Amostragem de Material Particulado (MP2,5) Utilizando Impactador Harvard na Cidade de Ponta Grossa/PR Ricardo Baptista Nishida (UTFPR/Ponta Grossa) E-mail: ricardonishida_@hotmail.com Thiago Antonini Alves (UTFPR/Ponta Grossa) E-mail: thiagoaalves@utfpr.edu.br Ana Flávia Locateli Godoi (UFPR/Curitiba) E-mail: aflgodoi@ufpr.br Ricardo Henrique Moreton Godoi (UFPR/Curitiba) E-mail: rhmgodoi@ufpr.br Yara de Souza Tadano (UTFPR/Ponta Grossa) E-mail: yaratadano@utfpr.edu.br Resumo: A poluição atmosférica é assunto de diversas pesquisas, principalmente devido aos seus impactos à saúde humana. Estudos do material particulado com diâmetro aerodinâmico menor ou igual à 2,5 m (MP 2,5) têm destaque, uma vez que ele pode atingir os alvéolos pulmonares causando doenças respiratórias e, ainda podendo atingir a corrente sanguínea, causando doenças cardíacas e até mesmo a morte. Apesar dos muitos estudos sobre MP 2,5, poucos são realizados no Brasil. Neste contexto, o objetivo do presente trabalho é apresentar o procedimento para a amostragem e análise gravimétrica do MP 2,5 que está sendo realizada na cidade de Ponta Grossa, desde setembro de 2016, nas dependências do Reservatório Botuquara da Companhia de Saneamento do Paraná (SANEPAR), pelo Laboratório de Pesquisas em Emissão e Dispersão de Poluentes Atmosféricos (LabDPA) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná Câmpus Ponta Grossa em parceria com o Laboratório de Análise e Qualidade do Ar (LabAir) da Universidade Federal do Paraná, através de projeto de pesquisa aprovado em Chamada Universal CNPq 2014. Os dados obtidos serão de grande importância para que se tenha um panorama ambiental-toxicológico da poluição atmosférica na quarta cidade mais populosa do estado do Paraná. De acordo com os resultados preliminares, obtidos entre setembro de 2016 e janeiro de 2017, 19 dias ultrapassaram o limite de concentração de MP 2,5 estabelecido pela Organização Mundial da Saúde (OMS) de 25 µg/m 3. Palavras-chave: MP 2,5, Impactador Harvard, Ponta Grossa, amostragem, análise gravimétrica. 1. Introdução A poluição atmosférica é assunto de diversas pesquisas no mundo todo, principalmente devido aos impactos que pode causar na saúde humana. Dentre os poluentes mais conhecidos, destaca-se o material particulado (MP), por ser um dos maiores contribuintes para danos ao meio ambiente e à saúde (WHO, 2016), principalmente o material particulado com diâmetro aerodinâmico menor ou igual à 2,5 m (MP2,5), responsável por provocar doenças respiratórias, já que pode atingir os alvéolos e dependendo de seu diâmetro aerodinâmico, pode até mesmo atingir a corrente sanguínea, causar doenças cardíacas e até mesmo a morte (U.S.EPA, 2016). A Organização Mundial da Saúde (WHO, 2006) reportou que, globalmente, mais de 2 milhões de mortes por ano são atribuídas à poluição do ar. Apesar dos muitos estudos desenvolvidos com foco no MP2,5, como o de Querol (2001) em Barcelona/ESP, He (2001) em Pequim/CHI, Marcazzan (2001) em Milão/ITA, Ye (2003) em Xangai/CHI, Hueglin (2005) nas áreas rurais da Suíça; estudos em cidades brasileiras, como o de Belo (2011) em Vitória/ES, Barbosa (2014) em Manaus/AM, Santos & Nogueira (2014) no Pantanal Mato-Grossense e Polezer (2015) em Curitiba/PR, poucos dados de MP2,5 existem para as principais cidades do interior do Brasil.
