MONITORAMENTO DA QUALIDADE DO AR ...tem2/Proceedings_TEMM2018/data/...MONITORAMENTO DA QUALIDADE DO AR: AMOSTRAGEM DE MATERIAL PARTICULADO (MP 2,5 ) EM PONTA GROSSA/BRASIL Lucas Vinicius

Proceedings of the 1st Iberic Conference on Theoretical and Experimental Mechanics and Materials /

11th

National Congress on Experimental Mechanics. Porto/Portugal 4-7 November 2018.

Ed. J.F. Silva Gomes. INEGI/FEUP (2018); ISBN: 978-989-20-8771-9; pp. 85-94.

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PAPER REF: 7352

MONITORAMENTO DA QUALIDADE DO AR: AMOSTRAGEM DE MATERIAL PARTICULADO (MP2,5) EM PONTA GROSSA/BRASIL Lucas Vinicius da Silva1, Ricardo Baptista Nishida1, Leonardo Castro de Melo2, Ana Flávia Locatelli Godoi2, Ricardo Henrique Moreton Godoi2, Thiago Antonini Alves1 & Yara de Souza Tadano1(*) 1Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Campus Ponta Grossa 2Universidade Federal do Paraná (*)

Email: [email protected]

RESUMO

A poluição atmosférica vem sendo um assunto muito estudado atualmente. Dentre os poluentes que mais geram consequências à saúde humana está o material particulado com diâmetro aerodinâmico menor ou igual à 2,5 µm (MP2,5), por ser capaz de penetrar nos alvéolos pulmonares e até mesmo na corrente sanguínea, ocasionando problemas respiratórios e cardiovasculares. O presente trabalho busca, então, monitorar a concentração de MP2,5 na cidade de Ponta Grossa/PR, Brasil. As amostragens foram realizadas na região central da cidade, do dia 01 de outubro de 2016 até 31 de dezembro de 2016, utilizando um impactador Harvard. A concentração mássica foi realizada com o uso de uma balança. As concentrações de MP2,5 foram comparadas com os dados meteorológicos de saúde (número de hospitalizações por doenças respiratórias). De maneira geral, identificou-se que o limite de emissão estabelecido pela Organização Mundial da Saúde (OMS), de 25 µg/m3, foi ultrapassado em 19 dias, tendo uma relação com a umidade relativa e a temperatura média do ar. Entretanto, a comparação direta com o, número de hospitalizações não apresentou um comportamento nítido.

Keywords: Material particulado, impactador Harvard, amostragem.

INTRODUÇÃO

A cada ano que se passa, percebe-se uma maior preocupação com a poluição do ar, principalmente por ser prejudicial à saúde humana [1]. O material particulado de no máximo 2,5 µm de diâmetro aerodinâmico tem sido bastante estudado, pois devido ao seu tamanho, pode atingir os alvéolos pulmonares e ainda a corrente sanguínea, podendo causar várias doenças cardíacas e respiratórias [2].

No Brasil, não existem padrões nacionais de qualidade do ar para MP2,5 e, portanto, dados de concentração de MP2,5 são escassos, sendo que somente na cidade de São Paulo existem estações automáticas de monitoramento de MP2,5. Além disso, amostragens para períodos limitados de tempo foram realizadas nas cidades de Curitiba/PR [3], Manaus/AM [4] e Vitória/ES [5], entretanto foram realizadas utilizando equipamentos que necessitam de troca manual, diária, dos filtros.

Desta forma, o presente estudo teve por objetivo analisar o MP2,5 na cidade de Ponta Grossa, quarta cidade mais populosa do estado do Paraná, Brasil, através de amostragem diária utilizando um impactador Harvard. Além disso, analisou-se a concentração de Black Carbon e determinou-se a composição elementar do MP2,5. Destaca-se que este é o primeiro estudo sobre poluição atmosférica na cidade.

Track-A: Experimental Techniques and Instrumentation

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METODOLOGIA

Local de Amostragem

O amostrador foi instalado nas dependências da Companhia de Saneamento do Paraná (SANEPAR), em Ponta Grossa, estado do Paraná, Brasil. A escolha do local, se deu devido a sua proximidade com uma das vias mais movimentadas da cidade (Av. Balduíno Taques), e também por ser um local com representatividade de centro urbano. Além disso, o local permite acesso diário e tem disponibilidade dos recursos necessários para a funcionalidade do equipamento (energia elétrica e segurança). Na Figura 1, tem-se uma imagem do local da amostragem. Ao lado do local de amostragem encontra-se uma escola de ensino médio.

