Avaliação de sensores de baixo custo e de métodos de referência para a monitorização da qualidade do ar

Abstract

A crescente urbanização global tem como consequência o aumento dos níveis de poluentes na atmosfera e a respetiva deterioração da qualidade do ar. O controlo da poluição atmosférica e monitorização da qualidade do ar são passos fundamentais para implementar estratégias de redução e estimular a consciência ambiental dos cidadãos. Com este intuito, existem várias técnicas e tecnologias que podem ser usadas para monitorizar a qualidade do ar. A utilização de microsensores surge como uma ferramenta inovadora para a monitorização da qualidade do ar. E, apesar dos desempenhos dos microsensores permitirem uma nova estratégia, resultando em respostas rápidas, baixos custos operacionais e eficiências elevadas, que não podem ser alcançados apenas com abordagens convencionais, ainda é necessário aprofundar o conhecimento a fim de integrar estas novas tecnologias, particularmente quanto à verificação do desempenho dos sensores comparativamente aos métodos de referência em campanhas experimentais. Esta dissertação, desenvolvida no Instituto do Ambidente e Desenvolvimento em forma de estágio, teve como objetivo a avaliação do desempenho de sensores de baixo custo comparativamente com os métodos de referência, tendo como base uma campanha de monitorização da qualidade do ar realizada no centro de Aveiro durante 2 semanas de outubro de 2014. De forma mais específica pretende-se perceber até que ponto se podem utilizar sensores de baixo custo que cumpram os requisitos especificados na legislação e as especificidades das normas, estabelecendo assim um protocolo de avaliação de microsensores. O trabalho realizado passou ainda pela caracterização da qualidade do ar no centro de Aveiro para o período da campanha de monitorização. A aplicação de microsensores eletroquímicos, MOS e OPC em paralelo com equipamento de referência neste estudo de campo permitiu avaliar a fiabilidade e a incerteza destas novas tecnologias de monitorização. Com este trabalho verificou-se que os microsensores eletroquímicos são mais precisos comparativamente aos microsensores baseados em óxidos metálicos, apresentando correlações fortes com os métodos de referência para diversos poluentes. Por sua vez, os resultados obtidos pelos contadores óticos de partículas foram satisfatórios, contudo poderiam ser melhorados quer pelo modo de amostragem, quer pelo método de tratamento de dados aplicado. Idealmente, os microsensores deveriam apresentar fortes correlações com o método de referência e elevada eficiência de recolha de dados. No entanto, foram identificados alguns problemas na eficiência de recolha de dados dos sensores que podem estar relacionados com a humidade relativa e temperaturas elevadas durante a campanha, falhas de comunicação intermitentes e, também, a instabilidade e reatividade causada por gases interferentes. Quando as limitações das tecnologias de sensores forem superadas e os procedimentos adequados de garantia e controlo de qualidade possam ser cumpridos, os sensores de baixo custo têm um grande potencial para permitir a monitorização da qualidade do ar com uma elevada cobertura espacial, sendo principalmente benéfico em áreas urbanas.

The increasing trend of the global urbanization results in high levels of air pollutants in urban areas, decreasing air quality. Air pollution control and air quality monitoring is needed to implement abatement strategies and stimulate environmental awareness among citizens. For this purpose, there are several techniques and technologies that can be used to monitor air pollution. Thus, the use of microsensor networks can be seen as innovative tools for future applications on air quality monitoring. Adopting low-cost methods for robust environmental surveillance can represent a solution to overcome the lack of small geographical scale. However, despite the fact that air quality sensors performances allow a new strategy, resulting in fast responses, low operating costs and high efficiencies that cannot be achieved with only conventional approaches, much research remains to be done in order to integrate these new technologies, particularly on the quality check of the sensors performance against conventional methods in field exercises. The goal of this dissertation, which took place during an internship at the Instituto do Ambiente e Desenvolvimento, was to evaluate the performance of low-cost sensors compared to reference methods used in a air quality monitoring campaign performed in Aveiro during 2 weeks in october 2014. More specifically, it is intended to understand to what extent low-cost sensors can be used to comply with the requirements specified in the legislation and the european standards. In addition, the work presents the air quality characterization for the monitoring campaign location and period. The application of new electrochemical, MOS and OPC sensors side by side with standardised equipment in this field study allowed to assess the reliability and uncertainty of these new monitoring technologies. This study found that the electrochemical microsensors are more accurate compared to MOS sensors, presenting strong correlations with reference methods for various pollutants. In turn, the results obtained by optical particle counters were satisfactory, but could be improved either by sampling mode, or by the applied data processing method. Ideally, microsensors should have strong correlation with the reference methods and high data collection efficiency. However, some problems have been identified in data collection efficiency of the sensors that may be related to the high relative humidity and temperatures during the campaign, intermittent communication failures and also the instability and reactivity caused by interfering gases. When the limitations of sensor technologies are overcome and the proper procedures of assurance and quality control can be met, low-cost sensors have a great potential to allow monitoring of air quality with high spatial coverage and is mainly beneficial in urban areas.