tecnológico de estudios superiores del oriente del estado

TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DEL ORIENTE DEL ESTADO DE
MÉXICO
ACADEMIA DE INGENIERÍA AMBIENTAL
CUADERNILLO DE APOYO PARA LA ASIGNATURA DE:
CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA
PROFESOR: DAVID ROMERO FONSECA
LOS REYES LA PAZ A 20 DE FEBRERO DEL 2010
Índice
Página
I
Introducción
Capítulo 1. Conceptos básicos
1.1 La atmósfera
1
1.2 Fundamentos de meteorología
5
1.3 Estaciones meteorológicas
10
1.4 Los instrumentos meteorológicos
17
Capitulo 2. Contaminación de la atmósfera.
2.1 Concepto
23
2.2 Fuentes de contaminación
24
2.3 Tipos de contaminantes
27
2.4 Efectos de la contaminación en la salud humana
28
Capitulo
3.Transporte
y
dispersión
de
contaminantes
atmosféricos.
3.1 Conceptos básicos.
39
3.2 Circulación global de los contaminantes.
40
3.3 Características generales en las plumas en chimeneas.
42
3.4 Modelos de dispersión.
46
3.5 Características generales de las chimeneas
47
3.6. Cálculo de la altura efectiva de la chimenea
51
3.7 Efectos del tipo de fuente en la elevación de la pluma
55
Tipos de plumas
59
Capitulo 4 Monitoreo
4.1 Monitoreo en fuentes móviles y factores de emisión.
63
4.2 Monitoreo de emisiones
66
4.3 Procesos de emisión en vehículos automotores
67
4.4 Monitoreo atmosférico perimetral. (Imeca)
70
Capitulo 5. Clasificación y características de los dispositivos de
control
5.1 Partículas.
76
5.2 Gases y vapores.
86
5.3 Control de olores
89
5.4 Precipitadores electrostáticos
95
Bibliografía
Introducción.
La contaminación atmosférica en los últimos años surge como una
problemática alarmante no solo a nivel nacional, sino internacional debido a las
graves afectaciones que genera en la salud de los seres vivos y en especial al
hombre.
Con la elaboración del presente cuadernillo, se pretende que los alumnos de la
carrera de Ingeniería Ambiental y en particular aquellos que se encuentren
cursando la materia de Contaminación Atmosférica, cuenten con una guía lo más
completa posible de los contenidos temáticos de dicha asignatura.
Cabe aclarar, que este tipo de instrumentos didácticos no sustituyen de
ninguna manera a los libros de texto especializados en la materia, tampoco a la
actividad de enseñanza aprendizaje; sino que simplemente es una referencia más
para el estudiante que necesita delimitar y conocer el valor temático de ésta
asignatura.
En la primera unidad se conocerán los conceptos fundamentales de la
atmósfera y su composición, así mismo se informa acerca de la meteorología que
es una ciencia, de la cual se apoya esta asignatura así como las estaciones
meteorológicas y la instrumentación empleada en éstas.
En la segunda unidad se conocerá acerca del concepto de contaminación
atmosférica, su clasificación, fuentes y efectos en la salud y repercusiones en las
actividades humanas. En el tercer capítulo se mencionan los principales
mecanismos de transporte, dispersión de los contaminantes así como los
principales modelos matemáticos que se usan para la descripción del movimiento
y comportamiento de los contaminantes en la atmósfera.
Para el cuarto capítulo se describe básicamente el monitoreo atmosférico y las
fuentes que generan la emisión de sustancias a la atmósfera.
Además se describe el alcance del Índice Metropolitano de la Calidad del
Aire mejor conocido por todos como (IMECA) que es un mecanismo que alerta y
da información continua acerca de la calidad atmosférica de la zona metropolitana.
Finalmente en el último apartado se da a conocer la clasificación,
características y aplicaciones de algunos de los dispositivos de control más
importantes a nivel industrial y comercial para abatir la emisión de contaminantes
atmosféricos.
Por último es necesario mencionar, que este documento es un compendio
obtenido de distintas fuentes bibliográficas y es como todo material susceptible de
perfeccionamiento. De antemano espero que sea de gran utilidad y sirva como un
granito de arena más para el desarrollo de nuestros alumnos y en general de
nuestra querida institución.
1
Unidad 1. Conceptos básicos.
Objetivo Educacional. El estudiante adquirirá los fundamentos sobre la
atmósfera y su relación con la meteorología.
1.1 La atmósfera
Comenzó a formarse hace unos 4600 millones de años con el nacimiento de la
Tierra. La mayor parte de la atmósfera primitiva se perdería en el espacio, pero
nuevos gases y vapor de agua se fueron liberando de las rocas que forman
nuestro planeta. La atmósfera de las primeras épocas de la historia de la Tierra
estaría formada por vapor de agua, dióxido de carbono (CO2) y nitrógeno, junto a
muy pequeñas cantidades de hidrógeno (H2) y monóxido de carbono pero con
ausencia de oxígeno. Era una atmósfera ligeramente reductora hasta que la
actividad fotosintética de los seres vivos introdujo oxígeno y ozono y hace unos
1000 millones de años la atmósfera llegó a tener una composición similar a la
actual.
La atmósfera es una masa gaseosa que rodea la tierra y permite la vida en está
porque contiene, entre otros gases, oxigeno y dióxido de carbono. El oxigeno
permite la respiración y el dióxido de carbono sirve para la fotosíntesis. En el
medio a través del cual se transporta agua desde los océanos a los continentes.
Constituye un escudo protector del planeta porque absorbe las radiaciones
peligrosas, como los rayos cósmicos y gran parte de los rayos ultravioleta, que
producirían la muerte de los organismos vivos; además, estabiliza la temperatura
de la tierra. Ver figura 1.
2
Descripción de las capas que constituyen la atmósfera
Figura 1
Fuente:www.encolombia.com/medioambiente/Atmosfera
Los dos principales componentes de la atmósfera son el nitrógeno, con un 78%
del total, y el oxígeno, 21%. El resto de gases tienen concentraciones mucho
menor pero son muy importantes. La atmósfera no tiene composición uniforme al
subir en ella. Es mucho más fina que el radio terrestre, en 5.5 km encontramos la
mitad del total de la masa, siendo el 90% en torno a 30 Km.
La temperatura, es un factor importante a considerar al estudiar la atmósfera ya
que esta varía grandemente y es la responsable de la mayoría de si no es que de
todos los fenómenos físicos que involucran al ciclo del agua. Estos cambios de
temperatura, así como su estratificación se pueden ver en la figura 2.
La temperatura de la atmosfera varía de una manera compleja según la altitud.
Según este parámetro, su estructura se puede dividir en cuatro capas o regiones,
con el perfil de temperatura indicado. Este perfil está controlado principalmente
por la absorción de la energía solar en estas capas.
3
Sobre la superficie terrestre y hasta una altitud de unos 12 km se encuentra la
troposfera, en la cual la temperatura disminuye desde los 15ºC valor promedio de
la superficie terrestre, hasta aproximadamente -50ºC .En esta región se manifiesta
la vida de los organismos, se generan los vientos y las precipitaciones, se
observan los cielos soleados o nublados, se transfiere agua de los océanos a los
continentes, se desplazan los aviones, etc. El gradiente de temperatura es
negativo por lo que se produce una mezcla constante de masas de aire, tanto en
la dirección vertical como horizontal, lo cual hace que esta capa tenga gran
actividad meteorológica. El límite superior de la troposfera se denomina
tropopausa.
Sobre la tropopausa esta la estratosfera, cuya temperatura posee un gradiente
positivo que va desde -56ºC hasta -2ºC a una altitud de 50km. Este tipo de
gradiente impide la ascensión de las masas de aire frio por encima de las masa
calientes menos densas. Por esta razón solo ocurren movimientos horizontales de
las masas de aire, lo cual configura una estructura de estratos.
El límite entre la estratosfera y la capa siguiente, mesosfera, se denomina
estratopausa. Sobre este límite se extiende una capa que va desde los 50 hasta
los 85 km de altitud. La temperatura varía desde -2ºC hasta -92ºC y, al igual que
la troposfera, el gradiente de temperatura de la mesosfera es negativo: como la
densidad es muy baja prácticamente no existen movimientos de masas gaseosas.
Finalmente esta la región termosfera, separada por la mesopausa, cuya altitud va
desde los 85 hasta más allá de los 500 km.
En ella la temperatura se incrementa de -92ºC hasta 1.200º C, debido a que la
escasa cantidad de gases absorbe radiación de alta energía, inferior a 200nm.
En contraste con los grandes cambios de temperatura que se producen en las
capas de la atmosfera, la presión de esta disminuye de un modo regular al
aumentar la altitud.
4
Variaciones de temperatura en relación a la altitud atmosférica
Figura 2
Fuente: www.telefonica.net/Imagenes/Capas.
Los componentes de la atmósfera se encuentran concentrados cerca de la
superficie, comprimidos por la atracción de la gravedad y, conforme aumenta la
altura la densidad de la atmósfera disminuye con gran rapidez. En los 5,5
kilómetros más cercanos a la superficie se encuentra la mitad de la masa total y
antes de los 15 kilómetros de altura está el 95% de toda la materia atmosférica.
La mezcla de gases que llamamos aire mantiene la proporción de sus
distintos componentes casi invariable hasta los 80 km, aunque cada vez más
enrarecido (menos denso) conforme vamos ascendiendo. A partir de los 80 km la
composición se hace más variable. En la tabla 1 se muestran las composiciones
porcentuales y otras características de los principales gases que componen la
atmósfera.
5
Otros gases de interés presentes en la atmósfera son el vapor de agua, el
ozono y diferentes óxidos de nitrógeno, azufre.También hay partículas de polvo en
suspensión como, por ejemplo, partículas inorgánicas, pequeños organismos o
restos de ellos, NaCl del mar, etc. Muchas veces estas partículas pueden servir de
núcleos de condensación en la formación de nieblas (smog o neblumo) muy
contaminantes.
Principales sustancia que conforman la atmósfera y porcentaje en masa
componente masa molar
% molecular
% masa
espesor
relativo
N2
28.02
78.08%
75.51%
6.35 km
O2
32.00
20.95%
23.14%
1.68 km
Ar
39.94
0.93%
1.28%
74 m
Ne
20.18
18 ppm
13 ppm
15 cm
He
4.00
5 ppm
0.7 ppm
4 cm
Kr
83.70
1 ppm
2.9 ppm
8 mm
H2
2.02
0.5 ppm
0.03 ppm
4 mm
CO2
44.01
350 ppm
533 ppm
2.8 m
O3
48.00
0-12 ppm
0-20 ppm
0-1 mm
H2O
18.02
0-4 %
0-2.5%
0-300 m
Tabla 1
Fuente: propia
1.2 Fundamentos de meteorología.
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
6
que puede causar el viento depende de los accidentes del terreno o incluso de la
configuración de los edificios en las zonas urbanizadas.
Al contrario del viento, la humedad juega un papel negativo en la evolución
de los contaminantes ya que favorece la acumulación de humos y polvo. Por otra
parte, el vapor de agua puede reaccionar con ciertos aniones aumentando la
agresividad de los mismos, por ejemplo el trióxido de azufre en presencia de vapor
de agua se transforma en ácido sulfúrico, lo mismo ocurre con los cloruros y los
fluoruros para dar ácido clorhídrico y fluorhídrico respectivamente.
•
Inversión térmica.
Normalmente, la temperatura del aire disminuye con la distancia, de tal
manera que en una atmósfera normal hay una disminución de 0.64 a 1.0 ºC cada
100 metros en la zona más próxima a la superficie de la tierra, llamada troposfera;
por encima de ella la temperatura disminuye más rápidamente. Este sería el
radiante térmico normal, pero bajo determinadas condiciones orográficas y
climatológicas 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.
El fenómeno de inversión térmica se presenta cuando en las noches
despejadas el suelo ha perdido calor por radiación, las capas de aire cercanas a él
se enfrían más rápido que las capas superiores de aire lo cual provoca que se
genere un gradiente positivo de temperatura con la altitud (lo que es un fenómeno
contrario al que se presenta normalmente, la temperatura de la troposfera
disminuye con la altitud).
7
Esto provoca que la capa de aire caliente quede atrapada entre las 2 capas de
aire frío sin poder circular, ya que la presencia de la capa de aire frío cerca del
suelo le da gran estabilidad a la atmósfera porque prácticamente no hay
convección térmica, ni fenómenos de transporte y difusión de gases y esto hace
que disminuya la velocidad de mezclado vertical entre la región que hay entre las
2 capas frías de aire.
El fenómeno climatológico denominado inversión térmica se presenta
normalmente en las mañanas frías sobre los valles de escasa circulación de aire
en todos los ecosistemas terrestres. También se presenta este fenómeno en las
cuencas cercanas a las laderas de las montañas en noches frías debido a que el
aire frío de las laderas desplaza al aire caliente de la cuenca provocando el
gradiente positivo de temperatura. Este fenómeno se ilustra en la figura 4.
Actividad en las inversiones térmicas
Figura 3
Fuente: www.cepis.ops-oms.org
Cuando se emiten contaminantes al aire en condiciones de inversión térmica,
se acumulan (aumenta su concentración) debido a que los fenómenos de
transporte y difusión de los contaminantes ocurren demasiado lentos, provocando
8
graves episodios de contaminación atmosférica de consecuencias graves para la
salud de los seres vivos.
La inversión térmica es un fenómeno peligroso para la vida cuando hay
contaminación porque al comprimir la capa de aire frío a los contaminantes contra
el suelo la concentración de los gases tóxicos puede llegar hasta equivaler 14
veces más de lo que normalmente se esperaría
Generalmente, la inversión térmica se termina (rompe) cuando se calienta el suelo
y vuelve a emitir calor lo cual restablece la circulación normal en la troposfera.
•
Vientos
Los vientos son los desplazamientos de aire en la atmósfera. Su origen se
debe a la diferencia de presión entre áreas anticiclónicas y ciclónicas, que son
emisoras y receptoras de viento respectivamente. Cuanto mayor es la diferencia
de presión, mayor será la velocidad de los vientos. De esta forma tiende a
restablecerse el equilibrio de las masas de aire de la atmósfera.
Los vientos se caracterizan por no soplar en línea recta ya que la rotación de la
tierra les otorga un movimiento circular:
 Hemisferio Norte: El viento sopla en el sentido de las agujas del reloj.
 Hemisferio Sur: El viento sopla en sentido contrario de las agujas del reloj.
De acuerdo a la duración se clasifican en:
 Permanentes: Soplan todo el año en la misma dirección. Los vientos
alisios se originan en los anticiclones oceánica permanentes cerca del los
30º de latitud en ambos continentes y se dirigen hacia los ciclones
ecuatoriales. Al pasar sobre los mares se cargan de humedad provocando
precipitaciones. Al llegar a estas zonas se calientan y elevan convirtiéndose
en contralisios que se desplazan en dirección opuesta. Otros vientos
permanentes son los occidentales en las latitudes medias y los vientos
polares.
9
 Periódicos: Cambian de dirección de acuerdo a la estación del año o al
momento del día. Durante el verano los vientos monzones se atraídos por
los centros ciclónicos del centro de Asia y se originan en los anticiclones
oceánicos.
Son cálidos y húmedos debido a su procedencia marina.
Durante el
invierno el centro del continente se convierte en un centro anticiclónico que
emite vientos fríos y secos hacia el mar. Otros vientos periódicos son las
brisas marinas. Diariamente soplan desde el mar, que está más fresco,
hacia el continente durante el día y en dirección contraria durante la noche.
 Locales: Soplan en una región determinada todo el año en la misma
dirección. Son ejemplos característicos de nuestro país los vientos
Pampero (frío y seco), Sudeste (frío y húmedo) y Zonda (cálido y seco).
•
Humedad
La humedad es la cantidad de vapor de agua contenido en el aire. Su
existencia se debe principalmente a la evaporación del agua existente en ríos y
mares y en menor medida a la evapotranspiración de plantas y animales. Ese
vapor asciende en la atmósfera hasta llegar a capas frías donde condensa
formando las nubes. Estas se componen de pequeñas gotas de agua o agujas de
hielo.
Estas formaciones se sostienen gracias a la acción de corrientes de aire
ascendentes:
•
Cirros: Se ubican entre los 8.000 y 12,000 metros de altura. Son blancas y
con forma de largos filamentos. Suelen preceder un descenso de la presión
atmosférica.
