QUIMICA AMBIENTALINGENIERIA Y GESTION AMBIENTAL I

ING. ANSHIE WISMANN MANRIQUE

DEFINICION

La química ambiental, denominada también química medioambiental es la aplicaciónde la química al estudio de los problemas y la conservación del ambiente. Estudia losprocesos químicos que tienen lugar en el medio ambiente global, o en alguna de suspartes: el suelo, los ríos y lagos, los océanos, la atmósfera, así como el impacto de lasactividades humanas sobre nuestro entorno y la problemática que ello ocasiona. Laquímica de la atmósfera, a medida que la comunidad internacional presta más atencióna las tesis del ecologismo (con acuerdos internacionales como el protocolo de Kiotopara reducir las emisiones de gases de efecto invernadero), es una disciplina que ha idocobrando cada vez más importancia.

El desarrollo de esta disciplina mostró las graves consecuencias que tuvo para la capa deozono el uso generalizado de los clorofluorocarbonos. Tras las experiencias con la lluviaácida, la combinación de química medioambiental e ingeniería química resultó en eldesarrollo de los tratamientos para limitar las emisiones de las fábricas.También la química medioambiental se ocupa de los procesos, reacciones, evolución einteracciones que tienen lugar en las masas de agua continental y marina por el vertido decontaminantes antropogénicos. Asimismo, estudia los tratamientos de dichos vertidos parareducir su carga dañina.

También hay interacción entre la llamada Química sostenible o Química verde y lapreservación del ambiente, pues aquella estudia optimizar los procesos productivosquímicos, eliminando productos secundarios, empleando condiciones menos agresivas (depresión y temperatura, de tipo de disolvente).La química ambiental se encarga de realizar la supervisión de los proyectos industriales,teniendo en cuenta el impacto ambiental.

La química ambiental y las cinco esferas

Tradicionalmente, las ciencias ambientales han estudiado los procesos e interacciones enla mesosfera, la exosfera, la geosfera y la biosfera. La química ambiental no sólo se encargadel estudio de la vida, transporte y evolución de las sustancias en los ámbitos antesseñalados, sino que debe añadir una quinta esfera, la antroposfera, que involucra lasactividades y sustancias realizadas por los humanos.

Divisiones

Dentro de la Química ambiental, podríamos encontrar las siguientes divisiones :

Química de la atmósfera. Química de la hidrosfera. Predomina, por su importancia, la química de los océanos. Química edáfica o química del suelo. Química de la biosfera. Química verde

LA ATMOSFERA DE LA TIERRA

Generalidades y capas de laatmósfera

La atmósfera es la capa gaseosa querodea la Tierra. Es una mezclaconstituida principalmente pornitrógeno y oxígeno, los cuales son tanimportantes que forman parte de losciclos vitales de la vida.Composición del aire seco:

Existen los que se conocen como componentesmenores o componentes “traza” entre loscuales el más importante es el dióxido decarbono (CO2). Otros gases presentes en menorproporción son:Neón (Ne), helio (He), metano (CH4), kriptón(Kr), hidrógeno (H2), monóxido de dinitrógeno(N2O), xenón (Xe), ozono (O3), dióxido deazufre (SO2), dióxido de nitrógeno (NO2),amoniaco (NH3) y monóxido de carbono (CO).

En términos generales la atmósfera se divide entres capas, que se muestran en la siguientefigura:

Su composición y su estructura actuales son resultado de su evolución y dela interacción con las demás partes del sistema Tierra desde el momento desu formación.

CONTAMINACION DEL AIRE

Hay ciertas sustancias que se encuentran comocomponentes “trazas” en la atmósfera, pero cuandoalguno de ello eleva su concentración presentaefectos adversos y se convierte en un contaminanteatmosférico.Los contaminantes atmosféricos se clasifican como:* Primarios: Cuando son adicionados directamenteal aire, ya que son resultado de un proceso naturalo industrial.* Secundarios: Se forman como productos dereacciones en las cuales participa un contaminanteprimario.

Los contaminantes del aire son diversostanto en compuestos químicos, como enpartículas suspendidas, las cuales dificultanla visibilidad e irritan el aparatorespiratorio. En algunos lugares donde lacontaminación es muy alta, se han dejadosentir los efectos de estos contaminantesen la salud de las personas, es por esonecesario implantar actividades enconjunto, gobierno y el pueblo, paradetener este problema que cada vez es másgrave.

La tabla presenta en forma esquemáticainformación sobre los principalescontaminantes presentes en el aire.

