Módulo 1 tratamiento y_control_de_emisiones_contaminantes_at

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Partículas finas Partículas Gruesas
PST
Hi Vol
Rango de
aerosoles
PM 10
PM 2.5
Diámetro aerodinámico de partícula (Da), m
Partículas suspendidas Totales (PST)
PM 10
PM 2.5 PM( 10-2.5
Diferenciade
masas/Diferencia
(logDa),m
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Tema III.- Dispersión de Contaminantes
3.1 Meteorología
La meteorología (del griego μετέωρον (meteoron): ‘alto en el cielo’, meteoro; y λόγος
(logos): ‘conocimiento, tratado’) es la ciencia interdisciplinaria, que estudia el estado del
tiempo, el medio atmosférico, los fenómenos allí producidos y las leyes que lo rigen.
Hay que recordar que la Tierra está constituída por tres partes fundamentales: una parte
sólida llamada litósfera, recubierta en buena proporción por agua (llamada hidrósfera) y
ambas envueltas por una tercera capa gaseosa, la atmósfera. Éstas se relacionan entre sí
produciendo modificaciones profundas en sus características. La ciencia que estudia
estas características, las propiedades y los movimientos de las tres capas fundamentales
de la Tierra, es la Geofísica. En ese sentido, la meteorología es una rama de la Geofísica
que tiene por objeto el estudio detallado de la envoltura gaseosa de la tierra y sus
fenómenos.
Se debe distinguir entre las condiciones actuales y su evolución llamado tiempo
atmosférico, y las condiciones medias durante un largo periodo que se conoce como clima
del lugar o región.
Mediante el estudio de los fenómenos que ocurren en la atmósfera la meteorología trata
de definir el clima, predecir el tiempo, comprender la interacción de la atmósfera con otros
subsistemas, etc. El conocimiento de las variaciones climáticas ha sido siempre de suma
importancia para el desarrollo de la agricultura, la navegación, las operaciones militares y
la vida en general.
Se define como presión atmosférica el peso de la columna de aire existente sobre el lugar
de observación. El peso o presión atmosférica fué establecido por Torricelli en 1643
cuando ayudado por Viviani llenó un tubo de Mercurio lo tapó y lo introdujo en una cubeta
del mismo metal. Comprobó que el tubo en lugar de vaciarse se mantenía en una
determinada altura (760 mm). Del experimento dedujo que para equilibrar el peso de la
columna de Mercurio, el aire ejercía sobre la cubeta una presión equivalente por unidad
de superficie.
La presión atmosférica es, por tanto, el peso de una columna de aire de unos 1000 Km.
de altura y 1 cm² de base que a nivel del mar es de 760 mm de Hg, 1013 milibares. Pero
la presión atmosférica no se mantiene fija ya que oscila entre los 885 mb de los ciclones
más profundos y los 1077 mb de los anticiclones siberianos más potentes. Medimos la
presión con varios instrumentos pero el más utilizado es el barómetro. La presión varía en
sentido vertical y en sentido horizontal.
En sentido vertical la presión disminuye a medida que aumenta la altitud y lo hace

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rápidamente en las capas bajas y lentamente en las capas altas. Esto es debido a que, en
los cinco primeros Km de la Tropósfera, se concentra más de la mitad del aire que existe
en la atmósfera.
En sentido horizontal se producen mayores irregularidades y su importancia es mucho
mayor. Estas variaciones están directamente relacionadas con la distribución de la
radiación solar y el diferente calentamiento zonal de la superficie terrestre. Las
consecuencias no son otras que la aparición de centros de altas y bajas presiones.
La existencia de zonas donde predominan altas o bajas presiones dá lugar a dos tipos de
climas muy representativos: secos donde existen altas presiones y húmedos en las bajas
presiones.
La representación cartográfica de las presiones se realiza mediante isobaras (líneas que
unen puntos de igual presión). Dependiendo de lo juntas que se representen en el mapa
nos darán idea de la intensidad que tienen tanto los anticiclones como los ciclones. El
resultado no es otro que una imagen de campo en el que se individualizan una serie de
figuras.
Anticiclones.
En los anticiclones la presión aumenta hacia el centro. Los vientos giran en el sentido de
las agujas del reloj. Suelen ser más extensos que las depresiones y por su origen pueden
ser dinámicos o térmicos.
Anticiclones dinámicos: Son los originados por un movimiento de subsidencia
(descenso) del aire. En general son de aire caliente como los anticiclones
subtropicales.
Anticiclones térmicos: Son originados por un fuerte enfriamiento de las capas bajas
de la atmósfera por contacto con un suelo muy frío. Son anticiclones fríos y de
poca altura que en verano, al aumentar la temperatura del suelo, se debilitan y
llegan a desaparecer. Suelen formarse en invierno en las regiones continentales
del hemisferio norte.
Ciclones
En los ciclones la presión disminuye hacia el centro y son el resultado de ascendencias
dinámicas (frontales) o térmicas (convección del aire). Los vientos giran en el sentido
contrario a las agujas de un reloj.

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Figura 1.- Representación de los sistemas de baja y alta presión.
3.1.1 Vientos locales
El hecho que existan diferencias horizontales de presión sobre la superficie terrestre vá a
tener como consecuencia el que se desarrollen movimientos del aire compensatorios que
van desde las altas presiones a las bajas presiones: el viento. Por tanto el viento es el aire
en movimiento.
Del viento nos interesa saber una serie de parámetros que medimos con distintos
instrumentos:
Dirección: Es el punto de procedencia representado por medio de la Rosa de los
vientos o los cuadrantes sexagesimales. Los instrumentos de medición usuales
son: la veleta y la manga catavientos.
Velocidad: Se mide con el anemómetro y se puede expresar en m/s; Km./h; Nudos
(millas marinas/h)
Figura 2.- Rosa de los vientos del puerto de Dos Bocas, Tabasco para el año 2002.
Las diferencias de presión pueden ser regionales, pero también locales, las cuales
generan brisas térmicas. Los vientos locales generados por las brisas caqueñas se deben
a la existencia de dos medios diferenciados con temperaturas notablemente contrastadas,
como la tierra y el mar o las cumbres y los valles de las montañas.
La brisa es un tipo de viento local motivado por los movimientos de masas de aire debido
al heterogéneo calentamiento del relieve por el Sol. Esto dá lugar a que se produzcan
movimientos verticales de las masas de aire que provocan vacíos y desequilibrios de
presión. Con el fin de restablecer estas inestabilidades, nuevas masas de aire se
desplazan para llenar estos vacíos de baja presión. Se distinguen los siguientes tipos de
brisas

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La capacidad de calentarse que tiene el mar y la tierra es la causa de la generación de las
brisas de mar y de tierra. Estos movimientos circulatorios del aire serán más acentuados
cuánto más fuerte sea la energía solar; es decir, serán más intensos en las estaciones de
calor y en días despejados sin nubes.
Brisa marina y brisa terral
Se localizan en las costas y se producen por el efecto de las diferencias de calentamiento
y enfriamiento que experimenta la Tierra y las masas de agua. Durante el día el sol
calienta más fácilmente la tierra, ya que el agua tiene más inercia térmica, la mayor
temperatura de la tierra dá lugar a ascendencias del aire calentado que son rápidamente
compensadas por la llegada de aire relativamente frio procedente del mar o grandes
lagos. Al anochecer, hay un periodo de calma cuando las temperaturas se igualan.
Durante la noche el mecanismo se invierte al estar el agua más caliente.
Por el contrario, durante la noche el efecto contrario establece la brisa de tierra. En este
caso el mar está más caliente que la tierra y en las capas altas el aire se dirige a tierra
creando un vacío en las capas bajas de la atmósfera marina que atrae el aire desde tierra
hacia la mar, aunque la velocidad del viento suele ser menor debido a que las diferencias
no son tan acentuadas.
La brisa del mar puede penetrar durante el día hasta 50 kilómetros tierra adentro con gran
carga de humedad, lo que puede originar pequeños chubascos si se producen descensos
de temperatura significativos.
Brisa de valle y brisa de montaña.
Similares a las anteriores, se producen por la diferencia de insolación y las diferencias de
calentamiento del aire en las zonas de cumbres, cabeceras de los valles y fondos de los
mismos.
A última hora del día ocurre lo contrario, es decir, desde las laderas, que ya no son
calentadas por el sol, el aire desciende por enfriamiento hacia el fondo del valle
levantando el aire aún cálido que se mantiene en éstos.
La brisa de valle es un viento que sopla ascendentemente por una pendiente montañosa,
originándose durante el día debido al calentamiento del aire en las laderas producido por
los rayos del sol. Es común que el aire ascendente se vaya enfriando por la altura
formando nubes y probablemente produciendo lluvia.
La brisa de montaña es un viento que sopla con componente descendente (hacia abajo)
geográficamente hablando, en serranías, montañas o glaciares. Se origina en un
enfriamiento, radiativamente o a través de movimientos verticales, de aire en el punto más
alto de una montaña, glaciar o cerro. Como la densidad del aire se incrementa con el
descenso de la temperatura, el aire fluirá hacia abajo, calentándose por proceso
adiabático al ir descendiendo pero sigue permaneciendo relativamente frío.

