D.1.1. Estado del Arte sobre Contaminantes y su Impacto Monitorización Inalámbrica de Sustancias Nocivas en Situaciones de Emergencia debidas a Incidentes Industriales MINOS

Ministerio de Industria, Turismo y Comercio. AVANZA I+D. Resolución 25 de Marzo de 2011 Versión 1.0 30 septiembre 2011 EF-MITC-AVANZAID-MINOS Edosoft Factory, S.L. (Edosoft)

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Tabla de Contenidos 1. INTRODUCCIÓN ...........................................................................................................................- 5 2. SUSTANCIAS NOCIVAS EN AIRE ...................................................................................................- 5 2.1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................- 5 2.2. AIRE PURO .............................................................................................................................- 6 2.3. CLASIFICACIÓN DE LOS PRINCIPALES CONTAMINANTES DEL AIRE ..........................................- 6 2.3.1. CONTAMINANTES PRIMARIOS .................................................................................................- 7 2.3.1.1. ÓXIDOS DE NITRÓGENO ....................................................................................................- 7 2.3.1.2. ÓXIDOS DE AZUFRE ...........................................................................................................- 8 2.3.1.3. ÓXIDOS DE CARBONO......................................................................................................- 10 2.3.1.4. HIDROCARBUROS ............................................................................................................- 13 2.3.1.5. CONTAMINACIÓN DEL AIRE POR PARTÍCULAS .................................................................- 13 2.3.2. CONTAMINANTES SECUNDARIOS ..........................................................................................- 16 2.3.3. CONTAMINANTES DEL COMBUSTIBLE ...................................................................................- 16 2.3.4. CONTAMINANTES COMO RESULTADO DEL CALOR DE LA COMBUSTIÓN O DE LOS REACCIONES DE LOS PRODUCTOS DE COMBUSTIÓN EN EL AIRE.....................................................................................- 17 2.3.5. CONTAMINANTES POR OTROS RESULTADOS .........................................................................- 17 2.4. PRINCIPALES FUENTES DE LOS CONTAMINANTES DEL AIRE ..................................................- 18 2.5. RESUMEN DE LOS PRINCIPALES CONTAMINANTES EN EL AIRE ..............................................- 19 3. SUSTANCIAS NOCIVAS EN AGUA ...............................................................................................- 21 3.1 INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................- 21 3.2 AGUA PURA .........................................................................................................................- 22 3.3 ALTERACIONES DEL AGUA ...................................................................................................- 22 3.3.1 ALTERACIONES FÍSICAS........................................................................................................- 22 3.3.2 ALTERACIONES QUÍMICAS ....................................................................................................- 23 3.3.3 ALTERACIONES BIOLÓGICAS DEL AGUA ...............................................................................- 24 3.4 CLASIFICACIÓN DE LOS PRINCIPALES CONTAMINANTES DEL AGUA ......................................- 25 3.4.1 MICROORGANISMOS PATÓGENOS .........................................................................................- 25 3.4.2 DESECHOS ORGÁNICOS ........................................................................................................- 26 3.4.3 SUSTANCIAS QUÍMICAS INORGÁNICAS..................................................................................- 26 3.4.4 NUTRIENTES VEGETALES INORGÁNICOS ...............................................................................- 27 3.4.5 COMPUESTOS ORGÁNICOS ....................................................................................................- 27 3.4.6 SEDIMENTOS Y MATERIALES SUSPENDIDOS ..........................................................................- 28 3.4.7 SUSTANCIAS RADIOACTIVAS ................................................................................................- 28 3.4.8 CONTAMINACIÓN TÉRMICA ..................................................................................................- 28 3.5 PRINCIPALES FUENTES DE LOS CONTAMINANTES DEL AGUA.................................................- 28 3.5.1 NATURALES .........................................................................................................................- 29 3.5.2 DE ORIGEN HUMANO ............................................................................................................- 29 3.5.3 CONTAMINACIÓN DE RÍOS Y LAGOS ....................................................................................- 30 3.5.4 CONTAMINACIÓN DE MARES Y COSTAS ...............................................................................- 35 3.5.5 EUTROFIZACIÓN ...................................................................................................................- 37 3.5.6 PETRÓLEO EN EL MAR ..........................................................................................................- 39 3.5.7 CONTAMINACIÓN EN AGUAS SUBTERRÁNEAS ......................................................................- 42 2.6. RESUMEN DE LOS PRINCIPALES CONTAMINANTES AL AGUA .................................................- 44 4. SUSTANCIAS NOCIVAS EN SUELOS Y SUBSUELOS ......................................................................- 51 4.1 INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................- 51 4.2 CONFORMACIÓN DEL SUELO ................................................................................................- 51 4.3 CLASIFICACIÓN DE LOS PRINCIPALES CONTAMINANTES DEL SUELO Y SUBSUELO .................- 52 4.3.1 CONTAMINANTES INORGÁNICOS ..........................................................................................- 53 4.3.2 CONTAMINANTES ORGÁNICOS..............................................................................................- 54 4.3.3 FERTILIZANTES ....................................................................................................................- 54 4.3.4 PESTICIDAS ..........................................................................................................................- 55 -

