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U N I V E R S I D A D D E L O S A N D E S
DEPARTAMENTO DE INGENIERA CIVIL Y AMBIENTAL
PROYECTO DE GRADO
Bases para la investigacin de la contaminacin atmosfrica en el
Valle de
Sogamoso: El caso del material particulado generado en la
fabricacin
artesanal de ladrillo y cal
FERNANDO JARAMILLO ESPINOSA
Asesores:
Ing. Rodrigo JIMNEZ (EPFL)
Ing. Juan Manuel CORDOVEZ (UNIANDES)
Prof. Dr. Bertrand CALPINI (EPFL)
Lausana ( Suiza), Enero del 2001
-
1
Tabla de Contenido
Tabla de
Contenido..............................................................................................
1
Introduccin y Justificacin
..................................................................................
4
Objetivos
..............................................................................................................
7 Objetivo General
.............................................................................................................
7
Objetivos Especficos
......................................................................................................
7
Antecedentes
.......................................................................................................
9
1. El Valle de Sogamoso: caractersticas geogrficas y problemtica
de la
calidad del aire
...................................................................................................
11
1.1. Ubicacin
geogrfica.........................................................................................
11
1.2. Caractersticas Meteorolgicas y Climatolgicas de la Regin.
....................... 11
1.3. Fuentes de Emisin de material Particulado en la zona.
................................... 13
1.4. Legislacin
........................................................................................................
15
1.5. Proyecto Sogamoso AQMS ( Jimnez et al,
1999)........................................... 16
2. Teora del Material Particulado
...................................................................
20
2.1. Caractersticas Generales de las Partculas Totales en
Suspensin................... 21
2.1.1. Caractersticas Qumicas
...........................................................................
23
2.1.2. Origen del material
Particulado.................................................................
25
2.1.3. Efectos Nocivos generados por el Material Particulado
........................... 27
2.1.3.1. Efectos en la Salud
Humana..............................................................
27
2.1.3.2. Efectos en la salud de los animales
................................................... 29
2.1.3.3. Efectos en las Plantas
........................................................................
29
2.1.3.4. Efectos sobre el clima
.......................................................................
30
2.1.4. Distribuciones de Tamao de Partculas
................................................... 31
2.1.5. Asentamiento y Remocin del material particulado de la
atmsfera........ 34
2.1.5.1. Depositacin de partculas de
chimeneas.......................................... 37
3. Generacin de material particulado en la combustin del
carbn............... 39
3.1. Material Particulado generado por los procesos de
combustin. ...................... 41
3.1.1.
Holln.........................................................................................................
42
-
2
3.1.1.1. Carbono negro (BC)
..........................................................................
43
3.1.1.2. Material Orgnico Particulado
(POM).............................................. 44
3.1.2.
Ceniza........................................................................................................
47
4. Procesos de fabricacin de ladrillo y cal
..................................................... 49
4.1. Proceso de Fabricacin del
Ladrillo..................................................................
49
4.1.1. Horno de Llama Dormida
.........................................................................
50
4.1.2. Horno de Llama invertida
.........................................................................
52
4.2. Proceso de Fabricacin de la cal
.......................................................................
53
4.3. Localizacin de emisiones puntuales de material particulado
de la pequea y
mediana industria ( Mario et al, 2000)
........................................................................
54
4.4. Caractersticas del carbn usado en los procesos artesanales
de la regin. ...... 56
4.5. El coque como alternativa de combustible para la pequea
industria............... 59
5. Medicin del Material Particulado.
.............................................................. 62
5.1. Variables y tcnicas de Medicin del Material Particulado.
............................ 62
5.1.1. Concentracin de
masa..............................................................................
62
5.1.2. Distribucin de
tamaos............................................................................
63
5.1.3. Composicin
Qumica...............................................................................
64
5.2. Analizadores utilizados en el proyecto Sogamoso AQMS
............................... 65
5.2.1. Analizadores de Carbono Negro (BC)
...................................................... 65
5.2.1.1. El Aetalmetro en el Proyecto Sogamoso AQMS.
........................... 66
5.2.2. Analizadores de Hidrocarburos Aromticos Policclicos (PAH)
asociados
a material particulado
................................................................................................
70
5.2.2.1. El PAS en el Proyecto Sogamoso
AQMS......................................... 71
5.2.3. El PM10 en el proyecto Sogamoso
AQMS.............................................. 72
5.3. Ensayo de medicin de concentraciones de aire ambiente
............................... 74
5.4. Antecedentes de medicin de material particulado en la zona
de estudio. ....... 76
6. Estimacin de las caractersticas del material particulado
emitido por los
hornos de produccin de ladrillo y cal.
...............................................................
80
6.1. Estimacin de las tasas de Emisin de Material Particulado
........................... 85
6.2. Estimacin de la Dispersin atmosfrica de las partculas
emitidas por un
chircal y una calera artesanal
tpica..............................................................................
86
-
3
Conclusiones y Recomendaciones
....................................................................
93
Bibliografa
.........................................................................................................
96
Anexos
.............................................................................................................
100
-
4
Introduccin y Justificacin
El Valle de Sogamoso es una de las zonas ms contaminadas de
Colombia,
registrando promedios anuales de concentracin de partculas de
hasta 104
g/m3 de aire, lo cual corresponde al 37% por encima de la norma
local segn
datos del periodo 1991-1994 ( CORPOBOYACA, 1998). Para 1989, se
estim
que la emisin del material particulado en el Valle de Sogamoso
fue de 69781
toneladas anuales igualando as las emisiones de Bogot y Medelln
juntas (
Snchez, 1996). La presencia de concentraciones elevadas de
partculas en el
aire ocasiona problemas respiratorios en gran parte de la
poblacin y hasta un
incremento en la tasa de mortalidad del hasta 18% segn
estimaciones basadas
en datos de 1997 ( Jimnez, 1999). Como lo muestra la Figura I-1,
la cantidad
de material particulado emitido en el Valle de Sogamoso es
considerablemente
alto en comparacin con emisiones en otros lugares del mundo.
Estas emisiones provienen principalmente de 1087 pequeas,
medianas y
grandes industrias, entre las cuales se encuentran ladrilleras,
hornos de cal,
cementeras y siderrgicas entre otras, las cuales generan formas
de
subsistencia para miles de familias que habitan en la regin.
A la pequea industria o tambin llamada industria artesanal de
produccin de
ladrillo y cal, se le atribuye el 80% de las emisiones de
material particulado en la
-
5
zona. Esto implica, que para atacar el problema de una manera
efectiva, se
deben encontrar soluciones para reducir las emisiones de dicho
sector de la
industria, de tal manera que el impacto social y cultural sea el
mnimo. Pero
para solucionar los problemas, primero hay que entenderlos, y
eso es lo que
intenta el Proyecto Sogamoso AQMS, del cual hace parte integral
el presente
proyecto de grado.
Figura I-1- Tasa Especfica de emisin de material particulado
(PM) para
diferentes regiones y cuencas de aire ( Jimnez, 1999)
Es necesario por tanto conocer las caractersticas del material
particulado
emitido por la pequea industria, su proceso de formacin, sus
propiedades
fsicas y qumicas y su comportamiento en el medio ambiente. La
informacin
0
5
10
15
20
25
Rat
a es
pec
fica
de e
mis
in
de P
M
Suiza California(USA)
San JoaqunValley (CA)
Valle deSogamoso
(COL)
Pas o Regin
ton/ km2*ao ton/100habitantes*ao
-
6
adquirida hasta el momento en estas reas es poca a pesar de la
gran
importancia que representa.
En este proyecto de investigacin se comenzar haciendo una
revisin
bibliogrfica para comprender las caractersticas del material
particulado y de los
procesos de combustin relacionados con su formacin. El paso a
seguir ser
evaluar la situacin actual del Valle de Sogamoso y la informacin
recolectada
hasta el momento. Se analizarn tambin las tcnicas de medicin
posibles para
la recoleccin de dicha informacin, incluyendo los equipos de
medicin
estudiados en mi etapa de entrenamiento en Suiza para el
Proyecto Sogamoso
AQMS. Igualmente, se estimarn las caractersticas del material
particulado
emitido por la industria artesanal y se determinarn las
concentraciones
atmosfricas de material particulado para un horno de ladrillo y
cal. Por ltimo,
se darn algunas recomendaciones para medir dichas caractersticas
y por
ende ayudar a disminuir las emisiones de partculas en un futuro
cercano.
-
7
Objetivos
Objetivo General
Estimar las propiedades fsicas, la composicin qumica, el
comportamiento y
los procesos de formacin del material particulado emitido por la
pequea
industria en el Valle de Sogamoso, y establecer las tcnicas de
medicin
posibles para medir dichas caractersticas.
Objetivos Especficos
1. Cumplir con la fase inicial de entrenamiento exigida por el
Proyecto
Sogamoso AQMS : Poner en funcionamiento, calibrar y analizar
los
analizadores adquiridos para el Proyecto Sogamoso AQMS al igual
que
dos analizadores ( un Aetalmetro Ae-9 y un PAS1000i)
pertenecientes al
LPAS/DGR/EPFL de Lausanne, Suiza.
2. Hacer una investigacin bibliogrfica de la teora del material
particulado y
de sus tcnicas de medicin.
3. Estudiar la relacin entre la utilizacin de carbn en la pequea
industria y
el material particulado emitido por la combustin.
-
8
4. Estimar las emisiones de material particulado para un horno
de coccin
de ladrillo y uno de cal, y determinar las concentraciones de
partculas y
las tasas de asentamiento en su rea circundante.
5. Investigar correlaciones entre carbono negro, PAH y PM10.
-
9
Antecedentes
La actividad de la pequea industria en el Valle de Sogamoso se
remonta a los
aos 50, cuando comenzaron a asentarse en la zona varias
industrias como la
Siderrgica Aceras Paz del Ro. Estas industrias estimularon la
economa y el
desarrollo industrial de la regin, aumentando as el nmero de
empresas
alfareras, metalrgicas y de otros sectores de la industria. Los
grandes
yacimientos de materia prima como la arcilla y el carbn, sus
buenas
caractersticas y los bajos costos de produccin aceleraron an ms
un proceso
de industrializacin sin control ambiental alguno.
Las consecuencias ya se empiezan a sentir en la poblacin, ya que
los mtodos
artesanales ( sin desestimar los provenientes de otros sectores
de la industria)
emiten una gran cantidad de contaminantes a la atmsfera con
graves
repercusiones en la salud humana.
