Para hablar de contaminantes atmosféricos y su fuente de emisión es importante que recuerdes que la contaminación atmosférica se define como la presencia de uno o varios compuestos sólidos, líquidos o gaseosos en concentraciones no adecuadas para el desarrollo de la vida. Los contaminantes se pueden clasificar como primarios y secundarios, los primero son aquellos que son arrojados a la atmosfera y pertenecen a diferentes fuentes, mientras que los segundos son el producto de las reacciones entre los contaminantes presentes en la atmosfera con la radiación solar o la temperatura, aunque en ocasiones estas reacciones se ven favorecidas por situaciones naturales como la disminución de la velocidad de viento lo cual promueve la difícil dispersión de contaminantes primarios ayudando a concentrarlos en un solo lugar.
Entre los considerados contaminantes primarios se encuentran los SOx, CO, NOx, hidrocarburos, O3 y CO2, aunque dependiendo de la fuente emisora de contaminación tambien se pueden encontrar compuestos orgánicos, partículas de metales y minerales e incluso, en ocasiones, sustancias radioactivas. Para ejemplificar los contaminantes secundarios se tienen a los oxidantes más comunes como el y
, los cuales nuevamente reaccionan con los contaminantes primarios, otros oxidantes y los componentes normales de la atmosfera dando lugar a compuestos como aldehídos y cetonas y nitratos de peroxiacil (PAN, por sus siglas en ingles). Cabe destacar que los contaminantes primarios tambien se combinan con el agua atmosférica dando origen a ácidos como el
y
.
Recuerda que el termino involucra a los
y
, mientras que los
involucran al
y
.
Como sabes los contaminantes provienen de diferentes fuentes:
· Fuentes fijas o puntuales.
· Fuentes móviles.
· Fuentes naturales.
· Fuentes de área.
Las fuentes fijas o puntuales son aquellas que tienen un origen estacionario, es decir son fuentes que permanecen en el tiempo y espacio, por ejemplo, cualquier industria.
Las fuentes móviles son las que están en constante movimiento, dispersando contaminantes a lo largo de su trayectoria, por ejemplo, los automóviles.
Las fuentes naturales son las que se producen por el desarrollo de la vida, o bien por fenómenos naturales y carecen de control, por ejemplo: alguna erupción volcánica o emisión biogénica.
Las fuentes de área se refieren a aquellas que se ubican en determinada región y que son numerosas, de tamaño pequeño y dispersas, pero que pueden tener impactos significativos en la calidad del aire, por ejemplo, las gasolineras.
Todas las fuentes arrojan hacia la atmosfera diversos contaminantes con ciertas características de descarga a las que se conoce como emisiones, mientras que la magnitud de estos contaminantes a nivel del suelo, que han sido transportados de su lugar de origen debido a las condiciones con las que fueron emitidos y por factores meteorológicos, reciben el nombre de inmisión.
En relación a las fuentes de emisión, ten presente que dependiendo de estas serán los tipos de contaminantes, los cuales comprenden a los denominados contaminantes criterio . No obstante, la otra parte de los contaminantes comprende compuestos más complejos y de ahí la importancia de conocerlos a detalle.
1. 1. 1. Tipología de contaminantes según su fuente
Cuando en la práctica real se lleva a cabo la medición de emisiones atmosféricas, el conocer la fuente de contaminación te puede indicar los tipos de emisiones y por tanto de contaminantes que estarán presentes en ella, asimismo los que podrían formarse una vez que hayan sido arrojados al exterior.
En relación a lo anterior, solo se abordará lo referente a las emisiones por fuentes fijas, sobre todo aquellas que provienen de industrias, debido a que en el ejercicio profesional tendrás mayor oportunidad de incursionar en este ámbito, porque son fuente importante de contaminantes tóxicos. Los contaminantes que emergen de las fuentes fijas se pueden agrupar en familias:
· Compuestos inorgánicos del carbono.
· Compuestos derivados del azufre.
· Hidrocarburos.
· Compuestos de nitrógeno.
· Oxidantes fotoquímicos.
· Metales.
· Partículas.
