Aula 1: Departamento de Química UFJF

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1 QUÍMICA ANALÍTICA AMBIENTAL 1º período de 2013 Aula 1: Introdução à Química Ambiental Prof. Rafael Sousa Departamento de Química UFJF

2 INTRODUÇÃO QUÍMICA AMBIENTAL é uma ciência multidisciplinar por envolver não só as áreas básicas da Química como também a Biologia, a Geologia, a Ecologia e a Engenharia Sanitária Estuda processos químicos que ocorrem no meio ambiente Esses processos podem causar mudanças: naturais ou antropológicas (causadas pelo homem) Podem (em alguns casos) trazer sérios danos à população Atualmente, há uma grande preocupação em entender a química do meio ambiente, com o objetivo de melhorar a qualidade de vida em nosso planeta

3 INTRODUÇÃO... A QUÍMICA AMBIENTAL COMO CIÊNCIA MULTIDISCIPLINAR Sugere as práticas sustentáveis Diminuição da poluição e/ou os impactos negativos das atividades humanas Engenharias Química Sanitária Ciências exatas Química de materiais Química analítica Monitorar Controlar Remediar a poluição Química Papel fundamental Oportunidades

4 INTRODUÇÃO... A QUÍMICA AMBIENTAL E O CONTEXTO SÓCIO-ECONÔMICO Poluição Qualidade de vida Industrialização Desafio da química ambiental como ciência multidisciplinar INDUSTRIALIZAÇÃO QUALIDADE DE VIDA Conhecer os problemas Realizar ações: p. ex: Reavaliar fontes e usos de energia...

5 INTRODUÇÃO... A QUÍMICA AMBIENTAL E O CONTEXTO SÓCIO-ECONÔMICO Ilustrando o cenário atual para Minas Gerais Dados do 25º Balanço energético da Cemig* MAIOR PARTE DA ENERGIA CONSUMIDA: cadeia do petróleo, gás e derivados (33,9% do consumo) SETORES QUE CONSOMEM ENERGIA: - indústria (58,8%) - setor de transportes (22,7%) - residências (11,3%) - setor comercial e público (2,4%) - outros (2,3%) (*) Dados referentes ao ano de 2009 MAPA: google-minas-gerais, acessado em

6 HISTÓRICO DA QUÍMICA AMBIENTAL A química do meio ambiente é uma área do conhecimento na verdade antiga 1- Existem documentos que datam do século XVII - Preocupação com a devastação do meio ambiente em regiões do Reino Unido próximas de onde se fazia a extração de carvão - Artigo (Nature 1872): análise minuciosa da qualidade do ar nas cidades inglesas de Londres e Manchester Perigo das altas concentrações de SO 2 observadas naquelas atmosferas urbanas

7 HISTÓRICO DA QUÍMICA AMBIENTAL Discussões científicas que datam da década de 60 A Terra passou a ser considerada como um organismo vivo e único Danos ao ambiente (homem) puderam ser contabilizados: - Uso indiscriminado de pesticidas colocando em risco a saúde devido à contaminação de alimentos e da água - Descarte inadequado de lixo urbano e industrial Os primeiros PCBs foram identificados pela 1ª vez em 1966! - O ar estava se tornando irrespirável nos grandes centros Modelo econômico tratava o nosso planeta finito e limitado como se fosse algo infinitamente rico e capaz de prover recursos ilimitados a uma população que crescia assustadoramente

8 HISTÓRICO DA QUÍMICA AMBIENTAL Na década de 70 surgem alguns resultados Legislações ambientais Cada vez mais restritivas (preocupação com o destino dos compostos químicos no meio ambiente) Avaliação de riscos ambientais Preocupação com o risco de exposição a novas moléculas produzidas pelo homem, de cuja toxicidade pouco se sabia 4- A partir da década de 80 A questão ambiental passa a ser um tema de discussão em todos os segmentos da sociedade

9 HISTÓRICO DA QUÍMICA AMBIENTAL... A questão ambiental passa a ser um tema de discussão em todos os segmentos da sociedade Exemplos importantes: - Eco-92 (Rio de Janeiro) - Rio +10 (África do Sul) Políticas sócio-econômicas - Protocolo de Kyoto (Japão) - Rio +20 (Rio de Janeiro) Práticas sustentáveis - Reaproveitamento da água - Menor utilização de materiais (papel, madeira,...) Coleta do lixo reciclável...