Fig. 1 - Local da Amostragem (SANEPAR) e vizinhança [6].

A amostragem foi realizada diariamente durante o período de 01 de outubro de 2016 até 31 de dezembro de 2016. O período de amostragem foi de 24 horas contínuas, para que fosse possível comparar os resultados com padrões de qualidade do ar.

O filtro utilizado para a amostragem foi o Nucleopore de policarbonato da marca GE

Healthcare, que foi escolhido por ser inerte e livre de substâncias de interesse, que poderiam ser detectadas pelo método de Espectrometria de Fluorescência de Raios X (FRX).

Além de ser necessário trocar manualmente o filtro diariamente, as seguintes informações referentes à amostragem foram registradas em fichas de monitoramento:

� Horário de início e término da amostragem;

� Número de horas de operação do equipamento;

� Vazão de ar inicial e final (volume total de ar amostrado);

� Registro de inconformidades.

Os filtros foram armazenados e protegidos em placas de Petri, um a um. A cada 10 filtros, tem-se um filtro chamado “branco”, utilizado como padrão.

Proceedings TEMM2018 / CNME2018

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Amostragem de MP2,5

O equipamento utilizado para realizar a amostragem foi o impactador Harvard (Figure 2), que amostra as partículas de MP2,5. O funcionamento do aparelho ocorre da seguinte maneira: ar entra na parte superior do equipamento (Figure 2a), e é acelerado rumo a um disco poroso (Figure 2b). Partículas que apresentem um diâmetro maior que 2,5 µm ficam retidas em uma camada fina de óleo mineral presente no disco poroso. As partículas de tamanho igual ou menor que 2,5 µm são depositadas no filtro de policarbonato, ao fundo do impactador (Figure 2c) [3].

Fig. 2 - Amostrador Inercial Harvard [3].

Esse impactador foi desenvolvido pela Escola de Saúde Pública de Harvard, e é utilizado em conjunto a uma bomba à vácuo com horímetro, medidor de vazão e um fluxímetro, ligada sempre à uma vazão de 10 L/min.

Confecção de Anéis de Fixação

Para fixar os filtros ao impactador e facilitar o manuseio, foram desenvolvidos anéis de fixação de nylon. A Figure 3 representa o desenho técnico das duas partes do anel.

Fig. 3 - Desenho Técnico das duas partes do anel.


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Salientando-se que deve haver um encaixe perfeito entre as partes, fixando o filtro e um dreno entre elas, para que não haja o deslocamento do mesmo durante a amostragem. Os anéis de fixação foram fabricados em um centro de usinagem CNC (Comando Numérico de Computação), Figura 4, existente no Laboratório de Usinagem (LabUSI) do Departamento Acadêmico de Mecânica (DAMEC) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) - Câmpus Ponta Grossa.

Fig. 4 - Anéis de fixação sendo fabricados no centro de usinagem CNC da UTFPR/Câmpus Ponta Grossa.

Análise Gravimétrica

Os filtros foram pesados antes e depois da amostragem, para obter-se a concentração mássica do MP2,5. A pesagem deve ser muito precisa, portanto, a balança utilizada foi uma micro-balança analítica com precisão de 0,1 µg da marca Sartorius e modelo MSA2.7S-000-DF (Figura 5), vinculada ao Laboratório de Análise e Qualidade do Ar (LabAir) localizado na Universidade Federal do Paraná (UFPR), em Curitiba, Paraná parceiros do Laboratório de Pesquisas em Emissão e Dispersão de Poluentes Atmosféricos (LabDPA), localizado na Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) - Câmpus Ponta Grossa. A balança é extremante sensível, portanto para realizar as pesagens é necessário um ambiente em que a umidade (50%) e a temperatura (20oC) sejam controladas. A pesagem é feita sempre em triplicata. Antes de realizar-se a pesagem, utiliza-se uma caneta eliminadora de eletrostática para remover a eletrostática dos filtros e, ainda antes da pesagem, os filtros são mantidos em um dessecador por 24 horas, para atender aos critérios de pesagem e evitar contaminações.

Fig. 5 - Micro-balança e caneta eliminadora de eletrostática [3].


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Utiliza-se, então, a Eq. (1) para calcular a concentração mássica de material particulado [3]:

[ ][ ] [ ]2 5 3

1000,

massa depositada ggConcentração mássica de MP

m vazão L min período de coleta min

× = ×

µµ. (1)

Determinação da Concentração de Black Carbon (BC)

Utilizou-se um transmissômetro ótico da marca SootScan e modelo OT21 (Figura 6), vinculado ao LabAir/UFPR, para determinação da concentração de Black Carbon (BC), que é baseada no princípio da transmitância.

