09 Junio 2004

1. UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA II Diplomado Salud Ambiental: Ecosistemas sanos, gente sana. CONTAMINACIÓN DEL AIRE Dr. Arturo Figueroa Montaño Departamento de Física. Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías. Arturo.figueroa@cucei.udg.mx s Noviembre 7, 2008 09 Junio 2004

2. LA ATMÓSFERA: es una capa delgada de gases mezclados que cubren la superficie de la tierra. Su masa total es de aproximadamente 5.14x1015 toneladas métricas, y tiene aproximadamente 10,000 km de espesor. Mas del 99% de su masa total se encuentra dentro de aproximadamente los primeros 50 km de altitud

3. COMPOSICIÓN Tabla 1. Gases permanentes cerca de la superficie de la tierra (~80 Km) Ha venido cambiando de manera gradual a lo largo del tiempo debido a proceso naturales y a procesos antropogénicos.

4. COMPOSICIÓN Tabla 2. Sustancias variables cerca de la superficie de la tierra Es una mezcla compleja de gases y de partículas sólidas y líquidas en suspensión atraídas por la gravedad. En ella se producen todos los fenómenos climáticos y meteorológicos que afectan al planeta, regula la entrada y salida de energía a la tierra y es el principal medio de transferencia de calor.

5. AEROSOLES:También se les conoce como materia particulada incluye cualquier partícula sólida o líquida (a excepción del agua) suspendida en el aire tales como metales, polvos, humos y gotitas pequeñas de ácido sulfúrico. Su efecto inmediato más notorio es visibilidad reducida. Día limpio Día moderadamente contaminado

7. GASES EFECTO INVERNADERO: Se refiere a aquellos gases en la atmósfera (la mayoría de los cuales ocurren de manera natural) que absorven la radiación de onda larga emitida por la superficie de la tierra y que es re-emitida de regreso hacia la superficie, conociéndosele como el efecto invernadero. www.eecs.umich.edu/mathscience/funexperiments/agesubject/lessons/images/diagrampage.html

8. GASES IMPLICADOS: La frecuencia con que se menciona el CO2 en relación con el efecto invernadero, hace que muchos ignoren que el principal gas de invernadero en la atmósfera terrestre es el agua (en estado de vapor). Los gases de invernaderos, ordenados por un efecto decreciente, son: Vapor de agua (H2O) Dióxido de carbono (CO2) Metano (CH4) Óxidos de nitrógeno (NOx) Ozono (O3), y Cloroflourocarbonos (CFC´s).

9. IMPORTANCIA DE LA ATMÓSFERA • Capa protectora • Fuente de dióxido de carbono y oxígeno • Fuente de nitrógeno • Transporta agua • Filtra, absorbe y re-absorve la radiación electromagnética del sol

10. ESTRATOS DE LA ATMOSFERA: La atmosfera se estratifica de acuerdo con la relación temperatura-densidad, como resultado de las interacciones entre los procesos físicos y fotoquímicos en el aire

11. TROPOSFERA • Capa mas baja (10-16 km). • La composición de los gases permanentes generalmente homogenea. • Temperatura decrece con altitud (-56 °C) • Existe una mezcla constante de las masas de aire

12. ESTRATOSFERA: • Se extiende hasta unos 50 km a partir de la tropopausa. • La temperatura aumenta con la altura debido a los proceso de absorción de radiación UV por la rica capa de ozono (20-50 km) • La temperatura llega a un valor máximo (-2 °C) comparable a la temperatura terestre.

13. MESOSFERA: • A partir de la estratopausa, la temperatura desciende (-90°C, 80 km) debido a la usencia de especies absorbentes de radiación • La velocidad del viento alcanza valores de hasta 150 m/s • Regiones mas altas predominan iones y moléculas

14. TERMOSFERA: • Se extiende hasta los límites exteriores lejanos (500 km). • La temperatura se incrementa (1,200 °C) • Ocurre la disociación e ionización de las moléculas constituyentes del aire • Predomina la difusión frente la mezcla • El O2 se encuentra en forma atómica (200 km) y es el principal constituyente

15. El término se puede referir a la presencia de sustancia en el aire, a concentraciones, duraciones y frecuencias tales que pueden afectar de manera adversa a la salud y el bienestar tanto de la especie humana o del ambiente. CONTAMINACIÓN DEL AIRE

16. Tabla 3. Algunos episodios de contaminación del aire asociados con muertes. (Elson, 1992) Con la industrialización los impactos locales de la contaminación del aire sobre la salud humana y del ambiente empiezan a documentarse de manera sistemática.

