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Técnicas Espectroscópicas para Detecção e Monitoramento de Poluentes Atmosféricos

L. P. SOSMAN1, DSc., R. J. M. da FONSECA1, DSc., A. DIAS TAVARES Jr.1, DSc.

A. R. R. PAPA 1,2, DSc., C. A . VIEIRA3,4 DSc, C. A. FERRARI3, DSc.

1UERJ – Universidade do Estado do Rio de Janeiro

sosman@uerj.br, rauljose@uerj.br, tavares@uerj.br

2 Observatório Nacional

papa@on.br

3 UNISAL - Centro Universitário Salesiano de São Paulo, Curso de Engenharia Ambiental

carlos.ferrari@am.unisal.br

4UNICAMP - Faculdade de Engenharia Mecânica/FEM

c. a . vieira@terra.com.br

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Técnicas Espectroscópicas para Detecção e Monitoramento de Poluentes Atmosféricos

RESUMO

O termo poluição é utilizado para designar a “contaminação e conseqüente degradação

do meio natural, causada por agentes químicos, detritos domésticos, industriais e outros”. A

poluição atmosférica é causada principalmente pela presença de partículas sólidas e gases

tóxicos. Estes resíduos, que não são absorvidos pelo ecossistema, estão diretamente

relacionados com a alta antropia. Os principais geradores deste tipo de poluição são os

processos de combustão, que geram na atmosfera poluentes tais como, dióxido de carbono,

óxidos de nitrogênio e enxofre, hidrocarbonetos e fuligem. O controle ambiental depende

basicamente do estabelecimento das relações de causa e efeito entre a presença de agentes

químicos atmosféricos e a efetiva geração de poluentes, do desenvolvimento de técnicas e

processos científicos para qualificação e quantificação dos agentes poluentes e da elaboração de

projetos de Lei e regulamentos para implantação das normas internacionais vigentes. As

técnicas espectroscópicas de detecção de espécies utilizam basicamente uma propriedade que a

matéria apresenta, a de absorver radiação eletromagnética. O espectro de absorção da radiação

é único para cada espécie, revelando com precisão os tipos de moléculas presentes em um

volume de ar qualquer. Este trabalho apresenta alguns destes métodos e resultados associados.

Palavras-chave: meio ambiente, poluição atmosférica, técnicas espectroscópicas.

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ABSTRACT

The term pollution is used to denominate the "contamination and consequent

degradation of the natural ambient, caused by chemical agents, domestic, industrial residues

and others". The atmospheric pollution is mainly caused by the presence of solid particles and

toxic gases. These residues, that are not absorbed by the ecosystem, are directly related with the

high antropy. The main generators of this type of pollution are the combustion processes, that

generate in the atmosphere pollutants such as, dioxides of carbon, oxides of nitrogen and

sulphur, hydrocarbons and soot. The ambient control depends basically on the establishment of

cause effect relations between the presence of atmospheric chemical agents and the effective

generation of pollutants, of the development of techniques and scientific processes for

qualification and quantification of the pollutant agents and the elaboration of projects of Law

and regulations for implantation of the effective international norms. The spectroscopic

techniques of species detection basically use a property that the substance presents, to absorb

electromagnetic radiation. The absorption spectrum of the electromagnetic radiation is unique

for each species, disclosing with precision the types of molecules in an air volume. In this work

we will present some of these methods and their results.

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1. INTRODUÇÃO A existência de poluentes na atmosfera pode ser detectada através de técnicas diversas,

sendo cada uma delas mais apropriada para um tipo de poluente. As técnicas espectroscópicas

utilizadas para a detecção de moléculas utilizam basicamente a propriedade que a matéria viva

ou inerte apresenta: a capacidade de absorver luz. A quantidade da luz absorvida pela

substância depende do número de moléculas interpostas na trajetória da luz e também de

características particulares de cada molécula. Algumas das técnicas usadas são: espectroscopia

optogalvânica em chamas, espectroscopia fotoacústica de misturas gasosas, espectroscopia de

absorção de laser de diodo sintonizável (TDLAS), espectroscopia no infravermelho por

Transformada de Fourier dentre outras.

