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Preguntas contaminación
Contaminación Atmosférica (01604026)
LA ATMÓSFERA
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CUESTIONES Y EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIÓN
Intente resolver las cuestiones propuestas antes de comprobar las solu- ciones.
1.¿En qué capa de la atmósfera se encuentran las células de Hadley? ¿Qué función cumplen en la atmósfera?
2.¿En qué capa de la atmósfera es más abundante el ozono? ¿Por qué es tan abundante allí?
3.¿Cómo es reemitida a la atmósfera la mayor parte de la radiación so- lar incidente? ¿Qué fenómeno causa la re-emisión de estas radiaciones a la atmósfera?
4.¿Cuál es el origen natural de los compuestos de azufre? 5.¿Qué longitudes de onda del espectro son absorbidas por el ozono de la estratosfera? ¿Qué consecuencias tiene esta absorción para los seres vivos? 6.Enumere las principales influencias antropogénicas en el ciclo del car- bono.
7.¿Cómo se forma el ozono en la atmósfera?
8.¿A qué se llama nitrógeno reactivo? ¿Qué proceso antrópico contribu- ye más a la formación de nitrógeno reactivo?
9.La energía necesaria para romper el enlace NO-O en la fotodisocia- ción del dióxido de nitrógeno es aproximadamente 315 kJ∙mol-1^ ¿Qué longitud de onda y frecuencia corresponde a esta energía? ¿En qué zona del espectro electromagnético estaríamos? (Datos: h = 6,626⋅ 10 -34^ J ⋅ s; c = 2,9979 ⋅ 108 m⋅ s )-
- Considerando el aire atmosférico como un gas ideal, calcular su con- centración molar a 1 atm de presión y 25 ºC de temperatura. Expre- sarla también en moléculas por cm^3. (Dato: R = 8,314 Pa⋅m^3 ⋅ K-1^ ⋅ mol-1=0,08206 atm ⋅ L ⋅K-1^ ⋅ mol =- =1,987 cal ⋅ K-1^ ⋅ mol )-
CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA
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SOLUCIONES A LAS PRUEBAS DE AUTOEVALUACIÓN
- Las células de Hadley, generadas como consecuencia del efecto de los movimientos de rotación y traslación de la Tierra sobre las masas de aire en circulación, se encuentran en la troposfera. La circulación de las masas de aire redistribuye el calor que llega del Sol, más intenso en el ecuador que en los polos y ayuda también a la redistribución de las pre- cipitaciones en el ciclo hidrológico.
2.El 80% del ozono atmosférico se encuentra en la estratosfera, a 25 km aproximadamente. En esta capa de la atmósfera llega radiación solar capaz de fotodisociar el O 2 y formar O 3 según la reacción:
O 2 + O → O 3
- La mayor parte de la radiación solar incidente es re-emitida a la atmós- fera como radiación de onda larga. Esta radiación de onda larga es ab- sorbida por algunos gases y vuelta a emitir hacia la superficie en un proceso conocido como efecto invernadero.
4.La descomposición anaerobia de la materia orgánica, las erupciones volcánicas y los aerosoles marinos.
5.Las de las radiaciones ultravioletas, 240 a 310 nm. Este fenómeno supo- ne el filtrado de radiaciones de dicha longitud de onda, lo que permite la existencia de la vida sobre la superficie terrestre.
6.La utilización de combustibles fósiles, la deforestación y los procesos industriales incrementan la concentración de CO.
7.El ozono se forma en la atmósfera como resultado de una serie de reac- ciones químicas en las que interviene la radiación solar. En la estratosfera, el ciclo transcurre a través de cuatro reacciones, exis- tiendo un equilibrio entre el ozono generado y el destruido, permitiendo que la concentración de ozono en la estratosfera permanezca constante, si no hay alteración del equilibrio.
LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA
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CUESTIONES Y EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIÓN
Intente resolver las cuestiones y ejercicios propuestos antes de compro- bar las soluciones.
1.Defina qué es un contaminante secundario y cite alguno de ellos.
2.¿Bajo qué condiciones se han producido en zonas urbanas los episo- dios históricos de contaminación atmosférica?
3.¿Qué tamaño de partícula se considera más nociva para la salud hu- mana?
4.¿Cuál es la principal fuente emisora de dióxido de azufre?
