universidad juárez autónoma de tabasco 22 al 26 de … de eventos/2006/catalisis... · en la...
TRANSCRIPT
Curso: Catálisis ambiental
Eduardo E. Miró
INCAPE (Inst. de Investigaciones en
Catálisis y Petroquímica) FIQ-UNL , CONICET
Santiago del Estero 2654 (3000) Santa Fe – Argentina
Universidad Juárez Autónoma de Tabasco22 al 26 de Mayo de 2006
Lluvia Ácida
Efecto Invernadero
Smog Fotoquímico
☯Principales Contaminantes
☯Fuentes
☯Consecuencias de las emisiones gaseosas sobre la atmósfera
•El medio ambiente
•Contaminación de la ATMÓSFERA
Primera Parte:Primera Parte:ContaminaciContaminacióón Atmosfn AtmosfééricaricaCONTAMINACIÓN
Procesos para el control y la eliminación de contaminantes.
CONTAMINACICONTAMINACIÓÓN:N:CAUSAS, CONSECUENCIASCAUSAS, CONSECUENCIAS
Y SOLUCIONESY SOLUCIONES
Agua Tierra
Plantas de tratamiento de agua
Reciclado
Aire
POLUCIPOLUCIÓÓN E IMPACTO SOBRE EL N E IMPACTO SOBRE EL HOMBREHOMBRE
El aumento de la población sumado al mejoramiento del estándar de vida estáresultando en una contaminación masiva en todo el mundo.
DEFINICIONES
CONTAMINANTE: Sustancia presente en concentraciones mayores a las normales como resultado de la actividad del hombre y que tiene un efecto netamente nocivo sobre su medioambiente
Todos los contaminantes se generan en una FUENTE, de donde deberáeliminarlos Estos actúan sobre un RECEPTOR o SUMIDERO.
FUENTE DE EMISIÓN: Transportes, procesos industriales consumo en general en el domicilio.
RECEPTOR o SUMIDERO: personas, animales, plantas y materiales.
LA TECNOLOGLA TECNOLOGÍÍA: problemas que causa y A: problemas que causa y soluciones que ofrecesoluciones que ofrece
La TECNOLOGÍA ha provisto los medios para la alteración masiva del medioambiente. Sin embargo la tecnología inteligentemente aplicada con un fuerte conocimiento del medioambiente, también provee los medios para tratar los problemas de la contaminación y la degradación del medio ambiente.
ALTERACIÓN DEL MEDIOAMBIENTE
* Prácticas de agricultura
* Manufactura de gran cantidad de productos industriales
* Extracción y producción de minerales y otras materias primas
* La producción de energía.
* Las prácticas del transporte moderno
ALTERNATIVAS Y SOLUCIONES
• Tratamientos de efluentes (end of pipe)• Rediseño de los procesos básicos de producción con optimización de materia prima y energía (Tecnologías más limpias).
Minimizar los desechos hacia el medio ambiente.RecicladosMejoramiento de catalizadores para síntesis eficientes
ContaminaciContaminacióón de la atmn de la atmóósferasfera
Componente Conc.
(ppm)Componente
Conc.
(ppm)
Nitrógeno (N2) 780.090 Oxido Nítrico (NO) 0,0006
Oxígeno (O2) 209.500 Amoníaco (NH3) 0,006
Argón (Ar) 9.500 Helio (He) 5,2
Dióx. de Carbono (CO2) 320 Criptón (Kr) 1
Neón (Ne) 18 Hidrógeno (H2) 0,5
Metano (CH4) 1,5 Xenón (Xe) 0,08
Monóx. de Carbono (CO) 0,1 Sulf. de Hidrógeno (H2S) 0,0002
Oxido Nitroso (N2O) 0,2 Dióx. De Azufre (SO2) 0,0002
Ox. de Nitrógeno (NO2) 0,001 Ozono (O3) 0,02
Composición del aire limpio y seco a nivel de mar
Contaminantes AtmosfContaminantes AtmosfééricosricosTóxicos PRIMARIOS causantes del 90% de los problemas de polución atmosférica:
Monóxido de Carbono (CO)Óxidos de Nitrógeno (NOx)Hidrocarburos (HC)Óxidos de Azufre (SOx)Partículas sólidas en Suspensión
Estas sustancias pueden relacionarse con otras sustancias dando origen a contaminantes SECUNDARIOS los que pueden producir un efecto mayor o menor que sus precursores.
Metano (CH4)
Óxido nitroso (N2O)
Dióxido de carbono (CO2)No tóxicos:
MONMONÓÓXIDO DE CARBONOXIDO DE CARBONO
Es el contaminante más abundante y ampliamente distribuido.