Afortunadamente, las acciones para frenar los altos ndices de
contaminacin
empezaron a surtir efecto con la creacin de CORPOBOYACA, una
entidad
encaminada a solucionar los problemas relacionados con el medio
ambiente en
la regin. Hasta la fecha, se ha legalizado ambientalmente al
100% de la gran
industria, el 70% de la mediana industria, y el 20% de la
pequea, y se ha
ordenado el cierre de los hornos de coccin de ladrillo
localizados en el rea
urbana de estos municipios ( ECOBOYACA, 2000). Adems, se han
hecho
-
10
varios estudios como El Plan de Mejoramiento de la calidad del
aire en el
Valle de Sogamoso a travs del consorcio SOLAM para mejorar la
calidad del
aire de la regin, y el Programa de Reconversin de Combustible en
los
Chircales que busca sustituir el carbn bituminoso por coque.
Hasta la fecha, el
30% de los hornos han adoptado la reconversin ( ECOBOYACA,
2000).
En cuanto a las mediciones de material particulado en la regin,
se instal La
Red de la Calidad del Aire en 1997, y desde ese entonces, se han
adelantado
algunas mediciones en varias estaciones instaladas por
CORPOBOYACA
arrojando importantes resultados. El proyecto SOGAMOSO AQMS
iniciado a
finales del ao 2000, intentar hacer una investigacin ms
detallada de la
contaminacin de la regin, comprender el problema, y formular
soluciones.
-
11
1. El Valle de Sogamoso: caractersticas geogrficas y problemtica
de
la calidad del aire
1.1. Ubicacin geogrfica
El Valle de Sogamoso esta localizado en Colombia, Sur
Amrica,
especficamente en el departamento de Boyac sobre la cordillera
oriental de los
Andes. Comprende el corredor del Alto Chicamocha y dentro de ste
se
destacan centros urbanos como Paipa, Nobsa, Tibasosa, Duitama y
Sogamoso(
Figura 1-1). El Valle esta localizado a 2569 m.s.n.m y comprende
dos pisos
trmicos. Su extensin de 73km de longitud y 8km de ancho se
encuentra
rodeada por montaas que alcanzan los 3600 m.s.n.m. Los picos
ms
significativos son el Toldo y el Montn.
La poblacin esta concentrada en 20 ciudades o pueblos y supera
el medio
milln de habitantes ( Jimnez, 1999) . Los municipios que constan
el Valle son
mostrados en la Tabla 1-1 al igual que su densidad demogrfica
segn el censo
de 1993 y otros factores relevantes para este proyecto.
1.2. Caractersticas Meteorolgicas y Climatolgicas de la
Regin.
La meteorologa de la regin puede ser descrita por la informacin
recolectada
en la Estacin Belencito perteneciente al IDEAM. Esta se
encuentra localizada
-
12
en las coordenadas (0.547N, 7253O) y a una altura de 2530
m.s.n.m. Los datos
de direccin de vientos y porcentaje de vientos son presentados
en la Tabla 1-2
y corresponden a los datos horarios adquiridos en el ao
1997.
Figura 1-1 Zona de estudio. Valle de Sogamoso
(www.nationalgeographic.com;
Jimnez et al, 1999)
Tabla 1-1- Municipios del Valle de Sogamoso ( Mario et al,
2000)
Municipio
Altura..
m.s.n.m
Poblacin
habitantes
Distancia desde
Tunja en km
Sogamoso 2569 115,602 72
Duitama 2530 97,952 57
Paipa 2517 23,717 45
Nobsa 2493 12,657 80
Samaca 2604 14,373 26
Tunja 2860 113,994 0
-
13
Se puede observar que los vientos moderados (
-
14
(entre ellas las cuatro industrias principales, 29 chircales y
13 caleras) se
presentaron entre los kilmetros 7 y 9 al noroccidente del rea
urbana de
Sogamoso, con valores mximos de hasta 3505g/m3 por da. ( Snchez,
1994)
Tabla 1-2 - Direccin y porcentaje de Vientos para 1997( Mario et
al, 2000)
RANGO DE VELOCIDAD ( m/s) Subtotal Direccin 1 2 3 4 5 6 %
0.3-1.37 1.38-2.44 2.45-3.51 3.52-4.58 4.59-5.65 >5.66 N 5.27
3.13 0.36 8.76
NE 5.32 0.87 0.1 6.29 E 3.43 4.77 7.08 1.97 0.21 17.46
SE 5.37 2.5 4.86 3.27 1.41 0.21 17.62 E 4.9 0.89 0.35 6.14
SW 8.44 6.9 4.14 0.08 19.56 W 1.51 1.77 0.94 0.1 0.02 4.34
NW 18.8 0.76 0.23 19.79 Subtotal 53.04 21.59 18.06 5.42 1.64
0.21 100
La industria en el Valle de Sogamoso est centrada en la
produccin secundaria
derivada de la minera como lo es la produccin de ladrillo y cal,
y tambin por la
industria cementara y metalrgica. La Figura 1-2 muestra el
porcentaje de
partculas emitidas por la produccin industrial en el Valle de
Sogamoso. Se
puede observar que la emisin de material particulado de la
industria artesanal
es del 90%, comprobando as que el problema de contaminacin
puede
comenzar a ser resuelto si se controlan las emisiones de este
sector industrial.
-
15
Figura 1-2 Emisiones de material particulado en el Valle de
Sogamoso, PM en
1991 ( Jimnez, 1999)
1.4. Legislacin
El historial jurdico para tratar de controlar las emisiones
industriales de
contaminantes data de los aos setenta. La primera norma expedida
por el
gobierno fue El Cdigo de Recursos Renovables ( ley de 1973 y
decreto- ley
2811 de 1974) seguido mas tarde por el cdigo Sanitario Nacional
( ley 09 de
1979). Las normas bsicas sobre las emisiones a la atmsfera luego
fueron
desarrolladas en el Decreto 02 de 1982. En este decreto se
incluyen
especificaciones sobre las normas, limites y restricciones de la
calidad del aire.
Los estndares primarios para material particulado en dicho
decreto ( Artculo
31) sostienen que para partculas en suspensin el promedio
geomtrico anual
es de 100g/m3 y la mxima concentracin en 24 horas que se
puede
sobrepasar una vez al ano es de 400 g/m3. El Artculo 32 del
mismo decreto
52.1%
0.9%5.3%12.4%
29.3%
Ladrillo Sulfato de Amoniaco Cemento
Hierro y Acero Piedra Caliza
-
16
sostiene que para determinar la norma local de la contaminacin
del aire para
material particulado se debe aplicar la ecuacin 1-1 donde NC de
R es la
Norma de calidad de Aire usada de referencia, Pb. Local es la
presin
baromtrica local expresada en mm de Hg., y t es la temperatura
expresada en
C.
tClocalPbNCdeRNormaLocal+
=
760298*
760.* (1-1)
Reemplazando los valores para el Valle de Sogamoso (Pb. Local de
567 mm de
Hg y un t de 15C) se tiene que el promedio geomtrico anual para
el Valle de
Sogamoso es de 77.5 g/m3 y la mxima concentracin que se
puede
sobrepasar una vez al ano es de 310 g/m3.
Para material particulado inferior a 10 g o a 2.5 g/m3 no existe
a presente
ninguna legislacin al respecto, aunque en la actualidad se esta
tomando como
referencia las normas de EPA para PM10 de 50 g/m3 anual, diaria
de
150 g/m3 y horaria de 400g/m3 ( ECOBOYACA, 2000).
1.5. Proyecto Sogamoso AQMS ( Jimnez et al, 1999)
El proyecto Valle de Sogamoso AQMS ( Air Qulity Managemnet
System) es un
proyecto del ICSC- WORLD LABORATORY que busca los siguientes
objetivos :
-
17
1. Mejorar la calidad del aire del Valle de Sogamoso por medio
de un control
y monitoreo continuo a largo plazo.
2. Ser un proyecto piloto y demostrar las ventajas de establecer
proyectos
AQMS en pases en va de desarrollo.
3. Diseminar la experiencia y el conocimiento adquirido a otras
regiones en
Latinoamrica y a otros pases en va de desarrollo para as
promover
proyectos de igual magnitud.
4. Obtener nuevos conocimientos cientficos acerca de la
contaminacin
atmosfrica y en especial de la atmsfera de la regin andina.
Las tres principales etapas del proyecto son las de medicin,
informacin y
manejo. En la primera se medir la meteorologa y la calidad del
aire de la regin
de una manera continua, y se har un inventario de todas las
fuentes de
emisin. En la segunda, se informar a la poblacin acerca de la
calidad del aire
de la regin, su estado actual y se intentar predecir el
desarrollo de esta a
travs del tiempo. Esta informacin ser asequible a otros usuarios
como
gobierno, industria y ONGs. La ltima etapa tiene como propsito
mejorar la
calidad del aire. Para esto, se harn modelos matemticos que
simulen la
meteorologa y la contaminacin de la regin.
El diagrama de flujo del proyecto Valle de Sogamoso AQMS se
puede estudiar
en la figura 1-3.
-
18
Figura 1-3 - Diagrama de Flujo del Proyecto Sogamoso AQMS (
Jimnez, 1999)
Los requerimientos principales para lograr el xito del proyecto
sern el de
entrenar al personal tcnico y cientfico para operar el AQMS,
analizar el
problema de contaminacin y proponer posibles soluciones. Tambin
se
generar una transferencia de tecnologa en cuanto a tecnologa de
medicin,
-
19
simulacin y anlisis de datos se refiere, produciendo as un
personal calificado
en la regin. El pblico en general y las NGOs tambin sern
invitadas a
participar y a trabajar juntos para tomar decisiones y acuerdos
para el beneficio
comn.
El Proyecto Sogamoso AQMS, financiado por el ICSC- World
Laboratory, est
liderado por las siguientes instituciones:
1. Ecole Polytechnique Fdrale de Lausanne (EPFL), Laboratorio
de
Contaminacin Atmosfrica (LPAS)
2. Universidad de los Andes (UNIANDES)
3. Corporacin Autnoma Regional de Boyac (CORPOBOYACA)
4. Instituto de Hidrologa, Meteorologa y Estudios
Ambientales
(IDEAM)Programa de Fisicoquimica Ambiental (PFQA).
-
20
2. Teora del Material Particulado
El trmino Contaminacin Atmosfrica se refiere a la presencia en
el aire de
materias o formas de energa que impliquen riesgo, dao o molestia
grave para
las personas o bienes de cualquier naturaleza. Las fuentes de
estos
contaminantes pueden ser varias, destacndose los incendios
forestales y
erupciones volcnicas, las actividades humanas en los procesos
industriales, la
calefaccin y el trfico, entre otras. Las unidades ms comnmente
utilizadas
para medir la contaminacin son el microgramo por metro cbico
(g/m3) o el
nanogramo por metro cbico, las cuales relacionan la masa del
contaminante
por unidad de volumen ( Ministerio de Obras pblicas, 1994).