Las altas concentraciones de los contaminantes tóxicos pueden ejercer grandes problemas a la población, por lo cual es necesario su monitoreo y control. Para ver las consecuencias de la contaminación observa la siguiente tabla:
Tabla 1 Contaminantes atmosféricos y sus efectos a la salud.
| Contaminante | Efecto |
| | · Es un contaminante primario y uno de los precursores del ozono. · En exposiciones prolongadas causa bronquitis en niños asmáticos y disminuye el desarrollo de la función pulmonar según estudios realizados en ciudades europeas y norteamericanas. |
| | · Es un contaminante secundario. · Puede causar problemas respiratorios, depresión del sistema inmunológico, efectos sistémicos en tejidos blandos como el hígado, agrava las enfermedades respiratorias para las personas que las tienen, por ejemplo: asmáticos. Tambien aumenta la mortandad en personas con cardiopatías y en personas sanas causa decrementos de la capacidad respiratoria. |
| | · Es un precursor de ozono y generalmente son oxidantes. · Algunos COV pueden causar cáncer, problemas respiratorios, cardiovasculares, gastrointestinales y hematológicos. |
| | · Es un contaminante primario. · Disminuye la capacidad de la sangre para transportar oxígeno, interfiere en la liberación de oxígeno en los tejidos afectando el funcionamiento de neuronas, células del corazón y de otros músculos. En personas sanas la exposición crónica provoca un aumento del número de glóbulos rojos, del volumen sanguíneo y del tamaño del corazón. |
| | · Puede afectar al sistema respiratorio y las funciones pulmonares. Causa irritación ocular, agrava las enfermedades respiratorias para las personas que las tienen, por ejemplo: asmáticos y personas con bronquitis crónica. |
| | · Penetran en las vías respiratorias e interfieren en su funcionamiento ocasionando problemas respiratorios como bronquitis y muerte prematura principalmente en niños y personas de la tercera edad. Tambien es causa de enfermedades cardiovasculares, asi como de cáncer de pulmón. |
En la tabla se presentan las consecuencias a la salud por inhalación de los contaminantes, salvo los COV, los demás son considerados contaminantes criterio.
De acuerdo con lo anterior, es necesario que antes de instalarse una empresa, esta pueda realizar una simulación de las emisiones que emitirá.
A continuación, se presenta una tabla que muestra las emisiones de contaminantes atmosféricos de fuentes fijas por sector en 2005.
Tabla 2 Emisiones de contaminantes atmosféricos de fuentes fijas por sector, 2005.
*Las cantidades están en toneladas
Como sabes, las simulaciones son una herramienta clave para la medición y control de las emisiones atmosféricas. Para realizarlas se utilizan diversos tipos de software que en su mayoría emplean modelos gaussianos para medir la concentración máxima de contaminantes a ras del suelo y la distancia recorrida a partir de su origen, a la cual se le llama dispersión de contaminantes. Muchos softwares que utilizan estos modelos necesitan considerar diversos factores ya sea meteorológicos (como la velocidad del viento, temperatura y estabilidad atmosférica), topográficos y características particulares de la fuente emisora (tasa de emisión, diámetro y altura de la chimenea, temperatura, presión y velocidad de salida de las emisiones) para la realización de los cálculos de concentración de contaminantes y que sean lo más representativos de las condiciones reales de la emisión.
A continuación, se presenta la ecuación para calcular la concentración máxima en un plano x, y, z sin reflexión:
Recuerda que la reflexión se refiere a la resuspension de los contaminantes en el aire después de salir de su fuente de emisión, dispersarse en el ambiente y tocar suelo. La ecuación con reflexión es la siguiente:
Donde:
C = concentración en la posición x, y, z, (g/m3)
Q = gasto de contaminante, (g/s)
u = velocidad del viento (m/s)
= 3.1416
He = altura efectiva de emisión (m)
= coeficiente de dispersión en la dirección y, (m)
= coeficiente de dispersión en la dirección z, (m)
He, la altura efectiva de la chimenea se calcula con la suma de la altura de la chimenea (H) más la altura de la emisión .
