec.inpe.br/>.
Acesso em: 11 mar. 2015 às 10:25h.
EFEITO ESTUFA. Disponível em: <http://videoseducacionais.cptec.inpe.br>. Acesso
em: 11 mar. 2015 às 10:25h.
PROTOCOLO DE KYOTO. Disponível em: <http://vestibular.uol.com.br/resumo-dasdisciplinas/atualidades/meio-ambiente-enfraquecido-protocolo-de-kyoto-eestendido-ate-2020.htm>. Acesso em: 11 mar. 2015 às 10:25h.
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