Zoyne Pedrero Zayas
Caracterização
de
aerossóis
em
uma
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0116454/CA
região rica em areias monazíticas.
Dissertação de Mestrado
Dissertação
apresentada
ao
programa
de
Pós-graduação em Física da PUC-Rio como requisito
parcial para obtenção do título de Mestre em Física.
Orientador: Prof. Carlos Vieira de Barros Leite.
Co-orientadora: Kenya Dias da Cunha.
Rio de Janeiro
Fevereiro de 2003
Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total
ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do
autor e do orientador.
Zoyne Pedrero Zayas
Graduo-se em Química na UH (Universidad de La Habana,
Cuba) em 2000. Participou de diversos congressos na área
de
meio
ambiente.
Atualmente
pesquisadora
do
Departamento de Ecologia do Instituto de Ecologia e
Sistemática do Ministério de Ciência e Tecnologia de Cuba.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0116454/CA
Ficha Catalográfica
Pedrero Zayas, Zoyne
Caracterização de aerossóis em uma região
rica em areias monazíticas / Zoyne Pedrero Zayas;
orientador:
Carlos
Vieira
de
Barros
Leite;
co-
orientadora: Kenya Dias da Cunha. – Rio de Janeiro :
PUC, Departamento de Física, 2003.
[12], 81 f. : il. ; 30 cm
Dissertação
(mestrado)
–
Pontifícia
Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento
de Física.
Inclui referências bibliográficas.
1. Física – Teses. 2. Areia monazítica. 3.
Líquen. 4. Aerossol. 5. MMAD. I. Leite, Carlos Vieira de
Barros. II. Cunha, Kenya Dias da. III. Pontifícia
Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento
de Física. IV. Título.
CDD: 530
Zoyne Pedrero Zayas
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0116454/CA
Caracterização de aerossóis em
região rica em areias monazíticas
uma
Dissertação apresentada como requisito parcial para
obtenção do grau de Mestre pelo Programa de PósGraduação em Física do Departamento de Física do
Centro Técnico Científico da PUC-Rio. Aprovada pela
Comissão Examinadora a abaixo assinada.
Prof. Carlos Vieira de Barros Leite Filho
Orientador
Departamento de Física – PUC-Rio
Profa. Kenya Moore de Almeida Diaz da Cunha
Co –orientadora
CNEN
Profa. Lígia Mendes Quintães de Castro Julião
CNEN
Prof. Anselmo Salles Paschoa
Departamento de Física – PUC-Rio
Prof. Ney AugustoDumont
Coordenador Setorial do Centro
Técnico Científico-PUC-Rio
Rio de Janeiro, 17 de fevereiro de 2003
A mimi, abue, Lery Lery e Óscar.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0116454/CA
Agradecimentos
Agradeço a todos que, direta ou indiretamente, contribuíram na realização deste
trabalho.
Gostaria de fazer um agradecimento especial aos meus orientadores: professor
Carlos Vieira Barros Leite Filho, pela orientação e estímulo no decorrer deste dois
anos, pela confiança e a amizade e Dra. Kenya Dias da Cunha, pela orientação
profissional, por todos os conselhos, por todo o carinho, por ter sido durante todo
o tempo uma mãe para mim.
Ao professor Marcelo P. Marcelli do Instituto de Botânica de São Paulo agradeço
pela discussão sobre os liquens.
Ao professor Anselmo S. Paschoa pelas discussões e incentivo.
À minha família, Oscar e Belquis, pelo amor e apoio em todos os momentos.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0116454/CA
A meus amigos:
- Josy, por sua amizade, companheirismo e apoio em todos os momentos, pelas
figuras e pelos docinhos japoneses;
- Heyddi e Ricardo, meus irmãozinhos de coração, por estarem sempre ao meu
lado;
- Antônio e Patrícia, que apesar de estarem em Cuba, sempre me apoiaram;
- Robert e Rocio pelo apoio em todo momento;
- Maria Conceição e Rogério, minha família carioca, pelo carinho;
- Vladimir, Gil, Carlos Sánchez, Fernando e Adriano pelo apoio;
- Danays, Ysrrael, Idalmis e Amado pelo apoio e amizade;
-Razack, Lindara, Vital, Bianca, André e Baltazar pela amizade e carinho;
À equipe do DEMIN, pela inestimável ajuda e extrema cordialidade, em especial
a Lígia, Maristela, Paulo, Wanderson, Geiza, Sheila e Sergio.
À equipe do laboratório Van de Graaff pela agradável convivência, em especial a
Sergio, Nélio, Jorge e Carlos Augusto.
À equipe de Proteção Radiológica da Usina de Buena (INB) pelo apoio recebido
durante a coleta das amostras.
Ao Instituto de Radioproteção e Dosimetria da Comissão Nacional de Energia
Nuclear, na pessoa de sua superintendente Dra. Eliana Amaral, pelas facilidades e
oportunidades concedidas.
