QUÍMICA AMBIENTAL

INTRODUCCIÓN. MANEJO DE LOS DESECHOS INDUSTRIALES: ENFOQUE JERÁRQUICO.

ELEMENTOS QUÍMICOS EN EL MEDIO AMBIENTE.

Ing. Nicolas Chumacero Torres

INTRODUCCIÓN

Química Ambiental, estudio de los problemas yla conservación del ambiente.

Química de la atmósfera, capa de ozono el usogeneralizado de los clorofluorcarbonos.

Lluvia ácida, contaminación de agua y suelo: laQuímica Ambiental e Ingeniería Químicaproducen métodos de tratamientos para limitarlos desechos de los procesosmanufactureros.

MÉTODOS DE EXPRESAR LA CONCENTRACIÓN

Para gases o líquidos son: 1. Masa/volumen: masa de soluto por unidad devolumen de la solución (en la química del agua)Análogo al peso/volumen (mg/l = ppm)

2. Masa/masa o peso/peso: la masa de soluto enuna masa dada de la solución (mg/kg o ppm, ppb,etc.).

Si la densidad de una solución es 1 kg/l, laconcentración del constituyente en ppm, mg/kg =concentración de un constituyente enmg/l

UNIDADES:

ppm (partes por millon) ppb  (partes por mil millones) mol/L (Mol = Peso Molecular en gramos) mmol/L (milimol por litro) eq/L (equivalentes por litro = M x z) meq/L (miliequivalente por litro)

ppb =µg de soluto

L de soluciónppm =

mg de soluto

L de solución

Reporte de laboratorio: Mg/L o ppm para iones mayores y μg/L o ppb para elementos traza.

Conversiones:

Conc. en mmol/l = (ppmo mg/L)/ Peso Molecular

Conc. en meq/l = Conc. en mmol/L x Carga iónica

Para aplicaciones prácticas en entornos de agua yaguas residuales, densidad es 1 kg/L.

El empleo de mg/L es lo más general enaplicaciones de agua debido a que lo quegeneralmente se determina es el volumen de lasolución además de la masa del soluto.

La unidad ppm se emplea típicamente en lodos osedimentos.

Mol, es la masa de un constituyentenuméricamente igual a su peso molecular.Ejemplo: 1 mol gramo de metano (CH4) = 16 g demetano.

EJEMPLOS

Expresar la concentración de un 3 % en pesode una disolución acuosa de CaSO4 entérminos de mg/L y ppm.

3 % en peso = 3/100 = 30 000/ 1 000 000 = 30 000ppm

Dado que la solución es acuosa, entonces,

C = 30 000 mg/L

Si un litro de la solución acuosa contiene 190 mgde NH4 y 950 mg de NO3, expresar estosconstituyentes en términos de nitrógeno (N).

Solución

190 mg NH4/L = 190 mg NH4/L(14 mg N/18 mgNH4)

= 148 mg NH4 – N/L

950 mg NO3/L = 950 mg NO3/L (14 mg N/62 mgNO3)

= 214 mg NO3 – N/L

En el contexto molar hay cuatro entidades deconcentración:

Molalidad (m), mol/Kg = moles de soluto/Kg desolución

Molaridad (M), mol/L = moles de soluto/L desolución

Normalidad (N), eq/L =equivalente de soluto/Lde solución.

Donde el peso equivalente en g/eq = pesomolecular (g)/equivalencia (n),n es el númerode protones indicados en una reacción deoxidación‐reducción.

Fracción molar X= número de moles desoluto/moles totales de solución

Ejemplo Una solución acuosa que es un 3 % en peso de

CaSO4, expresar la concentración en: A) Molalidad B) Molaridad C) Fracción molPesomolecular de CaSO4 =136 g/mol3 % en peso = 30 gr/Kga) m = (30 g/Kg)/(136 g/mol) = 0,22 mol/Kgb) M = (30 g/L)/(136 g/mol) = 0,22 mol/L = 0,22 Mc) X(CaSO4) = (30/136)/((30/1316) + (970/18)) =

0,0041X(H2O) = 0,9951

Ejemplo Dado la concentración de Ca+2 como 92 mg/L enuna solución. Expresar la concentración eneq/L y en mg CaCO3/L.

El peso equivalente de Ca+2 en mg/meq =PM/carga =40/2 = 20 mg/meq

N en eq/L = concentración en mg/L /eq enmg/meq = 92 mg/L / 20 mg/meq = 4,6 meq/L

Sin embargo, el peso equivalente del Ca comoCaCO3 = 100 g/mol / 2 eq/mol = 50 mg/meq

La concentración de Ca en mg/L como CaCO3 =50 mg/meq x 4,6 meq/L = 230 mg/L

Ejemplo estequiométrico Si el gas natural (98 % de CH4) se emplea comocombustible en una planta de energía térmica,determinar la cantidad de oxígeno requerido pordía para producir 100 MW de potencia si el podercalorífico del gas es 50 MJ/Kg.