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Este tipo de brisa por lo general se produce a primeras horas de la noche cuando el
calentamiento solar cesa y el suelo se enfría por emisión de radiación infrarroja.
Figura 3.- Representación esquemática de las brisas.
3.1.2 Inversión térmica
Normalmente, en la tropósfera, la temperatura disminuye con la altura a razón de
aproximadamente 6.5 °C/km, es decir, 1º C por cada 155 metros de altitud. Pero esta cifra
sólo es válida en las zonas templadas, ya que en las zonas tropicales, la disminución de
la temperatura en un grado C (1 oC) ocurre al aumentar la altitud en unos 180 m.
Una inversión térmica es una derivación del cambio normal de las propiedades de la
atmósfera con el aumento de la altitud. Usualmente corresponde a un incremento de la
temperatura con la altura, o bien a una capa (capa de inversión) donde ocurre el
incremento. En efecto, el aire no puede elevarse en una zona de inversión, puesto que es
más frío y, por tanto, más denso en la zona inferior. Existen tres tipos de inversiones
térmicas: por radiación, por subsidencia y frontales.
El fenómeno de inversión térmica por radiación se presenta cuando, en las noches
despejadas, el suelo se enfría rápidamente por radiación. El suelo a su vez enfría el aire
en contacto con él que se vuelve más frío y pesado que el que está en la capa
inmediatamente superior. Al disminuir tanto, la convección térmica como la subsidencia
atmosférica, disminuye la velocidad de mezclado vertical entre las dos capas de aire.

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Figura 4.- Representación de una inversión térmica por radiación.
Este fenómeno tipo de inversión es frecuente en las mañanas frías sobre los valles de
escasa circulación de aire. También se presenta en las cuencas cercanas a las laderas de
las montañas en noches frías debido a que el aire frío de las laderas desplaza al aire
caliente de la cuenca provocando el gradiente positivo de temperatura.
Generalmente, la inversión térmica se termina (rompe) cuando al calentarse el aire que
está en contacto con el suelo se restablece la circulación normal en la tropósfera. Esto
puede ser cuestión de horas, pero en condiciones meteorológicas desfavorables la
inversión puede persistir durante días y días.
La inversión por subsidencia generalmente está asociada con los anticiclones (sistemas
de alta presión). A medida que el aire desciende, la mayor presión existente en altitudes
menores lo comprime y calienta en el gradiente vertical adiabático seco. Durante el día, la
capa de inversión resultante de este proceso con frecuencia se eleva a cientos de metros
sobre la superficie. Durante la noche, la base de una inversión por subsidencia
generalmente desciende, quizás hasta llegar al suelo, debido al enfriamiento del aire
superficial.

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Figura 5.- Representación de una inversión térmica por subsidencia.
A diferencia de las que se producen por radiación, las inversiones por subsidencia tienen
una duración relativamente larga. Esto se debe a su relación tanto con los anticiclones
semipermanentes centrados en cada océano como con los anticiclones migratorios de
movimiento lento.
Cuando un anticiclón se estanca, los contaminantes emitidos dentro de la capa de mezcla
no se pueden diluir. Como resultado, es probable que las concentraciones de
contaminantes se eleven durante algunos días.
Inversiones térmicas frontales.- En el avance de cada frente, el aire cálido desplaza al
frío, de modo que se produce una circulación vertical mínima en la capa de aire frío más
cercana a la superficie. La fuerza de la inversión depende de la diferencia de temperatura
entre las dos masas de aire. Como los frentes se mueven horizontalmente, los efectos de
la inversión generalmente duran poco y la falta de movimiento vertical suele compensarse
con los vientos relacionados con el paso frontal.
Sin embargo, cuando los frentes se vuelven estacionarios, las condiciones de inversión
pueden prolongarse.

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Figura 6.- Esquema de una inversión térmica frontal
Una inversión térmica puede llevar a que la contaminación quede atrapada cerca del
suelo, con efectos nocivos para la salud. Una inversión también puede detener el
fenómeno de convección, actuando como una capa aislante.
Esta clase de inversiones que atrapan la contaminación pueden durar varios días en
verano. La conciencia de la gravedad del problema, sobre todo en los veranos más
calurosos, ha llevado a los organismos competentes a vigilar la calidad del aire y a
advertir cuándo es mala y alcanza unos niveles elevados.
3.1.3 Estabilidad atmosférica.
El grado de estabilidad atmosférica se determina a partir de la diferencia de temperatura
entre una porción de aire y el aire circundante. Este contraste puede causar el movimiento
vertical de la porción (esto es, su elevación o caída). Este movimiento se caracteriza por
cuatro condiciones básicas que describen la estabilidad general de la atmósfera. En
condiciones estables, el movimiento vertical se inhibe, mientras que en condiciones
inestables la porción de aire tiende a moverse contínuamente hacia arriba o hacia abajo.
Las condiciones neutrales no propician ni inhiben el movimiento del aire después del
gradiente de calentamiento o enfriamiento adiabático. Cuando las condiciones son
extremadamente estables, prácticamente se impide la circulación vertical del aire. Estas
condiciones están directamente relacionadas con las concentraciones de contaminantes
en el aire ambiente.
Atmósfera Inestable
Una porción de aire que empieza a elevarse se enfriará con un gradiente adiabático seco
hasta que alcance su punto de rocío, a partir de ahí se enfriará con un gradiente
adiabático húmedo. Esto supone que la atmósfera circundante tiene un gradiente vertical
mayor que el gradiente vertical adiabático (con un enfriamiento a más de 9,8 °C/1,000 m),
de modo que la porción que se eleva seguirá siendo más cálida que el aire circundante.

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A medida que el aire se eleva, el aire más frío se mueve por debajo. La superficie
terrestre puede hacer que se caliente y empiece a elevarse nuevamente. Bajo estas
condiciones, la circulación vertical en ambas direcciones aumenta y se produce una
mezcla vertical considerable. El grado de inestabilidad depende de la importancia de las
diferencias entre los gradientes verticales ambientales y los adiabáticos secos. La figura
que se tiene a continuación muestra condiciones ligeramente inestables y condiciones
muy inestables.
Las condiciones inestables más comunes se producen durante los días soleados con
vientos de bajas velocidades y fuerte insolación. La Tierra absorbe rápidamente el calor y
transfiere parte de éste a la capa de aire superficial. Si las propiedades térmicas de la
superficie son uniformes, es posible que exista una masa flotante de aire, o numerosas
porciones de aire si dichas propiedades varían. Cuando el aire se calienta, se vuelve
menos denso que el aire circundante y se eleva.
Figura 7.- Esquema de una atmósfera inestable.
Otra condición que puede conducir a la inestabilidad atmosférica es la producción de
ciclones (sistema de presión baja), caracterizados por aire ascendente, nubes y
precipitación.
Atmósfera neutral
Cuando el gradiente vertical de la temperatura del ambiente es el mismo que el gradiente
vertical adiabático seco, la atmósfera se encuentra en estabilidad neutral. Estas
condiciones no estimulan ni inhiben el movimiento vertical del aire. La condición neutral es
importante porque constituye el límite entre las condiciones estables y las inestables. Se
produce durante los días con viento o cuando una capa de nubes impide el calentamiento
o enfriamiento fuerte de la superficie terrestre.