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4.3.5 ACIDIFICACIÓN ....................................................................................................................- 55 4.3.6 SALINIZACIÓN ......................................................................................................................- 55 4.4 PRINCIPALES FUENTES DE LOS CONTAMINANTES DEL SUELO ...............................................- 56 4.4.1 EROSIÓN ..............................................................................................................................- 56 4.4.2 CONTAMINACIÓN .................................................................................................................- 56 4.4.3 COMPACTACIÓN ...................................................................................................................- 57 4.4.4 EXPANSIÓN URBANA ............................................................................................................- 57 4.4.5 PLAGUICIDAS .......................................................................................................................- 57 4.4.6 ACTIVIDAD MINERA .............................................................................................................- 58 4.4.7 EMISIONES ÁCIDAS ATMOSFÉRICAS ......................................................................................- 58 4.4.8 AGUA DE RIEGO SALINA .......................................................................................................- 58 4.4.9 BASURA ...............................................................................................................................- 58 4.4.10 TRANSPORTE ...................................................................................................................- 59 4.4.11 INDUSTRIA.......................................................................................................................- 59 4.5 RESUMEN DE LOS PRINCIPALES CONTAMINANTES DEL SUELO ..............................................- 59 5. ELEMENTOS RADIOACTIVOS .....................................................................................................- 61 5.1 PROCEDENCIA DE LA CONTAMINACIÓN RADIOACTIVA ........................................................- 61 5.2 MEDIDA DE LA CONTAMINACIÓN RADIOACTIVA .................................................................- 62 5.2.1 CONTAMINACIÓN SUPERFICIAL ............................................................................................- 63 5.2.2 CONTAMINACIÓN VOLUMÉTRICA.........................................................................................- 63 5.3 NIVELES DE CONTAMINACIÓN RADIOACTIVA ......................................................................- 63 5.3.1 NIVELES DE CONTAMINACIÓN BAJOS ..................................................................................- 64 5.3.2 NIVELES DE CONTAMINACIÓN ALTOS ..................................................................................- 64 5.4 EFECTOS BIOLÓGICOS DE CONTAMINACIÓN RADIOACTIVA..................................................- 65 -

Tabla de Figuras Figura 1: Composición del aire puro ....................................................................................................... - 6 Figura 2: Clasificación de los principales contaminantes del aire ........................................................... - 7 Figura 3: Fuentes de origen de los contaminantes del aire .................................................................... - 19 Figura 4: Resumen de los principales contaminantes en el aire ............................................................ - 20 Figura 5: Enfermedades relacionadas con los microorganismos patógenos.......................................... - 26 Figura 6: Principales Sustancias Contaminantes del Sector Industrial .................................................. - 30 Figura 7: Parámetros que se estudian en una red típica......................................................................... - 32 Figura 8: Clasificación de las aguas para el consumo humano ............................................................. - 32 Figura 9: IGC y calidad del agua........................................................................................................... - 33 Figura 10: Índice biótico BMWP .......................................................................................................... - 34 Figura 11: Índice SCAF......................................................................................................................... - 35 Figura 12: Origen y carácter de contaminantes en aguas (XX: Típico, X: Ocasional).......................... - 44 -

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Figura 13: Fuentes y efectos de metales pesados en aguas.................................................................... - 46 Figura 14: Composición de detergentes ................................................................................................ - 46 Figura 15: Clasificación de pesticidas ................................................................................................... - 46 Figura 16: Persistencia de varios pesticidas .......................................................................................... - 47 Figura 17: Toxicidad de algunos pesticidas........................................................................................... - 47 Figura 18: Bionutrientes, caracterización trófica de lagos..................................................................... - 47 Figura 19: Origen del nitrógeno y fósforo en el medio acuático ........................................................... - 48 Figura 20: Bacterias patógenas en aguas ............................................................................................... - 48 Figura 21: Virus patógenos en aguas..................................................................................................... - 49 Figura 22: Protozoos patógenos en aguas.............................................................................................. - 49 Figura 23: Toxicidad de algunos Policlorobifenilos, dioxinas y furanos .............................................. - 50 Figura 24: Lista de compuestos orgánicos persistentes (COP) y volátiles (COV) que pueden aparecer en aguas...................................................................................................................................................... - 50 Figura 25: Principales subproductos de desinfección............................................................................ - 51 Figura 26: Elementos esenciales del suelo ............................................................................................ - 52 Figura 27: Cuadro Resumen de los Principales Contaminantes del Suelo ............................................ - 60 -

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1. Introducción La contaminación es siempre una alteración negativa del estado natural del medio, y por lo general, se genera como consecuencia de la actividad humana. Se trata de una alteración nociva del estado natural de un medio como consecuencia de la introducción de un agente totalmente ajeno a ese medio (contaminante), causando inestabilidad, desorden, daño o malestar en un ecosistema, en el medio físico o en un ser vivo. El contaminante puede ser una sustancia química, energía (como sonido, calor, o luz), o incluso genes. A veces el contaminante es una sustancia extraña, una forma de energía, o una sustancia natural. La contaminación puede ser clasificada según el tipo de fuente de donde proviene, las cuales son: fuentes puntuales (aisladas y fáciles de identificar) y fuentes no puntuales (dispersas y difíciles de ubicar). O por el tipo de contaminante que emite o medio que contamina, por ejemplo contaminación atmosférica, hídrica, del suelo, genética, radioactiva, electromagnética, térmica, etc. El presente entregable es el resultado de la investigación del estado del arte en sustancias químicas y radiactivas presentes en incidentes industriales. El documento se divide en cuatro partes claramente diferenciadas que abarcan: sustancias nocivas al aire, en agua superficiales y acuíferos, en suelo y subsuelo, y elementos radiactivos.

