Tercera Unidad - Departamento de Ingeniería Industrial

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TECNOLOGICA
NACIONAL
Seguridad, Higiene e Ingeniería Ambiental
Tercera Unidad
Efluentes Gaseosos
1. Introducción ............................................................................................................. 2
2. Diferencia entre Ambiente laboral y Externo ........................................................... 2
3. Contaminación Atmosferica..................................................................................... 2
4. Equipos de medición de contaminantes atmosféricos. ............................................ 4
4.1 Para Particulas: .................................................................................................. 4
4.2 Para gases ......................................................................................................... 7
5. Tratamiento de Efluentes Gaseosos ....................................................................... 9
5.1 Material particulado ............................................................................................ 9
5.2 Tratamiento de gases ....................................................................................... 16
6. Contaminantes y sus efectos sobre el medio ambiente. ....................................... 18
6.1 Monoxido de Carbono: ..................................................................................... 18
Aspecto fisiológico: .............................................................................................. 18
6.2 Contaminación con compuestos del Azufre: .................................................... 18
Efectos de los compuestos de Azufre: ................................................................ 19
Lic. Eduardo Sarlo
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1. Introducción
La República Argentina no presenta un alto nivel de contaminación atmosférica, esta problemática se
siente únicamente en las ciudades, donde en algunos puntos, durante las horas pico, pueden
presentarse concentraciones elevadas de contaminantes.
En las ciudades, la generación de emisiones gaseosas se ha incrementado en los últimos años,
debido al crecimiento del parque automotor. En la actualidad las emisiones de los vehículos, son más
importantes que las emisiones de las industrias. Además se han prohibido las quemas y los
incineradores domiciliarios. Esto a contribuido a bajar el nivel de contaminantes.
Prácticamente todo nuestro país se halla sometido a vientos constantes. Las ciudades de Buenos
Aires, Rosario, Córdoba, se hallan en zonas donde el viento renueva constantemente las masas de
aire de la urbe, dispersando de esta manera los contaminantes. Esto es algo que favorece que en
estas zonas no se concentren los contaminantes generados.
2. Diferencia entre Ambiente laboral y Externo
La atmósfera puede ser analizada tanto en el ambiente laboral como en el ambiente externo. Hay que
tener en cuenta varios aspectos que hacen que estos estudios difieran uno del otro, e incluso difieran
las legislaciones existentes respecto a estos dos ambientes.
En el interior, existe un ambiente controlado y un grupo de personas expuestas a los contaminantes
acotado y con un tiempo de exposición, también acotado.
En el exterior no hay control, los grupos de riesgo son mayores, hay niños, embarazadas, ancianos,
enfermos, (además de personas sanas) y el tiempo de exposición puede ser muy variable.
Por ello los estudios realzados en el ambiente laboral no pueden nunca extrapolarse al ambiente en
general.
Los tiempos de muestreos, son mucho memores dentro de los ambientes laborales,
justamente porque se puede considerar que las condiciones están acotadas y son constantes en el
tiempo. Sin embargo en el exterior, los muestreos son prolongados, puesto que las variaciones son
muchas, y deben ser contempladas.
Los valores de las dosis tolerables para un ambiente u otro son diferentes, y esto es lo que se halla
expuesto en las distintas legislación.
3. Contaminación Atmosferica
Se entiende por contaminación atmosferica la presencia en la atmósfera de cualquier agente fisico
químico o biológico, o de combinaciones de los mismo en lugares, formas y concentraciones tales
que sean o puedan ser nocivos para la salud, la seguridad o bienestar de la población, o perjudiciales
para la vida animal y vegetal.
A su vez la contaminación puede clasificarse según su fuente o sus constituyentes principales.
Según su fuente podrían clasificarse de la siguiente manera:
Fuentes Fijas
•
•
Industriales
Domesticas
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Fuentes Móviles
• Vehículos
• Aeronaves
• Buques
Fuentes Compuestas
• Zonas industriales
• Áreas urbanas
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En la tabla puede verse que la fuente de contaminación más impórtate es el transporte y que a su vez
el contaminante mas abundante es el CO(monóxido de carbono).
