U N I V E R S I D A D D E L O S A N D E S

DEPARTAMENTO DE INGENIERA CIVIL Y AMBIENTAL

PROYECTO DE GRADO

Bases para la investigacin de la contaminacin atmosfrica en el Valle de

Sogamoso: El caso del material particulado generado en la fabricacin

artesanal de ladrillo y cal

FERNANDO JARAMILLO ESPINOSA

Asesores:

Ing. Rodrigo JIMNEZ (EPFL)

Ing. Juan Manuel CORDOVEZ (UNIANDES)

Prof. Dr. Bertrand CALPINI (EPFL)

Lausana ( Suiza), Enero del 2001

1

Tabla de Contenido

Tabla de Contenido.............................................................................................. 1

Introduccin y Justificacin .................................................................................. 4

Objetivos .............................................................................................................. 7 Objetivo General ............................................................................................................. 7

Objetivos Especficos ...................................................................................................... 7

Antecedentes ....................................................................................................... 9

1. El Valle de Sogamoso: caractersticas geogrficas y problemtica de la

calidad del aire ................................................................................................... 11

1.1. Ubicacin geogrfica......................................................................................... 11

1.2. Caractersticas Meteorolgicas y Climatolgicas de la Regin. ....................... 11

1.3. Fuentes de Emisin de material Particulado en la zona. ................................... 13

1.4. Legislacin ........................................................................................................ 15

1.5. Proyecto Sogamoso AQMS ( Jimnez et al, 1999)........................................... 16

2. Teora del Material Particulado ................................................................... 20

2.1. Caractersticas Generales de las Partculas Totales en Suspensin................... 21

2.1.1. Caractersticas Qumicas ........................................................................... 23

2.1.2. Origen del material Particulado................................................................. 25

2.1.3. Efectos Nocivos generados por el Material Particulado ........................... 27

2.1.3.1. Efectos en la Salud Humana.............................................................. 27

2.1.3.2. Efectos en la salud de los animales ................................................... 29

2.1.3.3. Efectos en las Plantas ........................................................................ 29

2.1.3.4. Efectos sobre el clima ....................................................................... 30

2.1.4. Distribuciones de Tamao de Partculas ................................................... 31

2.1.5. Asentamiento y Remocin del material particulado de la atmsfera........ 34

2.1.5.1. Depositacin de partculas de chimeneas.......................................... 37

3. Generacin de material particulado en la combustin del carbn............... 39

3.1. Material Particulado generado por los procesos de combustin. ...................... 41

3.1.1. Holln......................................................................................................... 42

2

3.1.1.1. Carbono negro (BC) .......................................................................... 43

3.1.1.2. Material Orgnico Particulado (POM).............................................. 44

3.1.2. Ceniza........................................................................................................ 47

4. Procesos de fabricacin de ladrillo y cal ..................................................... 49

4.1. Proceso de Fabricacin del Ladrillo.................................................................. 49

4.1.1. Horno de Llama Dormida ......................................................................... 50

4.1.2. Horno de Llama invertida ......................................................................... 52

4.2. Proceso de Fabricacin de la cal ....................................................................... 53

4.3. Localizacin de emisiones puntuales de material particulado de la pequea y

mediana industria ( Mario et al, 2000) ........................................................................ 54

4.4. Caractersticas del carbn usado en los procesos artesanales de la regin. ...... 56

4.5. El coque como alternativa de combustible para la pequea industria............... 59

5. Medicin del Material Particulado. .............................................................. 62 5.1. Variables y tcnicas de Medicin del Material Particulado. ............................ 62

5.1.1. Concentracin de masa.............................................................................. 62

5.1.2. Distribucin de tamaos............................................................................ 63

5.1.3. Composicin Qumica............................................................................... 64

5.2. Analizadores utilizados en el proyecto Sogamoso AQMS ............................... 65

5.2.1. Analizadores de Carbono Negro (BC) ...................................................... 65

5.2.1.1. El Aetalmetro en el Proyecto Sogamoso AQMS. ........................... 66

5.2.2. Analizadores de Hidrocarburos Aromticos Policclicos (PAH) asociados

a material particulado ................................................................................................ 70

5.2.2.1. El PAS en el Proyecto Sogamoso AQMS......................................... 71

5.2.3. El PM10 en el proyecto Sogamoso AQMS.............................................. 72

5.3. Ensayo de medicin de concentraciones de aire ambiente ............................... 74

5.4. Antecedentes de medicin de material particulado en la zona de estudio. ....... 76

6. Estimacin de las caractersticas del material particulado emitido por los

hornos de produccin de ladrillo y cal. ............................................................... 80

6.1. Estimacin de las tasas de Emisin de Material Particulado ........................... 85

6.2. Estimacin de la Dispersin atmosfrica de las partculas emitidas por un

chircal y una calera artesanal tpica.............................................................................. 86

3

Conclusiones y Recomendaciones .................................................................... 93

Bibliografa ......................................................................................................... 96

Anexos ............................................................................................................. 100

4

Introduccin y Justificacin

El Valle de Sogamoso es una de las zonas ms contaminadas de Colombia,

registrando promedios anuales de concentracin de partculas de hasta 104

g/m3 de aire, lo cual corresponde al 37% por encima de la norma local segn

datos del periodo 1991-1994 ( CORPOBOYACA, 1998). Para 1989, se estim

que la emisin del material particulado en el Valle de Sogamoso fue de 69781

toneladas anuales igualando as las emisiones de Bogot y Medelln juntas (

Snchez, 1996). La presencia de concentraciones elevadas de partculas en el

aire ocasiona problemas respiratorios en gran parte de la poblacin y hasta un

incremento en la tasa de mortalidad del hasta 18% segn estimaciones basadas

en datos de 1997 ( Jimnez, 1999). Como lo muestra la Figura I-1, la cantidad

de material particulado emitido en el Valle de Sogamoso es considerablemente

alto en comparacin con emisiones en otros lugares del mundo.

Estas emisiones provienen principalmente de 1087 pequeas, medianas y

grandes industrias, entre las cuales se encuentran ladrilleras, hornos de cal,

cementeras y siderrgicas entre otras, las cuales generan formas de

subsistencia para miles de familias que habitan en la regin.

A la pequea industria o tambin llamada industria artesanal de produccin de

ladrillo y cal, se le atribuye el 80% de las emisiones de material particulado en la

5

zona. Esto implica, que para atacar el problema de una manera efectiva, se

deben encontrar soluciones para reducir las emisiones de dicho sector de la

industria, de tal manera que el impacto social y cultural sea el mnimo. Pero

para solucionar los problemas, primero hay que entenderlos, y eso es lo que

intenta el Proyecto Sogamoso AQMS, del cual hace parte integral el presente

proyecto de grado.

Figura I-1- Tasa Especfica de emisin de material particulado (PM) para

diferentes regiones y cuencas de aire ( Jimnez, 1999)

Es necesario por tanto conocer las caractersticas del material particulado

emitido por la pequea industria, su proceso de formacin, sus propiedades

fsicas y qumicas y su comportamiento en el medio ambiente. La informacin

0

5

10

15

20

25

Rat

a es

pec

fica

de e

mis

in

de P

M

Suiza California(USA)

San JoaqunValley (CA)

Valle deSogamoso

(COL)

Pas o Regin

ton/ km2*ao ton/100habitantes*ao

6

adquirida hasta el momento en estas reas es poca a pesar de la gran

importancia que representa.

En este proyecto de investigacin se comenzar haciendo una revisin

bibliogrfica para comprender las caractersticas del material particulado y de los

procesos de combustin relacionados con su formacin. El paso a seguir ser

evaluar la situacin actual del Valle de Sogamoso y la informacin recolectada

hasta el momento. Se analizarn tambin las tcnicas de medicin posibles para

la recoleccin de dicha informacin, incluyendo los equipos de medicin

estudiados en mi etapa de entrenamiento en Suiza para el Proyecto Sogamoso

AQMS. Igualmente, se estimarn las caractersticas del material particulado

emitido por la industria artesanal y se determinarn las concentraciones

atmosfricas de material particulado para un horno de ladrillo y cal. Por ltimo,

se darn algunas recomendaciones para medir dichas caractersticas y por

ende ayudar a disminuir las emisiones de partculas en un futuro cercano.

7

Objetivos

Objetivo General

Estimar las propiedades fsicas, la composicin qumica, el comportamiento y

los procesos de formacin del material particulado emitido por la pequea

industria en el Valle de Sogamoso, y establecer las tcnicas de medicin

posibles para medir dichas caractersticas.

Objetivos Especficos

1. Cumplir con la fase inicial de entrenamiento exigida por el Proyecto

Sogamoso AQMS : Poner en funcionamiento, calibrar y analizar los

analizadores adquiridos para el Proyecto Sogamoso AQMS al igual que

dos analizadores ( un Aetalmetro Ae-9 y un PAS1000i) pertenecientes al

LPAS/DGR/EPFL de Lausanne, Suiza.

2. Hacer una investigacin bibliogrfica de la teora del material particulado y

de sus tcnicas de medicin.

3. Estudiar la relacin entre la utilizacin de carbn en la pequea industria y

el material particulado emitido por la combustin.

8

4. Estimar las emisiones de material particulado para un horno de coccin

de ladrillo y uno de cal, y determinar las concentraciones de partculas y

las tasas de asentamiento en su rea circundante.

5. Investigar correlaciones entre carbono negro, PAH y PM10.

9

Antecedentes

La actividad de la pequea industria en el Valle de Sogamoso se remonta a los

aos 50, cuando comenzaron a asentarse en la zona varias industrias como la

Siderrgica Aceras Paz del Ro. Estas industrias estimularon la economa y el

desarrollo industrial de la regin, aumentando as el nmero de empresas

alfareras, metalrgicas y de otros sectores de la industria. Los grandes

yacimientos de materia prima como la arcilla y el carbn, sus buenas

caractersticas y los bajos costos de produccin aceleraron an ms un proceso

de industrializacin sin control ambiental alguno.

Las consecuencias ya se empiezan a sentir en la poblacin, ya que los mtodos

artesanales ( sin desestimar los provenientes de otros sectores de la industria)

emiten una gran cantidad de contaminantes a la atmsfera con graves

repercusiones en la salud humana.

