"Emisión de aerosoles por la quema de biomasa: residuos de papa"

“Emission of aerosols by the biomass burning: residues of potato”

Solis Llallico, Mensia

Resumen

El uso del fuego durante los últimos años ha ocasionado diversos problemas de

contaminación del aire. Un tema de actual preocupación es la emisión de material

particulado (aerosoles) debido a las quemas de biomasas de ecosistemas terrestres.

Estas quemas son de biomasas en la región Andina donde importantes cantidades

son quemadas periódicamente relacionadas a actividades agrícolas principalmente.

Este proyecto evaluó la composición química elemental de la emisión aerosoles por

las quemas de biomasa de residuo agrícola del cultivo de papa. Así mismo se

compararon las emisiones de diversos tipos de quemas (frontal, reverso y horizontal).

Esto mediante la medición de la masa del aerosol y su análisis químico elemental

usando Inductively Coupled Plasma (ICP).

El trabajo permitió cuantificar las emisiones de diversos compuestos relacionados a la

biomasa de papa como son el magnesio (Mg), calcio (Ca), sodio (Na) y potasio (K),

los cuales fueron posibles de notar sus diferencias en función al tipo de quema

realizada. Las mayores emisiones fueron realizadas durante la quema frontal. Es

necesario aún poder aumentar los experimentos y la mayor determinación elemental

de los compuestos de interés agrícola.

Palabras Clave: quemas, biomasa, residuos agrícolas, contaminación del aire.

Summary

Fire uses during the last years has caused many problems of air pollution. An actual

issue of concern is the particulate matter (aerosols) emissions due to biomass burning

of terrestrial ecosystems. These burnings are biomass from the Andean region where

important amounts are burned periodically related mainly to agriculture activities.

This research evaluated the chemical composition of the emission of aerosols by the

biomass burning of residues of potato crops. Also this research compared the

emissions of diverse types of burning (head, back and flat). This was made with the

measurement of the aerosol mass and the elemental chemical analysis using

Inductively Coupled Plasma (ICP).

This work quantified the diverse elements related to potato biomass like magnesium

(Mg), Calcium (Ca), Sodium (Na) and Potassium (K), and also it was possible to note

the different values based on the type of burning produced. The higher emissions

were obtained during the head burning. It is needed the increase the number of

experiments and a better elemental determination with the elements of agricultural

interest.

Keywords: burning, biomass, agriculture residues, air pollution

Introducción

El ser humano ha tenido una estrecha relación con el fuego desde tiempos tempranos de

la civilización. Debido principalmente a la agricultura, el fuego se ha usado ampliamente.

Su utilización incluye la limpieza del terreno agrícola, quema de residuos agrícolas,

cambio de cobertura vegetal (de bosque a cultivo agrícola), etc. Sin embargo, su uso

extensivo ha ocasionado que las quemas de vegetación sean la principal fuente de

contaminantes del aire en la región tropical (Crutzen y Andreae, 1990; Andreae, y

Crutzen, 1997) Por ejemplo, la quema de vegetación es responsable de la emisión de 2 a

5x105 g de carbono (C) por año en la región tropical. Para fines de comparación, la

quema de combustible fósil emite 5.5x105 g de C por año (Crutzen, y Lelieveld, 2001)

Esta emisión además comprende diversos contaminantes, especialmente aerosoles

(material particulado PM10 y PM2.5), que tienen roles importantes en la calidad del aire

de las ciudades, y en el Cambio climático debido a posibles cambios que se deben al

incremento de la concentración de los llamados “gases del efecto invernadero” en la

atmósfera, tales como CO2, cuyo incremento está causado por actividades como la

quema de Biomasa, provocando la disminución de la capa de ozono por el escape de los

clorofluocarbonos, provocando los denominados “agujeros de ozono”. Por estos agujeros

penetran los peligrosos rayos ultravioletas.

El incremento de la deposición ácida está causando daños a los lagos, árboles y suelos

por las lluvias acidas. Por ello es un tema de actual interés científico debido a la gran

incertidumbre respecto a su rol en el sistema terrestre, que incluso indica que podría tener

un efecto contrario al efecto invernadero, al reflejar la radiación solar o promover la

formación de una mayor cobertura nubosa (IPCC, 2001).