De acordo com os dados do Instituto Ambiental do Paraná (IAP, 2017), somente em 2017 foi implantada na cidade de Ponta Grossa/PR, em parceria com o Instituto LACTEC, uma estação de monitoramento da qualidade do ar, sendo possível assim, monitorar os níveis de poluentes presentes na atmosfera como ozônio (O3), dióxido de nitrogênio (NO2), monóxido de carbono (CO), dióxido de enxofre (SO2), partículas totais em suspensão (PTS) e material particulado com diâmetro aerodinâmico menor que 10 µm (MP10). Entretanto, não existem no estado do Paraná, estações de monitoramento que amostram MP2,5. Desta forma, o Laboratório de Pesquisas em Emissão e Dispersão de Poluentes Atmosféricos (LabDPA) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)/Câmpus Ponta Grossa, em parceria com o Laboratório de Análise e Qualidade do Ar (LabAir) da Universidade Federal do Paraná (UFPR), propuseram e tiveram aprovação de projeto de pesquisa na Chamada Universal CNPq 2014 para realizar um estudo visando a amostragem e a caracterização química do MP2,5 para a cidade de Ponta Grossa de 2016 a 2018. Estes dados serão de grande importância para que se tenha um panorama ambiental-toxicológico da poluição atmosférica na quarta cidade mais populosa do estado do Paraná, sendo o primeiro inventário de poluição atmosférica da cidade. Além disso, integrará o Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia (INCT) de Análise Integrada do Risco à Saúde. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo apresentar o procedimento que será utilizado para amostragem e análise gravimétrica do MP2,5 no centro da cidade de Ponta Grossa/PR, bem como apresentar alguns resultados preliminares. 2. Material Particulado Material particulado (MP), é por definição, uma mistura de sólidos microscópicos e gotículas de líquidos suspensas no ar, podendo conter nitratos, sulfatos, metais, partículas de poeira, pólens, entre muitos outros (U.S.EPA, 2003). Tendo que o material particulado é um aerossol, sua origem pode ser de fontes naturais, como poeira, oceanos e vulcões, ou de fontes antropogênicas, como combustão de combustíveis fósseis (SEINFELD & PANDIS, 2006). Segundo a Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (U.S.EPA, 2016), as partículas com diâmetro aerodinâmico entre 100 µm e 0,01 µm, assim que no ar, são chamadas de material particulado e podem ser classificadas em MP0,1 (partículas com diâmetro aerodinâmico menor que 0,1 µm), MP2,5 (partículas com diâmetro aerodinâmico menor que 2,5 µm), e MP10 (partículas com diâmetro aerodinâmico menor que 10 µm). Na Figura 1 pode ser observada uma comparação do tamanho das partículas com um fio de cabelo e com um grão de areia. Figura 1 Comparação do MP 10 e do MP 2,5 com um fio de cabelo e um grão de areia Fonte: Adaptado de U.S.EPA (2016)
A Organização mundial da saúde possui orientações quanto aos limites de emissão de material particulado, sendo a média diária para o MP2,5 de 25 µg/m 3 (WHO, 2005). No Brasil, o Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA), através da resolução Nº 03/1990, é responsável pela padronização da qualidade do ar. Atualmente, o CONAMA não estabelece um limite para as emissões de MP2,5, porém este tópico está sendo discutido, ainda sem previsão de aprovação (CONAMA, 2016). O impacto do material particulado na saúde humana varia de acordo com o tamanho das partículas, sendo que a deposição no trato respiratório é apresentada na Figura 2. A fração fina (MP2,5) pode atingir profundamente os pulmões e se alojar em tecidos, danificando-os. As partículas de MP2,5 são pequenas a ponto de penetrar através dos alvéolos e entrar na corrente sanguínea, afetando o coração, e podendo causar uma reação inflamatória (Figura 2). Uma característica do MP2,5, que pode agravar estes impactos, se refere às grandes distâncias que estas partículas podem percorrer e seu tempo de permanência na atmosfera, podendo ficar suspensas durante dias e até semanas. Já o MP10 tem impactos agudos e menos severos, como irritação na garganta, nos olhos e no nariz (Figura 2) (U.S.EPA, 2003 e ACRD, 2016). Figura 2 Locais no sistema respiratório humano onde as partículas podem se alojar Fonte: Ribeiro (2016) Em um estudo realizado por Patto et al. (2015) em São José do Rio Preto/SP foi identificado que existe uma interação entre a exposição do MP2,5 e a hospitalização de crianças com pneumonia. Cabe salientar que as crianças são mais suscetíveis a doenças respiratórias, por seus pulmões estarem em desenvolvimento, assim como idosos que podem possuir alguma doença pulmonar ou cardíaca não diagnosticada. 3. Metodologia A metodologia do presente trabalho foi dividida em subseções, apresentando o local de amostragem, o impactador Harvard, o método de confecção dos anéis de fixação dos filtros, a forma como ocorreu a amostragem do MP2,5 e a análise gravimétrica feita na Universidade Federal do Paraná.