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Figura 8.- Esquema de una atmósfera neutral.
Atmósfera estable
Cuando el gradiente vertical ambiental es menor que el gradiente vertical adiabático (se
enfría a menos de 9,8 °C/1,000 m), el aire es estable y resiste la circulación vertical. El
aire que se eleva verticalmente permanecerá más frío y, por lo tanto, más denso que el
aire circundante. Una vez que se retira la fuerza de elevación, el aire que se elevó
regresará a su posición original. Las condiciones estables se producen durante la noche,
cuando el viento es escaso o nulo.

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Figura 9.- esquema de una atmósfera estable.
Atmósfera condicionalmente inestable
En la discusión previa sobre la estabilidad y la inestabilidad, hemos asumido que una
porción de aire ascendente se enfría en el gradiente vertical adiabático seco. Sin
embargo, muchas veces la porción de aire se satura (alcanza su punto de rocío) y
empieza a enfriarse más lentamente en el gradiente vertical adiabático húmedo. Este
cambio en el gradiente de enfriamiento puede modificar las condiciones de estabilidad. La
inestabilidad condicional se produce cuando el gradiente vertical ambiental es mayor que
el gradiente vertical adiabático húmedo pero menor que el gradiente seco. La figura 4-11
ilustra esta situación. Las condiciones estables se producen hasta el nivel de
condensación y las inestables, sobre éste.

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Figura 10.- Esquema de una atmósfera condicionalmente inestable.
Estabilidad atmosférica y dispersión de contaminantes
El grado de estabilidad atmosférica y la altura de mezcla resultante tienen un importante
efecto en las concentraciones de contaminantes en el aire ambiental. Los contaminantes
que no se pueden dispersar hacia arriba lo pueden hacer horizontalmente a través de los
vientos superficiales.
La combinación de los movimientos verticales y horizontales del aire influye en el
comportamiento de las plumas de fuentes puntuales (chimeneas). A continuación se
describirán los diversos tipos de plumas característicos de diferentes condiciones de
estabilidad.
La pluma de espiral se produce en condiciones muy inestables debido a la turbulencia
causada por el acelerado giro del aire. Mientras las condiciones inestables generalmente
son favorables para la dispersión de los contaminantes, algunas veces se pueden
producir altas concentraciones momentáneas en el nivel del suelo si los espirales de la
pluma se mueven hacia la superficie.

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Figura 11.- Pluma en espiral
La pluma de abanico se produce en condiciones estables. El gradiente de inversión inhibe
el movimiento vertical sin impedir el horizontal y la pluma se puede extender por varios
kilómetros a sotavento de la fuente. Las plumas de abanico ocurren con frecuencia en las
primeras horas de la mañana durante una inversión por radiación.
Figura 12.- Pluma de abanico
La pluma de cono es característica de las condiciones neutrales o ligeramente estables.
Este tipo de plumas tiene mayor probabilidad de producirse en días nubosos o soleados,
entre la interrupción de una inversión por radiación y el desarrollo de condiciones diurnas
inestables.

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Figura 13.- Pluma de cono
Obviamente, un problema importante para la dispersión de los contaminantes es la
presencia de una capa de inversión, que actúa como una barrera para la mezcla vertical.
Durante una inversión, la altura de una chimenea en relación con la de una capa de
inversión muchas veces puede influir en la concentración de los contaminantes en el nivel
del suelo.
Cuando las condiciones son inestables sobre una inversión, la descarga de una pluma
sobre ésta dá lugar a una dispersión efectiva sin concentraciones notorias en el nivel del
suelo alrededor de la fuente. Esta condición se conoce como flotación.
Figura 14.- Pluma de flotación
Si la pluma se libera justo debajo de una capa de inversión, es probable que se desarrolle
una grave situación de contaminación del aire. Ya que el suelo se calienta durante la
mañana, el aire que se encuentra debajo de la mencionada capa se vuelve inestable.
Cuando la inestabilidad alcanza el nivel de la pluma entrampada bajo la capa de
inversión, los contaminantes se pueden transportar rápidamente hacia abajo hasta llegar

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al suelo. Este fenómeno se conoce como fumigación. Las concentraciones de
contaminantes en el nivel del suelo pueden ser muy altas cuando se produce la
fumigación. Esta se puede prevenir si las chimeneas son suficientemente altas.
Figura 15.- Pluma de fumigación
Altura efectiva de una chimenea
Los gases emitidos por las chimeneas muchas veces son impulsados por abanicos. A
medida que los gases de escape turbulentos son emitidos por la pluma, se mezclan con el
aire del ambiente. Esta mezcla del aire ambiental en la pluma se denomina arrastre.
Durante el arrastre en el aire, la pluma aumenta su diámetro mientras viaja a sotavento. Al
entrar en la atmósfera, estos gases tienen un momentum. Muchas veces se calientan y se
vuelven más cálidos que el aire externo. En estos casos, los gases emitidos son menos
densos que el aire exterior y, por lo tanto, flotantes. La combinación del momentum y la
flotabilidad de los gases hace que éstos se eleven. Este fenómeno, conocido como
elevación de la pluma, permite que los contaminantes emitidos al aire en esta corriente de
gas se eleven a una altura mayor en la atmósfera. Al estar en una capa atmosférica más
alta y más alejada del suelo, la pluma experimentará una mayor dispersión antes de llegar
a éste.
La altura final de la pluma, conocida como altura efectiva de chimenea (H), es la suma de
la altura física de la chimenea (hs) y la elevación de la pluma ( ). En realidad, la
elevación de la pluma se estima a partir de la distancia existente hasta la línea central
imaginaria de la pluma y nó hasta el borde superior o inferior de ésta. La elevación de la
pluma depende de las características físicas de la chimenea y del efluente (gas de
chimenea). La diferencia de temperatura entre el gas de la chimenea (Ts) y el aire
ambiental (Ta) determina la densidad de la pluma, que influye en su elevación. Además,
la velocidad de los gases de la chimenea, que es una función del diámetro de la chimenea
y de la tasa volumétrica del flujo de los gases de escape, determina el momentum de la
pluma.

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Figura 16.- Altura efectiva de una chimenea
La condición de la atmósfera, incluidos los vientos y el perfil de la temperatura a lo largo
del recorrido de la pluma, determinará en gran medida la elevación de la pluma. Dos
características de ésta influyen en su elevación: el momentum y la flotabilidad.
La velocidad de salida de los gases de escape emitidos por la chimenea contribuyen con
la elevación de la pluma en la atmósfera. Este momentum conduce el efluente hacia el
exterior de la chimenea a un punto en el que las condiciones atmosféricas empiezan a
afectar a la pluma. Una vez emitida, la velocidad inicial de la pluma disminuye
rápidamente debido al arrastre producido cuando adquiere un momentum horizontal. Este
fenómeno hace que la pluma se incline. A mayor velocidad del viento, más horizontal será
el momentum que adquirirá la pluma. Por lo general, dicha velocidad aumenta con la
distancia sobre la superficie de la Tierra. A medida que la pluma continúa elevándose, los
vientos más fuertes hacen que se incline aún más. Este proceso persiste hasta que la
pluma parece horizontal al suelo. El punto donde la pluma parece llana puede ser una
distancia considerable de la chimenea a sotavento. La velocidad del viento es importante
para impulsar la pluma. Mientras más fuerte, más rápido será el serpenteo de la pluma.
La elevación de la pluma causada por su flotabilidad es una función de la diferencia de
temperatura entre la pluma y la atmósfera circundante. En una atmósfera inestable, la
flotabilidad de la pluma aumenta a medida que se eleva, lo cual hace que se incremente
la altura final de la pluma. En una atmósfera estable, la flotabilidad de la pluma disminuye
a medida que se eleva. Por último, en una atmósfera neutral, permanece constante.
La pluma pierde flotabilidad a través del mismo mecanismo que la hace serpentear el
viento. A mayor velocidad del viento, más rápida será esta mezcla. El arrastre del aire
ambiental hacia la pluma por acción del viento, le "quita" flotabilidad muy rápidamente, de
modo que durante los días con mucho viento la pluma no se eleva muy alto sobre la
chimenea.
Debido a la configuración de la chimenea o a los edificios adyacentes, es posible que la
pluma no se eleve libremente en la atmósfera. Algunos efectos aerodinámicos causados
por el modo en el que se mueve el viento alrededor de los edificios adyacentes y de la

