Métodos de Monitoramento de Poluentes do Ar: 4 Métodos

Os pontos a seguir destacam os quatro métodos de monitoramento de poluentes atmosféricos. Os métodos são: 1. Amostragem 2. Monitoramento de Partículas 3. Monitoramento de Poluentes Gasosos e 4. Coleta de Amostras e Análise na Conveniência.

Método # 1. Amostragem:

O primeiro passo para monitorar os poluentes transportados pelo gás é obter uma amostra representativa.

Uma configuração usada para coleta de uma amostra e análise dos poluentes presentes é geralmente referida como um trem de amostragem. Um trem de amostragem normalmente teria vários componentes.

Os componentes presentes em uma configuração real dependerão da situação, bem como dos objetivos, tais como:

1. Se a fonte é o ar ambiente ou um conduto, por exemplo, uma pilha;

2. Se é desejável monitorar apenas partículas ou poluentes gasosos;

3. Se é proposto estimar os poluentes gasosos in situ ou analisá-los em um momento conveniente após a coleta de uma amostra.

As matérias particuladas são invariavelmente analisadas em um momento conveniente após capturá-las.

Uma configuração pode consistir em todos ou alguns dos seguintes componentes:

(i) um coletor de amostragem,

(ii) um coletor / pára-raios de partículas,

(iii) Um aquecedor / resfriador / condensador,

(iv) uma bomba de sucção (tipo de volume ajustável),

(v) um medidor de vazão,

(vi) Instrumentos de monitorização de poluentes gasosos em linha ou borbulhadores ou um colector de amostras.

A figura a seguir (3.1) mostra esquematicamente alguns arranjos alternativos de trens de amostra:

(a) Manifold,

(b) Refrigerador / Aquecedor,

c) Coletor de partículas,

d) Condensador,

e) Bomba,

(f) Medidor de vazão,

(g) Filtro.

A. Um Trem para Monitoramento de Poluentes Particulados e Gasosos.

B. Um trem para monitoramento de poluentes gasosos apenas.

C. Um trem para monitoramento de partículas apenas.

Ao coletar uma amostra gasosa, deve-se ter em mente que a vazão de um fluxo de efluente e sua composição podem mudar com o tempo e, em dado momento, podem depender da localização do ponto de amostragem. Por causa disso, procedimentos padrão têm sido recomendados para amostragem, de modo que a amostra coletada tenha uma média de tempo. Quando analisadores on-line são usados, a amostra é instantânea.

1. Trem de Amostragem:

Um coletor deve ser uma parte do trem de amostragem quando a amostragem é feita a partir de uma pilha ou de uma fonte diferente da atmosfera ambiente. Deve ser feito de um material não reativo e não adsorvente, como Teflon ou vidro ou alguma liga resistente ao calor e à corrosão.

Deve ser o mais curto possível e não deve ser torcido, pois de outro modo pode haver acumulação de partículas no seu interior. Para evitar danos térmicos no coletor, ele pode ser resfriado, mas deve-se tomar cuidado para que a temperatura da amostra não caia abaixo do ponto de orvalho.

Um coletor de pó é usado quando a análise de partículas em suspensão (SPM) é desejada. Caso contrário, um pára-raios deve ser usado.

Uma bomba mecânica ou um dispositivo adequado é usado para aspirar uma amostra.

Um medidor de vazão é usado para medir o volume total da amostra que passa por um trem coletor de amostra.

Um resfriador pode ser necessário como parte de um trem de amostragem, se a temperatura do gás for tal que os componentes do trem possam ficar danificados termicamente durante a amostragem.

Um aquecedor pode ser necessário se a temperatura da amostra for tal que o vapor condensável possa se condensar nos tubos de conexão antes da coleta de partículas de poeira de uma amostra.

Quando um vapor condensável está presente em uma amostra em alta concentração, um condensador deve ser usado para reduzir sua concentração antes de analisar os constituintes gasosos da amostra ou a coleta da amostra em um receptor.