Afortunadamente, las acciones para frenar los altos ndices de contaminacin

empezaron a surtir efecto con la creacin de CORPOBOYACA, una entidad

encaminada a solucionar los problemas relacionados con el medio ambiente en

la regin. Hasta la fecha, se ha legalizado ambientalmente al 100% de la gran

industria, el 70% de la mediana industria, y el 20% de la pequea, y se ha

ordenado el cierre de los hornos de coccin de ladrillo localizados en el rea

urbana de estos municipios ( ECOBOYACA, 2000). Adems, se han hecho

10

varios estudios como El Plan de Mejoramiento de la calidad del aire en el

Valle de Sogamoso a travs del consorcio SOLAM para mejorar la calidad del

aire de la regin, y el Programa de Reconversin de Combustible en los

Chircales que busca sustituir el carbn bituminoso por coque. Hasta la fecha, el

30% de los hornos han adoptado la reconversin ( ECOBOYACA, 2000).

En cuanto a las mediciones de material particulado en la regin, se instal La

Red de la Calidad del Aire en 1997, y desde ese entonces, se han adelantado

algunas mediciones en varias estaciones instaladas por CORPOBOYACA

arrojando importantes resultados. El proyecto SOGAMOSO AQMS iniciado a

finales del ao 2000, intentar hacer una investigacin ms detallada de la

contaminacin de la regin, comprender el problema, y formular soluciones.

11

1. El Valle de Sogamoso: caractersticas geogrficas y problemtica de

la calidad del aire

1.1. Ubicacin geogrfica

El Valle de Sogamoso esta localizado en Colombia, Sur Amrica,

especficamente en el departamento de Boyac sobre la cordillera oriental de los

Andes. Comprende el corredor del Alto Chicamocha y dentro de ste se

destacan centros urbanos como Paipa, Nobsa, Tibasosa, Duitama y Sogamoso(

Figura 1-1). El Valle esta localizado a 2569 m.s.n.m y comprende dos pisos

trmicos. Su extensin de 73km de longitud y 8km de ancho se encuentra

rodeada por montaas que alcanzan los 3600 m.s.n.m. Los picos ms

significativos son el Toldo y el Montn.

La poblacin esta concentrada en 20 ciudades o pueblos y supera el medio

milln de habitantes ( Jimnez, 1999) . Los municipios que constan el Valle son

mostrados en la Tabla 1-1 al igual que su densidad demogrfica segn el censo

de 1993 y otros factores relevantes para este proyecto.

1.2. Caractersticas Meteorolgicas y Climatolgicas de la Regin.

La meteorologa de la regin puede ser descrita por la informacin recolectada

en la Estacin Belencito perteneciente al IDEAM. Esta se encuentra localizada

12

en las coordenadas (0.547N, 7253O) y a una altura de 2530 m.s.n.m. Los datos

de direccin de vientos y porcentaje de vientos son presentados en la Tabla 1-2

y corresponden a los datos horarios adquiridos en el ao 1997.

Figura 1-1 Zona de estudio. Valle de Sogamoso (www.nationalgeographic.com;

Jimnez et al, 1999)

Tabla 1-1- Municipios del Valle de Sogamoso ( Mario et al, 2000)

Municipio

Altura..

m.s.n.m

Poblacin

habitantes

Distancia desde

Tunja en km

Sogamoso 2569 115,602 72

Duitama 2530 97,952 57

Paipa 2517 23,717 45

Nobsa 2493 12,657 80

Samaca 2604 14,373 26

Tunja 2860 113,994 0

13

Se puede observar que los vientos moderados (

14

(entre ellas las cuatro industrias principales, 29 chircales y 13 caleras) se

presentaron entre los kilmetros 7 y 9 al noroccidente del rea urbana de

Sogamoso, con valores mximos de hasta 3505g/m3 por da. ( Snchez, 1994)

Tabla 1-2 - Direccin y porcentaje de Vientos para 1997( Mario et al, 2000)

RANGO DE VELOCIDAD ( m/s) Subtotal Direccin 1 2 3 4 5 6 %

0.3-1.37 1.38-2.44 2.45-3.51 3.52-4.58 4.59-5.65 >5.66 N 5.27 3.13 0.36 8.76

NE 5.32 0.87 0.1 6.29 E 3.43 4.77 7.08 1.97 0.21 17.46

SE 5.37 2.5 4.86 3.27 1.41 0.21 17.62 E 4.9 0.89 0.35 6.14

SW 8.44 6.9 4.14 0.08 19.56 W 1.51 1.77 0.94 0.1 0.02 4.34

NW 18.8 0.76 0.23 19.79 Subtotal 53.04 21.59 18.06 5.42 1.64 0.21 100

La industria en el Valle de Sogamoso est centrada en la produccin secundaria

derivada de la minera como lo es la produccin de ladrillo y cal, y tambin por la

industria cementara y metalrgica. La Figura 1-2 muestra el porcentaje de

partculas emitidas por la produccin industrial en el Valle de Sogamoso. Se

puede observar que la emisin de material particulado de la industria artesanal

es del 90%, comprobando as que el problema de contaminacin puede

comenzar a ser resuelto si se controlan las emisiones de este sector industrial.

15

Figura 1-2 Emisiones de material particulado en el Valle de Sogamoso, PM en

1991 ( Jimnez, 1999)

1.4. Legislacin

El historial jurdico para tratar de controlar las emisiones industriales de

contaminantes data de los aos setenta. La primera norma expedida por el

gobierno fue El Cdigo de Recursos Renovables ( ley de 1973 y decreto- ley

2811 de 1974) seguido mas tarde por el cdigo Sanitario Nacional ( ley 09 de

1979). Las normas bsicas sobre las emisiones a la atmsfera luego fueron

desarrolladas en el Decreto 02 de 1982. En este decreto se incluyen

especificaciones sobre las normas, limites y restricciones de la calidad del aire.

Los estndares primarios para material particulado en dicho decreto ( Artculo

31) sostienen que para partculas en suspensin el promedio geomtrico anual

es de 100g/m3 y la mxima concentracin en 24 horas que se puede

sobrepasar una vez al ano es de 400 g/m3. El Artculo 32 del mismo decreto

52.1%

0.9%5.3%12.4%

29.3%

Ladrillo Sulfato de Amoniaco Cemento

Hierro y Acero Piedra Caliza

16

sostiene que para determinar la norma local de la contaminacin del aire para

material particulado se debe aplicar la ecuacin 1-1 donde NC de R es la

Norma de calidad de Aire usada de referencia, Pb. Local es la presin

baromtrica local expresada en mm de Hg., y t es la temperatura expresada en

C.

tClocalPbNCdeRNormaLocal+

=

760298*

760.* (1-1)

Reemplazando los valores para el Valle de Sogamoso (Pb. Local de 567 mm de

Hg y un t de 15C) se tiene que el promedio geomtrico anual para el Valle de

Sogamoso es de 77.5 g/m3 y la mxima concentracin que se puede

sobrepasar una vez al ano es de 310 g/m3.

Para material particulado inferior a 10 g o a 2.5 g/m3 no existe a presente

ninguna legislacin al respecto, aunque en la actualidad se esta tomando como

referencia las normas de EPA para PM10 de 50 g/m3 anual, diaria de

150 g/m3 y horaria de 400g/m3 ( ECOBOYACA, 2000).

1.5. Proyecto Sogamoso AQMS ( Jimnez et al, 1999)

El proyecto Valle de Sogamoso AQMS ( Air Qulity Managemnet System) es un

proyecto del ICSC- WORLD LABORATORY que busca los siguientes objetivos :

17

1. Mejorar la calidad del aire del Valle de Sogamoso por medio de un control

y monitoreo continuo a largo plazo.

2. Ser un proyecto piloto y demostrar las ventajas de establecer proyectos

AQMS en pases en va de desarrollo.

3. Diseminar la experiencia y el conocimiento adquirido a otras regiones en

Latinoamrica y a otros pases en va de desarrollo para as promover

proyectos de igual magnitud.

4. Obtener nuevos conocimientos cientficos acerca de la contaminacin

atmosfrica y en especial de la atmsfera de la regin andina.

Las tres principales etapas del proyecto son las de medicin, informacin y

manejo. En la primera se medir la meteorologa y la calidad del aire de la regin

de una manera continua, y se har un inventario de todas las fuentes de

emisin. En la segunda, se informar a la poblacin acerca de la calidad del aire

de la regin, su estado actual y se intentar predecir el desarrollo de esta a

travs del tiempo. Esta informacin ser asequible a otros usuarios como

gobierno, industria y ONGs. La ltima etapa tiene como propsito mejorar la

calidad del aire. Para esto, se harn modelos matemticos que simulen la

meteorologa y la contaminacin de la regin.

El diagrama de flujo del proyecto Valle de Sogamoso AQMS se puede estudiar

en la figura 1-3.

18

Figura 1-3 - Diagrama de Flujo del Proyecto Sogamoso AQMS ( Jimnez, 1999)

Los requerimientos principales para lograr el xito del proyecto sern el de

entrenar al personal tcnico y cientfico para operar el AQMS, analizar el

problema de contaminacin y proponer posibles soluciones. Tambin se

generar una transferencia de tecnologa en cuanto a tecnologa de medicin,

19

simulacin y anlisis de datos se refiere, produciendo as un personal calificado

en la regin. El pblico en general y las NGOs tambin sern invitadas a

participar y a trabajar juntos para tomar decisiones y acuerdos para el beneficio

comn.

El Proyecto Sogamoso AQMS, financiado por el ICSC- World Laboratory, est

liderado por las siguientes instituciones:

1. Ecole Polytechnique Fdrale de Lausanne (EPFL), Laboratorio de

Contaminacin Atmosfrica (LPAS)

2. Universidad de los Andes (UNIANDES)

3. Corporacin Autnoma Regional de Boyac (CORPOBOYACA)

4. Instituto de Hidrologa, Meteorologa y Estudios Ambientales

(IDEAM)Programa de Fisicoquimica Ambiental (PFQA).

20

2. Teora del Material Particulado

El trmino Contaminacin Atmosfrica se refiere a la presencia en el aire de

materias o formas de energa que impliquen riesgo, dao o molestia grave para

las personas o bienes de cualquier naturaleza. Las fuentes de estos

contaminantes pueden ser varias, destacndose los incendios forestales y

erupciones volcnicas, las actividades humanas en los procesos industriales, la

calefaccin y el trfico, entre otras. Las unidades ms comnmente utilizadas

para medir la contaminacin son el microgramo por metro cbico (g/m3) o el

nanogramo por metro cbico, las cuales relacionan la masa del contaminante

por unidad de volumen ( Ministerio de Obras pblicas, 1994).