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chimenea pueden impulsar a la pluma hacia el suelo en lugar de permitir que se eleve en
la atmósfera.
La elevación de las plumas ha sido tema de estudio durante muchos años. Las fórmulas
más usadas son las desarrolladas por Gary A. Briggs. La ecuación 1 incluye una de éstas,
la que se aplica a las plumas dominadas por la flotabilidad. Las fórmulas de la elevación
de la pluma se usan en plumas con temperaturas mayores que la del aire ambiental. La
fórmula de Briggs para la elevación de la pluma es la siguiente:
Ec. 1
Donde: = Elevación de la pluma (sobre la chimenea)
F = Flujo de flotabilidad
= Velocidad promedio del viento
x = Distancia a sotavento de la chimenea/fuente
g = Aceleración debido a la gravedad (9,8 m/s2)
V = Tasa volumétrica del flujo del gas de la chimenea
Ts = Temperatura del gas de la chimenea
Ta = Temperatura del aire ambiental
Ec. 2
Las fórmulas de elevación de la pluma sirven para determinar la línea central imaginaria
de ésta. La línea central está donde se producen las mayores concentraciones de
contaminantes. Existen varias técnicas para calcular las concentraciones de
contaminantes lejos de la línea central. Si bien la concentración máxima de la pluma
existe en esta línea central, las fórmulas mencionadas no permiten obtener información
sobre cómo varían las concentraciones de contaminantes fuera de esta línea central. Se
deberán efectuar, entonces, estimados de dispersión para determinar las concentraciones
de contaminantes en un punto de interés.
3.2 Modelos de dispersión
Los estimados de dispersión se determinan mediante ecuaciones de distribución y/o
modelos de calidad del aire. Estos estimados generalmente son válidos para la capa de la
atmósfera más cercana al suelo, donde se producen cambios frecuentes de la
temperatura y de la distribución de los vientos. Estas dos variables tienen un importante
efecto en la forma de dispersión de las plumas. Por lo tanto, las ecuaciones de
distribución y los modelos de calidad del aire mencionados anteriormente deben incluir
estos parámetros.

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Los modelos de dispersión de calidad del aire consisten en un grupo de ecuaciones
matemáticas que sirven para interpretar y predecir las concentraciones de contaminantes
causadas por la dispersión y por el impacto de las plumas. Estos modelos incluyen los
estimados de dispersión mencionados anteriormente y las diferentes condiciones
meteorológicas, incluídos los factores relacionados con la temperatura, la velocidad del
viento, la estabilidad y la topografía. Existen cuatro tipos genéricos de modelos:
gaussiano, numérico, estadístico y físico.
Los modelos gaussianos emplean la ecuación de distribución gaussiana y son
ampliamente usados para estimar el impacto de contaminantes no reactivos.
En el caso de fuentes de áreas urbanas que presentan contaminantes reactivos, los
modelos numéricos son más apropiados que los gaussianos pero requieren una
información extremadamente detallada sobre la fuente y los contaminantes, y no se usan
mucho.
Los modelos estadísticos se emplean cuando la información científica sobre los procesos
químicos y físicos de una fuente están incompletos o son vagos.
Los modelos físicos, que requieren estudios de modelos del fluido o en túneles
aerodinámicos del viento.- La adopción de este enfoque implica la elaboración de
modelos en escala y la observación del flujo en éstos. Este tipo de modelos es muy
complejo y requiere asesoría técnica de expertos. Sin embargo, en el caso de áreas con
terrenos complejos y condiciones del flujo también complejas, flujos descendentes de la
chimenea, y edificios altos, ésta puede ser la mejor opción.
La selección de un modelo de calidad del aire depende del tipo de contaminantes
emitidos, de la complejidad de la fuente y del tipo de topografía que rodea la instalación.
Algunos contaminantes se forman a partir de la combinación de contaminantes
precursores. Por ejemplo, el ozono en el nivel del suelo se forma cuando los compuestos
orgánicos volátiles (COV) y los óxidos de Nitrógeno (NOx) actúan bajo la acción de la luz
solar. Los modelos para predecir las concentraciones de ozono en el nivel del suelo
emplearían la tasa de emisión de COV y NOx como datos de entrada. Además, algunos
contaminantes reaccionan fácilmente una vez que son emitidos en la atmósfera. Estas
reacciones reducen las concentraciones y puede ser necesario considerarlas en el
modelo. La complejidad de la fuente también desempeña un papel en la selección.
Algunos contaminantes y pueden ser emitidos desde chimeneas bajas sujetas a flujos
descendentes aerodinámicos. Si éste es el caso, se debe emplear un modelo que
considere el fenómeno.
En la dispersión de las plumas y los contaminantes, la topografía es un factor importante
que debe ser considerado al seleccionar un modelo. Las plumas elevadas pueden tener
un impacto en áreas de terrenos altos. Las alturas de este tipo de terrenos pueden

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experimentar mayores concentraciones de contaminantes debido a que se encuentran
más cerca de la línea central de la pluma. En el caso que existan terrenos elevados, se
debe usar un modelo que considere este hecho.
De los cuatro tipos de modelos de dispersión mencionados anteriormente, el gaussiano,
que incluye la ecuación de distribución gaussiana es el más usado. La ecuación de
distribución gaussiana emplea cálculos relativamente simples, que sólo requieren dos
parámetros de dispersión (σy y σz) para identificar la variación de las concentraciones de
contaminantes que se encuentran lejos del centro de la pluma. Esta ecuación determina
las concentraciones de contaminantes en el nivel del suelo sobre la base de las variables
atmosféricas de tiempo promedio (por ejemplo, la temperatura y la velocidad del viento).
Por lo tanto, no es posible obtener un "cuadro" instantáneo de las concentraciones de la
pluma. Sin embargo, cuando se emplean promedios de tiempo de diez minutos a una
hora para estimar las variables atmosféricas de tiempo promedio necesarias en la
ecuación, se puede asumir que las concentraciones de contaminantes en la pluma están
distribuídas normalmente.
Ec. 3
Donde:
= concentración del contaminante en el nivel del suelo (gr/m3)
Q = masa emitida por unidad de tiempo
= desviación estándar de la concentración de contaminantes en dirección y
(horizontal)
= desviación estándar de la concentración de contaminantes en dirección z (vertical)
u = velocidad del viento
y = distancia en dirección horizontal
z = distancia en dirección vertical
H = altura efectiva de la chimenea
La distribución gaussiana determina el tamaño de la pluma a sotavento de la fuente. La
figura 17 muestra una representación esquemática de la pluma gaussiana. El tamaño de
la pluma depende de la estabilidad de la atmósfera y de su propia dispersión en dirección
horizontal y vertical. Los coeficientes de la dispersión horizontal y vertical sólo representan
la desviación estándar de la normal en la curva de distribución gaussiana en las
direcciones “y” y “z”. Estos coeficientes de dispersión, σy y σz, son funciones de la
velocidad del viento, de la cubierta de nubes y del calentamiento de la superficie por el
sol. Para la distribución gaussiana es necesario que el material en la pluma se mantenga.
En otras palabras, se debe dejar que el borde de la pluma se refleje desde el suelo sin
perder ninguna contaminación. Además, la distribución gaussiana y la elevación de la
pluma dependen de que el suelo sea relativamente plano a lo largo del recorrido. Como
se expuso anteriormente, la topografía afecta el flujo y la estabilidad atmosférica del

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CONDHUCE, S.C.
viento. Por consiguiente, un terreno desigual debido a la presencia de cerros, valles y
montañas afectará la dispersión de la pluma y la distribución gaussiana deberá ser
modificada.
Figura 17.- Representación de la pluma Gausiana
Para obtener el modelo de una pluma mediante la distribución gaussiana, es necesario
que la dispersión de la pluma tenga una distribución normal, la tasa de emisión (Q) sea
constante y contínua, la velocidad y la dirección del viento sean uniformes y que la
reflexión total de la pluma se produzca en la superficie.
Clases de estabilidad Pasquill-Gifford
Como se señaló anteriormente, la estabilidad de la atmósfera depende de la diferencia de
temperatura entre una porción de aire y el aire que la rodea. Por consiguiente, se pueden
producir diferentes niveles de estabilidad según cuán grande o pequeña sea la diferencia
de temperatura entre la porción de aire y el aire circundante. Como se describió
anteriormente la atmósfera puede ser estable, condicionalmente estable, neutra,
condicionalmente inestable o inestable. Sin embargo, para estimar la dispersión y los
propósitos del modelo, estos niveles de estabilidad se clasifican en seis clases basadas
en cinco categorías de velocidad del viento superficial, tres tipos de insolación diurna y
dos tipos de nubosidad nocturna. Estos tipos de estabilidad se denominan clases de
estabilidad Pasquill-Gifford.
Como puede verse en el cuadro, las estabilidades A, B y C representan las horas diurnas
con condiciones inestables. La estabilidad D, los días o noches con cielo cubierto con
condiciones neutrales. Las estabilidades E y F, las condiciones nocturnas estables, y se
basan en la cantidad de cobertura de nubes. Por consiguiente, la clasificación A
representa condiciones de gran inestabilidad y la clasificación F, de gran estabilidad.

