Unidad 3. 3. Tecnología para la medición y control de partículas y sus aplicaciones.

Primero que nada, debe definirse el concepto de partícula. Las partículas dependiendo del tamaño que tengan (de 0.001 a 1000 μm) se definen como una porción de dimensiones muy reducidas en materia.

Se debe considerar que dentro del aire contaminado se pueden encontrar combinaciones de contaminantes, esto dependerá del tamaño de las partículas. En la siguiente tabla se muestra el tamaño de algunas de las partículas que se encuentran en el aire contaminado:

Ilustración 1. El tamaño de algunos contaminantes del aire.

En la figura anterior se analiza que las partículas se clasifican dependiendo de su origen: polvos, humos, fumos, cenizas volantes, niebla y aerosol.

Polvos.

Tienen un tamaño de 1 a 1000um, generalmente provienen de operaciones mecánicas como la molienda, el cribado de material. Como ejemplo: en la industria del cemento se genera gran cantidad de estas partículas.

Humos.

Provienen de la combustión incompleta y generalmente se asocian con la quema de carbón, madera y tabaco. Poseen un diámetro entre 0.5 y 1um.

Fumos.

Provienen de óxidos metálicos de zinc y plomo por lo general. Se forman por la condensación de los vapores de sólidos en procesos como la sublimación, la destilación y la fundición. Su tamaño es de entre 0.03 y 0.3um.

Cenizas volátiles.

Partículas no combustibles que provienen de los efluentes gaseosos de la combustión del carbón. Miden entre 1 a 1000um, pero se forman de silicio, aluminio, fierro y calcio. Lo que las convierte en partículas sumamente abrasivas difíciles de remover y fáciles de respirar.

Niebla.

La producen las reacciones químicas por condensación de vapores, tienen un tamaño mayor de 10um y es peligrosa dependiendo de los productos químicos que la originan, no es lo mismo una niebla de ácido sulfúrico a una de agua.

Aerosol.

Son gotas formadas por atomización de líquidos, un caso clásico son los herbicidas y pesticidas. Suelen tener un tamaño de entre 10 y 1000um.

La medición de los contaminantes se divide en dos: la ambiental y la medición en las fuentes. La ambiental fue por mucho tiempo tema de discusión debido a que no había un acuerdo sobre cuáles serían los principales contaminantes que deberían medirse, además de determinar los tamaños de interés de los contaminantes químicos que más afectaran a la salud humana y al ambiente. Hoy en día, se sabe que las partículas menores a 10 micras (PM₁₀) son las que afectan al ser humano y que los contaminantes más agresivos son Dióxido de azufre (SO₂), Dióxido de nitrógeno (NO₂), Monóxido de carbono (CO), Ozono (O₃), Plomo (Pb), Benceno , Tolueno , Xileno  y Etilbenceno , además de las partículas suspendidas totales, las menores a 2.5 micras y las menores a 10 micras. Así que el índice metropolitano de la calidad del aire (IMECA) es el promedio ponderado de los IMECAS individuales de cada uno de estos contaminantes medido en partes por millón (ppm) y referenciados en el tiempo de exposición. Si se dice que hay 80 IMECAS a las 11 de la mañana, significa que 800ppm promedio de los contaminantes descritos acumulados desde las 6:00 a.m. hasta las 11:00 a.m.

La medición y control de partículas en el aire en la Ciudad de México la realiza la Dirección de Monitoreo Atmosférico (SIMAT, http://www.aire.df.gob.mx) a través de las llamadas Estaciones de monitoreo atmosférico, las cuales utilizan sensores y la técnica de infrarrojo que envía la información de las cantidades de partículas y gases presentes en el ambiente, realizando monitoreo continuo bajo los estándares de las Normas Oficiales Mexicanas para cada contaminante, las cuales indican el método, la técnica y los límites de exposición máximo para cada contaminante atmosférico. Cabe señalar que, a diferencia del agua, en el pai se cuenta con un monitoreo que realiza el gobierno para determinar si se está en peligro por la cantidad de contaminación presente en el aire.

A continuación, encontraras las principales tecnologías ambientales del aire para fuentes fijas y móviles.