•
Cúmulos: Se ubican entre los 1.000 y 5.000 metros de altura. Son blancas
y redondeadas. Suelen observarse en verano precediendo una tormenta.
10
•
Nimbos: Se ubican entre los 200 y 2.000 metros de altura. Son oscuras y
producen lluvias.
•
Estratos: Se ubican por debajo de los 600 metros de altura. Forman un
manto uniforme formando capas superpuestas. Se observan en días
totalmente nublados.
•
Cuando el vapor de agua condensa cerca de la superficie terrestre recibe el
nombre de niebla, mientras que si lo hace sobre superficies acuáticas se
denomina bruma.
•
El agua vuelve a la superficie terrestre por medio de las precipitaciones en
forma de lluvia o nieve, completando el ciclo del agua.
1.3 Estaciones meteorológicas
Una estación meteorológica: Se emplean para estudiar y predecir el tiempo es
estado del tiempo, con este fin se construyen observatorios o estaciones
meteorológicas. Actualmente se utilizan tecnologías muy complicadas y caras,
pero el estudio del clima tiene que contemplar siempre los siguientes factores:
•
La temperatura: Que se mide con el termómetro. Los termómetros
tienen dos escalas: Celsius y Fahrenheit. Los europeos utilizamos la
primera, por eso después del símbolo de grados (º) siempre verás la letra
C.
•
La presión atmosférica: Es decir, el peso del aire. Para ello se utiliza el
barómetro, que mide la presión en milibares.
•
Las precipitaciones: Pueden ser en forma de lluvia, de nieve o de granizo.
El pluviómetro es un aparato que mide la cantidad de agua caída por metro
cuadrado (la cantidad de agua que cae en un cuadrado de un metro de
lado).
•
El viento: Del que nos interesa la velocidad (se mide con el anemómetro) y
la dirección que lleva (se comprueba con la veleta).
11
En México el encargado de las estaciones meteorológicas es el Servicio
Meteorológico Nacional (SMN), el organismo encargado de proporcionar
información sobre el estado del tiempo a escala nacional y local en nuestro país,
depende de la Comisión Nacional del Agua (CNA), que forma parte de la
Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT).
Para llevar a cabo sus objetivos el Servicio Meteorológico Nacional cuenta con la
red siguiente infraestructura de observación:
Red sinóptica de superficie, integrada por 72 observatorios meteorológicos,
cuyas funciones son las de observación y transmisión en tiempo real de la
información de las condiciones atmosféricas.
Red sinóptica de altura. Consta de 15 estaciones de radio sondeo, cuya función es
la observación de las capas altas de la atmósfera. Cada estación realiza
mediciones de presión, temperatura, humedad y viento mediante una sonda que
se eleva por medio de un globo dos veces al día.
Todos los observatorios meteorológicos (estaciones meteorológicas) de la red
deben trabajar las 24 horas del día los 365 días del año ininterrumpidamente, sin
embargo, por la falta de personal únicamente el 27 % labora de esta forma.
Todas las observaciones y registros se rigen a la normatividad establecida por La
OMM. En esta red se realizan mediciones de los elementos del tiempo atmosférico
de la siguiente forma:
 A nivel horario se llevan registros que son asentados en los formatos
correspondientes.
 Cada 3 horas, a tiempo real y por acuerdos internacionales, para ser
transmitidas por diversos medios de comunicación al Centro Nacional de
12
Telecomunicaciones Meteorológicas (CNTM), para su posterior retrasmisión
al Centro Meteorológico Mundial de Washington (CMMW) para su difusión
mundial, así como a todos los usuarios nacionales.
 Mensualmente con los registros horarios, se realiza un reporte de acuerdo a
la normatividad de la OMM, el cual es transmitido al CNTM a más tardar a
los 4 días siguientes de concluido el mes, para su retransmisión al CMMW
para ser difundida mundialmente.
La transmisión de la información se realiza cada 3 horas a tiempo real
(mensajes sinópticos), es decir se deben recibir 8 mensajes por día por cada
observatorio y de acuerdo al Tiempo del Meridiano de Greenwich (GMT). Las
horas en que se efectúan las observaciones meteorológicas y se envían los
informes sinópticos se mantienen constantes con respecto a la hora GMT a nivel
mundial, independientemente de los cambios que se den en el horario civil. Para
efectos de evitar confusiones, en las siguientes tablas se indican las variaciones
de la hora local de verano y de invierno con respecto a la hora GMT, para los
diferentes husos horarios que rigen el país. En estas horas se reciben los reportes
en el CNTM para la disposición de todos los usuarios.
Horarios de la trasmisión de mensajes sinópticos de la Península de Baja
California en México.
Meridiano 120°
Baja California
Hora del Meridiano de Greenwich
(Hora de transmisión al CNTM)
Hora Local
Horario de Invierno
Horario de Verano
00:00 Z
16:00 hrs.
17:00 hrs.
03:00 Z
19:00 hrs.
20:00 hrs.
06:00 Z
22:00 hrs.
23:00 hrs.
09:00 Z
01:00 hrs.
02:00 hrs.
12:00 Z
04:00 hrs.
05:00 hrs.
15:00 Z
07:00 hrs.
08:00 hrs.
18:00 Z
10:00 hrs.
11:00 hrs.
21:00 Z
13:00 hrs.
14:00 hrs.
Tabla 2
fuente SMN (2000)
13
Horarios de la trasmisión de mensajes sinópticos de la región noroeste de
México.
Meridiano 105°
Baja California Sur, Sonora, Sinaloa, Nayarit
Hora del Meridiano de Greenwich
(Hora de transmisión al CNTM)
Hora Local
Horario de Invierno
Horario de Verano
00:00 Z
17:00 hrs.
18:00 hrs.
03:00 Z
20:00 hrs.
21:00 hrs.
06:00 Z
23:00 hrs.
00:00 hrs.
09:00 Z
02:00 hrs.
03:00 hrs.
12:00 Z
05:00 hrs.
06:00 hrs.
15:00 Z
08:00 hrs.
09:00 hrs.
18:00 Z
11:00 hrs.
12:00 hrs.
21:00 Z
14:00 hrs.
15:00 hrs.
Tabla 3
Fuente SMN (2000)
Horarios de la trasmisión de mensajes sinópticos para el resto del país
Meridiano 90°
Resto del país
Hora del Meridiano de Greenwich
(Hora de transmisión al CNTM)
Hora Local
Horario de Invierno
Horario de Verano
00:00 Z
18:00 hrs.
19:00 hrs.
03:00 Z
21:00 hrs.
22:00 hrs.
06:00 Z
00:00 hrs.
01:00 hrs.
09:00 Z
03:00 hrs.
04:00 hrs.
12:00 Z
06:00 hrs.
07:00 hrs.
15:00 Z
09:00 hrs.
10:00 hrs.
18:00 Z
12:00 hrs.
13:00 hrs.
21:00 Z
15:00 hrs.
16:00 hrs.
Tabla 4
Fuente: SMN, (2000)
La elección de montajes de las estaciones, con el fin de que puedan ser
considerados los datos representativos es fundamental, dado que en los valores
que toman las variables meteorológicas influye, además de la latitud y la altitud, la
14
distancia al mar, la topografía del lugar, la proximidad de grandes masas de agua,
relieve accidentado, vegetación, barreras o cortinas arbóreas, edificaciones etc.
La estación debe situarse con independencia de encontrarse en la zona baja
de un valle, en una cumbre o en una zona de pendiente acusada, en un lugar
despejado.
Una pradera una huerta o un amplio patio puede ser un buen emplazamiento,
siempre que los árboles, muros, o edificios próximos a la estación disten de ésta
como mínimo una distancia igual a la altura de los obstáculos. No conviene situar
la estación en campos totalmente despejados ni en terrazas, ni en tejados, debido
a que estos sitios están expuestos a fuertes rachas de viento, que producen
remolinos de aire y en consecuencia se altera la medida de la lluvia.
Estación Meteorológica Automática
Es un conjunto de dispositivos eléctricos y mecánicos que realizan mediciones
de las variables meteorológicas de forma automática (sobre todo en forma
numérica).
Una Estación Meteorológica Automática, está conformada por un grupo de
sensores que registran y
transmiten información meteorológica de forma
automática de los sitios donde están estratégicamente colocadas. Su función
principal es la recopilación y monitoreo de algunas
variables Meteorológicas
para generar archivos del promedio de cada 10 minutos de todas las variables,
esta información es enviada vía satélite en intervalos de 1 ó 3 horas por estación.
La hora que se utiliza para registrar los datos es el horario TUC ó UTC
(Tiempo Universal Coordinado) por esta razón deberá tener en consideración
este factor para la correcta interpretación de los datos anteriores de las tablas.
El área representativa de las estaciones es de 5 km de radio aproximadamente,
en terreno plano, excepto en terreno montañoso.
15
Sensores que integran la Estación:
- Velocidad del viento
- Dirección del viento
- Presión atmosférica
- Temperatura y Humedad relativa
- Radiación solar
- Precipitación
Existen dos tipos de estructura donde van montadas las estaciones: La de tipo
andamio y de tipo torre triangular, que se pueden observar en la siguiente figura
Figura 4.
Fuente: SMN, (2000)
16
Estaciones meteorológicas atmosféricas (EMA´s) en la región central de
México.
Hay 25 en el Estado de México, Hidalgo, Tlaxcala y Distrito Federal.
Tabla de Localización de EMA´s en la zona centro de México
NOMBRE
Latitud
Longitud
Altitud
DISTRITO FEDERAL
EL GUARDA
19°09'17''
99°04'44''
2946
DISTRITO FEDERAL
LA AGRARIA
19°16'27"
99°09'29"
2272
ESTADO DE
MÉXICO
ACOLMAN
19°38'05"
98°54'42"
1993
ESTADO DE
MÉXICO
AMECAMECA
19°07'55"
98°47'10"
ARCOS DEL SITIO
19°45'59"
99°20'36"
2356
CHAPINGO
19°29'39"
98°53'19"
2260
IXTAPALUCA
19°19'52''
98°52'40''
2272
LAGUNA DE ZUMPANGO
19°48'28''
99°07'51''
2262
MANUEL ÁVILA CAMACHO
19°19'13"
98°45'20"
2958
PRESA GUADALUPE
19°38'01"
99°15'03"
2313
OTUMBA
19°41'17"
98°45'27"
2384
SAN MIGUEL ATLAMAJAC
19°44'56"
98°55'55"
2316
TEPEATLOXTOC
19°34'09"
98°49'29"
2320
TEQUIXQUIAC
19°54'15"
99°17'30"
2266
ESTADO
ESTADO DE
MÉXICO
ESTADO DE
MÉXICO
ESTADO DE
MÉXICO
ESTADO DE
MÉXICO
ESTADO DE
MÉXICO
ESTADO DE
MÉXICO
ESTADO DE
MÉXICO
ESTADO DE
MÉXICO
ESTADO DE
MÉXICO
ESTADO DE
MÉXICO
2460
HIDALGO
ACTOPAN
20°16'50''
98°58'21''
1993
HIDALGO
IROLO
19° 45'36"
98° 35'26"
2464
HIDALGO
IXMIQUILPAN
20°29'46''
99°10'52''
2272
HIDALGO
LAGUNA DE TECOCOMULCO
19°52'21''
98°24'15''
2547
HIDALGO
MIXQUIAHUALA
20°13'46''
99°12'55''
2009
HIDALGO
PRESA ROJO GÓMEZ
20°21'34"
99°19'07"
1996
HIDALGO
TAXHIMAY
19°50'14"
99°23'02"
2256
HIDALGO
TEZONCUALPA
19°57'57"
98°16'29"
2519
HIDALGO
TEZONTEPEC
19°52'42"
98°49'12"
2344
HIDALGO
TULA DE LAS ROSAS
20°03'24"
99°20'54"
2054
TLAXCALA
SANCTORUM
19°29'25"
98°28'18"
2767
Tabla 5.
Fuente: SMN, (2000)
17
1.4 Los instrumentos meteorológicos.
Barómetro de mercurio: Instrumento utilizado para medir la presión
atmosférica. Pueden ser de ramas iguales o desiguales y en este último caso de
cubeta fija y cero móvil o de cubeta móvil y cero fijo.
Se coloca en el interior de la estación meteorológica, ya que no puede estar
expuesto al sol, ni a la corriente de aire. Deben colocarse sobre paredes por las
que no pasen cañerías y debe estar a una altura en la que sea fácil medir y
completamente vertical. Para medir la presión el primer paso es llevar el mercurio
de la cubeta, mediante un tornillo, hasta el extremo de un índice de marfil (es el 0
de la escala).Este procedimiento se llama enrase. Luego se debe ajustar el vernier
de manera que apenas toque el menisco que forma el mercurio. Paralelamente se
debe medir la temperatura del termómetro adjunto.
Todo esto debe realizarse rápidamente para que el calor de nuestro cuerpo no
incida en la medición. Una vez leído el dato de presión se deben hacer algunas
correcciones: Por temperatura, ya que la altura del mercurio varía con la
temperatura, al igual que la escala (esta se hace de invar que es un material poco
dilatable). Por gravedad (reducir a 45º de latitud y 0 metros).
Barómetro aneroide: Mide la presión atmosférica. Se coloca en el interior de la
estación meteorológica
Barógrafo: mide la presión atmosférica y registra su variación a través del tiempo
- Tendencia barométrica- se instala a la sombra, sobre una repisa sin vibraciones.
Para evitar la dilatación de las cápsulas por efecto de la temperatura, se utiliza un
bimetálico, es decir dos metales cuyos coeficientes de dilatación se complementan
de manera que la aguja quede en su lugar y no se vea afectada por los cambios
de temperatura.
18
Termómetro: registra la temperatura. Se coloca en el interior del abrigo
meteorológico con su bulbo a una altura entre 1,5 y 2 metros de altura
Termómetro de máxima: registra la temperatura más alta del día. Se coloca
dentro del abrigo meteorológico en un soporte adecuado, con su bulbo inclinado
hacia abajo formando un ángulo de 2º con la horizontal. Luego de la lectura, para
volver a ponerlo a punto se debe sujetar firmemente por la parte contraria al
depósito y sacudirlo con el brazo extendido (maniobra similar a la que realizamos
para bajar la temperatura de un termómetro clínico)
Termómetro de mínima: registra la temperatura más baja del día. Se coloca
dentro del abrigo meteorológico en un soporte adecuado en forma horizontal.
Luego de la lectura se debe poner nuevamente el índice en contacto con la
superficie libre del alcohol.
Termómetros de suelo: Se utilizan para medir la temperatura del suelo y a
distintas profundidades. Se recomienda que todo el termómetro esté sumergido
para evitar el error por columna emergente. Los termómetros que miden distintas
profundidades se colocan dentro de un compartimento de plástico, cerámica o
cualquier material que adquiera la temperatura de la tierra.
Psicrómetro: Mide la humedad relativa. Hay dos tipos de psicrómetros los de
ventilación forzada y los de ventilación natural. Me referiré a este último. Este
instrumento se coloca en un soporte dentro del abrigo meteorológico. El acceso a
la humedad relativa, tensión de vapor y punto de rocío se hace mediante tablas,
ingresando a las mismas con los datos de las lecturas de ambos termómetros.
Termógrafo: Grafica la temperatura a través del tiempo. Se coloca en el interior
del abrigo meteorológico.
19
Higrógrafo: Grafica la humedad a través del tiempo. Se coloca en el interior del
abrigo meteorológico. El haz de cabellos se debe limpiarse con agua destilada.
Anemómetro: Pueden ser de coperolas, de hélice, de tubo pitot, eléctricos. Me
referiré al primero de ellos (de coperolas) por ser el más usado. Se coloca lejos de
obstáculos, en general a 10 metros de altura.
Anemocinemógrafo: Este instrumento registra en una faja la dirección y
velocidad del viento. El sensor de velocidad puede ser de cope rolas o puede
utilizar el sistema de tubo pitot. El sensor de dirección es una veleta. Los
sensores se colocan a 10 metros de altura, alejado de obstáculos
Veleta: Mide la dirección del viento. El sensor se coloca a 10 metros de altura,
alejado de obstáculos
Pluviómetro: Mide la cantidad de agua caída. Se coloca sobre piso de césped
bien cortado para evitar salpicaduras y la distancia a cualquier objeto cercano
debe ser de por lo menos 4 veces su altura. La boca del pluviómetro debe estar
perfectamente horizontal. A veces, para evitar la turbulencia del viento se le coloca
una especie de pollerita al cuerpo del instrumento. La observación se hace cada
24 horas. El agua se trasvasa a una probeta de tipo pirex graduada en mm de
precipitación.
