1. CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA Y SUS EFECTOS

1.2 DEFINICIÓNPara la A. S. T. M. (American Society for Testing and Materials, o sea, Asociación Americana para Ensayos y Materiales), contaminación atmosférica es “presencia en la atmósfera de sustancias no deseables, en concentraciones, tiempo y circunstancias tales que puedan afectar significativamente el confort, salud y bienestar de las personas o al uso y disfrute de sus propiedades”.

El consejo de Europa, de acuerdo con un informe publicado el 14 de septiembre de 1967, define así el fenómeno:“Existe contaminación del aire, cuando la presencia en él de una sustancia extraña o una variación importante en la variación de las habitualmente presentes, es capaz de provocar un efecto perjudicial o una molestia, teniendo en cuenta los conocimientos científicos del momento”.

La legislación Francesa (agosto 2 de 1961), se refiere al tema de la siguiente manera:“Contaminación Atmosférica es la presencia de impurezas en el aire, que puedan provocar un perjuicio notable para la salud, la comodidad o los bienes humanos. Esta contaminación puede deberse a gases, vapores, partículas sólidas o líquidas e incluso radiaciones”

El autor JOHN H. SEINFELD, establece que: “Contaminación del Aire puede definirse como cualquier condición atmosférica en la cual ciertas sustancias alcanzan concentraciones lo suficientemente elevadas sobre su nivel ambiental normal, como para producir un efecto mesurable en el hombre, los animales, la vegetación y los materiales”.

La Legislación Colombiana, a través del Decreto 02 del 11 de Enero de 1982, el cual reglamenta parcialmente el Título I de la Ley 09 de 1979 y al Decreto – Ley 2811 de 1974, en cuanto a emisiones atmosféricas. Define así el fenómeno (Artículo 30):“Entiéndase por Contaminación del Aire la presencia o acción de los contaminantes, en condiciones tales de duración, concentración o intensidad, que afecten la vida y salud humana, animal o vegetal; los bienes materiales del hombre o de la comunidad, o interfieran en su bienestar”.

Una nueva definición según el Artículo 2 del Decreto 948 de junio 5 de 1995 define el tema de la siguiente manera:“Contaminación Atmosférica es el fenómeno de acumulación o concentración de contaminantes en el aire, definiéndose los contaminantes como fenómenos físicos, sustancia o elemento en estado sólido, líquido o gaseoso, causantes de efectos adversos en el medio ambiente, los recursos naturales renovables y la salud humana que, solos o en combinación, o como productos de reacción, se emiten al aire como resultado de actividades humanas, de causas naturales o de combinación de éstas”. La última definición conocida en Colombia es la contenida en la resolución 601 de abril 4 de 2006, que expresa el fenómeno así: “presencia de sustancias en la atmósfera en altas concentraciones en un tiempo determinado como resultado de actividades humanas o procesos naturales, que pueden ocasionar daños a la salud de las personas o al ambiente”.

1.3 EL SISTEMA DE LA CONTAMINACIÓN DEL AIREEl problema de la contaminación del aire puede ser representado como un sistema integrado por tres componentes básicos así:

En el diagrama se observa, que los contaminantes procedentes de las fuentes de emisión penetran la atmósfera, donde se mezclan con otros contaminantes o con los componentes normales de la atmósfera, o sufren transformaciones químicas antes de depositarse en los cuerpos receptores.

Las Fuentes de Emisión Artificiales de mayor importancia son los transportes, la producción de energía eléctrica, la incineración de residuos, el consumo de combustibles y los procesos industriales.Los Controles de Fuente están directamente asociados con las Fuentes de Emisión; son aparatos o procedimientos operativos que impiden que algunos contaminantes producidos por las fuentes lleguen a la atmósfera. Entre estos se encuentran el uso de equipos para limpieza de gases, la sustitución de un combustible que origina mayores emisiones por otro que cause menos contaminación, por ejemplo, reemplazo de gasolina por gas natural tanto en vehículos como en procesos industriales. Otro mecanismo es la modificación de los procesos industriales.

Los Contaminantes son dirigidos a la atmósfera, en la cual son transportados, diluidos o transformados física o químicamente. Posteriormente pueden ser detectados por medio de instrumentos o por las personas, animales, las plantas o los materiales, donde producen sus efectos. La detección de los contaminantes por parte de estos diversos “sensores” se manifiesta por una respuesta, por ejemplo, una irritación.

Por último, y como resultado de esas respuestas, las fuentes de emisión y sus controles pueden ser modificados a través del Control Automático o a través de la opinión pública y de las medidas legales existentes.

1

1.4 CLASIFICACIÓN DE LOS CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOSDe acuerdo a su origen, la contaminación puede ser física, química o biológica.Física, tal como la contaminación por Ruido, la Contaminación Química puede ser Orgánica, por ejemplo la presencia de hidrocarburos, o Inorgánica por ejemplo la debida a plomo y otros metales.Un tipo de Contaminación Biológica, la constituye por ejemplo, la presencia de bacterias y otros microorganismos patógenos al aire.

También suelen dividirse los Contaminantes Atmosféricos en dos grandes grupos que son: Los Contaminantes Primarios y los Secundarios.Contaminantes Primarios, son aquellos que proceden directamente de las fuentes de emisión, mientras que se consideran Contaminantes Secundarios, a aquellos que se originan por interacción química entre sí, entre los Contaminantes Primarios o entre estos y los componentes normales de la atmósfera. Un ejemplo clásico de Contaminantes Secundarios, lo constituye el llamado Smog Fotoquímico, conocido también como “Smog de los Ángeles”, el cual es producido por una serie compleja de reacciones químicas en presencia de luz solar (reacciones fotoquímicas), entre diferentes Óxidos de Nitrógeno (NOX) e hidrocarburos.

Otro tipo de clasificación generalizada consiste en agrupar los Contaminantes Atmosféricos en gases y/o vapores y materia particulada (sólida o líquida).De acuerdo con esta clasificación, los Contaminantes Gaseosos de mayor importancia son:

Óxidos de Azufre (SOX) Óxidos de Nitrógeno (NOX) Hidrocarburos (H-C) Monóxido de Carbono (CO)

Dióxido de Carbono (CO2) Sulfuro de Hidrógeno (H2S) Ozono y otros oxidantes

Fotoquímicos medidos comoOzono (O3)

En cuanto a materia particulada, generalmente se hace referencia a los siguientes tipos:POLVO (DUST): Son partículas sólidas dispersas en un gas, originadas por la desintegración mecánica de algún material, con diámetro menor que 76 micrones o capaces de atravesar un tamiz de 200 mesh. Y más grandes que 1 micra que pueden estar suspendidas en el aire en forma temporal.VAPOR O GAS (FUME): Son partículas (generalmente un óxido metálico), que se forman por la condensación de vapores, por sublimación, calcinación, destilación o por procesos de transformación química. Son muy pequeñas con diámetro de partícula Dp entre (0.03 – 0.3) µ. Ejemplos de ésta clase son los óxidos de Zinc y de Plomo resultantes de la condensación y oxidación del metal utilizado en un proceso a temperatura elevada.

NEBLINA (MIST): Son partículas líquidas que se forman por condensación de un vapor y tal vez, por reacción química. Generalmente, estas partículas tienen un Dp < 10 µ. Un ejemplo de este caso es la formación de neblina de ácido sulfúrico a partir de óxidos de azufre (SOX).

Las reacciones químicas de interés son:

El a 22ºC (punto de rocío) se vuelve líquido.

HUMO (SMOKE): Son partículas sólidas que se forman como resultado de la combustión incompleta de materiales carbonáceos. Tienen diámetros comprendidos entre 0.005µ y 1µ.

AEROSOLES: Son una nube de partículas microscópicas y submicroscópicas en el aire, tales como una niebla, un humo o una emanación.

TIPO CONTAMIANTES PRIMARIOS

CONTAMIANTES SECUNDARIOS

FUENTES ARTIFICIALES DE EMISIÓN

Compuestos del Azufre

, , ,

Quema de Combustibles que contienen

Azufre.

Compuestos del

Nitrógeno, ,

Reacción de

y

durante la combustión a

altas temperaturas.

Combustión de

2

Compuestos del Carbono

Compuestos del

al

Aldehídos, Cetonas, Ácidos.

Carburantes, refinado de

Petróleo; uso de disolventes.

Óxidos de Carbono

, Ninguno Combustión.

Compuestos Halogenados

, Ninguno Industrias Metalúrgicas.

1.5 ASPECTOS ATMOSFÉRICOS DE LA CONTAMINAIÓN DEL AIRELos aspectos atmosféricos de la Contaminación del Aire se pueden dividir según los factores siguientes:

La Química del Aire, comprende el estudio de los procesos de transformación que se ejercen sobre los Contaminantes Atmosféricos. La duración de estos procesos puede variar desde unos segundos hasta varias semanas.

La Meteorología, es el estudio de la dinámica de la atmósfera, en particular con respecto a la cantidad de movimiento y a la energía.Desde este punto de vista, pueden considerarse tres escalas meteorológicas de movimiento que son:La Macroescala, en la cual se estudian los fenómenos que ocurren sobre miles de kilómetros, tales como en el caso de las zonas situadas sobre los océanos o sobre los continentes.La Mesoescala. A este nivel se estudian fenómenos que se llevan a cabo sobre centenas de kilómetros, como en el caso del estudio de los vientos entre valles y montañas.Y La Microescala, que es cuando los estudios que realizan en espacios menores a diez kilómetros, tal como la dispersión del humo en una chimenea.