10 HISTÓRICO DA QUÍMICA AMBIENTAL... Tem havido uma disseminação de um sentimento que associa a química com o impactante, o nocivo, (preconceito com o sintético ) Mas a expectativa de vida do brasileiro está aumentando Avanços da química na área de saneamento ambiental, processos de desinfecção de água, aumento e diversificação da produtividade agrícola (insumos químicos) Avanços na bioquímica, que servem como base da medicina preventiva, desenvolvendo vacinas e novas drogas que aumentam a nossa longevidade Dentro de um assunto tão complexo, inúmeras perguntas ainda estão sem respostas Ainda não conhecemos com exatidão a magnitude do efeito estufa e todas as suas consequências OPORTUNIDADES... Toxicidade ou poder mutagênico de todas as novas moléculas que são produzidas

11 CONCEITOS DE QUÍMICA AMBIENTAL Meio-ambiente Biosfera Poluição Poluente

12 CONCEITOS DE QUÍMICA AMBIENTAL... MEIO AMBIENTE Conjunto de condições que afetam a existência, desenvolvimento e bemestar dos seres vivos Não se trata apenas de um lugar no espaço, mas de todas as condições físicas, químicas e biológicas que favorecem ou desfavorecem o desenvolvimento BIOSFERA Conjunto de todas as partes da Terra onde é possível, pelo menos a algumas espécies de organismos, viver permanentemente, alimentar-se e reproduzir-se

13 CONCEITOS DE QUÍMICA AMBIENTAL... A BIOSFERA é o conjunto de todos os ecossistemas do planeta integra os diferentes ambientes aonde os seres vivos habitam Hidrosfera Ambiente líquido (oceanos, lagos, rios) BIOSFERA Litosfera Atmosfera Camada de ar que envolve a Terra Camada superficial, sólida, da Terra, composta de rochas e solo

14 CONCEITOS DE QUÍMICA AMBIENTAL... POLUIÇÃO: Qualquer substância que possa tornar o ambiente impróprio, nocivo ou ofensivo à saúde, inconveniente ao bem estar público, danoso aos materiais, à fauna, à flora ou prejudicial à segurança, ao uso e às atividades normais da comunidade Não se restringe somente à ocorrência de doenças no homem Qualquer alteração de um ambiente (ar, água, solo) que resulte em prejuízos aos organismos vivos ou prejudique um uso previamente definido para ele POLUENTE Qualquer substância causadora de poluição

15 CONCEITOS DE QUÍMICA AMBIENTAL... A POLUIÇÃO interfere nos CICLOS BIOGEOQUÍMICOS Processos físico-químicos responsáveis pelo equilíbrio entre os diferentes ambientes que compõem a biosfera Ciclo do carbono Ciclo do nitrogênio Ciclos biogeoquímicos Ciclo do enxofre Ciclo do oxigênio

16 CONCEITOS DE QUÍMICA AMBIENTAL... OS EFEITOS NOCIVOS DA POLUIÇÃO podem ser diretos ou indiretos Podem ocorrer até mesmo de médio a longo prazo Embora a maior parte de nossa exposição a essas substâncias seja decorrente de sua presença na água ou do consumo do peixe que vive nessa água veremos que seu transporte aéreo e sua deposição final no solo são considerações vitais para o entendimento de seu papel na poluição. CONSIDERAR: - Cadeias alimentares - Interação entre diferentes ecossistemas

17 CONCEITOS DE QUÍMICA AMBIENTAL... OS POLUENTES MAIS COMUNS Compostos halogenados: Classes: Compostos orgânicos voláteis (VOC): São hidrocarbonetos e derivados de fácil volatilização, como: - benzeno, tolueno, etil-benzenos e xilenos (BTEX) - sulfetos orgânicos (mal cheirosos) - compostos halogenados - dibenzo-p-dioxinas policloradas - dibenzofuranos Fontes primárias: Processos de combustão (incineração de lixo e de resíduos industriais). Ex: 2,3,7,8-tetraclorodibenzodioxina (mais tóxico) - bifenilas policloradas e terpenilas (PCB) Fontes: componentes de isolantes elétricos e retardantes de chama

18 OS POLUENTES MAIS COMUNS Classes: Compostos orgânicos voláteis (VOC) Compostos halogenados: - dibenzo-p-dioxinas policloradas - dibenzofuranos - bifenilas policloradas e terpenilas - naftalenos, bifenilaspolibromadas - organoclorados como: - trialometanos (THM) Presentes em água de abastecimento (resultado da desinfecção com cloro). - pesticidas (piretrinas e piretróides - permetrina e cipermetrina) Compostos muito tóxicos para peixes

