- Material particulado
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Emisión de partículas por una industria.
El Material particulado (Particulas Totales Suspendidas, PTS) se define como la acumulación de gotitas de un sólido o líquido en la atmósfera ambiental generada a partir de alguna actividad antropogénica o natural. 2 Si una corriente de aire contaminado es visible, las partículas que contienen lo provocan. Si la masa de aire sobre una ciudad es brumosa, las partículas que están en el aire causan la bruma. Los contaminantes en partículas no son químicamente uniformes, sino más bien entran en una amplia variedad de tamaños, formas y composiciones químicas. Algunos son mucho más nocivos para la salud, las propiedades y la visibilidad que otros. El interés por las partículas atmosféricas se debe a dos causas: Afecta el balance de radiación terrestre y poseen efectos nocivos sobre la salud. Las partículas penetran en los pulmones bloqueándolos y evitando el paso del aire, ocasionando efectos dañinos.1
Esquema sobre la clasificación de las fuentes de emisión de partículas.Fuentes de particulas atmosféricas
Las partículas gruesas empiezan su existencia como materia a un más gruesa, ya que se originan básicamente de la desintegración de trozos grandes de materia. Los contaminantes materiales constituyen una fuente de partículas gruesas en el aire. Mucha de las grandes partículas en el polvo atmosférico, particularmente en el aire de áreas rurales, tienen su origen en el suelo o en la roca, y consecuentemente, su composición elemental es similar a la de la corteza de la Tierra: elevadas concentraciones de Al, Ca, Si y O, en forma de aluminosilicatos, algunos de los cuales, también, contienen el ion calcio. Cerca y por encima de los océanos, las concentraciones de NaCl sólidos son elevadas, ya que el aerosol marino suministra partículas de cloruro de sodio en el aire, cuando el agua de mar evapora. El polen emitido por las plantas también contiene partículas gruesas en el rango de 10 a 100 µm las cenizas de los volcanes es, en mayor parte, de tamaño grueso. La fuente de las partículas gruesas incluyendo las naturales, como las erupciones volcánicas, y las actividades humanas, como el cultivo de la tierra y el triturado de canteras, dan lugar a que las partículas de la parte superficial del suelo y de las rocas sean recogidas por el viento. En muchas regiones las partículas gruesas son básicas, reflejando el hecho de que se han originado del carbonato de calcio y de otros minerales de este tipo, existentes del suelo. Mientras que las partículas gruesas resultan, principalmente, de la rotura de otras más grandes, las finas se forman, básicamente, de reacciones químicas y de la coagulación de otras especies más pequeñas, incluyendo moléculas en estado de vapor. El contenido orgánico medio en las partículas finas es, por lo general, mayor que en las grandes. Por ejemplo, la combustión incompleta de combustibles a base de carbono, como el carbón, el petróleo, la gasolina y el diesel, producen muchas partículas pequeñas de hollín que son, principalmente cristales de carbono. Consecuentemente, una de las fuentes de las partículas atmosféricas carbonosas, tanto finas como gruesas, son los gases de escape de vehículos, en especial aquellos que funcionan con diesel. El otro tipo de importantes partículas finas suspendidas en la atmosfera, se componen predominantemente de compuestos inorgánicos de azufre y nitrógeno. Las especies de azufre se originan del dióxido de azufre gas, SO2, producido por fuentes naturales (volcanes) y por la polución (de centrales de energía y de fundiciones), y que se oxida, en un periodo de horas a días, a acido sulfúrico y a sulfatos en el aire. El acido sulfúrico, H2SO4, viaja en el aire, no como gas, sino en pequeñas gotas de aerosol, ya que tiene mucha afinidad por las moléculas de agua. 1
Emisión de partículas por la erupción volcánica del monte St. Helens el 18 de mayo de 1980.Indices de calidad del aire de materia particulada
En los últimos años, los organismos gubernamentales de muchos países están controlando los valores de PM10, es decir, la concentración total de partículas con tamaño menor a 10 µm, que corresponden a todo el rango de partículas finas más pequeñas, del rango de las gruesas, y que se conocen como partículas inhalables. Un valor típico de PM10 en un núcleo urbano es de 30 µm/m3. En la actualidad, los legisladores utilizan el índice PM 2,5, incluye todas y solo las partículas finas, que también se conocen como partículas respirables. El termino ultrafino se aplica a las partículas con diámetros muy pequeños, usualmente menores a 0,05 µm. Las partículas cuyos diámetros son del orden de la luz de onda de la luz visible, esto es, 0,4 a 0,8 µm, pueden interferir con la transmisión de la luz en el aire, reduciendo la claridad visual, la visibilidad a largas distancias y la cantidad de luz que llega al suelo.5
Tabla 1: Distribución de particulas del aire en micrómetros.Distribucion de particulas
El tamaño, distribución de tamaños, forma, densidad, adhesividad, corrosividad, reactividad y toxicidad son características comunes de las partículas, pero la más importante es la distribución de tamaño. Por lo general, se utilizan el diámetro aerodinámico de las partículas como una medida del tamaño de estas. Esta dimensión se mide usualmente en micrómetros (10-9). Esta unidad de medida también recibe el nombre de micra y es muy adecuada para la descripción de la contaminación por partículas porque muchas de las partículas que permanecen suspendidas en el aire y presentan un peligro, tienen un diámetro medio entre 0,1 y 10 µm. Las partículas mayores tienden a asentarse rápidamente fuera del aire, por lo cual no causan graves afecciones a la salud humana. En la tabla 1 hay una presentación de las características de distribución de tamaño. Las partículas cubren cinco órdenes de magnitud desde micrómetros hasta metros.4
