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1. ATMOSFERA
1.1. Composição
Vivemos virtualmente no fundo de um oceano de ar. Estendendo-se
por cerca de 1.600 km de altitude, este vasto e inquieto oceano de
gases é muito mais turbulento e móvel do que os oceanos de água.
Suas correntes e redemoinhos são os ventos.
A composição da atmosfera tem mudado drasticamente desde a
sua formação quando a Terra esfriou e condensou a partir dos
gases solares. Muitos geoquímicos acreditam que a atmosfera
terrestre primitiva era composta principalmente de hidrogênio e
hélio, sendo centenas de vezes mais densa do que é hoje.
A atual composição da atmosfera terrestre é única no nosso sistema solar. Este é o único lugar que conhecemos que possui oxigênio
e vapor d’água livres na atmosfera. Todo o oxigênio é produzido
pela fotossíntese das bactérias cianofíceas, algas e plantas verdes.
As concentrações de vapor d’água variam de perto de zero a 4%,
dependendo da temperatura e da umidade disponível.
Composição
Atmosférica*
Gás
% (v/v)
78,08
N2
20,94
O2
0,934
Ar
0,033
CO2
0,00182
Ne
0,00052
He
0,00015
CH4
0,00011
Kr
0,00005
H2
0,00005
N2O
0,000009
Xe
*Composição média do ar
seco e limpo.
1.2. Estratificação
A atmosfera é dividida em 4 camadas ou zonas
distintas de temperatura, devido à absorção
diferenciada da energia solar.
a. Troposfera: É a camada de ar imediatamente
adjacente à superfície. Tem uma espessura média de 15 km e é onde ocorre a maioria dos eventos meteorológicos. Devido à força da gravidade
e à compressibilidade dos gases, ela contém 75%
de toda a massa da atmosfera. Sua composição
é relativamente uniforme e é caracterizada por
um gradiente negativo de temperatura, variando
de 15°C (média na superfície) a –56°C (a 15 km
de altitude).
b. Estratosfera: Estende-se da tropopausa até
cerca de 50 km de altitude. É caracterizada por
um gradiente positivo de temperatura, de –56
até –2°C (a 50 km de altitude). Sua composição
é semelhante á da troposfera com exceção de
dois importantes componentes: H2O e O3. A % v/v da H2O é cerca de 1.000 vezes menor e a
do O3 é cerca de 1.000 vezes maior do que as encontradas na troposfera. É nela que se encontra a camada de ozônio.
c. Mesosfera: É uma camada intermediária (daí o seu nome). É caracterizada por um gradiente negativo de temperatura, de –2 até –92°C (a cerca de 80 km de altitude).
d. Termosfera: É uma região de gases altamente ionizados, estendendo-se por cerca de
1.600 km. É caracterizada por um gradiente positivo de temperatura, podendo chegar a
temperaturas de 1.200°C.
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2. POLUIÇÃO ATMOSFÉRICA
2.1. Principais Poluentes Atmosféricos
Os poluentes atmosféricos são classificados em dois tipos: primários e secundários.
Os poluentes primários são aqueles emitidos diretamente das fontes para a atmosfera:
• Monóxido de carbono (CO)
• Dióxido de carbono (CO2)
• Óxidos de enxofre (SOx)
• Óxidos de nitrogênio (NOx)
• Hidrocarbonetos (HC)
• Material particulado (MP)
• Clorofluorcarbonos (CFCs)
Os poluentes secundários são os formados na atmosfera, através de reações químicas, a
partir de poluentes primários. Entre esses, destacam-se os oxidantes fotoquímicos, resultantes da reação entre os hidrocarbonetos e os óxidos de nitrogênio, na presença de luz solar. Os principais são o O3, o peroxiacetilnitrato (PAN), o H2O2 e os aldeídos.