Solución 1 KW = 1 J/s 100 MW = 360x103 MJ/h Gas requerido = 360x103/50 = 7 200 Kg/h = 7,2 Tn/h Metano real = 0,98 x 7,2 = 7,06 Tn/h Ecuación estequiometrica

CH4 + 2 O2 2 H2O + CO2

7,06 Tn/h x (64/16) = 28,2 Tn/h de O2

CASO DE GASES Las diferentes formas de expresar las concentracionesde los contaminantes del aire son:

ppm (v/v) ppb (v/v) mg/m3

mg/Nm3 (Nm3 = m3 normal seco, es decir, en CN, T = 0ºC y P = 1 013 mb)

El metro cúbico normal es importante si latemperatura de emisión es mayor que la atmosférica,pues 1 mol de gas emitido no ocupa 22,4 litros.

A temperaturas y presiones no normales, se tienenque hacer varias correcciones

En CN (condiciones normales o estándar) de T= 0 ªC yP= 101,3 Kpa, 1 mol de gas ideal ocupa 22,4 litros,

En CNN (condiciones no normales), 1 mol de gas idealocupa: 22,4 x(T/273 ºK)x(101,3Kpa/P) litros

EJEMPLO

Según la OMS, para 1 hora el estándar para CO, NO2y SO2 son 30 mg/m3, 400 µg/m3 y 350 µg/m3,respectivamente. Calcular estas concentraciones enppm en CN.

Solución:

[conc] ppmv (m3/m3) = [conc] g/m3 x 22,4x10‐3 (m3/mol)[PM] g/mol

Donde:ppmv = partes por millón en volumenppmm = partes por millón en masa = [conc]g/m3

a) Peso mol de CO = 28 g/molVCO = [30x10‐3 (g/m3)/28 (g/mol)]x22,4x10‐3 m3/mol= 24x10‐6 = 24 ppm

b) Peso mol de NO2 = 46 g/molVNO2=[400x10‐6 (g/m3)/46 (g/mol)]x22,4x10‐3 m3/mol=195 x10‐9 = 195 ppb = 0,195 ppm

c) Peso mol de SO2 = 64 g/molVSO2=[350x10‐6 (g/m3)/64 (g/mol)]x22,4x10‐3 m3/mol=125 x10‐9 = 125 ppb = 0,125 ppm

ENFOQUE JERÁRQUICO EN EL MANEJO DE LOS DESECHOS

1. No producir el desecho2. Reducción en la fuente3. Reciclo en el proceso4. Reciclo en el lugar de producción5. Reciclo fuera del lugar de producción6. Tratamiento para reducir peligro del desecho7. Disposición segura en rellenos sanitarios8. Lanzamiento directo al ambiente

EJEMPLO: Un reactor químico

1. Cambio de materia prima2. Aplicación de tecnologías de punta3. Optimización4. Reuso5. Bolsa de residuos6. Valor agregado7. Relleno sanitario8. Operación más limpia

IMPORTANCIA DE LA CONTAMINACIÓN QUÍMICA

Impactos en el medio ambiente Recursos aire, agua y suelo se afectan poracumulación de sustancias químicas fuera de suconcentración normal.

Identificación de contaminantes y el sistema decontrol apropiado

Monitoreo y mediciones focalizadas y puntualespara advertir daños futuros

Identificar peligros y riesgos asociados asustancias químicas para plantear sistemas decorrección.

EIA PAMAs PEMAs Etc. En general: identificación, cuantificación delcontaminante y selección del método másadecuado para su control

ELEMENTOS QUÍMICOS EN EL AMBIENTE LITOSFERA: constituido principalmente de roca yparte de tierra, contiene combinaciones de silicio,oxígeno, aluminio y muchos otros metales.

En algunas ocasiones, debido a procesosgeológicos, ciertas sustancias químicas selocalizan en la litosfera denominado depósitosminerales.

LA HIDROSFERA se compone principalmente dehidrógeno y oxígeno combinados para formaragua.

LA ATMÓSFERA es la capa de aire que rodea latierra. 12 Km hacia el espacio es la troposfera, delos 12 hasta 50 km es la estratosfera, y la porciónsuperior a los 50 km se denomina ionosfera.

BIOSFERA: Plantas y animales dentro de laatmósfera y la hidrosfera y sobre la litosfera.

