QUÍMICA INORGÁNICA INDUSTRIAL Y CERÁMICA TEMA 1 INTRODUCCIÓN
QUÍMICA INORGÁNICA INDUSTRIAL
Química Inorgánica Industrial (3 créditos) Dr. Sergio Tatay Aguilar
• Instituto de Ciencia Molecular (Despacho 2.9.2) Segundo piso, segundo pasillo de la izquierda En la puerta: Francisco Romero
• [email protected] • http://www.uv.es/taser/ • Tel. +34 96 354 44 05
Cerámica (3 créditos) Prof. Javier Alarcón
• Edifición de Investigación (Despacho ) • [email protected] • Tel. +34 96 354 45 84
ESTRUCTURA DE LA ASIGNATURA
2
QUÍMICA INORGÁNICA INDUSTRIAL
Tema 1: Introducción
Tema 2: El agua y sus compuestos
Tema 3: El nitrógeno
Tema 4: El fósforo
Tema 5: El azufre
Tema 6: Los halógenos
Tema 7: El carbono
Tema 8: El óxido de titanio
Tema 9: El silicio
TEMARIO
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QUÍMICA INORGÁNICA INDUSTRIAL
Clases Clases expositivas (22.5 h) Tutorías presenciales (7.5 h)
Evaluación Trabajo previo / trabajo en tutorías (2 puntos) Examen (8 puntos) Otros (1 punto)
EVALUACIÓN
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QUÍMICA INDUSTRIAL
Institute for Prospective Technological Studies Reference Documents
http://eippcb.jrc.ec.europa.eu/reference/
Industrial Inorganic Chemistry Büchel, Moretto y Woditsch. 2000, Wiley-VCH
An Introduction to Industrial Chemistry Alan Heaton, Ed. 1996, Blackie Academic
Shreve’s Chemical Process Industries Austin. 1977, McGraw Hill
Riegels Handbook of Industrial Chemistry Riegel, Kent, Kent. 1993, Sptinger
Otros Wikipedia (ES, FR, EN, IT)
BIBLIOGRAFÍA
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TEMA I
Conceptos básicos
PARTE I Perspectiva histórica
PARTE II Productos químicos: Clasificación Aspectos económicos Productos químicos más importantes Materias primas
PARTE III Procesos industriales Batch y continuo Del laboratorio a la industria
PARTE IV Ecología y sostenibilidad
ÍNDICE
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QUÍMICA INORGÁNICA INDUSTRIAL
Química Ciencia que estudia la estructura, propiedades y transformaciones de la materia a partir de su composición atómica
DEFINICIONES
7
QUÍMICA INORGÁNICA INDUSTRIAL
Química Ciencia que estudia la estructura, propiedades y transformaciones de la materia a partir de su composición atómica
Inorgánica Antiguamente:
Vitalismo → Compuestos orgánicos e inorgánico Actualmente: Orgánico
Moléculas que contienen enlaces C-C Moléculas con elevada proporción H:C
Industrial Conjunto de operaciones materiales ejecutadas para la obtención, transformación y distribución de uno o varios productos
DEFINICIONES
Wöhler
Kolbe
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PARTE I
PERSPECTIVA HISTÓRICA
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QUÍMICA INDUSTRIAL
Revolución Industrial (S XIX, UK) Mecanización
• Herramientas • Máquina de vapor • Metalurgia
Comercio a gran escala • Mejora de las comunicaciones
y los medios de transporte • Aparición del ferrocarril y barco
de vapor. Cambio social
• Urbanización (Ciudad y factoría) • Nuevas clases sociales • Número de personas
PERSPECTIVA HISTÓRICA
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QUÍMICA INDUSTRIAL PERSPECTIVA HISTÓRICA
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SS Great Eastern (Brunel 1858 )
Salamanca (Murray 1812)
Menay Suspension Bridge (Telford, 1826)
Spinning Jenny (Hargreaves, 1764) Máquina de Vapor
(Watt, 1774)
QUÍMICA INDUSTRIAL
<1750: Fundamentalmente ácidos y bases
1746: H2SO4 en camara de plomo (Roebuck)
1770s: Gas lighting (Murdock)
PERSPECTIVA HISTÓRICA
12
QUÍMICA INDUSTRIAL
1791: Na2CO3 por el método LeBlanc
1799: “Bleaching powder” (Tennant)
PERSPECTIVA HISTÓRICA
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QUÍMICA INDUSTRIAL
1845: Cemento Portland (Johnson)
1855: Destilación fraccionaria (Silliman)
PERSPECTIVA HISTÓRICA
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QUÍMICA INDUSTRIAL
1855 Proceso Bessemer (Bessemer)
1856: Síntesis de la mauveina (Perkin)
PERSPECTIVA HISTÓRICA
Mauveina A 15
QUÍMICA INDUSTRIAL
1864: Na2CO3 por el método Solvay
1897: Síntesis industrial del indigo (BASF, Baeyer)
PERSPECTIVA HISTÓRICA
Indigofera tinctoria
16
QUÍMICA INDUSTRIAL
1912: Proceso Haber-Bosch
1935: Sínthesis del Nylon (DuPont, Carothers)
PERSPECTIVA HISTÓRICA
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QUÍMICA INDUSTRIAL
Síntesis de productos que existen en la naturaleza, pero que se pueden producir en el laboratorio en mayor cantidad o más baratos
Síntesis de Na2CO3 por el método LeBlanc Síntesis del índigo
Creación de nuevos productos que no existían antes Síntesis de la mauveina Síntesis de productos farmacéuticos
Aprovechamiento de materiales secundarios o sin interés Petróleo
Sustituimos el método anterior por otro que usa materiales más baratos y produce productos secundarios de mayor valor.