Los parmetros meteorolgicos relacionados directamente con la
contaminacin
atmosfrica son la velocidad del viento, la direccin del viento,
la variacin de la
temperatura con la altura, y la altura de la capa de mezcla.
Hay varios tipos de contaminantes en la atmsfera. Entre los ms
importantes,
se encuentran los Compuestos de Azufre, los xidos de Nitrgeno,
los xidos
de Carbono, los Hidrocarburos, las Partculas Sedimentables, el
Ozono, y las
Partculas en Suspensin Totales (PST). Las partculas en suspensin
totales
(PST) son el contaminante relevante en este proyecto de
investigacin.
-
21
2.1. Caractersticas Generales de las Partculas Totales en
Suspensin
El PTS se refiere a las partculas slidas o liquidas con tamaos
entre 0.002 y
20- 25m. Se originan por la erosin del suelo, de combustiones
fsiles,
emisiones de gases naturales, erupciones volcnicas, incendios y
por canteras,
minera y cementaras. No son notoriamente visibles y pueden
permanecer en la
atmsfera por variados periodos de tiempo y acelerar reacciones
qumicas,
produciendo as contaminantes secundarios.
En realidad, el material particulado es enormemente variado en
cuanto a sus
caractersticas y formacin. Las definiciones de algunos trminos
importantes se
encuentran en la Tabla 2-1.
Segn su dimetro, las partculas totales en suspensin se pueden
dividir en
dos grupos: las finas con dimetros menores que 2.5 m y las
gruesas con
dimetros mayores a 2.5 m. Las caractersticas entre estos dos
tipos de
partculas son diferentes ya que se transforman de diferentes
maneras, tienen
diferente composicin qumica y propiedades fsicas, diferentes
propiedades
pticas y los mtodos utilizados para su muestreo y anlisis son
diferentes.
-
22
Tabla 2-1 - Definicin de los trminos que describen las partculas
suspendidas
en el aire ( Wark, 1996 y CORPOBOYACA, 1998)
Partculas Cualquier material, excepto vapor de agua, que existe
en estado slido o lquido en la
atmsfera o en una corriente de gas en condiciones normales.
Aerosol Una dispersin de partculas microscpicas, slidas o
liquidas, en medio gaseoso.
Polvo Partculas slidas de un tamao mayor que el coloidal,
capaces de permanecer en
suspensin temporal en el aire. Tienen dimetros entre 0.25 y 500m
y son derivadas de la desintegracin de material particulado de
mayor tamao. Son generados por
actividades como el lijado, amoldado, quebrado, perforacin y
maquinado de
materiales industriales.
Ceniza fina Partculas de ceniza finamente divididas arrastradas
por gases de combustin. Las
partculas pueden contener combustible no quemado.
Niebla Aerosol visible, lquidos atomizados y/o condensados en
suspensin con dimetros
inferiores a 2m. Se originan de las actividades tales como el
roseado, el plateado o labores de mezcla o limpieza
Vapores Partculas formadas por condensacin, sublimacin y/o
reaccin qumica,
predominantemente mayores de 1 m (humo o tabaco).
Neblina Dispersin de pequeas gotas de lquido de suficiente tamao
como para caer desde el
aire.
Partcula Masa discreta de materia slida o lquida.
Humo Partculas pequeas de menos de 2m de dimetro arrastradas por
gases resultantes de la combustin. Surgen de la evaporacin a altas
temperaturas de material que luego es
condensado formando partculas extremadamente pequeas. Son
generados por
actividades industriales como la soldadura, el cortado y el
fundido de materiales
slidos.
Holln soot Una aglomeracin de partculas carbonseas
A su vez, las partculas finas se pueden subdividir en dos
rangos: el modo de
nucleacin y el de acumulacin. El modo de nucleacin consiste de
partculas
cuyos dimetros varan entre los 0.005 y 0.1m y son formados por
la
-
23
condensacin de vapores en procesos de combustin y tambin por
la
nucleacin de lquidos atomizados y/o condensados en suspensin
con
dimetros inferiores a 2m. El modo de nucleacin se origina
comnmente de
especies presentes en la atmsfera. El modo vara entre los 0.1 y
1 m y tiene
su origen en la coagulacin de partculas originadas de vapores
de
condensacin y tambin de partculas del modo de nucleacin.
Las partculas en el rango de 1 a 100m son atribuidas a procesos
naturales
antropognicos. La distribucin de partculas por rea superficial,
sus modos de
formacin y sus formas de remocin de la atmsfera se presentan en
la Figura
2-1.
2.1.1. Caractersticas Qumicas
Con respecto a su composicin qumica, el material fino se compone
de SO2-4,
NH+4, NO+3, Pb y carbono (C) en forma de holln y material
orgnico
condensado. Tambin se encuentran cantidades significativas de
substancias
altamente txicas, tales como compuestos aromticos polinucleares
(PAH), As,
Se, Cd y Zn. El material grueso consiste principalmente de Fe,
Ca y Si. (Seinfeld,
1986). Una representacin grafica de la composicin qumica se
muestra en la
Figura 2-2.
-
24
Figura 2-1 esquemtica del rea superficial de un aerosol, fuentes
de emisin
y mecanismos de remocin ( Seinfeld, 1986)
Figura 2-2 Representacin esquemtica de la distribucin de la
composicin
qumica del material particulado ( Seinfeld, 1986)
-
25
2.1.2. Origen del material Particulado
Se pueden identificar cuatro grandes fuentes de material
particulado de origen
antropognico:
1. Procesos Industriales y de Combustin Emisiones puntuales y de
rea.
2. Procesos fugitivos (Industriales)- Proveniente del arrastre
causado por el
viento de materiales almacenados, carreteras de plantas
industriales sin
pavimentar, manejo de materiales industriales, su cargamento
y
operaciones de transferencia de lugar.
3. Procesos fugitivos no Industriales - Proveniente de la erosin
de
carreteras publicas sin o con pavimento, operaciones
agrcolas,
construccin, y quemas intencionadas, controladas o no.
4. Transporte Proveniente del exhosto de los vehculos y del
desgaste de
frenos, embragues, llantas, etc. (Seinfield, 1986)
Dependiendo de donde provengan las partculas, su tamao vara, y
se debe
tener en cuenta en qu condiciones son producidas y a partir de
qu materiales.
Algunas fuentes y los rangos de tamao resultantes se presentan
en la Figura
2-2.
-
26
Figura 2-2 Material Particulado: Origen, clasificacin y tamao de
partcula (
Wark et al, 1996 )
-
27
2.1.3. Efectos Nocivos generados por el Material Particulado
La presencia de los altos niveles de material particulado en la
atmsfera pueden
tener graves consecuencias directas o indirectas sobre el ser
humano. A
continuacin son descritos los principales efectos.
2.1.3.1. Efectos en la Salud Humana
Los resultados inmediatos a una exposicin a los contaminantes
atmosfricos
son la irritacin de los ojos, piel, garganta y del sistema
nasofaringeo,
presentndose efectos agudos o crnicos ( Montealegre, 1993).
Las partculas al ser inhaladas viajan en direccin a los pulmones
si las defensas
del sistema respiratorio lo permiten. Dependiendo del tamao de
las partculas,
la capacidad de dao al sistema respiratorio vara. Las partculas
mayores a
15m se retienen en las vellosidades de la nariz y pueden ser
expulsados, entre
15 y 10 m pueden ingresar a la traquea y las que varan entre 10
y 6 m
pueden ingresar al esfago. Las menores de 5m logran alcanzar los
bronquios,
y an ms peligrosamente los alvolos, produciendo la enfermedad
conocida
como pneucomoniosis (CORPOBOYACA, 1998).
En la Figura 2-3 se observa las fracciones de deposicin en la
regin alveolar y
la traqueo-bronquial para aerosoles monodispersos en funcin del
dimetro de
las partculas para un adulto saludable. Las curvas varan segn
sean
-
28
fumadores o no y segn su edad. Los factores de deposicin se
incrementan
para fumadores (0.16), fumadores con enfermedades respiratorias
(0.21),
asmticos (0.28) y personas con enfermedades relacionadas con la
obstruccin
de las vas respiratorias ( Shneider, 1998).
Las partculas ms pequeas pueden depositarse en los pulmones y a
su vez
arrastrar sustancias txicas y metales irritando los tejidos y
produciendo
afecciones respiratorias como la fibrosis de la cobertura
pulmonar y resultando
en enfermedades importantes como la silicosis, la asbestosis o
el cncer
pulmonar.
Figura 2-3 Deposicin de partculas en el sistema respiratorio (
Schneider,
1998)
La exposicin a material particulado tambin genera bronquitis
crnica,
disminucin de la funcin respiratoria, incremento de los ataques
de asma y est
-
29
estrechamente relacionado con el incremento en las tasas de
mortalidad (
Seinfeld, 1986)
2.1.3.2. Efectos en la salud de los animales
Aunque no se tiene mucha informacin al respecto, se ha
comprobado por
ejemplo que el ganado que pastorea cerca de industrias de
aluminio o ladrillo
desarrolla fluorosis, la cojera y la rigidez de las
articulaciones y es bajo en la
produccin de leche (Dix, 1981).
2.1.3.3. Efectos en las Plantas
Al depositarse el polvo y el holln en las hojas de las plantas
se bloquean los
poros de stas, restringiendo la absorcin de CO2 y el paso de la
luz. Esto
reduce el proceso de fotosntesis y aumenta la prdida de agua
por
transpiracin. Tambin se presentan daos directos debidos a
cambios en el PH
de las clulas. Dichos efectos alteran el proceso de crecimiento
de la planta y
por tanto reducen el valor de las cosechas y el rendimiento
agrcola de una
regin.
En la localidad de Leeds (Inglaterra) se han observado
reducciones en el
crecimiento de las cosechas de rbanos y hortalizas en zonas de
alta
contaminacin en comparacin con zonas de baja contaminacin (Dix,
1981).
-
30
2.1.3.4. Efectos sobre el clima
La contaminacin atmosfrica tiene variados efectos sobre los
centros urbanos
ya que en ellos se manifiestan cambios en la micrometeorologa
que pueden
alterar el ciclo hidrolgico y meteorolgico de una localidad.
