Texto

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Química das Águas – parte 1

Prof. Rafael Arromba de Sousa Departamento de Química – UFJF

Março, 2018

QUI163 - QUÍMICA AMBIENTAL

Aula 2:

- Importância da Água

- Substâncias tóxicas na Água

- Processos químicos aquáticos

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DISCUSSÃO TAREFA 1

Meio-ambiente

Biosfera

Poluição

Poluente

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Biorremediação

Biota

Eutrofização

Resíduo e Rejeito

Ciclos

biogeoquímicos

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 MEIO AMBIENTE

Conjunto de condições que afetam a existência, desenvolvimento e bem- estar dos seres vivos

Não se trata apenas de um lugar no espaço, mas de todas as condições físicas (temperatura) , químicas (composição) e biológicas que favorecem ou desfavorecem o desenvolvimento

 BIOSFERA

Conjunto de todas as partes da Terra onde é possível, pelo menos a algumas espécies de organismos, viver permanentemente, alimentar-se e reproduzir-se

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ALGUMAS TERMINOLOGIAS

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 A BIOSFERA

é o conjunto de todos os ecossistemas do planeta

integra os diferentes ambientes aonde os seres vivos habitam

BIOSFERA

Hidrosfera Ambiente líquido (oceanos, lagos, rios)

Atmosfera Camada de ar que

envolve a Terra

Litosfera Camada

superficial, sólida, da Terra,

composta de

rochas e solo 4

ALGUMAS TERMINOLOGIAS

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 POLUIÇÃO

Qualquer substância que possa tornar o ambiente impróprio, nocivo ou ofensivo à saúde, inconveniente ao bem estar público, danoso aos materiais, à fauna, à flora ou prejudicial à segurança, ao uso e às atividades normais da comunidade

Não se restringe somente à ocorrência de doenças no homem, qualquer alteração de um ambiente (ar, água, solo) que resulte em prejuízos aos organismos vivos ou prejudique um uso previamente definido para ele

 POLUENTE

Qualquer substância ou material causador de poluição

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ALGUMAS TERMINOLOGIAS

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CICLOS BIOGEOQUÍMICOS:

Processos físico-químicos responsáveis pelo equilíbrio EXISTENTE entre os diferentes ambientes que compõem a biosfera

Ciclos

biogeoquímicos

Ciclo do oxigênio

Ciclo do enxofre Ciclo do

nitrogênio

Ciclo do carbono

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ALGUMAS TERMINOLOGIAS

A POLUIÇÃO interfere nos CICLOS BIOGEOQUÍMICOS !

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https://nacoesunidas.org/banco-mundial-serao-necessarios-3-planetas-para-manter-atual-estilo-de- 7 vida-da-humanidade/. Acesso em 30-08-16

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INTRODUÇÃO

Água – Importância Histórica ...

Antigo Egito

- Cidades desenvolvidas – próximas a rios

 Demandas domésticas e agrícolas

“PASSADO”

 Demandas energéticas (movimentação de máquinas) - Cortar madeira

- Moer grãos, etc

HOJE

 Processos industriais em geral

 “Solvente universal”

 limpeza e transporte de “todos” os resíduos gerados pelo homem

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Leitura complementar

“Contaminação dos Recursos Hídricos – Histórico”

http://www.ufjf.br/baccan/disciplinas/disciplinas/laboratorio-de-quimica- ambiental-2o-semestre-2012/material-de-apoio/

INTRODUÇÃO

Água – Importância Histórica ...

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INTRODUÇÃO – A água na biosfera

ÁGUA DOCE

- Minas naturais, poços, lagos e rios

 Formas mais acessíveis e utilizadas

- Neve - Geleiras

- vapor atmosférico

- profundidades de acesso difícil

 Formas pouco disponíveis

Água é um recurso natural de valor agregado

Conhecer suas fontes

Identificar propriedades físico-químicas relevantes Fontes (distribuição):

Figura: http://educador.brasilescola.com/estrategias-ensino/a-distribuicao-agua-no-planeta.htm, acessado 09-04-13

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CURIOSIDADE

Uso e Escassez da água

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“Apenas as águas subterrâneas que se encontram a até cerca de 1000 m

de profundidade podem ser

aproveitadas economicamente”.