2. Amostragem de Pilha:

A amostragem a partir de uma pilha é feita pela introdução de um manifold através de uma porta. Geralmente, uma porta é um tubo flangeado padrão de 75 mm encaixado em uma pilha interna e estendendo-se de 50 a 200 mm na parte externa. Quando a amostragem não é feita, ela é fechada com um blind. Para pilhas de maior diâmetro, o diâmetro da porta pode ser maior que 75 mm. As portas estão localizadas a cerca de 0, 6 a 1, 8 m acima do piso ou de uma plataforma. Uma pilha com um diâmetro de 3 m ou menos deve ter duas portas localizadas em ângulo reto entre si. Para uma pilha com um diâmetro superior a 3 m, o número de portas deve ser de quatro, situadas a intervalos de 90 °.

Normalmente, as portas devem estar localizadas a pelo menos oito diâmetros a jusante e dois diâmetros a montante de uma fonte de perturbação de fluxo. Para pilhas de seção transversal retangular, a dimensão maior ou o diâmetro equivalente deve ser considerado como o diâmetro para a localização das portas.

O número mínimo de pontos de amostragem recomendados em um diâmetro (travessias) e suas localizações dependem da posição de uma porta de amostragem em relação às fontes de perturbação de fluxo a montante e a jusante. Antes da amostragem, a boca do manifold deve estar perfeitamente alinhada com a direção do fluxo na pilha e direcionada a montante.

Para uma análise completa de uma amostra de uma pilha, deve ser usado um trem de amostragem isocinético que consiste em um bocal, uma sonda enrolada no aquecedor e um suporte de filtro aquecido seguido por alguns absorvedores de impinger conectados em série e imersos em um banho de gelo. O trem de absorção deve ser seguido por um tubo de secagem de gás (contendo sílica gel), uma bomba (bomba de diafragma de curso variável), um medidor de gás seco e um medidor de orifício calibrado.

Depois de colocar o trem em uma pilha, a bomba é ligada e a vazão é ajustada de modo a obter uma amostra sob condição isocinética. Quando as amostras devem ser analisadas em intervalos regulares, uma unidade analisadora on-line pode ser usada em vez de um trem de absorção do impinger.

3. Amostragem de Ar Ambiente:

Para a amostragem do ar ambiente, a unidade básica normalmente utilizada é conhecida como 'amostrador de alto volume', particularmente quando se deseja analisar o material particulado.

Os principais componentes dessa unidade são:

a) Filtro,

(b) Um soprador e

Quando se deseja estimar os poluentes gasosos, também são usados instrumentos on-line ou um coletor de amostras ou um trem de borbulhadores em conjunto com os componentes já mencionados.

Método # 2. Monitoramento de Partículas:

O objetivo do monitoramento de partículas pode ser estimar a concentração de massa particulada, a distribuição de tamanho de partículas e a composição química das partículas. Quando se deseja estimar a concentração de massa de partículas, apenas pode ser utilizado um filtro adequado. O meio filtrante pode ser feito de fibra de celulose / fibra polimérica / fibra de vidro / membrana sintética. A escolha dependerá da temperatura do gás. A massa de partículas retidas num filtro é estimada a partir da diferença no peso do filtro antes e depois da filtração.

O filtro deve ser seco no forno antes da pesagem para evitar qualquer erro de insuflação devido à absorção de umidade ou qualquer outro vapor, durante ou antes da filtração. Um filtro não seria um dispositivo adequado quando se trata de estimar a distribuição do tamanho de partícula e / ou a análise química das partículas, uma vez que a recuperação quantitativa das partículas presas de um filtro é quase impossível.

Para determinar a distribuição de tamanho e a análise química das partículas transportadas pelo gás, utiliza-se um impinger ou uma série de impactadores. As partículas coletadas no (s) impactor (es) juntamente com o vapor condensado, se houver, são recuperadas quantitativamente e analisadas após a secagem.

