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Saneamiento ambiental

Contaminación Atmosférica

Profesores: Carmen L. Barajas y Jorge Buitrago C.

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CONTAMINACION ATMOSFERICA Fenómeno de concentración o acumulación de contaminantes en el aire en cantidades tales que impliquen riesgo, daño o molestia grave para las personas y bienes de cualquier naturaleza ATMOSFERA*: Capa gaseosa que rodea la tierra. CONTAMINANTES*: Son fenómenos físicos, o sustancias, o elementos en estado sólido, líquido o gaseoso, causantes de efectos adversos en el medio ambiente, los recursos naturales renovables y la salud humana que solos, o en combinación, o como productos de reacción, se emiten al aire como resultado de actividades humanas, de causas naturales, o de una combinación de éstas. EMISION*: Es la descarga de una sustancia o elemento al aire, en estado sólido, líquido o gaseoso, o en alguna combinación de éstos, proveniente de una fuente fija o móvil. FUENTE DE EMISION*: Es toda actividad, proceso u operación, realizado por los seres humanos, o con su intervención susceptible de emitir contaminantes al aire. FUENTE FIJA*: Es la fuente de emisión situada en un lugar determinado e inamovible, aun cuando la descarga de contaminantes se produzca en forma dispersa. FUENTE MOVIL*: Es la fuente de emisión que por razón de su uso o propósito, es susceptible de desplazarse, como los automotores o vehículos de transporte a motor de cualquier naturaleza. INMISION*: Transferencia de contaminantes de la atmósfera a un receptor. Se entiende por inmisión la acción opuesta a la emisión. Aire inmisible es el aire respirable al nivel de la tropósfera. *Las anteriores definiciones fueron tomadas del Decreto 948 de junio 5 de 1995 Normatividad Decreto 02 de Enero 11 de 1982: Por el cual se reglamentan parcialmente el Título I de la Ley 09 de 1979 (Código sanitario nacional) y el Decreto Ley 2811 de 1974 (Código nacional de recursos naturales renovables y de protección al medio ambiente), en cuanto a emisiones atmosféricas. Decreto 948 de junio 5 de 1995: Por el cual se reglamentan parcialmente, la ley 23 de 1973, los artículos 33, 73, 74, 75 y 76 del decreto 2811 de 1974; los artículos 41, 42, 43, 44, 45, 48 y 49 de la ley 9 de 1979; y la ley 99 de 1993 (Se organiza el Sistema nacional ambiental (SINA)), en relación con la prevención y control de la contaminación atmosférica y la protección de la calidad del aire. Decreto 2107 de noviembre 30 de 1995: Por medio del cual se modifican los artículos 25, 30, 38, 75, 76, 86, 92, 97, 98, 99, 100 y 118 del decreto 948 de 1995, que contiene el reglamento de protección y control de la calidad del aire. Resolución 005 de enero 9 de 1996: Por la cual se reglamenta los niveles permisibles de emisión de contaminantes producidas por fuentes móviles terrestres a gasolina y diesel y se definen los equipos y procedimientos de medición de dichas emisiones y se adoptan otras disposiciones. Resolución 528 de junio 16 de 1997: Por medio del cual se prohibe la producción de refrigeradores, congeladores y combinación de refrigerador - congelador de uso doméstico, que contengan o requieran para su producción u operación clorofluorocarbonos y se fijan para la importación de los mismos. NORMAS DE CALIDAD DEL AIRE (Decreto 02 de Enero 11 de 1982 – Artículo 31) a. Particulas en suspension. El promedio geométrico de los resultados de todas las muestras, diarias recolectadas en forma continua durante 24 horas, en un intervalo de 12 meses, no deberá exceder de cien microgramos por metro cúbico (100 µg/m3). La máxima concentración de una muestra recolectada en forma contínua durante 24 horas que se puede, sobrepasar, por una sola vez en un período de 12 meses, es de cuatrocientos microgramos por metros cúbico (400 µg/m3).

