Simulación de las interacciones químicas
y fotoquímicas de contaminantes troposféricos
Simulation of chemical and photochemical
tropospheric pollutant interactions
Recibido: julio 10 de 2014 | Revisado: agosto 21 de 2014 | Aceptado: octubre 02 de 2014
Luis Carrasco Venegas1
Luz Castañeda Perez2
Lía Concepción Gamarra3
Ab s t r act
The research aims to model and simulate the dis-
persion of gaseous pollutants in the troposphere the ad-
vection mechanism produced in a volume control. This
dispersion model considered as input the volume of air
containing primary contaminants such as nitrogen oxi-
des, hydrocarbons, carbon dioxide and carbon monoxi-
de, among others. Within this control volume, various
chemical and photochemical reactions. whose com-plex
mechanisms have taken about 80 years of study, still
occur. Part of the primary contaminants becomes
secondary, which can be very harmful. such as ozone,
aldehydes, free radicals, etc. The method is based on the
reaction mechanisms and kinetic constants obtai-ned by
Fallen, Seinfeld and also on work done Crutzen,
Rowland and Molina. The air mixture composed of pri-
mary and secondary pollutants leaves the control vo-
lume and is dispersed, a phenomenon that is repeated
every day of the year.We use this incident as a base for
the modeling, obtaining a system of nonlinear ordinary
differential using which are solved with the Polymath
software. The results depend on factors such as the rate
of emission of primary pollutants, air flow, temperatu-re
and volume of the chosen cell (which will affect the
residence time of the pollutant), initial concentrations of
primary pollutants, among others. The concentration vs.
time curves showed us how pollutants evolve during a
specific hour of day. This lets us know and arrange any
necessary precautions in case any of those values were to
exceed the maximum permissible limits.
Keywords: tropospheric pollutants,
simulation, prediction
1 Docente de la Facultad de Ingeniería
Química de la Universidad Nacional del Callao.
Correo: clave012@yahoo.es
2 Docente de la Facultad de Ciencias
Naturales de la Universidad Nacional Federico
Villarreal. Correo: lcastaneda@unfv.edu.pe
3 Docente de la Facultad de Ingeniería Geográ-
fica, Minera, Metalúrgica y Geográfica de la
Universi-dad Nacional Mayor de San Marcos.
Correo: lconcepciong@unmsm.edu.pe
Re su m e n
La investigación tiene como objetivo modelar y
simular la dispersión de los contaminantes gaseosos de
la tropósfera mediante el mecanismo de advección
producido en un volumen de control. Este modelo de
dispersión considera como flujo de entrada al volumen
del aire que contiene ciertos contaminantes primarios
como óxido de nitrógeno, hidrocarburos, dióxido de
carbono, monóxido de carbono, entre otros. En este vo-
lumen de control, ocurren diversas reacciones químicas
y fotoquímicas, cuyos complejos mecanismos han to-
mado aproximadamente 80 años de estudio. Parte de los
contaminantes primarios se convierten en secundarios,
los cuales son nocivos, por ejemplo: el ozono, aldehídos,
radicales libres, etc. El método se sustenta en los meca-
nismos de reacción y las constantes cinéticas obtenidas
por Fallen, Seinfeld y trabajos realizados de Crutzen,
Rowland y Molina. La mezcla de aire (compuesta por
contaminantes primarios y secundarios) sale del volu-
men de control y se dispersa, fenómeno que se repite
todos los días del año. En base a ello se realiza el mode-
lamiento, obteniéndose un sistema de ecuaciones dife-
renciales ordinarias no lineales, las cuales se resuelven
con el software Polymath. Los resultados dependen de
factores como la tasa de emisión de contaminantes pri-
marios, flujo de aire, temperatura y volumen de la celda
considerada (que incidirá en el tiempo de residencia del
contaminante), concentraciones iniciales de los con-
taminantes primarios, entre otros. Las curvas de con-
centración vs tiempo nos mostraron cómo evolucionan
los contaminantes a una hora del día. Ello nos permite
conocer y tomar las previsiones del caso, si alguno de
ellos estuviera por encima de los límites máximos per-
misibles.