De acuerdo con el Manual para la evaluación técnica y normativa de la Licencia Ambiental Única (2005), altura de la emisión y su comportamiento dependerán de la velocidad y temperatura de los gases en la salida de la chimenea. Para su cálculo se utiliza la ecuación de Holland:
Donde:
= velocidad de emisión del gas (m/s)
d = diámetro interno de la chimenea (m)
= velocidad del viento (m/s)
P = presión atmosférica (milibares)
= temperatura del gas (ºK)
= temperatura del aire (ºK)
Esta segunda formula altura efectiva de la chimenea , es sumamente relevante porque tambien te indica el comportamiento de la pluma contaminante que como acabas de ver se relaciona con factores meteorológicos y las características de la fuente. Adicional al cálculo de
, Turmo y Cusco, consideran la existencia de factores de corrección para la fórmula de Holland, lo cual se describe a continuación:
Tabla 3 Factor de corrección formula de Holland.
| Estabilidad atmosférica | Factor de corrección |
| A, B | 1.15 |
| C | 1.1 |
| D | 1 |
| E, F | 0.85 |
En la ecuación para determinar la concentración máxima se necesita conocer los coeficientes de dispersión en la dirección y y z
, estos valores dependen de la estabilidad atmosférica y de la dirección y y z con respecto a la fuente emisora en la dirección del viento (x). La estabilidad atmosférica se representa con la letra A (más inestable) hasta la F (más estable). La clase de estabilidad atmosférica se puede deducir para cada condición meteorológica a partir de la siguiente tabla.
Tabla 4. Condiciones meteorológicas que definen las clases de estabilidad atmosférica.
| | Dia, radiación solar | Noche | |||
| Fuerte | Modera | Débil | Nublado | Despejado | |
| <2 | A | A – B | B | E | F |
| 2 – 3 | A – B | B | C | E | F |
| 3 – 5 | B | B – C | C | D | E |
| 5 – 6 | C | C – D | D | D | D |
| >6 | C | D | D | D | D |
|
Radiación solar fuerte es aquella mayor a Radiación solar fuerte es aquella entre 25 y Radiación solar fuerte es aquella menor que Se considera noche una hora después de la puesta de sol hasta una hora antes de la salida del mismo. La nubosidad se mide en octavos de bóveda celeste cubierta por nubes teniendo que: 0/8 es un cielo despejado, 4/8 es un cielo con la mitad cubierta de nubes y 8/8 pertenece a un cielo totalmente cubierto de nubes. | |||||
La tabla que acabamos de ver relaciona las mediciones de velocidad del viento a una altura de 10m respecto el nivel del suelo y la radiación solar para proporcionarnos una estabilidad atmosférica. ¿Qué sucede si la velocidad se mide a menos de 10m?
Para esta consideración, Turmo y Cuscó expresan una relación que nos permite conocer la velocidad del viento a una altura menor de 10m respecto el nivel del suelo y es como sigue:
Donde:
= velocidad del viento a la altura de la fuente de emisión menor de 10m
= velocidad del viento a la altura de 10m
z = altura de la fuente emisora (m)
p = coeficiente exponencial de corrección de la velocidad del viento
Tabla 5. Coeficiente exponencial de corrección de la velocidad del viento.
| Estabilidad | Coeficiente exponencial atmosférico | |
| Urbano | Rural | |
| A | 0.15 | 0.07 |
| B | 0.15 | 0.07 |
| C | 0.20 | 0.10 |
| D | 0.25 | 0.15 |
| E | 0.40 | 0.35 |
| F | 0.60 | 0.55 |
De acuerdo con Wark, el cálculo de los coeficientes de dispersión se puede calcular mediante las siguientes expresiones:
El subíndice b = 0.82
La variable x se debe especificar en kilómetros y el resultado de y
se reportan en metros (m).
Tabla 6. Cálculo de los coeficientes de dispersión.
