[pt] O impactador inercial em cascata é um instrumento no qual uma amostra de ar e poluentes (aerossóis) é obrigada a percorrer um trecho contendo obstáculos, chamados placas de impactação. Os obstáculos forçam o jato a mudar de direção, mas como as partículas têm maior inércia do que o fluido, não acompanham as linhas de corrente do escoamento e acabam por depositar-se sobre estes obstáculos. Diferenças na geometria envolvendo diminuição de área de passagem de escoamento e conseqüente aumento de velocidades, fazem com que, a cada estágio, partículas de diâmetros menores sejam coletadas. O desafio é projetar um instrumento que maximize a eficiência de coleta, diminuindo as perdas por deposição indesejável de partículas nas paredes, recirculações e outros efeitos. Nesta Dissertação de Mestrado foi realizado o projeto de um impactador de três estágios coletando, respectivamente, partículas com diâmetro aerodinâmico de 10, 2,5 e 1 (mi)m, operando com vazão de 30 lpm (litros por minuto) e pressão atmosférica. Na análise de desempenho do instrumento, foram realizadas simulações numéricas com o objetivo de analisar características do escoamento e da trajetória de partículas e levantar as curvas de eficiência de coleta. Foram realizados, também, testes experimentais reproduzindo condições de uso com o intuito de levantar as curvas de eficiência reais. Os resultados numéricos e experimentais foram comparados e apresentam-se ao final, conclusões sobre o desempenho do instrumento e recomendações para trabalhos futuros. / [en] Impactors are simple devices in which a sample flows of air and pollutants flow around an obstacle, called impaction plate. Particles with sufficient inertia will slip across the flow streamlines and impact on the obstacle. Particles with less inertia will follow the airflow away from the impaction surface. Inertial cascade impactors have more than one impaction area. Each one has an impaction plate and a nozzle plate. From one stage to the other, the nozzle diameters become smaller and, consequently, the velocities are higher. This allows for the collection of smaller particles. The challenge is to design an instrument with the higher collection efficiency as possible, reducing wall losses, recirculation regions and other effects. In this study a 3-stages inertial cascade impactor was designed and tested. The cut-point aerodynamic diameters for each stage were 10, 2.5 and 1 (mi)m, respectively, when operating with a flow rate of 30 l/min at atmospheric pressure. To evaluate the instrument, some numerical simulations were performed. They provided results for the flow field, particle trajectories and the collection efficiency curves. Experimental tests were also done to allow for the determination of the real efficiency curves. The numerical and experimental data were compared. Finally, the conclusions of the work and recommendations for future studies are presented.

[pt] O presente trabalho realiza a integração entre a solução computacional por elementos finitos para as equações que descrevem s condições elétricas reinantes no espaço interletrodos de um Precipitador Eletrostático (PE) fio-placas e dados experimentais obtidos em um canal de precipitação com a mesma forma geométrica. A integração acima é necessária à qualquer tentativa de projeto teórico de um PE, uma vez que tais equações exigem para o seu fechamento a introdução de um parâmetro denominado mobilidade de portador de carga, para o qual não se tem possibilidade de previsão teórica de valor, devido ao grande número de variáveis físicas que podem influenciá-lo. Além disso, as soluções teóricas em geral são obtidas dentro de uma modelagem que supõe a existência de um canal de placas paralelas provido de alguns eletrodos emissores consecutivamente dispostos na linha central do canal de precipitação. Essa redução da situação real à uma situação simplificada impede a observação crucial de que o fenômeno de precipitação eletrostática em um PE é um fenômeno que sofre uma variação física contínua ao longo da região de precipitação, à medida que material particulado vai sendo retirado da carga em escoamento. Qualquer solução teórica acaba sendo de pouca utilidade ao projeto de um canal de precipitação completo. No presente trabalho estamos propondo a utilização de um equipamento laboratorial que permite a medição de correntes elétricas entregues por portadores de carga em áreas discretas das placas planas aterradas em um escoamento de ar com cargas de particulados sólidos, dentro de um canal de precipitação com um número razoável de eletrodos emissores. A partir das correntes de placa medida é determinada um valor para mobilidade elétrica associada a cada região longitudinal da secção de precipitação. Essa mobilidade elétrica é então adimensionalizada em termos de alguns parâmetros, sendo que no presente representa a profundidade de penetração no campo de precipitação. Por fim utiliza-se a mobilidade elétrica adimensional como predição para as condições elétricas à serem esperadas em diferentes valores de tensão aplicada, sendo sugerido seu uso como ferramenta auxiliar no projeto de precipitadores eletrostáticos. Foi observado que o campo elétrico originado em cada um dos eletrodos apresenta uma ação alternada de aceleração ou desaceleração sobre o material particulado em suspensão, respectivamente nas regiões imediatamente após, ou antes, de cada eletrodo emissor, relativamente à direção do escoamento. Esse fenômeno físico, não mencionado em qualquer uma das referencias do presente trabalho, foi