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TEMA 1 INTRODUCCIÓN Y FENÓMENOS DE DISPERSIÓN Y TRANSPORTE DE CONTAMINANTES Conoce los fundamentos básicos respecto de la problemá4ca de la contaminación atmosférica, su origen y las causas que lo generan, tales como sustancias contaminantes, focos emisores, procesos y técnicas industriales, y la legislación nacional en cuanto a la calidad del aire. Conoce el concepto de dispersión de contaminantes y su importancia en la contaminación atmosférica para es4mar la dispersión y transporte de contaminantes empleando modelos de caja y gaussiano. 1. CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA 1.- Caracterís4cas de la atmósfera.
ATMÓSFERA Es la capa gaseosa que rodea toda la superficie del planeta, la atmósfera tiene un espesor de unos 2000km aproximadamente, aunque el 75% de su masa se concentra en los primeros 11km, a pesar de ser tan delgada no es uniforme en todo su volumen, si no que se encuentra en capas con distinta composición y propiedades físicas incluidos en los procesos biológicos y Geoquímicos, las radiaciones procedentes del sol o la atracción gravitatoria de la tierra La temperatura desciende a razón de 6.6°C por Km 80% de O3, con una altura de 25Km, CC = 10ppm Contaminación del aire Introducción Problema desde época prehistórica.
Industrialización en el siglo XVIII 1957 Conferencia Milán 1965 OPS OPS creó en 1967 la Red Panamericana de Muestreo Normalizado de la Contaminación del Aire (REDPANAIRE). REDPANAIRE comenzó con ocho estaciones y hacia fines de 1973, ya contaba con un total de 88 estaciones distribuidas en 26 ciudades de 14 países Durante la década de los noventa, la OMS organizó el Sistema de Información sobre la Gestión de la Calidad del Aire (AMIS por sus siglas en inglés).
Agenda 21 de la Conferencia de las Naciones Unidas sobre Medio Ambiente y Desarrollo, realizada en 1992 Gas Volumen (%) Nitrógeno (N2) 78,084 Oxígeno (O2) 20,946 Argón (Ar) 0,9340 Dióxido de carbono (CO2) 0,035 Neón (Ne) 0,001818 Helio (He) 0,000524 Metano (CH4) 0,000179 Kriptón (Kr) 0,000114 Hidrógeno (H2) 0,000055 Óxido nitroso (N2O) 0,00003 Monóxido de carbono (CO) 0,00001 Xenón (Xe) 0,000009 Ozono (O3) 0 a 7×10 6 Dióxido de nitrógeno (NO2) 0,000002 Yodo (I2) 0,000001 Amoníaco (NH3) Trazas Mezcla de gases que constituyen la atmósfera terrestre. Indispensable para la vida. Contaminantes primarios generalidades Gases o partículas emitidas directamente de la fuente.
Los daños causados en el ser humano debido a la contaminación del aire, es la razón principal para entender y controlar las emisiones. Sistema respiratorio humano. Oxides of nitrogen (NOx) Carbon monoxide (CO) Sulfur dioxide (SO2) Volatile organic compounds (VOC) Particulate matter (PM, aerosols) Hazardous organic compounds Other primary pollutants (metals) Óxidos de nitrógeno NOx: nitric oxide (NO) + nitrogen dioxide (NO2) N2 + O2 -> 2NO Se forman por la presencia de nitrógeno en los combustibles. Por emisiones de NO3H de procesos industriales. Un estimado de las emisiones de NOx: 90-95% como NO, 5- 10% as NO2.
(1) Thermal NOx: generado del nitrógeno atmosférico (2) Fuel NOx: generado a partir de N de combustibles. Oxido nitroso (N2O) Gas incoloro e inoloro Precursor de ozono troposférico (O3), ácido nítrico (HNO3) y nitrato particulado (NO3-) Principales fuentes de emisión: combustión de combustibles fósiles, quema de biomasa, denitrificación de suelos y plantas. Radio de emisión: En la baja tropósfera de 6 µg m-3 en zonas urbanas. Muy en la mañana de 120 µg m-3 No tiene efectos en la salud humana al estar en las concentraciones de radio de emission.