19. CONTAMINANTES CRITERIO:

20. CONTAMINANTES CRITERIO:

21. VALORES NORMADOS PARA CONTAMINANTES DEL AIRE EN MÉXICO. a DOF, 23 de Diciembre de 1994 b DOF, 30 de octubre de 2002 c DOF, 26 de septiembre de 2005, entra en vigor 26 de noviembre de 2005. d La concentración del promedio 8 h como contaminante atmosférico en un sitio de monitoreo, debe ser ≤0.08 ppm, tomado como el quinto máximo en un periodo de un año, calculado como se indica en la NOM. e Un sitio cumple con la norma 24 h, cuando el valor del percentil 98, calculado como se indica en la NOM es menor o igual al valor indicado f Un sitio cumple con la norma anual, cundo el promedio anual de los valores diarios, calculado como se indica en la NOM es menor o igual al valor indicado.

22. PRIMEROS ESTUDIOS CONTAMINACIÓN DEL AIRE EN LA ZMG Los primeros intentos por analizar los contaminantes en la atmósfera de la ZMG datan de los años 70`s (SMA,SSA), mediante una red manual de monitores de partículas. Figura 2. Distribución de la red manual para el monitoreo de partículas en la ZMG. Adaptado de Michel, 1983.

23. La Red Automática de Monitoreo Atmosférico esta conformada por un total de 8 estaciones distribuidas en toda la ZMG a una distancia promedio de ≈ 3 Km entre ellas. Figura 5. Red automática de Monitoreo Atmosférico de la ZMG. Fuente SEMADES, http://semades.jalisco.gob.mx/site/infoambframeset.htm. Noviembre, 2002.

24. EL CLIMA DE LA ZMG El clima prevaleciente en la ZMG es semicálido subhúmedo con lluvias en verano y temperaturas con un valor medio anual de 19 ºC y 900 mm/año de precipitación. Durante la estación fría el clima es anticiclónico con cielos claros y abundante insolación. Los vientos superficiales son predominantemente del W seguidos de los vientos del E; con velocidades de entre 1.4 a 5.6 m/s, aunque en forma temporal alcanzan de 5.8 a 9.7 m/s. En promedio las calmas presentan periodos de hasta 11 horas. Tabla 1. Parámetros climatológicos de la ciudad de Guadalajara. Davydova y Skiba, (1999).

25. MAGNITUD DEL VIENTO De esta serie de gráficos se pone de manifiesto el potencial para la acumulación de contaminantes que tiene la ZMG debido a la predominancia de vientos débiles pues el valor promedio máximo apenas supera los 3.7 m/s. Figura 1. Promedio horario mensual de la velocidad del viento (en m/s) en cada una de las estaciones de la RAMA de la ZMG: a) Atemajac, b) Oblatos, c) Loma Dorada, d) Tlaquepaque, e) Miravalle, f) Las Aguilas, g) Vallarta, h) Centro.

26. INVERSIÓN TÉRMICA Normalmente, el aire de las capas bajas es más caliente que el de las superiores, lo cual le lleva a ascender hasta enfriarse. Ello permite una continua circulación atmosférica en sentido vertical que renueva el aire de las diferentes capas. La inversión térmica es un fenómeno meteorológico que se da en las capas bajas de la atmósfera terrestre. Consiste en el aumento de la temperatura con respecto a la altitud en una capa de la atmósfera

27. INVERSIONES TÉRMICAS En la ZMG Las inversiones térmicas ocurren casi durante todo el año. El 90% son de superficie (2-300 m) y 10% son elevadas (301-1500 m). La mayor incidencia de las inversiones es la época de pocas lluvias. En promedio las calmas presentan periodos de hasta 11 horas Figura 4. Frecuencia de la ocurrencia de inversiones térmicas en la ZMG durante el periodo 1993-1994. Gobierno del Estado de Jalisco, 1997.

28. LA ISLA DE CALOR Comúnmente se da el fenómeno de elevación de la temperatura en zonas urbanas densamente construidas causado por una combinación de factores tales como la edificación, la falta de espacios verdes, los gases contaminantes o la generación de calor. Se ha observado que el fenómeno de la isla de calor aumenta con el tamaño de la ciudad y que es directamente proporcional al tamaño de la mancha urbana.

29. FRECUENCIA DE VIOLACIÓN A LOS VALORES NORMADOS. Conocer la dinámica de los contaminantes a lo largo del día nos permite diferenciar claramente las horas en que la atmósfera esta más limpia o sucia, siendo esto de gran relevancia en términos de protección a la salud de la población susceptible. A excepción del ozono, la marcha diaria de los contaminantes en la ZMG presentan dos picos durante el día. Estos resultados sugieren que el lapso de tiempo en que realizar actividades al aire libre representa el menor riesgo es de las 10:00-17:00 hrs. Para el ozono se observa un solo pico pero con un base muy amplia por lo que las concentraciones máximas perduran por mas tiempo. Así para este contaminante no parece existir un lapso del tiempo durante el día en que sus niveles no representen un riesgo a la población susceptible. Figura 19. Comportamiento de las concentraciones promedio horarias en la ZMG: a) PM10, b) O3, c) CO, d) NO2, y e) SO2.

