ANÁLISIS DE ARTÍCULOS MATERIA TERMODINAMICA DOCENTE GINA HINCAPIE PRESENTADO POR SEBASTIÁN ARBOLEDA CANO [email protected] [email protected] INSTITUCION UNIVERSITARIA COLEGIO MAYOR DE ANTIOQUIA FACULTAD ARQUITECTURA E INGENIERÍA INGENIERÍA AMBIENTAL MEDELLÍN 2018 1 Artículo 1: THERMODYNAMIC ANALYSIS OF THE GASIFICATION OF MUNICIPAL SOLID WASTE Abstract:This work aims to understand the gasification performance of municipal solid waste (MSW) by means of thermodynamic analysis. Thermodynamic analysis is based on the assumption that the gasification reactions take place at the thermodynamic equilibrium condition, without regard to the reactor and process characteristics. First, model components of MSW including food, green wastes, paper, textiles, rubber, chlorine-free plastic, and polyvinyl chloride were chosen as the feedstock of a steam gasification process, with the steam temperature ranging from 973 K and the steam-toMSW ratio (STMR) ranging from 1 to 5. It was found that the effect of the STMR on the gasification performance was almost the same as that of the steam temperature. All the differences among the seven types of MSW were caused by the variation of their compositions. Next, the gasification of actual MSW was analyzed using this thermodynamic equilibrium model. It was possible to count the inorganic components of actual MSW as silicon dioxide or aluminum oxide for the purpose of simplification, due to the fact that the inorganic components mainly affected the reactor temperature. A detailed comparison was made of the composition of the gaseous products obtained using steam, hydrogen, and air gasifying agents to provide basic knowledge regarding the appropriate choice of gasifying agent in MSW treatment upon demand. [4] Artículo 2: ACID LEACHING OF HEAVY METALS FROM CONTAMINATED SOIL COLLECTED FROM JEDDAH, SAUDI ARABIA: KINETIC AND THERMODYNAMICS STUDIES Abstract: Urban soils polluted with heavy metals are of increasing concern because it is greatly affecting human health and the ecological systems. Hence, it is mandatory to understand the reasons behind this pollution and remediate the contaminated solid. The removal of heavy metals from contaminated soil samples collected from the vicinity of the sewage lake in Jeddah, Saudi Arabia, was explored. The leaching process was studied kinetically and thermodynamically for better understanding of the remediation process. The results showed that the soil samples were slightly basic in nature, and tend to be more neutral away from the main contaminated sewage lake area. The total metal content in the soil samples was measured using the aqua regia extractions by ICPOES and the results showed that many of the heavy metals present have significant concentrations above the tolerable limits. In general, the metal concentrations at different sites indicated that the heavy metal pollution is mainly due to the sewage discharge to the lake. The results showed excellent correlation between the concentrations of Co, As, and Hg with the distance from the main contaminated area. The leaching of Co, As, and Hg using 1.0 M hydrochloric acid from the soil was 2 studied kinetically at different temperatures and the experimental results were fitted using different kinetics models. The experimental data were best described with two-constant rate and Elovich equation kinetic models. Also, the thermodynamic study showed that the leaching process was spontaneous, endothermic and accompanied with increase in the entropy. In general, the polluted soil could be remediated successfully from the heavy metals using the acid leaching procedure in a short period of time. [5] Articulo 3: THERMODYNAMIC ENTROPY AS AN INDICATOR FOR URBAN SUSTAINABILITY? Abstract : As foci of economic activity, resource consumption, and the production of material waste and pollution, cities represent both a major hurdle and yet also a source of great potential for achieving the goal of sustainability. Motivated by the desire to better understand and measure sustainability in quantitative terms we explore the applicability of thermodynamic entropy to urban systems as a tool for evaluating sustainability. Having comprehensively reviewed the application of thermodynamic entropy to urban systems we argue that the role it can