ECOSFERA: El todo, el medio ambiente En la tabla siguiente se dan los porcentajes enmasa de los 18 elementos que constituyenalrededor del 99.5 % de la litosfera, la atmósfera,la hidrosfera y la biosfera

CICLOS DE LA NATURALEZA

CICLO DEL OXÍGENO En la litosfera el oxígeno se encuentra encombinación con el Si el Al en silicatos dealuminio (rocas)

Otra parte se encuentra en combinación conmetales, como óxidos metálicos, carbonatos,sulfatos, nitratos y fosfatos.

En el gráfico siguiente se muestra el ciclo deloxígeno

La cantidad de O2 disuelto en el agua es unindicador de la calidad de la misma. El aguacompletamente saturada de aire a 1 atm y 20° Ccontiene alrededor de 9 ppm de oxigeno.

En presencia de oxigeno, el C, H, N, S y P delmaterial biodegradable se convierten en CO2,HCO3

‐, H2O, NO3‐, SO4

–2 y PO4–3.

Respiración aerobia y anaerobia El desarrollo de muchos M. O. en cultivo puroen unmedio con glucosa se realiza como sigue:

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O La reducción del oxigeno en la respiraciónpuede llevar tanto a la mineralizaron como a ladegradación parcial de los sustratos orgánicos.

El O2 se reduce también biológicamente conreductores inorgánicos como el H, compuestosreducidos del nitrógeno, S o Fe.

Estos tienen lugar en el desarrollo de bacteriasque pueden crecer en medios mineralesutilizando CO2 como única fuente de carbono.

CICLO DEL CARBONO

Es el elemento esencial de la biosfera, participa enun ciclo de intercambio dentro de la ecosfera.

Sus combinaciones químicas son: en la atmósferaaparece como CO2; en la litosfera existe en formade carbonatos metálicos (CaCO3); en la hidrosferacomo CO2 disuelto y como iones carbonato y enla biosfera es un elemento vital.

En la siguiente figura se muestra el ciclo decarbono.

CICLO DEL CARBONO

El mayor reservorio de carbono lo constituyenlas rocas y sedimentos de la corteza terrestre.

Tomando como referencia los organismosvivos, una gran cantidad de carbono orgánicose encuentra en las plantas terrestres.

Esto representa el carbono de los bosques ypraderas y constituye el principal lugar defijación fotosintética de CO2.

La materia orgánica muerta (humus) contienemayor cantidad de carbono que los seres vivos.

Es una mezcla compleja de materia orgánica (elprotoplasma de los microorganismos que hanresistido la descomposición y en parte tambiéndel material resistente de las plantas).

El medio mas rápido de transferencia global delcarbono es mediante el CO2 de la atmósfera porel proceso fotosintético de las plantas y retornaen forma natural por respiración (animales y M.O. quimiorganotrofos, entre otros.).

CICLO DEL NITROGENO Después del C, H y O, el nitrógeno es el cuartoelemento más abundante en la biosfera.

Es un importante componente de los aminoácidosy las proteínas y es uno de los elementos nutritivosmás importantes de las plantas y los animales.

En la atmósfera, el nitrógeno está como moléculadiatómica, N2, muy estable y relativamente inerte.

En la figura siguiente se da el ciclo de nitrógeno.

El ciclo del nitrógeno son los procesos biológico yabiótico de transferencia de este elemento a losseres vivos. Es uno de los ciclos biogeoquímicosimportantes del equilibrio dinámico decomposición de la biosfera.

Los organismos autótrofos consumen nitrógenoen forma de nitrato (NO3

–), mientras que losheterótrofos lo necesitan en forma de gruposamino (‐NH2), y lo toman formando parte de lacomposición de distintas biomoléculas en susalimentos.

Los autótrofos reducen el nitrógeno oxidado quereciben como nitrato (NO3

–) a grupos amino,reducidos (asimilación).

Para volver a contar con nitrato hace falta que losdescomponedores lo extraigan de la biomasadejándolo en la forma reducida de ion amonio(NH4

+): amonificación; y que luego el amonio seaoxidado a nitrato: nitrificación.

La fijación de nitrógeno, origina compuestossolubles a partir del N2, y la desnitrificación, esuna forma de respiración anaerobia que devuelveN2 a la atmósfera, manteniendo el equilibrio.

MINERÍA Y REFINACIÓNHierro y acero

La hematita (Fe2O3)Magnetita (Fe3O4)

AluminioEs el metal más abundante en la corteza

terrestre y se encuentra combinado en arcillas yroca.La bauxita (mezclado con óxidos de hierro).

El óxido de aluminio se extrae de la bauxita.Véase la siguiente figura de los usos del hierro yla fabricación del acero.

METALES TÓXICOS EN EL MEDIO AMBIENTE

Mercurio Plomo Cadmio Arsénico Berilio Antimonio Vanadio Níquel