Universidad de Concepción

Facultad de Ciencias Químicas

Inorgánica Industrial

INTRODUCCIÓN

La Revolución Química, ha contribuido en gran manera al bienestar del hombre. Las sustancias químicas han mejorado las cosechas eliminando las plagas de los cultivos, y han hecho posible un sinfín de útiles productos. Pero una vez que son liberados al mundo, algunos compuestos químicos provocan reacciones tóxicas, permanecen en el medio ambiente durante años, viajan miles de kilómetros desde donde fueron usados y pueden traer consecuencias no anticipadas o intencionadas

Cada vez está más admitida la necesidad de realizar estudios sobre los posibles efectos que a largo plazo puede producir la contaminación atmosférica sobre el ecosistema, el clima, la tierra y la salud humana.

La contaminación convencional se origina por los contaminantes que se emiten a la atmósfera. Los más importantes son el monóxido de Carbono (CO), el dióxido de Carbono (CO2), los óxidos de Azufre (SO2, SO3 y SOx, en general), los óxidos de Nitrógeno (NO, NO2 y NOx, en general), los hidrocarburos (CxHy), las partículas sólidas y líquidas (aerosoles), el Ozono (O3)

Algunos de estos pueden producir reacciones químicas dando lugar a otros contaminantes. Por esta razón se han desarrollado tratamientos, con el fin de controlarlos y así evitar los daños producidos por estos.

POR QUE SON CONTAMINATES…Y PORQUE HAY QUE EVITARLOS

Las relaciones existentes entre las enfermedades humanas y la exposición a la contaminación no son sencillas ni se conocen con exactitud. No obstante, existen pruebas abundantes de que en general, las concentraciones elevadas de contaminantes en el aire son peligrosas para los seres humanos y ecosistema en general

Los contaminantes presentes en la atmósfera proceden de dos tipos de fuentes emisoras bien diferenciadas: las naturales y las antropogénicas. En el primer caso la presencia de contaminantes se debe a causas naturales, mientras que en el segundo tiene su origen en las actividades humanas.

Las emisiones primarias originadas por los focos naturales provienen fundamentalmente de los volcanes, incendios forestales y descomposición de la materia orgánica en el suelo y en los océanos. Por su parte, los principales focos antropogénicos de emisiones primarias los podemos clasificar en:

Si atendemos a la distribución espacial de la emisión de contaminantes, podemos clasificar los focos en: puntuales, tales como las chimeneas industriales aisladas; lineales, por ejemplo, las calles de una ciudad, las carreteras y autopistas; y planos, las aglomeraciones industriales y las áreas urbanas son los ejemplos más representativos.

Los principales focos de contaminación atmosférica de origen antropogénico son las chimeneas de las instalaciones de combustión para generación de calor y energía eléctrica, los tubos de escape de los automóviles y los procesos industriales. Desde donde emanan los gases contaminantes mas comunes; los óxidos de Azufre, los óxidos de Nitrógeno, los hidrocarburos (CxHy), el monóxido de carbono (CO) y el anhídrido carbónico (CO2),entre otros; también llamados contaminantes primarios

Algunos de estos producen reacciones químicas  en la atmósfera y dan lugar a contaminantes secundarios. Los percusores principales de los contaminantes secundarios son los óxidos de Nitrógeno y los hidrocarburos. Los compuestos NOx  y  CxHy emitidos masivamente por los tubos de escape de los automóviles reaccionan en la atmósfera con el oxígeno en situaciones de estabilidad atmosférica donde no hay dispersión de los contaminantes. Por medio de la luz, estas reacciones dan lugar a compuestos complejos desde el punto de vista químico. Por último, añadiremos que hay un tipo de contaminantes, de gran interés actual, denominados contaminantes terciarios, que son los valores traza de determinados elementos muy peligrosos y hay que tenerlos en cuenta en todo análisis ambiental; estos son: Los radionúclidos, Los metales pesados, Los compuestos orgánicos, Hidrocarburos aromáticos policíclicos, Compuestos organoclorados, Pesticidas organoclorados, PCB. Los policlorobifenilos Dioxinas, Pesticidas naturales, organofosforados y carbamatos, Los pesticidas naturales, Insecticidas organofosforados, Insecticidas carbamatos.

A continuación se darán a conocer los procesos y usos de los principales contaminantes, antes mencionados.