Índice metropolitano de calidad del aire (IMECA)

Para que la gente comprenda los niveles de contaminación del aire, se ha creado elíndice metropolitano de calidad del aire (IMECA), que es un valor de referencia utilizadopara que la población este enterada de la calidad del aire de acuerdo a loscontaminantes presentes en el aire de una determinada zona.

Este sistema funciona mediante una red de monitoreo atmosférico que proporcionadatos de la concentración de contaminantes tales como el ozono (O3), dióxido denitrógeno (NO2), dióxido de azufre (SO2), monóxido de carbono (CO) y la fracciónrespirable de las partículas suspendida totales.

En la presente tabla se describe la calidad del aire de acuerdo a los puntosIMECA y sus principales efectos sobre la salud.

Descriptores del índice metropolitano de la calidad del aire

La capa de ozono

El ozono (O3) se encuentra en formanatural en la estratósfera y sirve comofiltro a las dañinas radiaciones ultravioleta(UV), las cuales tienen efectosperjudiciales para la salud y los cultivos. Elozono se destruye y se formaconstantemente, utilizando la energíasolar, lo cual permite que su concentraciónen la estratosfera se mantenga estable.

Mediante la fotografía de satélites artificiales, hace poco más de 30 años sedescubrió que sobre la Antártida (Polo Sur) hay un agotamiento en laconcentración de ozono, lo cual se conoció como “agujero de la capa deozono”

Se ha demostrado que esto se debe a una reacción del ozono con ciertas moléculasconocidas como clorofuorocarbonos (CFC). Estas sustancias son muy estables y no sedisuelven con la lluvia. Son utilizadas en los sistemas de refrigeración, aire acondicionadode vehículos, formación de espumas plásticas y como propelentes en latas de aerosol.

Los CFC llegan a la estratosfera ymediante la luz ultravioleta se rompenformando radicales libres de cloro quereaccionan con el ozono para formanoxígeno molecular de acuerdo a lassiguientes reacciones:

Observe que uno de los productos de la última reacción es un átomo de cloro quepuede destruir otra molécula de ozono.

El problema de la disminución de la capa de ozono también se ha detectado en elÁrtico, aunque ahí no se ha formado un agujero.

El ozono en la tropósfera es un contaminante de graves efectos: En concentracionesbajas produce irritación ocular, pero en niveles altos edema pulmonar, hemorragias eincluso la muerte.

Además no solo afecta a los seres humanos y animales, también las plantas reducensu proceso fotosintético y los cultivos se dañan.

Inversión térmica

El fenómeno de inversión térmica se presenta cuando en las noches despejadas el sueloha perdido calor por radiación, las capas de aire cercanas a él se enfrían más rápido quelas capas superiores de aire lo cual provoca que se genere un gradiente positivo detemperatura con la altitud (lo que es un fenómeno contrario al que se presentanormalmente, la temperatura de la troposfera disminuye con la altitud). Esto provocaque la capa de aire caliente quede atrapada entre las 2 capas de aire frío sin podercircular, ya que la presencia de la capa de aire frío cerca del suelo le da gran estabilidada la atmósfera porque prácticamente no hay convección térmica, ni fenómenos detransporte y difusión de gases y esto hace que disminuya la velocidad de mezcladovertical entre la región que hay entre las 2 capas frías de aire.

El fenómeno climatológico denominado inversión térmica se presentanormalmente en las mañanas frías sobre los valles de escasa circulación de aireen todos los ecosistemas terrestres. También se presenta este fenómeno en lascuencas cercanas a las laderas de las montañas en noches frías debido a que elaire frío de las laderas desplaza al aire caliente de la cuenca provocando elgradiente positivo de temperatura. Cuando se emiten contaminantes al aire encondiciones de inversión térmica, se acumulan (aumenta su concentración)debido a que los fenómenos de transporte y difusión de los contaminantesocurren demasiado lentos, provocando graves episodios de contaminaciónatmosférica de consecuencias graves para la salud de los seres vivos.La inversión térmica es un fenómeno peligroso para la vida cuando haycontaminación porque al comprimir la capa de aire frío a los contaminantescontra el suelo la concentración de los gases tóxicos puede llegar hasta equivalera 14 veces más. Generalmente, la inversión térmica se termina (rompe) cuandose calienta el suelo y vuelve a emitir calor lo cual restablece la circulación normalen la troposfera.