9% 4%
7%
3%
78%
Degradación y crecimiento(de la clorofila)
Otras Fuentes
Océanos
FuentesAntropogénicas
Oxidaciónde Metano
En la atmósfera entran 10 veces más de CO procedentes de fuentes naturales que las debida a las actividads humanas
MonMonóóxido de Carbonoxido de Carbono
FUENTES NaturalesFUENTES Naturales
La principal fuente natural se debe a la oxidación de metano por los pantanos, arrozales y regiones tropicales del mundo. Las reacciones propuestas involucran radicales libres OH o O atómico
Entonces que la principal fuente de CO atmosférico es un proceso que se genera dentro de la atmósfera y no uno que lo introduce en ella.
O3 ⇒ O2 + OH2O + O ⇒ OH + OH
CH4 + OH ⇒ H2O + CH3CH4 + O ⇒ HO + CH3
CH3 + O ⇒ CH2O + HOCH2O + O ⇒ CO + H2O
Luz solar
MonMonóóxido de Carbonoxido de Carbono
FUENTES AntropogFUENTES Antropogéénicasnicas
A pesar de que la contribución es aparentemente reducida, las fuentes de emisiones de CO antropogénicas no deben descuidarse. Las estadísticas se hacen en base a todo el mundo.Estas emisiones se concentran en una zona pequeña específica
La principal fuente individual de monóxido de carbono la constituyen los medios de transporte. Más del 90% proviene de los automóviles y el resto lo producen vehículos tales como aeroplanos y camiones y ferrocarriles diesel. También contribuyen las actividades industriales, la refinación del petróleo y la producción del papel. La combustión de desechos sólidos contribuye con más monóxido de carbono, otros podrían ser los incendios forestales y de edificios, la combustión de desechos y carbón y las quemas agrícolas.
MonMonóóxido de Carbonoxido de Carbono
QuQuíímica de su formacimica de su formacióónnLa formación de CO es el resultado de algunos procesos químicos:
1) Combustión incompleta de combustiblesO2 disponible inferior a la cantidad necesaria para la combustión completa
2 C + O2 ⇒ 2 CO (muy rápida)2 CO + O2 ⇒ 2 CO2
2) Reacción entre CO2 y combustible a elevada temperaturaEn algunos mecanismos industriales es necesaria, pero hay escapes.
CO2 + C ⇒ 2 CO
3) Disociación de CO2 en CO y O a elvadas temperturasA temperaturas mayores a 1750ºC el CO2 se disocia para dar CO y O
MonMonóóxido de Carbonoxido de Carbono
DistribuciDistribucióón y Efectosn y Efectos
Las zonas urbanizadas muy pobladas muestran gran concentra-ción de CO.La concentración depende de la tasa de dispersión y eliminación (vientos, estabilidad , turbulencia, etc)
Los efectos sobre los seres vivos se traduce en dificultar el transporte del oxígeno sanguíneo. La hemoglobina lo transporta como HbO2, mientras que en presencia de CO reacciona para dar HbCO
Sobre las plantas no parece tener efectos graves.......?
ÓÓXIDOS DE AZUFREXIDOS DE AZUFRE
FuentesFuentesLas emisiones directasde SO2 son exclusivamente antropogénicas, mientras que el resto es producida por oxidación de SH2 de origen natural
Las emisiones antropogénicas proceden principalmente del quemado de combustibles que contienen compuestos sulfurados. La oxidación del SH2 se produce rápidamente en precencia de ozono.
Oxidación de H2S antropogénico
43%
2%
55%
Fuentes Antropogénicasdirectas de SO2
Oxidación de H2S natural
ÓÓxidos de Azufrexidos de Azufre
QuQuíímica de su formacimica de su formacióón n -- EfectosEfectosLa combustión de cualquier sustancia que contenga azufre produ-cirá SO2 y SO3 y la cantidad relativa entre ellos dependerá de las condiciones de reacción.
Si bien en el contexto de la Contaminación ambiental no son deseables, resultan útiles para la industria del ácido sulfúrico
S + O2 ⇒ SO2SO2 + O2 ⇒ 2 SO3
Las plantas se ven dañadas, SO2 interfiere sobre el mecanismo sintetizador de la clorifila.
Sobre el hombre afecta a las vias respiratorias.
El SO3 forma ácido sulfúrico con el agua, esto ataca ciertos materiales debido a su elevado ídice de corrosión.
PARTPARTÍÍCULASCULAS
FuentesFuentesNeblina: está formada por gotas de líquido en suspensiónHumo: partículas de hollín producidas por la combustiónEmanaciones: son condensados de sustancias orgánicas o inorgá-nicas.Polvos: resultan de la rotura mecánica de la materia sólida.