LOS OXIDOS DE AZUFRE

Son los compuestos del tipo SOx. Los más típicos son el SO2 y el SO3. El SO3 se encuentra en mucha menor cantidad que el SO2 (un máximo del 2%). El SO2 es incoloro, picante y produce irritación en concentraciones superiores a 3 ppm. El anhídrido sulfúrico, SO3, es un gas muy reactivo e incoloro: reacciona rápidamente con el agua produciendo ácido sulfúrico H2SO4. En la atmósfera, el SO2 reacciona con el O2 para producir SO3. Cualquier proceso de combustión atmosférica donde hay azufre produce SOx. Las principales fuentes de este tipo de contaminante son las centrales térmicas y diversas emisiones industriales. Provienen de usar carbón y petróleo que contengan Azufre. Son los responsables de la lluvia ácida que produce daños importantes en masas forestales y edificios.

Los métodos de control de SO2 (g) están orientados a su fijación, por medio de sus reacciones químicas, en forma de sustancias estables y no volátiles, la industria del cobre por ejemplo, ocupa altas temperaturas para producir la oxidación de los sulfuros contenidos en los concentrados; en este proceso se obtienen grandes cantidades de SO2 (g) que, en el ambiente en presencia de oxigeno y agua, forman finalmente el H2SO4. Esta reacción podría ser ocupada para evitar la llegada de SO2 a la atmósfera y así mismo para obtener H2SO4 que es necesario para la misma industria. La dificultad del proceso, sin embargo, consiste en que los gases desprendidos deben contener altas concentraciones de SO2. Solo una parte de de los gases provenientes de lo hornos contienen los niveles adecuados, quedando así grandes cantidades sin trasformar. Las plantas termoeléctricas, por su parte, al quemar carbón (que contiene porcentajes variables de azufre), eliminan también SO2. Sin embargo, en este caso las concentraciones son aun menores que en la minería por lo que la conversión a H2SO4 se ve dificultada.

El uso de los catalizadores adecuados posibilita ocupar esta reacción de oxidación de los gases de modo que las bajas concentraciones dejan de ser un obstáculo. En la mayoría de los casos se usa el proceso de contacto con los óxidos de vanadio (V2O5) como catalizador. Este es especialmente estable frente al envenenamiento por lo que puede permanecer en funciones por largos periodos. Los catalizadores de platino son también altamente activos, pero pierden fácilmente su efectividad.

La conversión de SO2 (g) en SO3 (g) es un proceso exotérmico

SO2(g) + ½ O2(g) SO3(g) "Hº: -98 kJ/mol

La reacción se ve entonces, por razones termodinámicas, favorecida a temperaturas bajas. Se he determinado que ha 400ºC el equilibrio queda desplazado casi completamente hacia la obtención de SO3 (g). Para disipar el calor de reacción que tiende de a elevar en demasía la temperatura, se utiliza reactores, en los cuales el catalizador se ubica en capas. Estas se encuentran una sobre otra dejando entre ellas un espacio con intercambiadores de calor de modo que los gases, sobre calentados por la reacción, sean enfriados a la temperatura óptima. Para lograr conversiones superiores al 99% se utiliza el procedimiento de doble contacto en este proceso el SO2(g es dirigido, en primer lugar, hacia tres capas de catalizador. El SO3(g) formado es absorbido y el gas restante enfriado a la temperatura de reacción y oxidado a continuación en una cuarta capa de catalizador.

La formación de H2SO4 desde SO3 y H2O es también una reacción exotérmica:

SO3(g) + H2O(l) H2SO4(l) "Hº: -130 kJ/mol

Esta transformación se lleva a cabo en torres de absorción. Aquí se ocupa, en lugar de agua, una solución de H2SO4 de modo que esta, mediante un proceso cíclico, sea cada vez mas saturada. De este modo se logra altas concentraciones (aprox. 18 mol/L , 95%-98%).

Además del método mencionado se ha propuesto otras reacciones para remover el SO2 de los gases residuales industriales. Algunos de ellos son:

Aplicaciones de los productos

Así Como el H2SO4 es altamente ocupado en la industria en la fabricación y proceso, el azufre se usa también en multitud de procesos industriales como la producción de ácido sulfúrico para baterías, la fabricación de pólvora y el vulcanizado del caucho. El azufre tiene usos como fungicida y en la manufactura de fosfatos fertilizantes. Los sulfitos se usan para blanquear el papel y en cerillas. El tiosulfato de sodio o amonio se emplea en la industria fotográfica como «fijador» ya que disuelve el bromuro de plata; y el sulfato de magnesio (sal Epsom), además tiene usos diversos como laxante, exfoliante o suplemento nutritivo para plantas.