El Transporte y Dispersión de Contaminantes.Es importante establecer que la parte de la atmósfera que rige el transporte y dispersión de los Contaminantes en zonas urbanas es la llamada Capa Límite Planetaria, la cual comprende aproximadamente los primeros mil metros de la atmósfera y representa el límite de influencia de la superficie de la tierra en las estructuras de los vientos.

La dispersión de los contaminantes depende de los siguientes factores: Naturaleza Física del Contaminante (gas, partícula,

etc.) Velocidad y Dirección del Viento Estabilidad Atmosférica

Nivel de Turbulencia Condiciones de Emisión (Velocidad de Salida,

Temperatura, etc.), y Configuración de la Fuente de Emisión (Chimenea,

Autopista, etc.).

1.6 ALGUNOS EFECTOS DE LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE1.6.1 Efectos de la Contaminación del Aire sobre las propiedades atmosféricas

Los contaminantes del aire pueden afectar las propiedades atmosféricas de las maneras siguientes:

1. Reducción de la visibilidad

2. Formación y precipitación de neblina

3. Reducción de la radiación solar.

4. Alteración de las temperaturas y de la distribución de los vientos

1.6.2 Efectos de la contaminación del aire sobre los materialesLos contaminantes atmosféricos pueden afectar los materiales, bien ensuciándoles o deteriorando su composición química. Elevadas concentraciones de humos y de partículas están asociadas con el ensuciamiento de la ropa y de las estructuras, y partículas asociadas o alcalinas, en particular que contienen azufre, corroen materiales tales como la pintura, las obras de fábrica, los contactos eléctricos y los tejidos. El ozono es particularmente eficaz en deteriorar el caucho (Jaffe, 1967).

1.6.3 Efectos de la contaminación del aire sobre la vegetación Los contaminantes reconocidos como fitotóxicos (sustancias dañinas para la vegetación) son el óxido de azufre, el nitrato de peroxiacetilo (un producto de la oxidación del smog fotoquímico) y el etileno. El cloro, el cloruro de hidrógeno, el amoníaco y el mercurio son algo menos tóxicos. En general, los contaminantes gaseosos penetran en la planta por el estoma, junto con el aire necesario, durante el proceso normal de respiración de la planta. Una vez en la hoja de la planta, los contaminantes destruyen la clorofila e interrumpen la fotosíntesis. Los daños pueden variar desde una reducción en la velocidad de crecimiento de la planta hasta su muerte por completo. Los síntomas del daño suelen aparecer en las hojas, siendo posible en muchos casos conocer el contaminante en cuestión por medio de los síntomas específicos.

1.6.4 Efectos de la contaminación del aire sobre la salud humana Los contaminantes penetran el cuerpo humano a través del sistema respiratorio. El sistema respiratorio puede dividirse en el sistema respiratorio superior, integrado por la cavidad nasal y la tráquea, y el sistema respiratorio inferior, integrado por los tubos branquiales y los pulmones. A la entrada de los pulmones, la tráquea se divide en los árboles bronquiales formados por una serie de ramificaciones de diámetro cada vez más reducido. El árbol bronquial completo consta de más de 20 generaciones de bifurcaciones terminadas en los bronquiolos, cuyo diámetro aproximado es de 0.05cm. En las extremidades de los bronquiolos se encuentran un gran número de diminutas cavidades llamadas alvéolos. Es a través de las membranas alveolares que el oxigeno del aire contenido en las cavidades

3

se difunden hasta los vasos capilares de los pulmones, mientras el dióxido de carbono se difunde en el sentido contrario. Aunque los alveolos sólo tienen un diámetro aproximado de 0,02cm, la existencia de varios centenares de millones de alveolos en todo el pulmón proporciona una superficie total para la transferencia de gas de 50m2 aproximadamente.

El sistema respiratorio tiene varios niveles de defensa contra la invasión de cuerpos extraños. Las partículas grandes son filtradas por los pelos del conducto nasal y son retenidos por la mucosa que cubre la cavidad nasal y la tráquea. Las partículas grandes no pueden tomar las acusadas curvas del conducto nasal y, a causa de su inercia, chocan contra la pared de la cavidad nasal cuando el aire se precipita hacia los pulmones. Además, ciertas partículas pueden ser interceptadas también por los finos pelitos que tapizan las paredes de todo el sistema respiratorio. Estos pelitos producen un movimiento continuo de la mucosidad y de las materias retenidas hacia la garganta, donde son eliminados por deglución. La mayoría de las partículas de tamaño superior a 5 µm son eficazmente eliminadas por el sistema respiratorio superior.

Las partículas de radio inferior a unos micrómetros atraviesan generalmente el sistema respiratorio superior y no son retenidas. De entre éstas algunas de las partículas mayores (alrededor de 1 µm de diámetro) se depositan en los bronquiolos inmediatamente después de las bifurcaciones del árbol bronquial. Se cree que el mecanismo de esta retención es el impacto inercial provocado por los remolinos de aire causados por la bifurcación. Las partículas muy pequeñas (radio <0.1 µm) están muy influidas por el movimiento browniano (movimiento rápido e irregular causado por colisiones de las partículas con moléculas de aire). Como resultado de este movimiento, estas partículas tienen gran probabilidad de dar contra las paredes de los bronquios en algún lugar del árbol bronquial. Existe, en efecto una “ventana” definida por el intervalo 0.1 a 1 µm, donde las partículas son demasiado grandes para ser afectadas por el movimiento browniano y demasiado pequeñas para ser retenidas en la parte superior del pulmón. Partículas de este tamaño pueden penetrar profundamente el pulmón.

En el caso de los gases, la proporción de un gas absorbida en las vías respiratorias superiores y la que llega a las últimas cavidades

de los pulmones está regida por la ley de la solubilidad. Por ejemplo, el es muy soluble y, como consecuencia, será pronto

absorbido en las vias respiratorias, causando un aumento de la resistencia de éstas (hinchazón), y estimulando la secreción de

mucosidad, por otro lado, el , el y el son relativamente insolubles y pueden penetrar profundamente el pulmón hasta las

cavidades alveolares. El dióxido del nitrógeno y el ozono provocan edema pulmonar (hinchazón), que impide el intercambio de gases en la sangre. El monóxido de carbono pasa de las cavidades alveolares a la sangre, donde se combina con la hemoglobina del mismo modo como el oxígeno.

1.6.4.1 Monóxido de carbono. Los efectos causados por exposición al monóxido de carbono vienen reflejados en la capacidad de la sangre para transportar oxígeno. Durante su funcionamiento normal, las moléculas de hemoglobina contenidas en los glóbulos rojos de la sangre transportan oxígeno para ser canjeado por dióxido de carbono en los vasos capilares que unen las arterias y las venas. El monóxido de carbono es relativamente insoluble y llega fácilmente a los alveolos junto con el oxígeno. El monóxido de carbono se difunde a través de las paredes alveolares y compite con el oxígeno por uno de los cuatro átomos de hierro de la molécula de

hemoglobina. La afinidad del átomo de hierro por el es aproximadamente 210 veces mayor que por el , lo que confiere al

una considerable ventaja en esta competición por las moléculas de hemoglobina. Cuando una molécula de hemoglobina adquiere una molécula de , se convierte en carboxihemoglobina (abreviado COHb). La presencia de carboxihemoglobina disminuye la

capacidad total de la sangre de llevar oxígeno a las células. Además, la presencia de asociado a uno de los átomos de hierro de

la molécula de hemoglobina no sólo hace inservible este grupo molecular para el transporte de una molécula de , sino que

convierte los enlaces entre los restantes átomos de hierro y las moléculas de oxígeno asociadas con ellos mucho más fuertes. Los síntomas de envenenamiento por dependen de la cantidad de hemoglobina con .

La mayor fuente de en las zonas urbanas son los gases de escape de los automóviles. Los niveles típicos en zonas urbanas

oscilan entre 5 y 100 ppm. Se ha observado que el mayor peligro asociado con el es el producido en conductores expuestos a

niveles de del orden de 100 ppm, cuando circulan en autopistas muy congestionadas. Además, se ha demostrado experimentalmente que niveles de COHb relativamente bajos pueden afectar la habilidad para estimar intervalos de tiempo, pueden disminuir los tiempos de reacción y reducir la sensibilidad visual en la oscuridad.

4

1.6.4.2 Óxidos de azufre. El dióxido de azufre es altamente soluble y como consecuencia es absorbido en los conductos

húmedos del sistema respiratorio superior. Exposición a niveles de del orden de 1 ppm produce la constricción de las vías

del sistema respiratorio.

1.6.4.3 Óxidos de nitrógeno. El dióxido de azufre ( ) se transforma en los pulmones en nitrosoaminas, entre las cuales

algunas pueden ser cancerígenas. Además, el puede pasar a la sangre donde forma un compuesto llamado

metahemoglobina. Se sabe que el dióxido de nitrógeno irrita los alveolos, produciendo síntomas parecidos a los del enfisema tras una exposición prolongada a concentraciones de 1 ppm.

