Residuos Atmosféricos: Mecanismos de Control y Tratamiento

Mecanismos Generales para Reducir Contaminantes

Existen dos mecanismos principales para controlar la contaminación atmosférica:

1. Separación y Concentración: Separar los contaminantes de los gases inofensivos y transformarlos en fase líquida o sólida (mediante absorción, adsorción, precipitación, filtración o sedimentación).
2. Conversión Química: Convertir los contaminantes en productos inocuos que puedan descargarse en la atmósfera con un mínimo impacto ambiental (por ejemplo, mediante oxidación o reducción).

Diferencias Clave entre Tecnologías de Control

• Filtración y Ciclones: Los ciclones son efectivos principalmente para material particulado, mientras que la filtración puede aplicarse tanto a material particulado como gaseoso, dependiendo del tipo de filtro.
• Absorción y Adsorción: Ambos procesos son utilizados para gases. La absorción implica la incorporación de una sustancia en otra (ej. SO₂ en peróxido de hidrógeno, H₂O₂), mientras que la adsorción es un fenómeno superficial donde la sustancia se adhiere a la superficie de un material (ej. carbón activado).

Carbón Activado

El carbón activado es un material muy poroso (aproximadamente 500 m²/g) que adsorbe partículas orgánicas e inorgánicas del agua y gases.

Absorción vs. Adsorción: Un Ejemplo

En la absorción, una sustancia penetra en la estructura de otra. En la adsorción, la sustancia adsorbida solo se adhiere a la superficie. Un ejemplo es el catalizador de los automóviles (que contiene peróxidos de vanadio). Este catalizador transforma varios óxidos de nitrógeno (NOx, como NO₂, N₂O, NO) en NO₂, que es el menos perjudicial. Luego, el catalizador convierte los NOx en NO₃.

Separación de Sólidos en Corrientes Gaseosas

Las principales tecnologías para separar sólidos de corrientes gaseosas son:

• Ciclones
• Filtros
• Precipitadores Electrostáticos
• Lavadores (Scrubbers)

Ciclones

Ventajas:

• Sencillos.
• Bajo costo de instalación, operación y mantenimiento.

Desventajas:

• Baja eficiencia para partículas menores a 10 μm.
• Deterioro por la circulación de sólidos abrasivos a alta velocidad.

Los ciclones utilizan la fuerza centrífuga para capturar cenizas y polvos. Sin embargo, las partículas mayores a 10 μm pueden escaparse.

Filtros de Mangas

Funcionan como una aspiradora, con una eficiencia de hasta el 99.9%. No son resistentes a altas temperaturas. Separan los sólidos haciendo pasar el aire con partículas en suspensión mediante un ventilador.

• Torta Filtrante: Capa de material particulado que se acumula después de la filtración. Debe limpiarse periódicamente (por ejemplo, mediante un golpe metálico).
• Medios Filtrantes: Pueden ser fibras naturales (lana, algodón) o sintéticas (poliéster, polipropileno, poliamida, PVC, fibra de vidrio).

Factores a considerar al seleccionar la tela filtrante:

• Costos.
• Permeabilidad al aire.
• Resistencia mecánica.
• Resistencia a ácidos y álcalis.
• Hidrofobicidad.
• Resistencia a altas temperaturas.

Ventajas:

• Recuperación del producto seco.
• No se generan efluentes líquidos.

Desventajas:

• Uso restringido a altas temperaturas (máximo 90°C para fibras naturales y 250°C para fibras de vidrio).
• Peligro de explosiones e incendios con polvos de alta combustibilidad (ej. polvo de madera).
• Mayor costo que los ciclones.

Precipitadores Electroestáticos

Se basan en la acción de un campo eléctrico sobre las partículas sólidas cargadas eléctricamente.

Desventajas:

• Pérdida de eficiencia ante condiciones variables de temperatura, flujo y composición del gas.
• La eficiencia se ve afectada por partículas de alta resistividad.
• Altos costos de inversión y operación.
• No se recomiendan en presencia de compuestos combustibles o explosivos.

Lavadores con Líquidos (Scrubbers)

Eliminan el material particulado y compuestos gaseosos solubles mediante el uso de un líquido absorbente.

Ventajas: Remueven cualquier compuesto gaseoso soluble en el líquido.

Desventajas: Generación de un residuo líquido que contiene el contaminante removido del gas.