- ¿Cuáles son las fuentes naturales de las emisiones de NOx? 6.¿Qué son los Compuestos orgánicos persistentes, COP? Cite algunos de ellos.
7.El metano es un contaminante poco reactivo, ¿a qué escala influye en la química atmosférica?
- Una central térmica emite una concentración diaria promedio de SO 2 de 350 μg⋅m-3^ a 20 ºC y 1 bar ¿cuál será la concentración de SO 2 en ppbv? Datos: R = 8,314 Pa⋅m^3 ⋅K-1⋅mol-1^ = 0,08206 atm⋅ L⋅K -1⋅mol -1^ = 1,987 cal⋅K-1⋅mol- Peso molecular SO 2 = 64,07 g⋅mol-
- La concentración de monóxido de carbono en el humo de un cigarrillo puede alcanzar los 400 ppm en volumen. Determine el porcentaje de monóxido de carbono en volumen. 10.El monitor de una red de control de la contaminación atmosférica da una concentración promedio diaria de 0,0468 ppm de SO 2 a 20 ºC y 1 atm de presión que corresponde al valor límite diario para la protec- ción de la salud humana fijado por el RD 1073/2002 ¿cuál es el valor de esta concentración expresada en μg/m^3? Datos: R=8,314 Pa⋅m^3 ⋅K-1⋅ mol-1=0,08206 atm L K⋅ ⋅ -1⋅ mol-1=1,987 cal K⋅ -1⋅mol- Peso molecular SO 2 = 64,07 g⋅mol-
CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA
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SOLUCIONES A LAS PRUEBAS DE AUTOEVALUACIÓN
- Los contaminantes secundarios son los que se producen por transfor- mación de los contaminantes emitidos directamente desde la fuente emisora. El ozono es un contaminante secundario. Algunas partículas pueden tener origen secundario al formarse mediante reacciones quími- cas en la atmósfera.
2.Los episodios históricos de contaminación atmosférica en zonas urba- nas se han producido bajo condiciones de estabilidad atmosférica que impiden la dispersión de la contaminación.
- Las partículas que tienen un tamaño menor de 2,5μm de diámetro son las que originan efectos más graves sobre la salud humana al poder lle- gar a depositarse en los alveolos pulmonares.
4.Las principales emisiones de dióxido de azufre se realizan por las cen- trales térmicas de carbón y fuel-oil.
- Las principales fuentes naturales de los NOx son las emisiones volcáni- cas, las emisiones desde el suelo y el mar por la actividad de los micro- organismos y las descargas eléctricas en las tormentas.
6.Los compuestos orgánicos persistentes son sustancias orgánicas de ori- gen antropogénico que reúnen las siguientes características: toxicidad, persistencia y capacidad de bioacumulación.
7.Dentro de los COP encontramos diversas familias de compuestos, entre ellas las dioxinas y furanos y los hidrocarburos aromáticos policíclicos.
8.El metano influye en la química atmosférica a escala global, es uno de los gases de efecto invernadero y precursor del ozono troposférico.
9.Utilizando la ecuación de los gases perfectos y realizando las correspon- dientes transformaciones de unidades:
1
g^1 g mol
atm L K mol ,
6 3
K
bar bar atm
mm L
DISPERSIÓN DE LOS CONTAMINANTES EN LA ATMÓSFERA
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CUESTIONES Y EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIÓN
Intente resolver las cuestiones propuestas antes de comprobar las solu- ciones.
1.La temperatura ambiente, la tasa de cambio adiabática, la humedad, la capa de mezcla son características del…
2.¿Qué diferencia hay entre la tasa adiabática seca y la tasa normal de cambio? ¿Qué valor tienen? 3.¿En qué condiciones de estabilidad atmosférica se producirá un pena- cho serpenteante? 4.¿Qué son los vientos anabáticos y catabáticos? 5.Enumere las clases de estabilidad atmosférica según Pasquill. 6.Calcular la velocidad del viento a una altura de 350 m en un terreno rugoso con condiciones de ligera inestabilidad sabiendo que la veloci- dad del viento medida en un anemómetro situado a 10 m del nivel del suelo es de 2 m⋅s-1. 7.Una central térmica de 1000 MW cuenta con una chimenea de 350 m (altura efectiva) que emite 5×10^8 μg⋅s-1^ de SO. Teniendo en cuenta que 2 la velocidad del viento medida a una altura de 10 m es de 2 m⋅s-1. Pre- decir el nivel de concentración de SO 2 a 8 km de la chimenea y en la lí- nea central del penacho, un día nublado de verano.