denominado aqui efeito de alternância e tem uma importância fundamental com relação ao uso da mobilidade adimensional no projeto de PÉS e também quanto às possibilidades de otimização de PÉS já em operação. / [en] This work integrates a numerical solution, obtained by finite elements and characteristic methods applied to the governing equations of the electrical conditions in the inter-electrodes region of a wire-plate Eletrostatic Precipitador (EP), with data acquired in a precipitation channel with the same geometric form. The integration above mentioned is demanded by any attempt of an analytical project of an EP due to the introduction of a paramenter, denominated mobility of the charge carriers, in the closure of the governing equations. Further, the analytical solutions are in general obtained under the modeling of a precipitation region provided with a small number of corona wires, just enough to give simetry considerations. It must be kept in mind that in an EP each channel is provided with dozens of corona wires. The simplification above interdicts the crucial observation that the precipitation phenomena in an EP suffers physical changes along the axial length of the channel, due to the continuos wuthdrawing of particulate material from the total load. Solutions apropiated to a single region are so not very useful to the project of an entire channel. In this work we present an experimental apparatus which allows the measurement of eletric currents in discrete areas of the colleting plates. The apparatus is provided with a number of corona wires that can simulate a channel of an EP. Using the values of the currents measured at each of thediscrete plates it is obtained a value for the electrical mobility associated to discrete regions longitudinally with the flow. A dimensionless mobility is then obtained in terms of some parameters. In the present work these parameters were restricted to the applied potential. It is then suggested how an EP projectist could use the method as a tool for helping in the design process. It was observed that the eletric field originated in each of the corona wires acts alternatedely accelerating or desaccelerating the charged particulate load, pespectively in the regions immediately after or before each corona wire, with respect to the main direction of the flow. This physical phenomena, not mentioned in any of the references of the present work, was denomitade here as alternation effect, and has fundamental importance in the use of the dimensionless mobility as a project tool and also in the possibilities of upgrading Eps already in use.

[pt] No litoral brasileiro, do Rio Grande do Norte até Rio de Janeiro, se encontram os mais importantes depósitos de areias monazíticas No litoral do Município de São Francisco de Itabapoana, no estado de Rio de Janeiro, encontram-se importantes jazidas de areias monazíticas, e na vila de Buena, situada neste município, se encontra uma usina de beneficiamento de areias monazíticas. Nela são obtidos concentrados de ilmenita, zirconita, rutilo e monazita utilizando separadores letrostáticos, eletromagnéticos e gravimétricos (espirais, planos inclinados e mesas vivratorias). Com o objetivo de caracterizar a exposição dos habitantes desta vila a partículas de poeira na fração respirável foram coletadas amostras de aerossóis usando impactadores em cascata, amostradores portáteis com ciclone e amostras de bioindicadores. As amostras foram analisadas pelo método PIXE (Particle Induced X ray Emission) para determinação da concentração dos metais e do MMAD (Mass Median Aerodinamic Diameter), por PDMS (Plasma Desorption Mass Spectrometry) para identificação dos compostos presentes. As amostras de aerossóis coletadas com amostradores portáteis e de bioindicadores foram analisadas para determinação da concentração dos isótopos das séries naturais do tório e urânio. Os resultados indicam que os habitantes estão expostos a partículas contendo metais na fração respirável do aerossol geradas por fontes tanto antropogênicas , quanto naturais. As amostras de bioindicadores indicam os habitantes da vila tem estado expostos a radionuclídeos das séries naturais do tório e urânio nos últimos 15 anos. / [en] The main deposit of mineral sands in Brasil occur from the Rio Grande do Norte State to Rio de Janeiro State. The main commercial deposit is located in Buena, a village at São Francisco de Itabapoana, Rio de Janeiro State. In buena there is a plant that process minerals sands to obtain ilmenite, zirconite, rutile and monazite concentrates. This plant belongs to the Industrias Nucleares Brasileiras (INB). Close to this plant there is a small village. Aerosols samples were collected using cascade impactors and cyclones in order to characterize human exposure to airborne particles in the respirable fraction. Lichens samples were also collected. The samples were analyzed by PIXE (Particle Induced X ray Emission) for determination of elemental mass concentration and MMAD (Mass Median Aerodynamic Diameter). PDMS (Plasma Desorption Mass Spectrometry) allows the identification of the chemicals compounds present in the samples. The concentrations of radionuclides from the thorium and uranium natural series were also determined. The results show that the inhabitants were espoused to airborne particles in the respirable fraction of aerosols from natural and anthropogenic sources. The lichens samples indicate that the inhabitants have been exposed to radionuclides from the thorium and uranium natural series since last 15 years.