30. PORCENTAJE DE VIOLACIÓN A LA NORMA, PM10 La NOM-025-SSA, establece que la concentración de partículas como contaminante atmosférico no debe rebasar 150 µg/m3, en 24 hrs una vez al año; y 50 µg/m3 en una maa. Figura 20. Porcentaje de días en que se rebasó el valor normado (promedio diario ≤ 150 µg/m3, una vez al año) de PM10 por año de estudio en la ZMG; Comparación de la violación al valor normado de la media aritmética anual (≤ 50 µg/m3) de PM10 en la ZMG por año de estudio.

31. PORCENTAJE DE VIOLACIÓN A LA NORMA, O3 La NOM-020-SSA-1993, establece que el valor límite permisible de ozono como contaminante atmosférico debe ser ≤ 0.110 ppm como promedio horario para no ser rebasado una ves al año; y de 0.080 ppm para el promedio de 8 hrs tomado como el quinto máximo en el periodo de un año. Figura 21. Porcentaje de horas en que se rebasó el valor normado (promedio horario ≤ 0.110 ppm, una vez al año) de O3 por año de estudio en la ZMG; y Comparación de la violación al valor normado en la ZMG, del promedio de ocho horas (≤ 0.080 ppm) de O3, tomado como el valor del quinto máximo en un periodo de un año.

32. PORCENTAJE DE VIOLACIÓN A LA NORMA, CO Y NO2 La NOM-021-SSA-1993, establece que el valor límite permisible de CO como contaminante atmosférico no debe rebasar el valor de 11.00 ppm en un promedio móvil de 8 hrs una vez al año; y la NOM-023-SSA1-1993 establece que la concentración de NO2 como contaminante atmosférico no debe rebasar el valor de 0.21 ppm en una hora una vez al año. Figura 22. Porcentaje de horas en que se rebasaron los valores normados de CO (promedio móvil de 8 horas ≤ 11 ppm, una vez al año) y NO2 (promedio horario ≤ 0.21 ppm, una vez al año) por año de estudio en la ZMG.

33. PORCENTAJE DE VIOLACIÓN A LA NORMA POR ESTACION DE MONITOREO De el análisis de la frecuencia de violación a los valores normados para cada una de las estaciones de la RAMA, se observa que la calidad del aire en la ZMG es mayormente impactada por las partículas y el ozono. De forma muy localizada en las estaciones de Miravalle (S) y Loma Dorada (SE) es en donde con mayor frecuencia se rebasa el valor normado de partículas. Para el ozono con mayor frecuencia se rebasa el valor normado en las estaciones Miravalle (S), Centro y Vallarta (W) de la RAMA no parece estar tan localizada. Las estaciones Centro y Tlaquepaque es donde con mayor frecuencia se rebasa la norma de CO. Finalmente las estaciones de las Aguilas (SW) y Vallarta presentan la mayor frecuencia de violación a la norma de NO2 Figura 23. Frecuencia de violación a cada uno de los valores específicos normados para los contaminantes criterio en cada una de las estaciones de la RAMA de la ZMG.

34. METODOS DE MEDICIÓN DE LA CALIDAD DEL AIRE Existen muchas formas de medir la contaminación del aire los cuales abarcan métodos químicos simples ó métodos de algunas técnicas electrónicas más sofisticadas. De manera general podemos distinguir cuatro métodos principales para medir la contaminación del aire.

35. MUESTREO PASIVO: Se denomina muestro pasivo porque los equipos de muestreo no tienen sistema de bombeo alguno. En lugar de ello el flujo de aire se controla por un proceso físico, tal como la difusión. Los tubos tienen una longitud de 71 mm con un diámetro interno de 11 mm y en uno de sus extremos contienen una fina malla de acero recubierta con trietanolamida, la cual convierte el dióxido de nitrógeno a nitrito, quedando atrapado para su posterior análisis en el laboratorio

36. MUESTREO ACTIVO Equipo básico para el muestreo de partículas: 1.- Sostenedor del filtro, 2. Medidor del flujo, 3. Bomba, 4.- Batería En estos métodos se bombea un volumen conocido de aire a través de un colector (un filtro a una solución química) por un periodo de tiempo conocido, El colector se remueve del sistema de bombeo y es mas tarde analizado en el laboratorio. De manera general, el muestreo activo utiliza métodos físicos o químicos para colectar el aire contaminado.