8%
46%
4%
42%
Emisiones secundariasAntropogénicas
Emisiones primariasAntropogénicas
Emisiones primarias Naturales
Emisiones secundarias Naturales
PARTPARTÍÍCULASCULAS
Fuentes Fuentes -- ComposiciComposicióón n QcaQca y tamay tamaññooFuentes Primarias de origen NATURAL o ANTROPOGÉNICOAerosol marino: El viento incide sobre la superficie, se producen las olas. Se forman burbujas que descargan en el aire partículas líquidas. Estas contienen residuos orgánicos y ClNa. Actúa como transporte de sustancias químicas a la tierra (abonos para los suelos)Erupción de volcanes, incendios forestales, hollín de combustión, etc
Fuentes secundarias de origen NATURAL o ANTROPOGÉNICOPartículas formadas a partir de contaminantes gaseosos o de emisiones naturales (H2S, NOX, SO2, NH3,...)
Composición: En general Ca, Mg, Al, Si y metales comunes del suelo. Humo: Compuestos orgánicos e inorgánicos (combustión).Tamaño: 0,1µm - 5000µm, relacionado con la fuente de emisión. Erosión del suelo >10µm , Combustión y aerosoles 0,2- 1 µm.
PARTPARTÍÍCULASCULAS
Destino Destino -- EfectosEfectosTodas las partículas atmosféricas terminan en la superficie terrestre, ya sea por deposición seca o por precipitación húmeda.Depuración Húmeda:
a) Rainout: las partículas sólida sirven como núcleo para la formación de gotas o hielo
b) Washout: la lluvia o la nieve recogen las partículas y la transportan a la superficie terrestre.
Efectos:Se depositan en las plantas impidiendo el paso de luz y retrasando las secuencias de la fotosíntesis.Problemas respiratorios en los seres humanos, los efectos dependen del tamaño de las partículas, la penetración y la composición
HIDROCARBUROS HIDROCARBUROS
FUENTESFUENTES
30%
15%
55%
Emisiones Antropogénicas
Terpenos
Emisiones Naturales (acción bacteriana)
FUENTES NATURALES: asociadas a procesos biológicos, principalmente el METANO.FUENTES ANTROPOGÉNICAS: proceden principalmente de procesos petroquímicos y del transporte. VOCs.
La mayoría de los HC no son tóxicos para las plantas. Sobre el hombre sólo se sabe que los HC alifáticos son tóxicos en elevadas concentraciones y los aromáticos a menores provocando irritación en el sistema respiratorio.
ÓÓXIDOS DE NITRXIDOS DE NITRÓÓGENOGENO
Se conocen 6 óxidos de nitrógeno distintos (N2O, NO, NO2, N2O4, N2O3, N2O5); pero los que más se detectan son:
N2O, óxido nitroso: incoloro, no inflamable, no tóxico, aroma y sabor dulces
NO, óxido nítrico: incoloro, no inflamable, tóxico e inodoro.
NO2, óxido de nitrógeno: pardo rojizo, no inflamable, tóxico y olor asfixiante.
N2O3, N2O5 son los anhídridos de los ácidos nitroso y nítrico respectivamente.
ÓÓXIDOS DE NITRXIDOS DE NITRÓÓGENOGENO
FUENTESFUENTESLas fuentes entre un óxido y otro difieren. Casi todo el N2O proviene de fuentes naturales, el NO de ambas y el NO2 principalmente de las antropogénicas.Fuentes naturales N2O y NO: ciclo de descomposición de materia nitrogenada.Fuentes antropogénicas NOx: combustión, el NO se transforma rápidamente en NO2
46%
11%
43%
NOFuentes Antropogénicas
NO(acción bacteriana)
N2O(acción bacteriana)
Se ha considerado que en la combustión sólo se genera NO
OJO! Datos promedios en todo el mundo, las fuentes antropogénicas son importantes en áreas amplia-mente urbanizadas.
Contaminantes:
NO y NO2
transporte y fuentes fija
ÓÓXIDOS DE NITRXIDOS DE NITRÓÓGENOGENO
QUQUÍÍMICA DE FORMACIMICA DE FORMACIÓÓNN
Casi todas las fuentes de NOx son antropogénicas y se producen por la combinación del N2 y el O2 del aire
N2 + O2 ⇒ 2 NO2 NO + O2 ⇒ 2 NO2
Se require temperatura elevada (1300 - 2500ºC)
Los gases de combustión se enfrían rápidamente entonces el NO noalcanza a descomponerse.En condiciones de combustión el NO2 no se forma, a T↑↑ es inestable.