Fluviógrafo: Registra la cantidad de agua caída y el tiempo durante el que ha
caído. Las características de instalación de este instrumento coinciden con las del
pluviómetro. Para medir la lluvia sólo deben sumarse las ramas ascendentes del
registro de la faja. En el caso del fluviógrafo de cangilones se deben sumar tanto
las subidas como las bajadas de la curva graficada en la faja.
20
Evaporímetro o atmómetro: Mide la evaporación potencial. Se coloca en el
interior del abrigo meteorológico. Está graduado en mm en graduación creciente
de arriba a abajo.
Tanque de evaporación: Como el viento también influye en la evaporación, se
coloca un anemómetro totalizador que marca la cantidad de km o metros que
recorrió una partícula en el día. Además es conveniente conocer la temperatura
del agua
Piranómetros y pirheliómetros Miden la radiación solar difusa y directa. Se mide
en calorías por centímetro cuadrado y minuto, o en vatios por metro cuadrado.
Equivalencia: 1 cal /cm2 min = 696,67 W/m2
Heliofanógrafo: Mide la duración de la insolación. Si el sol brilla durante todo el
día se forma un trazo carbonizado continuo, si el sol brilla de manera intermitente,
el trazo será discontinuo. En este caso, la duración de la insolación se determina
sumando las longitudes de las partes carbonizadas.
Transmisómetro: Mide la visibilidad. Se basa en la atenuación que se produce en
un haz de luz por la presencia de partículas en la atmósfera. Se compone de una
fuente de luz y un receptor colocados a una distancia conocida (75 metros). La
cantidad de luz que llega al receptor se traduce en fuerza electromotriz. Algunos
de estos instrumentos se pueden observar en las figuras 5,6 y 7.
21
Instrumentos en el interior del abrigo meteorológico
Figura 5.
Fuente: SMN, (2000)
Otros Instrumentos
Figura 6.
Fuente: SMN, (2000)
22
Otros instrumentos
Figura 7.
Fuente: SMN, (2000)
23
Capitulo 2. Contaminación de la atmósfera.
Objetivo educacional. Obtendrá los conocimientos básicos sobre el transporte y
dispersión de contaminantes atmosféricos y la aplicación de software para la
simulación de la dispersión.
2.1 Concepto.
Se entiende por contaminación atmosférica como la presencia en el aire de
materias o formas de energía que impliquen riesgo, daño o molestia grave para las
personas y bienes de cualquier naturaleza, así como que puedan atacar a distintos
materiales, reducir la visibilidad o producir olores desagradables.
El nombre de la contaminación atmosférica se aplica por lo general a las
alteraciones que tienen efectos perniciosos en los seres vivos y los elementos
materiales, y no a otras alteraciones inocuas. Los principales mecanismos de
contaminación atmosférica son los procesos industriales que implican combustión,
tanto en industrias como en automóviles y calefacciones residenciales, que
generan dióxido y monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno y azufre, entre otros
contaminantes. Igualmente, algunas industrias emiten gases nocivos en sus
procesos productivos, como cloro o hidrocarburos que no han realizado
combustión completa.
La contaminación es uno de los problemas ambientales más importantes que
afectan a nuestro mundo y surge cuando se produce un desequilibrio, como
resultado de la adición de cualquier sustancia al medio ambiente, en cantidad tal,
que cause efectos adversos en el hombre, en los animales, vegetales o materiales
expuestos a dosis que sobrepasen los niveles aceptables en la naturaleza.
24
2.2 Fuentes de contaminación
La contaminación puede surgir a partir de ciertas manifestaciones de la
naturaleza (fuentes naturales) o bien debido a los diferentes procesos productivos
del hombre (fuentes antropogénicas) que conforman las actividades de la vida
diaria. Por otra parte el flujo de la contaminación tiene una ruta bien identificada
que se describe en la figura 8.
Flujo de la contaminación atmosférica
Figura 8
Fuente: SEMARNAT
Los contaminantes que el hombre libera hacia la atmósfera en mayor medida,
provienen de la combustión de carburantes fósiles, y podríamos clasificarlos en
tres grupos principales:
1) Actividades industriales, como las dedicadas a la obtención de energía:
liberan óxidos de nitrógeno, azufre, y en menor medida plomo metálico.
25
2) Actividades domésticas, como la combustión por sistemas de calefacción:
liberan mayormente óxidos de azufre, y de nitrógeno en menor medida
3) Transportes, como los de combustión interna: liberan óxidos de nitrógeno y
plomo, y óxidos de azufre en menor cantidad.
Con frecuencia se han clasificado genéricamente las fuentes de emisión de
agentes contaminantes en la troposfera considerando su localización fija o móvil.
Así, se habla de:
a)
Fuentes móviles, incluyen a los diversos tipos de vehículos de motor
utilizados en el transporte: Los aviones, helicópteros, ferrocarriles,
tranvías,
tractocamiones,
autobuses,
camiones,
automóviles,
motocicletas, embarcaciones, equipo y maquinarias no fijas con motores
de combustión y similares, que por su operación generen o puedan
generar emisiones contaminantes a la atmósfera.
Si bien la definición de fuente móvil incluye prácticamente a todos los
vehículos automotores, la NOM para fuentes fijas se refiere básicamente a
las emisiones de automóviles y camiones. Los motores de los vehículos
son los responsables de las emisiones de CO, de compuestos orgánicos
volátiles, SO2, y NOx, producidos durante la combustión.
b)
Fuentes fijas: Así denominadas, por actuar permanentemente sobre un
sitio o región, es decir, por estar ahí establecidas. Están constituidas por
fábricas, comercios, talleres metalúrgicos, incineradores, fundiciones, etc.
y producen una considerable contaminación, no solo por el uso de
combustibles sino por la emisión de vapores solventes orgánicos, o de
productos químicos contaminantes.
Las fuentes fijas son las más dañinas, éstas actúan sobre todas las áreas
de la biosfera y producen, tanto emisiones de humos, polvos, gases,
ruidos y radiaciones; como descargas de aguas residuales o desechos
26
sólidos que afectan, por igual, el aire, los diversos cuerpos receptores de
agua o la tierra, por deterioro superficial, filtración o acarreo. “Una emisión
de humos y polvos puede no ser por si misma necesariamente peligrosa;
para serlo deberá tener una densidad y un volumen tales, durante cierto
lapso, que las condiciones atmosféricas no sean suficientes para diluirla o
dispersarla en un período de tiempo dado, haciéndola inocua.
La peligrosidad se inicia, precisamente, a partir del momento en que la
cantidad de elementos no deseables emitidos, rebasa la capacidad natural
de dispersión, transformación o anulación, creando, por lo tanto una
concentración que rompe el equilibrio. En la tabla 6 se puede observar el
tipo de fuente contaminante, ya sea fija o móvil y las emisiones que se
generan por acción de éstas.
Lo anterior es consecuencia de la tendencia de agrupar en ciertas
áreas; en especial las urbanas, los contaminantes que emitidos por la
fuentes fijas, no pudieron ser desplazados por la circulación atmosférica y
a los que se unen los provenientes de las fuentes móviles y de las
naturales.
Fuentes antropogénicas de emisiones atmosféricas
Fuentes antropogénicas
Contaminantes
Dióxido de azufre, Hidrocarburos volátiles,
Fijas
Procesos industriales
Partículas carbonosas, Anhídrido sulfuroso,
Óxidos
de
nitrógeno
(NOx),Dióxido
de
carbono (CO2) Metales pesados
Quema de
Móviles
combustibles fósiles
vehículos y
aeronaves
Tabla 6
Monóxido
de
carbono
(CO),Óxidos
de
nitrógeno (NOx),
Hidrocarburos (HC), Compuestos de plomo.
Fuente: Gestión-calidad/riesgo
27
Las características físicas como el tamaño de las partículas, la composición
química, así como el origen de éstas determinan en gran medida la actividad
reactiva, así como las posibles afectaciones que éstas generan al ambiente y los
seres vivos. A continuación en la tabla 7, se muestran algunos de los
contaminanates más persistente su estado física y sus fuentes
Descripción de los principales contaminantes químicos y sus fuentes
Contaminante
Formación
Partículas en
suspensión (PM),
PM10, Humos negros
SO2
Primaria y secundaria
Primaria
gas
NO2
Primaria y secundaria
gas
CO
Primaria
gas
COVs
Primaria y secundaria
gas
Pb
O3
Primaria
Secundaria
Sólido partículas finas
gas
Tabla 7
Estado físico
Sólido, líquido
Fuentes
Vehículos, procesos
industriales, humo de
tabaco
Procesos industriales,
vehículos
Vehículos, estufas de
cocina de gas.
Vehículos,
combustiones
interiores, humo de
tabaco
Combustiones
interiores
Vehículos, industria
Vehículos (secundario
o foto-oxidación de
NO2 y COVs
Fuente: SEMARNAT
PM10 : Partículas con tamaño inferior a 10 um.
2.3 Tipos de contaminantes.
Existen distintas formas para clasificar a los contaminantes. Según su origen,
se distinguen los naturales y los antropogénicos. Los primeros se deben a los
fenómenos en los cuales no interviene el hombre, por ejemplo: erupciones,
incendios accidentales, producción de gases en pantanos, diseminación de polen
por el viento, etc. En cambio, los antropogénicos se derivan de las actividades del
hombre.
28
Los contaminantes también se clasifican en primarios y secundarios, según
sean arrojados tal cual a la atmósfera, o bien se forme en ella debido a las
reacciones químicas resultado de la presencia de diversos compuestos y a la
acción de la luz solar. (Jiménez, 2008)
Otra clasificación es por su estado físico, es decir por el tamaño de las
partículas contaminantes en este caso los contaminantes se agrupan en las
siguientes familias:







Compuestos inorgánicos de carbono
Compuestos derivados del azufre
Hidrocarburos
Compuestos del nitrógeno
Oxidantes fotoquímicos
Metales
Partículas
2.4 Efectos de la contaminación en la salud humana
El aire que respiramos está formado por muchos componentes químicos. Los
componentes primarios del aire son el nitrógeno (N2), oxígeno (O2) y vapor de
agua (H2O). En el aire también se encuentran pequeñas cantidades de muchas
otras sustancias, incluidas el Dióxido de carbono, Argón, Neón, Helio, Hidrógeno y
Metano.
Componentes primarios del aire y otras sustancias
Figura 9.
Fuente: www.cepis.org
29
Las actividades humanas han tenido un efecto perjudicial en la composición
del aire. La quema de combustibles fósiles y otras actividades industriales han
cambiado su composición debido a la introducción de contaminantes, incluidos el
el dióxido de azufre (SO2), monóxido de carbono (CO), compuestos orgánicos
volátiles (COV), óxidos de nitrógeno (NOx) y partículas sólidas y líquidas
conocidas como material particulado. Aunque todos estos contaminantes pueden
ser generados por fuentes naturales, las actividades humanas han aumentado
significativamente su presencia en el aire que respiramos.
Nube de contaminantes de origen natural y antropogénico
Figura 10
Fuente: www.cepis.org
Los contaminantes del aire pueden tener un efecto sobre la salud y el bienestar
de los seres humanos. Un efecto se define como un cambio perjudicial
mensurable u observable debido a un contaminante del aire. Un contaminante
puede afectar la salud de los seres humanos, así como la de las plantas y
animales. Los contaminantes también pueden afectar los materiales no vivos
como pinturas, metales y telas.
30
Ciudad industrializada con nubes de contaminación
Figura 11
Fuente: energyconsulting.files.com
¿Cómo la contaminación del aire afecta nuestra salud?
La contaminación del aire tiene un efecto directo sobre la salud humana. En
casos extremos, ha causado muertes como resultado de la combinación de
características geográficas inusuales con factores climáticos. Por ejemplo, el
episodio de contaminación del aire en Donora, Pennsylvania, en los Estados
Unidos en 1948 ocasionó 20 muertes y más de 5,000 enfermos. Esto es un
ejemplo de los graves efectos adversos que resultan del exceso de población y de
industrias, junto con ciertos factores geográficos y meteorológicos en un área
concentrada. Ver figura 11.
La exposición a contaminantes del aire puede causar efectos agudos (a corto
plazo) y crónicos (a largo plazo) en la salud. Usualmente, los efectos agudos son
inmediatos y reversibles cuando cesa la exposición al contaminante. Los efectos
agudos más comunes son la irritación de los ojos, dolor de cabeza y náuseas.
A veces los efectos crónicos tardan en manifestarse, duran indefinidamente y
tienden a ser irreversibles. Los efectos crónicos en la salud incluyen la disminución
de la capacidad pulmonar y cáncer a los pulmones debido a un prolongado
31
período de exposición a contaminantes tóxicos del aire, tales como el asbesto y
berilio.
El sistema respiratorio y la contaminación del aire
Aunque los contaminantes pueden afectar a la piel, ojos y otros sistemas del
cuerpo, el más perjudicado es el sistema respiratorio. Las siguiente figura (12)
muestra los componentes de este sistema. El aire se inhala por la nariz que actúa
como el sistema filtrante primario del cuerpo.
La contaminación del aire afecta principalmente al sistema respiratorio
Figura 12.
Fuente: www.cepis.org
Los pelos pequeños y las condiciones calientes y húmedas de la nariz
eliminan eficazmente las partículas contaminantes de mayor tamaño. Luego el aire
pasa por la faringe, y laringe antes de llegar a la parte superior de la tráquea.
La tráquea se divide en dos partes, los bronquios izquierdo y derecho.
Cada bronquio se subdivide en compartimentos cada vez más pequeños llamados
bronquiolos que contienen millones de bolsas de aire llamados alveolos. Los
bronquiolos y alveolos, constituyen los pulmones. Los contaminantes de aire, tanto
gaseosos como particulados, pueden tener efectos negativos sobre los pulmones.
32
Las partículas sólidas se pueden impregnar en las paredes de la tráquea,
bronquios y bronquiolos. La mayoría de estas partículas se eliminan de los
pulmones mediante la acción de limpieza (barrido) de los cilios, pequeños
filamentos de las paredes de los pulmones. Esto es lo que ocurre cuando se tose
o estornuda. Una tos o estornudo transporta las partículas a la boca. Las
partículas se eliminan cuando son ingeridas o expulsadas del cuerpo. Sin
embargo, las partículas sumamente pequeñas pueden alcanzar los alveolos,
donde a menudo toma semanas, meses o incluso años para que el cuerpo las
elimine.
Los contaminantes gaseosos del aire también pueden afectar la función de
los pulmones mediante la reducción de la acción de los cilios. La respiración
continua de aire contaminado disminuye la función de limpieza normal de los
pulmones, lo que puede ocasionar que gran número de partículas lleguen a las
partes inferiores del pulmón. Ver figura 13.
Resulta difícil para los pulmones remover las partículas sumamente
pequeñas
Figura 13.
Fuente: www.cepis.org
33
Los pulmones son los órganos responsables de absorber el oxígeno del aire
y remover el dióxido de carbono del torrente sanguíneo. El daño causado a los
pulmones por la contaminación del aire puede imposibilitar este proceso y
contribuir a la aparición de enfermedades respiratorias como la bronquitis,
enfisema y cáncer. También puede afectar el corazón y el sistema circulatorio.
Contaminación del aire
La contaminación del aire ocurre tanto en exteriores (ambiental) como en
interiores. Los efectos de la contaminación del aire sobre la salud varían
enormemente de persona en persona. Los más afectados por la contaminación del
aire son los ancianos, lactantes, mujeres embarazadas y enfermos crónicos del
pulmón y corazón, figura 14. Las personas que hacen ejercicios al aire libre
también están propensas pues respiran más rápida y profundamente, lo que
permite el ingreso de más contaminantes a los pulmones. Los corredores y
ciclistas que se ejercitan en áreas de gran tránsito se pueden estar causando más
daño que beneficio.
Personas más afectadas por la contaminación atmosférica
Figura 14.