Palabras clave: contaminantes troposféricos,
simu-lación, predicción
| Cátedra Villarreal | Lima, perú | V. 2 | N. 2 | PP. 41-53 | julio-diciembre | 2014 | issn 2310-4767 41
Luis Carrasco Venegas, Luz Castañeda Perez, Lía Concepción Gamarra
Introducción
En la atmósfera, se producen los denomi-
nados contaminantes primarios, aquellos que
salen directamente de la fuente, cuyo origen es
natural y antropogénico. Estos contaminan-tes
primarios reaccionan entre sí o con otros gases
presentes en la atmósfera y producen nuevos
contaminantes a los cuales se les de-nomina
contaminantes secundarios. Uno de estos
contaminantes secundarios que reviste gran
importancia por sus efectos adversos a la salud
y al ecosistema en general, es el ozono
troposférico. Sin embargo, no es posible aislar
a este compuesto para su estudio específico,
sino que está involucrado en una serie de in-
teracciones químicas y fotoquímicas (Atlas,
1982) por lo cual, necesariamente, deben ser
consideradas estas interacciones, en base a los
mecanismos propuestos. Posteriormente,
luego de su tiempo de residencia dentro de un
volumen de control, los contaminantes se dis-
persan por advección, momento en que em-
pieza un nuevo ciclo, tal como se observa en
la Figura. 1.
Figura 1. Fuentes de emisión de diversos contaminantes
Fuente: Adaptado de Spiro, T; 2004
En la segunda mitad del siglo XIX el
ozono troposférico fue uno de los principales
temas de estudio debido a que se creía
(erróneamen-te) que evitaba la propagación de
epidemias debido a su papel desinfectante.
El origen clásico del ozono troposférico
era el ozono transportado desde la estratosfera
y que era destruido en la superficie (Regener,
1949). La producción fotoquímica como fuen-
te de ozono en atmósferas no se reconoció
hasta que Crutzen (1973) y Chameides (1973)
(Cantrel, 1985), propusieron que la oxidación
del metano y el monóxido de carbono, en pre-
sencia de óxidos de nitrógeno daba lugar a
una considerable producción de ozono.
Actualmente, el ozono es entre los oxidan-
tes fotoquímicos, presentes en el aire, el de
mayor importancia, el mejor estudiado y cu-yos
efectos son mejor comprendidos (Baird, 2001).
A pesar de que el ozono se encuentra en la
atmósfera en pequeñas trazas, es de suma
importancia, puesto que es el compuesto ini-
ciador de las cadenas de oxidación en la tro-
posfera, ya que indirectamente produce OH* y
HO2*, que son especies altamente oxidantes. El
ozono y sus derivados fotoquímicos OH* y
HO2*, son los principales oxidantes para la
mayoría de los gases reducidos. Por lo tanto, el
ozono juega un papel importante controlando la
capacidad oxidativa de la atmósfera. Sin el
ozono, gases reducidos como el monóxido de
nitrógeno, el sulfuro de hidrógeno, los hidro-
carburos y los compuestos de nitrógeno, se acu-
mularían considerablemente en la atmósfera.
Históricamente, el término “oxidante foto-
42 | Cátedra Villarreal | V. 2 | No. 2 | julio-diciembre | 2014 |
Simulación de las interacciones químicas y fotoquímicas de contaminantes troposféricos
químico” ha definido a aquellos contaminan-tes
atmosféricos (ozono, peroxiacetilnitrilo, dióxido
de nitrógeno, etc.) que son productos de
reacciones fotoquímicas y al mismo tiempo
capaces de oxidar al ioduro en solución neutra.
Desde el punto de vista ambiental elevadas
concentraciones de ozono en la superficie ha-
cen que el ozono troposférico sea considerado
como un contaminante puesto que tiene efec-
tos en la salud humana y la flora.
La concentración natural de ozono en la
superficie es entre 10 y 50 ppb. (Atkinson R,
& Lloyd, A. C., 1984). Su concentración en
zonas urbanas y áreas rurales de continentes
industrializados es mayor que en las
regiones apartadas de la actividad humana.