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INTRODUÇÃO – A água na biosfera

Água é um bem de valor agregado

Conhecer suas fontes

Identificar propriedades físico-químicas relevantes

A água NÃO É ESTÁTICA (Ciclo da água – CICLO HIDROLÓGICO):

- A água circula entre os meios físico e os seres vivos, continuamente

A água evaporada (dos mares, lagos, rios, pântanos, vegetais e animais), alcança regiões mais frias, condensa-se, forma as nuvens e dependendo das condições climáticas, caem na forma de chuvas, neve ou granizo (precipitação)

- Corresponde ao constituinte inorgânico mais abundante na matéria viva (comprovando a importância vital desta substância)

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INTRODUÇÃO – A água na biosfera

 Reconhecer propriedades físico-químicas relevantes A água NÃO É ESTÁTICA (Ciclo da água – CICLO HIDROLÓGICO):

IMPORTÂNCIA DO CICLO DA ÁGUA:

- Distribuição da água (inclui penetração no solo)

- Transporte de poluentes ... 13

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INTRODUÇÃO – A água na biosfera - contexto atual

 Reconhecer propriedades físico-químicas relevantes A água NÃO É ESTÁTICA (Ciclo da água – CICLO HIDROLÓGICO):

Além disso:

O homem INTERFERE no ciclo da água, através:

- Mudanças no seu escoamento natural (barramentos, impermeabilização dos solo)

- Desmatamentos

(alterações nas margens de rios e lagos...)

- etc...

ENCHENTES ...

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INTRODUÇÃO - A água na biosfera

- algumas características

As propriedades físico-químicas mais importantes - CICLO HIDROLÓGICO

- FORMA LÍQUIDA é o estado físico predominante (PF = 0 oC; PE = 100 oC)

- DENSIDADE líquida > DENSIDADE sólida

(recirculação de nutrientes nos reservatórios naturais)

reservatório

outono/inverno

gradiente de densidade

“mistura” vertical

reservatório

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- CICLO HIDROLÓGICO

- FORMA LÍQUIDA é o estado físico predominante - DENSIDADE líquida > DENSIDADE sólida

** Variada - QUÍMICA  COMPOSIÇÃO

** Relacionada à fonte

Exemplos:

1- ÁGUAS SUBTERRÂNEAS

Formações rochosas porosas elementos minerais dessas rochas (aquíferos) (na forma de SAIS - variados)

2- ÁGUAS SUPERFICIAIS

SAIS dissolvidos sódio (NaCl)

INTRODUÇÃO - A água na biosfera e algumas características

diferenças

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COMPOSIÇÃO DAS ÁGUAS –

Classificação geral da Água

A “QUÍMICA” DAS ÁGUAS NATURAIS é complexa e pode ser estudada sobre diferentes aspectos

- DOCES  pelo teor de sólidos

CLASSIFICAÇÃO - SALOBRAS

 pela salinidade - SALGADAS (CONAMA)

(mundial)

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Legislação do CONAMA

 Conselho Nacional do Meio Ambiente

Criou a resolução sobre a “qualidade dos recursos hídricos”

- Data de 1986 - Conama 20 (revogada)

- Alterado pela Resolução 357* de 2005 (vigente)

- Classificação para águas superficiais (critérios de qualidade)

- Caráter prescritivo (uso) e remediativo (estabelece a qualidade)

- Ambas tinham os limites máximos para lançamentos de

efluentes em mananciais, originalmente  AGORA: Resolução CONAMA no 430 de 2011

COMPOSIÇÃO DAS ÁGUAS –

Classificação geral da Água

(*) http://www.mma.gov.br/port/conama/res/res05/res35705 , acessado 12-04-16

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19

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Classificação da água em função dos seus usos – CONAMA 357

Classes estabelecidas de acordo com os níveis de CONSTITUINTES E CONTAMINANTES nos corpos de água

COMPOSIÇÃO DAS ÁGUAS –

Classificação geral da Água

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22 Conama

357

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UM TEMA IMPORTANTE

(INDÚSTRIA & ACADEMIA)

“QUALIDADE x POLUIÇÃO DA ÁGUA”

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... SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA

ORIGEM:

“... A poluição das águas é fruto de determinadas atividades humanas, poluentes alcançam águas superficiais e subterrâneas de formas bastante diversas.”