1.6.4.4 Oxidantes fotoquímicos. El término oxidantes fotoquímicos se refiere a los contaminantes secundarios formados en el smog fotoquímico por reacciones entre hidrocarburos y óxidos de nitrógeno. Los principales componentes de este grupo son el ozono junto con cantidades inferiores de hidrocarburos oxigenados. En general, concentraciones de ozono próximas a 1 ppm producen estrechamiento de las vías respiratorias del fondo de los pulmones que causa una mayor resistencia al paso del aire. Entre los compuestos conocidos como irritantes y que se han encontrado en el smog fotoquímico, están el formaldehído (

), la acroleína ( ) y algunos miembros de la familia de los nitratos de paroxiacilo, entre los cuales figuran:

1.6.4.5 El plomo. El plomo impide la realización de varias etapas de formación de la hemoglobina. Según la vía de penetración en el cuerpo, hasta un 60% de todo el plomo ingerido puede ser retenido por el cuerpo de forma permanente.

El sistema respiratorio reacciona de dos maneras distintas a los contaminantes atmosféricos. La primera reacción es aguda, tal como la bronquitis irritante, y la segunda es crónica, tal como la bronquitis crónica y el enfisema pulmonar.

La bronquitis es una enfermedad consistente en una inflamación del árbol bronquial. Ésta inflamación está acompañada de un aumento de la producción de mucosidad y de tos. La resistencia de las vías respiratorias aumenta a causa del espesamiento de la capa de mucosidad. La bronquitis aguda, causada por un virus o una sustancia ajena al pulmón es generalmente una enfermedad corta. En cambio, la bronquitis crónica es una continua inflamación del sistema bronquial, que produce un aumento del volumen de secreción mucosa en los bronquios lo suficientemente importante como para causar expectoración. Este tipo de bronquitis suele ir acompañado de tos y falta de respiración. La inflamación persistente produce una hinchazón de los bronquios terminales y una mayor resistencia de las vías respiratorias.

El enfisema es una enfermedad en la cual los alveolos pulmonares se vuelven rugosos y distendidos a causa de la destrucción de las paredes alveolares. La enfermedad va acompañada de falta de respiración, en particular después de ejercicios físicos. La destrucción de los alveolos es progresiva, ocasionando un mayor flujo de sangre necesaria para transportar el oxígeno y una incapacidad de eliminar los cuerpos ajenos que llegan a los alveolos. Se desconocen remedios para le enfisema, cuya tasa de mortalidad es una de las de crecimiento más rápido en los Estados Unidos.

2. LOS CONTAMINANTES ATMOSFÉRIOS DE MAYOR INTERÉSSANITARIO Y AMBIENTAL

(ORIGEN Y DESTINO)2.1 IntroducciónLa atmósfera se compone principalmente de nitrógeno, oxígeno y varios gases nobles en concentraciones que han permanecido más o menos estables a lo largo del tiempo. Sin embargo, algunos gases también están presentes en cantidades relativamente pequeñas y a veces variables. El vapor de agua, el dióxido de carbono y el ozono así, como los contaminantes comunes de la atmósfera humana, pertenecen a este grupo.

A pesar de su apariencia invariable, la atmósfera es realmente un sistema dinámico cuyos componentes gaseosos están frecuentemente siendo intercambiados por la vegetación, los océanos, los organismos vivos, etc.

Existen los llamados ciclos de los gases los cuales comprenden toda una serie de procesos físicos y químicos. Por una parte, hay una producción de gases originados en la propia atmósfera ya sea por procesos químicos, por actividad biológica por emanación volcánica, desintegración radiactiva o por actividades antropogénicas en general. Por otro lado, hay una contínua eliminación de gases atmosféricos debido a reacciones químicas en la atmósfera, por actividad biológica, por procesos físicos (formación de partículas, por ejemplo), sedimentación o por asimilación en los océanos y en la tierra.

Dependiendo del contaminante, el tiempo de permanencia media de la molécula de gas introducida en la atmósfera, puede variar entre algunas horas y millones de años.Realmente las especies consideradas como contaminantes atmosféricos pueden tener origen en fuentes naturales o antropogénicas, por esta razón, cuando se trata de determinar el efecto que pueden tener en la atmósfera las emisiones de contaminantes, es esencial entender sus ciclos atmosféricos, incluyendo origen y mecanismos de eliminación.

2.2 Los compuestos del Azufre

Los principales compuestos de azufre en la atmósfera son el dióxido de azufre ( ), trióxido de azufre

( ), la neblina de ácido sulfúrico ( ), el sulfuro de hidrógeno ( ) y las sales de ácido sulfúrico ( ).

Las principales fuentes de compuestos de azufre en la atmósfera son: la quema de combustibles fósiles, la combustión y descomposición de la materia orgánica, el aerosol marino procedente de los océanos y las erupciones volcánicas.Una vez emitidos, los compuestos de azufre permanecerán algún tiempo en la atmósfera antes de depositarse en el suelo o en los océanos.

Cuando se estudia la repercusión de los contaminantes atmosféricos en el mundo, es importante identificar el destino de cada especie en la atmósfera.Para explicar las concentraciones de contaminantes observados, se debe saber cuanto tiempo permanece en la atmósfera una especie antes de ser eliminada o transformada en una especie diferente por reacción química.

Considerando primero el sulfuro de hidrógeno ( ). Esta especie es emitida por fuentes naturales en cantidades

indeterminadas (se ha estimado que los océanos son una gran fuente de emisión de ). El se oxida rápidamente a

. Se considera que todas las moléculas de presentes en un momento dado en el aire, hasta un 80% fueron emitidas

principalmente como .

El puede ser oxidado por oxígeno atómico y molecular o por el ozono. La reacción de oxidación más importante es:

Esta reacción es muy lenta en fase gaseosa pero se agiliza en la superficie de las partículas presentes en el aire.

El , el oxígeno y en ozono, son solubles en agua y por lo tanto, el ritmo de oxidación del en gotitas de niebla o de

agua, podría ser muy rápida. En forma general, se considera que el periodo de vida media de una molécula de antes de ser

transformada en es del orden de unas horas.

En cuanto al dióxido de azufre ( ) el destino final en la atmósfera es su conversión a , mediante oxidación fotoquímica o

catalítica.

El proceso catalítico prevalece en condiciones muy húmedas cuando las gotitas de agua absorben fácilmente el . Si la gotita

de agua sólo contiene , prácticamente no ocurre ninguna reacción. Sin embargo, la presencia de ciertas sustancias ajenas

tales como sales metálicas (ejemplo y ) o amoníaco ( ), hacen que el y el oxígeno disuelto en la gota

reaccionen rápidamente, con formación de sulfatos ( ). Ejemplo, la presencia de disuelto, además de aumentar la

solubilidad del en la gota de agua, causa la formación de sulfato de amonio .

El proceso fotoquímico, está asociado con condiciones diurnas de baja humedad. La primera etapa del proceso es la absorción de

luz por la molécula de , dando lugar a una molécula de mayor energía. Esta molécula activada de puede reaccionar

entonces con oxígeno a un ritmo mayor que las moléculas de ordinarias, para producir . Si están presentes además

ciertos óxidos de nitrógeno ( ) e hidrocarburos ( ), el proceso de oxidación puede ser acelerado de forma substancial.

El formado reacciona de manera casi inmediata con el agua para producir ácido sulfúrico, el cual puede combinarse por

ejemplo, con ó y formar sulfato de amonio o de sodio.

En definitiva, el destino final del en su transformación en sales de sulfato generalmente, siendo sólo unos días el tiempo

necesario para llevar a cabo su transformación.

El siguiente gráfico resume el destino de los compuestos de azufre así como la estimación de su vida media.

Ciclo de los compuestos de azufre

Los compuestos de azufre, quedan eliminados de la atmósfera a través de varios procesos, tales como: Retención y arrastre por agua lluvia Difusión en tierra o en la vegetación Sedimentación de partículas secas de sulfato

2.3 Monóxido de Carbono

Con excepción del , el monóxido de carbono ( ) es el contaminante del aire más abundante en la baja atmósfera. Las

emisiones artificiales de monóxido de carbono superan en cantidad, la masa de las emisiones antropogénicas de todos los demás contaminantes atmosféricos combinados.La mayor fuente artificial de monóxido de carbono, es la quema incompleta de combustibles fósiles.

Las posibles fuentes naturales de son:

La oxidación del metano ambiente ( ) por acción del , con la subsiguiente conversión de en . La

principal reacción de interés es:

Los océanos también se consideran una importante fuente natural de , según estudios realizados en 1970 y 1971.

Por otro lado, se reconocen los siguientes mecanismos de eliminación: Reacción de monóxido de carbono, con radicales hidroxilos en la troposfera.

Migración a la estratosfera y reacción con .

Eliminación de por el suelo

Para poder determinar la importancia de la estratosfera como principal sumidero de , es necesario conocer, además de las

estimaciones de niveles de concentración media de , las estimaciones de los ritmos de transporte de aire desde la troposfera

hasta la estratosfera y las estimaciones de los niveles de concentración de en la troposfera, de tal forma, que la eficacia de

la estratosfera como sumidero químico de monóxido de carbono depende del ritmo al cual el monóxido puede ser transportado hacia ella. El intercambio del aire entre la troposfera y la estratosfera está limitado por una capa llamada TROPOPAUSA, la cual actúa como una barrera frente al transporte por convección.

La otra posibilidad como sumidero de monóxido de carbono, la constituye el suelo, siendo los suelos tropicales quienes demuestran mayor actividad que los desérticos. Es muy importante anotar que cuando se experimenta con suelos esterilizados, su actividad para eliminar monóxido de carbono queda notablemente reducida, la cual hace suponer de manera lógica, que el mecanismo de eliminación obedece a factores biológicos.

