MARIE CURIE (1867-1934)

“El Año Internacional de la Química 2011 (AIQ 2011),

proclamado por la Asamblea General de las

Naciones Unidas a propuesta de Etiopía, tiene por

objeto celebrar la contribución de la química al

bienestar de la humanidad. Bajo el lema “Química:

nuestra vida, nuestro futuro”, este Año Internacional

pondrá de relieve el papel que esta ciencia

desempeña en ámbitos tan diversos como la salud,

la alimentación, el medio ambiente, la energía y los

transportes”.

Fuente: La Química y la Vida. El Correo de la UNESCO Enero-Marzo, 2011

“MITIGACIÓN DEL CALENTAMIENTO GLOBAL MEDIANTE LA GESTIÓN RESPONSABLE Y SOSTENIBLE DE SUSTANCIAS QUÍMICAS”

2011

Jorge Eduardo Loayza Pérez (FQIQ-UNMSM-Lima-Perú)

SOCIEDAD QUÍMICA DEL PERÚAÑO INTERNACIONAL DE LA QUÍMICA

CICLO DE CONFERENCIAS “LA QUÍMICA EN SUS DIVERSAS APLICACIONES”

CONTENIDO

1. Introducción

2. Antecedentes. Efecto invernadero

3. Gases de Efecto Invernadero (GEI) – Sustancias químicas

4. Calentamiento Global

5. Mitigación del Calentamiento Global

jorgeloayza.blogspot.com

1. INTRODUCCIÓN

¿QUÉ SE ENTIENDE POR UN PROBLEMA AMBIENTAL?

Un problema ambiental es una alteración del equilibrio natural de los diversos constituyentes del ambiente (medio ambiente) o de un componente ambiental

(o más) debido a causas naturales, humanas (o antrópicas) o ambas.

Ave recubierta de petróleo, luego de ser alcanzada por la“marea negra” proveniente del derrame del Prestige (2002),

en las costas de Galicia (España).

DIVERSOS CRITERIOS DE CLASIFICACIÓN DE LOS PROBLEMAS AMBIENTALES

Según el criterio:

LUGAR DE LA CAUSA-LUGAR DEL EFECTO

- Locales

- Regionales

- Globales

TIPOS DE PROBLEMAS AMBIENTALESLocales (Por ejemplo, ruido durante el despegue y aterrizaje de

un jet de pasajeros)

Regionales (Por ejemplo, la erupción del volcán Eyjafjallajoekull -Islandia, 2010-, y del Payehue –Chile, 2011-)

NUBES DE CENIZAS SOBRE EUROPA

VIERNES AL MEDIODÍA

La nube de cenizas volcánicas obliga a cancelar más de 5000 vuelos en toda

Europa.(Fuente: www.elpais.com, 21 de marzo, 2010)

El 04 de junio, 2011, se inició la erupción del Puyehue-Caulle. al sur de Chile, que ha obligado al cierre de aeropuertos de Chile y Argentina (Fuente: www.lavanguardia.com, 08 de junio, 2011)

Globales (Por ejemplo, generación de GEI que contribuyen al efecto invernadero, calentamiento global y cambios

climáticos -y ambientales-)

Incendio Forestal, Perth, Australia (2011)

2. ANTECEDENTES – EFECTO INVERNADERO NATURAL

2.1. El “Efecto Invernadero” es el atrapamiento de calor por parte de la atmósfera.

2.2. La atmósfera recibe la luz visible procedente del Sol y atrapa la radiación infrarroja procedente de la superficie terrestre.

2.3. Parte de la energía desprendida se transporta por las masas de aire o por la evaporación del agua, pero la mayoría se irradia hacia la atmósfera, donde queda retenida, remitiéndose una pequeña parte hacia el espacio.

2.4. El “Efecto Invernadero” hace posible que la temperatura promedio del planeta sea de 15 °C, se estima que si no actuase este efecto, la temperatura promedio del planeta sería de -18°C.

CO2

H2O CH4

O3 N2O

CFCHFC

Y PFC

SF6

GEI

3. GASES DE EFECTO INVERNADERO

a. Por el origen

a.1. De origen natural (Por ejemplo,

H2O -vapor-)

a.2. De origen humano (Por ejemplo, PFC)

a.3. De origen natural y de origen humano (Por ejemplo, CO2)

b. De origen humano

b.1. Sub productos de un proceso (Por ejemplo: CO2, en la producción de NH3)

b.2. Productos de un proceso (por ejemplo: SF6)

TIPOS DE GEI = SUSTANCIAS QUÍMICAS

¿QUÉ CARACTERÍSTICA GENERAL TIENE UN GEI?

