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INTRODUCCIÓN
La causa principal de la contaminación del aire es el uso de los combustibles fósiles en procesos de combustión debido al uso extensivo de esta fuente de energía y a la dispersión de los contaminantes que se generan bajo determinadas condiciones meteorológicas. Por tal razón, el deterioro de la calidad del aire está relacionado con los patrones de consumo de energía y con las condiciones meteorológicas.
Estudios realizados por (López y Alexandra, 2014) y (Moscoso y col., 2018) concluyen que las emisiones de gases contaminantes a la atmósfera de los sistemas auxiliares de una industria están determinadas por el tipo y la composición del combustible que se utilice en la generación de vapor.
En la industria del recape de neumáticos generalmente se usan combustibles fósiles ricos en azufre, como el fuel oíl. La combustión de este carburante se considera una de las principales fuentes antropogénicas de dióxido de azufre (SO2) (Núñez y col., 2019).
Arbona, (2019) justifica que el uso de factores de emisión, constituye una alternativa factible y adecuada para el cálculo de emisiones de contaminantes atmosféricos provocadas por fuentes fijas en ausencia de equipos automáticos de medición directa de monitoreo (Ekmekçioğluy col., 2020) y (Maffia y col., 2020). Por otra parte, la concentración de contaminantes en la atmósfera y su distribución espacio-temporal se estima acertadamente mediante la modelación matemática y el monitoreo. Los modelos de dispersión están influenciados por factores meteorológicos y permiten el cálculo de la concentración del contaminante a nivel del suelo y a diferentes distancias de la fuente (Núñez y col., 2019). En el caso del monitoreo atmosférico este permite determinar los niveles de inmisión de los contaminantes. Existen varios métodos que incluyen monitoreo activo, monitores portátiles automáticos de calidad del aire, tubos de difusión pasiva, bioindicadores y sensores remotos.
El actual desarrollo tecnológico ha propiciado la aparición de los sistemas con sensores de bajo costo (LCS, por sus siglas en inglés) como un nuevo método para la vigilancia de la contaminación atmosférica. Esta técnica se caracteriza por el pequeño tamaño, el bajo consumo de energía y los bajos costos de equipamiento, operación y mantenimiento (Hagan y col., 2018). La comunicación en tiempo real y la generación de datos en volumen son otras de las particularidades de los LCS. Estudios realizados por (Munir y col., 2019) y (Astudillo y col., 2020) demuestran que dichos sensores no logran la misma calidad de datos que los obtenidos con los métodos de referencia. Sin embargo, constituyen una alternativa para proporcionar datos meteorológicos y de calidad del aire de alta resolución en tiempo real.
El objetivo del trabajo está enfocado a cuantificar el dióxido de azufre generado en una recapadora de neumáticos mediante medidas de emisión e inmisión en la zona higiénico sanitaria de la misma.
MATERIALES Y MÉTODOS
2.1 Diagnóstico de la zona de estudio
La empresa se encuentra ubicada al norte de la ciudad en la principal arteria vehicular, la carretera Central (Figura 1), cuya zona es altamente poblada sin edificios altos ni espacios abiertos. El radio higiénico sanitario de la zona de estudio es de 300 m según lo establecido en la NC.1020, (2014) y la pluma de sus emisiones es rumbo sur debido a la dirección del viento predominante (norte). Esta fuente principal es una industria de recape de neumáticos; que sus principales emisiones se deben a las emisiones de gases y material particulado proveniente de su sistema de generación de vapor.
2.2 Evaluación de las emisiones
La recapadora de neumáticos cuenta con dos generadores de vapor, de tipo pirotubular que operan de forma discontinua. Para el desarrollo de este trabajo se tomó como objeto de estudio el generador de mayor tiempo de operación y que presenta las mejores características tecnológicas. El mismo tiene una capacidad máxima de 1,5 t/h y produce vapor saturado a condiciones de 433 K (160 °C) y 709,27 kPa (7 kgf/cm2) de presión. Emplea fuel oíl mediano con alto contenido de azufre, cuya composición se muestra en la Tabla 1, Arbona, (2019).
Tabla 1 Composición elemental del combustible fuel oíl
| 84,26 | 11,06 | 0,38 | 0,82 | 3,38 | 0,1 |
Los niveles de emisión de SO2 de la recapadora de neumáticos se determinaron a partir del consumo de combustible en los días 4 y 5 de marzo de 2020 y del factor de emisión para fuel oíl establecido por la Agencia de Protección de Medio Ambiente de Estados Unidos (EPA AP-42, 1998).