Los parmetros meteorolgicos relacionados directamente con la contaminacin

atmosfrica son la velocidad del viento, la direccin del viento, la variacin de la

temperatura con la altura, y la altura de la capa de mezcla.

Hay varios tipos de contaminantes en la atmsfera. Entre los ms importantes,

se encuentran los Compuestos de Azufre, los xidos de Nitrgeno, los xidos

de Carbono, los Hidrocarburos, las Partculas Sedimentables, el Ozono, y las

Partculas en Suspensin Totales (PST). Las partculas en suspensin totales

(PST) son el contaminante relevante en este proyecto de investigacin.

21

2.1. Caractersticas Generales de las Partculas Totales en Suspensin

El PTS se refiere a las partculas slidas o liquidas con tamaos entre 0.002 y

20- 25m. Se originan por la erosin del suelo, de combustiones fsiles,

emisiones de gases naturales, erupciones volcnicas, incendios y por canteras,

minera y cementaras. No son notoriamente visibles y pueden permanecer en la

atmsfera por variados periodos de tiempo y acelerar reacciones qumicas,

produciendo as contaminantes secundarios.

En realidad, el material particulado es enormemente variado en cuanto a sus

caractersticas y formacin. Las definiciones de algunos trminos importantes se

encuentran en la Tabla 2-1.

Segn su dimetro, las partculas totales en suspensin se pueden dividir en

dos grupos: las finas con dimetros menores que 2.5 m y las gruesas con

dimetros mayores a 2.5 m. Las caractersticas entre estos dos tipos de

partculas son diferentes ya que se transforman de diferentes maneras, tienen

diferente composicin qumica y propiedades fsicas, diferentes propiedades

pticas y los mtodos utilizados para su muestreo y anlisis son diferentes.

22

Tabla 2-1 - Definicin de los trminos que describen las partculas suspendidas

en el aire ( Wark, 1996 y CORPOBOYACA, 1998)

Partculas Cualquier material, excepto vapor de agua, que existe en estado slido o lquido en la

atmsfera o en una corriente de gas en condiciones normales.

Aerosol Una dispersin de partculas microscpicas, slidas o liquidas, en medio gaseoso.

Polvo Partculas slidas de un tamao mayor que el coloidal, capaces de permanecer en

suspensin temporal en el aire. Tienen dimetros entre 0.25 y 500m y son derivadas de la desintegracin de material particulado de mayor tamao. Son generados por

actividades como el lijado, amoldado, quebrado, perforacin y maquinado de

materiales industriales.

Ceniza fina Partculas de ceniza finamente divididas arrastradas por gases de combustin. Las

partculas pueden contener combustible no quemado.

Niebla Aerosol visible, lquidos atomizados y/o condensados en suspensin con dimetros

inferiores a 2m. Se originan de las actividades tales como el roseado, el plateado o labores de mezcla o limpieza

Vapores Partculas formadas por condensacin, sublimacin y/o reaccin qumica,

predominantemente mayores de 1 m (humo o tabaco).

Neblina Dispersin de pequeas gotas de lquido de suficiente tamao como para caer desde el

aire.

Partcula Masa discreta de materia slida o lquida.

Humo Partculas pequeas de menos de 2m de dimetro arrastradas por gases resultantes de la combustin. Surgen de la evaporacin a altas temperaturas de material que luego es

condensado formando partculas extremadamente pequeas. Son generados por

actividades industriales como la soldadura, el cortado y el fundido de materiales

slidos.

Holln soot Una aglomeracin de partculas carbonseas

A su vez, las partculas finas se pueden subdividir en dos rangos: el modo de

nucleacin y el de acumulacin. El modo de nucleacin consiste de partculas

cuyos dimetros varan entre los 0.005 y 0.1m y son formados por la

23

condensacin de vapores en procesos de combustin y tambin por la

nucleacin de lquidos atomizados y/o condensados en suspensin con

dimetros inferiores a 2m. El modo de nucleacin se origina comnmente de

especies presentes en la atmsfera. El modo vara entre los 0.1 y 1 m y tiene

su origen en la coagulacin de partculas originadas de vapores de

condensacin y tambin de partculas del modo de nucleacin.

Las partculas en el rango de 1 a 100m son atribuidas a procesos naturales

antropognicos. La distribucin de partculas por rea superficial, sus modos de

formacin y sus formas de remocin de la atmsfera se presentan en la Figura

2-1.

2.1.1. Caractersticas Qumicas

Con respecto a su composicin qumica, el material fino se compone de SO2-4,

NH+4, NO+3, Pb y carbono (C) en forma de holln y material orgnico

condensado. Tambin se encuentran cantidades significativas de substancias

altamente txicas, tales como compuestos aromticos polinucleares (PAH), As,

Se, Cd y Zn. El material grueso consiste principalmente de Fe, Ca y Si. (Seinfeld,

1986). Una representacin grafica de la composicin qumica se muestra en la

Figura 2-2.

24

Figura 2-1 esquemtica del rea superficial de un aerosol, fuentes de emisin

y mecanismos de remocin ( Seinfeld, 1986)

Figura 2-2 Representacin esquemtica de la distribucin de la composicin

qumica del material particulado ( Seinfeld, 1986)

25

2.1.2. Origen del material Particulado

Se pueden identificar cuatro grandes fuentes de material particulado de origen

antropognico:

1. Procesos Industriales y de Combustin Emisiones puntuales y de rea.

2. Procesos fugitivos (Industriales)- Proveniente del arrastre causado por el

viento de materiales almacenados, carreteras de plantas industriales sin

pavimentar, manejo de materiales industriales, su cargamento y

operaciones de transferencia de lugar.

3. Procesos fugitivos no Industriales - Proveniente de la erosin de

carreteras publicas sin o con pavimento, operaciones agrcolas,

construccin, y quemas intencionadas, controladas o no.

4. Transporte Proveniente del exhosto de los vehculos y del desgaste de

frenos, embragues, llantas, etc. (Seinfield, 1986)

Dependiendo de donde provengan las partculas, su tamao vara, y se debe

tener en cuenta en qu condiciones son producidas y a partir de qu materiales.

Algunas fuentes y los rangos de tamao resultantes se presentan en la Figura

2-2.

26

Figura 2-2 Material Particulado: Origen, clasificacin y tamao de partcula (

Wark et al, 1996 )

27

2.1.3. Efectos Nocivos generados por el Material Particulado

La presencia de los altos niveles de material particulado en la atmsfera pueden

tener graves consecuencias directas o indirectas sobre el ser humano. A

continuacin son descritos los principales efectos.

2.1.3.1. Efectos en la Salud Humana

Los resultados inmediatos a una exposicin a los contaminantes atmosfricos

son la irritacin de los ojos, piel, garganta y del sistema nasofaringeo,

presentndose efectos agudos o crnicos ( Montealegre, 1993).

Las partculas al ser inhaladas viajan en direccin a los pulmones si las defensas

del sistema respiratorio lo permiten. Dependiendo del tamao de las partculas,

la capacidad de dao al sistema respiratorio vara. Las partculas mayores a

15m se retienen en las vellosidades de la nariz y pueden ser expulsados, entre

15 y 10 m pueden ingresar a la traquea y las que varan entre 10 y 6 m

pueden ingresar al esfago. Las menores de 5m logran alcanzar los bronquios,

y an ms peligrosamente los alvolos, produciendo la enfermedad conocida

como pneucomoniosis (CORPOBOYACA, 1998).

En la Figura 2-3 se observa las fracciones de deposicin en la regin alveolar y

la traqueo-bronquial para aerosoles monodispersos en funcin del dimetro de

las partculas para un adulto saludable. Las curvas varan segn sean

28

fumadores o no y segn su edad. Los factores de deposicin se incrementan

para fumadores (0.16), fumadores con enfermedades respiratorias (0.21),

asmticos (0.28) y personas con enfermedades relacionadas con la obstruccin

de las vas respiratorias ( Shneider, 1998).

Las partculas ms pequeas pueden depositarse en los pulmones y a su vez

arrastrar sustancias txicas y metales irritando los tejidos y produciendo

afecciones respiratorias como la fibrosis de la cobertura pulmonar y resultando

en enfermedades importantes como la silicosis, la asbestosis o el cncer

pulmonar.

Figura 2-3 Deposicin de partculas en el sistema respiratorio ( Schneider,

1998)

La exposicin a material particulado tambin genera bronquitis crnica,

disminucin de la funcin respiratoria, incremento de los ataques de asma y est

29

estrechamente relacionado con el incremento en las tasas de mortalidad (

Seinfeld, 1986)

2.1.3.2. Efectos en la salud de los animales

Aunque no se tiene mucha informacin al respecto, se ha comprobado por

ejemplo que el ganado que pastorea cerca de industrias de aluminio o ladrillo

desarrolla fluorosis, la cojera y la rigidez de las articulaciones y es bajo en la

produccin de leche (Dix, 1981).

2.1.3.3. Efectos en las Plantas

Al depositarse el polvo y el holln en las hojas de las plantas se bloquean los

poros de stas, restringiendo la absorcin de CO2 y el paso de la luz. Esto

reduce el proceso de fotosntesis y aumenta la prdida de agua por

transpiracin. Tambin se presentan daos directos debidos a cambios en el PH

de las clulas. Dichos efectos alteran el proceso de crecimiento de la planta y

por tanto reducen el valor de las cosechas y el rendimiento agrcola de una

regin.

En la localidad de Leeds (Inglaterra) se han observado reducciones en el

crecimiento de las cosechas de rbanos y hortalizas en zonas de alta

contaminacin en comparacin con zonas de baja contaminacin (Dix, 1981).

30

2.1.3.4. Efectos sobre el clima

La contaminacin atmosfrica tiene variados efectos sobre los centros urbanos

ya que en ellos se manifiestan cambios en la micrometeorologa que pueden

alterar el ciclo hidrolgico y meteorolgico de una localidad.