De las fuentes naturales anotadas anteriormente, la oxidación del metano, constituye la principal, esta oxidación se inicia por

acción de radicales . Las principales fuentes de metano son el gas natural y el biogas, producido en las zonas pantanosas

en los arrozales con una magnitud total aceptada de .

El tiempo de permanencia medio del monóxido de carbono en la atmósfera se estima en un mes aproximadamente.Las emisiones por fuentes naturales, son hasta diez veces mayores que las por fuentes antropogénicas, aunque esto puede variar significativamente en zonas urbanas, con alta densidad de tráfico automotor e industrias, que utilicen combustibles fósiles, como Fuel oil o Gasolina por ejemplo.

2.4 Compuestos del nitrógeno

Los principales compuestos del nitrógeno en la atmósfera son el óxido nitroso ( ), el óxido nítrico ( ) el dióxido de

nitrógeno ( ) y las sales de nitrato, nitrito y amonio.

El óxido nitroso ( ) es un gas incoloro emitido casi totalmente por fuentes naturales, principalmente por acción bacteriana en

el suelo y por reacción entre el nitrógeno ( ), el oxígeno atómico ( ) y el ozono ( ) en la alta atmósfera. Fue empleado como

anestésico y se les conoce comúnmente como “gas hilarante”. Es inerte químicamente, bajo condiciones ordinarias de temperatura y no está considerado como contaminante atmosférico.

El óxido nítrico ( ), es emitido tanto por fuentes naturales como antropogénicas. La quema de combustibles a temperaturas elevadas, constituye la principal fuente artificial de emisión de óxido nítrico.

El dióxido de nitrógeno ( ), es generalmente emitido en pequeñas cantidades junto con el óxido nítrico y se origina además,

por oxidación de óxido nítrico en la atmósfera. Tanto el óxido nítrico, como el dióxido de nitrógeno están considerados como contaminantes atmosféricos.

El amoníaco ( ) es emitido principalmente por fuentes naturales y puede llegar a ser contaminante atmosférico cuando se

emita en grandes cantidades y produzca una elevación en la concentración ambiental normal.

Por otro lado, las sales amoniacales y los nitratos no son emitidos en cantidades significativas, pero se producen por conversión del óxido nítrico, el dióxido de nitrógeno y el amoniaco.

La combustión del carbón, petróleo y gasolina, representa la mayoría de las fuentes artificiales de los Óxidos de Nitrógeno (

).

Se considera que el óxido de nitrógeno más abundante en la baja atmósfera es el óxido nitroso ( ), el cual como se indicó

proviene de fuentes biológicas y aunque no está considerado un contaminante atmosférico, su importancia estriba en que constituye una muy importante fuente de producción de óxido nítrico ( ) en la alta troposfera y en la estratosfera, debido a reacción:

Donde el oxígeno atómico resulta de la oxidación fotoquímica del ozono ( ).

El óxido nítrico ( ) y el dióxido de nitrógeno ( ), pueden reaccionar con átomos de oxígeno, para formar , y

. A su vez estas especies inestables pueden reaccionar con agua ( ) e hidróxido ( ), para formar ácido nítrico (

).

Se considera que las concentraciones ambientales naturales de provienen de la reacción de con el ozono ambiental.

Las descargas eléctricas en la atmósfera además de producir , pueden originar pequeñas cantidades de

El amoniaco atmosférico resulta principalmente de la descomposición biológica de la materia orgánica en la superficie de la tierra.

El destino del en la atmósfera es probablemente uno de los siguientes:

Absorción en superficies húmedas para producir

Reacción con ácidos tanto en fase gaseosa como condensado para formar sales de

Oxidación del

Los óxidos de nitrógeno ( ), son normalmente eliminados de la atmósfera a través de la formación de partículas. En último

caso la mayoría de los óxidos de nitrógeno se convierten en nitratos que a su vez son eliminados por retención en las nubes, arrastre por agua lluvia y sedimentación en forma seca.

En resumen el ciclo del nitrógeno con respecto a las especies contaminantes aparece en el gráfico

Ciclo de los compuestos del nitrógeno

2.5 HIDROCARBUROS2.5.1 Generalidades

Hasta ahora se ha hablado de especies fácilmente identificables, tales como , y . Desafortunadamente, los

hidrocarburos emitidos a la atmósfera por fuentes naturales o artificiales son tan numerosos y variados, que prácticamente no es posible medir todas las especies individuales ni estimar el ritmo de emisión de cada una de ellas. Por lo tanto, cuando son estudiados los hidrocarburos desde el punto de vista de contaminación atmosférica, frecuentemente no se especifican sino las cantidades en que ciertos tipos o clases están presentes.

2.5.2 Hidrocarburos de interés en la contaminación del aire.Se estima que la combustión de la gasolina presenta la contribución individual más importante de las emisiones artificiales de hidrocarburos presentes en la atmósfera.La mayoría de los hidrocarburos que son emitidos en zonas urbanas se transforman en otros compuestos orgánicos en forma rápida sobre todo en presencia de óxidos de nitrógeno.Por otro lado, existe una diferencia sustancial entre la concentración ambiental de metano con respecto a los demás hidrocarburos.Siendo el metano el hidrocarburo de bajo peso molecular más estudiado a nivel atmosférico en zonas urbanas, se ha observado que las concentraciones ambientales de etano, eteno y etino, cuando han sido medidas en forma adecuada oscilan entre dos o tres órdenes menores que el metano.En cuanto a los tiempos de permanencia en la atmósfera de los hidrocarburos, se estima en días a meses el periodo de vida de los hidrocarburos pesados y el del metano en años.

Se considera que los niveles de fondo del metano son del orden de 1.5 ppm, debido a que la principal fuente de metano es la natural y que para todos los efectos es químicamente inerte, no se suele incluir entre los hidrocarburos contaminantes del aire.Una descripción general de hidrocarburos presentes en el aire urbano, sería la mezcla constituida por los gases de escape de automóviles, gas natural, y vapor de gasolina.Por otro lado, se ha establecido que el potencial destructivo de los hidrocarburos reside en los productos formados por sus reacciones.

2.6 LAS PARTÍCULAS O AEROSOLES2.6.1 Introducción Las partículas se distinguen no sólo por su tamaño sino también por su composición química. Estas propiedades son fundamentales para evaluar los efectos de los aerosoles sobre todo en las propiedades atmosféricas y en la salud humana.

Los efectos en la salud, que tienen que ver con la inhalación de aerosoles, dependen de ciertos factores como: El punto del sistema respiratorio en que se depositen, estando esto determinado por el tamaño de la partícula. El efecto producido en el tejido del lugar de depósito es dependiente de la composición química; además el efecto de las

partículas en la dispersión de la luz y en la visibilidad depende tanto del tamaño como de su composición química.

2.6.2 Fuentes de aerosolesLas fuentes de aerosoles pueden clasificarse como primarias y secundarias.Los aerosoles primarios son aquellos emitidos directamente por la fuente bajo la forma de partículas, tales como polvo en suspensión causado por la acción del viento, o las partículas de humo emitidas por una chimenea.Los aerosoles secundarios son las partículas producidas en la misma atmósfera a causa por ejemplo de reacciones químicas gaseosas que producen especies capaces de condensarse bajo la forma de material particulado.Las fuentes primarias emiten partículas de todos los tamaños mientras que las secundarias producen básicamente partículas muy pequeñas (de tipo respirable).Una vez que los aerosoles están en la atmósfera, comienza a producirse una alteración en cuanto a su tamaño, número y composición, debido a una serie de mecanismos hasta que finalmente son eliminados por diferentes procesos naturales.

Algunos procesos físicos y químicos responsables del “envejecimiento” de los aerosoles atmosféricos son más eficaces en ciertos intervalos de tamaños de partícula que en otros. A pesar de la serie de procesos especiales que intervienen en el envejecimiento de las partículas, su tiempo de permanencia habitual en la baja atmósfera es del orden de un par de días a una semana.

En proximidades del suelo, el mecanismo responsable de la eliminación de la mayoría de partículas es la decantación e impacto contra superficies, mientras que las altitudes superiores a los 100 metros, los principales mecanismos son la retención en las nubes y el arrastre por gotas de lluvia.

2.6.3 Origen de las partículasDe diferentes estimaciones realizadas sobre la emisión de partículas, se puede establecer que aproximadamente un 10% proviene de fuentes artificiales.Las fuentes naturales primarias más importantes incluyen el polvo levantado por el viento, el aerosol marino, los volcanes y los incendios forestales.Las fuentes naturales secundarias incluyen los ciclos del carbono, azufre y nitrógeno, así como la transformación de gases en partículas.

Las partículas levantadas por el polvo generalmente tienen un diámetro superior a 0.1 µm y su composición es la misma del suelo, es decir, silicatos y otros metales. El aerosol marino aporta partículas también con diámetro superior a 0.1 µm.Las erupciones volcánicas y los incendios forestales, a pesar del carácter esporádico no dejan de ser una fuente importante de partículas a la atmósfera.Las fuentes secundarias naturales guardan relación con las reacciones químicas en fase gaseosa que ocurren en la atmósfera, con producción de sustancias condensables.Por otro lado, la vegetación emite grandes cantidades de hidrocarburos, en particular, compuestos del tipo de los terpenos, los cuales una vez presentes en la atmósfera toman parte en reacciones fotoquímicas produciendo una cantidad inestimada de partículas (dp < 0.1 µm). Se piensa que estas nubes de partículas son las responsables de las famosas nieblas azuladas, que se observan sobre los bosques.