Para monitoramento de partículas a partir de uma pilha, a amostragem deve ser feita sob condição isocinética, isto é, a velocidade do gás através do coletor de amostragem deve ser a mesma que aquela através da pilha no ponto de amostragem. Se a amostragem for feita sob condições super-isocinéticas, então as partículas coletadas teriam uma proporção maior de partículas mais finas e mais leves que as reais.

Enquanto que, quando amostrados sob condições sub-isocinéticas, as partículas coletadas conteriam mais das partículas maiores e mais pesadas. Como na prática é difícil manter uma condição estritamente isocinética, o desvio da condição isocinética não deve ser superior a ± 10%.

Para manter a condição de amostragem isocinética, é necessário medir a velocidade do gás de chaminé no ponto de amostragem. A velocidade é medida com um conjunto manômetro de tubo de Pitot do tipo S (Stauscheibe ou reverso). A figura 3.2 mostra tal montagem.

Método nº 3. Monitoramento de poluentes gasosos:

Os poluentes gasosos podem ser monitorados in situ ou em um momento conveniente após a coleta de uma amostra. Antes de analisar uma amostra, ela deve ser liberada do material particulado e do vapor condensável. A análise in situ é preferida, pois produz dados rapidamente. No entanto, quando um ponto de amostragem está localizado em um local remoto ou quando os dados não são necessários imediatamente, uma amostra pode ser coletada e a concentração dos poluentes na amostra pode ser estimada em um momento conveniente.

1. Análise In Situ:

Quando é necessário monitorar uma amostra assim que ela é coletada, a análise in situ é realizada com a ajuda de instrumentos / instrumentos analíticos colocados em linha com um trem de amostragem. Tal configuração pode ser usada para monitoramento contínuo de emissões (CEM). Muitas vezes, isso exige um alojamento adequado para os instrumentos, pois eles são sensíveis a poeira, umidade e temperatura. Para a análise on-line de um gás, um volume medido dele (livre de poeira) é introduzido em um instrumento (unidade), que mede, exibe ou registra a concentração de um ou mais constituintes da amostra.

Métodos instrumentais:

Instrumentos (analisadores CEM) estão disponíveis para o monitoramento de poluentes gasosos como SO ₂, NO, NO ₂, O ₃, CO e hidrocarbonetos. Estes instrumentos empregam diversas técnicas e podem ser usados para análise de gás de chaminé, bem como ar ambiente. Das diferentes técnicas, a cromatografia gasosa (GC) é versátil, pois pode ser usada para estimar vários poluentes, como SO ₂, NO _x, CO e hidrocarbonetos.

O componente vital de uma cromatografia gasosa é o seu detector, que identifica e detecta a concentração dos diferentes constituintes de uma amostra. Um detector pode ser constituinte específico. Na Tabela 3.1, estão listados alguns detectores específicos de poluentes.

Também estão disponíveis instrumentos que empregam uma técnica específica para monitorar apenas um poluente específico. Algumas delas estão listadas na Tabela 3.2.

Os princípios básicos das técnicas acima mencionadas são brevemente discutidos abaixo.

Cromatografia em fase gasosa

Os componentes básicos de uma cromatografia gasosa são:

(i) Uma coluna empacotada (um tubo enrolado) contendo algumas partículas granulares (às vezes impregnadas com um líquido). A coluna serve como uma cama absorvente / adsorvente,

(ii) um alojamento de coluna com controle de temperatura,

iii) Dispositivos adequados para introduzir uma amostra de gás e um gás de arraste na base da coluna (entrada), e

(iv) Um detector localizado imediatamente após a coluna.

O procedimento para análise é injetar um volume pré-determinado de uma amostra de gás na base da coluna. A coluna contém um adsorvente pré-selecionado, que dependeria dos constituintes presentes na amostra a ser analisada. Os constituintes são adsorvidos no leito adsorvente e são dessorvidos por um fluxo de gás transportador pré-selecionado que flui através da coluna.

