- AMOSTRADOR PESSOAL DE 4 LPM -

Transcrição

1 LABORATÓRI O DE POLUI ÇÃO ATMOSFÉRI CA EXPERI MENTAL Propósito METODOLOGIA PARA CÁLCULO DE CONCENTRAÇÕES AMBIENTAIS POR PROCESSO DE AMOSTRAGEM ATMOSFÉRICA DE CAMPO Elaborado por Paulo Afonso de André - AMOSTRADOR PESSOAL DE 4 LPM - Este material foi elaborado para auxiliar aos pesquisadores do LPAE que não atuam diretamente com a área instrumental/analítica da poluição atmosférica, mas carecem de material básico de referência para a compreensão e documentação científica de suas pesquisas na área com amostrador pessoal de 4 lpm. Introdução A fração de material particulado de importância para a saúde é chamada de partícula fina, cujo diâmetro aerodinâmico equivalente é igual ou menor a 2,5 µm. A utilização de amostragem do material particulado em suspensão na atmosfera tem como vantagem a possibilidade de realizar análise laboratorial do material coletado para sua caracterização química (principais constituintes elementares e concentração de nitratos e sulfatos) além da estimativa da concentração média do material particulado (PM2,5) e do carbono (Black Carbon - BC) da amostra no período amostrado. No caso de experimentos onde a unidade de interesse seja uma pessoa ao invés de um local, isto é, onde pretende-se estimar com maior precisão a exposição de um indivíduo e não da população que habita em um determinado entorno, além do objetivo acima descrito se impõe a restrição de que o amostrador seja leve e tenha autonomia para funcionar mesmo quando longe de uma fonte estável de energia. Para isso foi desenvolvido o amostrador de material particulado de uso pessoal, alimentado por bateria com autonomia para mais de 24 h de operação contínua. Amostragem de campo A sonda para coleta do material particulado foi desenvolvido pela Escola de Saúde Pública da Harvard, e utiliza um impactador para MP2,5 dimensionado para trabalhar a uma vazão de 4 lpm. O ar é capturado na porção superior do impactador e conectado por uma mangueira flexível até o ombro do voluntário que se pretende seguir. O impactador equivale a uma barreira ao fluxo de ar capturado que, após acelerado, é direcionado a um disco onde um rebaixo acomoda graxa de

2 silicone, chamado disco impactador. Devido à maior inércia, as partículas com diâmetro aerodinâmico equivalente maior que o ponto de corte, não conseguem desviar do disco e se chocam contra sua superfície, aderindo à graxa de silicone já depositada. O material particulado remanescente em suspensão no fluxo de ar, após desviar do disco impactador, é coletado em um filtro com diâmetro de 37 mm, instalado na parte inferior do impactador. A manutenção da vazão constante de ar é feito por um controlador de fluxo isotérmico montado na bomba de vácuo que monitora e regula a alimentação de força do motor elétrico continuamente, mantendo a vazão de ar previamente regulada, ajustada com o uso de um medidor de ar de passagem, chamado rotâmetro, montado na entrada de ar. A bomba de vácuo já dispõe de um contador de tempo, conhecido como horímetro, que é zerado logo após a regulagem de vazão de ar e imediatamente antes de se iniciar a amostragem. O amostrador na condição de operação de campo está apresentado na Figura 1, na Figura 2 são apresentados os componentes da sonda para cutpoint de 2,5 µm e na Figura 3 o sistema de calibração da vazão. FIGURA 1: Componentes principais do amostrador de material particulado fino com vazão de 4 lpm, com impactador desenvolvido pela Escola de Saúde Pública da Harvard. Tomada para mangueira flexível Sonda para amostragem de PM2,5 Bomba de vácuo, comandos e visor Bomba de vácuo, bateria recarregável Metodologia gravimetria PERSONAL 4lpm v2 2014_06.doc 2 versão 2: 03.jun.2014