Um dos produtos dos processos de combustão é a fuligem. Na queima, átomos de

carbono provenientes do combustível reagem com átomos de hidrogênio de outros elementos,

formando os hidrocarbonetos, que se combinam para formar a fuligem. Estas partículas unem-

se, formando cadeias de fuligem visível. A redução da fuligem é importante nos casos em que

degrada o meio ambiente. É nefasta ao organismo humano. Porém em determinados aspectos

existe um interesse em acelerar a sua formação para intensificar o mecanismo de transporte de

calor, como por exemplo, em fornalhas. A presença de metais alcalinos e alcalinos terrosos na

chama pode reduzir ou acelerar a formação da fuligem. A espectroscopia optogalvânica pode

ser utilizada para a avaliação da presença destes metais durante a combustão. O efeito

optogalvânico, provocado por um feixe laser ressonante incidente na chama, causa uma

intensificação da ionização dos metais presentes no processo de queima. Esta ionização gera

uma corrente elétrica cuja intensidade dependente da concentração do metal na chama, sendo

capaz de detectar traços de até ppm (partes por milhão).

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A espectroscopia fotoacústica (PAS) é uma técnica sensível para a detecção por

absorção óptica de espécies moleculares em baixas concentrações em misturas gasosas com

pressões mais altas, como por exemplo, poluentes na atmosfera e subprodutos da queima de

combustíveis. Esta técnica consiste basicamente na incidência de um feixe com a amplitude

modulada na amostra gasosa confinada em uma câmara contendo um microfone. A radiação

absorvida provoca o aquecimento, também modulado, do gás. A expansão do gás gera um sinal

acústico no microfone, onde se transforma em sinal elétrico. A intensidade deste sinal em

função do comprimento de onda incidente produz o chamado espectro fotoacústico.

A técnica de TDLAS (“Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy”) é utilizada

principalmente para detecção de gases tais como CO e CO2 provenientes de veículos, CF4 e

C2F6, dentre outros traços. O aparato experimental básico utiliza um diodo laser como fonte

da luz que incidirá na mistura gasosa e que será absorvida pela mistura. O semicondutor

possui condutividade elétrica com valor intermediário entre a condutividade do condutor e

a do isolante. Uma corrente elétrica é aplicada ao diodo e este emite um feixe de luz e seu

comprimento de onda pode ser modificado, isto é, sintonizado, dentro de um pequeno

intervalo variando-se o potencial elétrico e a temperatura do diodo. O feixe de luz incidente

atravessa a amostra a ser estudada e é detectado por um sensor de semicondutor, que gera

um sinal elétrico, que filtrado e amplificado, é registrado.

A espectroscopia no infravermelho por Transformada de Fourier é utilizada para

estudo de espécies que absorvem luz transformando sua energia em vibrações moleculares.

As bandas moleculares são características de cada ligação química específica e por isso a

técnica é bastante apropriada para moléculas orgânicas. Na combustão de hidrocarbonetos

existem muitas reações intermediárias, e as espécies moleculares e atômicas, íons e radicais

podem ser identificadas, embora a determinação da totalidade das espécies presentes seja

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extremamente difícil, pois algumas possuem tempo de vida muito curto. Os produtos que

surgem em maior quantidade são o CO, CO2, H2O, CHO+, H3O+ e C3H3+.

Em resumo, as técnicas aqui apresentadas objetivam diagnosticar os processos

geradores de poluição ambiental oferecendo suporte para o desenvolvimento de processos

científicos que permitam a previsão, o monitoramento e a conseqüente redução da

concentração de poluentes dispersados na atmosfera.

2. BREVE DESCRIÇÃO DA METODOLOGIA DAS TÉCNICAS ESPECTROSCÓPICAS.

Entre as várias técnicas de espectroscopia usadas no estudo dos poluentes realçamos as

mais conhecidas e que apresentam resultados mais significativos.

