Problemas propuestos (Temas 1, 2 y 3)

Asignatura de Contaminación Atmosférica, 4º C.C.A.A.
Problemas propuestos (Temas 1, 2 y 3)
Tema 1.
1.1 Expresar el umbral de alerta de ozono en ppb’s.
1.2 Determinar a cuántos µg/m3 equivalen 25 ppmv de CO.
1.3 Estimar la densidad del aire a temperatura y presión ambiente (25ºC y 1 atm), suponiendo que está
constituido únicamente por un 78% de nitrógeno y un 22% de oxígeno.
1.4 Estimar a cuánto equivalen 350 unidades Dobson en ppb y en µg/m3, suponiendo que el ozono se
distribuyese homogéneamente en la estratosfera y que ésta se encontrase toda a ella a 0.01 atm de presión y 20ºC de temperatura
Tema 2.
2.1 Una ciudad tiene la siguiente descripción: W=5 Km, L=15 Km, u=3 m/s, H = 1000 m. La concentración de
fondo de monóxido de carbono es b=5 µg/m3. El índice de emisiones por unidad de área es q = 4 × 10-6 g s-1 m-2.
¿Cuál es la concentración de CO sobre la ciudad?
2.2 El 10 de Febrero de 2003, se tomaron las siguientes lecturas de concentración de CO en estaciones de
vigilancia de Sevilla:
Alcalá de Guadaira: 600 µg / m3
Parque de los Príncipes: 2200 µg / m3
Teniendo en cuenta que los vientos preferentes en Sevilla ciudad son de componente sur (valor anunciado para el
10 de Febrero: 1 MPH), y que la distancia de la dársena al cementerio es de 10 Km, hacer una estimación,
utilizando el modelo de celda fija estacionaria, de cuál es la cantidad de CO que se emite en Sevilla por metro
cuadrado y por segundo. Suponer que la altura de mezclado sobre la ciudad son 1000 m.
2.3 Para la ciudad del problema 2.1, las condiciones meteorológicas se presentan el 40% del tiempo. Durante el
60% restante, el viento sopla formando
ángulos rectos con la dirección que se muestra en la
figura con una velocidad de 6 m/s y la misma altura de
mezclado ¿Cuál es la concentración promedio anual
de CO en la ciudad?
H
40 %
60%
W
L
2.4 Una ciudad se encuentra situada a lo largo de un valle flanqueado por colinas de 350 metros de altitud media
y que provocan casi permanentemente una inversión térmica de origen topográfico. La climatología de la zona
incluye vientos dirigidos a lo largo del valle, de fuerza media 5 m/s durante las 12 horas de día y de dirección
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opuesta y fuerza media 1m/s durante las 12 horas nocturnas. La anchura media del valle es de 2500 metros y la
longitud de la zona poblada es de 7 km desde el inicio de la ciudad hasta el final de la misma. Conforme al
inventario de emisiones del ayuntamiento de la ciudad, la población emite 12 toneladas diarias de NOx a la
atmósfera y no especifica fuentes puntuales. Mediciones de la red de vigilancia dan valores medios diarios de 20
µg/m3 de este contaminante fuera del casco urbano y 195±30 µg/m3 en el interior. Comprueba si el dato de
emisiones ofrecido por el ayuntamiento es consistente con las mediciones de la red de vigilancia en el interior de
la ciudad.
2.5 Supongamos que el límite legal para concentración en aire de PM10 es 75 µg/m3 y que el valor obtenido
para una ciudad es de 190 µg/m3. Si la concentración de fondo es 20 µg/m3 ¿en qué porcentaje han de reducirse
las emisiones para cumplir la norma?
2.6 Una calle tiene 25 m de anchura, 1000 m de longitud y está bordeada por edificios que limitan la dispersión
de contaminantes a una altura de 100 m. Una tubería de gas natural (metano) se rompe y el gas se filtra a través
de las alcantarillas y los drenajes del suelo, emitiendo una cantidad igual a 4 g/(m2s). Si la velocidad del viento
es 0.5 m/s, ¿cuánto tarda en alcanzarse el límite de explosión (5.4 % en volumen para el metano)? Suponer que
la concentración de fondo, b, y la concentración inicial son cero.