El cálculo de las emisiones se realiza de acuerdo a la Ecuación 1 (Moscoso y col., 2018), y Arbona, (2019).
Ecuación 1
Donde:
E: Emisión en (kg/h).
FE = 0,02364 kg SO2 /kg de combustible.
A: Nivel de actividad, consumo de combustible (kg/h).
ER: Eficiencia global en la reducción de emisiones (%) Se considera ER=0 debido a que el sistema analizado no cuenta con dispositivos de control de la emisión.
2.3 Modelación de la dispersión
La modelación de la dispersión del SO2 se realizó con la utilización del software del Centro Meteorológico Provincial. El mismo se basa en un modelo de pluma Gaussiano de estado continuo, que se emplea para evaluar concentraciones y/o deposiciones de flujos de una variedad amplia de fuentes asociadas a la industria y al transporte. Este sistema emplea como unidad de medida el metro, que permite una localización más precisa de fuentes y receptores NC.1059, (2014). La escala de colores que se muestran en los mapas de contaminación debe referirse a las concentraciones media admisibles (CMA) estipuladas en la NC.1020, (2014). De manera que se usa el color azul, si el índice de calidad del aire es menor que 1 es bueno; entre 0,8 y 1 es aceptable; el color verde indica una calidad del aire deficiente y los colores amarillo y rojo indican una calidad del aire malo y pésimo respectivamente.
Los datos empleados para la modelación fueron el caudal de contaminantes expresado en mg/m3, la altura de la chimenea que es de 22 m y la temperatura de salida de los gases de combustión que es 477 K y fue obtenida a partir de la altura, el diámetro de la chimenea y la temperatura de entrada de los gases (Perry y col., 2001).
2.4 Evaluación de niveles de inmisión de SO2 en el área de estudio
La evaluación se realizó los días 4 y 5 de marzo de 2020 en un Consultorio Médico (C), (22 ° 40'36.78''N, 79 ° 97'58.19''W), como se representa en la Figura 2, ubicado en la pluma de dispersión de la fuente principal de la zona a 150 m de la misma.
El muestreo se realizó con el prototipo HZS-GARP-AQ-03 que se presenta en la Figura 3. El mismo se colocó a 2,5 m de altura con respecto a la superficie, según lo referido por (Alejo y col., 2012).
El sistema de medición HZS-GARP-AQ-03, según Hernández, (2020) fue programado con una frecuencia de muestreo de 7 segundos. Cumple con los requerimientos impuestos en cuanto a portabilidad, bajo consumo energético, costo razonable de sus componentes y conectividad. Además, está soportado sobre la plataforma Arduino como elemento para el procesamiento de las diferentes señales analógicas y digitales. Este prototipo incluye sensores electroquímicos de bajo costo (LCS), marca Alphasense para la medición de dióxido de nitrógeno, dióxido de azufre, ozono y monóxido de carbono. El sensor específico en este estudio para el SO2 de modelo A4 (134330005) se muestra en la Figura 3 y tiene un rango de medición de 0 a 200 ppb.
Se determinó el voltaje mínimo del electrodo de trabajo y del electrodo auxiliar del sensor mediante un proceso de remoción con carbón activado. Dicho procedimiento permitió la aplicación del algoritmo 1 de cálculo (Ecuación 2) recomendado por el fabricante Alphasense, (2017) para calcular voltaje generado por el SO2 y la concentración del contaminante a partir de la Ecuación 3.
Ecuación 2
Donde:
Vgas: Voltaje generado por el gas expresado en mV.
WE: Voltaje del electrodo de trabajo expresado en mV.
WE0: Voltaje del electrodo de trabajo en aire cero expresado en mV (WE0= 275,87).
AE: Voltaje del electrodo auxiliar expresado en mV.
AE0: Voltaje del electrodo auxiliar en aire cero expresado en mV (AE0= 294,56).
nT: Factor de corrección dependiente de la temperatura (nT =0,4).
Para calcular la concentración del gas se empleó la Ecuación 3.
Ecuación 3
Donde:
Cgas: Concentración del gas en ppb.
Vgas: Voltaje generado por el gas expresado en mV.
ST: Sensibilidad del gas expresada en mV/ppb (ST = -0,284).