• N2 y O2 (son gases mayoritarios en las tropósfera, pero no son GEI, sus moléculas son diatómicas y homonucleares, no absorben radiación infrarroja)

• CO2 (forma parte de la composición del aire) y H2O (variable en la tropósfera): sus moléculas son poliatómicas -triatómicas- y heteronucleares, si absorben la radiación infrarroja.

VIBRACIONES MOLECULARES DE LAS MOLÉCULAS DE CO2

Tensión simétrica o-c-o (7490 nm)

Tensión asimétrica o-c-o (4257 nm)

Flexión o-c-o (14992 nm)

DIÓXIDO DE CARBONO

VIBRACIONES MOLECULARES DE LAS MOLÉCULAS DE H2O

Análogamente a lo que ocurre con el CO2

CASO: METANO (CH4)

Aproximadamente la mitad de la producción de metano proviene de los sembradíos de arroz, de la actividad animal, y de la acción de los termitas (1). Una cuarta parte proviene de tierras pantanosas y húmedas (2). Un 15% de la extracción de gas natural y carbón mineral (3). Los rellenos de residuos sólidos (domésticos) y otras sustancias orgánicas en descomposición contribuyen con un 5% de las emisiones de metano (4).

CONTRIBUCIÓN %

(1) 55

(2) 25

(3) 15

(4) 5

TOTAL 100

CASO: PERFLUOROCARBONOS (PFC)

Los PFC están siendo usados en los equipos de refrigeración y en la limpieza y composición de los extintores. Sin embargo, los PFCs son gases extremadamente potentes y fomentan el efecto invernadero, además son un problema a largo plazo puesto son activos hasta en 50.000 años. En un estudio 2003, el PFC atmosférico más abundante era el tetrafluorometano.

Molécula de TetrafluorometanoN° CAS 75-73-0

En la fabricación de semiconductores se utiliza el F4Cmezclado con oxígeno para limpiar mediante plasmalos reactores de CVD (Chemical Vapor Deposition).

El freón R14 es un agente selectivo de grabado de diferentesmetales, óxidos y siliciuros metálicos

CASO: HEXAFLUORURO DE AZUFRE SF6

El hexafluoruro de azufre es un compuesto orgánico de fórmula SF6. En condiciones normales de presión y temperatura es un gas incoloro, inodoro, no tóxico y no inflamable, es cinco veces más pesado que el aire, presentando una densidad de 6,13 g/L a una atmósfera de presión. El SF6

presenta geometría molecular octaédrica . Es un gas muy inerte y poco soluble en agua, aunque sí en solventes orgánicos no polares (alcohol, éter).

N° CAS: 2551-62-4

SAR = SECOND ASSESSMENT REPORT (1995)TAR = THIRD ASSESSMENT REPORT (2001)

POTENCIAL DE CALENTAMIENTO GLOBAL DE GASES DE EFECTO

INVERNADERO (COMPARADO AL CO2)

PCG o GWP (por sus siglas en inglés): Potencial de Calentamiento Global define el efecto de calentamiento

integrado a lo largo del tiempo que produce hoy una liberación

instantánea de 1 kg de un gas de efecto invernadero (GEI), en

comparación con el causado por el CO2. De esta forma, se pueden tener en cuenta los efectos radiativos de cada gas, así como sus diferentes periodos de permanencia en la

atmósfera.

Gas de Efecto InvernaderoPCG

Después de 20 Años

PCG

Después de 100 años

Dióxido de Carbono (CO2) 1 1

Metano (CH4) 62 23

Óxido de Nitrógeno (N2O) 275 296

HFC-23 9400 12000

HFC-125 5900 3400

HFC-134a 3300 1300

HFC-143a 5500 4300

CF4 3900 5700

C2F6 8000 11900

SF6 15100 22200FUENTE: Climate Change 2007: the Fourth Assessment Report (AR4),

Intergovernmental Panel on Climate Change.

EMISIONES POR VOLUMEN Y PCG

Fuente: Inventory of U.S. Greenhouse Gas Emissions and Sinks (2008),EPA. Climate Change 2007: the Fourth Assessment Report (AR4),

Intergovernmental Panel on Climate Change.

Fuente: Source: Inventory of U.S. Greenhouse Gas Emissions and Sinks (2008), EPA.

