Análise do Desempenho do Protótipo Arduino com Sensor de pH para
Medições da Qualidade de Água contaminada em Igarapés de Manaus
PH-Sensor Arduino Prototype Performance Analysis for Measurement of
Contaminated Water Quality in Manaus Igarapes
DOI:10.34117/bjdv6n4-259
Recebimento dos originais: 10/03/2020 Aceitação para publicação: 20/04/2020
Adalberto Gomes de Miranda
Doutorando em Ciência e Tecnologia de Materiais - UNESP Instituição: Universidade Estadual Paulista
Endereço: Avenida Eng. Luiz Edmundo Carrijo Coube, 14-01, Bauru – SP. Brasil email: aadalbertomiranda@gmail.com
Alícia Victória Castilho da Silva
Graduanda em Engenharia de Materiais – UEA Instituição: Universidade do Estado do Amazonas Endereço: Avenida Darcy Vargas, 1200, Manaus – AM. Brasil
email: alicia.castilho.ac@gmail.com
Steven Frederick Durrant
Professor Doutor em Física - UNESP Instituição: Universidade Estadual Paulista
Endereço: Avenida Três de Março, 511, Sorocaba – SP. Brasil email: steven.durrant@unesp.br
Genilson Pereira Santana
Professor Doutor em Química - UFAM Instituição: Universidade Federal do Amazonas
Endereço: Avenida Rodrigo Otávio Jordão Ramos, 1200, Manaus – AM. Brasil email: gsantana2005@gmail.com
Adailza Aparício de Miranda
Professora de Espanhol – SEFDUC-AM
Instituição: Secretaria de Estado da Qualidade do Estado do Amazonas Endereço: Rua Waldomiro Lustoza, 250, Manaus – AM. Brasil
email: izaaparicio777@gmail.com
Gustavo Viana de Queiroz
Graduando em Engenharia de Materiais - UEA Instituição: Universidade do Estado do Amazonas Endereço: Avenida Darcy Vargas, 1200, Manaus – AM. Brasil
José Costa de Macêdo Neto
Professor Doutor Engenharia de Materiais - UEA Instituição: Universidade do Estado do Amazonas Endereço: Avenida Darcy Vargas, 1200, Manaus – AM. Brasil
email: jotacostaneto@gmail.com
Edvam Nunes de Oliveira
Professor Doutor em Física - UEA
Instituição: Universidade do Estado do Amazonas Endereço: Avenida Darcy Vargas, 1200, Manaus – AM. Brasil
email: enunes@uea.edu.br
RESUMO
A Bacia Amazônica é a maior do Brasil e retém todo o conjunto de recursos hídricos do maior rio do mundo em volume, Rio Amazonas, sendo aquela, a base da economia regional e nacional. Contudo, devido ao crescimento populacional, explorações contínuas e impactos ambientais, a bacia vem sofrendo mudanças em suas propriedades físicas e químicas, que pode ser retroativamente catastrófico, prejudicando tanto sua fauna e flora, quanto àquelas pessoas que tanto precisam dela economicamente. Como exemplo das mudanças citadas, estão a do pH e a da temperatura, os quais em seus estados normais, mantêm todo sistema equilibrado, mas quando alterados podem afetar o funcionamento branquial de peixes e outros seres aquáticos, prejudicando o equilíbrio osmótico e a respiração, bem como, os animais e vegetais que estão no entorno dos rios e igarapés. O objetivo é o de analisar o dispositivo montado de plataforma Arduino MEGA (até 5 Volts) com sensor de pH, programado no notebook, realizando medições, para obter dados quanto a qualidade da água, de pelo menos três Igarapés de Manaus. Desta forma, a metodologia apresenta o uso da plataforma Arduino com sensores para medir estas propriedades físico-químicas e fornecer dados importantes que contribuirão para a minimização de impactos ambientais.
Palavras-chave: Plataforma arduino; Sensor de pH; Igarapés de Manaus; Qualidade da água;
Impacto ambiental.