Poluentes
Fontes
Conseqüências
CO
• Veículos automotores
• Afeta a capacidade de oxigenação da
• Combustão incompleta do carvão e do
hemoglobina → asfixia
petróleo
CO2
• Queima do petróleo e do carvão
• Efeito estufa
• Queima de biomassa
• Desmatamento
SOx
• Queima de combustíveis fósseis
• Danos ao aparelho respiratório
• Queima de carvão
• Corrosão do ferro, aço, mármore
• Processos industriais
• Danos às plantas (amarelecimento e
morte)
• Chuvas ácidas
NOx
• Veículos automotores
• Tóxicos ao homem; irritação da mu• Processos industriais
cosa; carcinogênicos
• Queima de combustíveis fósseis
• Danos às plantas
• Reagem com os HC produzindo oxidantes fotoquímicos
• Chuvas ácidas
HC
• Veículos automotores
• Carcinogênicos
• Processos industriais
• Reagem com os NOx produzindo oxi• Queima de combustíveis fósseis
dantes fotoquímicos
MP
• Veículos automotores
• Redução da visibilidade
• Processos industriais
• Doenças ocupacionais (perda da capacidade respiratória)
• Carreiam poluentes tóxicos para os
pulmões
• Destruição da camada de ozônio
CFCs
• Refrigeração
• Câncer de pele
• “Sprays”
• Catarata
• Fabricação de espumas plásticas
• Solventes usados na limpeza de cir- • Danos à vegetação
cuitos eletrônicos
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2.2. Unidades de Concentração
Existem diferentes maneiras de se expressar as concentrações dos poluentes atmosféricos:
• ppm (v/v)
• ppb (v/v)
• mg/m3
• mg/Nm3 (Nm3 = m3 normal, ou seja, nas CNTP, T = 273 K e P = 101,3 kPa)
O m3 normal é importante se a temperatura da emissão for maior do que a ambiente, já que
um mol do gás emitido não ocupará 22,4 L. Fora das CNTP, devem ser feitas correções.
2.3. Deposição Ácida
De acordo com a figura abaixo, as emissões de SOx, NOx e HC vindas das indústrias, transportes, casas e produção de energia, são transformadas na atmosfera em partículas de SO42–
e NO3–. A combinação destas com a luz solar e o vapor d’água é uma reação química complexa
que resulta na formação de H2SO4 e HNO3. Estes ácidos retornam à superfície na forma de
orvalho, garoa, neblina, geada, neve ou chuva. Uma chuva não poluída tem um pH ≅ 5,6.
Na Escandinávia e no leste dos Estados Unidos, o pH das chuvas tem estados regularmente
abaixo de 5,0, algumas vezes em torno de 4,0 e raramente de 3,0. A deposição ácida tem um
sério efeito negativo sobre as florestas, a vida aquática e alguns materiais de construção.
A maior parte da deposição ácida é transnacional. Por exemplo, 77% do enxofre depositado
na Holanda vem de outros países, assim como 64% na Dinamarca. Da mesma forma, a maioria
da deposição ácida no Canadá vem do meio-oeste dos Estados Unidos. É obviamente desejável a redução das emissões de SOx e NOx. Entretanto, poucos avanços têm sido alcançados
nesta área nas últimas décadas.
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EXERCÍCIOS PROPOSTOS
1. Os padrões de 1 h, de acordo com a OMS (1987), para o CO, NO2 e SO2 são 30 mg/m3, 400 µg/m3 e
350 µm/m3, respectivamente. Calcule estas concentrações em ppm nas CNTP.
2. Considere uma termoelétrica de 915 MW de capacidade total com um fator de carga (ou capacidade
anual) de 72,5% e uma eficiência de 40%. Determine a quantidade produzida de particulados, CO2 e
SO2 se o carvão for usado como combustível. A análise elementar e o poder calorífico do carvão são
os seguintes:
Umidade
8%
Cinzas
7,7%
Carbono
77,0%
Hidrogênio
3,0%
Nitrogênio
1,25%
Enxofre
1,0%
Oxigênio
2,05%
Poder calorífico
29,7 MJ/kg
3. Uma termoelétrica de 915 MW de capacidade e um fator de carga de 72,5%, usa o gás natural com
fonte de combustível e possui uma eficiência de 40%. Determine a produção anual de CO2, vapor
d’água e NOx. Os parâmetros do gás natural são os seguintes. A composição está em percentagem
por volume. Não existem emissões de particulados ou de SOx.
CO2
0,1%
N2
0,6%
CH4
98%
C2H6
1,0%
C3H8
0,2%
4
C4H10
0,1%
Densidade (kg/m3)
0,72%
Poder calorífico
40 MJ/kg
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2.4. Mudança Climática Global — Gases do Efeito Estufa
Os principais gases do efeito estufa, do mais para o menos impactante, são: CO2, CFCs, CH4,
N2O e O3. Estes gases têm a propriedade de absorver parte da energia radiante da Terra
nos comprimentos de onda longos (> 4 µm, no infravermelho), aquecendo, portanto, a atmosfera e, subseqüentemente, radiando esta energia de volta para a Terra e para o espaço.