2. Sustancias nocivas en Aire 2.1.

Introducción

La atmósfera terrestre ha estado sometida desde sus orígenes a cambios en su composición y temperatura, superándose en ocasiones su capacidad de autodepuración. Sin embargo es en este último siglo pasado cuando la influencia ejercida por el desarrollo de las actividades humanas ha provocado alteraciones en el ritmo y naturaleza de estos cambios. Así, el rápido crecimiento urbano y el tipo de actividades que lleva asociado, ha tenido como resultado la emisión a la atmósfera de enormes cantidades de sustancias nocivas que disminuyen la calidad del aire. La utilización de combustibles fósiles es una de las principales fuentes de la contaminación atmosférica, tanto en procesos industriales, como en transportes o generación de calor. Además, algunos procesos diferentes de la combustión contribuyen considerablemente a las emisiones contaminantes. Generalmente se suele distinguir la contaminación urbana de la industrial, siendo la primera la derivada del transporte, calefacciones y de establecimientos industriales de pequeño tamaño, mientras que por contaminación industrial se entiende la producida por procesos industriales de cierta entidad. Uno u otro tipo de contaminación son, en la práctica, difícilmente disociables. -5-

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Las principales fuentes artificiales emisoras de los diferentes contaminantes atmosféricos son las centrales térmicas, la industria petroquímica y química, la siderurgia y las industrias de sector metalúrgico en general, la industria alimentaria, papelera y del cemento, en lo que respecta al sector industrial; el transporte, las calefacciones de todo tipo en residencias, comercios, etc. y las instalaciones de incineración de basura doméstica y desechos industriales.

2.2.

Aire Puro

Antes de entrar en detalle sobre los principales contaminantes del aire, sus principales fuentes de contaminación, etc. es interesante hablar de lo que se considera aire puro. Se considera que el aire está puro cuando presenta la siguiente composición. Componente Dinitrógeno (N2) Dioxígeno (O2) Argón (Ar) Dióxido de Carbono (CO2) Neón (Ne) Helio (He) Kriptón (Kr) Xenón (Xe) Monóxido de dinitrógeno (N2O) Dihidrógeno (H2) Metano (CH4) Ozono (O3)

Contenido/ppm 780.900 209.400 9.300 318 18 5.2 1 0.08 0.25 0.5 1.5 0.02

Figura 1: Composición del aire puro

El aire absolutamente seco no existe, normalmente contiene vapor de agua hasta un 4% (aproximadamente 40.000 ppm).

2.3.

Clasificación de los principales contaminantes del aire Clases

Tipos de Compuestos Óxidos de nitrógeno Óxidos de azufre

Gases inorgánicos

Óxidos de carbono Otros gases

Gases orgánicos

Hidrocarburos

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Ejemplos Monóxido de nitrógeno Dióxido de nitrógeno Dióxido de azufre Trióxido de azufre Monóxido de carbono Dióxido de carbono Sulfuro de hidrógeno Fluoruro de hidrógeno Amoniaco y dicloro Metano, butano, octano, benceno, acetileno,

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Aldehídos y cetonas Otros componentes orgánicos Partículas de tamaño microscópico (aerosoles)

Partículas sólidas Partículas líquidas en gotitas microscópicas

etileno Formaldehído y acetona Hidrocarburos clorados, alcoholes, Ácidos orgánicos Humo, polvo, ceniza, carbón, plomo, asbesto Neblina, aerosoles, aceites, grasas, ácidos

Figura 2: Clasificación de los principales contaminantes del aire

A su vez, estos contaminantes pueden dividirse en: • •

Primarios: aquellos emitidos directamente a la atmósfera. Secundarios: aquellos que son formados por reacciones entre contaminantes primarios.

2.3.1. Contaminantes primarios 2.3.1.1. Óxidos de Nitrógeno Los óxidos más importantes del nitrógeno que se encuentran en el aire como contaminantes son el Monóxido de Nitrógeno y el Dióxido de Nitrógeno; los dos son producidos por procesos de combustión que tienen lugar en el aire. El Monóxido de Nitrógeno es el producto de la combustión directa de las sustancias simples a elevadas temperaturas, siendo sólo estable a temperatura elevada, ya que a temperatura ordinaria, al entrar en contacto con el aire se oxida a NO2. NO(g) + 1/2O2 (g) = NO2 (g) ∆H = - 56,85 kJ

El NO2 es un gas, de color rojo pardo, muy tóxico y con olor característico. Es un poderoso agente oxidante. El gas de escape de los autos es una fuente importante de NO. Como este NO se oxida a NO2 por el O2 del aire, sólo basta con analizar el efecto de toxicidad del Dióxido de Nitrógeno sobre el medio ambiente. Los efectos de este gas en el hombre van desde un olor desagradable y una irritación moderada a una congestión pulmonar grave y a la muerte, según la concentración de él y la duración de la exposición. El NO2 es una de las sustancias claves que entran en la cadena de las reacciones químicas que producen el “SMOG” y es una fuente absorbente de luz ultravioleta. Su concentración normal en el aire es de 0,001 ppm. El Nitrógeno es esencial para la vida, pero no puede ser asimilado directamente por las plantas. “Fijación del nitrógeno” es un término usado para describir la conversión del N2 en sus compuestos, preferentemente nitratos y amoníaco. Un mecanismo para -7-

