15.6: Carbón - La Roca de Carbono de las Edades

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Objetivos de aprendizaje

Describir el carbón y su procesamiento.
Enumere los productos de la quema de carbón que promueve la contaminación.

El carbón es un material sólido complejo derivado principalmente de plantas que murieron y fueron enterradas hace cientos de millones de años y posteriormente fueron sometidas a altas temperaturas y presiones. Es una roca sedimentaria combustible negra o pardusca negra con una alta cantidad de carbono e hidrocarburos. El carbón se clasifica en cuatro tipos principales, o se clasifica dependiendo de los tipos y cantidades de carbono presentes y de la cantidad de energía térmica que pueda producir el carbón, incluyendo antracita, bituminoso, subbituminoso y lignito (de mayor a menor clasificado, representado en la Figura\(\PageIndex{1}\).

Captura de pantalla (41) .png — Figura\(\PageIndex{1}\) Diferentes tipos de carbón. Imágenes obtenidas de Wikimedia Commons.

Existen cuatro clases distintas de carbón (Tabla\(\PageIndex{1}\)); su contenido de hidrógeno y oxígeno depende del tiempo que el carbón ha sido enterrado y de las presiones y temperaturas a las que ha sido sometido. La forma más abundante en Estados Unidos es el carbón bituminoso, el cual tiene un alto contenido de azufre debido a la presencia de pequeñas partículas de pirita (FeS ₂). La combustión del carbón libera el azufre en FeS ₂ como SO ₂, que es uno de los principales contribuyentes a la lluvia ácida.

Tabla\(\PageIndex{1}\) *Propiedades de los Diferentes Tipos de Carbón.*
Tipo	% Carbono	Relación molar de hidrógeno: carbono	% Oxígeno	% Azufre	Depósitos en Estados Unidos
antracita	92	0.5	3	1	Pensilvania (Nueva York)
bituminoso	80	0.6	8	5	Apalaches, Medio Oeste, Utah
subbituminoso	77	0.9	16	1	Montañas Rocosas
lignito	71	1.0	23	1	Montana

La turba, precursora del carbón, son los restos parcialmente en descomposición de las plantas que crecen en áreas pantanosas. Se retira del suelo en forma de ladrillos empapados de barro que no se quemarán hasta que se hayan secado. Si una turberna fuera enterrada bajo muchas capas de sedimento durante algunos millones de años, la turba podría eventualmente comprimirse y calentarse lo suficiente como para convertirse en lignito, el grado más bajo de carbón; dado suficiente tiempo y calor, el lignito eventualmente se convertiría en antracita, un combustible mucho mejor.

Para que podamos utilizar la energía potencial almacenada en el carbón, primero debe extraerse del suelo. Este proceso en sí mismo utiliza una gran cantidad de recursos y tiene sus propios impactos ambientales. El carbón generalmente se somete a procesamiento para que sea adecuado para su uso en centrales eléctricas de carbón. Finalmente, el carbón procesado se quema en estas centrales eléctricas, y la energía cinética liberada de su combustión se aprovecha para la generación de electricidad u otros fines. La figura\(\PageIndex{2}\) a continuación es un diagrama esquemático que muestra un diseño típico de una central eléctrica de carbón. También puedes ver un breve video de un recorrido virtual de una planta de energía de carbón en la URL que se proporciona a continuación.

Visita Virtual a la Planta de Energía

Video Visita Virtual a la Planta de Energía \(\PageIndex{1}\)Alimentada por Carbón

Captura de pantalla (42) .png — Figura\(\PageIndex{2}\) Diagrama de una planta eléctrica típica de carbón de ciclo de vapor (procediendo de izquierda a derecha). Imagen de US Tennessee Valley Authority — Dominio público. www.tva.com

El ciclo global del carbono

La figura\(\PageIndex{3}\) ilustra el ciclo global del carbono, la distribución y el flujo del carbono en la Tierra. Normalmente, el destino del CO ₂ atmosférico es (1) disolverse en los océanos y eventualmente precipitar como rocas carbonatadas o (2) ser absorbido por las plantas. La tasa de absorción de CO ₂ por el océano está limitada por su superficie y la velocidad a la que se disuelven los gases, que son aproximadamente constantes. La tasa de absorción de CO ₂ por las plantas, que representa alrededor de 60 mil millones de toneladas métricas de carbono por año, depende en parte de qué parte de la superficie de la Tierra esté cubierta por la vegetación. Desafortunadamente, la rápida deforestación para la agricultura está reduciendo la cantidad total de vegetación, y alrededor de 60 mil millones de toneladas métricas de carbono se liberan anualmente como CO ₂ por la respiración animal y la descomposición de las plantas. La cantidad de carbono liberado como CO ₂ cada año por la combustión de combustibles fósiles se estima en aproximadamente 5.5 mil millones de toneladas métricas. El resultado neto es un sistema ligeramente desequilibrado, experimentando un incremento lento pero constante en los niveles atmosféricos de CO ₂. Como resultado, los niveles promedio de CO ₂ han aumentado alrededor de 30% desde 1850.