Un componente del ciclo del azufre es la oxidación del sulfuro de hidrógeno ( ), y el dióxido de azufre ( ) para producir

aerosoles. Alrededor del 50% del y del presentes en la atmósfera son transformados en sulfatos en menos de una

semana (10).

Otra fuente la constituye la transformación de los compuestos del nitrógeno y en particular el , y .

2.6.4 Partículas urbanas y de fondoLas partículas presentes en la troposfera pueden caracterizarse por su fuente; el aerosol continental natural consta de:

Partículas de polvo levantadas por el viento, con diámetro superior a 0.5µm Partículas muy pequeñas (dp < 0.4 µm) resultantes de reacciones fotoquímicas del ozono y los hidrocarburos emitidos

por la vegetación.

Partículas muy pequeñas resultantes de las reacciones fotoquímicas en las que intervienen gases tales como: ,

, y .

Partículas emitidas por las erupciones volcánicas

El aerosol marino natural, proviene de la evaporación de la espuma de mar y tiene esencialmente la composición de la sal marina (cloruro de sodio) y dp < 0.5 µm.

Los aerosoles artificiales se componen de: Partículas sólidas formadas durante procesos de combustión (humos) Partículas con dp < 0.5 µm, resultantes de reacciones en las que intervienen hidrocarburos sin quemar o parcialmente

quemados y óxidos de nitrógeno.

Cabe señalar que la concentración numérica de las partículas pequeñas (dp < 0.1 µm) disminuye a medida que aumenta la altitud, indicando su origen terrestre. Sin embargo, la concentración numérica de partículas cuyo diámetro oscila entre 0.1 y 1 µm alcanza un máximo a una altitud de 18Km. Estas partículas, principalmente sulfatos y nitratos, son formados probablemente en la

estratosfera por oxidación del gaseoso.

Se piensa que la fuente de a esa altura son las erupciones volcánicas. A pesar de la existencia de estas partículas en lo alto,

el aerosol estratosférico representa sólo un porcentaje muy bajo, con respecto a la masa total de aerosol en la atmósfera.Las partículas son eliminadas principalmente por retención y arrastre por gotas de lluvia. La vida media de las partículas en la troposfera depende del volumen de precipitación en la zona de interés.

Tiempos de permanencia típicos en la baja troposfera oscilan entre varios días y algunas semanas, mientras que los de la alta atmósfera pueden alcanzar hasta un mes. Las partículas en la estratosfera pueden permanecer hasta seis meses o un año. Los tiempos de permanencia son menores en los polos.

GAS FUENTES ARTIFICIALES

FUENTES NATURALES VIDA MEDIA ESTIMADA

MECANISMOS DE ELIMINACIÓN

Combustión de carbón y

petróleo Volcanes 3 días Oxidación fotoquímica o

catalítica a sulfato

Procesos químicos Biológicos 1 días Oxidación de

Combustión completa Oxidación de ,

océanos0.1 años

Reacción con en la

troposfera, eliminación por el suelo

Combustión Acción bacteriana en el

suelo 5 días

Oxidación a nitrato por reacciones fotoquímicas o en partículas de aerosol

Tratamiento de desechos Descomposición biológica 2 semanas

Reacción con para

formar ,

oxidación a nitrato

Ninguna Acción biológica en el suelo

4 añosFotodisociación en la

estratosfera

Combustión, procesos químicos

Pantanos, aerosoles1.5 años Reacción con

Fuentes, periodos de vida media y mecanismos de eliminación de ciertos gases en la atmósfera.

4. EL CONTROL DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

4.1 INTRODUCCIÓNExisten ciertas técnicas de control que permiten limitar la formación y la emisión de contaminantes a la atmósfera.

4.2 ELIMINACIÓN DE GASES DE DESECHO Existen fundamentalmente tres maneras mediante las cuales los contaminantes gaseosos pueden ser eliminados de un efluente. Estas son: por absorción en un líquido, adsorción sobre una superficie sólida o por transformación química tal como por combustión o por tratamiento de los gases con un catalizador.El método más usado es el de absorción de gases.

4.2.1 Absorción.En este proceso el efluente gaseoso que contiene el gas a eliminar, se pone en contacto con un líquido en el cual el contaminante se disuelve. El mecanismo de eliminación por absorción consta de las siguientes etapas:

Difusión de las moléculas del contaminante a través del gas hasta la superficie del líquido absorbente. Difusión del contaminante disuelto, desde la superficie de separación hasta la masa del líquido. Disolución en el líquido que existe en la superficie de separación de las dos fases

Como podrá observarse, el mecanismo obedece a procesos de transferencia de masa.Se pueden distinguir dos tipos de absorción: la química y la física.

En la absorción física, el contaminante que se transfiere de la fase gaseosa a la líquida no reacciona con el líquido absorbente, sino que se limita a disolverse en él.En la absorción química, el contaminante objeto de la transferencia se disuelve y reacciona con el absorbente para formar uno o más productos químicos.

4.2.2 Adsorción.La adsorción es el proceso de transferencia de moléculas desde una fase gaseosa hasta otra sólida. Cuando el proceso se basa en la fuerza de atracción existente entre la superficie del sólido y las moléculas que se adsorben, la adsorción se llama física.Todos los gases y vapores experimentan el proceso de adsorción física en mayor o menor medida.Existen procesos de adsorción irreversibles y muy exotérmicos debido a que se produce una reacción química sobre la superficie del sólido, a los procesos de este tipo se les llama de adsorción química, adsorción activa o quimisorción.

Un ejemplo es la adsorción del oxígeno sobre el carbón activado a temperatura ambiente, transformándose en y .

El sólido que tiene la propiedad de adsorber moléculas se llama adsorbente y la materia adsorbida se le denomina adsorbato.La condición necesaria para que un contamínante pueda ser removido de una corriente gaseosa por adsorción es que sea polar o por lo menos que presente enlaces polarizables.Una molécula que se mueva en las proximidades de una superficie adsorbente y sea adsorbida por ésta perderá su energía cinética determinando que el proceso sea exotérmico.La adsorción tiene una importante aplicación en la eliminación de contaminantes gaseosos facilitando su recuperación e incluso su conversión en productos de mayor valor o fácilmente evacuables.

Los sólidos más adecuados para la adsorción son los que tienen grandes relaciones superficie-volumen, es decir, los sólidos muy porosos. Entre los sólidos más comunes con estas propiedades se encuentran el carbón de madera activado, la alúmina y el gel de sílice (silicagel).El proceso de adsorción de un gas por un sólido, al igual que la absorción de un gas en un líquido se desarrolla en una serie de etapas así:

En primer lugar las moléculas del contaminante tienen que difundirse desde la masa del gas, hasta la superficie externa del sólido.

Difusión de las moléculas del gas contaminante dentro de los poros del sólido. Adsorción de las moléculas por la superficie del sólido

Los posibles adsorbentes pueden clasificarse así: Sólidos no polares, en los cuales la adsorción es principalmente de carácter físico (como el carbón activado, capaz de

adsorber moléculas no polares tales como las de hidrocarburos de manera eficiente). Sólidos polares, en los que la adsorción es de carácter químico y la estructura química de las moléculas o de la superficie

no sufren ningún cambio (como lo óxidos de silicio y aluminio que se utilizan para adsorber generalmente moléculas polares tales como agua, amoníaco, sulfuro de hidrógeno y dióxido de azufre).

Superficies químicas adsorbentes, en las que las moléculas adsorbidas son liberadas después de la reacción que puede ser catalítica, dejando la superficie inalterada, o no catalítica, haciendo necesario una sustitución de los átomos superficiales. Estos adsorbentes son muy diversos dependiendo del tipo de gas que se trate.

4.2.3 Combustión 4.2.3.1. GeneralidadesUn cierto número de procesos industriales producen gases cuya composición y naturaleza hacen económicamente inviable su recuperación mediante sistemas de absorción o adsorción.Cuando estos gases contienen material combustible su eliminación se puede llevar a cabo por oxidación total de la materia orgánica presente.

La combustión o incineración es una reacción química de oxidación mediante la cual los compuestos orgánicos en presencia de

oxígeno se transforma en y (cuando la combustión es completa). Se trata luego de una técnica apropiada y efectiva

de eliminación de los contaminantes orgánicos presentes en efluentes gaseosos.La purificación de gases residuales por combustión no se limita al tratamiento de los hidrocarburos directamente peligrosos o corrosivos, ya que su purificación se extiende a aquellas sustancias carbonosas que pueden llegar a ser especialmente nocivas después de oxidarse parcialmente en la atmósfera y a los materiales orgánicos cuyo olor pueda afectar la calidad de la vida en forma sensible en la zona de influencia de la emisión.

Para que una combustión pueda llevarse a cabo en su totalidad, es necesario disponer de la correspondiente cantidad de oxígeno en el medio de reacción. En la práctica debe existir un exceso de aire que puede llegar hasta un 100% del estequiométricamente necesario. Sin embargo, la nueva tendencia es utilizar cantidades menores de oxígeno con el fin de reducir la formación de óxidos de nitrógeno, los cuales pueden producirse en la combustión en antorchas o en sistemas de postcombustión debido a la elevada temperatura del proceso resultante de la oxidación total de la materia orgánica presente.