Fig. 6 - Transmissômetro SootScan OT21 (Fonte: Polezer (2015) [3]).

O equipamento mede a absorbância da amostra em dois comprimentos de onda (370 nm, ultravioleta, e 880nm, infravermelho próximo). De acordo com Barbosa [4], a quantificação de BC presente na amostra pode ser verificada pelo valor de atenuação na intensidade da luz (ATN), com dados do sigma do policarbonato (σ = 8,3) e o volume do ar amostrado (área útil amostrada possui 30 nm de diâmetro). Para o cálculo, utiliza-se a Eq. (2) [3]:

[ ] [ ]

2 2

3

1000 área útil cm ATN g cmgConcentração de BC

m vazão L min período de coleta min

× × = × ×

µµσ

. (2)

Determinação da Composição Elementar

A composição elementar também foi determinada, através de Espectrometria de Fluorescência de Raios X (FRX), utilizando o equipamento espectrômetro de bancada EDXRF MiniPal 4, da marca PANalytical, vinculada ao LabAir/UFPR (Figura 7). O equipamento bombardeia fótons na amostra, as fluorescências são captadas, convertidas em sinais eletrônicos e, então, convertida em concentrações de elementos presentes na amostra através do software.

A análise foi feita em triplicata para cada um dos filtros, durando cerca de 60 (sessenta) minutos cada uma das análises. O resultado obtido foi a concentração do elemento pela área do filtro, podendo ser convertida para concentração média presente no ar, através dos fatores corretos.


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Fig. 7 - Espectrômetro de Fluorescência de Raios-X por dispersão de energia, MiniPal 4 [3].

Identificação de Fontes de Emissão (Fator de Enriquecimento)

O fator de enriquecimento (FE) pode ser utilizado para determinar se os elementos presentes no material particulado são de origem natural ou antropogênica. Ele é calculado comparando a concentração de determinado elemento presente no MP com a concentração presente na natureza, de acordo com a Eq. (3):

exp

ref ,exp

crust

ref ,crust

X

XFE

X

X

=

. (3)

sendo que, Xexp representa a concentração do elemento estudado na amostra, Xref,exp é a concentração do elemento de referência encontrado na amostra, Xcrust é a concentração do elemento estudado encontrado na natureza e Xref,crust é a concentração do elemento de referência encontrado na natureza [7].

Para valores de FE acima de 10, conclui-se que as fontes de emissão do elemento são antropogênicas. Para valores próximos de 1, considera-se que a fonte geradora do material particulado é natural. Para o valor de referência, podem ser utilizados elementos como silício, alumínio, ferro, sódio, cálcio e potássio. Neste estudo, foi considerado o sódio como elemento de referência, já que foi detectado na amostra e um dos elementos de maior recorrência.

RESULTADOS

Os dados obtidos de concentração para o MP2,5 e BC vão de 01 de outubro de 2016 até 31 de dezembro de 2016. Neste período, 92 filtros foram amostrados, sendo que dois filtros tiveram que ser descartados por inconformidades nas amostras. As concentrações de MP2,5 e BC foram acopladas em médias mensais, conforme pode ser visto na Tabela 1, onde dp representa o desvio padrão e N o número de amostras de cada mês.


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Tabela 1 - Média Mensal das concentrações de MP2,5 (µg/m3) e BC (µg/m3) de outubro a dezembro de 2016.

Mês N MP2,5

[µg/m3] dp

BC [µg/m3]

dp

Outubro/2016 31 18,86 12,52 16,26 4,75 Novembro/2016 29 25,28 19,58 15,18 5,49 Dezembro/2016 30 14,77 5,38 13,29 6,46

Observa-se que a concentração de BC está abaixo dos valores de MP2,5. Essa diferença pode ter ocorrido devido às variações climáticas durante o período de amostragem. Além disso, observa-se que a concentração de BC varia pouco de mês para mês, o que pode indicar que as fontes antropogênicas, principalmente veiculares, emitem uma quantidade constante do poluente.

A concentração média de MP2,5 para todo o período amostrado foi de 24,3 µg/m3. A Organização Mundial da Saúde (OMS) admitiu que o ar deve ter concentração de MP2,5, no máximo, 25 µg/m3. Olhando sob o panorama mundial, observa-se Nova Iorque/EUA com 49 µg/m3 [8] e Agra/Índia com 91,1 µg/m3 [9]. Portanto, Ponta Grossa/Brasil pode ser considerada uma cidade com níveis razoáveis de poluição particulada, porém está bem próximo do limite aceitável pela OMS.