Método Solvay
TIPOS DE AVANCES
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PARTE II
PRODUCTOS Y MATERIAS PRIMAS
INDUSTRIA QUÍMICA VENTAS GLOBALES
20
INDUSTRIA QUÍMICA VENTAS POR REGIÓN
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INDUSTRIA QUÍMICA VENTAS EN LA EU POR AÑO
22
INDUSTRIA QUÍMICA VENTAS POR PAÍS
23
INDUSTRIA QUÍMICA 10 COMPAÑÍAS LIDERES
Chem. Eng. News 28,92 (2014) 10
d) Sales include a significant amount of nonchemical products
EUROPA: 4 AMERICA: 3 ASIA: 2 O. MEDIO: 1
24
INDUSTRIA QUÍMICA 10 COMPAÑÍAS LÍDERES
Chem. Eng. News 28,92 (2014) 10
1.Europa $380.000m
4. Oriente Medio $42.000m
3. América $234.000m
2. Asia $287.000m
5. África $10.000m
Chemical Sales of Global Top 50 Companies by Region
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PRODUCTOS QUÍMICOS
En función del uso Uso final: fertilizante, detergente, plásticos, textil... Función de uso: antioxidante, catalizadores, lubricante...
En función de las materias primas Orgánica, inorgánica
En función del volumen de producción (y el precio) • Commodity/Base: A partir de recursos naturales o como derivados
poco elaborados. Grado de diferenciación bajo.
• Speciality: A partir de los commodity. Tienen un uso específico. Grado de diferenciación alto.
• Fine: Sustancias complejas. Grado de diferenciaición alto.
• Consumer: Vendidos a los consumidores. Grado de diferenciación alto.
CLASIFICACIÓN
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PRODUCTOS QUÍMICOS
En función del volumen de producto
CLASIFICACIÓN
27
Wikipedia.en
PRODUCTOS QUÍMICOS INDUSTRIA QUÍMICA EN EU POR SECTOR
28
PRODUCTOS QUÍMICOS INDUSTRIA QUÍMICA EN EU POR SECTOR
29
PRODUCTOS QUÍMICOS ORGÁNICOS E INORGÁNICOS
Chem. Eng. News 26,91 (2013) 13
30
PRODUCTOS QUÍMICOS POR PAISES
Chem. Eng. News 27,89 (2011) 55
31
PRODUCTOS QUÍMICOS POR PAISES
Chem. Eng. News 27,89 (2011) 55
32
PRODUCTOS QUÍMICOS POR PAISES
Thousands of metric tonnes
UE 8.5 kton USA 9.5 kton China 42 kton
33
MATERIAS PRIMAS SEGÚN SU ORÍGEN
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MATERIAS PRIMAS
De la atmósfera A partir del aire: N2, O2, Ne, Ar, Kr, Xe Atmosfera 5x1021 toneladas de aire
De la hidrosfera A partir del agua de mar: NaCl, Mg2+, Br-
Aguas oceánica 5x1021 litros. 3.5% materia disuelta
De la litosfera La mayoría de elementos se obtienen a partir de menas minerales, carbón o hidrocarburos. Carbón, gas natural y petróleo son también fuentes de energía.