4. Equipos de medición de contaminantes atmosféricos.
Los equipos de medición para los distintos agentes contaminantes son los siguientes
4.1 Para Particulas:
Muesteo en ambiente laboral:
Las partículas pueden ser sedimentables o no sedimentables. En el ambiente laboral importan las
partículas respirables es decir aquellas que se encuentran en suspensión.
Estas partículas se miden con unos equipos portátiles que son unas mochilas, donde se encuentra
una bomba y las baterías para hacerla funcionar. El equipo se monta sobre un operario o sobre un
inspector y este hace la tarea normal de su trabajo, llevando el equipo constantemente conectado.
A la altura de la boca o la nariz, se encuentran las boquillas portafiltro, que permite que el equipo
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recoja el aire a la misma altura por donde lo hace una persona al respirar.
Los filtros que se utilizan son muy pequeños y suelen ser de celulosa o metilcelulosa. Estos filtros se
retiran y se pesan cuidadosamente para conocer el peso de las partículas que se ha depositado
sobre él. Como el equipo también registra el caudal de aire que ha pasado por su interior, entonces
se puede conocer la concentración del contamínate.
Muestreo en ambiente:
Partículas sedimentables: se utilizan colectores sobre un soporte que recoge las partículas que van
sedimentando con el tiempo. Los muestreadores que se utilizan son de 15 centímetros de diámetro y
tiene una altura de 30 centímetros. Pueden ser de acero o de plástico. Los mismos se llenan con
agua para favorecer que las partículas queden retenidas en su interior, luego del tiempo estipulado,
se toman estos recipientes evapora el agua y se pesa las partículas recogidas
Se debe tener en cuenta que deben colocarse en sitios alejados de edificios o estructuras que
puedan actuar como pantallas.
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Partículas en suspensión:
Para partículas en suspensión se utilizan filtros con bombas Se usan bombas para poder mover el
caudal desde el exterior de la estructura forzándolo a ingresar en la zona donde se encuentra el filtro.
Los filtros pueden ser de fibra de vidrio o los llamados de poro definido. Estos filtros deben ser
cambiados cada 24 horas aproximadamente
Estos sistemas recogen partículas muy diversas. Cuando el sistema comienza a funcionar, recolecta
las partículas más grandes, pero en la medida en que se va saturando el filtro, comienza a muestrear
las partículas más finas.
Todo el equipo se monta sobre un bastidor que actúa de soporte.
El techo de la cabina, se utiliza para dos funciones
1. Evita que las partículas sedimentables toquen el filtro
2. Fuerza a las partículas grandes a desviarse por inercia antes de entrar al muestreador. Esto
permite separar las partículas más grandes.
Para partículas más pequeñas, se utilizan otros sistemas de medición, que involucran mecanismos de
separación de las partículas. Se utiliza la inercia de las partículas para separarlas en distintos
tamaños.
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La siguiente figura muestra un equipo de muestreo de partículas de PM 10.(particulas menores a 10
micrometros)
Muestreo en Chimenea: Se utilizan trenes de muestreo, debido a la temperatura se hacen
determinaciones en diferentes puntos de la chimenea.
Los sistemas de filtros, son parecidos a las de las cabinas. En estos casos se debe tener encuentra
que la alta temperatura de las chimeneas, puede causar problemas en los filtros, como ser la
condensación de humedad o el deterioro de las piezas. Para evitar esto se toman toda una serie de
precauciones con los equipos, para asegurar que el filtro se halle a temperatura normal.
4.2 Para gases o vapores orgánicos
1. Tubos de carbón activado: El carbón activado se utiliza par poder adsorber compuestos
orgánicos que se encuentren en la atmósfera.
Los muestreadores de tubos de carbón activado, llevan unidas unas bombas, que fuerzan al aire a
pasar a través del tubo.
El carbón activado es un material, que tiene una superficie de contacto enorme comparada con el
volumen que posee. Esto hace que pueda adsorber por efecto superficial muchos tipos de
compuestos orgánicos.
Esta superficie se satura en determinado momento, por lo que debe conocerse lo que se denomina
curva de saturación del equipo a utilizar. De esta manera, se determina el tiempo de muestreo, que
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asegure conocer la concentración del contaminante. La concentración puede conocerse fácilmente
debido que se conoce el caudal de aire, que la bomba ha hecho pasar por el tubo.