O valor médio obtido no presente estudo (Ponta Grossa/PR: 24,3 µg/m3) está acima dos encontrados em outras cidades brasileiras. Entretanto, deve-se destacar que os estudos foram realizados para períodos maiores, o que pode ter levado à valores distintos. Em Curitiba/PR, Polezer [3] encontrou uma concentração média de 9,48 µg/m3 para o período entre 2008 e 2015, em um total de 829 amostras. As amostragens foram realizadas cerca de 150 metros de movimentadas rodovias de Curitiba/PR. Barbosa [4], em Manaus/AM, encontrou concentrações médias de 8,8 µg/m3 na estação chuvosa e 11,6 µg/m3 na estação seca para o período entre março de 2012 e outubro de 2013, em um total de 453 amostras, onde o local de amostragem era cercado de vias de alto tráfego, em uma área relativamente centralizada. Belo & Tofoli [5] encontraram uma concentração de 13 µg/m3 em Vitória/ES, a amostragem ocorreu durante os meses de abril a junho de 2011, próximo de uma via de grande fluxo.

Na Tabela 2, têm-se os dias em que a concentração de MP2,5 excedeu o limite estabelecido pela OMS, e comparando-se esses dados com dados meteorológicos (pluviosidade, temperatura média, umidade relativa) obtidos pelo Sistema Meteorológico do Paraná (SIMEPAR), têm-se as Figs. 8, 9 e 10 referentes aos meses de outubro, novembro e dezembro de 2016, respectivamente.

Tabela 2 - Relação dos dias que excederam o limite de qualidade do ar diário de MP2,5 estabelecido pela OMS em Ponta Grossa/Brasil.

Mês Dias que excederam o limite de 25 µg/m3 Outubro/2016 03, 19, 21, 22 e 27 Novembro/2016 01, 02, 03, 05, 06, 07, 09, 21 e 30 Dezembro/2016 nenhum dia

Com maior precipitação total, o mês de outubro/2016 teve um número razoável de dias com concentrações acima do limite de 25 µg/m3. Porém, apesar da alta precipitação, observou-se que alguns dias após a precipitação a temperatura caiu aproximadamente 3°C, o que pode ter gerado maior suspenção de material particulado. A queda da umidade também é um agente que pode ter causado esse aumento dos dias que excederam o limite.


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Fig. 8 - Dados de pluviosidade, temperatura média, umidade relativa e concentração de MP2,5

da cidade de Ponta Grossa/PR no mês de outubro de 2016.


da cidade de Ponta Grossa/PR no mês de novembro de 2016.


da cidade de Ponta Grossa/PR no mês de dezembro de 2016.

No mês de novembro/2016, observou-se valores bastante baixos de precipitação, portanto choveu muito pouco, e a temperatura permaneceu baixa durante o período, explicando o fato de tantos dias terem excedido o limite máximo de MP2,5. No mês de dezembro/2016, observou-se que a quantidade de chuva foi bastante distribuída durante o mês, o que pode ter levado a ser o mês com a menor concentração de material particulado.


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Com o fator de enriquecimento, pôde-se evidenciar os elementos que estavam enriquecidos, que foram bromo (Br), cloro (Cl), enxofre (S), zinco (Zn) e chumbo (Pb). De acordo com Andrade [10], Br, S, Zn e Pb estão relacionados a emissões veiculares e industriais, enquanto o Cl a fontes oceânicas. Na Tab. 3 podem ser observadas as médias mensais dos fatores para cada elemento.

Tabela 3 - Média mensal do fator de enriquecimento para cada elemento analisado.

Elemento Outubro Novembro Dezembro Total Cl 13998 14004 14037 14029 Br 112433 112323 112503 112467 S 505 511 402 377 Mg 6 6 6 6 Na 5 5 5 4 Ca 1 1 1 1 K 1 1 2 1 Zn 41 19 92 15 Pb 196 10 213 0 Ti 0 0 0 0 Cu 4 13 9 0 Cr 2 1 2 0 Al 0 0 0 0 Si 0 0 0 0 Fe 0 0 0 0 Mn 0 0 0 0

Como mencionado anteriormente, o local de amostragem é uma estação de tratamento de água (SANEPAR), no centro da cidade de Ponta Grossa/PR, Brasil, portanto, há bastante trânsito de veículos nas vias próximas, o que explica a concentração de Br, S, Zn e Pb. Para o cloro, observou-se que por se tratar de uma estação de tratamento de água, utiliza-se grande quantidade de cloro gasoso, o que explica os valores encontrados. A limpeza periódica do chão próximo ao impactador, que utiliza produtos à base de cloro, também pode ser motivo para os valores encontrados.