As conseqüências do aquecimento global incluem:
• Tornar o clima mais seco em regiões críticas para a produção de alimentos do planeta;
• Derretimento das calotas polares, causando a submersão das cidades costeiras e afetando cerca de metade da população do planeta;
CFCs
• Aumento dos fenômenos atmosféricos violentos.
20%
CH4
16%
CO2
50%
N2 O
6%
5
O3
8%
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2.5. Buraco na Camada de Ozônio
Os seres humanos liberam uma variedade de moléculas cloradas na atmosfera. As que estão mais
relacionadas com as perdas de ozônio são os CFCs
e os Halons.
Os CFCs são atóxicos, nãoinflamáveis, quimicamente inertes, de produção
barata e úteis em uma ampla variedade de aplicações.
Entretanto, devido a estas moléculas serem tão
estáveis, elas persistem por décadas ou mesmo
séculos uma vez liberadas. Quando elas difundem para a estratosfera, a intensa radiação UV
libera radicais livres (Cl•) que destroem o O3.
Uma vez que os cloro radicais não são consumidos
nestas reações, eles continuam a destruir o ozônio por anos, até que finalmente difundam para o
espaço.
A cada ano o buraco na camada de ozônio cresce. Em 1995, cerca de 70% do O3 estratosférico antártico havia sido destruído acima de uma área do tamanho da América do Norte. Este fenômeno tem se espalhado para outras partes do mundo. Cerca de 10% de todo o O3 estratosférico mundial foi destruído durante o inverno de 1995 e as perdas acima do leste dos
Estados Unidos e do Canadá alcançaram 20%, enquanto na Sibéria elas ultrapassaram 35%.
3. CONTROLE DAS FONTES POLUIDORAS
O controle nas fontes visa a reduzir a concentração dos poluentes, antes do seu lançamento na atmosfera. Isso é conseguido através das seguintes medidas:
• altura adequada das chaminés das indústrias, em função das condições de dispersão dos poluentes; os modelos de dispersão podem ser usados na determinação de alturas apropriadas para as
chaminés;
• uso de matérias-primas e combustíveis que resultem em resíduos gasosos menos poluidores;
• modificação dos processos industriais, objetivando reduzir a emissão de poluentes;
• operação e manutenção adequadas dos equipamentos, visando a garantir o bom funcionamento
dos mesmos, diminuindo-se o lançamento de poluentes atmosféricos;
• melhoria da combustão; quanto mais completa a combustão, menor a emissão de poluentes.
• controle da emissão de poluentes nos veículos;
• uso de combustíveis menos poluidores, nos veículos (exemplo: gás natural);
• instalação de equipamentos de retenção de partículas e gases.
3.1. Poluentes Particulados
a. Ciclones: Para partículas de tamanho maior do que 10 µm de diâmetro, o coletor a ser escolhido é o ciclone. Ele é um coletor inercial sem partes móveis. O gás carregado de partículas é acelerado
através de um movimento espiralado, que impõem uma força centrífuga às partículas. As partículas são projetadas para fora do
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gás e chocam-se com as paredes cilíndricas do ciclone. Elas então deslizam para o fundo do
cone, onde são removidas através de um sistema de válvulas herméticas.
Os ciclones são empregados somente para pós grosseiros. Algumas aplicações incluem o
controle de emissões de pó de madeira, fibras de papel e de polimento.
b. Filtros-manga: Quando se deseja um controle
altamente eficiente de partículas menores do que
5 µm, um filtro deve ser selecionado como o
método de controle.
As mangas são feitas de fibras naturais ou
sintéticas. As fibras sintéticas são amplamente
utilizadas como tecido de filtração devido ao seu
baixo custo, às melhores características de
resistência térmica e química e ao pequeno
diâmetro das fibras. A vida útil das mangas varia
de um a cinco anos. Um período de dois anos é
considerado normal. O diâmetro das mangas varia
de 0,1 a 0,35 m. O comprimento varia entre 2 e 10 m.
Os filtros-manga são usados em várias aplicações. Exemplos incluem a indústria de negro
de fumo, moagem de cimento, manuseio de grãos e de alimentos, gipsita, moagem de calcário
e lixadeiras mecânicas.
c. Lavadores: Quando o material particulado a ser coletado é úmido, corrosivo ou muito quente, o filtro-manga pode não funcionar. Nestes casos usa-se a lavagem com líquidos. Aplicações típicas da lavagem incluem o controle das emissões de pó de talco, névoa de ácido fosfórico, poeira de fornos de fundição e fumos de fornalhas de aço de soleira aberta.
