10.8: Óxidos gaseosos contaminantes
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Monóxido de Carbono
El dióxido de carbono, CO 2, que es un ingrediente esencial de la atmósfera, pero una causa potencial de calentamiento global a niveles elevados, se discutió con cierto detalle en la Sección 10.6. El monóxido de carbono, CO, es un contaminante del aire de cierta preocupación por su toxicidad directa para los humanos. El monóxido de carbono es tóxico porque se une a la hemoglobina de la sangre y evita que la hemoglobina transporte oxígeno de los pulmones a otros tejidos. Los niveles mundiales y regionales de monóxido de carbono atmosférico son demasiado bajos para ser motivo de preocupación. Sin embargo, los niveles locales en áreas con tráfico pesado de automóviles pueden llegar a ser lo suficientemente altos como para representar un peligro para la salud y en algunas calles urbanas congestionadas han alcanzado niveles de 50 a 100 ppm. El uso de dispositivos de control de la contaminación por gases de escape en los automóviles ha bajado estos niveles significativamente durante los últimos 30 años. Los numerosos casos fatales de intoxicación por monóxido de carbono que ocurren cada año son casi siempre el resultado de dispositivos de calefacción mal ventilados en áreas interiores.
El monóxido de carbono es producido por la combustión parcial de combustibles, principalmente en el motor de combustión interna. Las emisiones de monóxido de carbono se pueden reducir mediante un cuidadoso control de las condiciones de combustión. Hacer funcionar el escape junto con el aire bombeado sobre un catalizador de escape puede oxidar el monóxido de carbono a dióxido de carbono no tóxico
\[\ce{2CO + O2 \rightarrow 2CO2}\]
Los motores modernos de los automóviles utilizan un control computarizado preciso de los parámetros de funcionamiento del motor junto con catalizadores de escape para controlar las emisiones de monóxido
Dióxido de azufre
El dióxido de azufre ingresa a la atmósfera como resultado de lo siguiente:
• Emisiones directas de volcanes
• Oxidación atmosférica de H 2 S emitida a la atmósfera por bacterias y fuentes geotérmicas (volcanes, aguas termales, géiseres)
• Oxidación atmosférica de sulfuro de dimetilo, (CH 3) 2 S, emitido a la atmósfera por organismos marinos
• Fuentes contaminantes de la combustión de azufre orgánico y pirita de hierro, FeS 2, en combustibles fósiles
Las fuentes contaminantes son las que más preocupan por su contribución a los problemas locales y regionales de contaminación del aire y porque son fuentes con las que los humanos pueden hacer algo.
El destino del dióxido de azufre en la atmósfera es la oxidación y reacción con el agua para producir ácido sulfúrico. El proceso general es complejo y no se entiende completamente, pero puede ser descrito por la reacción.
\[\ce{2SO2 + O2 + 2H2O \rightarrow 2H2SO4}\]
Este proceso es generalmente bastante lento en la atmósfera, pero puede ser bastante rápido en condiciones de formación de smog fotoquímico (ver Sección 10.11) en las que están presentes especies oxidantes altamente reactivas. Es muy importante porque es el principal mecanismo para formar lluvia ácida, que puede ser directamente dañina para la vegetación, peces (especialmente alevines), y materiales, como la piedra de construcción que puede ser atacada por el ácido. El dióxido de azufre forma gotitas de aerosol de ácido sulfúrico en la atmósfera. Como resultado, gran parte del este de Estados Unidos está cubierta por una ligera neblina de gotas de ácido sulfúrico durante gran parte del año. En los últimos años, algunas erupciones volcánicas han arrojado suficiente dióxido de azufre a la atmósfera para producir una cantidad suficiente de aerosol de ácido sulfúrico que refleja la luz solar para causar un enfriamiento notable de la atmósfera.
Además de los efectos indirectos de la formación de lluvia ácida, el dióxido de azufre afecta directamente a algunas plantas, provocando necrosis foliar (muerte del tejido foliar). Otro síntoma de la fitotoxicidad del dióxido de azufre (toxicidad para las plantas) es la clorosis, un blanqueamiento o amarilleo de las hojas verdes.
El medio más sencillo para reducir las emisiones de dióxido de azufre es evitar tener azufre en los combustibles. Como se analiza a continuación, los compuestos de azufre se eliminan del gas natural y del petróleo. El carbón a menudo tiene altos niveles de azufre, y durante los últimos años ha habido un cambio importante hacia el carbón bajo en azufre en las centrales eléctricas. Gran parte del azufre piritico, FeS 2, se puede lavar del carbón porque existe en una fase mineral separada que se puede separar de la materia orgánica combustible en el carbón. Sin embargo, aproximadamente la mitad del azufre en el carbón típicamente está unido al carbón como azufre orgánico, y no se puede eliminar.
Varias centrales eléctricas de carbón han instalado sistemas para eliminar el dióxido de azufre resultante de la combustión del carbón. Uno de estos enfoques utiliza la combustión en lecho fluidizado en la que el carbón pulverizado se granalla en un lecho caliente de óxido de calcio, donde se quema el carbón, y el dióxido de azufre se une por la siguiente reacción.
\[\ce{CaO + SO2 \rightarrow CaSO3}\]
Parte del producto CaSO 3 se oxida a CaSO 4. Otro enfoque utiliza una suspensión de hidróxido de calcio (cal, Ca (OH) 2) para reaccionar con dióxido de azufre en el gas de chimenea.
\[\ce{Ca(OH)_{2} + SO2 \rightarrow CaSO3 + H2O}\]
Aunque es efectivo para eliminar el dióxido de azufre, este proceso utiliza enormes cantidades de piedra caliza (CaCo 3) como fuente de cal y produce grandes cantidades de subproductos.