O aporte pode ser classificado como pontual ou difuso

Fontes pontuais: descarga de efluentes a partir de indústrias e estações de tratamento de esgoto, derramamentos acidentais, atividades de

mineração, etc.

Monitoramento ambiental é importante

Verificar os impactos ambientais

Conferir responsabilidade ao agente poluidor 24

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Fontes difusas: Escoamento superficial urbano, escoamento superficial das áreas agrícolas, trabalhos de construção civil

- São difíceis de serem determinadas:

 podem ser temporárias

 podem ser intermitentes MAS...

Independente do aporte, existem estratégias viáveis para o CONTROLE e REMEDIAÇÃO da poluição:

1) Redução na fonte

2) Tratamento dos resíduos de forma a remover os contaminantes ou ainda convertê-los a uma forma menos nociva

p. ex.: Tratamento de água e esgoto SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA

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 Sabe-se que a água é um dos principais vetores de

transmissão de doenças

Cólera e tifo mataram milhões de pessoas no passado e ainda o fazem ao redor do globo, especialmente nos países subdesenvolvidos

- Causam doenças e morte

- Presentes nos fluidos biológicos dos seres humanos e de animais

SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA

CLASSES:

(*) http://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%B3lera , acessado em 15-05-13

26

Os poluentes aquáticos mais sérios são os microorganismos patogênicos

(bactérias, vírus e parasitas)

Vibrio cholerae (bactéria causadora da cólera) *

1)

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Processo de eutrofização artificial

Descarga de esgoto não tratado e de resíduos agrícolas e industriais

(Biologia)

 O aporte excessivo de nutrientes provoca o crescimento descontrolado de algas

- Geração de biomassa maior do que aquela que o sistema poderia naturalmente controlar

SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA

Outra forma de poluição de águas superficiais, especialmente lagos e reservatórios, é o enriquecimento de nutrientes como

fósforo e nitrogênio

Lago eutrofizado *

* FONTE: http://www.ufrrj.br/institutos/it/de/acidentes/eut.htm , acessado em 15-03-13

27

2)

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1) Crescimento excessivo na população de algas - Aumento na demanda por oxigênio

2) Diminuição nos teores de oxigênio dissolvido - Morte de animais aquáticos (peixes)

- Proliferação de organismos anaeróbios (degradação das algas)

No estágio final do processo, são produzidos compostos mal- cheirosos e altamente tóxicos para a biota local

DEGRADAÇÃO DO CORPO DE ÁGUA

SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA Etapas da eutrofização

FIGURA: http://eutrofizacaodasaguas.blogspot.com.br/2008/01/nossa-primeira-experincia.html , acessada 15-05-13

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Compostos orgânicos sintéticos são produzidos globalmente ao nível de milhões de toneladas !

 Empregados na produção de plásticos, fibras sintéticas, borrachas sintéticas, solventes, pesticidas e agentes preservantes de madeira

 Característica comum: são resistentes à biodegradação

- Estes tipos de compostos são considerados poluentes aquáticos “importantes”

- Preocupação: constituem substâncias às quais a biota aquática não é naturalmente exposta ...

Efeitos destes compostos sobre os mais variados tipos de organismos aquáticos ainda são pouco conhecidos

SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA

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3)

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Muitos deles podem ser mutagênicos, cancerígenos ou ainda teratogênicos

Podem ainda causar disfunções nos rins e fígado, esterilidade e inúmeros problemas de natureza fisiológica ou ainda neurológica...

Exemplos:

1 – Substâncias plásticas em geral

2– Tensoativos que apresentam ligações sulfônicas extremamente resistentes às ações química ou biológica

SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA –

Aspectos toxicológicos

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Exemplos:

1 – Substâncias plásticas de grande utilização doméstico-industrial

2– Tensoativos que apresentam ligações sulfônicas extremamente resistentes às ações químicas ou biológicas

3- Hidrocarbonetos halogenados, como:

- Cloreto de polivinila – PVC (material plástico) - DDT (Pesticida)

- Tetracloroetileno (solvente)

- Bifenilas policloradas (em isolantes elétrico)

Compostos de grande utilização e que por serem

persistentes podem ser encontrados na água do abastecimento público !!

SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA –

Toxicologia e exemplos

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Metais “pesados” - outra classe de substâncias que não se degradam !

ALTA TOXICIDADE !!

Segundo o CONAMA,

O “As” e os metais “pesados” Cd, Pb, Cu, Cr, Hg, Ni e Zn devem ser monitorados nas amostras ambientais

Teores máximos “permitidos” em águas e efluentes

Utilizados em diferentes setores da indústria e são encontrados em pesticidas, medicamentos, pigmentos (tintas, esmaltes para unha) e dispositivos elétricos

SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA

http://cienciahoje.uol.com.br/colunas/terra-em-transe/sobre-mineracao-e-sustentabilidade , acessado 17-03-13

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4)

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33

Cr III x Cr VI

TOXICOLOGIA:

Os elementos são intrinsecamente tóxicos na forma iônica, exceto o Hg (tóxico na forma de vapor), ou, quando ligados a cadeias carbônicas curtas

 O nível da toxidez depende da espécie e da sua forma química (especiação)

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Metais “pesados” - outra classe de substâncias que não se degradam

TOXICOLOGIA:

O nível da toxidez depende da espécie e da sua forma química (especiação)

SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA

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Pesquisa constata excesso de mineral em suplemento alimentar

http://www.ufjf.br/noticias/2016/02/18/pesquisa-constata-excesso-de- mineral-em-suplementos-alimentares/

Para ler “em casa”:

um ex. de exposição cotidiana a metais tóxicos !

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MAS se ânions como o sulfeto também estiverem presentes, o íon Hg(II) irá se depositar nos sedimentos de corpos aquáticos na forma de HgS:

FORMA INSOLÚVEL, NÃO DISPONÍVEL (não apresenta toxicidade)

Os compostos contendo mercúrio (ligações covalentes C-Hg) são muito mais tóxicos para os mamíferos do que os sais simples de Hg(II)

SUBSTÂNCIAS TÓXICAS NA ÁGUA –

Toxicidade dos metais pesados e As

Sais como Hg(NO3)2 são bastante solúveis e se estiverem presentes em água o íon Hg(II) permanecerá em solução:

FORMA SOLÚVEL, DISPONÍVEL (apresenta toxicidade)

 Exemplo de Toxidez versus Especiação

 O contrário ocorre para o As...

Ex: a questão do As em peixes 35

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36 http://www.cdcc.usp.br/quimica/fundamentos/equacoes.html; acessado em 17/03/2015.

A ÁGUA NÃO É APENAS UM RESERVATÓRIO DE SUBSTÂNCIAS QUÍMICAS MAS TAMBÉM UM “GRANDE” REATOR QUÍMICO ...

PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS

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PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS

Os componentes químicos das águas afetam seu uso assim como os poluentes agregados afetam suas características originais

Dois tipos de reações ocorrem usualmente em águas naturais:

1) Reações ácido-base

 As concentrações dos íons inorgânicos dissolvidos na

água são devidas aos fenômenos ácido-base e de solubilidade

2) Reações redox

 Controlam o teor de matéria orgânica dissolvida na água, dependendo principalmente do nível de O2 dissolvido

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 Sistema CO2/Carbonato

- Explica porque o pH da água não é 7,0 (faixa entre 6,0 – 8,0) - Envolve diversas reações de equilíbrio

- Relacionado com o parâmetro de qualidade “alcalinidade” (PARA CASA: buscar definição)

PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS -

A Química Ácido-Base em Águas Naturais

FIGURA

http://portuguese.alibaba.com/product-free/calcium-carbonate-107218325.html , acessado 20-05-13

CO2 (g) + H2O (aq) H2CO3(aq)

( Na água o H2CO3 resulta da reação acima e da decomposição da matéria orgânica ) H2CO3 H+ + HCO3-

CaCO3(s) Ca2+ + CO32-

As rochas calcárias (formadas principalmente por CaCO3) são as principais fontes do íon carbonato, embora o CaCO3 seja pouco solúvel em água:

CO32- + H2O HCO3- + OH-

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1) Reações com oxigênio molecular

PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS -

Reações de oxidação-redução

O2(g) O2(aq)

A concentração de oxigênio dissolvido em água é baixa (8,7 ppm à 25 oC):

Os peixes necessitam de água que contenha pelo menos 5 ppm de oxigênio dissolvido para se manterem vivos

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 Oxigênio molecular se dissolve na água constituindo o agente oxidante mais importante em águas naturais

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Matéria orgânica de origem biológica (plantas mortas e restos de animais) é oxidada pelo oxigênio dissolvido em água

Concentração diminuída ...

