FUNCIONAMENTO DE UM MONITOR CONTÍNUO DE OZÔNIO

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1 FUNCIONAMENTO DE UM MONITOR CONTÍNUO DE OZÔNIO 1. Introdução A melhor tecnologia para o monitoramento de baixas concentrações de ozônio (O 3 ) no ar ambiente é a da absorção de luz na faixa do Ultra Violeta (UV). A legislação de Poluição do Ar de vários países a indica como recomendada ou obrigatória. É sabido que a camada de O 3, que rodeia nosso planeta, consegue absorver a radiação ultravioleta que vem do sol. Sem esta camada a vida na terra diminuiria drasticamente ou desapareceria. Esta propriedade do O 3 de absorver ou bloquear a radiação ultravioleta é então usada para determinar a concentração do O 3 no ar ambiente. Nas próximas páginas é descrito o funcionamento de um monitor de O 3, apresentadas as fórmulas e unidades usadas e feitas considerações sobre a principal metodologia atual de medição. 2. Como é feita esta medição? Vamos tentar explicar, passo a passo, avançando cada vez mais na descrição. a) Para começar vamos precisar de uma célula de detecção ou medição onde estará o ar que queremos medir ou monitorar. Esta célula pode ser um tubo de quartzo por onde é feito circular o ar que queremos medir. Lembrar que o O 3 é altamente oxidante e, portanto, corrosivo. O comprimento desta célula varia de fabricante para fabricante na faixa de 15 a 50 cm e diâmetro de 1 a 2 cm. Figura 1 1

2 A célula dos instrumentos de melhor qualidade consiste num tubo de alumínio ou aço inox, com uma camada interna de teflon, como mostrado na Figura 1. Figura 2 b) Precisaremos de uma entrada e de uma saída neste tubo de detecção para que o ar circule por dentro dele. Figura 3 c) Para movimentar o ar, que está sendo amostrado, precisaremos de uma bomba de vácuo que aspire o ar atmosférico e o faça passar pela célula. Figura 4 2

3 d) Como temos que medir a absorção da luz ultravioleta, precisaremos de uma fonte (lâmpada) que emita esta luz. Esta fonte é montada em um extremo do tubo e com uma lente correspondente. Figura 5 e) Obviamente precisaremos também de um detector que meça a quantidade de luz ultravioleta que está chegando no outro extremo da célula de detecção. Lembrar que como as moléculas de O 3 absorvem esta luz, quanto maior o número de moléculas no ar, dentro da célula, menor será a quantidade de luz que chega no outro extremo onde está o detector. A Figura 2 apresenta a foto de um detector de luz UV usado no monitor de O 3 Figura 6 3

4 Absorção da luz UV ENERGÉTICA INDÚSTRIA E COMÉRCIO LTDA. Figura 7 O O 3 absorve a luz numa faixa de comprimento de onda de 250 nm a 300 nm (nanômetros). Afortunadamente, uma lâmpada de mercúrio (Hg) emite luz com um comprimento de onda de 254 nm que é justamente a frequência na qual o O 3 mais absorve luz, conforme mostrado no gráfico abaixo ( Figura 8). ozônio Hg Comprimento de Onda 300 Nanometros Figura 8 4

5 f) De uma maneira simplificada, o detector funciona como um diodo receptor de luz ou uma célula fotovoltaica. Quando recebe luz numa faixa apropriada, ou seja, com um comprimento de onda certo, esta fotocélula de detecção gera energia (uma voltagem ou uma amperagem). Podemos dizer que a energia gerada é diretamente proporcional à luz recebida. Em outras palavras, a energia gerada é inversamente proporcional à quantidade de moléculas de O 3 na célula de medição (ou seja, a concentração de O 3 nesta célula). A corrente gerada pode ser medida com um amperímetro ou com um voltímetro de precisão. MEDIDOR Figura 9 g) Ao ligarmos a lâmpada e supondo que só há ar puro dentro da célula (sem O 3 ), a luz passará pelo tubo praticamente sem interferência ou atenuação. A luz atingirá então o detector, gerando energia, que será medida pelo medidor. Essa medição será de um valor bem alto, próximo a 100, se considerarmos uma escala de 0 a 100, o que seria equivalente à absorção zero já que o ar é puro. Figura 10 MEDIDOR 5