2.1. Espectroscopia Optogalvânica em Chamas

A espectroscopia optogalvânica é uma excelente técnica para a investigação de

produtos de queima (Stewart & Lawler). Com esta técnica podemos determinar quanto e como

uma indústria, que utiliza a queima nos seus processos industriais, ou para a destruição de

rejeitos produzidos neste processo, está poluindo. A metodologia consiste na realização de

ensaios no laboratório em pequena escala, destes processos. Os resíduos gerados, líquidos ou

sólidos, estes reduzidos a pó, são diluídos em água deionizada e destilada, livre de impurezas,

em uma quantidade pré-determinada. Esta solução é nebulizada na chama. Simultaneamente

um feixe laser sintonizável é direcionado sobre a chama. Absorvido por alguns elementos

químicos presentes libera elétrons que serão captados pelos eletrodos posicionados

paralelamente à chama, gerando uma corrente elétrica. Desta forma o comprimento de onda do

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laser incidente que desencadeia o processo elétrico permitirá determinar a presença da

substância.

Paralelamente, as características da chama permitem também identificar os diversos

produtos da queima. A chama, o conhecido “plasma tênue”, é um ambiente rico em íons

produzidos por reações altamente energéticas entre os seus componentes. Estas reações

químicas produzem o calor que é difundido para as regiões da chama e por isso são chamadas

reações exotérmicas. Características da chama tais como temperatura, cor e produtos da

queima, são determinadas pelos gases e metais presentes. O esquema da montagem do

experimento para a espectroscopia optogalvânica é mostrado na Figura 1 abaixo.

Figura 1- Aparato experimental para a realização de espectroscopia optogalvânica em chamas.

Os componentes são: 1. Laser de Ar+, 2. Feixe de laser Ar+, 3. Laser de Corante, 4. Modulador

de amplitude, 5. Controlador do modulador, 6. Feixe de corrente modulado em amplitude, 7.

Sistema queimador-nebulizaor, 8. Amostra, 9. Fonte de tensão, 10. Picoamperímetro, 11.

“Lock-in”, 12. PC, 13. Disco girante do modulador, 14. Sistema queimador-nebulizador em

detalhes.

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O processo básico é descrito a seguir. Um laser de Argônio (item 1 da Figura 1) emite

um feixe contínuo de luz com comprimento de onda igual a 514 nm (região verde do espectro

visível, item 2) Esta luz incide no laser de corante sintonizável (item 3). Este feixe incide no

laser pode emitir em um grande intervalo de comprimentos de onda na região do visível. Um

comprimento de onda é selecionado através de um dispositivo apropriado e o feixe emerge em

direção ao modulador eletromecânico (item 4), que modula a amplitude de luz e funciona da

seguinte forma. O feixe contínuo incide frontalmente no disco que possui orifícios (item 13) e

que gira com uma freqüência pré determinada. Este equipamento tem o efeito de interromper

e liberar o feixe (item 6) sucessivamente (modulação em amplitude). A freqüência deste

“acende- apaga” é enviada pelo controlador do “modulador ” na forma de um pulso elétrico

para a entrada de referência do amplificador “lock-in” (item 11). Este instrumento tem três

conexões. A uma delas conecta-se a entrada do sinal, que é a corrente gerada no sistema

queimador - eletrodos (itens 7 e 14), e a outra é uma saída para um PC, onde serão

armazenados os dados (item 12). Uma corrente elétrica adicional é gerada na chama quando o

laser incide e arranca um elétron de um átomo de metal presente. A corrente é coletada nos

eletrodos, que estão submetidos a uma tensão aplicada pela fonte (item 8). Este sinal é lido no

amperímetro (item 10) e enviado ao “lock-in”, que é basicamente um amplificador retificador

de sinais elétricos. O “lock-in” compara o sinal que chega ao amperímetro com o sinal

proveniente da referência (item 5). Apenas o sinal de freqüência igual ao sinal de referência

será amplificado, retificado e registrado no PC, isso é importante para separar o sinal do ruído

superposto ao mesmo.

