EFEITO DO BIODIESEL NA QUALIDADE DO AR NAS GRANDES CIDADES

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1 EFEITO DO BIODIESEL NA QUALIDADE DO AR NAS GRANDES CIDADES Sérgio Machado Corrêa 1 RESUMO O uso do biodiesel como combustível no transporte de massa e carga poderá causar alterações na qualidade do ar dos grandes centros urbanos. O presente trabalho faz uma análise de cenários pelo uso do biodiesel a 2, 5, 10, 20 e 100%, pela frota da Região Metropolitana do Rio de Janeiro. Alguns dados preliminares de emissões de poluentes não legislados, como aldeídos, cetonas e hidrocarbonetos policíclicos aromáticos foram levantados em nosso laboratório. As emissões de poluentes legislados foram empregadas a partir de dados da literatura. Estudos de simulação de atmosfera urbana indicaram que é possível obter a redução nos níveis de óxidos de nitrogênio, monóxido de carbono e ozônio. Entretanto os níveis de alguns compostos orgânicos voláteis, como o formaldeído podem ter seus níveis elevados. Palavras-Chave: poluição do ar, emissões, biodiesel, modelagem, simulação. 1 INTRODUÇÃO A poluição atmosférica é um campo de estudo que envolve diversos fatores. Para se analisar a qualidade do ar de uma grande cidade é preciso estudos sobre a química da atmosfera, meteorologia, geografia, trânsito, saúde populacional, desenvolvimento econômico entre outros. No caso das cidades brasileiras, pode-se considerar a poluição urbana como predominantemente de origem veicular. Apesar de uma série de melhorias implementadas, como sistemas de injeção eletrônicos, catalisadores pós-queima e alterações no combustível, que contribuem para a redução nos níveis de emissões de poluentes para a atmosfera, o aumento da frota e conseqüentes engarrafamentos caminha em sentido contrário. A contribuição da poluição dos veículos automotores é estimada em 77% para o Rio de Janeiro (FEEMA, 2004) e 95% para São Paulo (CETESB, 2004). Os principais poluentes emitidos para a atmosfera são provenientes do processo de combustão incompleta dos 1 Professor Adjunto, Depto de Química e Ambiental, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, sergio@fat.uerj.br 929

2 motores. Uma parcela menor é emitida por evaporação, pela operação de abastecimento dos veículos e desgaste de pneus. Muito se fala na literatura e na imprensa em geral que o biodiesel emite menos poluentes. Entretanto a maioria dos autores não menciona a fonte destes resultados, ou qual metodologia foi usada, seus dados sobre as análises químicas etc. Diante disto foi realizada uma pesquisa bibliográfica sobre as emissões do biodiesel, o que mostrou uma grande variedade nos resultados. Isto se deve às condições de trabalho empregadas, como o tipo do motor testado, seu estado de conservação, a oleaginosa de origem, entre outros fatores, como pode ser observado na Tabela 1. Tabela 1. Variação % nas emissões e características operacionais dos motores. Propriedade Altin (2001) Carraretto (2004) Kalligeros (2003) Raheman (2004) Baldassarri (2004) Monyem (2001) Al-Widyan (2002) EMISSÕES % biodiesel 100 variada a a 100 Torque - 3 a a -23 Potência - 3 a a 55 Consumo a a a 7,4 + 3 CO a a 94-9, CO 2-5 a 10 HC - 13,5-49 a a 67 NOx + 20 a a a 14-2 a 80 MP a a a 34 2 MATERIAL E MÉTODOS Com relação aos poluentes não legislados, a única referência a mencionar alguns resultados foi Baldassari (2004), que reporta um aumento de 13% nas emissões de hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (HPAs) e 19% de carbonilas (aldeídos + cetonas). Entretanto este autor não menciona qual biodiesel empregado, as características físicas do motor e o modo de operação. Diante disso optou-se por realizar um teste com um ônibus urbano típico que opera na cidade do Rio de Janeiro. O teste foi realizado em um motor de 4 cilindros, marca Cummins de 5 anos de uso, sendo que na indisponibilidade de um dinamômetro se realizou a amostragem em modo estacionário com o motor operando a 1500 rpm, com 2 e 5% de biodiesel. 930

