Procesos para la eliminación de contaminantes




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títuloProcesos para la eliminación de contaminantes
fecha de publicación21.10.2016
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PROCESOS PARA LA ELIMINACIÓN DE CONTAMINANTES

A LA ATMÓSFERA

E. Rico A., M. Coronado M. y M Maubert F*

Academia de Ingeniería Ambiental.

ESIQIE – IPN. U. Profesional.

Zacatenco, México, D. F.

ericoarzQyahoo.com.


INTRODUCCIÓN.

Uno de los contaminantes más importante en las atmósferas urbanas es el SO2, proveniente fundamentalmente de la quema de combustibles fósiles para la generación de energía. En el caso de los carbonos en las plantas de energía los niveles de azufre alcanzan el 5% peso. Otra de las fuentes que mayor contribuyen con este compuesto son los combustibles líquidos, que en las grandes ciudades latinoamericanas sus niveles son entre 500 – 1500 ppm en el diesel, que al ser quemados son lanzados a la atmósfera en forma de SOx .
Conforme aumenta la concentración de azufre en los combustibles, las emisiones de los contaminantes también se incrementan de una manera considerable; lo que trae como consecuencia una mayor formación de los contaminantes secundarios atmosféricos. De gran importancia es la generación de partículas suspendidas respirables PM10 μm y menores, y las partículas PM2.5 μm y menores, que llegan directamente a los alveolos pulmonares. Por lo que el O3 y las partículas son en la actualidad los contaminantes que constituyen un mayor riesgo para la salud, debido a la magnitud de sus concentraciones en el aire y a la alta frecuencia con que exceden los límites máximos permisibles. Por esta razón, es de gran importancia la reducción de los niveles de O3 y de PM10 y PM2.5.
Metales en la atmósfera
El aire de las zonas metropolitanas latinoamericanas, frecuentemente se encuentra contaminadas con cientos de componentes orgánicos volátiles, metales y otras sustancias que podrían incrementar potencialmente el riesgo de cáncer y otros efectos sistémicos a la salud. Una gran cantidad de metales se encuentran presentes en la atmósfera (fig. 1), entre ellos destaca el Pb, altamente tóxico con probabilidades de causar daños centrales, convulsiones, desordenes en el comportamiento y en algunos casos la muerte, la procedencia en la Zona Metropolitana de la Ciudad de México (ZMCM) lo más probable es que sea de procesos industriales; esto debido a que en Septiembre de 1986 se eliminó el tetraetilo de plomo (TEP) de las gasolinas mexicanas.

*Universidad Autónoma Metropolitana – Azcapotzalco.

Div. de Ciencias Básicas. Av. San Pablo Nº 52, D. F.



Fig. Nº 1.- Diferentes metales localizados en cinco sitios de monitoreo

de la ZMCM.
Compuestos orgánicos volátiles.
En la atmósfera de las grandes ciudades Latinoamericanas, se estima que los principales componentes tóxicos contaminantes que contribuyen en el desarrollo de cáncer son: el 1,3 butadieno, el formaldehído, el benceno, los hidrocarburos policíclicos aromáticos y las emisiones que se generan por el uso del diesel. Otros tóxicos no causan necesariamente cáncer pero están ligados con efectos respiratorios y neurológicos.
Las gasolinas mexicanas se producen bajo normatividad oficial, la cual hace referencia específica al benceno, su contenido no debe exceder en 1% en vol., al igual que la fracción aromática, ya que estas constituyen una amenaza mayor que los alifáticos a la salud humana.
Los componentes orgánicos son procedentes de diferente fuente, pero mayoritariamente de la quema de combustibles para producir energía (fig.2).Los principales combustibles que suministran energía a las fuentes móviles son: las gasolinas con el 35%, el gas LP el 18%, el diesel vehicular con el 9%.
La disminución de emisiones contaminantes de compuestos orgánicos, se logra a través de la tecnología (tab.1) de los convertidores catalíticos. Su efectividad en el control de hidrocarburos, permite la fabricación de autos de bajas emisiones a niveles de <0,04 g/milla, esto se aúna al sistema de control de combustible.
Tabla 1. Estándares de emisiones vehiculares en los EUA, durante dos décadas