En los últimos años se ha observado un
aumento en su concentración debido a la in-
tensificación de esas actividades (industria-
les, agrícolas, generación de energía, quema
de bosques). Según fuentes bibliográficas, en
regiones europeas el nivel actual de ozono du-
plica al conocido hace un siglo y en algunos
lugares de Europa se han registrado episodios
con concentraciones de 200 ppb.
El ozono troposférico actúa también como
gas de efecto invernadero como consecuencia
de la fuerte banda de absorción centrada en
9.6 µm particularmente en la alta tropósfera
donde la temperatura es baja.
La concentración de ozono troposférico en
aire es el resultado neto de una gran diver-
sidad de procesos atmosféricos que incluyen
su producción fotoquímica a partir de otros
contaminantes primarios, su transporte a otras
regiones, la intrusión en la tropósfera de aire
estratosférico rico en ozono y su destruc-ción
en la atmósfera (por fotolisis o reacción
química) o sobre la superficie terrestre (por
deposición sobre superficies reactivas biológi-
cas o no, tales como vegetación, suelo o
ciertos polímeros (Brasseur et al., 1999).
El tiempo de permanencia de los diversos
contaminantes presentes en la tropósfera es muy
variado desde tiempos muy pequeños para los
radicales oxidrilo e hidroperóxido, hasta
tiempos muy largos de alrededor de 100 años
para los compuestos cloro fluoro car-bonados,
principal causante de la disminución del espesor
de la capa de ozono (Bandow et.al., 1980). Estos
tiempos de permanencia media en la tropósfera
se observan en la Figura 2.
Figura 2. Tiempo de permanencia de algunos contaminantes de la
tropósfera Fuente: Baird, C; 2001
| Cátedra Villarreal | V. 2 | No. 2 | julio-diciembre | 2014 | 43
Luis Carrasco Venegas, Luz Castañeda Perez, Lía Concepción Gamarra
El mecanismo de reacción general de los procesos químicos y fotoquímicos que
ocurren en la atmósfera, ha sido desarrollado por de Falls y Seinfeld (1978), basado en los
trabajos de Crutzen et. al que se muestran en la Tabla1.
Tabla 1
Mecanismo general de los procesos químicos y fotoquímicos en la atmósfera
Nro Principales reacciones en el sistema
NOx / HOx
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
NO2 + hν → NO + O ( 3 p) O ( 3 p ) + O2 + M →
O3 + M O3 + NO → NO2 +O2 NO2 + O ( 3
p ) → NO + O2 NO2 + O ( 3 p ) → NO3
NO + O ( 3 p ) → NO2 NO2 +O3 → NO3 +O2 NO3
+ NO → 2NO2 NO3 + NO2 → N2O5 N2O5 → NO2
+ NO5
N2O5 + H2O → 2HONO2
NO + NO2 + H2O → 2HONO
HONO + HONO → NO + NO2 + H2O
O3 + h → O2 + O ( D)
O3 + hν → O2 + O ( 3 p)
O (1 D ) + M → O ( 3 p ) + M
O(1 D) + H2O → 2OH
HO2 + NO2 → HONO + O2
HO2 + NO2 → HO2 NO2
HO2 NO2 → HO2 + NO2
HO2 + NO → NO2 +OH
44
Variable2
Variable3
3 × 10 4 × exp(107 / T )
3.4×105
< 10−3 × k19
58.2 × exp(1006 / T ) 1.72
× 1015 × exp( −10015 / T )
1.2
×104
| Cátedra Villarreal | V. 2 | No. 2 | julio-diciembre | 2014 |
3.9 × 10 −6 × exp(510 / T )
3.1 × 10 3 × exp( −1450 / T )
1.34 ×104
3.6×10
3
5.6 × 10 2 × exp(584 / T )
1.8 × 10 2 × exp( −2450 / T )