O particionamento dos constituintes da amostra entre o leito e o gás transportador ocorre repetidamente à medida que os constituintes são transportados em direção à saída da coluna pelo gás de arraste. Cada constituinte viajará em sua própria velocidade pela coluna e finalmente sairá da coluna e alcançará o detector na forma de uma faixa.

O intervalo de tempo entre duas bandas e a largura de cada banda depende da proporção do coeficiente de particionamento dos constituintes sob os parâmetros do sistema fornecidos. O detector emite um sinal indicando o tempo de emergência de uma banda.

O sinal prolonga-se enquanto um componente específico continua a sair da coluna. A magnitude do sinal dependeria da concentração do constituinte no gás de arraste, que por sua vez dependeria de sua concentração na amostra. Os dados são registrados como um gráfico de tempo versus concentração de constituintes específicos no gás de arraste.

Com base na área sob a parcela, a concentração do constituinte específico na amostra é estimada. Actualmente, estão disponíveis cromatógrafos de gás baseados em microprocessador, que produzem uma impressão listando os constituintes específicos presentes e a sua concentração numa amostra analisada.

Fotometria Infravermelha Não-Dispersiva (NDIR) :

O princípio envolvido nesta técnica é a absorção preferencial da radiação infravermelha por um constituinte, por exemplo, o monóxido de carbono (CO) presente em uma amostra de gás.

Uma unidade teria os seguintes componentes:

(i) uma fonte de infravermelhos,

(ii) um helicóptero,

(iii) Uma célula de amostra (tipo de fluxo)

(iv) um detector de infravermelhos e

(v) Uma célula de referência (preenchida com um gás absorvente não infravermelho).

Uma unidade 'Infravermelho Não-Dispersivo' funciona como detalhado abaixo:

O helicóptero expõe intermitentemente a célula de amostra e a célula de referência à radiação infravermelha. A radiação incidente passaria pela célula de referência praticamente não absorvida e alcançaria o detector. A intensidade da radiação transmitida através da célula da amostra seria reduzida devido à absorção pelo CO presente na amostra que flui através da célula.

A diferença entre as quantidades de energia que chegam ao detector através da célula de referência e aquela através da célula de amostra seria proporcional à concentração de CO na amostra. Alguns constituintes, como o vapor de água presente em uma amostra, interferem na estimativa quantitativa do CO.

Técnica de quimioluminescência:

Esta técnica é baseada no fato de que quando um poluente é reagido com um reagente específico (em grande excesso), as moléculas de produto formadas estariam em um estado mais elevado de excitação. À medida que as moléculas do produto retornam do estado mais elevado de excitação para o seu estado normal (terra), a energia é liberada na forma de luz.

A intensidade da luz emitida seria diretamente proporcional à concentração do poluente presente em uma amostra. A intensidade da luz emitida é normalmente medida com a ajuda de um multiplicador de fotos. Para a estimativa da concentração de ozono (O ₃ ) numa amostra, o reagente utilizado é o etileno. No caso de NO, o reagente deve ser O ₃ . Para a estimativa do NO ₂ é inicialmente reduzido quantitativamente para NO e, em seguida, estimado como NO.

Técnica condutométrica :

A idéia básica por trás dessa técnica é o fato de que, quando um poluente específico é absorvido em um líquido adequado, a condutividade elétrica da solução resultante seria diferente daquela do absorvente. A mudança na condutividade seria proporcional à concentração do poluente presente em uma amostra. O líquido (absorvente) deve ser escolhido de forma a absorver apenas um dos poluentes presentes em uma amostra. Geralmente, utiliza-se água destilada ou uma solução aquosa como absorvente.