De la biosfera Aceites, grasas, ceras, resinas, azucares, fibras naturales o cuero
SEGÚN SU ORÍGEN
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MATERIAS PRIMAS DE LA INDUSTRIA QUÍMICA
Clasificaión de las materias primas según su aplicación
Materia Prima Producto final
CaF2 HF
Na2SO4 −
N2 NH3, HNO3
H2,O2 H2O2
S, H2S, FeS2 H2SO4
K5(PO4)3X H3PO4,HF
NaCl Cl2, NaClO3, NaOH
CaCO3 Na2CO3, Portland
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MATERIAS PRIMAS CaF2
World Mining Statistics British Geological Survey
2013
China 4 Mton
37
MATERIAS PRIMAS Na2CO3
World Mining Statistics British Geological Survey
2012 38
MATERIAS PRIMAS AZUFRE
39
MATERIAS PRIMAS AZUFRE
Na2SO4 World Total (2012, tonnes) Natural 8 000 000 By product 3 000 000
Europe 7 Mton USA 9 Mton China 10 Mton Total 76 Mton
40
MATERIAS PRIMAS NaCl
41
MATERIAS PRIMAS NaCl
USA 44 Mton China 64 Mton Europe 70 Mton Total 281 Mton
42
MATERIAS PRIMAS K5(PO4)3X
China 91 Mton
World Mining Statistics British Geological Survey
2013 43
MATERIAS PRIMAS CaCO3
USA 19 Mton Europe 34 Mton China 210 Mton Total 340 Mton
Thousands of metric tonnes
44
MATERIAS PRIMAS COMPANÍAS MINERAS LIDERES (MARKET VALUE 2015)
statista.com
45
MATERIAS PRIMAS 10 COMPAÑÍAS LIDER
PARTE 3
CONSIDERACIONES REFERENTES A LA SÍNTESIS QUÍMICA INDUSTRIAL
¿QUÉ SABEMOS? QUIERO JUGAR UN JUEGO
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¿QUÉ SABEMOS?
¿Cómo se puede producir Cl2 en el laboratorio?
¿Cómo se produce Cl2 en la industria moderna?
En una reacción química(industrial) ¿Qué se entiende por:? • Grado de conversión • Rendimiento • Selectividad
Reactor: 6.0 mmol eteno 5.748 eteno + 0.244 de etanol Calcula el grado de conversión el rendimiento y la selectividad.
¿Cuáles crees que son la etapas en la creación de una planta química?
PEQUEÑO TEST DE NIVEL
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PROCESOS INDUSTRIALES
Síntesis de cloro En el laboratorio: Se añade gota a gota HCl sobre KMnO4 usando un embudo de adición condensada.
6 HCl + 2 KMnO4 + 2 H+ → 3 Cl2 + 2 MnO2 + 4 H2O + 2 K+
En la industria: Una disolución acuosa de NaCl se introduce en una celda electroquímica a través de un diafragma.
2 NaCl + 2 H2O → Cl2 + H2 + 2 NaOH El proceso se opera en continuo y la sal no reaccionada se recupera.
V.S. PROCESOS EN EL LABORATORIO
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PROCESOS INDUSTRIALES
Producción de fenoles En el laboratorio (disolución):
C6H6 + Cl2 → C6H5Cl + HCl (cat. homogéneo) C6H5Cl + NaOH → C6H5ONa C6H5ONa + HCl → C6H5OH + NaCl
En la industria (fase gas): C6H6 + HCl + ½ O2 → C6H5Cl + H2O (cat. heterogen., 350ºC) C6H5Cl + H2O → C6H5OH (cat. heterogén., 300ºC)
La mayoria de los procesos en el laboratorio son: Reacciones en disolución (catálisis homogénea) Las temperaturas son relativamente bajas Raramente se realizan en continuo Selectividad/Conversión menos importante que rendimiento No se recuperan los reactivos
V.S. PROCESOS EN EL LABORATORIO
51
PROCESOS INDUSTRIALES V.S. PROCESOS EN EL LABORATORIO
52
Wikipedia.en
PROCESOS INDUSTRIALES V.S. PROCESOS EN EL LABORATORIO
53
PROCESOS INDUSTRIALES V.S. PROCESOS EN EL LABORATORIO
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http://www.essentialchemicalindustry.org
1. El amoniaco se produce a partir de gas natural que llega a través de tuberías. 2. Parte del amoniaco se usa para hacer ácido nítrico 3. El amoniaco y el ácido nítrico se destinan a la producción de nitrato amónico. 4. El amoniaco se usa también para producir cianuro de hidrógeno 5. El cianuro de hidrógeno se transforma en metil 2-metilpropanoato que se destinará a la síntesis de polímeros acrílicos. 6. El ácido sulfúrico de desecho se recuperan 7. Los reactivos y productos se almacenan en grandes tanques.