CH2O (aq) + O2 (aq) CO2 (g) + H2O (aq)

FUNDAMENTA  “Demanda Bioquímica de Oxigênio” (DBO)

A capacidade da matéria orgânica presente em uma amostra de água natural consumir o oxigênio dissolvido

Um ex. de reação é a oxidação da MATÉRIA ORGÂNICA

Responsável pelo consumo de boa parte da “demanda de oxigênio” na água:

PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS -

Reações de oxidação-redução

Carboidrato (fibras de plantas)

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Pou OUTRO LADO, em algumas situações

A decomposição da matéria orgânica em águas também ocorre de forma anaeróbica:

Quando as bactérias apropriadas estão presentes, a matéria orgânica dissolvida na água decompõe-se sob condições anaeróbicas:

águas estagnadas (pântanos) e na parte inferior de lagos profundos

2CH2O CHBactérias 4 (g) + CO2 (g)

anaeróbicas

matéria orgânica metano dióxido de

carbono

PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS -

Reações de oxidação-redução

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2) Drenagem ácida de minas

Reações que acontecem em minas (carvão) e que contaminam águas subterrâneas

4 FeS2 (s) + 15 O2 + 2 H2O 4 Fe3+ + 8SO42- + 4 H+ pirita

PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS -

Reações de oxidação-redução

 Liberam íons de metais presentes nos minérios

- Interação com o O2 dissolvido na água:

- Dissolução dos metais presentes nos minérios em função do pH da água (valores “ácidos”)

42 FOTO: http://www.jb.com.br/internacional/noticias/2010/11/19/explosao-em-mina-da-nova-

zelandia-deixa-mais-de-30-desaparecidos/. Acessado 30-08-16.

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PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS -

Reações de oxidação-redução

Rio Cipó, em MG, que apresenta águas escuras devido à presença de íons Fe3+

FIGURA:

NASCENTES, C. C.; COSTA, L. M., Química Ambiental, Universidade Federal de Minas Gerais, 2011.

NESSE CASO, conforme a drenagem de águas (inicialmente ácidas) tem seu pH elevado, formam-se precipitados de Fe(OH)3, marrom- alaranjado e que colorem a água em seu curso (evidência física)

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3) Reações envolvendo compostos Nitrogenados

O excesso de nitrato na água potável constitui riscos para a saúde: pode resultar em metemoglobinemia e câncer de estômago

METEMOGLOBINEMIA:

Bebês recém-nascidos ou adultos com uma determinada deficiência enzimática têm a hemoglobina oxidada por nitritos

A absorção e o transporte adequados do oxigênio para as células é impedindo ...

 Os bebês tornam-se azuis (Síndrome do bebê azul), relativamente rara em países desenvolvidos ...

REAÇÃO QUÍMICA :

Níveis de nitrato devem ser baixos na água potável ...

NO3- + 2 H+ + 2 e- NO2- + H2O

íon nitrato íon nitrito

PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS -

Reações de oxidação-redução

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CÂNCER DE ESTÔMAGO:

Íons nitrato na água potável e nos alimentos pode levar à formação de N-nitrosaminas

PROCESSOS QUÍMICOS AQUÁTICOS -

Reações de oxidação-redução

 N-nitrosaminas (Ex: N-nitrosodimetilamina) podem ser encontradas em águas potáveis  POLUENTE IMPORTANTE

(pode ser decomposto por tratamento com UV)

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Referências consultadas

1-

http://qnesc.sbq.org.br/online/cadernos/01/aguas.pdf, acessado 13-11-12.

2–

BAIRD, C., Química Ambiental, Bookman, 2002, p. 441-481.

3–

NASCENTES, C. C.; COSTA, L. M., Química Ambiental, Universidade Federal de Minas Gerais, 2011, p. 1 – 43.

4-

http://www.trojanuv.com/resources/trojanuv//Backgrounder/TrojanOverview_PORT_FINAL.pdf, acessado 17-03-13.

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Imagem

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