37. MÉTODOS AUTOMÁTICOS: Estos métodos son los mejores en términos de la alta resolución de sus mediciones, permitiéndonos la realización de un monitoreo continuo para concentraciones horarias hasta menores. El espectro de contaminantes que se pueden determinar van desde los contaminantes criterio (PM10-PM2.5, CO, SO2, NO2, O3) hasta tóxicos en el aire como el plomo y los compuestos orgánico volátiles. Las muestras colectadas se analizan utilizando una variedad de métodos los cuales incluyen la espectroscopia y cromatografía de gases.

38. MÉTODOS ÓPTICOS DE PERCEPCIÓN REMOTA: Estos métodos se basan en técnicas espectroscópicas. Con ellos es posible hacer mediciones en tiempo real de la concentración de un buen número de contaminantes entre los que se incluyen NO2 y SO2.

39. APLICACIONES CLAVE: • Análisis de la tendencia de la calidad del aire ambiente • Validación de modelos de dispersión • Evaluación de las acciones implementadas para reducir las emisiones • Evaluación de los riesgos a la salud • Evaluaciones de impacto ambiental • Identificación de fuentes de contaminación del aire y suelo • Impacto de las emisiones provenientes de procesos y zonas industrials. • Mantenimiento de los objetivos de calidad del aire

40. VENTAJAS • Sin contacto directo • Sin contaminación • Alto nivel de seguridad • Tiempo Real • Cuantificación (relativa/absoluta

41. MÉTODOS Y EQUIPOS DE CONTROL CONTAMINACIÓN DEL AIRE La forma mas efectiva de atacar el problema de la contaminación del aire es prevenir la formación de los contaminantes o minimizar su emisión en las fuentes mismas. En el caso de los contaminantes industriales este se puede lograr por medio de la investigación de varias técnicas en alguna de las fases tempranas del diseño del proceso y desarrollo, lo que nos ayuda a seleccionar los métodos que no contribuyan a la contaminación del aire o que tienen un efecto mínimo.

42. MÉTODOS DE CORRECCIÓN EN LA FUENTE • El control de los contaminantes en la fuente se puede lograr de varias formas: • Cambios en las materias primas, • Cambios operacionales, • Modificación o remplazamiento de equipos de producción, y/o por medio de una • Operación mas efectiva de los equipos existentes.

43. LIMPIEZA DE EMISIONES GASEOSAS Cuando los métodos de corrección en la fuente no pueden ser aplicados entonces el control de los contaminantes se hace en los gases efluentes usando técnicas de limpieza de gases. Estas incluyen muchas de las técnicas ingenieriles que en el presente forman la parte principal de la tecnología del control de la contaminación del aire.

44. CONTROL DE GASES Y OLORES • ABSORCIÓN: Basados en el principio de la absorción, transfieren el contaminante de la fase gaseosa a liquida. Esto es un proceso de transferencia de masa en el cual el gas se disuelve en el líquido. El contaminante gaseoso se mueve de puntos de alta concentración a puntos de baja, y la remoción del gas contaminante se lleva a cabo en tres fases: • Difusion del gas hacia la superficie del líquido • Disolució: transferencia de la interfase gas-líquido • Difusion del gas disuelto de la interfase hacia el liquido. • Los equipos utilizados son cámaras y torres o columnas de rocio.

45. ADSORCIÓN Este es también un proceso de transferencia de masa, en el cual el gas se pega a un sólido por medio de fuerzas electrostáticas. Los adsorbentes mas comúnmente usados son: silica gel, alúmina activada, carbono activado, sedasos moleculares.

46. COMBUSTIÓN Es un método de control cuando el contaminante es oxidable a un gas inerte. De manera general el CO y los hidrocarburos caen en esta categoría. Las aplicaciones mas comerciales son combustión directa y combustión catalítica.

47. CONTROL DE PARTÍCULAS

48. CONTROL FUENTES MOVILES La modificación de las máquinas por si solas no es suficiente para el control de contaminantes. Para alcanzar los estándares de emisión, se coloca un reactor catalítico externo a los vehículos. La función de este es promover reacciones que conviertan NOx a NO2, CO a CO2, hidrocarburos a CO2 y H2O. Otro de los alcances implementado para disminuir la contaminación del aire incluye la modificación de combustibles, y la reduccion de la presión del vapor de la gasolina a fin de reducir la emision de hidrocarburos. La bondad de estos implementos es significativa, sin embargo al igual que otros aspectos de la conducción de un automóvil, estos equipos se desgastan y fallan. Debido a que la falla no limita la operación del automóvil, no son reparados por los propietarios, por lo que los programas de control de la calidad del aire deben de contemplar programas de inspección para asegurar que estos dispositivos funcionan.