Alguns resultados obtidos por essa técnica podem ser vistos na Figura 2 (Sosman,

1989). Nesta figura mostramos o sinal optogalvânico de uma solução de água destilada com 10-

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6g/l de sódio em chama bombeada com laser de 15 mW de potência. A medida foi feita com a

solução sendo nebulizada em uma chama de ar-acetileno (razão de 10 para 1, temperatura de

2500 K), em um queimador–nebulizador de fenda simples (Perkin-Elmer, modelo 303), que

produz uma chama estacionária e plana. O fluxo de amostra é constante (0,015 l/minuto). O

sinal elétrico foi captado por um par de eletrodos de tungstênio toriado, de 150 mm de

comprimento e 1 mm de diâmetro, conectados à uma fonte de tensão estabilizada (Keithley

Instruments, modelo 246) e um picoamperímetro (Keithley Instruments, modelo 610). O laser

incidente na chama é de corante, usando Rodamina 6G (Coherent Radiation, modelo 490), com

intervalo de emissão entre 565 e 660 nm, bombeado por laser de argônio

iônico (Coherent Radiation- 8). O sinal foi amplificado e retificado em um “lock-in”

(Princeton Applied Research, modelo 5101). O comprimento de onda do laser é varrido sobre

Figura 2 - (Sosman, 1989). Nesta figura podemos observar o sinal optogalvânico de uma

solução de água destilada com 10-6g/l de sódio em chama bombeada com laser de 15 mW de

potência.

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o intervalo de emissão, enquanto o laser incide na chama.

Quando a radiação emitida tem o comprimento de onda igual a 589 nm, observamos o

primeiro pico (mais intenso). Quando o comprimento de onda do corante é 589,5 nm

observamos o segundo pico. Isto ocorre porque a radiação incidente é ressonante com o

dubleto do sódio. Quando o átomo de sódio é excitado por esses comprimentos de onda, sofre

Figura 3 – (Sosman, 1989) Sinal optogalvânico em função da concentração de sódio na

amostra.

ionização e assim a corrente elétrica na chama sofre súbita intensificação.

A Figura 3 (Sosman, 1989) apresenta um histograma da intensidade do sinal em função

da concentração do sódio na chama, para a linha 589 nm do dubleto. O sinal é decrescente com

a diminuição da concentração do metal alcalino na solução, porém ainda assim o sistema é

eficiente para a detecção de traços de espécie. Esta técnica é utilizada para átomos ou

moléculas com energia de ionização igual à energia do laser incidente. Este exemplo foi dado

com medidas de átomo de sódio, porém pode ser realizado com outras espécies para a detecção

de traços da mesma.

Todos os dados foram normalizados pela resposta instrumental.

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2.2. Espectroscopia Fotoacústica de Misturas Gasosas

A espectroscopia baseada no efeito fotoacústico, é uma técnica precisa para a

determinação da quantidade de espécies presentes em misturas gasosas e também em

sólidos, líquidos e materiais biológicos (Rosencwaig, 1980). Os principais geradores de

poluição atmosférica são os processos de combustão, que produzem, entre outros, óxidos de

nitrogênio (NOx), enxofre, hidrocarbonetos e fuligem.

O efeito fotoacústico foi descoberto por A. Graham Bell em 1880. Ele observou que

um sinal acústico (som) era gerado quando um feixe solar modulado em amplitude era

focalizado sobre uma amostra colocada em uma cápsula transparente fechada. Bell (1881)

observou que a luz absorvida pela amostra dependia da natureza desta e era responsável

pela produção deste sinal acústico.

A Figura 4 exibe uma montagem utilizada para espectroscopia fotoacústica de

amostras gasosas. O laser (item 1 da figura), tem o seu feixe modulado por um modulador

(item 2) e este feixe, modulado em amplitude, incide na célula fotoacústica através de uma

janela óptica colocada em sua extremidade (item 4). Esta célula tem um microfone (item 5)

e dois dutos, um para entrada da mistura gasosa e outro para conexão da bomba de vácuo.

A radiação é absorvida pelas espécies moleculares presentes na mistura gerando uma onda

de pressão modulada no gás. Esta diferença de pressão atinge o microfone, que gera então

um sinal elétrico de freqüência igual ao da modulação. Este sinal é introduzido no “lock-

in” (item 6 da Figura 4), que compara, amplifica e retifica o sinal de freqüência dada pelo

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modulador (item 2, Figura 4). A intensidade deste sinal em função do comprimento de

onda da radiação incidente é o sinal fotoacústico (Rosencwaig , 1980).

