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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


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.


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


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


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.


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.


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


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!!!


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


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


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


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

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