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La atmósfera no es un sujeto pasivo de la contaminación, todos los fenómenos meteorológicos pueden jugar un papel importante en la evolución de los contaminantes en la atmósfera y, por lo tanto, algunos aspectos relacionados con estos fenómenos deben tenerse en cuenta. El viento, la humedad, la inversión y las precipitaciones tienen un papel importante en el aumento o disminución de la contaminación. El viento generalmente favorece la difusión de los contaminantes ya que desplaza las masas de aire en función de la presión y la temperatura. El efecto que puede causar el viento depende de los accidentes del terreno o incluso de la configuración de los edificios en las zonas urbanizadas.
Normalmente, la temperatura del aire disminuye con la distancia, de tal manera que en una atmósfera normal hay una disminución de 0.64 a 1 ºC cada 100 metros en la zona más próxima a la superficie de la tierra, llamada troposfera; por encima de ella la temperatura disminuye mas rápidamente. Este seria el radiante térmico normal, pero bajo determinadas condiciones orográficas y climatologicas este gradiente puede alterarse de tal manera que a una determinada altura la temperatura del aire es superior a la de una altura inferior. El problema que esto crea es impedir la dispersión vertical de los humos y de otros contaminantes enviados a la atmósfera por las industrias, calefacciones, motores de explosión, actividades urbanas etc.
Inversión térmica (caso A situación normal)
Las causas que determinan la aparición
de una inversión térmica son diversas, pero normalmente son causadas por
uno de los siguientes procesos q Superposición de masas de aire que se encuentran a diferentes temperaturas. Un ejemplo característico es el paso de un frente frío o cálido q
Alteración de una masa de aire que originalmente era homogénea,
modificándose la estructura vertical de los niveles bajos de la atmósfera.
Este caso es debido principalmente al enfriamiento de la superficie de la
tierra durante la noche. Por esto es frecuente la aparición de inversiones térmicas en el borde oriental de los anticiclones, es decir en la costa oeste de los continentes como Los Angeles. Santiago, Lisboa, El Cabo, presentan un alto numero de inversiones térmicas a lo largo del año, agravado por un alto índice de polución existentes en estas macrociudades. Por otro lado, las precipitaciones en forma de agua o nieve tienen un efecto de limpieza del aire, pero evidentemente los contaminantes pasan a los suelos o a las aguas. Así pues, el plomo provenientes de las gasolinas puede encontrarse, sobre todo, cerca de autopistas y carreteras.
Desde el descubrimiento
del fuego el hombre ha contaminado la atmósfera con gases perniciosos y
polvo. Cuando se empezó a utilizar el carbón como combustible en el
siglo XIX este problema comenzó a ser una preocupación general. El
aumento de consumo de los combustibles por la industria, por las grandes
concentraciones humanas en las áreas urbanas y por la aparición del
motor de explosión, ha empeorado el problema año tras año, debemos
tener en cuanta que la principal causa de contaminación atmosférica es
la producida por los motores de gasolina. Cualquier sustancia que añadida
a la atmósfera produzca un efecto apreciable sobre las personas o el
medio puede ser clasificado de contaminante, así pues las partículas en
suspensión o las especies radiactivas producida en los ensayos nucleares
están también incluidas. CONTAMINANTES GASEOSOS Los contaminantes gaseosos son, sin duda los que han merecido un estudio en profundidad. Existen infinidad de gases que se liberan a la atmósfera y que pueden ser calificados como contaminantes. Estos gases se pueden clasificar como derivados de sus elementos más característicos, así pues tenemos compuestos derivados del carbono, azufre, nitrógeno etc.
