Capítulo 1 .- Descriptiva de la contaminación atmosférica

O B J E T I V O S

- Dar a conocer la importancia de la atmósfera como soporte de la vida sobre el planeta y los efectos que causa la alteración de su composición sobre el medio natural y social.

1.1 La atmósfera1.1.2 Formas de clasificación de la atmósfera

1.1.2.1 Clasificación según la composición química

 La homosfera es la región que se extiende hasta unos 80 km de altura sobre el nivel del mar. Se puede considerar que su composición química media es aproximadamente constante con la altitud y que está compuesta básicamente por los gases mostrados en la tabla 1.1en sus respectivas proporciones.

Debido a que la densidad del aire en la homosfera no presenta diferencias significativas, su circulación se regirá por los gradientes1 de presión y temperatura, produciéndose unos movimientos convectivos de las corrientes de aire propios de la época del año correspondiente y que son de gran interés en meteorología (figura 1.1).

La heterosfera es la región que se extiende a partir de los 80 km de altitud y hasta los 1000 km. En esta zona la situación cambia radicalmente: la distribución de los gases se rige principalmente por su peso atómico, de manera que los que tienen mayor peso atómico ocupan las capas inferiores, mientras que los gases más ligeros se encuentran en mayor proporción cuanto más se asciende de altitud. Al producirse la descomposición fotoquímica de moléculas de O2, N2 y CO2 por la radiación solar, los átomos disociados tienden a situarse en las capas más altas de la heterosfera y las moléculas no disociadas se mantienen entre los 100 y 200 km.

La exosfera es la capa que se extiende por encima de los 1000 km. En ella, las moléculas más ligeras escapan hacia el espacio exterior, venciendo la fuerza de atracción de la Tierra.

Por encima de los 200 km se encuentran átomos de oxígeno (O-16); entre 1.000 y 3.500 km una capa de helio (He-4) y, más allá de los 3.500 km, abunda

el gas más ligero, el hidrógeno (H-1).

Figura 1.1: Mapa de isobaras y de corrientes de invierno (superior) y de verano (inferior). Fuente: Candel (1982).

Todos estos cambios de composición de la heterosfera provocan unos gradientes de concentración importantes, que son los causantes de los movimientos de materia y, en consecuencia, de las corrientes de aire.

1 Un gradiente es la tasa de variación de una variable como presión o temperatura, en función de la altura.

1.1.2.2 Clasificación según la temperatura

 

Desde el punto de vista de la variación de temperatura, se propone una segunda división de la atmósfera en función de unas regiones frías y calientes: troposfera, estratosfera y mesosfera.

La troposfera es la capa que está en contacto con la superficie terrestre y se extiende hasta unos 10 km de altura. Es la más importante, pues en ella el aire se puede mover tanto horizontal como verticalmente, repartiendo el calor del ecuador por todo el planeta y dispersando los contaminantes de unas zonas a otras.

En los tres primeros kilómetros de la troposfera se acumulan el vapor de agua, el dióxido de carbono (CO2) y las impurezas de todo tipo (polvo, cristales de sal marina, carburos de hidrógeno, gases sulfurosos y amoniacales).

El desarrollo de la vida y todos los fenómenos meteorológicos tienen lugar en esta capa, debido a que en ella se acumula prácticamente toda el agua atmosférica (tres cuartas partes del vapor de agua se reparten por debajo de los 4 km), originando los hidrometeoros, que determinan los aspectos esenciales del clima y absorben las radiaciones de gran longitud de onda emitidas por el sol y reflejadas por la Tierra, evitando de esta forma la dispersión del calor hacia el espacio (efecto invernadero).

En la troposfera, el descenso vertical de la temperatura es de unos 6 ºC por km ascendente. En el límite superior se alcanzan los -50 ºC.

A unos 10 km de altitud empieza la estratosfera. En ella el aire se estratifica en capas de manera que únicamente existe movimiento en sentido horizontal. Se propicia así una zona de inversión térmica1, en la que la temperatura aumenta hasta llegar a los 0 ºC en su límite superior.

Toda esta región contiene prácticamente la totalidad del ozono atmosférico, alcanzándose la máxima concentración hacia al final de la estratosfera, en la estratopausa, donde se vuelve de nuevo a invertir la tendencia alcista de la temperatura.

La mesosfera es la capa superior a la estratosfera y se extiende hasta los 80 km aproximadamente. Aquí la temperatura disminuye por combinación de dos efectos: por la disminución de la densidad del aire hasta hacerse prácticamente despreciable y la disminución paralela de la presión atmosférica.

En su límite superior se alcanzan los -80 ºC. En esta capa se filtran las radiaciones perjudiciales para la vida, como las ultravioleta.

Por encima de los 100 km, los gases constituyentes de la atmósfera se ven afectados por las radiaciones gamma y ultravioletas provenientes del sol, provocando un aumento del movimiento y de la temperatura (1500 ºC en su parte superior). Esta capa se conoce como termosfera y queda separada de la mesosfera por la mesopausa, que marca la inversión de temperatura.

En la figura 1.2 se ilustra la distribución de temperaturas en la atmósfera.

Figura 1.2: Distribución de temperaturas en la atmósfera.

A partir de la termosfera, la atmósfera sólo está compuesta por gases muy ligeros (O, H, He) procedentes de la disociación de sus moléculas y

que acaban escapando al espacio exterior debido a la escasa atracción que la tierra ejerce sobre ellos.

1 En la troposfera normalmente existe un gradiente térmico vertical negativo, es decir, a medida que se gana altitud la temperatura del aire desciende. En la estratosfera se produce el efecto contrario, es decir, la temperatura del aire aumenta según se asciende.

1.1.2.3 Clasificación según la densidad de los iones y los gases ionizables

 

Si se considera la densidad de los iones y los diferentes gases que sufren ionización, pueden distinguirse las capas o regiones D, E, F1 y F2, cuyo conjunto constituye la ionosfera (figura 1.2).

1.1.3 La circulación atmosférica

 

Tal y como se ha comentado con anterioridad, los movimientos del aire en la homosfera se rigen por gradientes de presión y temperatura, y no de densidad, que puede considerarse aproximadamente constante. Estas corrientes de aire tienen una gran importancia en meteorología pues son las que determinan los cambios climáticos en la Tierra.

Figura 1.3: Vista de Europa desde el satélite Meteosat. Fuente: Meteo France http://www.meteosat.com/imagenes/meteosat/sp/d2-col.jpg

[Leído: 25 de abril de 2007].

La energía proveniente del sol calienta el suelo, y éste el aire, generando variaciones de presión y, en consecuencia, su movimiento tanto a nivel local como planetario. Debido a que a pequeña escala la orografía de la superficie terrestre no es plana y a gran escala la radiación solar no incide con el mismo ángulo sobre dicha superficie (perpendicularmente en el ecuador y de manera paralela en los polos), el calentamiento no es constante y se producen grandes gradientes de temperatura.

En este contexto, la diferencia de presión puede obedecer a una diferencia de temperatura entre dos lugares, debido a un distinto calentamiento por el sol o por la diferente capacidad calorífica entre dos zonas. Esta última situación es la que se observa en las zonas costeras en forma de brisa. En efecto, la tierra tiene una capacidad calorífica menor que la del mar (es decir, una mayor facilidad para calentarse o enfriarse), por lo que fácilmente se crean diferencias de temperatura. Durante la mañana, la tierra se calienta rápidamente, las capas de aire en contacto con la superficie de la tierra se dilatan y tienden a ascender, provocando que las masas de aire más frías que están en contacto con el mar ocupen su lugar. Se produce entonces un movimiento convectivo circular conocido como brisa marina. Por la noche, se da el efecto contrario, ya que la tierra se enfría a mayor velocidad que el mar y la brisa sigue el sentido inverso (brisa terral).

A gran escala, el aire en el ecuador y los trópicos se caldea más que en las zonas polares, razón por la cual éste asciende. El vacío de aire que se genera en la superficie es ocupado por el aire polar, que viaja por la superficie de las altas latitudes a las bajas. Este proceso se hace más complejo por la rotación de la Tierra, originando las denominadas células de circulación, que determinan el característico movimiento del aire alrededor el planeta (figura 1.4).

Figura 1.4: Circulación general de la atmósfera. Fuente: Candel (1982).

1.2 Conceptos básicos sobre contaminación atmosférica1.2.1 Definiciones

 

En la tabla 1.2 se proporcionan una serie de definiciones necesarias para entender todo lo relativo a la contaminación atmosférica que se desarrollará en éste y posteriores capítulos.

DEFINICIONES

Contaminación atmosférica

Presencia en el aire de sustancias o formas de energía que implique riesgo, daño o molestia grave para las personas o bienes de cualquier naturaleza (Ley española 38/1972 sobre Protección del Medio Ambiente Atmosférico).

Contaminante atmosférico

Partícula sólida o líquida, vapor o gas, contenido en la atmósfera, que no forma parte de la composición normal del aire, o que está presente en cantidades anormales.

Fuente contaminante

Cualquier dispositivo o instalación, estática o móvil, que vierte de forma continua o discontinua sustancias sólidas, líquidas o gaseosas, que generen una modificación del medio natural.

Proceso contaminante

Todo aquel que por su naturaleza o por los procesos tecnológicos convencionales utilizados, constituye o puede constituir una fuente de contaminación atmosférica.

Emisión

"Producción de sustancias sólidas, líquidas o gaseosas, ya sea desde una fuente fija o móvil, que se dispersan por la atmósfera, modificando las características del aire anteriores a su efecto". En concentración: mg/Nm3 o ppm. En carga: kg/t.

Inmisión o calidad del aire

Acción de asimilar los contaminantes por parte de personas, animales, plantas o materiales. Se mide en g/m3 o ppb.

Dispersión de los contaminantes

Tendencia natural que tienen éstos para distribuirse regularmente por todo el volumen del medio que los contiene.

Valor límite

Concentración y/o masa de contaminantes que en un período determinado no podrá rebasarse en las condiciones estipuladas, con el fin de proteger la salud del hombre en particular. Los valores límite de inmisión vienen regulados para cada contaminante por la legislación respectiva del país.

Umbral

Se definen únicamente para el ozono, contaminante secundario (no emitido directamente desde un foco al aire, sino que se forma), e indican valores orientativos a partir de los cuales puede tener algún tipo de efecto negativo. A diferencia de los otros contaminantes, éste no se puede disminuir mediante actuaciones sobre las fuentes emisoras, ya que no es emitido por estas fuentes.

Valor guía

Expresa situaciones de referencia que se consideran límites deseables.

Valor de emergencia

Aquellos valores de concentración de los diferentes contaminantes de referencia para la declaración de situación de emergencia. Se deben aplicar los planes de saneamiento específicos.

Materia particulada

Cualquier sustancia, a excepción del agua pura, presente en la atmósfera en estado sólido o líquido bajo condiciones normales y cuyo tamaño es microscópico o submicroscópico, pero siempre superior a las dimensiones moleculares.

Partículas en suspensión en la atmósfera

Materia sólida o líquida dispersa en el aire, de diámetro inferior a 100 micras.

Partículas sedimentables

Partículas con diámetro superior a 100 micras.

PM10

Material particulado en suspensión con un diámetro igual o inferior a 10 micras. Juntamente con las PM2,5 (diámetro inferior a 2,5 micras) y los núcleos de Aitken (dimensiones inferiores a 0,1 micras) tienen un gran interés desde el punto de vista ambiental.

Polvos

Partículas sólidas originadas por la desintegración mecánica de algún material.

Humos

Partículas sólidas y líquidas formadas por procesos complejos (condensación de vapores sobresaturados, sublimación o reacciones químicas) subsiguientes a las combustiones y con tamaño similar al del polvo fino.

Nieblas o brumas

Gotículas en suspensión formadas por condensación de vapor sobre ciertas partículas higroscópicas (núcleos de condensación) o más raramente por pulverización del agua en la atmósfera.

Tabla 1.2. Definiciones sobre aspectos relativos a la contaminación atmosférica.

1.2.2 Episodios y accidentes relacionados con la contaminación atmosférica durante el siglo XX

 

Para entender este apartado resulta imprescindible conocer la diferencia que existe entre episodio y accidente1.

- Episodio: ocurre cuando los contaminantes del aire "inocuo", diario, se combinan con otros factores, como las anormalidades meteorológicas y la topografía, para crear una atmósfera amenazante para la salud. A pesar de que el hombre es el responsable del factor contaminación, la concurrencia de los otros factores es incontrolable.

- Accidente: descarga inadvertida y evitable de sustancias químicas tóxicas, a menudo atribuible a fallas mecánicas o al error humano.

En la tabla 1.3 se muestran cronológicamente los episodios y accidentes más significativos ocurridos a lo largo del siglo XX en el mundo.

FECHA EPISODIO/ACCIDENTE

1930

Fallecen 63 personas y se registran centenares de enfermos de las vías respiratorias en el Valle de Mosa (Bélgica) debido a un período de estabilidad atmosférica. Coincide con un fenómeno de inversión térmica.Después de este suceso, se exigió la construcción de altas chimeneas en las plantas industriales

1948Mueren 20 personas y se atiende a otras 6.000 más sobre una población total de 12.000 habitantes en Donora (Pennsylvania). Coincide con un fenómeno de inversión térmica. Este hecho genera la creación de la Environmental Protection Agency (E.P.A.).

1950Poza Rica (México). La ruptura de una canalización de gas natural en una fábrica de tratamiento de gas natural provoca una fuga de ácido sulfhídrico en 25 minutos que provoca 22 muertes y 320 hospitalizaciones.

1952

Es el episodio más trágico hasta el momento provocado por la contaminación aérea en Londres. Fallecieron 4.000 personas en cuatro días de intensa niebla que, al mezclarse con óxidos sulfurosos, provocó un smog corrosivo que originó multitud de problemas pulmonares y una disminución importante de la visibilidad nocturna. Coincide con un fenómeno de inversión térmica.

1953 (nov.)

En Nueva York (EE.UU) mueren 250 personas debido a un episodio de contaminación.

1956 (ene.)

En Londres mueren 480 personas por contaminación ambiental.

1957 (dic.)

En Londres, muere un número comprendido entre 300 y 800 personas por contaminación ambiental.

1962 (nov.-dic.)

En Nueva York (EE.UU) fallecen 45 personas debido a un episodio de contaminación.

1962 (dic.)

En Londres mueren un número comprendido entre 340 y 700 personas debido a un episodio de contaminación.

1963 (ene.-feb.)

En Nueva York fallecen entre 200 y 400 personas por causa de la polución.

1966 (nov.)

En Nueva York mueren 166 personas por enfermedades relacionadas directamente con la polución.

1984 (dic.)

En Bhopal (India), un escape de gas tóxico de una fábrica de productos químicos causa la muerte a más de 3.300 personas, siendo la mayor catástrofe industrial de la historia hasta el momento.

1986 (abril)

Desastre nuclear en Chernobyl (Ucrania). Emisión a la atmósfera de grandes cantidades de productos radiactivos.

1989En Santiago de Chile, debido a los altos índices de contaminación, el gobierno decreta el cierre temporal de más de 50 industrias.

1990 Se suspende la circulación rodada en Milán para prevenir problemas de contaminación.

1997 (oct.)

Se restringe la circulación de vehículos en París para prevenir los problemas de polución.

Tabla 1.3. Episodios y accidentes más significativos ocurridos a lo largo del siglo XX.

 

En esta sucesión de episodios graves de polución atmosférica no se consideran desastres ecológicos relacionados con la lluvia ácida, la reducción del grosor de la capa de ozono o el efecto invernadero, ya que sus repercusiones sobre las personas es de difícil cuantificación.

1 http://www.conam.gob.pe/educamb/cont_aire.htm [Leído: 13 de abril de 2007].

1.2.3 Factores determinantes de la contaminación atmosférica

 

Los factores determinantes de la contaminación atmosférica son fundamentalmente meteorológicos y geográficos.

1.2.3.1 Factores meteorológicos

 

La contaminación del aire es un fenómeno transfronterizo que está sujeto totalmente a las corrientes atmosféricas.

En efecto, en las latitudes medias del hemisferio norte, lugares donde se concentra la mayor actividad antropogénica y emisiones de gases contaminantes, el aire se mueve en términos medios de oeste a este. De esta manera, se constata que el problema de la contaminación no tiene una solución local, ni siquiera a nivel nacional, sino que más bien se deben plantear soluciones a través de organismos internacionales que logren establecer compromisos políticos firmes de todos los países.

Dentro de los factores meteorológicos destacan la temperatura, el viento y las precipitaciones.

La temperatura

Tal y como se ha mencionado anteriormente, existe un movimiento convectivo del aire en las capas bajas de la atmósfera provocado al calentarse el aire debido al calor cedido por el suelo.

Habitualmente, el gradiente vertical medio de temperatura en la atmósfera es de -6,5 ºC /km, lo que da lugar a una estratificación térmica y, por consiguiente, a un gradiente de temperaturas que es el responsable de este movimiento convectivo. En efecto, el aire cercano a la superficie terrestre, al encontrarse más caliente que el que le rodea en las capas superiores, tiende a ascender por tener una menor densidad, desplazando al aire frío de arriba que, a su vez, ocupará las zonas superficiales. Se crea entonces una circulación del viento que continuamente va renovando la atmósfera al nivel del suelo, contribuyendo a la dispersión de contaminantes.

La estabilidad atmosférica es la resistencia de la atmósfera al movimiento vertical de una masa de aire.

 

La situación anteriormente descrita no siempre se produce y, a menudo, se presentan condiciones climáticas que invierten el proceso y que generan, en el mejor de los casos, un perfil más o menos constante con la altura o bien un aumento de la temperatura con la altitud (inversión térmica). Estas dos situaciones son muy desfavorables para la dispersión de la contaminación atmosférica, pues el aire más superficial se estanca y no asciende térmicamente a las capas más altas de la troposfera.

Las tragedias del Valle de Mosa, Donora y Londres, coincidieron en condiciones de inversión térmica.

 

Existen una serie de fenómenos meteorológicos directamente relacionados con la temperatura y que condicionan de una manera importante los niveles de polución:

- El smog ácido y el smog fotoquímico u oxidante.

- Las zonas de inversión térmica.

Las ciudades -sobre todo si están rodeadas de montañas- son especialmente susceptibles de sufrir el smog, ya que la intensa actividad humana propicia la aparición de las denominadas islas de calor, donde se crean unas condiciones adecuadas para la formación de nubes y nieblas.

El smog es una situación de persistencia de la polución, que ocurre debido a la condensación del vapor de agua presente en la atmósfera por un descenso de la temperatura. Se forma de esta manera una niebla cargada de contaminantes, cuya densidad dificulta durante el día la acción de calentamiento de la superficie terrestre, contribuyendo, por sí misma, a la conservación de la inversión térmica. A su vez, durante la noche, las capas más altas del smog se enfrían por irradiación, lo que

provoca que aumente su densidad, de manera que descienden hacia el suelo, donde la polución se hace más intensa.

El fin de una situación de smog tiene lugar cuando la circulación del viento se incrementa, barriendo y dispersando todo el manto hacia zonas exteriores.

A la hora de implantar una zona industrial en los alrededores de una ciudad, es conveniente realizar un estudio previo de la orografía y de las corrientes de

viento del lugar.

 

Hasta hace pocos años, el llamado smog ácido era típico de algunas ciudades con numerosa industria, como Londres o Chicago, en la que se quemaban grandes cantidades de carbón y petróleo con elevados contenidos de azufre. De esta manera, se creaba una espesa niebla de contaminantes conteniendo dióxido de azufre, gotitas de ácido sulfúrico y una gran variedad de partículas sólidas en suspensión, con efectos muy nocivos para la salud de las personas y para la conservación de edificios y materiales.

Afortunadamente, en los países desarrollados raramente se observa este tipo de contaminación, ya que los combustibles fósiles se queman en condiciones controladas; sin embargo, todavía en países en vías de industrialización como China o algunos países de Europa del Este, consituye un grave problema.