Antes que o gás investigado seja confinado na célula é feita uma limpeza desta com

uma bomba de vácuo, para que todas as espécies espúrias sejam retiradas. Assim podemos

garantir que todo o sinal detectado se origina efetivamente na amostra estudada. O

funcionamento dos demais componentes é idêntico ao do item 2.1. Quando a mistura

analisada é combustível, o laser utilizado é o de CO2, que emite na região do infravermelho

(Young,1992). Diversos trabalhos foram desenvolvidos com a utilização da técnica

fotoacústica para a detecção de poluentes gerados por combustíveis. Uma das formas de se

conhecer o potencial como poluente de um combustível é se determinar os seus

componentes. Lima (1988) obteve sinais fotoacústicos para a gasolina pura, para o etanol

puro e para diversas misturas gasolina-etanol, variando as frações do álcool. Com isso é

possível relacionar o sinal fotoacústico obtido com a fração de álcool adicionado à gasolina,

estabelecendo mais um processo científico para a determinação da qualidade do

Figura 4 – Sistema de obtenção de sinal fotoacústico em uma mistura gasosa. Os

componentes são:1.Laser de CO2 2. ”Chopper”, 3.Controlador do “chopper”, 4.Célula

fotoacústica, 5 . Microfone, 6.“lock-in”, 7. PC.

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combustível comercial. Na Figura 5 exibimos o sinal fotoacústico corrigido pela potência

do laser incidente. O gráfico apresenta resultados disponíveis na literatura (Lima, 1988).

Nesta referência foi utilizado o laser de CO2 para excitar uma amostra de vapor de gasolina.

Cada uma das linhas de emissão do laser de CO2, no intervalo entre 9,0 e 11,4 m, foi

sintonizada e focalizada na amostra. Para cada uma dessas linhas de emissão mediu-se

Figura 5 – (Lima, 1988) sinal fotoacústico corrigido pela potência do laser incidente obtido

para uma amostra de vapor de gasolina pura.

o sinal fotoacústico. As moléculas presentes foram identificadas pela absorção da radiação

do feixe laser.

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2.3. TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)

A técnica de TDLAS (“Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy”) é utilizada

para detecção de traços de gases. Estes gases são o O2, HF, HCl, NH3, CO, H2O, CO2, CH4,

H2S, HCN, NO, N2O, NO2, CH4, por exemplo. As mínimas frações de gases detectados

variam de 0,1 ppm (partes por milhão) para o HCl até 50 ppm para o O2 (Bowling, 2003 e

Griffis, 2004). Todos esses gases absorvem na região do infravermelho próximo. Um laser

de diodo é sintonizado em uma linha de emissão apropriada para a análise de determinada

espécie. Esta sintonia é obtida com o controle da temperatura e da corrente aplicadas ao

laser.

A Figura 6 mostra um esquema de um detector portátil construído para TDLAS.

Um laser de diodo (item 1), que emite na região do infravermelho, é direcionado para um

volume da mistura gasosa (item 2) a ser estudada. Este feixe tem uma intensidade

conhecida para o comprimento de onda emitido. O feixe atravessa o volume de gás e uma

parte da radiação é absorvida pelas espécies presentes nesse volume. Este feixe é refletido

pelo espelho (item 3) que está localizado no ponto focal de uma lente convergente (item 4)

colocada atrás do diodo laser. A lente converge o feixe para a entrada do detector de

infravermelho (item 5). Este detector emite um sinal elétrico que, comparado ao sinal da

emissão do laser, mostra que sua radiação foi absorvida pelo gás.

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Figura 6 – Diagrama experimental do TDLAS. Os itens numerados são: 1-.diodo laser emissor

no infravermelho, 2. amostra gasosa a ser estudada, 3. Espelho, 4. Lente convergente, 5.

detector de radiação no infravermelho, 6.sinal elétrico.

As medidas podem ser feitas “in situ”, com o sistema sendo transportado até a

região de formação do gás ou no laboratório, com um sistema mais sofisticado. Um

exemplo do tipo de resultado desta espectroscopia pode ser visto na Figura 7 (Bowling,

2003). A figura exibe as linhas de absorção do CO2 e seus isótopos. Os isótopos estáveis

na atmosfera fornecem informações sobre a proporção carbono-água e trocas de carbonos

entre a biosfera e a atmosfera. As medidas foram obtidas com um fluxo de ar de 230

ml/minuto. No espectro obtido verifica-se a absorção da amostra para os comprimentos de

onda da radiação incidente (Bowling, 2003). O laser de diodo é sintonizado em uma linha

estreita de emissão. Com isso, a largura da linha de emissão é muito menor do que a largura

da linha

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Figura 7 - (Bowling, 2003). A figura exibe as linhas de absorção do CO2 e seus isótopos no

ar atmosférico.

de absorção das moléculas e podemos assim observá-las separadamente.