Clasificación de las particulas suspendidas en el aire
Aunque pocas de las partículas suspendidas en el aire son de forma exactamente esférica, es conveniente y convencional considerar como si todas ellas lo fueran. De hecho, el diámetro de las partículas es su propiedad más importante, y a partir de esto se denominan como PM-10 a las partículas con diámetros inferiores a 10 µm y PM-2,5 a las partículas con diámetros inferiores de 2,5 µm. Cualitativamente, las partículas individuales se clasifican como gruesas o finas, dependiendo de que sus diámetros sean mayores o menores a 2,5 µm, respectivamente. En la siguiente tabla se representan algunos ejemplos de partículas.4
Descripción del grupo Composición OMS USEPA Gruesas Polvo, tierra, depósito >2,5 um >10 um Finas Aerosoles, partículas de combustión, vapores de compuestos orgánicos condensados y metales <2,5 um <10 um Principales tipos de partículas atmosféricas
Materia mineral
La formación de partículas y minerales se origina por medio de la acción de los vientos sobre la superficie terrestre, en forma de emisiones fugitivas. La mayor emisión a escala global de este tipo de partículas se produce en regiones áridas o semiáridas. Aunque la mayor emisión de material particulado mineral se produce en arias desérticas como el norte de África, oriente medio y Asia central, es importante resaltar que esta es también significativa a escala local en regiones semiáridas. La distribución granulométrica de este tipo de partículas tras su emisión en el área fuente es relativamente constante y se concentra principalmente en tres modas de diámetro (1,5-6,7-14,2 µm). Estas partículas se caracterizan por su granulometría gruesa (si nos referimos a concentraciones másicas de material particulado). La abundancia relativa de partículas dentro de cada una de las modas depende de la velocidad del viento, de modo que a bajas velocidades se produce la resuspención de las partículas de mayor diámetro, mientras que al incrementar la velocidad se emiten las partículas de menor diámetro. Al margen de la velocidad del viento, la emisión de las partículas de origen mineral depende de la superficie del suelo, de la humedad y de la cobertura vegetal entre otros factores. La composición química y mineralógica de estas partículas varían de una región a otra dependiendo de las características y composición de los suelos, pero generalmente está constituida por calcita (CaCO3), cuarzo (SiO2), dolomita {CaMg(CO3)2}, arcillas (sobre todo caolinita e illita), y cantidades inferiores de sulfato cálcico (CaSO4.2H2O) y óxidos de hierro (Fe2O3) entre otros. El origen de estas partículas es primario, ya que son emitidas directamente a la atmosfera. A pesar de que la mayor parte de las emisiones de material mineral es de origen natural, es necesario considerar la existencia de un número limitado de fuente de material particulado mineral de origen antropogénico. 2
Aerosol marino
El aerosol marino es el segundo tipo de partículas con mayor importancia en cuanto al volumen de emisiones a escala global. La composición química del aerosol marino deriva de su fuente de origen: El agua de los mares y océanos. Al igual que el material particulado mineral, las partículas de aerosol marino poseen en su mayoría origen natural y son emitidas directamente a la atmosfera (Partículas primarias). Existen dos mecanismos principales de formación de este tipo de partículas:
- La ruptura de burbujas de aire que alcanza la superficie de los océanos, y
- La agitación de las superficies de los mares y océanos por acción del viento.
El número de partículas de origen marino en la capa limite oceánica es así directamente proporcional a la velocidad del viento, y la ruptura de una única burbuja de aire en el océano puede llegar a producir hasta 10 partículas de aerosol marino. 6
Efectos de las particulas
El interés por las partículas atmosféricas se debe a dos causas: afecta el balance de la radiación terrestre y poseen efectos nocivos sobre la salud. Las partículas penetran en los pulmones, bloqueándolos y evitando el paso del aire, ocasionando efectos en el sistema respiratorio y cardiovascular, la alteración de los sistemas de defensa del organismo contra materiales extraños, daños al tejido pulmonar, carcinogénesis y mortalidad prematura. Las personas con afecciones pulmonares o cardiovasculares crónicas obstructivas, influenza o asma, los ancianos y los niños son los más sensibles. Además las partículas constituyen un problema medio ambiental, como lo es el hollín, ya que, puede absorber sobre su superficie irregular cantidades significativas de sustancias toxicas. Las partículas de hollín son abundantes en los gases de escape y en los incendios. La quema de carbón origina hollín, además de SO2; en presencia de niebla, el aerosol de sulfato resultante se combina con el hollín para originar un smog de consecuencias nocivas para la salud, especialmente para aquellos individuos con problemas respiratorios. Hay diferentes razones generales que explican porque las partículas grandes son menos preocupantes para la salud humana que las más pequeñas:
- Debido a que las partículas gruesas sedimentan rápidamente, la exposición a ellas por vía de inhalación se reduce.