Fuente: www.cepis.org
34
El “smog fotoquímico” (niebla fotoquímica) es un término de la
contaminación del aire que se usa diariamente. En realidad, el smog fotoquímico
es ozono a nivel del suelo formado por la reacción de los contaminantes con la luz
solar. Éste tiene un efecto perjudicial sobre la salud de los grupos de alto riesgo
mencionados anteriormente. En las ciudades de México, Santiago y Sao Paulo,
por ejemplo, los periódicos y emisoras de radio informan diariamente índices de la
calidad del aire para alertar a las personas en riesgo que se encuentran al aire
libre. Estos índices son una medida de los niveles de contaminantes y partículas
en el aire.
Efectos indirectos de la contaminación del aire
La posibilidad cada vez más creciente de contraer cáncer de piel es un
efecto indirecto de la contaminación del aire sobre la salud. Aunque el ozono en la
atmósfera inferior es perjudicial para el ambiente, en la atmósfera superior es
necesario para proteger a la tierra de la nociva radiación ultravioleta.
Esta capa protectora se está dañando debido a la descarga masiva de
clorofluorocarbonos (CFC) en la atmósfera. Estos compuestos se usan
comúnmente en refrigeradores y aparatos de aire acondicionado y como gas en
atomizadores de aerosol.
Contaminación del aire en interiores
Los efectos de la contaminación del aire en interiores han recibido mayor
atención en los últimos años porque es allí donde las personas pasan casi 90 por
ciento de su tiempo. Diversos estudios han indicado que la exposición a algunos
contaminantes puede ser dos a cinco veces mayor en interiores que al aire libre.
Hay muchos tipos de contaminantes de interiores, tales como el humo de los
artefactos, chimeneas y cigarrillos; contaminantes orgánicos de las pinturas,
colorantes, limpiadores y materiales de construcción; y el radón.
35
La contaminación en interiores puede ser de dos a cinco veces mayor que al
aire libre
Figura 15
Fuente: www.cepis.org
El radón es un gas que se presenta de forma natural, no tiene olor ni color
y es radiactivo. Sus efectos sobre la salud humana son importantes porque es el
segundo factor, después del cigarrillo, que produce cáncer al pulmón.
Afortunadamente, los niveles de radón se pueden reducir con la circulación del
aire y ventilación adecuada.
Los contaminantes criterio son aquellos para los cuales se han
establecido normas nacionales de calidad del aire. Los contaminantes criterio son
el monóxido de carbono, ozono, óxidos de azufre, material particulado, óxidos de
nitrógeno y plomo. Los contaminantes peligrosos incluyen varios compuestos
orgánicos volátiles, asbesto, cloruro de vinilo y mercurio, entre otros.
La contaminación del aire tiene un efecto perjudicial sobre casi todas las
fases de nuestras vidas. Además de los efectos sobre la salud tratados
anteriormente, hay muchos otros efectos secundarios sobre la vegetación, suelo,
agua, materiales hechos por el hombre, clima y visibilidad.
36
Ozono
Desde 1970 se ha estudiado los efectos de la contaminación del aire
sobre los cultivos, árboles y otro tipo de vegetación. Las investigaciones de campo
y experimentos de invernadero han revelado que el ozono es tóxico para las
plantas y puede destruir variados cultivos comerciales, ver figura 16. Existen
pruebas de que el incremento de radiación ultravioleta debido a la pérdida de
ozono en la atmósfera superior está afectando el ciclo de crecimiento normal de
las plantas.
El ozono es tóxico para las plantas
Figura 16
www.cepis.org
Lluvia ácida.
De igual modo, la lluvia ácida afecta cultivos como la avena, alfalfa,
guisantes, zanahorias, y también áreas forestales; ha recibido mucha atención a
nivel internacional. Se forma cuando los contaminantes del aire, tales como el
dióxido de azufre (SO2) y óxidos de nitrógeno (NOx) se transforman en ácidos en
la atmósfera.
37
Posteriormente, la precipitación resultante (lluvia, nieve o niebla) deposita los
ácidos en lagos y suelos. El control de la lluvia ácida se ha convertido en una
preocupación internacional, ya que a menudo la fuente de estos contaminantes se
encuentra alejada del lugar donde se registran los efectos. Los efectos de la
contaminación del aire.
Las investigaciones han indicado que ésta acidez puede destruir o dañar
la fauna silvestre de lagos y arroyos, y también las construcciones hechas por el
hombre, tales como los edificios y monumentos al aire libre. Las estatuas antiguas
de Grecia e Italia han sido dañadas considerablemente por la lluvia ácida. Ver
figura 17.
Afectaciones a monumentos históricos por efectos de la lluvia ácida
Figura 17
Fuente: http://estadosunidos.pordescubrir.com/
Visibilidad
La contaminación del aire también afecta la visibilidad. Esto ha dado lugar
a problemas relacionados con la seguridad de la operación de los aviones y la
destrucción de paisajes naturales. Por ejemplo, la visibilidad del Gran Cañón en
los Estados Unidos ha sido afectada por la contaminación del aire generada por el
hombre a cientos de kilómetros de distancia.
38
Calentamiento de la atmósfera
Existen pruebas de que la contaminación del aire contribuye al
calentamiento de la atmósfera o al efecto invernadero. La quema de combustibles
fósiles emite demasiado dióxido de carbono a la atmósfera.
Normalmente, el dióxido de carbono no es peligroso ya que es un alimento
necesario para las plantas, pero la cantidad que se produce es mucho mayor que
la requerida por la vegetación.
El dióxido de carbono forma un manto sobre la superficie de la tierra y
atrapa el calor reflejado del suelo. El efecto es similar al de un automóvil cerrado o
un invernadero, de allí el término de efecto invernadero como se ejemplifica en la
figura 18.
Los científicos han pronosticado que en los próximos cincuenta años el
calentamiento del planeta podría elevar la temperatura tres a nueve grados más
que los promedios actuales. Los efectos de la contaminación del aire como se ha
visto, la contaminación del aire afecta nuestras vidas en muchos aspectos. Las
fuentes primarias de contaminación del aire son las fábricas y las comodidades
modernas de las que dependemos para el crecimiento económico y estilo de vida.
Equilibrar el desarrollo económico con la necesidad de proteger a la población de
los riesgos de la contaminación del aire sobre la salud y el bienestar es un reto
que enfrentan los países.
En el efecto invernadero el CO2 la disipación del calor y contaminantes
Figura 18
Fuente: www.cepis.org
39
Capitulo 3. Transporte y dispersión de contaminantes atmosféricos
Objetivo Educacional. Obtener los conocimientos básicos sobre el transporte y
dispersión de contaminantes atmosféricos y la aplicación de software para la
simulación de la dispersión.
3.1 Conceptos básicos
En general, la concentración de contaminantes disminuye a medida que se
alejan del punto de descarga y son dispersados por el viento y otras fuerzas
naturales. Las variaciones del clima influyen en la dirección y dispersión general
de los contaminantes.
La dispersión y transporte de contaminantes pueden estar afectados por
factores climáticos y geográficos. Un ejemplo es la inversión térmica. Como se
mencionó anteriormente, la inversión térmica es una condición atmosférica
causada por una interrupción del perfil normal de la temperatura de la atmósfera.
La inversión térmica puede retener el ascenso y dispersión de los contaminantes
de las capas más bajas de la atmósfera y causar un problema localizado de
contaminación del aire. Los episodios que tuvieron lugar en Londres, Inglaterra, y
Donora, Pennsylvania, fueron el resultado de inversiones térmicas.
La proximidad de una gran área metropolitana a una cadena de montañas
también puede tener un efecto negativo sobre el transporte y dispersión de
contaminantes, como lo es el centro del país.
La calidad de aire en una zona, y como consecuencia de los efectos
inducidos sobre la misma, son función directa de la cuantía de emisión y de los
fenómenos de circulación que tengan lugar en la atmósfera sobre los penachos
que conforman los gases y las partículas emitidas por un foco contaminante.
40
La mecánica clásica establece que conociendo la posición y velocidad
de las partículas de un sistema en un determinado instante, es posible deducir el
comportamiento ulterior de las mismas.
Ahora bien, cuando se trata de analizar sistemas compuestos de miles o
millones de partículas, como es el caso en un efluente gaseoso, es imposible
acceder a esa cantidad de datos y procesarlos. Lo que se hace en estos casos es
involucrar en el cálculo magnitudes físicas que reflejen el estado del sistema como
un todo, sin ser indicativo de la situación de cada partícula. Así si se dice que una
masa de gas tiene una temperatura de 20ºC, eso no quiere decir que cada
partícula tenga esa temperatura. Solo podemos afirmar que el intercambio de calor
entre las partículas y el termómetro hace que el mismo se comporte como si
hubiera entrado en contacto con una masa uniforme con todas sus partículas a
20ºC. El mismo razonamiento puede aplicarse al resto de las magnitudes físicas
como presión, velocidad, etc.
Para predecir el comportamiento de ese sistema no uniforme a partir de
datos globales, se aplica un modelo matemático que se crea tomando estos datos
globales y suposiciones acerca del comportamiento de las partículas. El modelo
será efectivo si no se contradice con los experimentos realizados.
En el caso de un efluente gaseoso, el modelo describe como se
dispersa el efluente en la atmósfera de acuerdo a determinados parámetros de
salida del conducto (velocidad, caudal, tipo de efluente, temperatura, presión,
etc.).
3.2 Circulación global de los contaminantes
El transporte y dispersión de contaminantes del aire están influenciados
por complejos factores. Las variaciones globales y regionales del clima y
las
condiciones topográficas locales afectan el transporte y dispersión de los
contaminantes.
41
Esta sección trata sobre los factores básicos que influyen el movimiento de
los contaminantes en el aire. En una escala mundial, las variaciones del clima
influyen sobre el movimiento de los contaminantes. Por ejemplo, la dirección
predominante de los vientos en Centroamérica y norte de Sudamérica es de este a
oeste y en Norteamérica y sur de Sudamérica es de oeste a este. En un nivel más
local, los principales factores del transporte y dispersión de partículas en la
atmósfera son el viento y la temperatura.
La dispersión de contaminantes de una fuente depende de la cantidad de
turbulencia en la atmósfera cercana. La turbulencia puede ser creada por el
movimiento horizontal y vertical de la atmósfera. El movimiento horizontal es lo
que comúnmente se llamamos viento.
La velocidad del viento puede afectar en gran medida la concentración de
contaminantes en un área. Mientras mayor sea la velocidad del viento, menor será
la concentración de contaminantes en una zona determinada. El viento diluye y
dispersa rápidamente los contaminantes en el área circundante.
El viento es causado por las diferencias en la presión atmosférica. La presión
es el peso de la atmósfera en un punto dado. La altura y temperatura de una
columna de aire determinan el peso atmosférico.
Debido a que el aire frío pesa más que el caliente, la masa de alta presión
está constituida de aire frío y pesado. Por el contrario, una masa de baja presión
de aire está formada por aire más caliente y liviano. Las diferencias de presión
hacen que el aire se mueva de las áreas de alta presión a las de baja presión, lo
que da lugar al viento.
42
El movimiento vertical de la atmósfera también afecta el transporte y
dispersión de los contaminantes del aire. Cuando los meteorólogos hablan sobre
la “estabilidad atmosférica” hacen referencia al movimiento vertical. Las
condiciones atmosféricas inestables producen la mezcla vertical. Generalmente,
durante el día el aire cerca de la superficie de la tierra es más caliente y liviano
que el aire en la atmósfera superior debido a la absorción de la energía solar. El
aire caliente y liviano de la superficie sube y se mezcla con el aire frío y pesado de
la atmósfera superior que tiende a bajar. Este movimiento constante del aire crea
condiciones inestables y dispersa el aire contaminado. Figura 19.
Movimiento horizontal diurno del aire
Figura 19
Fuente: www.cepis.org
Otros factores meteorológicos básicos que afectan la concentración de
contaminantes en el aire ambiental son:
 Radiación solar
 Precipitación
 Humedad.
43
La radiación solar contribuye a la formación de ozono y contaminantes
secundarios en el aire. La humedad y la precipitación también pueden favorecer la
aparición de contaminantes secundarios peligrosos, tales como las sustancias
responsables de la lluvia ácida. La precipitación puede tener un efecto beneficioso
porque lava las partículas contaminantes del aire y ayuda a minimizar las
partículas provenientes de actividades como la construcción y algunos procesos
industriales.
Debido a los factores que determinan el transporte y dispersión de los
contaminantes, la contaminación del aire producida en una región puede tener
efectos adversos sobre los lagos y bosques de otra región. Las grandes ciudades
rodeadas de una topografía compleja, como valles o cadenas montañosas como
lo es el valle de México, a menudo experimentan altas concentraciones de
contaminantes del aire. Si bien poco puede hacerse para controlar las fuerzas
naturales que crean estos problemas, existen técnicas que ayudan a dispersar los
contaminantes.
3.3. Características generales de las plumas y chimeneas
La manera más común de dispersar los contaminantes del aire es a través
de una chimenea. Esta a menudo se usa como un símbolo de la contaminación
del aire. Es una estructura que se ve comúnmente en la mayoría de industrias y
tiene el objetivo de dispersar
los contaminantes antes de que lleguen a las
poblaciones.
Generalmente se diseñan teniendo en cuenta a la comunidad circundante.
Mientras más alta sea la chimenea, mayor será la probabilidad de que los
contaminantes se dispersen y diluyan antes de afectar a las poblaciones vecinas.
Figura 20.
44
Colocación de chimeneas en zonas cercanas a poblaciones
Figura 20
Fuente: www.jmarcano.com › Recursos naturales
A la emanación visible de una chimenea se le denomina pluma. La altura
de la pluma está determinada por la velocidad y empuje de los gases que salen
por la chimenea. A menudo, se añade energía calórica a los gases para aumentar
la altura de la pluma. Las fuerzas naturales hacen que la pluma tenga velocidad
vertical, como sucede con el humo de las chimeneas residenciales.
La figura 21 (a y b) muestran los efectos de la altura de la chimenea y de
los alrededores inmediatos sobre la forma de la pluma. Mientras más corta sea la
chimenea, mayor será la probabilidad de que la pluma esté afectada.
45
Efectos de la altura sobre la forma de la pluma
Figura 21
Fuente: www.jmarcano.com › Recursos naturales
En la figura (a) se observa la distribución de los contaminantes inyectados
dentro y fuera de la cavidad y el efecto de la pluma, mientras que en la figura (b)
se observa el diseño aerodinámico de una chimenea por la "cavidad" formada
por el edificio próximo a la chimenea. A medida que aumenta la altura de la
chimenea, la pluma se aleja del edificio.
La forma y la dirección de la pluma también dependen de las fuerzas
verticales y horizontales de la atmósfera. Como se mencionó anteriormente, la
pluma está afectada por las condiciones atmosféricas. Las condiciones inestables
en la atmósfera producirán una pluma “ondulante”, mientras que las estables
harán que la pluma sea “recta”. Los contaminantes emitidos por las chimeneas
pueden transportarse a largas distancias.
46
3.4 Modelos de dispersión
Los modelos de dispersión son un método para calcular la concentración de
contaminantes a nivel del aire y a diversas distancias de la fuente. En la
elaboración de modelos se usan representaciones matemáticas de los factores
que afectan la dispersión de contaminantes. Las computadoras, mediante
modelos, facilitan la representación de los complejos sistemas que determinan el
transporte y dispersión de los contaminantes del aire. Figura 22.
Cuando se hace un modelo del transporte y dispersión de contaminantes
del aire se recopila información específica de un punto de emisión. Esta
información incluye la ubicación del punto de emisión (longitud y latitud), la
cantidad y tipo de los contaminantes emitidos, condiciones del gas de la
chimenea, altura de la chimenea y factores meteorológicos tales como la velocidad
del viento, perfil de la temperatura ambiental y presión atmosférica.
Los científicos usan estos datos como insumo del modelo de computación y
para predecir cómo los contaminantes se dispersarán en la atmósfera. Los niveles
de concentración pueden calcularse para diversas distancias y dirección de la
chimenea.
Modelos de dispersión
Figura 22
Fuente: www.natureduca.com/cont_atmosf_fuentes.php
47
Los modelos de dispersión tienen muchas aplicaciones en el control de la
contaminación del aire, pues son herramientas que ayudan a los científicos a
evaluar la dispersión de la contaminación del aire. La exactitud de los modelos
está limitada por los problemas inherentes al tratar de simplificar los factores
complejos e interrelacionados que afectan el transporte y dispersión de los
contaminantes del aire.
3.5 Características generales de las chimeneas
Se definen como tales a los conductos construidos para dar salida a la
atmósfera libre a gases resultantes de una combustión o de una reacción química
(“gases de cola”) para su dispersión en el aire del ambiente. Figura 23.
