Post on 28-Nov-2015
Universidad Nacional de Ingeniería
Instituto del Petróleo y Gas
- IPEGA -
MODULO B:
CONTAMINACION ATMOSFÉRICA
Máximo José Sierra Peralta
E - mail: maxsierrap@gmail.com
PREGUNTAS:
¿Cuánto más deben empeorar las condiciones
para que la vida silvestre y seres humanos
estén en peligro?
¿Están el hombre y otras especies ya en
peligro?
RESPUESTA:
Predecir la probabilidad y magnitud de
problemas ambientales y de salud futuros
basados en la evidencia actual.
Utilizar indicadores de efecto para prever o
inferir cambios a niveles superiores
(poblaciones y ecosistemas).
Primera parte:
¿Qué es la contaminación ambiental?
Contaminación: Presencia en el ambiente de cualquier
agente físico, químico y biológico, en lugares, formas
y concentraciones tales que puedan ser nocivos para
la salud, seguridad o bienestar de la población
humana, perjudiciales para la vida animal o vegetal, o
impidan el uso y goce normal de los materiales,
propiedades y lugares de recreación.
Contaminación ambiental: Se refiere a cualquier
descarga de material o energía hacia el suelo, agua o
aire que pueda causar un detrimento
agudo (corto plazo), o crónico (largo plazo), al
balance ecológico del ambiente o que disminuya la
calidad de vida.
Contaminación sinérgica: Es la acción asociativa entre
sustancias o energías que generan un efecto
contaminante, a pesar de que los elementos
aisladamente puedan ser inocuos.
TIPOS DE CONTAMINANTES
QUÍMICOS: orgánicos, inorgánicos. Naturales,
antrópicos.
FÍSICOS: temperatura, isótopos radiactivos, radiación
electromagnética, ruidos, contaminación visual.
BIOLÓGICOS: microorganismos patógenos, mareas
rojas.
MEDIO AFECTADO
AIRE
AGUA
SUELO
ORGANISMOS VIVOS
CONTAMINANTES DEL AIRE
Contaminantes primarios:
Aerosoles, óxidos de azufre, monóxido de
carbono, óxidos de nitrógeno, hidrocarburos,
ozono, anhídrido carbónico, oxidantes, sustancias
radiactivas, derivados del azufre, halógenos y
derivados, arsénico, sustancias orgánicas,
partículas de metales, minerales.
Contaminantes secundarios:
Contaminación fotoquímica, acidificación,
disminución de la capa de ozono, contaminación
electromagnética, calor, ruido.
Atmósfera
Es la mezcla de gases y partículas suspendidas que envuelve la Tierra y que permanece en torno a ella gracias a la atracción gravitacional del planeta.
Los principales componentes de la atmósfera son:
a) el nitrógeno molecular (78%),
b) oxígeno molecular (21%), y
c) otros gases (1%).
El vapor de agua, el dióxido de carbono (CO2), y otros elementos gaseosos de menor concentración ocupan el 1% restante.
Se subdivide en troposfera, estratosfera, mesosfera y termosfera.
Es la capa de aire y gases que rodea la tierra, desde 0 hasta 120 Km. sobre el nivel del mar.
Los distritos de Lima Este presentan la mayor
concentración de partículas contaminantes del aire en la
capital, según mediciones realizadas por el Servicio Nacional
de Meteorología e Hidrología del Perú, informó el presidente
de esta institución, Willar Gamarra.
De acuerdo con los reportes de las estaciones de monitoreo
de la calidad del aire, el funcionario explicó que los niveles de
contaminación en distritos como Ate superan en cuatro
veces el límite permitido para la salud humana.
En declaraciones a la agencia Andina, el presidente de
Senamhi recordó que en abril pasado se registró hasta 244
ug/m3 de PM10 diario y que en fiestas de Año Nuevo estas
partículas alcanzaron los 724 ug/m3, superando en 483 por
ciento el ECA de 150 ug/m3.
“La salud de la población de Ate se ve afectada por esta
partícula que ingresa al cuerpo humano por las vías
respiratorias, pero también pueda afectar la piel, los ojos,
provocar problemas cardiovasculares y cáncer al pulmón”,
sostuvo, tras recalcar que la contaminación por PM10 es
generada por los vehículos y la quema de residuos.
