COMO ESCOLHER O INSTRUMENTO ADEQUADO PARA MONITORAR CONTINUAMENTE A POLUIÇÃO DO AR?

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1 COMO ESCOLHER O INSTRUMENTO ADEQUADO PARA MONITORAR CONTINUAMENTE A POLUIÇÃO DO AR? Com alguma frequência somos consultados sobre quais equipamentos são necessários para monitorar continuamente a poluição do ar. Uma parte muito importante da resposta tem a ver com as faixas de medição necessárias ou desejadas. Recebemos, felizmente com menor frequência, consultas sobre instrumentos milagrosos. Como assim milagrosos? Um exemplo de um diálogo por telefone com um cliente dá uma ideia de como pode ser esta consulta: Cliente: - Alô. Boa tarde. Vocês vendem aparelho para medir poluição do ar? Energética: - Sim. Vendemos uma grande variedade para diferentes aplicações. Cliente: Que bom! Presto serviço de monitoramento e coleta de água e efluentes para várias empresas e estou querendo também entrar na área de poluição do ar. Para isso, preciso de um instrumento de baixo custo, que monitore todos os parâmetros do CONAMA 3, inclusive partículas. Cliente: Tem que ser portátil e robusto. Funcionar com bateria por pelo menos 24 horas seguidas. Com alta sensibilidade e fácil de calibrar. Cliente: Quanto custa? Cliente: Ah, seria ótimo se ainda servisse para medir em chaminé e que seja aprovado pela EPA (Agência Ambiental Norte Americana) e pelas normas brasileiras (CONAMA), pois meus clientes podem exigir isso. Quando respondemos ao cliente que lamentavelmente o que ele deseja não existe, o mesmo fica muito desapontado. Normalmente comentamos que quem conseguir fabricar e comercializar um instrumento como este ficará imediatamente bilionário e muito famoso. A partir daí, o cliente começa a perceber as dificuldades e complexidades do que está pedindo. Quando há necessidade ou interesse em monitorar continuamente a qualidade do ar, existem quatro perguntas básicas que devem ser respondidas: 1. Quais poluentes queremos medir e qual a duração do monitoramento? 2. Onde queremos medir? Quais locais? 3. Quais as faixas de concentração esperadas ou estimadas para o(s) local (ais)? 4. O monitoramento visa atender a exigências legais? Nas próximas páginas vamos tentar responder a pergunta nº 3 acima e apresentar alguns conceitos e dados que acreditamos ajudam a entender mais o problema, as diferentes alternativas existentes e as limitações de cada categoria ou grupo de instrumentos. Podemos dividir (reconhecemos que um pouco arbitrariamente) o universo dos instrumentos de monitoramento da poluição do ar em 6 (seis) categorias, classificados por sensibilidade decrescente (ou seja, com limite de detecção cada vez maior). Assim, temos:

2 GRUPO 1: Instrumentos de altíssima sensibilidade, para concentrações muito baixas, usados exclusivamente para pesquisas e fins científicos ou em áreas de ar ultra puro. GRUPO 2: Instrumentos de alta sensibilidade, chamados de trace level detecção de níveis traços para uso em locais remotos, em áreas limpas ou em pesquisas. GRUPO 3: Instrumentos para o monitoramento contínuo, comumente utilizados em redes metropolitanas ou para avaliação do impacto de grandes indústrias, cujo objetivo principal é a verificação do cumprimento das normas legais. São os mais comuns no campo da poluição do ar. GRUPO 4: Instrumentos de baixa sensibilidade e de baixo custo, para campanhas simples ou educativas. GRUPO 5: Instrumentos portáteis, normalmente utilizados por curtos períodos para fins de Saúde Ocupacional ou Segurança. Com níveis de detecção dez a cem vezes mais altos que os do Grupo 3. GRUPO 6: Instrumentos para monitoramento de emissões em dutos e chaminés onde as concentrações são muito maiores que no ar ambiente. Podem ser mil vezes maiores. Nas próximas páginas daremos mais importância aos 3 (três) primeiros grupos e apresentaremos com menor detalhe e análise os instrumentos dos três últimos grupos. Iniciamos pelos instrumentos mais sofisticados e sensíveis, para uso em áreas puras e estudos científicos. GRUPO 1 Existem atualmente instrumentos baseados em raios-laser, com limites de detecção de poucos ppbs (atenção, são partes por bilhão, não milhão) e o ruído correspondente está na faixa dos ppt (partes por trilhão). Um exemplo é o modelo IRIS 5500 para metano (CH 4) (foto abaixo). Um gráfico de medições de três dias pode ser observado abaixo.

