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Medição de Ozônio Troposférico

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Measuring Tropospheric Ozone

1.3: Using GIS to Investigate Urban Forestry

1.15: Analysis of Earthworm Populations in Soil

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07:49 min

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April 30, 2023

Overview

Fonte: Laboratórios de Margaret Workman e Kimberly Frye – Universidade Depaul

O ozônio é uma forma de oxigênio elementar (O₃), uma molécula de três átomos de oxigênio ligados em uma estrutura altamente reativa como um agente oxidante. O ozônio ocorre tanto na estratosfera quanto nos níveis de troposfera da atmosfera. Quando na estratosfera (localizada a aproximadamente 10-50 km da superfície da Terra), moléculas de ozônio se formam à camada de ozônio e ajudam a evitar que raios UV prejudiciais atinjam a superfície da Terra. Em altitudes mais baixas da troposfera (superfície – aproximadamente 17 km), o ozônio é prejudicial à saúde humana e é considerado um poluente atmosférico contribuindo para a poluição fotoquímica(Figura 1). Moléculas de ozônio podem causar danos diretamente ao danificar o tecido respiratório quando inaladas ou indiretamente, prejudicando tecidos vegetais(Figura 2) e materiais mais macios, incluindo pneus em automóveis.

O ozônio troposférico ao ar livre é formado no nível do solo quando óxidos de nitrogênio (NO_x) e compostos orgânicos voláteis (VOCs) de emissões de automóveis são expostos à luz solar. Consequentemente, as preocupações com a saúde sobre as concentrações de ozônio aumentam em condições ensolaradas ou quando e onde o uso do automóvel é aumentado.

Reação: NO₂ + VOC + luz solar → O₃ (+ outros produtos)

O ozônio troposférico interior é formado quando descargas elétricas de equipamentos usando altas tensões (por exemplo, purificadores de ar iônicos, impressoras a laser, fotocopiadoras) quebram as ligações químicas do oxigênio atmosférico (O₂) no ar ao redor do equipamento:

O₂ → 2 O

Os radicais livres de oxigênio dentro e ao redor da descarga elétrica recombinam para criar ozônio (O₃).

2 O + 2 O₂→ 2 O₃

Figura 1: Panorama da Ponte Golden Gate

Coloração característica para poluição na Califórnia no banco de nuvens bege atrás da Ponte Golden Gate. A coloração marrom é devido ao NOx na poluição fotoquímica.

Figura 2: Plantas danificadas pelo ozônio. A linha de cima é normal, a linha inferior foi exposta ao ozônio.

Principles

O ozônio troposférico pode ser monitorado usando uma mistura de amido, iodeto de potássio e água espalhada no papel filtro. Uma vez seco, o papel, chamado papel Schönbein, muda de cor quando o ozônio está presente.

O método baseia-se na capacidade de oxidação do ozônio. O ozônio no ar oxidará o iodeto de potássio no papel de teste para produzir iodo:

2 KL + O₃ + H₂O → 2 KOH + O₂ + I₂

O iodo então reage com o amido, manchando o papel um tom de violeta. A intensidade da cor depende da quantidade de ozônio presente no ar. Quanto mais escura a cor, mais ozônio está presente:

I₃^–+ amido → cor violeta

A concentração de ozônio é amostrada em diferentes locais de maior risco, incluindo estacionamentos, garagens, parkways e esquinas de ruas muito movimentadas. Os locais internos incluem sala e espaços com equipamentos que envolvem impressão de tinta, como copiadoras.