3.1 Local da Amostragem As dependências do Reservatório Botuquara da Companhia de Saneamento do Paraná (SANEPAR), na cidade de Ponta Grossa/PR, foi o local escolhido para as amostragens deste projeto, devido a sua localização estratégica, próxima ao centro da cidade e de vias com grande circulação de carros e ônibus (Rua Balduíno Taques, Rua Barão do Cerro Azul, Rua Coronel Francisco Ribas e Rua Dr. Francisco Burzio), sendo representativo para a poluição urbana da quarta cidade mais populosa do estado do Paraná (Figura 3). A Figura 3 apresenta o mapa e uma vista de satélite da região do entorno do local de amostragem obtida no Google Maps (2017), onde o local de amostragem está identificado com o marcador vermelho. Destaca-se que o local escolhido é próximo ao centro da cidade, permite acesso diário, facilidade de instalação com disponibilidade de energia elétrica, segurança e, por ser um espaço aberto garante que a amostragem seja representativa da concentração que atinge a população que circula na região. As coordenadas da SANEPAR são: 25 5' 21.658" S e 50 9' 47.728" W e altitude de 976 m. Figura 3 Imagem do entorno do local de amostragem Fonte: Google Maps (2017) Na Figura 4 é apresentada uma fotografia do local de amostragem, em que o impactador Harvard está protegido com uma gaiola de proteção e a bomba de vácuo está instalada em uma caixa metálica. Figura 4 Fotografia do local de amostragem
3.2 Impactador Harvard O amostrador escolhido foi o impactador inercial Harvard que amostra as partículas de MP2,5 (Figura 5). O ar entra pela parte superior do equipamento (Figura 5a) e é acelerado na direção de um disco poroso (Figura 5b). As partículas maiores, superiores à MP2,5, impactam no disco poroso e são fixadas devido a uma fina camada de óleo mineral. As partículas selecionadas são depositadas no filtro de policarbonato no fundo do impactador (Figura 5c). Este impactador foi desenvolvido pela Escola de Saúde Pública de Harvard nos Estados Unidos e é conectado a uma bomba de vácuo equipada com um horímetro. A bomba de vácuo foi configurada numa vazão volumétrica de 10 L/min, para que ocorresse a amostragem do MP2,5. Figura 5 Amostrador inercial Harvard Fonte: Polezer (2015) 3.3 Confecção dos Anéis de Fixação Como os filtros de policarbonato utilizados no impactador Harvard são muito delgados, a pressão que a bomba de vácuo exerce sobre estes filtros pode removê-los do local de amostragem, assim causando a invalidez das amostras. Tendo em vista este problema, foram desenvolvidos anéis de nylon para a fixação dos filtros no impactador. Especificações técnicas das duas partes do anel de fixação são mostradas na Figura 6. A Figura 6a apresenta a parte inferior, onde o anel é colocado e a Figura 6b apresenta a parte superior que fixará o anel. Cabe salientar que é de suma importância garantir o encaixe perfeito entre as duas partes do anel de fixação, para que o filtro de policarbonato não se desloque durante o período de amostragem. Estes anéis de nylon foram confeccionados em um Centro de Usinagem CNC (Comando Numérico de Computação) da marca Romi (Figura 7) existente nas instalações do Laboratório de Usinagem (LabUSI) do Departamento Acadêmico de Mecânica (DAMEC) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)/Câmpus Ponta Grossa.