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CONDHUCE, S.C.
Tabla 1.- Clases de estabilidad Pasquill-Gifford
Viento superficial Insolación Noche
Velocidad (a
10 m) (m/s)
Fuerte Moderada Ligera
Cobertura de
nubes bajas*
4/8
Cobertura de
nubes
3/8
< 2 A A-B B - -
2-3 A-B B C E F
3-5 B B-C C D E
5-6 C C-D D D D
> 6 C D D D D
En los modelos gaussianos, la dispersión de la pluma lejos de la línea central está
representada por los coeficientes de dispersión, σy (horizontal) y σz (vertical). La
dispersión de la pluma depende de la clasificación de estabilidad asignada al escenario
bajo estudio. La figura 18 muestra los valores que los modelos gaussianos emplean para
la dispersión horizontal según la clasificación de la estabilidad y la distancia a sotavento
de la chimenea. Como es de suponer, los coeficientes de dispersión horizontal aumentan
a medida que las condiciones atmosféricas se hacen menos estables (van de F a A). De
manera similar, se muestra los valores usados por modelos gaussianos para estimar la
dispersión vertical. Si se comparan los dos gráficos, se puede observar que la
clasificación de la estabilidad afecta la dispersión vertical más radicalmente que la
horizontal. Los siguientes gráficos de los coeficientes de dispersión se pueden usar a fin
de obtener valores para σy y σz empleados como datos de alimentación para la ecuación
de distribución gaussiana.
Figura 18.- Coeficientes de dispersión horizontal y vertical.
Para lugares ubicados a sotavento de la fuente en terrenos relativamente planos, las
concentraciones de contaminantes se pueden determinar por medio de la ecuación
gaussiana de distribución u otra similar. Sin embargo, el uso de modelos computarizados
para la dispersión atmosférica simplifica mucho más los cálculos de la concentración de

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CONDHUCE, S.C.
contaminantes y permite aplicarlos en escenarios más complejos. El análisis de modelos
puede darse en dos niveles: un nivel de sondeo y otro refinado.
El modelo de sondeo se realiza antes del refinado para obtener un panorama inicial al del
tipo de concentración de contaminantes que se producirá debido a una determinada
fuente. Consiste en modelos simples que emplean técnicas y suposiciones de estimación
relativamente sencillas. Por consiguiente, los resultados son conservadores, e indican que
si se ejecuta un modelo refinado, los estimados de la concentración de contaminantes no
deberán ser mayores. El modelado de sondeo generalmente se realiza en primer término,
con vistas a eliminar cualquier fuente que implicará un problema para la calidad del aire, o
no contribuirá con ésta. En los análisis de modelado refinado, no es necesario considerar
las fuentes que no representan ningún problema para calidad del aire.
El segundo nivel de análisis es el modelado refinado. Este nivel consiste en cálculos más
analíticos y complejos. Requiere información más detallada sobre la fuente, las
condiciones meteorológicas y el terreno, así como mejor número de datos de entrada.
Mientras que los modelos de sondeo asumen el "peor de los casos" para las condiciones
meteorológicas y presupuestos simplificados sobre el terreno, los refinados incorporan
información más completa sobre el terreno y la fuente, y emplean datos meteorológicos
reales. Al incluir información más detallada en el modelo, se pueden obtener estimados
más exactos y descriptivos sobre la concentración de los contaminantes para las áreas
que rodean a la fuente.
Los modelos gaussianos se consideran exactos para determinar las concentraciones de
contaminantes hasta una distancia de 50 km de la fuente. Sin embargo, debido a diversas
situaciones atmosféricas, los contaminantes pueden ser transportados más allá de 50 km.
Algunos contaminantes como los compuestos de sulfuro, partículas finas y el ozono, que
no se remueven rápidamente de la atmósfera, pueden ser transportados a distancias
lejanas. Los modelos climáticos de gran escala y las variables atmosféricas tales como la
luz solar y la precipitación pueden afectar el transporte de estos contaminantes. Las
técnicas computarizadas para el análisis de trayectorias generalmente se usan para
analizar el transporte y la transformación de estas sustancias. Estas técnicas consideran
el flujo de una porción de aire contaminado.
Tema IV.- Monitoreo de la calidad del aire.
Una de las partes medulares de la ingeniería ambiental en cuanto a problemas de
contaminación atmosférica se refiere, es la medición de los diversos contaminantes que
se encuentran presentes en el aire ambiente, con el objetivo de conocer si existe un
impacto y posteriormente minimizarlo y/o controlarlo.
4.1 Límites máximos permisibles de contaminantes en aire ambiente.
Las mediciones están encaminadas a compararse con valores establecidos por las
autoridades ambientales o de salud para vigilar su cumplimiento y en su caso el

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CONDHUCE, S.C.
establecimiento de medidas de contingencia que permitan la menor exposición posible de
las personas a niveles tan altos de contaminantes.
En México la autoridad encargada de emitir las normas que fijan los límites máximos
permisibles de contaminantes en aire ambiente es la Secretaría de salud. En la tabla 2 se
tienen los valores de concentración máximos permisibles de los contaminantes más
importantes.
Tabla 2.- límites máximos permisibles de contaminantes criterio.

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CONDHUCE, S.C.
4.2 Equipos de monitoreo.
Los equipos de monitoreo de contaminantes pueden clasificarse de manera general en
automáticos y manuales. Los automáticos nos permiten conocer el valor de la
concentración en tiempo real mientras que los manuales requieren de un análisis posterior
a la toma de muestra. Actualmente los métodos manuales se ocupan con objetivos de
investigación y solo para tener una referencia de las concentraciones en un periodo de
tiempo largo. Pero si el objetivo del muestreo es el de observar el cumplimiento de las
normas oficiales mexicanas los equipos automáticos son los necesarios.
4.2.1 Monitoreo de Partículas
Muestreador de altos volúmenes
La siguiente figura presenta un muestreador de alto volumen que se usa como un método
manual para medir partículas totales en suspensión (PTS) y plomo en el aire. En este
proceso gravimétrico, la bomba en el muestreador de aire de alto volumen crea un vacío
que lleva el aire a una caseta cubierta. El aire pasa a través de un filtro que atrapa el
material particulado. Para determinar la cantidad de material particulado en una muestra
de aire, se pesa el filtro antes y después del muestreo. La diferencia de peso es la
cantidad de material particulado atrapado en el filtro. La concentración de plomo se
determina mediante técnicas de extracción adicional y absorción atómica.
Figura 19.- Muestreador de partículas de altos volúmenes
Método de transducción gravimétrica de oscilaciones inducidas.
Mediante este método se puede conocer la concentración de partículas de fracción fina
(PM10 y PM2.5) que un dispositivo de altos volúmenes no puede separar. Existen 2 tipos
diferentes de equipos que utilizan este método.
Microbalanza oscilatoria -“TEOM”-. Las partículas se colectan contínuamente en un filtro,
la frecuencia de resonancia del elemento decrece a medida que la masa de las partículas