Por lo que hace referencia al smog fotoquímico, resulta de una reacción entre los contaminantes presentes en el aire catalizados por la luz solar. Los contaminantes implicados incluyen el ozono al nivel de la tierra, los óxidos de nitrógeno (NOx), compuestos volátiles orgánicos (VOC), dióxido de azufre, aerosoles ácidos y gases, así como partículas materiales.

Este tipo de contaminación es especialmente importante en lugares con clima seco, cálido y soleado, con mucho tráfico. Las inversiones térmicas pueden agravar este problema en determinadas épocas, ya que dificultan la renovación del aire y la eliminación de los contaminantes.

Este fenómeno es típico de ciudades como Los Ángeles o Santiago de Chile, en las que los niveles de contaminación sobrepasan habitualmente los valores límite establecidos (figura 1.5).

Figura 1.5: Vista del smog fotoquímico de Los Ángeles. Fuente: García (1993).

En la tabla 1.4 se proporcionan algunas diferencias entre los dos tipos de smog.

CARACTERÍSTICASDEL SMOG

SMOG ÁCIDO(TIPO LONDRES)

SMOG FOTOQUÍMICO(TIPO LOS ANGELES)

Intensidad máxima Por la mañana Al mediodía

Temperatura Alrededor de 5ºC Alrededor de 25ºC

Humedad atmosférica Alta Baja

Capa de inversión térmica Cercana al suelo Altura mediana y variable

Componentes Hollín y óxidos de azufre Ozono, aldehídos y óxidos de nitrógeno

Tipo de atmósfera Reductora Oxidante

 

Tabla 1.4. Características de los principales tipos de smog.

 

Las inversiones térmicas o de radiación contribuyen a la aparición de la niebla fotoquímica o "smog" que aparece sobre las ciudades y zonas industriales a primera

hora de la mañana.

 

Para evitar la acumulación de gases, los puntos emisores deberían sobrepasar la zona de inversión térmica para facilitar su dispersión, lo que se puede conseguir, en muchos casos, construyendo chimeneas muy altas que sobrepasen esta capa; no obstante, también se puede conseguir una dispersión correcta de los humos en aquellas que se encuentren dentro de la zona de inversión térmica, procurando que los humos salgan a una mayor temperatura: por cada grado centígrado que aumentan los humos su temperatura respecto la temperatura ambiente, ello es equivalente a tener una chimenea 1,5 m más alta.

Suponiendo que la temperatura de los humos y del aire fuera la misma, y considerando que la energía cinética de un gas es proporcional a su temperatura, podemos igualar sus energías cinéticas:

Si Taire = Thumos

Ec aire = b. Taire = Ec humos = b.Thumos

Ec aire = Ec humos

y como la energía cinética se relaciona con la velocidad a la que se dispersa el gas, según la fórmula:

Ec = 1/2. m. v2

donde:

m = masa del gas.

v = velocidad del gas.

y como que:

Ec aire = Ec humos

entonces, se obtiene la fórmula de Graham:

Un modelo matemático que expresa la concentración máxima producida en un punto del suelo (inmisión) por efecto de los humos de salida de una chimenea es:

donde:

Q: carga de contaminante (kg/s)

: velocidad media del viento (m/s)

Cy,Cz: coeficientes de difusión turbulenta

h: altura de la chimenea (m)

e: 2.7182

Figura 1.6: Chimenea de elevada altura en la central térmica de Meirama (A Coruña). Fuente: García (1993).

El viento

La relación entre el viento y la polución depende, en primer lugar, de la localización de las fuentes de emisión. El estudio de esta influencia se puede iniciar planteando el caso más sencillo posible, el de una única fuente emisora por la que se difunde un penacho a una cierta altura.

El comportamiento del penacho puede ser previsto en función de la altura de la chimenea1, la velocidad del viento, la velocidad de salida de los gases y su temperatura. En una situación desfavorable en la que el viento sea fuerte y la altura de la chimenea insuficiente, el penacho puede alcanzar el suelo a distancias cortas del punto emisor y provocar concentraciones altas de contaminantes que puedan afectar a personas y plantas. Según la forma de la estela se puede hacer la clasificación que se ilustra en la figura 1.7.

Figura 1.7: Clasificación de los penachos de humo de una chimenea en función de su forma. Fuente: Elson (1990).

a) Riciforme. La estela o penacho adopta una forma de rizo. El flujo es muy turbulento. Es propio de días soleados y dispersa bien los contaminantes.

b) Coniforme. El penacho tiene una forma de cono. Condiciones de flujo moderadamente turbulento. Puede alcanzar mayores distancias que el anterior, pero su grado de difusión de contaminante es menor. Se suele dar con vientos moderados o intensos.

c) Liso. Movimiento laminar del viento. Cuando se da en una zona de inversión térmica, el penacho queda confinado en ella y, cuando se rompe dicha inversión, se puede producir la precipitación de contaminante.

d) Ascendente. La turbulencia se manifiesta por encima del punto emisor. Este movimiento es muy característico a la puesta de sol. Ofrece buena dispersión.

e) Descendente. La turbulencia se desarrolla de manera inversa que en el caso ascendente, llegando a entrar en contacto con el suelo. Movimiento muy característico al amanecer.

En el caso de fuentes múltiples repartidas en una zona extensa, el problema es más complejo. Puede tratarse matemáticamente utilizando hipótesis que simplifiquen el problema, o bien se puede abordar experimentalmente mediante modelos hidráulicos en los que se utilizan venas líquidas de tinta, que representan puntos de emisión, arrastradas por una corriente de agua (que representa el viento) a la que se le va variando su nivel de turbulencia para observar su influencia en la dispersión de la tinta.

Las precipitaciones

Las precipitaciones ejercen, en principio, un efecto beneficioso contra la contaminación, disolviendo gases y partículas en suspensión. Sin embargo, las actividades antropogénicas, al variar la concentración de ciertas sustancias en la atmósfera, llega a producir un efecto contraproducente aumentando la acidez de las precipitaciones.

Las emisiones masivas a la atmósfera de dióxido de azufre (SO2) y de óxidos nitrosos (NOx) procedentes de la industria dan lugar a dos procesos diferentes:

- La deposición seca de gases, partículas y aerosoles.

- La deposición húmeda de sus ácidos en forma de lluvia.

La deposición seca consiste en la precipitación de los óxidos, como gases o pequeñas partículas, directamente sobre el suelo o sobre lagos y bosques. Su acción suele ser de corto alcance, afectando principalmente a las zonas próximas al punto emisor, aunque se han registrado deposiciones secas a grandes distancias con las condiciones metereológicas adecuadas.

El resto de los óxidos sufre reacciones químicas y se oxidan por medio del oxígeno atmosférico para convertirse en sus ácidos correspondientes. Se forman entonces disoluciones ácidas con el vapor de agua presente en la atmósfera que, al cabo de un tiempo, caen sobre la tierra en forma de lluvia, nieve o niebla, originando la deposición húmeda. En este caso, el campo de acción es mucho más amplio y la zona de incidencia puede

llegar a encontrarse a muchos kilómetros de distancia del origen de la emisión.

Las partículas sólidas que se mantienen en suspensión en la atmósfera contribuyen en el proceso, actuando como soportes sólidos de condensación

y favoreciendo la formación de nubes.

 

En la figura 1.8 se ilustra un esquema del proceso de deposición seca y lluvia ácida.

Figura 1.8: Modelo de la dispersión y deposición de sustancias ácidas.

La química de las deposiciones seca y húmeda es bastante compleja, ya que están implicadas un elevado número de reacciones. Hay que tener en cuenta que no se puede considerar una composición exacta de la lluvia ácida, ni siquiera aproximada, pues ésta varía dependiendo del lugar y de las condiciones meteorológicas. A pesar de todo esto, se puede definir la lluvia ácida como un cóctel formado por óxidos y ácidos de composición variable, donde los componentes sulfurosos suelen predominar sobre los nitrosos.

El proceso total de las deposiciones seca y húmeda se resume en la figura 1.9.

1. La atmósfera recibe óxidos de azufre (SO2) y de nitrógeno (NOx) de una manera natural (biogénicamente y desde el mar o erupciones volcánicas), y a partir de la actividad industrial y doméstica del hombre.

2. Una parte de estos óxidos cae directamente sobre la superficie de la tierra (deposición seca).

3. Las radiaciones solares catalizan la formación de compuestos oxidantes (oxidantes fotoquímicos) como el ozono (O3) a partir del oxígeno molecular (O2).

4. Estos oxidantes reaccionan a su vez con los óxidos que no han precipitado, oxidándolos a ácido sulfúrico (H2SO4) y ácido nítrico (HNO3).

5. Los ácidos generados, junto con los fotoxidantes y otros gases como el amoníaco, se disuelven en nubes y nieblas.

6. La lluvia, con un alto contenido en iones SO42-, NO3

-, NH4+ y H+, cae

sobre el suelo (deposición húmeda).

Figura 1.9: Modelo de la química de la lluvia ácida.

1 En la siguiente dirección http://www.mappinginteractivo.com/plantilla.asp?id_articulo=744&u_Search=chimenea [Leído: 16 de abril de 2007] se puede encontrar un ejemplo detallado del cálculo de la altura de una chimenea.

1.2.3.2 Factores geográficos

 

Las condiciones orográficas del suelo son determinantes en la difusión de contaminantes en la atmósfera, pues canalizan y dirigen las corrientes de aire superficiales que transportan los contaminantes. Es importante entonces el estudio previo de las características geográficas de la zona en la que vaya a ubicarse una industria, así como la presencia de obstáculos artificiales como edificios altos o el conocimiento de las condiciones de rugosidad del suelo.

Se recupera aquí el concepto de convección térmica del aire introducido a la hora de hablar de los condicionantes meteorológicos. Efectivamente, existen las brisas marinas y terrales originadas por gradientes de temperatura provocados por la diferente capacidad calorífica del mar y de la tierra. Del mismo modo, se conocen las llamadas brisas de valle y de montaña causadas por el diferente calentamiento que sufren las laderas de una montaña y los valles colindantes (figura 1.10).

Figura 1.10: Brisas de valle (día) y de montaña (noche). Fuente: Candel (1982).

Ambos movimientos convectivos del aire representan, en principio, una circulación a ras del suelo beneficiosa para la dispersión de los

contaminantes, pero el efecto cíclico del viento puede llegar a agravar la situación. En primer lugar, estas brisas son muy suaves y presentan un régimen de turbulencia laminar insuficiente muchas veces para barrer todo el aire de un valle. En segundo lugar, si la convección no alcanza niveles altos en la troposfera, los contaminantes quedan encerrados en un ciclo que los retorna al lugar de origen, agravando el problema.

Cuando el viento tropieza con una montaña, se ve obligado a ascender para vencer este obstáculo, originando unos vientos casi verticales característicos. Al llegar a las cumbres, desciende violentamente, originando remolinos muy peligrosos para los aviones que crucen la cordillera perpendicularmente. Es en esta región donde queda atrapada la contaminación aérea, entrando en una espiral difícil de dispersar. Como ejemplo de esta situación se tiene el llamado "föehn" de los Alpes. El aire húmedo procedente del mar mediterráneo choca contra la cordillera alpina enfriándose y descargando abundantes precipitaciones. Al sobrepasar las cimas, se calienta por compresión adiabática formando un aire seco y cálido muy característico en la ladera interior.

El obstáculo físico con el que puede toparse un viento puede ser también artificial, es decir, en forma de edificio, pantano, etc. La forma caprichosa de estas edificaciones provoca en ocasiones situaciones de estancamiento muy particulares que requieren un estudio particular para cada caso, tal y como se puede apreciar en la figura 1.11.

Figura 1.11: Dirección y sentido de la circulación del viento en una zona urbana con edificios.

1.3 Efecto de los contaminantes atmosféricos1.3.1 Introducción

 

De la propia definición se desprende que la contaminación atmosférica urbana incluirá, en este contexto, además de la de origen químico (partículas y gases), la contaminación de naturaleza biológica (polínica) y física (acústica, radiofrecuencias, campos electromagnéticos).

Aquí nos centraremos básicamente en la de carácter químico, aunque también se hará puntualmente referencia a las otras dos formas de contaminación.

1.3.2 Efectos sobre la salud de las personas

 

Hoy en día la contaminación atmosférica se ha convertido en un problema de salud pública mundial.

El conocimiento científico de las consecuencias de la contaminación en la salud humana no es tarea fácil, ya que depende de multitud de factores relacionados con las características de cada individuo en particular y del tipo de contaminante. No todas las personas reaccionan igual frente a un alto índice de concentración de algún efluente, por lo que no se puede hacer un estudio individual de sus efectos, sino que debe seleccionarse una muestra significativa de toda la población, que incluya gente de todas las edades y que tenga en cuenta el tipo de trabajo que realizan, sus anteriores afecciones pulmonares o cardiovasculares, su lugar de residencia, alimentación y frecuencia de desplazamientos fuera de las zonas contaminadas.

No obstante, algunos estudios epidemiológicos experimentales han arrojado luz sobre este tema, sacando una serie de conclusiones que se resumen en la tabla 1.5.

CONTAMINANTE EFECTO

Material particulado (PM10)

Asma, bronquitis crónica y afectaciones cardiovasculares

SO2 (muy soluble en agua)

Incidencia en bronquitis y neumonía Broncoconstricción en asmáticos

NOx (insoluble)Disnea, aumento de sensibilidad a irritantes en asmáticos y enfisema

pulmonar

O3 (insoluble)Asma, irritación de ojos, dolor en el pecho, dolor de cabeza, lesiones

pulmonares y afecciones vasculares

Tabla 1.5. Efectos de los principales contaminantes sobre la salud de las personas en el entorno urbano. Fuente: adaptado de Linares & Díaz (2005a, 6).

El denso tráfico existente en las grandes ciudades es responsable en su mayor parte de los centenares de miles de episodios de bronquitis, afectaciones cardiovasculares y síntomas de asma en niños que se producen en Europa.

En este contexto, los habitantes de una ciudad están expuestos a numerosos contaminantes que actúan de forma combinada, con lo que resulta complicado separar los efectos sobre la salud de un contaminante en concreto.

A raíz de estos estudios, la Organización Mundial de la Salud (OMS) redujo en el año 1994 los umbrales máximos permitidos, llegando incluso a no definir un límite permitido en el caso del material particulado, que era de 125 g/m3 en los años ochenta1.

Existe una relación lineal entre la contaminación atmosférica por partículas y la mortalidad.

En esta misma línea, la Unión Europea promulgó la Directiva 1990/30/CE2 del Consejo relativa a los valores límite de dióxido de azufre, dióxido de nitrógeno y óxidos de nitrógeno, partículas y plomo en el aire ambiente.

En la tabla 1.6 se proporcionan las concentraciones de material particulado en algunas ciudades europeas.

CIUDADCONCENTRACIÓN

( g/m3)

Madrid 33

París 27

Londres 17

Dublín 24

Budapest 28

Roma 61

Praga 44

Atenas 68

Barcelona 40

Tabla 1.6. Valores medios anuales de material particulado PM10 en algunas ciudades europeas. Fuente: estudio realizado en el año 20023.

 

En los últimos años se ha producido un descenso, en términos generales, de la contaminación urbana producida por dióxido de azufre (SO2) y óxidos de nitrógeno (NOx), gracias al aumento de los controles en la quema del carbón o en la mejor combustión en los carburadores de los vehículos, si bien los niveles son aún muy importantes en determinadas ciudades.

Otra forma de contaminación atmosférica es la que tiene un origen biológico y que consta de una serie de etapas: producción de polen y esporas, dispersión en la atmósfera, transporte, deposición e impacto.

El polen y las esporas producidos por los vegetales afectan por lo general a los ojos, nariz, garganta, oídos y pulmones, en lo que comúnmente se ha dado en llamar "alergia al polen" o polinosis.

Estos episodios se agudizan en determinadas épocas del año, cuando la concentración de los tipos polínicos en el aire es mayor. Asimismo, el cambio climático ha contribuido a acentuar al alza las cantidades de polen emitidas por las especies vegetales.

En cuanto a las formas de contaminación física, estudios realizados por la OMS aseguran que alrededor de la mitad de la población europea sufre niveles de presión acústica superiores a los 65 dB durante el día y a los 55 dB durante la noche4.

El ruido urbano no tan sólo afecta a la salud física, sino que también repercute sobre las condiciones psíquicas y sociales del individuo. Entre otras consecuencias, la exposición al ruido afecta al metabolismo y acarrea trastornos digestivos y del sueño, provocando irritabilidad y fatiga.

1 No existe ningún umbral de seguridad para el caso de las PM10 (Schwartz, 1993). 2 Posteriormente, el anexo V fue modificado por la Decisión de la Comisión de 17 de octubre de 2000. En España tuvo su transposición en los Reales Decretos 1073/2002 y 1796/2003 en el caso del ozono. 3 Citado por Cristina Linares & Julio Díaz en Ecosostenible (2005a, 4). 4 Se considera que 120 dB es el umbral de dolor para el oído humano.

1.3.3 Efectos en la vegetación

 

Los efectos producidos por la contaminación del aire en las plantas son muy importantes debido a la sensibilidad que presentan los tejidos vegetales frente a las agresiones externas.

La asimilación de algunos compuestos nocivos por la planta genera un retraso en su crecimiento, ya que actúan directamente en el proceso de fotosíntesis, bloqueando en algunos casos el proceso de síntesis de clorofila. En este sentido, desde un punto de vista económico, las pérdidas ocasionadas son muy elevadas: las actividades de un polígono industrial sobre una plantación de cereales u hortalizas puede reducir su rendimiento productivo en más de un 60% a causa de la contaminación atmosférica.

En la figura 1.12 se ilustran los efectos de la contaminación atmosférica sobre una hoja de planta de tabaco.

Figura 1.12: Efectos de la contaminación atmosférica sobre una hoja de la planta de tabaco.

Los vegetales son buenos indicadores biológicos para determinar la presencia contaminante de algún elemento. Debido a su sensibilidad, su poder de captación y a la simplicidad en sus tejidos estructurales, el análisis en laboratorios químicos de los niveles de algún compuesto es bastante sencillo y rápido. Así, los bioindicadores de la polución atmosférica más utilizados son los líquenes, los hongos y las pequeñas plantas.

Obsérvese, por ejemplo, la ausencia de líquenes en las piedras de las grandes ciudades, aunque la humedad sea elevada.

Los contaminantes que ejercen una mayor influencia sobre los vegetales son:

- Compuestos de azufre: el SO2 emitido por algunas actividades es el responsable de la lluvia ácida.

- Compuestos halogenados: el Cl y el HCl provocan unas lesiones parecidas a las de las heladas, quemando las hojas de los árboles. La acción destructora empieza con un oscurecimiento en los bordes de las hojas, que se va extendiendo hasta alcanzar la base, con la consiguiente caída de las hojas. Si el impacto es muy continuado, puede llegar a

causar la caída de todas las hojas del árbol, para acabar finalmente con su vida por interrupción del proceso fotosintético.

- Hidrocarburos: el etileno es uno de los contaminantes más dañinos para las plantas. Una concentración de una cienmillonésima parte puede generar desequilibrios importantes causados por el crecimiento desmesurado de las vacuolas celulares que acaban con la caída generalizada de las hojas. Las olefinas, en general, son las máximas responsables del conocido smog oxidante, tan típico en la ciudad de Los Ángeles.

- Otros contaminantes: tales como el monóxido de carbono (CO), que se fija en los vegetales de una manera similar a como lo hace en los seres humanos, con unos efectos muy parecidos; y otros de acción más localizada como el arsénico, la sílice o las partículas sólidas en suspensión procedentes de penachos de chimeneas o de industrias cementeras.

1.3.4 Efectos en los animales

 

La incidencia de algunos efluentes gaseosos en los animales puede producirse mediante dos vías: de manera directa o bien a través de la ingestión de vegetales contaminados. Esta última opción es aún más peligrosa, puesto que la sustancia nociva entra dentro de la cadena alimentaria, afectando incluso a animales que no consumen vegetales (figura 1.13).

Figura 1.13: Cadena alimentaria. Fuente: García (1993).