Remoción de compuestos gaseosos: Compuestos orgánicos volátiles (COV), óxidos de azufre, óxidos de nitrógeno, ácido sulfúrico, amoníaco.

Remoción de SO₂: Se agrega CaO (o CaCO₃) al líquido:

SO₂ + CaO + 2H₂O → CaSO₃ + 2H₂O

Se pueden agregar aditivos al líquido para mejorar la eficiencia de remoción.

Sistemas de Adsorción

• Lecho Fijo: Se utilizan columnas rellenas con adsorbentes, y el gas circula continuamente a través del lecho (ej. catalizador del auto).
• Lecho Fluidizado: Permite un contacto íntimo entre el sólido adsorbente y el gas. Se requiere un sistema de separación sólido-gas para recuperar las partículas de material adsorbente arrastradas.

Sistemas Basados en la Oxidación

Utilizados para eliminar compuestos orgánicos volátiles (COV) presentes en el gas.

• Antorchas: Se utilizan cuando los contaminantes están en concentraciones dentro de los límites de inflamabilidad (ej. refinerías de petróleo, plantas petroquímicas).
• Incineradores: Destruyen COV. Ejemplo: NH₃(g) -> NH₄O(liq) -> Incinerador -> Chimenea (NOx).
• Oxidación Catalítica: Hornos de oxidación que utilizan catalizadores para acelerar la reacción y mejorar la eficiencia. Ejemplo: Oxidación de SO₂ a SO₃ usando V₂O₅ como catalizador. El SO₃ puede formar H₂SO₄ en presencia de agua.

Sistemas Basados en la Reducción

Implican reacciones químicas entre el contaminante y un agente reductor para transformarlo en una forma química de menor impacto.

Tratamiento de Residuos Sólidos

Incluyen:

• Incineración
• Gasificación
• Biodegradación
• Pirólisis
• Tratamientos Químicos
• Tratamientos Físicos

Vertederos Controlados

• Lixiviado: Lavado de productos sólidos con un líquido. Se mide la materia orgánica (DBO, DQO).
• El principal producto de la degradación anaeróbica es el metano.
• Residuos domésticos: Bajo costo relativo, tecnología establecida, generación de gases y lixiviados (con sistemas de tratamiento), no apto para residuos peligrosos, costo de transporte.

Incineración

Los hospitales queman sus residuos, lo que puede generar problemas con compuestos altamente halogenados, como las dioxinas (cancerígenas), que se forman en la incineración en presencia de oxígeno.

Pirólisis

Altas temperaturas en ausencia de oxígeno. No genera dioxinas, pero tiene altos requerimientos de inversión. Es una descomposición térmica de sustancias orgánicas.

Degradación Anaeróbica

Sin presencia de oxígeno. El metano producido sale con H₂S, que debe eliminarse mediante lavados. Ventajas:

• Tratamiento de residuos biodegradables.
• Aprovechamiento energético (metano).
• Estabilización de residuos.
• Residuo sólido rico en nutrientes (uso agrícola).

Desventajas: Sensibilidad a componentes tóxicos inhibidores y a la temperatura.

Oxidación Termofílica

Proceso bacteriano a temperatura controlada. Factores a considerar:

• Temperatura: Determina la eficacia de las bacterias.
• Inhibidores: Sustancias químicas, ácidos, oxidantes, reductores, pH, etc., que pueden matar a las bacterias.

Inertización

Efectivo para residuos peligrosos. Implica estabilización y encapsulamiento. Desventajas: Altos costos, sensible al agente de fijación, requiere confinamiento apropiado.

Residuos Industriales

Incluyen lodos de tratamiento (la degradación en presencia de oxígeno es más rápida, pero genera más lodos) e insumos fuera de especificación (rechazo de materia prima).

Segregación de Residuos Sólidos y Tecnologías Limpias

Es fundamental segregar los residuos sólidos y adoptar tecnologías limpias, como:

• Sustituir carbón por gas natural.
• Utilizar energía solar en lugar de electricidad convencional.
• Implementar energía eólica.
• Usar gas en lugar de carbón (el carbón genera mucho CO y material particulado; el carbón mineral con FeS₂ produce SO₄).

Producción Limpia

Se refiere a procesos que generan menos contaminantes. Incluye:

• Cambio de materias primas (ej. gas natural en lugar de carbón, leña seca en lugar de húmeda).
• Cambio de tecnologías.