2.7 Comprobar usando las expresiones de las diapositivas de teoría que el coeficiente de dispersión tiene
unidades de longitud
2.8 Comprueba que las concentraciones de los tres modelos de dispersión (3D, 2D y 1D) salen en unidades de
masa/volumen.
2.9 Una industria emite 20 g/s de SO2 a una altura H = 30 m. La velocidad del viento es 3 m/s. Los valores de
σy y σz a una distancia de 1 Km en la dirección del viento son 30 m y 20 m respectivamente. Estima las
concentraciones de SO2 a 1 Km de distancia de la base de la chimenea y
(1) A ras del suelo y en el eje del viento
(2) A 10 metros de altura y en el eje del viento
(3) A ras del suelo y a 10 metros de distancia del eje del viento
2.10 Repite los cálculos del problema 2.9 pero ahora suponiendo que el contaminante es monóxido de carbono.
2.11 Consideremos de nuevo el caso del problema 2.10 pero suponiendo que ahora existe una capa de inversión
a 100 metros de altura. Recalcula ahora las concentraciones suponiendo que se ha alcanzado el límite de
mezclado vertical. ¿Sale más o menos concentración?
2.12 Una industria emite 25 gramos por segundo de óxidos de nitrógeno y 250 gramos por segundo de CO. La
altura efectiva de la chimenea (H) es de 80 metros y la temperatura de emisión 60 ºC. Nos encontramos en un día
soleado con un viento de velocidad u = 5 m/s y una temperatura ambiente de 25ºC (clase de estabilidad
atmosférica: C).
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a) Estima la concentración de NOx en µg/m3 a ras de suelo y a una distancia de 1 km de la chimenea en la
dirección del viento.
b) Repite el cálculo en la misma posición para el CO pero teniendo en cuenta que este contaminante no es
absorbido por el suelo. Intenta resolver esta parte aprovechando el resultado obtenido en a) y con el mínimo de
operaciones.
c) El CO tiene un tiempo de vida media de 1 hora en aire. Teniendo en cuenta este dato, ¿en qué tanto por ciento
se reduciría la concentración de CO con respecto a lo calculado en el apartado anterior?
2.13 Determina la concentración de un contaminante, a ras del suelo y en el eje del viento, y a 4 km de distancia
de la base de la chimenea, con los siguientes datos:
Datos de la chimenea
Velocidad de salida de los gases: 12.2 m/s
Diámetro de la chimenea: 3.81 m
Altura (física) de chimenea: h = 68.58
Temperatura de salida de los gases: 394.3 K
Índice de emisión de contaminante: 47.25 g/s
Condiciones atmosféricas
Temperatura ambiente: 291.48 K
Velocidad del viento: 2.5 metros
Altura de mezclado: 3000 metros (en el caso de usar el 1D)
Presión: 1000 milibares
Estabilidad: B y F (hacer los cálculos para ambas y comparar)
Tipo de suelo: Urbano
Utiliza para ello todas las fórmulas, gráficas o tablas que puedas necesitar de las diapositivas o libros
especializados.
2.14 Reconsidera el caso planteado por el problema 2.9 pero teniendo en cuenta que el contaminante emitido no
es SO2, sino uno cuya concentración decae siguiendo una cinética de primer orden y cuyo tiempo de vida media
es 22 h ¿Cuál sería la concentración de contaminante en el problema 2.9 si tenemos en cuenta el efecto de la
cinética?
2.15 El domingo 3 de Diciembre a las 16:00 se medían 31 microgramos por metro cúbico de monóxido de
nitrógeno y 60 microgramos por metro cúbico de ozono en la estación de control de Torneo-La Cartuja. Escribe
las reacciones en las que están implicados estos contaminantes y estima cuál sería la concentración de dióxido de
nitrógeno que habría a esa hora y en ese lugar.