3 FIGURA 2: Componentes principais da sonda para coleta de material particulado inalável fino, com impactador para cutpoint de 2,5 4 lpm desenvolvido pela Harvard Inlet da sonda Disco impactador com poço Anel suporte impactador Tela de suporte do filtro Parafusos de fixação Anel O ring de vedação Base da sonda Adaptador sonda/bomba vácuo FIGURA 3: Sonda de amostragem e calibrador comporto por medidor de vazão (rotâmetro) e mangueira Ao término da amostragem são registrados o tempo da amostragem do horímetro (T), e a vazão de ar na bomba com o mesmo rotâmetro de ajuste inicial (QF), haja vista a possibilidade de variação. Metodologia gravimetria PERSONAL 4lpm v2 2014_06.doc 3 versão 2: 03.jun.2014

4 O cálculo do volume amostrado, em metros cúbicos, é dado pela fórmula: Onde: V = ( 4 + QF )* T ) / 2000 (1) QF é a vazão de ar na bomba ao término da amostragem T é o tempo de amostragem registrado no horímetro da bomba Análise laboratorial do filtro - pesagem A gravimetria consiste na pesagem dos filtros antes e depois da coleta de material particulado, para se obter a massa do material depositado. A partir da massa depositada obtida e, conhecendo-se o volume total de ar amostrado no coletor de material particulado, é possível calcular a concentração média do material particulado inalável fino (MP2,5) no local para o período amostrado. Esta etapa requer o controle de umidade e temperatura. Assim, os filtros permanecem por um período mínimo de 24 horas em um ambiente com controle de temperatura e umidade relativa do ar (T~22oC e UR~45%), evitando interferência desses fatores nos resultados. A Figura 4 mostra os filtros em fase de condicionamento na sala onde são pesados. Após o período de condicionamento prévio, cada filtro é submetido a três pesagens consecutivas, com intervalo de tempo de, pelo menos, 4 h. Em cada pesagem o filtro passa por um eliminador de cargas eletrostáticas, com o intuito de se diminuir a eletricidade estática presente nos filtro, como mostrado na Figura 5. Figura 4- Condicionamento dos filtros antes da pesagem Metodologia gravimetria PERSONAL 4lpm v2 2014_06.doc 4 versão 2: 03.jun.2014

5 Figura 5- Mesa de pesagem com a balança e o eliminador de carga estática Eliminador de carga estática HAUG Todos os componentes estão acomodados em mesa de pesagem com amortecedor de vibrações, necessário para balanças com sensibilidade abaixo de 10 µg. O peso do filtro é definido como a média aritimética das 3 pesagens válidas. A balança é da Mettler Toledo modelo UMX2 operando com precisão de 1 µg. Descrição resumida do método Gravimétrico - Inglês The daily average of PM2,5 concentration for each individual was obtained by a portable sampler, a lightweight battery operated device, installed in a shoulder bag carried by the volunteer during all day long or kept nearly during sleeping period or bath, in order to represent his real environmental exposition. The sampler itself, designed by the Harvard School of Public Health, operates at a flow rate of 4 lpm through an impaction plate to obtain a cutoff of PM2,5. A silicone catheter connects the air inlet positioned at the volunteer shoulder to the sampler inflow. A SKF vacuum pump, model WR-5000 Aircheck, that incorporates a flow control and a chronometer, that will estimate the total volume of sampled air, provides the necessary continuous air flow during 24-hour sampling period. A polycarbonate membrane, a Whatman filter with a diameter of 37 mm and 0,8 pore size (part number ), installed inside the sampler but after the impaction plate, retains the particulate matter of the sampled PM2,5. This membrane was weighted before and after the sampling process in an accurate 1 Metodologia gravimetria PERSONAL 4lpm v2 2014_06.doc 5 versão 2: 03.jun.2014

