APLICAÇÃO DE TÉCNICAS NUCLEARES NOS ESTUDOS DA QUALIDADE DO AR DO MUNICÍPIO DE SETE LAGOAS -MG

APLICAÇÃO DE TÉCNICAS NUCLEARES NOS ESTUDOS DA

QUALIDADE DO AR DO MUNICÍPIO DE SETE LAGOAS -MG

Walter de Brito 2***, J. D. Ardisson 2****

1

Secretaria Municipal Adjunta de Meio Ambiente

Av. Afonso Pena, 4000, 6o andar, CEP 30130-009, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil pgmq@cdtn.br

2

Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear/Comissão Nacional de Energia Nuclear - CDTN/CNEN

*

Serviço de Meio Ambiente e Técnicas Nucleares, **Serviço de Reator e Irradiações, ***Serviço de Tecnologia Mineral, ****Serviço de Materiais e Combustível Nuclear,

3

Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia das Radiações, Minerais e Materiais - CDTN/CNEN Caixa Postal 941, CEP 30123-970, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil

RESUMO

Apesar do inegável potencial sócio-econômico das atividades industriais desenvolvidas no Brasil, o padrão atual de produção não está isento das emissões atmosféricas com altas concentrações de material particulado. As legislações ambiental estadual e federal preceituam as condições de operação de atividades industriais no que se refere às emissões de material particulado, considerando, apenas sua concentração sem contemplar as substâncias que as compõem. Neste contexto, o trabalho em questão apresenta um estudo inicial da presença de metais no material particulado presente na atmosfera fazendo uso de técnicas analíticas, mais especificamente, da análise por ativação neutrônica instrumental método-k0, da difração de raios-X e da espectroscopia

Mössbauer. Os primeiros resultados registram a presença de alumínio, cobre, magnésio, manganês, titânio e vanádio, elementos estes que não possuem limites de emissão estabelecidos em norma jurídica, seja no âmbito municipal, estadual ou federal, e que estão associados, principalmente, aos processos de combustão de derivados de petróleo, erosão do solo e atividades metalúrgicas e de mineração.

1. INTRODUÇÃO

De acordo com a Organização Mundial de Saúde, a poluição atmosférica vem contribuindo de forma significativa para um aumento no número de casos de doenças respiratórias, principalmente nos países em desenvolvimento, onde o controle das emissões atmosféricas é feito de forma precária. Vários estudos [1,2] evidenciam a existência de uma forte correlação entre a ocorrência da poluição atmosférica e a saúde humana como, por exemplo, doenças respiratórias, irritação dos olhos e doenças do coração. Pesquisas [1] demonstram ainda que a poluição do ar pode também causa mutações genéticas devido à fuligem e outros tipos de aerossóis dispersos no ar.

Diversos estudos relacionados a aplicações ambientais e geológicas requerem apenas a caracterização quantitativa de material particulado e a obtenção da sua distribuição granulométrica. Entretanto, apenas estas informações não são suficientes para descrever os processos de dispersão do material particulado na atmosfera. Conseqüentemente, um estudo envolvendo a caracterização qualitativa e quantitativa dos aerossóis atmosféricos requer não apenas a análise granulométrica do material particulado, mas também a determinação da sua composição química. Esta, por sua vez, irá depender da fonte ou origem, bem como da história do seu comportamento na atmosfera, podendo existir centenas de espécies químicas diferentes [3].

Na prática, a qualidade do ar é avaliada por meio da interação entre as fontes de poluição e a atmosfera e pelas condições meteorológicas locais, que determinam uma maior ou menor dispersão dos poluentes presentes [2]. Os compostos nos aerossóis são provenientes das mais diversas fontes naturais ou antropogênicas, podendo ser constituídos por água, amônia, aerossol carbonáceo, nitratos, sais marinhos (NaCl), sulfatos, metais (Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, V, Zn) e outros elementos característicos do solo (Al, Ca, Fe, K, Mg, Mn, Na, Si, Ti) [3,4]. Entre as atividades antropogênicas que causam a degradação do meio ambiente, a indústria siderúrgica ocupa posição importante. No município de Sete Lagoas, Minas Gerais, uma atividade industrial que é característica da região, é a fabricação de ferro-gusa, que em decorrência do seu processo produtivo gera resíduos sólidos tais como escória de alto-forno, finos de minério, finos de carvão (moinha), pó de coletor (pó de balão), dentre outros. Estes materiais, em sua maioria, são armazenados a céu aberto no próprio pátio da empresa. Segundo os relatórios técnicos das empresas, esses resíduos têm elevados teores de ferro, com exceção do carvão vegetal, e contém pequenas concentrações de óxidos de alumínio, cálcio, magnésio, manganês e silício. É importante ressaltar que a região de Sete Lagoas está localizada nas proximidades do Quadrilátero Ferrífero que possui importantes jazidas de minério de ferro hematítico e itabirítico de alto teor (Fe > 60%).