PROCESOS INDUSTRIALES
Hidratación del Etileno Reacción principal:
CH2=CH2 + H2O → CH3CH2OH (cat.) Reacción secundaría:
Generación de polietileno A la entrada del reactor:
6.00 moles de eteno A la salida del reactor:
0.244 moles de etanol 5.748 moles de eteno
¿Cuál es el rendimiento, el grado de conversión y la selectividad?
GRADO DE CONVERSIÓN Y SELECTIVIDAD
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PROCESOS INDUSTRIALES
Grado de conversión (6.00 – 5.748) / 6.00 x 100 = 4.2%
Selectividad / Eficiencia 0.244 / (6.00 – 5.748) x 100 = 96.82%
Rendimiento 0.244 / 6.00 x 100 = 4.066% 4.2 x 0.9682 = 4.066%
GRADO DE CONVERSIÓN Y SELECTIVIDAD
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PROCESOS INDUSTRIALES
I+D
Laboratorio
Planta Piloto
Escalado
Producción
Revisión
DISEÑANDO UNA PLANTA INDUSTRIAL
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PROCESOS INDUSTRIALES
I+D
Laboratorio
Planta Piloto
Escalado
Producción
Revisión
DISEÑANDO UNA PLANTA INDUSTRIAL
Elección de la ruta sintética • Disponibilidad y costes de las materias
primas • Modo de operación
• Naturaleza de los productos • Número de etapas • Condiciones de reacción
• El rendimiento de la reacción • ¿Podemos aprovechar los productos
secundarios? • ¿Podemos reutilizar los materiales no
reaccionados? • Consideraciones ambientales/ Gestión de
residuos
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PROCESOS INDUSTRIALES
De capital Incluyen los costes para la obtención de los conocimientos necesarios y la contrucción de la planta
De producción (€/kg) Fijos: Independientes del volumen de producción
• Devaluación de la planta • Mano de obra • Impuestos
Variables: Dependen del volumen de producción • Precio de la materias primas y la energía • Envasado y distribución • Tratamiento de residuos
COSTES
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PROCESOS INDUSTRIALES UN EJEMPLO DE REDUCCIÓN DE COSTES
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PROCESOS INDUSTRIALES GASTO EN I+D
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PROCESOS INDUSTRIALES ESCALA INDUSTRIAL
http://www.essentialchemicalindustry.org and Wikipedia 62
PROCESOS INDUSTRIALES
Procesos tipo Batch
Procesos en continuo
BACTH VS CONTINUO
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PROCESOS INDUSTRIALES
Procesos en Continuo
BACTH VS CONTINUO
http://www.essentialchemicalindustry.org 64
PROCESOS INDUSTRIALES PROCESOS DE SEPARACIÓN
Extracción Destilación Filtración Trampa de gases
ADSORCIÓN g1-g2 + s → g1 + s-g2
ABSORCIÓN / SCRUBBING g1-g2 + l → g1 + l-g2
STRIPPING l-g1 + g2 → l + g1-g2
DESTILACIÓN l1-l2 → g1 + l2
EXTRACCIÓN l1-l2 + l3 → l1-l3 + l2
FILTRACIÓN (OSMOSIS) l + s → l
(T2/T3)
(T2)
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PROCESOS INDUSTRIALES ABSORCIÓN, STRIPPING, SCRUBBING
g1 + g2
l3
g1
g2-l3
g3
g2
g2 + g3
l3 g2-l3
l3
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PROCESOS INDUSTRIALES ABSORCIÓN, STRIPPING, SCRUBBING
Tipos de columna
67
PROCESOS INDUSTRIALES ABSORCIÓN, STRIPPING, SCRUBBING, DESTILACIÓN
Tipos de columna
Platos en una columna fraccionaria Relleno en una columna empaquetada
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PROCESOS INDUSTRIALES DESTILACIÓN
l1 + l2
l1
l2
Temperature
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g2
PROCESOS INDUSTRIALES EXTRACCIÓN
l1 + l2
l3
l3
g3 + (g1)
l2 + l3
l3
l2 l1
l1 + (l3)
EX
TRA
CC
IÓN
STR
IPIN
G
DE
STILA
CIÓ
N
Densidad: l1 > l2, l3
g1
g3
l3
70
DECANTA- CIÓN
l2 + l3
PROCESOS INDUSTRIALES EXTRACCIÓN
A mixer-settler 71
PARTE IV