.

año

HC

CO

NOx

hasta 1968

8.8

87

3.6

1975

1.5

15

3.1

1983+

0.41

3.4

1.0



Fig. 2. Modelo de regresión lineal para estimar el consumo energético en petajoules.
El control de las NOx a una velocidad especial muy grande.
La estrategia de usar metales del grupo del platino en los convertidores catalíticos, ha sido un factor importante en el controlo de emisiones de los NOx; sobre todo cuando los vehículos se desplazan a velocidades altas (de 90 Km/h se incrementa a 137.7 km/h), como resultado es un aumento en la concentración. de NOx, por lo que la combinación de Pd o Pt y Rh sobre superficie una catalítica, transforman estos compuestos en elementos N2 y O2.
En el aire el compuesto predominante es el nitrógeno. Las altas temperaturas en los procesos de combustión fomentan la formación de átomos de oxígeno que entran en reacciones en cadena:
O + N2 NO + N

N + O2 NO + O
Resultado del proceso:
O2 + N2 2NO
Lo anterior demuestra que es de gran interés el control de los óxidos de nitrógeno en las emisiones de los automóviles, debido a que, en gran medida son los responsables del smog fotoquímico. Se pueden controlar estas emisiones, bajando la concentración de oxígeno en los sistemas de combustión, aumentándose por consiguiente la concentración de CO. La presencia de estos gases contaminantes a la salida de las cámaras de combustión, obliga a la instalación de convertidores catalíticos de 3 vías, para su transformación:

Pt o Pd

y

Rh
HC H2O

CO CO2

NOX N2

Similar camino siguen otras impurezas.
Niveles de Contaminantes Atmosféricos.
La fuente más significativa de la contaminación antropogénica es la combustión de los combustibles, siendo los más significativos: el carbón y los hidrocarburos. Tomando en cuenta las consideraciones termodinámicas, los hidrocarburos se oxidan a CO2 y H2O, sin embargo una cantidad sustancial de carbono es parcialmente oxidada a CO y el carbón elemental remante es lanzado a la atmósfera como contaminante, los compuestos del carbón emitidos son una mezcla compleja, particularmente de compuestos producidos a elevadas temperaturas y algunos poseen propiedades carcinogénicas, tales como: los hidrocarburos policíclicos aromáticos (HPA’s), destacando en su producción los motores a diesel.
De esta manera el CO se convierte en el contaminante mayor en las atmósferas urbanas, su fuente principal de emisión son las flotas vehiculares ( tabla 2).
Tabla 2.- Emisiones de las diferentes fuentes de CO

en el Reino Unido y en la ZMCM.


Lugar

año

fuente

(%)

Reino Unido

1990

Transporte

Doméstica

Industrial

otras

90

4

5

1

ZMCM

1998

Transporte

Doméstica

Industrial

98

0.5

1.5



Las altas temperaturas en los proceso, favorecen la formación de CO, por lo que las consideraciones de equilibrio sugieren un incremento en la relación O2 - HC para favorecer la oxidación completa. Sin embargo, se han encontrado muchos hidrocarburos en los gases de escape de los automóviles, sobre todo las moléculas pequeñas, tales como: metano, etano (etileno) y etino (acetileno). La causa de las concentraciones de los hidrocarburos alcanza las 100 ppm. En la caso de los compuestos insaturados, son producto de la pirolisis en las cámaras de combustión. También se han analizado compuestos como: pentano, benceno, tolueno y xilenos contribuyentes importantes en la formación de O3.

