Capítulo I Introducción. Definición de contaminación atmosférica La introducción por el hombre...

Capítulo I

Introducción

Definición de contaminación atmosférica

La introducción por el hombre en la atmósfera y de manera artificial, directa o indirectamente, de materias en cualquier estado físico o de formas de energía, capaces de producir efectos deletéreos de naturaleza tal, que pueden poner en peligro la salud humana, dañar los recursos vivientes y los ecosistemas y las propiedades materiales o impedir o interferir con el disfrute del paisaje y otros usos legítimos del medio ambiente.

Algunos conceptos

•Fuentes: Lugares de donde surge la contaminación

Naturales Antropogénicas

•Receptores: Alguien o algo afectado adversamente por la contaminación

•Transporte y difusión:Mecanismo mediante el cual se mueve la contaminacióndesde el lugar de emisión al de recepción.

•Sumideros: Lugares donde se elimina, suelos, vegetación, estructuras, aguas

•Valores de emisión:

Representan la cantidad de masa de un determinado contaminante contenida en la unidad de volumen de los fluidos (en nuestro caso gases) eliminados por el conducto de evacuación al exterior, expresados con referencia a unas condiciones termodinámicas estándar. La determinación de estos valores habrán de hacerse sobre muestras representativas, de forma isocinética, dentro del propio conducto de evacuación.

• Inventario de Emisiones:

El inventario de emisiones consiste de una lista lo más completa posible de todas las fuentes emisoras (puntuales, lineales, zonales..), junto con la cantidad y tipo de emisiones, que tienen lugar en una determinada región (local, regional, global) Objetivos

•Información para los poderes públicos y la ciudadanía•Definir prioridades ambientales e identificar las actividades y los actores responsables de los problemas.•Establecer objetivo concretos y restricciones•Valorar los potenciales impactos ambientales e implicaciones de diferentes estrategias y planes.•Monitorizar el estado del medio ambiente para evaluar si se alcanzan los objetivos•Asegurar que aquellos responsables de la implementación de las políticas medioambientales cumplen con su obligación

•Valores de inmisión:

La medida de un cierto contaminante lejos de la fuente de emisión en lo que podemos denominar atmósfera libre. Nos da idea de la cantidad de contaminante que existe en la atmósfera en un cierto lugar y en un cierto instante. Son los valores que usualmente se miden en las estaciones de captación y sobre los que se ha fijado los niveles de calidad del aire. El seguimiento continuo de las cifras de inmisión permite un conocimiento perfecto de la calidad del aire respirable.

El análisis de la evolución temporal de la inmisión permite evaluar las estrategias de reducción que se utilicen en cada momento y la modificación adecuada de los limites de emisión legales

Concepto de: tiempo de vida media, Sea [A] la concentración de una substancia, cuya velocidad de reacción viene dada por la ley

Concepto de tiempo de residencia:Suponed que la cantidad de una substancia química en

la atmósfera es M y que la velocidad a la que esta substancia se pierde es F, (que supondremos constante) se define el tiempo de residencia como = M/F

Modelo de tanque: Tanque de masa M donde entra un fluido (agua limpia) a una velocidad F, y sale (agua sucia) a la misma velocidad . Si no se mezclan cuanto tiempo tarda el fluido externo (agua limpia) en ocupar todo el tanque ?

tren= M/F =

Supongase que el agua limpia y sucia se mezclan perfectamente, de tal forma que poco a poco se va obteniendo un agua cada vez más limpia, pero que siempre tiene agua sucia. Suponiendo que la velocidad a la que se pierde el agua sucia sea proporcional a la cantidad de agua sucia que queda,

−dWdt

=kW

Esta ecuación tiene un aspecto igual a la que teníamos cuando analizamos el tiempo de vida media de una especie química , y por tanto el tiempo de vida media será el mismo que entonces,

t1/ 2 =0.693

k

Mientras que el tiempo de residencia vale

τ=W

(−dW/dt)=

WkW

=1k

y por tanto,

t1/ 2 =0.693τEl tiempode renovación (tren) es infinito, pues siempre quedará algo de agua sucia en el depósito, pero podemos hacernos una idea del tiempo de renovación calculando el tiempo necesario para que el agua sucia se reduzca a, p. eje., (1/2)^6 del valor inicial, esto es a un valor 6 veces el tiempo medio, así pues

tren=6t1/2 ≈4τ

Escalas de la contaminación

Escalas de la contaminación

Local: Uno o varios grandes emisores, o muchos emisores pequeños:

factor de proximidad importante

Urbana: Dos tipos diferentes de problemas:

Contaminantes primarios poco reactivos: Contribución de fuentes locales puedendar lugar a severos problemas de contaminación

Formación de contaminantes secundarios: ejem.: Ozono mediante reacción fotoquímica de óxidos de nitrógeno e hidrocarburos

Escalas de la contaminación

Regional: Lluvia ácida: SO2 emitido en las ciudades/fabricas durante el transporte

se oxida e hidrata para formar SO 4H 2, que reacciona con iones amonio para dar partículas higroscópicas (NCN) que se

disuelve en agua para formar la lluvia ácida, lo mismo sucede con óxidos de N.

Visibilidad: Problemas de degradación de la visibilidad a cuenta de la forma-ción NCN (brumas)

Global:Problema del agujero de ozonoAumento de la nubosidadIncremento del CO2

Unidades de medida

Fracción molar (razón de mezcla en volumen):

xi =ni

n=

Ni / NA

Ni / NA∑=

Ni

Ni∑=

νi

νi∑

ni : Numero de moles componente i

Ni : Numero de moléculas componente i

νi : Numero de moléculas por unidad de volumen

Ley de Dalton

€

piV = N ikT

€

pi = p∑

€

pi∑ V = N i∑ kT ⇒ pV = NkT

€

piV

pV=

N ikT

NkT⇒

pi

p=

N i

N= x i

€

piV = px iV ⇒ pVi = N ikT ⇒ x i =Vi

V

€

p∑ Vi = N i∑ kT ⇒ pV = NkT

€

Vi = V∑

€

k = R+ NA

Unidades de medida

La fracción molar se expresa en:

- partes por millón en volumen 1 en 10^6- partes por billón en volumen 1 en 10^9- partes por trillón en volumen 1 en 10^12

* Resulta invariante con la temperatura y la presión

Unidades de medidaCantidades específicas:

qi =mi

mi∑=

ni Mi

niMi∑=

xiMi

xiMi∑=xi

Mi

M

Se expresa en: Kg/Kg ó en gr/Kg

M = xi∑ Mi

Para el aire M = 28.97 gr/mol

Unidades de medida

Densidades

ρi =mi

V=

mi

m/ ρ=ρ

mi

m=ρqi =ρxi

Mi

M

ρi(stp) =mi

V(stp)=

mi

m/ ρ(stp)=ρ(stp)

mi

m=ρ(stp)xi

Mi

M

Se expresan en g/ m3 ó en g/ m3

(stp) = 1.293 kg/m3

Ejemplo:

Calcular la densidad del CO2 (g/m3) , suponiendo que la fracción molar vale 330 ppm.

ρ(stp) =1.293(kg/ m3)330106

4428.97

=6.48×105(μg/ m3)

A otra temperatura y presión ambos valores se relacionanpor la expresión:

ρ =ρ(std)p

p(stp)×

T(stp)T

€

pV = nR+T

€

pV =m

MR+T ⇒ pV = mRT; R =

R+

M

€

=m

V

€

p = ρRT

€

p1

p2

=ρ1T1

ρ 2T2

ρ =ρ(std)p

p(stp)×

T(stp)T

€

piV = niR+T =

mi

M i

R+T = miRiT; Ri =R+

M i

€

pi∑ V = miRi∑ T ⇒ pV = mR T

€

mR = miRi∑

€

p = ρR T

Ley de Dalton (otra vez)

€

piV = miRiT

Relación entre i y xi (forma alternativa):

€

px iV = miRiT ⇒ x i =miRiT

pV= ρ i

RiT

p

€

i(T, p) = x i

p

RiT

€

i(T0, p0) = x i

p0

RiT0

€

i(T, p) = ρ i(T0, p0)p

p0

T0

T

La atmósfera natural

Atmósfera que existiría actualmente sin la presencia contaminante del hombre.

Concepto:

Real:

Atmósfera en lugares lo suficientemente alejados de laacción directa del hombre como para representar una atmósfera no contaminada.