Un gran nmero de partculas en suspensin puede incrementar la
turbidez de
la atmsfera y por ende, reducir la cantidad de radiacin solar
que llega a la
superficie. Las partculas absorben y reflejan la radiacin solar
generando hasta
una reduccin de hasta el 15-20% en zonas contaminadas ( Ross,
1974) como
se muestra en los datos de la Tabla 2-2 para diferentes
concentraciones de
aerosol en la atmsfera. El material particulado tiene un efecto
ms acentuado
en la reduccin de la radiacin solar en los rangos ultravioleta
que en los rangos
infrarrojas.
Tabla 2-2 - Relacin aproximada entre concentraciones atmosfricas
de aerosol
y niveles de radiacin solar relativos. ( Ross, 1974 )
De igual forma, las partculas actan como ncleos de condensacin
al estar
suspendidos en la atmsfera, lo que juntado con el incremento de
emisiones de
Concentracin Radiacin solar % del valor para 100 g/m3 de aerosol
Total% Ultravioleta
g/m 3
50 105 104 100 100 100 200 95 92 400 90 77
-
31
vapor, puede aumentar la cantidad de nubes sobre la localidad
hasta en un
10%, incrementando as en un 10% la precipitacin pluvial al igual
que la niebla
y la neblina. (Dix, 1981).
La visibilidad es otro factor que disminuye al presentarse la
contaminacin de
partculas suspendidas.
Los materiales y las estructuras son averiados o corrodas por
las partculas que
se depositan sobre ellas. La limpieza constante de los elementos
urbanos
tambin puede elevar los costos de mantenimiento.
2.1.4. Distribuciones de Tamao de Partculas
El material particulado puede ser monodisperso o polidisperso.
El primer
termino hace referencia a muestras con partculas de tamao muy
similar y el
segundo a muestras que presentan una distribucin de tamaos. En
la realidad
se presentan en su mayora aerosoles polidispersos, pero los
monodispersos se
producen convencionalmente con fines de calibracin y
experimentacin.
Para representar una distribucin de partculas expresada
generalmente como
n(DP) donde Dp es el dimetro de la partcula, se necesita una
funcin de
distribucin que slamente sea definida para Dp>=0 , que sea
cero para Dp =0
y que se aproxime a cero cuando Dp inf. ( no pueden existir
partculas con
dimetro infinito). Experimentalmente se ha encontrado que la
distribucin ms
-
32
conveniente para describir distribuciones de partculas es una
distribucin log-
normal. Esta distribucin se representa en la ecuacin 2-12,
=
g
pgp
gpp
DDDNDn
2
2
2/1 ln2)ln(ln
expln)2(
)( (2-1)
donde N es el numero total de concentracin de partculas, g es la
desviacin
estndar- geomtrica expresada por la ecuacin 2-2, y Dpg es el
dimetro
promedio geomtrico para el cual la mitad de las partculas son
mayores y la otra
mitad menores. D84.13 es el dimetro al que ocurre por debajo el
84.13% de las
partculas.
=
pg
g
D
D 13.84 (2-2)
Estas distribuciones se suelen representar como una distribucin
acumulada en
funcin del logaritmo de dimetro de partcula. La figura 2-4
muestra una
distribucin tpica de nmero, volumen y rea superficial de
partcula. La
pendiente de las lneas depende de g, en otras palabras de la
forma y
densidad de las partculas. La desviacin estndar relativa (dada
por la ecuacin
5) determina qu tan polidispersa es la muestra de partculas. Un
parmetro ms
simple es el siguiente coeficiente de variacin .
=
pg
g
D
(2-3)
2 La demostracin para llegar a esta ecuacin para la distribucin
log- normal comienza con la distribucin Gaussiana, y se puede
estudiar en detalle en (Seinfield, 1986).
-
33
Para valores de
-
34
Con el fin de analizar en ms detalle las distribuciones de
nmero, volumen y
superficie de las partculas se suelen utilizar grficas abcisas
tales como log D (
m), y funciones en las ordenadas tales como m/logD, S/logD y
V/logD. En
la figura 2-6, se muestran estas distribuciones para una muestra
de aerosol
urbano tpico. Las funciones varan para los diferentes tamaos de
partculas
demostrando as que los aerosoles atmosfricos se distribuyen en
grupos
especficos con diferentes orgenes y propiedades ( Van den Bergh
et al ,1999).
Esta representacin permite constatar que la mayora de las
muestras de
material particulado urbano tiene distribuciones bimodales, lo
que significa que
en la misma muestra se encuentran dos o mas distribuciones y/o
dos o ms
tipos de materiales con diferentes distribuciones ( Hesketh,
1986). Ver figura 2-6.
Un ejemplo de inters en el caso del Valle de Sogamoso es la
distribucin
bimodal para ceniza volante emitida por un stoker boiler a base
de carbn.
Las partculas ms grandes son polvo de carbn y la mas pequeas
ceniza (
ver Figura 2-7). Las dos pendientes indican los dos modos
existentes.
2.1.5. Asentamiento y Remocin del material particulado de la
atmsfera
Los aerosoles son removidos de la atmsfera por procesos secos y
hmedos.
Para partculas Dp
-
35
tamao de la partcula aumenta. Las del rango 0.1 < Dp1 se
asientan
por gravedad. Este proceso se vuelve menos eficiente a medida
que el dimetro
disminuye ( Heintzemberg et al, 2000).
Figura 2-6- Distribuciones de nmero, superficie y volumen de un
aerosol urbano
tpico ( Van den Bergh et al, 1999 ).
-
36
Figura 2-7 Tamao aerodinmico de la ceniza volante proveniente de
un
stoker boiler ( Hesketh, 1986)
Las velocidades de asentamiento (asumiendo partculas esfricas,
flujo laminar y
densidad de la partcula mucho mayor que la del aire atmosfrico)
se pueden
calcular a partir de un balance de fuerzas, que conduce a la
Ecuacin 2-3,
donde g es la gravedad, Dp el dimetro de la partcula, p la
densidad de la
partcula y g la viscosidad dinmica del aire.
g
ppgDVt
18
2
= (2-3)
-
37
Se estima que para partculas con densidad del agua a temperatura
ambiente
(1g/cm3) la velocidad de asentamiento ser de 4*10-5 cm/s para
0.1 m y de
4*10-3 cm/s para 1 m ( Wark, 1996)
2.1.5.1. Depositacin de partculas de chimeneas
El mtodo ms comnmente utilizado para pronosticar la tasa de
sedimentacin
de las partculas resultantes de las emisiones de chimeneas es
una modificacin
de la ecuacin de Sutton, utilizada para las emisiones gaseosas
de las
chimeneas ( Wark, 1996). Esta consiste en suponer una
distribucin de tipo
gaussiano en la que no existe el fenmeno de reflexin presentado
para los
gases y en la que el terreno acta como un atrapador de material
particulado.
Las fuerzas sobre el fluido derivadas del movimiento atmosfrico
y de la
gravedad tambin se deben tener en cuenta, lo que implica que la
lnea central
de la pluma para material particulado se inclina con mayor
prontitud que la de los
gases la cual es casi horizontal. La expresin utilizada para
describir dicho
comportamiento es la ecuacin 2-4, donde C es la concentracin de
partculas,
Qp la tasa de emisin de partculas para un tamao especfico de
partcula, y y
z las desviaciones normales que a su vez son funciones de las
coordenadas
espaciales y de la estabilidad atmosfrica ( Ver grficos en el
Apndice A), Vt la
velocidad de asentamiento, u la velocidad del viento, y H la
sumatoria de la
altura de la chimenea h y la elevacin de la pluma H ( Ver Figura
2-8). La
altura efectiva H se calcula con la Ecuacin de Briggs ( Ec. 2-5)
donde x es la
-
38
distancia desde la fuente, d el dimetro de la chimenea, Vs la
velocidad de la
pluma, Ts la temperatura absoluta del contaminante, Ta la
temperatura absoluta
del aire y g la gravedad.
+
=
22 (
21exp
2 z
t
yzy
uxVHzy
uQpC
(2-4)
ux
TTTVsdgH
s
as3
231
2
46.1
= (2-5)
Para determinar la concentracin a nivel del suelo a lo largo de
la lnea en la
direccin del viento, la ecuacin 2-4 se reduce a la ecuacin
2-6.
=
2
21exp
2),0,0,(
z
t
zy
p uxVH
uQ
HxC
(2-6)
Figura 2-8 - Altura efectiva de una chimenea ( Wark, 1994)
-
39
3. Generacin de material particulado en la combustin del
carbn
La combustin se define como el proceso de oxidacin de un estado
gaseoso
en condiciones rpidas y de altas temperaturas ( Bethea, 1978).
Para que sta
sea efectiva, el combustible deber estar en contacto directo con
el Oxigeno a
alta temperatura y por un periodo de tiempo suficiente. En
general, el propsito
es la produccin de calor, lo que idealmente debiera conducir a
la produccin de
CO2 y H2O nicamente ( ver ecuaciones 3-1 y 3-2).
( ) OmHnCOOnmHCCOOC
mn 222
22
2444 +++
+ (3-1) y (3-2)
Si las reacciones en cadena se ven interrumpidas o si localmente
no hay
suficiente Oxgeno, se generarn productos intermedios de oxidacin
( en
general nocivos). Este proceso se denomina combustin incompleta
o pirlisis.
El hecho de que la combustin sea completa depende del tiempo de
residencia y
de la distribucin de temperatura y Oxgeno. La combustin debera
idealmente
producirse a temperaturas superiores a 816oC ya que de esta
manera se
destruyen todos los vapores orgnicos y aerosoles ( Bethea,
1978).
-
40
En comparacin a otros procesos de combustin se puede decir que
la
combustin del carbn es una de las ms complejas y por tanto una
de las que
ms contaminantes genera.
Para entender la combustin del carbn, se puede tomar como modelo
la
combustin de una partcula aislada de este combustible. A medida
que las
partculas se calientan por radiacin, o conveccin (la fraccin
voltil de la
gasificacin), su parte voltil comienza a evaporarse. Los
productos iniciales de
la gasificacin contienen carbono e hidrgeno en parte debido a la
ruptura de
enlaces aromticos en el carbn. La fraccin voltil puede a su vez
reaccionar
con el Oxgeno disponible. Adicionalmente, durante el proceso de
gasificacin
(distillation), se generan compuestos intermedios provenientes
de especies
orgnicas e inorgnicas de sulfuro. Finalmente, una porcin del
material mineral
del carbn se vaporiza para luego condensarse y formar partculas
inferiores a 1
m. Al final de la gasificacin, el material carbonseo se quema
completamente
si se presentan las condiciones adecuadas para la combustin
completa
(Seinfeld, 1985). Un diagrama esquemtico del proceso
anteriormente descrito
se presenta en la figura 3-1.