| | | ||||||
| Estabilidad | A | C | D | F | C | D | F |
| A | 213 | 440.8 | 1.941 | 9.27 | 459.7 | 2.094 | -9.6 |
| B | 156 | 106.6 | 1.149 | 3.3 | 108.2 | 1.098 | 2 |
| C | 104 | 61 | 0.911 | 0 | 61 | 0.911 | 0 |
| D | 68 | 33.2 | 0.725 | -1.7 | 44.5 | 0.516 | -13 |
| E | 50.5 | 22.8 | 0.678 | -1.3 | 55.4 | 0.305 | -34 |
| F | 34 | 14.35 | 0.74 | -0.35 | 62.6 | 0.18 | -48.6 |
Como veras hasta el momento se han revisado los contaminantes atmosféricos y su fuente de emisión, asi como la dispersión de contaminantes; esta última, como recordaras, es un tema arduo y complejo dado que se necesita saber diversos parámetros para conocer y predecir el comportamiento de los contaminantes. Sin embargo, te será de mucha ayuda para ver los impactos que tendrá la emisión e inmisión de contaminantes en cierta área. En este punto es conveniente que te preguntes que sucede si por alguna razón no puedes conocer la concentración de tu contaminante o bien, como relacionar la producción de cierta industria con las emisiones contaminantes.
1. 1. 2. Métodos para estimar contaminantes
De acuerdo con Cruzado y Valdez, para la estimación de emisiones primero debe considerarse que tipo de emisiones se tienen: conducida o fugitiva. La primera corresponde a las emisiones que se descargan de manera directa o indirecta a través de ductos o chimeneas, mientras que las segundas son aquellas que se descargan a cielo abierto o bien corresponden a fugas por lo que no pueden medirse directamente.
La estimación de emisiones en fuentes fijas se mide mediante métodos directos e indirectos los cuales están en función de si las emisiones son conducidas o no conducidas, por lo que para emisiones conducidas se utilizan los métodos directos e indirectos, mientras que para las emisiones no conducidas se utilizan los métodos indirectos.
Los métodos directos se basan en estudios de campo por lo que la técnica de mayor uso es el de muestreo en la fuente que se realiza directamente en la chimenea o conducto donde se dirigen los gases. Este método es el más confiable, pero es el más costoso debido a que se requiere personal calificado para hacerlo, asi como procedimientos de muestreo estandarizados. Al respecto, en México se tiene la NMX-AA-010-SCFI-2001 que establece el procedimiento para hacer un muestreo isocinético (el cual es un muestreo directo), a continuación, en la siguiente tabla, se presentan las normas mexicanas que apoyan a la NMX-AA-010-SCFI-2001, asi como las normas EPA afines.
Tabla 7. Muestreo isocinético y su normatividad.
| Método EPA | Descripción | Norma mexicana | Descripción |
| Método 1 | Determinación y lugar de puntos de muestreo | NMX-AA-009-1993-SCFI | Determinación de flujo de gases en un conducto por medio de tubo Pitot |
| Método 2 | Determinación de velocidad del gas y flujo volumétrico | ||
| Método 3 | Determinación del peso molecular seco | NMX-AA-035-1976 | Determinación de CO2, CO y O2 en los gases de combustión. |
| Método 4 | Determinación del contenido de humedad | NMX-AA-054-1978 | Determinación de humedad en los gases que fluyen por un conducto. |
| Método 5 | Determinación del material particulado | NMX-AA-010-SCFI-2001 | Determinación de la emisión de partículas contenidas en los gases que fluyen por un conducto – método isocinético. |
La siguiente figura muestra el tren de muestreo para efectuar un muestreo isocinético de acuerdo a la NMX-AA-010-SCFI-2001.
Ilustración 1. Tren de muestreo isocinético.
Con respecto a los métodos indirectos, estos se basan en información general sobre el comportamiento típico de un proceso o equipo similar al de interés. Los métodos indirectos que se utilizan frecuentemente son los factores de emisión y los cálculos de balance de masa.
Los factores de emisión son una magnitud escalar representativa que relaciona la cantidad de un contaminante con su actividad generadora. Originalmente, estos se consideraron a partir de la necesidad de formular inventarios de emisiones al detectar que no se contaba con la información suficiente para realizarlo debido a que muchas fuentes de emisión carecían de datos o bien eran poco confiables, fue entonces que se trabajó su formulación.
Cabe mencionar que estos factores, ademas de cumplir con su propósito original, se utilizan para estimar las cantidades de contaminantes que se formaran en la producción de algún producto antes de iniciar sus operaciones productivas o ya iniciado para conocer la concentración de contaminantes que tienen sus emisiones.