Visando caracterizar o ar atmosférico da cidade de Sete Lagoas, está sendo desenvolvido um projeto em conexão com o Programa de Monitoramento de Qualidade do Ar implantado pela Secretaria Municipal de Meio Ambiente e Agricultura em parceria com a Fundação Estadual de Meio Ambiente (FEAM) e o Sindicato das Indústrias do Ferro no Estado de Minas Gerais (SINDIFER). O monitoramento já está sendo realizado desde 1999, entretanto apenas a concentração de material particulado presente na atmosfera tem sido medida. Este controle avaliação é previsto pelas legislações ambientais estadual e federal [5,6], porém, em relação aos padrões de emissão de particulados, não há limites de concentração de elementos químicos para esse material. Este projeto visa, então, fornecer dados de concentração elementar e composição química do material particulado, complementando a avaliação da qualidade do ar da região.

Face ao cenário apresentado, este trabalho, no qual são apresentados os primeiros resultados obtidos em material particulado e em resíduos, tem como objetivos: i) a determinação de elementos químicos nas partículas totais em suspensão na atmosfera pela análise de ativação neutrônica e ii) a determinação da composição de resíduos sólidos gerados pelas mineradoras e indústrias de produção de ferro-gusa a carvão vegetal localizadas no município de Sete Lagoas por difração de raios-X e espectroscopia Mössbauer.

2. METODOLOGIA 2.1. Amostras em Estudo

Dentre as estações de monitoramento da qualidade do ar em funcionamento na cidade de Sete Lagoas, foi escolhida a estação denominada Pronto Socorro, situada ao lado do Pronto Atendimento de Saúde do município. As coletas vem sendo realizadas nesta estação desde 1999. Os resultados obtidos indicam que os níveis de concentração de material particulado na atmosfera são elevados, com picos de desconformidade com a legislação ambiental vigente [6].

No planejamento do experimento foram definidos, basicamente, 03 (três) tipos de amostras. Uma diz respeito ao material particulado presente na atmosfera e as outras aos resíduos sólidos oriundos das plantas de produção e ao solo local. Vale salientar que a emissão de material particulado pelas indústrias locais e as partículas provenientes do processo de erosão do solo são as principais fontes que podem contribuir para a poluição atmosférica na região em estudo.

2.2 Coleta das Amostras

As amostras de material particulado suspenso no filtro foram coletadas isocinéticamente por equipamentos com coletor de pó equipado com filtro específico segundo normas técnicas da Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT [7]. Para isso, foi utilizado amostrador de alto-volume usando filtros de celulose. A vazão média do amostrador de ar foi de 1,17m3 min-1. O período de amostragem foi de 30 dias, com um ciclo de 24 horas, porém com troca de filtro a cada 12 horas.

As amostras dos resíduos sólidos e de solo foram obtidas em parcelas individuais, em pontos e profundidades diferentes. O objetivo foi obter uma amostra composta com as mesmas características e propriedades da massa total do resíduo amostrado, de acordo com as recomendações da ABNT [8]. Em laboratório, mantendo a temperatura encontrada em campo, as amostras foram quarteadas até a obtenção do volume desejado para cada técnica analítica utilizada.

2.3 Técnicas Analíticas Aplicadas 2.3.1 Amostras de material particulado

Visando a determinação elementar, as amostras foram analisadas por ativação neutrônica intrumental, tendo sido aplicado método k0 monopadrão. É um método em que as concentrações elementares são calculadas utilizando-se constantes como o k0 já determinado para cada radionuclídeo, parâmetros do reator e equações específicas [9].

As amostras de filtro de celulose foram cortadas, pesadas e acondicionadas em tubos de polietileno próprios para a irradiação. As irradiações foram realizadas no reator nuclear de pesquisa TRIGA MARK-I IPR-R1, localizado no CDTN/CNEN, com fluxo de nêutrons térmicos de 6,6x1011 nêutrons cm-2 s-1 a 100 kW. Para a determinação dos elementos, cada amostra foi irradiada por 4 minutos – visando a determinação dos elementos cujos radionuclídeos são de meias-vidas curtas menores do que 12 horas – e por 8 horas, para serem determinados os de meias-vidas longas, maiores do que 12 horas. Neste trabalho, entretanto, serão reportados os elementos determinados em uma alíquota de cada filtro após a irradiação de 4 minutos. Após tempo de espera de 1 minuto foi executada a espectrometria gama em um detector HPGe com 15% de eficiência nominal e FWHM de 1,85 keV para a energia de 1332 keV do 60Co, acoplado a microcomputador por eletrônica apropriada e programa de análise de espectros Maestro®, ORTEC. Através do programa Hyperlab-PC, os espectros gama foram analisados e as concentrações dos elementos foram obtidas através da equação fundamental do método [10,11].

