1 Química ambiental

16. OPCIÓN E – QUÍMICA AMBIENTAL

CONTAMINACIÓN DEL AIRE

Principales contaminantes

El aire no contaminado contiene cerca de un 78% de nitrógeno, un 21% de oxigeno un 1,0% de argón, un 0,03% de dióxido de carbono y vestigios de otros gases que, junto al vapor de agua, pueden llegar hasta el 4%. Un gas contaminante puede ser descrito como una sustancia que normalmente no se encuentra presente en el aire o que normalmente está presente pero en cantidades excesivas. Los principales gases contaminantes primarios son el monóxido de carbono, los óxidos de nitrógeno, el dióxido de azufre, partículas e hidrocarburos. Los gases contaminantes secundarios son compuestos formados cuando los principales gases contaminantes reaccionan en el aire.

Contaminante Fuente natural Fuente antrópica Efecto sobre la salud Métodos de reducción

Monóxido de carbono (CO)

Oxidación incompleta de

metano CH4+½O2CO+2H2O

Combustión incompleta de combustibles fósiles.

Ej.

C8H18+8

O28CO+9H2O

Previene que la hemoglobina lleve

oxígeno, es decir, que forme oxihemoglobina.

Uso de máquinas de combustión,

reactores de escape térmico, o

convertidores catalíticos.

Óxidos de nitrógeno (NOx)

Ej. N2O, NO y NO2

Tormentas eléctricas y procesos biológicos.

En el interior de máquinas de

combustión a altas temperaturas. N2+O22NO

Irritación respiratoria conduciendo a infecciones del sistema respiratorio.

Uso de máquinas de combustión,

recirculación del escape de gases, o

convertidores catalíticos.

Dióxido de azufre (SO2) (puede

oxidarse en el aire para formar SO3).

Oxidación del H2S producido por los

volcanes, y descomposición de materia orgánica.

Combustión de carbón que contiene sulfuro y fundición de minerales

de azufre. S+O2SO2

Irritación respiratoria conduciendo a infecciones del sistema respiratorio.

Extracción del azufre de los combustibles fósiles antes de la

combustión. Depuración alcalina. Combustión en lecho

fluido.

Partículas

Hollín, ceniza, polvo de amianto, arena,

humo, polen, esporas de bacterias

y de hongos.

Quema de combustibles fósiles, concretamente

de carbón y diesel.

Puede afectar el sistema respiratorio y causar

enfermedades pulmonares como enfisema, bronquitis,

y cáncer.

Cámaras de sedimentación. Precipitación electrostática.

Compuestos orgánicos volátiles

(VOCs) (CxHy ó R-H)

Plantas. Ej. Arroz. Muchas plantas

emiten hidrocarburos no

saturados llamados terpenos.

Gasolina sin quemar o parcialmente quemada

y otros combustibles; disolventes.

Algunos, como el benceno, son cancerígenos. Pueden

formar gases contaminantes secundarios contaminantes. Ej: PANs

(peroxiacetilnitratos).

Convertidores catalíticos.

Métodos de eliminación

Reactor de escape térmico Los escapes de los coches se combinan con el aire y reaccionan debido al calor de los gases emitidos. El monóxido de carbono se convierte en dióxido de carbono y los hidrocarburos no quemados entran en combustión.

2CO(g)+O2(g) 2CO2(g)

Motores de combustión El combustible puede alterarse al ajustar el carburador. A mayor proporción, menor monóxido de carbono emitido al tener lugar la reacción. Sin embargo, esto produce un incremento de temperatura, por lo que se producen más NOx. A menor proporción, menor NOx pero mayor emisión de monóxido de carbono.

Convertidor catalítico Los calientes gases de escape pasan a catalizador de platino, rodio o paladio. El monóxido de carbono y los compuestos orgánicos volátiles no quemados, VOCs, se oxidan por completo y se cataliza la reacción entre monóxido de carbono y óxido de nitrógeno.

2CO(g)+2NO(g)2CO2(g)+N2(g)

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DEPOSICIÓN DE ÁCIDOS

Dióxido de azufre Algunos azufres están presentes en el carbón como los sulfuros de metal (ej. FeS) y pueden ser retirados físicamente mediante la trituración del carbón y la mezcla con agua. Los sulfuros más densos se hunden en el fondo y el carbón limpio puede ser retirado. El azufre también es retirado del aceite antes de ser refinado al convertirse en sulfuro de hidrógeno. El dióxido de azufre puede ser removido de los gases de escape de las plantas quemadas con carbón, depurándolo con una mezcla alcalina de carbonato de calcio (CaCO3) y cal (CaO). El lodo resultante es usado como yeso, vertedero (CaSO4.2H2O) o para formar placas de escayola.

CaCO3(s)+SO2(g) CaSO3(s)+CO2(g) CaO(s)+SO2(g) CaSO3

2CaSO3(s)+O2(g)+4H2O(g) 2CaSO4.2H2O(s) Un método más moderno conocido como combustión en lecho fluido/fluidificado, requiere la quema del carbón en un lecho de piedra caliza que retira el azufre como CaSO3 o CaSO4 cuando el carbón se quema.

Precipitación electrostática Las partículas son sólidas o líquidas y están suspendidas en el aire. Se puede permitir la fijación de partículas mayores bajo la influencia de la gravedad en las cámaras de sedimentación. Para las partículas más pequeñas se puede utilizar una cámara de precipitación electrostática. Las partículas cargadas son atraídas por los electrodos de carga opuesta, que son agitadas periódicamente de modo que las partículas caen hacia el fondo del precipitador, donde son eliminadas.