- Cuando se inhalan, las partículas gruesas son filtradas de forma efectiva por la nariz (Gracias a los pelos) y por la garganta y, generalmente, no llegan a los pulmones. En cambio, las partículas finas, al ser inhaladas, vía a los pulmones (Debido a lo cual se denominan “respirables”) y pueden adsorberse sobre las superficies de las células y, en consecuencia, afectar nuestra salud.
- El área superficial por unidad de masa de las partículas grandes, es menor que las correspondientes a las partículas más pequeñas, con lo que, gramo a gramo, su capacidad de transportar gases adsorbidos a cualquier parte del sistema respiratorio y, allí, catalizar reacciones químicas y bioquímicas es, correspondientemente, más pequeña.
- Los dispositivos, como los precipitadores electrostáticos y filtros precipitadores de polvo (saco de tela fina a través del cual se fuerza a pasar el aire), utilizando para eliminar las partículas del aire, solo son eficientes para las partículas gruesas.3
Características de la corriente gaseosa
Las características de la fuente gaseosa que contienen las partículas son también muy importantes. Para evitar problemas en los dispositivos de control se deben conocer la temperatura, el contenido en humedad y en gas. Comúnmente se utiliza un saco para controlar las partículas emitidas. Sin embargo en los mese mas fríos, la temperatura del saco será menor al punto de roció de la corriente gaseosa. En estas condiciones, dentro del saco se formará acido clorhídrico líquido que ataca la estructura del saco, lo que da como resultado que tenga una vida corta. Se debe hacer una acción correctiva para conservar el saco arriba del punto de roció o eliminar el acido clorhídrico de la corriente de gas. 1
Vista general del equipo de control de partículas
Se emplean diferentes clases de equipos para el control de las emisiones en partículas; a continuación se mencionan los más conocidos de forma resumida:
- En un asentador por gravedad, el flujo de gas es más lento hacia abajo, de modo que las partículas son forzadas por la gravedad a asentarse de acuerdo con la ley de Stokes.
- En un ciclón el gas gira alrededor y ocasiona que las partículas más grandes se aceleren por un movimiento centrífugo hacia la pared exterior, en donde son recolectadas, y el gas limpio fluye hacia arriba. La ley de Stokes también controla este efecto.
- Una bolsa, o un filtro de tela, son semejantes a una aspiradora grande. La corriente de aire se mueve a través del filtro de tela, que atrapa las partículas en un lado. Ocasionalmente se debe agitar el filtro para revertir el flujo de aire a fin de limpiar el filtro.
- Un precipitador electroestático utiliza la electricidad para atraer las partículas para su recolección. La corriente de gas pasa a través de un campo eléctrico que carga a las partículas. Las partículas cargadas son entonces atraídas a una placa de carga opuesta sobre la cual son recolectadas. Estas placas también deben ser limpiadas o remplazadas periódicamente.
- Un cepillo húmedo emplea una corriente de neblina que fluye en sentido contrario a la corriente de gas. Las partículas chocan y son interceptadas sobre las gotas de agua, las cuales entonces se recolectan por gravedad para ser reusadas o desechadas.
En general, los dispositivos mecánicos de control que se emplean son de menor costo, pero tan eficientes como los dispositivos de transferencia de masa. Cada sistema de aire se debe tratar de forma individual y diseñar específicamente un dispositivo de control para él. 3
Referencias
- DE NEVERS NOEL; Ingeniería de control de la contaminación del aire; Mc Graw Hill; México D.F 1998; pág. 183.
- SPIRO, THOMAS G.; STIGLIANI, WILLIAM M.; Química Medioambiental 2a edición; Pearson Prentice Hall; Madrid 1996; pág. 225.
- ALLEY ROBERTS Y Associates, Inc.; Manual de control de la calidad del aire Tomo 1; Mc Graw Hill; México D.F 2000; cap. 19.
- BAIRD COLIN; Quimica ambiental; Reverté S.A.; Barcelona 2004; pág. 116-133.
- HENRY, J. GLYNN; W. HEINKE, GARY; Ingeniería Ambiental 2a edición; Prentice Hall; México 1996; pág. 500.
- AYOLA IBAÑEZ, Carlos; PRIETO RUBIO, Manuel; Los sistemas terrestres y sus implicaciones medioambientales; Ministerio de educación y ciencia; Madrid, España 2004. pág 135-136.
Wikimedia foundation. 2010.