La formación de estos óxidos depende principalmente de los siguientes factores: Concentración de elementos Temperatura de la llama Velocidad de enfriamiento de los gases

4.2.3.2. AntorchasLos gases combustibles con un contenido calorífico superior a 400 Kcal. /m3 n generalmente se eliminan por combustión de antorchas. Este tipo de instalaciones es muy común en refinerías y plantas petroquímicas y resulta especialmente útil en la puesta en marcha o parada de plantas.Para una adecuada operación de las antorchas, se considera necesario reunir las siguientes condiciones:

Seguridad en el encendido Estabilidad de la llama Tener una zona de seguridad para prevenir daños por fuegos de escape y por calor radiante Flexibilidad de operación en cuanto a la calidad y composición de los gases a quemar Garantizar la expulsión de una mínima cantidad de humo Diseño adecuado para la operación de combustión sea óptima Mínimo ruido y resplandor.

La formación de humos aumenta con el contenido de moléculas de alto peso molecular y con el grado de instauración de las mismas.Un procedimiento para disminuir la cantidad de humos emitidos, es mezclando previamente el gas a tratar con aire, siempre que el poder calorífico de la mezcla sea suficiente para que la combustión se realice con normalidad.Otro procedimiento es inyectar una cantidad suficiente de vapor de agua a baja temperatura. La cantidad de vapor de agua varía entre 0.05 a 0.30 Kg./Kg. de gas a tratar.El vapor de agua también se emplea para disminuir la longitud y resplandor de la llama, lo cual puede resultar de gran importancia en áreas pobladas, ya que la combustión de 1 ton/h de hidrocarburos, puede originar una llama de unos 4m de altura.Las antorchas tienen aplicación en plantas que operan con hidrocarburos, hidrógeno, amoníaco, ácido clorhídrico o cualquier otro gas tóxico peligroso.

4.2.3.3. Quemadores de postcombustión Los quemadores convencionales de postcombustión consisten en hornos generalmente calentados por fuego directo a temperaturas superiores a 600ºC.Los efluentes gaseosos a tratar se pasan a través del horno para que se realice la combustión de los componentes orgánicos a eliminar.

La eficiencia de estos sistemas depende principalmente de las siguientes variables: Temperatura de operación Tiempo de residencia de los componentes, en presencia de oxígeno y a la temperatura de operación. Grado de mezcla de los gases

Para que la oxidación de los contaminantes se lleve a cabo, la temperatura de la corriente de gases a purificar debe sobrepasar las temperaturas de auto inflamación de los mismos, las cuales para los contaminantes más comunes oscilan alrededor de los 500ºC.Sin embargo, debido a que las reacciones a esta temperatura son lentas, se utilizan temperaturas de operación entre 700 y 900ºC, dependiendo de la naturaleza y del grado de eliminación requerido.Para altas temperaturas de operación se requieren menores tiempos de contacto y por lo tanto menor tamaño de las cámaras de combustión.La obtención de un grado de la mezcla óptimo, permite trabajar a menor temperatura y tiempo de contacto, con el consiguiente ahorro del costo de operación y precio del equipo.

Los aparatos de postcombustión son parecidos en muchos aspectos a los hornos convencionales, sin embargo, sus características aerodinámicas deben asegurar una mezcla completa y una distribución de temperatura constante. Existen varios diseños así:

Equipo donde la mezcla de productos de combustión y gas contaminado se hace pasar por un largo recorrido de ángulos pronunciados para asegurar turbulencia.

Equipos donde dicha mezcla pasa por un conducto provisto de contracorrientes. Equipos donde la mezcla se hace pasar por ladrillos provistos de orificios. Equipos donde la corriente a tratar se introduce axialmente en una cámara donde un quemador de gran velocidad de

salida de combustible, produce un remolino que provoca la mezcla rápidamente. Equipos donde la corriente de gases contaminantes se mezcla previamente con el combustible gaseoso a utilizar y luego

se pasa por la cámara de combustión.

Conviene señalar que aunque estos sistemas de combustión de hidrocarburos pueden llegar a trabajar con gran eficacia para la eliminación de materia orgánica, su funcionamiento presenta la desventaja de producir cantidades apreciables de óxidos de nitrógeno y dan lugar a gastos de operación considerables.

4.2.3.4. Sistemas de combustión catalítica

La combustión catalítica es un proceso que transforma la materia orgánica en y en condiciones más suaves que las

empleadas en los quemadores de postcombustión. Es decir, la oxidación catalítica que tiene lugar en estos procesos requiere menor temperatura que la necesaria para que la combustión eminentemente térmica se lleve a cabo.Esta característica de funcionamiento hace a estos sistemas muy atractivos económicamente pues se reduce la cantidad de combustible a emplear (alrededor del 50%), al mismo tiempo que se reduce ostensiblemente la cantidad de óxidos de nitrógeno.

Mientras la oxidación térmica necesita de 800 a 1000ºC, la catalítica puede tener lugar entre 200 y 600ºC.

4.2.4 Evacuación a la atmósfera.En el proceso de evacuación a la atmósfera hay una serie de factores que actúan en forma directa en el reparto de los contaminantes emitidos por un foco cualquiera. Estos son:

Velocidad de emisión Temperatura de salida Punto de emisión

Es decir, la velocidad y temperatura de salida de los humos y la altura de la chimenea.La velocidad de emisión es fundamental, ya que cuando los gases adquieren una cierta velocidad de salida, el penacho (la pluma) tiene un aspecto “airoso”, debido a que poco a poco va alcanzando altura hasta que la energía cinética que los impulsa se ve anulada por los efectos del viento y térmico de la atmósfera.

Por otro lado, ya que existe una relación estrecha entre la velocidad de emisión y la del viento, el estudio del viento es imprescindible para el cálculo de la altura óptima de la chimenea. También la geometría de la chimenea ejerce una influencia sobre los penachos como consecuencia de las turbulencias que origina en su entorno. Por lo tanto, la velocidad de salida debe elegirse de tal forma que la acción de los vientos que normalmente soplan en la zona, no perjudiquen la difusión normal y evite los efectos turbulentos en las proximidades de la chimenea.Si el punto de emisión se encuentra próximo a otras estructuras, habrá que tener en cuenta los efectos que provocan los otros edificios en la distribución de los vientos y por lo tanto, en las turbulencias que pueden formarse y arrastrar el penacho del humo al suelo inmediatamente.

Temperatura de emisión: es importante tener en cuenta la temperatura de emisión. Suponiendo que la emisión no tenga componente cinética, cuando la temperatura de los humos sea mayor que la del medio, estos ascenderán y en caso contrario descenderán.Por lo general los humos emitidos por la mayoría de las plantas industriales salen a temperaturas mayores que la del ambiente y por lo tanto tienden a elevarse a niveles mayores al de la cima de la chimenea, este efecto se acumula a medida que los gases se enfrían hasta que llega el momento en que la ascensión se estabiliza al anularse dicha energía térmica, la cual en algunos casos es suficiente para atravesar las capas de inversión.

Se toma como regla general que para velocidades medias del viento de 5 m/s y temperaturas de emisión entre 100 y 200ºC, la elevación de los gases puede ser del orden de 1.5 metros por cada grado de diferencia entre dichas temperaturas y la atmósfera.

Altura de emisión: la altura del punto de emisión es fundamental, ya que por un lado, si el foco emisor está situado en un centro urbano las variaciones micro climáticas que se puedan presentar se evitan situando el punto de emisión a una altura adecuada y por otro lado, si se encuentra en las proximidades de un obstáculo natural posible evitar los fenómenos que allí suceden, estas medidas pueden determinar que los gases atraviesen las capas de inversión a baja altura.

Es muy importante estudiar meteorológicamente la zona donde se va a ubicar una industria para poder predecir la altitud a la que posiblemente se pueden presentar capas de inversión así como su espesor a fin de darle a la chimenea la altura geométrica suficiente para atravesar dichas capas.

Tipos de dispersión de los penachos. El estudio del proceso ideal de dispersión tiene un gran interés para estudiar los valores medios diarios de contaminación, pero cuando el penacho deja de comportarse idealmente debido a existencia de capas de inversión, vientos fuertes, etc. puede descender hacia el suelo con toda su carga.

Los distintitos tipos de penacho son:o Cónico (conning)o Tubular (fanning)o Aprisionado (trapping)

o Fumigante (fumiganting)o Serpenteante (looping)o Antifumigante o elevado (lofting)

La difusión serpenteante (lazos), se da en atmósferas inestables con predominio de los vientos ligeros, los penachos tocan el suelo, se elevan y vuelven a descender y así sucesivamente. Todo esto implica altas concentraciones de contaminantes a nivel respirable. Estos penachos son típicos durante los días muy soleados de verano que originan en la atmósfera condiciones térmicas muy inestables y también cuando la turbulencia es intensa.

El tipo cónico, se produce en condiciones parecidas pero más moderadas que las anteriores, suele aparecer en días soleados y nublados, es decir, en los días tormentosos de verano sobre todo, pero también en primavera y otoño (donde se dan estas estaciones), debido a que las nubes reducen considerablemente los efectos térmicos. Los vientos también ejercen su acción pues los penachos son perfectamente visibles a la caída de la tarde cuando la atmósfera es casi neutra.

El tubular o cilíndrico (fanning) puede compararse a un gas que se propaga por un tubería inmaterial desde la boca de la chimenea, en condiciones de gran estabilidad atmosférica. Es típico de las horas de caída la tarde, en la noche y al amanecer.