Es un sistema usado para evacuar gases calientes y humo de calderas,
calentadores, estufas, hornos, fogones u hogares a la atmósfera. Como norma
general son completamente verticales para asegurar que los gases calientes
puedan fluir sin problemas, moviéndose por convección térmica (diferencia de
densidades).
Algunas chimeneas industriales
Figura.23
Fuente: Ruperto M. Palazón)
48
En la definición de una chimenea intervienen, fundamentalmente, los
siguientes elementos:
1. Sección interior, o de paso de gases
2. Altura
2.1. Para dispersión de gases en la atmósfera libre
2.2. Para la obtención de una depresión mínima determinada en su base
3. Tipo de material estructural (o externo)
3.1. Resistencia a las acciones externas
3.1.1 Viento
3.1.2. Sismos
3.2. Cimentación (conocimiento de la geología del terreno)
4. Tipo de material de revestimiento interior
4.1. Resistencia a la temperatura y ataque físico-químico de los gases
 Para determinar las características de una chimenea es imprescindible
conocer el tipo de fluido que se espera que circule por ella.
 Normalmente se trata de humos producto de la combustión de combustibles
fósiles, en aire-ambiente:
 Carbón
 Derivados líquidos o gaseosos del petróleo
 Madera.
 Sin embargo, aun en estos casos, hay que tener en cuenta la posible
“contaminación” de estos humos con sustancias desprendidas de los
procesos en los que intervienen, como por ejemplo, los hornos de
reverbero.
49
En el caso frecuente de combustibles líquidos (fuel-oil, gasoil, etc.) o
gaseosos (hidrocarburos gaseosos o “gas natural”), figura 24, estos humos se
componen de:
Composición de los contaminantes provenientes de la combustión de
hidrocarburos
Figura 24
Fuente: Ruperto M. Palazón
En estos casos, las propiedades de los humos se acercan a las del aire. Por
estas razones, y a efectos de cálculos técnicos y en una primera aproximación se
pueden tomar como propiedades de los humos de la combustión de derivados del
petróleo, las del aire.
Algunos factores importantes en el diseño de chimenea se enlistan a continuación:
 La sección de paso de los humos por la chimenea
La velocidad mínima de evacuación de los humos por la coronación de la
chimenea suele venir fijada por la normativa correspondiente de la administración
pública del lugar.
50
A modo de orientación, puede decirse que las velocidades medias deberían
oscilar entre un mínimo de 3 m/s y los 10 m/s. Una velocidad media de 5 m/s suele
considerarse como adecuada.
 La altura de la chimenea
Para la dispersión de los humos en la atmósfera libre. La altura mínima de
una chimenea emitiendo gases considerados por la legislación U.E. como
contaminantes, viene determinada por la normativa correspondiente del lugar en el
que se ubique.
De acuerdo a la NMX-009-SEMARNAT
•
El diámetro de la chimenea es indispensable para determinar la altura de la
misma.
•
Después de la Última perturbación la altura deberá ser:
•
8 veces el Diámetro = se encuentra 1 puerto (B).
•
2 veces el Diámetro = la altura final del puerto (A). Figura 25
Características de la chimenea
Figura .25
Fuente: Ruperto M. Palazón
51
3.6 Calculo de la altura efectiva de la chimenea
Los gases emitidos por las chimeneas muchas veces son impulsados por
abanicos. A medida que los gases de escape turbulentos son emitidos por la
pluma, se mezclan con el aire del ambiente. Esta mezcla del aire ambiental en la
pluma se denomina arrastre. Durante el arrastre en el aire, la pluma aumenta su
diámetro mientras viaja a sotavento.
Al entrar en la atmósfera, estos gases tienen un momentum. Muchas veces
se calientan y se vuelven más cálidos que el aire externo. En estos casos, los
gases emitidos son menos densos que el aire exterior y, por lo tanto, flotantes. La
combinación del momentum y la flotabilidad de los gases hacen que estos se
eleven. Este fenómeno, conocido como elevación de la pluma, permite que los
contaminantes emitidos al aire en esta corriente de gas se eleven a una altura
mayor en la atmósfera. Al estar en una capa atmosférica más alta y más alejada
del suelo, la pluma experimentará una mayor dispersión antes de llegar a este.
La altura final de la pluma, conocida como altura efectiva de chimenea (H),
es la suma de la altura física de la chimenea (hs) y la elevación de la pluma (
).
En realidad, la elevación de la pluma se estima a partir de la distancia
existente hasta la línea central imaginaria de la pluma y no hasta el borde superior
o inferior de esta (figura 26). La elevación de la pluma depende de las
características físicas de la chimenea y del efluente (gas de chimenea).
52
La diferencia de temperatura entre el gas de la chimenea (Ts) y el aire
ambiental (Ta) determina la densidad de la pluma, que influye en su elevación.
Además, la velocidad de los gases de la chimenea, que es una función del
diámetro de la chimenea y de la tasa volumétrica del flujo de los gases de escape,
determina el momentum de la pluma.
Elevación de la pluma
Figura 26
Fuente: arc.cnea.gov.ar/.../Modelos
Los gases emitidos por las chimeneas muchas veces son impulsados por
abanicos. A medida que los gases de escape turbulentos son emitidos por la
pluma, se mezclan con el aire del ambiente. Esta mezcla del aire ambiental en la
pluma se denomina arrastre. Durante el arrastre en el aire, la pluma aumenta su
diámetro mientras viaja a sotavento.
Al entrar en la atmósfera, estos gases tienen un momentum. Muchas veces
se calientan y se vuelven más cálidos que el aire externo. En estos casos, los
gases emitidos son menos densos que el aire exterior y, por lo tanto, flotantes.
53
La combinación del momentum y la flotabilidad de los gases hacen que estos
se eleven. Este fenómeno, conocido como elevación de la pluma, permite que los
contaminantes emitidos al aire en esta corriente de gas se eleven a una altura
mayor en la atmósfera. Al estar en una capa atmosférica más alta y más alejada
del suelo, la pluma experimentará una mayor dispersión antes de llegar a este.
Momentum y flotabilidad
La condición de la atmósfera, incluidos los vientos y el perfil de la
temperatura a lo largo del recorrido de la pluma, determinará en gran medida la
elevación de la pluma. Dos características de esta influyen en su elevación: el
momentum y la flotabilidad. La velocidad de salida de los gases de escape
emitidos por la chimenea contribuyen con la elevación de la pluma en la
atmósfera. Este momentum conduce el efluente hacia el exterior de la chimenea a
un punto en el que las condiciones atmosféricas empiezan a afectar a la pluma.
Una vez emitida, la velocidad inicial de la pluma disminuye rápidamente
debido al arrastre producido cuando adquiere un momentum horizontal. Este
fenómeno hace que la pluma se incline. A mayor velocidad del viento, más
horizontal será el momentum que adquirirá la pluma. Por lo general, dicha
velocidad aumenta con la distancia sobre la superficie de la Tierra. A medida que
la pluma continúa elevándose, los vientos más fuertes hacen que se incline aún
más. Este proceso persiste hasta que la pluma parece horizontal al suelo. El punto
donde la pluma parece llana puede ser una distancia considerable de la chimenea
a sotavento. La velocidad del viento es importante para impulsar la pluma.
Mientras más fuerte, más rápido será el serpenteo de la pluma.
La elevación de la pluma causada por su flotabilidad es una función de la
diferencia de temperatura entre la pluma y la atmósfera circundante. En una
atmósfera inestable, la flotabilidad de la pluma aumenta a medida que se eleva, lo
cual hace que se incremente la altura final de la pluma.
54
En una atmósfera estable, la flotabilidad de la pluma disminuye a medida
que se eleva. Por último, en una atmósfera neutral, permanece constante.
La pluma pierde flotabilidad a través del mismo mecanismo que la hace
serpentear, el viento. Como se muestra en la figura 27, la mezcla dentro de la
pluma arrastra el aire atmosférico hacia su interior. A mayor velocidad del viento,
más rápida será esta mezcla.
El arrastre del aire ambiental hacia la pluma por acción del viento figura, le
"quita" flotabilidad muy rápidamente, de modo que durante los días con mucho
viento la pluma no se eleva muy alta sobre la chimenea.
Arrastre de la pluma en chimenea
Fig. 27
Fuente: arc.cnea.gov.ar/.../Modelos
55
3.7 Efectos del tipo de fuente en la elevación de la pluma
Debido a la configuración de la chimenea o a los edificios adyacentes, es
posible que la pluma no se eleve libremente en la atmósfera. Algunos efectos
aerodinámicos causados por el modo en el que se mueve el viento alrededor de
los edificios adyacentes y de la chimenea pueden impulsar a la pluma hacia el
suelo en lugar de permitir que se eleve en la atmósfera.
El flujo descendente de la chimenea puede producirse cuando la razón entre
la velocidad de salida de la chimenea y la del viento es pequeña. En este caso, la
presión baja en la estela de la chimenea puede hacer que la pluma descienda
detrás de la chimenea. Cuando esto sucede, la dispersión de los contaminantes
disminuye, lo que puede determinar concentraciones elevadas de contaminantes
inmediatamente a sotavento de la fuente.
A medida que el aire se mueve sobre y alrededor de los edificios y otras
estructuras, se forman olas turbulentas. Según la altura de descarga de una pluma
(altura de la chimenea), es probable que esta sea arrastrada hacia abajo en esta
área de la estela. Esto se conoce como flujo descendente aerodinámico o entre
edificios de la pluma y puede conducir a concentraciones elevadas de
contaminantes inmediatamente a sotavento de la fuente.
Flujo descendente
Figura 28
Fuente: arc.cnea.gov.ar/.../Modelos
56
La elevación de las plumas ha sido tema de estudio durante muchos años.
Las fórmulas más usadas son las desarrolladas por Gary A. Briggs. La ecuación
incluye una de estas, la que se aplica a las plumas dominadas por la flotabilidad.
Las fórmulas de la elevación de la pluma se usan en plumas con temperaturas
mayores que la del aire ambiental. La fórmula de Briggs para la elevación de la
pluma es la siguiente:
Donde: ∆h = Elevación de la pluma (sobre la chimenea)
F = Flujo de flotabilidad (véase a continuación)
= Velocidad promedio del viento
x = Distancia a sotavento de la chimenea/fuente
g = Aceleración debido a la gravedad (9,8 m/s2)
V = Tasa volumétrica del flujo del gas de la chimenea
Ts = Temperatura del gas de la chimenea
Ta = Temperatura del aire ambiental
Como se dijo anteriormente, las fórmulas de elevación de la pluma sirven
para determinar la línea central imaginaria de esta. La línea central está donde se
producen las mayores concentraciones de contaminantes. Existen varias técnicas
para calcular las concentraciones de contaminantes lejos de la línea central.
Las fórmulas de la elevación de la pluma se usan para determinar la línea
imaginaria de esta. Si bien la concentración máxima de la pluma existe en esta
línea central, las fórmulas mencionadas no permiten obtener información sobre
cómo varían las concentraciones de contaminantes fuera de esta línea central.
57
Se deberán efectuar, entonces, estimados de dispersión para determinar las
concentraciones de contaminantes en un punto de interés.
Los estimados de dispersión se determinan mediante ecuaciones de
distribución y/o modelos de calidad del aire. Estos estimados generalmente son
válidos para la capa de la atmósfera más cercana al suelo, donde se producen
cambios frecuentes de la temperatura y de la distribución de los vientos. Estas dos
variables tienen un importante efecto en la forma de dispersión de las plumas. Por
lo tanto, las ecuaciones de distribución y los modelos de calidad del aire
mencionados anteriormente deben incluir estos parámetros.
Los modelos de dispersión de calidad del aire consisten en un grupo de
ecuaciones matemáticas que sirven para interpretar y predecir las concentraciones
de contaminantes causadas por la dispersión y por el impacto de las plumas.
Estos modelos incluyen los estimados de dispersión mencionados anteriormente y
las diferentes condiciones meteorológicas, incluidos los factores relacionados con
la temperatura, la velocidad del viento, la estabilidad y la topografía.
Existen cuatro tipos genéricos de modelos: gausiano, numérico, estadístico y
físico. Los modelos gausianos emplean la ecuación de distribución gausiana y
son ampliamente usados para estimar el impacto de contaminantes no reactivos.
En el caso de fuentes de áreas urbanas que presentan contaminantes reactivos,
los modelos numéricos son más apropiados que los gausianos pero requieren una
información extremadamente detallada sobre la fuente y los contaminantes, y no
se usan mucho.
Los modelos estadísticos se emplean cuando la información científica sobre
los procesos químicos y físicos de una fuente están incompletos o son vagos. Por
último, están los modelos físicos, que requieren estudios de modelos del fluido o
en túneles aerodinámicos del viento.
58
La adopción de este enfoque implica la elaboración de modelos en escala y
la observación del flujo en estos. Este tipo de modelos es muy complejo y requiere
asesoría técnica de expertos. Sin embargo, en el caso de áreas con terrenos
complejos y condiciones del flujo también complejas, flujos descendentes de la
chimenea, y edificios altos, esta puede ser la mejor opción.
La selección de un modelo de calidad del aire depende del tipo de
contaminantes emitidos, de la complejidad de la fuente y del tipo de topografía que
rodea la instalación. Algunos contaminantes se forman a partir de la combinación
de contaminantes precursores. Por ejemplo, el ozono en el nivel del suelo se
forma cuando los compuestos orgánicos volátiles (COV) y los óxidos de nitrógeno
(NOx) actúan bajo la acción de la luz solar.
Los modelos para predecir las concentraciones de ozono en el nivel del suelo
emplearían la tasa de emisión de COV y NOx como datos de entrada. Además,
algunos contaminantes reaccionan fácilmente una vez que son emitidos en la
atmósfera. Estas reacciones reducen las concentraciones y puede ser necesario
considerarlas en el modelo. La complejidad de la fuente también desempeña un
papel en la selección. Algunos contaminantes y pueden ser emitidos desde
chimeneas bajas sujetas a flujos descendentes aerodinámicos. Si este es el caso,
se debe emplear un modelo que considere el fenómeno.
En la dispersión de las plumas y los contaminantes, la topografía es un factor
importante que debe ser considerado al seleccionar un modelo. Las plumas
elevadas pueden tener un impacto en áreas de terrenos altos. Las alturas de este
tipo de terrenos pueden experimentar mayores concentraciones de contaminantes
debido a que se encuentran más cerca de la línea central de la pluma.
59
En el caso que existan terrenos elevados, se debe usar un modelo que
considere este hecho
3.8 Tipos de plumas
El grado de estabilidad atmosférica y la altura de mezcla resultante tienen un
importante efecto en las concentraciones de contaminantes en el aire ambiental.
Si bien en la discusión sobre la mezcla vertical no hemos abordado el movimiento
horizontal del aire, o el viento, es importante saber que este se produce bajo
condiciones de inversión. Los contaminantes que no se pueden dispersar hacia
arriba lo pueden hacer horizontalmente a través de los vientos superficiales. La
combinación de los movimientos verticales y horizontales del aire influye en el
comportamiento de las plumas de fuentes puntuales (chimeneas). Sin embargo,
en esta lección se describirán los diversos tipos de plumas característicos de
diferentes condiciones de estabilidad. La pluma de espiral de la figura se produce
en condiciones muy inestables debido a la turbulencia causada por el acelerado
giro del aire. Mientras las condiciones inestables generalmente son favorables
para la dispersión de los contaminantes, algunas veces se pueden producir altas
concentraciones momentáneas en el nivel del suelo si los espirales de la pluma se
mueven hacia la superficie.
Pluma en espiral
Figura 29
Fuente: arc.cnea.gov.ar/.../Modelos
60
La pluma de abanico se produce en condiciones estables, figura 30. El
gradiente de inversión inhibe el movimiento vertical sin impedir el horizontal y la
pluma se puede extender por varios kilómetros a sotavento de la fuente. Las
plumas de abanico ocurren con frecuencia en las primeras horas de la mañana
durante una inversión por radiación.
Pluma de abanico
Figura 30
Fuente: arc.cnea.gov.ar/.../Modelos
La pluma de cono es característica de las condiciones neutrales o
ligeramente estables. Este tipo de plumas tiene mayor probabilidad de producirse
en días nubosos o soleados, entre la interrupción de una inversión por radiación y
el desarrollo de condiciones diurnas inestables.