Química Verde y Dióxido de Azufre
El problema del azufre en los combustibles proporciona una excelente ilustración del potencial para la aplicación de la química verde para la eliminación de un problema de contaminación. El azufre es una valiosa materia prima requerida en la fabricación de ácido sulfúrico, uno de los productos químicos de mayor volumen elaborados. El sulfuro de hidrógeno, H 2 S, se presenta en grandes cantidades en el gas natural, como el producido en la provincia canadiense de Alberta. Este sulfuro de hidrógeno debe ser eliminado del gas natural. En lugar de presentar un problema de contaminación, se convierte en azufre elemental, luego se usa para elaborar ácido sulfúrico.
Otro enfoque de química verde para la recuperación de azufre residual se practica en Kalundborg, Dinamarca, el sitio del sistema de ecología industrial más claramente reconocible del mundo (ver Capítulo 14). La enorme planta de energía a carbón en Kalundborg utiliza el lavado de cal para eliminar el dióxido de azufre del gas de chimenea. El sulfito de calcio producto de este proceso se oxida,
\[\ce{CaSO3 + 1/2 O2 + 2H2O \rightarrow CaSo4 \cdot 2H2O}\]
para generar yeso, CaSO 4 •2H 2 O. Este mineral se utiliza luego para hacer paneles de yeso, resolviendo así un problema de contaminación por la producción de cal gastada y un problema de materias primas derivado de la necesidad de yeso para hacer paneles de yeso necesarios para la construcción de edificios.
Óxidos de nitrógeno
Óxido nitroso (N 2 O), incoloro, inodoro, óxido nítrico (NO) y dióxido de nitrógeno rojo-marrón de olor penetrante (NO 2) ocurren en la atmósfera. De estos, el óxido nitroso es generado por bacterias y su liberación es una de las formas en que el nitrógeno fijado químicamente en la biosfera es devuelto a la atmósfera. No se involucra mucho con los procesos químicos en la troposfera, sino que sufre disociación fotoquímica en la estratosfera:
\[\ce{N2O +} h \nu \rightarrow \ce{N2 + O}\]
Tanto el NO como el NO 2, designados colectivamente como NO x, se producen a partir de fuentes naturales, como relámpagos y procesos biológicos, y a partir de fuentes contaminantes. Las concentraciones de contaminantes de estos gases pueden llegar a ser demasiado altas a nivel local y regional, causando problemas de contaminación del aire. Una de las principales fuentes contaminantes de estos gases es el motor de combustión interna en el que las condiciones son tales que reaccionan nitrógeno elemental molecular y oxígeno,
\[\ce{N2 + O2 \rightarrow 2NO}\]
para producir NO. La combustión de combustibles que contienen nitrógeno unido orgánicamente, como el carbón, también produce NO. Las reacciones químicas atmosféricas convierten parte del NO emitido en NO 2.
Expuesto a radiación electromagnética de longitudes de onda inferiores a 398 nm, el dióxido de nitrógeno se somete a fotodisociación,
\[\ce{NO2 +} h \nu \rightarrow \ce{NO + O}\]
para producir átomos de O altamente reactivos. Los átomos de O pueden participar en una serie de reacciones en cadena a través de las cuales el NO se convierte de nuevo en NO 2, que puede volver a sufrir fotodisociación para comenzar el ciclo de nuevo. El dióxido de nitrógeno es muy reactivo, sometiéndose a fotodisociación en un minuto o dos a la luz solar directa.
El dióxido de nitrógeno, NO 2, es significativamente más tóxico que el NO, aunque las concentraciones de NO 2 en la atmósfera exterior rara vez alcanzan niveles tóxicos. Las liberaciones accidentales de NO 2 pueden ser suficientes para causar efectos tóxicos o incluso la muerte. Breves exposiciones a 50—100 partes por millón (ppm) de NO 2 en el aire inflama tejido pulmonar durante 6-8 semanas seguido de recuperación. La exposición a 500 ppm o más de NO 2 causa la muerte dentro de los 2—10 días. La exposición a 100-500 ppm de NO 2 causa una afección pulmonar con el nombre ominoso de bronquiolitis fibrosa obliterante que es fatal dentro de las 3—5 semanas después de la exposición. Incidentes fatales de envenenamiento por NO 2 han sido el resultado de la liberación accidental del gas utilizado como oxidante en los combustibles para cohetes y de la quema de celuloide que contiene nitrógeno y película de nitrocelulosa en movimiento (la nitrocelulosa se ha utilizado como explosivo y ha sido prohibida durante mucho tiempo en película por incendios catastróficos que mataron a numerosas personas). Las plantas expuestas al dióxido de nitrógeno pueden sufrir disminución de la fotosíntesis, manchado de hojas y descomposición del tejido vegetal.
La liberación de NO de las fuentes de combustión se puede reducir limitando el exceso de aire para que no haya suficiente exceso de oxígeno para producir NO de acuerdo con la Reacción 10.8.7. La producción de NO también se reduce por temperaturas de combustión relativamente más bajas. El catalizador de escape reduce las emisiones de NO x de los escapes de automóviles. El lavado de NO x de los gases de chimenea de hornos y centrales eléctricas es difícil debido a las bajas solubilidades en agua de NO x gases.