Estudo de nanopartículas e black carbon em ambientes ferroviários através de técnicas em tempo real e sensoriamento remoto proximal

Abstract

O uso do sistema ferroviário à eletricidade é especialmente interessante devido às suas baixas emissões, alta velocidade e segurança. O objetivo do presente trabalho foi estudar as concentrações de nanopartículas (N) e black carbon (BC) em duas plataformas ferroviárias de superfície e no interior dos trens da Região Metropolitana de Porto Alegre (RMPA), através do monitoramento de sua variabilidade e caracterização de sua composição química. As campanhas distribuídas em um período de treze meses entre os anos de 2018 e 2019, ocorreram duas vezes ao mês com medições de duas horas diárias no interior dos trens e sete horas nas plataformas de Rodoviária, estação em área urbana de Porto Alegre, e Fátima, estação em área industrial de Canoas. Para o monitoramento de N10-420 nm e BC2.5 µm foram empregados o SMPS Nanoscan 3910 TSI® e o aetalômetro AE51 MicroAeth®, respectivamente. Foram estudadas variáveis meteorológicas e outros poluentes da área de estudo (MP10, SO2, CO, NO2, NO, O3), a fim de relacioná-los a N e BC. Na amostragem de partículas foram utilizados amostradores passivos e os filtros T60 do aetalômetro. Para análise da composição química foram realizadas microscopias eletrônicas de varredura com emissão de campo (FE-SEM) e de transmissão de alta resolução (HR-TEM) e espectroscopias por dispersão de energia (EDS) e Raman. Os resultados mostraram que a grande maioria das nanopartículas registradas possui diâmetro aerodinâmico inferior a 100 nm, e que suas concentrações, assim como as de BC, são maiores na estação em área industrial quando comparadas à urbana e ao interior dos trens. Foi observada a influência de variáveis meteorológicas, especialmente temperatura, com concentrações mais elevadas em períodos frios. Nas plataformas, foram obtidas correlações com outros poluentes, principalmente NO e NO2. Nas análises químicas, foram encontrados altos níveis de compostos metálicos como Ba, Zn e Ti tanto nas plataformas quanto no interior dos trens, em fases amorfas e cristalinas. Através dos métodos empregados, os processos de desgaste provenientes do funcionamento dos trens e a contribuição de emissões veiculares e industriais nos arredores das estações foram considerados as principais fontes de nanopartículas e black carbon no ambiente ferroviário da RMPA.

The use of the rail system with electricity is especially interesting due to its low emissions, high speed and safety. The aim of this work was to study the concentrations of nanoparticles (N) and black carbon (BC) in two ground-level railway platforms and inside trains in the Metropolitan Area of Porto Alegre (MAPA), through the monitoring of its variability and characterization of its chemical composition. The campaigns distributed in a period of thirteen months between 2018 and 2019 occurred twice a month with two-hour daily measurements inside trains and seven hours on Rodoviária, station in urban area of Porto Alegre, and Fatima, station in industrial area of Canoas. For the monitoring of N10-420 nm and BC2.5 μm, SMPS Nanoscan 3910 TSI® and aetalometer AE51 MicroAeth® were used, respectively. Meteorological variables and other pollutants from the study area (PM10, SO2, CO, NO2, NO, O3) were studied in order to relate them to N and BC. Passive samplers and T60 aetalometer filters were used for particle sampling. For analysis of chemical composition, field emission scanning electron (FE-SEM) and high resolution transmission (HR-TEM) microscopies, energy dispersion (EDS) and Raman spectroscopies were performed The results showed that the vast majority of the recorded nanoparticles have an aerodynamic diameter of less than 100 nm, and their concentrations, as well as those of BC, are higher in the station in industrial area when compared to urban and trains. The influence of meteorological variables, especially temperature with higher concentrations in cold periods, was observed. On the platforms, correlations with other pollutants were obtained, mainly with NO and NO2. In the chemical analyses, high levels of metal compounds like Ba, Zn and Ti were found both on the platforms and inside trains, in amorpha and crystalline phases. Through the methods employed, the wear processes arising from the operation of trains and the contribution of vehicle and industrial emissions around the stations were considered the main sources of nanoparticles and black carbon in the MAPA's rail environment.