(a) parte inferior (b) parte superior Figura 6 Especificações das duas partes do anel de fixação Figura 7 Anéis sendo fabricados no centro de usinagem CNC da UTFPR/Ponta Grossa 3.4 Amostragem de Material Particulado (MP2,5) A amostragem está sendo realizada diariamente em um período de 24 horas contínuas. O filtro de policarbonato utilizado para coletar o material particulado MP2,5 é o Nucleopore TM da marca GE Healthcare Life Science do Brasil. O filtro foi utilizado para amostragem por se tratar de um material inerte e por ser livre de substâncias de interesse, no caso, detectáveis pelo Método de Espectrometria de Fluorescência de Raios X (FR-X). A troca diária dos filtros é realizada, assim como os registros das informações são feitos em uma ficha de monitoramento com as seguintes informações: O horário de início e término da amostragem; O número de horas de operação do equipamento; A identificação do filtro; O registro de inconformidades.
O armazenamento dos filtros é realizado individualmente em placas de Petri, em um invólucro com capacidade de 10 filtros, cada um, mais um filtro chamado de branco, filtro não amostrado que é utilizado como parâmetro de referência para os filtros amostrados (POLEZER, 2015). 3.5 Análise Gravimétrica O processo de análise gravimétrica de MP2,5 consiste em realizar a pesagem dos filtros antes e após a amostragem, para se obter a concentração mássica do MP2,5. Para isso, foi utilizada uma microbalança analítica com precisão de 0,1 µg da marca Sartorius, modelo MSA2.7S- 000-DF, Figura 8, vinculada ao Laboratório de Análise e Qualidade do Ar (LabAir) localizado na Universidade Federal do Paraná (UFPR), em Curitiba. É de grande importância que se remova a eletrostática dos filtros, uma vez que este equipamento possui uma alta sensibilidade. Além disso, as pesagens devem ser realizadas em triplicada para garantir a confiabilidade dos dados. Após a amostragem, além da massa de MP2,5 depositada no filtro, é necessário conhecer a vazão de ar e o período de amostragem, para calcular a concentração mássica em µg/m 3. Figura 8 Microbalança e caneta eliminadora de eletrostática Fonte: Polezer (2015) Como a balança é extremamente sensível, é necessário um ambiente controlado, para a estabilização da microbalança. A sala onde se encontra a balança é mantida a 20ºC, e durante a pesagem é feito o controle da umidade, em torno de 50%, por um umidificador, desumidificador e um condicionador de ar. Para atender aos critérios de pesagem e evitar qualquer contaminação, os filtros foram mantidos em um dessecador, sobre as mesmas condições da sala por um período de 24 horas antes das pesagens. A concentração do material particulado pode, então, ser calculada por (POLEZER, 2015): MP 2,5 3 g L g massa depositada 1000 m. (1) vazão volumétrica min período de coleta min
Concentração de MP 2,5 (µg/m 3 ) 4. Resultados Preliminares Os resultados das amostragens diárias de MP2,5 de 28 de setembro de 2016 a 06 de janeiro de 2017 foram realizadas e as concentrações mássicas foram obtidas. A média diária encontrada na cidade de Ponta Grossa, para a concentração de MP2,5 no período de amostragem, foi de 24,3 µg/m 3, o que está no limite do aceitável, segundo as diretrizes da OMS para a qualidade do ar, que dita um valor máximo de 25 µg/m 3 de emissões diárias de MP2,5 (WHO, 2006). A Tabela 1 apresenta os dias em que as concentrações diárias de MP2,5, em Ponta Grossa, estavam acima dos parâmetros de qualidade estabelecidos pela OMS (25 µg/m 3 ). Tabela 1 Relação dos dias que excederam o limite de qualidade do ar diário de MP 2,5 estabelecido pela OMS em Ponta Grossa Mês Dias que excederam o limite de 25 µg/m 3 09/2016 28 29 10/2016 03 19 21 22 27 11/2016 01 02 03 05 06 07 09 21 30 12/2016 Nenhum dia 01/2017 02 03 06 Pode ser observado que, em 19 dias, as concentrações de MP2,5 estiveram acima das diretrizes de qualidade do ar estabelecidas pela OMS (25 µg/m 3 ), sendo que o mês de novembro apresentou o maior número de dias e o mês de dezembro não teve nenhum dia com concentrações acima deste limite (Tabela 1). Comparando estes resultados com os dados meteorológicos, observa-se que o mês de novembro apresentou baixa umidade (78%) e baixa precipitação (73,6 mm), quando comparado com os demais meses estudados, exceto em relação ao mês de setembro. Isto explica as maiores concentrações de MP2,5, já que a deposição úmida de MP2,5 será menor que nos demais meses. As médias mensais da concentração mássica de MP2,5 estão apresentadas na Figura 9, onde observa-se que o mês de setembro apresentou a maior média, seguido do mês de novembro. 