El material no combustible del carbn genera ceniza y sus
propiedades
dependen de la composicin original del material y de las
condiciones de
combustin. La cantidad de gases y material particulado emitido
aumentar a
medida que la combustin sea ms incompleta. La cantidad de humo (
partculas
-
41
en suspensin) emitido por una fuente es un buen indicador de que
tan completo
es el proceso de combustin. Emisiones de humo muy notorias
significan que
la combustin ha sido incompleta (Hesketh, 1979) A medida que se
aumenta la
temperatura, la produccin de material particulado y holln
disminuye, como se
muestra en la figura 3-2. Se ha encontrado tambin que las
emisiones de
material particulado en procesos de combustin estn estrechamente
ligadas al
porcentaje de azufre en el combustible ( Bethea, 1978)
Figura 3-1 Diagrama esquemtico de la combustin del carbn (
Stern, 1984)
3.1. Material Particulado generado por los procesos de
combustin.
Segn el tamao de partcula y composicin, los procesos de
combustin
pueden producir los siguientes tipos de partculas:
-
42
1. Partculas entre 0.1 y 1 m que se generan por la vaporizacin
de
materiales que se condensan posteriormente.
2. Partculas por debajo de aproximadamente 0.1 m que consisten
en
cmulos moleculares inestables de corta duracin producidas
por
diferentes reacciones qumicas.
3. Cenizas y partculas de 1 m o mayores liberadas por los
procesos
mecnicos.
4. Cenizas muy finas que se escapan al intervenir aspersiones
de
combustibles lquidos.
5. Holln producido por la combustin parcial de combustibles
fsiles (
Wark, 1996)
En general, para el estudio de la emisin de material particulado
por la
combustin del carbn se puede subdividir el material en dos
fuentes principales:
el holln ( soot) y la ceniza volante ( fly ash).
3.1.1. Holln
Esquemticamente se puede decir que estas partculas carbonceas
se
componen de un ncleo de carbono negro ( black carbon o BC 3)
cubierto de
Material Orgnico Particulado (POM) condensado. Es importante
aclarar que
3 El termino black carbon es difcil de definir. . En este
trabajo se trabajar asumiendo la definicin de Hansen (1991)
-
43
los dos tipos pueden aparecer de sustancias entremezcladas
anteriormente (
Heintzenberg et al, 2000).
Figura 3-2 Emisiones de la combustin en funcin de las
temperaturas pico de
combustin ( Stern et al, 1984)
3.1.1.1. Carbono negro (BC)
El carbn negro consiste de partculas primarias carbonaceas de
dimetro
inferior a 0.2m cuya estructura se asemeja a la del grafito
siendo asociadas
con enlaces C-O. El BC es generado en la llama de combustin por
procesos
extremadamente complejos ( Heintzenberg et al, 2000). Es la nica
especie de
-
44
aerosol opticamente absorbente, es insoluble en solventes
polares y no-polares
y estable en atmsferas de Oxgeno puro hasta una temperatura de
350oC.
Tambin posee propiedades de microcristalinidad, y muestra las
lneas
espectrales Raman, caractersticas del grafito (Hansen, 1991)
3.1.1.2. Material Orgnico Particulado (POM)
Los POM se suelen catalogar en los siguientes grupos:
1. Hidrocarburos: Alcanos, alquinos y grupos aromticos asociados
a
cadenas alifticas en el rango de C17-C37 .
2. Hidrocarburos Aromticos Poli cclicos (PAH): Algunos son
compuestos
cancergenos confirmados. De las 15 clases de PAH que existen,
hasta
12 se pueden encontrar en el holln o gases de combustin del
carbn.
(www.ntp-server.niehs.nih.gov). Algunas investigaciones aseguran
que los
niveles de PAH y BC estn estrechamente relacionados. Un estudio
se
hizo en Suecia donde se recolectaron muestras de estos dos
contaminantes en el mes de Febrero. La tabla 3-1 muestra
estos
resultados para probar dicha correlacin.
3. Hidrocarburos Oxidados: cidos, aldehdos, cetones, quinonas,
fenoles, y
esteres, al igual que los poco estables epoxidos y perxidos. Se
producen
directamente en la combustin o en relativamente lentos procesos
de
oxidacin atmosfrica.
-
45
4. Compuestos Organo- nitrogenados: aza-arenos y otros.
5. Compuestos Organo- azufrados: compuestos de azufre
heterocclicos
tales como el benzotasol (Goldberg, 1985).
Tabla 3-1- Concentraciones de PAH y BC como resultado de un
estudio de la
correlacin entre los dos contaminantes ( Goldberg, 1985)
Los POM son generados en combustin incompleta. Cuando las
especies
voltiles alcanzan una concentracin len su fase gaseosa que
excede su
concentracin de equilibrio ( determinada por la presin de
vapor), se genera
una fuerza de origen termodinmico que produce un ncleo de
condensacin.
Dichos ncleos crecen por procesos de condensacin y coagulacin
hasta llegar
a un dimetro donde la condensacin disminuye ( Heintzenberg et
al, 2000).
La formacin de partculas secundarias de la combustin tambin
proviene de la
conversin gas- partcula de gases liberados en los procesos de
combustin
tales como SO2, NOX y NH3, los cuales forman
correspondientemente SO42-,
NO3- y NH4+ ( Van den Bergh et al, 1999). Es importante aclarar
que los POM y
los compuestos arriba mencionados pueden formar Aerosoles
Orgnicos
Secundarios (SOA) en la atmsfera debido a complejas reacciones
qumicas en
Febrero 1977 Black Carbon (g/m3) PAH (ng/m3)3 a 4 41.3 92.45 a 7
14.5 14.39 a 10 6.3 6.74 a 16 12.7 7.69 a 21 11.2 23.44 a 26 8.8
8.2
-
46
la tropsfera las cuales involucran los principales agentes
oxidantes de la
atmsfera ( NO3 ,OH y O3). Para un estudio detallado sobre las
partculas
secundarias referirse a ( Heintzenberg et al, 2000).
El holln se genera entonces a partir de ncleos de partculas de 5
a 20 nm de
dimetro compuestos de material carbonaseo parcialmente oxidado,
a veces
mezclado con xidos metlicos. Estas partculas se coagulan
rpidamente
formando agregados de forma fractal, que a su vez se transforman
en
estructuras mas compactas de dimetros de algunas decenas de
nanmetros
bajo la influencia de las fuerzas capilares de vapores que se
estn condensando
en el momento ( Ver Figura 2-1). Tambin se pueden encontrar
cantidades
significativas de azufre en la superficie del holln.
La razn BC/POM depende de factores tales como la temperatura, la
fuente y el
proceso de combustin. Paradjicamente, las combustiones ms
eficientes
producen razones ms altas. Para partculas que consisten
principalmente de
grafito se pueden esperar densidades de 2.25g/cm3. Si la fraccin
orgnica es la
predominante, los vacos dentro de la partcula aumentan
reduciendo la
densidad al rango de 0.625-1.5g/cm3 (Heintzenberg et al,
2000).
La morfologa de las partculas carbonaceas de mayor tamao
(>20m) emitidas
por la combustin del carbn varia dependiendo de la fuente.
Pueden ser
esfricas, o prismticas y su superficie tambin puede tener
varias
-
47
caractersticas. Las posibles combinaciones de superficie y forma
para nuestro
estudio se encuentran en la figura 3-3.
3.1.2. Ceniza
El carbn generalmente tiene un porcentaje de material inorgnico
mineral en su
composicin. En el proceso de combustin este se convierte en
ceniza. La
ceniza consiste principalmente de aluminosilicatos con una capa
superficial de
sulfatos y generalmente se presenta en el rango de partculas
gruesas. Su
composicin qumica tpica para el caso de la combustin del carbn
se
presenta en la figura 3-4.
Figura 3-3 Clasificacin de las partculas carbonaceas por su
textura superficial
y forma ( Goldberg, 1985)
-
48
Figura 3-4- Composicin qumica de la ceniza producida por la
combustin del
carbn ( Heintzenberg et al, 2000)
Compocision quimica de la ceniza
Al12%
Si22%
O42%
Fe6%
P, Si, K, Ca, Ti, N, Mg
18%
-
49
4. Procesos de fabricacin de ladrillo y cal
Las principales fuentes de emisin en la regin se encuentran
principalmente en
la produccin de ladrillo y cal.
4.1. Proceso de Fabricacin del Ladrillo
La materia prima para la elaboracin de un ladrillo es la
arcilla. Esta es un
producto de la erosin a escala geolgica generada por el agua
sobre rocas y
minerales. La arcilla est constituida por xidos de elementos
qumicos tales
como Al, Fe, Mg y Si, al igual que de otros compuestos
secundarios de Al y Si,
que al estar expuestos a altas temperaturas ( =>900 oC)
empiezan a fundirse. La
fundicin aglomera las partculas de xidos metlicos y el producto
fundido se
vuelve vtreo al enfriarse, dndole resistencia mecnica al
ladrillo. Este proceso
se conoce como vitrefaccin (Thomas, 1990).
El proceso utilizado en el Valle de Sogamoso de fabricacin del
ladrillo es
bastante tradicional y se puede describir en los siguientes
pasos4:
1. Los bloques de ladrillo son preparados a base de arcilla, y
debidamente
moldeados.
4 El proceso descrito es para la coccin en un horno de Llama
Dormida, en el Horno de llama invertida el proceso es distinto.
-
50
2. El horno utilizado para la coccin se llena con carbn a travs
de una
boquilla de encendido ( parte inferior del horno) de tal forma
que la llama
alcance la capa superior ms prxima del ladrillo.
3. Los ladrillos se depositan en capas horizontales entre capas
de carbn
de no ms de 3 cm para lograr un quemado uniforme del
ladrillo.
4. Cuando la ltima capa es acomodada, empieza el periodo de
coccin.
El ladrillo es quemado durante un tiempo efectivo de 72 h,
aunque puede
durar entre 9 y 12 das en el horno.
5. Se retiran los bloques cocidos del horno y se dejan reposar
por tiempos
de hasta un mes. ( Mario et al, 2000)
En el Valle de Sogamoso se utilizan actualmente dos tipos de
hornos para la
coccin del ladrillo, el Horno de Llama Dormida y el de Llama
Invertida.