2.4. Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier

A região do infravermelho (IV) está compreendida entre 780 e 50.000 nm. A região

entre 780 e 2500 nm é chamada de infravermelho próximo e a região entre 14.300 e 50.000

nm é o infravermelho longínquo. A região intermediária é o infravermelho médio. A

radiação nesta região é proveniente de transições de energia associadas à vibrações

moleculares. Estas vibrações são causadas porque os átomos, nas moléculas, movimentam-

se em relação aos demais átomos, variando o comprimento da ligação (distância inter-

atômica) ou mudando de plano em relação aos outros átomos. Por isso utilizamos a

Espectroscopia no IV para o estudo de sistemas moleculares complexos. A instrumentação

que fornece os melhores resultados, por serem qualitativos e também quantitativos é por

espectroscopia de Transformada de Fourier. O instrumental típico é mostrado na Figura 8.

O feixe no IV emerge da fonte e é direcionado para o separador de feixe por um espelho de

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entrada (item 2 na figura). O separador é um espelho plano semicondutor transparente

posicionado a 45o em relação ao feixe incidente. Metade do feixe é direcionado para o

espelho móvel (item 3) e metade para o espelho (item 6) que convergirá o feixe em direção

à amostra (item 7). O espelho móvel serve para criar uma diferença de caminho óptico

entre os dois feixes e com isso haverá interferência construtiva (ou destrutiva) sobre a

amostra (item 7). A diferença de caminho óptico faz com que, de cada vez, apenas um

Figura 8 - Instrumental para espectroscopia no IV por Transformada de Fourier. Baseado

no Interferômetro de Michelson. Os componentes são: 1.Fonte de IV, que são constituídos

de filamentos aquecidos sustentados em bases cerâmicas, 2. Espelho, 3. Espelho móvel, 4.

Separador de feixe, 5. Espelho fixo, 6. Espelho, 7. Amostra, 8. Detetor no IV.

determinado comprimento de onda incida na amostra , já que os outros sofrerão

interferência destrutiva. Variando-se este percurso óptico pode-se selecionar os

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Figura 9 - (Gallignani & Brunett) espectro de absorção no infravermelho por Transformada de

Fourier da mistura etanol e clorofórmio.

comprimentos de onda de interesse, absorvidos pela amostra. Após essa passagem pela

amostra, uma parte da radiação é absorvida e então o feixe é detectado (item 8 da figura).

A diferença de intensidade entre o feixe emergente da fonte e o feixe absorvido fornece o

espectro de absorção da amostra. Na Figura 9 (Gallignani & Brunett) vemos o espectro de

absorção no infravermelho por Transformada de Fourier da mistura etanol e clorofórmio.

Verifica-se a perfeita identificação das fases e a sua absorção relativa.

2.5 Espectroscopia Laser para Detecção e Caracterização de Fuligem

A detecção de fuligem e caracterização quanto ao diâmetro médio de partícula e

fração volumétrica de partículas no meio, bem como dos mecanismos de formação

coalescência e destruição se dão por técnicas de medidas de extinção e espalhamento de um

feixe laser, conforme descrito a seguir. A formação da fuligem se inicia em regiões de alta

temperatura, rica em combustível, através da formação de precursores oriundos da queima

incompleta de hidrocarbonetos, passa por uma região de crescimento destas partículas,

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seguida da coalescência das mesmas e, em alguns casos, destruição por oxidação: cada uma

dessas regiões apresenta características distintas de absorção e espalhamento de luz. Vários

fatores afetam os processos de formação de fuligem, incluindo tipo de combustível, razão

ar/combustível, temperatura da chama, pressão e padrão de fluxo (Goldstein et al.).