Si el tubo se satura, cuando se analiza, no puede saberse cuando se ha saturado, y no puede ser
correspondido con la lectura del caudal. Por lo tanto ya no sirve el muestreo.
2. Impactadores: Basan su funcionamiento en la disolución de un contaminante en un medio
líquido. Se hace burbujear el aire por una solución que reacciona específicamente con lo que
se quiere detectar. Con esto se detecta por ejemplo el SO2.
Los impactadores tiene algunas limitaciones. Esta son:
•
•
El líquido puede evaporarse disminuyendo el volumen y sobreestimando la concentración real
de los contaminantes presentes en la atmósfera.
El reactivo químico se puede saturar completamente y por lo tanto no se conocerá la
concentración real del contaminante.
Por lo tanto, los impactadores deben ser calibrados, lo msimo que los equipos de carbón activado.
Para ambientes de trabajo, los equipos son similares a los de las mochilas para la determinación de
partículas en suspensión, salvo que estos detectan gases.
En los ambientes exteriores, se arman equipos que pueden estar montados sobre bastidores o
trípodes, dependiendo de la cantidad de impactadores que se hallen conectados en serie.
Estos equipos se utilizan para medición en chimeneas. Se arman trenes se muestreo, que son
equipos formados, por un caño colector de la muestra, un equipo enfriador, un extractor de humedad,
los impactadores, una bomba y un medidor de caudal.
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La siguiente figura muestra un tren de muestreo típico
En esta figura, pueden observarse todos los elementos de un tren de muestreo para chimeneas. La
calibración de estos equipos lleva tiempo, dado que debe ajustarse la velocidad del bombeo de la
corriente gaseosas a través del equipo, con la velocidad de la columna ascendente que sale por la
chimenea.
Si esto no se hace, tiende a producirse un fenómeno de subestimación o sobreestimación de la
cantidad o la concentración de gases.
5. Tratamiento de Efluentes Gaseosos
5.1 Material particulado
La siguiente tabla resume alguno de los equipos que se suelen utilizar para el tratamiento y control de
las emisiones gaseosas.
Los sistemas pueden ser:
a) Separación mecánica
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Secos:
Gravitacionales
Inerciales
Centrífugos
Humedos:
Cámaras de aspersión
Ciclones
Venturi
Por burbujeo
b) Filtros
Filtros de tela
Filtros de papel.
c) Eléctricos
Separadores electrostáticos.
Antes de seleccionar el sistema de tratamiento hay que conocer:
•
•
•
•
•
•
Caudal de aire
Concentración de contaminantes
Temperatura de la emisión
Densidad
Reactividad de los contaminantes
Inflamabilidad de los contaminantes
Por lo general, todos los contaminantes presentes en una corriente de chimenea o equipo de
extracción de aire, tratan de ser llevados a una fase sólida. Hay equipos que los pasan a una fase
líquida, pero estos luego deben ser tratados con sistemas de tratamiento de efluentes
convencionales.
Separación Mecánica, Sistemas Secos
Cámaras sedimentadoras: En estos equipos las partículas caen y sedimentan por la acción misma
de la gravedad. Las partículas terminan sedimentando sobre tolvas.
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En estos equipos la eficiencia está medida en relación a la altura del mismo. Pueden separar hasta el
90% de las partículas superiores a 50 micrómetros. Pero considerando que el 80% de las partículas
típicas de una corriente de emisión a la atmósfera se halla entre 0,1 a 10 micrómetros, vemos que la
eficiencia no es tan alta.
Cámaras inerciales: Estos equipos utilizan la fuerza inercial de las pertículas para separarlas de la
corriente de aire. Se colocan obstáculos frente a la corriente de aire, que hace que esta cambie de
dirección bruscamente. Esto hace que las partículas de mayor tamaño sigan su trayectoria y caigan
en una tolva.
Estos equipos no se pueden utilizar con partículas muy pequeñas. Tienen una eficiencia de 90% para
partículas mayores a 25 micrómetros.