Gamarra detalló que dichos contaminantes, concentrados
principalmente en San Juan de Lurigancho, Comas y Villa
María del Triunfo, pueden generar enfermedades
respiratorias como el asma bronquial
respiratorias agudas (IRA).
y las infecciones
Origen de la Contaminación atmosférica
La contaminación atmosférica es generada por varias
causas, siendo las más importantes:
la lluvia ácida,
el calentamiento global,
y los fragmentos de polvos atmosféricos; producidos a su vez por
la utilización a gran escala de los combustibles fósiles, que son los
mayores contaminantes del aire.
Los efectos que estos agentes provocan tienen lugar en
dos medios: medio abiótico y medio biótico.
Suposiciones básicas en el
Control de la Contaminación del Aire
El control racional de la contaminación del aire tiene su
primer antecedente en 4 suposiciones básicas
desarrolladas por la Asociación Americana para el Avance
de la Ciencia (American Association for the Advancement
of Science. Air Conservation. Washington, D.C., 1965.):
1. La Contaminación Atmosférica es parte integral de toda
sociedad industrial
2. El aire es de dominio público, no hay fronteras que
actúen como barreras.
3. La contaminación es un componente inevitable de la vida
moderna
4. Al reducir la contaminación del aire no se debe generar
contaminación en otros sectores del medio ambiente
Efectos adversos en el Aire
Efectos Globales: gases causantes de deterioro de la
atmósfera terrestre.
1. Calentamiento Global (Efecto Invernadero)
2. Agotamiento de la capa de Ozono
3. Lluvia Ácida
Efectos Locales: contaminación en ciudades debido a
industrialización, vehículos, entre otros.
En la atmósfera del planeta
Tierra existen los llamados
"gases de invernadero", los
cuales mantienen la
temperatura promedio de la
superficie de la tierra en
alrededor de 15 °C .
De otra forma, ésta alcanzaría -
18 °C . El efecto invernadero
es, en realidad, la retención
de la radiación emitida por el
sol.
Gases causantes:
Dióxido de carbono (CO2)
CFC’s (compuestos químicos)
Metano (CH4)
Efectos del calentamiento global
Como resultado del calentamiento global, se presume
que en el futuro cercano habrá mayor frecuencia de
sequías, tormentas e inundaciones.
Se ha calculado que por cada 1 cC de aumento térmico,
el vapor de agua contenido en la atmósfera se
incrementa cerca 6%, que traduce en
sequías prolongadas y, por otro lado, lluvias más
intensas, que ya comenzaron su aparición a finales del
siglo XX.
Efectos del calentamiento global
Como resultado de esta causa las zonas marítima,
costera, insular y fluvial podría sufrir cambios en el
medio físico, biótico y socio económico que no han sido
cuantificados en detalle.
Toda vez que aproximadamente el 50% de la población
total vive en estas regiones, mayor investigación en
esta área será necesaria.
Aumento global de temperatura atmosférica
• Según estudios, el último decenio ha sido el más cálido
del siglo. La temperatura atmosférica ascendió en 0,4 °C
durante los 25 años anteriores.
• Así pues, se ha disparado un proceso de "calentamiento global" del cual el ser humano también responsable.
FUENTES DE CONTAMINANTES EN LA ATMÓSFERA
• NATURALES
Volcanes
Polen
Spray del océano
• ANTROPOGENICAS
Industriales
Comerciales
Agricultura
Transporte
Transporte de calor
La conducción es el proceso por el cual se transmite el
calor a través de la materia sin que esta en sí se transfiera.
El calor es conducido de un objeto más caliente a uno más
frío.
La transferencia de calor a través de la convección se
produce cuando la materia está en movimiento. El aire que
se calienta a través de la superficie terrestre calentada se
elevará porque es más liviano que el del ambiente. El aire
calentado se eleva y transfiere el calor verticalmente.
Los meteorólogos también emplean el término advección
para denotar la transferencia de calor que se produce
principalmente por el movimiento horizontal antes que por el
movimiento vertical del aire (convección).
FUENTES MOVILES
Motores de combustión interna
En 1977 en los Estados Unidos, los vehículos de
transporte eran los causantes del 75% de las
emisiones de CO, del 35% de HC y del 29% de NOx
TIPOS DE CONTROL:
Control del cárter
Control del escape
Control de las evaporaciones
TIPOS COMUNES DE MOTORES DE COMBUSTION
INTERNA
• Motor de cuatro tiempos de gasolina encendido
por bujía para automóviles de pasajeros y camiones
ligeros.