EL ANHÍDRIDO CARBÓNICO O DIÓXIDO DE CARBONO

No es tóxico y se encuentra en la atmósfera de una manera natural. Tiene como fórmula el CO2. En los últimos años se ha venido observando un aumento del mismo como consecuencia de los procesos de combustión de los automóviles, principalmente. Como consecuencia se ha producido el llamado efecto invernadero. Este efecto consiste en que la radiación procedente del Sol y reflejada en la Tierra es nuevamente reflejada hacia la Tierra produciéndose un calentamiento lento pero constante en la atmósfera. Aún así el CO2 no es considerado un gas contaminante al medio ambiente ni peligroso para el normal desarrollo de la vida en todos sus aspectos, por lo que su producción en procesos biológicos, industriales y urbanos no presenta la necesidad de promover reacciones químicas para tratar de evitarlo o transformarlo en otros componentes.

LOS OXIDOS DE NITRÓGENO

Son los compuestos del tipo NOx. Son, principalmente el NO y el NO2. Ambos gases son tóxicos y se generan por oxidaciones del Nitrógeno en los diferentes procesos de combustión, en motores de combustión interna. Se generan de una manera importante en centrales térmicas y como consecuencia de la descomposición de nitratos fertilizantes. La mayor parte de los procesos genera NO que se oxida, con posterioridad, a NO2. Contribuyen a la lluvia ácida y destruyen la capa de Ozono.

Existen al menos cinco tipos distintos de compuestos nitrogenados gaseosos inorgánicos en la atmósfera: NH3, N2, N2O, NO y NO2. El N2 es la forma más estable y abundante. Es una especie incolora, inodora, no tóxica y químicamente muy poco reactiva a bajas temperaturas. Esta última característica se debe a la gran estabilidad de la molécula de N2, producto del triple enlace que une fuertemente los dos átomos de N.

El óxido nitroso (N2O), o también llamado gas hilarante, usado comúnmente como anestésico, es producido en forma natural por procesos biológicos y es considerado un componente natural de una atmósfera no contaminada (en concentraciones menores a 0.3 ppm). De igual forma se encuentran los gases de amoniaco (NH3).

El oxido nítrico, NO, gas incoloro e inodoro y el dióxido de nitrógeno, NO2, gas picante pardo-rojizo de olor dulzaino, designados en general por la fórmula NOX son considerados como los principales contaminantes nitrogenados del aire.

La reacción de formación de óxido nítrico a partir de sus elementos es endotérmica y ocurre sólo a temperaturas altas:

1/2N2(g) + 1/2O2(g) NO(g) "Hº: 90kJ/mol

Una de las principales fuentes de emisión de estos gases en zonas urbanas son el uso de vehículos con motor bencinero (motor Otto). Los NOX se forman por la reacción entre N2 y O2 a la temperatura desarrollada por la combustión de la mezcla bencina-aire. Para eliminar estas emisiones y otras como los gases de HC, CO y CO2, o al menos disminuirlas fuertemente, los métodos usados consisten en oxidar los HC y el CO a CO2. Los gases de NOX, por su parte, deben ser reducidos a N2. Para llevar a cabo estos procesos simultáneamente, uno de oxidación y otro de reducción, se precisa del uso de catalizadores especiales y de determinadas condiciones de reacción.

Las reacciones que tienen lugar en un convertidor catalítico de tres vías (como el usado en los automóviles) son:

1) CXHY (g) + (4X + Y)/4 O2 (g) XCO2(g) + Y/2 H2O (g)

2) CO(g) + 1/2O2 (g) CO2 (g) "Hº: -238 kJ/mol

3) NO(g) + CO(g) 1/2N2(g) +CO2(g) "Hº : -373 kJ/mol

NO2(g) +2CO(g) 1/2N2(g) + 2CO2 (g) "Hº : -600 kJ/mol

Según las reacciones indicadas se observa que las dos primeras ocurren en presencia de oxigeno mientras que las restantes deben ser realizadas en su ausencia. En estas condiciones en las reacciones 1 y 2 existe muy poco CO(g) para la reducción de NOX, por lo que para lograr niveles altos de transformación de estos gases, la reacción entre el oxigeno suministrado y el oxigeno necesario para la combustión completa deba ser menor que 1. El rendimiento óptimo se encuentra donde se logra aproximadamente iguales conversiones de HC, NOX y CO.