Óxidos de azufre SOx El dióxido de azufre se produce de forma natural en los volcanes. Industrialmente, se obtiene de la combustión de combustibles fósiles que contienen azufre y de la fundición de minerales sulfatados.

S(s)+O2(g)SO2(g) En presencia de luz solar, el dióxido de azufre se oxida y da lugar al trióxido de azufre.

SO2(g)+

O2(g)SO3(g)

Los óxidos pueden reaccionar con el agua en el aire, formando ácido sulfuroso y ácido sulfúrico.

SO2(g)+H2O(l)H2SO3(aq) y

SO3(g)+H2O(l)H2SO4(aq)

Óxidos de nitrógeno NOx Los óxidos de nitrógeno se producen de manera natural en las tormentas eléctricas y por la acción de las bacterias. El monóxido de carbono es producido en el motor de combustión interna y en los motores de reacción.

N2(g)+O2(g)2NO(g) La oxidación a dióxido de nitrógeno se produce en el aire:

2NO(g)+O2(g)2NO2(g) El dióxido de nitrógeno reacciona con el agua, formando ácido nítrico y ácido nitroso:

2NO2(g)+H2OHNO3(aq)+HNO2(aq) También puede ser oxidado directamente a ácido nítrico por el oxigeno en la presencia de agua:

4NO2(g)+O2(g)+2H2O(l)4HNO3(aq)

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Deposición de ácidos El agua de lluvia pura es ácida, con un pH de 5,65 debido a la presencia de dióxido de carbono diselto. El dióxido de carbono en sí no es el responsable de la lluvia ácida ya que ésta se define como tal si posee un pH menor a 5,6. Los responsables de la deposición ácida son los óxidos de azufre y nitrógeno presentes en la atmósfera (proceso mediante el cual las partículas ácidas, los gases y las precipitaciones abandonan la atmósfera). La deposición húmeda, debido a la disolución y a la reacción con el agua de los óxidos ácidos en el aire, es conocida como lluvia ácida e incluye la niebla, la nieve y el rocío. La deposición seca incluye gases y partículas.

Vegetación

El incremento de la acidez en el suelo filtra importantes nutrientes como Ca2+, Mg2+, y K+. Una reducción de Mg2+

puede causar una disminución en la clorofila y como consecuencia, la capacidad de la fotosíntesis de las plantas se ve reducida. Muchos árboles han sido afectados seriamente por la lluvia ácida. Los síntomas incluyen un retraso en el crecimiento, una disminución de la copa de los árboles, un color amarillento de las hojas y la pérdida de éstas. La principal causa es el aluminio disuelto en el agua del suelo, procedente de las rocas. El ión Al3+ provoca daños a las raíces y evita que el árbol absorba suficiente agua y nutrientes para sobrevivir.

Lagos y ríos

El incremento de los niveles de iones de aluminio en el agua puede ser dañino para las especies acuáticas. La vida marina también es sensible al pH. Un pH por debajo de 6, hace que la población de especies sensibles como el salmón y el piscardo, disminuya, al igual que las larvas de insecto y las algas. Los caracoles no sobreviven con un pH inferior a 5,2 y con un nivel de pH por debajo de 5,0 muchas especies animales microscópicas desaparecen. Un pH inferior a 4,0 causa la muerte de las especies de los lagos. Los nitratos presentes en la lluvia ácida pueden llevar también a la eutrofización.

Construcciones

Las piedras, como el mármol, que contiene carbonato de calcio son erosionadas por la lluvia ácida. El carbonato de calcio reacciona con el ácido sulfúrico para dar sulfato de calcio, que puede desprenderse con el agua de lluvia, lo que aumenta la exposición de las piedras a la corrosión. También pueden formarse sales dentro de las piedras causando la rotura de la éstas y su desintegración.

CaCO3(s)+H2SO4(aq)CaSO4(aq)+CO2(g)+H2O(l)

Salud humana

Los ácidos formados cuando NOx y SOx se disuelven en agua, irritan las membranas mucosas y aumentan el riesgo de enfermedades respiratorias, como el asma, la bronquitis y el enfisema. En el agua ácida hay una mayor probabilidad de encontrar iones tóxicos, como el Cu2+ y Pb2+ (tuberías). Los altos niveles de aluminio en el agua pueden estar relacionados con el Alzheimer.

Métodos para reducir o contrarrestar los efectos de la lluvia ácida 1. Disminuir las cantidades de NOx y SOx formadas. Ej. Mejora del diseño de los motores, el uso de

convertidores catalíticos, y la eliminación de azufre durante y después de la combustión de combustibles que contienen azufre.

2. Sustituir los actuales sistemas por energías alternativas (Ej. energía eólica y energía solar) y reducir la cantidad de combustible quemado, Ej. reduciendo el transporte privado y incrementando el transporte público, y diseñando centrales eléctricas más eficientes.

3. Encalado de lagos. Añadiendo óxido de calcio o hidróxido de calcio (cal) se neutraliza la acidez y se aumenta la cantidad de iones de calcio y los precipitados de aluminio de la solución. Se ha observado su eficacia en muchos lagos de los lagos donde se ha probado, pero no en todos.