4.1.1. Horno de Llama Dormida
Es el horno ms comnmente utilizado y el ms tradicional de la
zona. Son
hornos de construccin simple donde se ejerce la coccin del
ladrillo. Se
encuentran semienterrados y son construidas a base de piedra y
recubiertos
con ladrillo. Una foto de un horno tpico se presenta en la
Figura 4-1. Consta de
una bveda semicircular donde se amontonan los ladrillos en capas
para as
dejar vacos que ayudan a la ventilacin y a la evacuacin de los
gases de
combustin. La capacidad o lote de este tipo de horno es de 7000
a 17000
-
51
ladrillos ( Mario et al, 2000). Se inician por la parte inferior
de la estructura y el
calor se propaga de manera ascendente hasta alcanzar la parte
superior del
horno ( CORPOBOYACA, 1999)
Figura 4-1 - Horno de Llama Dormida
Las ventajas y desventajas de este tipo de horno se presentan en
la Tabla 4-1.
Tabla 4-1- Ventajas y Desventajas del horno de llama Dormida (
Mario et al,
2000)
VENTAJAS DESVENTAJAS
-De fcil construccin y no se necesitan grandes
extensiones de terreno.
-Bajo nivel de inversin.
-Permite un trabajo de tipo familiar.
-Conocimiento tradicional sobre su operacin.
-Alto consumo de combustibles.
Ineficiencia de la quema y bajo aprovechamiento
del calor.
-No-homogeneidad de la temperatura.
-Alta emisin de contaminantes.
-Baja produccin y control de operacin.
-Ciclos intermitentes y ms lentos de coccin.
-
52
4.1.2. Horno de Llama invertida
Este tipo de horno presenta ventajas en tecnologa y eficiencia
en comparacin
al de llama Dormida. Consiste bsicamente de una cmara circular o
rectangular
construida de ladrillo comn adems de una chimenea de evacuacin,
una
puerta de cargue ( para introducir el carbn) y 2 a 5 quemadores
que se
distribuyen en el espacio del horno. La llama de coccin asciende
a travs de las
paredes del horno hasta el techo de este, por lo cual el piso
interno se
encuentra debidamente perforado. La capacidad de este horno es
de 35000 a
40000 ladrillos ( Mario et al, 2000). La apariencia de este tipo
de horno se
muestra en la 4-2. Sus ventajas y desventajas se encuentran en
la Tabla 4-2.
Figura 4-2 -Horno de Llama Invertida
-
53
Tabla 4-2 - Ventajas y Desventajas del horno de llama Invertida
( Mario et al,
2000)
VENTAJAS DESVENTAJAS
-Altas temperaturas de coccin
-Ciclos rpidos de coccin con menor
contaminacin ambiental
-Permite el control de temperatura atmosfrica del
horno.
-El combustible y sus residuos no estn en contacto
inmediato con el producto. Permite utilizar los gases
de combustin y el aire caliente en otros procesos.
-Presenta algunas dificultades en el manejo y
enfriamiento.
-Elevados costos de mantenimiento.
-Problemas de rotura por choques trmicos.
-Dificultad en el cargue y descargue del material.
-Su operacin es intermitente
4.2. Proceso de Fabricacin de la cal
La cal ( CaO) es un producto generado por la calcinacin de la
piedra caliza. Su
produccin ocurre en hornos de carbn donde se alcanzan
temperaturas de
hasta 900 o C que separan el CO2 de la cal producida. La reaccin
qumica para
este proceso es la Ecuacin 4-1. La piedra caliza contiene entre
97% y 98% de
carbonato de calcio ( CaCO3 .) y el resto es carbonato de
Magnesio, xido de
Aluminio, xido de Hierro y Silicio ( EIONET, 2000)
23 COCaOCaCO + (4-1)
Las caleras son reconocidas por su alto impacto ambiental
evidente a simple
vista como lo muestra la figura 4-3, ya que el nivel de emisin
de partculas,
-
54
humo y polvo es bastante alto. La capacidad de cargue de un
horno es de 33ton
de piedra caliza.
El proceso de produccin de cal es el siguiente:
1. La piedra caliza se saca de canteras en forma de escalones.
El mtodo
ms comn es el de voladura con dinamita, haciendo perforaciones
en la
roca que luego son llenadas con material explosivo.
2. La caliza es luego triturada en molinos.
3. La coccin de la caliza se hace en hornos de llama dormida. El
periodo de
quema dura 7 das. ( CORPOBOYACA, 1999)
4.3. Localizacin de emisiones puntuales de material particulado
de la
pequea y mediana industria ( Mario et al, 2000)
La industria artesanal en el Valle de Sogamoso est bastante
extendida. En casi
todos los municipios del Valle se presenta actividad
artesanal.
En Tunja existen aproximadamente 130 hornos para la produccin de
ladrillo, en
su mayora ubicados en zona rural. Se usan varios tipos de horno
como el de
fuego dormido y el de tipo colmena.
-
55
Figura 4-3 - Caleras en el municipio de Nobsa.
El municipio de Samac se dedica primordialmente a la produccin
de coque
utilizando como base el carbn bituminoso explotado en la misma
regin. Se
producen alrededor de 3-5 ton de coque por horno y se usan entre
3-5 de carbn
por horno.
En el municipio de Nobsa, la produccin de cal est bastante
extendida,
contando con 173 hornos, cada uno produciendo alrededor de 20-25
Ton por
jornada, y utilizando a su vez 6-8 ton de carbn.
En Sogamoso es donde se encuentra la mayor produccin de ladrillo
de la
regin. En la actualidad estn en funcionamiento 605 hornos
ubicados en la
zona urbana y rural. Se est adelantando un proyecto para
relocalizar los hornos
-
56
existentes en el permetro urbano. Se producen entre 8000-15000
ladrillos por
jornada y se utilizan de 5 a 7 ton de carbn ( Mario et al,
2000).
4.4. Caractersticas del carbn usado en los procesos artesanales
de la
regin.
El carbn es la principal fuente de generacin de energa para la
industria
artesanal del Valle de Sogamoso. La madera tambin es utilizada
pero slo para
los condiciones de inicio ( primera quema) de los chircales. El
carbn que se
extrae de la regin tiene buenas caractersticas debido a sus
excelentes
propiedades trmicas y bajos contenidos de cenizas y azufre. El
Instituto de
Recursos Mineros y Energticos (IRME) y Mineracol estudiaron
varias muestras
de carbn provenientes de yacimientos carbonferos de la regin.
Los resultados
se encuentran en la Tabla 4-3. Los principales yacimientos de
carbn utilizados
en la produccin del ladrillo y la cal se encuentran en los
municipios de Mongua,
Gameza, Topaga, y la vereda de Morca.
Asumiendo que todo el Azufre es convertido a SO2 ( Ver ecuacin
4-2), se
pueden estimar que las cantidades emitidas de SO2 por kg de
carbn quemado
varan entre 1.4 y 13 g SO2/kg Carbn.
22 SOOS + (4-2)
-
57
Desafortunadamente, la buena calidad del carbn no es debidamente
explotada
dado el bajo rendimiento de los procesos artesanales, que tiene
su origen en la
mala estructura de los hornos, las altas perdidas de calor, la
mezcla de
diferentes calidades y tamaos de carbn utilizadas para la quema
y la alta
emisin de contaminantes tales como el material particulado.
Tabla 4-3 - Resultados del Anlisis Fsico- qumico del carbn de la
regin de
Sogamoso ( Mario et al, 2000).
Mpo. Socota Vda. Morca Mpo. Samaca Mpo. Topaga Mpo. Mongua
(Mina Rucu) (Mina el Guiche) ( Mina el Abejn) ( Mina. Q. Seca)
(Mina Bellavista) Mayo/93 Abril/94 Junio/97 Junio/97 Octubre/96
Poder calorfico 7189 7119 7260 7567 7228
(Kcal/kg)
Humedad (%) 0.89 2.4 1.02 2.09 0.86
Material Volatil (%) 19.81 43.37 28.91 35.01 34.5
Cenizas (%) 15.37 10.31 15.3 6.38 12.57
Azufre (%) 0.71 0.89 0.94 1.41 6.49
Hinchamiento (%) 3.5-7.5 1.5 6.5 2.0-4.0 1.5
Carbn Fijo (%) 63.93 43.92 54.77 56.52 51.61
A nivel nacional, est comprobado que las emisiones de
contaminantes
generados por la quema de carbn a nivel industrial representan
el 67% de todo
el material particulado generado. Este porcentaje alcanza el 83%
cuando se
incluye el sector elctrico. El porcentaje para los dems gases
contaminantes
tambin es considerablemente alto, como lo muestran las
estimaciones de la
tabla 4-4.
-
58
El consumo de carbn en el sector ladrillero del Valle de
Sogamoso se estima en
33600 toneladas de carbn anual y involucra directamente a 120
familias
mineras y otro gran nmero indirectamente ( Mario et al, 2000).
Esta actividad
es la principal fuente de subsistencia para estas familias, por
lo tanto los
mecanismos de control de contaminacin deben ser cuidadosamente
estudiados
en el contexto social y econmico.
Tabla 4-4 - Emisin de Contaminantes por Consumo de Combustibles
en Ton /
ano de 1991 ( Snchez, 1994)
Fuente de Partculas SO2 Nox CO HC contaminante Sector Elctrico
Carbn 57378 65161 32098 2840 850 ACPM 109 2639 1093 54 12 Fuel oil
39 526 218 11 2 Otros derivados 24 332 138 7 1 Gas Natural 102 456
3010 839 305 Refineras Fuel Oil 624 8376 3472 174 324 Otros
derivados 28045 1373 569 29 6 Gas Natural 56 280 1229 1229 125
Industria Carbn 242965 275922 157567 24056 6312 ACPM 525 12788 5299
263 50 Fuel Oil 212 5422 2247 113 21 Otros derivados 2249 31187
7694 646 124 Gas Natural 50 248 1639 457 166 Bagazo 25666 3793
12663 12633 20213 Lena 630 96 630 1890 2205 Total 358677 408569
229536 44355 28016
-
59
4.5. El coque como alternativa de combustible para la pequea
industria
El coque es un combustible generado despus de someter el carbn a
altas
temperaturas (1000oC) en una atmsfera poco oxigenada, donde es
liberado de
la humedad y del material voltil. El resultado es un combustible
libre de
impurezas y de alta calidad ( CORPOBOYACA, 1998). El proceso
de
produccin del coque empieza por el calentamiento por llama del
carbn en
hornos especiales, donde entre los 375oC y los 475 oC, el carbn
se
descompone formando capas plsticas. Entre los 475 oC y los 600
oC, se
comienzan a generar las cenizas y los hidrocarburos aromticos,
seguido de
una resolidificacion de la masa plstica para convertirse en
semi-coque. Desde
los 600 oC a los 1000 oC, la fase de estabilizacin del coque
comienza, la masa
se contrae, y la estructura del coque y el Hidrgeno empieza a
evolucionar. De
esta forma se termina de carbonizar la masa plstica generando
finalmente el
coque ( Hardarshan, 2000).