La fumigación se produce cuando un penacho de humo queda aprisionado en una capa de inversión y dicha capa se rompe por la parte inferior dejando escapar el penacho o pluma que se proyecta hacia el suelo. Es el tipo de dispersión más peligroso por la elevada concentración de contaminantes que produce en un determinado momento. Es el más típico y corriente, ya que puede originarse partir de una pluma tubular engendrada durante las horas nocturnas de gran estabilidad. A la salida del sol, la tierra se calienta y se forma una capa muy inestable a nivel del suelo, que a medida que avanza el día va progresando hasta alcanzar la capa de inversión en su primer punto. En ese momento, el penacho se dispersa produciendo la fumigación.

En la antifumigación o elevado (lofting), el caso es totalmente inverso, es decir, que el penacho emitido por la chimenea tiene la suficiente energía como para atravesar la capa de inversión y este es el mejor caso de dispersión y de ahí el interés de contar con chimeneas de hasta 200m de altura.

El atrapado o aprisionado (trapping) se forma cuando la emisión tiene lugar en una atmósfera inestable. El penacho se eleva hasta alcanzar una capa de inversión que no puede atravesar y que lo rechaza hasta el suelo, convirtiéndose en un penacho de fumigación por choque.

4.3 ELIMINACIÓN DE PARTÍCULAS 4.3.1 GeneralidadesExisten fundamentalmente dos tipos de técnicas de control de partículas emitidas por fuentes estacionarias, que son:

Lavado de gases, y Sustitución del combustible

La técnica más común es el lavado de gases. El diseño de los equipos utilizados para eliminar las partículas de un gas se basa generalmente en el aprovechamiento de ciertas propiedades físicas, químicas o eléctricas de las partículas.La eficiencia de los equipos de eliminación se mide por su rendimiento expresado generalmente como el porcentaje en peso de la cantidad de partículas retenidas.En la selección definitiva de un equipo para la purificación de un gas, debe tenerse en cuenta el rendimiento requerido, el tipo de gas efluente que contiene las partículas, las características de las partículas y los factores de funcionamiento, construcción y economía del equipo.

Uno de los factores de mayor importancia cuando se trata de elegir una técnica de eliminación de partículas, es la distribución de tamaños.La eliminación de partículas de un gas depende de cierto número de mecanismos tales como la difusión (tanto molecular como turbulenta), el desplazamiento bajo la influencia de fuerzas eléctricas, centrífugas y gravitatorias; la intercepción y el impacto inercial.El diseño de los equipos de eliminación de partículas se basa fundamentalmente en el principio de hacer que la corriente gaseosa en que se encuentran, pase a través de una región donde las partículas se ven sometidas a la influencia de fuerzas externas o chocan contra ciertos obstáculos lo que hace que se separen de la corriente gaseosa.

4.3.2 Criterios de selección para equipos de control de partículas Una selección preliminar de los sistemas adecuados para el control de las emisiones de partículas se basa generalmente en el conocimiento de los siguientes elementos:

La concentración de partículas en la corriente que se desea purificar. La distribución de tamaños de las partículas a eliminar. El caudal del gas, y La emisión final permisible de partículas.

La selección final se hace generalmente considerando el costo total de construcción y de funcionamiento.El tamaño del colector y por consiguiente su costo es directamente proporcional al caudal del gas que ha de limpiarse.

Los factores que influyen en el costo del funcionamiento son la pérdida de presión a través del equipo, la potencia exigida y la cantidad de líquido necesario, si se trata de un sistema de lavado húmedo.

4.3.3 Cámaras de sedimentación.La sedimentación por gravedad es posiblemente el método más lógico de separar las partículas contenidas en un gas.Una cámara de sedimentación consiste en un gran recipiente a través del cual pasa la corriente del efluente y en cuyo fondo, las partículas en suspensión en el gas se depositan por gravedad.

La velocidad del gas en una cámara de sedimentación debe mantenerse lo suficientemente baja como para que las partículas que sedimentan no vuelvan a ser arrastradas.

Las cámaras de sedimentación se utilizan para la eliminación de partículas con dp > 50 µm, ya que para más pequeñas, la longitud de la cámara sería mayor, por lo tanto en la práctica se les utiliza como purificadores previos destinados a eliminar partículas grandes y las que pueden ser abrasivas, antes de que la corriente de gas pase por otros equipos colectores.

Las cámaras de sedimentación ofrecen las siguientes ventajas: Precio bajo y construcción simple Pequeñas pérdidas de presión

Recogida de las partículas, sin necesidad de agua

Su principal desventaja es el espacio que necesitan

4.3.4 Ciclones separadores.Existe una gran variedad diseños de ciclones separadores, según la manera de impartir el movimiento giratorio a la corriente de gas. Los ciclones tradicionales son:

Ciclones de corriente inversa (entrada tangencial y entrada axial).

Ciclones de corriente directa, y Colectores de hélice

En un ciclón de corriente con entrada axial, el gas se introduce por el eje del ciclón adquiriendo un movimiento centrífugo por medio de unas paletas permanentes situadas en la parte superior.En los ciclones de corriente directa, el remolino de aire interior se evacua por el fondo del aparato (en vez de invertir su dirección), adquiriendo su movimiento centrífugo inicial por medio de unas paletas situadas en la parte superior. Este tipo de ciclón se usa frecuentemente como tratamiento previo para eliminar la ceniza volante y las partículas grandes.Las principales ventajas de este equipo son la pérdida de presión pequeña y un caudal grande.

En el colector de hélice, los gases entran perpendicularmente a una hélice de paletas múltiples que los arrastran alrededor de su circunferencia, mientras que las partículas son arrojadas a una abertura circular situada alrededor de la periferia del equipo.

La principal ventaja de este equipo es su reducido tamaño. Su principal desventaja, es que tiende a obturarse por acumulación de sólidos en su interior.

El rendimiento de eliminación de un ciclón aumenta con: El tamaño de partícula La densidad de la partícula La velocidad del gas de entrada

La longitud del cuerpo del ciclón El número de revoluciones del gas La suavidad de la pared del ciclón

Así mismo, el rendimiento disminuye por: La viscosidad del gas El diámetro del ciclón

El diámetro del conducto de salida La superficie de entrada

Para unas proporciones geométricas fijas, el rendimiento de un determinado ciclón aumenta a medida que disminuye su diámetro.El diseño de un ciclón separador de partículas es un compromiso entre su rendimiento, su pérdida de presión y su tamaño.Un mayor rendimiento requiere una mayor pérdida de presión (es decir, mayor velocidad de entrada de los gases) y un mayor tamaño (mayor longitud del cuerpo del ciclón)La predicción del rendimiento de eliminación real de un ciclón industrial es muy difícil y el método más seguro ha resultado ser el medir experimentalmente el grado de eliminación de partículas de los equipos en cuestión, con lo que pueden graficarse curva de rendimiento en función de diámetros de partículas.

4.3.5 Colectores húmedos.Los colectores húmedos utilizan el lavado con agua, generalmente en forma pulverizada, para eliminar directamente las partículas de una corriente gaseosa.La eliminación de las partículas se produce fundamentalmente por colisiones entre partículas y las gotitas de agua. Aunque en menor grado la acción de fuerzas gravitatorias en las partículas grandes, como las fuerzas electrostáticas o térmicas sobre partículas pequeñas pueden contribuir en el proceso de eliminación.

El tipo más simple de un colector húmedo es una torre de de pulverización en la que el agua se introduce por boquillas de pulverización. En una cámara de pulverización, el gas puede circular en contracorriente, en el sentido de la corriente, o perpendicularmente a la corriente de agua. La configuración que alcanza el mayor rendimiento es el flujo en contracorriente. El rendimiento de eliminación puede mejorarse utilizando la torre de pulverización ciclonal. La pulverización líquida se dirige hacia la pared desde las boquillas situadas en un conducto central. Se deja una sección sin pulverizar por encima de las boquillas, de tal forma que las gotas de líquido con las partículas acumuladas tengan tiempo de alcanzar las paredes de la cámara antes de salir.

Un dispositivo de lavado por placas deflectoras consiste en una torre en cuyo interior se han colocado diversas placas deflectoras perforadas con agujeros (entre 5000 a 50000/cm2), a través de los que el gas debe ascender y sobre los que el agua debe descender (escurrir).

Los mejores rendimientos se obtienen con el equipo de lavado tipo venturi, en el cual el agua se introduce perpendicularmente a una corriente de gas que pasa a gran velocidad por un tubo venturi (contracción) lo que hace que la corriente forme unas gotas muy pequeñas de agua y que se produzcan unas velocidades elevadas de agua y partículas.

La gran velocidad del gas es la que produce la pulverización del líquido.La mayor ventaja de los colectores húmedos es la gran variedad de equipos que existen, lo que permite elegir un modelo adecuado.

Como desventajas se destacan las elevadas pérdidas de presión (por lo tanto grandes demandas de energía). También las tareas de manipulación y vertido de grandes volúmenes de líquido de lavado.

4.3.6 Mecanismos de eliminación de partículas.Existen diversos mecanismos por los cuales la partícula pequeña puede ser retenida por una determinada fibra de un filtro.

Impacto inercial: ocurre cuando una partícula no puede seguir los remolinos que se forman alrededor del obstáculo y como consecuencia de su inercia, se dirige hacia el obstáculo con un movimiento de menos curvatura que las líneas de corriente. Por lo tanto el choque ocurre como consecuencia de la cantidad de movimiento de la partícula que es proporcional a su masa.

Interceptación directa: ocurre cuando una partícula que sigue las líneas de corriente alrededor de una fibra tiene un tamaño lo suficientemente grande como para que su superficie entre en contacto con la fibra.