Ciclones Estos equipos utilizan la inercia de las partículas para separarlas de la corriente de aireEl
aire describe una espiral alrededor de un eje central. La cantidad de vueltas que da el aire dentro
depende de la altura del equipo.
Cuanto menor es su altura, menor eficiencia tiene. Estos sistemas son continuos y se purgan con un
movimiento de la tolva. Pueden ser colocados en baterías (varios juntos).
Tienen una eficiencia alta para partículas menores a los 25 micrómetros. Sin embargo estas siguen
siendo gruesas, ya que las que se hallan por debajo delos 10 micrómetros que son las más
abundantes pasan de largo.
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Separación Mecánica, Sistemas Húmedos
Lavadores: Hay cuatro tipos de sistemas de lavadores: por lluvia, Ciclónicos, Venturi y Por burbujeo
Lavadores de lluvia: Están constituidos por simples cámaras, como las sedimentadoras, pero donde
además se agrega un spray de agua. Pueden ser verticales u horizontales, dependiendo de cómo se
haga pasar el aire. Estos equipos son de baja eficiencia para partículas pequeñas, pero son también
de bajo costo.
Los lavadores transversales como los que se muestran en la figura, fuerzan el aire a subir y bajar,
separando las partículas por inercia, y además arrastran con el spray de lluvia.
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También se pueden armar en formas de lechos, donde se coloca un material de relleno (que suelen
ser productos comerciales en general de distintos tipos de plásticos) dentro de una estructura. El aire
entra por debajo empujando este material, que reciben la lluvia, y dejando en la superficie de este
material las partículas del efluente.
Lavadores ciclónicos: Estos son equipos muy sencillos. El aire ingresa al sistema en forma
tangencial y ascendente. El agua que cae desde arriba o sale del eje central, arrastra e intercepta a
las partículas y las envía a una tolva colctora.
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Equipos Venturi: En estos equipos se utiliza el principio de Bernoulli de diferencia de presiones
dentro de un angostamiento de sección de un caño. Cuando un flujo se hace pasar por un
estrangulación, la velocidad de esta aumenta y por lo tanto la presión sobre las paredes disminuye.
En estos equipos la micro gota de agua se forma justo en el angostamiento de la sección del equipo
por el que se hace pasar la corriente de aire. De esta manera la gota se forma casi en el seno del
volumen de aire, permitiendo una mejor separación de las partículas.
Estos equipos requiere movilizar la corriente gaseosa a altas velocidades y por lo tanto requieren de
mucha energía. Sin embargo son equipos mucho más eficientes que los anteriores.
Sistemas de burbujeo: En estos sistemas las partículas chocan contra unas bandejas y se
desprenden del aire, quedando en el agua.
El agua luego es tratada con métodos convencionales.
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Sistemas de Filtros
Filtros de manga: Estos son artefactos constituidos por una manga de material poroso, por la cual
se hace pasar el aire. En estos equipos el aire puede ingresar desde adentro de la manga o desde
afuera, dependiendo del tipo y modelo. Los equipos más sencillos reciben el aire desde adentro de la
manga, colectado el polvo dentro de esta. Esto hace que cuando se saturan y se llenan de polvo,
deban ser cambiadas por otras.
Los equipos que reciben el aire desde afuera, no tienen ese problema, debido a que el polvo queda
por fuera de la manga, y este puede ser retirado con equipos vibrátiles o con aire a presión sin tener
que detener el equipo.
En la figura siguiente pueden apreciarse los sistemas de ingreso interno de aire.
Sistemas Eléctricos
Precipitadores electrostáticos: Estos equipos son muy eficientes en la remoción de las partículas
más finas. Pueden limpiar el aire del 90 al 95 de las partículas presentes para partículas de 0,1 a 0,01
micrones.
Estos equipos se basan en la acción de un campo eléctrico, que separa a las partículas por su acción
electrostática. Cuando una partícula es muy pequeña, se polariza dentro de un campo eléctrico,
tendiendo a depositarse sobre uno u otro polo eléctrico. Si tiene carga neta, como las partículas más
pequeñas se adhieren electrostáticamente al ingresar dentro del campo.
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5.2 Tratamiento de gases
Equipos para el control de los gases y/o vapores ácidos.