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CONDHUCE, S.C.
se acumula, la concentración de la masa de las partículas se calcula por medio de una
relación calibrada entre la frecuencia y la cantidad de partículas.
Microbalanza piezoeléctrica: Las partículas se depositan por impactación inercial o por
precipitación electrostática en la superficie de un disco de cristal de cuarzo piezoeléctrico.
La frecuencia de resonancia natural del cristal decrece a medida que se acumulan las
partículas. El cambio de frecuencia del cristal de muestreo es electrónicamente
comparado con un cristal de referencia limpio, generando una señal que es proporcional a
la masa colectada.
El aire se hace pasar a través de un filtro el cual es parte de un sistema que vibra a su
resonancia característica. Las PMs colectadas sobre el filtro aumentan la masa vibrante y
por lo tanto decrece la frecuencia de oscilación en forma proporcional. La concentración
de PMs es calculada a partir de una calibración que relaciona la frecuencia de vibración y
la cantidad de partículas, teniendo en cuenta el volumen de muestra de aire.
Figura 20.- Microbalanza oscilatoria para la medición de partículas finas (TEOM)
Atenuación por radiación Beta
El equipo cuenta con una cinta de fibra de vidrio en la cual se depositan las partículas
durante un tiempo de aspiración de una hora, después de ese tiempo, se hace pasar a
través de la cinta, una cantidad de radiación beta que proviene de un isotopo de carbono
14. Si la cantidad de partículas en el filtro es alta el detector Geiger recibe poca radiación.
Si la cantidad de partículas en el filtro es baja, el detector recibe más radiación, por lo que
la cantidad de partículas se cuantifica mediante la diferencia entre la radiación absorbida
por la muestra y la recibida por el detector.
4.2.2 Monitoreo de Gases.

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CONDHUCE, S.C.
El monitoreo de gases se realiza mediante equipos que miden su concentración de
manera indirecta, esto es, miden propiedades radiactivas que permiten estimar su
concentración. A continuación en la tabla 3 se presenta el principio de operación de cada
tipo de analizador.
Tabla 3.- Principios de operación de los analizadores de gases
Equipo Principio de operación
Ozono (O3) Fotometría ultravioleta
Óxidos de Nitrógeno (NO, NO2) Quimiluminiscencia
Dióxido de azufre (SO2) Fluorescencia pulsante
Monóxido de Carbono (CO) Espectroscopía no dispersiva por
correlación de filtro gaseoso
Ozono
El analizador de ozono emplea el método de fotometría UV que se fundamenta en la absorción de luz UV de
longitud de onda de 254 nm debida a una resonancia electrónica interna en la molécula de O3. Los
analizadores utilizan una lámpara de mercurio que emite casi la totalidad de la luz en una longitud de onda
de 254 nm. Esta luz ilumina una celda o tubo de vidrio hueco que se llena alternativamente con la muestra
de aire ambiente y con la muestra a la cual previamente se ha removido el ozono por medio de un
catalizador. La concentración se calcula de la relación de intensidades de luz que pasa a través del gas
depurado y de luz que pasa a través de la muestra, empleando la relación de Lambert y Beer. El cálculo de
la concentración se corrige para la densidad de la muestra empleando los valores de temperatura y presión
medidos simultáneamente por el instrumento.
Interferencias
El método puede presentar interferencias cuando el monitoreo se realiza en presencia de altas
concentraciones de hidrocarburos aromáticos, cuando ocurre condensación de agua en las líneas de
conducción de muestra y en un ambiente que contenga vapor de Mercurio.
Óxidos de Nitrógeno
El principio de operación de los analizadores de NOx se basa en el método de quimiluminiscencia. El
instrumento mide la intensidad luminosa de la reacción quimiluminiscente entre el óxido nítrico (NO) y el
ozono (O3), está diseñado para medir la concentración de óxido nítrico, dióxido de Nitrógeno (NO2) y óxidos
de Nitrógeno totales (NOx).
La determinación de NO, NO2 y NOx se realiza a partir de la reacción en fase gaseosa del óxido nítrico
(NO) y el ozono (O3) la cual produce una emisión de luz característica (quimiluminiscencia) cuya intensidad
es proporcional a la concentración de óxido nítrico en la muestra.

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CONDHUCE, S.C.
Para medir el dióxido de Nitrógeno es necesario reducir el NO2 a NO, para este efecto se utiliza un
convertidor catalítico de Molibdeno calentado a 315°C, donde tiene lugar la reacción dirigida hacia una
válvula solenoide de 3 vías. La solenoide puede dirigir la muestra de aire directamente a la cámara de
reacción o a través del convertidor de Molibdeno. Cuando la muestra de aire pasa a través de la cámara de
reacción la luminiscencia emitida corresponderá a la concentración de NO presente en la muestra, cuando
la muestra pasa previamente por el convertidor la luminiscencia emitida corresponderá a la suma de NO
muestra más el NO2 reducido, la concentración determinada es equivalente a la concentración total de
óxidos de nitrógeno NOx ( NO + NO2 » NOx). La concentración de NO2 se calcula de la diferencia entre NO
y NOx.
Interferencias
El método puede presentar interferencias por la presencia de vapor de agua a concentraciones superiores a
20 ppm. La reducción catalítica de NO2 a NO usando Molibdeno calentado puede presentar interferencias
por la reducción de nitratos de peroxiacetilo (a 375 °C y450 °C); nitrato de etilo, nitrito de etilo, HONO y
HNO3 (a 350 °C, 375 °C y 450 °C); nitrato de metilo, nitrato de n-propilo, nitrato de n-butilo y nitrocresol (a
450°C)
Dióxido de azufre
El principio de operación de los analizadores de SO2 es el método de fluorescencia de SO2, éste aprovecha
la propiedad de las moléculas del SO2 de emitir luz al decaer desde un estado electrónico de excitación
después de ser irradiadas con luz ultravioleta. En el analizador una lámpara de luz ultravioleta (UV) emite
radiación que atraviesa un filtro de 214 nm, esta radiación excita las moléculas de SO2 a un nivel
electrónico superior que al regresar al estado basal emiten luz en el intervalo de 220 a 240 nm, esta emisión
fluorescente es medida por un tubo fotomultiplicador con un filtro de 250 a 390 nm. La energía luminiscente
que incide sobre el tubo fotomultiplicador se procesa para convertirla en una señal de tensión directamente
proporcional a la energía contenida en el haz que se analiza como muestra.
El método puede presentar interferencias por hidrocarburos aromáticos polinucleares los cuales tienen la
propiedad de absorber en la región del ultravioleta, para minimizar esta interferencia el analizador API
cuenta con un supresor de hidrocarburos. Otras interferencias se presentan en presencia de: condensación
de vapor de agua en las líneas, de altas concentraciones de Azufre o por la presencia de fuentes de
combustión cercana al punto de muestreo.
Monóxido de Carbono
El principio de operación del analizador de CO se fundamenta en la absorción de radiación infrarroja (IR) por
las moléculas de CO en una longitud de onda cercana a los 4.7 micrómetros. La luz infrarroja es emitida por
un elemento incandescente, el cual pasa a través de una rueda giratoria que alterna una celda de Nitrógeno
(celda de medición) y una celda con mezcla CO/Nitrógeno (celda de referencia), a una velocidad de 30
ciclos por segundo. El haz de luz es modulado en pulsos de referencia y de medición. El haz se introduce a
la cámara de reacción en donde es reflejado internamente por la acción de espejos colocados en los
extremos de la cámara. Dentro de la cámara de reacción se mantiene un flujo constante de aire ambiente.
Cuando el haz pasa por la mitad que contiene Nitrógeno puro, la energía infrarroja lo traspasa sin sufrir
mayor atenuación, produciendo un haz de medición que al llegar a la cámara de reacción sufrirá una
atenuación por efecto de las moléculas de CO. Cuando el haz infrarrojo atraviesa la mitad del filtro de gas
conteniendo CO saturado, la energía infrarroja es atenuada totalmente y el CO existente en la muestra de
aire no puede atenuar más la señal. El efecto del filtro rotatorio es producir una señal modulada, cuya
amplitud es proporcional a la concentración de CO en la muestra. Finalmente el haz sale de la cámara hacia