ABSTRACT
The Amazon Basin is the largest in Brazil and holds the entire pool of water resources of the largest river in the world by volume, Amazon River, being the base of the regional and national economy. However, due to population growth, continuous exploitation and environmental impacts, the basin has been undergoing changes in its physical and chemical properties, which can be retroactively catastrophic, harming both its fauna and flora and those who need it economically. Examples of such changes are pH and temperature, which in their normal state keep the whole system in balance, but when altered can affect the gill functioning of fish and other aquatic beings, impairing osmotic balance and respiration, as well as the animals and vegetables that are around the rivers and streams. The objective is to analyze the MEGA Arduino platform mounted device (up to 5 Volts) with pH sensor, programmed in the notebook, taking measurements to obtain water quality data from at least three Igarapés from Manaus. Thus, the methodology presents the use of the Arduino platform with sensors to measure these physicochemical properties and provide important data that will contribute to the minimization of environmental impacts.
Keywords: Arduino platform; PH sensor; Igarapés from Manaus; Water quality; Environmental
1 INTRODUÇÃO
A substância água tem um papel fundamental na vida do ser humano que possui em sua massa corporal, aproximadamente, 60%. Os animais e os vegetais dependem da água para sobreviverem e se desenvolverem. A Região Amazônia apresenta a maior bacia hidrográfica do mundo (Águas Amazônicas, 2019; e Ambiente Brasil, 2019), assim como, uma diversidade de ambientes aquáticos reunidos (Da Silva, 2013). O crescimento populacional e impactos ambientais ocorridos, podem estar afetando as mudanças de pH (potencial de Hidrogênio) e de temperatura nas águas de vários locais do meio ambiente amazônico (Nascimento et al, 2007). A degradação nas propriedades da água influencia pela perda de biodiversidade, aumento de doenças, perda de produtividade agrícola e de pesca e aumento do custo no tratamento da água destinada a fins domésticos.
A contaminação das águas podem afetar também os solos com sedimentos nas margens e no fundo (Mota e Santana, 2016), bem como as raízes das plantas que se nutrem pelas águas (Gratão, 2007), haja vista que as contaminações podem ser de origens de poluições químicas e físicas (Pereira, 2004). Assim, ao se obter dados por meio de medições de pH e de temperatura alterados, pode-se realizar planejamentos para fazer tratamentos mais adequados que venham minimizar impactos ambientais nas águas pesquisadas (FUNASA, 2014) por meio de monitoramento com o recurso de Arduino, que se constitui de um dispositivo com uma pequena plataforma eletrônica, com até 5 Volts, possibilita medições com vários sensores, inclusive o de pH e conexão ao notebook para o funcionamento do programa e fornecimento de dados precisos.
Existem os problemas de impactos ambientais por resíduos sólidos urbanos que têm sido detectados em escala mundial, devido a dificuldade de gerenciamento do lixo em diversas áreas urbanas. Estes contaminantes têm causado danos à sociedade e à natureza, prejudicando a qualidade de vida (Pereira & Costa, 2016). Em pesquisas realizadas na cidade de Manaus desde o surgimento da Zona Franca, o acompanhamento e o gerenciamento ambiental não foram satisfatórios, tendo em vista que o desenvolvimento e crescimento populacional que predominou, aumento os despejos de lixos em locais a céu aberto. Os impactos devido à poluição nos igarapés favoreceram a presença de doenças nas famílias que residem naqueles lugares, em que Pereira & Costa (2016) afirmam que existe a contaminação por metais pesados e Mota & Santana (2017) referem que há presença de metais potencialmente tóxicos nos locais.
Pereira & Costa (2016) mostram pelo gráfico da Figura 1, a quantidade de resíduos coletados nos igarapés de Manaus, entre 2013 e 2015, através de informações da Secretaria Municipal de Limpeza Pública (SEMULSP) da seguinte forma:
Figura 1. Resíduos coletados nos igarapés de Manaus
Fonte: Pereira (2016)
O gráfico da Figura 1 mostra que as quantidades de resíduos coletados nos igarapés de Manaus aumentaram, de 2013 a 2014, na faixa de 94 (noventa e quatro) quantidades e de 2014 a 2015, dando um salto para 842 (oitocentos e quarenta e duas) quantidades diversas de resíduos coletados, significando que os impactos foram se agravando anualmente. Esta externalidade negativa ficou a cargo das providências tomadas pelos Órgãos competentes, que tenderam a se mobilizar com gastos de infraestrutura e mão de obra, assim como o tempo usado para minimizar os impactos ambientais, devido ao trabalho na purificação das águas, que fluíram para outros locais e levaram consequências para áreas ainda maiores atingindo grandes números de habitats.