El objetivo de estos equipos es retener y neutralizar los vapores ácidos tales como los óxidos de
Azufre SO2 y SO3, el ácido Clorhídrico, ClH y los distintos hidrácidos de los Halógenos que se
encuentren presentes , ej. FH, BrH, etc.
Para ello existen substancialmente dos modos;
1)
2)
A seco o semiseco
A húmedo
1) Este va instalado siempre antes del equipo de tratamiento del particulado.
El principio del proceso de retención es la neutralización o sea reacciones químicas entre los vapores
ácidos y el reactivo neutralizador CaO sólido o Ca(OH)2 en suspención u otros óxidos o sales
alcalinas. Las sales formadas y los reactivos que no reaccionaron son retenidas luego en el equipo
para particulado.
2) Este tipo de equipo va instalado generalmente luego del tratamiento del particulado.
Aquí el principio del proceso de retención se basa en la absorción de los gases y vapores en las
soluciones lavadoras,
que a su vez reaccionan químicamente neutralizando los ácidos.
Generalmente se usa como neutralizante una solución de soda cáustica (NaOH)
Pueden estar constituidos por:
• Torres de lavado (scrubber)
• Torres de relleno
• Torres de platos
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Todos ellos están constituidos por columnas o torres donde se ponen en contacto el gas y los
vapores a depurar con las soluciones neutralizantes.
En el Scrubber la sección de pasaje es totalmente libre, logrando con esto la imposibilidad de
obstruirse y dando lugar a bajas perdidas de carga, en ella se inyecta la solución generalmente en
contracorriente respecto del gas y vapores a depurar, la superficie de intercambio se logra mediante
la fina nebulización del líquido de lavado .
Las torres de relleno, poseen cuerpos de formas características en su interior para lograr así un
mejor retención pues ofrecen una mayor superficie de contacto entre el líquido y los gases
Los cuerpos o material de relleno pueden ser esferas, anillos, placas onduladas, etc. en general son
todos productos comerciales bien identificados.
La solución absorbente entra desde la parte superior en contracorriente a los vapores, el líquido luego
se recicla dentro de la misma torre, existiendo controles de pH y conductividad para saber cuando
hay que descargar una parte de la solución que reaccionó (purga) y reponer solución fresca.
Es necesario luego poseer un tratamiento posterior para la solución descargada. Este tratamiento
puede consistir en un filtro prensa o de bandas, una concentración por calor, etc; de modo tal de
separar los barros del líquido.
Las torres de platos poseen en su interior distintos pisos donde en cada uno de ellos los gases
deben burbujean en la solución lavadora, no son muy utilizadas para estos casos pues son
fácilmente obstruibles.
En todos los casos de tratamiento a húmedo, la salida de los gases tratados se hace a temperaturas
relativamente bajas (60-70 C) y saturados, esto da lugar al característico penacho. Para evitar o
minimizar este efecto, los gases son recalentados a temperaturas de 110-130 C.
Las eficiencias de retención de estos equipos es variable y depende de su diseño y operación. Pero
se encuentran siempre en el orden de 98 a 99 %.
Equipos para el control de los NOx.
Se utilizan generalmente dos tipos de sistemas para la eliminación de los óxidos de Nitrógeno.
1)
2)
Reducción catalítica selectiva
Reducción No catalítica
1) Emplea una inyección de amoníaco en los gases de la chimenea, luego la mezcla pasa por un
lecho catalizador a una temperatura de entre 280 C y 430 C:
NO + NH3 + ¼ O2
N2 + 3/2 H2O
2) Aquí también se agrega una corriente de amoníaco pero no se utiliza ningún catalizador, el
amoníaco se inyecta directamente en el horno a temperaturas de entre 700 c y 1200 C.
NO + NH3 + O2 + H2O
N2 + H2O
Si se evita el adicionar H2, debe aumentarse la temperatura mínima a 870 C.
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6. Contaminantes y sus efectos sobre el medio ambiente.
6.1 Monoxido de Carbono:
El monóxido de carbono es un gas de naturaleza incolora e inodora En el aire, puede encontrarse en
concentraciones que ronda de 0,06 a 1,0 ppm.
Una forma de eliminar las emanaciones de monóxido de carbono de algunos procesos industriales es
la combustión a llama directa.