Aos moradores da vila de Buena que gentilmente colaboraram neste trabalho.
Ao Instituto de Ecologia e Sistemática (CITMA) pelas facilidades concedidas.
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0116454/CA
Ao CNPq, FAPERJ, FINEP e PRONEX pelo suporte financeiro.
Resumo
Pedrero Zayas, Zoyne; Barros Leite, Carlos Vieira e Dias da Cunha,
Kenya. Caracterização de aerossóis em uma região rica em areias
monazíticas. Rio de Janeiro, 2003. 93p. Dissertação de mestradoDepartamento de Física, Pontifícia Universidade Católica de Rio de
Janeiro.
No litoral brasileiro, do Rio Grande do Norte até Rio de Janeiro, se
encontram os mais importantes depósitos de areias monazíticas No litoral do
Município de São Francisco de Itabapoana, no estado de Rio de Janeiro,
encontram-se importantes jazidas de areias monazíticas, e na vila de Buena,
situada neste município, se encontra uma usina de beneficiamento de areias
monazíticas. Nela são obtidos concentrados de ilmenita, zirconita, rutilo e
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0116454/CA
monazita utilizando separadores letrostáticos, eletromagnéticos e gravimétricos
(espirais, planos inclinados e mesas vivratorias). Com o objetivo de caracterizar a
exposição dos habitantes desta vila a partículas de poeira na fração respirável
foram
coletadas amostras de aerossóis usando impactadores em
cascata,
amostradores portáteis com ciclone e amostras de bioindicadores. As amostras
foram analisadas pelo método PIXE (Particle Induced X ray Emission) para
determinação da concentração dos metais e do MMAD (Mass Median
Aerodinamic Diameter), por PDMS (Plasma Desorption Mass Spectrometry) para
identificação dos compostos presentes. As amostras de aerossóis coletadas com
amostradores portáteis e de bioindicadores foram analisadas para determinação
da concentração dos isótopos das séries naturais do tório e urânio. Os resultados
indicam que os habitantes estão expostos a partículas contendo metais na fração
respirável do aerossol geradas por fontes tanto antropogênicas , quanto naturais.
As amostras de bioindicadores indicam os habitantes da vila tem estado expostos
a radionuclídeos das séries naturais do tório e urânio nos últimos 15 anos.
Palavras-chave
Areia monazítica; líquen; aerossol; MMAD.
Abstract
Pedrero, Zayas Zoyne; Barros Leite, Carlos Vieira and Dias da Cunha,
Kenya (Advisors). Aerosol characterization in a region with high
concentration of mineral sands. Rio de Janeiro, 2003. 93p. MSc.
Disertation - Departamento de Física, Pontifícia Universidade Católica de
Rio de Janeiro.
The main deposit of mineral sands in Brasil occur from the Rio Grande do
Norte State to Rio de Janeiro State. The main commercial deposit is located in
Buena, a village at São Francisco de Itabapoana, Rio de Janeiro State. In buena
there is a plant that process minerals sands to obtain ilmenite, zirconite, rutile and
monazite concentrates. This plant belongs to the Industrias Nucleares Brasileiras
(INB). Close to this plant there is a small village. Aerosols samples were collected
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0116454/CA
using cascade impactors and cyclones in order to characterize human exposure to
airborne particles in the respirable fraction. Lichens samples were also collected.
The samples were analyzed by PIXE (Particle Induced X ray Emission) for
determination of elemental mass concentration and MMAD (Mass Median
Aerodynamic Diameter). PDMS (Plasma Desorption Mass Spectrometry) allows
the identification of the chemicals compounds present in the samples. The
concentrations of radionuclides from the thorium and uranium natural series were
also determined. The results show that the inhabitants were espoused to airborne
particles in the respirable fraction of aerosols from natural and anthropogenic
sources. The lichens samples indicate that the inhabitants have been exposed to
radionuclides from the thorium and uranium natural series since last 15 years.
Keywords
Mineral sand; lichen; aerosol; MMAD.