Segn los estudios adelantados por Corpoboyaca, el coque parece
ser una
buena opcin para reemplazar el carbn bituminoso en las industria
ladrillera y
calera ya que reduce las emisiones de material particulado,
minimiza los tiempos
de coccin de la cal y mejora su calidad, no aumenta los
costos
significativamente y aumenta el volumen de ladrillos y cal
producidos por
hornada. Los resultados de estos estudios se obtuvieron de una
serie de
pruebas de quema utilizando como combustible el coque y se
pueden observar
-
60
en las tablas 4-4 y 4-5 para los hornos de llama dormida de
coccin de ladrillo al
igual que para los de coccin de cal.
Actualmente, slo el 30% de los hornos han adoptado la
reconversin de
combustible ( ECOBOYACA, 2000). El factor que ha impedido la
reconversin
masiva ha sido mas que todo el cultural. Las familias que
subsisten de estas
industrias llevan mucho tiempo usando el carbn como combustible,
y la
incertidumbre hacia las nuevas alternativas es difcil de
digerir. Se espera que la
comunidad poco a poco se vaya familiarizando con la reconversin
de
combustible aunque esto puede durar ms de lo previsto.
Tabla 4-4 Estudios de reconversin de combustible para los hornos
del sector
ladrillero ( ECOBOYACA, 2000)
-
61
Tabla 4-5 Estudios de reconversin de combustible para los hornos
del sector
calero ( ECOBOYACA, 2000)
CORPOBOYACA esta planeando sacar una resolucin con la cual
se
reglamentar la operacin de los hornos de llama dormida en el
Valle de
Sogamoso ( Mario et al, 2000).
De cualquier forma, es imprescindible estudiar el impacto
ambiental de la
produccin de coque, dado que la conversin total a coque podra
implicar a
escala regional , una redistribucin y no la disminucin de las
emisiones.
-
62
5. Medicin del Material Particulado.
5.1. Variables y tcnicas de Medicin del Material
Particulado.
Cuando se intenta hacer un anlisis del material particulado hay
tres tipos de
informacin de inters: la concentracin msica, la distribucin de
tamaos y la
composicin qumica. La concentracin total msica permite ejercer
control
desde el punto de vista de salud pblica, la distribucin de
tamaos permite
investigar el origen, transporte y remocin de partculas en la
atmsfera y su
comportamiento al depositarse en el aparato respiratorio, y la
composicin
qumica permite determinar los efectos del material particulado
en los humanos,
la vegetacin y los materiales. El objetivo por tanto de un
muestreo de material
particulado debiera permitir establecer estas tres
caractersticas en funcin del
dimetro de partcula.
5.1.1. Concentracin de masa
Los principales mtodos para extraer las partculas del aire son
los de filtracin e
impactacin. La filtracin consiste en recolectar las partculas en
una superficie
de filtracin por interceptacin directa, impactacin inercial o
por difusin. La
medicin de masa se determina midiendo el peso del filtro antes y
despus de la
exposicin. El principio de difusin depende de las interacciones
moleculares
-
63
de N2, O2 y otros gases contaminantes. Para mayor informacin
referirse a Stern
et al (1984).
5.1.2. Distribucin de tamaos
Segn Sternetal (1984), un buen muestreo se logra clasificando
las partculas
por su dimetro aerodinmico, movilidad elctrica o propiedades de
absorcin y
dispersin de la luz. La tcnica mas comnmente utilizada es la del
impactador
multi- etapa, donde en cada una de las etapas se usa un filtro
que retiene
progresivamente partculas de menor tamao. Tambin, se puede medir
la
movilidad elctrica para determinar la distribucin de partculas
en el rango de
0.01 a 1m cargando las partculas unipolarmente y luego pasndolas
por un
campo magntico. Otra posibilidad, es la de pasar la luz a travs
de una muestra
de material particulado. Las partculas dispersarn la luz en
ngulos que
dependen del tamao de partcula. La intensidad de la dispersin es
medida por
un fotomultiplicador, es proporcional al nmero de partculas, y
es una funcin
compleja del tamao de partcula .
Generalmente, las partculas se pueden clasificar segn el rango
de tamaos
obtenido en el muestreo. Las principales categoras se muestran
en la figura 5-1.
Los medidores de PM10 son los equipos que recogen los aerosoles
menores a
10 m de dimetro, los PM2.5 aquellos menores a 2.5m, los
medidores de
BC partculas menores a 0.2 m, y los TSP recolectan casi todo el
rango de
-
64
partculas suspendidas ( menores a 40m). A continuacin, se
explicarn
algunos de los equipos utilizados para medir material
particulado en el proyecto
Sogamoso AQMS y relevantes para esta investigacin.
Figura 5-1- Diagrama idealizado de las porciones recolectadas de
material
particulado por algunos analizadores de uso frecuente.
(Shneider, 1998)
5.1.3. Composicin Qumica
De forma general, la investigacin de la composicin qumica del
material
particulado se puede dividir en tres aspectos:
1. Composicin elemental
2. Composicin inica
-
65
3. Determinacin de familias de compuestos o compuestos
especficos.
Dos formas que no destruyen la muestra para medir la composicin
qumica son
el XRF ( X- ray Fluorescence Spectroscopy) y el NAA ( Neutron
activation
anlisis). Para mayor informacin sobre estas tcnicas de medicin y
otras de
masa y distribuciones consultar Van den Bergh et al (1999),
Stern et al (1984) y
Bethea (1978).
5.2. Analizadores utilizados en el proyecto Sogamoso AQMS
5.2.1. Analizadores de Carbono Negro (BC)
El analizador ms utilizado para medir el BC es el Aetalmetro. Su
objetivo es el
de medir la atenuacin de un rayo de luz a travs de un filtro,
mientras este filtro
esta constantemente reteniendo material particulado. El diagrama
esquemtico
de su funcionamiento se muestra en la figura 5-2. La medicin se
hace en
intervalos regulares que pueden ser seleccionados por el
usuario. El incremento
en la atenuacin ptica de un periodo al otro es debido al
incremento del BC
recogido en la muestra de aire durante el intervalo de tiempo.
Dividiendo este
incremento por el volumen de aire recolectado durante el
periodo, y sabiendo la
atenuacin especfica dada por las combinaciones de filtro y ptica
utilizadas, se
puede obtener la concentracin de BC (Hansen, 1991).
-
66
Figura 5-2- Diagrama esquemtico del Aetalmetro.
5.2.1.1. El Aetalmetro en el Proyecto Sogamoso AQMS.
Como objetivo de mi entrenamiento en el Proyecto Sogamoso AQMS,
se me di
la oportunidad de poner en funcionamiento un analizador BC
modelo
Aethalometer AE-9 ( Ver de nuevo Figura 5-3) que no se
presentaba en servicio.
El proceso para ponerlo en funcionamiento fue el siguiente:
o Se revis el sistema elctrico y de continuidad de flujo.
o Se hizo un desmonte total del aparato.
o Se cambiaron los rodillos del mecanismo de avance del filtro
ya que el
material original se encontraba roto.
-
67
o Se arregl el mecanismo de auto avance del filtro que se
encontraba
daado.
o Se cambi el filtro original que era muy frgil por uno ms
resistente.
o Se eliminaron las fugas de aire a travs de la tubera interna
del aparato.
o Se arregl el mecanismo magntico de cerrado de la puerta
delantera.
o Se evalu la eficacia del software original, el cual presentaba
problemas.
En esta etapa se intentaron todas las posibilidades en las que
software y
hardware funcionaran correctamente. Para poner un ejemplo,
el
software no deja tomar mediciones en intervalos de 1 min, no
permite
poner una hora de arranque especifica, etc.
o Se limpi el interior del analizador.
o Se cambi el reductor de sonido muffler de la bomba
externa.
Solucionados estos inconvenientes, se procedi a hacer la
calibracin del cero
medido por el Aetalmetro. En teora, este analizador no necesita
de calibracin,
pero dado al largo tiempo en el que estuvo inutilizado se
prefiri verificar la
consistencia de sus lecturas. Para hacer esta calibracin cero se
utilizo aire
comprimido, silica gel para eliminar la humedad del aire de
calibracin, un filtro
Purafil para remover gases que pueden alterar o daar las
mediciones, un filtro
de 0.2m, un rotmetro para medir el flujo de aire, la bomba
externa y el AE-9.
Un diagrama esquemtico de este montaje se muestra en la figura
5-4 y los
accesorios utilizados en la figura 5-5.
-
68
Figura 5-3 - Vista frontal del Aetalmetro AE-9 y bomba
externa
Los primeros resultados fueron muy incongruentes debido a fugas
de aire en la
tubera y a la ineficiente fuente de luz. Las lmparas utilizadas
no eran
suficientemente estables lo que afectaba las mediciones en un
rango de error de
hasta 2000ng/m3. Se encontr la bombilla adecuada y se obtuvieron
unos
resultados excelentes esta vez para la calibracin cero,
demostrando el buen
funcionamiento del aparato. Dichos resultados se presentan en la
Figura 5-6.
Ntese la consistencia de los resultados y el bajo rango de
oscilacin, el
promedio aritmtico fue de 3.6ng/m3, el RMS de 10 ng/m3 ,la
desviacin
promedio de 19.0 ng/m3, un mximo de 128.9 ng/m3 y un mnimo de
148.5
ng/m3.
-
69
Figura 5-4- Diagrama esquemtico del montaje para la calibracin
cero de un
Aetalmetro.
Figura 5-5 - Accesorios utilizados para la calibracin cero del
Aetalmetro
-
70
Figura 5-6- Resultados obtenidos para la calibracin cero del
Aetalmetro.
5.2.2. Analizadores de Hidrocarburos Aromticos Policclicos
(PAH)
asociados a material particulado
Uno de los analizadores mas recomendados para la medicin de
Hidrocarburos
Policclicos Aromticos es el Sensor Fotoelctrico de Aerosoles (
PAS). Este
recoge una muestra de aire ambiente y la pasa por un
precipitador electrosttico
donde se libera de las partculas ionizadas generadas en los
procesos de
combustin. Luego, el flujo neutro de aerosoles es introducido a
travs de una
unidad fotoionizadora con luz UV de longitud de onda menor a
185nm. Las
partculas de carbn contaminadas con PAH son fotoionizadas con
preferencia.