En este sentido, los Andes y la Amazonia son zonas de abundante actividad por quemas

de vegetación, como parte del cambio de uso de suelos para aprovechamiento agrícola

(Setzer et al, 1991) y quemas de residuos agrícolas.

Por ello, este proyecto evaluó la composición química elemental de la emisión de los

aerosoles por las quemas de biomasa de residuo agrícola. Así mismo se compararon las

emisiones de diversos tipos de quemas (frontal, reverso y horizontal). Esto mediante la

medición del material particulado emitido y su análisis químico elemental.

Materiales y Métodos

El principal equipo utilizado para la realización del presente trabajo fue un sistema de

quema de vegetación. La facilidad de quema experimental presentado en la figura N.1

La construcción de este prototipo consiste de una bomba de vació (HI-Q Environmental

Company, USA), con una potencia de ¼ HP que produce hasta 100 l/min de flujo de aire.

Esto permite la colecta de material particulado mediante el sistema de la Unidad de Filtro

Estacionario (Stacker Filter Unit, SFU) según lo descrito por Parker et al. (1977). En el

SFU se colocan en paralelo filtros de Nucleopore de 8 um y Teflón de 0.2 um. Con este

arreglo y un flujo de cerca de 16 l/min es posible hacer una eficiente separación de la

fracción fina de la gruesa del material particulado. Siendo la separación de gruesa en el

rango de 2.0<dp<15um y fina en el rango de dp<2.0, donde dp es el diámetro de partícula.

Esta separación brinda un mejor entendimiento de las emisiones de material particulado y

la composición química del aerosol (dp<10um). Este sistema también está basado en las

descripciones para las mediciones elementales realizadas por Mayol-Bracero et al (2002)

y Echalar et al (1998) para investigaciones hechas sobre emisiones de quemas de

vegetación en la Amazonia. Así mismo, los filtros utilizados en esta investigación fueron

de teflón para la fracción fina y de nucleopore para la fracción gruesa.

El método de análisis utilizado en las muestras colectadas para lograr la determinación de

la composición química elemental fue el Plasma Acoplado Inductivamente (Inductively

Coupled Plasma, ICP) sugerido según el trabajo de Gidhagen et al (2002). Este método

tiene la ventaja de realizar la determinación simultánea de hasta 30 elementos químicos

entre metales y no-metales, por lo que es posible obtener una mayor información de las

muestras a estudiar. Adicionalmente, el límite de detección es muy bajo lo que permite

detectar valores traza de los elementos. Cabe indicar que los filtros fueron pesados antes

y después de cada experimento para poder determinar la masa del aerosol colectado.

Esta pesada se realiza hasta las unidades de 5 decimales de gramo. También fue

determinado el volumen de aire colectado para poder determinar la concentración por

volumen de aerosol colectado mediante la utilización de un rotámetro.

La enorme ventaja de este prototipo es su versatilidad para poder usarlo con cualquier

residuo a quemar. Posee una superficie donde es posible colocar el material de interés y

luego los humos son atrapados a través de la chimenea, por un ventilador. En esta ruta de

la chimenea a aproximadamente 3.5 metros se encuentra la toma de muestra del material

particulado. Así mismo, la superficie donde se quema, mediante una serie de conexiones,

permite simular diversos tipos de fuego: fuego frontal (head fire), fuego reverso (back fire)

y fuego plano (flat fire), que suelen tener mucha importancia para determinar la

composición y el tamaño de las partículas que son emitidas a la atmósfera. Además en

esta parte de la facilidad se tiene instalada una termocupla que mide la intensidad del

fuego producido.

Fig. 1. Prototipo de la facilidad de quema experimental. La muestra a quemar está bajo la

chimenea (residuos de papa) y el sistema de colecta de aerosoles al lado derecho, que

incluye la bomba de vacío y los controles digitales (no mostrados). En la parte superior

están los controles de flujo y porta filtros.

Colector de humos

Porta muestras

Tubo de salida de humos

Manguera de colecta de humos

Porta filtros

Rotámetros

Adicionalmente, creemos que esta facilidad pueda ser ampliamente usada por tesistas de

la Universidad Nacional del Centro del Perú y así mismo pueda ser mejorada para realizar

diversos estudios sobre la composición química de la calidad del aire en temas

relacionados a las quemas de carbón de las pollerías, las quemas de leñas en las zonas

rurales, etc. (ver también Artaxo et al., 1988 y 2005).