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EL EFECTO INVERNADERO Y EL CALENTAMIENTO GLOBAL

El efecto invernadero Existe un equilibrio constante entre la energía que alcanza la Tierra proveniente del sol, y la energía reflejada por la Tierra de vuelta al espacio. Esto regula la temperatura media de la superficie terrestre. La radiación que entra es radiación ultravioleta de onda corta. Una parte es reflejada de vuelta al espacio y otra es absorbida por la atmósfera antes de llegar a la superficie. La energía que devuelve al espacio es una radiación infrarroja con una gran longitud de onda. No toda la radiación escapa. Los gases de efecto invernadero presentes en la atmósfera permiten el paso de la radiación de onda corta pero absorben parte de la radiación infrarroja reflejada y la irradian de nuevo a la superficie de la Tierra. Debido a su abundancia, el vapor de agua es el principal gas de invernadero. La adherencia de la molécula de dióxido de carbono absorbe las radiaciones de una longitud de onda diferente a la de las moléculas de agua. Aunque solo constituye un 0,03% de la atmósfera, el dióxido de carbono representa un papel importante en el mantenimiento de la temperatura media global de aproximadamente 15 C.

Gases de invernadero La contribución al calentamiento global producida por los diferentes gases de efecto invernadero dependerá de su concentración en la atmósfera (abundancia) así como de su habilidad para absorber la radiación infrarroja. Aparte del vapor de agua, el dióxido de carbono es el causante de aproximadamente el 50% del calentamiento global. Los CFCs absorben miles de veces mejor la cantidad de calor que el CO2, pero dada su baja concentración en la atmosfera, su efecto se limita al 14%.

Gas Principal fuente Eficacia en la absorción del calor en comparación con el CO2

Contribución general para el aumento del calentamiento global

H2O Evaporación de océanos y lagos. 0,1 -

CO2 Combustión de combustibles fósiles

y biomasa. 1 50%

CH4 Descomposición anaeróbica de

materia orgánica causada por la agricultura intensiva.

30 18%

N2O Fertilizantes artificiales y combustión de biomasa.

150 6%

O3 Contaminante secundario en

nieblas fotoquímicas. 2000 12%

CFCs Refrigerantes, propulsores, agentes

espumantes, disolventes. 10.000 - 25.000 14%

Influencia de los gases de invernadero en el calentamiento global La mayoría de los gases de efecto invernadero tienen tanto fuentes naturales como fuentes de origen humano. Como los hombres queman gran cantidad de combustibles fósiles, la concentración de dióxido de carbono en el aire ha incrementado progresivamente. Artículos tomadas de Mauna Loa en Hawaii muestran un incremento constante de la concentración de dióxido de carbono de 1 ppm (0,0001%) cada año duranre los últimos cincuenta años. En dicho periodo, la temperatura media de la Tierra, también muestra un aumento general. En los últimos 100 años, la temperatura media de la Tierra ha incrementado aproxidamadamente 1 oC, aunque en algunos años disminuido en lugar de aumentar. Evidencias de la corteza de hielo en Groenlandia muestran que también ha habido grandes fluctuaciones en la temperatura global en el pasado; sin embargo, la mayoría de los científicos ahora aceptan que el actual calentamiento global es una consecuencia directa del incremento de la emisión de gases de invernadero. Las consecuencias previstas del calentamiento global son complejas y no hay siempre un acuerdo. Los efectos más probables son:

1. Cambios en la agricultura y en la biodistribución al cambiar el clima. 2. Aumento del nivel del mar debido a la expansión térmica y fusión de las

capas polares de hielo y de los glaciares.

Partículas Las partículas, como el hollín y polvo volcánico, pueden tener un efecto opuesto a los gases de efecto invernadero. Enfrían la Tierra mediante la dispersión de la radiación de onda corta del Sol, reflejándola hacia el espacio. La disminución de la temperatura media global durante los años 40 y 60 ha sido atribuida al incremento de la actividad volcánica durante dichos periodos.

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DISMINUCIÓN DE LA CAPA DE OZONO

Formación y disminución de la capa de ozono en la estratosfera La capa de ozono se encuentra en la estratosfera, entre 12 y 50 km por encima de la superficie de la Tierra. El ozono troposférico se encuentra en equilibrio dinámico con el oxígeno y está continuamente formándose y descomponiéndose. El fuerte doble enlace del oxígeno se rompe por la luz ultravioleta de alta energía que proviene del Sol para formar átomos. Estos átomos de oxígeno se conocen como radicales ya que poseen un electrón desapareado, y son muy reactivos. Un radical de oxígeno puede reaccionar con una molécula de oxígeno para dar ozono.

O=O(g) 2O*(g) (Con UV de alta energía) O*(g)+O2(g) O3(g) Los enlaces del ozono son más débiles, por ello la luz ultravioleta de menor energía los rompe. Cuando se rompen, ocurre lo contrario y el ozono se descompone de nuevo en una molécula de oxígeno y un radical de oxígeno. Éste puede reaccionar con otra molécula de ozono formando dos moléculas de oxígeno.

O3(g) O2(g)+O*(g) (Con UV de baja energía) O3(g)+O*(g) 2O2(g) En general, la tasa de producción de ozono es igual a la tasa de destrucción de la capa de ozono, esto es conocido como un estado de equilibrio. Debido a la formación y agotamiento de ozono y a la absorción de una amplia gama de radiación ultravioleta, la capa de ozono sirve de protección a la superficie de la Tierra de esta radiación dañina.