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b. Dioxido de azufre (SO2). El promedio aritmético de los resultados de todas las muestras diarias recolectadas en forma continua durante 24 horas, en un intervalo de 12 meses, no deberá exceder de cien microgramos por metro cúbico (100 µg/m3). La máxima concentración de una muestra recolectada en forma continua durante 24 horas que se puede sobrepasar, por una sola vez en un período de 12 meses, es de cuatrocientos microgramos por metro cúbico (400 µg/m3). La máxima concentración de una muestra recolectada en forma contínua durante 3 horas que puede sobrepasar, por una sola vez en un período de 12 meses, es de mil quinientos microgramos por metro cúbico (1.500 µg/m3). c.

Monoxido de carbono (CO). La máxima concentración de una muestra recolectada en forma contínua durante 8 horas es de quince miligramos por metro cúbico (15 mg/m3). La máxima concentración de una muestra recolectada en forma contínua durante 1 hora es de cincuenta miligramos por metro cúbico (50 mg/m 3). d. Oxidantes fotoquimicos expresados como ozono (O3). La máxima concentración de una muestra tomada en forma contínua durante 1 hora que se puede sobrepasar, por una sola vez en un período de 12 meses, es de ciento setenta microgramos por metro cúbico (170 µg/m 3). e. Oxidos de nitrógeno (medidos como dióxido de nitrógeno NO2). Cien microgramos por metro cúbico (100 µg/m 3), como promedio aritmético de los resultados de las muestras diarias recolectadas en forma continua durante 24 horas, en un intervalo de 12 meses. Aire La atmósfera está constituida por varias capas de aire. Las de mayor importancia para el estudio del control de la contaminación del aire se llaman troposfera y estratosfera.La troposfera es la capa delgada de aire relativamente denso más cercana a la superficie de la tierra. La troposfera contiene el aire que todos los seres vivos necesitan para respirar. La estratosfera es la capa protectora de aire que ayuda a absorber y dispersar la energía solar.

Fuente: Moran y Morgan, 1994 Se desconoce la composición del aire no contaminado. Los seres humanos han vivido en el planeta durante miles de años y sus numerosas actividades han influido en la composición del aire antes de que fuese posible medir sus elementos constitutivos. El aire es una mezcla compleja de muchas sustancias. Los principales elementos constitutivos del aire son el nitrógeno, oxígeno y vapor de agua. Aproximadamente 78 por ciento del aire es nitrógeno y 21 por ciento oxígeno. El uno por ciento restante incluye pequeñas cantidades de sustancias, como el dióxido de carbono, metano, hidrógeno, argón y helio. En teoría, el aire siempre ha tenido cierto grado de contaminación. Los fenómenos naturales tales como la

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erupción de volcanes, tormentas de viento, descomposición de plantas y animales e incluso los aerosoles emitidos por los océanos "contaminan" el aire. Sin embargo, cuando se habla de la contaminación del aire, los contaminantes son aquéllos generados por la actividad del hombre (antropogénicos). Se puede considerar como contaminante a la sustancia que produce un efecto perjudicial en el ambiente. Estos efectos pueden alterar tanto la salud como el bienestar de las personas. Los principales componentes, (ocupan cerca del 100% del porcentaje en volumen del aire), son los siguientes: Nitrógeno (N2) (78,084 % ), Oxígeno (O2) (20,940 % ), Argón (Ar) ( 0,934 %), Dióxido de carbono (CO 2) (0,032 %). El sistema respiratorio y la contaminación del aire Aunque los contaminantes pueden afectar a la piel, ojos y otros sistemas del cuerpo, el principal perjudicado es el sistema respiratorio. Las siguientes figuras muestran los componentes de este sistema. El aire se inhala por la nariz que actúa como el sistema filtrante primario del cuerpo. 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 alvéolos. Los bronquiolos y alvéolos, constituyen los pulmones. Los contaminantes de aire, tanto gaseosos como particulados, pueden tener efectos negativos sobre los pulmones. 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 alvéolos, 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. 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. Tipos de contaminantes Primarios.- Son sustancias contaminantes vertidas directamente a la atmósfera desde los focos emisores. Secundarios .- No son vertidos directamente a la atmósfera. Se producen a consecuencia de transformaciones y reacciones químicas o fotoquímicas que sufren los contaminantes primarios en la atmósfera. Los contaminantes de aire también se han clasificado como contaminantes criterio y contaminantes no criterio. Los contaminantes criterio se han identificado como comunes y perjudiciales para la salud y el bienestar de los seres humanos. Se les llamó contaminantes criterio porque fueron objetos de estudios de evaluación publicados en documentos de criterios de calidad del aire. En el nivel internacional los contaminantes criterio son: Monóxido de carbono (CO), Oxidos de azufre (SOx), Oxidos de nitrógeno (NOx), Ozono (O3), Plomo(Pb), Material particulado. Contaminantes primarios- gaseosos