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convertir el dinitrógeno atmosférico en óxido es la combustión. El proceso de fijación más importante, sin embargo, es biológico. El paso de N2 a NO3 es producto de la oxidación. Una vez que se han formado los nitratos, estos pueden ser asimilados directamente por las plantas y, así, transformarlo en productos orgánicos nitrogenados, tales como aminoácidos y urea, o puede ser transformado por bacterias de NO3- a NO2, o a NH3, o retornar a N2 en un proceso de reducción. Tanto el Monóxido como el Dióxido de Nitrógeno, son tóxicos para los animales y las plantas, cuando están presentes a determinadas concentraciones. El NO2 es cinco veces más tóxico que el NO. El NO2 contribuye, en gran medida, a provocar las enfermedades respiratorias crónicas de tipo obstructivas. En los pulmones se transforma en ácido nitroso o nítrico. El ácido nítrico provoca la desnaturalización de las proteínas y, por tanto, destruye los tejidos del pulmón. Estos óxidos producen, además, deterioro de las fibras de acetato, algodón y rayón. La interacción química de Hidrocarburos, Óxidos de Nitrógeno y Ozono, en presencia de los rayos UV de la luz solar, produce el “SMOG”, el cual contiene una gran variedad de contaminantes y produce nuevos productos como resultado de la reacción catalizada por la luz solar.

2.3.1.2. Óxidos de Azufre Dióxido de Azufre El dióxido de azufre es un gas, incoloro, con olor y sabor característicos. Es uno de los principales contaminantes del aire. Se produce por la combustión de combustibles que contienen azufre. El petróleo tiene un alto contenido de azufre en su composición, por lo que es importante analizar este contaminante. El carbón de hulla, que se quema en las plantas para generar energía eléctrica, contiene azufre en forma de minerales como la pirita, FeS2. En el proceso de combustión, el azufre se convierte en SO2. 4FeS2 (s) + 11O2 (g) = 2Fe2O2 (s) + SO2 (g)

El dióxido de azufre es muy soluble en agua, y cuando se disuelve en ella, origina disoluciones ácidas. La disolución se comporta como un ácido débil y puede representarse por el equilibrio: SO2 (g) + H2O

H+(ac) + HSO2-(ac) Ka= 1,3.10-2

Es un agente reductor relativamente débil en medio ácido y en medio alcalino: SO42-(ac) + 4H+(ac) + 2e- = SO2(g) + 2H2O E°= 0,20V

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Trióxido de Azufre Se produce por oxidación de SO2. El mecanismo por el cual el SO2 se convierte en SO3 depende de la atmósfera circundante. La conversión parece deberse al O2, O3 ó a la presencia de un radical libre de hidrocarburos. Algunos investigadores opinan que la transición se debe a la presencia de NO, de acuerdo con la serie de reacciones siguientes: + SO2

SO3 + NO2 (predomina a bajas concentraciones de NO)

NO + O2

NO3

+ NO

2NO2 (predomina a altas concentraciones de NO)

La conversión de SO2 a SO3 aparentemente puede ser catalizada por materiales presentes en el polvo del aire, tales como Óxidos de Hierro y Manganeso. En la producción comercial de Ácido Sulfúrico se emplea el V2O5, Pentóxido de Divanadio, para convertir el SO2 a SO3: V2 O5 SO2 (g) + 1/2O2 (g) = SO3 (g) (lenta) El SO3 absorbe agua con extraordinaria avidez, combinándose con ésta con formación de ácido sulfúrico: SO3 (g) + H2O = H2SO4 (ac) ∆H = - 88,95 kJ (20°C) Su solubilidad se ve favorecida en disoluciones de Ácido Sulfúrico, dando origen al óleum o Ácido Sulfúrico fumante (H2S2O7), el cual libera Ácido Sulfúrico al disolverse en agua: SO3(g) + H2SO4(ac) = H2S2O7(ac) H2S2O7(ac) + H2O = 2H+(ac) + 2HSO4-(ac) El Ácido Sulfúrico es un ácido muy fuerte, corrosivo, que destruye el tejido vivo, estructuras de carbonatos y fibras sintéticas. CaCO3(s) + 2H+(ac) = CO2(g) + Ca2+(ac) + H2O Otro compuesto importante que contiene Azufre es el Sulfuro de Hidrógeno (H2S), que presenta un característico olor a huevo podrido. Éste ennegrece los colores de pinturas a base de plomo, ya que se forma el Sulfuro de Plomo, PbS, y es más venenoso que el CO; sin embargo, aún no es un contaminante abundante, como son el SO2 o los

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hidrocarburos. La fuente principal es la materia orgánica en descomposición, aguas negras o alguna operación industrial.