• Motor de cuatro tiempos o dos tiempos de encendido
por compresión, comúnmente referido a motor diesel. .
Este motor es usado para camiones, autobuses,
locomotoras y barcos.
• Motor de turbina de gas para aviones.
MOTORES DE GASOLINA
La gasolina es una mezcla de hidrocarburos que,
en general, pertenece a algunas de las siguientes
clasificaciones:
Parafinas
Olefinas
Naftalenos
Compuestos aromáticos
La combustión de la gasolina produce diferentes
hidrocarburos. Se han llegado a identificar más de
200 de éstos en los gases de escape.
MOTORES DE GASOLINA
Los hidrocarburos poseen diferentes potenciales
para la formación de smog fotoquímico (ozono). A
este potencial se le llama reactividad. El metano
tiene una reactividad de cero.
La calidad de una gasolina se mide comúnmente
por su número de octano.
Se agregan aditivos para aumentar el octanaje:
– Tetraetilo de plomo.
– Dibromoetileno.
– Cicloroetileno.
– Éter metíl-terbutílico.
MOTORES DIESEL
En el ciclo diesel básico, el aire se comprime
hasta una alta presión y temperatura. Antes
de llegar al punto muerto superior, se inyecta
el combustible al cilindro y el encendido
ocurre cuando la mezcla de vapores alcanza
la temperatura de autoencendido.
COMBUSTIBLES ALTERNOS
• Gas licuado/butano
• Gas Natural
• Metanol
GAS BUTANO / GAS LICUADO DE
PETROLEO
El gas butano y el gas licuado son combustibles
alternativos atractivos en algunas partes del
mundo debido a su abundancia y bajo costo. Los
resultados de emisiones de un motor diesel
convertido para usar butano indican una
reducción del 30% en emisiones de NOx
mientras que las de CO y HC se incrementan.
Las emisiones de humo se redujeron en una
cantidad estimada de entre 25 y 50%.
GAS NATURAL
El usar natural como combustible alterno es
una tecnología que demuestra reducir las
emisiones de motores diesel.
Uno de los beneficios más grandes de convertir
motores diesel a gas natural es la reducción de
emisiones de NOx sin causar incremento
simultáneo en emisiones de partículas.
METANOL
Resultados experimentales muestran que
cuando se emplea metanol o etanol como
combustible, en motores modificados para su
uso, la eficiencia energética se aumenta de un
6 a 10% y las emisiones sin un catalizador, se
reducen de la siguiente forma: CO, 60%,
HC,78%, NOx 55% de los producidos por un
motor de gasolina. Es importante hacer notar
que el consumo de alcohol es mayor debido al
valor calórico más bajo.
CONTROL DE FUENTES MOVILES
Las emisiones de las fuentes móviles se deben,
principalmente, a tres causas:
•Emisiones de escape
•Emisiones de cárter
•Emisiones evaporativas
CONTAMINACIÓN POR PARTÍCULAS
Términos para partículas:
• Partículas
• Polvo
• Niebla
• Aerosol
• Neblina
• Humo
• Cenizas
• Vapores
Zonas de deposición de partículas
Región de la cabeza: Dp > 10 μm
Vías respiratorias: 5 μm < Dp < 10 μm
Región pulmonar: Dp < 5 μm
Distribución de Partículas por Diámetro y Cantidad
Distribución de Partículas de 1.0 - 2.5 m
PROPIEDADES DE LAS PARTÍCULAS
• Tienen un riesgo potencial mayor para la salud.
• Aumentan las reacciones químicas en la
atmósfera.
• Reducen la visibilidad.
• Aumentan la posibilidad de precipitación, niebla y
nubes.
• Reducen la radiación solar afectando el
crecimiento biológico de las plantas.
• Ensucian los materiales.
EFECTOS ADVERSOS
•Olores
•Salud humana
•Daño material
•Daño ecológico
•Cambios meteorológicos
Deposición
•CO2 y O3 estratosférico
EFECTOS DE LA CONTAMINACIÓN
DEL AIRE EN LA SALUD HUMANA
HC: Trastornos en el sistema respiratorio, algunos
producen cáncer
CO: Afecta al sistema nervioso central y provoca
cambios funcionales cardiacos, pulmonares, dolor
de cabeza, fatiga, somnolencia, fallos respiratorios
y hasta la muerte.
NOx: Irrita los pulmones, agrava las enfermedades
respiratorias y cardiovasculares.