LOS COMPUESTOS GASEOSOS DEL CARBONO a) Los hidrocarburos El
principal gas de estas características que poluciona la atmósfera es el
metano. En un estudio realizado en la ciudad de Los Angeles entre 1970 y
1972 indico que en la contaminación por hidrocarburos el metano
representaba el 85% del total, los alcanos el 9%, los alquenos el 2.7%,
los alquinos el 1% y los aromáticos el 2.3 %. Los hidrocarburos presentan en general, una baja toxicidad, el problema principal que tiene, es la reactividad fotoquímica en presencia de la luz solar para dar compuestos oxidados. En este grupo se incluyen los alcoholes, aldehídos, cetonas, éteres, fenoles, esteres, peróxidos y ácidos orgánicos. La
principal causa de su presencia en el aire esta asociada a los automóviles,
aunque también pueden formarse por reacciones fotoquímicas en la propia
atmósfera. c) El monóxido de carbono Esta considerado como un peligroso gas asfixiante porque se combina fuertemente con la hemoglobina de la sangre reduciendo la oxigenación de los tejidos celulares. Se produce en la combustión incompleta del carbón y de sus compuestos, y una de sus principales fuentes de emisión son los automóviles, aunque también se produce en la naturaleza, fundamentalmente por la actividad de algas. d) El dióxido de carbono La mayor parte del CO2 se produce en la respiración de las biocenosis y, sobre todo, en las combustiones de productos fósiles ( petróleo y carbón ), el CO2 es un componente del aire es utilizado por los vegetales en la fotosíntesis. El nivel de CO2 en la atmósfera esta aumentando de modo alarmante durante los últimos decenios, debido el desarrollo industrial. Por otra parte se sabe que al aumentar la concentración de CO2 en la atmósfera aumenta la energía que queda en la tierra procedente del sol, y ello lo hace en forma de calor, este efecto se conoce como el efecto invernadero, es causado por la transparencia del CO2 , que por una parte permite pasar mejor la radiación solar y por otra provoca una mayor retención de la radiación IR emitida desde la tierra. LOS COMPUESTOS GASEOSOS DEL AZUFRE a) Los óxidos de azufre De los posibles óxidos de azufre que existen solo el dióxido y el trióxido son importantes contaminantes del aire. El SO3 se emite conjuntamente con el SO2 en una proporción del 1 a 5 % , pero se combina rápidamente con el vapor de agua para formar ácido sulfúrico El SO2 es un gas incoloro y de olor irritante, las emisiones de este gas provenientes principalmente de la combustión de petróleo y carbón, y de una manera especial de las calderas de calefacción y de las instalaciones industriales. b) Sulfuro de hidrógeno El sulfuro de hidrógeno es toxico y de olor característico a huevos podridos. Son emitidas a la atmósfera por fuentes contaminantes, principalmente de papeleras que lo utilizan para extraer celulosa de la madera. En la atmósfera el sulfuro de hidrógeno es oxidado a dióxido de azufre en pocas horas, aumentando el nivel de éste. LOS COMPUESTOS GASEOSOS DEL NITROGENO a) Oxidos de nitrógeno Los óxidos de nitrógenos incluyen los siguientes compuestos: oxido nitroso (N2O), oxido nítrico (NO), trióxido de nitrógeno (NO3), sesquióxido de nitrógeno ( N2O3), tetroxido de nitrógeno (N2O4) y pentoxido de nitrógeno (N2O5), también pueden encontrarse en el aire los correspondientes ácidos: el ácido nítrico ( HNO3) y el ácido nitroso (HNO2). De todos ellos son los tres primeros los que se encuentran en cantidades apreciables. El NO es producido por acción biológica y en los procesos de combustión. Es oxidado por acción del ozono para producir NO2 y el tiempo de residencia es de solo 5 días. El NO2 es uno de los contaminantes más peligrosos, en primer lugar por su carácter irritante y, en segundo lugar, porque se descompone por medio de la luz solar según la reacción: NO2 + hv = NO + O La formación de
oxigeno atómico, que es muy reactivo, convierte al oxigeno en ozono. b) Amoniaco El amoniaco (NH3) esta considerado un contaminante de poca importancia. Su presencia en la atmósfera se debe principalmente a la acción de las bacterias, el tiempo de residencia esta estimado en 7 días no conociéndose efectos dañinos para la salud. LOS GASES HALOGENADOS En este grupo se consideran los derivados del fluor, cloro y bromo. De todos ellos el cloro, el fluoruro, el cloruro de
hidrógeno, los freones, los pesticidas y los herbicidas halogenados son