6 microgram Mettler Toledo scale, model UMX2, following a laboratorial protocol developed to control temperature and humidity, allowing to estimate the total mass of particulate matter collected during the sampling period. The estimated average concentration of PM2,5 was obtained by gravimetric method (total mass divided by total air volume sampled) as described by Miranda et al, 2012 (Miranda RM, Andrade MF, Fornaro A, Astolfo R, André PA, Saldiva PHN. Urban air pollution: a representative survey of PM2.5 mass concentrations in six Brazilian cities. Air Qual Atmos Health (2012) 5:63 77; DOI /s ). Análise laboratorial do filtro Black Carbon A análise de refletância foi utilizada para se determinar a concentração de Black Carbon (BC ou carbono orgânico) presente nos filtros amostrados, predominando na fração fina do aerossol. A técnica baseia-se na propriedade do composto possuir alta seção de choque de absorção de luz na região do visível, Figura 6. O filtro é iluminado por uma lâmpada de tungstênio e a luz refletida é detectada por um sensor. Quanto menor a intensidade dessa luz, maior é a quantidade de black carbon presente na amostra, pois este estaria absorvendo uma parcela da luz incidente. A curva de calibração da luz refletida pela quantidade de black carbon é dada pela equação abaixo, que indica como, a partir da refletância medida, pode-se determinar a concentração de BC presente na amostra, em μg.m -3 : BC = ((81,95 71,83*log(R))+15,43*(log(R)) 2 ) * A / V (2) Onde: R é a redução da refletância, em % A é a área do filtro, em cm 2 V é o volume de ar amostrado como cálculdo na equação 1, em m 3 A curva foi obtida empiricamente através da análise de filtros de policarbonato com concentrações conhecidas de BC. Os alvos para a calibração do aparelho foram preparados por nebulização ultra-sônica (Clarke et al., 1987) com o padrão Monarch 71 comercialmente disponível. Este padrão foi introduzido por Heintzenberg (1982) como referência para medidas de absorção de luz. Figura 6- Refletômetro e suporte para a leitura de filtro após exposição Metodologia gravimetria PERSONAL 4lpm v2 2014_06.doc 6 versão 2: 03.jun.2014

7 O refletômetro utilizado é Smoke Stain Refletometer M43D da Diffusion System. Cálculo da Concentração de poluentes A partir dos resultados da amostragem de campo e do processo de pesagem é possível estimar a concentração média do material particulado fino no período da amostragem pela aplicação da seguinte equação: Onde: MP2,5médio [μg.m -3 ] = (Psujo Plimpo) / (V) Psujo é a média das três pesagens do filtro antes da exposição Plimpo é a média das três pesagens do filtro depois da exposição V é o volume de ar amostrado, em m 3 As seguintes condições de amostragem de campo e de processo laboratorial devem ser verificados previamente à aplicação dessa equação, como etapa de validação: Psujo > Plimpo Os valores das 3 pesagens não podem variar entre si acima do valor de precisão estabelecido para o processo, caso contrário devem ser repetidas A vazão (QF) medida ao término da amostragem deve estar no intervalor de 3,6 a 4,4 lpm, isto é, não pode variar mais de 10% da vazão inicial da bomba Análise laboratorial elementar por fluorescência de raio-x (FRX) Metodologia gravimetria PERSONAL 4lpm v2 2014_06.doc 7 versão 2: 03.jun.2014