Figura 1 Figura 2

4. CALENTAMIENTO GLOBAL

PROBLEMA AMBIENTAL

EFECTOS

MANIFESTACIÓN DEL PROBLEMA AMBIENTAL

(Elevación de la temperaturapromedio del planeta)

CAUSASCOMPONENTE

AMBIENTALREFERENTE

EFECTO

INVERNADERO

1) Naturales2) Humanas

(Antrópicas) Aire, agua,

suelo y biosferaPoblación humana

y no humana

1) CambioClimático

2) Elevación del nivel del mar

3) Otros

CALENTAMIENTO GLOBAL(EFECTO INVERNADERO REFORZADO)

CALENTAMIENTO GLOBAL (PROBLEMA POLIÉDRICO)

CARA CIENTÍFICA

CARA FILOSÓFICACARA ECONÓMICA

CARA POLITICA

Fuente: Carlos M. Madrid Casado, 2010.

TETRAEDRO REGULAR

¿Criterio?

EN REALIDAD ES UN TETRAEDRO IRREGULAR

CARA CIENTÍFICA

CARA FILOSÓFICACARA ECONÓMICA

CARA POLITICA

CALENTAMIENTO GLOBAL - CAUSAS

1) Exógenas:• Procesos que provocan cambios en flujos de energía de las

radiaciones (nivel de irradiación que nos llega del Sol).

• Cambios en la geometría de la órbita de la Tierra alrededor del Sol (Dickinson, 1989).

• El Sol varía “ligeramente” de tamaño a lo largo de diversos intervalos de tiempo (cortos y largos), según Gilliland (1981).

CALENTAMIENTO GLOBAL - CAUSAS

2) Endógenas:

• De origen natural (por la presencia de gases naturalescausantes del efecto invernadero: H2O, CO2 , CH4 y N2O).

• De origen humano (por la presencia de una mayor cantidad de GEI de origen antrópico, debido a malas prácticas domésticas e industriales)

Charles David Keeling (1928-2005)

CONTENIDO DEL CO2 EN LA ATMÓSFERA(MEDIDO EN EL OBSERVATORIO DE MAUNA

LOA, HAWAII)

GRÁFICA TIPO “PALO DE HOCKEY”

EFECTOS DEL CALENTAMIENTO GLOBAL

La elevación de la temperatura promedio del planeta contribuye ; es decir, no es la única causa de:

• Cambios en el Sistema Climático

• Deshielo de los glaciares.

• Aumento del nivel del océano.

• Otros

5. MITIGACIÓN DEL CALENTAMIENTO GLOBAL

• La mitigación del Calentamiento Global se puede realizar mediante la gestión responsable (segura) y sostenible de las sustancias químicas (Gases de Efecto Invernadero o GEI).

• Es importante tener en cuenta que existen GEI “inevitables” (son los de origen natural) y GEI “evitables” (son los de origen antrópico o humano)

5. GESTIÓN INTEGRAL DE LOS GEI

a) GEI “INEVITABLES”:

Aquellos que provienen de fuentes naturales (Por ejemplo: N2O y NOx

otros gases-):

No se pueden “evitar”.

CLASIFICACIÓN DE LOS GEI CON FINES DE GESTIÓN

b) GEI “EVITABLES”:

Aquellos generados por actividades humanas (o antrópicas), los cuales se pueden minimizar por diversas vías:

b.1. Gases de combustión en la generación de energía por la quema de petróleo, gas y carbón (Por ejemplo, eficiencia energética en centrales térmicas -)

b.2. Diversas actividades industriales

b.2.1. Subproductos o residuos (Por ejemplo, producción de cemento: CO2, producción de fertilizantes: N2O)

b.2.2. Producción de refrigerantes y agentes de extinción de fuego (Por ejemplo: CFC).

5.1. MINIMIZACIÓN EN LA FUENTE

1) Vía reducción:

- Buenas prácticas domésticas.

- Buenas prácticas industriales (BPI o BPM: PML, BPA)

2) Vía sustitución:

- Otras fuentes de generación de energía eléctrica (Por ejemplo, solar, eólica, hidroeléctrica, mareomotríz, otras).

- Productos químicos sustitutos (Por ejemplo, gas natural por carbón, nuevos agentes refrigerantes, otros)

3) Vía captura, almacenamiento, trasformación (valorización o reaprovechamiento)-destrucción:

- Aprovechamiento del poder calorífico (Por ejemplo: CH4)

5.2. ¿QUÉ HACER?