- Una instalación industrial emite una tasa de SO 2 de 180 g ⋅s-1desde una chimenea de altura efectiva de 100 m. La velocidad del viento a la sa- lida de la chimenea es de 6 m⋅s-1. Determinar la concentración de SO 2 en un punto situado a 2 km de la fuente y a 200 m de la línea central del penacho cuando la estabilidad atmosférica es de clase C. 9.Considerando que todos los vehículos que transitan por una autopista emiten 2,1 g⋅km-1^ de CO. Estimar el nivel de CO a 100 m de dicha au- topista por la que pasan 10 vehículos por segundo, en un día soleado en el que el viento sopla perpendicularmente con una velocidad de 2, m s⋅ -1. El coeficiente σztiene un valor de 4,6 m.
- Una central térmica tiene una chimenea de 300 m de altura con un ra- dio de 2 metros. A la salida de la chimenea los gases emitidos salen a
CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA
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una temperatura de 150 ºC y una velocidad de 15 m⋅s-1. La tempera- tura ambiente es de 25 ºC y el viento a la altura de la chimenea se ha estimado en 5 m⋅s-1. Calcular la altura efectiva de la chimenea si a) la atmósfera es estable y aumenta con la temperatura 2 ºC⋅km-1, b) las condiciones atmosféricas corresponde a la clase C de Pasquill.
CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA
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- La ecuación del modelo gaussiano a aplicar será la obtenida para una fuente puntual continua a la altura He, para las coordenadas (x,0,0), al nivel del suelo ( =0) y en el eje central del penacho ( =0)z y
C x Q π
H
y z
e z
( ,0,0) exp 2
2
Primero e igual que en el ejercicio anterior se calcula la velocidad del viento a 350 m en estas condiciones (día nublado de verano). En esta ocasión utilizaremos también la Tabla 3.5 para determinar la estabili- dad atmosférica: Para una velocidad de 2 m⋅s-1^ un día nublado de verano le corresponde- rá (Tabla 3.5) la clase de Pasquill C, que indica atmósfera ligeramente inestable. Con ayuda de la Tabla 3.9 se conoce el exponte ppara esta clase de es- tabilidad, suponiendo el terreno rugoso, y que tiene el valor 0,20 por lo que,
10 m
-1 (^) 4,1 m s-
0 20,
Los coeficientes de dispersión para 8 km y una clase de estabilidad de Pasquill C determinados en la Tabla 3.9 son:
σy= 667 m
σz= 406 m Sustituyendo en la ecuación:
4,1 m s 667 m 406
8 - S -1 m
m) m) 98
exp
2 2
,,9 g m 3
- La ecuación del modelo gaussiano a aplicar será la obtenida para una fuente puntual continua a la altura He, para las coordenadas (x,y,0), al nivel del suelo ( =0).z
DISPERSIÓN DE LOS CONTAMINANTES EN LA ATMÓSFERA
143
C x y
Q
u
y y z (^) y
( , , 0 ) exp exp 2
2 2 z
2
2 V^2
Los coeficientes de dispersión para 2 km y una clase de estabilidad de Pasquill C determinados en la Tabla 3.9 son:
σy= 193 m σz= 115 m
Sustituyendo en la ecuación:
C(2000,200,0) 180 10 g s π 6 m s 193 m
6 1 = (^1) × ⋅ × ⋅ ×
− − (^) ×× − ×
115 m (^)
exp (200 m) 2 (193 m)
2 2 eexp^
(100 m) 2 (115 m) 172,
2 − (^) × 2
=
= 33 g m⋅ −^3 de SO 2
- La ecuación del modelo gaussiano a aplicar será la obtenida para una fuente lineal:
C x
q ( ,0)
exp
H
1/ z
e z
lo que la ecuación se simplifica quedando:
C x( ,0)
2q (2 ) 1/2u z
La emisión por unidad de distancia vendrá dada por:
vehíc
1 km 1000 m
1 ,,021 g s 1 m^1
C( , )^
100 0 2 0 021^10
3 1 2 (^) ,2 m
1 1
S ss 6 m 1 ,7 mg m^3 de CO ,
DISPERSIÓN DE LOS CONTAMINANTES EN LA ATMÓSFERA
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La altura efectiva de la chimenea será,
He = 300 m + 172 m = 472m
b) La clase C de Pasquill corresponde a condiciones de ligera inesta- bilidad por lo que la fórmula aplicable para el cálculo de ∆ Hvendrá dada por,
∆H
F x u
f h
1 6 , 1 3/^ 2 3/
Como el valor F calculado es mayor de 55 m 4 ⋅s-3, le corresponde el va- lor de xf = 120 F0,4. Sustituyendo,
∆H =
1,6 × (174 m 4 ⋅ s −^3 )^ 1/3^ × ( 120 × (174 m 4 ⋅s −^3 )^ 0,4 ))
2/
5 m s 1 172 m
La altura efectiva de la chimenea será en este caso,
He = 300 m + 172 m = 472m
CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA
176
CUESTIONES Y EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIÓN
Intente resolver las cuestiones propuestas antes de comprobar las solu- ciones.