Nas observações de Pereira & Costa (2012) os impactos causados pelos resíduos sólidos urbanos são frequentes nos igarapés de Manaus, os quais chamam de criação das lixeiras viciadas, pela sociedade local, trazendo consequências como doenças. Maia et al (2015) afirmam que os impactos também estão nas nascentes de igarapés em bacias hidrográficas, ao se praticar a agricultura e instalação, bem como expansão das áreas urbanas, causando erosão nas margens e contaminação das águas. Na analise do igarapé do Mindu, na Comunidade Nova Esperança, onde há uma das nascentes, as medições de temperatura, pH e condutividade elétrica, apresentaram valores, respectivos, de T 29,6 ºC a 30,6 ºC , pH 6,6 a 7,7 e Ԑ 0,32 ms/cm, devido ao uso de fertilizantes próximos ao local.
O potencial de Hidrogênio (pH) nas águas dos igarapés tem fundamental importância na basicidade e na acidez das águas, que influencia na vida aquática e terrestre, assim como, no consumo. O gráfico da Figura 2 mostra qual o valor de pH medido na nascente deste igarapé da Comunidade Nova Esperança deve ter, tirando como base o pH = 7,0 (neutro).
7436 7530 8372 6500 7000 7500 8000 8500 2013 2014 2015
Quantidade de Resíduos nos igarapés de Manaus no período de 2013 a 2015
Figura 2. pH no igarapé da Comunidade Nova Esperança em Manaus
Fonte: Maia et al (2012)
Observa-se no gráfico da Figura 2, que os pH nas 11 (onze) medições no sentido do curso da água, que apresentavam acidez (pH=6,6), aumentando para o pH = 7,0 (neutro), oscilando para uma leve redução de pH ácido (pH=6,9), entretanto, a partir de algum ponto nas águas, ocorreram aumentos muito expressivos para pH básicos (alcalinos) entre 7,2 e 7,7, que provavelmente, foram os produtos adicionados nas hortaliças que seguiram pelo curso das águas.
Isto mostra que a preservação ambiental depende da educação ambiental, conforme Vieira et al (2012) ao apresentarem uma abordagem sobre as poluições de alguns igarapés das bacias hidrográficas de Manaus, relacionando a conscientização pela educação ambiental que leva a minimização destes impactos, haja vista que, o crescimento da população acarreta em mais resíduos despejados nos igarapés. Os igarapés pesquisados por Vieira et al (2012) foram os das bacias hidrográficas dos igarapés do São Raimundo, do Educandos, do Tarumã-Açu e do rio Puraquequara, em que cada bacia hidrográfica possui outros cursos de igarapés e os mesmos apresentaram poluentes e contaminantes que afetam toda sociedade.
De acordo com a Acrítica (2017) “todos os igarapés que cortam a cidade de Manaus estão poluídos”. Na reportagem de Silane Souza, do dia 28/08/2017, foi relatado o seguinte:
- Algumas nascentes estão protegidas, mas não tem um igarapé que corta a cidade de Manaus que não esteja contaminado. Mas a situação pode ser revertida, com investimento em saneamento básico e educação ambiental. Quem afirma é o pesquisador do Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia (Inpa) Sergio Bringel, um dos palestrantes do simpósio “Igarapés de Manaus e Saneamento: Cenários e Perspectivas”, realizado ontem pelo Tribunal de Contas do Estado (TCE-AM) (ACRÍTICA, 2017).
Na reportagem apresentada no dia 28/08/2017 mostra que os igarapés de Manaus estão contaminados com diversos resíduos sólidos e por substâncias contaminantes que não aparecem na foto (Figura 3). Relata-se que existem pontos positivos, os quais são algumas nascentes preservadas e que o problema da contaminação pode ser mudado com saneamento básico e educação ambiental,
conforme palestra apresentada por Sérgio Bringel, pesquisador do INPA, no Simpósio “Igarapés de Manaus e Saneamento: Cenários e Perspectivas”.
Figura 3. Leito do igarapé da Matinha, Zona sul de Manaus, tomado de poluição
Fonte: Márcio Silva (2017)
Os igarapés de Manaus necessitam de análises que confirmem quais os tipos de contaminantes, tendo em vista que só podem ser visualizados os resíduos sólidos nos igarapés (Figura 3), que em bora não reverta a contaminação, mas, é possível realizar análises físico-químicas para detectar os elementos potencialmente tóxicos.
