Control De Los Oxidos De Azufre

INGENIERIA AMBIENTAL

CAPÍTULO N° 09: CONTROL DE LOS ÓXIDOS DE AZUFRE

El control de las partículas y de los compuestos orgánicos volátiles (VOC) se realiza en la industria principalmente por medio de operaciones físicas con ayuda de ciclones, precipitadores electrostáticos, filtros, controladores de fugas, condensadores, etc., que no tienen en cuenta el cambio de la naturaleza química del contaminante. Solamente algunas partículas y algunos VOC se cambian químicamente en materiales inocuos por medio de la combustión.

Este capítulo y el siguiente se refieren a contaminantes (SOX y NOX) que no se pueden capturar en forma económica por medios físicos ni se vuelven inocuos por combustión. Su control es en gran parte químico, en lugar de físico. Por esta razón los procesos de control están más orientados a la Química que a la Física, como se verá en adelante.

Los SOX y NOX son contaminantes que se encuentran en todas partes y que tienen muchas fuentes. Estos gases son fuertes irritantes respiratorios que pueden causar daños a la salud en concentraciones elevadas. También forman partículas secundarias en la atmósfera, con lo que contribuyen al deterioro de la visibilidad, al problema de las PM10 y son las causas principales de la lluvia ácida.

1. LA QUÍMICA ELEMENTAL DE OXIDACIÓN-REDUCCIÓN DEL AZUFRE Y DEL NITRÓGENO.

Este capítulo se refiere a los óxidos de azufre; el siguiente capítulo a los óxidos de nitrógeno. Sus fuentes y métodos de control son significativamente diferentes, pero su química es bastante semejante, como se observa en esta breve sección. En su estado elemental, tanto el azufre como el nitrógeno son relativamente inertes e inocuos para los humanos. Los 2 son necesarios para la vida; todos los animales necesitan algo de N y S en sus organismos. No obstante, los óxidos de azufre y de nitrógeno son contaminantes del aire ampliamente conocidos.

En la Tabla Nº1 se muestran, en forma paralela, los productos de la oxidación y de la reducción del nitrógeno y del azufre. Por REDUCCIÓN se entiende la adición de hidrógeno o la eliminación de oxígeno. Si se reduce el nitrógeno, se produce amoniaco (NH3). De manera análoga, si se reduce el azufre, se produce sulfuro de hidrógeno (SH2). Tanto el sulfuro de hidrógeno como el amoniaco son sustancias de olor muy fuerte, son gases a la temperatura ambiente (respectivamente sus puntos de ebullición son de -60ºC y -33ºC) y muy tóxicas en altas concentraciones. A menudo las altas concentraciones debidas a fugas accidentales causan muertes. Éstas ocurren en la producción y uso del amoniaco como fertilizante y refrigerante, así como en la producción y procesamiento del llamado gas “ácido” y el petróleo, los cuales contienen sulfuro de hidrógeno. Ni el amoniaco ni el sulfuro de hidrógeno han demostrado ser tóxicos a bajas concentraciones, que es como generalmente existen en la naturaleza.

Tabla Nº1

Productos de la oxidación y de la reducción del Nitrógeno y del Azufre.

Reducción

←

Forma elemental →

Oxidación, primer paso → Oxidación, segundo paso

Reacción con el agua Reacción con el NH4* u otros cationes

Normalmente requiere alta presión, alta temperatura, gas hidrógeno y un catalizador.

Ocurre en muchos procesos biológicos a bajas presiones y temperaturas. Lo más frecuente es que se realice por la reacción con el oxígeno de la atmósfera, con rapidez a altas temperaturas en el caso de la combustión, o bien con lentitud a bajas temperaturas, por ejemplo, en la formación de herrumbre. Con lentitud en la atmósfera o con rapidez en un reactor catalítico. La velocidad depende del contenido de humedad atmosférica. La velocidad depende de la concentración de cationes atmosféricos.

NH3 ←

Amoniaco ← N2 →

Nitrógeno → NO

Óxido nítrico → NO2

Bióxido de nitrógeno → HNO3

Ácido nítrico Partículas de nitrato

H2S ←

Sulfuro de hidrógeno ← S →

Azufre → SO2

Bióxido de azufre → SO3

Trióxido de azufre → H2SO4

Ácido sulfúrico Partículas de sulfato

Por OXIDACIÓN se entiende la adición de oxígeno o la eliminación de hidrógeno. Cuando se oxida el nitrógeno se forma óxido nítrico (NO) y si sigue la oxidación se forma bióxido de nitrógeno (NO2); de modo semejante se forma bióxido de azufre (SO2) y, en seguida, trióxido de azufre (SO3). Todos estos son gases a la temperatura ambiente o ligeramente arriba de esta temperatura (los puntos de ebullición son 21ºC, 34ºC, -10ºC y 45ºC respectivamente). Como se ve los óxidos tienen puntos de ebullición más altos que los hidruros. Tanto el nitrógeno como el azufre también pueden formar otros óxidos, pero éstos son los únicos de interés principal en la contaminación del aire.

En la atmósfera, el NO2 y el SO3 reaccionan con el agua para formar los ácidos nítrico y sulfúrico. Estos reaccionan con el amoniaco o cualquier “otro catión” disponible, para formar partículas de nitrato de amonio o sulfato de amonio, o algún otro nitrato o sulfato (“otro catión” reemplaza al amoniaco). En general estas partículas se encuentran en el rango de tamaños de 0.1 a 1 µ, son dispersoras muy eficientes de la luz; persisten en la atmósfera hasta que las extrae la coagulación y precipitación. Influyen de manera significativa en los problemas urbanos de las PM10. El NO y el NO2 también desempeñan un papel significativo en la formación del ozono.

Las concentraciones estimadas de estos compuestos en las partes no contaminadas de la atmósfera mundial son: SO2 = 0.2 ppb, NH3 = 10 ppb y NO2 = 1 ppb.

2. PANORAMA DEL PROBLEMA DEL AZUFRE.

El azufre es el 16º elemento más abundante en la corteza terrestre. La mayor parte de este azufre existe en forma de sulfatos, principalmente como “yeso” (CaSO4.2H2O) o como “anhidrita” (CaSO4). El yeso es un mineral químicamente inerte, no tóxico, ligeramente soluble en agua y se encuentra en abundancia en todo el mundo.

Todos los combustibles usados por los humanos (combustóleo, carbón mineral, gas natural, madera, etc.) contienen algo de azufre. Los combustibles como la madera tiene muy poco azufre (0.1% o menos), en tanto que la mayor parte de los carbones minerales tienen de 0.5 hasta 3.0% de azufre. Si se queman estos combustibles el azufre que contienen formará bióxido de azufre:

S (en el combustible) + O2 → SO2

Si se desea impedir que el SO2 llegue a la atmósfera se puede aplicar cualquiera de los métodos que se describen en este

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