Ciências do Ambiente

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1 Universidade Federal do Paraná Engenharia Civil Ciências do Ambiente Aula 18 O Meio Atmosférico III: Controle da Poluição Atmosférica Profª Heloise G. Knapik 2º Semestre/

2 Controle da Poluição Atmosférica Remoção de material particulado em suspensão Câmara gravitacional Ciclone Filtro de mangas Precipitador eletrostático Lavador Venturi Remoção de poluentes gasosos Condensador Absorvedor Adsorvedor Incinerador Separador de membrana Biofiltro

3 Dispositivos para remoção de material particulado em suspensão:

4 Dispositivos para remoção de material particulado em suspensão: CÂMARA GRAVITACIONAL OU CÂMARA DE SEDIMENTAÇÃO Um dos mais simples e mais antigos dispositivos de controle de poluição do ar Câmara de expansão onde ocorre a redução da velocidade do gás até um ponto em que as partículas nele em suspensão são removidas por ação da gravidade Quanto maior a partícula, maior a taxa de sedimentação Partículas maiores sedimentam mais rápido do que as menores Usadas como remoção primária antes de dispositivos de remoção mais fina Princípio de remoção: força da gravidade

5 Dispositivos para remoção de material particulado em suspensão: CÂMARA GRAVITACIONAL OU CÂMARA DE SEDIMENTAÇÃO Sedimentação Lei de Stokes Força de arraste Empuxo F a C d.. A p. V 2 2 P Peso mp. g p. Vp. g E. V. p g V S P F y 0 F g.( a p ). d 18. E 2 p

6 Dispositivos para remoção de material particulado em suspensão: CÂMARA GRAVITACIONAL OU CÂMARA DE SEDIMENTAÇÃO Lei de Stokes: V S g.( p ). d p diâmetro e densidade velocidade terminal viscosidade do gás velocidade terminal Dimensionamento: o tempo de queda da partícula deverá ser menor do que o tempo de residência na câmara

7 Dispositivos para remoção de material particulado em suspensão: CÂMARA GRAVITACIONAL OU CÂMARA DE SEDIMENTAÇÃO (a) Câmara de expansão simples (b) Câmara de múltiplos pratos (ou bandejas) (c) Câmara inercial Remoção de partículas com diâmetro entre 50 µm e 100 µm

8 Dispositivos para remoção de material particulado em suspensão: CÂMARA GRAVITACIONAL OU CÂMARA DE SEDIMENTAÇÃO

9 Dispositivos para remoção de material particulado em suspensão: CICLONES Utilizado para o controle de partículas grandes (diâmetro acima de 10 µm) Mais eficientes que as câmaras gravitacionais Utilizados também como pré-coletores antes de dispositivos mais eficientes ou para proteger outros equipamentos (evitar a abrasão causada pelo pó em sistemas de exaustão) Baixo custo de instalação e de manutenção, ocupam pequeno espaço, construídos de diversos materiais (não possuem partes móveis) Princípio de remoção: força centrífuga + força da gravidade

10 Dispositivos para remoção de material particulado em suspensão: CICLONES Ao entrar no sistema, a corrente gasosa é forçada a girar no interior do equipamento Partículas maiores se chocam com as paredes e sedimentam Partículas menores giram com o gás e adquirem velocidade angular pela ação da força centrífuga são direcionadas para as paredes, ocorre o choque e se sedimentam Pode ocorrer ressuspensão deve-se reduzir a velocidade de entrada do gás no equipamento

11 Dispositivos para remoção de material particulado em suspensão: CICLONES

12 Dispositivos para remoção de material particulado em suspensão: CICLONES

13 Dispositivos para remoção de material particulado em suspensão: PRECIPITADOR ELETROSTÁTICO Os gases carregados com partículas passam entre placas carregadas eletricamente O campo elétrico gerado entre duas placas paralelas altera a trajetória da partícula, desviando a partícula em direção à placa com sinal contrário ao da carga das partículas Remoção através da velocidade de migração (semelhante à velocidade de sedimentação) Princípio de remoção: forças eletrostáticas (campo elétrico)

14 Dispositivos para remoção de material particulado em suspensão: PRECIPITADOR ELETROSTÁTICO Aplicação: Fornos de fusão de vidro Siderurgia Incineração Indústria de cimento Indústria de cal Processos com ácido sulfúrico