Si en este momento te preguntas ¿Por qué se necesita estimar la concentración de los contaminantes si hay laboratorios certificados que las determinan?, la respuesta es: porque algunas fuentes es difícil conocer las emisiones por lo complicado de su naturaleza. Por ejemplo, en una zona minera a cielo abierto seria complicado conocer el material particulado que se está generando cuando la excavadora retira un montículo de suelo y minerales, aunque aun teniendo una fuente simple, accesible y definida, en ocasiones es difícil tener datos confiables por lo que se utilizan factores de emisión.
La Agencia de Protección al Ambiente (EPA, por sus siglas en inglés) tiene una compilación de factores de emisión para diferentes combustibles e industrias, a esta se le denomina Compilation of Air Pollutant Emission Factors (AP-42, por sus siglas en ingles) y es el más utilizado a nivel mundial, aunque existen diversos documentos de muchos países en donde es posible encontrar factores de emisión propios. Se debe tener presente que el AP-42 es el más citado inclusive en los países que han elaborado sus propios factores de emisión incluido México.
En la Guía de elaboración y usos de inventarios de emisiones editada por la SEMARNAT-INE, en el 2005, se menciona que los factores de emisión que utiliza México para fuentes fijas son los del AP-42 siempre y cuando existan factores para la fuente en cuestión, de lo contrario se utilizan balances de masas, encuestas, censos o pruebas para estimarlos. En este tenor, en algunas NOM se establecen ciertas ecuaciones para conocer las emisiones de contaminantes; por ejemplo, en la NOM-097-SEMARNAT-1995 se puede conocer la emisión de óxidos de nitrógeno en kilogramo por tonelada de vidrio fundido, entre otras emisiones. Por otro lado, para las fuentes de área, en México se utilizan principalmente los censos o encuestas para formular factores de emisión en este tipo de fuentes que son de tamaño pequeño pero grande en número.
¿Cómo se podría saber qué factores de emisión son una representación de las emisiones arrojadas por cierta fuente?
Para responder esta pregunta considera que cada uno de los volúmenes del AP-42 ponen en manifiesto que los factores de emisión tienen una característica muy importante que es su diverso grado de certeza porque dependen de la información que se ocupó para originarlos. Esta característica puede ser analizada desde numerosas pruebas hasta balances de masa o algún otro medio que brinde información para establecerlos.
Considerando el nivel de certeza de los factores de emisión, se presenta la siguiente clasificación:
Ilustración 2. Nivel de certeza de los factores de emisión.
De acuerdo al AP-42, Vol. 1, 1995, esta clasificación se hace de acuerdo a la calidad de la metodología utilizada para realizar los factores de emisión, la calidad de esta metodología se clasifica en: A, B, C y D en donde:
A = corresponde a una metodología correcta y con una documentación suficiente como para una validación.
B = metodología correcta, pero con documentación insuficiente para una validación.
C = metodología poco usada o nueva.
D = metodología inaceptable, aunque el método proporciona la magnitud de la emisión.
Una vez que se conoce la calidad de la metodología utilizada para la formulación de factores de emisión, los factores se clasifican en A, B, C, D y E, en donde:
A = excelente, el factor de emisión se formula con una metodología de calidad A y B y con los datos de un número significativo de establecimientos escogidos de manera aleatoria. La variabilidad es mínima debido a la especificidad de la información de la fuente.
B = arriba del promedio, el factor de emisión se desarrolla con una metodología de calidad A y B y con los datos de un numero razonable de establecimientos escogidos de manera dudosamente aleatoria. La variabilidad es mínima debido a la especificidad de la información de la fuente.
C = promedio, el factor de emisión se desarrolla con una calidad de metodología A, B y C y con los datos de un numero razonable de establecimientos, la muestra de estos no se puede afirmar que sea aleatoria. La variabilidad es mínima debido a la especificidad de la información de la fuente.
D = debajo del promedio, el factor de emisión se desarrolla con una metodología de calidad A, B y/o C y con los datos de un numero pequeño de establecimientos, por lo que la muestra no es aleatoria. Puede haber variabilidad en la muestra de datos.
E = pobre, el factor de emisión se desarrolla con una metodología de calidad C o D, los establecimientos muestreados no representan ser aleatorios. Puede haber cierta variabilidad en la muestra de datos.