Dióxido de nitrógeno (NO2) Gas color café con un olor fuerte Intermediario entre el NO y el O3 Precursor de ácido nítrico Principales fuentes: combustibles fósiles, biomasa, fotólisis. Radio de emisión: en zonas urbanas de 120 - 420 µg m-3 , prevalence durante la media mañana. Al exponerse a emisiones mayors a las del radio de emission produce daños en los pulmones y produce infecciones respiratorias. Monóxido de carbono Gas sin olor, sabor y color. Sus principales fuentes son: la combustión incompleta, incendios, quema de biomasa, calentadores con carbón o gas y el cigarrillo.
Radio de emisión: aire urbano, 2 - 12 mg m-3 túneles con tráfico, 115 mg m-3 Efectos en la salud: Exposiciones a 340 mg m-3 por una hora à Dolores de cabeza Exposiciones a 800 mg m-3 por una hora à MUERTE Monóxido de carbono COHb PCO ------- = M .
------- O2Hb PO2 PCO, PO2; partial pressures of CO and O2 in the inhaled air M: constant, 240 for human blood The quantity of COHb in the blood is a function of the concentration of CO in the breathed air La concentración normal en los seres humanos de COHb es de 0,5% Efectos en la salud producidos por CO % of blood hemoglobin converted to COHb Effects 2.5 – 3.0 Disminución de la función cardíaca en personas con deterioro 4.0 – 6.0 Deficiencias visuales, reducción de la capacidad de trabajo 3.0 – 8.0 Valores de rutina en fumadores 10.0 – 20.0 Dificultad para respirar por el esfuerzo, visión anormal, daño potencial a los fetos 20.0 – 30.0 Dolores de cabeza severos, náuseas 30.0 – 40.0 Músculos débiles, náuseas, vómitos, oscurecimiento de la visión, dolores de cabeza severos 50.0 – 60.0 Desmayo, convulsión, coma 60.0 – 70.0 Coma, depresión de la actividad cardíaca y la respiración > 70.0 Fatal Dióxido de azufre Gas sin color Tiene sabor a partir de concentraciones mayores a 780 µg m-3 Precursor del ácido sulfúrico (H2SO4) Oxidación del azufre.
S + O2 -> SO2 Disminuye el pH del agua. Como material particulado reducen la visibilidad. Radio de emisión: aire contaminado, 3 - 80 µg m-3 Efectos en la salud. Exposiciones a largo tiempo se asocian a discapacidades en el funcionamiento del pulmón. Compuestos orgánicos volátiles This definition may subsequently change (EPA, 1997): Cualquier compuesto que contenga carbono, excluyendo el monóxido de carbono, ácido carbónico, carbonatos ácidos y amonio carbonatado; los cuales participan en reacciones fotoquímicas atmosféricas Algunos son cancerígenos Forman ozono troposférico Participan en la formación de aerosoles secundarios Contribuyen al calentamiento global.
Principales fuente: combustibles fósiles, solventes, refrigerantes, vegetación e industrias Comportamiento COV´s Material particulado Terminología (NARSTO, 2003) Material particulado en suspensión (PM): Todo material no gaseoso (líquido o sólido) que, teniendo en cuenta su pequeña tasa de sedimentación gravitacional, permanece suspendido en la atmósfera durante períodos apreciables de tiempo Aerosol: Una mezcla de PM suspendido y su medio de suspensión gaseoso Partículas ultrafinas: partículas con diámetros inferiores a 0,1 μm Partículas finas: partículas con diámetros inferiores a 2,5 μm Coarse particles: particles between 2.5 and 10 µm PM10: the mass concentration of particles smaller than 10 µm Primary PM: PM emitted directly to the atmosphere in solid or liquid Secondary PM: PM formed in the atmosphere through condensation/deposition of gaseous precursors Composición PM Efectos en la salud (PM) Pulmón negro Se estima que de 2,7 millones de personas que mueren al año por la contaminación del aire, 1,8 millones mueren por PM.