15 Dispositivos para remoção de material particulado em suspensão: PRECIPITADOR ELETROSTÁTICO

16 Dispositivos para remoção de material particulado em suspensão: PRECIPITADOR ELETROSTÁTICO

17 Dispositivos para remoção de material particulado em suspensão: FILTRO DE MANGAS Filtração da corrente gasosa através de um meio material poroso (meio filtrante) que retenha o material particulado em suspensão Princípio de remoção: retenção do material no meio filtrante

18 Dispositivos para remoção de material particulado em suspensão: FILTRO DE MANGAS Variáveis importantes para a caracterização do filtro: Capacidade de filtração (vazão de gás sujo ) Tipo de meio filtrante Coleta do material particulado na superfície externa ou interna da manga Temperatura de operação Remoção de partículas com diâmetros menores que 0,1 µm Eficiência está relacionada a uma limpeza adequada do meio filtrante

19 Dispositivos para remoção de material particulado em suspensão: FILTRO DE MANGAS

20 Dispositivos para remoção de material particulado em suspensão: LAVADOR VENTURI Remoção de poluentes gasosos como material particulado em suspensão Contato entre a corrente gasosa e um líquido (geralmente água) Lavadores: processos com material particulado Absorvedores: processos para gases (absorção) Remoção de partículas com diâmetro entre 0,4 µm e 20 µm Princípio de remoção: retenção do material no líquido

21 Dispositivos para remoção de material particulado em suspensão: LAVADOR VENTURI

22 Dispositivos para remoção de material particulado em suspensão: LAVADOR VENTURI

23 Dispositivos para remoção de material particulado em suspensão: Seleção de métodos de coleta em função do diâmetro da partícula

24 Dispositivos para remoção de poluentes gasosos:

25 Dispositivos para remoção de poluentes gasosos: CONDENSADOR Processo de converter um gás ou um vapor em líquido Redução da temperatura Utilização de água para resfriar a 30 ºC eficiente apenas para fases em que o vapor se condense em altas temperaturas Utilizados como pré-tratamento Princípio de remoção: conversão do gás ou vapor em líquido

26 Dispositivos para remoção de poluentes gasosos: CONDENSADOR Tipos de condensadores mais comuns: De contato (fluido resfriador ou fluido refrigerante é colocado em contato direto com a corrente gasosa - misturados) De superfície (o fluido resfriador está confinado em um compartimento distinto da corrente gasosa conduto ou tubo)

27 Dispositivos para remoção de poluentes gasosos: CONDENSADOR

28 Dispositivos para remoção de poluentes gasosos: ABSORVEDOR Transferência do poluente da fase gasosa para a fase líquida O gás de dissolve no líquido, movendo-se de regiões com maior concentração para outras de menor concentração Condição necessária para a aplicação: solubilidade dos poluentes no líquido Quanto maior for a área de contato entre os gases e líquidos, mais favorável será o processo de absorção Princípio de remoção: difusão entre os constituintes na fase gasosa para a fase líquida

29 Dispositivos para remoção de poluentes gasosos: A absorção irá ocorrer até atingir o equilíbrio (equilíbrio de fases) A taxa de absorção é determinada pelas taxas de difusão nas fases gasosa e líquida. Dimensionamento: Grande área de contato líquido-gás Boa mistura (contato) entre as fases Tempo de residência elevado no equipamento Alta solubilidade do contaminante Escolha do solvente ABSORVEDOR

30 Dispositivos para remoção de poluentes gasosos: Escolha do solvente: Alta solubilidade no gás Baixa volatilidade (baixa pressão de vapor) Baixa viscosidade e toxicidade Alta estabilidade química Baixo ponto de congelamento Baixo custo ABSORVEDOR Para a maioria dos casos: água (ou mistura para aumentar a eficiência)

31 Dispositivos para remoção de poluentes gasosos: Exemplos: ABSORVEDOR Absorção de H 2 S : utilização de solução aquosa de ferro para a transformação do gás sulfídrico em sulfeto férrico (pouco solúvel em água) Fe 2 O 3 + 3H 2 S Fe 2 S 3 + 3H 2 O

32 Dispositivos para remoção de poluentes gasosos: ADSORVEDOR Amplamente utilizado nas indústrias farmacêutica, alimentícia e petroquímica para purificação de correntes gasosas e recuperação de hidrocarbonetos aromáticos As moléculas de um fluido tendem a interagir e a se concentrar na superfície de um sólido As moléculas adsorvidas podem se acomodar sobre a superfície do adsorvente em uma única camada (monocamada) ou em várias camadas (multicamadas) Princípio de remoção: concentração do material sob a superfície do adsorvente