2.8×104
2.19 × 10 2 × exp(861 / T )
7.44 × 1015 × exp( −10317 / T )
1.5 ×10−5
2.2 ×10−9
1.4 ×10−3
Constante de velocidad (ppm-2min-1)
Variable
1
Luis Carrasco Venegas, Luz Castañeda Perez, Lía Concepción Gamarra
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
OH + NO → HONO
OH + NO2 → HONO2
HONO + hν → OH + NO
CO+OH →CO2 + HO2 OH
+ HONO → H2O + NO2
HO2 + HO2 → H2O2 + O2
OH + HO2 → H2O2 + O2
OH +O3 → HO2 +O2 HO2
+O3 →OH +2O2 HCHO +
hν → HO2 + HCO HCHO
+ hν → H 2 + CO
HCHO + OH → HCO
HCHO + O2 → HO2
RCHO + hν → RO2 +
HCO RCHO + OH →
RCO3 OL+OH → RO2
OL+O → RO2 + RCO3
1.7 ×104
(1.477 × 1015 ) × 10− (11.6×T / (17.4 +T )) × (280 / T )0.5
Variable4
4.4×102
9.75 ×103
3.7 ×103
4.4×104
2.22 × 10 3 exp( −1000 / T )
1.1 × 10 2 exp( −1275 / T )
Variable5
Variable6
2.1×104
8.4×103
Variable7
2.1×104
6.06 ×10 3 exp(544 / T )
6.06 × 10 3 exp( −38 / T )
OL + O3 → 0.5×δ HCHO + (1− 0.5×δ )RCHO
39 +0.5 × ε (ξ + 0.5 ×η)RO2 + 0.25 × ε (ξ +η)RO2 +
0.25×ε ×ξOH + 0.25×ε ×ηRO + 0.25×ε ×ηHCO
40 ALK + OH → RO2
41 ALK +O → RO2 +OH
42 C2H4 + OH → RO2
43 C2H4 + O → RO2 + HCO
44 RO → αHO2 + (1−α)RO2 + β HCHO + γ RCHO
45 NO + RO → RONO
46 RONO + hν → RO + NO
9.01 × 10 2 exp( −1900 / T )
2.6 × 10 4 exp( −560 / T )
7.1 × 10 4 exp( −2900 / T ) + 1.3 × 10 5 exp( −2250 / T )
3.2 ×10 3 exp(385 / T )
8.1 × 10 3 exp( −565 / T )
2.0 ×105
4.9×104
Variable8
| Cátedra Villarreal | V. 2 | No. 2 | julio-diciembre | 2014 | 45
Simulación de las interacciones químicas y fotoquímicas de contaminantes troposféricos
47
NO
2
+
RO
→
RONO
2
1.55 ×104
48
NO
2
+
RO
→
RCHO
+
HONO
k
47
/ ( k
47
+
k
48
)
=
0.92 para R
=
CH
3
49
RONO
+
h
ν →
RO
2
+
NO
5.5×103
50
NO
2
+
RO
2
→
RCHO
+
HONO
2
5.5
51
RO2 NO2
→
NO2
+
RO2
0.5 ( est.)
52
NO+RO2 → NO2 +RO
1.2
×
10
4
( est.)
53
NO
+
RCO
3
→
NO
2
+
RO
2
3.8 ×10
54
NO
2
+
RCO
3
→
PAN
2.07 ×103
55
PAN
→
NO
2
+
RCO
3
4.77
×
10
16
exp(
−
12516 / T )
Datos tomados de la Tesis Doctoral: Mode-
Método
lizacion y Análisis de las Concentraciones de
La ejecución de la presente investigación se re-
Ozono Troposférico de Federico Velásquez de
alizó siguiendo los siguientes pasos:
Gonzales Castro, en base a los mecanismos
a. Balance de materia
de reacción propuesto por Atkinson y Lloyd,
(1984).
Para la realización del balance de mate-
OL: alcoholes ALK: alcanos PAN: Peroxia-
ria se ha utilizado el software Polymath,
cetilnitrilo, M: concentración del aire equiva-
usado con frecuencia para el desarrollo
lente a 1000000 ppm.
de trabajos de investigación asociados a
Los valores de las constantes deno-
modelos matemáticos. Uno de los utilitar-
ios con que cuenta este software es la reso -
tadas como Variable1… Variable8, son
lución de sistemas de ecuaciones diferen-
funciones
de la intensidad de la radia-
ciales ordinarios con paso de integración
ción solar. Los valores que se muestran a
constante y variable. Dado que muchas
continuación, están dados para el medio
de las curvas tiene cambios de dirección
día
donde la radiación solar es máxima.