8 A técnica analítica instrumental de FRX - Fluorescência de raios X tem sido utilizada na avaliação quali-quantitativa da composição química em vários tipos de amostras, de interesse agropecuário, agroindustrial, geológico e ambiental. Esta técnica é de grande importância na análise multi-elementar em amostras oriundas de sistemas biológicos, pois pode determinar tanto macro elementos como Cálcio-Ca e Potássio-K, como elementos traços, como Cobre-Cu e Chumbo- Pb, ou também de elementos não metais como Enxofre-S (Richardson,1995). Outra característica de relevante importância é que esta é uma técnica nãodestrutiva, assim, a amostra depois de analisada pode ser arquivada para futuras análises, tornando este método ideal para análises periódicas de estudos de monitoramento de atividades industriais (Richardson et al.1992). Entre as vantagens da utilização da técnica de FRX para análise química de elementos pode-se citar: a sua adaptabilidade para automação, limite de detectabilidade dentro do exigido por muitas amostras biológicas, preparação rápida e simplificada da amostra e análise multi-elementar, muito importante devido a interdependência entre micronutrientes nos sistemas biológicos. Assim é uma técnica utilizada onde há necessidade de se correlacionar os elementos essenciais e tóxicos de uma amostra. Até 1966 a técnica de FRX era realizada unicamente por espectrômetros por dispersão por comprimento de onda (WD-XRF, wavelength dispersive X-ray fluorescence) entre o cristal difrator e o detector. Com o desenvolvimento do detector semicondutor Si(Li), capaz de discriminar raios X de energias próximas, foi possível o surgimento da fluorescência de raios X por dispersão de energia (ED-XRF, energy dispersive X-ray fluorescence), também conhecida como fluorescência de raios X não dispersiva, com instrumentação menos dispendiosa e emprego mais prático (Bertin, 1975). Em princípio, quando um elemento de uma amostra é excitado com raios X emitidos por tubos de raios X, ou raios X ou gama emitido por uma fonte radioativa, esse elemento tende a ejetar os elétrons do interior dos níveis dos átomos, e como conseqüência disto, elétrons dos níveis mais afastados realizam um salto quântico para preencher a vacância. Cada transição eletrônica constitui uma perda de energia para o elétron, e esta energia é emitida na forma de um fóton de raios X, de energia característica e bem definida para cada elemento. Assim, na análise de FRX tem-se três fases: excitação dos elementos que constituem a amostra, dispersão dos raios X característicos emitidos pela amostra, Metodologia gravimetria PERSONAL 4lpm v2 2014_06.doc 8 versão 2: 03.jun.2014

9 detecção desses raios. Desse modo ao se considerar as intensidades (número de raios X detectados por unidade de tempo) dos raios X característicos emitidos pela amostra (IAEA, 1970), obtemos linhas espectrais com energias características de cada elemento, onde a intensidade está relacionada à concentração do elemento na amostra. A concentração de cada elemento é, normalmente, expressa em termos de massa desse elemento dividido pela massa total da amostra, sendo habitualmente expressa em % ou em mg/g. Uma vez que esta análise pode modificar o material particulado depositado no filtro, apenas uma porção do filtro é submetida a análise por esta técnica. Cada filtro a ser analisado é colocado no suporte mostrado na Figura 7, para recorte de um segmento que será fixado em um anel plástico próprio para colocação na mesa do equipamento, como indicado na Figura 8. Figura 7- Suporte para fixação e corte de segmento de filtro exposto, com detalhe da montagem do segmento no anel plástico Metodologia gravimetria PERSONAL 4lpm v2 2014_06.doc 9 versão 2: 03.jun.2014

10 Figura 8- Colocação do anel plastico com segmento de filtro no prato do analisador Cada amostra é analisada por 20 minutos, sendo que o espectro obtido, representado na Figura 9, será posteriormente analisado em software específico com os dados de calibração do aparelho, quando são obtidas as concentrações de cada elemento, expressas em mg.m-3. Figura 9- Tela do equipamento apresentando os elementos identificados na análise de um filtro. O equipamento de fluorescência de raio-x utilizado é da Shimadzu modelo EDX-700HS. Metodologia gravimetria PERSONAL 4lpm v2 2014_06.doc 10 versão 2: 03.jun.2014