Exposiciones a largo plazo a 5 µg m-3 de PM2.5 a nivel del suelo, da como resultado problemas cardiovasculares. Contaminantes secundarios Formados química o físicamente en el aire Los principales son: Ozono (O3) Aerosoles secundarios Ozono (O3) Gas incoloro Tiene olor cuando su concentración aumenta a más de 40 µg m-3 Oxidante fuerte. A nivel estratosférico absorbe las radiaciones UV.
Ozono (O3) No es emitido Proviene de los COV´s y Nox Transporte Convectivo Mixing ratios in the troposphere (Jacobson, 2002): 40 – 80 µg m-3, near sea level 60 – 140 µg m-3, higher altitudes 20 (night) – 1000 µg m-3 (during afternoon in the most polluted cities world wide) Typically 290 µg m-3 (during moderately polluted afternoon) Peak O3 mixing ratio in the stratosphere: 19600 µg m-3 Efectos en la salud (O3) 290 µg m-3 à headaches Ø > 490 µg m-3 à chest pain Ø > 590 µg m-3 à sore throat and cough Ø > 190 µg m-3 à affects animals increasing their susceptibility to bacterial infection Disminuye la función pulmonar de las personas que ejercen constantemente durante más de una hora mientras están expuestas a concentraciones superiores a 590 μg m-3 Interfiere con el crecimiento de plantas y árboles Aumenta el estrés de las plantas y los árboles y su susceptibilidad a enfermedades, infestaciones y muertes Deterioro de materiales orgánicos, tales como cauchos, tintes textiles y fibras, algunas pinturas y recubrimientos Comportamiento de contaminantes en DMQ Comportamiento de contaminantes en DMQ Comportamiento de contaminantes en DMQ PM 2.5 - Centro 2004 0 20 40 60 80 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Horas (ug/m3) Lunes Martes Miercoles Jueves Viernes Sàbado Domingo Comportamiento de contaminantes en DMQ Capas de la atmósfera Tropósfera.
Es la zona de las nubes y los fenómenos climáticos Estratósfera. los vientos horizontales llegan a alcanzar frecuentemente los 200 km/h. (0°C) Mesósfera. Es importante por la ionización y las reacciones químicas que ocurren en ella. Termósfera. Tiene una gran influencia sobre la propagación de las señales de radio. Ciclo de la contaminación del aire Fuente (antropogénica y natural) Transporte (aire, topografía y geografía) Difusión (turbulencia, modelado ambiental) Transformación (química atmosférica) Procesos de remoción (deposición seca y húmeda) Efectos (salud, materiales, naturaleza) Presión atmosférica Es la fuerza que ejerce el aire atmosférico sobre la superficie terrestre.
Debemos considerar. Es que todo cuerpo genera una presión, pero esta presión que ejerce depende de su estado (sólido, líquido o gaseoso). – Los sólidos generan presión solo hacia abajo – Los líquidos generan presión hacia todos sus costados y hacia abajo – Los gases generan presión por todo su derredor; o sea, hacia arriba, hacia todos sus costados y hacia abajo, por la propiedad más importante que los caracteriza: tienden a ocupar todo el espacio que los contiene.
Presión P = atmospheric pressure z = altitude ρ = density of air g = acceleration due to gravity g z P r - = ¶ ¶ Value Unit 101.325 kPa 1 013.25 hPa 101 325 N m-2, Pa 1.01325 b 1 013.25 mb 760 mm Hg 10.33 m H2O Presión standard a nivel del mar Caída de la presión según la altura Flujo Másico. Es la velocidad a la que la masa de una sustancia pasa a través de una superficie dada. De manerasimilar, el flujo volumétrico es la velocidad a la que el volumen de un líquido pasa a través de unasuperficie dada.