SUMÁRIO
1
2
INTRODUÇÃO
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
13
2.1
Aerossóis
15
2.1.1
Introdução
15
2.1.2
Deposição de partículas no trato respiratório
16
2.1.3
Tamanho das partículas
18
2.1.4
Comportamento aerodinâmico das partículas
21
2.2
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0116454/CA
2.3
2.4
3
Técnicas de amostragem
25
2.2.1
Amostradores inerciais
26
2.2.2
Ciclone
26
2.2.3
Amostrador Grosso e Fino
26
Bioindicadores
27
2.3.1
28
Liquens
Areias monazíticas
29
2.4.1
Histórico da monazita
31
2.4.2
Separação física da areia monazítica
32
TÉCNICAS ANALÍTICAS
35
3.1
35
3.2
4
15
PIXE
3.1.1
Introdução
35
3.1.2
Identificação dos elementos
35
3.1.3
Determinação da massa do elemento
36
3.1.4
Incertezas
38
PDMS
40
3.2.1
Introdução
40
3.2.2
Calibração de massa
45
MÉTODOS
46
4.1
Descrição do local de coleta
46
4.1.1
46
Coleta das amostras de aerossol
4.1.2.1 Amostradores portáteis com ciclone
4.2
4.3
4.1.2.2 Amostrador Grosso e Fino (AGF)
49
4.1.2.3 Impactador em Cascata (IC)
50
Amostras de líquen
51
PIXE
4.3.1
48
53
Calibração
54
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0116454/CA
4.3.2
6
55
4.4
PDMS
56
4.5
Métodos radioquímicos utilizados na separação e concentração dos
elementos
4.5.1
Abertura das amostras de aerossol
57
4.5.2
Abertura das amostras de liquens
57
4.5.3
Separação cromatográfica
58
4.5.4
Pré concentração do tório
58
4.5.5
Pré concentração de urânio
59
4.5.6
Cálculo da concentração dos isótopos de interesse
59
4.5.7
Pré concentração de rádio e chumbo
60
4.5.7.1 Determinação de rádio
60
4.5.7.2 Cálculo da atividade do rádio
61
4.5.7.3 Determinação de chumbo
62
4.5.7.4 Cálculo da atividade de chumbo
63
4.5.7.5 Cálculo das concentrações dos isótopos de interesse
63
Sistema de espectrometria alfa
64
4.5.8
5
Análise dos espectros
57
RESULTADOS E DISCUSSÂO
65
5.1
Identificação, quantificação e determinação do tamanho de partículas
65
5.2
Determinação dos radionuclideos nas amostras de aerossol
68
5.3
Determinação dos radionuclideos nas amostras de líquen
69
5.4
Resultados da análise por PDMS
70
CONCLUSÕES
73
REFRÊNCIAS BIBLIGRÁFICAS
75
ANEXO A
83
ANEXO B
92
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 Relação das principais aplicações dos elementos (terras
raras) presentes na monazita. Resumo das aplicações e
teores médios
Tabela 4.1 Relação dos locais de coleta de amostras de aerossóis
indicando a distância do ponto de coleta a usina de
beneficiamento de minério, o tipo de amostrador usado e
as características de cada local de coleta
Tabela 4.2 Relação dos diâmetros de corte dos ICs utilizado
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0116454/CA
Tabela 5.1 Concentração média dos elementos dos elementos
identificados na fração respirável. Amostras coletadas com
o impacatador em cascata
Tabela 5.2 Valores de MMAD e do desvio padrão geométrico
Tabela 5.3 Concentração dos radionuclideos na fração respirável do
aerossol. Amostras coletas com amostradores portáteis
com ciclone
Tabela 5.4 Concentração dos radionuclideos na fração respirável do
aerossol. Amostras coletas com amostradores AGF
Tabela 5.5 Concentração de atividade dos radionuclideos presentes
nas amostras de líquen
31
47
50
66
67
68
69
70
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1
Figura 2.2
Figura 2.3
Figura 2.4
Figura 2.5
Figura 3.1
PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0116454/CA
Figura 3.2
Figura 4.1
Figura 4.2
Figura 4.3
Figura 4.4
Figura 4.5
Figura 4.6
Figura 4.7
Figura 5.1
Diâmetro de Ferret, diâmetro de Martin e diâmetro da área
projetada
Uma partícula irregular e suas esferas equivalentes. Diâmetro
equivalente (de), diâmetro de Stokes (ds) e diâmetro
aerodinâmico (da)
Esquema simplificado das linhas de corrente do fluido em um
sistema onde as linhas de corrente do fluido apresentam um
desvio de 900
Esquema simplicado do processo de beneficiamento das areias
monazíticas para obtenção dos concentratos de monazita,
zirconita, rutilo e ilmenita
Fotografia da espiral de Hanphrey
Esquema simplificado do processo de emissão de raios X
induzidos pela colisão de partículas carregadas
Componentes básicos de um analisador por tempo de vôo
Mapa simplificado da Vila de Buena indicando os locais de
coleta e a localização da usina
Arranjo experimental utilizado na amostragem com AGF
ICN e os diâmetros de corte correspondentes a cada estágio
Mapa de localização dos locais de coleta
Esquema simplificado do arranjo experimental utilizado
Curvas de eficiência com e sem absorvente
Arranjo experimental utilizado na análise por PDMS
Espectro de massa dos íons positivos das partículas coletadas
com diâmetro aerodinâmico igual a 1 µm
19
20
23
33
34
36
41
48
49
50
52
53
55
56
72