3 Algumas especificações de interesse: Precisão < ± 0.5ppb (1 sigma, média de 10 segundos) Resolução: < 1ppb Não existem instrumentos para muitos poluentes nesta categoria. Foram projetados e são utilizados principalmente para estudos de mudanças climáticas e gases de efeito estufa. Os equipamentos existentes são para os seguintes poluentes: CO, CO 2, CH 4 (metano) e N 2 O. Nos próximos anos deverão ser lançados instrumentos similares para uma maior gama de poluentes, incluindo, por exemplo, Benzeno e talvez Tolueno e Xileno. O custo destes instrumentos é de aproximadamente cinco a oito vezes maior que os da Categoria 3 apresentada abaixo, ou seja, os utilizados nas principais redes urbanas e industriais. GRUPO 2 A segunda categoria, também de instrumentos sensíveis para uso em áreas limpas (como por exemplo na Antártica e algumas regiões remotas da Amazônia, Abrolhos, etc. ou seja, longe de fontes importantes de emissão de poluentes) são na verdade instrumentos da Categoria 3, mas customizados visando melhorar seu desempenho. Um é o modelo para CO, chamado de Trace Level, exemplo típico desta categoria. Algumas especificações importantes: Faixas: 0 1 ppm, 0-5 ppm 0-10 ppm Limite inferior de detecção 0,04 ppm Ruído do Zero 0,02 ppm Utilizam basicamente os sensores e componentes dos modelos normais porém com ajustes especiais e com maior sensibilidade na alma do instrumento. Estes instrumentos podem ser utilizados para monitoramento em redes metropolitanas ou para estudos de impacto de grandes fontes emissoras, mas, devido a seu maior custo (entre 1,5 e 2 vezes maior que o Grupo 3 e a necessidade de calibração mais precisa e frequente, não são recomendáveis para esta aplicação. Em outras palavras, podem, sim, ser utilizados para monitoramento normal, mas não vale a pena o custo extra já que existem instrumentos mais adequados. Por outro lado, são recomendados para estudos de background (concentrações de fundo) em locais remotos/virgens onde se prevê a instalação de uma planta ou complexo industrial. Os mais comuns são utilizados para monitorar SO 2, CO e NO X. Concentrações típicas encontradas nestes estudos de background são da ordem de 100 ppb para CO e próximas a 1 ppb para os outros poluentes legislados. Para partículas, encontramos com frequência valores menores que 10 µg/m 3 para PM-10 e menores que 5 µg/m 3 para PM-2,5