Con este procedimiento se garantiza la fiabilidad de las concentraciones de SO2 como medidas de inmisión.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 Evaluación de las emisiones
Las emisiones de los óxidos de azufre calculadas por factor de emisión proveniente de la fuente de estudio en los días 4 y 5 de marzo de 2020 fueron de 1,0 kg/h y de 0,7 kg/h respectivamente. Este comportamiento se debe a que en el primer día de estudio la industria de recape consumió 42,91 kg/h (1072 L consumidos) de fuel oíl en correspondencia con el tiempo de operación de 24 h. Mientras que el día 5 de marzo, su tiempo de operación fue de 6 h y su consumo de combustible de 29,62 kg/h (185 L consumidos).
Los niveles de emisión de SO2 determinados no superan 1 kg/h, valores estos que coinciden con los resultados obtenidos por (Moscoso y col., 2018) para las industrias de este sector que utilizan combustible con alto contenido de azufre. Sin embargo, son inferiores a los reportados por Arbona y col., (2021) para una empresa de otro sector, la cual tiene tecnologías similares y utilizan el mismo tipo de combustible para la generación de vapor.
3.2 Modelación de la dispersión
Los resultados de la dispersión de las emisiones del SO2 para los días 4 y 5 de marzo de 2020 se muestran en la Figura 4 y la Figura 5 respectivamente.
En los días 4 y 5 de marzo los valores de concentración de SO2 en la industria oscilan entre 35 y 50 ug/m3 para una categoría de índice de calidad de aire deficiente. Mientras que, en el punto de muestreo la concentración del SO2 es de 35 ug/m3, para índice de calidad de aire 0,77 y una categoría aceptable. Los resultados obtenidos en el sitio de muestreo no superan la concentración máxima admisible (CMA) (45 ug/m3) establecida por NC.1020, (2014) para este contaminante.
3.3 Evaluación de niveles de inmisión de SO2 en el área de estudio
Las concentraciones de dióxido de azufre medidas por el sensor en el periodo aparecen en la Tabla 2.
Tabla 2 Resultados obtenidos por el sensor
|
|
|||||
|---|---|---|---|---|---|
| 4/3/2020 | 5297 | 14,2068 | 14,2200 | 14,2052 | 0,0015 |
| 5/3/2020 | 12614 | 14,2097 | 14,2145 | 14,2052 | 0,0027 |
Como se observa en la Tabla 2 la concentración promedio en los días de muestreo fue de 14,21 ppb, lo que representa 36,64 ± 0,017 μg/m3, valor que no supera los 45 μg/m3, establecidos por NC.1020, (2014) y que es similar al obtenido por los modelos de dispersión de la emisión en el punto de muestreo (35 ug/m3). Lo que evidencia que no existen diferencias significativas (∆=1,64 ± 0,017 ug/m3) entre los métodos empleados. (Figura 6).
La concentración promedio en 24 h (36,64 ug/m3) es superior a los resultados obtenidos por (Alejo y col., 2012) mediante muestreo pasivo con captadores tipo Radiello durante 7 días, en la misma semana en el año 2010 y en un punto muy cercano al punto de monitoreo. Sin embargo, cuando se calcula la concentración ponderada en el tiempo (7 días) para los valores monitoreados de acuerdo a la Ecuación 4 (EH40/2005, 2013); la concentración de SO2 sería de 12,226 ug/m3. Este valor representa un valor lógico y en correspondencia con lo obtenido por los autores (Alejo y col., 2012) en el periodo de muestreo (10,5±4,9 μg/m3).
Ecuación 4
Donde:
∑(ci·ti): sumatoria de la multiplicación de la concentración (ppm) por la frecuencia de muestreo (s).
τ: Tiempo de referencia (s).
CONCLUSIONES
El método propuesto que incluye estimación de niveles de emisión, modelación de la dispersión y medidas de niveles de inmisión de SO2 permite la evaluación de los niveles de este contaminante en el aire ambiental en la zona objeto de estudio.
Los niveles de SO2 en el aire ambiental determinados por factores de emisión -modelación (35 ug/m3) y mediante monitoreo con sensores de bajo costo (36,64± 0,017 μg/m3) no presentan diferencias significativas (∆=1,64± 0,017 ug/m3) lo que justifica la factibilidad del uso de los sensores de bajo costo para medir la calidad del aire.
Los resultados de la concentración de SO2 evaluada con medidas de emisión e inmisión demuestran que es la industria de recape la fuente principal que tributa a la calidad del aire por el efecto de este contaminante en su radio higiénico sanitario (300 m) y en este estudio es aceptable.