= Q x Flujo másico = Caudal x Densidad FUENTES DE CONTAMINACIÓN DEL AIRE Naturales: Polvo Humo Pulverización de agua marina Gases sulfurosos Polen Incendios forestales Debidas a la actividad humana: Combustión Generación de Energía y Vapores Humos negros Gases: SO2, SO3, CO HCL, NO FUENTES DE CONTAMINACIÓN DEL AIRE Emisiones de vehículos – CO – Hidroxicarbonos – Oxidos de nitrógeno Procesos de calentamiento y cocción – Polvos y humos – Gases: SO2, H2S, HF, SiF4 – Procesos de fundición.
– Manufactura de: Acero Coque Cal Cementos Cerámicas Minería y Canteras Polvo de las extracciones Humos de los vertidos FUENTES DE CONTAMINACIÓN DEL AIRE Actividades con olores nocivos – Despojos de animales – Sangre seca – Preparación de comidas – Cocción de pescados – Pegamentos – Procesos químicos – Polvos y humos No tóxicos Tóxicos: Be, Pb, As, Cd – Gases: HCl, SO2, SO3, NO2, HF, H2S Fuentes naturales La naturaleza es un agente emisor más importante que el ser humano y sus actividades El porcentaje de las emisiones totales causado por la naturaleza supera con franca ventaja al porcentaje de origen antropogénico.
1) Los Fenómenos Geo-Químicos (erupciones volcánicas) 2) El Polvo y la Erosión 3) Los Fenómenos Biológicos (la descomposición de la materia orgánica) 4) Los Fenómenos Atmosféricos Fuentes antropogénicas Pueden clasificarse de acuerdo a su movilidad en fijas o estacionarias (fábricas), de área (calefactores) y móviles (vehículos). – Fuentes fijas. Todas aquella instalaciones establecidas permanentemente en un solo lugar y que debido la naturaleza de las actividades que en ellas se realizan, descargan contaminantes a la atmósfera. – Fuentes de área. Son en su mayoría fuentes fijas, pero que son muy pequeñas en términos de la cantidad de emisiones que producen, y muy numerosas.
– Fuentes móviles. Son los vehículos automotores que circulan por las carreteras públicas y que en función del tipo de motor que poseen pueden ser clasificadas en dos categorías: 1. Vehículos con motor de ignición con chispa o comúnmente llamados con motor a gasolina. 2. Vehículos con motor de auto ignición o comúnmente llamados con motor a diesel, Ambos tipos de vehículo operan bajo principios de funcionamiento diferentes descargando por lo tanto emisiones con características distintas como se verá a continuación en más detalle.
MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA COMBUSTIÓN La combustión se puede definir como la relación química entre un comburente y un combustible (aire/combustible), esta relación produce un desprendimiento de calor. Los combustibles fósiles que están formados por una mezcla de diferentes hidrocarburos, luego del proceso de combustión generan principalmente CO2 y vapor de agua C" H$ + n + $ ' O) = n CO) + $ ) H)O CnHm: Es el combustible utilizado (n + m/4) O2: Cantidad de oxigeno estequiometricamente necesario para la combustión completa. nCO2: Cantidad de Dióxido de Carbono m/2 H2O: Vapor de agua Smog tipo Londres o industrial Producido por hollín y azufre.
neblina de color marrón amarillento a nivel del suelo. Combustión de carbón. Dióxido de azufre (SO2), pequeñas gotas de ácido sulfúrico (H2SO4) o partículas de sulfato. Smog fotoquímico Atmósfera de un color plomo o negro.
Durante el día el dióxido de nitrógeno se disocia en monóxido de nitrógeno y radicales oxígeno: NO2 + hν NO + O El O· se combina con oxígeno molecular generando ozono: – O· + O2 O3 En ausencia de COVs este ozono oxida al monóxido de nitrógeno de la etapa anterior: – O3 + NO O2 + NO2 Pero en presencia de COVs, éstos se transforman en radicales peroxi que a su vez oxidan al NO: ROO· + NO RO· + NO2 La formación del HNO3 se produce al final del día por reacción del NO2 con radicales oxhidrilo NO2 + OH· HNO3 Durante la noche los radicales OH· pueden reaccionar con el NO dando ácido nitroso, que se disocia en presencia de luz, pero es estable durante la noche. OH· + NO HONO HONO + hν OH· + NO