33 Dispositivos para remoção de poluentes gasosos: ADSORVEDOR Características desejadas de um adsorvente: Seletividade elevada Capacidade de adsorção elevada Estabilidade química elevada Área superficial específica elevada Poros de tamanho reduzido

34 Dispositivos para remoção de poluentes gasosos: ADSORVEDOR Exemplos de materiais adsorventes: Sílica gel Alumina ativada Carvão ativado Zeolitas

35 Dispositivos para remoção de poluentes gasosos: ADSORVEDOR Adsorção fenômeno superficial: necessária grande área superficial Sílica gel: 750 a m²/m³ Alumina ativada: 650 a m²/m³ Carvão ativado: a m²/m³ Zeolitas: a m²/m³ Batelada cíclica: Etapa de adsorção Etapa de regeneração

36 Dispositivos para remoção de poluentes gasosos: INCINERADOR Frequentemente utilizado para o controle de emissões de compostos orgânicos Para tratamento de gases tóxicos ou perigosos Temperatura elevada e tempo de residência adequado: qualquer hidrocarboneto pode ser oxidado para água e CO 2 pelo processo de combustão Dispositivos mais caros, utilizam um combustível adicional para a queima de poluentes e geralmente possuem um dispositivo para a recuperação do calor gerado. Princípio de remoção: combustão dos poluentes

37 Dispositivos para remoção de poluentes gasosos: INCINERADOR Condição ótima: combustão completa os produtos da reação são somente água e CO 2. Condição indesejada: combustão incompleta formação de CO, aldeídos, ácidos orgânicos: geração de um problema adicional

38 Dispositivos para remoção de poluentes gasosos: Passagem da mistura gasosa através de uma membrana permeável, ocorrendo a separação seletiva dos componentes Usados também no tratamento de efluentes líquidos Filtração: escoamento frontal/ Membrana: escoamento tangencial Eficiência: seletividade e fluxo SEPARADOR DE MEMBRANA Utilizadas para tratamento de correntes gasosas que contêm compostos orgânicos voláteis (COV) com concentração acima de ppm e vazões moderadas. Princípio de remoção: escoamento tangencial

39 Dispositivos para remoção de poluentes gasosos: SEPARADOR DE MEMBRANA

40 Dispositivos para remoção de poluentes gasosos: Tratamento biológico para a poluição do ar Remoção de odores (ETES) BIOFILTRO Tratamento de emissões gasosas contaminadas por fenóis, aldeídos, mercaptanas, ácidos orgânicos e outros hidrocarbonetos, H 2 S, SO 2, NH 3. Biofiltração: passagem do gás através um um meio poroso com uma população de microrganismos contaminantes são adsorvidos do ar para a fase água/biofilme e então decompostos (CO 2 e H 2 O, produtos inorgânicos e biomassa) Princípio de remoção: decomposição microbiológica

41 Dispositivos para remoção de poluentes gasosos: Desempenho: BIOFILTRO Função da degradabilidade dos contaminantes Controle do ambiente: umidade, temperatura, ph, nutrientes Decomposição de produtos complexos: reações incompletas e geração de resíduos mais tóxicos que os originais Ex. transformação do tricloroetileno pode ser formado o cloreto de vinilo (composto altamente tóxico)

42 Dispositivos para remoção de poluentes gasosos: BIOFILTRO

43 Dispositivos para remoção de poluentes gasosos: BIOFILTRO Exemplo de utilização de algas para tratamento da fumaça em churrascarias (Devon s Grill)

44 Dispositivos para remoção de poluentes gasosos: Seleção de métodos de coleta com base na vazão da corrente gasosa

45 Smog industrial e Smog fotoquímico: Medidas de controle e tratamento

46 Controle da Poluição Atmosférica: Smog industrial e Smog fotoquímico Smog industrial Lançamentos industriais Dióxido de enxofre (SO 2 ) Material particulado Smog fotoquímico Queima de combustíveis sistema de transporte

47 Controle da Poluição Atmosférica: Smog industrial e Smog fotoquímico SMOG INDUSTRIAL Controle da emissão de SO2: Redução do consumo/utilização de alternativas Remover o enxofre antes da queima ($$) Chaminés mais elevadas Lavadores de gases (remoção de 90%): mistura de água e calcário para a formação de sulfato de cálcio

48 Controle da Poluição Atmosférica: Smog industrial e Smog fotoquímico SMOG INDUSTRIAL Controle da emissão de Material particulado: Aumentar a eficiência da combustão Substituir combustíveis/ alternativas sustentáveis Remover o material particulado: precipitadores eletrostáticos, filtros de manga, separador ciclônico, lavadores de gases