El impacto provocado por la alta concentración de un compuesto no afecta a todos los animales del mismo modo; algunos animales son inmunes a un determinado contaminante, mientras que para otros representa una severa agresión.

Los grandes desastres ecológicos ocurridos en Donora o Londres a mediados del siglo XX, vinieron acompañados por una multitud de afecciones broncopulmonares en caballos y vacas, un elevado número de pájaros muertos y una disminución sensible en la cantidad de insectos.

Una enfermedad muy característica en el ganado es la fluorosis, causada por emisiones gaseosas ricas en compuestos fluorados. Los síntomas empiezan apreciándose en los dientes y huesos, en los que aparecen manchas y debilitación general por acción del fluoruro de calcio (CaF2). En etapas más avanzadas de la enfermedad, los huesos sufren

deformaciones y atrofias. En la última fase de la enfermedad, antes de la muerte del animal, éste padece fuertes trastornos digestivos y renales.

Otros contaminantes que también afectan a la salud de los animales son:

- El benzopireno y, en general, todos los derivados policíclicos del pireno y del perileno, son un probado agente cancerígeno.

- El zinc, el tetraetilplomo, el selenio y el arsénico son sustancias venenosas.

- El molibdeno provoca anemia y debilitamiento de los huesos.

- El hollín es causa de insuficiencias respiratorias y problemas de visibilidad.

- Las emisiones procedentes de fábricas de cemento provocan trastornos digestivos.

- Los insecticidas emitidos masivamente afectan directamente a los animales que constituyen el siguiente eslabón en la cadena alimentaria, los pájaros.

1.3.5 Efectos sobre el entorno

 

Las principales consecuencias de la contaminación sobre el entorno son:

- Formación de nieblas: cuando el vapor de agua atmosférico supera el punto de condensación, pasa a su estado líquido sobre las superficies frías de las partículas del aire, formando o favoreciendo la formación de niebla, que ejerce la función de medio acuoso para la disolución de otros muchos gases presentes en el aire.

- Reducción de la visibilidad: la disminución de la visibilidad es uno de los efectos inmediatos y prácticamente generalizados del fenómeno de la contaminación en las grandes ciudades y formación de nieblas. Su aparición tiene lugar cuando las emisiones gaseosas vienen acompañadas por pequeñas partículas en suspensión, como humos y hollines, que absorben, dispersan o reflejan los haces de luz. Estos tres fenómenos se dan siempre simultáneamente.

- Aumento de la temperatura de la tierra: al producirse los fenómenos de absorción, dispersión y reflexión, la radiación solar, después de rebotar en el suelo, no consigue volver a atravesar la atmósfera en una proporción natural, con lo que vuelve a incidir en la superficie terrestre, lo que comporta un aumento progresivo de la temperatura de la Tierra. Es el fenómeno denominado como efecto invernadero.

1.3.6 Efectos en los materiales

 

Son muchos los procesos de deterioro de los materiales por acción de los contaminantes. Estos procesos pueden ser de tipo físico (impacto directo, presiones, cambios de temperatura,...) o de tipo químico, sobre todo corrosivo, aunque hay muchos otros. Las pérdidas económicas que ocasionan se empiezan a considerar, aplicando medidas protectoras en algunos casos. Algunos de estos mecanismos son los siguientes:

- Abrasión. Se da principalmente por el efecto continuado de los sólidos que se encuentran en suspensión en el aire al impactar contra montañas o edificios. Cuanto más grandes son estas partículas, más poder destructivo poseen.

- Deposición seca. La acción de una industria genera en sus alrededores una deposición de contaminantes en el suelo, árboles o materiales.

- Ataque químico. Este es el caso, por ejemplo, de la lluvia ácida, que ataca químicamente a los materiales de construcción como el mármol, la caliza, la pizarra y la argamasa. Los carbonatos de estos materiales se convierten en materiales solubles en agua; el material se ataca y debilita mecánicamente a medida que los sulfatos se van disolviendo en el agua de lluvia.

También son destacables los daños por decoloración de tintes y fibras textiles (rayón de acetato, algodón, viscosa) por los óxidos de nitrógeno.

- Corrosión. El mecanismo de la corrosión es, en algunos casos, una simple disolución, pero el caso más dañino se da cuando tiene lugar un proceso de corrosión oxidante en los metales. El hierro, en su estructura natural, posee microcristales incorporados en su estructura molecular que están compuestos por átomos de diferente naturaleza. Al contener

sales, se favorece la asimilación de moléculas de agua, creándose un medio acuoso donde el hierro se oxida superficialmente:

Para que esta reacción de oxidación tenga lugar, debe darse paralelamente una reacción de reducción. Como el hierro es un buen conductor de la electricidad, los electrones generados en la oxidación circulan libremente por la estructura metálica hasta que encuentran oxígeno disuelto en agua, susceptible de ser reducido:

La oxidación puede continuar:

Finalmente, el Fe3+ producido se difunde por la solución catódica para reaccionar con el OH- presente según la reacción:

y precipita el óxido de hierro sólido e insoluble, comúnmente llamado herrumbre.

Existen varios medios, utilizados en la actualidad, para luchar contra la corrosión de los metales. Uno de ellos es pintar la superficie metálica con una capa de polímero impermeable a la humedad. Si el metal es zinc, níquel, estaño o cromo la formación de una fina capa de su propio óxido lo aísla del exterior deteniendo la oxidación.

Capítulo 2 .- Naturaleza de los contaminantes atmosféricos

O B J E T I V O S

- Proporcionar una descripción de los contaminantes más importantes derivados de las actividades industriales y no industriales.

2.1 Introducción 

El factor antrópico más importante de la contaminación del aire es la combustión, es decir, aquella reacción química (oxidación rápida con desprendimiento de calor) en la que intervienen una serie de productos, denominados combustibles, y que se desarrolla en un medio que aporta oxígeno (aire) denominado comburente.

Teóricamente, cualquier proceso de combustión efectuado en condiciones estequiométricas, es decir, en las proporciones adecuadas, además de liberar energía, únicamente produciría CO2 y vapor de agua como subproductos. En realidad, al alejarse de las condiciones ideales, la combustión genera un amplio y diversificado grupo de contaminantes atmosféricos, que puede llegar al centenar.

Según su origen, los contaminantes atmosféricos se pueden dividir en contaminantes primarios y contaminantes secundarios:

- Contaminantes primarios. Están directamente generados por la actividad humana o por fenómenos naturales. Son aquellos directamente emitidos por un foco y no han sufrido ninguna modificación química desde el momento que salieron de su punto de emisión. A este grupo pertenecen el agua (H2O), los óxidos de azufre y de nitrógeno (SO2 y NOx), los óxidos de carbono (CO2 y CO), los hidruros halogenados (HF), CFC´s y freones, el amoníaco (NH3), los hidrocarburos ligeros como el metano (CH4), el etano (C2H6), el propano (C3H8) y las partículas sólidas y líquidas.

- Contaminantes secundarios. Se originan a partir de la reacción química entre otros contaminantes, que pueden ser primarios o secundarios, o con componentes naturales de la atmósfera. Son contaminantes secundarios el ozono (O3), los ácidos nítrico y sulfúrico (HNO3 y H2SO4) o el peroxoacetilnitrato (PAN).

Los contaminantes secundarios son más difíciles de controlar desde el punto de vista tecnológico, ya que no proceden de ningún foco en

concreto.

En la tabla 2.1 se proporcionan ejemplos de ambos tipos de contaminantes.

TIPOSCONTAMINANTES 

PRIMARIOSCONTAMINANTES

SECUNDARIOS

Compuestos de azufre SO2, H2S SO3, H2SO4

Compuestos de nitrógeno NOx, NH3 NO2, NO3, O3

Compuestos orgánicos volátiles Comp. C1-C5 Aldehídos, cetonas,...O3

Óxidos de carbono CO, CO2 ---

Compuestos halogenados Cl2, HF, HCl, dioxinas y furanos ---

Tabla 2.1. Ejemplos de contaminantes atmosféricos.

 

Según la actual legislación específica de cada contaminante, se encuentran limitaciones y valores a alcanzar de calidad o inmisión diferentes y en distintos períodos de tiempo.

En todo caso, la legislación respectiva es la que marcará los límites de emisión de cada uno de los contaminantes en particular.

Se menciona, a continuación, una relación de los contaminantes más representativos presentes en la atmósfera.

2.2 Los contaminantes sulfurados2.2.1 Óxidos de azufre

 

La combustión de grandes cantidades de carbón de diversa calidad y de aceites minerales genera la emisión a la atmósfera de millones de toneladas de dióxido de azufre (SO2), ya que la estructura química de todos estos productos contiene azufre en una proporción variable que puede llegar a ser hasta del 6%. Así, si se toma como ejemplo el proceso de transformación de una fundición de cobre que trate aproximadamente 2.500 toneladas de un mineral enriquecido con un 30% de azufre cada

día, se llegan a emitir unas 1.500 toneladas de dióxido de azufre diarias a la atmósfera.

En zonas industriales, la concentración de SO2 no suele rebasar los 2.000 g/m3, lo que no reviste un riesgo real para la salud humana, sin embargo, el problema aparece cuando este contaminante primario se convierte en secundario (SO3) a través de una reacción fotoquímica catalizada por las radiaciones solares. El trióxido de azufre (SO3) sí que puede acarrear graves trantornos en la salud, ya que al diluirse en el vapor de agua, siempre presente en la atmósfera, da lugar a aerosoles de ácido sulfúrico (H2SO4), componentes de la lluvia ácida y que fueron responsables de los episodios del Valle de Mosa (Bélgica) en 1930, de Donora (Pennsylvania) en 1948 y de Londres en el año 1952.

La química de todo el proceso de oxidación es compleja. El mecanismo puede simplificarse en dos etapas: un proceso fotoquímico en fase gaseosa por el que la molécula de SO2 pasa a un estado energéticamente excitado al interaccionar con un fotón de luz, y una segunda reacción catalítica en fase líquida al interaccionar esta molécula excitada con el oxígeno atmosférico y dar lugar a una molécula de SO3 y otra de ozono.

Tal y como se ha mencionado, el SO3 formado se disuelve en el vapor de agua presente en las nubes o niebla para dar lugar a ácido sulfúrico, en una reacción que está influenciada por el pH del medio y favorecida por contaminantes básicos como el amoníaco (NH3).

En esta etapa tiene su origen el llamado smog ácido, característico de las grandes ciudades, y que como se vio, se diferencia en su origen del smog fotoquímico, que proviene directamente de las recciones fotoquímicas provocadas por las radiaciones solares.

2.2.2 El sulfuro de hidrógeno

 

El sulfuro de hidrógeno (H2S) se encuentra en concentraciones casi despreciables en la atmósfera bajo condiciones de no polución, por lo tanto, cualquier detección de un índice de H2S algo significativo induce a pensar en la proximidad de una fuente emisora de contaminación. De manera natural, la única fuente de emisión de este gas, muy venenoso, proviene de la descomposición de residuos orgánicos de vertedero por algún tipo de bacteria.

Figura 2.1: Plataforma petrolífera situada en alta mar. Fuente: García (1993).

Las principales fuentes productoras de sulfuro de hidrógeno son las refinerías de petróleo, ya que el gas natural que emiten suele ser muy rico en azufre. Las zonas limítrofes a estas refinerías pueden verse afectadas por el característico olor a huevos podridos del H2S.

2.2.3 Otros compuestos sulfurados

 

El H2S es susceptible de reaccionar y transformarse en otros compuestos sulfurados como los mercaptanos u otros sulfuros, que generalmente lo acompañan. Estas sustancias se caracterizan por presentar también un olor característico muy desagradable.

2.3 Los contaminantes carbonados

2.3.1 El dióxido de carbono

 

El dióxido de carbono se encuentra en una elevada proporción de manera natural en la atmósfera (alrededor de un 1% de la masa total del aire). Sin embargo, se tiene que incluir este porcentaje en el equilibrio global de la temperatura atmosférica, pues incide directamente en la cantidad de radiación devuelta a la superficie terrestre por las sustancias y partículas constituyentes del medio aéreo (efecto invernadero). Su importancia, pues, es enorme debido al calentamiento progresivo que ha experimentado el planeta en los últimos años y las consecuencias ecológicas que podría conllevar.

La fuente principal de CO2 son las combustiones de cualquier compuesto orgánico.

Un incendio forestal incontrolado es una fuente natural de CO2.

 

Su formación aparece entonces relacionada con multitud de fuentes de energía como el petróleo y sus derivados (tubos de escape de los automóviles, calefacciones, gas natural,...), la combustión del carbón, madera, entre otros.

2.3.2 El monóxido de carbono

 

El monóxido de carbono (CO) aparece como un subproducto de la combustión de compuestos orgánicos, generalmente hidrocarburos, en condiciones de oxidaciones incompletas, es decir, de escasez de oxígeno. Su principal fuente son los gases de escape de los automóviles, y de ahí la importancia que tiene la correcta regulación de la carburación en los coches.

La emisión de CO es especialmente peligrosa debido a su gran toxicidad. En efecto, el CO inactiva una parte de la hemoglobina por inhalación, desplazando al oxígeno por su mayor poder de retención, lo que acarrea

consecuencias nefastas para el organismo. La irrigación del cerebro, al no aportarse una cantidad suficiente de oxígeno a las neuronas, resulta estéril, produciéndose lesiones cerebrales irreversibles que pueden causar la muerte del individuo.

2.3.3 Compuestos Orgánicos Volátiles (COV's)

 

Dicha denominación se aplica a un conjunto de especies químicas exógenas al medio, las cuales siempre se encuentran en concentraciones muy bajas (traza). Constituyen un grupo muy numeroso, pero menos estudiado y legislado que los compuestos inorgánicos o los materiales particulados.

Los hidrocarburos pueden incluirse en este grupo, y se suelen diferenciar los COV´s metánicos de los que no lo son. Respecto a estos últimos, provienen principalmente de los procesos industriales, aunque también de la combustión incompleta de la gasolina en los carburadores de los automóviles.

Uno de los hidrocarburos más habituales en grandes ciudades son las olefinas, cuyo origen es el cracking o fragmentación de largas cadenas de hidrocarburos por efecto del calor, y que desempeñan un papel muy importante en la creación y desarrollo del smog oxidante.

Como subproducto de la combustión de carburantes también aparece un polvo que contiene alquitranes en su composición; estos alquitranes son altamente peligrosos ya que vienen acompañados de sustancias cancerígenas del tipo benzo (a) pireno. La capacidad cancerígena del benzo (a) pireno y de sus derivados en animales y personas ha sido científicamente demostrada y constituye una de las máximas preocupaciones de los organismos médicos internacionales.

En referencia a los aldehídos, además de proceder de los tubos de escape de los automóviles, pueden provenir de la oxidación de otros hidrocarburos en la atmósfera. Los más importantes son el formaldehído y la acroleína, que en concentraciones elevadas provocan problemas de irritaciones oculares.

A medida que los hidrocarburos contienen más carbono y menos hidrógeno, se entra en el terreno de las sustancias sólidas, como los hollines, que generan problemas de visibilidad.

2.4 Los contaminantes oxigenados2.4.1 El ozono

 

El ozono (O3) es un constituyente natural de la atmósfera, pero se encuentra principalmente en capas altas de la estratosfera. A ras del suelo su concentración es muy pequeña, del orden de 40 a 60 g/m3.

El ozono es muy oxidante y reacciona muy fácilmente con olefinas y óxidos de nitrógeno y de azufre. De esta manera, en condiciones de polución bajas, el O3 se combina rápidamente con hidrocarburos y desaparece. Por el contrario, en condiciones de fuerte insolación y desmog oxidante, su concentración aumenta, llegando a alcanzar los 1.200 g/m3 en las condiciones más desfavorables.

El ozono en la estratosfera desempeña un papel importantísimo para la vida en la tierra. La conocida capa de ozono funciona como un manto protector de la tierra, absorbiendo las radiaciones ultravioleta (radiaciones de longitud de onda corta: 290-320 nm) que son nocivas para los seres vivos. Interviene también en el ciclo que sigue la radiación solar al rebotar en la superficie terrestre, modificando la proporción de radiación que retorna a la tierra desde la atmósfera. Este efecto conlleva un calentamiento adicional de la tierra que puede tener consecuencias irreversibles para los ecosistemas.

Estudios científicos han descubierto que los freones y fluorocarbonos, componentes de neveras y sprays, son los máximos responsables de la creciente destrucción de la capa de ozono. Estas sustancias son bastante estables químicamente, de manera que llegan a la estratosfera sin sufrir modificaciones químicas, hasta que al encontrarse con el ozono reaccionan con él destruyéndolo.

2.5 Los contaminantes nitrogenados

2.5.1 El amoníaco

 

El amoníaco (NH3) se encuentra de manera natural en la atmósfera, pero en cantidades casi despreciables. Su origen natural se da en las putrefacciones de los organismos. Cuando se produce una contaminación amoniacal, cabe suponer que proviene de un escape en una instalación industrial que produce amoníaco o que lo utiliza como reactivo en alguno de sus procesos. Su presencia en el aire puede, sin embargo, catalizar otras reacciones como la conversión de SO3 a ácido sulfúrico, ejerciendo como contaminante indirecto al favorecer la formación del smog ácido.

2.5.2 Los óxidos de nitrógeno

 

Los óxidos de nitrógeno (NO2 y NO) aparecen en la atmósfera a partir de fenómenos naturales como erupciones volcánicas o tormentas, siendo su concentración normal de 800-900 g/m3. Las grandes emisiones de óxidos nitrosos provocadas por el hombre provienen de los motores de combustión interna de los automóviles y de las grandes centrales térmicas.

Desde el punto de vista de la toxicidad para la población, estos óxidos son altamente peligrosos, procurando en todo momento un control exhaustivo de sus niveles en el aire. Sin embargo, aunque sus índices no sean muy altos, desempeñan un papel muy importante en la formación y desarrollo del smog oxidante.

N2O NO N2O3 NO2 N2O4 N2O5

Punto de fusión, ºC -98,8 -163,6 -102 --- -9,3 30

Punto de ebullición, ºC -88,5 -151,8 3,5 --- 21,3 47

Hf0, kcal 19,5 21,6 20 8,09 2,3 3,1

Gf0, kcal 24,8 20,7 --- 12,4 23,5 27,9

Hf0, es la entalpía de formación standard, es decir, es la cantidad de calor intercambiada por un

sistema en la reacción por la cual un compuesto puro se forma a partir de sus elementos, que ocurre a presión constante y encontrándose todas las sustancias en sus estados standard.

Gf0, es la energía libre de formación standard (o de Gibbs), es decir, el cambio de energía libre

que ocurre cuando un mol de un compuesto, en su estado standard, se forma a expensas de sus elementos en sus estados standard.

Tabla 2.2. Propiedades de los óxidos de nitrógeno.

2.5.3 El ácido nítrico

 

El control de los niveles de ácido nítrico (HNO3) se ejerce siempre en las proximidades de los puntos emisores (al igual que el NH3 y el H2S), ya que tiene como origen la industria que lo produce o que lo utiliza como reactivo. Su presencia natural en la atmósfera es nula.

2.5.4 Los nitratos de peracilo

 

La aparición de los nitratos de peracilo (compuestos cuya fórmula es del tipo R-CO-OO-NO2) tiene lugar en condiciones de contaminación atmosférica muy adversas. Su formación viene dada por la elevada concentración de otros contaminantes, las olefinas y los óxidos de nitrógeno, que se combinan bajo condiciones meteorológicas muy particulares de fuerte radiación solar por medio de reacciones fotoquímicas. Estas características climáticas son frecuentes en zonas como California o los Países Bajos.

La química de los nitratos de peracilo es muy complicada. El mecanismo de formación es de tipo radicalario, siendo los reactivos los óxidos de nitrógeno, el oxígeno molecular y los hidrocarburos presentes en el aire.