ALGUNOS ASPECTOS SOBRE SOSTENIBILIDAD Y ECOLOGÍA
SOSTENIBILIDAD Y ECOLOGÍA
Pre-1863 Ningún tipo de regulación
1863: Alkali Inspectorate Regulación sobre la emisiones de HCl en UK
1950s Aumenta el interés en los desechos industriales Gran niebla de Londres (1952) Minamata (1956)
1962 “Silent Spring” Rachel Carson 1980s Problema mundial
Lluvia ácida, agujero de la capa de ozono, calentamiento global… 1984 Desastre de Bophal 1986 Chernóbil (Fukushima, 2011)
1989 Protocolo de Montreal Substitución de los CFCs
1990 Concepción holística
UN POCO DE HISTORIA
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SOSTENIBILIDAD Y ECOLOGÍA
1988 Vienna Convention for the Protection of the Ozone Layer
1989 Montreal Protocol on Substanteces that deplete the Ozone Layer
1992 Convention on Biological Diversity
1992 Framework Convention on Climate Change
1994 Convention to Combat Desertification
1997 Kyoto Protocol to the Framework Convention on Climate Change
2000 Cartagena Protocol on Biosafety
2001 Stockholm Convention on Persitent Organic Pollutants
TRATADOS MÁS IMPORTANTES
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INDUSTRIA QUÍMICA
La industria química genera contaminantes de forma directa e indirecta
Industria Orgánica PCBs, Dioxins, Furans, DDTs, Toxaphene, Hexachlorobenzene, Aldrin, Deieldrin, Endrin, Chlordane, Mirex, Heptachlor
CONTAMINANTES MÁS IMPORTANTES
PCB DDT
Aldrin Mirex 75
INDUSTRIA QUÍMICA
La industria química genera contaminantes de forma directa e indirecta
Industria Inorgánica Combustión de materia combustibles fósiles y gas (C, N, S)
Monóxido de carbono (CO): • Ozono troposférico, tóxico
Dioxido de carbono (CO2): • Desplaza al oxígeno, efecto invernadero, lluvia ácida.
Óxidos de nitrógeno (NOx) y otros compuestos (NH3, HCN) • Ozono troposférico, lluvia ácida, tóxico
Óxido nitroso (N2O) • Efecto invernadero
Oxidos de azufre (SOx) y otro compuestos (H2S, CS2) • Lluvia ácida, tóxico
Halógenos (Cl2, Br2) y sus compuestos (HCl, HBr, HF) • Lluvia ácida, tóxicos, efectos sinérgicos
Partículas en suspensión: • Efecto para la salud y el medio ambiente
CONTAMINANTES MÁS IMPORTANTES
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INDUSTRÍA QUÍMICA EFECTOS SOBRE EL MEDIO AMBIENTE
77
EFECTO INVERNADERO GASES DE EFECTO INVERNADERO
Wikipedia, EN
78
EFECTO INVERNADERO GASES DE EFECTO INVERNADERO
Wikipedia, FR
79
CONTAMINACIÓN INORGÁNICA FUENTES PRINCIPALES
80
CONTAMINACIÓN INORGÁNICA FUENTES PRINCIPALES
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CONTAMINACIÓN INORGÁNICA FUENTES PRINCIPALES
82
CONTAMINACIÓN INORGÁNICA FUENTES PRINCIPALES
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LLUVIA ÁCIDA
NOx: 2 NO2 + H2O → HNO2 + HNO3
3 HNO2 → HNO3 + 2 NO + H2O 4 NO + 3 O2 + 2 H2O → 4 HNO3
SOx: SO2 + H2O → H2SO3 2 SO2 + O2 → 2 SO3 SO3 + H2O → H2SO4
CO2: CO2 + H2O → H2CO3
REACCIONES MÁS IMPORTANTES
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OZONO TROPOSFÉRICO
El ozono en la ozonosfera O3 + hv1 → O2 + 3O
3O + M → 1O + M* 1O + O2 → O3
El ozono en la troposfera NOx:
2 NO + O2 → 2 NO2 NO2 + hν → NO + O O2 + O → O3
CO: CO + 2O2 + hν → CO2 + O3
EL SMOG
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CONTAMINACIÓN INORGÁNICA FUENTES PRINCIPALES
OECD enviromental outlook for the chemical industry, 2001
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ALGUNOS TEMAS
Tipos de reactores
Equipamiento industrial
Pigmentos
Complejo Ludwigshafen Verbund
Historia del cemento
Tratados ecológicos actuales
Polución debida a partículas en suspensión
Polución debida a metales pesados
87
RASCHING RINGS
88