los que se encuentran con mayor frecuencia. Los más peligrosos para el
medio ambiente, por sus efectos nocivos en animales y plantas, son los
herbicidas y plaguicidas, así como los fluoruros, que, a su vez, son
altamente corrosivos en presencia de vapor de agua. Por otra parte, los
freones deben tenerse en cuenta debido a su posible capacidad de destruir
la capa de ozono. EL OZONO El ozono (O3) se forma en la atmósfera a partir de la reacción entre el oxigeno molecular y el atómico por reacción fotoquímica catalizada por la luz solar. Cuando hay acumulación de este gas o bien de otros oxidantes, como peróxidos, en las capas bajas de la atmósfera se producen efectos nocivos para la salud: irritación en los ojos y membranas mucosas, la primera vez que se observó este fenómeno fue en Pasadena, un suburbio de los Angeles EEUU. METALES Algunos metales y sus derivados presentan valores suficientemente altos de presión de vapor y, por lo tanto, pueden existir como gases en la atmósfera. Un ejemplo típico es el mercurio, cuya emisión a la atmósfera se debe principalmente a los procesos de obtención del metal y, en segundo termino, a la combustión de fuel con un elevado contenido de mercurio. Otro ejemplo es el plomo, principalmente en forma de sus alquilderivados utilizados en las gasolinas y emitidos a la atmósfera por los motores de automóviles. PARTICULAS Y AEROSOL En una atmósfera urbana pueden identificarse partículas de diferentes características, polvo debido a la desintegración mecánica, con tamaño entre 0,1 y 0,5 micrones, humos que se forman por la condensación de vapores sobresaturados, por sublimación o bien producidas en las reacciones químicas, con un tamaño aproximado de 1 micrón, brumas formadas por la suspensión de goticulas procedentes de la condensación de gases o vapores sobre núcleos adecuados, el tamaño de estas partículas son aproximadamente de 10 micrones. Cada partícula es diferente en forma, tamaño y composición, al mismo tiempo tiene su historia particular si nos fijamos en su origen, crecimiento, interacción y desaparición. El proceso de generación de partículas y su posterior eliminación es continuo y depende de las especificas fuentes contaminantes, ya sean naturales o antropogónicas, interviniendo de manera importante la meteorología y la topografía de la zona en estudio. Al conjunto de partículas que pueden encontrarse en la atmósfera se conoce con el nombre de aerosol. El aerosol de las zonas urbanas contaminadas esta formado, generalmente, por polvo de sílice, no obstante otros compuestos químicos de diversa índole pueden encontrarse en la atmósfera en forma de aerosol; este es el caso de los sulfatos. Hay tres mecanismos
posibles por lo menos: a)
Fotooxidacion de SO2 en presencia de hidrocarburos
insaturados y NO2 b)
Oxidación de SO2 en presencia de gotas de agua
catalizada por iones metálicos c)
Oxidación catalítica de SO2 adsorbido en partículas sólidas También pueden
encontrarse en el aerosol metales contaminantes, el plomo, producido por
los aditivos añadidos a las gasolinas que utilizan los motores de los
automóviles, es uno de los más característicos. Otros metales como
cromo, cadmio, hierro, zinc, etc., también han sido determinados así
como diferentes aniones: cloruros, bromuros, nitratos, etc. Clasificación de los contaminantes atmosféricos más importantes y sus principales fuentes:
SINERGIAS ENTRE CONTAMINANTES
ATMOSFERICOS Los agentes contaminantes que se vierten a la atmósfera pueden reaccionar entre sí, al menos muchos de ellos, y dar lugar a compuestos de actividad más o menos intensa y de mayor o menor nocividad. Esta sinergia o aumento de la perturbación entre compuestos se agudiza sobre todo en las ciudades o en los polígonos de desarrollo industrial, lugares en los que las emisiones son diversas y los agentes se mezclan al difundirse en el aire. Las interacciones entre los productos vertidos a la atmósfera se deben a mecanismos de acción complejos, como pueden ser reacciones fotoquímicas, oxido reducción, catálisis, polimerización, etc. A titulo de orientación indicaremos los casos de sinergias más característicos:
MODELO DE DIFUSION DE LA CONTAMINACION ATMOSFERICA El
modelo se
basa en la resolución de las ecuaciones de difusión atmosférica con las
condiciones de contorno apropiadas a cada situación particular MODELO GAUSSIANO q
Suposición fundamental: La concentración de contaminantes