Resultados y Discusión

… Durante la ejecución del proyecto de investigación, se han podido evaluar los

resultados obtenidos en base a las diferencias encontradas entre los tipos de quema

efectuadas: frontal, horizontal y reverso. Este fue realizado teniendo en consideración

las diferentes condiciones geográficas que se tienen en la región Andina donde los

cultivos de papa son realizados. Estas prácticas agrícolas pueden incluir terrenos planos y

con diversa pendiente desde ligeras a muy pronunciadas. Por ello, el experimento realizó

una inclinación al recipiente donde se disponía a la biomasa a quemar, con la finalidad de

poner lograr una inclinación de aproximadamente 45 grados. Luego, se realizó dos

variaciones a esta inclinación:

1. Fuego frontal, con el fuego inicial desde la parte inferior teniendo luego una

dirección ascendente hasta el borde superior.

2. Fuego reverso, con el fuego inicial en la parte superior teniendo luego una

dirección descendente hasta el borde inferior.

Adicionalmente se debe de indicar el tercer tipo:

3. Fuego horizontal, sin ninguna inclinación, iniciando el fuego en cualquier

dirección.

Esto es posible notar en la figura 1 para los principales componentes relacionados a los

residuos agrícolas como son el Magnesio (Mg), Calcio (Ca), Sodio (Na), Potasio (K) y

Fosforo (P) con valores máximos de emisión de 2.837, 303.8, 183.7, 143.5 y 1.475 ug/m3.

De estos resultados es posible indicar que el tipo de quema tiene un rol importante en la

mayor o menor emisión de algunos elementos. La figura 2 muestra las diferencias entre

los demás elementos de menor concentración que eventualmente están influenciados por

las emisiones provenientes del material usado en la facilidad de quema metálica.

0

50

100

150

200

250

300

350

Magnesio Sodio Calcio Potasio

(ug

/m3)

Frontal

Reverso

Horizontal

Fig. 1. Variación de emisiones de elementos más relacionados a las quemas de residuos

agrícolas. (Corporación Laboratorios Ambientales del Perú S.A.C. Protocolo 51408)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Niquel

Moli

bdeno

Selenio

Cobre

Titanio

Crom

o

Fosfo

roBar

io

Antim

onio

Plomo

Cadm

io

Estron

cio

Man

gane

so Litio

Alumin

ioFi

erro

Zinc

(ug

/m3)

Frontal

Reverso

Horizontal

Fig. 2. Variación de emisiones de elementos menos relacionados a quemas de residuos

agrícolas, influenciados por la composición metálica de la facilidad de quema (chimenea)

utilizada. (Corporación Laboratorios Ambientales del Perú S.A.C. Protocolo 51408)

La figura 3 muestra las variaciones relacionadas al material particulado emitidos en cada

caso, donde es posible notar que un mayor registro fue posible de registrar en el fuego

frontal donde la mayor intensidad de la quema produjo una mayor emisión de partículas a

la atmósfera por lo que se registró un mayor valor en dicho experimento.

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

Frontal Reverso Horizontal

mg

po

r 25

0g d

e m

asa

hu

med

a

Fig. 3. Variación de las emisiones de material particulado (aerosoles) relacionados a las

quemas de residuos agrícolas de papa bajo diferentes tipos de quema.

Así mismo si consideramos a nivel de la producción de CO2 por parte de la quema de

residuos agrícolas, el trabajo de recopilación de información de Andreae y Merlet, 2001,

brinda una serie de factores de emisión para diversos compuestos químicos, en el caso

del CO2 le asigna el valor de 1515 ± 177 gramos de CO2 por kilogramo de materia seca

quemada. Es escasa la información sobre la cantidad de kilogramos de residuos agrícolas

que se queman en el Perú, por lo que es necesario mejorar la información sobre este

tema, lo que se espera lograr en los próximos trabajos.