Un gran nmero de partculas en suspensin puede incrementar la turbidez de

la atmsfera y por ende, reducir la cantidad de radiacin solar que llega a la

superficie. Las partculas absorben y reflejan la radiacin solar generando hasta

una reduccin de hasta el 15-20% en zonas contaminadas ( Ross, 1974) como

se muestra en los datos de la Tabla 2-2 para diferentes concentraciones de

aerosol en la atmsfera. El material particulado tiene un efecto ms acentuado

en la reduccin de la radiacin solar en los rangos ultravioleta que en los rangos

infrarrojas.

Tabla 2-2 - Relacin aproximada entre concentraciones atmosfricas de aerosol

y niveles de radiacin solar relativos. ( Ross, 1974 )

De igual forma, las partculas actan como ncleos de condensacin al estar

suspendidos en la atmsfera, lo que juntado con el incremento de emisiones de

Concentracin Radiacin solar % del valor para 100 g/m3 de aerosol Total% Ultravioleta

g/m 3

50 105 104 100 100 100 200 95 92 400 90 77

31

vapor, puede aumentar la cantidad de nubes sobre la localidad hasta en un

10%, incrementando as en un 10% la precipitacin pluvial al igual que la niebla

y la neblina. (Dix, 1981).

La visibilidad es otro factor que disminuye al presentarse la contaminacin de

partculas suspendidas.

Los materiales y las estructuras son averiados o corrodas por las partculas que

se depositan sobre ellas. La limpieza constante de los elementos urbanos

tambin puede elevar los costos de mantenimiento.

2.1.4. Distribuciones de Tamao de Partculas

El material particulado puede ser monodisperso o polidisperso. El primer

termino hace referencia a muestras con partculas de tamao muy similar y el

segundo a muestras que presentan una distribucin de tamaos. En la realidad

se presentan en su mayora aerosoles polidispersos, pero los monodispersos se

producen convencionalmente con fines de calibracin y experimentacin.

Para representar una distribucin de partculas expresada generalmente como

n(DP) donde Dp es el dimetro de la partcula, se necesita una funcin de

distribucin que slamente sea definida para Dp>=0 , que sea cero para Dp =0

y que se aproxime a cero cuando Dp inf. ( no pueden existir partculas con

dimetro infinito). Experimentalmente se ha encontrado que la distribucin ms

32

conveniente para describir distribuciones de partculas es una distribucin log-

normal. Esta distribucin se representa en la ecuacin 2-12,

=

g

pgp

gpp

DDDNDn

2

2

2/1 ln2)ln(ln

expln)2(

)( (2-1)

donde N es el numero total de concentracin de partculas, g es la desviacin

estndar- geomtrica expresada por la ecuacin 2-2, y Dpg es el dimetro

promedio geomtrico para el cual la mitad de las partculas son mayores y la otra

mitad menores. D84.13 es el dimetro al que ocurre por debajo el 84.13% de las

partculas.

=

pg

g

D

D 13.84 (2-2)

Estas distribuciones se suelen representar como una distribucin acumulada en

funcin del logaritmo de dimetro de partcula. La figura 2-4 muestra una

distribucin tpica de nmero, volumen y rea superficial de partcula. La

pendiente de las lneas depende de g, en otras palabras de la forma y

densidad de las partculas. La desviacin estndar relativa (dada por la ecuacin

5) determina qu tan polidispersa es la muestra de partculas. Un parmetro ms

simple es el siguiente coeficiente de variacin .

=

pg

g

D

(2-3)

2 La demostracin para llegar a esta ecuacin para la distribucin log- normal comienza con la distribucin Gaussiana, y se puede estudiar en detalle en (Seinfield, 1986).

33

Para valores de

34

Con el fin de analizar en ms detalle las distribuciones de nmero, volumen y

superficie de las partculas se suelen utilizar grficas abcisas tales como log D (

m), y funciones en las ordenadas tales como m/logD, S/logD y V/logD. En

la figura 2-6, se muestran estas distribuciones para una muestra de aerosol

urbano tpico. Las funciones varan para los diferentes tamaos de partculas

demostrando as que los aerosoles atmosfricos se distribuyen en grupos

especficos con diferentes orgenes y propiedades ( Van den Bergh et al ,1999).

Esta representacin permite constatar que la mayora de las muestras de

material particulado urbano tiene distribuciones bimodales, lo que significa que

en la misma muestra se encuentran dos o mas distribuciones y/o dos o ms

tipos de materiales con diferentes distribuciones ( Hesketh, 1986). Ver figura 2-6.

Un ejemplo de inters en el caso del Valle de Sogamoso es la distribucin

bimodal para ceniza volante emitida por un stoker boiler a base de carbn.

Las partculas ms grandes son polvo de carbn y la mas pequeas ceniza (

ver Figura 2-7). Las dos pendientes indican los dos modos existentes.

2.1.5. Asentamiento y Remocin del material particulado de la

atmsfera

Los aerosoles son removidos de la atmsfera por procesos secos y hmedos.

Para partculas Dp

35

tamao de la partcula aumenta. Las del rango 0.1 < Dp1 se asientan

por gravedad. Este proceso se vuelve menos eficiente a medida que el dimetro

disminuye ( Heintzemberg et al, 2000).

Figura 2-6- Distribuciones de nmero, superficie y volumen de un aerosol urbano

tpico ( Van den Bergh et al, 1999 ).

36

Figura 2-7 Tamao aerodinmico de la ceniza volante proveniente de un

stoker boiler ( Hesketh, 1986)

Las velocidades de asentamiento (asumiendo partculas esfricas, flujo laminar y

densidad de la partcula mucho mayor que la del aire atmosfrico) se pueden

calcular a partir de un balance de fuerzas, que conduce a la Ecuacin 2-3,

donde g es la gravedad, Dp el dimetro de la partcula, p la densidad de la

partcula y g la viscosidad dinmica del aire.

g

ppgDVt

18

2

= (2-3)

37

Se estima que para partculas con densidad del agua a temperatura ambiente

(1g/cm3) la velocidad de asentamiento ser de 4*10-5 cm/s para 0.1 m y de

4*10-3 cm/s para 1 m ( Wark, 1996)

2.1.5.1. Depositacin de partculas de chimeneas

El mtodo ms comnmente utilizado para pronosticar la tasa de sedimentacin

de las partculas resultantes de las emisiones de chimeneas es una modificacin

de la ecuacin de Sutton, utilizada para las emisiones gaseosas de las

chimeneas ( Wark, 1996). Esta consiste en suponer una distribucin de tipo

gaussiano en la que no existe el fenmeno de reflexin presentado para los

gases y en la que el terreno acta como un atrapador de material particulado.

Las fuerzas sobre el fluido derivadas del movimiento atmosfrico y de la

gravedad tambin se deben tener en cuenta, lo que implica que la lnea central

de la pluma para material particulado se inclina con mayor prontitud que la de los

gases la cual es casi horizontal. La expresin utilizada para describir dicho

comportamiento es la ecuacin 2-4, donde C es la concentracin de partculas,

Qp la tasa de emisin de partculas para un tamao especfico de partcula, y y

z las desviaciones normales que a su vez son funciones de las coordenadas

espaciales y de la estabilidad atmosfrica ( Ver grficos en el Apndice A), Vt la

velocidad de asentamiento, u la velocidad del viento, y H la sumatoria de la

altura de la chimenea h y la elevacin de la pluma H ( Ver Figura 2-8). La

altura efectiva H se calcula con la Ecuacin de Briggs ( Ec. 2-5) donde x es la

38

distancia desde la fuente, d el dimetro de la chimenea, Vs la velocidad de la

pluma, Ts la temperatura absoluta del contaminante, Ta la temperatura absoluta

del aire y g la gravedad.

+

=

22 (

21exp

2 z

t

yzy

uxVHzy

uQpC

(2-4)

ux

TTTVsdgH

s

as3

231

2

46.1

= (2-5)

Para determinar la concentracin a nivel del suelo a lo largo de la lnea en la

direccin del viento, la ecuacin 2-4 se reduce a la ecuacin 2-6.

=

2

21exp

2),0,0,(

z

t

zy

p uxVH

uQ

HxC

(2-6)

Figura 2-8 - Altura efectiva de una chimenea ( Wark, 1994)

39

3. Generacin de material particulado en la combustin del carbn

La combustin se define como el proceso de oxidacin de un estado gaseoso

en condiciones rpidas y de altas temperaturas ( Bethea, 1978). Para que sta

sea efectiva, el combustible deber estar en contacto directo con el Oxigeno a

alta temperatura y por un periodo de tiempo suficiente. En general, el propsito

es la produccin de calor, lo que idealmente debiera conducir a la produccin de

CO2 y H2O nicamente ( ver ecuaciones 3-1 y 3-2).

( ) OmHnCOOnmHCCOOC

mn 222

22

2444 +++

+ (3-1) y (3-2)

Si las reacciones en cadena se ven interrumpidas o si localmente no hay

suficiente Oxgeno, se generarn productos intermedios de oxidacin ( en

general nocivos). Este proceso se denomina combustin incompleta o pirlisis.

El hecho de que la combustin sea completa depende del tiempo de residencia y

de la distribucin de temperatura y Oxgeno. La combustin debera idealmente

producirse a temperaturas superiores a 816oC ya que de esta manera se

destruyen todos los vapores orgnicos y aerosoles ( Bethea, 1978).

40

En comparacin a otros procesos de combustin se puede decir que la

combustin del carbn es una de las ms complejas y por tanto una de las que

ms contaminantes genera.

Para entender la combustin del carbn, se puede tomar como modelo la

combustin de una partcula aislada de este combustible. A medida que las

partculas se calientan por radiacin, o conveccin (la fraccin voltil de la

gasificacin), su parte voltil comienza a evaporarse. Los productos iniciales de

la gasificacin contienen carbono e hidrgeno en parte debido a la ruptura de

enlaces aromticos en el carbn. La fraccin voltil puede a su vez reaccionar

con el Oxgeno disponible. Adicionalmente, durante el proceso de gasificacin

(distillation), se generan compuestos intermedios provenientes de especies

orgnicas e inorgnicas de sulfuro. Finalmente, una porcin del material mineral

del carbn se vaporiza para luego condensarse y formar partculas inferiores a 1

m. Al final de la gasificacin, el material carbonseo se quema completamente

si se presentan las condiciones adecuadas para la combustin completa

(Seinfeld, 1985). Un diagrama esquemtico del proceso anteriormente descrito

se presenta en la figura 3-1.