CONCLUSÕES

As amostragens, caracterização e mensuração de MP2,5 para a cidade de Ponta Grossa/PR, Brasil, foram realizadas com sucesso e continuam em andamento, para que futuramente, obtenha-se um banco de dados maior. Isto possibilitará uma análise mais criteriosa e ainda, estudos que avaliem o impacto do MP2,5 na saúde da população da cidade.

Deve-se destacar que o maior desafio consistiu na pesagem dos filtros antes e após a amostragem, pois devido à alta precisão da balança, as condições climáticas na sala devem ser controladas (temperatura entre 20o e 25oC e umidade relativa de 45% a 55%). Entretanto, devido ao clima úmido de Curitiba/PR, é comum a umidade ultrapassar 60%, mesmo com o uso de um desumidificador de ar, impossibilitando a pesagem dos filtros em determinados dias.

Para as 90 amostras, a concentração média de MP2,5 foi de 24,3 µg/m3. Esse valor está próximo ao limite máximo estabelecido pela OMS, de 25 µg/m3. Com as análises das concentrações de Black Carbon, concluiu-se, que devido a sua constância, provavelmente a principal fonte de emissão seja veicular, o que está de acordo com o local das amostragens


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(próximo às vias centrais da cidade). Esse resultado somado aos valores obtidos por FRX e FE confirmam que a fonte principal é veicular.

Analisando as concentrações em conjunto com os dados meteorológicos do período, concluiu-se que existe influência da precipitação, pois os meses com maior precipitação apresentaram menor quantidade de dias com concentração diária de MP2,5 acima do limite estabelecido pela OMS.

AGRADECIMENTOS

Agradecimento à Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) pelo auxílio financeiro em forma de bolsa para os alunos envolvidos no projeto e agradecimento ao auxílio da companhia de Saneamento do Paraná, por permitir que fosse feita a amostragem em suas dependências.

REFERÊNCIAS

[1]-Organização Mundial da Saúde, Ambient (outdoor) air quality and health, Disponível em: <http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs313/en/>. Acesso em: 10 de setembro de 2016.

[2]-U.S. EPA, Air pollution emissions overview, Disponível em: <https://www3.epa.gov/ airquality/emissns.html>. Acesso em: 10 de setembro de 2016.

[3]-G. Polozer, Materiais Antropogênicos Suspensos na Atmosfera de Curitiba, Dissertação de Mestrado em Engenharia e Ciência dos Materiais, Universidade Federal do Paraná, Curitiba/ PR, 2015.

[4]-C. G. G. Barbosa, Monitoramento de Material Particulado Fino na Cidade de Manaus para Avaliação de Potenciais Riscos à Saúde da População e Caracterização de Material Particulado em Ambiente de Florestas (Atto-Amazonian Tall Tower Observatory) Amazonas, Brasil, Dissertação de Mestrado em Engenharia Ambiental, Universidade Federal do Paraná, Curitiba/PR, 2014.

[5]-P. I. D. Belo, Quantificação dos Níveis de Partículas Finas (MP2,5) no Município de Vitória, Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação em Engenharia Ambiental, Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória/ES, 2011.

[6]-Google Maps, Mapa de Ponta Grossa, Disponível em: <www.maps.google.com.br>. Acesso em: 12 de outubro de 2017.

[7]-S. Hoornaert, R. H. M. Godoi & R. Van Grieken, Elemental and single particle aerosol characterisation at a background station in Kazakhstan, Journal of Atmospheric Chemistry 48, 2004, p. 301-315.

[8]-Y. Qin, E. Kim & P. K. Hopke, The concentrations and sources of PM2.5 in metropolitan New York City, Atmospheric Environment 40, 2006, p. 312-332.

[9]-A. Kulshrestha, P. G. Satsangi, J. Masih and A. Taneja, Metal concentration of PM2.5 and PM10 particles and seasonal variations in urban and rural environment of Agra, India, Science of the Total Environment 407, 2009, p. 6196-6204.

[10]-F. Andrade, C. Orsini & W. Maenhaut, Relation between aerosol sources and meteorological parameters for inhalable atmospheric particles in Sao-Paulo City, Brazil, Atmospheric Environment 28, 1994, p. 2307-2315.

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