Datos: Constante cinética de fotodisociación del NO2: j = 0.533 min-1. Constante cinética de la oxidación del
NO: kNO = 2.2 × 10-12 exp(-1430/T) cm3 molec-1 s-1
2.16 Se estima que una fábrica de pinturas pierde 100 Kg de acetona al día debido a escapes, asunto que
preocupa a los habitantes de una población situada a 2 km de la fábrica. Teniendo en cuenta las dimensiones de
la fábrica, la temperatura de los escapes y las condiciones atmosféricas, se estima que la acetona se emite a una
altura efectiva de 100 metros.
a) Escribe las reacciones químicas que sufriría la acetona una vez emitida al aire, y menciona qué sustancias
se espera que se formen y detecten en las inmediaciones de la fábrica. ¿Cuándo se producirían dichas
reacciones, durante el día o durante la noche?
b) Estima qué concentración de acetona se medirá a ras de suelo en la población vecina cuando el viento
sople en la dirección de la población y durante la noche.
c) Repite el cálculo anterior pero a plena luz del día y con alto grado de insolación.
Datos: Constante cinética de fotodisociación de la acetona a nivel del mar: 3 10-6 s-1. Considera que la acetona
no es absorbida por el suelo.
2.17 Una planta de electrodeposición de cobre obtiene su energía de una planta adyacente de gas natural que
emite 10 gramos por segundo de NOx. Los gases se emiten a través de una chimenea de 25 metros de altura, a 7
m/s y a una temperatura de 200ºC. Ello hace que el ascenso vertical sea de 75 metros durante el día y de 10
metros durante la noche. Para un estudio de impacto ambiental interesa saber las concentraciones de NOx a ras
de suelo en el pueblo de Gerena, situado a 3 km en línea recta de la planta.
a) Estima la concentración de NOx en µg/m3 en Gerena suponiendo que existe un viento de 5 m/s que
sopla precisamente en la dirección del pueblo. Haz el cálculo tanto para el día (atmósfera inestable),
como para la noche (atmósfera estable)
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b) Durante el día el NO2 se fotodisocia dando NO. Si de los 10 gramos de NOx emitidos, 5 eran de NO2 y
5 de NO, ¿cuál sería la concentración diurna de NO y NO2 en µg/m3 que te piden en el apartado a)?
Datos: Constante cinética de fotodisociación del NO2: 0.533 min-1.
Tema 3.
3.1 Se estima que el tiempo de vida media de permanencia del CO en aire es de dos meses. Conforme a este
dato, a qué velocidad desaparece una determinada cantidad de CO emitida a la atmósfera como consecuencia de
las reacciones que sufre esta molécula. Suponer que la concentración inicial de CO es 45000 µg /m3
3.2 Escribe la ecuación de velocidad de la reacción: 2 NO(g) + O2(g) -> 2 NO2(g) suponiendo que esta reacción
es elemental. Si sabes que la constante de velocidad a 250 ºC, vale: k = 6,5 × 10 -3 mol-2L2s-1. Calcular la
velocidad de oxidación del NO, a dicha temperatura, cuando las concentraciones iniciales (mol/L) de los
reactivos son a) [NO] = 0,100 M y [O2] = 0,210 M , b) [NO] = 0,200 M; [O2] = 0,420 M
3.2 Una muestra de 4-heptanona fue irradiada con luz de 313 nm y potencia 50 W durante 100 segundos y se
produjeron a partir de ella y en ese tiempo 2.8x10-3 moles de etileno. Suponiendo que toda la luz fue absorbida
por la 4-heptanona, ¿cuál es el rendimiento cuántico de la formación de etileno?
3.4. Aplica la aproximación del estado estacionario para deducir la ley de velocidad de descomposición del
pentóxido de dinitrógeno: 2N2O5 → 4NO2 + O2. Utiliza para ello el mecanismo de reacción que aparece en las
diapositivas del Tema 3.
3.5 Si sabes que el mecanismo de la reacción de formación de yoduro de hidrógeno (H2 + I2 2HI) es
I2 2I
k1
2I I2
k2
2I + H2 2HI k3
Deduce la ecuación de velocidad de la ecuación global empleando la aproximación de estado estacionario.
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