2.3.2 Amostras de resíduos sólidos e solo

Para estas matrizes, foram aplicadas duas técnicas de análise: a difração de raios-X e espectroscopia Mössbauer.

A difração de raios-X forneceu informações quanto à composição química dos minerais e a quantificação das fases cristalinas dos materiais. Utilizou-se um difratômetro de raios-X, semi-automático, com monocromador de cristal curvo de grafite, tubo de raios-X de Cu e com interface informatizada para obtenção de dados digitais. A identificação de fases cristalinas / minerais foi obtida por comparação do difratograma de raios-X das amostras com o banco de dados da ICDD – International Center for Diffraction Data [13]. Uma solução de álcool foi utilizada como aglutinante do resíduo durante o processo de preparo das amostras. O uso da espectroscopia Mössbauer de 57Fe [14] permitiu identificar e quantificar os compostos ferrosos presentes na amostra. Esta técnica é baseada no fenômeno de absorção ou emissão ressonante nuclear de raios gama sem perda de energia por recuo. Medidas quantitativas de parâmetros, como o deslocamento isomérico, o desdobramento quadrupolar elétrico e o campo magnético hiperfino, podem ser utilizados para distinguir entre os diferentes estados de oxidação do Fe em vários sítios estruturais de um composto e detectar óxidos de Fe de diferentes tamanhos de partículas. Para aplicação da técnica, as amostras de resíduos sólidos foram submetidas à concentração magnética do material de forma a otimizar o tempo demandado na análise e emissão dos espectros, que foram medidos à temperatura ambiente.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Tabela 1 mostra os primeiros resultados da análise por ativação neutrônica das amostras de filtros de celulose. O erro associado foi calculado tendo por base o erro fornecido pelo programa Maestro®. Os resultados indicam que a composição química do material analisado é bastante diversa, observando-se que o Al é o principal constituinte do material particulado em suspensão.

Tabela 1. Concentração elementar em filtro de celulose, 24 horas de coleta Filtro de Celulose

(µg m-3

) Elemento

Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Amostra 4 Amostra 5 Al 10,6 ± 0,1 11,48 ± 0,03 7,04 ± 0,04 10,51 ± 0,03 9,90 ± 0,03 Cl 5,0 ± 0,2 3,7 ± 0,1 2,6 ± 0,1 3,3 ± 0,1 2,8 ± 0,1 Cu 0,32 ± 0,02 0,58 ± 0,03 0,76 ± 0,03 0,92 ± 0,04 1,14 ± 0,04 Mg 0,7 ± 0,1 2,0 ± 0,2 2,6 ± 0,3 1,3 ± 0,1 2,4 ± 0,2 Mn 0,147 ± 0,003 0,197 ± 0,004 0,154 ± 0,002 0,15 ± 0,01 0,212 ± 0,004 Na 0,34 ± 0,04 ND ND ND ND Ti 0,45 ± 0,04 0,7 ± 0,1 45 ± 10 0,70 ± 0,04 0,32± 0,03 V 0,0122 ± 0,0005 0,016 ± 0,001 0,0097 ± 0,0004 0,0088 ± 0,0003 0,0095 ± 0,0005 ND, Não Detectado

Na Tabela 2 são apresentados os resultados das análises de espectroscopia Mössbauer e difração de raios-X para a identificação das fases cristalinas ou constituintes minerais dos resíduos sólidos. Estes resíduos são provenientes de uma indústria de produção de ferro-gusa a carvão vegetal (finos do minério, finos de escória, pó de balão e pó do pátio de produção de ferro-gusa), proveniente da poeira sobre o asfalto e do solo superficial da estação de amostragem de qualidade do ar onde foram realizadas as coletas de material particulado em suspensão. Observa-se que a fase cristalina predominante nos resíduos da indústria é a Hematita, seguida de Goethita, minérios de ferro.