49 Controle da Poluição Atmosférica: Smog industrial e Smog fotoquímico SMOG FOTOQUÍMICO Controle das emissões no sistema de transporte: Sistemas alternativos/coletivos Motores mais eficientes e menos poluentes Controle no escapamento: queimadores e conversores catalíticos Composição do combustível

50 Monitoramento das emissões atmosféricas

51 Monitoramento das emissões atmosféricas Prover informação sobre a concentração Meio para avaliar se os padrões foram excedidos Prover informações para a população Bases para implantação de ações de curto prazo Bases para construção de ações de longo prazo Definir os desafios e eficiência das estratégias de controle Validar as previsões de modelos numéricos

52 Monitoramento das emissões atmosféricas TIPOS DE AMOSTRADORES Amostradores passivos Amostradores ativos Analisadores automáticos Sensores remotos Bioindicadores

53 Monitoramento das emissões atmosféricas AMOSTRADORES PASSIVOS Vantagens Custo muito baixo Simples operação Não depende de energia elétrica Útil para mapeamento espacial da poluição Desvantagens Inexistente para alguns poluentes Médias mensais ou semanais Exige trabalho de desenvolvimento e análise Resultados medidos não imediatos

54 Monitoramento das emissões atmosféricas AMOSTRADORES PASSIVOS Amostragem em uma semana ou mês Amostra obtida por difusão molecular (tubo ou disco amostrador) filtro com material absorvente para um poluente específico exposto às concentrações específicas Amostra analisada posteriormente em laboratório Amostradores específicos para diferentes poluentes (óxidos de nitrogênio, enxofre, amônia, compostos orgânicos voláteis, ozônio)

55 Monitoramento das emissões atmosféricas AMOSTRADORES PASSIVOS

56 Monitoramento das emissões atmosféricas AMOSTRADORES ATIVOS Vantagens Baixo custo Fácil operação Dados confiáveis Banco de dados históricos Desvantagens Fornece somente médias diárias e não horárias Exige coleta e análise em laboratório

57 Monitoramento das emissões atmosféricas AMOSTRADORES ATIVOS Caracterização espacial e tendências da poluição Mais utilizados para medir SO 2 e material particulado Funcionamento: um certo volume de ar é sugado por uma bomba, passando através de um meio coletor químico ou físico por um determinado período de tempo (24 horas) Coleta através de processos de absorção, adsorção, impactação, filtração, difusão, reação ou combinação de processos. Análise das amostras em laboratório para determinação da concentração do poluente de interesse.

58 Monitoramento das emissões atmosféricas AMOSTRADORES ATIVOS

59 Monitoramento das emissões atmosféricas AMOSTRADORES AUTOMÁTICOS Vantagens Variedade de poluentes Alta eficiência Dados horários Informações on-line Desvantagens Complexos Alto custo Exige especialização Altos custos de manutenção

60 Monitoramento das emissões atmosféricas AMOSTRADORES AUTOMÁTICOS Amostra de ar entra em uma câmara de reação medida direta da propriedade ótica do gás ou através de reação química produzindo quimiluminescência ou luz fluorescente Fluorescência, absorbância, cromatografia, etc. Possuem alto grau de precisão, mas exigem trabalho de operação, manutenção, calibração e qualidade dos dados gerados.

61 Monitoramento das emissões atmosféricas AMOSTRADORES AUTOMÁTICOS

62 Monitoramento das emissões atmosféricas SENSORES REMOTOS Vantagens Dados integrados espacialmente Medidas para vários poluentes Medidas integradas horizontal e vertical na atmosfera Desvantagens Muito complexos e caros Operação, calibração e validação complicada Resultados não diretamente comparáveis com as medidas pontuais Interferências das condições atmosféricas

63 Monitoramento das emissões atmosféricas SENSORES REMOTOS Fornece informações sobre a concentração de poluentes em pontos do espaço mais distantes do equipamento (100 m) técnicas de espectroscopia Dados obtidos pela integração, ao longo de um caminho ótico, de uma fonte de luz e de receptor

64 Monitoramento das emissões atmosféricas BIOINDICADORES Análise do impacto da poluição nas plantas Utilização da superfície da planta como coletor Capacidade da planta em acumular ou metabolizar poluentes em seu tecido (análise do tecido em laboratório) Efeitos dos poluentes na informação genética da planta Avaliar o efeito dos poluentes na aparência visual da planta Avaliar a distribuição geográfica de determinadas plantas como indicador da qualidade do ar

65 Monitoramento das emissões atmosféricas BIOINDICADORES