Procedure

1. Preparação do papel de Schönbein

Coloque 100 mL de água destilada em um béquer de 250 mL.
Adicione 11/4 colheres de chá de amido de milho.
Coloque uma barra de mexida no béquer e coloque o béquer em uma placa quente/mexa. Aqueça em uma configuração média a alta, e mexa a mistura lentamente até que fique perto de aproximadamente 90 °C. A mistura é gelada quando engrossa e se torna um pouco translúcida.
Retire o béquer da fonte de calor, adicione 1/4 colher de chá de iodeto de potássio e mexa bem.
Esfrie a solução antes de aplicar no papel do filtro.
Coloque um pedaço de papel filtro em uma placa de vidro ou segure-o no ar, e usando uma pequena escova de tinta, escove cuidadosamente a pasta sobre o papel do filtro. Vire o papel do filtro e faça o mesmo do outro lado. Tente aplicar a pasta o mais uniformemente possível.
Coloque o papel durante a noite e longe da luz solar, ou coloque em uma temperatura baixa (20 °C) secando o forno para secar.
Uma vez que o papel esteja seco, use a tesoura para cortar o papel do filtro em tiras de 1 polegada de largura. Se armazenar o papel para uso posterior, coloque as tiras em um saco plástico vedado ou jarra de vidro, sob a luz solar direta.

2. Medição do ozônio

Pulverize tiras de papel de teste com água destilada e pendure um mínimo de três tiras em cada local de coleta de dados fora da luz solar direta. Pendure-se com segurança ao gravar ou prender uma extremidade da faixa a uma estrutura (por exemplo, parede, blocos de estacionamento, postes de luz). As tiras também podem ser penduradas usando arame com uma extremidade empurrada para o chão e a outra extremidade presa à faixa. Certifique-se de que as tiras fiquem desobstruídas.
Exponha o papel por aproximadamente 8h. Observe onde cada tira foi pendurada e use dados meteorológicos para registrar a localização da umidade relativa durante a exposição ao papel. Alternativamente, um psicorômetro pode ser usado para medir a umidade relativa de cada local.
Se os resultados não forem registrados imediatamente, sele a tira em um recipiente hermético após a exposição.
Para observar e registrar os resultados dos testes, pulverize o papel com água destilada.
Observe a cor comparando-a com a escala de cores fornecida e registrando o número de Schönbein correspondente. Calcule o número médio de Schönbein para cada site.
Use os dados de umidade relativa para cada local e o Gráfico numérica de Umidade Relativa(Figura 3)para converter as médias do local de Schönbein em concentração de ozônio (ppb).

Figura 3. Gráfico de números de umidade relativa schönbein

O ozônio é uma forma de oxigênio elementar que ocorre na atmosfera, e é classificado como um poluente atmosférico prejudicial à saúde humana. Usando a técnica Schönbein, os níveis de ozônio em locais de interesse podem ser quantificados. As moléculas de ozônio são compostas por três átomos de oxigênio ligados em uma estrutura altamente reativa como um agente oxidante, e ocorrem tanto nos níveis da estratosfera quanto da troposfera da atmosfera.

Moléculas de ozônio na estratosfera formam a camada de ozônio, o que ajuda a evitar que raios UV prejudiciais cheguem à superfície da Terra. Em altitudes mais baixas da troposfera, o ozônio é prejudicial à saúde humana, e como um poluente contribui para a poluição fotoquímica. O ozônio pode danificar diretamente o tecido respiratório humano se inalado, ou danificar tecidos vegetais e materiais mais macios, incluindo pneus em veículos.

A presença de ozônio na troposfera pode ser quantificada usando papel Schönbein, uma mistura de amido, iodeto de potássio e água espalhada no papel filtro. Uma vez seco, o papel muda de cor na presença de ozônio.

Este vídeo ilustrará o processo de fabricação de papel Schönbein, colocação e leitura de tiras de teste, e quantificação dos níveis de ozônio usando a escala de cores de Schönbein.

Uma maneira de o ozônio troposférico ao ar livre ser formado no nível do solo é quando óxidos nitrosos e compostos orgânicos voláteis de emissões de automóveis são expostos à luz solar. Consequentemente, as condições para a formação de ozônio e a escalada da preocupação com a saúde aumentam em ambientes ensolarados, ou em momentos ou locais de uso intenso de automóveis.

Dentro de casa, o ozônio troposférico pode ser formado quando a descarga elétrica de equipamentos de alta tensão, como purificadores de ar iônicos, impressoras a laser ou fotocopiadoras, quebram as ligações químicas de oxigênio atmosférico no ar circundante. Os radicais livres de oxigênio então se combinam com uma molécula de oxigênio no ar para criar ozônio.