De esta forma los gases tóxicos de NOx y CO son transformados a gases inocuos como N2 y CO2

Otra posible forma de reutilizar los óxidos de nitrógeno es usándolos en la producción de ácido nítrico y nitroso, pero siendo este último inestable pasa a nítrico mediante

2HNO2 ! NO(g) + H2O + NO2(g)

2 NO2(g) + H2O ! HNO2 + HNO3

3 HNO2 HNO3 + 2 NO(g) + H2O

EL MONÓXIDO DE CARBONO

 Es el contaminante más abundante en la atmósfera de fórmula CO. Se genera como consecuencia de los procesos de combustión de los carburantes de los automóviles cuando hay deficiencia de Oxígeno. Es tóxico y une la hemoglobina en la sangre impidiendo el transporte de Oxígeno. Este compuesto como tal, puede ser usado en industria (como reductor), para obtención de metales como Fe desde sus óxidos

Fe2O3 + 3CO 3CO2 + 2Fe

Este sistema se conoce como El arrabio y es el primer proceso que se realiza para obtener Acero.

Así mismo el CO es utilizado en los convertidores catalíticos, proceso antes mencionado. La forma más conocida y práctica de tratar el CO(g) es trasformándolo a CO2(g) por proceso de oxidación

2 CO + O2 2 CO2

Otra forma natural de transformarlo para hacerlo menos nocivo es mediante su consumo a través de su reacción química con los radicales hidroxilo ambientales:

CO + 2 OH- CO2 + H2O

LOS HIDROCARBUROS

Los hidrocarburos presentan en general, una baja toxicidad, el problema principal que tiene, es la reactividad fotoquímica en presencia de la luz solar para dar compuestos oxidados.

Estos son los compuestos del tipo CxHy gases a temperatura ambiente que se emiten por los automóviles. Tienen un número pequeño de átomos de Carbono (de 1 a 4). El Metano CH4 contribuye al efecto invernadero, una forma de tratarlo puede ser, para convertirlo en un gas menos nocivo:

CH4 + 2H2O 4H2 + CO2

Otro importante hidrocarburo industrial es el acetileno, una gran cantidad de este se emplea actualmente como materia prima básica en la industria química para la producción de materiales sintéticos, tipo cauchos, plásticos flexibles de vinilos, plásticos rígidos, pinturas y acabados, etc. De esta forma entonces se evita su emisión a la atmósfera y a la ves se aprovecha empleándolo como reactivo en nuevos productos.

CONCLUSIÓN

En este trabajo se describieron los principales procesos para el tratamiento de los gases contaminantes, emitidos mayoritariamente por la industria y en menor cantidad por los focos urbanos.

Es importante destacar que muchas de las formas usadas en tratamiento de estos gases es precisamente evitando sus emisiones, aplicando procesos de eliminación de elementos que puedan producirlos posteriormente, esto se efectúa en la materia prima; un ejemplo de ello es en el caso de la refinación del petróleo, donde el azufre es extraído antes, para evitar así su posterior emisión como SO2(g). Esto se debe a los bajos costos y la facilidad de controlar los procesos, ya que resulta mucho mas complicado tratarlos, utilizarlos y almacenarlos para hacerlos reaccionar en estado gaseoso.

Por políticas de privacidad de las empresas, muchos de los procesos que utilizan para tratar o evitar las emisiones de gases, son secretas y concierne en particular a cada institución. Por lo que dificulta la labor de investigar y conocer con exactitud el paradero final de cada uno de los contaminantes liberados en los procesos industriales.

Finalmente podemos concluir que debido a que la contaminación va estar inevitablemente en nuestras vidas y que nuestra salud depende de ello, tenemos que tomar conciencia ambiental acerca de esto y exigir como personas que las empresas tomen cartas en el asunto. Debido a esto los países han desarrollado un protocolo, el llamado PROTOCOLO DE KIOTO, en donde los asociados a el, se comprometen a disminuir las emisiones de sus gases en un cierto porcentaje evitando así las repercusiones que estos con llevan.

BIBLOGRAFIA

• Internet Explorer

http://www.sagan-gea.org/hojared/Hoja4.htm

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http://www.jmarcano.com/recursos/contamin/catmosf6d.html

http://www.jmarcano.com/recursos/contamin/catmosf4.html

• Manual de Procesos Químicos en la Industria Gorge T. Austin, Editorial McGRAW-HILL

• Química Industrial James A. Kent, Ediciones Grijalbo s.a.

• Química y Ambiente Dr. Carlos Millán Herrera, Universidad de Concepción