Pluma tipo cono
Figura 31
Fuente: arc.cnea.gov.ar/.../Modelos
61
Obviamente, un problema importante para la dispersión de los contaminantes
es la presencia de una capa de inversión, que actúa como una barrera para la
mezcla vertical. Durante una inversión, la altura de una chimenea en relación con
la de una capa de inversión muchas veces puede influir en la concentración de los
contaminantes en el nivel del suelo.
Cuando las condiciones son inestables sobre una inversión la descarga de
una pluma sobre esta da lugar a una dispersión efectiva sin concentraciones
notorias en el nivel del suelo alrededor de la fuente. Esta condición se conoce
como flotación. Figura 32.
Pluma de flotación
Figura 32
Fuente: arc.cnea.gov.ar/.../Modelos
Si la pluma se libera justo debajo de una capa de inversión, es probable que
se desarrolle una grave situación de contaminación del aire. Ya que el suelo se
calienta durante la mañana, el aire que se encuentra debajo de la mencionada
capa se vuelve inestable. Cuando la inestabilidad alcanza el nivel de la pluma
entrampada bajo la capa de inversión, los contaminantes se pueden transportar
rápidamente hacia abajo hasta llegar al suelo.
62
Este fenómeno se conoce como fumigación, figura 33. Las concentraciones
de contaminantes en el nivel del suelo pueden ser muy altas cuando se produce la
fumigación. Esta se puede prevenir si las chimeneas son suficientemente altas.
Pluma de fumigación
Figura 33
Hasta
Fuente: arc.cnea.gov.ar/.../Modelos
este punto, hemos desarrollado
las
condiciones
y eventos
meteorológicos básicos que influyen en el movimiento y la dispersión de los
contaminantes del aire en la atmósfera.
63
Capitulo 4 Monitoreo
Objetivo educacional. Conocer las técnicas de monitoreo y determinar su
aplicación por tipo de fuente.
4.1 Monitoreo en fuentes móviles y factores de emisión
En todas las grandes áreas urbanas la mayor fuente de contaminación
atmosférica la constituye los vehículos automotores. Los mismos emiten gases
orgánicos totales (TOG), monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx),
óxidos de azufre (SOx) y material particulado (PM) entre otros, que constituyen los
contaminantes criterio (Radian International, 1997).
Se entiende por Monitoreo Ambiental como aquellas Metodologías
diseñadas para tomar muestras, analizar y procesar la información a fin de
determinar las concentraciones de sustancias o contaminantes presentes en un
lugar y durante un tiempo determinado.
¿Cómo podemos determinar la concentración de los contaminantes atmosféricos?
Con Equipos del tipo:
 Automático ⇒ medidas en tiempo real.
 Continuos ⇒ promedio del tiempo de muestreo 8 a
24 horas.
 Pasivos ⇒ difusión, deposición, 1 a 4 semanas.
A continuación se describirán las características de cada uno de los equipos:
Analizadores o monitores automáticos: (para la medición de contaminación
atmosférica (SO2, NOx, CO, O3, Hidrocarburos, Partículas en suspensión). Pueden
ser activos o pasivos de acuerdo a como es impulsado el aire hacia el
64
detector. Funcionan en forma continua almacenando los promedios horarios,
durante las 24 horas en la memoria de la estación. Estos instrumentos se basan
en propiedades físicas o químicas del gas que va a ser detectado continuamente,
utilizando métodos optoelectrónicos.
El aire muestreado entra en una cámara de reacción donde, ya sea por una
propiedad óptica del gas que pueda medirse directamente o por una reacción
química que produzca quimiluminiscencia o luz fluorescente, se mide esta luz por
medio de un detector que produce una señal eléctrica proporcional a la
concentración del contaminante muestreado.
Ventajas:
- Valores a tiempo real
- Concentraciones máximas y mínimas
Desventajas:
- Costo elevado de adquisición
- Requieren personal especializado para su manejo
- Constante mantenimiento y calibración
Monitor automático
Figura 34
Kuyper; et al. Química del medio ambiente, 1995
65
Monitores Activos Requieren de energía eléctrica para bombear el aire a
muestrear a través de un medio de colección físico o químico. El volumen
adicional de aire muestreado incrementa la sensibilidad, por lo que pueden
obtenerse mediciones diarias promedio.
Los muestreadores activos más utilizados actualmente, son:
 Los burbujeadores acidimétricos para SO2,
 El método de filtración para Humo Negro,
 El método gravimétrico de Alto Volumen (Hi-Vol.) para partículas totales y
fracción respirable, (según EPA).
Los resultados en ambos casos corresponden al promedio de 24 horas de
exposición.
Monitor activo, Burbujeador acidimétrico
Figura 35
Kuyper; et al. Química del medio ambiente, 1995
Monitores Pasivos: Colectan un contaminante específico por medio de su
adsorción y/o absorción en un sustrato químico seleccionado, basado en la
difusión del contaminante en una capa estática.
66
Ventaja: Simple y de bajo costo.
Desventaja: Exposición desde un par de horas hasta un mes. En el laboratorio, se
realiza la desorción del contaminante y posterior análisis.
En la figura 36 se observa la colocación de un colector pasivo para su posterior
análisis en laboratorio.
Monitoreo pasivo por medio de un colector de partículas
Figura 36
http://smn.cna.gob.mx
4.2 Monitoreo de emisiones
Se entiende como Emisión a la evacuación de sustancias contaminantes
desde los focos que las emiten a la atmósfera (chimeneas, tubos de escape, etc.)
67
Figura 37
http://smn.cna.gob.mx
4.3. Procesos de Emisión en Vehículos Automotores
Los procesos de emisión de contaminantes son variados. Constituyen una
gran cantidad de especies contaminantes producto de numerosos procesos pero
que en general se pueden resumirse en dos tipos de emisiones:
a. Emisiones exhaustivas: que resultan de la combustión y son emitidas por
los tubos de escape y especies que reducen la visibilidad como amonio,
sulfatos y PM 2.5, en donde se encuentra y para conocer las emisiones se
realizan las siguientes pruebas:
• Método de prueba estática
Es un procedimiento de medición de las emisiones de los gases de
hidrocarburos, monóxido de carbono, bióxido de carbono y oxígeno a
68
la salida del escape de los vehículos automotores en circulación
equipados con motores que usan gasolina, gas licuado de petróleo,
gas natural u otros combustibles alternos. El método de prueba
estática consiste en 3 etapas:
•
Revisión visual de humo: Se debe conectar el tacómetro del
equipo de medición al sistema de ignición del motor del vehículo y
efectuar una aceleración a 2,500 ± 250 revoluciones por minuto,
manteniendo ésta durante un mínimo de 30 segundos. Si se observa
emisión de humo negro o azul y éste se presenta de manera
constante por más de 10 segundos, no se debe continuar con el
procedimiento de medición y deberán tener por rebasados los límites
máximos permisibles establecidos en la norma oficial mexicana
correspondiente. Esta prueba no debe durar más de un minuto.
•
Prueba de marcha crucero: Se debe introducir la sonda de
medición al tubo de escape de acuerdo con las especificaciones del
fabricante del propio equipo, asegurándose de que ésta se encuentre
perfectamente fija. Se procede a acelerar el motor del vehículo hasta
alcanzar una velocidad de 2,500 ± 250 revoluciones por minuto,
manteniendo ésta durante un mínimo de 30 segundos. Después de
25 segundos consecutivos bajo estas condiciones de operación, el
técnico debe determinar las lecturas promedio que aparezcan en el
analizador durante los siguientes 5 segundos y registrar estos
valores. Esta prueba no debe durar más de un minuto.
•
Prueba de marcha lenta en vacío: Se procede a desacelerar el
motor del vehículo a la velocidad de marcha en vacío especificada
69
por su fabricante que no será mayor a 1,100 revoluciones por
minuto, manteniendo ésta durante un mínimo de 30 segundos.
Después de 25 segundos consecutivos bajo estas condiciones de
operación, el técnico debe determinar las lecturas promedio que
aparezcan en el analizador durante los siguientes 5 segundos y
registrar estos valores. Esta operación no debe durar más de un
minuto. Figura 37.
b.
Emisiones evaporativas: procedentes de los motores de los vehículos.
Dentro de estas se encuentran:
•
emisiones evaporativas en marcha
•
emisiones evaporativas sin marcha
•
emisiones evaporativas durante la recarga
•
emisiones evaporativas diurnas
Técnico determinando las lecturas promedio que aparecen en el analizador
Figura 37.
www/montevideo.gub.uy/ambiente/documentos.html
70
4.4 Monitoreo atmosférico perimetral
Con base a la información generada por la red automática de monitoreo
atmosférico (RAMA), el gobierno de la ciudad de México, por medio del DDF,
emite diariamente un reporte sobre la calidad del aire en la forma del Índice
Metropolitano de la Calidad del Aire (Imeca). El valor del Imeca es igual al valor
máximo de los subíndices obtenidos para los siguientes contaminantes: partículas
suspendidas totales, dióxido de azufre, monóxido de carbono, dióxido de
nitrógeno, ozono y el efecto sinergético de las partículas con el SO2.
La expresión empleada es:
Imeca = Máx [I (PST), I(SO2),I(CO),I(NO2),I(O3),I(PST x SO2)]
En la cual los términos entre paréntesis representan los subíndices
correspondientes a cada uno de los indicadores.
Un valor Imeca de 100 puntos corresponde a la norma para cada
contaminante, mientras que un valor Imeca de 500, representa niveles de
contaminación para los cuales existen evidencias de daños significativos a la
salud. En la tabla 8 se muestran los efectos en la salud conforme el Imeca
incrementa sus niveles y la forma de determinar la calidad del aire
La calidad del aire y sus efectos en la salud
IMECA
Calidad Del Aire
Efectos en la Salud
0-100
Buena o Satisfactoria
Ninguna
101-200
Regular
Las personas sensibles
pueden sentir molestias en
ojos nariz y garganta así
71
como dolor de cabeza
201-349
Mala
La población en
general puede presentar
irritación de ojos nariz y
garganta así como dolor de
cabeza
350-400
Muy Mala
Se agudiza los
síntomas anteriores
especialmente entre niños,
ancianos etc.
Tabla 8.
Fuente: Semarnat
El valle de México se ubica en la región subtropical de la Tierra donde la
radiación solar es constante e intensa todo el año. Ahí se localiza la Zona
Metropolitana del Valle de México (ZMVM) que ocupa un área de 3,540 km², 1,500
km² están completamente urbanizados La ciudad de México abarca las 16
delegaciones del Distrito Federal, 37 municipios del Estado de México y 1
municipio del Estado de Hidalgo.
La ZMVM con sus 19 millones de habitantes alberga al 18% de la población
total del país. Es la segunda ciudad más grande del mundo, se muestra una
panorámica de la ciudad en la figura 38. Las actividades cotidianas de su
población, las 53,000 industrias ahí asentadas y los 3.5 millones de vehículos que
la circulan diariamente provocan altos niveles de contaminación del aire. Otros
factores agudizan este problema:
• El valle de México está rodeado por montañas en 3 de sus lados. Así se
conforma una barrera natural que dificulta la libre circulación del viento y la
dispersión de los contaminantes.
72
• Las inversiones térmicas que ocurren en el valle, son un fenómeno natural que
provoca el estancamiento temporal de las masas de aire.
• Los sistemas anticiclónicos son frecuentes en el centro del país y pueden
generar cápsulas de aire inmóvil en áreas que abarcan regiones mucho mayores
que el Valle de México.
• La ZMVM se localiza a 2,240 m de altura sobre el nivel del mar. Esto, aunado a
la intensa radiación solar que recibe favorece la formación de contaminantes
tóxicos como el ozono.
• La altitud de la ZMVM hace que ahí el contenido de oxigeno en el aire sea 23%
menor que a nivel del mar. Esto reduce la eficiencia de los procesos de
combustión. Además, hace que las personas tengan que respirar mayor cantidad
de aire para obtener la misma cantidad de oxigeno.
Esto provoca que también respiren más contaminantes. Para mayor
referencia sobre las características de la ZMVM y la calidad de su aire, consultar el
libro: Air quality in the Mexico Megacity de Luisa T. Molina y Mario J. Molina
(editores) publicado por Klumer Academic Press 2002.
Efectos de la contaminación en la ciudad de México
Figura 38
http://mce2.org/education/posters_esp/carteles06.pdf
73
Sistema de Monitoreo Atmosférico de la Ciudad de México (SIMAT)
El Sistema de Monitoreo Atmosférico de la Ciudad de México es el
organismo encargado de medir las concentraciones ambientales de los
contaminantes en la ZMVM.
La RAMA (Red Automática de Monitoreo Atmosférico) es la parte del SIMAT
que mide continua y permanentemente el ozono (O3), dióxido de azufre (SO2),
óxidos de nitrógeno (NOx), monóxido de carbono (CO), partículas menores a 10
micrómetros (PM10) y partículas menores a 2.5 micrómetros (PM2.5).
La información que proporciona la RAMA es fundamental para evaluar la
calidad del aire en la Ciudad de México y difundirla mediante el Índice
Metropolitano de la Calidad del Aire (IMECA). La rapidez con que la RAMA
transmite la información, permite instrumentar el Programa de Contingencias
Ambientales Atmosféricas cuando los niveles de contaminación son un riesgo para
la salud de la población.
La RAMA cuenta con 36 estaciones de monitoreo ubicadas en puntos
estratégicos de la Ciudad de México y el Estado de México, ver figura 39. La
localización de cada estación se basa en criterios técnicos como la densidad
poblacional, la distribución de las fuentes de emisión y la topografía. Los equipos
de medición que emplea la RAMA analizan gases específicos. Cada uno opera
con base en las características fisicoquímicas de cada contaminante. Los equipos
realizan mediciones minuto a minuto las 24 horas, los 365 días del año. La
información de las estaciones de monitoreo se envía a un sistema central. Ahí se
procesa para generar promedios por hora. Con esta información se integran las
bases de datos públicas.
74
Estaciones y parámetros de la Red Automática de Monitoreo Atmosférico de
la Ciudad de México
Estación
Clave
Acolman
ACO
Aragón
ARA
Atizapan
ATI
Azcapotzalco
AZC
Camarones
CAM
Cerro de la Estrella
CES
Chalco
CHO
Chapingo
CHA
Coyoacán
COY
Cuajimalpa
CUA
ENEP-Acatlán
EAC
I.M.P
IMP
Iztacalco
IZT
La Perla
PER
La Presa
LPR
La Villa
LVI
Lagunilla
LAG
Laureles
LLA
Merced
MER
Metro Insurgentes
MIN
Nezahualcoyotl
NET
Pedregal
PED
O3
NO2
SO2
CO
PM10
PM25
VV
DV
TMP
HR
75
Plateros
PLA
San Agustín
SAG
San Juan de Aragón
SJA
Santa Ursula
SUR
Tacuba
TAC
Taxqueña
TAX
Tlahuac
TAH
Tlalnepantla
TLA
Tlalpan
TPN
Tultitlán
TLI
UAM Iztapalapa
UIZ
Vallejo
VAL
Villa de las Flores
VIF
Xalostoc
XAL
Figura 39.
Fuente: INE
El Imeca que es dado a conocer al público, es medido en cinco sectores que
corresponden a las zonas NE, NO, SE, SO y centro de la ciudad de México. El
cálculo se efectúa considerando las mediaciones realizadas en las estaciones de
muestreo, calculando la media aritmética de todos los puntos de muestreo en la
zona para los valores monitoreados en cada estación. (Jiménez, 2008).
76
Capitulo 5. Clasificación y características de los dispositivos de control.
5.1 Partículas.
Las partículas pueden existir en cualquier forma, tamaño y pueden ser
partículas sólidas o gotas líquidas. Dividimos a las partículas en dos grupos
principales. Estos grupos difieren en varias formas. Una de las diferencias es el
tamaño. A las más grandes las llamamos PM10 y las más pequeñas les llamamos
PM2.5
Partículas grandes: miden entre 2.5 y 10 micrómetros (de 25 a 100 veces más
delgados que un cabello humano). Estas partículas son llamadas PM10 (decimos
PM diez, el cual significa partículas de hasta 10 micrómetros en tamaño). Estas
partículas causan efectos menos severos para la salud.
Partículas pequeñas: Las partículas pequeñas son menores a 2.5 micrómetros
(100 veces más delgadas que un cabello humano). Estas partículas son conocidas
como PM2.5 (decimos PM dos punto cinco, como en partículas de hasta 2.5
micrómetros en tamaño. En la tabla 9 se muestran algunas características y
efectos de las mencionadas partículas.