El material no combustible del carbn genera ceniza y sus propiedades

dependen de la composicin original del material y de las condiciones de

combustin. La cantidad de gases y material particulado emitido aumentar a

medida que la combustin sea ms incompleta. La cantidad de humo ( partculas

41

en suspensin) emitido por una fuente es un buen indicador de que tan completo

es el proceso de combustin. Emisiones de humo muy notorias significan que

la combustin ha sido incompleta (Hesketh, 1979) A medida que se aumenta la

temperatura, la produccin de material particulado y holln disminuye, como se

muestra en la figura 3-2. Se ha encontrado tambin que las emisiones de

material particulado en procesos de combustin estn estrechamente ligadas al

porcentaje de azufre en el combustible ( Bethea, 1978)

Figura 3-1 Diagrama esquemtico de la combustin del carbn ( Stern, 1984)

3.1. Material Particulado generado por los procesos de combustin.

Segn el tamao de partcula y composicin, los procesos de combustin

pueden producir los siguientes tipos de partculas:

42

1. Partculas entre 0.1 y 1 m que se generan por la vaporizacin de

materiales que se condensan posteriormente.

2. Partculas por debajo de aproximadamente 0.1 m que consisten en

cmulos moleculares inestables de corta duracin producidas por

diferentes reacciones qumicas.

3. Cenizas y partculas de 1 m o mayores liberadas por los procesos

mecnicos.

4. Cenizas muy finas que se escapan al intervenir aspersiones de

combustibles lquidos.

5. Holln producido por la combustin parcial de combustibles fsiles (

Wark, 1996)

En general, para el estudio de la emisin de material particulado por la

combustin del carbn se puede subdividir el material en dos fuentes principales:

el holln ( soot) y la ceniza volante ( fly ash).

3.1.1. Holln

Esquemticamente se puede decir que estas partculas carbonceas se

componen de un ncleo de carbono negro ( black carbon o BC 3) cubierto de

Material Orgnico Particulado (POM) condensado. Es importante aclarar que

3 El termino black carbon es difcil de definir. . En este trabajo se trabajar asumiendo la definicin de Hansen (1991)

43

los dos tipos pueden aparecer de sustancias entremezcladas anteriormente (

Heintzenberg et al, 2000).

Figura 3-2 Emisiones de la combustin en funcin de las temperaturas pico de

combustin ( Stern et al, 1984)

3.1.1.1. Carbono negro (BC)

El carbn negro consiste de partculas primarias carbonaceas de dimetro

inferior a 0.2m cuya estructura se asemeja a la del grafito siendo asociadas

con enlaces C-O. El BC es generado en la llama de combustin por procesos

extremadamente complejos ( Heintzenberg et al, 2000). Es la nica especie de

44

aerosol opticamente absorbente, es insoluble en solventes polares y no-polares

y estable en atmsferas de Oxgeno puro hasta una temperatura de 350oC.

Tambin posee propiedades de microcristalinidad, y muestra las lneas

espectrales Raman, caractersticas del grafito (Hansen, 1991)

3.1.1.2. Material Orgnico Particulado (POM)

Los POM se suelen catalogar en los siguientes grupos:

1. Hidrocarburos: Alcanos, alquinos y grupos aromticos asociados a

cadenas alifticas en el rango de C17-C37 .

2. Hidrocarburos Aromticos Poli cclicos (PAH): Algunos son compuestos

cancergenos confirmados. De las 15 clases de PAH que existen, hasta

12 se pueden encontrar en el holln o gases de combustin del carbn.

(www.ntp-server.niehs.nih.gov). Algunas investigaciones aseguran que los

niveles de PAH y BC estn estrechamente relacionados. Un estudio se

hizo en Suecia donde se recolectaron muestras de estos dos

contaminantes en el mes de Febrero. La tabla 3-1 muestra estos

resultados para probar dicha correlacin.

3. Hidrocarburos Oxidados: cidos, aldehdos, cetones, quinonas, fenoles, y

esteres, al igual que los poco estables epoxidos y perxidos. Se producen

directamente en la combustin o en relativamente lentos procesos de

oxidacin atmosfrica.

45

4. Compuestos Organo- nitrogenados: aza-arenos y otros.

5. Compuestos Organo- azufrados: compuestos de azufre heterocclicos

tales como el benzotasol (Goldberg, 1985).

Tabla 3-1- Concentraciones de PAH y BC como resultado de un estudio de la

correlacin entre los dos contaminantes ( Goldberg, 1985)

Los POM son generados en combustin incompleta. Cuando las especies

voltiles alcanzan una concentracin len su fase gaseosa que excede su

concentracin de equilibrio ( determinada por la presin de vapor), se genera

una fuerza de origen termodinmico que produce un ncleo de condensacin.

Dichos ncleos crecen por procesos de condensacin y coagulacin hasta llegar

a un dimetro donde la condensacin disminuye ( Heintzenberg et al, 2000).

La formacin de partculas secundarias de la combustin tambin proviene de la

conversin gas- partcula de gases liberados en los procesos de combustin

tales como SO2, NOX y NH3, los cuales forman correspondientemente SO42-,

NO3- y NH4+ ( Van den Bergh et al, 1999). Es importante aclarar que los POM y

los compuestos arriba mencionados pueden formar Aerosoles Orgnicos

Secundarios (SOA) en la atmsfera debido a complejas reacciones qumicas en

Febrero 1977 Black Carbon (g/m3) PAH (ng/m3)3 a 4 41.3 92.45 a 7 14.5 14.39 a 10 6.3 6.74 a 16 12.7 7.69 a 21 11.2 23.44 a 26 8.8 8.2

46

la tropsfera las cuales involucran los principales agentes oxidantes de la

atmsfera ( NO3 ,OH y O3). Para un estudio detallado sobre las partculas

secundarias referirse a ( Heintzenberg et al, 2000).

El holln se genera entonces a partir de ncleos de partculas de 5 a 20 nm de

dimetro compuestos de material carbonaseo parcialmente oxidado, a veces

mezclado con xidos metlicos. Estas partculas se coagulan rpidamente

formando agregados de forma fractal, que a su vez se transforman en

estructuras mas compactas de dimetros de algunas decenas de nanmetros

bajo la influencia de las fuerzas capilares de vapores que se estn condensando

en el momento ( Ver Figura 2-1). Tambin se pueden encontrar cantidades

significativas de azufre en la superficie del holln.

La razn BC/POM depende de factores tales como la temperatura, la fuente y el

proceso de combustin. Paradjicamente, las combustiones ms eficientes

producen razones ms altas. Para partculas que consisten principalmente de

grafito se pueden esperar densidades de 2.25g/cm3. Si la fraccin orgnica es la

predominante, los vacos dentro de la partcula aumentan reduciendo la

densidad al rango de 0.625-1.5g/cm3 (Heintzenberg et al, 2000).

La morfologa de las partculas carbonaceas de mayor tamao (>20m) emitidas

por la combustin del carbn varia dependiendo de la fuente. Pueden ser

esfricas, o prismticas y su superficie tambin puede tener varias

47

caractersticas. Las posibles combinaciones de superficie y forma para nuestro

estudio se encuentran en la figura 3-3.

3.1.2. Ceniza

El carbn generalmente tiene un porcentaje de material inorgnico mineral en su

composicin. En el proceso de combustin este se convierte en ceniza. La

ceniza consiste principalmente de aluminosilicatos con una capa superficial de

sulfatos y generalmente se presenta en el rango de partculas gruesas. Su

composicin qumica tpica para el caso de la combustin del carbn se

presenta en la figura 3-4.

Figura 3-3 Clasificacin de las partculas carbonaceas por su textura superficial

y forma ( Goldberg, 1985)

48

Figura 3-4- Composicin qumica de la ceniza producida por la combustin del

carbn ( Heintzenberg et al, 2000)

Compocision quimica de la ceniza

Al12%

Si22%

O42%

Fe6%

P, Si, K, Ca, Ti, N, Mg

18%

49

4. Procesos de fabricacin de ladrillo y cal

Las principales fuentes de emisin en la regin se encuentran principalmente en

la produccin de ladrillo y cal.

4.1. Proceso de Fabricacin del Ladrillo

La materia prima para la elaboracin de un ladrillo es la arcilla. Esta es un

producto de la erosin a escala geolgica generada por el agua sobre rocas y

minerales. La arcilla est constituida por xidos de elementos qumicos tales

como Al, Fe, Mg y Si, al igual que de otros compuestos secundarios de Al y Si,

que al estar expuestos a altas temperaturas ( =>900 oC) empiezan a fundirse. La

fundicin aglomera las partculas de xidos metlicos y el producto fundido se

vuelve vtreo al enfriarse, dndole resistencia mecnica al ladrillo. Este proceso

se conoce como vitrefaccin (Thomas, 1990).

El proceso utilizado en el Valle de Sogamoso de fabricacin del ladrillo es

bastante tradicional y se puede describir en los siguientes pasos4:

1. Los bloques de ladrillo son preparados a base de arcilla, y debidamente

moldeados.

4 El proceso descrito es para la coccin en un horno de Llama Dormida, en el Horno de llama invertida el proceso es distinto.

50

2. El horno utilizado para la coccin se llena con carbn a travs de una

boquilla de encendido ( parte inferior del horno) de tal forma que la llama

alcance la capa superior ms prxima del ladrillo.

3. Los ladrillos se depositan en capas horizontales entre capas de carbn

de no ms de 3 cm para lograr un quemado uniforme del ladrillo.

4. Cuando la ltima capa es acomodada, empieza el periodo de coccin.

El ladrillo es quemado durante un tiempo efectivo de 72 h, aunque puede

durar entre 9 y 12 das en el horno.

5. Se retiran los bloques cocidos del horno y se dejan reposar por tiempos

de hasta un mes. ( Mario et al, 2000)

En el Valle de Sogamoso se utilizan actualmente dos tipos de hornos para la

coccin del ladrillo, el Horno de Llama Dormida y el de Llama Invertida.

4.1.1. Horno de Llama Dormida

Es el horno ms comnmente utilizado y el ms tradicional de la zona. Son

hornos de construccin simple donde se ejerce la coccin del ladrillo. Se

encuentran semienterrados y son construidas a base de piedra y recubiertos

con ladrillo. Una foto de un horno tpico se presenta en la Figura 4-1. Consta de

una bveda semicircular donde se amontonan los ladrillos en capas para as

dejar vacos que ayudan a la ventilacin y a la evacuacin de los gases de

combustin. La capacidad o lote de este tipo de horno es de 7000 a 17000

51

ladrillos ( Mario et al, 2000). Se inician por la parte inferior de la estructura y el

calor se propaga de manera ascendente hasta alcanzar la parte superior del

horno ( CORPOBOYACA, 1999)

Figura 4-1 - Horno de Llama Dormida

Las ventajas y desventajas de este tipo de horno se presentan en la Tabla 4-1.