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Dióxido de Azufre (SO2 ): Es un gas incoloro y no inflamable. Principales fuentes de emisión: combustión de sustancias que contengan azufre, calefacciones y quemadores industriales que emplean carbón y gasóleo, vehículos Diesel. Efectos: irritación en la vista, aumento de las enfermedades ORL y respiratorias (Asma), corrosión en la mayoría de los metales, especialmente hierro y zinc, decoloración de hojas en los vegetales.El SO 2 es poco estable en la atmósfera. Al combinarse con el oxígeno del aire, una gran parte se oxida a SO 3 reaccionando después con el vapor de agua de la atmósfera para formar ácido sulfúrico (H2SO4), extremadamente corrosivo y que por su mayor peso específico se precipita en forma de llovizna (lluvia acida). Monóxido de Carbono (CO): es un gas inodoro, incoloro, insípido e inflamable, que arde con llama azul.Combina fácilmente con el oxígeno de la atmósfera formando dióxido de carbono (CO 2).Se produce en los procesos de combustión en los que hay combustión incompleta, es el contaminante que más abunda. Principales fuentes de emisión: vehículos a motor, industrias, refinerías de petróleo, fábricas de acero. Efectos: muy tóxico para las personas (puede causar muerte por asfixia), efectos directos sobre los sistemas circulatorio y respiratorio, dolores de cabeza, perturbaciones psíquicas y de memoria, disminución de reflejos.Al reaccionar con la hemoglobina de la sangre (Hb), forma carboxihemoglobinemia (COHb), reduciendo la capacidad de la sangre para transportar oxígeno.Los fumadores tienen niveles de dos a cuatro veces más de carboxihemoglobinemia (COHb) que los no fumadores. Oxidos de Nitrógeno (NOx): los NOx, provienen de procesos de combustión a altas temperaturas. Oxido Nítrico (NO): gas incoloro, inodoro, tóxico y no inflamable Dióxido de Nitrógeno (NO2): gas de color rojizo, no inflamable y tóxico. Principales fuentes de emisión: vehículos a motor, procesos de combustión en las industrias del acero y petroquímicas, centrales termoeléctricas, incineradoras. Efectos y características: irritación de ojos, nariz y bronquios, en grandes cantidades puede causar edema y muerte. lesiones y daños a las plantas, retraso en su crecimiento.Se les atribuyen poderes cancerígenos. Al descargarse en una atmósfera saturada de vapor de agua puede dar lugar a la formación de ácido nítrico (HNO 3), que arrastrado por la lluvia o nieve, cae sobre la superficie terrestre en forma de lluvia acida. Hidrocarburos (HC) : Son compuestos que contienen carbono e hidrógeno. Tales como el metano, acetileno, benceno, tolueno, etc. Principales fuentes de emisión: vehículos a motor, transportes de hidrocarburos, industrias petroquímicas. Efectos: al inhalarlos, producen efectos distintos dependiendo del tipo de hidrocarburo que sea. Los hidrocarburos aromáticos: benceno y tolueno, son los más irritantes, pudiendo causar lesiones importantes en las membranas mucosas si sus vapores son inhalados. Los hidrocarburos no saturados son los más peligrosos por su facilidad de reaccionar con la radiación solar originando el conocido smog fotoquímico. Dióxido de Carbono (CO2): gas incoloro, inodoro y no tóxico. Es un componente del aire que se encuentra en estado natural en atmósferas puras. No se le considera como contaminante atmosférico, pero las alteraciones en su ciclo debido a las actividades humanas, potencian modificaciones del clima de la tierra : efecto invernadero. Principales fuentes de emisión: quema de carburantes fósiles, calefacciones domésticas, vehículos a motor, incineración incontrolada de residuos o basuras.