Los nitratos de peracilo más conocidos son los nitratos de peracetilo (PAN), los de perpropionilo (PPN) y los de perbutirilo (PBN). Son compuestos inestables y explosivos en altas concentraciones, provocan irritaciones en los ojos en condiciones de fuerte polución (1 mg/m3). Son los principales responsables de los efectos nocivos sobre la vegetación del smog oxidante.

2.6 Otros contaminantes2.6.1 Los compuestos halogenados

 

Las sustancias gaseosas fluoradas aparecen en la atmósfera como subproductos no deseados en diferentes tipos de industrias metalúrgicas o de producción de abonos y fertilizantes.

El flúor es un elemento muy abundante en la tierra, casi siempre presente en minerales en forma de fluoruro, de manera que aparecerá como producto secundario en cualquier proceso de transformación de estos minerales. Por ejemplo, suele estar combinado con el fósforo en los yacimientos, de manera que las industrias productoras de fertilizantes que contienen ácido fosfórico, fosfatos de amonio, superfosfatos, etc., emitirán compuestos fluorados en los procesos de calcinación o de ataques ácidos. Se hacen necesarias entonces instalaciones complementarias que puedan recoger estas emisiones y evitar así su dispersión en la atmósfera.

Otros contaminantes halogenados importantísimos de la atmósfera son los compuestos clorofluorocarbonados (más conocidos como CFC). Los CFC perduran en la atmósfera durante más de 100 años y un sólo átomo de Cl puede destruir 100.000 moléculas de ozono. Los CFC provienen de los gases utilizados en aerosoles, disolventes químicos, sistemas de refrigeración y aire acondicionado, y en la fabricación de materiales de espuma, aislantes y de embalaje.

FÓRMULA QUÍMICA NOMBRE COMERCIAL NOMBRE SISTEMÁTICO

CFCl3 Freón 11 Triclorofluorometano

CF2Cl2 Freón 12 Diclorodifluorometano

CF3Cl Freón 13 Clorotrifluorometano

CF4 Freón 14 Tetrafluorometano

Tabla 2.3. CFC's más comunes en la industria.

 

Desde el Protocolo de Montreal, en el año 1987, más de 160 países han firmado un acuerdo por el cual se prohíbe la producción de CFC en los países industrializados a partir de enero de 1998, mientras que en los países pobres este plazo se amplía hasta el año 2010.

Tras la aparente victoria sobre los CFC, el gran reto de la comunidad internacional está ahora en reducir el uso del bromuro de metilo, pesticida muy utilizado en la agricultura y con un impacto sobre la capa de ozono 50 veces mayor que el temible cloro de los CFC. Sin embargo, esta decisión es muy controvertida.

2.6.2 El plomo y sus derivados

 

La principal fuente de plomo en las zonas urbanas procede de la combustión de la gasolina en los automóviles. Su naturaleza suele ser en forma de óxidos, aunque también puede ser emitido como metal o combinado con halógenos. Su presencia como aditivo en los carburantes juega un papel antidetonante en la combustión, controlando la fuerza de la explosión que tiene lugar en los cilindros de un automóvil. Estos aditivos son del tipo tetraalquilplomo.

El poder contaminante del plomo ha quedado demostrado sobradamente, sobre todo cuando se combina con compuestos orgánicos presentes en la atmósfera, lo que ha conllevado su sustitución por otros antidetonantes en la gasolina y a la ya generalizada instalación de catalizadores especiales en los sistemas de carburación de los automóviles que funcionan con gasolina sin plomo.

2.6.3 Los óxidos de hierro

 

La siderurgia es la principal fuente generadora de óxidos de hierro. El proceso de quemado del carbono presente en el mineral original comporta, inevitablemente, la reacción del oxígeno con una parte del

hierro, formándose óxido ferroso (FeO) y, sobre todo, óxido férrico (Fe2O3), que se dispersan por las inmediaciones de los hornos.

Figura 2.2: Imagen de una industria siderúrgica.

2.6.4 Los silicatos

 

Las dos fuentes principales de emisión de silicatos son las fábricas de cemento y las canteras. Los niveles de contaminación alrededor de una fábrica de cemento son, en algunos casos, alarmantes; no sólo por la deposición de polvo blanco por todo su campo de acción, sino por la existencia de partículas en suspensión más pequeñas que no son apreciables a simple vista, pero que afectan a zonas más distantes.

La proliferación de fábricas de cemento ha obligado a regular los índices de polución que generan, lo que ha contribuido a realizar un esfuerzo considerable para reducir sus efectos sobre la población y la vegetación, aunque desgraciadamente esta medida no es suficiente.

2.7 El material particulado

 

Se designa con el nombre genérico de partículas a un diversificado grupo de sustancias, entre las que no se incluye el agua combinada, que con origen muy diverso se presentan, en fase sólida o líquida, de manera dispersa en el seno de un gas.

Las partículas sólidas vienen generalmente acompañadas de microgotas de agua que se han adherido a ellas. Estos pequeños cuerpos sólidos actúan como núcleos de condensación que captan el vapor de agua atmosférico formando aerosoles líquidos y sólidos. Cada microgota da soporte acuoso a todo tipo de reacciones entre los otros elementos constituyentes de una atmósfera contaminada, como la formación del smog ácido.

Las partículas pueden suponer entre un 10% y un 15% de la masa de los contaminantes emitidos a la atmósfera.

 

El origen de las partículas sólidas en suspensión puede ser tanto industrial como doméstico; en general, cualquier tipo de combustión produce polvo. La composición del polvo es muy variable y viene determinada por la fuente que lo genera; contiene mayoritariamente sustancias inorgánicas si la combustión ha sido completa, pero también puede estar formado por componentes orgánicos o cristales de sulfato amónico por reacción de ácido sulfúrico y amoníaco, contaminantes presentes en la atmósfera.

Sus características físicas también varían mucho. Existen polvos microscópicos, que permanecen en suspensión indefinidamente constituyendo aerosoles de partículas sólidas, y polvos que pueden llegar a alcanzar el milímetro de diámetro de partícula (sedimentables a corto plazo). Cuanto más pequeño es el diámetro, más perjudicial es el polvo para la salud, pues su poder de retención en el aparato respiratorio del hombre es superior.

Puede establecerse la siguiente clasificación:

- Las partículas de tamaño inferior a 0,1 m se denominan núcleos de Aitken y tienen un comportamiento similar al de las moléculas. En su

movimiento al azar se producen choques entre ellas formando agregados de mayor tamaño en un proceso denominado de coagulación.

- Las partículas menores de 100 m tienden a formar suspensiones mecánicamente estables en el aire que reciben el nombre de materia en suspensión, permaneciendo en la atmósfera durante prolongados períodos de tiempo, y pudiendo ser trasladadas a grandes distancias por la acción del viento.

Son especialmente interesantes desde el punto de vista ambiental aquellas partículas comprendidas entre 0,01 m y 10 m (PM10).

- Las partículas mayores de 100 m permanecen en suspensión en el aire durante períodos de tiempo relativamente cortos como consecuencia de su elevada tasa de deposición gravitacional, por lo que se las conoce como materia sedimentable. Sus efectos se acusan en las proximidades de las fuentes emisoras.

En la figura 2.3 se muestran los intervalos dimensionales de diferentes partículas.

Figura 2.3: Intervalos dimensionales de diferentes partículas.

2.8 Los olores

 

Las industrias que generalmente son las responsables de la aparición de contaminantes malolientes en el aire son las mismas que llevan a cabo reacciones de fermentación en sus procesos de producción. Entre ellas se citan las que utilizan desechos animales, las papeleras y los vertederos públicos. Esta polución, aunque menos peligrosa, es muy desagradable para la población.

La detección del olor por el olfato humano viene regulada por las características de la sustancia que lo desprende. Así, existen compuestos que para ser detectados deben encontrarse en altas concentraciones, e incluso se pueden encontrar otros que siendo extremadamente tóxicos, son inodoros. En el caso del sulfuro de hidrógeno (H2S), de característico olor a huevos podridos, el límite de detección es muy bajo, del orden de las 5x10-4 ppm.

Tal y como se muestra en la tabla 2.4, cada contaminante gaseoso tiene un olor característico que lo identifica.

SUSTANCIA QUÍMICA OLOR

Ácido sulfhídrico Huevos podridos

Aminas Pescado podrido

Amoníaco Olor picante

Diaminas Carne podrida

Mercaptanos Olor fétida

Sulfuros orgánicos Col podrida

Tabla 2.4. Olores característicos de algunos contaminantes.

 

La intensidad de percepción de un olor se puede cuantificar matemáticamente en relación a su concentración en el aire y de la concentración mínima a la cual es perceptible para el olfato humano, según:

I = F · log (C/Co)

donde:

I: intensidad a la que se percibe el olor.

F: constante de Weber-Fechner, característica de cada sustancia.

C: concentración de la sustancia gaseosa en el aire.

Co: concentración umbral de detección de la sustancia.

Si la fuente emisora del olor se encuentra a una cierta distancia, la fórmula debe tenerla en cuenta. Suponiendo condiciones de flujo de aire con régimen turbulento, se puede aplicar la siguiente relación:

I (x) = Io. e-(k . x)

donde:

I: intensidad del olor a una distancia x.

Io: intensidad del olor a una distancia cero.

k: constante experimental.

x: distancia desde el punto de emisión.

Capítulo 3 .- Fuentes y procesos contaminantes

O B J E T I V O S

- Dar a conocer las diferentes formas de clasificación de las fuentes de contaminación atmosférica y los procesos que la originan.

3.1 Introducción 

En capítulos anteriores se definió como contaminante "cualquier sustancia que se encuentre en la atmósfera en una concentración superior a la normal". Esta concentración no tiene por qué ser nula, pues el CO2, los óxidos nitrosos, el ozono y el amoníaco son constituyentes naturales del aire.

El origen de los contaminantes tiene tres focos principales:

1. Los hogares domésticos, sobre todo a partir de las chimeneas de calefacción en invierno.

2. Las emisiones industriales, que se suelen dar a alturas determinadas del nivel del suelo.

3. Las emisiones gaseosas de los tubos de escape de los automóviles, cuyo origen se localiza a ras del suelo.

Tal y como se ha mencionado, el conjunto de sustancias emitidas por estas fuentes llega al centenar, sin embargo, se pueden clasificar según su estado físico en:

a) Gases y vapores orgánicos e inorgánicos, tales como óxidos de azufre y de nitrógeno, hidrocarburos, ácidos, fenoles, etc.

b) Partículas sólidas en suspensión de interés en el estudio de la contaminación atmosférica. Desde el punto de vista ambiental, tienen interes aquellas cuyo diámetro está comprendido entre 0,01 m y 10 m. Sirven como núcleos de condensación para los vapores atmosféricos, principalmente, vapor de agua y vapores orgánicos.

c) Vesículas líquidas que constituyen los aerosoles.

En la tabla 3.1 se muestran los principales contaminantes del aire en el entorno urbano.

CONTAMINANTE FORMACIÓN ESTADO FUENTES

FÍSICO

Partículas en suspensión (PM): PM10,humos negros

Primaria y secundaria

Sólido, líquido

Vehículos (diesel)Procesos industrialesHumo del tabaco

Dióxido de azufre (SO2) Primaria Gas

Procesos de combustión en calefacción doméstica, centrales térmicas, calderas industriales, incineradoras, vehículos, entre otros

Dióxido de nitrógeno (NO2)

Primaria GasVehículosEstufas y cocinas de gas

Monóxido de carbono (CO)

Primaria GasVehículos (gasolina)Humo del tabaco

Compuestos orgánicos volátiles (COV´s)

Primaria y secundaria

Gas Vehículos, industria, humo del tabaco

Plomo (Pb) PrimariaSólido(partículas finas)

Vehículos (aditivo de la gasolina), industria

Ozono (O3) y Nitrato de peroxiacetilo (PAN)

Secundaria Gas Vehículos

Tabla 3.1. Principales contaminantes atmosféricos de las ciudades.Fuente: adaptado de Linares & Díaz (2005b, 4).

3.2 Las fuentes contaminantes3.2.1 Definición

 

Se define como fuente contaminante "cualquier dispositivo o instalación, estática o móvil, que vierte de forma continua o discontinua sustancias sólidas, líquidas o gaseosas, que generen una modificación del medio natural".

Cualquier emisión a la atmósfera, aunque sea de sustancias que la constituyen habitualmente, modifica su composición variando el equilibrio físico y químico natural, pudiendo afectar a la vegetación autóctona y, por consiguiente, a todos los ecosistemas presentes.

Se entiende por fuentes contaminantes desde las grandes chimeneas de los altos hornos o centrales térmicas, hasta los gases que se desprenden por la combustión del cigarrillo de un fumador.

3.2.2 Diferentes clasificaciones de las fuentes contaminantes

 

Se pueden realizar diferentes clasificaciones en relación a las características de las fuentes y según el aspecto que se quiera destacar de ellas.

Por ejemplo, en función de la extensión, pueden dividirse en tres grandes grupos: fuentes puntuales, lineales y superficiales.

- Fuentes puntuales. El problema de la contaminación en una zona más o menos extensa puede atribuirse a unas emisiones localizadas en un lugar muy preciso, de dimensiones no muy grandes. Comprende desde la salida de una chimenea hasta las emanaciones de un polígono industrial.

- Fuentes lineales. Este es el caso en que todos los puntos emisores describen una línea, que vendría a ser una sucesión de fuentes puntuales. Un ejemplo típico es una autopista por la que de una manera continua circulan vehículos (fuentes puntuales móviles).

- Fuentes superficiales. Cuando las fuentes puntuales están repartidas en zonas algo extensas, la contaminación de la atmósfera no puede atribuirse a un solo foco, sino a una distribución regular de los puntos emisores. Un ejemplo característico lo constituyen las grandes ciudades cubiertas por un manto de polución.

Figura 3.1: Ejemplo de fuente puntual, imagen de una zona industrial. Fuente: García (1993).

Figura 3.2: Ejemplo de fuente superficial. Smog fotoquímico que habitualmente afecta a la ciudad de Los Ángeles. 

Fuente: Stern, Boubel, Turner & Fox (1984).

Esta clasificación se emplea a la hora de estudiar el diseño de las chimeneas de industrias químicas, petroquímicas, papeleras o centrales térmicas.

Tal y como se mencionó en el capítulo anterior, si la fuente es puntual, se puede estudiar la contaminación como un penacho sujeto a la dirección y características del viento local. Este estudio también puede aplicarse en el caso de las fuentes lineales. Para las fuentes superficiales, este modelo ya no es válido y se analiza planteando complicados sistemas de ecuaciones simplificadas mediante hipótesis o utilizando modelos experimentales de circulación de agua y de tinta como foco de contaminación.

Una segunda clasificación se toma teniendo en cuenta su localización. De esta manera, se tiene:

- Fuentes estacionarias. Tal y como su propio nombre indica, el foco o zona emisora es estático. Por ejemplo, cualquier tipo de industria contaminante.

- Fuentes móviles. En este caso la fuente no está localizada en un lugar concreto, sino que su situación va cambiando constantemente. Se consideran fuentes móviles el transporte rodado, los aviones o cualquier partícula en suspensión que sirva como soporte de alguna reacción química entre agentes contaminantes.

Finalmente, la tercera y última clasificación considera las fuentes según su origen natural o antropogénico.

- Fuentes naturales. La propia naturaleza emite grandes cantidades de contaminantes a la atmósfera mediante fenómenos meteorológicos o geológicos. De esta manera, son focos de contaminación los volcanes (que emiten grandes cantidades de SO2 y NOx), los incendios forestales, la erosión del suelo o incluso la fermentación anaerobia de algunas bacterias.

- Fuentes antropogénicas. Están directamente provocadas por el ser humano y su actividad industrial y doméstica.

3.3 Procesos contaminantes3.3.1 Definición de proceso contaminante

 

Se define como proceso contaminante a "todo aquel que por su naturaleza o por los procesos tecnológicos convencionales utilizados, constituye o puede constituir una fuente de contaminación atmosférica".

Existe, como ya se ha visto, una gran variedad de contaminantes atmosféricos procedentes, a su vez, de multitud de procesos de transformación a nivel industrial (construcción, papelera, siderurgia, entre otros) o doméstico.

3.3.2 Los procesos de combustión

 

La combustión de los derivados del petróleo, del carbón y del gas natural, constituye una de las fuentes de energía más utilizadas en la actualidad y se prevé que lo sigan siendo en un futuro (figura 3.3).

Figura 3.3: Previsión de los combustibles empleadas para usos energéticos. Fuente: World Energy Outlook (2004).

A grandes rasgos, la reacción de combustión de los hidrocarburos se basa en la simple inyección de aire sobre el carburante en cuestión para que reaccione con el oxígeno mediante un proceso muy exotérmico.

Evidentemente, la composición de los productos de la combustión vendrá determinada por la naturaleza del hidrocarburo y por la relación combustible/aire, es decir, C/O, de manera que se deben considerar los procesos industriales más característicos de forma individual.

3.3.2.1 Las centrales térmicas

 

Las centrales térmicas son unidades transformadoras donde se queman grandes volúmenes de carbón, gas natural o derivados del petróleo para la obtención de energía eléctrica. Se pueden clasificar en dos grandes grupos: centrales de base y centrales de regulación. Las primeras suelen encontrarse en las proximidades de las fuentes de combustibles (minas normalmente), ya que utilizan combustibles baratos; las segundas utilizan

aceites minerales o carbones de más alta calidad, por lo que se construyen cerca de las zonas que se abastecen de ellas.

El proceso en que se basa el funcionamiento de una central térmica es la generación de energía mediante grandes turbinas de vapor proveniente de las combustiones realizadas en una caldera central.

La composición de los gases de salida depende, como ya se ha comentado anteriormente, de los combustibles que se han utilizado:

a) Derivados del petróleo. Debido a su estructura química, aparte de los óxidos de carbono normalmente emitidos en las combustiones, los gases contienen elevadas concentraciones de óxidos de azufre, de nitrógeno, hidrocarburos no quemados por bajos rendimientos y partículas sólidas en suspensión.

b) Carbón. La composición de los gases es parecida a la anterior, pero con menos cantidad de SO2 y mayor presencia de partículas sólidas. Es de destacar también la presencia de sustancias que pueden acompañar al carbón en los yacimientos (de naturaleza dependiente de la localización de la mina) como pequeñas cantidades de plomo o mercurio.

c) Gas natural. La presencia de óxidos de azufre o pequeñas partículas en suspensión es casi despreciable, pero la cantidad en óxidos de nitrógeno aumenta.

 

3.3.2.2 El tráfico rodado

 

Se calcula que en el año 2003 había alrededor de 560 millones de vehículos circulando por todo el mundo1 con unas previsiones que apuntan a cerca de 1000 millones para el año 2030.

Según el Instituto de Prospectiva y Medio Ambiente de Heidelberg (Alemania), un automóvil de tamaño medio dotado de todos los adelantos tecnológicos para reducir la contaminación (catalizador, gasolina sin plomo), emitirá durante 10 años de vida útil a una razón de 13.000 km anuales, la siguiente contaminación:

- 44,3 toneladas de CO2

- 4,8 kg de SO2

- 46,8 kg de NOx

- 325 kg de CO

- 36 kg de hidrocarburos

- 26,5 toneladas de residuos.

Tal y como se puede observar, la composición química de estas emisiones incluye CO, óxidos de nitrógeno, hidrocarburos no consumidos, compuestos de plomo -en algunos casos- y de azufre y pequeñas partículas sólidas.

En los últimos años, se ha tomado conciencia de la importante contribución de estas emanaciones en el deterioro global del planeta, y se han intentado tomar medidas para paliar las graves consecuencias que provocan. Entre éstas destacan la sustitución de los compuestos del tipo tetraalquil plomo, aditivos de la gasolina, por otros antidetonantes que no degeneran en compuestos de plomo contaminantes y la instalación de catalizadores que depuran los gases en los automóviles.

Respecto a este último punto, el más efectivo en la filtración de los contaminantes es el llamado catalizador de tres vías. Consiste en una esponja que contiene una serie de metales que catalizan determinadas reacciones, obteniendo productos propios de la composición del aire. Su campo de acción, como su propio nombre indica, afecta a tres procesos contaminantes: oxidación del CO formado en el proceso de combustión a CO2 y vapor de agua; reducción de los óxidos de nitrógeno en nitrógeno molecular y, finalmente, recogida de hidrocarburos no quemados, que son retornados otra vez al depósito de combustible.