muy pronunciados, se requiere la rutina
k1 = 0.533 (M. Cutlip y M. Shacham)
STIFF que integra en forma adecuada las
ecuaciones diferenciales con cambios re-
k14
=
2.8
×
10
−
5
×
k
1
(J. Leone y J. Seinfeld)
pentinos en su pendiente. El esquema de
k
15
= 0.0232 (J. Leone y J. Seinfeld)
la dispersión de contaminantes se observa
en la Figura 3.
k
24
= 0.0631 (J. Leone y J. Seinfeld)
k31 = 1.63 ×10−3 (M. Cutlip y M. Shacham)
k
32
= 2.96 ×10−3 (M. Cutlip y M. Shacham)
k
35
= 1.45 ×10−3 (J. Leone y J. Seinfeld)
k
46
= 0.0158 (J. Leone y J. Seinfeld)
46 | Cátedra Villarreal | V. 2 | No. 2 | julio-diciembre | 2014 |
Luis Carrasco Venegas, Luz Castañeda Perez, Lía Concepción Gamarra
Figura 3. Modelo de celda fija para el cálculo de la
evolución de los contaminantes troposféricos
Fuente: Adaptado de G. Kiely, 1999
[A]=[E]-[S]+[G]+[EM] ...(1)
[A] Tasa de acumulación del contaminante i o del contaminante j en el volumen de control.
[E] Flujo másico de i a la entrada
[S] Flujo del contaminante i a la salida
[G]
Generación del contaminante secundario j y/o consumo de contaminante primario i
[EM]
Tasa de emisión del contaminante i en el volumen de control
El flujo de entrada, está en función a la veloci-
dad horizontal del viento que ingresa al volu-
men de control; este flujo es igual al flujo de
salida, pero con una concentración diferente.
La tasa de emisión está en función a la canti-
dad de contaminante primario generado den-
tro del volumen de control y es proporcional a
la actividad desarrollada en el área de estu-
dio. La generación y/o consumo ya sea de los
contaminantes primarios o secundarios se ob-
tiene mediante la expresión cinética derivada
para cada componente a partir del mecanis-
mo de reacción presentado en la Tabla 1.
Un ejemplo del balance de materia para el
NO2 y el NO según la Tabla 1 se muestra
a continuación:
d NO
2
= NO2 e /
τ− NO2
/ τ
dt
− k × NO
+
k
3
× O
NO
−
k
4
×
NO
O 3 p
−
k
5
× NO
O 3 p
+
k
6
×
NO
O 3 p
1
2
3
2
2
+ k13 × HONO2 − k18 × HO2NO2− k19 × HO2NO2+ k 20 × HO2 NO2+ k 21 ×HO2NO
− k 23 × OHNO2+ k 26 × OHHONO − k 47 × RONO2− k 48 × RONO2− k 48 ×RONO2
−
k
50
×
RO
2
NO
2
+
k
51
×
RO
2
NO
2
−
k
54
×
RCO
3
NO
2
+
k
55
×
PAN
+
EM (NO
2
)
…(2)
d
NO
= [NO]
/
τ −
[
NO
]
/
τ +
k
×
NO
−
k
O
k
× NO
O
3
p
−
k
×
NO
O
3
p
dt
e
1
2
3
3
4
2
6
| Cátedra Villarreal | V. 2 | No. 2 | julio-diciembre | 2014 | 47
Simulación de las interacciones químicas y fotoquímicas de contaminantes troposféricos
- k8 ×NO3NO - k12 ×NONO2H 2 O + k13 ×HONO2 -
k 21 ×HO2NO
− k 22 ×OHNO − k 24 ×HONO − k 45 ×NORO + k 46
×RONO + k 49 ×RONO
− k 52 ×NORO2 − k 53 ×NORCO3+EM ( NO) … (3)
Dónde:
τ tiempo de residencia
NO2
concentración de entrada al volumen de control del dióxido de nitrógeno
e
concentración actual del NO
2
dentro del volumen de control y a la salida del mismo
NO2
EM (NO )
tasa de emisión del dióxido de nitrógeno
2
Para el balance de cada uno de los compuestos de la Tabla 1 se procede del mismo modo.
b. Adecuación de las constantes cinéticas que dependen de la radiación solar
Los pasos de reacción, 1, 14, 15, 24, 31, 32, 35 y 46 dados en la Tabla 1 son variables
y están en función de la incidencia de la radiación solar.
