Caracterização físico-química de aerossóis atmosféricos urbanos do interior do estado de São Paulo: noroeste e centro

Abstract

A poluição do ar causa efeitos deletérios à saúde humana, estando os aerossóis entre os agentes mais poluentes. Neste sentido, o presente estudo objetivou a caracterização físico-química do aerossol atmosférico urbano (PM10 e PM2,5) das cidades de São José do Rio Preto e de Araraquara, SP e a correlação, dos resultados obtidos com dados meteorológicos e gases precursores, por análise multivariada (PCA HCA), com trajetórias de massas de ar, para apontamento das possíveis fontes emissoras. Foram realizadas as caracterizações mássica, elementar (WD-XRF), dos hidrossoluvéis e morfológica (MEV-FEG-EDS), do aerossol de Rio Preto e Araraquara, das amostras coletadas entre março e junho/2017 e novembro/2017 e outubro/2018, respectivamente. As médias de concentrações de partícula em Rio Preto e Araraquara foram, 24 μg m3 e 41 µg m-3 para PM10, e 11 µg m-3 e 17 µg m-3 para PM2,5, respectivamente, todos acima dos padrões anuais da OMS. Em Rio Preto, as fontes naturais foram identificadas por elementos crostais (Mg, Na, K, Ca), incluindo argilominerais (Al, Si, Fe). As fontes antrópicas incluíram atividades agroindustriais (P e S), considerando a atividade canaveira, queima de biomassa (K, Cl, C e O) e intensa emissão veicular, principalmente de diesel (S, C e O), com black carbon como representativo. Na campanha de Araraquara os resultados da análise por MEV-FEG-EDS indicaram também a combinação de fontes naturais e antrópicas na composição do aeossol. Os elementos presentes englobaram Al, Si, F (argilominerias), Mg, Ca, Fe (ressuspesão do solo), além de elementos de origem antrópica com particulas orgânicas de processos de combustão (C, O), também black carbon e o Ti, na fração PM10-2,5, associado a transporte de longa distância e Zn na PM2,5, provavelmente oriundo de resíduos de pneus e freios de veículos. Fragmentos vegetais, grãos de polen, esporos e hifas de fungos, foram identificados nas amostras. Os resultados dos hidrossolúveis para ambas campanhas indicaram a presença de Ca2+, K+, Na+, NH4+, Mg2+ e SO42-, NO3-, PO43-, Cl-, C2O42−, F-, NO2-, Br-. Em Rio Preto os hidrossolúveis representaram em média 8,1% da massa de PM10-2,5 e 20,8% de PM2,5, enquanto para Araraquara 10,2% e 17,2%, respectivamente. O sulfato foi dominante, com exceção da PM2,5 (Araraquara), onde nitrato representou 27,5% dos hidrossolúveis. Em Rio Preto o sulfato somou 34,7% e 65,5% no PM10-2,5 e PM2,5, respectivamente, e 41,8% no PM2,5 em Araraquara. Verificou-se nos locais a predominância de fontes minerais na fração grosseira (K+; Ca2+, SO42-, NO3-) e antrópicas na fração fina (NH4+, K+, SO42-, NO3-, C2O42-), com combinação de fontes primárias e secundárias, locais e de longa distância. A estimativa da acidez dos aerossois indicou que Rio Preto apresentou maior acidez, devido as elevadas concentrações de SO42- e em Araraquara de NH4+. O conjunto de resultados obtidos, a partir da caraterização elementar e mássica, foram correlacionados individualmente, nas campanhas, por análise multivariada. Tais resultados, relacionadas com as trajetórias das massa de ar e com a caracterização morfológica, confirmaram a composição complexa do aerossol, permitindo sugerir as fontes dos principais elementos presentes no aerossol para os dois municípios.

Air pollution causes deleterious effects on human health, being the aerosols one of the most polluting agents. In this sense, the present study objectified the physicochemical characterization of the urban atmospheric aerosol (PM10 and PM2.5) of the cities of São José do Rio Preto and Araraquara, both municipalities of São Paulo. The correlation of the results with meteorological data and precursor gases, obtained by multivariate analysis (PCA, HCA), and analyzed concomitantly with air mass trajectories, made it possible to point out the possible emission sources. The massic, elemental (WD-XRF), water-soluble, and morphological (SEM-FEG-EDS) characterizations were performed for aerosol samples of the Rio Preto and Araraquara collected between March to June/2017, and November/2017 to October/2018, respectively. The mean particle concentrations in Rio Preto and Araraquara were 24 μg m-3 and 41 μg m-3 for PM10, and 11 μg m-3 and 17 μg m-3, for PM2.5, respectively, all above WHO annual standards. In Rio Preto, natural sources were identified by crustal elements (Mg, Na, K, Ca), including clay minerals (Al, Si, Fe). Anthropic sources included agroindustrial activities (P and S), considering sugarcane activity, biomass burning (K, Cl, C, and O) and intense vehicular emission, mainly diesel (S, C, and O), with black carbon as representative. In Araraquara, the results of the SEM-EDS analysis also indicated the combination of natural and anthropogenic sources in the composition of the aerosol. The elements Al, Si, and F (clay minerals), Mg, Ca, and Fe (soil resuspension), as well as elements of anthropogenic origin with combustion process organic particles (C, O), also identified as black carbon, and Ti, which in the PM10-2.5 fraction were associated with long-distance transportation, and Zn in PM2.5, probably from waste tires and vehicle brakes. Plant fragments, pollen grains, spores, and fungal hyphae were also identified in the samples. Water-soluble results for both campaigns indicated the presence of these ionic elements: cations Ca2+, K+, Na+, NH4+, Mg2+, and anions SO42-, NO3-, PO43-, Cl-, C2O42−, F-, NO2-, Br-. In Rio Preto, the water-soluble is on average 8.1% of the mass of PM10-2.5, and 20.8% of PM2.5, while for Araraquara 10.2% and 17.2%, respectively. Sulfate was dominant, except for PM2.5 (Araraquara), which nitrate represented 27.5% of the water-soluble content. In Rio Preto, sulfate count to 34.7% and 65.5% in PM10-2.5 and PM2.5, respectively, and 41.8% in PM10-2.5 in Araraquara. The predominance of mineral sources in the PM10-2.5 (K+; Ca2+, SO42-, and NO3-) and anthropogenic in the PM2.5 (NH4+, K+, SO42-, NO3-, and C2O42-) was verified at specific spots, with a combination of primary and secondary, local and long-distance sources. The estimation of aerosol acidity indicated that Rio Preto presented higher acidity, due to the high concentrations of SO42-, on the other hand, Araraquara presented higher concentrations of NH4+. The set of results obtained from the elemental and mass characterization were individually correlated in the campaigns by multivariate analysis. These results, correlating air mass trajectories and morphological characterization, confirmed the complexity of aerosol composition, suggesting the main sources of the main elements present in the aerosol for both municipalities.