Disminución de la concentración de ozono en la estratosfera Mediciones de la concentración de ozono en la estratosfera han mostrado que la cantidad de ozono en la capa de ozono ha disminuido. Esto es particularmente cierto en ambos polos. La concentración tanto en el Ártico como en el Antártico es estacional. Los mayores “agujeros” ocurren durante el invierno y a principios de la primavera. Esta disminución se debe a determinados productos químicos producidos y liberados por el hombre. Los principales culpables son los CFCs (clorofluorocarbonos). El más común es es diclorodifluorometano CCL2F2, también conocido como freón o CFC-12. Los CFCs fueron desarrollados y utilizados en los refrigerantes, en los propulsores de aerosoles, en los agentes espumantes para la expansión de los plásticos y en disolventes de limpieza. Otras sustancias que también dañan la capa de ozono son los óxidos de nitrógeno NOx formados en motores de combustión interna, centrales eléctricas y aviones.

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OXÍGENO DISUELTO EN EL AGUA

Efectos ambientales de la reducción del ozono La luz ultravioleta tiene suficiente energía para dañar las moléculas biológicas, como los aminoácidos, proteínas y ácidos nucleicos. Debido al agotamiento de la capa de ozono, más luz ultravioleta alcanza la superficie de la Tierra. Efecto en los seres humanos Aumento de las quemaduras solares. Aumento del cáncer de piel.

Aumento de cataratas y ceguera. Efecto en las plantas

Mayor susceptibilidad a las enfermedades. Inhibición del crecimiento. Efecto en los ecosistemas marinos

Pérdida de fitoplancton marino. Al producir mucha biomasa, proporciona menos alimentos a los organismos marinos y propicia la pérdida de CO2.

Efecto en el tiempo

Las corrientes de convección estratosféricas se alteran. Esto afecta al viento y a la circulación del océano.

Alternativas a los CFC Desde el Protocolo de Montreal en 1987, el uso de los CFCs ha sido prohibido. Aún así, debido a su baja reactividad, se espera que permanezcan en la atmósfera al menos durante los próximos ochenta años. Destruyen la capa de ozono ya que la luz ultravioleta rompe los enlaces C-Cl, relativamente débiles. Los sustitutos de los CFCs deben tener propiedades similares a ellos pero no contener enlaces que pueden ser rotos por la luz ultravioleta para formar radicales. Las propiedades requeridas son: baja reactividad, baja toxicidad, baja inflamabilidad, así como la no existencia de enlaces débiles Cl-C. Asimismo, no deben absorber la reacción infrarroja, si no actuarían como gases de efecto invernadero. Los sustitutos más frecuentes son los HCFC (hidroclorofluorocarbonos), como CHF2Cl, ya que se descomponen más fácilmente y no se acumulan en la estratosfera. Otras alternativas activamente investigadas son los HCF (hidrofluorocarbonos), como CF3CH2F, e hidrocarburos tales como 2-metilpropano C4H10, para los refrigerantes, pero son inflamables y contribuyen al calentamiento global.

Importancia del oxigeno disuelto en el agua A una presión de 1 atm y a una temperatura de 20oC, la máxima solubilidad del oxígeno en el agua es solo de 9 ppm (es decir, 0,009 g dm-3). Aunque este valor es pequeño, es crucial ya que la mayoría de las plantas acuáticas y animales requieren oxígeno para la respiración aerobia. Los peces requieren los niveles más altos y las bacterias los más bajos. Los peces necesitan un mínimo de 3 ppm para sobrevivir; para mantener un equilibrio y una diversidad en la comunidad acuática el contenido del oxígeno no debe ser inferior a 6 ppm.

Demanda Biológica de Oxígeno (DBO) La demanda biológica (o bioquímica) de oxigeno es una medida del oxígeno disuelto (en ppm) necesaria para descomponer biológicamente la materia orgánica en agua. A menudo es medida durante un periodo de tiempo establecido de cinco días. El agua que tiene una alta DBO, sin los medios para reponer oxígeno, no mantendrá la vida acuática. Un río de corriente rápida puede recuperar su pureza con el agua que se oxigena a través de la acción mecánica de su caudal. Los lagos tienen una corriente relativamente lenta y la reoxigenación es mucho más lenta o inexistente. El agua pura tiene un DBO de menos de 1 ppm, y el agua con un DBO por encima de 5 ppm se considera contaminada.

Medición de la DBO La DBO de una muestra de agua puede ser determinada por el método de Winkler. La muestra de agua es saturada con oxígeno conociéndose la concentración inicial de oxígeno disuelto. Un volumen medido de la muestra se incuba a una temperatura fija durante cinco días, mientras que los microorganismos presentes en el agua oxidan la materia orgánica. Un exceso de sal de manganeso (II) se añade a la muestra. Bajo condiciones alcalinas, los iones de manganeso (II) son oxidados a óxido de manganeso (IV) por el oxígeno restante.

2Mn2+(aq)+ 4OH-(aq)+ O2(aq) 2MnO2(s)+ 2H2O(l). Se añade el yoduro de potasio, que es oxidado por el óxido de manganeso (IV) en una solución ácida para formar yodo.

MnO2(s)+ 2I-(aq)+ 4H+(aq) Mn2+(aq)+ I2(aq)+ 2H2O(l) El yodo liberado es después valorado con una solución estándar de tiosulfato de sodio.