Después de revisar las características que tienen los factores de emisión es necesario que conozcas la ecuación convencional para calcular la concentración de un contaminante de acuerdo con el AP-42, Vol. 1, 1995.
Donde:
E = emisión
A = nivel de actividad, es decir gasto o flujo de emisión.
EF = factor de emisión.
ER = eficiencia porcentual de la reducción de la emisión.
Para ver como se aplica la ecuación, a continuación, se presenta un ejemplo de aplicación del AP-42.
Considera que tienes una caldera industrial y que quema gas natural ¿Cuál será la emisión anual de NOx y partículas? Si su consumo de este combustible es de 12,356,000 L/año.
Pasos para la resolución del problema:
1. Visita la página del AP-42 y selecciona el volumen dedicado al gas natural “Section 1.4, Natural gas combustión, 1998”.
2. Después, ve la certeza que tienen los factores de emisión que se utilizaran y seleccionar el factor que se necesita.
3. Por último, aplica la fórmula para conocer las concentraciones del contaminante.
Solución del problema:
En el documento del AP-42, sección 1.4, 1998 se pone de manifiesto que los datos que se usaron para desarrollar los factores de emisión son de clase A. como recordaras, esto quiere decir que tienen un grado de certeza alta.
En el mismo documento se observa que para NOx los factores de emisión dependen de la capacidad de la caldera y que a su vez la capacidad se clasifica de acuerdo a la cantidad de energía requerida para su funcionamiento. En este ejemplo se considera que la caldera tiene un consumo de energía < 100 millones de MMBtu/hr y que no se controla las emisiones de NOx que emergen de este equipo, por lo que en este caso el factor tiene una magnitud 104lb/106scf. La selección del factor de emisión la podemos ver en las siguientes figuras:
Ilustración 3. Factores de emisión para calderas.
Ilustración 4 Factores de emisión para calderas.
Al factor de emisión encontrado 104lb/106scf se debe convertir a kg/m3 porque son las unidades que se estilan para trabajar en México, por lo que:
| La unidad scf significa pies cúbicos estándar y MMBtu significa 1 millón de Btu, que a su vez es igual a 1.054615GJ. |
Después de realizar los pasos 1 y 2, se aplica la fórmula para calcular la concentración de NOx:
Donde:
= A = consumo o gasto del gas natural.
= factor de emisión del NOx
Observa que en esta ocasión no se utiliza la eficiencia porcentual de la reducción de la emisión dado que en el ejemplo no hay equipos de control.
Para el caso de partículas, debe realizarse el mismo procedimiento. Revisa otra vez el documento AP-42, sección 1.4, 1998 y selecciona el factor de emisión para partículas. Ten presente que en este factor están implícitas todas las partículas, es decir las PM10 y PM2.5.
El factor de emisión para partículas es de 7.6lb/106scf y nuevamente se transforma a kg/m3.
Después, se aplica la fórmula para encontrar las concentraciones de partículas.
Donde:
= A = consumo o gasto del gas natural
= factor de emisión de PM
Con el ejemplo que acabas de hacer, te percataste como influyen las características del equipo y del combustible usado en las concentraciones de los contaminantes presentes en una emisión.
Revisa otro ejemplo.
Calcular las emisiones de CO2 provenientes del gas LP domiciliario que se producen al año en la Ciudad de México. Considera que se consumen 760 millones de litros/año.
Solución:
Siguiendo los pasos para la resolución de problemas con factores de emisión, primero visita la página del AP-42 y selecciona el volumen dedicado al gas LP “Section 1.5, Liquefied petroleum gas combustion, 1993”.
Después, ve la certeza que tienen los factores de emisión que se utilizaran y selecciona el factor que se necesita.
En este documento del AP-42, sección 1.5, 1993 se pone de manifiesto que los datos que se usaron para desarrollar los factores de emisión necesarios son de clase C y D. Como recordaras, esto quiere decir que tienen un grado de certeza promedio o debajo del promedio.
Para este caso el factor de emisión de CO2 es de 1500kg/1000L.
Después, se aplica la fórmula para encontrar las concentraciones de CO2:
Donde:
= A = consumo o gasto del gas LP
= factor de emisión del
Nota: en esta ocasión tampoco se utiliza la eficiencia porcentual de la reducción de la emisión dado que en el ejemplo no hay equipos de control.