en la dirección del viento puede ser descrita utilizando una distribución
normal o de gauss. q
El modelo se aplica a una fuente puntual ( chimenea), pero
puede ser modificado para considerar fuentes lineales ( carretera,
motores), o fuentes superficiales ( que se modelen con un gran numero de
fuentes puntuales) Concepto del modelo
Donde: Z = Dirección vertical X = Distancia en dirección del viento H
= Altura efectiva El
modelo trata las emisiones como si se originaran virtualmente a lo largo
de la línea centro de la pluma. El modelo relaciona la concentración promedio en estado estacionario con la intensidad de la fuente; velocidad del viento; altura efectiva y condiciones atmosféricas. q La fuente emite un valor constante q La velocidad del viento es constante ( en tiempo y altura) q El contaminante es conservador ( no se descompone, reacciona o sedimenta) q El terreno es relativamente plano Sistema de coordenadas
Z = 0 : Interesante para receptores tipo personas y ecosistemas
Calidad del modelo Coeficientes de dispersión Gaussianos Tanto sigma Y como Z son en realidad las desviaciones estándares de las distribuciones horizontales y verticales respectivamente. Dependen de la distancia en la dirección del viento y de la estabilidad atmosférica. Hoy generalmente se adopta el procedimiento recomendado (para su calculo) por el servicio de salud publica de los EEUU. La siguiente tabla presenta valores necesarios para el calculo y que complementan las figuras anteriores.
En donde a : Velocidad medida a 10m sobre el nivel del suelo. b : Día claro de verano, sol 60º sobre el horizonte c : Día de verano con unas pocas nubes, o día claro con sol entre 30º - 60º sobre él horizonte. d : Tarde de otoño, o día nuboso en verano, o día claro en verano con sol 15º - 35º sobre el horizonte. e : Nubosidad medida como la fracción cubierta del cielo. f : Para condiciones A-B, B-C o C-D, promediar el valor obtenido para cada uno de ellos (en diagramas). Se utiliza la relación:
Valores recomendados por la EPA (Environmental Protection Agency, EEUU)
Para calcular analíticamente se proponen emplear las relaciones: Concentración a nivel del suelo en la dirección del viento Con Y = 0
Se han desarrollado curvas para determinar el peak máximo de concentración en la dirección del viento. Ellas emplean la clasificación de estabilidad y la altura efectiva como parámetros para encontrar la distancia para el máximo en concentración. Se obtiene un cuociente normalizado:
Altura de
subida de la pluma Modelo de Briggs (1972) recomendado por EPA. Considerando las fuerzas e empuje sobre una parcela de gas emitido, su temperatura, velocidad de salida y diámetro de chimenea resulta:
para condiciones estables y con vientos categorías E y F se recomienda: concentración en la dirección del viento y bajo una inversión de temperatura se recomienda la siguiente expresión:
TRATAMIENTO
DE LOS CONTAMINANTES ATMOSFERICOS TRATAMIENTOS DE GASES La absorción de los
gases en los líquidos es una de las técnicas mas utilizadas para
controlar la composición de los gases residuales en la atmósfera. En
general los gases residuales son mezclas de componentes gaseosos, algunos
de los cuales son solubles en una fase liquida seleccionada, la mayor
parte constituye un gas portador prácticamente insoluble. El contacto
directo del gas con el liquido hace que la transferencia de materia ocurra
entre las dos fases en direcciones controladas básicamente por los
gradientes de concentración de los componentes individuales. Los tipos de unidades de
absorción utilizados mas comúnmente son los siguientes: q Torre de relleno ( Sillas Bert, anillos Raschig, rejas de madera, etc.) q Torres de plato ( Campanas de burbujeo, platos perforados, etc. ) q Dispersión hidráulica ( Pulverización, ciclón, lavador tipo venturi ) q Dispersión mecánica ( Tanques agitados, lavador de Feld) q Lecho fluidizado ( Lecho turbulento de esferas huecas, bolas de vidrio) Gases típicos a separar por
absorción: q
H2S Principales soluciones
utilizadas como solventes: q H2O q H2O qNaOH q H2O q CaCO3 q H2O qCa(OH)2 q Entre otras
Concepto de la absorción
Relaciones de calculo más importantes:
TRATAMIENTO DE MATERIAL PARTICULADO Teoría de ciclones
Valores estándares en función de las dimensiones del ciclón
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Actualizado Noviembre 2000 |
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