Para fuentes móviles es importante mencionar que existen los catalizadores o convertidores catalíticos que sirven para control de partículas y gases en el aire. Estos convertidores catalíticos son instalados en los automóviles, tractores y aeronaves para controlar los niveles de contaminación.

Para fuentes fijas existen tecnologías ambientales como precipitadores (ciclones, sedimentadores, etc.) para el caso de partículas suspendidas; lavadores de gases para los productos de combustión y de reacciones químicas (colectores húmedos, torres de rocío y lavadores Venturi). Estas tecnologías también pueden aplicarse en las empresas debido al proceso que ejecutan en la emisión de gases y partículas a la atmósfera, cabe destacar que estas emisiones contienen ambos tipos de contaminantes y     que para su control se puede combinar el uso de estas tecnologías.

3. 3. 1. técnicas de medición en fuentes móviles.

Después de haber estudiado el monitoreo ambiental, revisaras como se lleva a cabo la medición en las fuentes móviles de los contaminantes atmosféricos, recuerda que estas son vehículos automotores, tractores, aviones, motocicletas, etc., debido a que estos motores funcionan utilizando como combustible gasolina o diésel, arrojando diferentes tipos de contaminantes, principalmente dióxido y monóxido de  carbono, hidrocarburos poliaromáticos, hidrocarburos ligeros, aldehídos, óxidos de nitrógeno, plomo y partículas en suspensión.

Las técnicas de medición para las fuentes móviles son dos:

·         Por combustión. Se toman los gases del escapa y se realiza una poscombustión y midiendo el aumento de la temperatura se determina por el ciento en volumen de monóxido de carbono.

·         Por infrarrojo. Es un método de absorción de rayos infrarrojos en donde la cantidad de rayos absorbidos del compuesto es el mismo que la cantidad de los rayos de contaminante, de ahí se calcula la cantidad de este.

En la zona metropolitana del Valle de México y en Varios estados de la república existen centros de verificación vehicular, los cuales utilizan la técnica de infrarrojo, y basándose en la gravedad del problema de contaminación, se ha optado por que en algunas ciudades el programa de verificación sea obligatorio. Estos centros operan regularmente a cargo de los gobiernos estatales y poseen la tecnología para medir la contaminación emitida por vehículos automotores.

En algunos estados de la república la verificación vehicular es voluntaria y en otros obligatoria dependiendo de los niveles de contaminación de las ciudades y decisión gubernamental de los estados, recuerda que cada son soberanos y poseen la capacidad de tomar una decisión de este tipo. Lo que, si está homologado en el proceso de la verificación vehicular, es la técnica de infrarrojo que actualmente es ejecutada mediante sensores que se insertan en los escapes de los autos y en las computadoras que analizan los contaminantes. A continuación, observaras uno de estos sistemas para medir la contaminación en fuentes móviles.

Ilustración 2 Medición de fuentes móviles.

3. 3. 2. Técnicas de medición en fuentes fijas.

Las fuentes fijas son las empresas e industrias que por la naturaleza de su proceso emiten contaminantes atmosféricos regulados por las Normas Oficiales Mexicanas. Cada norma indica los métodos de medición y las técnicas a utilizar para cada contaminante; es importante conocer el fundamento legal para saber cuándo medir y que se debe buscar en los resultados obtenidos. Para conocer tal respecto, deberás consultar las Normas que se mencionan en la siguiente tabla:

Tabla 1. Normatividad para los contaminantes de aire.

Contaminante	Límite de exposición aguda	Límite de exposición crónica (valor medio)		Norma
	Concentración y tiempo promedio	Frecuencia máxima aceptable	Para protección de la salud de la población susceptible,
O3	0.11 ppm (1hrs)	1 vez cada 3 años	Na	NOM-020-SSA-1993
SO2	0.13 ppm (24hrs)	1 vez al año	0.030 ppm (maa)	NOM-022-SSA-1993
NO2	0.21 ppm (1hrs)	1 vez al año	Na	NOM-023-SSA-1993
CO	11 ppm (8hrs)	1 vez al año	Na	NOM-021-SSA-1993
PST	260 (24hrs)	1 vez al año	75  (maa)	NOM-024-SSA-1993
PM10	150  (24hrs)	1 vez al año	50  (maa)	NOM-025-SSA-1993
: microgramo por metro cubico. Ppm: parte por millón. Na: no aplica. maa: medida aritmética anual.