4 GRUPO 3 É constituído pelos instrumentos normais contínuos utilizados nas estações de monitoramento da poluição do ar, como, por exemplo, na grande e extensa rede telemétrica da CETESB na área metropolitana de São Paulo. Existem modelos para todos os poluentes gasosos legislados (CO, NOx, SO 2 e O 3 ) e para alguns não legislados (NH 3, H 2 S, HCl, TRS e Hidrocarbonetos Totais). São instrumentos com boa sensibilidade (para alguns poluentes, na faixa de ppb), mais robustos e que funcionam normalmente nas 24 horas com baixa manutenção. Um modelo típico para NOx é o da foto abaixo que tem como principais parâmetros: Faixas: 0 0,05 ppm, 0-0,1 ppm 0-1 ppm Limite inferior de detecção: 0,40 ppb Ruído do Zero: 0,20 ppb Lembrar que o padrão para NO 2 é muito mais baixo e rigoroso que para CO. Estes instrumentos do Grupo 3 são os que normalmente são examinados, testados e aprovados pela U.S. EPA, o que, na prática, significa aprovação automática e tácita pelos órgãos ambientais do Brasil. Devemos lembrar que: a.) Apesar da legislação brasileira com padrões de qualidade do ar existir há mais de 20 anos, a norma básica - CONAMA 03, de só explicita as metodologias que os instrumentos devem usar para serem aprovados. Nem o IBAMA nem o INMETRO possuem normas ou regulamentos mais detalhados ou restritivos nesta área. Por isso, de fato, o que se tem adotado, na prática são as aprovações da U.S. EPA, consideradas as mais rigorosas e completas do mundo. Em outras palavras, se um instrumento ou uma estação completa tem como objetivo principal o monitoramento para verificar os padrões de qualidade do ar, o fato de os instrumentos terem aprovação formal e oficial da U.S. EPA faz com que contem com aprovação segura e automática no Brasil. Como comentário adicional, informamos que a EPA aprova instrumentos para uso em monitoramento contínuo nas seguintes faixas: POLUENTE O 3 CO NO 2 SO 2 FAIXA ppb 0 50 ppm ppb ppb A calibração frequente dos analisadores pelo usuário deve, em princípio, atender a estas faixas. Após alguns meses de experiência, é necessário reavaliar, baseados nos dados medidos, se vale a pena ajustar para baixo (ou em casos graves para cima) os valores de concentração usados nas calibrações.

5 b.) Existem muitos instrumentos oferecidos no mercado (inclusive pela Energética) utilizados para monitoramento contínuo de outros poluentes que NÃO contam com a aprovação da EPA. Isso devido principalmente a não existirem padrões de qualidade do ar para estes outros poluentes que incluem principalmente: Hidrocarbonetos Totais Amônia NH 4 Cloro gasoso ou ácido clorídrico - HCl Ácido Sulfídrico H 2 S Fluoreto gasoso Fl 2 Para VOCs (Compostos Orgânicos Voláteis) existe, por exemplo, o modelo mostrado ao lado para monitoramento contínuo. Possui bomba de vácuo interna e saídas analógicas e de alarmes. Nesses casos de instrumentos sem aprovação, tem que haver negociação com o órgão ambiental a fim de se obter sua aprovação, poluente por poluente, instrumento por instrumento. Segundo nosso conhecimento, para Hidrocarbonetos Totais (ou com separação Metano/Não Metano) a CETESB e o INEA só aceitam a cromatografia tipo FID (mais complexa, melhor e mais cara). Entretanto a FEPAM, órgão ambiental do Rio Grande do Sul, aceita atualmente a tecnologia PID como o da foto acima com custo bem menor e mais simples. Cabe mencionar que na área de poluentes não regulamentados pelo CONAMA ou pelas legislações estaduais correspondentes, existe uma verdadeira lacuna. Com frequência os órgãos estaduais (e até o IBAMA) exigem, por exemplo, medição de Hidrocarbonetos Totais (HCT), mas, depois de coletados, os dados na maioria dos casos não são comparados com nenhuma legislação. Uma consulta recente informal ao INEA confirmou que este órgão recebe os dados de HCT e verifica somente se o instrumento estava operando corretamente e com calibrações frequentes. Os dados são arquivados num banco de dados, mas em muitos casos não são feitas comparações com padrões de outros países ou de organismos internacionais. GRUPO 4 Existem disponíveis no mercado alguns instrumentos mais simples e de custo bem menor que permitem um monitoramento para campanhas simples ou educativas de alguns gases. Exemplos são monitores fixos contínuos, baseados em células eletroquímicas para SO 2, CO, NO 2, como os das fotos abaixo.