Un procedimiento adecuado para la utilización de las constantes de velocidad de estas
reac-ciones, en función a la hora del día, es el siguiente:
2 × π (t − 6)
2 × π (t − 6)
k i k i m sen
para sen
0 …(4)
24
24
ki = 0 , para los demás valores de t.
Donde t, es el tiempo en horas en la base de 24 horas/día y la radiación solar comienza
a las 6 a.m. y acaba a las 6 p.m.
La variación de Ki con la hora del día se puede realizar usando la siguiente ecuación. Por
ejem-plo, para la constante K1 de la reacción 1(Tabla 1) la ecuación es la siguiente:
k1 = if ( sign(sin((2 × π / 24) × (t − 6))) <= 0) else ((0.533 × 60) × sin((2 × π / 24) × (t − 6)))
(5)
Donde el signo intrínseco de la función es
+1, 0 o -1, dependiendo del valor del argu-
mento de la función sea positivo, cero o nega-
tivo, respectivamente. El resultado neto es
que la constante de velocidad solo tiene
valores entre las 6 a.m. y las 6 p.m. y es cero
para el resto de las horas. Este mismo tipo de
cálculo se utiliza para las demás constantes
antes indi-cadas como variables.
Además, se ha considerado las condiciones
físicas dentro del volumen de control definido
por la ecuación: VOL=L x W x h . Es decir, la
temperatura variable en función al tiempo, la
presión variable en función a la altura, el flu-
jo volumétrico global, las concentraciones de
cada componente, la concentración inicial de
los contaminantes primarios y/o secundarios
dentro del volumen de control, etc.
c. Cálculo de los parámetros del modelo
Los parámetros físicos del modelo se
ob-tienen del siguiente modo:
48 | Cátedra Villarreal | V. 2 | No. 2 | julio-diciembre | 2014 |
Luis Carrasco Venegas, Luz Castañeda Perez, Lía Concepción Gamarra
• Tiempo de residencia
• Volumen de control
• Flujo volumétrico
• Área de la sección, transversal al flujo
• Densidad promedio del aire
• Presión promedio del aire como
función del aire
• Altura barométrica
• Temperatura en función al tiempo
• Coeficientes estequiométricos:
definen las relaciones entre sus compo-
nentes de las reacciones 39 y 44.
Dónde:
L Longitud de la celda
W Ancho de la celda h
Altura de la celda
V Velocidad del aire conteniendo los
con-taminantes
Ps Presión atmosférica a nivel del mar
M Peso molecular del gas
R Constante universal de los gases
equiva-lente a 0.082 L-atm/mol K
Rd Constante universal de los gases
equiva-lente a 287 J/Kg.K
g Constante gravitacional. Los demás
térmi-nos están totalmente definidos.
d. Datos para la simulación
En base a la ecuación (1) y de forma simi-
lar a la ecuación (2), se obtienen 36 ecua-
ciones diferenciales ordinarias; las cuales se
resuelven tomando en consideración las
ecuaciones (3) y (4) y los valores dados
en la Tabla 2.
Tabla 2
Valores de las concentraciones iniciales,
concen-tración de entrada y concentración de
las emisiones de los diversos contaminantes
que interactúan en el volumen de control.