Alternativas de Manejo de Residuos

• Biomasa: Uso de residuos vegetales (ej. aserrín) como combustible.
• Reducción en el origen (proceso):
  • Cambio de materias primas (ej. gas natural con 95% CH₄ y sin azufre, en lugar de carbón mineral con FeS₂).
  • Cambio de tecnología para mejorar la productividad.
  • Buenas prácticas de operación (capacitación del personal).
• Reutilización y reciclaje: Implementar sistemas de reutilización y realizar estudios de mercado.
• Tratamiento: Procesos químicos industriales.

Energía en Procesos Industriales

La temperatura en los procesos industriales se mantiene principalmente con combustibles fósiles. Los equipos industriales operan a diferentes temperaturas que deben mantenerse de forma continua.

ΔT → Q (energía) → Fuente de energía

Fuentes de Energía

• Renovables: Eólica, mareomotriz, solar.
• No Renovables: Combustibles fósiles (petróleo, gas natural, carbón).

Ejemplos:

1. Termoeléctrica: Utiliza carbón o gas natural para producir vapor y generar electricidad.
2. CAP (Compañía de Acero del Pacífico): Utiliza carbón para generar gas de coque y, posteriormente, coque.
3. Calderas de Hospital: Utilizan carbón o madera para generar vapor.
4. Fundiciones (Pymes): Utilizan carbón.
5. Calderas (Pymes): Utilizan carbón, madera o biomasa.

¿Por qué el petróleo es el mayor contribuyente en la industria a nivel mundial? Debido a su costo y a la existencia de yacimientos estables. En Sudamérica, Brasil y Argentina tienen importantes reservas. Las centrales nucleares son otra fuente de energía.

Los SOx y NOx producen lluvia ácida, que afecta el pH del suelo. Estos son problemas asociados a las energías no renovables.

Uso de Energía Renovable

• Hidráulica: Se obtiene mediante la energía mecánica de una columna de agua en una represa. Es estable, pero tiene un gran impacto ambiental y puede generar metano.
• Eólica: Aprovecha el viento.
• Solar: Requiere grandes extensiones de terreno.
• Mareomotriz: Requiere grandes extensiones de mar.

Transformaciones de Energía

En la industria, es más eficiente utilizar la energía de forma directa. Si la energía se utiliza directamente para un proceso de calor, la potencia será mayor.

Aire: Composición y Procesos

El oxígeno se utiliza en procesos como el oxicorte, donde el metal se oxida al mezclarse con gas propano-butano y oxígeno. El oxígeno adicional genera calor, oxidando el metal.

Los extintores de polvo químico seco contienen fosfato de amonio.

Composición del Aire

• O₂: 21%
• N₂: 79%
• Otros (aproximadamente 7%): Vapor de agua (variable), CO₂ (0.03%), gases nobles.

En zonas industriales, el aire puede contener hidrocarburos, alquitranes, cenizas, polvos y SO₂.

Licuefacción del Aire

El oxígeno y el nitrógeno se obtienen por destilación criogénica. El nitrógeno líquido y el CO₂ líquido se utilizan en procesos que requieren frío.

Proceso:

1. Aire (temperatura ambiente) → Compresión → Enfriamiento → Expansión → Aire líquido (repetir varias veces).

• Temperatura de ebullición del O₂: 90.2 K
• Temperatura de ebullición del N₂: 77.4 K

¿Cómo se separa el nitrógeno del aire? Primero se destila, luego se licua, se comprime, se enfría y se expande. El nitrógeno, al ser más ligero que el oxígeno y tener una menor temperatura de ebullición, se obtiene primero.

Problemas Ambientales

Agujero en la Capa de Ozono

Reacciones:

• (Radiación 120-180 nm) O₂ → O + O
• O₂ + O → O₃
• (Radiación 220-280 nm) O₃ → O₂ + O
• O + O₃ → 2 O₂

Efecto Invernadero

Aumento de la temperatura media de la Tierra debido al incremento de la concentración de CO₂ en la atmósfera, procedente principalmente de la quema de combustibles fósiles.

Lluvia Ácida

Causada por combustibles fósiles que contienen azufre:

SO₂ + OH· → HOSO₂·

HOSO₂· → HO₂· + SO₃

SO₃(g) + H₂O(l) → H₂SO₄(l)