Tabla 4-1- Ventajas y Desventajas del horno de llama Dormida ( Mario et al,

2000)

VENTAJAS DESVENTAJAS

-De fcil construccin y no se necesitan grandes

extensiones de terreno.

-Bajo nivel de inversin.

-Permite un trabajo de tipo familiar.

-Conocimiento tradicional sobre su operacin.

-Alto consumo de combustibles.

Ineficiencia de la quema y bajo aprovechamiento

del calor.

-No-homogeneidad de la temperatura.

-Alta emisin de contaminantes.

-Baja produccin y control de operacin.

-Ciclos intermitentes y ms lentos de coccin.

52

4.1.2. Horno de Llama invertida

Este tipo de horno presenta ventajas en tecnologa y eficiencia en comparacin

al de llama Dormida. Consiste bsicamente de una cmara circular o rectangular

construida de ladrillo comn adems de una chimenea de evacuacin, una

puerta de cargue ( para introducir el carbn) y 2 a 5 quemadores que se

distribuyen en el espacio del horno. La llama de coccin asciende a travs de las

paredes del horno hasta el techo de este, por lo cual el piso interno se

encuentra debidamente perforado. La capacidad de este horno es de 35000 a

40000 ladrillos ( Mario et al, 2000). La apariencia de este tipo de horno se

muestra en la 4-2. Sus ventajas y desventajas se encuentran en la Tabla 4-2.

Figura 4-2 -Horno de Llama Invertida

53

Tabla 4-2 - Ventajas y Desventajas del horno de llama Invertida ( Mario et al,

2000)

VENTAJAS DESVENTAJAS

-Altas temperaturas de coccin

-Ciclos rpidos de coccin con menor

contaminacin ambiental

-Permite el control de temperatura atmosfrica del

horno.

-El combustible y sus residuos no estn en contacto

inmediato con el producto. Permite utilizar los gases

de combustin y el aire caliente en otros procesos.

-Presenta algunas dificultades en el manejo y

enfriamiento.

-Elevados costos de mantenimiento.

-Problemas de rotura por choques trmicos.

-Dificultad en el cargue y descargue del material.

-Su operacin es intermitente

4.2. Proceso de Fabricacin de la cal

La cal ( CaO) es un producto generado por la calcinacin de la piedra caliza. Su

produccin ocurre en hornos de carbn donde se alcanzan temperaturas de

hasta 900 o C que separan el CO2 de la cal producida. La reaccin qumica para

este proceso es la Ecuacin 4-1. La piedra caliza contiene entre 97% y 98% de

carbonato de calcio ( CaCO3 .) y el resto es carbonato de Magnesio, xido de

Aluminio, xido de Hierro y Silicio ( EIONET, 2000)

23 COCaOCaCO + (4-1)

Las caleras son reconocidas por su alto impacto ambiental evidente a simple

vista como lo muestra la figura 4-3, ya que el nivel de emisin de partculas,

54

humo y polvo es bastante alto. La capacidad de cargue de un horno es de 33ton

de piedra caliza.

El proceso de produccin de cal es el siguiente:

1. La piedra caliza se saca de canteras en forma de escalones. El mtodo

ms comn es el de voladura con dinamita, haciendo perforaciones en la

roca que luego son llenadas con material explosivo.

2. La caliza es luego triturada en molinos.

3. La coccin de la caliza se hace en hornos de llama dormida. El periodo de

quema dura 7 das. ( CORPOBOYACA, 1999)

4.3. Localizacin de emisiones puntuales de material particulado de la

pequea y mediana industria ( Mario et al, 2000)

La industria artesanal en el Valle de Sogamoso est bastante extendida. En casi

todos los municipios del Valle se presenta actividad artesanal.

En Tunja existen aproximadamente 130 hornos para la produccin de ladrillo, en

su mayora ubicados en zona rural. Se usan varios tipos de horno como el de

fuego dormido y el de tipo colmena.

55

Figura 4-3 - Caleras en el municipio de Nobsa.

El municipio de Samac se dedica primordialmente a la produccin de coque

utilizando como base el carbn bituminoso explotado en la misma regin. Se

producen alrededor de 3-5 ton de coque por horno y se usan entre 3-5 de carbn

por horno.

En el municipio de Nobsa, la produccin de cal est bastante extendida,

contando con 173 hornos, cada uno produciendo alrededor de 20-25 Ton por

jornada, y utilizando a su vez 6-8 ton de carbn.

En Sogamoso es donde se encuentra la mayor produccin de ladrillo de la

regin. En la actualidad estn en funcionamiento 605 hornos ubicados en la

zona urbana y rural. Se est adelantando un proyecto para relocalizar los hornos

56

existentes en el permetro urbano. Se producen entre 8000-15000 ladrillos por

jornada y se utilizan de 5 a 7 ton de carbn ( Mario et al, 2000).

4.4. Caractersticas del carbn usado en los procesos artesanales de la

regin.

El carbn es la principal fuente de generacin de energa para la industria

artesanal del Valle de Sogamoso. La madera tambin es utilizada pero slo para

los condiciones de inicio ( primera quema) de los chircales. El carbn que se

extrae de la regin tiene buenas caractersticas debido a sus excelentes

propiedades trmicas y bajos contenidos de cenizas y azufre. El Instituto de

Recursos Mineros y Energticos (IRME) y Mineracol estudiaron varias muestras

de carbn provenientes de yacimientos carbonferos de la regin. Los resultados

se encuentran en la Tabla 4-3. Los principales yacimientos de carbn utilizados

en la produccin del ladrillo y la cal se encuentran en los municipios de Mongua,

Gameza, Topaga, y la vereda de Morca.

Asumiendo que todo el Azufre es convertido a SO2 ( Ver ecuacin 4-2), se

pueden estimar que las cantidades emitidas de SO2 por kg de carbn quemado

varan entre 1.4 y 13 g SO2/kg Carbn.

22 SOOS + (4-2)

57

Desafortunadamente, la buena calidad del carbn no es debidamente explotada

dado el bajo rendimiento de los procesos artesanales, que tiene su origen en la

mala estructura de los hornos, las altas perdidas de calor, la mezcla de

diferentes calidades y tamaos de carbn utilizadas para la quema y la alta

emisin de contaminantes tales como el material particulado.

Tabla 4-3 - Resultados del Anlisis Fsico- qumico del carbn de la regin de

Sogamoso ( Mario et al, 2000).

Mpo. Socota Vda. Morca Mpo. Samaca Mpo. Topaga Mpo. Mongua

(Mina Rucu) (Mina el Guiche) ( Mina el Abejn) ( Mina. Q. Seca) (Mina Bellavista) Mayo/93 Abril/94 Junio/97 Junio/97 Octubre/96

Poder calorfico 7189 7119 7260 7567 7228

(Kcal/kg)

Humedad (%) 0.89 2.4 1.02 2.09 0.86

Material Volatil (%) 19.81 43.37 28.91 35.01 34.5

Cenizas (%) 15.37 10.31 15.3 6.38 12.57

Azufre (%) 0.71 0.89 0.94 1.41 6.49

Hinchamiento (%) 3.5-7.5 1.5 6.5 2.0-4.0 1.5

Carbn Fijo (%) 63.93 43.92 54.77 56.52 51.61

A nivel nacional, est comprobado que las emisiones de contaminantes

generados por la quema de carbn a nivel industrial representan el 67% de todo

el material particulado generado. Este porcentaje alcanza el 83% cuando se

incluye el sector elctrico. El porcentaje para los dems gases contaminantes

tambin es considerablemente alto, como lo muestran las estimaciones de la

tabla 4-4.

58

El consumo de carbn en el sector ladrillero del Valle de Sogamoso se estima en

33600 toneladas de carbn anual y involucra directamente a 120 familias

mineras y otro gran nmero indirectamente ( Mario et al, 2000). Esta actividad

es la principal fuente de subsistencia para estas familias, por lo tanto los

mecanismos de control de contaminacin deben ser cuidadosamente estudiados

en el contexto social y econmico.

Tabla 4-4 - Emisin de Contaminantes por Consumo de Combustibles en Ton /

ano de 1991 ( Snchez, 1994)

Fuente de Partculas SO2 Nox CO HC contaminante Sector Elctrico Carbn 57378 65161 32098 2840 850 ACPM 109 2639 1093 54 12 Fuel oil 39 526 218 11 2 Otros derivados 24 332 138 7 1 Gas Natural 102 456 3010 839 305 Refineras Fuel Oil 624 8376 3472 174 324 Otros derivados 28045 1373 569 29 6 Gas Natural 56 280 1229 1229 125 Industria Carbn 242965 275922 157567 24056 6312 ACPM 525 12788 5299 263 50 Fuel Oil 212 5422 2247 113 21 Otros derivados 2249 31187 7694 646 124 Gas Natural 50 248 1639 457 166 Bagazo 25666 3793 12663 12633 20213 Lena 630 96 630 1890 2205 Total 358677 408569 229536 44355 28016

59

4.5. El coque como alternativa de combustible para la pequea industria

El coque es un combustible generado despus de someter el carbn a altas

temperaturas (1000oC) en una atmsfera poco oxigenada, donde es liberado de

la humedad y del material voltil. El resultado es un combustible libre de

impurezas y de alta calidad ( CORPOBOYACA, 1998). El proceso de

produccin del coque empieza por el calentamiento por llama del carbn en

hornos especiales, donde entre los 375oC y los 475 oC, el carbn se

descompone formando capas plsticas. Entre los 475 oC y los 600 oC, se

comienzan a generar las cenizas y los hidrocarburos aromticos, seguido de

una resolidificacion de la masa plstica para convertirse en semi-coque. Desde

los 600 oC a los 1000 oC, la fase de estabilizacin del coque comienza, la masa

se contrae, y la estructura del coque y el Hidrgeno empieza a evolucionar. De

esta forma se termina de carbonizar la masa plstica generando finalmente el

coque ( Hardarshan, 2000).