Incineración e Impurezas en los Combustibles.
El azufre ha sido la impureza más importante en los combustibles y en algunos casos llega hasta el 6% en peso. La combustión produce su oxidación hasta dióxido de azufre, que es el contaminante típico de las áreas urbanas. Los combustibles gaseosos como el gas natural y el gas LP contienen bajas concentraciones de azufre, usualmente se emplea tert-butilmercaptano (ó 2-metil-2-propanatiol) como odorante en cantidades menores al 0.5 ppb.
Los metales también son considerados como impurezas en los combustibles. La concentración de los elementos metálicos, son trazas y es muy variable. Ciertos crudos del petróleo contienen concentraciones inferiores de 0.4 ppm hasta 1400 ppm. Se puede observar la concentración típica para los elementos traza, metálicos y no metálicos, en función del contenido en el suelo. La fig. 3 demuestra que esta podría ser otra vía de la presencia de metales en las atmósferas urbanas, procedentes de la quema de combustibles fósiles.
Estos metales, son más abundantes en el carbón que en el petróleo. La excepción manifiesta es el V, el cual se enriquece considerablemente en el petróleo, también el Ni y el Hg son favorecidos en este combustible. Los metales encontrados en el petróleo son en forma de porferinas (quelatos), con componentes de 4 ligandos órgano metálicos y sales de los ácidos carrboxílicos.



Fig. 3 Abundancia del carbón y del petróleo comparada con las

impurezas de la tierra.

La gráfica demuestra que los metales son transportados en fase vapor, depositándose en la superficie de las partículas pequeñas, las cuales son lanzadas a la atmósfera y fácilmente inhaladas, llegando a influir en la salud de los seres humanos. La presencia de algunos metales en los combustibles es de forma natural, otros, como es el caso del plomo son agregados a las gasolinas como antidetonantes, los cuales deben ser sustituidos por compuestos renovables, como el etanol o simplemente elaborar gasolinas reformuladas, como es el caso de California, EUA.
Mediante diferentes procesos los compuestos del azufre son eliminados de los combustibles, su presencia favorece las concentraciones de otros contaminantes: CO, HC y NOX; ya que los convertidores catalíticos sufren pérdida de actividad, debido a que las moléculas de azufre bloquean los centros activos donde se lleva a cabo la transformación de estos compuestos nocivos para el medio ambiente (Fig. 4).


100 300


Fig. 4. Efecto del nivel de azufre en el combustible sobre las emisiones vehiculares


Partículas Atmosféricas.
Las partículas en las atmósferas metropolitanas de las grandes ciudades de América Latina, son procedentes de diferentes fuentes, tanto naturales como antropogénicas. Son sólidas y líquidas y participan de una manera importante en la formación del smog fotoquímico. La característica más importante es su tamaño, ya que de ella depende su velocidad de asentamiento y por consiguiente su permanencia en el aire.
Hoy en día, en los diferentes centros urbanos latinoamericanos, se localizan las partículas atmosféricas PM10 y menores, que es la fracción respirable y las PM2.5 que llegan directamente a los alvéolos; bajo normatividad específica, con la cual se determina el riesgo ambiental. En virtud de que la mayor parte de las partículas en suspensión son las PM2.5 y menores se han establecido los procedimientos para su análisis, como es el caso de la ZMCM (fig. 5).



Fig. Nº 5. Partículas atmosféricas localizadas en diferentes centros de

monitoreo de la ZMCM.
Estas partículas fundamentalmente son: carbón; fracción orgánica; sulfatos y trazas de elementos provenientes mayoritariamente de los motores a diesel, su tamaño varía entre 0.1 µm y 1.0 µm. Las emisiones de este tipo de máquinas son 100 mayor que las impulsadas por los motores a gasolina. A temperaturas cercanas a los 500 ºC, sufren un proceso de de absorción y condensación, recubriendose de compuestos de alto peso molecular. Por eso resulta importante conocer su comportamiento en la atmósfera, debido a la influencia que tienen sobre la salud de los habitantes de las ciudades.
Se estudiaron dos sitios en la ZMCM: La Merced, denominado emisor (zona centro); El Pedregal, se le asignó la de receptor (zona suroeste). Los resultados muestran la presencia de 16 hidrocarburos policíclicos aromáticos (HPA) como se observa en la fig.6.Lo anterior demuestra la habilidad de estos contaminantes de trasladarse a largas distancias en la atmósfera. Por consiguiente, su presencia en el aire puede alterar el balance de calor atmosférico. Este tipo de partículas permanecen mucho tiempo en la troposfera; algunas con un tamaño de diámetro de 0.1 m y en especial los sulfatos que son núcleos de condensación, conformando gotas que pueden ser removidos por cualquier lluvia (fig. 7).



