Grupo de Química Ambiental y Computacional. U de C. CONTAMINACIÓN DEL AIRE Prof. Jesús Olivero...

Grupo de Química Ambiental y Computacional. U de C.Grupo de Química Ambiental y Computacional. U de C. www.reactivos.com

CONTAMINACIÓN CONTAMINACIÓN DEL AIREDEL AIRE

Prof. Jesús Olivero Verbel. Ph.D.

Grupo de Química Ambiental y Computacional

Universidad de Cartagena

Contaminación del AireContaminación del Aire

Parte IParte I

Prof. Jesús Olivero Verbel. Ph.D.Prof. Jesús Olivero Verbel. Ph.D.

En En promediopromedio, cada persona respira diariamente , cada persona respira diariamente alrededor de alrededor de 20,00020,000 litros de aire.litros de aire.

Cada vez que respiramos estamos expuestos a Cada vez que respiramos estamos expuestos a inhalar químicos peligrosos que se han inhalar químicos peligrosos que se han

depositado en el aire. depositado en el aire.

La contaminación del aire incluye todos los La contaminación del aire incluye todos los contaminantes encontrados en la atmósfera. contaminantes encontrados en la atmósfera. Estas sustancias pueden estar en forma de Estas sustancias pueden estar en forma de

gases o partículasgases o partículas

La polución del aire puede ser encontrada tanto La polución del aire puede ser encontrada tanto en exteriores (en exteriores (outdoorsoutdoors) como en interiores ) como en interiores

((indoorsindoors))..

Los contaminantes pueden ser atrapados en el Los contaminantes pueden ser atrapados en el interior de los edificios causando que la interior de los edificios causando que la polución polución interior pueda permanecer por interior pueda permanecer por

períodos largos de tiempo.períodos largos de tiempo.

Las fuentes de polución del aire pueden ser Las fuentes de polución del aire pueden ser tanto antropogénicas como naturales.tanto antropogénicas como naturales.

Hoy día, los humanos son responsables de la Hoy día, los humanos son responsables de la mayoría de la polución de nuestra atmósfera.mayoría de la polución de nuestra atmósfera.

La Atmósfera

Gas incoloro e inodoro que se combina con la hemoglobina para formar la carboxihemoglobina,

complejo tóxico que puede llegar a concentraciones letales.

CO (Monóxido de Carbono)

Es originado por la combustión incompleta de hidrocarburos y sustancias que contienen

carbono, tales como la gasolina, el diesel, etc.. Otra fuente importantede formación del monóxido de carbono son los incendios.

La carboxihemoglobina afecta al sistema nervioso central provocando cambios funcionales cardíacos y pulmonares, dolor

de cabeza, fatiga, somnolencia, problemas respiratorios y hasta la muerte

Gases Contaminantes

Gas café rojizo de olor picante.

Dióxido de Nitrógeno

Generado durante la combustión a alta temperatura en industrias y vehículos, al igual que en las tormentas eléctricas.

Irrita los pulmones. Potencializa las enfermedades respiratorias y cardiovasculares.

Promueve la caída prematura de las hojas e inhibición del crecimiento.

Disminución la visibilidad.

Química de la Lluvia Ácida

Dióxido de Azufre (SO2)

Gas incoloro con olor picante que al oxidarse y combinarse con agua forma ácido sulfúrico,

principal componente de la lluvia ácida.

Es formado durante la combustión de carbón, diesel, combustóleo y gasolina con azufre. Fundición de betas metálicas ricas

en azufre, procesos industriales y erupciones volcánicas.

Salud.- Irrita los ojos y el tracto respiratorio. Reduce las funciones pulmonares y agrava las enfermedades respiratorias como el asma, la

bronquitis crónica y el enfisema.

Materiales.- Corroe los metales; deteriora los contactos eléctricos, el papel, los textiles, las pinturas, los materiales de construcción y los

monumentos históricos.

Vegetación.- Provoca lesiones en las hojas y reducción en la fotosíntesis.

Dióxido de Azufre

Fuentes de NoxFuentes de Nox

Que son los óxidos de nitrógeno? Que son los óxidos de nitrógeno? Cuáles son sus fuentes?Cuáles son sus fuentes?