77
Origen y efectos de las partículas PM10 y PM2.5
Partículas Ásperas (PM10)
Partículas Finas (PM2.5)
•
humo, tierra y polvo
tóxicos de las fábricas, la
agricultura y caminos
•
•
compuestos orgánicos
metales pesados
Lo que
son
•
mohos, esporas y polen
•
manejando automóviles
Que las
produce
•
moliendo y aplastando
rocas y tierra que el
viento levanta
•
quemando plantas (arbustos
e incendios forestales
desperdicios del jardín)
fundiendo (purificando) y
procesando metales
•
Tabla 9
www.sma.df.gob.mx/simat/pnparticulas.htm
Las partículas pequeñas son más ligeras y permanecen en el aire más
tiempo y viajan lejos. Las partículas PM10 (grandes) pueden permanecer en el
aire por minutos u horas mientras que las partículas PM2.5 (pequeñas) pueden
permanecer en el aire por días o semanas. También, las partículas PM10 pueden
viajar tan poco como cien yardas o en ciertos casos tanto como hasta treinta
millas. Las partículas PM 2.5 pueden viajar más lejos tanto como cientos de millas.
En contaminación atmosférica se reconoce como partícula a cualquier
material sólido o líquido con un diámetro que oscila entre 0.0002 y 500
micrómetros (µm). En conjunto se designan como partículas suspendidas totales o
PST.
78
Las fuentes de emisión de partículas pueden ser naturales o antropogénicas.
Entre las fuentes naturales se encuentran: erosión del suelo, el polen de las
plantas,
material
biológico
fraccionado,
erupciones
volcánicas,
incendios
forestales, etc. Entre las fuentes antropogénicas se encuentran: combustión de
productos derivados del petróleo, quemas en campos agrícolas y diversos
procesos industriales.
Las PST pueden estar constituidas de gran número de sustancias, las de
origen natural, que representan aproximadamente el 65% en peso, se componen
en suelos y, de manera ocasional de elementos biológicos. Por su parte, las
partículas provenientes de la combustión y de diversos procesos industriales son
menores en masa pero, en general, tienen efectos tóxicos más significativos. Es
importante destacar que las partículas de 10 micrómetros (PM10) por ser las de
mayor penetración al sistema respiratorio e impacto en la visibilidad atmosférica
son consideradas las más dañinas. En la Ciudad de México las principales fuentes
antropogénicas son los procesos de combustión interna de vehículos automotores,
la industria de la construcción, la formación fotoquímica de aerosoles con
contenido de nitrato y sulfato, ver figura 40. Durante la época de estiaje la fuente
principal de partículas son las tolvaneras.
Principales fuentes de contaminación en la ciudad de México
Figura 40.
Fuente: Gobierno del D.F, 2000.
79
Las partículas encontradas con frecuencia en el aire tienen las siguientes
características: aquellas que tienen tamaño superior a las 50
μm se observan a
simple vista mientras que para las inferiores a 0.005μm se requiere de un
microscopio electrónico. Las partículas inferioresμma no
1 sedimentan
rápidamente. Los efluentes gaseosos de la industria metalúrgica, cementeras, la
ceniza y la niebla de acido sulfúrico tienen tamaños entre 0.01 y μm
0.100
el
tamaño promedio de las partículas en la ciudad de México, es de 0.49μm.
Propiedades físicas
Las partículas se clasifican de acuerdo con su efecto en la salud humana,
como producto derivado de un proceso natural o antropogénicas y por sus
características físicas.
Partículas sedimentables (>10 µm). Son partículas que por su peso tienden a
precipitarse con facilidad, razón por lo cual permanecen suspendidas en el aire en
períodos cortos de tiempo. Por lo general no representan riesgos significativos a la
salud humana.
Partículas menores a 10 micrómetros - PM10 (<= 10 µm).- Son partículas de
diámetro aerodinámico equivalente o menor a 10 µm. Se consideran perjudiciales
para la salud debido a que no son retenidas por el sistema de limpieza natural del
tracto respiratorio.
Partículas menores a 2.5 micrómetros - PM2.5 (<= 2.5 µm).- Son partículas de
diámetro aerodinámico equivalente o menor a 2.5 µm. Representan un mayor
riesgo para salud humana, puede ser un factor de muerte prematura en la
población.
· La mayoría de las partículas altamente perjudiciales a la salud, son de origen
antropogénico y se pueden clasificar como a continuación se presentan:
80
1. Polvos.- Son partículas sólidas pequeñas (de 1 a 1,000 µm), se forman por
fragmentación en procesos de molienda, cribado, explosiones y erosión del suelo.
Se mantienen en suspensión y se desplazan mediante corrientes de aire.
2. Humo.- Son partículas sólidas finas que resultan de la combustión incompleta
de materiales orgánicos como carbón, madera y tabaco. Su diámetro oscila en el
intervalo de 0.5 a 1 µm.
3. Fumos.- Son partículas sólidas finas. Se forman por la condensación de los
vapores originados en procesos de sublimación, destilación, calcinación y
fundición. Miden entre 0.03 y 0.3 µm.
4. Cenizas volantes.- Son partículas finas no combustibles que provienen de la
combustión del carbón. Su tamaño oscila entre 1 y 1,000 µm. Entre sus
componentes se encuentran sustancias inorgánicas de metales, óxidos de silicio,
aluminio, fierro y calcio. Al depositarse en superficies actúan como abrasivos.
5. Niebla.- Son gotas pequeñas que se forman por condensación de un vapor,
dispersión de un líquido o como producto de una reacción química. Miden entre
0.0002 y 10 µm.
6. Aerosoles.- Un aerosol ambiental es una suspensión en el aire de partículas
finas líquidas o sólidas. Se dividen en aerosoles primarios y secundarios. Los
primarios son partículas relativamente estables que se emite directamente a la
atmósfera, mientas que los secundarios son partículas que se forman en procesos
de conversión de gas a partícula. Miden entre 0.01 y 100 µm de diámetro.
Los aerosoles de diámetro de 0.01 a 0.1 µm se conocen como “partículas ultra
finas”. Estos son productos de la nucleación homogénea de vapores saturados
(SO 2 , NH 3 , NOx y productos de la combustión).
Los aerosoles de diámetro entre 0.1 y 2.5 µm, se conocen como “partículas finas”.
Son formados en la coagulación de partículas ultra finas, a través de procesos de
81
conversión - gas a partícula - conocidos como nucleación heterogénea y por
condensación de gases. La mayor parte de los elementos que componen estas
partículas en países industrializados son: sulfatos (SO 4 ), nitratos (NO 3 ), amoniaco
(NH 3 ), carbón elemental y carbón orgánico. También contienen una variedad de
elementos metálicos que provienen de procesos de combustión.
Los aerosoles que contienen sulfatos y nitratos, reaccionan con las
moléculas de agua (H 2 O) dispersas en el ambiente, en forma de lluvia, niebla,
nieve o rocío, para formar ácidos. Este fenómeno se reconoce como lluvia ácida,
el cual afecta gravemente a los ecosistemas.
Sedimentación de de las partículas
Velocidad de sedimentación.- De acuerdo con esta propiedad, las partículas
se clasifican en suspendidas (su tamaño oscila entre 0.0002 µm y 10 µm) y
sedimentables (tamaño superior a 10 µm). La sedimentación es el principal
mecanismo de depuración natural. La velocidad de sedimentación de las
partículas con tamaño menor o igual a 1 µm depende de sus propiedades de
adsorción, absorción y adhesión. Cuando se comportan como gases permanecen
largos períodos de tiempo en suspensión y son más difíciles de remover tanto por
los sistemas anticontaminantes como por las defensas del organismo humano.
Las partículas con tamaño menor a 0.1 µm son propensas a chocar entre sí
(efecto del movimiento browniano) y adherirse, lo que favorece su sedimentación.
Características químicas de las partículas
Las partículas pueden tener una composición fisicoquímica homogénea o
estar constituidas por diversos compuestos orgánicos e inorgánicos. Entre los
componentes orgánicos se encuentran: fenoles, ácidos, alcoholes y material
biológico (polen, protozoarios, bacterias, virus, hongos, esporas y algas).
82
Entre los compuestos inorgánicos se encuentran nitratos, sulfatos,
polímeros, silicatos, metales pesados (fierro, plomo, manganeso, zinc o vanadio) y
elementos derivados de pesticidas y plaguicidas.
Características de Visibilidad
La visibilidad es la distancia en la cual un objeto puede ser percibido contra
el cielo como horizonte sin una distinción exacta de sus detalles. En regiones
donde la concentración de partículas fluctúa alrededor de 20 µg/m³, la visibilidad
media es de 50 a 60 Km. Por el contrario las áreas urbanas donde la
concentración de partículas excede los 100 µg/m³, la visibilidad promedio se
reduce a 8 ó 10 Km. Cuando se produce el smog fotoquímico, las partículas
duplican su concentración y la visibilidad se reduce a 5 ó 7 Km.
La reducción de la visibilidad es una de las pruebas más evidentes del
aumento de contaminación por partículas. En la Ciudad de México la visibilidad
promedio en enero de 1937 era de 10 a 15 Km y al principio de la década de los
años 70 disminuyó entre 2 y 4 Km.
Inferencia en el clima
Las partículas reflejan y absorben parte de la energía solar, lo cual provoca
un decremento de la temperatura en algunas regiones del planeta.
Afectación a Materiales
Las partículas actúan como catalizadores sobre superficies metálicas,
favoreciendo su oxidación. Además pueden absorber gases como los óxidos de
azufre y óxidos de nitrógeno, los cuales reaccionan con la humedad del entorno y
forman partículas de ácido sulfúrico o nítrico. Estos ácidos corroen los materiales
de construcción de edificios y monumentos, los cuales constituyen el patrimonio
histórico de la humanidad (lluvia ácida).
83
Las partículas en los Ecosistema
Las partículas y otros contaminantes del aire son causantes de la alteración
de los elementos típicos del suelo y propiedades fisicoquímicas del agua.
Intervienen significativamente en la formación del fenómeno de lluvia ácida, su
impacto en la biosfera es determinado por el grado de toxicidad y contenido
orgánico de las mismas.
Efectos a la salud
El riesgo a la salud por partículas lo constituyen su concentración en el aire y
el tiempo de exposición; sin embargo, el tamaño es la característica física más
importante para determinar su toxicidad y efectos en la salud humana.
Las partículas mayores a 10 µm son retenidas básicamente en las vías
respiratorias superiores y eliminadas en su mayor parte por el sistema de limpieza
natural del tracto respiratorio, por lo que no son consideradas significativamente
dañinas para la salud, sin embargo la exposición continua a altas concentraciones
puede causar irritación de garganta y mucosas.
Por su parte, las PM10 (fracción respirable) no son retenidas en las vías
respiratorias superiores, cerca de un tercio penetra hasta los pulmones. Su efecto
depende de su composición química, pueden producir irritación de las vías
respiratorias, agravar el asma y favorecer las enfermedades cardiovasculares. Se
relacionan con la enfermedad de los pulmones negros en mineros, silicosis y
asbestosis.
En el corto plazo la contaminación por PM10 puede causar el deterioro de la
función respiratoria. En el largo plazo se asocia con el desarrollo de enfermedades
crónicas, el cáncer o la muerte prematura.
84
De acuerdo con estudios realizados en México, se estima que el riesgo de
morir prematuramente se incrementa en 2% por cada incremento de 10 µg/m³ de
PM10. La combinación de partículas suspendidas y óxidos de azufre tienen un
efecto en la salud sinérgico.
Los grupos de la población con mayor susceptibilidad a los efectos de las
partículas incluyen:
·Niños
·Ancianos
·Personas
con
enfermedades
respiratorias
y
cardiovasculares
previas
·Fumadores
· Personas que respiran por la boca
El riesgo asociado con las partículas que se depositan en los pulmones es
mayor en comparación del depósito en la garganta. Los estudios recientes
demuestran que las PM2.5 tienen la capacidad de ingresar al espacio alveolar o al
torrente sanguíneo, incrementando el riesgo de padecer enfermedades crónicas
cardiovasculares y muerte prematura.
La Norma Oficial Mexicana de PST establece como límite de protección a la
salud una concentración de 260 µg/m³ promedio de 24 horas y 75 µg/m³ media
aritmética anual para proteger a la población susceptible.
La Norma Oficial Mexicana de PM10, establece como límite de protección a la
salud una concentración de 150 µg/m³ promedio de 24 horas y 50 µg/m³ media
aritmética anual para proteger a la población susceptible. Los efectos de PM10 en
la salud son motivo de amplias discusiones para reformular.
85
Medidas de protección a la salud
Entre las medidas que se pueden realizar para proteger la salud se consideran:
· Evitar exponerse al aire libre cuando la condición de calidad del aire sea NO
SATISFACTORIA
· Realizar ejercicio y otras actividades al aire libre durante el período de horas que
este
contaminante
tiene
concentraciones
bajas.
· Ingerir alimentos que contienen antioxidantes (frutas y verduras) y agua en forma
abundante.
· No realizar ejercicio y actividades que requieran de un esfuerzo físico
considerable en suelos erosionados (canchas deportivas sin cobertura vegetal o
pavimento),
pues
afecta
y
no
beneficia
a
nuestra
salud.
· Proteger las vías respiratorias con cubre-bocas o trapos húmedos en caso de
tolvaneras.
· Fomentar la reforestación y recuperación de suelos erosionados.
Antes de realizar cualquier actividad física al aire libre, consulta el Índice
Metropolitano de la Calidad del Aire de la zona donde vives.
Medición de partículas en México
El SIMAT realiza mediciones de PM2.5, PM10 y PST en µg/m³. Las técnicas
para determinar la concentración de partículas son diversas y dependen de las
características físicas de las mismas y la finalidad del estudio. La RAMA realiza
mediciones continuas y permanentes de PM2.5 y PM10, mediante equipo
automático. Con esta información se elabora y difunde oportunamente el Índice
Metropolitano de la Calidad del Aire para informar a la población sobre las
condiciones de calidad del aire.
A través de la REDMA se obtienen muestras de PST y PM10 con equipo
manual, las cuales se analizan en el Laboratorio para determinar su concentración
y contenido de sulfatos, nitratos y metales pesados.
86
5.2 Gases y vapores
Se denomina gas al estado de agregación de la materia que no tiene forma
ni volumen propio.
Características de los gases:
 Se expanden libremente
 Algunos gases tienen olor y color
 Se propagan con gran facilidad y rapidez por su naturaleza.
 Un gas está constituido por moléculas de igual tamaño y masa
 Un gas no tiene forma ni volumen fijo
 Tienen una gran energía cinética en sus moléculas.
En contraparte un vapor está constituido por gotitas de líquido suspendidas
en el aire muchas sustancias líquidas se evaporan a temperatura ambiente, lo que
significa que forman un vapor y permanecen en el aire.
Características de un vapor:
 Los vapores más comunes corresponden a vapores orgánicos
 Pueden ser inflamables o explosivos
 Pueden irritar los ojos y la piel
 Se propagan con gran facilidad y rapidez por su naturaleza
Los gases y vapores tienen la propiedad de mezclas íntimamente con el
aire
y no volver a separar espontáneamente. Aunque algunos de ellos son
bastante livianos o más pesados que el aire, la diferencia de densidad no produce
generalmente una estratificación.
87
Afectación a la salud. Estas penden en gran de las propiedades fisiológicas del
propio organismo afectado, al grado de producir inflamación en los tejidos con
que entran en contacto directo, vale decir que tejidos epiteliales como la piel, la
conjuntiva y especialmente la mucosa de las vías respiratorias, son generalmente
los más afectados .Ejemplos son el amoniaco, acido clorhídrico y formaldehido.
Algunos vapores y gases tienen un efecto asfixiante como característica
general, es decir la falta de oxigeno a nivel celular, ésta puede producir lesiones
definidas en la corteza cerebral en menos de 4 minutos y la muerte irreversible a
los 8 minutos.
Los vapores y gases asfixiantes se dividen en dos grupos:
1.- Asfixiantes Primarios:
Son aquellos que actúan principalmente por déficit de oxigeno, es decir,
diluyendo el aire hasta que la presión parcial del oxigeno es insuficiente para
provocar el intercambio entre el hidróxido de carbono y el oxigeno.