6 h) Se desligarmos a lâmpada, o detector não recebe nenhuma luz e o medidor cai para 0 (zero). MEDIDOR Figura 11 i) Ligando novamente a lâmpada, teremos de novo a marca de 100 de energia. IMPORTANTE: Em um monitor de O 3 a lâmpada fica sempre ligada. Figura 12 MEDIDOR j) Vamos ver agora o que acontece quando introduzimos moléculas de O 3 na célula de medição. Moléculas de O 3 Figura 13 MEDIDOR 6

7 A luz que atinge o detector fica menor e o medidor mostra isto com a agulha indicadora mais próxima do zero. Lembremos que as moléculas de O 3 presentes na célula de medição absorverão a radiação UV, não permitindo que ela atinja o detector. k) Sabendo a intensidade da luz que atinge o detector com e sem as moléculas de O 3 presentes na célula de medição, podemos então calcular a concentração de O 3 usando a equação abaixo: 1 Esta equação vem da conhecida Lei de Lambert-Beer de absorção da luz, onde: C O3 = concentração de O 3 em quantidade de moléculas por cm 3 ; σ (sigma) = constante (fixa). Sigma é uma propriedade fundamental das moléculas de O 3, que é a seção de absorção de luz desta molécula. Este sigma pode ser considerado como a área que uma molécula de O 3 bloqueia, à passagem da luz UV (1,5 x cm 2 /molécula); I = constante f (fixa). É o comprimento da célula de medição (que varia de analisador para analisador com valores geralmente compreendidos entre 10 cm e 50 cm); l n = logaritmo natural (base e); I 0 = intensidade da luz UV que chega ao detector quando a célula contém ar puro (sem O 3 ); I = intensidade da luz que chega ao detector quando a célula contém uma concentração de O 3 ; Por definição, I 0 será sempre maior do que I, de forma que I o / I será sempre maior que 1 (um). Portanto, o logaritmo sempre será positivo. Para obter valores de I e I 0 alternadamente, precisamos incluir no nosso sistema (o instrumento), um filtro - chamado comumente de Scrubber - que retira as moléculas de O 3. - Na verdade, as destrói, convertendo-as em moléculas de O 2 -. A Figura 15 apresenta a foto de um Scrubber utilizado no modelo 49 da Thermo. 7

8 VÁLVULAS SOLENOIDE SCRUBBER MEDIDOR Figura 14 Figura 15 Válvulas solenóides abrem e fecham automaticamente em intervalos de segundos, fazendo a amostra passar primeiro pelo filtro (que elimina todas as moléculas de O 3 ), e depois ir diretamente pelo sistema, sem passar pelo Scrubber. Assim, permite-se medir alternadamente I 0 e I. A Figura 16 a- presenta a uma válvula solenóide utilizada em um monitor de O 3. 8

9 Para o monitoramento da qualidade do ar, normalmente a concentração final é calculada pelo microprocessador do instrumento como a média de 10, 20, 30 ou mais medições quase instantâneas de I e I 0, já que os usuários não precisam de um resultado tão rápido ou imediato. Figura 16 Alguns instrumentos acrescentam mais uma sofisticação. Nos instrumentos mais precisos, como é o caso do modelo 49 da Thermo, para eliminar possíveis erros originados pela variação de intensidade de luz emitida pela lâmpada entre os períodos nos quais medimos I 0 e I, são usados DOIS tubos ou células de detecção em paralelo e o ar é passado por ambas alternadamente. Uma mesma lâmpada emite um feixe de luz UV que é dividido em duas parcelas praticamente i- guais. Um diagrama mais detalhado disto pode ser visto na Figura 18. LAMPADA ÚNICA SCRUBBER SCRUBBER CÉLULA A CÉLULA B A B Válvula Solenoide Entrada de Ar Figura 17 9