Para la resolución de este ejemplo se utilizaron los factores de emisión del AP-42, pero hay un dato importante que es necesario remarcar y es la consideración de que se consumían 760 millones de L de gas LP/año. Este valor se obtiene de los censos en donde se contabilizan, primero, los domicilios que cuentan con este gas y, después, el volumen que consumen en un periodo determinado. Se hace asi porque el consumo de gas LP domiciliario es una fuente de área y por tanto sus emisiones son más difíciles de cuantificar por otro método.
| Ten presente que en tu ejercicio profesional es indispensable conocer la fuente de emisión a la perfección para hacer estos cálculos. |
El balance de masa estima las emisiones de contaminantes considerando que la masa del contaminantes es igual a la diferencia entre las entradas y salidas del proceso. Los balances se utilizan para estimar los contaminantes que salen de los equipos, de un proceso o de todo un establecimiento.
A continuación, se presenta un ejemplo de los balances de masa. De acuerdo con Rodrigo Londoño García quien en su publicación Balances de materia y energía, presenta el siguiente caso:
Se queman 25 gmol de etano, , empleando aire enriquecido en
. El análisis Orsat de los gases de chimenea es 15.4% molar
, 9.6% molar
y 75% molar
. Realizar el balance total de masa.
Solución
Como base de cálculo se tienen los 25g mol de etano, considerando esto y las salidas de los gases de chimenea se puede hacer el esquema del balance.
El balance total corresponde a balances de masa para cada uno de los elementos implicados por lo que este adquiere la forma de entrada = salida
BALANCE PARA EL CARBONO
Observa que 0.154 es el 15.4%, pero en fracción
Despejando ,
BALANCE PARA HIDROGENO
Despejando ,
BALANCE DE MASA PARA EL OXIGENO
BALANCE PARA NITROGENO.
Resolviendo los dos balances, el de oxígeno y el de nitrógeno, se tienen los valores para y
. Por lo que
y
.
Entonces, el contenido de es 32.8%, por lo que 100% - 32.8% = 67.2% de
, dado que la composición del aire es mayoritariamente oxígeno y nitrógeno.
El balance total de masa queda de la siguiente manera:
| Entradas | Salidas | ||||
| Compuesto | Moles (g mol) | Masa (g) | Compuesto | Moles (g mol) | Masa (g) |
| | 25 | 750 | | 75 | 1350 |
| | 118.79 | 3801.28 | | 50 | 2200 |
| | 243.38 | 6814.64 | | 31.17 | 997.44 |
|
|
|
| | 243.505 | 6818.14 |
| Total |
| 11365.92 | Total |
| 11365.58 |
Hay que aclarar que para obtener los moles en gmol de los compuestos se multiplico los gmol encontrados mediante el balance y la composición de entrada de los compuestos por ejemplo para el oxígeno, .
En el caso de la masa se multiplico los gmol por el peso molecular del compuesto. Por ejemplo, para el nitrógeno se multiplico .
En resumen, en las siguientes figuras se tienen los métodos de estimación de emisiones en donde considerando la confiabilidad y costos se tiene que el muestreo directo es el más confiable pero tambien el más costoso, mientras que los factores de emisión y los balances de masa son los que menos costos generan, pero los que menos confiabilidad tienen.
Ilustración 5. Métodos de estimación de emisiones.
Ilustración 6. Métodos de estimación de emisiones.
Ilustración 7. Métodos de estimación de emisiones.
Otro aspecto importante que considerar es la Ley General de Cambio Climático publicada en el 2014. Esta ley indica la necesidad de registrar las emisiones generadas por las fuentes fijas y móviles de emisiones que se identifiquen como sujetas a reporte respecto a los gases o compuestos de efecto invernadero. Para ello, se han establecido las metodologías que se debe utilizar para la estimación de gases o compuestos de efecto invernadero provenientes de fuentes con actividades específicas.