Utilizando papel Schönbein, papel filtro impregnado com uma solução de oodeto de amido e potássio, o ozônio troposférico pode ser quantificado. O ozônio no ar oxidará o iodeto de potássio no papel, produzindo iodo. O iodo reage com iodeto para produzir triiodeto, que então reage com o amido também presente no papel, manchando-o como uma violeta profunda. A intensidade desta cor dependerá da quantidade de ozônio presente no ar, com cores mais escuras indicando maiores quantidades de ozônio troposférico.

Determinar a concentração de ozônio usando este método pode ser realizado em quase qualquer local, interior ou exterior. Agora que estamos familiarizados com os princípios por trás da medição de Schönbein, vamos dar uma olhada em como realizar o experimento.

Para iniciar o procedimento, coloque 100 mL de água destilada em um béquer de 250 mL. Para isso, adicione 6 g de amido de milho. Coloque o béquer em uma placa de agitação aquecida. Gire o fogo para um ajuste médio-alto, e mexa a mistura até atingir aproximadamente 90 °C e forme um gel. Em seguida, retire o béquer da fonte de calor e adicione 1 g, ou 1/4 colher de chá, de iodeto de potássio e mexa bem até que o iodeto de potássio seja dissolvido. Deixe a solução esfriar por 5 minutos na parte superior do banco.

Coloque um pedaço de papel filtro em uma placa de vidro, e usando um pequeno pincel, escove cuidadosamente a pasta sobre o papel do filtro. Vire o papel do filtro e repita do outro lado, aplicando a pasta o mais uniformemente possível. Coloque o papel durante a noite longe da luz solar para secar. Alternativamente, coloque em forno de secagem a 20 °C até secar. Uma vez seco, corte o papel em tiras largas de 1 polegada. Se armazenar o papel para uso posterior, coloque as tiras em um saco plástico vedado ou um frasco de vidro fora da luz solar direta.

Para detectar ozônio, primeiro pulverize as tiras de papel de teste levemente com água destilada. Pendure um mínimo de três tiras em cada local de coleta de dados fora da luz solar direta, firmemente presa por uma extremidade a uma estrutura, ou pendurada por fio. Certifique-se de que as tiras estão desobstruídas. Deixe as tiras de teste penduradas por 8h.

Note onde cada tira foi pendurada, e usando um psicorômetro, meça umidade relativa em cada local. Alternativamente, acessando dados meteorológicos, registoso relativo em cada local durante a exposição ao papel. Se os resultados não forem lidos imediatamente, as tiras podem ser seladas em um recipiente hermético após a exposição.

Para observar e registrar os resultados dos testes, pulverize o papel com água destilada. Observe a cor comparando-a com a escala de cor de Schönbein e regissão o número correspondente. Calcule o número médio de Schönbein para cada site.

Use os dados de umidade relativa para cada local e o Gráfico numépnico de umidade relativa schönbein para converter as médias do local de Schönbein em concentração de ozônio, ou partes por bilhão.

A capacidade de medir e registrar níveis de ozônio troposférico tem muitas aplicações diversas, e os resultados desses testes podem ter implicações significativas para as populações humanas.

Em centros urbanos altamente povoados, a convergência do alto tráfego automobilístico e da densa população humana pode ser uma preocupação para os problemas de saúde relacionados ao ozônio. Os limites atuais dos EUA para o ozônio estabelecidos pela Administração de Segurança e Saúde Ocupacional estão em 0,1 ppm. Riscos à saúde de exposição acima desse nível, incluindo dores de cabeça; irritação nos olhos, nariz e garganta; danos pulmonares e hemorragia, entre outros. Na cidade de Chicagoland, as tiras de teste colocadas por 8h em um dia de julho em Evanston, Cícero e Northbrook registraram níveis de ozônio de 71 ppb, 60 ppb, 71 ppb, respectivamente.