PROCESO INDUSTRIAL

EMISIONES

RESIDUOSSÓLIDOS

EFLUENTES

AL AIRE…

AL AGUA…

AL SUELO…

ESCENARIO 1 (ESCENARIO INICIAL)

¿QUÉ HACER?: REALIZAR CAMBIOS EN LOS PROCESOS INDUSTRIALES

PROCESO INDUSTRIAL (☼)

RESIDUOSSÓLIDOS

EFLUENTES

AL AIRE…

AL AGUA…

AL SUELO…

• BUENAS PRÁCTICAS, CAMBIOS EN MATERIA PRIMAS, INSUMOS Y COMBUSTIBLES•, CAMBIOS EN PROCESOS• CAMBIOS EN LOS PRODUCTOS

EMISIONES

ESCENARIO 2

CASO: PRODUCCIÓN DE CEMENTO

• Sustitución del método seco por el método húmedo.

• Empleo de adiciones minerales para reducir la temperatura de la clinkerización.

• Sustitución del petróleo y el carbón por el gas natural

Central Térmica

Planta de Cementos Lima en Atocongo, Lima, Perú

REACCIONES PARA LA PRODUCCIÓN DE CLINKER (O CLINQUER)

• Al2(OH8Si4O10) → 2(Al2O3 * 2SiO2)+ 4H2O

• Al2O3 * 2SiO2 → Al2O3 + 2SiO2

• CaCO3 → CaO + CO2

• CaO*Al2O3 + 2CaO → 3CaO*Al2O3 (C3A)

• CaO*Al2O3 + 3 CaO + Fe2O3→ 4CaO*Al2O3* Fe2O3 (C4AF)

• 2CaO*SiO2 + CaO → 3CaO*SiO2 (C3S)

• CaO*SiO2 + CaO → 2CaO*SiO2 (C2S)

4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O + Calor (1)

4NH3 + 3O2 2N2 + 6H2O (2)

4NH3 + 4O2 2N2O + 6H2O (3)

2NO+ O2↔ 2NO2 (4)

3NO2+ H2O ↔ 2HNO3 + NO + Calor (5)

HNO3 + NH4OH NH4NO3 + H2O (6)

CASO: PRODUCIÓN DE NITRATO DE AMONIO

5.3. CAPTURA, ALMACENAMIENTO, TRANSFORMACIÓN Y DESTRUCCIÓN

• Captura (Atrapar el gas en la fuente de generación)

• Caso: CO2 (Plantas de amoniaco a partir de gas natural)

¿QUÉ HACER?: UTILIZAR DISPOSITIVOS DE CONTROL PARA CAPTURA

Dispositivo de control

PROCESO INDUSTRIAL

RESIDUOSSÓLIDOS

EFLUENTES

AL AIRE…

AL AGUA…

AL SUELO…

EMISIONES

ESCENARIO 3

• Almacenamiento (Confinamiento en condiciones ambientalmente adecuadas, no necesariamente en la fuente de generación)

• Caso: CFC

(Subproductos de procesos industriales o retiro por sustitución de gases refrigerantes)

• Transformación para valorización y transformación para destrucción

• Implica un proceso para su transformación en otra sustancia química –nueva estructura-: en la misma fuente PML o en otras instalaciones)

Caso: CO2

• Urea (Transformación en otra sustancia química –nueva estructura-: en la misma fuente PML)

• Como agente neutralizante en el tratamiento de aguas residuales básicas

CASO: APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO

• Los GEI tienen un poder calorífico que puede ser aprovechado para generar energía.

• Por ejemplo, se genera CH4 como resultado de la descomposición de residuos sólidos urbanos (o residuos domésticos) en rellenos sanitarios.

Poder calorífico del biogas:4.000 y 6.000 Kcal/m3, Dependiendo del porcentaje de metano en la

composición del gas

• Se puede usar CH4 o enriquecer el biogás con H2

CH4 + 2O2 + 7.52N2 → CO2 + 2H2O + 7.52N2

2H2 + O2 + 3.76N2 → 2H2O + 3.76N2

GARCÍA, J., AMELL A., BURBANO H. Análisis comparativo de las propiedadesde combustión de las mezclas metano-hidrógeno con respecto al metanoINGENIERÍA & DESARROLLO Número 20 Julio-Diciembre, 2006 (ISSN: 0122-3461)

• Adicionando hidrógeno se disminuyen las emisiones de hidrocarburos, CO y CO2, pero hay un incrementoen las emisiones de NOX

CATTELAN, A. and WALLACE, J. Exhaust emission and energy consumption effectsfrom hydrogen supplementation of natural gas. Alternative fuels emissions andtechnology SP-1115, 1995, p. 155-165.

Barrero Marinela, Carreño Rafael , Evaluación de los aceites esenciales de la cúrcuma cultivada en Venezuela. Agronomía Tropical 50(1):67-81. 2000

El uso de CO2 supercrítico varía desde la producción de extractos naturales, sin el uso de los solventes orgánicos tradicionales, hasta el desarrollo de nuevos materiales.