Composición de la Atmósfera(I)

Gases Mayoritarios/Minoritarios

Constituyente Fórmula pct. Volumen Peso molecular Vida Media

Nitrógeno N2 780840 (ppmv) 28.01 16 000 000 a

Oxígeno O2 209460 (ppmv) 32.00 3000 años

Argon Ar 9340 (ppmv) 39.95

Vapor de agua H20 0 -40000 ppmv 18 10 dias

Dióxido de Carbono CO2 355 (ppmv) 44 4 años

Composición de la Atmósfera (II)Gases Traza

Constituyente Fórmula Pct. Volumen Peso molecular Vida Media

Especies OxigenoOzono O3 0-100 ppb 48. 100 días

Oxígeno atómico O(3P) 0-103 cm-3 16.

Oxígeno atómico O(1D) 0-102 cm-3 16.

Especies hidrógenoHidrógeno H2 560 (ppbv) 2.

Peroxído de Hidrógeno H2O2 0-108 cm-3 20.

Radical Hidroxilo HO 0-106 cm-3 17.

Radical hidroperoxilo HO2 0-108 cm-3 33.

Hidrógeno atómico H 0-1 cm-3 1.

Composición de la Atmósfera (III)Gases Traza

Constituyente Fórmula Porcentaje en volumen Peso molecular

Especies NitrógenoOxido nitroso N2O 560 ppbv 44.

Acido nítrico HNO3 109 cm-3 63.

Amoniaco NH3 0-0.5 ppbv 17.

Cianuro de Hidrogéno HCN ~200 pptv 27.

Dióxido de nitrógeno NO2 0-300 pptv 46.

Oxido nítrico NO 0-300 pptv 26.

Trióxido de nitrógeno NO3 0-100 pptv 62.

Pentoxido Dinitrógeno N2O5 0-1pptv 108.

Peroxiacetil Nitrato CH3CO3NO2 0-50 pptv 119.

Acido pernítrico HO2NO2 0-100 pptv 79.

Acido nitroso HNO2 0-0.1pptv 47.

Composición de la Atmósfera (IV)

Gases Traza

Constituyente Fórmula Porcentaje en volumen Peso molecular

Especies CarbonoMetano CH4 1.7 ppmv 16.

Monóxido de Carbono CO 70-200 ppbv 28.

Formaldeido CH2O 0.1 ppbv 30.

R. Metil-hidroperoxilo CH3OOH 0-10 11 cm-3 48.

R. Metil-peróxido CH3O2 0-10 8 cm-3 47.

R Metílico CH3 0-10 -1 cm-3 15.

Composición de la Atmósfera (V)

Gases Traza

Constituyente Fórmula Porcentaje en volumen Peso molecular

Especies AzufreSulfuro de carbonilo COS 0.05 ppbv 60.

Sulfuro de dimetilo(DMS) (CH3)2S 70-200 pptv 62.

Sulfuro de hidrógeno H2S 0-0.5ppbv 34.

Disulfuro de dimetilo (CH3)2S2 5-10 pptv 94.

Disulfuro de carbono CS2 5-10 pptv 76.

Acido sulfurico H2SO4 0-20 pptv 98.

Acido sulfuroso H2SO3 0-20 pptv 82.

Monóxido de azufre SO 0-10 3 cm-3 48.

Trióxido de azufre SO3 0-10 -2 cm-3 80.

Composición de la Atmósfera (VI)

Gases Traza

Constituyente Fórmula % en volumen Peso molecular

Especies hológenasCloruro de hidrógeno HCl 1 ppbv 36,45

Cloruro de metilo CH3Cl 0.5 ppbv 50,45

Bromuro de metilo CH3Br 10 pptv 94,9

Ioduro de metilo (CH3) I 1 pptv 141,9

Gases NoblesNeon Ne 18 ppmv 20,18

Helio He 5.2 ppmv 4

Kripton Kr 1 pptv 83,8

Xenon Xe 90 ppbv 131,29

Estructura química de algunas especies

(radical alcoxilo RO )

(aciloxilo)

€

•

(radical peroxialkilo)

Ciclos biogeoquímicos

• En la atmósfera durante periodos relativamente largos (para una vida humana) y relativamente cortos a escala geológica, los gases semipermanentes (oxígeno, nitrógeno, gases nobles, algunos CFC) permanecen en estado estacionario.

• El sistema climático (criosfera+litosfera+atmósfera+hidrosfera+biosfera)

permanece cerrado para la mayoría de los elementos químicos (existe escape al espacio exterior de algunos compuestos, y otros mediante meteoritos estan entrando en el sistema)

Ciclo del Carbono (corto)

Ciclo del Nitrógeno

Ciclo del nitrógeno en el suelo

Ciclo del azufre