HO + NOHO + NO22 = = HONOHONO22

2NO2NO22(g) + H(g) + H22O(l)O(l) = = 2H 2H++ + NO + NO33-- + NO + NO22

NO(g) + NONO(g) + NO22(g) + H(g) + H22O(l)O(l) = = 2H 2H++ + 2NO + 2NO22--

3NO3NO22(g) + H(g) + H22O(l)O(l) = = 2H 2H++ + 2NO + 2NO33-- + NO(g) + NO(g)

<5.5Formas básicas de vida

desaparecen.(Insectos y larvas )

“Niveles bajos de la cadena trófica”

Los peces no pueden reproducirse

Los que sobreviven tienen serias dificultades Peces deformes

debido a la falta de nutrientes

Peces mueren de asfixia

<5 La población de peces desaparece

<4.0 Si sobrevive alguna Si sobrevive alguna forma de vida forma de vida

tiende a tiende a desaparecerdesaparecer

Efectos del Efectos del pH pH en las formas de en las formas de

Vida de los lagosVida de los lagos

http://qlink.queensu.ca/~4lrm4/lakes.htm

Regional distribution of areas with fish stocks affected by acidification in Norway 1950-1990. Source: DN, Directorate for Nature Management.

Excess depositions of SO2 in Europe (in tons per square kilometer).

Figure over the portal of a castle in Westphalia, Germany, photographed in 1908 (left) and again in 1968 (right).

La vivienda, un arsenal de contaminantes….

HIDROCARBUROS ORGÁNICOS VOLÁTILES (VOCs)

Fuentes:Productos de limpieza, pinturas, preservativos de madera, Aerosoles, productos para automóviles, etc.

Efectos•Irritación de ojos, nariz y garganta. Dolor de cabeza•Pérdidad de la coordinación. Vómitos•Daño renal, hepático y del Sistema Nervioso Central•Cáncer??

Por lo general, los niveles de VOCs en interiores son entre 2-5 veces más altos que en exteriores. Durante varias horas immediatamente luego de ciertas actividades (pintura) los niveles pueden ser hasta 1,000 veces las concentraciones background de exteriores.

Material particulado sólido o líquido de mayor tamaño Material particulado sólido o líquido de mayor tamaño que una molécula pero suficientemente pequeño para que una molécula pero suficientemente pequeño para

permanecer suspendido en la atmósfera. permanecer suspendido en la atmósfera.

Fuentes naturales Fuentes naturales Partículas de sal en el spray marinoPartículas de sal en el spray marino

Polvo y partículas de arcilla Polvo y partículas de arcilla

Los aerosoles son fundamentales en la atmósfera como Los aerosoles son fundamentales en la atmósfera como núcleos para la condensación de las gotas de agua, núcleos para la condensación de las gotas de agua,

participación en varios ciclos biogeoquímicos, y como participación en varios ciclos biogeoquímicos, y como ADSORBENTES Y REFLEJADORES de la luz solar.ADSORBENTES Y REFLEJADORES de la luz solar.

AEROSOLAEROSOL

Partículas Partículas SSuspendidas en su Fracciónuspendidas en su Fracción Respirable Respirable

(PM-10)(PM-10)

Partículas sólidas o líquidas dispersas en la atmósfera (su diámetro oscila entre 0.3 y 10 µm) como polvo, cenizas, hollín, partículas metálicas, cemento o polen. La fracción respirable de PST,

conocida como PM-10, está constituida por aquellas partículas de diámetro inferior a 10 micras, que

tienen la particularidad de penetrar en el aparato respiratorio hasta los alvéolos pulmonares.

Combustión industrial y doméstica del carbón, combustóleo y diesel; procesos industriales; incendios,

erosión eólica y erupciones volcánicas.

150 µg/m3 (microgramos sobre metro cúbico) en un promedio de 24 horas.

Partículas Partículas SSuspendidas en su Fracciónuspendidas en su Fracción Respirable Respirable

(PM-10)(PM-10)

Salud.- Irritación en las vías respiratorias; su acumulación en los pulmones origina enfermedades como la silicosis y la asbestosis. Agravan el asma y las enfermedades cardiovasculares.