2.3.1.3. Óxidos de Carbono Monóxido de Carbono Es el contaminante que más abunda en atmósferas contaminadas por el progreso tecnológico. Su fuente generadora principal es el motor de combustión interna, que lo libera como componente de los gases de escape. El Monóxido de Carbono (CO) se produce en la combustión incompleta del carbón o de compuestos de carbono. 2C(s) + O2(g) = 2CO(g) Es un gas incoloro, inodoro e insípido, por lo que es muy difícil de detectar. Es ligeramente menos denso que el aire y se mezcla uniformemente y en todas proporciones con éste. La acción contaminante del Monóxido de Carbono se basa en un mecanismo único que difiere totalmente del que ejercen otros contaminantes del aire. A diferencia de la mayoría de los contaminantes que irritan las vías respiratorias, el Monóxido de Carbono pasa, a través de los pulmones, directamente al torrente sanguíneo. Normalmente, el Dioxígeno que llega a los pulmones difunde a través de las paredes de los vasos sanguíneos a la sangre, donde es atraído hacia el extremo cargado con carga positiva, de la molécula de la hemoglobina, que actúa como el transportador de O2 a través de todo el cuerpo. En este proceso de captación del Dioxígeno, por parte de la hemoglobina se liberan iones Hidrógeno. Este proceso puede representarse por el siguiente equilibrio: +

HHB + O2(g) HBO2 + H

+

+

Este equilibrio podrá ser desplazado si varía la concentración de H hacia la formación +

de HHB . Cuando la molécula de hemoglobina oxigenada (HBO2) llega a los tejidos, el CO2, producto fundamental de los procesos de oxidación de las moléculas de alimentos que proveen la energía necesaria para la vida, que se encuentra disuelto en la sangre y obedece al equilibrio: -

+

CO2 (g) + H2O HCO3 (ac) + H (ac)

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Esto provoca un desplazamiento de la posición de equilibrio de la reacción hacia la +

formación de HHB , lo que libera el O2 que los tejidos necesitan para continuar con los procesos naturales de oxidación. El CO2 producido es transportado, a su vez, junto con +

la molécula de hemoglobina no oxigenada (HHB ), hasta los pulmones donde es +

expulsado al medio y la molécula de HHB es oxigenada para iniciar un nuevo ciclo. El resultado neto de este proceso es un intercambio de O2 por CO2 en los pulmones. Cuando hay presencia de Monóxido de Carbono, este ciclo es alterado ya que este gas puede enlazarse también a la hemoglobina, formando la Carboxihemoglobina. El Monóxido de Carbono tiene una mayor afinidad por la hemoglobina que la que presenta el Dioxígeno. La reacción que ocurre es: HBO2 + CO(g) COHB + O2(g) Esta afinidad entre la hemoglobina y el Monóxido de Carbono es 200 veces mayor que entre el Dioxígeno y la molécula de hemoglobina. Resulta así fácil entender el gran efecto nocivo que un exceso de Monóxido de Carbono, presente en la atmósfera, puede causar a la vida animal que en ella habita. Normalmente el cuerpo produce pequeñas cantidades de Monóxido de Carbono, lo cual inmoviliza aproximadamente un 0,5% del total de la hemoglobina en la sangre; sin embargo en presencia de un exceso de este contaminante, se favorece la reacción anterior y disminuye en gran medida el Dioxígeno transportado a los tejidos. Obviamente, para invertir esta reacción debe suministrarse una gran cantidad de Dioxígeno, que es el procedimiento que se utiliza cuando la intoxicación no ha alcanzado los límites irreversibles. La exposición a una atmósfera con 0,1% de monóxido de carbono durante una hora inmoviliza aproximadamente un 50% de la hemoglobina, esto se traduce en una pérdida del conocimiento y la inhalación de 500 mL de Monóxido de Carbono es suficiente para provocar este estado. Es fácil así entender por qué la inhalación de humo produce tan rápidamente asfixia en las personas. Una concentración de 1% de Monóxido de Carbono puede provocar la muerte en 5 minutos. Existe, además, el peligro de destrucción de células cerebrales, debido a la escasez del Dioxígeno y como estas no pueden regenerarse, el daño provocado es irreparable. El Monóxido de Carbono no tiene efecto conocido sobre los vegetales. En principio, el Monóxido de Carbono debería convertirse en Dióxido de Carbono en la atmósfera; sin embargo, esta reacción es demasiado lenta. Dióxido de Carbono

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El Dióxido de Carbono se forma por un proceso de oxidación y combustión. A diferencia del Monóxido de Carbono, el Dióxido de Carbono no es, por sí mismo, tóxico. Por lo tanto, es uno de los gases de menor importancia como contaminante. Es un compuesto necesario en el ciclo de la vida de las plantas, en la reacción de fotosíntesis: luz solar CO2 (g) + H2O Carbohidratos + O2(g) El Dióxido de Carbono empleado en este proceso, así como el Dióxido de Carbono liberado como subproducto de la respiración en el hombre, son importantes en el ciclo total de CO2 - C. El balance entre CO2 disuelto y atmosférico es típico de muchos ciclos naturales: se establece un equilibrio que depende de la concentración, así como del tiempo disponible para la mezcla. Por ejemplo, el CO2 disuelto reacciona en H2O y forma Ácido Carbónico, H2CO3. Este ácido es un ácido débil, muy inestable y parcialmente disociado. Este conjunto de reacciones en cadena se puede representar así: +

