Por : Dr. Arturo Lopez Marure
Nosotros nos hemos dado a la tarea de desarrollar un proceso de control de los fenómenos ambientales presentes en la ciudad de México y que son responsables de su atmósfera contaminante, un proceso que considera la legislación pertinente, así como las normas y procedimientos vigentes en la ciudad de México.
Para cumplir con este objetivo, es necesario el describir perfectamente la cinética de difusión de los vientos reinantes en la ciudad de México. Más adelante hemos desarrollado un modelo cinético de la difusión del viento en la ciudad de México en interacción con nuestro “Reactor Ecológico”, utilizando un respaldo teórico que considera la naturaleza de las distintas corrientes de aire así como sus parámetros reológicos, y el flujo de estas a través de la geografía de la ciudad.
Nuestro objetivo central es el de purificar la atmósfera de las zonas mas contaminadas de la ciudad de México, considerando que el valle de México presenta según la zona analizada, diferentes contaminantes. Para ello, pretendemos reducir los contaminantes tales como el ozono, los óxidos de nitrógeno, de azufre (responsables de la producción de lluvia ácida), sólidos suspendidos, materia fecal, así como determinados contaminantes específicos según la zona en la cual se establezca nuestro reactor. El objeto es entonces, de poder llevar estos contaminantes a los límites permisibles de exposición para el ser humano [VIVA99].
Para cumplir con esta tarea, se ha desarrollado un sistema piloto llamado “Reactor Ecológico”. Este sistema piloto puede manejar un flujo de 700,000 m3día-1 y servirá de base para diseñar reactores a escala mayor que podrán tratar un flujo de aire deaproximadamente 10,000,000 m3día-1. Se pretende que este tipo de sistemas ecológicos, sean ubicados en lugares estratégicos de la ciudad, principalmente en lugares públicos donde existan los mas altos índices de contaminación (zonas industriales, avenidas, estaciones de camiones, parques públicos, estaciones del metro, entre otros) .
Al mismo tiempo, estos sistemas podrán instalarse en los patios de las fábricas, escuelas, hospitales y áreas verdes. Estos Reactores Ecológicos podrán contar con un método específico de clarificación del agua (utilizada por el proceso) según la zona de la ciudad a tratar.
Su principio de operacióntiene como ventajas fundamentales el bajo consumo de energía y agua (el agua es tratada y reciclada). El "Reactor Ecológico", maneja grandes volúmenes de aire que son inducidos a través de una succión efectuada por una gran cantidad de dispositivos colectores llamados venturies. Estos venturies pueden orientarse en función de la dirección y velocidad del viento dominante (son articulados).
El aire contaminado pasará primero a través de los venturies en co-corriente con la solución acuosa atravesando un sistema de espiras (que aumentan el área superficial del agua incrementando la transferencia de masa) posteriormente, esta solución acuosa cargada pasa a una segunda etapa del reactor en donde pasará en contracorriente dentro de un empaque interno en donde se efectuarán un conjunto de reacciones fisico-químicas y una absorción química, el aire es forzado a pasar a través de los empaques utilizando un soplador de velocidad variable, y un venturie gigante el cual a su vez soporta al soplador que está ubicado en la parte superior del reactor.
Todos los residuos serán descargados a un sistema de clarificación de agua y/o filtración (adecuado según la zona tratada de la ciudad de México), en donde se recuperará el agua espreada en el reactor para recircularse nuevamente al mismo. De forma a reducir el carácter ácido del agua (formación de lluvia ácida) todo el circuito acuoso de salida será alcalinizado y tratado con agua electromagnética.
Los residuos serán retirados en forma de lodos para su disposición en pipas, pudiendo potencialmente ser reutilizados como combustibles para generación de energía eléctrica, previa eliminación de metales.
La recuperación de metales pesados se efectuará en celdas de flotación selectiva permitiendo la reutilización de metales tales como complejos de plomo, así como una cantidad menor de dióxido de azufre y de sulfuro de hidrógeno.
Una segunda etapa de este proyecto es el de fabricar un Reactor a Escala Urbana; este reactor manejará un flujo de 10,000,000 m3/dia de aire tendrá una altura de aproximadamente 24 m, un perfil de diámetros de entre 15 y 10 m, un flujo volumétrico de 3150 m3h-1 y un tiempo de residencia aproximado de 3 segundos. El área de influencia se estima de 1.5 km2 y en cuanto a la altura, tendrá fuerte influencia sobre la “Capa de Mezclado (interfase critica de contaminantes)”, la cual para la ciudad de México tiene una altura promedio de 707.647 m. [SOSA96].
De esta forma en la reacción 1, estamos “secuestrando” el NO2 y evitaremos que éste reaccione para formar el oxigeno atómico con lo cual evitamos la formación del ozono.
Como podemos observar el NOx es un fuerte precursor. El NOx es generado por la mezcla de óxidos que se producen en todo el proceso de combustión por conversión del nitrógeno libre del aire o del combinado en el propio combustible. La reacción 4 es una reacción térmica que no requiere la absorción de un fotón; M es un tercer elemento, como el caso del N2 que remueve la energía de reacción y estabiliza la molécula de ozono (O3).
Otras posibles reacciones son :
En cuanto a los SOx, el reactor desdobla la reacción hacia H2SO4, evitando la conocida "Lluvia ácida” que será entrampada en el reactor.
El reactor ecológico piloto se puede modelar de acuerdo a la ecuación de diseño de un reactor de flujo pistón en fase gaseosa isotérmico [MUJI85], ya que se comporta muy similarmente, ver ecuación 13.
Aplicando un balance de materia a un elemento diferencial tenemos:
elemento diferencial( dVr )
Esta ecuación 13, es la ecuación de diseño para unreactor de tipo flujo pistón
en f (Cao).
Donde:
Ra = k f (T), Ca modelo de velocidad de reacción
t = Vr/ Qo tiempo de residencia en el reactor
En cuanto al balance de energía en el reactor, el sistema es prácticamente isotérmico, sin embargo una ecuación para modelar el sistema sería, la ecuación 14 :
En la ecuación 14 se describe el perfil de temperatura en función de la longitud (z) del reactor y de las “propiedades físico químicas del flujo de aire y la solución acuosa”.
La cinética que estudia la dispersión de contaminantes en la atmósfera, está basada en las ecuaciones de balance de masa para una mezcla de multicomponentes de gases (ver Anexo I) [ALKI86], [VELA96], en este caso los componentes químicos que intervienen en el proceso son químicamente activos, de manera que en las ecuaciones de balance están contenidos los términos correspondientes a la convección causada por la velocidad y dirección de los vientos, la difusión, y la contribución de las reacciones químicas involucradas (ecuación 1 del capitulo siguiente del modelo de interacción entre el aire de la ciudad de México y el Reactor).