Dentro de casa, os limiares seguros para os níveis de ozônio são os mesmos que ao ar livre, e carregam os mesmos riscos potenciais à saúde. Para garantir a segurança dos trabalhadores ou moradores da construção, quaisquer instalações com grandes quantidades de equipamentos de alta tensão devem ser testadas para níveis de ozônio. As tiras colocadas na sala de máquinas de cópia por 8 h registraram um nível de ozônio interno de 5 ppb, que está bem abaixo das diretrizes do Escritório de Segurança dos Estados Unidos.

Devido à ação da luz solar transformando óxido nitroso e compostos orgânicos voláteis em ozônio, ondas de calor ou períodos excepcionalmente ensolarados podem ser preocupantes para os moradores urbanos. Monitorar os níveis de ozônio ao longo do tempo pode criar um quadro de risco potencial, e permitir que as autoridades emitam avisos ou peçam aos moradores que reduzam o uso de automóveis em momentos de ozônio alto.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE para medir o ozônio troposférico. Agora você deve entender como o ozônio troposférico é formado e por que é uma preocupação, como fazer papel Schönbein para testar o ozônio e como interpretar os resultados dos testes. Obrigado por assistir!

Results

Use a escala numérica de Schönbein(Figura 4) para análise quantitativa do ozônio. O gráfico é usado para comparar com os papéis amostrais após 8h de exposição em locais amostrais. Use o Gráfico numérica de Umidade Relativa schönbein para converter as pontuações de Schönbein em concentração de ozônio (ppb) (Figura 5).

A pontuação aumenta com o aumento da intensidade da cor, com a violeta mais escura no lado direito da escala. Os resultados devem variar de acordo com a localização do local de coleta(Figura 5).

Figura 4. Escala numélpica de Schönbein

Figura 5. Gráfico de concentrações de ozônio amostral.
Concentrações de ozônio troposféricas ao ar livre e interior mostradas pelo local e pontuação de Schönbein.

Applications and Summary

A exposição ao ozônio troposférico é prejudicial à saúde humana; conhecido por causar dor no peito, tosse, irritação na garganta e congestão. O ozônio também interfere com a função pulmonar, exacerbando sintomas de bronquite, enfisema e asma, e pode danificar permanentemente o tecido pulmonar.

Locais ao ar livre de quantidades aumentadas de luz solar e áreas urbanas experimentam níveis mais elevados de ozônio troposférico devido ao aumento da quantidade e densidade de emissões de nitrato. Locais internos onde máquinas de cópia e impressoras de tinta são usadas também são áreas de alto risco para exposição ao ozônio. Os limites atuais dos EUA para o ozônio, estabelecidos pelo Escritório de Segurança e Saúde, são de 0,1 ppm com riscos à saúde, incluindo dor de cabeça, irritação nos olhos, nariz e garganta, danos cerebrais e do sistema nervoso, danos pulmonares, doença respiratória crônica, congestão pulmonar, edema e hemorragia.

Transcript

Ozone is a form of elemental oxygen that occurs in the atmosphere, and is classed as an air pollutant harmful to human health. Using the Schönbein technique, levels of ozone at sites of interest can be quantified. Ozone molecules are comprised of three oxygen atoms bonded in a structure that is highly reactive as an oxidizing agent, and they occur in both the stratosphere and troposphere levels of the atmosphere.

Ozone molecules in the stratosphere form the ozone layer, which helps prevent harmful UV rays from reaching the Earth’s surface. In lower altitudes of the troposphere, ozone is harmful to human health, and as a pollutant contributes to photochemical smog. Ozone can directly damage human respiratory tissue if inhaled, or harm plant tissues and softer materials, including tires on vehicles.

Ozone presence in the troposphere can be quantified using Schönbein paper, a mixture of starch, potassium iodide, and water spread on filter paper. Once dry, the paper changes color in the presence of ozone.

This video will illustrate the process of making Schönbein paper, placing and reading test strips, and quantifying ozone levels using the Schönbein color scale.

One way that outdoor tropospheric ozone is formed at ground level is when nitrous oxides and volatile organic compounds from automobile emissions are exposed to sunlight. Consequently, conditions for ozone formation and escalated health concern increase in sunny environments, or at times or locations of heavy automobile use.