Conclusiones

• El trabajo permitió cuantificar las emisiones de diversos compuestos relacionados

a la biomasa como son el Magnesio (Mg), Calcio (Ca), Sodio (Na), Potasio (K) y

Fosforo (P) con valores máximos de emisión de 2.837, 303.8, 183.7, 143.5 y 1.475

ug/m3. los cuales fueron posibles de notar sus diferencias en función al tipo de

quema realizada. Las mayores emisiones fueron realizadas durante la quema

frontal ocasionadas por una mayor intensidad de quema y mayores temperaturas.

Es necesario aún poder aumentar los experimentos y la mayor determinación

elemental de los compuestos de interés agrícola.

• En los resultados del análisis de calidad de aire notamos un alto nivel de cadmio y

zinc estos son transportados por los vientos y por las lluvias son depositados en

los suelos, estos metales son considerados Metales Pesados con un alto nivel de

movilidad en los suelos.

• Tenemos aluminio que son más frecuente en los suelos ácidos provocando una

contaminación en el crecimiento de las plantas, obstaculizando los poros de los

tallos y raíces de las plantas lo cual no dejan pasar a los micronutrientes que

necesitan las plantas.

• El plomo y cobre contaminan por dos formas, uno la calidad del aire mientras que

el otro la calidad del suelo; hay que mencionar que estos elementos pesados se

encuentran inmóviles en los suelos, es por eso que contaminan a las aguas

subterráneas por lixiviación.

• Al quemar la biomasa producimos contaminantes primarios (CO, NO, SO2) en su

mayoría partículas en suspensión, al reaccionar estos contaminantes con

elementos del aire y/o entre ellos mismos originan los contaminantes secundarios

(O3, NO3, H2O2, SO2, HNO3) y las sales de NO3 y SO4 , estos son los principales

responsables de las lluvias acidas.

Literatura Citada

1. Andreae, M.O, (1991). Biomass burning: Its history, use and distribution and its impact

on environmental quality and global quality, en Global Biomass Burning: Atmospheric,

Climatic and Biospheric Implications, (Editado por J.S. Levine), MIT Press, Cambridge,

Mass, pp. 3-21.

2. Andreae, M. O. y P.J. Crutzen, (1997). Atmospheric aerosols: biogeochemical sources

and role in atmospheric chemistry, Science, 276, 1052-1058.

3. Andreae, M. O. and P. Merlet, (2001). Emission of trace gases and aerosols from

biomass burning, Global Biogeochemical Cycles, 15, (4), 955–966, 2001.

4. Artaxo, P., H. Storms, F. Bruynseels, R. Van Grieten y W. Maenhaut, 1988.

Composition and sources of aerosols from the Amazon Basin J. Geophys. Res., 93

1605-1615.

5. Artaxo, P., L. V. Gatti, A. M. Córdova, K. M. Longo; S. R. de Freitas, L. Lara; T. M.

Pauliquevis1; A. S. Procópio1; L. V. Rizzo, 2005. Química atmosférica na Amazônia: A

floresta e as emissões de queimadas controlando a composição da atmosfera

amazônica, Acta Amazonica, 35 (2), 185-196.

6. Crutzen, P.J. y M. Andreae, (1990). Biomass burning in the tropics: impacts on

atmospheric chemistry and biogeochemical cycles, Science, 250, 1669-1678.

7. Crutzen, P.J. y P.R. Zimmerman, (1991). The changing photochemistry of the

troposphere, Tellus, 43A-B, 136-151.

8. Crutzen, P.J., y G.R. Carmichael, (1993). Modeling the influence of fires on

atmospheric chemistry, in Fire in the Environment: The ecological, atmospheric,

climatic importance of vegetation fires, edited by P.J. Crutzen and J.G. Goldammer,

pp. 89-106, John Wiley, New York.

9. Crutzen, P. y J. Lelieveld, (2001). Human impacts on atmospheric chemistry, Annu.

Rev. Earth Planet. Sci., 29, 17-45.

10. Echalar, F., P. Artaxo, J.V. Martins, M. Yamasoe, F. Gerab, W. Maenhaut y B. Holben,

1998. Long-term monitoring of atmospheric aerosols in the Amazon Basin: Source

identification and apportionment, J. Geophys. Res., 103 (D24), 32,849-31-864.

11. Gidhagen, L., H. Kahelin, P. Schmidt-Thomeb, C. Johansson, 2002. Anthropogenic

and natural levels of arsenic in PM10 in Central and Northern Chile, Atmospheric

Environment 36, 3803–3817