Materiales.- Deterioro en materiales de construcción y otras superficies.Vegetación.- Interfieren en la fotosíntesis.

Otros.- Disminuyen la visibilidad y provocan la formación de nubes.

Nimbus-7/TOMS Aerosol Index: Observa como el polvo Nimbus-7/TOMS Aerosol Index: Observa como el polvo del Sahara puede distribuirse por todo el planeta...del Sahara puede distribuirse por todo el planeta...

http://jwocky.gsfc.nasa.gov/

Las quemas en el Amazonas son extensas y generan aerosoles..

O3 + hv O2 + O

O + O2 O3

O + O3 O2 + O2

Las Reacciones Chapman

Reacciones de destrucción y formación del Ozono

O2 + hv O + O

O + O2 O3

(1/v = longitud de onda < ~ 240 nm)

O + H2O OH + OH OH + O3 HO2 + O2

HO2 + O3 OH + O2 + O2 O + N2O NO + NO NO + O3 NO2 + O2

Principales Reacciones de pérdida del ozono

Cl + O3 ClO + O2

Br + O3 BrO + O2

ClO + BrO Cl + Br + O2

Los Compuestos Cloro-Fluoro Carbonados (CFCs) Los Compuestos Cloro-Fluoro Carbonados (CFCs) deben ser transformados deben ser transformados

Por radiación UV para ser nocivos al OzonoPor radiación UV para ser nocivos al Ozono

Organohalogen compound concentrations in the boundary layer and the respective photoytic lifetimes a.

Concentration LifeTimea.CH3Cl a.~ 630 ppt a.~ 1yr

a.CH2Cl2 a.~ 32 ppt a.83 days

a.CH3Br a.20 – 40 ppt a.1 - 2 yrs

a.CHBr3 a.Days

CH3I 1-30 ppt 3-4 daysa.CH2I2 a.up to 1 ppt c a.5 min b

a.CH2ClI a.up to 1 ppt c a.10 h

a.CH2BrI a.up to 1 pp c a.45 min b

Una unidad DOBSON es la medida básica usada en investigación

del ozono.

La unidad debe su nombre a G.M Dobson, quien fue unoLa unidad debe su nombre a G.M Dobson, quien fue unode los primeros científicos que investigó el ozono atmosféricode los primeros científicos que investigó el ozono atmosférico

(~1920 – 1960).(~1920 – 1960).

Dobson diseñó el Dobson diseñó el Espectrofotómetro DobsonEspectrofotómetro Dobson, un , un instrumento usado para medir el ozono desde el suelo. El instrumento usado para medir el ozono desde el suelo. El

equipo mide la intensidad de la radiación ultravioleta solar a equipo mide la intensidad de la radiación ultravioleta solar a 4 longitudes de onda. Dos de ellas son absorbidas por el 4 longitudes de onda. Dos de ellas son absorbidas por el

ozono y las otras dos no.ozono y las otras dos no.

La reducción en la capa de ozono, una realidad…La reducción en la capa de ozono, una realidad…

Dos revisiones a este protocolo han sido realizadas, la última en 1992. En esta oportunidad el acuerdo logrado permitirá el control de la

producción industrial de halocarbonos hasta el 2030. Los principales CFCs no serán producidos por ninguno de los firmantes al final del

1995, excepto para un limitado uso de aplicaciones médicas.

El primer convenio internacional para restringir el uso de CFCs surgió a partir del Protocolo de Montreal, firmado en 1987. El protocolo fijó como objetivo la reducción a la mitad en en el uso de CFS para el año

Protocolo de MontrealProtocolo de Montreal

The Planet Earth

September 2000

The Planet Earth

September 2000

Que es el Ozono?O3 O

• Ozono Estratosférico (“Capa de Ozono) Protege la tierra de la radiación UV.

• Ozono superficial.

Contaminante ambiental. Smog fotoquímico.

Ozono Superficial y Atmosférico

Fuentes de Ozono•Descargas eléctricas a través del aire:

Tormentas. Fotocopiadoras

•O2 + Energía Eléctrica O + O

•O + O2 O3 • Fotoquímica (Luz UV)

• O2 + Luz UV O + O

• O + O2 O3

• Formación de Smog Fotoquímico.