10 Figura 18 Um destes feixes passa por um dos tubos e atinge um detector (chamemos esta célula e detector de A). Simultaneamente, parte da mesma parcela de ar amostrado passa também pela célula B que tem seu próprio detector B. Enquanto o ar passa por A sem retenção de moléculas de O 3, o ar que passa por B é forçado a passar primeiro pelo Scrubber. Temos então uma medição de I na célula A e uma de I 0 na Célula B. Após uns 10 segundos, as válvulas solenóides invertem estas posições e o ar amostrado por A agora passa primeiro pelo Scrubber enquanto o ar que passa por B não sofre retenção ou destruição de moléculas de O 3. Ou seja, temos nesta segunda posição das válvulas medição de I em B e I 0 em A. No primeiro caso temos: Célula A medindo I Célula B medindo I 0 ( simultaneamente) Após uns segundos as válvulas solenóides atuam e temos: Célula A medindo I 0 Célula B medindo I ( simultaneamente) Mais uns segundos e as válvulas atuam novamente e voltamos ao primeiro caso. Desta forma, eliminamos qualquer erro que possa surgir devido às flutuações na emissão da lâmpada, pois estamos medindo I 0 e I ao mesmo tempo. Como A e B mudam de função a cada poucos segundos, os erros devidos a serem usados dois detectores distintos se eliminam/compensam mutuamente. 10

11 3. UNIDADES Vejamos agora as unidades utilizadas na nossa fórmula da Lei de Beer Lambert. C o3 a concentração de O 3 é expressa em moléculas de O 3 / cm 3 de ar. σ (sigma) tem unidade de cm 2 / molécula. L tem unidade de cm. ln(i 0 /I) não tem unidade, pois sejam quais forem estas unidades se cancelam. Teoricamente seriam Lumens / Lumens, mas como se cancelam, podemos usar diretamente a voltagem gerada pelo detector ficando Volts / Volts, e isto é muito mais fácil de medir do que tentar medir os Lumens. Cuidado: a resposta do detector em Volts tem que ser obrigatoriamente linear em relação à luz UV recebida. Até o momento e com a fórmula utilizada acima, o resultado está sendo expresso como moléculas de O 3 /cm 3. Na área de Poluição do Ar, a concentração é normalmente expressa em: Partes por Milhão (ppm) ou Partes por Bilhão (ppb) Os bons instrumentos de monitoramento de O 3 - como o modelo 49 da Thermo - conseguem uma sensibilidade de detecção próxima a 1 ppb. Ou seja, para cada bilhão de moléculas de ar, pode-se detectar a presença de 1 molécula de O 3 na amostra. Para calcular a concentração usando estas unidades, precisamos saber então o número de moléculas que existem dentro da célula de medição. Este número depende da Temperatura e da Pressão dentro da célula, que são determinados por sensores de alta precisão, instalados na própria célula. Também são incluídos sensores de vazão para verificar se o ar ambiente está sendo amostrado pelo instrumento (estes sensores não são mostrados no diagrama abaixo). 11

12 SENSOR DE TEMPERATURA DA CÉLULA VÁLVULAS SOLENOIDE SENSOR DE PRESSÃO DA CÉLULA SCRUBBER MEDIDOR Figura 19 Contando com estes dois valores podemos usar a Lei Dos Gases Ideais: 2 Onde: C ar = número de moléculas de ar por cm 3 dentro da célula de medição. P = pressão em atmosferas N A = Número de Avogadro (número de moléculas em 1 mol nas condições normais de temperatura e pressão) R = constante dos gases T = temperatura (graus Kelvin) = temperatura (graus Celsius ) + 273,15 Juntando as equações 1 e 2 (Lei de Beer Lambert e dos Gases Ideais), podemos então finalmente obter a concentração de O 3 em ppb, que é o resultado final que desejamos. 12

13 O valor em ppb será então a relação de moléculas de O 3 e do ar na célula de medição. Por exemplo, se a concentração de moléculas de O 3 for de: E a do ar de: 2,6 x moléculas O 3 / cm 3 4 x10 19 moléculas de ar /cm 3 (na pressão e temp. da célula) Teremos ppb = 0, /10 19 x 10 9 = 0, / 10 7 = 0,65 x 10 2 ppb = 65 ppb Juntando as duas equações, temos finalmente a equação usada em todos os instrumentos modernos de monitoramento de O 3 : Sem querer complicar muito a descrição, é apresentado abaixo um diagrama mais completo do interior de um monitor contínuo de O 3, como o descrito nas páginas acima. 13

14 4. Considerações finais Acreditamos ter explicado, de forma simplificada, o funcionamento de um monitor de O 3 moderno. O folheto de um monitor deste tipo pode ser visto no nosso site em: 14