3 O ar proveniente da exaustão foi diluído 100 vezes com ar sintético (White Martins 4.5 FID) e amostrado com bombas operadas a bateria (SKC modelo PCXR8). A amostragem de carbonilas foi realizada empregando-se cartuchos de sílica revestidos de C18, impregnados com solução ácida de 2,4-dinitrofenilhidrazina (DNPH). Após a extração com acetonitrila, as análises químicas foram realizadas por cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE), empregando-se uma coluna de C18, detecção por ultravioleta a 365 nm (Waters Series 200) e fase móvel água 1:1 acetonitrila. Os HPAs foram amostrados por dois meios. O primeiro foi um filtro de teflon de 2 µm de porosidade, para a retenção dos HPAs associados ao material particulado. Em série foi empregado um cartucho contendo resina XAD-2 para a adsorção dos HPAs na fase vapor. A extração de ambos os meios foi feita com diclorometano e acetona em ultrassom. As análises químicas foram realizadas por cromatografia de fase gasosa com detecção do espectrometria de massas. Uma vez obtidos os dados da literatura sobre os poluentes legislados e carbonilas e HPAs neste trabalho, iniciou-se então os estudos de simulação. Tomou-se como o caso base dezembro de 2002, onde foi realizado um ajuste do simulador para as condições da cidade do Rio de Janeiro, em especial na Avenida Presidente Vargas, no centro da cidade. A localidade de estudo foi escolhida, pois é possível usar os dados de concentração do ar já medidos anteriormente (CORRÊA, 2003), além de se dispor dos dados da estação de monitoramento automática da FEEMA, que mede os poluentes legislados e os parâmetros meteorológicos. Foi empregado o modelo de trajetórias OZIPR desenvolvido por Gery e Crouse (1990) em conjunto com o mecanismo químico SAPRC, desenvolvido por CARTER (1990) e atualizado por nosso grupo (CORREA, 2004). Maiores detalhes podem ser obtidos nas publicações de CORRÊA e colaboradores (2003 e 2005). 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO Usando dados médios de emissões apresentados na Tabela 1, foi constatado que é possível obter uma redução média de 13,5% nas emissões de monóxido de carbono, 35% de COVs e um incremento de 9% nas emissões de NOx. Os estudos envolvendo as emissões de carbonilas indicaram que ocorre um aumento médio de 3,3% nas emissões de carbonilas para o motor testado com 2% de biodiesel e 7,6% com 5% de biodiesel. Para os HPAs os valores foram um aumento de 5,1% e 6,8% para o motor operando a 2 e 5% de biodiesel, respectivamente. 931

4 O estudo de simulação abrangeu cinco cenários, mantendo-se inalterados os demais fatores como a composição da frota e parâmetros meteorológicos. Os cenários foram a adição de níveis crescentes de 2, 5, 10, 20 e 100% de biodiesel na frota da cidade do Rio de Janeiro. A redução nas emissões foi feitas de acordo com os valores médios citados acima em proporção com as emissões dos veículos a diesel. Os resultados obtidos estão consolidados na Tabela 2. % Tabela 2. Variação nas concentrações dos principais poluentes. Variação % nas concentrações Biodiesel CO NOx HC O 3 2-0,07-1,25-0,44-0,65 5-0,15-1,32-0,58-1, ,31-3,63-1,08-2, ,56-5,21 +0,16-2, ,32-22,5 +6,69-8,44 O monóxido de carbono é um poluente primário que possui uma baixa reatividade na atmosfera. A redução nas emissões deste poluente pelo uso do biodiesel conduz a uma conseqüente redução deste na atmosfera, conforme observado na Tabela 2. A redução dos níveis de NOx obedece proporcionalmente a redução nas emissões. Entretanto a redução nas emissões de HC conduz a um aumento nos níveis desta classe de poluente, para adições de 20 e 100% de biodiesel. Outro fator interessante é a redução nos níveis de ozônio, um importante poluente fotoquímico. Este comportamento pode ser entendido por uma série de reações complexas, provenientes dos HC e dos Nox, na presença da luz. A alteração das fontes primárias de poluentes como NOx e HC podem levar a resultados difíceis de serem previstos por simples modelos matemáticos. A química da atmosfera é muito complexa e alguns HC levam a uma maior ou menor formação de ozônio. 4 CONCLUSÕES O estudo indicou que o uso do biodiesel pode levar a uma melhora na qualidade do ar em termos de CO, NOx e ozônio. Apesar da redução nas emissões de HCs, o teor destes pode sofrer uma ligeira elevação, pois existem mais de 100 HCs na atmosfera de uma grande cidade e suas reações químicas (térmicas e fotoquímicas) são extremamente complexas. Existem ainda outros fatores que podem provocar alterações nas emissões do biodiesel, tais 932