Segn los estudios adelantados por Corpoboyaca, el coque parece ser una

buena opcin para reemplazar el carbn bituminoso en las industria ladrillera y

calera ya que reduce las emisiones de material particulado, minimiza los tiempos

de coccin de la cal y mejora su calidad, no aumenta los costos

significativamente y aumenta el volumen de ladrillos y cal producidos por

hornada. Los resultados de estos estudios se obtuvieron de una serie de

pruebas de quema utilizando como combustible el coque y se pueden observar

60

en las tablas 4-4 y 4-5 para los hornos de llama dormida de coccin de ladrillo al

igual que para los de coccin de cal.

Actualmente, slo el 30% de los hornos han adoptado la reconversin de

combustible ( ECOBOYACA, 2000). El factor que ha impedido la reconversin

masiva ha sido mas que todo el cultural. Las familias que subsisten de estas

industrias llevan mucho tiempo usando el carbn como combustible, y la

incertidumbre hacia las nuevas alternativas es difcil de digerir. Se espera que la

comunidad poco a poco se vaya familiarizando con la reconversin de

combustible aunque esto puede durar ms de lo previsto.

Tabla 4-4 Estudios de reconversin de combustible para los hornos del sector

ladrillero ( ECOBOYACA, 2000)

61

Tabla 4-5 Estudios de reconversin de combustible para los hornos del sector

calero ( ECOBOYACA, 2000)

CORPOBOYACA esta planeando sacar una resolucin con la cual se

reglamentar la operacin de los hornos de llama dormida en el Valle de

Sogamoso ( Mario et al, 2000).

De cualquier forma, es imprescindible estudiar el impacto ambiental de la

produccin de coque, dado que la conversin total a coque podra implicar a

escala regional , una redistribucin y no la disminucin de las emisiones.

62

5. Medicin del Material Particulado.

5.1. Variables y tcnicas de Medicin del Material Particulado.

Cuando se intenta hacer un anlisis del material particulado hay tres tipos de

informacin de inters: la concentracin msica, la distribucin de tamaos y la

composicin qumica. La concentracin total msica permite ejercer control

desde el punto de vista de salud pblica, la distribucin de tamaos permite

investigar el origen, transporte y remocin de partculas en la atmsfera y su

comportamiento al depositarse en el aparato respiratorio, y la composicin

qumica permite determinar los efectos del material particulado en los humanos,

la vegetacin y los materiales. El objetivo por tanto de un muestreo de material

particulado debiera permitir establecer estas tres caractersticas en funcin del

dimetro de partcula.

5.1.1. Concentracin de masa

Los principales mtodos para extraer las partculas del aire son los de filtracin e

impactacin. La filtracin consiste en recolectar las partculas en una superficie

de filtracin por interceptacin directa, impactacin inercial o por difusin. La

medicin de masa se determina midiendo el peso del filtro antes y despus de la

exposicin. El principio de difusin depende de las interacciones moleculares

63

de N2, O2 y otros gases contaminantes. Para mayor informacin referirse a Stern

et al (1984).

5.1.2. Distribucin de tamaos

Segn Sternetal (1984), un buen muestreo se logra clasificando las partculas

por su dimetro aerodinmico, movilidad elctrica o propiedades de absorcin y

dispersin de la luz. La tcnica mas comnmente utilizada es la del impactador

multi- etapa, donde en cada una de las etapas se usa un filtro que retiene

progresivamente partculas de menor tamao. Tambin, se puede medir la

movilidad elctrica para determinar la distribucin de partculas en el rango de

0.01 a 1m cargando las partculas unipolarmente y luego pasndolas por un

campo magntico. Otra posibilidad, es la de pasar la luz a travs de una muestra

de material particulado. Las partculas dispersarn la luz en ngulos que

dependen del tamao de partcula. La intensidad de la dispersin es medida por

un fotomultiplicador, es proporcional al nmero de partculas, y es una funcin

compleja del tamao de partcula .

Generalmente, las partculas se pueden clasificar segn el rango de tamaos

obtenido en el muestreo. Las principales categoras se muestran en la figura 5-1.

Los medidores de PM10 son los equipos que recogen los aerosoles menores a

10 m de dimetro, los PM2.5 aquellos menores a 2.5m, los medidores de

BC partculas menores a 0.2 m, y los TSP recolectan casi todo el rango de

64

partculas suspendidas ( menores a 40m). A continuacin, se explicarn

algunos de los equipos utilizados para medir material particulado en el proyecto

Sogamoso AQMS y relevantes para esta investigacin.

Figura 5-1- Diagrama idealizado de las porciones recolectadas de material

particulado por algunos analizadores de uso frecuente. (Shneider, 1998)

5.1.3. Composicin Qumica

De forma general, la investigacin de la composicin qumica del material

particulado se puede dividir en tres aspectos:

1. Composicin elemental

2. Composicin inica

65

3. Determinacin de familias de compuestos o compuestos especficos.

Dos formas que no destruyen la muestra para medir la composicin qumica son

el XRF ( X- ray Fluorescence Spectroscopy) y el NAA ( Neutron activation

anlisis). Para mayor informacin sobre estas tcnicas de medicin y otras de

masa y distribuciones consultar Van den Bergh et al (1999), Stern et al (1984) y

Bethea (1978).

5.2. Analizadores utilizados en el proyecto Sogamoso AQMS

5.2.1. Analizadores de Carbono Negro (BC)

El analizador ms utilizado para medir el BC es el Aetalmetro. Su objetivo es el

de medir la atenuacin de un rayo de luz a travs de un filtro, mientras este filtro

esta constantemente reteniendo material particulado. El diagrama esquemtico

de su funcionamiento se muestra en la figura 5-2. La medicin se hace en

intervalos regulares que pueden ser seleccionados por el usuario. El incremento

en la atenuacin ptica de un periodo al otro es debido al incremento del BC

recogido en la muestra de aire durante el intervalo de tiempo. Dividiendo este

incremento por el volumen de aire recolectado durante el periodo, y sabiendo la

atenuacin especfica dada por las combinaciones de filtro y ptica utilizadas, se

puede obtener la concentracin de BC (Hansen, 1991).

66

Figura 5-2- Diagrama esquemtico del Aetalmetro.

5.2.1.1. El Aetalmetro en el Proyecto Sogamoso AQMS.

Como objetivo de mi entrenamiento en el Proyecto Sogamoso AQMS, se me di

la oportunidad de poner en funcionamiento un analizador BC modelo

Aethalometer AE-9 ( Ver de nuevo Figura 5-3) que no se presentaba en servicio.

El proceso para ponerlo en funcionamiento fue el siguiente:

o Se revis el sistema elctrico y de continuidad de flujo.

o Se hizo un desmonte total del aparato.

o Se cambiaron los rodillos del mecanismo de avance del filtro ya que el

material original se encontraba roto.

67

o Se arregl el mecanismo de auto avance del filtro que se encontraba

daado.

o Se cambi el filtro original que era muy frgil por uno ms resistente.

o Se eliminaron las fugas de aire a travs de la tubera interna del aparato.

o Se arregl el mecanismo magntico de cerrado de la puerta delantera.

o Se evalu la eficacia del software original, el cual presentaba problemas.

En esta etapa se intentaron todas las posibilidades en las que software y

hardware funcionaran correctamente. Para poner un ejemplo, el

software no deja tomar mediciones en intervalos de 1 min, no permite

poner una hora de arranque especifica, etc.

o Se limpi el interior del analizador.

o Se cambi el reductor de sonido muffler de la bomba externa.

Solucionados estos inconvenientes, se procedi a hacer la calibracin del cero

medido por el Aetalmetro. En teora, este analizador no necesita de calibracin,

pero dado al largo tiempo en el que estuvo inutilizado se prefiri verificar la

consistencia de sus lecturas. Para hacer esta calibracin cero se utilizo aire

comprimido, silica gel para eliminar la humedad del aire de calibracin, un filtro

Purafil para remover gases que pueden alterar o daar las mediciones, un filtro

de 0.2m, un rotmetro para medir el flujo de aire, la bomba externa y el AE-9.

Un diagrama esquemtico de este montaje se muestra en la figura 5-4 y los

accesorios utilizados en la figura 5-5.

68

Figura 5-3 - Vista frontal del Aetalmetro AE-9 y bomba externa

Los primeros resultados fueron muy incongruentes debido a fugas de aire en la

tubera y a la ineficiente fuente de luz. Las lmparas utilizadas no eran

suficientemente estables lo que afectaba las mediciones en un rango de error de

hasta 2000ng/m3. Se encontr la bombilla adecuada y se obtuvieron unos

resultados excelentes esta vez para la calibracin cero, demostrando el buen

funcionamiento del aparato. Dichos resultados se presentan en la Figura 5-6.

Ntese la consistencia de los resultados y el bajo rango de oscilacin, el

promedio aritmtico fue de 3.6ng/m3, el RMS de 10 ng/m3 ,la desviacin

promedio de 19.0 ng/m3, un mximo de 128.9 ng/m3 y un mnimo de 148.5

ng/m3.

69

Figura 5-4- Diagrama esquemtico del montaje para la calibracin cero de un

Aetalmetro.

Figura 5-5 - Accesorios utilizados para la calibracin cero del Aetalmetro

70

Figura 5-6- Resultados obtenidos para la calibracin cero del Aetalmetro.

5.2.2. Analizadores de Hidrocarburos Aromticos Policclicos (PAH)

asociados a material particulado

Uno de los analizadores mas recomendados para la medicin de Hidrocarburos

Policclicos Aromticos es el Sensor Fotoelctrico de Aerosoles ( PAS). Este

recoge una muestra de aire ambiente y la pasa por un precipitador electrosttico

donde se libera de las partculas ionizadas generadas en los procesos de

combustin. Luego, el flujo neutro de aerosoles es introducido a travs de una

unidad fotoionizadora con luz UV de longitud de onda menor a 185nm. Las

partculas de carbn contaminadas con PAH son fotoionizadas con preferencia.