Se debe resaltar que para hacer estas estimaciones se utilizan las mediciones directas e indirectas. Sin embargo, debido a la frecuencia de emisiones de ciertos contaminantes, su fuente de generación y su cantidad, se han diseñado metodologías que permiten estimarlos con la finalidad de facilitar el cálculo y evitar errores en su realización.
| Para saber cómo estimar emisiones de GEI, revisa las siguientes publicaciones: 1. Acuerdo por el que se establece la metodología para la medición directa de emisiones de carbono, publicado por el Diario Oficial de la Federación en el 2015 Esta publicación establece la metodología para la medición directa de emisiones de bióxido de carbono. 2. Acuerdo que establece los gases o compuestos de efecto invernadero que se agrupan para efectos de reporte de emisiones, asi como sus potenciales de calentamiento, publicado por el Diario Oficial de la Federación en el 2015. Esta publicación establece las particularidades técnicas y las fórmulas para la aplicación de metodologías para el cálculo de emisiones de gases o compuestos de efecto invernadero. 3. Acuerdo que establece las particularidades técnicas y fórmulas para la aplicación de metodologías para el cálculo de emisiones de gases o compuestos de efecto invernadero, publicado por el Diario Oficial de la Federación en el 2015. Esta publicación establece la metodología para el cálculo de gases o compuestos de efecto invernadero de diferentes industrias. 4. Teoría y conceptos generales para elaborar inventarios verificables de emisiones de gases de efecto invernadero, publicado por la SEMARNAT en el 2014, paginas 16 - 19 y 43 – 47. Esta publicación muestra la metodología para estimar las emisiones de GEI. Tambien se encontrarán ejemplos de los cálculos y las tablas de potencial de calentamiento global.
|
Es importante señalar que las emisiones atmosféricas en México se reportan en ppm o . Sin embargo, algunos equipos que se utilizan para la medición de estos gases manejan la información en unidades inglesas, por lo que es necesario convertir unidades, para lo cual definiremos que es una parte por millón (ppm). Una de las unidades de medida más comunes mediante la cual se mide la concentración de una sustancia es ppm. Esta unidad se refiere a la cantidad de unidades de una sustancia existentes por cada millón de unidades en un conjunto. Por ejemplo: un volumen de cierto contaminante contenido en un millón
de volúmenes de aire más cierta proporción de contaminante, por lo que si hablamos de volúmenes entonces decimos que una ppm es igual a
, en caso de una parte por billon esta es igual a
.
Para hacer las conversiones se considera que los gases reales (por ejemplo, el ) tienen un comportamiento aproximadamente ideal siempre y cuando no estén sometidos a condiciones extremas de presión y temperatura.
| Se acepta que un gas se comporta idealmente a bajas presiones y temperaturas altas. |
Un gas se considera ideal siempre y cuando cumpla con las siguientes condiciones:
· Ocupa el volumen del recipiente que lo contiene.
· Está formado por moléculas que se mueven individualmente y al azar en todas direcciones.
· Los choques entre las moléculas son elásticos.
· Los choques son instantáneos.
· El volumen de las moléculas es despreciable.
La ecuación que representa a los gases ideales es llamada ecuación de estado, la cual es la siguiente:
Donde:
P = presión
V = volumen
n = número de moles
T = temperatura
R = es una constante de los gases ideales y tiene diversas unidades dependiendo del sistema de unidades que se maneje, en si tiene un valor de 0.082atm L/mol K.
A partir de esta ecuación de estado se pueden obtener ecuaciones que permiten hacer la conversión de manera directa, para lo cual se tiene:
Por ejemplo, si se desea convertir 356 de
a ppm en condiciones normales de temperatura y presión, es decir 1 atm de presión y 25ºC (aunque una temperatura en condiciones normales tambien podrá ser desde 19ºC hasta 27ºC dependiendo de la ubicación geográfica donde ocurra la emisión), podemos utilizar la siguiente formula:
Ahora veamos otro ejemplo.
Considera que vamos a transformar 11ppm de a
de
en condiciones normales. Ademas queremos el porcentaje de la concentración de ozono.
Para transformar 11ppm de a porcentaje, se considera que 1ppm es igual a 0.0001%, dado que:
Por lo tanto,
Ahora que ya conoces como determinar las concentraciones de los contaminantes dependiendo de su fuente de emisión, debes saber el grado de impacto que tienen; para ello, primero revisa la legislación ambiental y se compara las concentraciones obtenidas producto de una actividad con los instrumentos pertinentes que marca la legislación en materia de aire.
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