hope to play in characterising sustainability is less general than has been suggested in the past. We show that thermodynamic entropy may be considered as a measure of energy efficiency, but must be complimented by other indices to form part of a broader measure of urban sustainability. [6] ANALISIS En el medio ambiente existen muchos cambios provocados por el calor y la temperatura, estos ocasionan el calentamiento global ya que es provocado por el aumento de la temperatura, el principal efecto que causa el calentamiento global es el efecto invernadero, fenómeno q se refiere a la absorción por diversos gases contaminantes como son el dióxido de carbono (CO2 ), los clorofluorocarbonos (CFC), metano (CH4 ), el óxido de nitrógeno (N2 O) y el ozono de la troposfera.[1] Lo que ofrece la termodinámica para el mejoramiento del medio ambiente, es su capacidad de cambio y de reducir la cantidad de energía que necesitan las máquinas para llevar a cabo una acción, es decir, pierden un menor grado de calor y energía. Por la tanto, la termodinámica hace posible que se utilice mejor la energía tomada del medio ambiente, mitigando o el desperdicio y contaminación de los recursos utilizando mayores cantidades de combustible. La termodinámica tiene sus aspectos positivos frente el medio ambiente, pero también se evidencia la parte negativa dado a que con esta ciencia la producción de máquinas se incrementó desde la 3 revolución industrial, aunque se ha tratado de reducir la contaminación con nuevos sistemas, pero a mayor producción mayor será la contaminación La termodinámica se encuentra más ligada la elaboración de máquinas que tengan sean más eficientes con utilizando menos combustible pero también se puede implementar en el campo del medio ambiente, en estudios como: análisis de gasificación de residuos sólidos y la lixiviación de metales pesados en suelos.: la termodinámica como un indicador de sostenibilidad urbana por medio de la entropía. Los Residuos sólidos Urbanos (RSU) ahora son de gran preocupación ambiental para todo el mundo Estados Unidos tiene un rendimiento de 2.54x10 8 toneladas de RSU para el 2013 de los cuales solo reciclaron un 34,3%, no es el único país que tiene este gran problema, de modo que la termodinámica busca crear modelos para la eliminación de los RSU sacando provecho de dicho procesos una de las alternativas, de tantas que se ponen a prueba es, para este caso de estudio, la gasificación de los residuos sólidos Municipales. La gasificación de residuos sólidos provenientes de pueblos y ciudades de diferentes tipos de actividades domésticas [2], es uno de los temas que la termodinámica se ha tomado la tarea de realizar ciertos análisis, que son básicamente procesos termoquímicos para convertir los residuos sólidos (materiales de biomasa, como los desechos forestales y agrícolas), en componentes gaseosos que luego podrán ser utilizados en diversas aplicaciones. Para la realización de dicha labor, se identificó primero los residuos sólidos urbanos más frecuentes tales como: desechos verdes, papel, textiles, caucho, plástico libre de cloro, y cloruro de polivinilo, alimentos. Los siete tipos de RSU se sometieron a una temperatura de vapor de 973K a 2273K y una relación de vapor a RSU (STMR) que varía de 1 a 5. Para estos procesos se identificó que el rendimiento de gasificación de STMR es casi mismo que el de la temperatura del vapor. Al finalizar dichos procesos los productos obtenidos de los RSU son cenizas, aceites y gases, estos son principalmente monóxido de carbono, hidrogeno, dióxido de carbono e hidrocarburos. Para tener un proceso de gasificación eficiente y económico, es necesario comprender como estos factores influyen en las reacciones de gasificación de RSU, cabe resaltar que estas reacciones tienen lugar en la condición de equilibrio termodinámico (tienen las mismas propiedades se dice que es un sistema homogéneo, o que está constituido por una sola fase [3], a partir de un análisis termodinámico el cual 4 proporciona información sobre la composición y concentración de las especies en condiciones específicas, este análisis es adecuado para sistemas de composición química precisa y mecanismos de reacción desconocidos, para este caso los RSU. Los agentes gasificantes que se tuvieron en cuenta fueron