Fig 6. Concentración de los diferentes HPA en ng/m3.


Fig. Nº. 7. Tiempo de residencia de las partículas en la troposfera

La gran relación del área superficial con respecto al volumen de los aerosoles, incrementa de antemano las reacciones superficiales. En ella también permanecen los HPA, debido a que su desorción depende de la temperatura del proceso (Tabla 3). Lo anterior demuestra que es necesario atrapar estas partículas antes de ser lanzadas al aire o transformarlas en trampas catalíticas en compuestos menos agresivos para la salud: CO2 y H2O.
Tabla 3. Concentración de los HPAs en fase particulada (ng/m3) en diferentes Ciudades del

Mundo .


Compuesto

Londres, Ing.

Los Angeles, Cal.

C. México

BGP Benzopirileno

3.31

0.77

1.89

IND Indeno

1.57

0.29

2.39

BAP Benzopireno

1.43

0.14

1.14



Aunque las fuentes de los HPA son variadas, la distribución y los niveles encontrados de BEP, IND, y BAP sugieren que probablemente una de las mayores fuentes en estas áreas sea la vehicular.


El Ozono Troposferico.

Este contamínate secundario y las partículas en la mayor parte de las ciudades latinoamericanas se encuentran normados, para indicar la calidad del aire. En la ZMCM, la norma de protección con respecto al ozono (O3) se rebasa en 90% de los casos, tomando en cuenta la máxima concentración diaria en cualquiera de las estaciones de monitoreo. Este contaminante por lo regular se encuentra por encima de la norma de protección a la salud (0.11 ppm, 1 hora, una vez al año). Desde 1995, la concentración máxima diaria de toda la ZMCM, rebasa este valor en cerca del 88% de los días del año. La excepción a esta situación es el año 2004, donde ha disminuido hasta el 70%, atribuible a las condiciones atmosféricas que han sido atípicas (fig. 8).



Fig. 8. Concentraciones horarias promedio para diferentes años en la ZMCM.
El ozono es responsable de los efectos respiratorios en los humanos. Se forma por la acción de una serie de reacciones entre los contaminantes primarios: CO, NOx, SOx y PM en interacción con la luz solar, en especial con la de baja longitud de onda. Los datos demuestran que es indispensable disminuir las emisiones de estos contaminantes y se puede lograr por la aplicación de diferentes tecnologías: no utilizar máquinas de combustión interna que empleen carburador como sistema de alimentación de combustible; todas las fuentes móviles deben usar los sistemas catalíticos; eliminar de las gasolinas el Pb; bajar los niveles de azufre a por lo menos 50 ppm en los combustibles líquidos; migrar hacia el uso de combustibles alternativos gaseosos; procurar la producción de combustibles de la biomasa; fortalecer el transporte público de gran eficiencia y de bajas emisiones en las grandes concentraciones urbanas.

Conclusiones.
Contar con herramientas específicas para el mejoramiento de la calidad del aire de las zonas metropolitanas de Latinoamérica. Por lo que los tomadores de decisiones deben tener a su alcance la información certera, siendo necesaria la elaboración del inventario de emisiones en todas las ciudades.
Evaluar y dar seguimiento a los programas de prevención y control, así como a la implementación de nuevas tecnologías para el mejoramiento ambiental debido a que la salud de la mayoría de los habitantes de estas zonas demuestran una gran fragilidad, sobre todo los niños y los ancianos.
Como es bien sabido, se tienen normas que regulan los contaminantes criterio, tales como el CO2, NO2, NOx, PM10,. Sin embargo, existen otros contaminantes que también producen serios daños a la salud cuyas emisiones y concentraciones no están reguladas, tal es el caso de los Hidrocarburos Policíclicos Aromáticos (HPA), los cuales a pesar de haber sido estudiados ampliamente en otros lugares del mundo, en México constituyen un tema relativamente nuevo del cual se han realizado pocas investigaciones.
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