O meio ambiente em vários igarapés de Manaus tem sido afetado pelos contaminantes despejados, como no igarapé da bacia hidrográfica do Educandos, em que Torrezani (2016) refere apresentar metais traço originários de formação antrópica, ligados quimicamente por adsorção às superfícies dos sedimentos, deslocando-se pelo curso das águas para outros lugares e fixando-se em outras superfícies pela adsorção, complexação e precipitação. O igarapé do Mindú é um exemplo de meio ambiente impactado por contaminantes oriundos de indústrias e residências (Silva, 2014) que está num parque ecológico contribuindo para a qualidade de vida dos habitantes, bem como pela fauna e flora do ambiente.
Como exemplo de uma das formas de analisar e avaliar a qualidade das águas nos igarapés está no monitoramento ambiental por equipamentos eletrônicos sensíveis à detecção de elementos contaminantes, em que Souza et al (2012) em suas pesquisas contribuíram para avaliação da qualidade das águas com o uso de hardwares e softwares livres, medindo os pH e as temperaturas nas águas no Delta do Rio Parnaíba, com uma área de 27.000 km², em que para a identificação dos resíduos nas águas, tais como metais pesados, foram utilizados equipamentos com sensores de Arduino para monitorar pH e Temperatura.
Para entender melhor, Souza et al (2012) descreve como o sistema Arduino foi utilizado no Delta do rio Parnaíba:
A área monitorada do Delta compreende alguns manguezais do município de Ilha Grande (PI), onde pontos aleatórios serviram de base para inserção do sensor pH-Stamp no meio líquido para fazer a leitura do pH. A leitura em si é feita a partir do pH probe, que é um aparelho sensível aos diferentes pHs de determinada substância. Ele é conectado ao circuito do pH-Stamp através dos pinos GND e BNC. Inicialmente, antes de fazer as leituras diretamente na água da análise, é preciso calibrar o sensor para obter resultados exatos. Essa calibração é feita a partir da leitura do pH de certas soluções, chamadas tampão. Se a leitura desse pH retornar um valor diferente do especificado na solução, implica-se que existem fatores que vão contra ao padrão exigido, como por exemplo a temperatura, que é facultativa sua utilização na leitura, até o ponto em que as soluções trabalhadas tenham temperaturas diferentes de 25°C (SOUZA et al, 2012).
Observa-se que com o sistema Arduino, composto de sensores de pH e de Temperatura, ligados a um computador, pode-se analisar a presença de elementos potencialmente tóxicos nas águas, ou de rios ou de igarapés, e também identificar os tipos de elementos, tais como elementos ácidos ou bases, e metais potencialmente tóxicos.
Conforme a descrição de Pontes (2014):
Arduino é um microcontrolador de placa única projetado para tornar o processo de uso de eletrônicos em vários projetos acadêmicos, tecnológicos, científicos e artísticos mais acessível. Foi criado na Itália em 2005 com o objetivo de oferecer uma plataforma de prototipagem eletrônica de baixo custo e de fácil manuseio por qualquer pessoa interessada em criar projetos com objetos e ambientes interativos. A plataforma Arduino é constituída de uma placa eletrônica (hardware) e de um ambiente de desenvolvimento (software) para criação dos projetos (PONTES, 2014).
A Plataforma de Arduino é uma placa eletrônica de prototipagem que possui algumas entradas e algumas saídas para conexão de sensores e dispositivos computadorizados para análises de dados. Estas entradas e saídas podem ser digitais e analógicas, apresentando ainda, uma conexão para cabo USB. Este dispositivo data a sua criação de 2005, no país da Itália e vem sendo utilizado aos poucos no Brasil.
Com base em pesquisas e referenciais teóricos, este trabalho teve por finalidade analisar um dispositivo montado em plataforma Arduíno com sensor de pH para realizar medições e obter dados que nos permita saber a qualidade da água nos Igarapés selecionados em pontos distantes de Manaus para as coletas planejadas. Assim, foram realizadas as coletas das amostras em três Igarapés de Manaus: Mindú, Municipal e João Bosco.