En el caso de fuentes fijas se pueden clasificar las técnicas de muestreo derivadas de las normas de la siguiente manera:

Gráfica 1. Cuadro que explica las técnicas de muestreo en fuentes fijas.

Hay que aclarar que, con relación a las fuentes fijas, el contexto está conformado por el clima del lugar, la situación geográfica y el tipo de contaminantes vertidos a la atmósfera, de ahí la importancia de realizar los modelos de dispersión. Esto te ayuda a saber qué tipo de tecnología se pueden utilizar para cada contaminante y cada lugar, es decir, el contexto. A esto se le puede llamar aplicación de monitoreo ambiental mediante el uso de las tecnologías.

Es de suma importancia saber que técnicas se utilizan para monitorear las fuentes fijas, ya que a partir de ahí puedes saber la forma de control de que debes proponer para los contaminantes, tal como se indica en el siguiente apartado.

3. 3. 3. Principales tecnologías de control de contaminantes gaseosos.

Para controlar las emisiones provenientes de las fuentes móviles se tienen dispositivos que son integrados a los automóviles denominados catalizadores o convertidores catalíticos, estos son lavadores de gases que tienen como función reaccionar químicamente con los contaminantes emitidos y evitar que salgan al ambiente. Observa la siguiente figura.

Ilustración 3. Convertidor catalítico.

Los catalizadores aprovechan el flujo de los contaminantes para hacerlos pasar por el material con el cual reaccionaran, y finalmente, lo gases son expulsados ya convertidos en vapores menos nocivos para el ambiente y la salud. Hasta el momento son de uso obligatorio para vehículos que circulen a diario y se deben reemplazar dependiendo del uso que se les dé, sin embargo, se recomienda una revisión cada dos años.

Las fuentes fijas requieren de tecnologías diferentes debido a las cantidades que emiten a la atmósfera y se basan en la separación de las partículas que contiene el aire contaminado. Hoy en día existen varias formas para ejecutar la separación; a continuación, analizaras los equipos que se utilizan para controlar las emisiones de las fuentes fijas y sus ventajas y sus desventajas.

Tabla 2. Equipos de control sus ventajas y desventajas.

Equipo	Tamaño mínimo de las partículas μm	Eficiencia % en peso	Ventajas	Desventajas
Sedimentado por gravedad	<50	>50	Pérdida de carga baja. Diseño y mantenimiento sencillo	Requiere mucho espacio. Baja eficiencia.
Ciclón	5 – 25	50 – 90	Diseño y mantenimiento sencillo. Ocupan poco espacio. Requiere de un sistema de disposición de polvos colectados en continuo. Pérdida de carga de media a baja. Maneja partículas grandes. Capacidad para aceptar cargas elevadas. Independencia de temperatura.	Se requiere de una instalación elevada. Eficiencia de colección baja para partículas pequeñas. Sensible a las variaciones de la concentración influente y a las variaciones del gasto.
Colectores húmedos	>10	<80	Absorción simultánea de gases y remoción de partículas. Disponibilidad de enfriar mezcla de gases. Se recuperan gases y nieblas corrosivos para neutralizarlos. Reducen el riesgo de explosión de polvos. Eficiencia variable.	Problemas de corrosión. Necesidad de tratar el agua. Baja eficiencia para las partículas inferiores a 1μm. contaminación del efluente por arrastre del líquido. Problemas de congelación en climas fríos. Disminuye la capacidad de elevación de la pluma. El vapor de agua contribuye a la visibilidad de la pluma en condiciones ambientales específicas.
Torre de rocío ciclónico	>2.5	<80
Toberas de impacto	>2.5	<80
Venturi	>0.5	<99
Precipitador electrostático	>1	95 – 99	Posibilidad de obtener una eficiencia superior a 99%. Colecta partículas muy pequeñas. La colección se puede realizar en seco o húmedo. Para la eficiencia de carga y los requerimientos energéticos son relativamente bajos. Pocas partes movibles. Mantenimiento moderado si no se trata de polvos corrosivos o adherentes. Puede operar a temperaturas elevadas (350ºC a 400ºC).	Costo de instalación elevado. Sensibles a la variación de la concentración influyente y del gasto. Materiales con alta resistividad no son económicamente tratables. Peligro por alto voltaje. Rendimiento disminuye gradualmente e imperceptible.
Filtración	>1	>99	Posibilidad de colectar en seco. El decremento en la eficiencia es notorio. Retención de partículas muy pequeñas posibilidad de tener buenas eficiencias.	Sensible a la velocidad de filtración. Temperatura de operación de 100ºC a 450ºC. sensible a la humedad. Susceptibles de deterioro químico.