La mayor parte del carbono de la Tierra se encuentra en la corteza, donde se almacena como carbonato de calcio y magnesio en rocas sedimentarias. Los océanos también contienen un gran reservorio de carbono, principalmente como el ion bicarbonato (HCO ₃ ⁻). Las plantas verdes consumen alrededor de 60 mil millones de toneladas métricas de carbono al año como CO ₂ durante la fotosíntesis, y aproximadamente la misma cantidad de carbono se libera que el CO ₂ anualmente de la respiración y descomposición de animales y plantas. La combustión de combustibles fósiles libera alrededor de 5.5 mil millones de toneladas métricas de carbono al año como CO ₂.

Contaminación por la quema de carbón

En Estados Unidos y en la mayor parte del mundo, la mayor parte del carbón que se consume se utiliza como combustible para generar electricidad. La quema de carbón produce emisiones como el dióxido de azufre (SO ₂) y los óxidos de nitrógeno (NO _x) que están asociados con la lluvia ácida (más sobre esto en el capítulo 6). El dióxido de carbono (CO ₂), otra emisión resultante de la quema de carbón, es un importante gas de efecto invernadero que está asociado con el calentamiento global (ver Capítulo 13). La quema de carbón se clasifica como combustión incompleta, ya que la reacción del carbono (en el carbón) con el oxígeno produce monóxido de carbono y/o carbono (hollín) además del dióxido de carbono.

La quema de carbón produce emisiones que también impactan la salud humana. Emisiones como dióxido de azufre (SO ₂), óxidos de nitrógeno (NO _x) y partículas contribuyen a enfermedades respiratorias. Las partículas también contribuyen a una afección entre los mineros del carbón y otros trabajadores del carbón conocida como neumoconiosis de los trabajadores del carbón (CWP) o enfermedad pulmonar negra, que resulta de una larga exposición al polvo de carbón. El polvo de carbón inhalado se acumula progresivamente en los pulmones y es incapaz de ser eliminado por el cuerpo; esto conduce a inflamación, fibrosis y, en el peor de los casos, muerte tisular (necrosis).

El carbón es la mayor fuente de mercurio y también una fuente de otros metales pesados, muchos de los cuales se han relacionado con problemas neurológicos y de desarrollo en humanos y otros animales. Las concentraciones de mercurio en el aire suelen ser bajas y de poca preocupación directa. Sin embargo, cuando el mercurio ingresa al agua, ya sea directamente o por deposición desde el aire, los procesos biológicos lo transforman en metilmercurio, una sustancia química altamente tóxica que se acumula en los peces y los animales (incluidos los humanos) que comen pescado.

Reducción de los impactos ambientales del uso de carbón

Reglamentos como la Ley de Aire Limpio y la Ley de Agua Limpia requieren que las industrias reduzcan los contaminantes liberados al aire y al agua. A continuación se presentan algunas acciones que se han tomado para reducir los impactos negativos del carbón en la salud humana y ambiental:

• Tecnología de carbón limpio: La industria ha encontrado varias formas de reducir el azufre, NO _x y otras impurezas del carbón antes de quemarlo.

• Los consumidores de carbón han cambiado hacia un mayor uso del carbón bajo en azufre.

• Las centrales eléctricas utilizan depuradoras, para limpiar SO ₂, NO _x, materia particulada y mercurio del humo antes de que salga de sus chimeneas. Además, la industria y el gobierno de Estados Unidos han cooperado para desarrollar tecnologías que hagan que el carbón sea más eficiente energéticamente, por lo que menos necesita ser quemado.

• Se están realizando investigaciones para abordar las emisiones de dióxido de carbono de la combustión del carbón. La captura y secuestro de carbono separa el CO ₂ de las fuentes de emisiones y lo recupera en una corriente concentrada. El CO ₂ puede entonces ser secuestrado, lo que pone CO ₂ en almacenamiento, posiblemente bajo tierra, donde permanecerá permanentemente.

• La reutilización y el reciclaje también pueden reducir el impacto ambiental del carbón. Los terrenos que anteriormente se utilizaban para la minería del carbón pueden ser recuperados y utilizados para aeropuertos, vertederos y campos de golf. Los productos de desecho capturados por los depuradores se pueden utilizar para producir productos como cemento y yeso sintético para paneles de yeso.

Resumen

El carbón es un material sólido complejo derivado principalmente de plantas que murieron y fueron enterradas hace cientos de millones de años y posteriormente fueron sometidas a altas temperaturas y presiones.
El carbón se clasifica en cuatro tipos principales, dependiendo de los tipos y cantidades de carbono presentes y de la cantidad de energía térmica que pueda producir el carbón, incluyendo antracita, bituminoso, subbituminoso y lignito.
Se describe el procesamiento del carbón así como los impactos ambientales y en la salud de su uso.
Se están realizando investigaciones y se implementan diversos enfoques (tecnología de carbón limpio, uso de carbón bajo en azufre, uso de depuradores, etc.) para reducir los impactos ambientales del uso del carbón.

Colaboradores y Atribuciones

Libretexto: Introducción a la Ciencia Ambiental (Zendher et al.)

Libretexto: Química General (Petrucci et al.)

Anne Marie Helmenstine, Ph.D. “¿Qué es una reacción de combustión?” ThoughtCo, www.thoughtco.com/combustión-reacciones-604030.

Marisa Alviar-Agnew (Sacramento City College)