Técnica Coulométrica :

A análise de Coulometric é realizada pela reação de um poluente específico presente em uma amostra gasosa com uma solução aquosa de KI ou KBr em uma célula eletrolítica em que o iodo ou o bromo são liberados. O haleto liberado é reduzido no cátodo da célula.

A corrente através do coulômetro seria proporcional à quantidade do haleto liberado, que por sua vez seria proporcional à concentração do poluente específico presente na amostra. Este método não é específico para o ozônio porque mede o total de oxidantes presentes em uma amostra.

Técnica Espectrométrica :

Essa técnica é um pouco semelhante ao NDIR. A luz (IR / UV) de uma fonte é filtrada para filtrar a luz de todos os comprimentos de onda, exceto uma faixa estreita que é absorvida por um poluente específico presente em uma amostra gasosa.

Esses raios da banda de comprimentos de onda seleccionados podem passar através de uma célula, através da qual uma amostra de gás livre condensável e filtrada fluiria. A intensidade da radiação transmitida em relação àquela do feixe não atenuado seria proporcional à concentração do poluente presente na amostra.

Técnica Eletroquímica :

Um analisador eletroquímico pode consistir de uma membrana semipermeável, um filme de eletrólito, um eletrodo de detecção e um eletrodo de referência imerso no eletrólito. Uma corrente de gás contendo o poluente cuja concentração deve ser estimada é passada sobre a membrana semipermeável.

O poluente pode migrar seletivamente através da membrana e gerar um sinal (voltagem) no filme eletrolítico. O sinal (tensão) seria captado pelo eletrodo sensor. A diferença de tensão entre o eletrodo de detecção e o eletrodo de referência seria proporcional à concentração de poluentes na amostra.

2. Métodos Químicos:

Existem dois métodos químicos, a saber:

(1) método rápido e

(2) método clássico. Método Rápido

O método rápido produz informações em pouco tempo. Não requer um operador habilidoso. Para cada poluente, um detector específico é usado. As concentrações de alguns poluentes podem variar de baixas a altas. Para tal poluente, um detector com a faixa apropriada deve ser escolhido dependendo da situação.

Um conjunto para análise rápida consiste em um tubo de vidro vedado (detector) preenchido com um reagente específico de poluente adsorvido em alguns grânulos inertes ou o próprio reagente em forma granular e uma bomba de deslocamento positivo operada manualmente.

O tubo é equipado com plugues em cada extremidade, que atuam como filtros. Estes também mantêm as partículas granulares como um leito empacotado. Uma escala de leitura direta (geralmente na unidade ppmv) é impressa na superfície externa do tubo ao longo de seu comprimento. A marcação começa imediatamente após o plugue do filtro da extremidade dianteira. O método é adequado para monitorar os poluentes presentes no ar ambiente.

O procedimento operacional de tal unidade é quebrar as extremidades vedadas de um tubo detector (específico para um poluente específico) e fixá-lo a uma bomba de tal maneira que uma amostra de gás seja puxada através da extremidade dianteira do tubo. Ao operar a bomba, um volume conhecido de uma amostra (conforme especificado pelo fabricante do detector) deve ser aspirado através do tubo. A reação instantânea entre o reagente e o poluente ocorreria resultando em uma mudança brusca na cor do leito granular no tubo.

O comprimento da porção corada do leito granular dependerá da concentração do poluente presente em uma amostra, que pode ser lida da escala impressa no tubo. Um tubo pode ser usado apenas uma vez. Tubos seletores estão disponíveis para monitorar poluentes gasosos inorgânicos comuns, bem como uma ampla variedade de poluentes orgânicos.

Método Clássico :

O método clássico é também referido como método de química úmida. Este método é relativamente demorado e sua precisão depende da habilidade de um analista. Neste método, permite-se que um volume conhecido de uma amostra de gás isento de pó flua a uma velocidade moderada através de uma série de bolhas, cada uma contendo um solvente com ou sem alguns reagentes dissolvidos.