6 Os melhores destes instrumentos possuem bomba de vácuo interna com regulagem e controle da vazão bem como datalogger opcional. Permitem sua calibração com gases padrões e possuem saídas analógicas ou até digitais para conectar às redes. Os limites de detecção e faixas de operação dos modelos do Grupo 4 são bem mais altos que os do Grupo 3. Entretanto, têm seu uso preponderante dentro dos limites físicos de uma planta industrial ou numa plataforma Offshore. Um exemplo de modelo mostrado na foto acima, para SO 2, tem faixa de 0 30 ppm, com resolução de 0,1 ppm, considerados valores não muito aceitáveis para qualidade do ar. Duas considerações importantes: 1. Não atendem à legislação federal do Brasil ou dos Estados de São Paulo, Rio de Janeiro e Espírito Santo. 2. As células eletroquímicas (mostradas do lado direito da foto acima) têm vida útil curta e não atingem os níveis de qualidade, linearidade, precisão e detecção desejados. 3. Para partículas, existem instrumentos similares como o ADR-1500, mostrado abaixo, que permite o monitoramento contínuo mas que não têm aprovação dos órgãos ambientais. É muito utilizado para monitoramentos de emissões fugitivas de poeiras em mineradoras, construção de estradas e onde há movimentação de terras e terraplanagem. GRUPO 5 Estes instrumentos NÃO são indicados para o monitoramento da qualidade do ar ambiente. Sãp incluídos aqui para mostrar o panorama completo, mas, repetimos, não devem ser usados com este objetivo. São instrumentos portáteis, projetados e fabricados para serem usados em Saúde Ocupacional e Segurança dos operários. Em outras palavras, outras funções e objetivos. São portáteis, pois o que se deseja é monitorar o ar que cada operário respira. Por que isto?

7 Nos locais de trabalho, o operário está, às vezes, bem próximo da fonte emissora (imagine o leitor um soldador soldando, um operário esmerilhando uma grande peça de aço ou um operário enchendo um tanque com solventes). As concentrações no ar próximo ao operário podem facilmente variar em duas ordens de magnitude, digamos num raio de 2 metros. Em outras palavras, o operário que está operando o maçarico vai respirar um ar 100 vezes mais poluído que um ajudante que esteja afastado apenas alguns metros da chama. Isso significa que esta medição não tem nada de similar com um instrumento do Grupo 3, dentro de uma estação fixa contínua que pretende monitorar os níveis de poluição de um bairro, por exemplo.

8 Dois exemplos típicos de instrumentos deste tipo são mostrados nas fotos abaixo: Praticamente todos esses instrumentos são a bateria. Alguns não possuem bombas de vácuo e a maioria usa células eletroquímicas simples, não muito sensíveis e com vida útil curta. Têm sua grande utilidade para evitar acidentes e exposição a níveis perigosos de contaminantes, porém não devem ser confundidos com instrumentos fixos, contínuos e para o monitoramento da qualidade do ar. Com frequência encontramos monitores portáteis multigás (permitem monitorar 2, 3 ou 4 gases simultaneamente). NOTA: A ENERGÉTICA não oferece ou comercializa este grupo de instrumentos. GRUPO 6 São instrumentos fixos utilizados para monitorar as concentrações das emissões de processos industriais (tipicamente caldeiras, turbinas ou reatores) ou para verificar se sistemas de filtragem e retenção de poluentes estão funcionando corretamente. As concentrações medidas são geralmente de 10 a 1000 vezes maiores que as da qualidade do ar. Estes instrumentos fixos são na verdade sistemas mais complexos que podem consistir em: uma sonda na chaminé para captação da amostra pré-filtro na sonda cordão umbilical com várias mangueiras e tubulações desde a sonda até a base da chaminé sistema de condicionamento da amostra antes dos analisadores tipicamente retirando partículas e resfriando a amostra e possivelmente retirando ou evitando a condensação do vapor d água da amostra analisadores e sistemas de calibração e transmissão de dados Geralmente as metodologias e os próprios instrumentos mais sofisticados deste grupo são similares ou quase idênticos aos do Grupo 3, porém com: uma faixa de medição bem mais alta sensibilidade menor e erro maior, sobretudo para concentrações baixas maior robustez Existem, ao contrário dos Grupos 1, 2 e 3, instrumentos multigás, ou seja, instrumentos que permitem medir 2, 3, 4 ou 5 poluentes simultaneamente. O da foto abaixo, na sua configuração mais completa, permite monitorar ao mesmo tempo CO, CO 2, SO 2, O 2 e NO x.