Tabela 2. Identificação das fases cristalinas Difração de Raios-X Amostra Espectroscopia Mössbauer Predominante (>30%) Maior (<30%) Menor (<10%) Minoritário (<3%)

Finos do minério Hematita e

Goethita Hematita

-Calcita, Gibbsita,

Goethita, Quartzo Caolinita, Magnetita

Finos de escória

Hematita, Goethita e Magnetita

Amorfa Quartzo Rutilo

Anatásio, Calcita, Ferro, Hematita, Magnetita, Wustita Pó de balão Hematita, Goethita e Magnetita Hematita - Calcita Quartzo Gibbsita, Goethita, Magnetita Moscovita Pó do pátio de produção de ferro-gusa Hematita, Goethita e

Magnetita Quartzo Hematita Calcita

Albita, Caolinita, Goethita, Gibbsita, Magnetita, Microclina, Moscovita, Portlandita Poeira sobre o asfalto Hematita, Goethita e Magnetita

Quartzo Calcita Goethita, Hematita, Microclina Albita, Magnetita, Moscovita Poeira sobre o piso da estação de monitoramento Hematita, Goethita e Magnetita Quatzo Calcita Microclina Caolinita, Gibbsita, Goethita Dolomita, Hematita, Magnetita, Moscovita 4. CONCLUSÕES

As técnicas analíticas aplicadas neste trabalho, ativação neutrônica instrumental, espectroscopia Mössbauer e difração de raios-X se mostraram adequadas para as matrizes estudadas. A ativação neutrônica confirmou sua característica de técnica multi-elementar, determinando diversos elementos em extensa faixa de concentração. Os resultados dos resíduos apresentados pela espectroscopia Mössbauer estão em concordância com os obtidos pela difração de raios-X, indicando principalmente os compostos de ferro (Hematita, Goethita e Magnetita), e de silício (Quartzo).

Em relação ao aerossol atmosférico, os resultados preliminares indicam que a constituição do material particulado é diversificada, sugerindo ressuspensão de solo e de material particulado proveniente das indústrias locais. A influência das indústrias de ferro-gusa será verificada

com mais detalhes em análises posteriores onde será determinada, principalmente, a presença de ferro. As mesmas técnicas serão aplicadas a esta matriz.

Em continuação a este trabalho, as técnicas analíticas mencionadas já estão sendo aplicadas às amostras de material particulado inalável que já foram coletadas em filtro de micro-sílica. Amostras de resíduos de outras indústrias da região (mineradoras, concreteira, etc.) também serão coletadas e submetidas a análise.

REFERÊNCIAS

1. World Health Organization (WHO) “Guidelines for Air Quality”. Geneva. (1999). 2. Godish, T. “Air Quality”, Lewis Publishers, New York. (1997).

3. Artaxo, P. “Modelos Receptores aplicados à determinação de fontes de aerossóis remotos”. Tese de Doutorado. Instituto de Física da Universidade de São Paulo. (1985). 4. Landsberger, S. & Creatchman, M. Elemental Analysis of Airborne Particles (Advances

in Environmental, Industrial and Process Control Technologies). Gordon and Breach Science Publishers, Amsterdam, The Netherlands. (1999)

5. Conselho Nacional de Meio Ambiente –CONANA, “Dispõe sobre padrões de qualidade do ar” , resolução no 03. (1990)

6. Conselho de Política Ambiental do Estado de Minas Gerais – COPAM, “Dispõe sobre padrões de emissões de poluentes no ar ...”, Deliberação Normativa COPAM 10. (1986) 7. Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT. – “Material particulado em

suspensão no ar ambiente – Determinação da concentração total pelo método do amostrador de grande volume – método de ensaio”; NBR 9547. São Paulo.(1986)

8. Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT. - ¨”Amostragem de Resíduos – Procedimento”; NBR 10007. São Paulo. (1987)

9. F. De Corte, The k0 - standardisation method; a move to the optimisation of neutron activation analysis, Ryksuniversiteit Gent, Faculteit Van de Wetenschappen, (1986). 10. Simonits, J. Ostor, S. Kalvin, B. Fazekas, “HyperLab: A new concept in gamma-ray

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11. M. Â. B. C. Menezes, C. V. S. Sabino, M. B. Franco, G. F. Kastner, E. H. Montoya Rossi, “k0-Instrumental Neutron Activation establishment at CDTN, Brazil: a successful story”. J. Radioanal. and Nucl. Chem., 257, pp 627-632 (2003)

12. Snyder, R. L., X-ray Characterization of Materials. Willey-VCH.(1999)

13. Joint Committee on Powder Diffraction Standards – JCPDS / International Center for Diffraction Data-ICDD, Alphabetical Indexes, Powder Diffraction File, Sets 1-52, Pennsylvania:JCPDS / ICDD, (2003).

14. Homonnay, Z., Music, S.,Nishida, T., Kopelev, N. S., Vértes, A, Mössbauer Spectroscopy of Sophisticated Oxides. Akadémiai Kiadó, Budapest. (1997)