-

+

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CO2(g) + H2O H2CO3 (ac) H (ac) + HCO3 (ac) H (ac) + CO3 (ac) Todas estas reacciones son reversibles; la extensión y la dirección de la reacción depende de las condiciones particulares del medio. Se estima que el aumento del CO2 en la atmósfera es de aproximadamente 2,3 ppm anualmente. El CO2 no tiene un efecto contaminante directo, pero su aumento en la atmósfera es importante debido al efecto invernadero, que su presencia junto a la de otros gases, como el metano y los clorofluorocarbonos, puede provocar. Podemos comprender más fácilmente este efecto, si pensamos en lo que sucede en el interior de un automóvil que se ha dejado estacionado bajo acción directa de los rayos solares. Los vidrios del vehículo dejan pasar los rayos solares, los que producen un calentamiento del aire que hay en el interior del vehículo, pero a su vez estos no permiten la salida de la energía calórica acumulada, lo que provoca una marcada elevación de la temperatura; se produce así una trampa calórica. El Sol envía a la Tierra radiaciones de onda corta. Cerca de una tercera parte de estas es reflejada por la superficie del suelo y la atmósfera, y vuelve a irse al espacio. El resto, es absorbido por la superficie y la recalienta. La superficie terrestre, a su vez, como cualquier cuerpo calentado, emite radiaciones infrarrojas, que son absorbidas, en gran parte (porque son de onda larga), por los gases de efecto invernadero contenidos en la atmósfera. Este fenómeno mantiene al planeta a una temperatura aceptable, exactamente como en el caso de los rayos solares que atraviesan un invernadero y calientan su

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interior; este interior, a su vez, emite rayos que son reflejados por la parte interior del invernadero. En una situación natural y estable, la cantidad de calor que el sol emite a la Tierra es igual a la cantidad de calor reflejado y emitido por ésta. Si, en cambio, aumenta la concentración de los gases de efecto invernadero en la atmósfera, debido a la actividad humana, una cantidad mayor de las radiaciones emitidas son retenidas por esos gases, y el planeta se calienta. Las moléculas de CO2 y de los otros gases señalados, no absorben las ondas cortas del sol, sin embargo no son transparentes para la mayoría de las ondas largas procedentes de la Tierra, o sea, reabsorben la energía calórica radiada por la superficie terrestre e impiden su paso al espacio exterior desde la atmósfera. El resultado es un aumento de la temperatura promedio de la Tierra, lo cual puede llevar a grandes catástrofes. El aumento de estos gases de efecto invernadero en la atmósfera es una de las grandes preocupaciones de los científicos en la actualidad y constituye un efecto macroclimático que, desde luego, tiene repercusiones globales; es decir, afecta las condiciones climáticas del planeta en general. Este se puede considerar como el problema medioambiental más serio que afecta al planeta.

2.3.1.4. Hidrocarburos Se consideran como contaminantes primarios y actualmente tienen importancia por la gran cantidad de fuentes y volumen de sus emisiones al aire. Los hidrocarburos entran al aire por evaporación de los productos de combustibles fósiles, como la gasolina. Los hidrocarburos que no se queman totalmente durante la combustión de la gasolina, el petróleo, el carbón y la madera se escapan también a la atmósfera. Los vehículos de transporte son la principal fuente de hidrocarburos. Sin duda, la mayor producción de hidrocarburos se debe a las actividades de la industria petrolera. Los automóviles emiten hidrocarburos por evaporación del combustible y, en forma de hidrocarburos no quemados a través del tubo de escape.

2.3.1.5. Contaminación del Aire por Partículas No es difícil actualmente encontrar, en la atmósfera de las ciudades muy pobladas, una bruma que flota a poca distancia de la superficie terrestre. Esta bruma es causada fundamentalmente por partículas suspendidas en el aire. Estas partículas desvían la luz y oscurecen el cielo, y son conocidas como aerosoles. Las partículas atmosféricas surgen de diferentes fuentes. Muchas de las partículas liberadas en la atmósfera son tan grandes que rápidamente se depositan en el suelo. Pero - 13 -

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las partículas con un radio inferior a más o menos 10 micrómetros (10-6 m) son tan pequeñas que las corrientes de aire las mantienen en suspensión durante varios días. Las partículas con dimensiones dentro del rango de las longitudes de onda de la luz visible (400-760 nm; 1nm=10-9m) provocan en mayor medida la acción de desviación de la luz; esta acción es conocida como efecto Tyndall (desviación de la luz por efecto de pequeñas partículas en suspensión). Las partículas cuyos tamaños oscilan entre 0,1 a 1 micrómetro, que constituyen fundamentalmente la bruma antes mencionada, son también las que más efectivamente afectan al sistema respiratorio del hombre y los animales, al incorporarse durante el proceso de la respiración. Debido a su tamaño, estas partículas logran atravesar fácilmente los sistemas defensivos del aparato respiratorio y se depositan en los pulmones, donde ejercen su acción dañina. Las mucosas de los pulmones se irritan por la acción de las gotitas de Ácido Sulfúrico, presentes en la atmósfera de las ciudades con elevados niveles de contaminación, y también por el humo del cigarrillo. Todos estos efectos se suman y resulta una gran afección para los pulmones, y en general, para todo el sistema respiratorio. Muchas de estas partículas son también cancerígenas. Las partículas se pueden clasificar en tres categorías: a) viables b) no viables c) radiactivas a) Partículas viables: Estas comprenden los granos de polen, microorganismos como las bacterias, los hongos e insectos o partes de insectos, tales como pelos, patas y alas. Estas partículas viables son bastante perjudiciales para el hombre, produciendo enfermedades tales como la fiebre del heno, algunas formas de asma bronquial, infecciones por hongos y enfermedades bacterianas. b) Partículas no viables: Provienen de fuentes naturales y otras de actividades del hombre. Entre las de fuentes naturales: se encuentran la arena y las partículas de tierra, gotitas saladas en regiones costeras y polvo volcánico. Entre las partículas producidas por el hombre se incluyen tanto materia orgánica como inorgánica. c) Partículas radioactivas: Estas constituyen un tipo de contaminación que es la contaminación radioactiva. La mayor parte de la materia orgánica en partículas se presenta en forma de humo proveniente de la combustión de carbón, petróleo, madera y basura. Otras partículas orgánicas transportadas por el aire son polvo, insecticidas y algunos productos liberados por la elaboración de alimentos y la manufactura química. La materia inorgánica en partículas proviene, en gran parte, de las actividades metalúrgicas de las industrias