• N2 + O2 2 NO. Motores de atomóviles.

• 2 NO + O2 2 NO2

• NO2 + Luz Solar NO + O. O + O2 O3

La Estratosfera

Litosfera

Estratosfera

Troposfera10 km

Temperatura?

P= 1/10 - 1/100 snm.

Formación de Ozono en la Estratosfera

• O2 + UVC O + O

• O + O2 O3

• O3 + UVB O + O2

• O + O2 O3

• Y el ciclo continua.

• El ciclo del ozono permite que la radiación UV de alta energía (UV-C y UV-B) sea absorbida en la estratosfera antes de alcanzar la troposfera.– “La capa de Ozone” actúa como una

“Barrera UV”

• El Ozono es sintetizado y destruido de manera permanente.

Global Ozone Distribution

Ozono EstratosféricoSobre Vancouver

• Oct 31, 2001 = 290 DU

• Oct 29, 2002 = 340 DU

http://toms.gsfc.nasa.gov/teacher/ozone_overhead.html?

Why has caused the depletion Stratospheric Ozone over some

regions of the Earth?

• Clorofluorocarbonos– Ejemplo: CF2Cl2 (dichlorodifluromethane)

• Desarrollados por la General Motors en 1928.• Refrigerantes No-tóxicos. No-inflamables.

• Refrigerantes anteriores:

– Amoníaco (NH3)

– Butano (C4H10)

CFCs son estables.

No reaccionan en la Troposfera.Al alcanzar la Estratosfera,

pueden reaccionar por efecto de la luz ultravioleta.

Reaction of CF2Cl2 in the stratosphere

• CF2Cl2 + UV CF2Cl + Cl

• Cl + O3 ClO + O2

• ClO + O Cl + O2

• and the Cl atom is free to continue its cycle of destruction

• Cl speeds up (catalyzes) the conversion of O3 to O2

Fact: CFCs are DENSER than air

How do they get to the stratosphere?

• CFCs pueden alcanzar la Estratosfera.• CFCs reaccionan con luz UV y liberan átomos de Cl.

• Un átomo de Cl reacciona con 100000 moléculas de O3

CFCs Cl ↓ O3

• Menos O3 Menos UV absorbido en la estratosfera. Más UV llega a troposfera.

LA DESTRUCCIÓN DE LA CAPA DE OZONO

• Algunos átomos de Cl pueden quedar atrapados en “moléculas de almacenamiento” por reacción con metano (CH4) o dióxido de nitrógeno (NO2).

– Cl + CH4 HCl + CH3

– ClO + NO2 ClONO2

• HCl y ClONO2 son“moléculas de almacenamiento de Cl

Mario Molina and F. Sherwood Rowland(University of California, Irvine)

• In June 1974 they published the first scientific evidence of a link between CFCs and stratospheric O3 depletion in the journal Nature (Nature Vol 249, June 29, 1974)

• “Stratospheric sink for chlorofluoromethanes: chlorine atom-catalyzed destruction of ozone”

The Nobel Prize in Chemistry 1995

El hueco en la capa de Ozono Antarctica• Vortice Polar. Región fría. Nubes polares estratosféricas.

• Partículas congeladas; Reservorios de cloro.

– ClONO2 + HCl Cl2 + HNO3.

• El Cl2 es acumulado durante el invierno.

• Al llegar la primavera: Cl2 + luz Cl + Cl• La liberación de átomos de Cl disminuyen los niveles de ozono.

• Daño a nivel de DNA. Mutaciones. Cáncer. • Alteraciones en el sistema inmune. • Pérdida de vida vegetal.• Impacto negativo en ecosistemas de océanos.

– Fitoplancton y Zooplancton.

Efectos de la Luz UV

O3 + hv O2 + O

O + O2 O3

O + O3 O2 + O2

Las Reacciones Chapman

Reacciones de destrucción y formación del Ozono

O2 + hv O + O

O + O2 O3

(1/v = longitud de onda < ~ 240 nm)

O + H2O OH + OH OH + O3 HO2 + O2

HO2 + O3 OH + O2 + O2 O + N2O NO + NO NO + O3 NO2 + O2

Principales Reacciones de pérdida del ozono

Organohalogen compound concentrations in the boundary layer and the respective photoytic lifetimes a.