1.Defina brevemente la toma de muestra aleatoria.
2.¿Qué tipo de error se puede introducir con la planificación de la toma de muestra (definición, subdivisión del área de estudio, etc.)?
3.¿Cuál es la diferencia entre muestreo por cuadrícula y muestreo por zonificación de área? 4.¿Qué tipo de captador son los dosímetros personales?
5.¿Para qué se utiliza el clasificador de aerosoles de amplio rango (WRAC)?
6.¿En qué condiciones se debe extraer el flujo de gases de una chimenea para determinar su concentración en partículas?
7.¿En qué consiste el acondicionamiento de la muestra en base seca en un sistema extractivo?
8.¿Qué fase líquida pondría en el barboteador para captar gases polares (ácido sulfhídrico, cloruros, amoníaco, etc)?
9.¿Cuál es la característica que diferencia a los captadores activos de los pasivos? 10.Se utiliza un tubo Dräger para medir los gases nitrosos en un conduc- to de una instalación industrial. La lectura directa nos indica 1 ppm de NO 2 siendo la presión atmosférica en la zona 0,9 atm. Expresar el resultado en mg⋅m-3^ (20 ºC y 101,3 kPa), sabiendo que el resultado sólo es afectado por la presión. Datos: pm NO 2 = 46,01 g⋅mol- R = 8,314 Pa ⋅m 3 ⋅K-1⋅mol -1^ = 0,08206 atm ⋅L⋅K -1⋅mol -1^ = 1,987 cal⋅K-1⋅mol-
CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA
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- La principal característica que los diferencia, es que los captadores ac- tivos utilizan una bomba de aspiración para hacer pasar el aire a tra- vés del medio captador.
10.Según la Ley de Boyle-Mariotte, el volumen ocupado por una misma masa gaseosa, a temperatura constante, es inversamente proporcional a la presión que soporta, es decir:
P 1 ∙ V 1 = P 2 ∙ V 2
1 ppm=1 cm NO^3 2 /m^3 aire, por lo que,
V
P V
1 P
2 2 1
3 1 atm 1 cm 3
La concentración será 1,1 ppm. Utilizando la ecuación de los gases perfectos y realizando las corres- pondientes transformaciones de unidades:
P V nRT
g
g
P V pm RT
0,9 atm 1,1 10 3 L^ 46,01 g mol^1 0 0,08206 atm L K mol 293 K 1 1 1,9^10 3 g NO^22 /m^3
[NO 2 ] = 1,9 μg/m^3
CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA
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CUESTIONES Y EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIÓN
Intente resolver las cuestiones y ejercicios propuestos antes de compro- bar las soluciones.
1.¿Cuál es el método de referencia utilizado para determinar inmisiones de dióxido de azufre, según la normativa vigente? Descríbalo breve- mente.
- ¿Qué operación previa debe realizarse para poder medir NO 2 por el método de quimioluminiscencia de referencia? 3.En los métodos de análisis discontinuos la espectrofotometría es una técnica muy versátil. Enumere algunos contaminantes gaseosos que se pueden determinar con esta técnica. 4.Indique el método de análisis empleado en las Redes de Vigilancia y Control de la Contaminación Ambiental para la monitorización conti- nua de los niveles de inmisión del monóxido de carbono. 5.¿Cuál es el método de referencia para la determinación de plomo, ar- sénico, cadmio y níquel en inmisión, según la legislación vigente?