5 como a oleaginosa de origem, a rota de produção, os tipos de motores, que certamente influenciarão nas emissões finais. Este estudo está sendo conduzido e será alvo de uma publicação em breve. 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AL-WIDYAN, M.; TASHTOUSH, G. & ABU-QUDAIS, M. Utilization of ethyl ester of waste vegetable oils as fuel in diesel engines. Fuel Processing Technology Vol.76, p , ALTIN, R.; CETINKAYA, S. & YUCESU, H. S. The potential of using vegetable oils fuels as fuel for diesel engines. Energy Conversion and Management Vol.42, p , CARRARETTO, C.; MACOR, A.; MIRANDOLA, A.; STOPPATO, A. & TONON, S. Biodiesel as alternative fuel: Experimental analysis and energetic evaluations. Energy Vol.29, p , CARTER, W. P. L. A detailed mechanism for the gas-phases atmospheric reactions of organic compounds, Atmospheric Environment, 24 A, , CETESB (2004) - Relatório de Qualidade do Ar no Estado de São Paulo. São Paulo, Brasil, CORRÊA, S. M. Qualidade do ar da cidade do Rio de Janeiro: Sinergia entre simulação e monitoramento. Tese de Doutorado. Instituto de Química da UFRJ, & ARBILLA, G.; GATTI, L. V. Especiação de COVs para a cidade do Rio de Janeiro. 26a Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Química, Poços de Caldas, MG, & ARBILLA, G. Atualização do Mecanismo Químico SAPRC para Modelagem da Atmosfera da Cidade do Rio de Janeiro. 28ª Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Química, Poços de Caldas, MG, DENATRAN, acessada em 22/02/2005. FEEMA. Inventário de fontes emissoras de poluentes atmosféricos da Região Metropolitana do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, GERY, M. W. & CROUSE, R. R.. User s Guide for Executing OZIPR, U.S. 933

6 Environmental Protection Agency, Research Triangle Park, N. C., EPA-9D2196NASA, KALIGEROS, S.; ZANNIKOS, F.; STOURNAS, S.; LOIS, E.; ANASTOPOULOS, G.; TEAS, C.H. & SAKELLAROPOULOS, G. An investigation of using biodiesel/marine diesel blends on the performance of a stationary diesel engine. Biomass and Bioenergy Vol.24, p , MONYEM, A. & GERPEN, J. H. V. The effect of biodiesel oxidation on engine performance and emissions. Biomass and Bioenergy Vol.20, p , RAHEMAN, H. & PHADATARE, A. G. Diesel engine emissions and performance from blends of karanja methyl ester and diesel. Biomass and Bioenergy Vol.27, p , TURRIO-BALDASSARRI, L.; BATTISTELLI, C. L.; CONTI, L.; CREBELLI, R.; DE BERARDIS, B.; IAMICELI, A. N.; GAMBINO, M. & IANNACCONE, S. Emission comparison of urban bus engine fueled with diesel oil and biodiesel blend. Science of the Total Environment Vol.327, p ,