Las cargas negativas resultantes son drenadas hacia las paredes de la unidad

71

por un electrodo. Las cargas positivas restantes, menos dinmicas, logran pasar

luego por un electrmetro de aerosoles donde se separan y donde se mide su

carga, la cual es proporcional a la concentracin de PAH ( Gossen, 1991)

5.2.2.1. El PAS en el Proyecto Sogamoso AQMS.

El PAS 1000i de Gossen ( Ver Figura 5-7 ) fue otro analizador asignado como

parte del entrenamiento para el proyecto Sogamoso AQMS. El proceso para

ponerlo en operacin fue el siguiente:

o Se cheque el sistema elctrico y el de flujo de aire. En el elctrico, se

presentaron problemas pues no se mostraban los signos correctos de

funcionamiento. Con respecto al flujo, el rotmetro solo mostraba un flujo

de 1 l/min mientras la bomba interna deba aspirar 4l/min.

o Se limpi con aire seco filtrado durante 5 horas pero no surti efecto. Se

limpi el precipitador electrosttico subiendo el flujo a casi 2l/min.

o Se inspeccion el diodo de la unidad fotoionizadora, las conexiones del

precipitador, se midieron los voltajes pero no se encontr dao o signo de

mal funcionamiento.

o Se limpi todo el interior del aparato.

o Se hizo una prueba de emisin con un papel quemado demostrando que

el aparato a pesar de sus fallas elctricas, s se puede poner en

operacin.

72

Figura 5-7 - Foto del analizador de PAH (Goseen PAS1000i) utilizado en el

proyecto.

5.2.3. El PM10 en el proyecto Sogamoso AQMS

Como ya se mencion anteriormente, el PM10 comprende todo el material

particulado menor a 10 m. Para la medicin de material particulado,

CORPOBOYACA dispone de 7 Wedding High Volume Samplers PM10. El

principio de operacin de este analizador es muy simple. La muestra de aire

entra por un sistema que se compone de un filtro ciclnico omnidireccional de

fraccionamiento que permite la entrada de aerosoles en cualquier ngulo de

incidencia. La Figura 5-8 muestra como a las partculas entrantes, se les aplica

un mpetu angular por medio de rendijas bidimensionales. El aerosol sigue las

73

lneas de flujo del aire a travs del radio inferior, pasa las rendijas ya

mencionadas y entra al fraccionador ciclnico. La remocin de partculas

grandes (>10 m) se efecta en un tubo interno de recoleccin. El flujo entra

luego en un tubo intermedio donde la trayectoria del flujo se cambia hacia arriba.

Finalmente, el aire pasa se somete a otro cambio de direccin para que el

aerosol restante (PM10) se deposite en un filtro donde se pueda hacer un futuro

anlisis de la muestra final ( Wedding, 1995)

Figura 5-8 - Diagrama esquemtico del Wedding High Volume Samplers PM10 (

Wedding, 1995)

74

5.3. Ensayo de medicin de concentraciones de aire ambiente

Poniendo los tres analizadores en funcionamiento simultaneo es una tctica

importante para deducir relaciones entre los distintos contaminantes. Estas

mediciones se realizaron en Lausanne ( Suiza) el 12/01/01 en la estacin mvil

del EPFL sobre una calle de la Universidad. Se utilizaron los medidores de BC y

PAH ya mencionados con un periodo de integracin de medicin continua de 2

minutos. El PM10 utilizado es un modelo DASIBI de medicin continua de

propiedad del LPAS que se tena en dicha estacin. Los resultados obtenidos

desde las 11:00am hasta las 7:00pm se muestran en la Figura 5-9.

Realmente, es bastante difcil sacar conclusiones a partir de periodos de

medicin tan cortos. De todas maneras se puede observar una tendencia de

disminucin de todas las concentraciones a las 14:00, y un gradual incremento

hasta las 17:00. Este incremento probablemente est relacionado con el flujo

vehicular que circula sobre la va. Por otra parte, se observa una correlacin

importante entre BC y PAH ( Ver Figura 5-10) confirmando as la existencia de

PAHs en las partculas de holln. Entre el PM10 y los dems contaminantes no

existe una relacin aparente.

75

Figura 5-9 - Mediciones de BC, PM10 y PAH tomadas en la estacin del EPFL, Lausanne, Suiza el 12/01/01.

1

10

100

9:00 10:12 11:24 12:36 13:48 15:00 16:12 17:24 18:36 19:48Hora

P

M

1

0

,

B

C

(

m

g

/

m

3

)

0.01

0.1

P

A

H

(

m

g

/

m

3

)

BC PM10 PAH

76

5.4. Antecedentes de medicin de material particulado en la zona de

estudio.

Los primeros esfuerzos de monitoreo de material particulado en el Valle de

Sogamoso datan de 1983, cuando el Ministerio de Salud don tres medidores de

alto volumen (TSP); dos se ubicaron en la zona industrial y uno en la zona

urbana ( Mario et al, 2000). Estas mediciones se ejecutaron hasta el ao 1990

y sus resultados se muestran en la figura 5-11.

La veracidad de estas mediciones se ha puesto en prueba debido a la

inconsistencia y a la interrupcin en las mediciones, que a su vez se le atribuye

a la mala operacin de los equipos de monitoreo (Snchez, 1994), a la deficiente

infraestructura y al no cumplimiento de las normas generales de localizacin de

equipos ( Mario et al, 2000).

Figura 5-10 - Concentraciones de BC vs. Concentraciones de PAH en la estacin EPFL el

12/01/01

y = 55.786x + 0.7385R 2 = 0.69

1.21.31.41.51.61.71.8

0.01 0.012 0.014 0.016 0.018

Concentracin PAH (g/m3)

Con

cent

raci

n B

C

(g/

m3)

77

Figura 5-11- Mediciones de TSP en el Valle de Sogamoso ( Jimnez, 1999)

Una nueva red de monitoreo de la Calidad del Aire instalada por

CORPOBOYACA entr en operacin en el mes de Octubre de 1997 con el

propsito de determinar el nivel de contaminacin del aire en la regin y as

poder establecer el cumplimiento de las normas de calidad del aire y desarrollar

una estrategia de control de emisiones ( ECOBOYACA, 2000). La red actual

consiste de 7 estaciones de monitoreo, cada una con un equipo de medicin de

material particulado y uno de gases contaminantes. ( Ver Tabla 5-1)

La figura 5-12 muestra una de las estaciones en operacin.

78

Tabla 5-1 Estaciones de Monitoreo en el Valle de Sogamoso

(CORPOBOYAC informe, 1998)

La red ha arrojado importantes resultados de las concentraciones de PM10 en la

regin y adems ha sido pionera a nivel regional. Tambin se han tenido

problemas debido a cambios de ubicacin de algunas estaciones, cortes del

suministro de energa elctrica y sobrecargas, y algunos problemas de operacin

( CORPOBOYACA, 1998).

Gracias a los valiosos esfuerzos de CORPOBOYACA, se han encontrado

soluciones a estos problemas tcnicos lo que ha permitido establecer una base

datos cuyos resultados se muestran en la Tabla 5-2 para 4 de las estaciones en

el periodo 1998-1999. Sorpresivamente, la tabla muestra que en ninguno de los

casos se ha excedido la norma anual de 50 g/m3 que se ha utilizado como

referencia, y que las mayores concentraciones se registran en las estaciones de

Sogamoso y Duitama, zonas donde se encuentran la mayora de chircales y

caleras de la regin.

Lugar PM - 10 Medidor de 3 gasesSENA - Sogamoso 1 1

Colegio Suazapawa. Nobsa 1 0Vivero Mpal. Tibasosa 1 1Bavaria S.A.. Tibasosa 1 0

Gaseosas Duitama 1 1Granja Gonely. Paipa 1 1

Hospital Sta. Martha. Samac 1 0TOTAL 7 4

Puntos de Ubicacin Estaciones de Monitoreo CORPOBOYAC

79

Figura 5-12- Estacin de medicin de la Red de Calidad del Aire del Valle de

Sogamoso.

Tabla 5-2- Resumen de los promedios geomtricos anuales de material PM10

obtenidos por la Red de Monitoreo de la Calidad del aire ( ECOBOYACA, 2000)

ESTACION 1998 (g/m3) 1999 (g/m3)SENA, Sogamoso 43.17 40.5

Nobsa 31.44 37.2BAVARIA, Tibasosa 16.87 19

Paipa 23.4 15.91

80

6. Estimacin de las caractersticas del material particulado emitido por

los hornos de produccin de ladrillo y cal.

Los procesos de coccin de cal y ladrillo en el Valle de Sogamoso son en su

mayora de muy baja eficiencia trmica y debido a la falta de control de las

caractersticas internas de la combustin, los procesos de combustin tienden a

ser muy incompletos. La estructura de los hornos de llama dormida y la forma en

que se acomoda la materia prima ( moldes de arcilla y piedra caliza) impide una

buena transferencia de oxgeno durante la combustin. En las capas inferiores

de carbn, ms cercanas a la llama, el Oxgeno disponible en el periodo de

encendido del horno es mayor generando as una combustin relativamente

completa . El problema recae en que a medida que el combustible se va

consumiendo, la ceniza generada impide la transferencia de calor, lo que a su

vez asla aun ms las capas superiores de carbn del aire disponible para la

combustin. La mezcla aire/ carbn tambin es en promedio relativamente baja

debido a la mala ventilacin.

Otros factores que favorecen la combustin incompleta son las bajas

temperaturas utilizadas para la combustin, la gran perdida de energa trmica,

los bajos periodos de residencia del aire en el horno y los extensos periodos de

combustin. La suma de estos factores reduce las tasas de combustin del

carbn y aumenta la emisin de material particulado, PAHs, CO y compuestos

voltiles orgnicos (VOC) emitidos a la atmsfera.

81

El hecho de que el carbn no sea debidamente tamizado antes de ingresar a los

hornos, incrementa los periodos de combustin ya que los trozos grandes de

carbn duran ms tiempo en consumirse. Las emisiones ms altas de partculas

se pueden esperar al principio del proceso de combustin cuando las

temperaturas no son lo suficientemente altas para permitir una combustin

eficiente.

Con respecto al material particulado emitido, se pueden esperar altas

concentraciones de BC en comparacin con las de ceniza volante dadas las

bajas temperaturas. Un estudio similar acerca de los chircales en Ciudad

Jurez, Mxico, demostr que para temperaturas cercanas a los 500 oC las

partculas emitidas eran principalmente holln ( 54.5% carbono) y al aumentar la

temperatura a 760 oC, las partculas emitidas eran en su mayora ceniza mineral

(0.07% carbono) (Stewart, 2000).

Las emisiones de compuestos orgnicos semi-vol