11 Análise de sulfatos e nitratos por cromatografia iônica A cromatografia compreende um grupo diversificado e importante de métodos que permitem separar componentes muito semelhantes de misturas complexas. Nas separações cromatográficas, a amostra é transportada por uma fase móvel, que pode ser um gás, um líquido ou um fluído supercrítico. Esta fase móvel é forçada através de uma fase estacionária imiscível fixa, colocada na coluna ou em uma superfície sólida. As duas fases são escolhidas de modo que os componentes da amostra se distribuam entre as fases móvel e estacionária em vários graus. Os componentes que são mais fortemente retidos na fase estacionária movem-se muito lentamente no fluxo da fase móvel. Ao contrário, os componentes que se ligam mais fracamente à fase estacionária, movem-se mais rapidamente. Como conseqüência dessas diferenças de mobilidade, os componentes da amostra se separam em bandas ou zonas discretas que podem ser analisadas qualitativa e/ou quantitativamente. Os métodos cromatográficos são classificados de acordo com os tipos de fases móvel e estacionária (cromat.líquida, gasosa, fluído supercrítico) e nos tipos de equilíbrio envolvidos na transferência de solutos entre as fases. A cromatografia iônica ou de troca iônica é uma técnica cromatográfica líquida que se baseia em mecanismos de troca e supressão de íons com detecção condutométrica para separação e determinação de cátions e ânions. A cromatografia iônica em geral utiliza duas colunas: separadora e supressora, sendo a última instalada entre a coluna separadora e o detector condutométrico. A coluna supressora tem como função diminuir quimicamente a condutividade dos íons do eluente (supressão do sinal de fundo) que saem da coluna separadora e, ao mesmo tempo, converter as espécies de interesse numa forma mais condutora, como ácidos ou bases, que são então monitorados pela célula condutométrica. A cromatografia iônica é um método versátil, seletivo e sensível e que tem sido aplicado em vários campos envolvendo analises iônicas para amostras clínicas, industriais, farmacêuticas, alimentares e do meio ambiente. As análises dos cátions (Na +, K +, Ca 2+, Mg 2+ e NH4 + ) e dos ânions (SO4 2-, NO3 -, Cl -, F - e ácidos orgânicos) na fase aquosa do material particulado será utilizado Cromatógrafo Metrohm modelo 761 com detecção condutométrica (Figura 10). Condições analíticas: coluna aniônica Metrosep A-Supp5 (250mmx4mm), solução eluente de Na2CO3 4,0 mmol L -1 / NaHCO3 1,0 mmol L -1 ; vazão de 0,7 ml min -1 ; coluna supressora Metrohm e regenerante solução de H2SO4 50 mmol L -1 - água desionizada sob vazão de 0,8 ml min -1. Para determinação dos cátions as condições analíticas: coluna catiônica Metrosep modelo C2 150 (150 x 4 mm) da Metrohm, eluente solução de ácido tartárico 4 mmol L -1 / ácido dipicolínico 0,75 mmmol L -1 em 5% de acetona, fluxo 1,0 ml min -1 e sistema de supressão eletrônico Metrohm. Metodologia gravimetria PERSONAL 4lpm v2 2014_06.doc 11 versão 2: 03.jun.2014

12 Figura 10- Sistema de cromatografia de íons. Referências bibliográficas Bertin, E.P.. Principles and Practice of X-Ray Spectrometric Analysis. Plenum Press, London, 1079 p Clarke, A.D., Noone, K.J., Heintzenberg, J., Warren, S.G., Covert, D.S. Aerosol lightabsorption measurement techniques analysis and intercomparisons. Atmoshperic Environment 21(6): Heintzenberg, J. Size segregated measurements of particulate elemental carbon and aerosol light-absorption at remote artic locations. Atmoshperic Environment 16(10): Miranda RM, Andrade MF, Fornaro A, Astolfo R, André PA, Saldiva PHN. Urban air pollution: a representative survey of PM2.5 mass concentrations in six Brazilian cities. Air Qual Atmos Health (2012) 5:63 77; DOI /s Richardson, D.H.S. Pollution Monitoring with Lichens. Richmond Publishing, Slough Richardson M., Shore, M., Hartree, R., Richardson, R.M.. The use of X-ray fluorescence spectrometry for the analysis of plants, especially lichens, employed in biological monitoring. The Science of the Total Environment; 176; pag Agradecimentos Este material foi elaborado com base nos textos de relatórios de diversos projetos desenvolvidos com a participação do IAG/USP, parceiro científico na aplicação das análises laboratoriais de amostragens ambientais de material particulado em filtros. Metodologia gravimetria PERSONAL 4lpm v2 2014_06.doc 12 versão 2: 03.jun.2014