Sustancia
Condi-
Concen-
Emis-
ciones ini-
tración de
iones
/ Especie
ciales
entrada (ppm/
(ppm/
Química
ppm/min
min)
min)
NO
2
0.12
0.001
0.01
NO
0.18
0.01
0.8
O
3
0
0.02
1.2
HCHO
0.1
0.0002
0.002
O
2
0
0
0
H
2
0
0.00001
0
RONO
2
0.00001
0.00001
0.004
H
2
O
2
0.0005
0
0
CO
2
0
0.0003
0.0002
NO
5
0
0
0
RO
2
NO
2
0
0.0001
0.0001
C
2
H
4
0.002
0.00042
0.00042
RO
2
0
0.002
0.0002
O
0
0.003
0
RCHO
0
0.0003
0
CO
0.005
0.005
0.05
HO
2
NO
2
0.000001
0
0
H
2
O
0.01
0.001
0.01
HCO
0
0.004
0
ALK
0. 01
0.00001
0.0001
RCO
3
0
0
0
PAN
0.002
0.004
0.04
RONO
0
0
0
RO
0
0
0
OH
0
0
0
OL
0.03
0
0
HO
2
0
0
0
HONO
0
0
0
N
2
O
5
0
0
0.0001
N
O
3
0
0
0
O(
3p
)
0
0
0
O(
1D
)
0
0
0
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Simulación de las interacciones químicas y fotoquímicas de contaminantes troposféricos
Todos estos valores dados en ppm, son supuestos y están dentro de los rangos de calidad
del aire, y son necesarios para proceder a la simulación.
Resultados
Luego de ejecutar el programa de cálculo, realizado en Polymath, se obtuvieron los siguientes per-
files para algunos contaminantes primarios y secundarios más importantes involucrados en las re-
acciones de los contaminantes troposféricos, según los mecanismos presentados en la Tabla 1.
Figura 4. Perfiles de concentración del monóxido de nitrógeno, dióxido de nitrógeno y ozono
La Figura 4 muestra que hay una depen-
dencia directa entre el monóxido de nitróge-
no, dióxido de nitrógeno y el ozono. En las
primeras horas de la mañana, se observa que
cuando el dióxido de nitrógeno se eleva, lo
mismo ocurre con el ozono, mientras que el
monóxido de nitrógeno decae fuertemente. En
las horas de mayor radiación solar (6:00 -
18.00 horas) el dióxido de nitrógeno se de-
scompone disminuyendo bruscamente su
concentración, y como consecuencia de ello
también hay una caída de la concentración de
ozono; sin embargo, los niveles de monóxido
de nitrógeno se elevan en gran medida. Por
otro lado, a la hora que termina el brillo solar,
la situación se revierte nuevamente, haciendo
que se produzca nuevamente ozono. Además,
el descenso brusco de la concentración de
ozono en las horas de brillo solar se debe tam-
bién, según indican las reacciones 13 y 14, es
destruida por la radiación solar.
Figura 5. Perfiles de concentración del HONO, CO, RCHO, CO2, H2O2 y RONO2
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En la Figura 5 se observa que las mayores con-
centraciones del RCHO, HONO y RONO2 se
producen la mayor concentración por interac-
ciones químicas; sin embargo, en las horas de
presencia de radiación solar, sus concentra-
ciones disminuyen como consecuencia de las
interacciones fotoquímicas. Esto se corrobo-ra
pues las reacciones 35, 24 dependen de la
intensidad de la radiación solar. La concen-
tración de RONO2 en las horas de radiación
solar se ve favorecida por la formación del
radical RO (ecuación 48); sin embargo, según
la ecuación 47, también se requiere de una
concentración equivalente de NO2, que de ac-
uerdo a la Figura 5 en este periodo de tiempo
señalado, está en su nivel más bajo. En el caso
de los otros componentes, como el CO, CO2 y
H2O2, la concentración neta se incremen-ta,
pues este mecanismo indica solo la for-
mación de CO2 y H2O2 (no hay consumo); y
en el caso del CO, la tasa neta de generación
es mayor que la de consumo.
Figura 6. Perfiles de concentración del HCHO, RONO y PAN
La Figura 6 muestra que la concentración del
HCHO decae con el tiempo, es igualmente
afectada por las reacciones químicas y fo-
toquímicas. No se observan cambios aprecia-
bles de su pendiente, debido principalmente a la
magnitud de sus constantes cinéticas. Tam-bién
se observa que la concentración del per-
oxiacetilo (PAN) se incrementa durante todo el
día, con un ligero descenso en las horas de
mayor intensidad de la radiación solar. En el
caso del RONO, se observa un ligero incre-
mento de su concentración en las horas de
mayor radiación solar. Las reacciones 45 y 49
están involucradas en la formación del
RONO; la constante de la ecuación 45
(formación), es mayor que la constante de la
ecuación 49 (consumo), y el resultado neto es
el incremen-to en las horas de brillo solar.