Os
lavadores
variam
em
complexidade. Câmaras de “spray”
simples são usadas para partículas
de tamanho relativamente grande.
Para uma remoção altamente
eficiente de partículas finas, deve
ser selecionada a combinação de
um lavador Venturi seguido de um
ciclone.
Quando se
deseja a remoção de partículas secas de
uma corrente de gás aquecido com uma
alta eficiência, usa-se a precipitação
eletrostática. Os precipitadores eletrostáticos são construídos de placas e
fios que se alternam. Um alto potencial
(corrente contínua) de 30 a 75 kV é
aplicado entre as placas e os fios. Isto
resulta na criação de um plasma entre o fio e a placa. As partículas presentes na
corrente de gás passam entre o fio e a placa, ficando negativamente carregadas.
d. Precipitador eletrostático:
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As partículas então migram para a placa positivamente carregada onde ficam presas. As placas são agitadas periodicamente e os aglomerados de partículas caem
em um funil.
3.2. Poluentes Gasosos
a. Absorção: Os dispositivos de controle baseados no princípio da absorção tentam transferir
o poluente da fase gasosa para a fase líquida. Este é um processo de transferência de massa no qual o gás se dissolve em um líquido. A dissolução pode ou não ser acompanhada por
uma reação com um ingrediente do líquido.
Estruturas tais como as câmaras de “spray” e as torres ou colunas, são duas classes de dispositivos empregados para absorver os gases poluentes. Nos lavadores, que são um tipo de
câmara de “spray”, gotículas de líquido são usadas para absorver o gás. Nas torres, um filme fino de líquido é usado como meio absorvente. Independentemente do tipo de dispositivo, a solubilidade do poluente no líquido tem quer ser relativamente alta. Se a água é o líquido, isto geralmente limita a aplicação a uns poucos gases inorgânicos, tais como NH3, Cl2
e SO2. Os lavadores são relativamente ineficientes, mas possuem a vantagem de serem capazes de remover simultaneamente o material particulado. As torres são absorvedores
muito mais eficientes, mas ficam obstruídas pelo material particulado.
Torre de Pratos
Câmara de “spray”
Torre Empacotada
b. Adsorção: É um processo de transferência de massa no qual o gás é ligado a um sólido. É
um fenômeno superficial. O gás (o adsorbato) penetra nos poros do sólido (o adsorvente),
mas não no retículo propriamente dito. A ligação pode ser física ou química. Forças eletrostáticas retêm o gás poluente quando a ligação física é significativa. A ligação química
ocorre por uma reação com a superfície. São usados vasos de pressão com leitos fixos para
sustentar o adsorvente. Carvão ativo, peneiras moleculares, sílica gel e alumina ativada, são
os adsorventes mais comuns. A propriedade comum destes adsorventes é uma grande área
superficial “ativa” por unidade de volume. Eles são muito eficazes para hidrocarbonetos.
Além disso, eles podem capturar H2S e SO2. Uma forma especial de peneira molecular pode
também capturar o NO2. Com exceção do carvão ativo, os adsorventes têm a desvantagem
de adsorverem primeiramente a água antes de qualquer outro poluente. Portanto, a água
tem que ser removida do gás antes dele ser tratado. Todos os adsorventes estão sujeitos à
destruição em temperaturas moderadamente altas (150°C para o carvão ativo, 600°C para
as peneiras moleculares, 400°C para a sílica gel e 500°C para a alumina ativada).
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Ciclo de Adsorção
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Ciclo de Dessorção
Em contraste com as torres de absorção onde o poluente coletado é continuamente removido pelo fluxo de líquido, o poluente coletado permanece no leito adsorvente. Portanto, enquanto o leito não estiver saturado, nenhum poluente será emitido. Quando o leito fica saturado, ele deve ser então regenerado.
c. Combustão: Quando o contaminante na corrente gasosa é oxidável a um gás inerte, a combustão é um possível método de controle alternativo. Tipicamente, o CO e os hidrocarbonetos caem nesta categoria.
Tanto a
combustão com chama direta por pósqueimadores quanto a catalítica têm sido
usadas em aplicações comerciais.
A incineração com chama direta é o método
a ser escolhido se dois critérios forem
satisfeitos.
Primeiramente, a corrente
gasosa tem que possuir um poder calorífico
maior do que 3,7 MJ/m3. Acima deste
valor, a chama se torna auto-sustentável
após a ignição. O segundo requisito é que
nenhum dos subprodutos seja tóxico.
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