Las cargas negativas resultantes son drenadas hacia las paredes
de la unidad
-
71
por un electrodo. Las cargas positivas restantes, menos
dinmicas, logran pasar
luego por un electrmetro de aerosoles donde se separan y donde
se mide su
carga, la cual es proporcional a la concentracin de PAH (
Gossen, 1991)
5.2.2.1. El PAS en el Proyecto Sogamoso AQMS.
El PAS 1000i de Gossen ( Ver Figura 5-7 ) fue otro analizador
asignado como
parte del entrenamiento para el proyecto Sogamoso AQMS. El
proceso para
ponerlo en operacin fue el siguiente:
o Se cheque el sistema elctrico y el de flujo de aire. En el
elctrico, se
presentaron problemas pues no se mostraban los signos correctos
de
funcionamiento. Con respecto al flujo, el rotmetro solo mostraba
un flujo
de 1 l/min mientras la bomba interna deba aspirar 4l/min.
o Se limpi con aire seco filtrado durante 5 horas pero no surti
efecto. Se
limpi el precipitador electrosttico subiendo el flujo a casi
2l/min.
o Se inspeccion el diodo de la unidad fotoionizadora, las
conexiones del
precipitador, se midieron los voltajes pero no se encontr dao o
signo de
mal funcionamiento.
o Se limpi todo el interior del aparato.
o Se hizo una prueba de emisin con un papel quemado demostrando
que
el aparato a pesar de sus fallas elctricas, s se puede poner
en
operacin.
-
72
Figura 5-7 - Foto del analizador de PAH (Goseen PAS1000i)
utilizado en el
proyecto.
5.2.3. El PM10 en el proyecto Sogamoso AQMS
Como ya se mencion anteriormente, el PM10 comprende todo el
material
particulado menor a 10 m. Para la medicin de material
particulado,
CORPOBOYACA dispone de 7 Wedding High Volume Samplers PM10.
El
principio de operacin de este analizador es muy simple. La
muestra de aire
entra por un sistema que se compone de un filtro ciclnico
omnidireccional de
fraccionamiento que permite la entrada de aerosoles en cualquier
ngulo de
incidencia. La Figura 5-8 muestra como a las partculas
entrantes, se les aplica
un mpetu angular por medio de rendijas bidimensionales. El
aerosol sigue las
-
73
lneas de flujo del aire a travs del radio inferior, pasa las
rendijas ya
mencionadas y entra al fraccionador ciclnico. La remocin de
partculas
grandes (>10 m) se efecta en un tubo interno de recoleccin.
El flujo entra
luego en un tubo intermedio donde la trayectoria del flujo se
cambia hacia arriba.
Finalmente, el aire pasa se somete a otro cambio de direccin
para que el
aerosol restante (PM10) se deposite en un filtro donde se pueda
hacer un futuro
anlisis de la muestra final ( Wedding, 1995)
Figura 5-8 - Diagrama esquemtico del Wedding High Volume
Samplers PM10 (
Wedding, 1995)
-
74
5.3. Ensayo de medicin de concentraciones de aire ambiente
Poniendo los tres analizadores en funcionamiento simultaneo es
una tctica
importante para deducir relaciones entre los distintos
contaminantes. Estas
mediciones se realizaron en Lausanne ( Suiza) el 12/01/01 en la
estacin mvil
del EPFL sobre una calle de la Universidad. Se utilizaron los
medidores de BC y
PAH ya mencionados con un periodo de integracin de medicin
continua de 2
minutos. El PM10 utilizado es un modelo DASIBI de medicin
continua de
propiedad del LPAS que se tena en dicha estacin. Los resultados
obtenidos
desde las 11:00am hasta las 7:00pm se muestran en la Figura
5-9.
Realmente, es bastante difcil sacar conclusiones a partir de
periodos de
medicin tan cortos. De todas maneras se puede observar una
tendencia de
disminucin de todas las concentraciones a las 14:00, y un
gradual incremento
hasta las 17:00. Este incremento probablemente est relacionado
con el flujo
vehicular que circula sobre la va. Por otra parte, se observa
una correlacin
importante entre BC y PAH ( Ver Figura 5-10) confirmando as la
existencia de
PAHs en las partculas de holln. Entre el PM10 y los dems
contaminantes no
existe una relacin aparente.
-
75
Figura 5-9 - Mediciones de BC, PM10 y PAH tomadas en la estacin
del EPFL, Lausanne, Suiza el 12/01/01.
1
10
100
9:00 10:12 11:24 12:36 13:48 15:00 16:12 17:24 18:36
19:48Hora
P
M
1
0
,
B
C
(
m
g
/
m
3
)
0.01
0.1
P
A
H
(
m
g
/
m
3
)
BC PM10 PAH
-
76
5.4. Antecedentes de medicin de material particulado en la zona
de
estudio.
Los primeros esfuerzos de monitoreo de material particulado en
el Valle de
Sogamoso datan de 1983, cuando el Ministerio de Salud don tres
medidores de
alto volumen (TSP); dos se ubicaron en la zona industrial y uno
en la zona
urbana ( Mario et al, 2000). Estas mediciones se ejecutaron
hasta el ao 1990
y sus resultados se muestran en la figura 5-11.
La veracidad de estas mediciones se ha puesto en prueba debido a
la
inconsistencia y a la interrupcin en las mediciones, que a su
vez se le atribuye
a la mala operacin de los equipos de monitoreo (Snchez, 1994), a
la deficiente
infraestructura y al no cumplimiento de las normas generales de
localizacin de
equipos ( Mario et al, 2000).
Figura 5-10 - Concentraciones de BC vs. Concentraciones de PAH
en la estacin EPFL el
12/01/01
y = 55.786x + 0.7385R 2 = 0.69
1.21.31.41.51.61.71.8
0.01 0.012 0.014 0.016 0.018
Concentracin PAH (g/m3)
Con
cent
raci
n B
C
(g/
m3)
-
77
Figura 5-11- Mediciones de TSP en el Valle de Sogamoso ( Jimnez,
1999)
Una nueva red de monitoreo de la Calidad del Aire instalada
por
CORPOBOYACA entr en operacin en el mes de Octubre de 1997 con
el
propsito de determinar el nivel de contaminacin del aire en la
regin y as
poder establecer el cumplimiento de las normas de calidad del
aire y desarrollar
una estrategia de control de emisiones ( ECOBOYACA, 2000). La
red actual
consiste de 7 estaciones de monitoreo, cada una con un equipo de
medicin de
material particulado y uno de gases contaminantes. ( Ver Tabla
5-1)
La figura 5-12 muestra una de las estaciones en operacin.
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Tabla 5-1 Estaciones de Monitoreo en el Valle de Sogamoso
(CORPOBOYAC informe, 1998)
La red ha arrojado importantes resultados de las concentraciones
de PM10 en la
regin y adems ha sido pionera a nivel regional. Tambin se han
tenido
problemas debido a cambios de ubicacin de algunas estaciones,
cortes del
suministro de energa elctrica y sobrecargas, y algunos problemas
de operacin
( CORPOBOYACA, 1998).
Gracias a los valiosos esfuerzos de CORPOBOYACA, se han
encontrado
soluciones a estos problemas tcnicos lo que ha permitido
establecer una base
datos cuyos resultados se muestran en la Tabla 5-2 para 4 de las
estaciones en
el periodo 1998-1999. Sorpresivamente, la tabla muestra que en
ninguno de los
casos se ha excedido la norma anual de 50 g/m3 que se ha
utilizado como
referencia, y que las mayores concentraciones se registran en
las estaciones de
Sogamoso y Duitama, zonas donde se encuentran la mayora de
chircales y
caleras de la regin.
Lugar PM - 10 Medidor de 3 gasesSENA - Sogamoso 1 1
Colegio Suazapawa. Nobsa 1 0Vivero Mpal. Tibasosa 1 1Bavaria
S.A.. Tibasosa 1 0
Gaseosas Duitama 1 1Granja Gonely. Paipa 1 1
Hospital Sta. Martha. Samac 1 0TOTAL 7 4
Puntos de Ubicacin Estaciones de Monitoreo CORPOBOYAC
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Figura 5-12- Estacin de medicin de la Red de Calidad del Aire
del Valle de
Sogamoso.
Tabla 5-2- Resumen de los promedios geomtricos anuales de
material PM10
obtenidos por la Red de Monitoreo de la Calidad del aire (
ECOBOYACA, 2000)
ESTACION 1998 (g/m3) 1999 (g/m3)SENA, Sogamoso 43.17 40.5
Nobsa 31.44 37.2BAVARIA, Tibasosa 16.87 19
Paipa 23.4 15.91
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6. Estimacin de las caractersticas del material particulado
emitido por
los hornos de produccin de ladrillo y cal.
Los procesos de coccin de cal y ladrillo en el Valle de Sogamoso
son en su
mayora de muy baja eficiencia trmica y debido a la falta de
control de las
caractersticas internas de la combustin, los procesos de
combustin tienden a
ser muy incompletos. La estructura de los hornos de llama
dormida y la forma en
que se acomoda la materia prima ( moldes de arcilla y piedra
caliza) impide una
buena transferencia de oxgeno durante la combustin. En las capas
inferiores
de carbn, ms cercanas a la llama, el Oxgeno disponible en el
periodo de
encendido del horno es mayor generando as una combustin
relativamente
completa . El problema recae en que a medida que el combustible
se va
consumiendo, la ceniza generada impide la transferencia de
calor, lo que a su
vez asla aun ms las capas superiores de carbn del aire
disponible para la
combustin. La mezcla aire/ carbn tambin es en promedio
relativamente baja
debido a la mala ventilacin.
Otros factores que favorecen la combustin incompleta son las
bajas
temperaturas utilizadas para la combustin, la gran perdida de
energa trmica,
los bajos periodos de residencia del aire en el horno y los
extensos periodos de
combustin. La suma de estos factores reduce las tasas de
combustin del
carbn y aumenta la emisin de material particulado, PAHs, CO y
compuestos
voltiles orgnicos (VOC) emitidos a la atmsfera.
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El hecho de que el carbn no sea debidamente tamizado antes de
ingresar a los
hornos, incrementa los periodos de combustin ya que los trozos
grandes de
carbn duran ms tiempo en consumirse. Las emisiones ms altas de
partculas
se pueden esperar al principio del proceso de combustin cuando
las
temperaturas no son lo suficientemente altas para permitir una
combustin
eficiente.
Con respecto al material particulado emitido, se pueden esperar
altas
concentraciones de BC en comparacin con las de ceniza volante
dadas las
bajas temperaturas. Un estudio similar acerca de los chircales
en Ciudad
Jurez, Mxico, demostr que para temperaturas cercanas a los 500
oC las
partculas emitidas eran principalmente holln ( 54.5% carbono) y
al aumentar la
temperatura a 760 oC, las partculas emitidas eran en su mayora
ceniza mineral
(0.07% carbono) (Stewart, 2000).
Las emisiones de compuestos orgnicos semi-vol