Figura 7. Perfiles de concentración del OH
| Cátedra Villarreal | V. 2 | No. 2 | julio-diciembre | 2014 | 51
Simulación de las interacciones químicas y fotoquímicas de contaminantes troposféricos
En base a la Figura 7, se puede afirmar que la
formación de OH es una función directa de la
incidencia de la radiación solar, obtenién-dose el
valor más alto, justamente al medio día, donde
los rayos solares inciden en direc-ción vertical al
suelo, provocando la formación
de radicales libre, en este caso, el OH. A pesar
de su baja concentración, este es un promo-tor
importante de muchas otras reacciones tal como
lo muestra el mecanismo de reacción que
involucra las reacciones 17, 21, 22, 23, 24, 26,
28, 29, 30, 33, 36, 37, 39, 40, 41 y 42.
Figura 8. Perfil de concentración del OL, ALK, H2O, C2H4 y H2O2
De acuerdo a la Figura 8, la concentración
del agua y del peróxido de hidrógeno, tienden
a aumentar, pues, casi en su totalidad, de acu-
erdo al mecanismo de reacción, estas dos sus-
tancias se encuentran como productos, mas no
así participan como reactantes salvo el caso
Discusión
Tal como se ha descrito, la presente inves-
tigación muestra los resultados la simulación
en base a la cinética de 55 reacciones quími-
cas y fotoquímicas. Ello lo diferencia del tra-
bajo realizado por Seinfeld, citado por Cutlip
y Shachan (2008), quien en el mecanismo de
reacción del formaldehido y los óxidos de ni-
trógeno a 1 atm y 298K, para la formación de
ozono se basó en la cinética de 7 reacciones
químicas y fotoquímicas.
Trabajar con un mayor número de reac-
ciones nos permite hacer una descripción más
real de los fenómenos químicos y fotoquími-
cos que ocurren en la tropósfera, en la investi-
gación de Seinfeld y en la nuestra se obtienen
las curvas de variación temporal de las con-
del agua, pero en este caso la velocidad neta
de formación es mayor que la velocidad de
con-sumo. En los casos de los alcanos (ALK),
el C2H4 y los alcoholes (OL), solo se observa
el descenso de su concentración, pues en los
tres casos, están en forma de reactantes.
centraciones de los reactantes y productos
involucrados en el proceso de formación
de ozono, pero es claro que un mayor
número de reacciones nos acerca más a la
real com-plejidad de las reacciones que
ocurren en la tropósfera.
Conclusiones
El presente trabajo se ha desarrollado con-
siderando un mecanismo de 55 reacciones
químicas y fotoquímicas, que han derivado en la
formulación de 36 ecuaciones diferenciales
ordinarias. Estas nos han permitido plantear un
modelo de dispersión con acumulación y
generación dentro del volumen de control
considerado. Por la limitación de páginas, solo
se han presentado las curvas de algunos con-
taminantes específicos; sin embargo, con el
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Luis Carrasco Venegas, Luz Castañeda Perez, Lía Concepción Gamarra
programa desarrollado, es posible mostrar
las curvas de todos los contaminantes. Si el
lector lo requiere debe ponerse en contacto
con los autores para disponer del software.
La información obtenida de los modelos
de simulación y en particular de este, es de
suma importancia, pues nos permiten
predecir situaciones extremas a partir del
conocimien-to de la concentración inicial
de algunos con-taminantes primarios.
Indudablemente en la atmósfera existen
otros contaminantes que generan diferentes
tipos de interacciones entre sí; sin embargo,
la limitación para ampliar aún más la inter-
relación de los contaminantes primarios y
secundarios es el conocimiento de la
cinética de las reacciones, cuyos parámetros
se deter-minan en forma experimental en
laboratorios muy especializados.
Finalmente, las herramientas de mod
elamiento y simulación de procesos son im-
portantes para la toma de decisiones dentro de
todos los campos, especialmente, dentro de la
ingeniería ambiental pues permite predecir la
concentración de los contaminantes ahorrán-
dose tiempo y costos.
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