Por lo tanto, si la línea de corriente sobre la que está situado el centro de la partícula, está a una distancia dp/2 de la fibra habrá interceptación. Es el caso B del gráfico.

Se puede observar que los mecanismos se fundamentan en principios diferentes, así en el impacto inercial el factor importante es la masa de las partículas, mientras que en la interceptación directa es el diámetro.

Difusión: el efecto de difusión, se basa en la predominancia que para partículas de diámetros pequeños (0.01 – 0.05 µm) tiene el llamado movimiento browniano, debido a que los movimientos vibratorios pueden impulsar a estas partículas (cuyo diámetro es inferior al de los canales de material) contra las paredes en donde coagulan, o sea el movimiento browniano aumenta la posibilidad de contacto entre partículas y las superficies de eliminación.

Atracción electrostática: esto ocurre cuando las partículas o la fibra o ambas tienen una carga estática.

Estas fuerzas electrostáticas pueden ser directas cuando tanto la partícula como el filtro están cargados o inducidos, cuando sólo uno de los dos elementos está cargado.

Las cargas no aparecen generalmente, a menos que hayan sido inducidas expresamente durante la fabricación de la fibra.Los sistemas de retención que utilizan este mecanismo son principalmente los filtros de tejido (tela) y de papel.Los intervalos de tamaños de partículas en los que los diferentes mecanismos de eliminación tienen mayor eficiencia son:

o Impacto inercial: dp > 1 µmo Interceptación directa: dp > 1 µmo Difusión: 0.01 < dp < 0.05 µmo Atracción electrostática: 0.01 < dp < 5 µm

4.3.7 Filtros de tejido (tela).La filtración industrial con tejido se lleva a cabo generalmente en una de las llamadas cámaras de sacos, en la que cuelgan un número de sacos filtrantes a través de los cuales se hacen pasar los gases cargados de partículas. Normalmente las partículas se eliminan de los sacos por gravedad.

Estos filtros son empleados con frecuencia para la retención de partículas de gran tamaño y cuya recuperación es de interés económico.Los elementos filtrantes tienen normalmente forma tubular y una longitud alrededor de 15m con un diámetro de 15 a 20 cm.Se usan en las plantas de fabricación de carbón activado, cemento, industria farmacéutica y otras en las cuales la recuperación del producto como se expresó tiene importancia económica. También se utilizan para impedir la emisión a la atmósfera de productos químicos abrasivos, en estos casos se recubren interiormente de sustancias absorbentes de los gases a eliminar.

Un problema importante, es el que presentan sus sistemas de limpieza recogida del polvo retenido, por esto están provistos de sistemas de limpieza manual, eléctrico o neumático y van montados en compartimientos de tal forma que algunos de ellos se encuentran en fase de limpieza, mientras que los otros están actuando.Los materiales que más se usan son la sarga y el satín, con menos frecuencia el algodón (alto precio), la lana, fibras minerales (para altas temperaturas) y el teflón (más caro).El tiempo de uso aceptable varía entre 6 meses a 2 años y el efecto electrostático tiene influencia negativa en la limpieza del filtro.

4.3.8 Filtros de papel.Los filtros de papel, denominados filtros de alta frecuencia o absolutos se utilizan para resolver problemas de retención de partículas con extremada precisión, como es el caso de las salas estériles de los hospitales, cámaras limpias de la industria fotográfica o farmacéutica.Estos filtros están formados por placas de papel dobladas en forma de acordeón con el fin de ampliar al menos 10 veces la superficie filtrante eficaz.

Los filtros de papel, al contrario de los de telas no son recuperables, sino que cuando se colmatan deben ser reemplazados y en algunos casos se requiere realizar un tratamiento posterior, por ejemplo: cuando han sido utilizados con fines bacteriológicos o en equipos nucleares, para eliminar los productos de retención.En general puede decirse que su rendimiento es elevado, cerca de un 99%.

4.3.9 Precipitadores electrostáticos.Cuando se utiliza la precipitación electrostática para la eliminación de partículas contenidas en una corriente gaseosa, hay tres etapas fundamentales en el proceso que son:

Aplicación de una carga eléctrica a las partículas en suspensión. Recogida de las partículas cargadas sobre una superficie conectada a tierra. Eliminación de las partículas de la mencionada superficie.

Como se aprecia, el gas pasa horizontalmente entre una serie de hileras paralelas de placas de electrodos.Hay una serie de cables de alta tensión situados en la línea central entre cada juego de placas, estos cables están eléctricamente aislados.

La diferencia de potencial suficiente entre los dos electrodos, el de descarga (el cable) y el colector (las placas) hace que se produzca un desplazamiento de los iones de gas cargados negativamente hacia las placas cargadas positivamente. Esta corriente de iones se llama viento eléctrico. Los precipitadores electrostáticos funcionan a un potencial de 40000 a 50000 voltios por debajo del potencial de tierra. A esta diferencia de potencial, los electrones abandonan los cables provocando una descarga visible de color azul. A continuación los iones cargados negativamente se desplazan hacia las placas colectoras desde el cable.A medida que los iones se desplazan desde el electrodo de descarga, hasta el electrodo colector, chocan con las partículas, cargándolas negativamente. Debido a que los iones de las moléculas de gas son mucho más pequeños que las partículas más pequeñas y debido a su gran número, prácticamente todas las partículas que pasan entre las placas quedan cargadas. A continuación, las partículas negativamente cargadas se desplazan hacia las placas colectoras conectadas a tierra, a las que quedan adheridas por atracción electrostática

Una vez en las placas colectoras, las partículas forman una capa cuyo espesor aumenta a medida que el proceso continúa. Al mismo tiempo, la carga negativa pasa lentamente de las partículas a la placa.La resistencia de la capa de polvo se denomina resistividad de polvo, y en estos equipos oscila entre 107 a 1011 ohms/cm.La atracción entre la placa y las partículas disminuye debido a que las partículas más próximas a la placa transmiten la mayoría de su carga a ésta.La capa se retira golpeándola de tal forma que se rompa y caiga en un recipiente adecuado.Además la llamada convección electrostática que se acaba de describir, la difusión turbulenta y el movimiento inercial contribuyen a la eliminación de partículas.En los precipitadores comerciales el régimen de corriente es turbulento.Los precipitadores electrostáticos se utilizan principalmente para limpiar gases con caudales importantes. Son además utilizados rutinariamente para eliminar la ceniza volante de los gases producidos por las calderas de los generadores eléctricos, en industrias de cemento, también para eliminar las partículas y las nieblas ácidas de las industrias metalúrgicas y químicas.

EQUIPO TAMAÑO MÍNIMO DE

PARTÍCULAS*, µm

RENDIMIENTO % (referido

a masa)

VENTAJAS DESVENTAJAS

Cámara de sedimentación por

gravedad > 50 < 50

Pérdida de presión pequeña, simplicidad de diseño y de mantenimiento.

Necesidad de mucho espacio, bajo rendimiento de eliminación

Ciclón 5 – 25 50 - 90

Simplicidad de diseño y mantenimiento. Necesidad de poca área superficial.Vertido contínuo de los polvos secos acumulados.Pérdida de presión, pequeña o moderada. Trata grandes partículas. Trata cantidades de polvo.Independiente de la temperatura.

Necesidad de mucho espacio vertical. Bajo rendimiento de eliminación de partículas pequeñas. Sensible a reacciones de partículas y de los flujos.

Colectores húmedos Torres de

pulverización Ciclonal

Por colisiónTipo venturi

> 10> 2.5> 2.5> 0.5

< 80< 80< 80< 99

Absorción del gas y eliminación de las partículas simultáneamente.Posibilidad de enfriar y limpiar gases muy calientes y cargados de humedad.

Problemas de erosión y corrosión. Costo complementario de tratamiento y reuso de aguas residuales.Bajo rendimiento para partículas >1µm

Precipitador electrostático

>1 95 - 99

Posibilidad de recuperar y neutralizar gases y nieblas corrosivas. Riesgo reducido de explosión del polvo. Posibilidad de variar el rendimiento

Posibilidad de obtener un rendimiento mayor a 99%.Posibilidad de retener partículas muy pequeñas.Posibilidad de acumular partículas húmedas o secas.Baja pérdida de presión y poca demanda de energía comparados con otros colectores de gran rendimiento.Mantenimiento mínimo a menos que se trate materias adhesivas o corrosivas.

Contaminación del gas efluentes por arrastre del líquido. Problemas de helada en tiempo frío. Reducción de la fuerza ascensional y de la altura del penacho.

Costo inicial relativamente alto. Sensibles a variaciones de las cargas de partículas y de los flujos.La resistividad hace que económicamente no se puedan recoger ciertos materiales.Necesidad de precauciones para proteger al personal de la corriente de alta tensión.El rendimiento puede empeorar gradual e imperceptiblemente.

filtración por tejido < 1 < 99

Pocas partes móviles pueden funcionar a altas temperaturas (300 – 450ºC).

Posibilidad de eliminación seca. Reducción del rendimiento es perceptible. Posibilidad de eliminar

Sensibilidad a la velocidad de filtración Los gases muy calientes deben ser enfriados entre 100 y 450ºC afectados por la humedad relativa (condensación).Vulnerabilidad del tejido a los ataques químicos.

partículas pequeñas. Posibilidad de grandes rendimientos.

* Retenidas con un rendimiento del 90%Técnicas de control de emisiones de partículas