Autores: Odoardo Álvarez, Roberto Illera/ Unidad de Química y Ambiente. Centro de Tecnología de Materiales (CTM). FIIIDT.
En artículos anteriores hemos descrito los contaminantes: partículas y óxidos de azufre, abordaremos ahora el resto de los contaminantes que impactan de manera global la calidad del aire [4][5].
Óxidos de nitrógeno (NO y NO2)
La salud humana no es la única afectada por la contaminación atmosférica. Diferentes contaminantes tienen distintos efectos en una amplia gama de ecosistemas. Sin embargo, el exceso de nitrógeno plantea riesgos particulares. El nitrógeno es un nutriente clave en el medio ambiente y las plantas lo necesitan para crecer sanas y sobrevivir. Puede disolverse en el agua y luego es absorbido por las plantas a través de sus raíces. Dado que las plantas utilizan grandes cantidades de nitrógeno y agotan el que hay en el suelo, los agricultores y los jardineros utilizan fertilizantes para añadir nutrientes, entre ellos nitrógeno, y de este modo mejorar la productividad.
El nitrógeno atmosférico tiene un efecto similar. Cuando se deposita en las masas de agua o en el suelo, el nitrógeno adicional puede ser beneficioso para determinadas especies en ecosistemas donde hay cantidades limitadas de nutrientes, como los llamados «ecosistemas sensibles», con una flora y fauna únicas. Si se suministran demasiados nutrientes a estos ecosistemas, se puede alterar por completo el equilibrio entre las especies y provocar una pérdida de biodiversidad en la zona afectada. En los sistemas de agua dulce y los ecosistemas costeros, el exceso de nutrientes puede contribuir a la proliferación de algas. Los compuestos de nitrógeno también contribuyen a la acidificación del agua dulce o de los suelos de los bosques, afectando a especies que dependen de estos ecosistemas. De forma similar a los efectos de la eutrofización, las nuevas condiciones de vida pueden favorecer a determinadas especies en detrimento de otras [1].
El monóxido de nitrógeno (NO) es formado en el quemado de combustibles fósiles por oxidación del nitrógeno del aire. No hay evidencia que el NO sea dañino para la salud en las concentraciones normalmente encontradas en la atmósfera. La importancia de conocer su concentración en el aire ambiente, y su relación con la calidad de este, se debe a que frecuentemente el NO es oxidado formando dióxido de nitrógeno (NO2). El NO2 no sólo es tóxico, sino también corrosivo y altamente oxidante. Pequeña cantidad de NO2, usualmente menor que décimas por ciento, son formadas directamente durante la combustión a temperatura elevada. Menos del 10 % del NO2 se forma por oxidación directa del NO en el corto intervalo entre la eyección de NO como un producto de la combustión y el tiempo en que este diluye su concentración debajo de 1 ppm. La mayoría del NO2 que se encuentra en la atmósfera resulta por la oxidación del NO en presencia de luz solar, ozono e hidrocarburos. Otros óxidos de nitrógeno no son considerados por su baja concentración en la atmósfera y por no reaccionar fotoquímicamente [2].
Antes de la salida del sol las concentraciones de NO y NO2 permanecen relativamente constantes. Cuando aumenta la actividad urbana de las 6 a las 8 horas de la mañana, la concentración de contaminantes primarios, CO y NO, aumenta dramáticamente. Luego, por aumento de la radiación solar ultravioleta, aumenta la concentración de NO2 a partir del NO. Cuando la concentración de NO cae a niveles muy bajos (menor del 0,1 ppm) los oxidantes fotoquímicos comienzan acumularse y alcanzan un pico al mediodía. El aumento de tráfico automotor por la tarde causa un nuevo aumento en la concentración de NO. Aún en la ausencia de luz solar, se continúa formando el NO2 a partir del NO por acción del ozono, hasta que el aporte del mismo se agota. Al igual que el SO2, el dióxido de nitrógeno es otro de los contaminantes gaseoso que poseen carácter ácido. Su acción se manifiesta mediante la descomposición del NO2 con la humedad presente en el sistema respiratorio, transformándose en ácido nítrico (HNO3) y nitroso (HNO2). Dado que el NO2 no es muy soluble en agua, pasa a través de la tráquea y bronquios, relativamente secos, alcanzando el área húmeda de los pulmones (los alvéolos) donde forma los ácidos mencionados, ambos irritantes y corrosivos para la cubierta mucosa de los pulmones.
El NO2 en concentraciones elevadas reacciona con la hemoglobina, esto da pie a insuficiencia de oxígeno. Los niveles peligrosos raras veces, o nunca, son resultado de la contaminación atmosférica ordinaria, pero podrían alcanzarse en áreas cercanas a las fuentes industriales. Pruebas con animales de laboratorio indican que una exposición crónica del orden de 10 a 25 ppm de NO2 podría causar enfisema y otras enfermedades degenerativas de los pulmones.