Concentration LifeTimea.CH3Cl a.~ 630 ppt a.~ 1yr

a.CH2Cl2 a.~ 32 ppt a.83 days

a.CH3Br a.20 – 40 ppt a.1 - 2 yrs

a.CHBr3 a.Days

CH3I 1-30 ppt 3-4 daysa.CH2I2 a.up to 1 ppt c a.5 min b

a.CH2ClI a.up to 1 ppt c a.10 h

a.CH2BrI a.up to 1 pp c a.45 min b

Una unidad DOBSON es la medida básica usada en investigación

del ozono.

La unidad debe su nombre a G.M Dobson, quien fue unoLa unidad debe su nombre a G.M Dobson, quien fue unode los primeros científicos que investigó el ozono atmosféricode los primeros científicos que investigó el ozono atmosférico

(~1920 – 1960).(~1920 – 1960).

Dobson diseñó el Dobson diseñó el Espectrofotómetro DobsonEspectrofotómetro Dobson, un , un instrumento usado para medir el ozono desde el suelo. El instrumento usado para medir el ozono desde el suelo. El

equipo mide la intensidad de la radiación ultravioleta solar a equipo mide la intensidad de la radiación ultravioleta solar a 4 longitudes de onda. Dos de ellas son absorbidas por el 4 longitudes de onda. Dos de ellas son absorbidas por el

ozono y las otras dos no.ozono y las otras dos no.

Dos revisiones a este protocolo han sido realizadas, la última en 1992. En esta oportunidad el acuerdo logrado permitirá el control de la producción industrial de halocarbonos hasta el

2030. Los principales CFCs no serán producidos por ninguno de los

firmantes al final del 1995, excepto para un limitado uso de aplicaciones

médicas.

El primer convenio internacional para restringir el uso de CFCs surgió a partir del Protocolo de Montreal, firmado en 1987. El protocolo fijó como objetivo la reducción a la mitad en en el uso de CFS para el año

Protocolo de MontrealProtocolo de Montreal

La reducción en la capa de ozono, una realidadLa reducción en la capa de ozono, una realidad……

The Planet Earth

September 2000

El panorama completo…El panorama completo…

AIR QUALITY INDEX

Valores Descriptores Características

0 to 50 Bueno None.

51 to 100 Moderado Unusually sensitive people should consider limiting prolonged outdoor exertion.

101 to 150Peligro para la

salud de algunos grupos

Active children and adults, and people with respiratory disease, such as asthma, should limit prolonged outdoor exertion.

151 to 200Peligroso para

la salud

Active children and adults, and people with respiratory disease, such as asthma, should avoid prolonged outdoor exertion; everyone else, especially children, should limit prolonged outdoor exertion.

201 to 300Muy Peligroso para la salud

Active children and adults, and people with respiratory disease, such as asthma, should avoid all outdoor exertion; everyone else, especially children, should limit outdoor exertion.

Indice de calidad de aire para OzonoIndice de calidad de aire para Ozono

•1987 Protocolo de Montreal. Reducción del 50 %. 1998

•1990 Protocolo de Londres. Reducción de 100%. 2000

•1992 Protocolo de Copenhagen. Reducción del 100%. 1996.

Tratados Internacionales

• HFCs (Hidro fluoro carbonos)– CH2FCF3 Refrigeración. No posee átomos de Cl.

• HCFCs (Hidro chloro fluoro carbons)– CF2HCl. Menos estables.

– El radical OH radical reacciona en la troposfera con átomos de H.

Que estamos haciendo?

Reemplazo de CFC

Web Sites

• Satellite data– http://toms.gsfc.nasa.gov/– http://www.badc.rl.ac.uk/data/toms/

• Environmental effects– http://www.ciesin.org/TG/OZ/o3depl.html– http://www.gcrio.org/CONSEQUENCES/

summer95/impacts.html

Bromine release mechanism by Vogt et al., 1996

En el mar también se forman compuestos que destruyen la capa de ozono..

El panorama completo…El panorama completo…

Grupo de Química Ambiental y Computacional. U de C. CONTAMINACIÓN DEL AIRE Prof. Jesús Olivero...

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