Figura 3.4: La cantidad de automóviles que circulan por todo el mundo va en constante aumento.

1 Citado por J. Santamarta en Diario Co-Latino (2003). Enlace web: http://www.diariocolatino.com/ecologico/detalles.asp?NewsID=3 [Leído a 16 de abril de 2007].

3.3.2.3 Las plantas incineradoras

 

Las plantas incineradoras permiten la eliminación de residuos, principalmente, de naturaleza orgánica. Todos los materiales que llegan a una incineradora son preparados antes de ser tratados. A continuación, los residuos se queman a temperaturas muy elevadas durante un período de tiempo determinado en cada caso. La combustión permite generar energía reutilizable en forma de electricidad. Finalmente, se depuran los gases antes de ser emitidos a la atmósfera, intentando minimizar su acción sobre el medio ambiente. Las cenizas producidas por el proceso se depositan en vertederos controlados.

Todos los materiales residuales que por su naturaleza puedan ser incinerados seguirán esta vía de tratamiento de residuos.

3.3.2.4 Los procesos en las industrias siderúrgica y metalúrgica

 

La metalurgia incluye a todo proceso que permita extraer un metal de su mena (mineral en bruto) y tratarlo posteriormente, mientras que la

siderurgia se basa en el tratamiento y transformación del hierro en fundiciones o en la formación del acero. El proceso global no sólo comporta polución en la fundición de los metales en grandes calderas, sino que también son focos de contaminación las etapas asociadas a la extracción del metal en minas y canteras, su transporte, su almacenamiento, su disgregación en trozos más pequeños y los tratamientos químicos finales.

Las industrias siderúrgicas generan grandes cantidades de gases que contienen prácticamente todo el espectro de contaminantes, dependiendo de las características particulares del hierro extraído de la mina, puesto que puede venir acompañado por una gran variedad de otros metales o minerales en su composición.

3.3.2.5 Los procesos de la industria química

 

En este tipo de procesos, las reacciones que tienen lugar son de toda clase, de manera que los contaminantes producidos son, igualmente, muy diversos. Todos ellos están recogidos en decretos, reglamentos y ordenanzas. En general, la totalidad de los contaminantes son gaseosos, existiendo poca presencia de partículas sólidas. Aparte de los contaminantes en forma de óxidos más convencionales, presentes generalmente en cualquier proceso de transformación, se pueden incluir otros más elaborados y, por consiguiente, de más compleja eliminación, como son:

- Derivados del nitrógeno, como el amoníaco, el ácido nítrico o complejos amónicos.

- Todo tipo de partículas sólidas y líquidas.

- Derivados del azufre: ácidos, sulfuros, etc.

- Todo tipo de derivados halogenados: cloruros, fluoruros, yoduros, bromuros, compuestos orgánicos, etc.

- Mercaptanos: compuestos muy olorosos.

- Compuestos aromáticos: derivados del benceno, tolueno, etc.

- Compuestos que contienen metales pesados: plomo, aluminio, hierro, etc.

TRATAMIENTO CONTAMINANTE OPERACIÓN

Físico

Partículas en suspensión.

Ciclón.

Filtración.

Sedimentación.

Electrofiltro.

Olores. Adsorción.

Óxidos de nitrógeno.Absorción.

Reducción catalítica.

Químico

SO2. Absorción.

Partículas en suspensión. Torre de lavado.

Tabla 3.2. Operaciones industriales en el tratamiento de efluentes contaminantes.

3.3.2.6 Los procesos de las industrias papeleras

 

Uno de los efectos asociados a la instalación de una industria papelera en una zona determinada es el impacto que producen los malos olores procedentes de su actividad. Estos olores tienen su origen en algunas de las etapas del tratamiento químico de la celulosa:

- En la operación de cocido de la celulosa se producen emisiones de SO2, H2S y mercaptanos.

- En los procesos de digestión y evaporación aparecen fugas de compuestos orgánicos volátiles.

- En los hornos se emiten óxidos, sulfuros y sales.

Figura 3.5: Imagen de una industria papelera escandinava. Fuente: Simmons (1991).

3.3.2.7 Los procesos en la construcción

 

Cualquier proceso relacionado con la construcción es un foco potencial de contaminación. Así, en canteras, industrias de fabricación de ladrillos o cementeras, es inevitable la deposición de partículas sólidas u hollín por los alrededores, afectando a la vegetación y provocando graves problemas respiratorios en la población más cercana.

Son características las industrias cementeras, que suelen depositar un típico polvo de color blanquecino sobre las hojas de los árboles y las edificaciones. Este polvo es rico en óxido de calcio (CaO) pero también están presentes otros óxidos como son el Na2O, MgO, K2O, SiO2, Al2O3 y el SO3.

Hace algunos años se fijaron unos límites de concentración sobre estas emisiones, que han mejorado sensiblemente el aspecto de algunas zonas normalmente afectadas por su efecto; no obstante, en la mayoría de los casos, las consecuencias son casi inevitables debido a la propia naturaleza del proceso.

3.3.2.8 Los procesos en la industria textil

 

Los procesos de contaminación en este tipo de industrias vienen relacionados directamente con la utilización de productos para blanquear tejidos de algodón (emisiones de SO2 y Cl2) y con el empleo de tintes concentrados (compuestos de azufre).

3.3.2.9 Los procesos petroquímicos

 

Aparte de la evaporación de multitud de hidrocarburos ligeros, las operaciones de refino, destilación, transformación o transporte, comportan la emisión de efluentes tóxicos e inflamables.

Figura 3.6: Planta petroquímica. Fuente: Simmons (1991).

El petróleo, que es una mezcla variable de hidrocarburos, se separa en plantas petroquímicas en sus componentes según sus características. La separación se realiza en función de sus puntos de ebullición, es decir, se procede a la destilación del petróleo, alimentándose las columnas con el crudo a una determinada temperatura mediante intercambiadores de calor. Finalmente, se tratan los productos obtenidos mediante procedimientos físicos o químicos para obtener los derivados comerciales del petróleo (naftas, gasóleo, fuelóleo, etc.), que se aplican en campos como la droguería, la fabricación de detergentes, la síntesis de plásticos y caucho, la producción de abonos, explosivos y disolventes, la química farmacéutica, los colorantes industriales, etc.

Capítulo 4 .- Control de la contaminación atmosférica

O B J E T I V O S

- Dar a conocer las soluciones de final de línea empleadas en la industria para cumplir con los limites de emisión impuestos por la legislación vigente.

4.1 Introducción 

Este capítulo se refiere al tratamiento de los contaminantes atmosféricos emitidos por las instalaciones industriales. Si bien existen otras fuentes de contaminación atmosférica nada despreciables, tales como las calefacciones domésticas y especialmente la combustión de hidrocarburos por parte de los automóviles, aquí no se hablará del tratamiento específico de sus emisiones. Tampoco se abordará el tema de la filtración o depuración del aire atmosférico para obtener aire puro para uso industrial.

En las instalaciones industriales, las estrategias de control que permiten reducir o eliminar las emisiones de contaminantes atmosféricos pueden resumirse globalmente en varias alternativas:

- Cambio de tecnología o modificación del proceso (prevención):

- Menor/nula generación (control de las condiciones de combustión, sistema de diseño, proceso productivo, etc.).

- Cambio de materias primas.

- Modificación o elevación de chimeneas o variaciones en conductos o ventiladores (+1 ºC  1,5 m de chimenea).

- Uso de combustibles más limpios (prevención):

- Sustitución de carbón/fueloil por gas natural.

- Sustitución de combustibles fósiles por energías alternativas.

- Depuración de efluentes atmosféricos (tratamiento):

- Implantación, mejoras o ampliaciones de instalaciones correctoras:

- para partículas: colectores mecánicos, ciclones, filtros de mangas, lavadores, electrofiltros;

- para SO2: desulfuración de combustibles, desulfuración de gases, lavado alcalino;

- para NOx: medidas primarias sobre parámetros o equipos de la combustión, desnitrificación de gases, recirculación de gases quemados (EGR, FGR), reducción catalítica;

- para COV´s: recuperación, adsorción, condensación, antorchas; y,

- otros tratamientos para contaminantes específicos.

- Control y vigilancia (observación):

- Previsiones de circunstancias especialmente conflictivas (meterorológicas, de producción...).

- Modelos de prevención de inmisiones.

Por razones económicas, la forma más adecuada de proceder es modificar el proceso en origen. Esto puede implicar un replanteamiento del proceso de producción, que puede llevar a la sustitución de las materias primas empleadas y a una mejora de los métodos de control del proceso. Sin embargo, cuando ello no sea posible, se han de aplicar las técnicas de depuración adecuadas para el control de las emisiones, a pesar de tener a menudo un coste elevado.

Las técnicas utilizadas en la depuración de contaminantes atmosféricos son variadas. En la mayoría de los casos, se trata de una aplicación de un proceso de separación desarrollado y utilizado en la industria química. Sin embargo, en otros casos, se trata de tecnologías específicas que se han tenido que desarrollar ante las cada vez más rigurosas exigencias medioambientales.

El tipo de tecnología a utilizar depende:

- del tipo de contaminante implicado; y,

- de las condiciones a las que se deba operar.

4.2 Sistemas de depuración de efluentes atmosféricos contaminados

 

En rigor resulta conveniente diferenciar los aparatos o dispositivos físicos para la depuración de los procesos de depuración propiamente dichos, los cuales incorporan uno o más de estos aparatos. No obstante, aquí se emplearán ambos términos indiferentemente y se hablará, en general, de sistemas o técnicas de depuración de efluentes atmosféricos contaminados.

Los dispositivos empleados en la depuración de efluentes atmosféricos se clasifican habitualmente en cuatro grandes familias:

- Los separadores mecánicos (especialmente ciclones).

- Los separadores con capa filtrante (filtro de mangas, lecho de grava,...).

- Los separadores eléctricos (electrofiltros).

- Los separadores por vía húmeda (lavadores de gases y partículas).

A esta lista, hay que añadir otros aparatos de uso más específico, tales como:

- Los reactores y accesorios.

- Los separadores adsorbedores (carbón activo,...).

- Los separadores por catálisis.

- Los incineradores.

El término "separador" utilizado en la mayoría de los aparatos de depuración de efluentes atmosféricos contaminados, se refiere a que los contaminantes se separan de la fase gaseosa en que se encuentran para pasar a una fase líquida o sólida. Por lo tanto, a la hora de escoger el aparato o el proceso más idóneo, habrá que tener en cuenta el problema de los residuos generados, su almacenamiento y evacuación, ya sean sólidos o líquidos (o incluso gaseosos, en el caso de la incineración).

Los sistemas de depuración que se estudiarán a continuación se pueden agrupar en función del estado físico del contaminante o contaminantes a los que se aplican, es decir, si el contaminante a separar del gas portador está en forma de partículas o en forma gaseosa (tabla 4.1)

SISTEMA DE DEPURACIÓN PARTÍCULAS GASES

Separación mecánica:por gravedad (cámaras de sedimentación)por inercia (separadores de impacto) por fuerza centrífuga (ciclones)

XXX

Separación por capa filtrante (filtros de mangas) X

Separación por electricidad (electrofiltros) X

Absorción:por vía seca (lechos de gravas)por vía semi-seca (lechada de cal)por vía húmeda (lavadores de gas, torres de absorción)

XXX

XXX

Adsorción (carbón activo) X

Incineración (térmica o catalítica) X

Reducción catalítica X

Tratamientos biológicos X

Tabla 4.1.

Sistemas de depuración de efluentes atmosféricos contaminados agrupados en función del estado físico del contaminante al que se aplican.

En el caso de los sistemas de depuración aplicados a partículas, la eficacia de la separación es función del diámetro de las mismas.

4.2.1 Separación mecánica

 

En la separación mecánica de las partículas del gas portador se emplea una fuerza física, que puede ser:

- La gravedad.

- La inercia.

- La fuerza centrífuga.

En la separación mecánica solamente se separan partículas, ya que su densidad es generalmente 1000 veces superior a la del gas portador.

 

Respondiendo a estas tres fuerzas físicas, se tienen los siguientes separadores:

- Separadores gravitatorios: eficaces sólo para partículas grandes, superiores a 150 m.

- Separadores inerciales: algo más eficaces que los anteriores.

- Separadores centrífugos: pueden utilizarse para todo tipo de partículas con tamaños superiores a 10 m.

El tamaño de las partículas contenidas en una corriente de gas a limpiar no es uniforme y, por lo tanto, tendrá una distribución granulométrica determinada, que será imprescindible conocer para diseñar correctamente cualquier captador de partículas.

4.2.1.1 Separadores gravitatorios

 

La forma más sencilla de eliminar las partículas arrastradas por una corriente de gas consiste en captarlas aprovechando la fuerza de la gravedad. En este contexto, si se aumenta la sección de paso, el gas disminuirá su velocidad con lo que la caída libre de las partículas provocará su sedimentación.

En los separadores gravitatorios o cámaras de sedimentación, el gas entra a una velocidad muy baja (inferior a 3 m/s), describiendo la partícula una trayectoria parabólica como la mostrada en la figura 4.1.

Figura 4.1: Esquema de un separador gravitatorio.

Este tipo de separadores se utiliza sólo en casos muy específicos dadas las limitaciones de captación que presenta y al gran espacio que ocupa.

Si las partículas son ligeras, el tamaño mínimo que puede separar está entre 35 y 40 m; si son densas, se puede llegar hasta tamaños de 10 m. No obstante, a efectos prácticos, se utiliza para diámetros superiores a 150 m, ya que la eficacia de la separación no supera el 50% para partículas inferiores a 50 m y puede llegar al 95%, para partículas superiores a 300 m.

Sus ventajas pueden resumirse en:

- Es un equipo idóneo para realizar un pretratamiento, y separar las partículas más grandes.

- Puede operar a elevadas temperaturas, por encima de 500 °C.

- La pérdida de presión que presenta es muy baja.

- Su instalación es muy económica. Tanto los costes de inversión como los de operación son bajos.

4.2.1.2 Separadores inerciales y de impacto

 

Estos separadores basan su funcionamiento en proporcionar a la corriente de gas un cambio brusco de dirección a lo largo de un recorrido con placas u obstáculos.

De esta manera, las partículas sólidas transportadas, debido a su inercia, tenderán a continuar su trayectoria, impactando con unas placas en forma de rejilla, por lo que caerán y se separarán del gas (figura 4.2).

Figura 4.2: Separador de rejilla.

El diseño de los equipos utilizados puede variar, aunque todos utilizan el mismo o similar principio de funcionamiento. Las partículas que chocan contra el obstáculo se separan si quedan adheridas a éste, mientras que las que pasan fuera de su alcance escapan con el gas.

La eficacia del impacto, que se define como la fracción de partículas que impactan con el elemento separador, depende de diversos parámetros, tales como la velocidad de caída libre de la partícula, la velocidad del gas y el diámetro del obstáculo (si es esférico o cilíndrico) o su anchura (si se trata de una placa).

A efectos prácticos, su eficacia no es muy alta, pero algo superior a la de los separadores gravitatorios.

 

Se utiliza en ocasiones, como pretratamiento, combinado con otros separadores como los ciclones.

4.2.1.3 Separadores centrífugos o ciclones

 

A diferencia de los anteriores, los separadores centrífugos o ciclones pueden conseguir no sólo una mayor eficacia, sino también aumentar sensiblemente el caudal de gas a procesar.

Sus ventajas son las siguientes:

- Construcción sencilla (no tienen partes móviles).

- Son compactos y ocupan poco espacio superficial (aunque necesitan espacio vertical).

- Pueden operar a alta presión y temperatura.

- Pueden tratar elevados caudales de gas y con altas concentraciones de partículas, con una eficacia relativamente alta.

- Requieren poco control y elementos accesorios.

- No producen efluentes líquidos (el producto recuperado es seco).

- Tienen bajo coste de operación (mantenimiento prácticamente nulo).

Sin embargo, la eficacia de separación disminuye espectacularmente al tratar de separar partículas con tamaño inferior a 10 m, por lo que se suelen utilizar como separador primario, combinado a continuación con otro tipo de colector con una eficacia mucho mayor.

Su configuración se debe escoger en función de la posibilidad de colmatación, de corrosión o de abrasión, y de la eficacia requerida.

Funcionamiento y tipos

El gas a tratar entra con una componente tangencial, generalmente por la parte superior del cuerpo del ciclón, y desciende con una trayectoria

espiral hasta llegar a la parte inferior. Allí, la trayectoria se invierte de manera que la corriente de gas sube, también en forma de espiral, pero por la parte interior de la primera. El gas abandona el ciclón por el conducto de salida, coaxial al cuerpo del equipo (figura 4.3).

Figura 4.3: Vórtices y remolinos en un ciclón.

Las partículas arrastradas por el gas, al ser más pesadas que éste, son proyectadas contra la pared interior con la que impactan, descienden también en forma helicoidal y se recogen en la parte inferior del ciclón, de forma generalmente cónica. Las que no llegan a impactar, debido a su reducido tamaño, siguen el recorrido del gas consiguiendo escapar al exterior.

Existe una gran variedad de diseños en estos equipos con el objetivo de mejorar la eficacia de la separación, aumentar la capacidad y disminuir la pérdida de carga.

Otra solución posible es el uso del multiciclón, que consta de varios ciclones iguales de diámetro pequeño (generalmente entre 100 y 400 mm) que operan en paralelo, compartiendo una entrada y evacuación de gas común y pudiendo tratar en conjunto grandes caudales de gas con una elevada eficacia.

Figura 4.4: Multiciclón (Duxtex Corp.). Fuente: Caplan (1977).

Pérdida de carga

La pérdida de carga en un ciclón es un factor importante puesto que determina los costes de operación. Se considera aceptable un valor inferior a 250 mm columna de agua (2500 N/m2 ó 2,5 kPa), pero el valor ideal está entre 25 y 180 mm c.a.

La pérdida de carga está originada por:

- la expansión del gas a la entrada del ciclón;

- la pérdida de energía cinética en la trayectoria helicoidal seguida por el gas;

- la fricción sobre la pared interior; y,

- la recuperación de energía cinética a la salida.

La pérdida de carga en un ciclón puede reducirse en más de un 50% si se coloca una pantalla que una el lateral de la boca de entrada con la pared del conducto de salida, de forma que canalice la corriente de gas. También se obtienen considerables reducciones si se dispone una entrada helicoidal.

Eficacia

La eficacia de un ciclón se define como el porcentaje de partículas captadas (mc) respecto a la masa total de entrada (mt).

De una forma muy general, se puede decir que la eficacia de un ciclón, para un mismo tipo de dispositivo, será tanto más grande cuanto:

- Mayor sea el tamaño y densidad de las partículas.

- Mayor sea la pérdida de carga (proporcional al cuadrado de la velocidad del gas), dentro de unos límites, pues más allá de dichos valores, la pérdida de carga resulta antieconómica.

- Mayor sea la concentración en partículas.

- Menor sea la viscosidad del gas; de ahí, las dificultades de separación que se observan en gases a muy elevadas temperaturas.

- Menor sea el diámetro; de ahí, el empleo de multiciclones.

4.2.2 Separación por capa filtrante (filtros de mangas)

 

Los separadores por capa filtrante son unos dispositivos que se basan en la deposición de las partículas sobre un medio poroso (tejido, fibra no textil, papel, lecho de gravas, etc.). Los más extendidos son los filtros de tela o filtros de mangas.

4.2.2.1 Principio de funcionamiento

 

El gas a depurar se hace circular a través de una tela, de forma que las partículas que arrastra quedan retenidas en la superficie de la misma. Las partículas impactan contra las fibras de la tela que forman un tupido entramado y se origina una coagulación de partículas en la superficie cuyo espesor va en aumento, de manera que contribuye a su vez al filtrado, quedando así retenidas las partículas con un tamaño inferior a la obertura del tamiz.