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CONDHUCE, S.C.
un detector de energía infrarroja, la respuesta del detector es procesada electrónicamente para determinar
la concentración del compuesto.
El método puede presentar interferencias por vapor de agua y dióxido de Carbono.
4.3 Percepción remota
Los métodos anteriormente descritos para la medición de concentración de gases en aire
ambiente, tienen en común la toma de una muestra de gas hacia los analizadores. Sin
embargo existen técnicas en las cuales no es necesario tener una toma de muestra ni
llevarla a ningún analizador; estas son las técnicas de percepción remota, en donde se
mide directamente el aire ambiente. A continuación se mencionan dos técnicas de
percepción remota.
Espectofotometría de Absorción Óptica Diferencial (DOAS).
La espectofotometría es una técnica de análisis químico que hace uso de las
características de la radiación electromagnética. La radiación posee ciertas características
que se pueden medir, entre ellas las más comunes son la longitud de onda y la
intensidad. Cuando la radiación pasa a través de una sustancia o medio como la
atmósfera; esta es modificada y distorsionada por las moléculas de varios compuestos
químicos, los cuales se encuentran mezclados en el medio.
La Espectofotometría de Absorción Óptica Diferencial (DOAS), mide la absorción a través
de la atmósfera de dos longitudes de onda provenientes de una fuente conocida. Una
longitud de onda se escoge de acuerdo al compuesto de interés, y la otra muy cercana a
la primera se usa para cuantificar los efectos atmosféricos.
El término línea de absorción se usa para referirse a una longitud de onda, en la que
cierto átomo o molécula puede absorber más que en cualquier otra. Por ejemplo, si nos
interesara medir ozono, la longitud de onda seleccionada sería aquella en la cual se ha
identificado que el ozono absorbe mejor.
Un rayo de luz con una longitud de onda específica, se dirige hacia la atmósfera; lo que se
mide es la cantidad de energía absorbida en el trayecto que ha recorrido. La cantidad de
energía absorbida a esa longitud es proporcional a la concentración de ozono que hay en
el segmento. A su vez se dirigirá un haz de luz de longitud muy cercana al primero, con el
objetivo de determinar la absorción que pudo no ser debida al ozono. De esta forma se
asegura que la medida obtenida sea únicamente producto de la absorción de la molécula
en cuestión.
Interferencias.
En trayectoria abierta la aplicación del sistema DOAS puede sufrir distorsiones debido a
diferentes compuestos que se encuentran en la atmósfera. Siguiendo con el ejemplo del
ozono, el Oxígeno puede interferir en la región por debajo de los 270 nm. El SO2 tiene una
fuerte absorción en los 300 nm, y una débil absorción a los 283 nm que puede
sobrestimar las concentraciones reales.
Lluvia, niebla e incluso valores de humedad muy altos, interfieren con la propagación del
haz de luz emitido por lámparas de Xenón, haciendo las medidas de absorción muy
difíciles de obtener. Una forma de atenuar este problema es el uso de calentadores cerca

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CONDHUCE, S.C.
de las lámparas; sin embargo no se resuelve del todo. Además sólo se convierte en un
problema serio en condiciones muy extremas de las variables mencionadas. En largas
trayectorias usando radiación UV, la turbulencia existente puede distorsionar o reflejar los
rayos de luz.
Figura 21.- Representación esquemática de un equipo DOAS
FTIR (Fourier Transform Infrared Spectrometer)
El instrumento, cuenta con una fuente de infrarrojo cuya radiación es dirigida a un
interferómetro. Una vez modulado, el haz es dirigido mediante óptica de transferencia a
un telescopio tipo Cassegrain de Aluminio pulido y recubrimiento de óxido de Silicio. El
telescopio, con un diámetro de 30 cm, transmite el haz de forma colimada hacia otro
telescopio de las mismas características y cuya función es colectar la radiación
dirigiéndola a un detector de HgCdTe y enfriado a 77 oK. La señal es transmitida
mediante un cable al sitema de adquisición, donde es transformada (Fourier) al dominio
espectral para ser procesada y almacenada.
Figura 22.- Representación esquemática de un equipo FTIR

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CONDHUCE, S.C.
Tema V.- Control de la contaminación atmosférica
La normatividad mexicana vigente establece límites máximos permisibles de emisión de
contaminantes para fuentes fijas. La utilización de equipos de control de contaminantes
atmosféricos se hace necesaria cuando las emisiones que se tienen en cierto tipo de
industria o actividad rebasan los límites exigidos, o bien, cuando las concentraciones en
aire ambiente de los contaminantes emitidos rebasen la normas respectivas.
De los sistemas de control existentes se pueden dividir en dos partes: los equipos de
control de partículas y gases.
5.1 Partículas.
Cámaras de sedimentación
Las cámaras de sedimentación emplean la fuerza de gravedad para remover partículas
sólidas. El flujo de gas ingresa a una cámara donde disminuye la velocidad del gas. Las
partículas más grandes caen del flujo de gas en una tolva. Debido a que las cámaras de
sedimentación son efectivas sólo para la remoción de partículas más grandes,
usualmente se usan junto con un dispositivo más eficiente de control.
Figura 23.- Cámara de sedimentación
Filtros
El filtro de tela o cámara de filtros de bolsa trabaja bajo el mismo principio que una
aspiradora de uso doméstico. El flujo de gas pasa por el material del filtro que retira las
partículas. El filtro de tela es eficiente para retener partículas finas y puede sobrepasar 99
por ciento de remoción en la mayoría de las aplicaciones. Una desventaja del filtro de tela
es que los gases a altas temperaturas a menudo tienen que ser enfriados antes de entrar
en contacto con el medio filtrante.

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CONDHUCE, S.C.
Figura 24.- Cámara de filtros de bolsas.
Lavadores Venturi
Los lavadores Venturi usan un flujo líquido para remover partículas sólidas. En el lavador
Venturi, el gas cargado con material particulado pasa por un tubo corto con extremos
anchos y una sección estrecha. Esta constricción hace que el flujo de gas se acelere
cuando aumenta la presión. El flujo de gas recibe un rocío de agua antes o durante la
constricción en el tubo. La diferencia de velocidad y presión que resulta de la constricción
hace que las partículas y el agua se mezclen y combinen. La reducción de la velocidad en
la sección expandida del cuello permite que las gotas de agua con partículas caigan del
flujo de gas. Los lavadores Venturi pueden alcanzar 99 por ciento de eficiencia en la
remoción de partículas pequeñas. Sin embargo, una desventaja de este dispositivo es la
producción de aguas residuales.
Figura 25.- Lavador Venturi.

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CONDHUCE, S.C.
Ciclones
Los ciclones usan el principio de la fuerza centrífuga para remover el material particulado.
En un ciclón, el flujo contaminante es forzado a un movimiento circular. Este movimiento
ejerce fuerza centrífuga sobre las partículas y las dirige a las paredes exteriores del
ciclón. Las paredes del ciclón se angostan en la parte inferior de la unidad, lo que permite
que las partículas sean recolectadas en una tolva. El aire limpio sale del ciclón por la parte
superior de la cámara, pasando por un espiral de flujo ascendente o vórtice formado por
una espiral que se mueve hacia abajo. Los ciclones son eficientes para remover partículas
grandes pero no son tan eficientes para partículas pequeñas. Por esta razón, a menudo
se usan con otros dispositivos de control.
Figura 26.- Ciclón
Precipitadores electrostáticos
Los precipitadores electrostáticos son dispositivos que se utilizan para atrapar partículas a
través de su ionización usando la fuerza de una carga electrostática inducida.
El precipitador más básico contiene una fila de alambres finos, seguido por pilas de placas
planas de metal espaciadas aproximadamente 1 centímetro. La corriente de aire pasa a
través de los espacios entre los alambres y después atraviesa el apilado de placas.