Indoors, tropospheric ozone can be formed when electrical discharge from high voltage equipment, like ionic air purifiers, laser printers, or photocopiers, break down the chemical bonds of atmospheric oxygen in the surrounding air. The free radicals of oxygen then combine with an oxygen molecule in the air to create ozone.

Using Schönbein paper, filter paper impregnated with a starch and potassium iodide solution, tropospheric ozone can be quantified. Ozone in the air will oxidize the potassium iodide on the paper, producing iodine. The iodine reacts with iodide to produce triiodide, which then reacts with the starch also present on the paper, staining it a deep violet. Intensity of this color will depend on the amount of ozone present in the air, with darker colors indicating higher amounts of tropospheric ozone.

Determining the ozone concentration using this method can be performed at almost any site, indoor or outdoors. Now that we are familiar with the principles behind the Schönbein measurement, let us take a look at how to perform the experiment.

To begin the procedure, place 100 mL of distilled water into a 250-mL beaker. To this, add 6 g of cornstarch. Place the beaker onto a heated stir plate. Turn the heat to a medium-high setting, and stir the mixture until it reaches approximately 90 °C and forms a gel. Next, remove the beaker from the heat source and add 1 g, or ¼ teaspoon, of potassium iodide and stir thoroughly until the potassium iodide is dissolved. Allow the solution to cool for 5 min on the bench top.

Lay a piece of filter paper on a glass plate, and using a small paintbrush, carefully brush the paste onto the filter paper. Turn the filter paper over and repeat on the other side, applying the paste as uniformly as possible. Set the paper out overnight away from sunlight to dry. Alternatively, place in a drying oven at 20 °C until dry. Once dry, cut the paper into 1-inch wide strips. If storing the paper for later use, place the strips in a sealable plastic bag or glass jar out of direct sunlight.

To detect ozone, first spray the strips of test paper lightly with distilled water. Hang a minimum of three strips at each data collection site out of direct sunlight, securely fastened by one end to a structure, or hung by wire. Ensure the strips are unobstructed. Leave the test strips to hang for 8 h.

Note where each strip was hung, and using a psychrometer, measure relative humidity at each site. Alternatively, accessing weather data, record relative humidity at each location during paper exposure. If results will not be read immediately, strips can be sealed in an airtight container after exposure.

To observe and record test results, spray the paper with distilled water. Observe the color by comparing it to the Schönbein color scale and record the corresponding number. Calculate the average Schönbein number for each site.

Use the relative humidity data for each site and the Relative Humidity Schönbein Number Chart to convert Schönbein site averages to ozone concentration, or parts per billion.

The ability to measure and record tropospheric ozone levels has many diverse applications, and the results of such tests can have significant implications for human populations.

In heavily populated urban centers, the convergence of high automobile traffic and dense human population can be a concern for ozone related health problems. Current US thresholds for ozone set by the Occupational Safety and Health Administration are at 0.1 ppm. Health risks of exposure above this level including headaches; eye, nose, and throat irritation; lung damage and hemorrhage, amongst others. In urban Chicagoland, test strips placed for 8 h on a July day in Evanston, Cicero, and Northbrook recorded ozone levels of 71 ppb, 60 ppb, 71 ppb, respectively.

Indoors, safe thresholds for ozone levels are the same as outdoors, and carry the same potential health risks. To ensure the safety of workers or building residents, any premises with large amounts of high-voltage equipment should be tested for ozone levels. Strips placed in the copy machine room for 8 h recorded an indoor ozone level of 5 ppb, which is well below the United States Office of Safety guidelines.

Because of the action of sunlight transforming nitrous oxide and volatile organic compounds into ozone, heatwaves or exceptionally sunny periods can be of concern for urban residents. Monitoring ozone levels over time can build up a picture of potential risk, and allow authorities to issue warnings or ask residents to reduce automobile use at times of high ozone.

You’ve just watched JoVE’s introduction to measuring tropospheric ozone. You should now understand how tropospheric ozone is formed and why it is a concern, how to make Schönbein paper to test for ozone, and how to interpret test results. Thanks for watching!

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