La parte más importante de la filtración se produce cuando ya existe una capa de partículas retenidas. Por tanto, el medio filtrante lo constituye el propio filtro y el espesor formado por el polvo captado.

Los filtros de tela suelen tener forma cilíndrica a modo de bolsa o manga. El gas a tratar puede circular de la parte interior a la exterior o en sentido inverso, según el tipo.

La manga típica tiene un diámetro de 15 a 20 cm y una longitud de hasta 7 m.

 

Debido a que el medio filtrante se puede saturar rápidamente con las partículas retenidas, dadas las altas concentraciones que se suelen tratar (normalmente entre 1 y 100 g/m3), es necesario regenerarlo periódicamente, eliminando parte del polvo acumulado (así, p.e., un gas cargado con 10 g/m3 de partículas, filtrando a una velocidad de 3 cm/s, aporta por hora al medio filtrante una masa de más de 1 kg/m2, lo que representa un peso superior al del soporte mismo). Por ello, estos

aparatos incorporan un dispositivo de limpieza y otro de descarga del polvo.

La figura 4.5 ilustra el esquema de un filtro de mangas con dos dispositivos distintos de limpieza.

Figura 4.5: Esquema de dos filtros de mangas. (a)=limpieza por aire a contracorriente; (b)=limpieza por aire comprimido.

Las ventajas de los filtros de mangas son:

- Eficacia muy alta y constante.

- Posibilidad de eliminar partículas pequeñas.

- No produce efluentes líquidos (producto recuperado seco).

- Si se limpian convenientemente, la pérdida de carga no es muy grande (menor que en los lavadores).

Por el contrario, tienen ciertos inconvenientes:

- La temperatura de uso está limitada hasta aproximadamente 250 °C.

- Están afectados por la humedad, ya que puede producir condensación.

- El tejido de los filtros puede ser vulnerable a los ataques químicos.

- El cambio de mangas es caro y lleva bastante tiempo en grandes filtros.

- Según el tipo de polvo filtrado, existe peligro de fuego o explosiones, dado el pequeño tamaño de las partículas acumuladas.

4.2.2.2 Material filtrante

 

El algodón y la lana fueron las primeras fibras utilizadas en estos separadores. Actualmente estos materiales se han sustituido por las fibras sintéticas, la fibra de vidrio o la de acero inoxidable, entre otras.

El material filtrante a seleccionar depende de:

- la composición química del gas;

- la concentración de partículas; y,

- las características de las partículas.

Las telas empleadas en los filtros de mangas pueden ser tejidas, fieltros o en forma de malla.

La temperatura es el factor limitante de mayor importancia que tiene el filtro de mangas, ya que la mayoría de materiales filtrantes no soporta temperaturas demasiado elevadas. Por ejemplo, la tela de algodón no soporta más de 82°C, mientras que la fibra de vidrio es la que soporta la mayor temperatura, 260 °C.

Las características que definen un tejido filtrante son la composición, peso (g/m2), espesor (mm), densidad (g/cm3), permeabilidad (l/dm2/min), porosidad (%), temperatura máxima (°C), resistencia a la tracción (kp/cm2), carga de rotura por tracción (kp), alargamiento a la rotura (%) y tratamientos químicos.

La resistencia a la tracción define el tipo de limpieza del filtro.

 

Una de las fibras más usadas es el poliéster, ya que resiste la abrasión y su coste es moderado, aunque su máxima temperatura de funcionamiento es de 135 °C. Si se prevén ataques ácidos transitorios (como p.e. la puesta en marcha y parada de un secador en contacto directo con los gases de combustión), se prefiere usar la fibra acrílica. Más allá de 135 °C y hasta 180 °C, es útil la fibra Nomex, si no se temen ataques ácidos, o la fibra Ryton  (polisulfuro de fenileno), en caso contrario. El politetrafluoroetileno (PTFE) o el acero inoxidable son muy caros y se reservan sólo a aplicaciones especiales.

4.2.2.3 Pérdida de carga

 

La resistencia del medio filtrante es un valor que varía con el tiempo y es difícil de conocer. Es función de la cantidad de polvo depositada por unidad de superficie del filtro (depende también del tiempo), que, a su vez, depende de la concentración de partículas y de la velocidad de paso del gas.

Las velocidades medias de filtración están comprendidas entre 1 y 6 cm/s. Para un rango de velocidad de filtración tal como éste, la pérdida de carga varía según la siguiente expresión:

P = K vn

donde

K = coeficiente de resistencia del medio.

v = velocidad de filtración (= velocidad de paso del gas).

n = exponente comprendido entre 1,3 y 1,5.

Esta expresión sólo es válida hasta una velocidad máxima de filtración (vM) a partir de la cual, según el tipo de filtro, la limpieza no se efectúa correctamente y la pérdida de carga aumenta mucho, tal y como se ilustra en la figura 4.6. Es por ello que es importante elegir un punto de funcionamiento (PF), válido para la vida útil del medio filtrante y lejos del punto límite (PM).

Figura 4.6: Diagrama de pérdida de carga del filtro de mangas.

Las pérdidas de carga suelen estar comprendidas entre 100 y 250 mm c.a. (1,0 y 2,5 kPa), aunque es aconsejable que permanezcan entre 120 y 200 mm c.a.

Los tiempos de filtración pueden variar desde 20 minutos hasta 8 horas para los tipos de aire a contracorriente y limpieza por vibración, aunque lo más frecuente es que se haga desde 30 minutos hasta las 4 horas. En el caso de los de limpieza por aire comprimido pueden durar desde 2 a 60 minutos, aunque lo habitual es de 5 a 20 minutos.

4.2.2.4 Eficacia

 

La eficacia de los filtros de mangas puede ser muy elevada, especialmente para las partículas muy finas (submicrónicas) a causa de los fenómenos de difusión. Se pueden separar partículas de un tamaño inferior a 0,5 m hasta los centenares de micras. La eficacia oscila entre el 99 y el 99,9%, aunque para partículas menores de 5 m puede bajar hasta un 95%.

No se aconseja utilizar separadores icos como paso previo de pretratamiento de las partículas antes de la entrada al filtro de mangas. La razón es que si se eliminan las partículas más grandes, el efecto tamiz disminuirá, con lo que se necesitaría una mayor superficie de filtración y, por lo tanto, un mayor coste de inversión.

Sin embargo, si lo que interesa es captar partículas muy finas submicrónicas (p.e., humos negros), los ciclones pueden ayudar a aglomerarlas y de esa manera tener un efecto beneficioso.

Puede ser también interesante acondicionar los gases antes de la entrada al filtro de mangas:

- Mediante calentamiento, p.e., en caso de riesgo de condensación ácida.

- Mediante enfriamiento para llevar la temperatura a las mejores condiciones de uso del medio filtrante (con un intercambiador de calor o inyectando agua en el gas si no se prevén condensaciones ácidas).

Tampoco es conveniente trabajar con gases húmedos ni que contengan vapores que puedan condensar, ya que forman una pasta que dificulta tanto la filtración como la descarga, aunque en ocasiones se añade un acondicionador líquido al filtro para conseguir que el polvo se aglutine más ordenadamente.

4.2.3 Separación por medio de la electricidad (electrofiltros)

 

Los precipitadores electrostáticos o electrofiltros son equipos captadores de partículas sólidas o líquidas que utilizan las fuerzas electrostáticas para separarlas de una corriente de gas, quedando retenidas en una placa colectora. Estos dispositivos permiten separar partículas de un tamaño muy reducido, teniendo una eficacia muy elevada.

El gas cargado de partículas, y a una velocidad muy baja, atraviesa uno o varios campos eléctricos. Las partículas adquieren cargas eléctricas al ser obligadas a pasar a través de una región donde existe un elevado flujo de iones, llamada corona. El campo eléctrico obliga a que las partículas cargadas eléctricamente se dirijan desde un electrodo hacia el de sentido contrario, manteniendo una elevada diferencia de potencial

sobre la corriente de gas. Éstas se depositan sobre el electrodo colector, siendo eliminadas de la corriente de gas.

Un esquema del dispositivo se ilustra en la figura 4.7.

Figura 4.7: Esquema de un precipitador electrostático.

En los electrofiltros industriales, el campo eléctrico se genera aplicando una diferencia de potencial muy alta, entre 10 y 100 kV, a un sistema de dos electrodos.

Una vez recogidas las partículas en las placas, deben eliminarse evitando su reintroducción en la corriente de gas. Esto se consigue golpeando el electrodo colector, para así desprender las partículas sobre una tolva, de donde se descargan períodicamente. El proceso se realiza de forma intermitente, aunque en ocasiones la limpieza se hace de forma continua con agua.

Sus ventajas son las siguientes:

- Alta eficacia, que puede alcanzarse incluso con partículas muy pequeñas.

- Producto recuperado seco.

- Pérdida de carga muy baja. Gastos de operación muy bajos.

- Bajo mantenimiento, ya que tiene muy pocas partes móviles.

- Pueden operar a temperaturas muy altas (normalmente hasta 400 °C, aunque pueden llegar a 650 °C con diseños especiales).

- Pueden captar nieblas ácidas y asfálticas. Soportan la corrosión.

Sin embargo, también presenta algunos inconvenientes:

- Coste de inversión muy alto (normalmente son los equipos de depuración más caros).

- No se adaptan bien a condiciones variables.

- Algunos materiales particulados son prácticamente imposibles de captar debido a que su resistividad es o muy alta o muy baja.

- Generalmente, necesitan un ciclón como paso previo para reducir la carga de polvo a la entrada del electrofiltro.

- No pueden manejar gases o polvo explosivos.

4.2.4 Absorción (scrubbers)

 

Los lavadores (o scrubbers, en inglés) permiten tratar una corriente de gas que contiene a la vez contaminantes gaseosos y partículas. El término lavador tiene su origen en que en sus comienzos, a principios de siglo, se trataba de un depurador que permitía capturar partículas finas sobre gotas de líquido. Así, por ejemplo, el SO2 se capturaba rociando el gas con gotas de agua.

Por razones económicas, se suele usar agua como líquido de lavado.

En función del tipo de lavador que se trate se puede potenciar más la absorción, es decir, como separador de contaminantes gaseosos, que el mecanismo de impacto inercial (separador de partículas).

4.2.4.1 Principio de funcionamiento

 

La mayor parte de las partículas finas se adhieren a una gota de líquido si entran en contacto con ella. Tal y como se ha mencionado, las partículas de más de 50 m son capturadas con facilidad por los ciclones, pero no ocurre lo mismo con las partículas de, por ejemplo, 0,5m. En cambio, si se introduce un gran número de gotas de agua con un diámetro de 50 m en la corriente del gas para capturar las partículas finas, entonces se puede hacer pasar esa corriente de líquido por un ciclón y capturar las gotas y las partículas finas adheridas a ellas. Esta idea es la base de todos los lavadores para el control de la materia particulada.

Habitualmente, el lavador se complementa con:

- Un separador gas-líquido, con frecuencia un sencillo.

- Un separador líquido-sólido, que suele ser un sedimentador por gravedad.

Los scrubbers se componen en general de tres zonas (figura 4.8).

Figura 4.8: Esquema de un lavador o scrubber.

1. Una zona de entrada del gas contaminado. El gas tiene que haberse saturado previamente de humedad, a una temperatura tal que la evaporación en la siguiente zona de contacto no sea excesiva. En efecto, no interesa que las gotas de líquido sufran una fuerte evaporación, ya que de lo contrario se emitiría un flujo de vapor que impediría el contacto de las gotas con los contaminantes del gas.

2. Una zona de contacto entre el gas contaminado y una fase líquida dispersada en forma de gotas o de película. Los fenómenos que intervienen son diferentes según se trate de capturar partículas o de capturar contaminantes gaseosos.

La puesta en contacto entre los contaminantes y el líquido de lavado puede llevarse a cabo por los siguientes métodos, dependiendo del diseño del lavador:

- Pulverización (spraying): se usa en diseños con grandes diámetros y baja velocidad de flujo. El gas sucio es pulverizado en su recorrido con agua mediante rociadores.

- Lavado (washing): el gas sucio se hace pasar por un lecho de líquido. La eficacia de la depuración depende la velocidad de formación y tamaño de las burbujas.

- Inyección a presión: el gas se hace pasar por un estrechamiento de un tubo, similar a un tubo Venturi, en el que la velocidad aumenta y la presión disminuye. El agua se inyecta precisamente en ese punto, de forma perpendicular al paso del gas. Las gotas de líquido, al recibir la corriente de gas en rápido movimiento (hasta 120 m/s), se rompen en gotas aún más pequeñas, aumentando la superficie de contacto y con ello la eficiencia de captura.

3. Una zona de separación de los productos. En esta zona el líquido de lavado cargado con los contaminantes absorbidos se separa de la corriente gaseosa. Para ello se suele utilizar la fuerza centrífuga en un o la fuerza inercial en un separador de impacto. Este líquido de lavado está cargado con partículas, contaminantes gaseosas disueltas o productos de reacción, por lo que no se puede verter sin tomar las debidas precauciones.

El lavador está especialmente indicado cuando concurren las siguientes condiciones:

- El contaminante no puede separarse fácilmente por vía seca.

- Existe la presencia de gases solubles en un líquido o de partículas húmedas.

- Cuando resulta más seguro manipular el contaminante por vía húmeda.

Las principales ventajas que presentan los lavadores son:

- Captan a la vez contaminantes en forma gaseosa y particulada.

- El tamaño de partículas que se pueden separar está comprendido entre 0,1 y 50 m.

- Son muy sencillos. Tienen un costo de instalación medio para eficacias medias (sin incluir la depuración del líquido resultante).

- Pueden soportar condiciones de temperatura y físico-químicas duras.

- Pueden manejar productos muy difíciles de tratar por otros medios (nieblas ácidas, pastosos, explosivos, higroscópicos, etc.).

Si ciertas partículas húmedas pueden taponar los filtros de mangas, y además acompañan gases corrosivos, puede ser más apropiado el uso de un lavador.

Como inconvenientes, se pueden señalar:

- Costo de operación (energía) muy alto si se necesitan altas eficacias.

- Transfieren la contaminación al líquido, si éste no puede incorporarse en el proceso de producción, por lo que suelen requerir ir seguidos de otros depuradores.

- Presenta problemas de corrosión y abrasión, en algunos casos.

- Reducen la fuerza ascensional y de altura del penacho de humos a la salida de la chimenea, por el enfriamiento que el lavado produce en los gases.

4.2.4.2 Tipos de lavadores

 

Existen diversos tipos de lavadores húmedos, que se diferencian en la distribución del líquido y en la mezcla entre la corriente de gas y el líquido de lavado. Entre ellos se citan las torres de pulverización, los lavadores tipo Venturi y los lavadores mecánicos.

- Torres de pulverización. Están constituidos por unas vasijas que contienen varias capas de un material de relleno sobre los que el líquido de lavado se inyecta a través de unos pulverizadores en forma de gotitas. Este tipo de lavador se suele utilizar más apropiadamente para la

separación de contaminantes gaseosos que para la separación de partículas.

- Lavadores tipo Venturi. El gas sucio se hace pasar a través de un tubo Venturi, de forma que en el diámetro más pequeño del tubo alcance su máxima velocidad y mínima presión. El líquido de lavado se inyecta al gas previamente o justo en el estrechamiento. Debido a la alta velocidad relativa del gas respecto al líquido, se consigue un buen contacto gas-líquido a causa de la atomización del agua. Seguidamente, la velocidad del gas se reduce en un difusor (figura 4.9).

Figura 4.9: Lavador tipo Venturi (Schutte and Koerting Division Amtek, Inc).

- Lavadores mecánicos. Estos lavadores emplean elementos rotatorios para producir las gotas y para la mezcla homogénea entre el líquido y el gas (figura 4.10). Suelen presentar problemas de desequilibrio del motor

debido a los depósitos de partículas, así como de abrasión por partículas gruesas.

Figura 4.10: Ejemplo de lavador mecánico. Las palas del rotor permiten la atomización del líquido de lavado.

4.2.4.3 Eficacia de los lavadores de partículas y gases

 

Para la mayoría de lavadores donde predomina el mecanismo de impacto inercial, la eficacia ( ) para un tamaño de partícula determinado se muestra en la tabla 4.2.

TIPO DE LAVADOR RENDIMIENTO P (mm H2O) l H2O/ 100 m3 DE GAS

Torre de pulverización Elevado > 10 m 20 20-80

Torre de pulverización ciclonal 96% para 2-3 m 20-50 20

Lavador por colisión98% para > 1 m

(por placa)20-200 

(por placa)12-20

Lavador tipo venturi 99% para > 1 m 150-1500 20

Tabla 4.2. Rendimiento, pérdida de carga y consumo de los lavadores de partículas.

 

El rango de uso de los lavadores cuyo principio básico es el de impacto inercial depende de la pérdida de carga. Para separar partículas de 1 mA (diámetro aerodinámico) o tamaño inferior deben utilizarse equipos (tipo Venturi) de mediana y alta energía. En equipos en los que el contacto gas-líquido no es tan intenso (de baja energía), tales como torres de pulverización y de contacto por platos, sólo es posible separar partículas de tamaño superior a 1 mA.

En el caso de los lavadores de gases, en los cuales el principio de funcionamiento es la absorción, la eficacia del lavador viene determinada por el número de unidades de transferencia (N). Este valor indica el número de etapas necesarias entre el gas y el líquido para conseguir una determinada separación del contaminante gaseoso, es decir, transferencia del gas portador al líquido lavador.

Si el contaminante es muy poco soluble en el líquido, el número de etapas N es tan elevado que hace inviable su depuración por este método. Sin embargo, en muchos casos la absorción se puede aumentar si se añade al líquido una sustancia adecuada que reaccione con el soluto. Será, por lo tanto, necesario conocer la cinética de reacción del contaminante para ver cómo influye en la transferencia de materia. En la tabla 4.3 pueden observarse los reactivos más utilizados para varios contaminantes gaseosos.

GAS CONTAMINANTE (SOLUTO) REACTIVO QUE SE AÑADE AL AGUA

CO2 Carbonatos, Hidróxidos, Etanolaminas

CO NH4CuCl2, Complejos cuprosos con aminas

SO2 Ca(OH)2, O3, HCrO4, KOH

H2S Etanolaminas, Fe(OH)3

SO3 H2SO4

NO FeSO4, Ca(OH)2, H2SO4

Cl2 FeCl2

C2H4 KOH, Fosfatos trialquílicos

Olefinas Complejos cuprosos con aminas

 

Tabla 4.3. Algunos sistemas de absorción con reacción química.

4.2.4.4 Lavadores semi-secos y secos

 

Desde la década de 1970 se han desarrollado otros depuradores que no utilizan gotas de líquido, sino un lecho pastoso o incluso sólido, por el que se hace pasar el gas, que reciben el nombre de lavadores semi-húmedos (o semi-secos) o lavadores en seco, respectivamente.

Estos lavadores se utilizan especialmente para neutralizar los contaminantes gaseosos, por medio de un reactivo sólido en forma de polvo, dando como subproducto un residuo seco, el cual puede reutilizarse en otro proceso o ser depositado en un vertedero.

Su principio de funcionamiento está a caballo entre la absorción de los lavadores húmedos y la adsorción de los adsorbedores.

4.2.5 Adsorción

 

La adsorción, en general, es un proceso en el que una sustancia, llamada adsorbato, se fija sobre la superficie de otra, llamada adsorbente. El caso de mayor interés es el de un adsorbente sólido y un adsorbato gaseoso, aunque el fenómeno de la adsorción es mucho más general: sólido/líquido, líquido/sólido, etc.

El fenómeno de la adsorción es conocido desde antiguo. En 1777, Scheele observó que el carbón tomaba varias veces su propio volumen de aire y que el fenómeno era reversible: al calentar, el aire era expulsado del carbón, y al enfriar volvía a ser adsorbido.