El principal aporte de monoxido de carbono a la atmósfera el producido por las fuentes móviles.
Dentro de las industrias, la industria siderúrgica es uno de los principales aportantes de monóxido de
carbono, La combustión llevada a cabo en los altos hornos suele ser incompleta.
Las legislaciones de todo el mundo tomaron cuenta de la gravedad de la acción del CO sobre la salud
humana, y fue este el motivo principal de las regulaciones que le pesan.
Aspecto fisiológico:
El CO es un gas tóxico que altera profundamente la capacidad de la sangre para ceder oxígeno a los
tejidos. El CO afecta el transporte de dos maneras
1. Impide que parte de la hemoglobina se combine con el oxígeno
2. La presencia de CO aumenta la afinidad entre la hemoglobina y CO2
Como la afinidad de la hemoglobina por el CO es 200 veces mayor que por el oxígeno, si un sujeto
inhala CO aún en concentraciones bajas, el gas se combina rápidamente con la hemoglobina. El CO
se une en el mismo sitio de la hemoglobina en donde se une normalmente el Oxigeno, por lo que se
produce una interferencia estérica bajando la concentración de oxígeno en sangre.
Debido a la alta afinidad del CO, una muestra de sangre expuesta a una presión parcial de oxígeno
de 100 mmHg y una presión parcial de CO de 0,05 mmHg, tendrá el 50% de su hemoglobina en
forma de oxihemoglobina y el otro cincuenta en forma de Carboxihemoglobina. Este es el equivalente
a una persona anémica con solo la mitad de sus glóbulos rojos.
6.2 Contaminación con compuestos del Azufre:
Se considerara la contaminación con compuestos del azufre. Los principales compuestos del azufre
en la naturaleza son SO2, SO3, SH2, SO4H2 y sales del ácido sulfúrico. Las fuentes de estos
compuestos son
•
•
•
•
•
Combustión de carburantes fósiles
Combustión de materia orgánica
Descomposición de materia orgánica
Aerosoles marinos
Emisiones volcánicas
Los compuestos del azufre son emitidos a la atmósfera principalmente en forma de SO2 (derivados
de procesos antropogénicos ) y de SH2, esta especie es emitida a la atmósfera por fuentes naturales
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en grandes cantidades. El sulfuro de hidrogeno (SH2) puede ser oxidado por el oxigeno atómico,
molecular y por el ozono.
Efectos de los compuestos de Azufre:
Efectos en la visibilidad: Las partículas en suspensión en la atmósfera reducen el rango visual al
dispersar y absorber la luz. Los aerosoles de ácido sulfúrico y otros sulfatos constituyen del 5 al 20%
de las partículas en suspención el aire urbano contribuyendo significativamente a la reducción de la
visibilidad.
La neblina atmosférica se debe a la formación de aerosoles resultantes de las reacciones
fotoquimicas entre el SO2, las partículas, los óxidos de nitrógeno y los hidrocarburos presentes en la
atmósfera. Uno de los principales productos de estas complejas reacciones fotoquimicas son las
gotitas de niebla de ácido sulfúrico, que dispersan la luz.
Efectos sobre los materiales: Los compuestos del azufre son responsables de ocasionar un gran
daño a diferentes materiales. Por lo general los óxidos de azufre aceleran la corrosión de metales al
formar ácido sulfúrico ya sea en la atmósfera o en la superficie del metal. Este efecto se ve
potenciado por la presencia de ácido sulfúrico en la composición de las lluvias ácidas.
Efectos sobre la salud: Ningún otro contaminante ha sido tan intensamente estudiado como el
dióxido de azufre, sin embargo son muchas las preguntas que quedan sin respuesta con respecto a
los efectos del dióxido de azufre sobre la salud.
Varias especies de animales incluyendo el hombre, reaccionan con broncoconstricciones ante el SO2,
la mayoría de los individuos muestran reacción al SO2 a concentraciones mayores o iguales a 5 ppm.
Por otro lado el ácido sulfúrico es un irritante mucho mas potente para el hombre que el SO2.
Por ultimo el más tóxico de los compuestos de azufre el sulfídrico que puede causar la muerte en
concentraciones elevadas.
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