el aire, vapor e hidrogeno, con el propósito de determinar cuál de estos agentes es más eficiente para el procesamiento de los RSU ya sea por medio de un amplio rango de temperaturas o STMR. Los RSU se clasificaron en dos categorías principales: orgánicos, en los que se incluyen alimentos desechos verdes, papeles textiles, caucho y plástico; e inorgánicos, se encuentran las cenizas azulejas, vidrio metal y otros. Para todos los análisis se plantearon diversas ecuaciones, en una de estas se tiene en cuenta la ley de conservación de masas, en donde se establece que el número de átomos es constante; la energía total libre, además también se estableció el valor de calentamiento más bajo de los productos gaseosos. El efecto de la temperatura frente a los principales productos gaseosos (CH4 , CO, CO2 , H2 ), varia de 973 K a 2273K donde el STMR es 2. Existe una tendencia en el aumento de la temperatura del reactor frena a la del vapor, esto indica que cuando la temperatura del vapor es más alta, se introduce más energía al sistema por medio de vapor. Para este proceso el rendimiento de CO2 es muy pequeño en todo el sistema, esto se debe a que el H2 contenido de O es grande en la gasificación de vapor de los alimentos. En este proceso el valor de calentamiento más bajo (LHV) se ve afectado por los porcentajes de volumen de CO, H2 Y CH4 , en la Imagen 1. Se presenta la formula del valor de calentamiento con respecto a cada uno de los porcentajes de volúmenes de los compuestos gaseosos. Imagen 1. Ecuación de valor de calentamiento más bajo. Analizando las condiciones a la que se sometieron los RSU, se determina que los rendimientos de CH4 caen en cero para alimentos, desechos verdes, papel y textiles cuando es STMR aumenta aproximadamente 5. Lo que indica que el rendimiento de la gasificación del CH4 fue óptima para los RSU mencionados anteriormente. Un buen análisis termodinámicos frente a los rendimientos de los principales RSU, la temperatura del reactor y el LHV cambien con un aumento en la temperatura del vapor y STMR para diferentes. 5 El agente gasificante hidrogeno tuvo mayor densidad de energía y produce las mayores cantidades de H2 y CO, esto se debe a la atmosfera reductora, mientras que el aire es una de los más altos debido a muchas reacciones de combustión, por lo que consumió la menor cantidad de energía para alcanzar a la misma temperatura del reactor. Se conoce que la eliminación de los vertederos tradicionales no es una solución muy viable, ya que se requiere de gran cantidad de tierra y da como resultado una contaminación ambiental del aire, el agua y el suelo. La incineración es un poco viable, en esta se puede recuperar la energía en forma de calor y electricidad, pero esta produce emisiones nocivas de gases ácidos, metales pesados tóxicos con un gran impacto en el medio ambiente y la salud humana. Entonces, se plantea la idea de la gasificación de los RSU, como se ve en los procesos mencionados en los que se someten los RSU, esta es una tecnología eficiente en energía, amigable con el medio ambiente y es económicamente racional. Los residuos generados en los hogares, estos emanan un material lixiviados que en la mayoría de los casos va a parar a los suelos donde se desechan estos materiales, la gran parte del material son metales pesados como Co, As y Hg, por lo que es obligatorio comprender las razones detrás de esta contaminación y remediar el sólido contaminado, para este caso, el recurso suelo. En el artículo 2. un estudio realizado en Arabia Saudita, donde se tomaron muestras alrededor del lago Jeddah. De este lugar se tomaron tres muestras, para las cuales se les realizaron estudios de cinética y termodinámica. Durante el análisis de las muestras; muestra de suelo del área A, representa el área alrededor del drenaje del lago, esta es generalmente contaminada por las aguas residuales; B, muestra de suelo del área del Parque Nacional y finalmente la muestra de suelo del área C, la cual representa el vecindario residencial adyacente al lago. Imagen 2. Ubicaciones de las muestras de suelo A, B y C, alrededor del lago de aguas residuales, Jeddah, Arabia Saudita. (Tomado de: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S20956 33915300745#t0005) Las muestras recolectadas se secaron a temperatura ambiente (20-30) °C por siete días. Luego se pasó por tamiz, se 6 secaron a 80°C hasta que su peso fuese constante y finalmente se enfrió en los disecadores a temperatura ambiente. Se considera que el lavado de suelos con reactivos químicos es uno de los pocos tratamientos permanentes para eliminar los metales pesados de los suelos contaminados. El HCl, el EDTA y H2 𝑂 subcrítica son los reactivos más utilizados para el lavado y la eliminación de metales pesados del suelo contaminado debido a su alta eficiencia de remoción de metales. Varias investigaciones afirman que existe mayor eficiencia del lavado del suelo con HCl en comparación con otros agentes de lixiviación. Para la lixiviación de los materiales se utilizó HCl a 1M, el estudio termodinámico demostró que el proceso de lixiviados fue espontaneo, endotérmico y se acompañó con un aumento en la entropía. Los materiales pesados a remover en las diferentes muestras se determinaron utilizando las extracciones de agua regia. Las mediciones se verificaron utilizando una solución de verificación de calibración inicial (ICV) que contenga los metales pesados. Los valores de ICV estaban dentro del 95105% del que se estimaba, las mediciones fueron 2,9. 27 y 30 mg/Kg PARA Co, As y Hg, respectivamente, son los más representativos en el estudio. Estos compuestos presentan concentraciones que son superiores a los niveles permitidos por la Organización mundial de la Salud (OMS) y la Unión Europea (UE). Las concentraciones para cada una de las muestras se definen A>B>C, lo que indica que la contaminación se debe principalmente a la descarga al lago en la Muestra A. Entonces, al finalizar dicho estudio del suelo alrededor del lago, se llega a la conclusión de que el principal contaminante se debe principalmente a la descarga de las aguas residuales no tratada al lago de agua residual, pero a pesar de todo esto, la recuperación del suelo se puede realizar de manera efectiva por el proceso de lixiviación en corto plazo y a condiciones ambientales. Como se ha venido mencionando, la termodinámica busca como establecer modelos que ayuden a la mejora del medio ambiente, otro de los estudios de tantos que se pueden establecer es la entropía termodinámica, esta es considerada como una medida de eficiencia energética, y debe ser complementada con otros campos que se forman con una medida de sostenibilidad urbana. Existen varios pensadores que utilizan la noción de conceptos termodinámicos para comprender mejor la sostenibilidad Georfescu-Roegen, considera la relación entre la segunda ley de la 7 termodinámica y la degradación de los recursos materiales, estos se relacionan con el concepto de entropía termodinámica. Para un proceso termodinámico, la cantidad de calor, Q, absorbida por un sistema depende de la trayectoria que toma el proceso desde el estado inicial del sistema A hasta el estado final B. Clausius mostró, sin embargo, esa división de Q por la temperatura T en la que el calor se suministra, produce una cantidad que es independiente de la trayectoria, dependiendo solo de los estados inicial y final, llamó a esta cantidad entropía, S Trasladando el concepto de entropía termodinámica a sistemas urbanos, el cual es considerado una obra maestra según Georgescu-Roegen “La ley de la entropía y el proceso económico”, en la que se transforma la “baja entropía” en “alta entropía” llevando a introducir una cuarta ley termodinámica “El reciclado completo de la materia es teóricamente imposible debido a la degradación irreversible de los recursos y el aumento de la “entropía material”. La Imagen 3. Explica de manera más detallada cómo funciona el proceso planteado por Georgecu-Roegen. Imagen 3. Proceso de “Entopia baja” a “entropía alta”. (Tomado de: http://www.eis.uva.es/energiasostenible/wp- content/uploads/2015/03/proceso-econ%C3%B3mico_GR21.jpg) Lo que se desea es que los recursos de baja entropía ingresen a la economía donde se pueden degradar y se transformen irreversiblemente en desechos de alta entropía lo que pone límites fundamentales a la escasez de recursos, lo que permite una aplicación directa a los sistemas urbanos. La entropía toma dos puntos de vistas, el primero es la buena aplicación a sistemas urbanos en la transformación de materia con poca entropía a residuos de alta entropía, la