Se define la adsorción como una operación de purificación de gases que consiste en fijar un contaminante gaseoso en la superficie de un sólido adsorbente, mientras el gas atraviesa el lecho. No hay que confundirla con la absorción, que es la disolución de las moléculas contaminantes dentro de un medio colector, el cual puede ser líquido o sólido.

Aunque los principios de funcionamiento de la adsorción y de la absorción son muy distintos, ambos son sistemas que permiten recuperar el contaminante y reutilizarlo, pues ambas operaciones son reversibles.

La adsorción se utiliza especialmente para concentrar un contaminante gaseoso que se encuentra en forma diluida en una corriente de aire o de gas. Se aplica sobre todo para capturar COVs, tales como disolventes orgánicos, olores y otros compuestos gaseosos.

La capacidad de adsorción del sólido depende del área de contacto y su porosidad interna, por lo que utilizan sólidos con una gran área superficial

por unidad de masa.

La mayoría de estos adsorbentes derivan de algún carbón activado, y pueden ser de origen vegetal (cáscara de coco), mineral (coque de petróleo) o sintético (fibras textiles carbonizadas). La superficie específica de estos adsorbentes es muy grande (500 - 1500 m2/g). La estructura de su superficie está compuesta por microporos que permiten fijar las moléculas contaminantes mediante atracción molecular.

La adsorción se ve favorecida por:

- La disminución de la temperatura.

- El aumento de la presión.

- El aumento de la concentración del contaminante.

Por el contrario, la desorción, que es la operación inversa, permite recuperar el contaminante adsorbido, invirtiendo estos parámetros,

especialmente aumentando la temperatura y barriendo el adsorbente con una corriente de vapor de agua o de nitrógeno a contracorriente. El producto desorbido, que se encontrará en esa corriente caliente de gas, puede a continuación condensarse y recuperarse si se trata de, por ejemplo, un disolvente o destruirse por combustión.

4.2.5.1 El adsorbente

 

El sólido adsorbente se utiliza en forma de polvo o granular para que presente la mayor superficie posible tanto externa como la de sus poros internos. El diámetro de partícula suele variar entre 50 m y 12 mm, pero es realmente el tamaño de los poros quien tiene mayor importancia, ya que para que su superficie interna pueda adsorber es preciso que las moléculas de adsorbato puedan pasar a su través. El diámetro de los poros es muy variable, de 150 nm (microporos) a 2000 nm (macroporos).

La superficie de los poros internos puede llegar a ser varios órdenes de magnitud superior a la superficie externa del adsorbente.

 

A veces se prefiere manejar sólidos porosos en lugar de pulverulentos, más difíciles de utilizar. Una manera de obtenerlos es mediante lasinterización o el fritado, procesos de alta temperatura en los que las partículas finas se agregan entre sí, desarrollando entre ellas un sistema de poros.

Entre los adsorbentes más utilizados hay que mencionar:

- El carbón activo, que es muy selectivo de los compuestos orgánicos y tiene carácter hidrofóbico.

- La gel de sílice a base de silicato de sodio, que se utiliza como desecante, también permite separar hidrocarburos de una corriente de gas.

- Los tamices moleculares, que son adsorbentes a base de aluminosilicatos de sodio, potasio y calcio, cuya forma cristalina conforma unos poros de un tamaño determinado donde quedan retenidas

determinadas moléculas gaseosas. Tiene una afinidad especial por los compuestos insaturados y polares y sus diámetros de poro van de 30 a 100 nm.

4.2.5.2 Procesos industriales

 

Existen tres sistemas de operación industrial:

- Lecho fijo.

- Lecho fluidizado.

- Lecho móvil.

El lecho fijo es el más utilizado. El sólido adsorbente forma un lecho por el que pasa la corriente de gas. Se opera en continuo, por lo que es necesario situar como mínimo dos equipos operando en paralelo, de modo que mientras uno está en operación el otro pueda regenerarse.

La operación consta de tres fases:

- Adsorción.

- Desorción.

- Acondicionamiento.

La desorción puede tener lugar mediante alguno de los siguientes métodos:

- Paso de vapor de agua.

- Paso de aire caliente.

- Por variación de la presión (adsorción a presión y desorción a presión más baja).

La figura 4.11 muestra una disposición típica para la adsorción de un COV extraído de una corriente de gas, con recuperación final del COV, en la que se utilizan tres lechos de adsorbente, dos de ellos trabajando en adsorción en serie, mientras que el tercero está en desorción

mediante el paso de vapor de agua. Una serie de válvulas automáticas permiten conmutar la operación de adsorción con la de desorción.

Finalmente, el COV procedente de este último lecho se enfría en un condensador, de forma que el agua en estado líquido se separe por gravedad.

Figura 4.11: Disposición típica para la adsorción de un COV con recuperación, mediante tres lechos fijos de adsorbente. Los lechos 1 y 2 están en serie operando en adsorción, mientras que el lecho 3 se está desorbiendo usando vapor de agua. También se señalan en trazo discontinuo las corrientes de gas y de vapor cuando los lechos 2 y 3 trabajan en adsorción, mientras el lecho 1

trabaja en desorción.

4.2.6 Incineración

 

Al quemar ciertos contaminantes atmosféricos se forman otros compuestos que son inocuos o mucho menos perjudiciales que los originales. En esto se basa la incineración o combustión, la cual constituye conceptualmente la forma más simple de eliminar loscompuestos orgánicos volátiles (COV) en una corriente de gases. Está especialmente indicada para tratar los COV, ya que la mayoría

contienen C, H y O, que pueden oxidarse a CO2 y H2O a temperaturas entre 750 y 1000 °C.

Se puede definir la incineración como la combustión controlada de sustancias orgánicas mediante un proceso de oxidación química. Cuando la oxidación se realiza de forma rápida, la temperatura del material aumenta rápidamente debido a la incapacidad para transferir el calor generado hacia el exterior tan rápidamente como se está produciendo. Como resultado, se emite radiación visible, a la cual nos referimos como la llama.

Este proceso de depuración implica la destrucción completa de los compuestos a diferencia de otros sistemas que permiten su recuperación y reutilización, como sería el caso de la absorción o la adsorción, por lo que se suele aplicar a corrientes residuales de gases sin valor económico.

Si los COV contienen S y Cl (compuestos sulfonados y clorados), los gases de la combustión contendrán SO2/SO3 y HCl/Cl2, lo que hará necesario proceder a su purificación posterior, normalmente por lavado de los gases.

Las ventajas del uso de los incineradores son:

- Permiten destruir completamente los compuestos orgánicos tóxicos o que podrían servir de base a proliferaciones microbianas.

- Puede servir para eliminar ciertos problemas de olores.

- Si los compuestos a incinerar tienen un poder calorífico alto, se puede recuperar la energía calorífica producida.

En cambio, también puede presentar desventajas:

- Los gases de combustión pueden contener nuevos contaminantes (como SO2 o HCl), que requerirán un tratamiento posterior de depuración.

- Además, si se emplea aire en vez de oxígeno puro como comburente, lo cual es lo más habitual, el N2 del aire se transforma a óxidos de nitrógeno (NOx).

- Requieren un buen sistema de control de la combustión para evitar la emisión de compuestos orgánicos inquemados perjudiciales para la salud.

- Coste de inversión y de explotación elevado, sobre todo si la corriente de gas a incinerar no tiene un poder calorífico alto, en cuyo caso se necesita aportar combustible.

4.2.7 Sistemas de reducción

 

Los sistemas de reducción para el tratamiento de gases de combustión se han desarrollado básicamente con el objetivo de reducir las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx). Permiten transformar estos contaminantes a nitrógeno (N2), gas inocuo que tiene un estado de oxidación más bajo que los NOX, es decir, más reducido químicamente hablando. De ahí, el nombre de sistemas de reducción.

El agente de reducción suele ser amoníaco (NH3), el cual tiene un estado de oxidación aún más bajo que el N2.

Estos sistemas se utilizan sobre todo en las centrales térmicas, y dentro de éstas, en las que utilizan carbón como combustible.

 

Se pueden distinguir dos tipos de sistemas, en función de si se usa o no un catalizador (tabla 4.4):

- Reducción selectiva no catalítica (más conocido por su acrónimo en inglés, SNCR).

- Reducción catalítica selectiva (SCR, en inglés).

SISTEMA CATALIZADORRANGO DE

TEMPERATURA (ºC)REDUCCIÓN DE

NOx(%)

Reducción selectiva no catalítica (SNCR)

No se usa catalizador. Se inyecta NH3 o urea directamente en el horno.

850 - 1000 30 - 80

Reducción catalítica selectiva (SCR)

Óxidos metálicos en sustratos cerámicos.Tamices moleculares. Carbón activado (*) Cobre sobre alúmina (*)

280 - 450

380 - 480

100 - 150

400

70 - >90

70 - 90

30 - 80

90

(*)Permite la eliminación simultánea de NOX y SO2.

Tabla 4.4. Características de los sistemas de reducción de NOX actualmente existentes. Fuente: adaptado de Baumbach (1998).

 

En la tabla 4.4 se pueden ver algunos datos significativos de estos dos sistemas. La última columna da el grado de reducción de los NOXconseguido, el cual se define como:

4.2.8 Tratamientos biológicos

 

Hasta ahora se han visto diferentes tratamientos para depurar gases contaminantes:

- Tratamientos químicos, como la absorción.

- Tratamientos físico-químicos, como la adsorción.

- Tratamientos térmicos, como la incineración o la reducción.

Los tratamientos biológicos son otra posible vía de depuración de gases, en la que la depuración la llevan a cabo una serie demicroorganismos. Para esta aplicación, estos tratamientos son mucho más recientes que los anteriores (en muchos casos, aún están en fase de investigación y desarrollo), aunque se llevan utilizando desde hace tiempo para la depuración de aguas.

Para poder aplicar estos tratamientos, es necesario que se cumplan las siguientes condiciones:

- Los contaminantes gaseosos deben ser solubles en agua.

- Los contaminantes gaseosos deben ser biodegradables.

- La temperatura del gas debe estar comprendida entre 5 y 60 °C, aunque la temperatura óptima está entre 10 y 40 °C (si la temperatura es muy baja, la degradación biológica es muy lenta).

- El gas a tratar no ha de contener sustancias tóxicas para los microorganismos.

- El gas a tratar debe estar húmedo (para el caso de la biofiltración).

Los microorganismos oxidan los compuestos que contenga la corriente de gas a tratar (generalmente, aire impuro) a CO2 y H2O, incluyendo aquellos compuestos que contienen Cl, Br, N o S. Sin embargo, las sustancias no volátiles que se puedan formar en el proceso se van acumulando gradualmente.

Comparado con los otros sistemas, las ventajas que presentan los tratamientos biológicos, se pueden resumir en:

- Son una forma natural de tratamiento, no agresiva con el medio ambiente.

- No se generan corrientes residuales que necesiten un tratamiento posterior, ya que no se añaden productos químicos.

- En el caso más favorable, los contaminantes son degradados a CO2 y H2O.

- Los costes de inversión y especialmente de operación son bajos.

Sus desventajas son:

- Las reacciones biológicas son relativamente lentas comparadas con las reacciones químicas clásicas, por lo que se necesita un tiempo de contacto gas-bacteria suficiente para alcanzar rendimientos de depuración aceptables.

- Los caudales de gas a tratar son menores que en los otros sistemas.

- Las bacterias que intervienen en la depuración exigen unas determinadas condiciones de temperatura, humedad y nutrientes, así como ausencia de ciertas sustancias tóxicas, para poder sobrevivir.

- En el caso de los biofiltros se requieren grandes superficies de terreno.

- Estos tratamientos están aún en fase experimental para poder seleccionar las bacterias más adecuadas para tratar un determinado contaminante.

4.2.8.1 Tipos de tratamientos biológicos

 

En estos tratamientos biológicos para depurar gases hay que distinguir dos tipos:

- Biolavado (bioscrubbing, en inglés).

- Biofiltración.

Biolavado

El biolavado consiste en un lavado de gases en un absorbedor clásico, pero en el cual el líquido de lavado está impregnado de microorganismos. Ese líquido circula por el lavador con un caudal inferior a los utilizados clásicamente, para disponer de un mayor tiempo de contacto entre la corriente de gas a depurar y el líquido de lavado. Los contaminantes gaseosos se absorben en el líquido y la reacción prosigue en un tanque externo. Allí, con un tiempo de residencia elevado y aportando los nutrientes necesarios, se depura el líquido de lavado

mediante un tratamiento biológico similar al empleado en la tecnología de plantas de bioaireación de aguas residuales.

Si nos centramos en la depuración de los gases, el proceso seguido es simplemente una absorción, y por lo tanto los principios de funcionamiento explicados en el apartado anterior se aplican también en el caso del biolavador.

La figura 4.12 ilustra el esquema de un biolavador con un tanque de lodos activos.

Figura 4.12: Esquema de un bilavador con un tanque de lodos activos. Fuente: adaptado de Baumbach (1996).

Biofiltración

En el caso de la biofiltración, los microorganismos captan y metabolizan directamente los compuestos gaseosos contaminantes que

les sirven de nutrientes, expeliendo como producto de la digestión otros compuestos (CO2 y H2O, básicamente), inocuos para el medio ambiente.

El material biológico a utilizar (p.e., compost o turba) debe estar húmedo. Se puede decir, entonces, que la biofiltración es un tipo de absorción de gases contaminantes en películas líquidas seguida de una transformación biológica, aunque también intervienen procesos de adsorción sobre sustancias sólidas (bacterias).

Los microorganismos se utilizan sobre un soporte natural, por ejemplo, turba o corteza de árbol húmeda. La turba tiene la ventaja de ser un buen adsorbente de ciertos gases, por lo que la reacción se debe a un doble efecto:

- Adsorción del contaminante por la turba seguida de absorción en la superficie por las bacterias.

- Absorción directa por el líquido que humedece la turba, que también contiene bacterias.

La turba puede contener una biomasa natural de unos 107 microorganismos por gramo. De ahí la posibilidad de utilizar los biofiltros a escala industrial, como si fueran un conjunto de muchísimos microrreactores trabajando en paralelo, sin peligro para el medio ambiente.

Los biofiltros se emplean especialmente para filtrar cantidades pequeñas de compuestos contaminantes en grandes volúmenes de aire, por lo que se requieren grandes superficies, ya que las alturas de los filtros no son muy elevadas.

El gas contaminado se hace pasar por un lecho de turba de forma repartida, que disponga de una gran superficie y una altura suficiente (0,5 a 1,5 m). El gas atraviesa el lecho lentamente de abajo arriba y, al final, ya depurado, se deja escapar a la atmósfera.

En la figura 4.13 se puede ver un esquema de un biofiltro. Existen otras disposiciones en torres con alturas de filtro de hasta 6 m y con circulación mecánica del material filtrante.

Figura 4.13: Esquema de un biofiltro. Fuente: Baumbach (1996).

Aplicaciones

Los tratamientos biológicos están teniendo numerosas aplicaciones:

- En el campo de los olores de origen animal o vegetal, para eliminar los compuestos:

- nitrogenados (NH3, aminas,...);

- sulfurados (H2S, mercaptanos,...); y,

- aldehídos y cetonas.

- En el campo de los disolventes industriales, para eliminar:

- COV halogenados o no.

Una de las aplicaciones de los tratamientos biológicos en que se han obtenido mejores resultados es el caso de la eliminación de olores:

- De origen agroalimentario (ganadería, fabricación de productos alimentarios, etc.). Por ejemplo, en un fundidor de sebo, para una concentración de 1 g/m3 de diversos contaminantes, se puede alcanzar un 95% de rendimiento de eliminación de NH3 y de 99% para aminas y productos sulfurados.

- Procedente de estaciones de depuración de aguas, tratamiento de residuos sólidos urbanos, plantas de compostaje, etc. Por ejemplo, en una planta depuradora de aguas se pueden eliminar prácticamente los olores de las purgas de aire, con una concentración inicial de 0,2 g/m3 de COV.

- Procedente de la industria química o paraquímica (papeleras, refinerías, producción de adhesivos y pinturas, etc.)

- Procedente de fundiciones, para captar las sustancias de fuerte olor, tales como fenoles, formaldehido, aminas, amoníaco, etc.

4.3 Captura de los contaminantes atmosféricos 

En general, el coste de una instalación de depuración de contaminantes atmosféricos depende en mayor medida de la cantidad de aire o de gases a tratar que de la cantidad de los contaminantes a capturar. Por ello, interesa capturarlos cuando el caudal de aire o de gas portador es mínimo, es decir, lo más cerca posible de la fuente de emisión principal. De esa manera también se evita en gran medida el problema de las emisiones difusas o emisiones secundarias. Una forma de capturar estas últimas es mediante un aspirador instalado en el techo de la sala de trabajo, pero los caudales de aspiración necesarios son considerables (del orden de 10 veces al del caudal preciso para la emisión principal).

4.3.1 Técnicas de captura de contaminantes atmosféricos

 

A veces, el sistema de captura está integrado en el dispositivo en el que se generan los contaminantes. Es el caso de los aparatos completamente cerrados, tales como los secadores, los hornos o ciertos reactores, los cuales disponen de un orificio de salida para evacuar los efluentes contaminantes.

Sin embargo, a menudo el problema es más complejo. El objetivo es limpiar el aparato aspirando los contaminantes con la mínima entrada de aire parásito posible. La solución a escoger va a depender de si el

aparato opera en el interior de un taller o al aire libre, de sus necesidades de mantenimiento, acceso, etc.

En un local cerrado, la aspiración y la ventilación se deben diseñar de forma que en su interior y, más concretamente en las proximidades de los puestos de trabajo, no se superen los valores límites de exposición. Seguidamente, las emisiones aspiradas deben ser tratadas antes de verterlas al exterior si las concentraciones de contaminantes superan los valores de emisión legalmente establecidos.

Existen ciertos "principios de ventilación" que deberán seguirse:

1. Aislar lo máximo posible la zona de producción de los contaminantes.

2. Situar el dispositivo de captura lo más cerca posible de la zona de emisión de los contaminantes.

3. Instalar el sistema de aspiración de forma que el operario nunca se pueda situar entre éste y la fuente de contaminación (figura 4.14).

4. Asegurar un caudal de aire suficiente para aspirar los contaminantes.

5. Distribuir homogéneamente las velocidades de aspiración en la zona de captura de los contaminantes.

6. Evitar las corrientes de aire y las sensaciones de desconfort térmico.

7. Suministrar entradas de aire para compensar las salidas de aire extraído.

8. Verter el aire contaminado fuera de las zonas de entrada del aire fresco.

Figura 4.14: La cabeza del operario no ha de situarse nunca entre el dispositivo de captación y la fuente contaminante.

En una instalación al aire libre, el caudal mínimo de aspiración deberá cumplir las siguientes premisas:

1. Impedir que puedan superarse los valores límite de exposición en las proximidades de los lugares accesibles por el personal.

2. Limitar al máximo los humos visibles y todas las emisiones secundarias perjudiciales para el medio ambiente.

3. Tener en cuenta los efectos del viento que, por un lado, pueden abatir los efluentes y, por otro lado, requieren utilizar velocidades de aspiración entre el aparato a limpiar y el dispositivo de captura más elevadas que el caso de locales cerrados.

Capítulo 5 .- Muestreo y análisis de la contaminación atmosférica

O B J E T I V O S

- Mostrar la forma de llevar a cabo una red de monitoreo y análisis de muestras.

5.1 Creación de una red de vigilancia y previsión de la contaminación atmosférica 

Antes de empezar a realizar determinaciones analíticas de los niveles de ciertos contaminantes en la atmósfera, debe plantearse si estos datos son realmente significativos y si explican el estado general de la polución de una zona o, por el contrario, si sólo representan una situación particular y localizada. Con este objeto, se establece una red de cabinas de recogida de muestras en la zona cuyos índices de polución se quiera estudiar.

Para estudiar los niveles de inmisión o de calidad del aire de una ciudad, lo usual es disponer de uno de estos centros cada dos kilómetros cuadrados aproximadamente. Si la zona afectada es más extensa, la proporción disminuye, ya que el objeto del análisis es más general. En el caso de que se intenten evaluar los efectos generados por una fuente muy localizada, por ejemplo, una chimenea, se establecen una serie de círculos concéntricos al propio foco cuyo radio vaya creciendo de manera regular, concentrando las unidades de detección en las direcciones predominantes de los vientos locales, pero procurando tener también alguna referencia de las otras direcciones.