I2(aq)+ 2S2O32-(aq) S4O6

2-(aq)+ 2I-(aq) Si se conoce el número de moles de yodo producidos, la cantidad de oxígeno presente en la muestra de agua puede ser calculada y, por lo tanto, su concentración.

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CONTAMINANTES DEL AGUA Y OBTENCIÓN DE AGUA DULCE A PARTIR DEL AGUA DEL MAR

La eutrofización Los nitratos procedentes de la ganadería intensiva y del uso de fertilizantes artificiales, junto con los fosfatos de los detergentes y fertilizantes artificiales, se acumulan en los lagos. Actúan como nutrientes y aumentan el crecimiento de las plantas y de las algas. Esto también puede ocurrir en áreas donde el movimiento del mar es lento. Normalmente, cuando las plantas y algas mueren, se descomponen anaeróbicamente formando dióxido de carbono y agua. Sin embargo, si el crecimiento es excesivo y el oxígeno disuelto no es suficiente para hacer frente, se produce la descomposición anaeróbica. Los hidruros formados, como el amoníaco, el sulfuro de hidrógeno y la fosfina, no solo desprenden un olor desagradable, si no que también causan el envenenamiento del agua. Más especies morirán dando como resultado una mayor descomposición anaeróbica, convirtiéndose los lagos en lugares con ausencia de vida, lo que se conoce como eutrofización.

Descomposición anaeróbica y aeróbica Si el oxígeno presente es suficiente, la materia orgánica se descompondrá aeróbicamente y se producirán óxidos. La descomposición anaeróbica necesita organismos que no requieran oxígeno. Los productos se encuentran reducidos y son a menudo malolientes y tóxicos.

Elemento Producto de la desintegración

aeróbica

Producto de la desintegración anaeróbica

Carbono CO2 CH4 (gas de los pantanos)

Nitrógeno NO3- NH3 y aminas

Hidrógeno H2O CH4, NH3, H2S, y H2O

Azufre SO42- H2S (gas de los huevos podridos)

Fósforo PO43- PH3 (fosfina)

Contaminación térmica La solubilidad del oxigeno en el agua depende de la temperatura. A medida que la temperatura aumenta, la solubilidad disminuye. Al mismo tiempo, la tasa metabólica de los peces y otros organismos aumenta, por lo que la demanda de oxígeno aumenta. Muchas industrias utilizan el agua como refrigerante y el vertido de agua caliente a los ríos puede causar contaminación térmica. Solubilidad del oxígeno en agua a diferentes temperaturas

Temperatura / oC Solubilidad del O2 en agua dulce / ppm Solubilidad del O2 en el agua del mar / ppm 0 14,71 11,71 10 11,42 9,28 20 9,14 7,50 30 7,50 6,21

Contaminantes primarios

Metales pesados Los metales pesados que existen en forma de iones en el agua contaminada incluyen cadmio, mercurio, plomo, cromo, níquel, cobre y zinc. Sus fuentes son variadas. El cadmio se encuentra, cerca de las minas de zinc, en baterías y en pinturas. El mercurio se usa como fungicida en el tratamiento de semillas y solía utilizarse como electrodo en la electrolisis del coluro de sodio. El plomo solía ser utilizado en pinturas y en gasolina con plomo, y es todavía utilizado en las baterías de los coches y en materiales de techado. Otros metales pesados se originan como resultado de procesos industriales específicos (Ej. El Cr era utilizado para el curtido de pieles), en las baterías (Ej. En las baterías de NiCd) y en biocidas (Ej. Cu en el tratamiento de la carcoma).

Pesticidas Incluyen insecticidas como el DDT, herbicidas como el paraquat, y fungicidas.

Paraquat

Dioxina Se forma cuando los materiales de desecho contienen compuestos organocloruros que no han sido incinerados a temperaturas suficientemente altas. La dioxina es muy persistente en el ambiente, y muy tóxica, acumulándose en la grasa y en las células del hígado. También puede causar malformaciones en los fetos. Fue uno de los herbicidas presentes en el Agente Naranja, utilizado en la guerra de Vietnam.

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Bifenilos policlorados, BPCs Contienen de uno a diez átomos de cloro unidos a una molécula de bifenilo. Son químicamente estables y tienen una alta resistencia eléctrica, por lo que se usan en transformadores y en condensadores. Como la dioxina, permanecen en el ambiente y se acumulan en el tejido graso. Afectan a la eficiencia reproductiva, ponen en peligro la capacidad de aprendizaje de los niños y se cree que son cancerígenos.

Nitratos Los nitratos entran en el agua potable debido a la ganadería intensiva y al uso de fertilizantes artificiales. También entran en el agua a través de la lluvia ácida. Debido a que todos los nitratos son solubles, no pueden retirarse fácilmente durante el tratamiento de aguas residuales y, por tanto, tienden a acumularse. El límite máximo de nitratos en el agua potable ha sido fijado por la Organización Mundial de Salud en 50 mg dm-3. A niveles superiores existe el riesgo para los niños pequeños del síndrome del bebé azul. Esto se debe a que en el estómago de los bebés hay menor acidez y, por tanto, las bacterias convierten los nitratos en nitritos. El ión nitrito oxida el hierro de la hemoglobina, por lo que ya no puede unirse al oxígeno y el bebé sufre de falta de dicho gas. En ocasiones, esto también ocurre en los adultos. Algunos nitratos se convierten en nitritos, que a su vez se convierten en nitrosaminas, cancerígenas.