La inversión térmica es un fenómeno atmosférico que se da principalmente en invierno ydurante días de poco viento en las grandes ciudades; se origina por la diferencia detemperatura de dos masas de aire diferente. Se produce porque el aire frío, que es másdenso, queda atrapado bajo una capa de aire caliente (más liviano).Ese aire frío, atrapalas partículas suspendidas de la atmósfera cerca de la superficie, y al no poder moverseesa masa de aire pesado, pues dichas partículas no escapan a la atmósfera superior.Conforme la luz solar empieza a calentar la capa de aire frío, llega un momento en que lasmoléculas de este aire igualan en temperatura a las moléculas de la capa de aire cálido,por lo que se rompe la inversión térmica, pues desaparecen las capas de aire de diferenteTemperatura También una inversión térmica puede romperse ante la presencia de unviento importante. Su relación con la contaminación atmosférica es directa y muy alta,pues como se menciono anteriormente, las partículas producidas por la quema decombustibles quedan bajo la capa de aire frío.

Efecto invernadero

Gases tales como el bióxido de carbono (CO2), metano (CH4), vapor de agua (H2O), losclorofluocarbonos (CFC) y otros gases trazas presentes en la atmósfera, producen lo quese conoce como efecto invernadero. Estos gases “permiten que los rayos solares (luzvisible) entren y calienten la superficie de la Tierra. Pero cuando ésta trata de devolver elcalor (energía infrarroja) al espacio, la energía queda atrapada por las moléculas de esosgases”.

Los gases que participan en el efecto invernadero son componentes normales de laatmósfera, el problema se debe a las actividades humanas que han aumentado laconcentración de estos gases. Esto trae como consecuencia el calentamiento global, quese define como “el incremento de la temperatura promedio en la superficie de la Tierradebido al incremento de gases de invernadero”.

El CO2 producido por procesosnaturales como la respiración humana yla descomposición de materia orgánica,siempre han formado parte del ciclo delcarbono, el problema está en que lasactividades industriales generan CO2provocando que la concentración deeste gas aumente en la atmósfera. LosCFC, el metano y otros gases presentesen concentración mucho más baja queel CO2, tienen una capacidad mayorpara captar el calor generado por laTierra.Los efectos del calentamiento globalserían desastrosos.Ejemplos:

El calentamiento global puede provocarcambios en la vida de organismospatógenos, por lo que las enfermedadesse propagarían con más facilidad

Incremento de incendios forestales.

Periodos de sequía prolongadospor lo que los cultivos se veránseriamente afectados.

La fusión parcial del hielo de los polostraería como consecuencia lainundación de las ciudades costeras yzonas bajas de los países.

Lluvia ácida

La lluvia ácida es un fenómeno que consiste enprecipitaciones acuosas con pH menor a 5.5.Esta acidez se debe a la presencia de doscomponentes principalmente:Ácido sulfúrico (H2SO4) que se forma a partirde SO2 (dióxido de azufre) y SO3 (trióxido deazufre).Ácido nítrico (HNO3) que se forma a partir delNO (monóxido de nitrógeno) y NO2 (dióxido denitrógeno).

Los efectos de la lluvia ácida son devastadores para los sistemas vivos y produce otros graves efectos, porejemplo:

o Corrosión de estructura metálicas.o Reacciona con el mármol (CaCO3) dañándolo seriamente.o Ataca tejidos sintéticos.o Provoca la liberación de iones Al 3+ en el suelo, lo cual disminuye la productividad vegetal.

Los efectos de la lluvia ácida se handejado sentir en diversas partes delmundo. Según estimaciones recientes,Europa central presenta regionesseriamente afectadas por la lluvia ácida.

Se afirma que aún cuando se tomaranmedidas drásticas para frenar laemisión industrial y de automóviles decontaminantes precursores de la lluviaácida, los efectos de ésta serán muyserios hacia el año 2010, como semuestra en el mapa. Las manchas rojasson las zonas que se predice estarándañadas

CONTAMINACIÓN DEL AGUA

El término hidrósfera, se refiere al agua terrestre contenida en su mayoría en el mar, peroconsiderando ríos, lagos, lagunas y aguas subterráneas.El agua se clasifica como un recurso renovable ya que ésta se regenera mediante el ciclodel agua, pero lamentablemente el problema de la contaminación del agua aumentarápidamente, por lo que disminuye la cantidad de agua disponible para su uso. Esnecesario tomar conciencia de la gravedad de este problema y proponer solucionesviables que permitan que este recurso sea suficiente para satisfacer las necesidadeshumanas.El mal uso del agua, ha dado como resultado que está se contamine. Podemos dividir lasfuentes de la contaminación del agua en dos grandes grupos:

Uso urbano Uso industrial

Uso urbano

Aquí se incluyen loscontaminantes que provienen denuestro hogar, tales como lamateria fecal, los detergentes,basura sólida y desechos líquidos,además de considerar el agua delluvia que recoge una grancantidad de contaminantes. Latabla nos muestra los ingredientestóxicos en productos de usocomún que contaminan el agua.