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Setembro Outubro Novembro Dezembro Janeiro Mês Figura 9 Concentração média de MP 2,5 (µg/m 3 ) para os meses de 09/2016 a 01/2017
5. Conclusões Este estudo mostrou que as amostragens de MP2,5 na cidade de Ponta Grossa estão ocorrendo diariamente de forma satisfatória, com uma quantidade mínima de perdas de amostras. Os resultados preliminares mostraram que as concentrações de MP2,5 estiveram abaixo do limite de qualidade do ar de 25 g/m 3 estabelecido pela Organização Mundial de Saúde (OMS). Como o período de amostragem ainda é curto, comparações com as concentrações encontradas em outros estudos deverá ser realizada futuramente. Além da amostragem e análise gravimétrica do MP2,5 em Ponta Grossa/PR, o projeto ainda terá como objetivo analisar a concentração de carbono negro; identificar os elementos químicos presente no MP2,5, visando identificar as principais fontes de emissão na cidade e; realizar um estudo do impacto que o MP2,5 causa à saúde da população local. Agradecimentos Os autores gostariam de externar agradecimentos ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pelo apoio financeiro na execução deste projeto de pesquisa e à Companhia de Saneamento do Paraná (SANEPAR) por disponibilizar as dependências do Reservatório Botuquara para instalação dos equipamentos. Referências ACRD Alberni-Clayoqyot Regional District. What are fine particulates? Disponível em: <http://www.acrd.bc.ca/particulate-matter>. Acesso em: set. 2016. ANTONEL, J. & CHOWDHURY, Z. Measuring ambient particulate matter in three cities in Cameroon, Africa. Atmospheric Environment. Vol. 95, p. 344-354, 2014. BARBOSA, C.G.G. Monitoramento de material particulado fino na cidade de Manaus para avaliação de potenciais riscos à saúde da população e caracterização de material particulado em ambiente de florestas (Atto- Amazonian tall tower observatory) Amazonas, Brasil. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 2014. BELO, P.I.D. Quantificação dos níveis de partículas finas (MP 2,5) no município de Vitória. Tese de Doutorado, Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, 2011. CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente. GT qualidade do ar - proposta de revisão da resolução CONAMA 03/1990. Disponível em: < http://www.mma.gov.br/port/conama/ctgt/gt.cfm?cod_gt=183>. Acesso em: out. 2016. GOOGLE MAPS. Cidade de Ponta Grossa. Disponível em: <maps.google.com.br>. Acesso em: ago. 2016. HE, K. et al. The characteristics of PM 2.5 in Beijing, China. Atmospheric Environment. Vol. 35, n. 29, p. 4959-4970, 2001. HUEGLIN, C. et al. Chemical characterisation of PM 2.5, PM 10 and coarse particles at urban, near-city and rural sites in Switzerland. Atmospheric Environment. Vol. 39, n. 4, p. 637-651, 2005. IAP Instituto Ambiental do Paraná. Foz do Iguaçu ganha estação para monitorar qualidade do ar. Disponível em: <http://www.iap.pr.gov.br/2017/06/1219/foz-do-iguacu-ganha-estacao-para-monitorar-qualidade-doar.html>. Acesso em: jul. 2017. KULSHRESTHA, A. et al. Metal concentration of PM 2.5 and PM 10 particles and seasonal variations in urban and rural environment of Agra, India. Science of the Total Environment. Vol. 407, n. 24, p. 6196-6204, 2009. MARCAZZAN, G. M. et al. Characterization of PM 10 and PM 2.5 particulate matter in the ambient air of Milan (Italy). Atmospheric Environment. Vol. 35, n. 27, p. 4639-4650, 2001. PATTO, N. V. et al. Exposure to fine particulate matter and hospital admissions due to pneumonia: Effects on the number of hospital admissions and its costs. Revista da Associação Médica Brasileira, Vol. 62, n. 4, p. 342-346, 2016.
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