2 MATERIAL E MÉTODOS
A metodologia foi desenvolvida a partir de estudos bibliográficos, onde se realizaram levantamentos de pesquisas de projetos que utilizaram módulos de pH. Foi utilizado o Arduino
MEGA e realizada da montagem da plataforma Arduíno com os sensores de pH da água, calibrando com a solução tampão, em que no Sensor de pH utilizou-se o pH=7,0 (neutro), pH=3,0 (ácido) e pH=10 (básico), bem como, coleta de dados, apresentação do método de regressão linear simples e construção de gráficos de desempenho dos sensores. Foram aplicados testes experimentais do desempenho do protótipo, coletando os dados em três Igarapés: Mindú, Municipal e João Bosco, verificando os valores de pH para análises e comparações com outros resultados. As pesquisas de campo para coleta das amostras de água foram nestes três Igarapés de Manaus citados. Utilizou-se o programa de Arduino no notebook para a precisão dos dados encontrados e elaboração de gráficos com as respectivas linhas de tendência extraídas das curvas de cada um. E nos dados da programação utilizou-se a média aritmética, Equação (1), para os pH médios de cada Igarapé (Figura 2).
𝑀𝑒 =∑ 𝑥
𝑛 (1)
onde, Me é a média aritmética dos pH, x é o valor de cada pH e n é o número de pH medidos na amostra pelo programa de arduino no notebook.
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figura 4 mostra a montagem dos sensores na plataforma arduino e ao notebook, com a respectiva programação e o sistema ficou pronto para receber as informações dos sensores de pH. Os dados foram obtidos, conforme mostra a Figura 5, através da utilização de sensores de pH na medição da água, com testes nas amostras de soluções com pH diferentes pelo dispositivo Arduíno MEGA, quanto ao adequado funcionamento dos sensores.
Figura 4. a) Processo de montagem do protótipo Arduino para medição de pH conectado ao computador; e b) Processo de calibração dos sensores para medição de pH
Fonte: Autor (2019)
Figura 5. Dados obtidos no notebook na medição de pH pelo sensor ligado ao arduino e respectivas voltagens desenvolvidas no sistema: a) Igarapé do Mindú; b) Igarapé do Municipal; e c) Igarapé do João Bosco
Fonte: Autor (2019)
Figura 6. Análise gráfica comparativa de pH dos três igarapés pesquisados
Fonte: Autor (2019)
Utilizou-se a plataforma arduíno para mensurar pH e verificar alguns parâmetros das condições da água nos três igarapés de Manaus.
Com a melhoria do protótipo, adquirindo novos módulos sensoriais seria possível obter uma análise experimental mais adequada, precisa e detalhada sobre a qualidade da água e do fator da possível presença de metais e outros elementos tóxicos.
4 CONCLUSÕES
O objetivo proposto foi realizado, no que se refere a montagem do sensor de pH, programação do arduino MEGA no Notebook, com respectivo desenvolvimento do programa na plataforma arduino e calibração dos sensores, que foram bem sucedidos, e pelas análises das amostras.
Observa-se pelos valores de pH e de voltagens (entre 2,39 e 2,65V) apresentados pela programação do Arduino no Notebook (Figura 5) que as águas do Igarapé do Mindú, na média aritmética (Equação 1) teve pH 6,385, as do Igarapé do Municipal, teve pH 7,745 e as do Igarapé do João Bosco, teve pH 7,401. Nas observações macroscópicas das águas nos três Igarapés apresentava uma acentuada turvação de águas contaminadas, que já é uma dificuldade de penetração da luz solar no meio aquático, além de vários dejetos e objetos presentes, percebendo-se ainda a presença de alguns animais aquáticos.
O Igarapé do Mindú por apresentar um pH ácido, se aproxima do pH 6,0, ideal para as águas pesquisadas, mas o pH medido, pode também ocorrer por receber produtos químicos ácidos e mantê-lo neste vamantê-lor, entretanto os Igarapés do Municipal e do João Bosco ficaram muito acima dos vamantê-lores de pH normais, ou seja, pH básicos (alcalinos), como observados no gráfico da Figura 6, indicando presença de contaminantes muito intensos que requer uma nova pesquisa, com sensores mais adequados para detecção destes tipos de contaminantes e os elementos químicos que estão presentes, os quais estão causando o impacto ao meio ambiente.
Desta forma, os igarapés precisam de uma gestão ambiental sustentável para a preservação, tendo em vista o crescimento populacional, o habitat natural e o das indústrias/empresas que despejam produtos nas águas. A gestão ambiental se insere também em educação ambiental, estudos de impactos ambientais e pesquisas para detecção de resíduos potencialmente tóxicos leves e pesados.
REFERÊNCIAS
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