segunda es que la entropía es vista por autores de las ciencias ambientales como una forma de contaminación para el medio ambiente. Pero la entropía se relaciona es con los flujos de energía, esta no puede capturar desechos materiales o contaminación, entonces, si la entropía se llegara a verter en el entorno seria 8 solamente calor residual, por lo que se llega a refutar la idea de que es un disipador de contaminación y así no lo es, problemas como gases de efecto invernadero, el material particulado en nuestras ciudades, en estos se plantean inconvenientes para medir la sostenibilidad, pero no tienen nada que ver con la entropía. La idea de implantar la entropía como un indicador de sostenibilidad urbana, es que esta se utilizara como una medida de eficiencia energética. Se puede llegar a la paradoja en la que “El aumento de la eficiencia implicaría un aumento en el consumo”, que es como se ve en la realidad (Jevons). Con todo lo tratado, lo ideal es que la entropía si pueda ser un medidor de sostenibilidad urbana junto con la segunda ley, pero este tiene ciertas restricciones, dos de ellas son: la entropía tiene poca capacidad de cuantificar flujos de materia y la degradación de materia efectiva. Sin embargo, la producción de entropía se puede utilizar como medida de eficiencia termodinámica, es aquella donde puede proponer un mayor beneficio para el análisis de sostenibilidad urbana, En base a los tres artículos analizados, se puede realizar cierta comparación con cada uno de ellos, ya que van encaminados a la modelación y recuperación del medio ambiente, por ejemplo, la lixiviación y gasificación de residuos sólidos, con estas se puede medir también la sostenibilidad urbana, por otro lado, la entropía va ligada a los procesos de lixiviación acida de metales pesados en sólidos, ya que se puede medir la eficiencia termodinámica de la remoción de estos metales, además, relacionado la entropía con los procesos de gasificación de residuos sólidos, se logra detallar que en este caso el objetivo es obtener energía por medio de la gasificación de estos residuos, en donde la entropía termodinámica podría cumplir un buen papel el cual sería la caracterización de aquellos materiales de baja entropía y lograrlos ubicar en residuos con una alta efiencia energética, ya que lo que se busca realmente es la obtención de energía por medio de la gasificación, por lo tanto tendría mayor efecto introducir la entropía para la obtención de mejores resultados. Para finalizar, la termodinámica como muchos otros campos de estudio, aunque no se vean que trabajen en pro del medio ambiente, en realidad si lo hacen, solo que desconocemos tales hechos, además, no solo se basan en un campo de estudio, se trabaja a diferentes dimensiones, aire, agua, suelo, etc. Y todos tiene alguna relación entre sí, puede ser muy minia, pero un estudio puede ser el complemento de otro y como en todas estas investigaciones analizadas, el objetivo primordial es la conservación y restauración del medio ambiente. 9 REFERENCIAS [1] Redith (2012). RELACIÓN DE LA TERMODINÁMICA CON EL MEDIO AMBIENTE. Recuperado el 16 de octubre de 2018, de http://redith-texfisica.blogspot.com/2012/05/relacion-de-la- termodinamica-con-el.html [2] Materiales y residuos medioambientales , (2016). Residuos sólidos urbanos. Recuperado el 16 de octubre de 2018, de https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary- sciences/municipal-solid-waste [3] EcuRed (sf). Equilibrio Termodinámico. Recuperado el 16 de octubre de 2018, de https://www.ecured.cu/Equilibrio_termodin%C3%A1mico [4] Xu, P., Jin, Y., y Cheng Y. (2017). Thermodynamic Analysis of the Gasification of Municipal Solid Waste. Engineering, 3(3), 416-422. https://doi.org/10.1016/J.ENG.2017.03.004. [5] Alganmi, S. I., Al Sulami A., El-Zayar, T., Alhogbi, B. G., y Sala, M. A. (2015). Acid leaching of heavy metals from contaminated soil collected from Jeddah, Saudi Arabia: kinetic and thermodynamics studies. International Soil and Water Conservation Research, 3(3), 196-208. https://doi.org/10.1016/j.iswcr.2015.08.002 [6] Purvis, B., Mao, Y., y Robinson, D. (2017). Thermodynamic Entropy as an Indicator for Urban Sustainability? Procedia Engineering, https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.07.131 10 198(x), 802-812.