19 Classes: OS POLUENTES MAIS COMUNS Compostos orgânicos voláteis (VOC) Compostos halogenados Pesticidas: Substâncias capazes de matar organismos (insetos, plantas e fungos) ou que interferem no seu processo reprodutivo... Desde a sua introdução, os pesticidas sintéticos constituem um problema, devido ao seu impacto potencial sobre a saúde humana em virtude da ingestão de alimentos contaminados com esses produtos... Diferentes tipos: - Organoclorados (toxofeno proibido), ciclodienos - Organofosforados (paration, malation, etc) - Carbamatos (carbofurano, carbaril, etc) - Inorgânicos (contêm elementos como As, Ba, Cd, Cu, Fe, Hg, Pb, Se, Tl e Zn) maioria tóxica (metais pesados : (As), Cd, Hg, Pb)

20 OS POLUENTES MAIS COMUNS Classes: Compostos orgânicos voláteis (VOC) Compostos halogenados Pesticidas Metais pesados : (As), Cd, Hg, Pb Devem ser monitorados em alimentos devido a sua elevada toxicidade: - Resolução Mercosul, GMC N 0 102, de Regulamento da Comunidade Européia (CE), N 0 333, de 28 de março de 2007 O termo é tecnicamente NÃO RECOMENDADO, sendo usado como sinônimo para os elementos metálicos que são tóxicos: - Não essenciais As, Ba, Cd, Hg e Pb - Micronutrientes (essenciais ao nível de traços) Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Se e Zn FONTES: agroindústria, mineração, siderúrgicas, indústrias de baterias, de galvanoplastia... Foto: Afloramento de Hg no solo do município de Descoberto (Zona da Mata)

21 Classes: OS POLUENTES MAIS COMUNS Compostos orgânicos voláteis (VOC) Compostos halogenados Pesticidas Metais pesados Hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (PAH): Hidrocarbonetos que contêm dois ou mais anéis aromáticos conectados por um par de átomos de carbono Exceto o naftaleno, são obtidos indiretamente na queima de materiais orgânicos e sintéticos (produtos industrializados) Origem natural ou antropogênica Dezesseis destes compostos fazem parte de uma lista da EPA ( Poluentes prioritários ) que enumera os poluentes mais relevantes

22 OS POLUENTES MAIS COMUNS CLASSES (espécies orgânicas, inorgânicas e organometálicos) ESPÉCIES INORGÂNICAS Íons que ocorrem naturalmente no ambiente (águas) podem ter sua concentração aumentada pelas atividades antrópicas: CN -, Cl -, Ca 2 +, Mg 2 +, PO 3-4, NH 4+, NO 3-, NO 2-, H +, S 2 -, demais íons metálicos SABER como determiná-los! Várias possibilidades Técnicas instrumentais devem ser preferidas...

23 A QUÍMICA ANALÍTICA AMBIENTAL Fornecer informações químicas sobre estudos ambientais ou relacionadas ao monitoramento de espécies de interesse em um determinado meio Infinidade de termos técnicos e abreviaturas! Alguns exemplos: Campanha de amostragem DBP- produtos de desinfecção Georeferenciamento MHT tempo máximo de estocagem para uma amostra OCP pesticidas organoclorados OPN pesticidas organonitrogenados OPP pesticidas organofosdorados PHA PBB bifenilas polibromadas PBDE difenileterespolibromados PCA alcanos policlorados PCB PCDD dibenzo-p-dioxinas policloradas PCDF dibenzofuranos policlorados PCN naftalenos policlorados POP poluentes orgânicos persistentes PCT polychlorinated terphenyls VOC

24 A QUÍMICA ANALÍTICA AMBIENTAL... ESTÁ NO MONITORAMENTO OU EM ESTUDOS AMBIENTAIS O ideal é utilizar métodos que permitam fazer a determinação química diretamente no ambiente (in situ) e em tempo real A medida é feita e o resultado prontamente conhecido Poucas são as medidas que podem ser feitas dessa forma: (como é a media de ph da água de um rio, por exemplo)

25 A QUÍMICA ANALÍTICA AMBIENTAL... Portabilidade de equipamentos característica importante e desejável Figura 1 Sonda multiparâmetro para leitura simultânea de parâmetros (por exemplo, ph, oxigênio dissolvido, condutividade elétrica, temperatura, turbidez) que medem a qualidade de águas superficiais em rios, lagoas, represas e de águas subterrâneas. Métodos eletroquímicos Métodos eletroquímicos mostram-se adequados Preparo de amostra (geralmente) requerido é uma desvantagem