El efecto ambiental más grave de los óxidos de nitrógeno es la generación de smog. Estos gases contribuyen a la decoloración y manchado de las telas y, al formar ácido nítrico, contribuyen a la lluvia ácida [3].
Oxidantes fotoquímicos. Ozono (O3)
Los oxidantes son definidos como las sustancias atmosféricas que reaccionan específicamente oxidando. El más abundante de esos oxidantes es el ozono (O3). Por esta razón, el término oxidante y ozono son frecuentemente usados en forma indistinta. El ozono no es directamente emitido a la atmósfera, sino que es un contaminante secundario formado por una variedad de reactivos atmosféricos. El ozono interacciona con el ambiente más que cualquier otro contaminante ambiental. Reacciona con otros contaminantes, con vegetales, entre otros, y es fácilmente destruido en esas reacciones. La reacción del ozono (O3) con el NO causa que la concentración de O3 en la cercanía de autopistas o caminos de gran circulación de vehículos sea mucho menor que el que se encuentra en otros lugares.
La formación de oxidantes está afectada por la intensidad y duración de la luz solar, la temperatura, y los procesos de emisión y dilución que afectan la concentración en la atmósfera de los otros participantes en las reacciones fotoquímicas. La relación entre las emisiones primarias de NO e Hidrocarburos No Metano (HCNM) y la subsiguiente formación de ozono atmosférico es difícil de cuantificar. La lenta formación y el transporte de contaminantes secundarios tienden a producir una gran separación, espacial y temporalmente, entre las principales fuentes de emisión y las áreas de elevada concentración de contaminantes oxidantes. Existen pocas fuentes de producción primaria de ozono, usualmente vinculadas con descarga eléctrica. En general, no se observa contribución importante en la concentración urbana, excepto en las vecindades inmediata de donde se produce.
El ozono puede también crecer en la superficie por el proveniente de la estratosfera donde es formado por foto disociación de oxígeno y recombinación a ozono. La acumulación de ozono ha sido frecuentemente observada dentro de la capa de inversión sobre áreas urbanas y rurales.
Procesos de convección pueden traer esas capas elevadas a la altura de suelo. Aparte de otros contaminantes, el índice de peligrosidad de una atmósfera urbana se acostumbra a medir en función de los niveles de ozono presente. Existe una cierta variación de los niveles de ozono en la atmósfera urbana durante el día, que refleja la actividad propia de la ciudad. Los niveles de ozono comienzan a aumentar por la mañana, en el inicio de la actividad urbana, alcanzándose las concentraciones máximas cerca del mediodía, un par de horas después de que se registren los niveles más altos de NO2 y de hidrocarburos en la atmósfera. A partir del medio día la concentración de ozono disminuye a causa de ciertas reacciones químicas, como la transformación de NO a NO2 y determinados hidrocarburos a aldehídos, en las que el ozono manifiesta su gran poder oxidante. Los niveles más bajos de ozono se observan durante la noche, puesto que reacciona con el NO2 presente en la atmósfera dando radicales NO3 muy reactivos. Estos radicales oxidan el NO a NO2 y se combinan con otros NO2 para dar N2O5, inestable, que reacciona con el vapor de agua dando ácido nítrico, responsable de la acidez de las nieblas matutinas urbanas [2].
El ozono afecta a la salud humana a través de la alta reactividad que muestra en presencia de compuestos orgánicos con doble enlace, como por ejemplo proteínas y elementos constitutivos de las células. Esto conduce a transformaciones químicas que pueden dar lugar a mutaciones a nivel celular, cuando esta sustancia penetra al organismo a través de las vías respiratorias; en niveles bajos causa irritación en los ojos; en niveles alto puede causar edema pulmonar, hemorragia e incluso la muerte. Los efectos a largo plazo de la exposición de niveles bajos de ozono son más difíciles de evaluar. Es uno de los contaminantes de mayor estudio en el campo epidemiológico por sus efectos nocivos sobre la salud humana [3].
Hidrocarburos no metano (HCNM)
El metano no se considera un contaminante importante porque no reacciona apreciablemente para formar compuestos dañinos. La característica más importante de los demás hidrocarburos desde el punto de vista de la contaminación, es su habilidad para reaccionar con otros compuestos produciendo contaminantes dañinos secundarios.
El análisis del aire por contaminantes individuales de hidrocarburos no metano (HCNM) revela la presencia de numerosos compuestos diferentes por lo que es muy difícil de especificar un grupo de características definidas de “hidrocarburos”. Para nombrar algunos, dentro de los hidrocarburos emitidos al aire por los procesos de combustión, se encuentran los hidrocarburos alifáticos o aquellos que sólo tienen enlaces simples y las olefinas o hidrocarburos con uno o más enlaces dobles, además de otras sustancias orgánicas como aldehídos, cetonas, e hidrocarburos aromáticos policíclicos [2] . Los métodos de referencia para la determinación de hidrocarburos definen como de interés a los compuestos que pasan a través de un filtro con una porosidad de 3 a 5 μm y que produce una señal en un detector de llama ionizante.