Métodos de obtención de agua dulce a partir del agua del mar

Destilación Muchos países con un clima cálido, destilan el agua del mar para obtener agua dulce. Una de las plantas más grandes de Israel produce más de 3 millones de litros al día. El agua de mar se calienta en una serie de tubos en forma de espiral y se introduce en una cámara de vacío parcial. A causa de la baja presión, parte del agua de mar hierve al instante. El vapor de agua producido, se condensa por contacto con las tuberías de agua fría que llevan agua de mar. De esta manera, el calor liberado cuando el agua se condensa, se utiliza para precalentar más agua de mar.

Ósmosis inversa Se aplica una gran presión a una solución parcialmente permeable hecha de acetato de celulosa. El agua es forzada a salir de la solución salina a través de la membrana dejando atrás las sales. El objetivo es conseguir una membrana que pueda soportar una alta presión y que permita un flujo razonable de agua. Las plantas comerciales alcanzan presiones de hasta 70 atm y un metro cúbico de la membrana puede producir alrededor de 250.000 litros de agua dulce cada día.

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TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

Aguas residuales sin tratar En algunos países, las aguas residuales siguen siendo vertidas a los ríos y al mar. Eventualmente se degrada por los microorganismos, pero el proceso lleva tiempo y puede causar contaminación de las playas y zonas de baño. En zonas remotas, las aguas residuales se vierten a menudo en tanques sépticos donde se descomponen en el suelo. Las agua residuales tratadas en la depuradora de aguas residuales, contienen materia flotante, materia coloidal, y gran variedad de microorganismos. El objetivo del tratamiento es eliminar este material adicional y reciclar el agua dulce.

Tratamiento primario El tratamiento primario retira alrededor del 60% de los materiales sólidos y aproximadamente un tercio de los desechos que demandan oxígeno. Las aguas residuales pasan a través de gruesos filtros mecánicos para la eliminación de objetos grandes como palos, papel o trapos. Seguidamente pasa a una cámara en la que se deja la arena y los pequeños objetos. A continuación pasa a un tanque de sedimentación, donde los sólidos en suspensión se depositan. Una mezcla de hidróxido de calcio y sulfato de aluminio se añade para auxiliar este proceso.

Al2(SO4)3(aq)+ 3Ca(OH)2(aq) 2Al(OH)3(s)+ 3CaSO4(aq) Las dos sustancias se combinan para formar hidróxido de aluminio que precipita llevando consigo las partículas en suspensión, proceso conocido como floculación. La grasa es retirada de la superficie del tanque por descremado. El agua es descargada en un canal o pasa al tratamiento secundario.

Tratamiento secundario El tratamiento secundario elimina hasta un 90% de los residuos que demanda oxígeno (materia orgánica y bacterias peligrosas). El objetivo es degradar los desechos aeróbicamente, usando oxígeno y bacterias. Un método utiliza filtros de goteo. La materia orgánica es degradada por bacterias, al mismo tiempo que las aguas residuales atraviesan un lecho de piedras. Un método más efectivo es el proceso de lodos activados. Las aguas residuales son aireadas con oxígeno puro en un tanque de sedimentación. El lodo que se sedimenta contiene microorganismos activos que digieren la materia orgánica y parte de ella es reciclada. El agua que sale se descarga en un canal donde se desinfecta con cloro u ozono antes de ser apta para el consumo.

Tratamiento terciario Aunque es caro, hay una creciente necesidad del tratamiento terciario. Los tratamientos primarios y secundarios no eliminan los iones de metal pesados, los nitratos y fosfatos, o sustancias residuales de compuestos orgánicos. Precipitación Los iones de metales pesados y los fosfatos pueden ser retirados por las precipitaciones. El sulfato de aluminio puede ser utilizado para retirar los fosfatos.

Al3+(aq)+ PO43-(aq) AlPO4(s)

3Ca2+(aq)+ 2PO43-(aq) Ca3(PO4)2(s)

Los iones de metales pesados pueden precipitar en forma de hidróxidos insolubles o sales básicas por la adición de hidróxido de calcio o carbonato de sodio.

Ej. Cr3+(aq)+ 3OH-(aq) Cr(OH)3(s) Sin embargo, algunos hidróxidos metálicos vuelven a disolverse debido a la formación de complejos solubles, por lo que algunos iones de metales pesados, tales como Zn2+, Hg2+, y Cd2+, precipitan como sulfuros insolubles por el burbujeo del sulfuro de hidrógeno en el agua.

Cd2+(aq)+ H2S(g) CdS(s)+ 2H+(aq) Lechos de carbón activado El resto del material orgánico disuelto puede ser retirado al permitir que el agua fluya a través de un lecho de carbón activado. El carbono se reactiva calentándose a altas temperatura para oxidar y absorber compuestos orgánicos (CO2 y H2O) y regenerar la superficie del carbón. Eliminación de los nitratos Los nitratos son difíciles de eliminar por medios químicos. Como los nitratos son solubles, la precipitación no puede ser utilizada. Columnas de intercambio iónico hechas de zeolita, pueden ser empleadas en el intercambio de iones de hidróxido a iones de nitrato, pero esto es muy costoso para grandes volúmenes de agua. Son más fáciles de eliminar mediante la métodos biológicos. Las bacterias anaerobias desnitrificantes pueden reducirlos a nitrógeno. o el agua puede pasar por estanques de algas donde las algas utilizan el nitrato como nutriente.