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CONDHUCE, S.C.
Una fuente de alto voltaje transfiere electrones de las placas hacia los alambres,
desarrollando así una carga negativa de varios miles de voltios en los alambres, relativa a
la carga positiva de las placas. Mientras que la materia de partículas atraviesa la fuerte
carga negativa de los alambres, la materia de partículas toma la carga negativa y se
ioniza. Las partículas ionizadas entonces pasan a través de las placas cargadas
positivamente, siendo atraídas por éstas placas.
Una vez que las partículas están en contacto con la placa positiva, entonces ceden sus
electrones y se convierten en partículas cargadas positivamente como la placa, y
comienzan a actuar así como parte del colector. Las partículas se retiran de las placas
mediante "golpes secos" y se recolectan en una tolva ubicada en la parte inferior de la
unidad.
La precipitación electrostática es típicamente un proceso seco, pero el rocío de agua
ayuda al flujo entrante a recoger partículas excepcionalmente finas, y ayuda a reducir la
resistencia eléctrica del material seco entrante para hacer el proceso más efectivo.
Un efecto secundario indeseable de los dispositivos de precipitación electrostática es la
producción de ozono.

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CONDHUCE, S.C.
Figura 27.- Precipitador electrostático
5.2 Gases
Incineradores termales
Los incineradores termales se usan frecuentemente para controlar la emisión contínua de
compuestos orgánicos volátiles combustibles. En general, la incineración destruye gases
y desechos sólidos mediante la quema controlada a altas temperaturas. Cuando los
incineradores termales se operan correctamente pueden destruir más de 99 por ciento de
los contaminantes gaseosos.

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CONDHUCE, S.C.
Para la incineración termal es importante que el flujo de vapor del incinerador termal tenga
una tasa de flujo y concentración constantes del gas combustible. Estos dispositivos no
son adecuados para flujos fluctuantes de vapor porque la eficiencia del proceso de
combustión depende de la mezcla apropiada de vapores y un tiempo específico de
permanencia en la cámara de combustión.
El tiempo de permanencia es el período que la mezcla del combustible permanece en la
cámara de combustión. A menudo se agrega un combustible suplementario al incinerador
termal para complementar la cantidad de gases contaminantes que se queman en el
incinerador. La energía y calor producidos por el proceso de incineración se pueden
recuperar y dedicar a usos provechosos en una fábrica.
Figura 28.- Incinerador termal
Incinerador catalítico
Los incineradores catalíticos son similares a los termales e incluyen un catalizador para
evaluar el proceso de combustión. Los catalizadores permiten que el proceso de
combustión ocurra con temperaturas más bajas, lo que reduce el costo del combustible.
Cuando se usa un incinerador catalítico se obtiene una eficiencia de destrucción mayor de
95 por ciento. Si se emplea un volumen mayor de catalizadores o temperaturas más altas
es posible alcanzar una mayor eficiencia. Los incineradores catalíticos son más
convenientes para las emisiones con bajo contenido de COV.
Figura 29.- Incinerador catalítico

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CONDHUCE, S.C.
Quemadores
Los quemadores se usan comúnmente para la disposición de gases residuales durante
alteraciones del proceso, como los que se dan cuando se inicia o concluye un proceso.
Son básicamente dispositivos de seguridad que también se usan para destruir emisiones
de desechos. Un quemador se puede usar para controlar casi cualquier emisión que
contiene compuestos orgánicos volátiles. Las llamas se pueden diseñar para manejar
desechos que tienen fluctuaciones en la tasa de flujo y en el contenido de compuestos
orgánicos. La eficacia de remoción es de aproximadamente 98 por ciento.
Figura 30.- Quemador
Adsorbedores de carbón activado
El proceso de adsorción más común es mediante el carbón. El adsorbedor de carbón usa
partículas de carbón activado para controlar y recuperar las emisiones gaseosas
contaminantes. En este proceso, el gas es atraído y se adhiere a la superficie porosa del
carbón activado, lográndose una eficiencia de remoción de 95 a 99 por ciento. Se usa
particularmente para recuperar compuestos orgánicos valiosos, por ejemplo, el
Percloroetileno que se usa en los procesos de lavado al seco.
Los sistemas de adsorción pueden ser regeneradores o no regeneradores. Un sistema
regenerador usualmente contiene más de un lecho de carbón. Mientras un lecho retira
activamente los contaminantes, el otro se regenera para uso futuro. Para extraer los
contaminantes atrapados en el lecho y llevarlos a un dispositivo de recuperación se usa
vapor.

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CONDHUCE, S.C.
Mediante la regeneración, las mismas partículas de carbón activado se pueden usar una y
otra vez. Los sistemas de regeneración se usan cuando la concentración del
contaminante en el flujo de gas es relativamente alto.
Figura 31.- Sistema de adsorción regenerador de carbón
Usualmente, los sistemas no regeneradores tienen lechos más delgados de carbón
activado. En un adsorbedor no regenerador, el carbón gastado se descarta cuando se
satura con el contaminante. Debido al problema de desechos sólidos que genera este
sistema, los adsorbedores no regeneradores de carbón se usan cuando la concentración
del contaminante es sumamente baja.
Figura 32.- Sistema de adsorción no regenerador de carbón.
Condensadores
Los condensadores remueven contaminantes gaseosos mediante la reducción de la
temperatura del gas hasta un punto en el que el gas se condensa y se puede recolectar
en estado líquido. La condensación se puede lograr mediante un incremento de la presión
o la extracción de calor de un sistema. La extracción de calor es la técnica que más se
emplea.

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CONDHUCE, S.C.
Los condensadores se usan generalmente para recuperar los productos valiosos de un
flujo de desechos. Usualmente se usan con otro dispositivo de control. Por ejemplo, un
condensador se puede usar para remover una sustancia gaseosa de un flujo
contaminante. Luego, los gases remanentes del flujo contaminante se destruyen en un
incinerador.
En el control de la contaminación se emplean condensadores de contacto y de superficie.
En los condensadores de contacto, el gas hace contacto con un líquido frío. En un
condensador de superficie, los gases entran en contacto con una superficie fría en la cual
circula un líquido o gas enfriado, como la parte exterior de un tubo. La eficiencia de
remoción de los condensadores varía de 50 a más de 95 por ciento, dependiendo del
diseño y aplicación.
Quemadores de bajo NOx
Estos quemadores escalonan el aire que se aporta en el quemador, retirando parte del
aire del núcleo de la llama más caliente y creando una atmósfera reductora, entonces el
resto de aire, llamado aire secundario, se recircula envolviendo el núcleo más caliente y
produciendo una atmósfera oxidante para terminar la combustión. Al retirar O2 de la zona
más caliente se evita la combinación de N2 con O2, limitando la generación de NO que es
catalizado por la temperatura. De este modo se puede reducir el NOx entre un 55% y un
70%.
Si se necesita reducir más el NOx, se recurre a tecnologías de reducción selectiva donde
se utiliza un reactor catalítico en donde se inyecta urea o amoníaco que reacciona con el
NO reduciéndolo a N2 y H2O y se consigue una eliminación del 90-95% del NOx
generado en la combustión.
Rociadores Húmedos
De las medidas de control que hay, una de las más adecuadas para el caso de las
emisiones en termoeléctricas es la eliminación de Azufre en corriente gaseosa (Flue-gas
desulfurization FGD). En este proceso al gas de combustión se le hace reaccionar con un
compuesto alcalino, para la formación de sulfatos sólidos, los cuales son removidos del
equipo. Este proceso tiene tres variantes:
- Wet Scrubbers: En este proceso los gases de salida pasan a través de una
torre en la cual se rocía CaO o CaCO3 en solución acuosa, el SO2 es
removido por la solución y se forma Sulfato de Calcio. El producto de la
reacción puede desecharse o tratarse para recuperar el Sulfato de Calcio y
aprovecharse para otros usos. La eficiencia del proceso es de un 99% para
la remoción de SO2.
- Spray Dry Scrubbers: Al igual que el proceso anterior se hace reaccionar al
gas de salida con una solución acuosa de CaO o CaCO3, solamente que el
rociado es mucho más fino de tal manera que el calor de los gases evapore
al agua del producto de la reacción; de esta manera se elimina la necesidad

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CONDHUCE, S.C.
de darle un tratamiento al agua residual de la reacción. La eficiencia de este
método es de 93-97%.
- Sorbent Injection: En este método se rocía CaCO3 o Ca(OH)2 en base
seca, los gases de salida reaccionan con el polvo y forman Sulfato de Calcio,
la eficiencia que se alcanza con este método es de un 50-80%, pero el costo
de operación es bajo y el no se tiene que tratar el producto de la reacción.
Figura 33.- Wet Scrubber

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