Un sumario de las reacciones complejas por lo cual aparecen oxidantes a partir de HCNM es el siguiente. El punto de partida es el dióxido de nitrógeno (NO2), un producto formado por oxidación del monóxido de nitrógeno (NO) el cual es producido durante la combustión. En ausencia de hidrocarburos, el NO2 es disociado por la luz solar produciendo NO y un átomo de oxígeno. Este último se combina con oxígeno molecular para dar ozono el cual no se acumula puesto que se combina con el NO para producir nuevamente NO2. El proceso es continuo y se establece una concentración de equilibrio de cada especie. La concentración de oxidante fotoquímico aumenta cuando el estado de régimen del ciclo fotolítico del NO2 es roto por los HCNM, que reaccionan con agentes oxidantes como radicales -OH u oxígeno atómico para dar otras especies radicales, que reaccionan a su vez con el NO y desbalancean el ciclo. La concentración de ozono aumenta al encontrar menor cantidad de NO libre para reaccionar. Una de las especies químicas que se origina en la reacción de los HCNM con el NO es el nitrato de peroxiacetilo (PAN), compuesto relativamente estable y de elevado poder oxidante. El ozono, los aldehídos y el PAN son los causantes de una buena parte de la destrucción que se achaca al smog: dificultan la respiración y causan ardor y escozor en los ojo. Quienes ya tienen padecimientos respiratorios podrían acusar efectos severos. Los niños y ancianos son especialmente vulnerables [3].
En general los HCNM no presentan efectos nocivos sobre la salud al nivel de concentraciones que se encuentran en el aire. Sin embargo, los hidrocarburos que tienen incorporado oxígeno a su estructura molecular, como en el caso de aldehídos, cetonas y algunos ácidos orgánicos sustituidos, por lo general son perjudiciales al ser humano.
Monoxido de Carbono (CO)
Cuando un hidrocarburo, por ejemplo gasolina, arde con suficiente oxígeno, los productos son dióxido de carbono, (CO2) y agua. Dado que ambas sustancias son componentes normales del aire, generalmente no se le consideran como contaminantes.
Cuando no hay suficiente oxígeno presente, se forma otro óxido de carbono, monóxido de carbono. Cada año se vierten en el aire millones de toneladas métricas de este invisible pero letal gas, y casi el 75 % proviene del escape de los automóviles. En áreas urbanas alejadas de las calles, los niveles a menudo alcanzan promedios de 7 a 8 ppm, cerca de los niveles de peligro, 10 ppm o más. En centros urbanos densamente poblados los niveles de peligro son excedidos frecuentemente, una buena parte del tiempo, y aunque no causan la muerte de inmediato una larga exposición a ellos puede causar deterioro físico y mental.
El monóxido de carbono es inodoro e insípido. Una persona no puede saber si lo hay a su alrededor. La somnolencia suele ser el único síntoma, y no siempre es desagradable. El humo de los cigarrillos también contiene una concentración relativamente alta de CO.
El CO no es un irritante; ejerce su efecto insidioso inutilizando la hemoglobina, molécula responsable del transporte de oxígeno en la sangre, se enlaza con tal fuerza a la molécula que le impide transportar oxígeno. Por ello, los síntomas de envenenamiento con CO son los de la privación de oxígeno. El mejor antídoto es la administración de oxígeno puro. La exposición crónica, aunque sea bajos, de CO podría someter al corazón a un mayor esfuerzo y aumentar la probabilidad de un ataque cardíaco.
El CO es un problema de contaminación local. Es una amenaza grave en áreas urbanas con mucho tráfico, pero no parece ser una amenaza global. En pruebas de laboratorio, el CO sobrevive unos tres años en contacto con el aire, pero la naturaleza se las arregla para evitar su acumulación [3].
Referencias bibliográficas
- Señales de la AEMA, Agencia Europea del Medio Ambiente, Cada vez que respiramos. Copyright © AEMA, Copenhague, 2013
- De Nevers N., “Ingeniería de Control de la Contaminación del Aire”. McGraw-Hill, México, 1998
- Hill W John, Kolb K Doris, Química para el Nuevo Milenio, 8a. edición, Prentince Hall, México, 1999
- Odoardo Álvarez, Roberto Illera Análisis de Calidad del Aire: Contaminantes (I) Nota Técnica. Unidad de Química y Ambiente. Centro de Tecnología de Materiales (CTM). FIIIDT, 2020 : http://www.fii.gob.ve/analisis-de-calidad-del-aire-contaminantes-i/
- Odoardo Álvarez, Roberto Illera Análisis de Calidad del Aire: Contaminantes (II) Nota Técnica. Unidad de Química y Ambiente. Centro de Tecnología de Materiales (CTM). FIIIDT, 2020: http://www.fii.gob.ve/analisis-de-calidad-del-aire-contaminantes-ii/
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