Conforme já mencionado, a emissão de fuligem representa problemas para os sistemas de

combustão e sérios riscos à saúde humana, o que torna o estudo e desenvolvimento das

técnicas de detecção e caracterização da fuligem, uma ferramenta importante.

Ao se fazer um feixe laser atravessar um meio material, três fenômenos podem se

manifestar: (a) refração – mudança da direção do feixe por alteração no índice de refração

do meio (que por sua vez pode ser causada por alterações locais da temperatura), (b)

absorção – devido à opacidade do meio, resulta em redução da intensidade do feixe

emergente e (c) espalhamento – que resulta na dispersão do feixe incidente e, como

conseqüência, fótons emergem do meio em direções diferentes daquela do feixe incidente.

A absorção de um feixe luminoso, ao atravessar um caminho óptico L, cujo

coeficiente de extinção seja k, se dá pela lei de Rayleigh:

)exp(0

kLII

onde I0 é a intensidade do feixe incidente e I, a intensidade do feixe transmitido

(emergente).

Medidas do coeficiente de absorção são suficientes para inferir sobre a fração

volumétrica de fuligem (Vieira et al.). No entanto, trabalhos recentes têm demonstrado

forte relação entre taxa de crescimento e mecanismos de destruição de fuligem com a

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morfologia das partículas que, por sua vez, são representadas por complexos aglomerados

do tipo cadeia ramificada de partículas não esféricas.

Figura 10: Montagem para estudo de fuligem em chamas.

Para melhor compreensão dos mecanismos de formação, nucleação e destruição e

conseqüente controle de emissões, técnicas de medidas de espalhamento e extinção de feixe

laser em chamas, associadas com modelamentos matemáticos e numérico vêm sendo

empregadas (Yang et al.). Um exemplo de montagem experimental para as referidas

medidas é apresentado na figura (10), abaixo: um laser de íons de Ar passa por um

modulador (chopper) e, através de um conjunto de lentes, é focalizado na linha de centro de

uma chama; o feixe emergente, para medidas de extinção, é coletado na direção oposta,

com o auxílio de um segundo conjunto de lentes e de um foto-detector. Para medidas de

espalhamento, utiliza-se um conjunto óptico formado por um diafragma, lentes,

polarizador, filtro e foto-multiplicadora (PMT). O amplificador Lock-in funciona como

interface na coleta de dados e é modulado pela freqüência do chopper, para fins de redução

de ruído.

A análise dos resultados se baseia nos modelos de espalhamento de Rayleigh-

Debye-Gans, que relaciona intensidade do feixe espalhado, com ângulo de espalhamento,

polarização da luz e morfologia da partícula espalhadora (dimensão fractal da mesma); a

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análise da morfologia das partículas procede com o auxílio de pontas de prova para coleta

de material in-locu.

3.CONCLUSÃO

As diversas técnicas apresentadas tem sido utilizadas para a identificação e

quantificação de espécies produzidas em processos químicos de pesquisas científicas de

laboratório e aplicadas. As atividades do homem, no contexto do desenvolvimento tecnológico,

o leva ao uso de mais e mais energia e, como conseqüência, maior produção de poluentes,

particularmente os gasosos. Isto leva a necessidade do emprego de aparelhagem mais sensíveis

para detectar moléculas e radicais livres que surgem nos processos das reações químicas, bem

como, para monitorar sua produção.

Entre estas atividades do homem que leva a produção de poluentes tem que se destacar

a queima de combustíveis fósseis nas industrias, transporte e nas usinas de geração de energia,

principalmente. Há que se considerar, também, a grandes contribuições das queimadas de

floresta e nas plantações se cana-de-açucar.

A técnica espectroscópica escolhida para a análise de um problema deve considerar

não somente a faixa de energia de absorção ou emissão da amostra a ser investigada, mas

também a especificidade do meio gerador da espécie. Este trabalho mostra, resumidamente, as

técnicas mais comumente utilizadas, neste campo de investigação.

Considerando que o problema ambiental é grave nos dias atuais, com graves reflexos na

qualidade de vida do ser humano, todo esforço dedicado ao desenvolvimento de novas técnicas

e ao aperfeiçoamento das técnicas já existentes são de grande importância para a pesquisa.

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REFERÊNCIAS

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