9 Utiliza o princípio de absorção da radiação Infravermelha em uma roda com filtros ópticos como a da foto ao lado. O display permite ver instantaneamente todos os gases medidos (ver foto abaixo). Outras considerações Nas apresentações acima não incluímos, a fim de não alongar mais estas páginas, os seguintes sistemas: Amostradores de gases, como, por exemplo, o TRIGAS e o AMOTOX, que a Energética fabrica no Brasil há muitos anos, pois não são contínuos. Sistemas passivos como tubos e placas, que são um tipo bem mais simples e permitem um monitoramento mais qualitativo que quantitativo. Com baixo custo. Sistemas ultra sofisticados normalmente não oferecidos comercialmente como LIDARS, DOAS, etc. Um erro que não deve ser cometido é tentar aumentar o máximo possível a faixa de medição do instrumento a ser utilizado. A tentação de usar um instrumento com ampla faixa é grande, pois tem abrangência maior. O perigo porém é que, para situações de baixa concentração, o instrumento não terá sensibilidade suficiente. Por exemplo, digamos que queremos medir CO num local urbano, mais afastado e com pouco trânsito. Se o instrumento tiver uma faixa de 0 a 1000 ppm e as medições estiverem próximas de 1 ppm, o erro do instrumento vai ser MAIOR do que o valor medido. Ou seja, o valor medido não vai ter muito sentido ou ser confiável.

10 Existem instrumentos com AUTORANGING, que permitem que o próprio instrumento mude de faixa. Ou seja, variam automaticamente a sua sensibilidade em função da concentração medida. Isto vale para os Grupos 3 e 6 dos instrumentos que a Energética oferece. E tem muita importância, sobretudo no monitoramento das emissões de dutos e chaminés industriais. Por que a importância de AUTORANGING? Numa indústria típica, o processo gerador do poluente, é durante a maior parte do tempo de operação normal, está geralmente dentro de uma faixa que pode ser considerada razoável. Digamos, por exemplo, que a concentração normal de NO 2 de um forno, ou seja, em condições rotineiras do funcionamento, seja de 10 a 20 ppm (lembrar que é na chaminé). Portanto, nosso monitor, caso esteja na faixa de medição de digamos 0 a 25 ppm ou 0 a 30 ppm, estará tranquilo e seguro. Mas CUIDADO ATENÇÃO: Às vezes o processo se descontrola, seja qual for o motivo, e a concentração descontrolada pode aumentar muito e ficar em 100, 200 ou até 300 ppm por algumas ou muitas horas. Com nosso instrumento numa faixa máxima de 30 ppm, ele vai marcar 30 ppm durante todo este período e não teremos condição de saber se a concentração real foi de 31 ou de 1000 ppm!! Conhecer as concentrações máximas e sua duração é de grande importância e pode até exigir a evacuação de uma área. Neste caso, o AUTORANGING é de grande ajuda e valor. Alguns instrumentos podem aumentar a sua própria faixa de medição em 10, 20 e até 50 vezes devido a serem microprocessados e com controles e ajustes internos automáticos. Em resumo, cada caso e cada aplicação são únicos e vale a pena pesquisar e estudar um pouco as vantagens e desvantagens de cada tipo e de cada instrumento antes de escolher o desejado. Para finalizar, acreditamos ter dado, nos parágrafos acima, uma pincelada bastante abrangente no tema da escolha adequada do instrumento para monitoramento da qualidade do ar. Caro leitor, lamentamos terminar informando que não existem instrumentos universais segundo comentado no início deste trabalho. ARQCAF/BIBLIOTECA/FAIXAS