CONTAMINANTES PRIMARIOS NO GASEOSOS (SÓLIDOS )

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Partículas: Su procedencia y composición es muy variada. Principales fuentes de emisión: proceso de combustión de fuel, gas-oil, alquitranes, etc., polvo del suelo, erupciones volcánicas, incendios, incineraciones no depuradas de basuras, etc. Efectos: irritación de ojos y del sistema respiratorio. Penetran por las vías respiratorias y se fijan en los alvéolos pulmonares. Pueden provocar asma y tumores bronquiales. Interfieren la fotosíntesis de las plantas, perturbando el intercambio de CO 2 en la atmósfera al impedir la penetración de la luz solar. Provocan ennegrecimiento de edificios y bienes de uso. Potencian el efecto de otros contaminantes gaseosos. Partículas en suspensión : de 0 a 10 micras de diámetro. Partículas sedimentables : diámetro superior a 10 micras, al ser más pesadas caen sobre el suelo y bienes de uso . Plomo (Pb) : es un metal, que, como tal, no es degradado ni química ni biológicamente por la naturaleza por lo que persiste en ella durante mucho tiempo. La actividad humana ha hecho que haya experimentado un gran aumento, siendo las concentraciones en áreas urbanas de 5 a 50 veces superiores que en las áreas rurales. Principales fuentes de emisión: los vehículos a motor, debido al contenido de plomo de las gasolinas. Fábricas que utilizan plomo. Efectos: es uno de los más peligrosos y tóxicos.Puede producir anemia y retraso en el crecimiento de los niños. Saturnismo. El empleo de gasolinas sin plomo ha reducido, considerablemente, las emisiones de este contaminante. Ozono (O3): El ozono es considerado como un contaminante criterio y secundario. Se forma mediante una serie compleja de reacciones en la atmósfera. En términos sencillos, se forma mediante la reacción química del dióxido de nitrógeno (NO2) y compuestos orgánicos volátiles (COV) en presencia de la luz solar. Aerosoles: Producto de la dispersión de contaminantes sólidos y líquidos en un medio gaseoso. Pueden mantenerse en suspensión durante cierto tiempo y su diámetro es de 0,1 a 50 micras. Un ejemplo de aerosol es el formado por la interacción de partículas de gasolina no quemada arrastradas por los gases calientes del escape de los vehículos a motor. Ley de los gases ideales Esta ley es muy importante en la rama de la ingeniería ambiental que trata con la contaminación atmosférica. Ecuación general:

PV  nRT P : presión (atm) V: volumen (L) T: temperatura (K) N : gmol R: 0.082 atm-L/mol °K

PV 

m RT M

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

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PM RT

ρ : densidad (g/L) M: peso molcular (g/mol) Otra fórmula derivada de la ley de los gases (por favor derívenla): Cmasa = 40.9 CppmMp ( Aplica a P= 1 atm, T: 298K) Cmasa : concentración en masa (µg/m3) Cppm : concentración en volumen (ppm)

Problema: Cuál es el valor de la norma del SO2, medida durante 24 horas y expresada como ppm? Solución: La norma para el SO2 es 400 µg/m3 Cppm: 400/(40.9 x 64) = 0,153 ppm Problema : Calcule la densidad del aire a condiciones estándar (25°C, 1 atm). Asuma que la composición del aire es 78% N 2, 21% O2 y 1% Ar. Solución: Se halla el peso molecular del aire (M): M = 0,78 x 28 + 0,21 x 32 + 0.01x 40 = 28,96 g/mol ρ = (1x 28,96)/(0,082 x 298) = 1,185 g/L Problema Una muestra de gas es extraída de una chimenea. Los gases se encuentran a 200°C y 730mmm Hg. El gas atraviesa un filtro caliente, luego pasa por enfriadores, una bomba y el medidor de flujo. El flujo medido a 20°C y 790 mmHg tiene un valor de 30 L/minuto. Determine el volumen a las condiciones de la chimenea. Si 1,42 mg de partículas sólidas son recolectadas en un filtro durante 30 minutos, determine la concentración de las partículas a l salida de la chimenea en µg/m 3. Solución: a) P1V1T2 = P2V2T1 Q = 790 x 30 x 473/ (730 x 293) = 52,4 L/min b) Q  52.4 

C masa 

L 1m 3   30 min  1,572m 3 min 1000 L

1,42mg 10 3 µg µg   903 3 3 1 mg 1,572m m