Pb: Se acumula en los órganos del cuerpo, causa
anemia, lesiones en los riñones y
EFECTOS DE LA CONTAMINACIÓN
DEL AIRE EN LA SALUD HUMANA
PST: Irritación en las vías respiratorias, agrava el
asma y enfermedades cardiovasculares. Su
acumulación en los pulmones origina silicosis y
asbestosis.
SOx: Irritación en los ojos y el tracto respiratorio y
reduce las funciones pulmonares y agrava el asma,
la bronquitis crónica y el enfisema.
Ozono: Irritación en los ojos y el tracto respiratorio,
agrava las enfermedades respiratorias y
cardiovasculares.
FORMACIÓN DEL OZONO
ESTRATOSFERA:
O2 + hv (λ<242 nm) -------> 2O.
O. + O2 -------> O3c
O3 + hv (242<λ<320 nm) -------> O2 + O.
TROPOSFERICO (Antropogénico):
NO2 + hv (λ<430 nm) ------>NO + O.
O. + O2 ------> O3
NO + O3 -------> NO2 + O2
CFC’s
El Cl y sus óxidos destruyen al O3:
O + ClO ------> Cl + O2
Cl + O3 --------> ClO + O2
Otros compuestos clorados son:
CH3Cl
CFCl3
CF2Cl2
CCl4
CCl2=CHCl
9597600
N
O E
9597400 S
Niveles de
concentración
de
contaminante
de CO para
una fabrica de
harina de
pescado.
9597200
9597000
F3
F2
9596800 F1
9596600
9596400
543200 543400 543600 543800 544000 544200 544400
0 1 2 3 4 5 6 7 ug/m3
MODELO DE DISPERSIÓN
Consiste en expresar de forma matemática
la concentración de los contaminantes emitidos
desde una fuente.
Los modelos más utilizados en la dispersión de
contaminantes en el aire, se basan en la
distribución de Gauss.
Según la dispersión Gaussiana, existirá una
región de mayor concentración y dos zonas
simétricas en las que ésta irá disminuyendo
paulatinamente hasta alcanzar un valor mínimo.
Un modelo de dispersión, estima la distribución
espacial y temporal de contaminantes atmosféricos
mediante representaciones matemáticas en donde se
incluyen los diferentes factores que influyen en este
proceso.
De esta manera un modelo de dispersión permite
evaluar la Calidad del Aire en una zona dada.
Los modelos de dispersión pueden ser de tipo
preliminar como el SCREEN de la USEPA, o de tipo
detallados como el ISC (Industrial Source Complex) y
el AERMOD.
DATA
METEOROLOGICA
DATA
TOPOGRÁFICA
EVALUACIÓN
DE LA
CALIDAD DEL
AIRE
FUENTES
EMISORAS
EVALUACIÓN
DE LA
CALIDAD
DEL AIRE
REQUERIMIENTOS BÁSICOS PARA
REALIZAR UN MODELO DE DISPERSIÓN
a. Características de las fuentes emisoras:
Tipos de contaminantes emitidos
Tasa de emisión
Dimensiones (i.e. altura y diámetro de chimenea)
Régimen de operación
b. Información Meteorológica de la Zona:
Magnitud y dirección de los vientos
Temperatura
Estabilidad atmosférica
c. Topografía de la Zona
Es un factor importante en la elección del modelo
de dispersión adecuado: ISC, AERMOD, etc.
Velocidad y dirección del viento
La velocidad del viento determina la cantidad de dilución inicial que experimenta
una pluma. Por lo tanto, la concentración de contaminantes en una pluma está
directamente relacionada con la velocidad del viento.
Esta también influye en la altura de la elevación de la pluma después de ser
emitida. A medida que la velocidad del viento aumenta, la elevación de la
pluma disminuye al ser deformada por el viento. Esto hace que disminuya la
altura de la pluma, que se mantiene más cerca del suelo y puede causar un
impacto a distancias más cortas a sotavento.
La velocidad del viento se usa junto con otras variables para derivar las categorías
de la estabilidad atmosférica usadas en las aplicaciones de los modelos de la
calidad del aire.
Para propósitos meteorológicos, la dirección del viento se define como la
dirección desde la cual sopla el viento, y se mide en grados en la dirección
de las agujas del reloj a partir del norte verdadero. La dirección del viento
determina la dirección del transporte de una pluma emitida.
Gradiente ambiental / atmosférico
El perfil de la temperatura del aire ambiental muestra el gradiente vertical atmosférico.