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SUELOS

Contaminantes orgánicos del suelo

Contaminante Fuente

Hidrocarburos y otros VOCs (CSVs incluidos) Transporte, disolventes y procesos industriales.

Agroquímicos Pesticidas, herbicidas y fungicidas.

Hidrocarburos poliaromáticos Combustión incompleta del carbón, del petróleo, del gas, de la madera y de la basura.

Bifenilos Policlorados, BPC Uso como refrigerante y aislante en equipos eléctricos como transformadores y generadores.

Compuestos organoestánnicos Bactericidas y fungicidas utilizados en el papel, en la madera madera, en textiles y en pinturas.

Degradación del suelo La composición del suelo varía considerablemente, pero esencialmente es una mezcla compleja de materia orgánica, incluyendo organismos vivos. Cuando la calidad del suelo ha sido afectada de alguna manera haciendo que la producción agrícola sea baja, esto se conoce como degradación del suelo. Esto puede ocurrir, naturalmente, debido a cambios en los patrones del clima o puede ser causado por una variedad de factores humanos como la acidificación, desertificación, contaminación, erosión y salinización. Debido a la tala de madera, el pastoreo excesivo y la industrialización, hay una preocupación acerca del ritmo actual de degradación de los suelos en muchas partes del mundo. Salinización La salinización es causada por el riego constante o el riego en exceso. El agua utilizada en el riego contiene sales disueltas. Cuando el agua evapora, deja las sales disueltas atrás. Si el suelo está mal drenado, las sales se acumulan en la capa fértil de suelo. Estas sales tienen dos principales efectos que llevan a la muerte de los cultivos. Las plantas pueden morir debido a los niveles tóxicos o a causa de la deshidratación ya que sus raíces no son capaces de absorber agua de los suelos salinos.

Agotamiento de los nutrientes Las plantas necesitan minerales y nutrientes para crecer sanas. Cuando se cosechan cultivos, estos eliminan nutrientes y minerales que han absorbido del suelo durante su crecimiento. En el pasado, los agricultores de pequeña escala practicaban la rotación de cultivos y dejaron el suelo en barbecho durante algunos periodos, al que añadían materia orgánica como estiércol y abono para mantener los niveles de nutrientes. Hoy por hoy, la mayor parte de la agricultura es intensiva. Si las prácticas adecuadas de gestión no se siguen, estos nutrientes no serán reemplazados, provocando el agotamiento del suelo.

Contaminación del suelo La contaminación del suelo puede ser causada por una gran variedad de factores. Los desechos industriales y el vertido inadecuado de desechos tóxicos pueden causar la contaminación del suelo a largo plazo. La contaminación orgánica del suelo, con sustancias como aceite de transporte y el vertido ilegal de el aceite de motores gastado, causan efectos a corto plazo. El uso de pesticidas y fertilizantes puede alterar la cadena alimentaria por la destrucción de especies y. por tanto, por la reducción de la biodiversidad del suelo, y por último, la destrucción del suelo. Los contaminantes también pueden llegar a las aguas superficiales y moverse por el suelo contaminando las aguas subterráneas.

Materia Orgánica del Suelo (MOS) Aunque las plantas sanas requieren elementos esenciales como fósforo, nitrógeno, azufre y potasio, el suelo rápidamente empieza a degradarse por sí sólo, por lo que se aplican fertilizantes artificiales como el sulfato de amonio. Se sabe que el estiércol de los animales y el abono bien descompuesto formado a partir de desechos orgánicos, son buenos nutrientes para el suelo, proporcionando no solo minerales sino también materia orgánica. Materia Orgánica del Suelo, MOS, es el término general utilizado para representar los componentes orgánicos del suelo. Esto incluye plantas y tejidos animales, sus productos de descomposición parcial y la biomasa del suelo. La descomposición de las plantas produce masa orgánica de alto peso molecular, como polisacáridos y proteínas, y sustancias más simples, como los azúcares, aminoácidos y otras moléculas pequeñas (todas contribuyen a la MOS). La mezcla compleja resultante se conoce como humus, que es, por tanto, una mezcla de productos químicos orgánicos simples y complejos de origen vegetal, animal y microbiano. Las funciones del MOS se pueden clasificar en tres categorías principales: Biológica El humus es una fuente de energía y de elementos como el fósforo, el nitrógeno y el azufre, y por tanto, ayuda a

mantener un crecimiento saludable. Física El humus ayuda al suelo a retener la humedad aumentando la capacidad del suelo para soportar condiciones de

sequía, y fomenta la formación de una buena estructura del suelo. Debido a su humus de color negro, absorbe el calor ayudando a calentar el suelo frío durante la primavera.

Química El humus puede actuar como arcilla por su capacidad de intercambio de cationes. Contiene zonas activas que les permite unirse a cationes de nutrientes. Esto no solo los hace más disponibles a las plantas, sino que también impide que sean arrastrados por la lluvia o durante el riego. Los cationes tóxicos, como los de los metales pesados, también pueden unirse al humus, impidiendo que entren en un ecosistema más amplio. También mejora la capacidad del suelo de mantener un pH constante, al actuar como un amortiguador ácido-base.

