UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL “FRANCISCO DE MIRANDA”

ÁREA DE TECNOLOGÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA

CÁTEDRA: IMPACTO AMBIENTAL PROFESOR: Ing. Sheila Rivero

UNIDAD II. ENERGÍA Y AMBIENTE Los problemas ambientales asociados con la energía son complejos y prácticos. La energía se puede derivar de fuentes no renovables (carbón, petróleo) o renovable. Hoy en día, se usan muchas fuentes de energía renovables, por ejemplo energía solar, eólica e hidráulica. Irónicamente, todavía utilizamos como mayores recursos energéticos aquellos provenientes de fuentes de energía no renovable, o combustibles fósiles. La extracción de estos no solamente reduce un recurso escaso y desbarata los ecosistemas, sino que por si misma usa energía en el proceso. La materia prima que se extrae se transporta y procesa, usando energía adicional antes de llegar a los usuarios finales o llegando a estaciones de energía donde es procesada antes de llegar a los consumidores en la forma de electricidad. La generación de energía es por si misma muy intensiva en energía y por consiguiente es no eficiente en términos de energía. El consumo per cápita en los países desarrollados es aproximadamente siete veces mas alto que en los países menos desarrollados, y cuando se compara a los mas despilfarradores (Estados Unidos) con los mas pobres las cifras son muchas veces mas altas. Para gran parte de la población del mundo en desarrollo, el uso de la energía esta directamente destinado al sostenimiento básico. La creciente presión de la energía sobre el mundo continuará creciendo con el fomento de la industrialización. Claramente todos los sectores de la población están implicados y serán necesarios los esfuerzos de gobiernos, individuos, hogares y negocios para mitigar los efectos. La verdadera ironía es que la mayoría de la energía que se usa en el mundo desarrollado se desperdicia.

La mayor parte de la energía que usamos diariamente se genera por la quema de algún elemento combustible. Un combustible es cualquier material capaz de liberar energía cuando se quema, y luego cambiar o transformar su estructura química. Supone la liberación de una energía de su forma potencial a una forma utilizable. En general se trata de sustancias susceptibles de quemarse pero hay excepciones que se explican a continuación.

Hay varios tipos de combustibles. Entre los combustibles sólidos se incluyen el carbón y la madera. El carbón se quema para producir calor utilizable en usos térmicos (calefacción). La madera se utiliza principalmente para la calefacción doméstica e industrial.

Entre los combustibles fluidos, se encuentran los líquidos como el queroseno o la gasolina (o nafta) y los gaseosos, como el gas natural o los gases licuados de petróleo (GLP), representados por el propano y el butano. El gas natural consiste fundamentalmente en metano (CH4). Se comprime en volúmenes pequeños en grandes profundidades en la tierra. Al igual que el petróleo, se extrae mediante perforación. Las reservas de gas natural están más distribuidas a nivel mundial que el petróleo.

Se llaman también combustibles a las sustancias empleadas para producir la reacción nuclear en el proceso de fisión, cuando este proceso no es propiamente una combustión.

Tampoco es propiamente un combustible el hidrógeno, cuando se utiliza para proporcionar energía (y en grandes cantidades) en el proceso de fusión nuclear. Este medio de obtener energía no ha sido dominado todavía por el hombre.

Los combustibles fósiles son mezclas de compuestos orgánicos mineralizados que se extraen del subsuelo con el objeto de producir energía por combustión. El origen de esos compuestos son seres vivos que murieron hace millones de años. Se consideran combustibles fósiles al carbón, procedente de bosques del periodo carbonífero, el petróleo y el gas natural, procedentes de otros organismos.

Los combustibles que se queman son responsables de grandes problemas medioambientales que son de gran relevancia en la agenda política actualmente. Ejemplos es la acumulación de gases invernadero, acidificación, contaminación del aire, contaminación del agua, daño de las capas superficiales y ozono troposférico. Estas son señales de problemas medioambientales causados por la liberación de contaminantes que normalmente están de forma natural presente en la estructura de los combustibles, como el Sulfuro y el Nitrógeno. Actualmente, la quema del petróleo es responsable de 30% de las emisiones de dióxido de carbono en aire. El gas natural no libera dióxido de carbono debido a su estructura de metano. Las emisiones mas largas son causadas por la combustión del carbón. El polvo de carbón puede incluso explotar. Por eso se considera la minería del carbón una profesión muy peligrosa. La deforestación y la degradación del suelo se deben, en parte, al uso de madera para cocinar. Tales problemas son también importante causa de la pérdida de la biodiversidad.