Resulta de complejas interacciones producidas por factores meteorológicos; por lo general consiste en disminución en la temperatura con la altura.
Es importante para la circulación vertical, ya que la temperatura del aire circundante determina el grado en que una porción de aire se eleva o desciende.
El fenómeno producido cuando la temperatura aumenta con la altitud se conoce como inversión de la temperatura (inversión térmica).
Esta situación es clave en la contaminación del aire porque limita la circulación vertical de este.
Gradiente
ambiental /
atmosférico
Estabilidad Atmosférica
• La dispersión de contaminantes en la atmosfera
depende de las condiciones meteorológicas.
• Estabilidad atmosférica: Bajo este criterio, las
condiciones atmosféricas pueden
ser catalogadas de la siguiente forma:
–Neutral
–Estable
–Inestable
Cálculo de los niveles de
concentración de contaminantes
Coeficientes de dispersión (δy) y (δz):
Curvas de Pasquill - Guifford
En los modelos gaussianos, la dispersión de la pluma lejos de la línea central está representada por los coeficientes de dispersión, δy (horizontal) y δz (vertical).
La dispersión de la pluma depende de la clasificación de estabilidad asignada al escenario bajo estudio. La figura muestra los valores que los modelos gaussianos emplean para la dispersión horizontal y vertical según la clasificación de la estabilidad y la distancia a sotavento de la chimenea.
Como es de suponer, los coeficientes de dispersión horizontal aumentan a medida que las condiciones atmosféricas se hacen menos estables, es decir de F a A.
Al comparar los 2 gráficos, se observa que la clasificación de la estabilidad afecta la dispersión vertical más radicalmente que la horizontal. Los gráficos de los coeficientes de dispersión se pueden usar para obtener δy y δz empleados como datos de entrada para la ecuación de distribución gausiana.
Clases de Inestabilidad Atmosférica
según clasificación de Pasquill
En condiciones de cielo cubierto durante el día o la noche se debe
suponer la categoría neutral D.
Para las condiciones A-B, B-C o C-D, promedio de
valores obtenidos para cada uno.
A = extremadamente inestable. D = Neutra.
B = inestabilidad moderada. E = ligeramente estable.
C = ligeramente inestable. F = moderadamente estable.
Valores de constantes de curva de ajuste para calcular los coeficientes de dispersión
como función de la distancia de vientos débiles y estabilidad atmosférica
* b = 0.894 para todas las clases de estabilidad y valores de x.
Elevación de la pluma
La mezcla del aire ambiental en la pluma se denomina
arrastre. Al entrar en la atmósfera, estos gases tienen un
momentum. Muchas ocasiones se calientan y se hacen
más cálidos que el aire externo.
En estos casos, los gases emitidos son menos densos que
el aire exterior y, por tanto, flotantes. La combinación del
momentum y la flotabilidad de los gases hace que estos se
eleven.
Este fenómeno, conocido como elevación de la pluma,
permite que los contaminantes emitidos al aire en esta
corriente de gas se eleven a una altura mayor en la
atmósfera.
Al estar en una capa atmosférica más alta y más alejada
del suelo, la pluma experimentará una mayor dispersión.
Elevación de la pluma
La altura final de la pluma, conocida como altura efectiva
de chimenea (H), es la suma de la altura física de la
chimenea (h s) y la elevación de la pluma ( ∆h).
La elevación de la pluma depende de las características
físicas de la chimenea y del efluente (gas de chimenea).
La diferencia de temperatura
entre el gas de la chimenea (Ts)
y el aire ambiental
(Ta) determina la densidad de la
pluma, que influye en su
elevación. La velocidad de los
gases de la chimenea determina
el momentum de la pluma.
Dos ejemplos de flujo descendente
EQUIPOS UTILIZADOS PARA LA
MEDICIÓN Y MONITOREO DE LA
CALIDAD DEL AIRE
CLIMET MODEL CI – 500
El equipo CLIMET es un contador
automático de partículas, y el
modelo utilizado es el CI 500
Innovación. Este equipo es de fácil
instalación y mide la cantidad de
partículas presentes en el aire a su
alrededor captados por una sonda.
Los rangos que mide son de 0.3
- 0.5 - 1.0 - 2.5 - 5.0 -
10.0 - mayor a 10 micrómetros.
DATA RAM 4
MODEL DR - 4000
PARTISOL LUS
MODEL 2025