A continuación, encontraras algunos de estos equipos de manera ilustrativa.

Dentro de los sedimentadores por gravedad los más utilizados son los ciclones lo cuales actúan por entrada forzada de aire. Su uso y mantenimiento es relativamente sencillo y barato.

Ilustración 4. Funcionamiento de un ciclón.

Como puedes observar, el aire contaminado entra por un costado superior y debido a la espiral que contiene el ciclón, el aire es esforzado hacia la parte de abajo, impactando las partículas de los contaminantes en las paredes laterales, y enviándolas hacia abajo, es decir hacia la salida, luego el aire ya sin partículas vuelve a elevarse y sale por la parte de arriba de forma directa.

Los colectores húmedos varían dependiendo del material de contacto. Son conocidos comercialmente como lavadores de gases, y una de sus desventajas más notorias es que se trasladan el problema de aire a un problema de agua.

Ilustración 5. Lavador de gases.

Los precipitadores electrostáticos funcionan, básicamente, mediante una corriente eléctrica controlada y aprovechan la carga que contienen las partículas, las cuales se adhieren a las paredes del dispositivo y al momento de quitar la carga, se decantan y son colectadas al fondo de este.

Ilustración 6. Precipitador electrostático.

Para elegir algún método de control es necesario saber de qué tipo de industria proviene el contaminante. Su fuente de emisión y el tipo de contaminante. Cabe señalar que existen empresas dedicadas al control de aire que han invertido tiempo y dinero en la clasificación de los tratamientos, a continuación, observaras una tabla que resume está información de manera precisa.

Tabla 3. Tabla que muestra las diferentes tecnologías ambientales para el tratamiento de la contaminación del aire.

Industria o proceso	Fuente de emisión	Contaminante	Tratamiento
Siderúrgicas (fierro y acero)	Altos hornos. Hornos de acero	Óxido de fierro, polvo y humo	Ciclones, filtro y precipitación electrostática y colectores húmedos.
Fundición de fierro gris	Cubilotes, mezcladores.	Óxido de hierro, humo, aceite em polvo, fumos de metal	Lavadores y colectores centrífugos.
Industria metalúrgica no ferrosa	Fundidoras y hornos	Humos y fumos de metal, aceite y grasa	Precipitadores electrostáticos y filtros
Refinerías de petróleo	Regeneración de catalizadores. Incineración de lodos	Catalizadores en polvo, cenizas de los lodos	Ciclones, precipitadores electrostáticos, lavadores y filtros.
Fabricación de cemento portland	Hornos, secadores. Manejo de materiales	Álcalis y polvos del proceso	Filtro, precipitadores electrostáticos y colectores mecánicos
Procesos de Kraft para producción de papel	Hornos de recuperación. Secadores. Tanques de fundición.	Polvos químicos	Precipitadores electrostáticos lavadores tipo Venturi.
Fabricación de ácido sulfúrico y fosfórico	Procesos térmicos. Acidificación. Tamizado	Niebla acida y polvo	Precipitadores electrostáticos y lavadores de niebla, tamizado.
Procesamiento del coque	Horno. Templado. Manejo de material	Polvo de carbón y coque. Hidrocarburos.	Diseño y mantenimiento cuidadosos.
Vidrio y fibra de vidrio.	Hornos. Moldeado y curado. Manejo de material	Neblina acida, polvos alcalinos, polvos y aerosoles.	Filtros y quemadores.

Ahora ya conoces los diferentes tipos de tecnologías ambientales para el tratamiento y control de la contaminación del aire, con ello podrás realizar propuestas que te permitan colaborar en el saneamiento del aire de empresas.