11 Química ambiental

RESIDUOS

Métodos de eliminación de residuos En el pasado, los desechos de las sociedades prósperas eran tirados, quemados o depositados en vertederos, mientras que las sociedades menos favorecidas reciclaban por motivos económicos. La quema de residuos y el depósito de los mismos en vertederos son dos métodos que se siguen llevando a cabo, aunque se está animando a la población a reciclar en la medida que sea posible. La reutilización de materiales como el vidrio, el metal y los plásticos son de vital importancia.

Método Ventajas Desventajas

Depósito en vertederos

Método eficaz para hacer frente a grandes volúmenes.

Las zonas llenas se pueden utilizar para construir o para otros fines de

la comunidad.

Los residentes locales pueden oponerse a su construcción.

Una vez llenos, necesitan tiempo para asentarse y pueden requerir de mantenimiento ya que se desprende

metano.

Vertederos abiertos Prácticos y baratos.

Causan la contaminación del aire y de las aguas subterráneas.

Son peligrosos para la salud (atraen roedores e insectos).

Son antiestéticos.

Vertederos oceánicos Fuente de nutrientes. Prácticos y baratos.

Son peligrosos para los animales marinos.

Contaminan el mar.

Plantas de incineración

Reduce el volumen. Requiere un espacio mínimo.

Produce residuos estables, sin olor. Se puede utilizar como fuente de

energía.

Son caras de construir y de operar. Por ejemplo, pueden hacer que los

contaminantes como las dioxinas, se quemen de manera ineficiente. Requiere energía.

Reciclaje Proporciona un entorno sostenible. Alto costo.

Dificultad a la hora de separar los diferentes materiales.

Reciclaje

Metales Principalmente aluminio y acero. Los metales se clasifican, se funden y se vuelven a utilizar directamente o pasan a la etapa purificación para formar menas. Este proceso es especialmente importante en metales como el aluminio, que requieren grandes cantidades de energía para producir menas directamente. Papel El reciclaje del papel sigue una serie de etapas. En primer lugar se lavan para eliminar las tintas, etc. A continuación se convierte en una pasta para formar nuevos tipos de papel como el papel de periódico y el higiénico. Sin embargo, se requiere energía para el transporte del papel y puede ser mejor emplearlo para la elaboración de compost. Vidrio El vidrio se ordena por colores, se lava, se rompe, se funde y se moldea para formar productos nuevos. El vidrio no se degrada durante el proceso de reciclaje, por lo que puede ser reciclado muchas veces. Plásticos Después de la clasificación de los plásticos, éstos se degradan para dar monómeros a través de la pirolisis, la hidrogenación, la gasificación y el craqueo térmico para repolimerizarlos. El reciclaje produce menos contaminantes y utiliza menos energía que la producción de nuevos plásticos a partir de petróleo crudo, pero la clasificación de los plásticos puede ser difícil.

12 Química ambiental

Hay varios tipos de residuos nucleares Hay diferentes residuos nucleares. Algunos de ellos son radioisótopos que se investigan en laboratorios u hospitales. Otros son barras de combustible de centrales nucleares agotadas, y otros materiales que han entrado en contacto con material radiactivo y han sido contaminados. Principalmente, los residuos nucleares se pueden dividir en residuos de alta actividad y residuos de baja actividad. Los residuos de baja actividad incluyen artículos como guantes de goma, papel de cocina y ropa de protección que se han utilizado en las áreas donde se manejan materiales radiactivos. Su nivel de actividad es bajo y la vida media de los isótopos radiactivos es generalmente corta. Los residuos de alta intensidad tienen una elevada actividad y, en general, sus isótopos tienen vidas medias largas. Se mantienen activos durante un largo período. Los residuos de mayor actividad provienen de las barras de combustible gastado o del reprocesamiento del combustible nuclear gastado.

Almacenamiento y eliminación de residuos nucleares Se utilizan diferentes métodos para eliminar los residuos de baja intensidad. Aunque muchos gobiernos lo prohíben, en muchas ocasiones se vierten al mar, donde se diluyen. Como su desintegración produce calor, es mejor la utilización de tanques enormes de agua fría llamados "lagunas" en los que se puede perder gran parte de su actividad. Antes de descargarlos al mar, se deben filtrar a través de una resina de intercambio iónico que elimina el estroncio y el cesio, elementos responsables de gran parte de su radiactividad. Otros métodos incluyen mantener los residuos en contenedores de acero con el interior revestido con bóvedas de hormigón. En el caso de los residuos de alta actividad, mediante el reprocesamiento se recupera cerca de 96% del uranio para su reutilización. Aproximadamente el 1% es plutonio, un combustible valioso. El 3% es principalmente líquido de desecho. Uno de los métodos utilizados para tratar esto es la vitrificación. Los residuos líquidos se secan en un horno y se introducen en un crisol junto con el material de fabricación de vidrio. El material fundido se vierte en tubos de acero inoxidable, donde se solidifica. El aire fluye alrededor de los contenedores para mantenerlos frescos. Debido a la alta actividad y larga vida media de algunos de los residuos, se mantienen activos durante cientos o miles de años. El problema es cómo almacenarlos de forma segura durante este periodo de tiempo. La mejor solución parece ser enterrarlos en lugares geológicamente estable como minas abandonadas o en roca de granito. El problema es que el material radiactivo puede llegar a filtrarse en el agua subterránea y posteriormente en el agua potable.