Esta amplia variedad de utilidades lo convierte en un proceso ideal principalmente para las industrias farmacéutica, cosmética y alimenticia.

CO2 COMOFLUIDO SUPERCRÍTICO

¿QUÉ HACER?: TRATAR EL COMPONENTE AMBIENTAL CONTAMINADO

Tratamiento del componente ambiental contaminado

PROCESO INDUSTRIAL

EMISIONES

RESIDUOSSÓLIDOS

EFLUENTES

AL AIRE…

AL AGUA…

AL SUELO…

CAPTURA DE CO2

POR LOS BOSQUES

ESCENARIO 4

5.5. REDUCCIÓN DE GEI A TRAVÉS DE MDL

Caso: Captura de GEI en rellenos sanitarios y su aprovechamiento económico (generación de energía)

Requisitos:

Los residuos domésticos deben ser vertidos en una infraestructura técnicamente diseñada para el almacenamiento y degradación de estos residuos, y que posibilite la recolección del biogás generado.

Obstáculos:

La proliferación de botaderos (“tiraderos”) a cielo abierto.

Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL): Acuerdo por el cual los países desarrollados invierten dinero en proyectos de reducción de gases efecto invernadero, en países en vías de desarrollo y

utilizan aquellas cantidades reducidas para lograr sus propios objetivos de reducción.

PARÁMETROS QUE INFLUYEN EN LA GENERACIÓN DEL BIOGÁS A PARTIR DE UNA FUENTE DE ÁREA

DE CONTAMINACIÓN (RELLENO SANITARIO)

• Composición de los residuos (porcentaje de materia biodegradable, humedad y del lecho, presencia de nutrientes e inhibidores).

• Sistema de gestión del relleno sanitario -o vertedero- (grado de compactación, grado de mezcla, recirculación de lixiviados, construcción de la celda).

• Edad de los vertidos y condiciones climatológicas de la zona (nivel de lluvias y variación de temperaturas).

CORTE DE UN RELLENO SANITARIO

CORTE DE UN RELLENO SANITARIO TERMINADO

Recolección delixiviados

Celda de residuosRecubrimiento final

Restauraciónpaisajística

Revestimiento

Sistema de recolección de biogás

GENERACIÓN DE GEI EN LOS RELLENOS SANITARIOS

1. De acuerdo a estudios internacionales 1 m3 de biogás se genera a parte de 5-10 kg de residuos domésticos (residuos sólidos municipales).

2. Características de los residuos domésticos: 50% de materia orgánica.

3. Composición del biogás:

* 45-60 % de CH4

* 40-60 % de CO2

* 2 – 5 % de N2

* 1 % de O2

* pequeños volúmenes de otros gases

4. Poder calorífico: 4550 kcal/m3

CASO: DESTRUCCIÓN POR OXIDACION DEL HFC23

PRODUCCIÓN DE HCFC 22

1) Reacción principal:

2HF + Cl3CH ClF2CH (HCFC22) + 2HCl

2) Reacción secundaria (inevitable):

3HF + Cl3CH F3CH (HFC23) + 3HCl

ETAPAS DEL PROCESO DE OXIDACIÓN

La corriente contiene HFC23 (y trazas de HCFC22) y será destruida a 1200 °C.

1. Oxidación térmica del HCFC23 según:2F3CH + 2CH4 + 7O2 6HF + 4CO2 + 2H2O + 2O2

2. Oxidación térmica del HFC22 según:2ClF2CH + 2CH4 + 7O2 4HF + 2HCl + 4CO2 + 2H2O + 2O2

• El combustible utilizado es el metano (residuo o proveniente del gas natural) y un exceso de oxígeno (aire en exceso).

• Los gases HF y HCl se absorben en agua.

• Los gases que no son absorbidos en el tren de absorción se depuran y los inertes se liberan a la atmósfera.

Caso: “Negocios frescos” y “Negocios abrigados”

a) Negocios Frescos. Iniciativa que busca reducir el consumo de energía por el ahorro en el uso de aire acondicionado, mediante la promoción de ropa de trabajo que permita trabajar cómodamente a 28°C.

Objetivo: Reducir el uso de gases refrigerantes y las emisiones de CO2.

b) Negocios Abrigados. Iniciativa similar para el invierno, lo cual limitaría el uso de los sistemas de calefacción.

Objetivo: Reducir la emisión de CO2

CONSULTAS, COMENTARIOS Y SUGERENCIAS

Jorge Eduardo Loayza Pérez

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