26 A QUÍMICA ANALÍTICA AMBIENTAL... Portabilidade de equipamentos característica importante e desejável Figura 2 Equipamento de fluorescência de raios-x (FRX) portátil* para determinação simultânea de elementos químicos (principalmente metais) em amostras sólidas. Determinações inorgânicas (resíduos sólidos) Detectabilidade da FRX: mg kg -1 mg g -1 (dependo do elemento e condições instrumentais) (*) FONTE: acessada

27 A QUÍMICA ANALÍTICA AMBIENTAL... Portabilidade de equipamentos princípio da técnica de FRX Elétron ejetado Emissão de raios-x Raios-X Vacância A (A) Efeito Fotoelétrico; (B) Emissão de Raios-X característicos provenientes de transições eletrônicas subseqüentes B ** Este slide foi retirado do material didático da disciplina QP812, preparado pela Prfa. Dra. Maria Izabel M. Silveira (IQ- UNICAMP)

28 A QUÍMICA ANALÍTICA AMBIENTAL... Portabilidade de equipamentos característica importante e desejável Figura 3 Equipamento de LIBS* laser induced breakdown spectroscopy (espectroscopia de emissão óptica induzida por laser) portátil* para determinação simultânea de elementos químicos (principalmente metais) em amostras sólidas. Determinações inorgânicas em amostras sólidas (materiais líquidos (úmidos)) Detectabilidade comparável à FRX Facilidade para trabalhos de prospecção ambiental Protótipo do Los Alamos National Laboratory. (*) FONTE: acessado em

29 A QUÍMICA ANALÍTICA AMBIENTAL... Portabilidade de equipamentos característica importante e desejável Figura 4 Cromatógrafo portátil* sendo utilizado para medidas de VOCs pela CETESB. CROMATOGRAFIA GASOSA TÉCNICA MUITO IMPORTANTE EM QAA Alguns fabricante s de cromatógrafos portáteis: Agilent Tecnologies, Eletronic Sensor Tecnology, O. I. Analytical, Torion Tecnologies, Photovac Inc.... (*) FONTE: acessado

30 A QUÍMICA ANALÍTICA AMBIENTAL... Portabilidade de equipamentos característica importante e desejável CROMATOGRAFIA GASOSA TÉCNICA MUITO IMPORTANTE EM QAA Alguns fabricante s de cromatógrafos portáteis: Agilent Tecnologies, Bruker, Eletronic Sensor Tecnology, Inficon, O. I. Analytical, Torion Tecnologies, Photovac Inc.... Cromatógrafos portáteis apresentam algumas desvantagens: Precisão inferior, limitações técnicas (capacidade do reservatório de gases e o dispositivo de bateria)

31 A QUÍMICA ANALÍTICA AMBIENTAL... Portabilidade de equipamentos Característica importante e desejável A maioria das análises não pode ser feita em campo... Muitos analitos precisam sofrer transformações químicas e passar por métodos de purificação para tornar possível a sua determinação SE a técnica analítica não consegue medir o analito por estar ele em concentração muito baixa na matriz Pré-concentração do analito Uso de técnicas mais sensíveis (geralmente não portáteis) AMOSTRAGEM ADEQUADA A condição fundamental de uma amostra é que ela deve retratar o mais próximo possível o meio do qual ela foi retirada

32 Bibliografia Consultada 1- BAIRD, C. Química Ambiental, São Paulo, Bookman, 2ª ed., BJÖRKLUND, E.; NILSSON, T. Pressurized liquid extraction of persistent organic pollutants in environmental analysis, Trends Anal. Chem 19 (2000) ROCHA, J. C., ROSA, A. H., CARDOSO, A. A. Introdução à Química Ambiental, Porto Alegre, Bookman, Acessado em 13/11/ ZHANG, C. Fundamentals of Environmental Sampling and Analysis, New Jersey, Wiley & Sons, DC Análise Infraestrutura, Belo Horizonte, junho Santos, F. J., Galceran, M. T. The Application of Gas Chromatography to Environmental Analysis, Trend Anal. Chem.. 21 (2002) NASCENTES, C. C.; COSTA, L. M., Química Ambiental, Universidade Federal de Minas Gerais, 2011, p utilizacao-da.html, acessado em HARRIS, C. M. GC to Go, Today s Chemist at Work, march 2003, 33.