Ingredientes tóxicos en productos de uso común

La basura sólida constituyetambién un serio problema en lacontaminación del agua. Lasgrandes toneladas de basuraque se producen, generalmenteson almacenadas en vertederos,los cuales en ocasiones, seencuentras cerca de ríos, lagos eincluso mares, los que ocasionaque al llover o subir la marea, labasura sea arrastradacontaminando el agua de dichaszonas.

Uso industrial

Las actividades de las numerosasindustrias de los países, son una fuenteimportante de los contaminantes delagua.Por ejemplo la lluvia ácida que cae enlagos y ríos impide que plantas yanimales mueran a causa de que el pHde su entorno sea igual e incluso menora 4.5.Este tipo de contaminación esprovocada por el agua que se arroja alsistema urbano de drenaje odirectamente a ríos, lagos, mares, etc.Las principales industriascontaminantes son:

Un tipo de contaminantes arrojados por las diversas industrias son los aceites, lagasolina y el petróleo. Estás sustancias son insolubles en el agua por lo que lacontaminación con este tipo de sustancias forma una película sobre el agua. Esteproblema también tiene un aspecto de la contaminación urbana, ya que el aceite decocina que se utiliza se echa directamente al drenaje, aumentando así la gravedad deeste problema.El derrame de petróleo en el mar, se produce cuando los barcos que los transportannaufragan o encallan en la playa y representa un serio problema ya que afectagravemente la fauna y flora acuática.Algunos contaminantes conocido como degradables o biodegradables, se descomponengradualmente mediante proceso bioquímicos. Estos proceso son efectuados porbacterias y microorganismos presenten en el agua, que utilizan dichos contaminantescomo alimento. Pero estos procesos tienen ciertos límites, si el número decontaminantes es muy elevado la cantidad de oxígeno disponible para los organismosaerobios puede ser insuficiente. Los productos de la degradación aerobia son bióxido decarbono, agua y algunos iones que no son biodegradables.

Las siguientes reacciones químicas se llevan a cabo en los procesos aerobios:

A pesar de que la cantidad de oxígeno disuelto en el agua sea insuficiente enel agua, se puede continuar la degradación de la materia orgánica medianteun proceso anaeróbico. En este proceso los productos son diferentes. En elsiguiente recuadro se muestra un ejemplo.

Lamentablemente no todos los compuestos orgánicos son biodegradables, losinsecticidas, plaguicidas y los detergentes son solo algunos ejemplos de productosque no se degradan o lo hacen muy lentamente.

Es muy importante tomar conciencia de lo que nosotros podemos hacer paraabatir o detener esta contaminación. La resolución del problema de lacontaminación no corresponde únicamente al gobierno, es un problema de todosy nos corresponde buscar medidas en las que podamos apoyar desde nuestra casay cooperar en las propuestas del gobierno para detener el problema de lacontaminación ambiental.

MANEJO DE DESECHOS INDUSTRIALES

Se denomina “Gestión de Residuos” al conjunto de operaciones que incluyen el manejode los residuos desde su generación hasta su depósito o tratamiento final. Para ello, seemplea el modo más adecuado desde el punto de vista ambiental y sanitario; tambiénse tienen en cuenta las características de volumen, procedencia, coste de tratamiento yposibilidades de recuperación y comercialización, que se indican en la norma vigenteen cada momento.

La Gestión integral de los residuos está constituida por una serie de fases:

1. Generación de residuos a todos losniveles de la cadena.2. Manipulación de los residuos yseparación.3. Almacenamiento en el origen.4. Recogida planificada y ajustada.5. Transferencia y transporte.6. Separación, procesamiento de losResiduos Sólidos Urbanos (RSU).7. Transformación de los RSU pordiferentes procesos (compostaje eincineración).8. Evacuación segura tanto desde elpunto sanitario como ambiental.

En los últimos 100 años, la jerarquía de la Gestión de Residuos evolucionó de formaconsiderable. Así, se puede observar cómo los procesos de Gestión de Residuos pasaronde unas preferencias iniciales,…- Vertido en tierra.– Vertido en agua.– Enterramiento.– Alimentación animal.– Incineración.

…a otras más acordes con los nuevos tiempos actuales:- Reducción en origen (minimización).– Reciclaje y reutilización (incluido el compostaje).– Incineración con recuperación de energía.– Incineración sin recuperación de energía.– Vertido.