6.¿Qué contaminante se determina con el método de Griess-Saltzman? Describa brevemente el método.
7.Enumere algunos de los métodos electroquímicos que se utilizan en inmisión y emisión.
8.¿Qué tamaños de partícula se deben evaluar según la normativa?
- Se ha determinado una concentración de NO 2 de 200 ppm. Expresar esta concentración como si fuera una inmisión (20 ºC y 1 atm) y como si fuera una emisión (0 ºC y 1 atm) en mg⋅m-3.
10.La emisión de una fuente móvil contiene un 2,2% en volumen de mo- nóxido de carbono. ¿Cuál será la concentración de CO en mg⋅m-3? El volumen debe ser referido a una temperatura de 293 K y una presión de 101,3 kPa.
CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA
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- Para inmisión, el volumen debe ser referido a 293 K y 1 atm, luego, 200 ppm=200 cm^3 NO 2 /m^3 aire, por lo que utilizando la ecuación de los gases perfectos y realizando las correspondientes transformacio- nes de unidades:
P V nRT
g
g P V^ pm RT
1 atm 2 10 L 46,01 g mol 0,
8 8206 atm L K mol 293 K 1 1 0 3827, g NO /m 2 3
[NO 2 ] = 382,7 mg/m^3 De forma similar, para emisión,
g
P V pm RT
1 atm 2 10 L 46,01 g mol 0,
8 8206 atm L K mol 273 K 1 1 0 4107, g NO /m 2 3
[NO 2 ] = 410,7 mg/m = 410,7 Nmg/m^3
- Para 293 K y 101,3 kPa:
Volumen CO /m aire
2,2 m CO 100 m aire
3 3 10 LC
3
3 OO
1 m CO 3 22 L CO /m aire^3
Despejando de la ecuación general de los gases, la masa de CO por m^3 de aire será:
P V n R T
m pm
R T
m
P pm V R T
Sabiendo que 101,3 kPa equivalen a 1,0 atmósferas y que R= 0, atm⋅ L⋅K -1⋅mol-1, se sustituye en la ecuación anterior obteniendo:
Concentración CO /m^3 aire 1,0 atm^ 28,01 g 0,082 atm L K m
1 3 3 1 (^1) ool 293 K 2,56 10 mg CO /m aire
1 4 3
EFECTOS LOCALES Y REGIONALES DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA
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CUESTIONES Y EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIÓN
Intente resolver las cuestiones y ejercicios propuestos antes de compro- bar las soluciones.
1.Además de la concentración, ¿qué otro parámetro es fundamental para caracterizar la exposición de un ser vivo a la contaminación?
2.¿Cuáles son los grupos de población más vulnerables a la contamina- ción atmosférica?
3.¿Qué sustancias contaminantes tienen un efecto sinérgico conocido en la salud de las personas? 4.¿Qué compuestos atmosféricos intervienen en los procesos de eutrofi- zación de los ecosistemas? 5.¿A qué escala se verifican los efectos de la acidificación de los ecosiste- mas y qué contaminantes intervienen en los procesos de acidificación?
6.¿De qué depende la neutralización de los procesos de acidificación del suelo en un ecosistema?
7.¿Qué representa la carga crítica de un ecosistema?
8.¿Cuáles son los efectos directos sobre la salud humana del monóxido de carbono?
- Una central térmica emite dióxido de azufre (SO 2 ) transformándo- se diariamente en 52,44 moles de ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ), si consi- deramos que la lluvia ácida debida a esta central tiene un pH=4,5, ¿Qué concentración de ácido sulfúrico será capaz de originar este pH? ¿Cuántos litros de lluvia ácida se producirían diariamente? (Se debe considerar pH neutro para el agua de lluvia).
10.Para el monóxido de carbono, el valor límite para la protección de la sa- lud humana fijada por el R.D. 1073/2002 es de 10 mg⋅m-3. ¿Se habrá supe- rado el nivel si la concentración medida es de 12 ppm. El volumen debe ser referido a una temperatura de 293 K y a una presión de 101,3 kPa. Datos: R=8,314 Pa⋅m^3 ⋅K-1⋅ mol-1=0,08206 atm L K⋅ ⋅ -1⋅ mol-1=1,987 cal K⋅ -1⋅mol- Peso molecular CO = 28 g⋅mol-