El elevado coste económico que supone tener estas cabinas en un emplazamiento fijo hace que usualmente haya lugares donde no se pueda medir la contaminación atmosférica. Por este motivo también existen unidades móviles equipadas con analizadores manuales y automáticos. De esta manera, se pueden realizar medidas puntuales y existe la posibilidad de una actuación inmediata.

Una vez diseñada una red teórica de estaciones detectoras en una zona, deben considerarse otros aspectos para intentar no obtener resultados falseados. En primer lugar, debe asegurarse la no proximidad de algún foco de contaminación importante que provoque unas circunstancias de polución características del lugar. En segundo lugar, debe procurarse situar las unidades en lugares elevados (azoteas, montículos, elevaciones, etc) y que no estén cerca de algún

impedimento geográfico (montañas, edificios,...) que conduzcan las corrientes que transportan a los contaminantes de una manera forzada.

Las estaciones y equipos de muestreo para la medida del Índice de Calidad del Aire (ICA), tienen como función capturar la muestra de contaminantes de los cuales se mide la concentración o el nivel de

inmisión en el medio ambiente local.

 

Aquí únicamente nos referiremos en detalle a las medidas de inmisión. Tan sólo mencionar que las medidas de emisión también se pueden hacer de forma manual y automática, tanto en lo que respecta a los gases como al material particulado, según se indica en latabla 5.1.

Control de gasesMedidas manuales ---

Medidas automáticas ---

Control de partículas

Medidas manualesMedida de la opacidadMedida de las partículas totales

Medidas automáticasMétodo extractivoMétodo no extractivo

Tabla 5.1. Principales técnicas de medidas de emisión.

5.2 Medidas de inmisión 

En la actualidad, existen muchos métodos analíticos para la determinación cualitativa y cuantitativa de los contaminantes presentes en el medio atmosférico. Debido a su elevado número, la complejidad de algunos compuestos y la cantidad de propiedades que se pueden estudiar, aquí sólo veremos los más sencillos, con el único objetivo de hacernos una idea de las técnicas analíticas comúnmente utilizadas en un laboratorio y de los métodos de trabajo seguidos en una pequeña estación detectora.

El equipo utilizado para la recogida de muestras puede estar compuesto por dos tipos de aparatos: manuales y automáticos. La utilización de un tipo de instrumental u otro dependerá de la clase de análisis que se quiera realizar. Los primeros absorben los contaminantes para su

posterior análisis, permitiendo conocer valores medios de polución, mientras que los equipos automáticos determinan valores puntuales en todo momento y de forma inmediata.

5.2.1 Equipos de medida manual

 

Los aparatos de medida manual permiten obtener una muestra in situ, la cual será analizada posteriormente en un laboratorio especializado. Es decir, los niveles de inmisión o concentración en el aire de los contaminantes no se obtienen en tiempo real, sino que se conocen en un plazo de tiempo posterior al día en que se ha tomado la muestra.

Tal y como se ilustra en la figura 5.1, el equipo de toma de muestras manual consta de los siguientes elementos:

- Filtro para la retención de partículas. Es el primer dispositivo con el que se encuentra el aire aspirado y puede estar formado por materiales distintos (papel, fibra de vidrio, etc.) según el tipo de partícula o el diámetro que se quiera retener. El filtro se coloca en un portafiltros constituido por dos soportes que lo sujetan, quedando todo el sistema cerrado herméticamente del exterior, de manera que sólo pueda entrar aire aspirado.

- Borboteador. Después de estar exenta de partículas sólidas, la muestra de aire se hace borbotear en una solución captadora contenida en un frasco lavador de gases de tipo Dreschel, transparente, y cuyo tamaño vendrá determinado por el método analítico que posteriormente se vaya a llevar a cabo.

- Medidor de caudal. Mediante un simple contador de gas se puede conocer el flujo de aire que circula por todo el sistema para poder calcular las concentraciones de los contaminantes captados. El contador debe poder medir flujos de entre 1,5 y 3 litros/min, con un error máximo de ± 3%.

- Bomba de membrana. Mediante este tipo de bomba se debe poder aspirar de 2 a 4 m3 de aire al día.

Todos estos elementos están conectados por tubos de vidrio o de plástico inerte de unos 8 mm de diámetro interior.

Figura 5.1: Aparato de medida manual de la inmisión. Fuente: Luna (1995).

5.2.2 Equipos de medida automáticos o analizadores

 

Así como la estructura de todos los aparatos manuales es idéntica para cada uno de los contaminantes a medir (sólo hay que cambiar el filtro o la solución química), los aparatos automáticos tienen una estructura diferente según el tipo de contaminante.

El fundamento de los equipos automáticos se basa en la circulación regular del aire a caudal constante durante un tiempo conocido. Después de pasar por un filtro de retención de partículas, llega a un sistema de detección específico para cada caso, que determina la cantidad total de compuesto absorbido. Debido a que también se conoce el volumen de aire que ha sido aspirado, resulta sencillo encontrar la concentración del contaminante en cuestión.

Los equipos de muestreo automático se instalan en cabinas cerradas con aire acondicionado, ya que necesitan funcionar a temperatura constante.

 

Los procesos descritos anteriormente se referían al control de gases. Si lo que se quiere determinar es la cantidad de partículas sedimentables de una muestra, se utiliza un captador de tipo Standard Gauge.

Este tipo de captador se compone de:

- Soporte. Consistente en un trípode de forma especial y con unos soportes para poder contener al frasco de recogida. En la parte superior viene incorporada una rejilla protectora para evitar la entrada de cuerpos extraños que podrían distorsionar el análisis. El soporte es de un material no corrosivo, generalmente acero inoxidable, para evitar la acción de los agentes externos.

- Depósito colector. Es un frasco, generalmente de vidrio resistente, aunque también los hay de acero o plástico, cuyo diámetro permite calcular un factor (F) que, multiplicado por el peso total de partículas recogido, expresa el valor de materia sedimentable en mg/m2.

donde D es el valor del diámetro interior del depósito.

- Botellas de recogida. Frascos de vidrio o plástico neutro de 10 a 20 litros de capacidad.

Figura 5.2: Equipo colector de partículas sedimentables Standard Gauge.

5.3 Métodos de análisis de las muestras recogidas 

Los métodos de análisis de muestras están estandarizados y son los establecidos por la legislación vigente.

5.3.1 Análisis de los óxidos de azufre

 

Existen muchos métodos para la determinación de los niveles de SO2 en la atmósfera. Aquí trataremos algunos de ellos, que están legalmente homologados y que utilizan captadores de pequeño volumen, pero sólo desarrollaremos el método del tetracloromercurato y de la pararosanilina, que es el método de referencia en la Comunidad Europea, según la Directiva 1999/30 CE del Consejo de 22 abril relativa a los valores límite de dióxido de azufre, dióxido de nitrógeno y óxidos de nitrógeno, partículas y plomo en el aire ambiente.

El método de la Thorina consiste en la captación de los óxidos sulfurosos en una solución acidificada de peróxido de hidrógeno (H2O2), que los oxida a ácido sulfúrico. La cantidad de ácido sulfúrico presente se determina añadiendo un exceso conocido de perclorato de bario para provocar la precipitación inmediata del sulfato de bario (BaSO4). El catión Ba2+ disuelto se hace reaccionar con thorina y luego se determina su concentración con un espectrofotómetro, utilizando una longitud de onda de 520 nm.

La técnica de la acidez gaseosa total se basa en la medida del aumento de la acidez provocada por la transformación de los óxidos de azufre en ácido sulfúrico en la misma solución captadora que en el método anterior. Esta medida consiste en una volumetría utilizando como valorante una disolución básica de hidróxido o carbonato sódico. Esta técnica tiene el inconveniente de determinar la acidez total del aire, de manera que otros compuestos ácidos pueden interferir en el resultado final. Se utiliza como una técnica orientadora de los niveles de estos óxidos, que contribuyen un 85-90% en la acidez total.

La técnica culombimétrica utiliza una solución captadora de ácido sulfúrico, bromuro potásico y bromo. Las cantidades de bromuro y bromo en esta solución acuosa son conocidas, de manera que la reacción de los óxidos de azufre, al oxidar el bromo a bromuro, provoca un aumento en la concentración de Br- determinable por técnicas culombimétricas. Es importante la eliminación de sustancias disueltas en el aire susceptibles de interferir aumentando o disminuyendo la intensidad de la corriente eléctrica circulante.

5.3.1.1 El método del tetracloromercurato y de la pararosanilina

 

Este método permite determinar concentraciones de SO2 de 7 a 1150 g/m3 y da unos resultados muy exactos y fiables.

La muestra se toma en un CPV con 50 ml de una solución captadora de tetracloromercurato de sodio (TMC) 0,04 M durante 48 horas. El filtro es de papel Whatman nº1. Una vez tomada, conservamos la muestra a una temperatura de 5 ºC hasta el momento de su análisis. Ésta no debe tener precipitado alguno, normalmente formados por reacción del Hg (II) con alguna forma reducida del azufre.

Antes de analizar las muestras, debemos asegurarnos de la no presencia de ozono disuelto; por ello se deben dejar reposar las soluciones como mínimo 20 minutos antes de la valoración.

Seguidamente, se trasvasa la solución a un matraz aforado de 50 ml y se enrasa con la solución captadora. Tomamos 10 ml de esta solución mediante una pipeta y las pasamos a otro matraz aforado, pero de 25 ml.

Antes de proceder a la valoración, se prepara una curva de calibración utilizando patrones que preparamos en el laboratorio. Para ello, se pipetean 0, 1, 2, 3 y 5 ml de una solución estándar de bisulfito de sodio (disolución de 0,3 gramos de Na2S2O5 en 500 ml de agua destilada) en cinco matraces de 25 ml y se añade solución de tetracloromercuriato de sodio hasta un volumen aproximado de 10 ml en cada uno de ellos. Luego se adiciona 1 ml de ácido sulfámico al 0,6% para eliminar el nitrito y se deja reposar 10 minutos. Por último se añaden 2 ml de solución de formaldehído (5 ml de formaldehído al 40% en 1 litro de agua destilada) y 5 ml de solución de pararosanilina (0,2 g de clorhidrato de pararosanilina en 100 ml de HCl 1 M y 20 ml de esta solución con 25 ml de ácido fosfórico 3 M, enrasado todo hasta 250 ml con agua) y se enrasa hasta 25 ml con agua destilada.

Todo esta preparación se resume en la tabla 5.2.

SOLUCIÓN ESTÁNDAR CAPTADORAA.

SULFÁMICOFORMALDEHÍDO

PARAROSANILINA

Blanco 0 10 1 2 5

Patrón 1 1 9 1 2 5

Patrón 2 2 8 1 2 5

Patrón 3 3 7 1 2 5

Patrón 4 5 5 1 2 5

Problema 5 10 1 2 5

Tabla 5.2. Volumen de soluciones adicionadas (ml).

 

Una vez ha transcurrido una hora, se procede a la determinación de la concentración de SO2 mediante un espectrofotómetro, que mide la absorbancia de las disoluciones relacionada linealmente con la concentración. Primero se establece una recta de calibración con las soluciones patrones utilizando radiaciones de longitud de onda de 548 nm. Estas mediciones nos permitirán obtener los valores de las constantes b y a0 de la recta de calibración:

A = b · x + a0

donde:

A = Absorbancia medida.

x = Concentración de SO2 en g/ml.

b = Pendiente de la recta.

a0 = Lectura del blanco.

Para trasladar estos resultados a condiciones normales, se aplican las siguientes fórmulas:

donde:

Vm = Volumen de líquido muestra.

V0 = Volumen del aire medido en el contador en condiciones normales.

 

El valor de V0 se obtiene mediante la fórmula:

donde:

Vt = Volumen leído en el contador.

Pt = Presión atmosférica en el momento de la captación.

P0 = Presión atmosférica normal.

T = Temperatura media del aire.

5.3.2 Análisis de los óxidos de nitrógeno

 

Como método representativo de las técnicas para la determinación de concentraciones de óxido nítrico (NO2) comentamos seguidamente la colorimetría por la reacción de Griess-Salzman frente a patrones de nitrito sódico.

En este método se disponen en un CPV 50 ml de una solución captadora compuesta por 30 g de trietanolamina y 3 ml de N-butanol concentrado disueltos en 1 litro de agua destilada. Se coloca un papel tipo Whatman nº 1 y se regula un caudal de 35-40 litros de aire por hora en el contador.

Se prepara una solución colorimétrica mezclando una solución de diazotación y otra de copulación en partes iguales. La primera solución se obtiene disolviendo 10 g de ácido sulfanílico en 100 ml de acetona y enrasando con agua destilada hasta 1 litro. En la segunda se colocan 200 mg de diclorhidrato de N (naftil-1) etilendiamina y 250 ml de una solución tampón de fosfato diamónico y ácido ortofosfórico, y se enrasa también hasta 1 litro. Ambas deben conservarse a 4 ºC y protegidas del contacto directo con la luz.

Una vez se han tomado las muestras durante 24 horas, se pipetean 10 ml de la solución captadora y se enrasan con la solución colorimétrica hasta 100 ml.

Al igual que en el método anterior, construimos una recta de calibración preparando 5 soluciones patrones con diferentes cantidades de solución estándar 5 mg de NO2/ml y enrasando con la disolución captadora hasta 10 ml.

SOLUCIÓN ESTÁNDAR CAPTADORA REACTIVO COLORIMÉTRICO

Blanco 0 10 hasta100 ml

Patrón 1 2 8 ""

Patrón 2 3 7 ""

Patrón 3 5 5 ""

Patrón 4 10 0 ""

Problema 0 10 ""

Tabla 5.3. Volumen de soluciones adicionadas (ml).

 

Una vez que ha pasado 1 hora como mínimo, se procede a medir la absorbancia de los patrones seleccionando una longitud de onda de 550 nm para obtener los valores de las constantes b y a0 de la ecuación:

A = b · x + a0

donde:

A: absorbancia medida.

x: concentración de NO2 en g/ml.

b: pendiente de la recta.

a0:lectura del blanco.

Para trasladar estos resultados a condiciones normales, se aplican las siguientes fórmulas:

donde:

Vm: volumen de líquido muestra.V0: volumen del aire medido en el contador en condiciones normales.

El valor de V0 se obtiene mediante la fórmula:

donde:

Vt: volumen leído en el contador.

Pt: presión atmosférica en el momento de la captación.

P0: presión atmosférica normal.

T: temperatura media del aire.

5.3.3 Análisis de partículas

 

Distinguimos dos tipos de partículas: las sedimentables y las que se mantienen en suspensión. Esta clasificación tiene como base el diámetro de las partículas, es decir, las que lo tienen menor que 10 m se mantienen suspendidas en el aire durante períodos de tiempo prolongados, mientras que las que son mayores, acaban por sedimentar no muy lejos de la fuente emisora.

5.3.3.1 Partículas sedimentables

 

La toma de muestras se realiza mediante un colector de partículas sedimentables de tipo Standard Gauge, que contenga 10 ml de una solución de sulfato de cobre 0,02 N (2,5 g de CuSO4. 5H2O/litro de agua) o de yoduro de metilpiridina para evitar que se formen algas y hongos. Al cabo de una semana, se recoge el frasco y se arrastran las partículas que puedan haber quedado adheridas a las paredes con agua destilada.

En el laboratorio se procede a la filtración al vacío de esta solución, pesando previamente el papel de filtro Whatman nº 1 utilizado. El líquido filtrado no se desecha, ya que contiene la fracción soluble de los sólidos precipitados.

Para pesar el sólido disuelto, evaporamos al baño maría toda el agua de una alícuota de la disolución en una cápsula de porcelana previamente pesada. El peso del precipitado total se obtiene por diferencia y trasladando el resultado al volumen total.

La fracción insoluble se determina secando en una estufa a 100 ºC el papel de filtro con el precipitado, que luego de haber permanecido en el desecador durante unas horas, se pesa y por diferencia se obtiene el resultado.

El peso total de partículas sedimentables en mg se calcula aplicando la siguiente fórmula:

Pt = P1 + P2 - 17,8

donde:

Pt: peso total.

P1: peso de las partículas disueltas.

P2: peso de la fracción insoluble.

17,8: cantidad de sulfato de cobre utilizado como fungicida (mg).

El valor ponderal de partículas sedimentables se expresa en mg/m2 · día y se obtiene mediante la fórmula:

donde:

d: nº de días que ha durado la toma de muestra.

F: factor del embudo colector.

D: diámetro en mm del embudo colector.

5.3.3.2 Partículas en suspensión

 

Comentaremos aquí dos posibles métodos homologados que utilizan diferentes captadores para la toma de muestras.

Determinación gravimétrica

Se utiliza un captador de alto volumen (CAV) y se selecciona un flujo determinado en el contador. La idea es captar todas las partículas de diámetro mayor a los 0,1 m; para ello se dispone de un filtro de fibra de vidrio de tipo GF Whatman previamente tarado. La toma de la muestra dura unas 24 horas y su manejo debe realizarse con mucho cuidado, intentando no perder partículas del filtro.

Una vez secado en el desecador, se obtiene el peso de las partículas por diferencia gravimétrica en g/m3 con la fórmula:

Para trasladar los resultados a condiciones normales de presión y temperatura, se opera de la misma manera que la indicada en el tratamiento de los óxidos de azufre.

Determinación por reflectometría

En este caso el captador utilizado es de pequeño volumen (CPV) y en el contador se selecciona un flujo de 2 m3/día. El filtro es de tipo Whatman nº 1 y se hace pasar aire durante 24 horas.

Una vez tomada la muestra en el filtro, éste se saca del portafiltros para la determinación del peso de las partículas por reflectometría. El procedimiento es el siguiente: primero se coloca un filtro Whatman nº 1 y se selecciona una lectura a 100 mediante el potenciómetro, y una vez calibrado se procede a la determinación del índice de ennegrecimiento (E) de la mancha formada por las partículas, que reflejan la luz incidente. Este índice se calcula mediante la fórmula:

E = 100 - L

donde L es nuestra lectura reflectométrica.

La concentración superficial (S) expresada en g/m2 se obtiene mediante la tabla 5.4 a partir del valor de E.

L E S L E S

97 3 0,44 72 28 15,44

96 4 0,96 71 29 16,39

95 5 1,13 70 30 17,37

94 6 1,29 69 31 18,38

93 7 1,53 68 32 19,41

92 8 1,94 67 33 20,48

91 9 2,38 66 34 21,56

90 10 2,83 65 35 22,68

89 11 3,31 64 36 23,83

88 12 3,81 63 37 25,00

87 13 4,34 62 38 26,19

86 14 4,90 61 39 27,42

85 15 5,48 60 40 28,69

84 16 6,09 59 41 29,97

83 17 6,72 58 42 31,28

82 18 7,38 57 43 32,63

81 19 8,06 56 44 34,11

80 20 8,77 55 45 35,70

79 21 9,51 54 46 37,40

78 22 10,28 53 47 39,21

77 23 11,08 52 48 41,02

76 24 11,9 51 49 42,83

75 25 12,74 50 50 44,63

74 26 13,61 49 51 46,44

73 27 14,51 48 52 48,25

Tabla 5.4.

Valores de S para un reflectómetro TVM-100, papel Whatman nº1 y portafolio de 2,54 cm de diámetro, según el método estándar de la OCDE.

La concentración de partículas en suspensión en g/m3 para un diámetro de portafiltros de 2,54 cm se determina utilizando el valor S en la fórmula:

donde:

A: superficie de la mancha en cm2.

V: volumen de aire medido en el contador en m3.

Si el diámetro del portafiltros es de 5,08 o 10,16 cm, se añade un factor multiplicador 0,92 o 0,80 respectivamente.

Finalmente, se trasladan los resultados a condiciones normales como hemos indicado anteriormente.

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