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productoras de mineral no metálico, de la manufactura química inorgánica y del plomo utilizado en la gasolina. Las partículas metálicas parecen ser las que alteran en mayor grado la salud. Constituyen entre el 0,01 al 0,3% del total de partículas que contiene la atmósfera, pero por el daño que provocan, son las más importantes. De estas partículas, cuatro metales conocidos son los más importantes, por su distribución en las atmósferas contaminadas y por los conocidos efectos nocivos que provocan. Estos son: mercurio, cadmio, níquel y plomo. El mercurio tiene una acción contaminante, fundamentalmente en aguas. Este metal influye en el aumento de enfermedades cardiovasculares e hipertensión, e interfiere además en el metabolismo apropiado del Zn y del Cu, ambos esenciales para la salud. El níquel es incorporado especialmente como carboniloníquel, que se forma por la reacción: Ni(s) + CO(g) = NiCO(s)

Este compuesto tiene su principal efecto en el cáncer del pulmón y muy especialmente se forma cuando se fuma. El más común de estos contaminantes es el plomo. Plomo El plomo se encuentra en suelos, aguas, rocas y alimentos. Se emplea como antidetonante en la gasolina, en forma de tetraetilplomo [Pb(C2H5)4] o tetrametilplomo [Pb(CH3)4]. La concentración de plomo es muy alta en áreas donde el tránsito es muy abundante. El plomo no sólo se descarga en el medio ambiente durante su extracción, fundición y refinación, sino también durante otros procesos, como la combustión de hidrocarburos fósiles, el procesamiento de minerales metálicos no ferrosos y por su utilización en aditivos para la gasolina. La cantidad anual de Pb que se dispersa, como contaminante atmosférico, es muy elevada. Las emisiones antropogénicas de Pb en el aire duplican las emisiones por fuentes naturales. Algunos autores plantean que sólo el 4% del Pb emitido a la atmósfera es producto de las fuentes naturales y el resto proviene de las emisiones antropogénicas. El plomo del aire es potencialmente más peligroso que el plomo acumulado en el agua o el suelo, ya que la absorción por el cuerpo es más directa. El plomo se mezcla con algunos hidrocarburos simples, clorados o bromados, antes de agregarse a la gasolina. Aproximadamente, el 70-80% es expulsado a la atmósfera en forma de partículas pequeñas (aerosoles) de compuestos de plomo, combinado con cloro y bromo, tal como PbClBr (clorobromuro de plomo). Del 30-20% restante, aproximadamente la mitad es expulsado hacia el aceite de lubricación y la otra mitad es retenida en el motor y el sistema de escape. El 98% del Pb presente en el aire se considera que proviene del - 15 -

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consumo de la gasolina con alto contenido de TEP (trietilplomo) en motores de combustión interna. Como el tamaño promedio de estas partículas es de 0,90 micrómetros, son fácilmente absorbidas en los alvéolos pulmonares.

2.3.2. Contaminantes secundarios Virtualmente toda la contaminación del aire proviene del fuego. Algunos contaminantes están atrapados dentro del combustible y se desprenden por medio del fuego. Otros se crean por medio del calor de la combustión. También está el caso de los productos de combustión que reacciona con otros productos químicos en la atmósfera. Todos los combustibles que se utilizan hoy en día: carbón de piedra, petróleo, gasolina, madera, etc. contienen carbono. Si el combustible se quema completamente, produce dióxido de carbono, lo cual contribuye al calentamiento global. Cuando la combustión es incompleta, se produce el contaminante monóxido de carbono. Sin embargo, el combustible no es carbono puro. Puede contener muchos compuestos que contaminan el aire.

2.3.3. Contaminantes del combustible •

El carbón de piedra, el cual contiene: 1. Metales pesados como Arsénico, Selenio, Mercurio y Vanadio. 2. Metales radioactivos como Uranio, Torio, Radio y Radón. 3. Azufre, el cual se quema convirtiéndose en Dióxido de Azufre, el cual se convierte entonces en Ácido Sulfúrico y partículas finas. 4. Algunos de estos materiales no se queman completamente o, como los metales, no se queman nada. El residuo se eleva por la chimenea como material particulado o tizne.