NO2 + LUZ ⇒ NO + OO + O2 ⇒ O3
O3 + NO ⇒ NO2 + O2HO + RH(+O2) ⇒ RO2
RO2 + NO ⇒ RO + NO2 RO + O2 ⇒ HO2 + aldehído, cetonas, PAN
HO2 + NO ⇒ HO + NO2PAN: ntratos de peroxiacilos (R-CO3NO2)
SMOG FOTOQUSMOG FOTOQUÍÍMICOMICO
CAUSAS CAUSAS -- EFECTOSEFECTOS
Se denomina a la neblina originada por la reacción de la luz solar (UV) sobre la mezcla HC y NOx que componen los gases de los automóviles.
NEBLINA FOTOQUÍMICA!!!
ÓÓXIDOS DE NITRXIDOS DE NITRÓÓGENOGENO
DESTINO DESTINO -- EFECTOSEFECTOS
El proceso responsable de la eliminación de NOx de la atmósfera es la formación de ácido nítrico.
2 NO2 + O3 ⇒ N2O5 + O2N2O5 ⇒ 2 HNO3
Etapas muy lentas
* El NO2 afecta a las plantas próximas a las fábricas de HNO3* NO y NO2 son perjudiciales para el hombre, afecta las vias respiratorias* Los daños del NOx sobre los materiales es más visible en telas y papel, sobre todo cuando se combinan con agua (corrosión por ác nítrico).
2 NO2 + H2O ⇒ 2 HNO3 + HNO23 NO2 + H2O ⇒ 2 HNO3 + NO
Etapas más rápidas
CONSECUENCIAS DE LAS EMISIONES CONSECUENCIAS DE LAS EMISIONES GASEOSAS (NO TGASEOSAS (NO TÓÓXICAS) SOBRE LA XICAS) SOBRE LA
ATMATMÓÓSFERASFERA
TEMPERATURA DE INVERSIÓNEFECTO INVERNADEROSMOG FOTOQUÍMICO
Una duplicación de gases de “invernadero” (CO2, CH4 y N2O) incrementaría entre 1 - 3.5 ºC la temperatura terrestre.Estos gases en cantidades normales corresponden a un 0.1% del total de la atmósfera actúan como una “frazada” alrededor del planeta. Sin ella la temperatura terrestre sería 30ºC menor.El aumento indiscriminado de estos gases está haciendo esta “frazada más gruesa.“El cambio climático con certeza conllevará una significativa pérdida de vidas” (OMS)
TEMPERATURA DE INVERSITEMPERATURA DE INVERSIÓÓNN
CAUSAS CAUSAS -- EFECTOSEFECTOSLos contaminantes se acumulan en la atmósfera inferior en lugar de dispersarse.Movimiento del aire: vertical u horizontal (vientos)El efecto horizontal del viento disminuye en zonas montañosas o ciudades con edificios elevados.CAPA DE INVERSIÓN: capa de aire másfrío debajo de una más cálida, disminuye la circulación vertical del aire.
AUMENTA LA ACTIVIDAD FOTOQUÍMICA!!!
Sin inversión
Con inversión
EFECTO INVERNADEROEFECTO INVERNADERO
CAUSAS CAUSAS -- EFECTOSEFECTOS
Procede de la interacción entre la cantidad creciente de CO2 atmosférico y la radiación que escapa de la tierra.El O3 filtra la mayo proporción de radiación UV, mientras que el CO2 y el agua absorben parte de la infrarroja (calor).
Aumenta la nubosidad por la mayor concentración de agua.
Aumenta la temperatura media.
EFECTO INVERNADEROEFECTO INVERNADERO
CAUSAS CAUSAS -- EFECTOSEFECTOS
Superficie Terrestre
Contenido elevado de CO2
La radiación emitida hacia la atmósfera es menor debido a la absorción de calor por los gases invernadero.
E. LuminosaOnda Corta
E. CalorOnda Larga
Contenido nor-mal de CO2
Superficie Terrestre
LLUVIA LLUVIA ÁÁCIDACIDA
CAUSAS CAUSAS -- EFECTOSEFECTOS
Precipitación de compuestos ácidos de la atmósfera, tales como ácidos en solución acuosa, gases ácidos (SO2) o sales ácidas (NH4HSO4). La acidez la originan los gases emitidos por la combustión de combustibles fósiles en las plantas de potencia, la industria en general, los medios de transporte.
INTERFIERE SOBRE EL DESARROLLO DE ANIMALES Y PLANTAS
SO2 + ½ O2 + H2O ⇒ (2 H+ + SO42-)ac
2 NO2 + ½ O2 + H2O ⇒ 2 (H+ + NO3-)ac