[pt] Dez amostradores de material particulado em suspensão no ar foram instalados em diferentes bairros da cidade do Rio de Janeiro: Gávea, Honório Gurgel, Jacarepaguá, Campo Grande, Tijuca, Ilha do Fundão, Guaratiba, Recreio dos Bandeirantes, Santa Cruz e Realengo, visando contribuir para um maior entendimento a respeito da poluição atmosférica na cidade. Os amostradores empregados foram desenvolvidos pela Universidade de Gent e permitem a coleta das frações inalável (com diâmetro aerodinâmico entre 2,5 e 10µm, MP2,5-10) e respirável (com diâmetro aerodinâmico < 2,5 um, MP2,5). As amostragens foram realizadas, simultaneamente, sempre no meio da semana, durante 24 horas, e compreenderam o período de setembro/2003 a setembro/2004. Ao final deste período, foram obtidas, por ponto de amostragem, trinta amostras de cada fração, totalizando seiscentas amostras. Após a determinação da massa presente em cada filtro, e do teor de carbono elementar no filtro fino (MP2,5), os filtros foram divididos em duas partes. Numa delas foi determinada a concentração de amônio, sódio, potássio, cálcio, magnésio, cloreto, nitrato e sulfato solúvel em água e, na outra parte, a concentração de sódio, potássio, cálcio, magnésio, alumínio, ferro e titânio após dissolução total. A estação de Honório Gurgel foi aquela que apresentou, na média, as maiores concentrações de carbono elementar, particulado grosso e total, refletindo a proximidade com a Avenida Brasil e a presença de indústrias na região. O ponto de coleta com maior concentração de particulado fino e de aerossol de origem secundária correspondeu àquele localizado na Ilha do Fundão, próximo a bairros com uma grande concentração de indústrias, como Bonsucesso e São Cristóvão, além de vias expressas, como a Linha Vermelha e a Avenida Brasil. Por outro lado, as estações de amostragem localizadas no Recreio dos Bandeirantes e em Guaratiba apresentaram as menores concentrações de particulado fino, grosso e de carbono elementar. Os parâmetros analisados permitiram identificar cerca de 70% da origem do material presente nas frações fina e grossa do material particulado em suspensão no ar nas regiões estudadas da cidade do Rio de Janeiro. Como esperado, o particulado grosso é, em grande parte, oriundo da ressuspensão do solo, contendo, ainda, aerossol marinho e compostos de origem secundária, como sulfato e nitrato. O particulado fino, por sua vez, é majoritariamente oriundo da combustão de combustíveis fósseis que dão origem ao aerossol secundário e ao carbono elementar, possuindo uma contribuição de origem terrígena e de aerossol marinho. / [en] The present work intend to be a contribution for the understanding of the air pollution in the Rio de Janeiro city, aerosol sampling was performed at ten different sites of the city: Gávea, Honório Gurgel, Jacarepaguá, Campo Grande, Tijuca, Ilha do Fundão, Guaratiba, Recreio dos Bandeirantes, Santa Cruz and Realengo. Stacked filter units (SFU), developed by Gent University, were used as samplers. These filters separate the particles into two main fractions: the fine mode defined as respirable particles (with aerodynamic diameter < 2.5 um, PM2.5), and coarse mode defined as inhalable particles (with aerodynamic diameter between 2.5 um and 10 um, PM2.5-10). The aerosol monitoring stations were simultaneously operated, always in the middle of the week, during 24 h, from September/2003 to September/2004. At the end of this period, 30 samples of each fraction were obtained from each of the sampling sites (600 filter samples in total). After the determination of the mass concentration, and the elemental carbon amount present in each of the fine filters, the filters were divided into two parts. The first part was used to determine the concentration of ammonium, sodium, potassium, calcium, magnesium, chloride, nitrate and sulfate soluble in water and, the other one, for the determination of the concentration of sodium, potassium, calcium, magnesium, aluminum, iron and titanium. The Honório Gurgel site presented, in average, the highest concentration of elemental carbon, mass concentration of coarse mode and total particle mass concentration, which could be explained by the proximity to the Avenida Brasil and industries of the region. The sampling site of the highest concentration of the fine mode and secondary aerosol was the one localized in Ilha do Fundão, near industrial areas such as Bonsucesso and São Cristóvão, and heavy automobile traffic lines like Linha Vermelha and Avenida Brasil. In other hand, the sites localized at Recreio dos Bandeirantes and at Guaratiba presented in the smallest mass concentration of fine and coarse mode and elemental carbon. Based on these determined parameters, it was possible to identify 70% of the origin of the material present in the fine ad coarse fractions of the particulate matter suspended in the air in the studied areas of Rio de Janeiro city. As expected, the coarse mode particle came from resuspended soil dust, together with marine aerosol and some secondary aerosol, like nitrate and sulfate. The fine mode particle came mainly from fossil fuel combustion that originates secondary aerosol and the elemental carbon, with additional contribution from marine aerosol and terrigineous material.