2.- Asfixiantes Secundarios:
No actúan por deficiencia de oxigeno sino por bloqueo o interferencia del
proceso fisiológico de la respiración, puede significar un accidente serio, y a
menudo la muerte. Entre los más importantes tenemos el monóxido de carbono, el
ácido clorhídrico y la arsina un gas muy tóxico.
Una de las aplicaciones médicas comunes, es la de uso anestésico, su
característica esencial es que ejercen su mayor acción fisiológica después de ser
absorbida por la sangre, que los distribuye y finalmente los elimina.
88
Este grupo incluye una gran variedad de compuestos orgánicos, así como
muchos de amplio uso industrial y domestico, especialmente como solventes y
combustibles.
Los gases que contaminan la atmósfera son:
 Dióxido de azufre
 Dióxido de carbono
 Oxido de nitrógeno
 Metano
 Ozono.
Los efectos que pueden producir sobre la atmósfera son: El aumento del
efecto invernadero por aumento de las concentraciones de dióxido de carbono en
la atmósfera y la destrucción de la capa de ozono por los CFCs (de los sprays y
refrigeradores), los insecticidas y herbicidas. En la figura 41 se observan las
principales fuentes emisoras de gases y vapores.
Principales gases y vapores emitidos a la atmosfera y su clasificación
Figura 41
Fuente: Semarnat, 2000
89
5.3 Control de olores
La problemática por la contaminación de olores se está convirtiendo en una
cuestión fundamental para ciertos sectores de la industria. Los ciudadanos se
están enfrentando cada vez más con los malos olores de las compañías de
fabricación. Es por lo tanto que el control del olor se está convirtiendo en un
factor importante para cada gestor y trabajadores ambientales de la producción.
El olor es una de las cosas más difíciles a medir. Pues la mayoría de las
muestras del aire oloroso contienen un cóctel de sustancias, con umbrales de
cada olor diverso es casi imposible tener un analizador en línea o un sistema que
mida y que pueda cuantificar y distinguir entre estos componentes.
La técnica de Olfatometría es usada para definir la concentración de un olor
en términos de percepción humana. Dicha técnica evalúa las diluciones con aire
“limpio "que un olor debe sufrir para no ser detectable por un humano. Esta
información es útil cuando se desea evaluar el grado de molestias que provoca un
olor. Véase la figura 42.
Olfatómetro de laboratorio
Figura42.
Fuente: E.P.A
90
El control de olor es uno de los intereses primarios en las instalaciones
medio ambientales, especialmente si se ubican cerca de áreas residenciales. La
buena gestión del proceso y el quehacer cuidadoso puede reducir los olores, pero
en muchos casos todavía se requerirá algún método para la reducción del olor.
El aumento de sensibilización de la sociedad con el medio ambiente junto
con las normativas cada vez más restrictivas en la emisión de gases nocivos y
molestos a la atmósfera hacen que la depuración de gases y eliminación de olores
tengan cada vez más importancia. Entre los sistemas de depuración destaca la
depuración biológica que aprovecha la capacidad de algunos microorganismos
para oxidar bioquímicamente las sustancias orgánicas e inorgánicas que
contienen los gases que se deben tratar. En muchos casos, la biofiltración es la
opción más económica y la más efectiva, y que, hoy en día, es de uso
generalizado.
Se exige la reducción de malos olores de las industrias, y las de
procesamiento de alimentos y el tratamiento de productos de origen animal son
algunas de las actividades más afectadas.
La emisión de malos olores por parte de las plantas que tratan los residuos
pueden ser en sí mismas un problema, lo cual es algo a tener en cuenta a la hora
de decidir qué tipo de planta de tratamiento de residuos a instalar. Las naciones
de la comunidad económica europea deben de cumplir la legislación europea al
respecto y las pautas referentes al medio ambiente. Las directivas de la CE sobre
las emisiones medioambientales dan instrucciones a los países miembros para
que estos introduzcan una legislación nacional que concuerde con las pautas de la
CE y niveles de emisión dentro de un periodo de tiempo.
También es necesario el control del olor en multitud de procesos, y hay
varias opciones para el tratamiento del olor, incluyendo el químico, la destrucción
térmica y la biofiltración. Incluimos una comparación entre sistemas:
91
Destrucción térmica
•
•
•
•
Requiere instalaciones complejas y de elevado coste de
adquisición
Consume energía
Puede permitir un aprovechamiento térmico del calor generado
Muy utilizado para eliminar disolventes y COVs en general
Carbón activado
•
•
•
•
Sistema en seco con peligro de condensación de humedad en
el lecho
Limitada eficacia frente a moléculas pequeñas como el
amoniaco
Requiere frecuente regeneración o reposición del lecho
Apto para contaminaciones esporádicas
Lavado químico.
•
•
•
Consume reactivos, a veces caros y peligrosos
Requiere mantenimiento intensivo por personal medianamente
cualificado
Se utiliza para caudales grandes
Filtro biológico
•
Bajo coste de implantación y mantenimiento
•
Retiene mezclas de contaminantes con alto rendimiento
•
Técnica fiable y comprobada
•
Buena adaptabilidad a variaciones de contaminantes
•
Posibilidad de instalación descentralizada
Un biofiltro usa materiales orgánicos que son mantenidos a una humedad
adecuada para que tenga lugar el desarrollo microbiano para absorber y degradar
compuestos olorosos. El material, fresco y humedecido, procesa el aire que se
inyecta mediante una rejilla de tubos horadados en un lecho de filtración. Los
materiales que se usan para la construcción de biofiltros son el compost, la turba,
astillas de madera y corteza de árboles, a veces mezclados con materiales
biológicamente inertes, como la grava, para mantener una porosidad adecuada.
92
El filtro puede ser inoculado con un cultivo de microorganismos que crecen
en los materiales orgánicos que hay en el aire residual procedente de la planta.
Utiliza los mismos procesos y organismos que se emplean actualmente en las
fases biológicas de tratamiento de las aguas negras. Al inocular la biomasa con
una amplia gama de organismos van a proliferar las cepas que son capaces de
alimentarse de las sustancias aportadas con la corriente de aire. Así el filtro se
auto adapta a las condiciones encontradas en cada foco.
Las profundidades del lecho de biofiltro oscilan de 1 a 1.5 metros. Con
lechos más someros, hay fugas de gases, y lechos más profundos, son más
difíciles de mantener uniformemente húmedos. El biofiltro ha mostrado ser efectivo
en tratar olores asociados con el compostaje, incluyendo el amoniaco y una gama
de compuestos orgánicos volátiles (sulfhídrico y aminas).
El proceso de la depuración biológica consiste esencialmente en poner en
contacto el aire saturado de humedad con un lecho fijo. Si no se puede garantizar
la saturación por las condiciones en el propio foco se suele proceder a un
pretratamiento mediante un sistema de duchas antes de conducir el aire a la
biomasa. En este lecho se adsorbe la carga contaminante en la superficie del
material de relleno o se disuelve en la película de agua que lo rodea. Aquí servirá
de alimento para la fauna microbiana presente en el mismo entorno. Se podría
decir que se pasa la contaminación atmosférica del aire a la fase estacionaria para
utilizar las mismas técnicas conocidas en la depuración de las aguas residuales,
con diferencia en la concentración de las sustancias contaminantes, mucho más
baja en el aire que en el agua, y un gran exceso de oxígeno. La baja
concentración limita el crecimiento de los microorganismos a niveles que hacen
imposible la aparición de grandes excesos de biomasa como se produce en forma
de fangos en las depuradoras de aguas residuales.
93
La presencia de oxígeno hace innecesaria una aireación adicional. Por estas
razones el proceso biológico en el tratamiento de los aires de salida requiere
incluso menos mantenimiento y es más estable que el tratamiento biológico de las
aguas negras. Esto nos lleva a la mayor ventaja de los filtros biológicos frente a
los métodos clásicos: su bajo coste de explotación.
Dado que los microorganismos actúan como catalizadores específicos,
desintegrando la carga contaminante con la ayuda del oxígeno ambiental y
regenerando por su actuación la capacidad del lecho de adsorber nueva materia
no se requiere la adición de reactivos caros y peligrosos ni tampoco la reposición
frecuente del lecho. En este último aspecto hay que considerar que el compost y la
corteza de pino son rellenos con una esperanza de vida limitada mientras que los
lechos basados en fibra de turba de alta calidad pueden aguantar más de 10 años
sin cambio de la biomasa. Además, la fibra de turba es el tipo de relleno que mejor
soporta la fauna bacteriana. Estabiliza todo el proceso debido a su alta calidad
como tampón de humedad y de nutrientes. No obstante, el mayor precio de la
turba hace que los sustratos más utilizados sean los basados en compost de
origen vegetal, con el que se pueden garantizar hasta 5 años de vida, siendo la
real, naturalmente, muy superior.
Finalmente los sistemas biológicos retienen incluso sustancias que no son
depuradas en los sistemas clásicos. Por ejemplo se ha demostrado en varios
estudios la eliminación de hidrocarburos y disolventes orgánicos en la etapa
biológica.
El manejo de todos los componentes integrantes de un equipo biológico es
sencillo y puede ser llevado a cabo fácilmente por personal sin conocimientos
específicos adicionales. Lo más esencial es la vigilancia del correcto contenido de
humedad de la biomasa. La inspección y limpieza del sistema de humidificación y
del ventilador presente en todos los sistemas de desodorización tampoco son
complicadas.
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Si no hay amplias superficies disponibles se puede realizar instalaciones
descentralizadas. Este diseño es siempre aconsejable ya que permite construir
equipos menores y más fáciles de colocar en posibles huecos.
Sus aplicaciones más usuales se dan en instalaciones de tratamiento
ambiental (depuradoras, plantas de tratamiento y bombeo, instalaciones de
compostaje, RSU,...) y en procesos industriales, como la industria química,
tostadoras de café, tratamiento de aves, producción de sabores y fragancias,
mataderos, salas de despiece...
Es una tecnología apta para emisiones con niveles medios de sulfuro de
hidrógeno, amoníaco, COV's y en general aquellas instalaciones en las que se
originan olores de procesos de degradación biológica o manejo de productos
orgánicos. En la figura 43 se observa un tipo de dispositivo de control de olores de
sustancias químicas de uso comercial.
Filtro controlador de olores de empleo comercial
Figura 43
Fuente: www.growshoponline.es/images/filtro_olor
95
5.4 Precipitadores electrostáticos
Los precipitadores electrostáticos son dispositivos que se utilizan para
atrapar partículas a través de la ionización de las mismas. Se emplean para
reducir la contaminación atmosférica producida por humos y otros desechos
industriales gaseosos, especialmente en las plantas que funcionan en base a
combustibles fósiles.
Un precipitador electrostático (ESP por sus siglas en inglés), o un filtro de
aire electrostático es un dispositivo que remueve partículas de un gas que fluye
(como el aire) usando la fuerza de una carga electrostática inducida. Los
precipitadores electrostáticos son dispositivos de filtración altamente eficientes,
que mínimamente impiden el flujo de los gases a través del dispositivo, y pueden
remover fácilmente finas partículas como polvo y humo de la corriente de aire.
¿Qué es y Cómo funciona un precipitador electrostático?
Un precipitador electrostático es una unidad industrial de control de
emisiones. Evita que partículas de polvo, cenizas y productos de la combustión en
procesos
industriales,
sean
arrojadas
a
la
atmósfera.
Esto
reduce
la
contaminación atmosférica. Los precipitadores electrostáticos (PES) capturan las
partículas sólidas en un flujo de gas por medio de la electricidad.
Funcionamiento:
Es un equipo de muy alta eficiencia que funciona al ionizar (carga
eléctricamente) las partículas contaminantes para que se puedan mover fuera de
la corriente de gas, posteriormente éstas pasan entre unas placas con carga
contraria a la de la ionización por lo que se adhieren a éstas. Ver figura 44.
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Precipitador electrostático
Figura 44
Fuente: Manual de costos de operación de control de la contaminación
del aire de la E.P.A.
Cuando las placas se encuentran impregnadas con los contaminantes son
descargadas y sacudidas por golpes en seco, para que los contaminantes caigan
a una tolva inferior. Los precipitadores electrostáticos son los equipos más
eficientes para el control de partículas de menos de 0.2 micras con eficiencia
superior a 99%, su caída de presión es muy baja y pueden manejar grandes
volúmenes. Sus mayores desventajas son su costo y que no pueden manejar
sustancias explosivas.
Existen PE para uso industrial y domestico. Para el hogar podemos ver:
El filtro eléctrico con un precipitador electrostático. Estos filtros requieren
limpieza frecuente de las placas y pueden producir ozono irritante si no se les da
un buen mantenimiento.
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El precipitador de placa
El precipitador más básico contiene una fila de alambres finos, seguido por
pilas de placas planas de metal espaciadas aproximadamente 1 centímetros. La
corriente de aire pasa a través de los espacios entre los alambres y después
atraviesa el apilado de placas.
Una fuente de alto voltaje transfiere electrones de las placas hacia los
alambres, desarrollando así una carga negativa de varios miles de voltios en los
alambres, relativa a la carga positiva de las placas. Mientras que la materia de
partículas atraviesa la fuerte carga negativa de los alambres, la materia de
partículas toma la carga negativa y se ioniza. Las partículas ionizadas entonces
pasan a través de las placas cargadas positivamente, siendo atraídas por éstas
placas.
Una vez que las partículas están en contacto con la placa positiva, entonces
ceden sus electrones y se convierten en partículas cargadas positivamente como
la placa, y comienzan a actuar así como parte del colector. Debido a este
mecanismo, los precipitadores electrostáticos pueden tolerar grandes cantidades
de acumulación de residuo en las placas de recolección y seguir funcionando
eficientemente, puesto que la materia por sí misma ayuda a recolectar más
materia de la corriente de aire.
La falla del precipitador usualmente solo ocurre una vez que se haya
formado en las placas una acumulación muy pesada de material. La acumulación
puede llegar a ser bastante pesada como para bloquear la circulación de aire, o
puede ser bastante densa como para ocasionar un corto circuito al permitir que la
corriente atraviese el aislamiento. (Típicamente no daña la fuente de alimentación,
pero detiene efectivamente la precipitación electrostática adicional). Un modelo
típico de uso industrial se puede observar en la figura 45.
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Precipitaores electrostáticos
Figura 45
Fuente: www.cepis.ops-oms.org/
Precipitadores industriales modernos
Los ESPS continúan siendo dispositivos excelentes para el control de
muchas emisiones de partículas industriales, incluyendo el humo de instalaciones
de generación eléctricas (alimentados por carbón o aceite), recolección de torta
salina de los calentadores de licor negro en las plantas de pulpa de celulosa y
recolección del catalizador de las unidades de conversión catalítica de lecho
fluidizado en las refinerías por nombrar algunos. Como se puede observar en la
figura 46.
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Precipitador industrial
Figura 46
Fuente: alibaba.com/photo.
Estos dispositivos tratan volúmenes del gas de varios cientos de miles de
ACFM (pies cúbicos por minuto actuales, por sus siglas en inglés) a 2.5 millones
de ACFM en las aplicaciones de caldera más grandes (alimentadas por carbón).
La placa paralela original - el diseño cargado del alambre (descrito arriba) ha
evolucionado a medida que nuevos diseños del electrodo de descarga más
eficientes (y robustos) han sido desarrollados. Hoy en día estos desarrollos se han
concentrado en electrodos de descarga rígida a los que se adhieren muchas púas
puntiagudas, maximizando la producción de la corona. Los sistemas del
transformación - rectificación aplican voltajes de 50-100 kilovoltios en las
densidades relativamente de gran intensidad. Los controles modernos reducen al
mínimo el chisporroteo y previenen la formación de arcos, evitando daño a los
componentes.
100
Los sistemas automáticos de golpeo y los sistemas de la evacuación de la
tolva quitan la materia de partículas recogida mientras que están en línea,
permitiendo que ESP permanezca en funcionamiento por años a la vez.
Precipitador electrostático húmedo
La precipitación electrostática es típicamente un proceso seco, pero el rocío
de agua ayuda al flujo entrante a recoger partículas excepcionalmente finas, y
ayuda a reducir la resistencia eléctrica del material seco entrante para hacer el
proceso más efectivo.
Un precipitador electrostático húmedo combina el método operacional de un
depurador mojado con el de un precipitador electrostático para hacer auto
limpieza, auto lavado aún con un dispositivo de alto voltaje.
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