Cada borbulhador prenderia apenas um poluente específico, dependendo do solvente / reagente presente. Os bubblers devem ser apropriadamente sequenciados. Uma vez que a amostra possa fluir através do trem de borbulhadores, estes devem ser separados e seu conteúdo deve ser analisado quantitativamente para estimar os poluentes aprisionados.

Método # 4. Coleta de Amostra e Análise na Conveniência:

Às vezes, é preferível coletar uma amostra de gás e, posteriormente, analisá-la em um laboratório em um horário conveniente. A fim de realizar a análise desta forma, é necessário preservar uma amostra como ela é ou segregar quantitativamente cada constituinte (poluente) e depois preservá-los.

Para atingir este objetivo, qualquer um dos seguintes passos pode ser adotado:

(i) Coleta de uma Amostra em um Recetor Evacuado :

Uma amostra de gás isenta de pó é coletada em um recipiente metálico rígido evacuado ou em um saco flexível feito de um filme de polímero. O material de construção do recipiente deve ser escolhido de forma que os poluentes não interajam fisicamente ou quimicamente com o recipiente durante o armazenamento e, assim, causem uma alteração na composição da amostra coletada.

Uma amostra deve ser resfriada à temperatura ambiente e liberada de partículas sólidas e vapor condensável antes da coleta em um recipiente. O recipiente preenchido com uma amostra deve então ser transportado para um laboratório para análise. No laboratório, a amostra pode ser retirada do recipiente apertando o saco de polímero ou por meio de uma bomba do recipiente rígido. A análise da amostra recuperada pode ser realizada com a ajuda de instrumentos adequados ou por métodos químicos adequados.

(ii) Coleta em um meio :

O meio de recolha líquido ou sólido pode ser utilizado para reter quantitativamente os poluentes presentes numa amostra de gás, tal como está ou numa forma segregada para a sua estimativa subsequente.

(a) meio líquido:

Quando um meio líquido é usado, a unidade é chamada de 'sistema bubbler'. O sistema pode ter vários borbulhadores em série, cada um contendo um líquido no qual um poluente específico será fisicamente absorvido ou reagido quimicamente. Através de cada borbulhador é borbulhado um volume conhecido da amostra e, subsequentemente, a quantidade do poluente retido é estimada por um método analítico químico adequado. Na Tabela 3.3, a composição química de líquidos bubbler e os métodos analíticos empregados para a estimativa de alguns poluentes comuns são listados.

(b) meio sólido :

Este método de coleta baseia-se no fato de que quando uma amostra de poeira e gás condensado livre de vapor é passada sobre um leito de adsorvente, tal como carvão ativado / sílica gel ativada, os poluentes presentes na amostra são adsorvidos quantitativamente.

O procedimento adotado para coleta e preservação dos poluentes em uma amostra de gás é passar um volume conhecido de um gás contendo poluente através de um recipiente contendo um leito adsorvente onde os poluentes são retidos nos grânulos adsorventes e a maior parte do gás transportador flui para fora. Após a coleta, o recipiente é selado e levado para um laboratório para análise.

O primeiro passo para a análise dos constituintes adsorvidos é desabsorvê-los quantitativamente aquecendo o recipiente enquanto uma corrente de gás inerte flui através do recipiente a uma taxa moderada. Os constituintes dessorvidos são transportados para um sistema de medição pela corrente de gás inerte.

Um procedimento alternativo para a recuperação quantitativa dos constituintes adsorvidos é extrair aqueles com um volume conhecido de um líquido (um solvente). Posteriormente, as concentrações dos constituintes (poluentes) presentes no extrato líquido são estimadas quimicamente ou com a ajuda de instrumentos adequados.

Com base na discussão até agora, pode-se concluir que os métodos utilizados para monitoramento de poluentes gasosos podem ser classificados em dois grupos:

(i) os métodos instrumentais e

(ii) os métodos químicos.

Os méritos e deméritos desses métodos estão listados na Tabela 3.4.