•

El petróleo y sus productos refinados (diesel, gasolina, combustible de reacción, otros combustibles) contienen: 1. Metales pesados tóxicos, tales como Arsénico, Cromo, Manganeso y Níquel. 2. Azufre.

• Compuestos orgánicos volátiles, o compuestos con base de carbono, por ejemplo: Benceno, Tolueno y Xileno, muchos de los cuales se conoce o se sospecha que causan cáncer. 1. Cuando éstos se queman forman muchos contaminantes como Acetaldehído, Etilobenzol, Formaldehído, así como Dioxinas y Furanos. - 16 -

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Algunos científicos consideran a estos productos químicos como los más tóxicos de todos los que se conocen. 2. Productos químicos que se añaden para mejorar la combustión o para cambiar alguna calidad del combustible como el plomo tóxico y éter butílico metilo terciario (EBMT)

2.3.4. Contaminantes como resultado del calor de la combustión o de los reacciones de los productos de combustión en el aire. •

Óxidos de nitrógeno (NOx), entre los cuales es el más conocido el Dióxido de Nitrógeno (NO2).

•

Ozono, que se denomina “SMOG” en todo el mundo, se crea cuando los Óxidos de Nitrógeno reaccionan con productos químicos orgánicos tales como la gasolina sin quemar.

•

El Ácido Sulfúrico que se crea cuando el Dióxido de Azufre reacciona con agua y Oxígeno en el aire. Se denomina comúnmente como lluvia ácida, a pesar de que puede ser también neblina ácida, nieve ácida o partículas secas ácidas.

•

El Ácido Nítrico se desarrolla cuando los óxidos de nitrógeno reaccionan con agua y oxígeno en el aire.

2.3.5. Contaminantes por otros resultados •

Productos Químicos Orgánicos. Cientos de productos químicos enteramente nuevos, muchos de los cuales son bastantes venenosos, surgen del desprendimiento de combustibles sin quemar y escapes de refinerías, pinturas, plantas impresoras, lavanderías en seco, panaderías y demás. Algunos son productos, tales como Cloroflourocarbonos (CFCS), los cuales destruyen el ozono beneficioso en la capa superior de la atmósfera y contribuyen también al calentamiento global. Algunos como el DTD (Dicloro Difenil Tricloroetano), son productos químicos artificiales para pesticidas en agricultura; otros se crearon para propósitos industriales, como los policlorobifenilos (PCB). Un grupo de éstos que quedan rezagados durante muchos años dentro del aire y del suelo, acrecentándose dentro de los tejidos de animales y seres humanos se denominan colectivamente Contaminantes Orgánicos Persistentes. Algunos resultan de procesos específicos de manufactura e incluyen: •

Fluoruros, que pueden matar al ganado o envenenar el pasto, con emitidos por fundidores de aluminio;

•

Plomo, Zinc y otros metales pesados que se derraman de las chimeneas de los fundidores de metales o de los recicladores.

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2.4.

•

Emisiones de hornos de Coke, humo que causa cáncer proveniente de las grandes acerías que hacen el acero de minerales metálicos.

•

Percloruro de Etileno (PERC), escape de máquinas para lavado en seco.

•

Sulfuro de Hidrógeno de las fábricas de papel que cubre cientos de kilómetros cuadrados con un olor nauseabundo.

Principales fuentes de los contaminantes del aire

Las principales fuentes de contaminación del aire son: 1. 2. 3. 4. 5.

Transporte Calefacción doméstica Producción de energía eléctrica Incineración de desechos Procesos de combustión y emisiones de gases de las industrias.

De todas estas, la de mayor incidencia es el transporte, debido a la utilización de los motores de combustión interna, los que desprenden altas concentraciones de Monóxido de Carbono, de Hidrocarburos y de Óxidos de Nitrógeno, en las zonas de gran circulación de vehículos. Las principales fuentes de origen de los contaminantes del aire y su distribución porcentual son como sigue: Tipos de Compuestos Óxidos de nitrógeno

Óxidos de azufre

Óxidos de carbono

Hidrocarburos

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Ejemplos 51% Transporte 44% Fuentes estacionarias 3% Industria 2% Otros 78% Fuentes estacionarias 18% Industria 3% Transporte 6 semanas

Figura 16: Persistencia de varios pesticidas

Pesticida

Tipo

Fórmula

Aldrín

Organoclorado

C12H6CI6

Lindano Heptacloro

Organoclorado Organoclorado

C6H6CI6 C10H5CI7

DDT

Organoclorado

C14H9CI5

Dieldrín Paratión

Organoclorado Organofosforado

C12H4OCI6 C10H14NO5PS

Metilparatión

Organofosforado

C8H10NO5PS

Melatión

Organofosforado

C10H19O6PS2

Baygon

Carbamato

C11H15NO3

DL50(m/kg) 40 (extremadamente tóxico) 90 (muy tóxico) 100 (muy tóxico) 115 (muy tóxico) 50 (muy tóxico) 4 (supertóxico) 14 (extremadamente tóxico) 1000 (moderadamente tóxico) 540 (moderadamente tóxico)

Figura 17: Toxicidad de algunos pesticidas

Categoría Ultraoligotrófico Oligogrófico Mesotrófico Eutrófico Hipereutrófico

Clorofila máxima (mg / m 3) 25

Fósforo total (µg/l) 100

Profundidad de Secchi*(m) >12 12-6 6-3 3-1,5