Por que usamos extensamente los combustibles fósiles todavía? La respuesta es simple: porque es mas barato que otras alternativas que existen en la actualidad. Algunos científicos medioambientalistas vaticinan que los precios de los combustibles fósiles aumentaran en el tiempo debido a su escasez en el mercado. Esto puede provocar un cambio a fuentes de tecnología alternativa que, de hecho, ya se esta empezando a notar. En la siguiente tabla se muestra la relación de los problemas ambientales mencionados anteriormente vinculados directamente con el consumo de energía de diversas fuentes.

Problema medioambiental Principal fuente del problema

Contaminación del aire urbano Energía (industria y transporte) Contaminación del aire dentro de las casas Energía (cocina)

Lluvia ácida Energía (consumo de combustibles fósiles) Disminución de la capa de ozono Industria

Efecto invernadero y cambio climático Energía (consumo de combustibles fósiles) Disponibilidad y calidad de agua potable Incremento de la población, agricultura

Degradación de las costas Transporte y energía Deforestación y desertificación Incremento de la población, agricultura y

energía Residuos químicos tóxicos y peligrosos Industria y energía nuclear

CONTAMINACION DEL AIRE URBANO La contaminación del aire en las ciudades es probablemente el producto visible menos deseado de la civilización. Estos contaminantes se clasifican de la siguiente manera: Los contaminantes primarios son aquellos que se emiten desde un foco identificable. Los mas significativos son: SO2, CO, NOx,SOx, partículas, hidrocarburos y metales. Los contaminantes secundarios son los que se forman en la troposfera por reacciones químicas y se incluyen: O3, Otros oxidantes fotoquímicos, e hidrocarburos oxidados. Los contaminantes de referencia son los que existen normalmente en todas las zonas urbanas. Las diferentes formas de expresar los contaminantes del aire son: ppm, ppb,mg/m3 La tabla muestra los síntomas que resultan de la exposición a algunos contaminantes al igual que los niveles permitidos por la Organización Mundial de la Salud (OMS).

Contaminante Síntomas

Dióxido de azufre - Irritación respiratoria, pérdida del aliento, impedimento de la función pulmonar, aumento de la susceptibilidad a las infecciones, enfermedades en el tracto respiratorio inferior (especialmente en los niños), enfermedad pulmonar crónica y fibrosis pulmonar.

- Incremento de la toxicidad en combinación con otros contaminantes.

Partículas de materia respirables - Irritación, defensas inmunológicas alteradas, toxicidad sistemática, disminución de las funciones pulmonares y agotamiento cardíaco.

- Actúa en combinación con el SO2; los efectos dependen de las propiedades químicas y biológicas de las partículas individuales.

Óxidos de nitrógeno - Irritación nasal y ocular, enfermedades del tracto respiratorio, daños y disminución de las funciones del pulmón y agotamiento cardíaco.

Monóxido de carbono - Interfiere con la absorción de oxígeno en la sangre (anoxia crónica).

- Puede originar daños en el corazón y el cerebro, disminución de la percepción, asfixia; o en dosis menores: debilidad, fatiga, dolores de cabeza y náuseas.

Plomo - Enfermedad de Kidney y deficiencias neurológicas.

- Afecta principalmente a los niños.

Oxidantes fotoquímicos (ozono) - Disminución de las funciones pulmonares, agotamiento o ataque cardíaco, enfisema, fibrosis, y envejecimiento de los tejidos pulmonares y respiratorios.

CONTAMINANTES DE REFERENCIA El monóxido de carbono (CO) es el más abundante de los contaminantes y es producto de la combustión incompleta de los combustibles carbonosos, originando CO en vez de CO2. Tiene efectos negativos en la salud humana sustituyendo al oxigeno en la sangre. Los óxidos de nitrógeno (NOx) se producen durante el quemado de combustibles fósiles: gasolina, carbón, madera y gas natural por oxidación del nitrógeno. Su disociación puede producir ácidos nitrosos. Puede reaccionar con compuestos orgánicos para producir nitratos de peroxiacetilo (NPA) o con hidrocarburos en presencia de radiación solar para producir nieblas (nieblas fotoquímicas). Los óxidos de azufre son producto de la combustión de combustibles fósiles, normalmente derivados del petróleo y carbón que al quemarse liberan SO2 y SO3. Reaccionando posteriormente forma acido sulfúrico. Las partículas son mezclas de sustancias orgánicas e inorgánicas. Entre ellas se encuentra materia particulada en suspensión, partículas en suspensión totales entre otras (polvo, tierra, partículas de combustión, etc). Los compuestos orgánicos volátiles (VOC) comprenden básicamente los hidrocarburos. El hidrocarburo más abundante es el metano. Las menos abundantes aunque las más reactivas son oxido de etileno, formaldehido, fenoles, etc. Los hidrocarburos forman parte de las emisiones de COV. Estos compuestos contienen únicamente carbono e hidrogeno. Los mas destacados son los compuestos derivados del benceno los cuales son cancerígenos aunque no son muy reactivos. Los metales como el plomo son bioacumulativos en el cuerpo causando graves problemas hematológicos. Ozono (O3) es considerado un contaminante de referencia ya que se asocia con la niebla urbana (smog). Sin embargo es un contaminante secundario. La reacción de la niebla se simplifica en la siguiente reacción:

Hidrocarburos+NOx+radiación niebla solar fotoquímica

SMOG ATMOSFÉRICO

Se origina por la combinación del aire con contaminantes durante un periodo de altas presiones. Esto provoca el estancamiento del aire y la permanencia de los contaminantes en las capas mas bajas de la atmosfera, debido a su mayor densidad. El smog atmosférico se divide en dos clases:

SMOG INDUSTRIAL

Se produce por los contaminantes primarios que son emitidos por las chimeneas de las instalaciones de combustión para generación de calor, procesos industriales o energía eléctrica

SMOG FOTOQUIMICO

Se origina por la producción de contaminantes secundarios. Las reacciones fotoquímicas se producen cuando la mezcla de óxidos de nitrógeno e hidrocarburos volátiles reaccionan inducidos por la luz solar, en un complejo sistema de reacciones que forma ozono. El ozono es una molécula que sigue reaccionando con otros contaminantes presentes en el aire.

El smog atmosférico es el causante de diversas enfermedades. Algunas personas pueden presentar síntomas adversos para la salud luego de pasar, tan solo, una o dos horas en un ambiente contaminado. Aquella gente que experimenten enfermedades de pulmones o corazón son aquellos que mas riesgo corren, por eso los ancianos son los que mas expuestos se encuentran, aunque también los niños son una presa fácil, ya que respiran con mayor rapidez y pasan mas tiempo al aire libre. Algunos síntomas producidos afectan el sistema respiratorio produciendo inflamaciones, produce tos, resuellos y estrechez del pecho.

Meteorología de la contaminación atmosférica

Los factores que condicionan la dispersión de los contaminantes son:

Meteorológicos

Origen de emisión

Proceso

Los factores meteorológicos de interés son:

Velocidad y dirección del viento, temperatura y estabilidad atmosferica: algunos contaminantes tardan en dispersarse minutos, otros horas, días o semanas. La dispersión de los contaminantes dependen de las turbulencias que se producen en las diversas capas de la atmosfera. Estas turbulencias son variables dependiendo de la capa de la atmosfera en la que se producen. Pueden ser tipo remolinos los cuales originan diferentes velocidades de dispersión. A medida que existe separación de la superficie la velocidad del viento aumenta. La velocidad del viento es tridimensional y varia con la altura. Las turbulencias también pueden producirse por gradientes de temperatura, lo que ocasiona que las masas de aire asciendan o desciendan. Estas dos condiciones principalmente son las que definen la estabilidad atmosférica. En condiciones estables, el movimiento vertical se inhibe, mientras que en condiciones inestables la porción de aire tiende a moverse continuamente hacia arriba o hacia abajo. Las condiciones neutrales no propician ni inhiben el movimiento del aire. Estas condiciones están directamente relacionadas con las concentraciones de contaminantes en el aire ambiental. Existen diferentes clases de estabilidad:

A Altamente inestable B Inestable C Ligeramente inestable D Neutral E ligeramente estable F Estable

MODELOS DE DISPERSION DE CONTAMINANTES Los modelos de dispersión son un método para calcular la concentración de contaminantes a nivel del suelo y a diversas distancias de la fuente. En la elaboración de modelos se usan representaciones matemáticas de los factores que afectan la dispersión de contaminantes. Esta información incluye la ubicación del punto de emisión (longitud y latitud), la cantidad y tipo de los contaminantes emitidos, condiciones del gas de la

chimenea, altura de la chimenea y factores meteorológicos tales como la velocidad del viento, perfil de la temperatura ambiental y presión atmosférica. El modelo de la columna de humo gaussiana se basa en las siguientes hipótesis: La columna de humo emitida por la chimenea se eleva hasta cierta altura efectiva, que es la suma de la altura de la chimenea, más el ascenso, debido al momento inicial del humo así como a la diferencia de temperaturas entre el gas saliente y el aire que le rodea. La columna de humo se mueve horizontalmente en la dirección del viento (dirección x) con velocidad u y se dispersa en las direcciones perpendiculares a éste, y y z. La dispersión en el plano yz se debe principalmente a la turbulencia atmosférica y puede calcularse como una distribución gaussiana.