capÍtulo 10

CAPÍTULO 10

EVALUACIÓN DE IMPACTO AMBIENTAL DE UNA HOJA DE FLUJO DE PROCESO - TIER 3

Objetivo

Realizar una evaluación detallada de impacto ambiental de una hoja de flujo de

un proceso químico para identificar un grupo de índices ambientales (medidas) y evaluar el impacto o riesgo del proceso

entero para la salud ambiental o el medio ambiente.

Orden de los temas:

• Introducción • Estimación de los destinos ambientales de las

emisiones y los desechos• Tier 3 medidas para la evaluación del riesgo

ambiental de los diseños de proceso• Diseño conceptual de evaluación de impacto

ambiental de una hoja de flujo de un proceso químico

Introducción

¿Qué información se requiere para realizar el Tier

3 Evaluación Ambiental?• Establecer una hoja de flujo de un proceso• Definir los límites alrededor de la evaluación

ambiental• Formular los indicadores de impacto ambiental

(índices o medidas)• Maximizar la Eficiencia de Masa• Maximizar la Eficiencia de Energía

Índices o medidas ambientales

Pueden ser usados para varias aplicaciones ingenieriles importantes relacionadas con el diseño de procesos, incluyendo:

– Ranking de tecnologías– Optimización de procesos de

reciclaje/recuperación de desechos en proceso– Evaluación de modos de operación de reactores

Evaluación de Emisiones: Análisis Cuantitativos

Las EMISIONES son la información básica más importante concerniente al las hojas de flujo del diseño de procesos porque:

Concentración y ubicación son (emisiones, propiedades físicas y químicas de la sustancia)

Los modelos de transporte y destino pueden ser usados para transformar valores de emisión en las concentraciones ambientales relacionadas.

)))((( rateemissionionconcentratdosefimpact

Evaluación de Emisiones: Análisis Cuantitativos... continuación

La toxicidad y/o información inherente de impacto es requerida para convertir la concentración dependiente de la dosis en probabilidades de riesgo

Categorías de los pasos de evaluación de impacto ambiental:

– Estimación de las velocidades de liberación para todos los químicos en el proceso

– Cálculo del destino ambiental y del transporte y concentración ambiental

– Conteo de medidas múltiples de riesgo usando información toxicológica y de impacto ambiental

Evaluación de Riesgo Potencial

...conveniente para aplicaciones a gran escala donde la evaluación de riesgo potencial ambiental y para la salud debe realizarse por análisis cuantitativo.

...más apropiada para comparar el riesgo ambiental de los diseños de procesos químicos

...proceso químico y su diseño puede ser evaluado por puntos de referencia de impacto

Puntos de Referencia de Impacto• Es una razón adimensional del impacto ambiental

causado por la liberación de un químico en comparación de la descarga idéntica de un compuesto bien estudiado (punto de referencia)

• Si el valor de referencia es mayor que 1, entonces el químico tiene un mayor potencial de impacto ambiental que el compuesto referenciado.

• Emisión equivalentes del compuesto de referencia (en términos de impacto ambiental) = (impacto ambiental potencial referenciado) * (velocidad de emisión del proceso)

Límites para evaluación de impacto

De Allen (2004) Design for the Environment - http://www.utexas.edu/research/ceer/che341

Etapas de Pre-Manufactura química* Extracción del ambiente

* Transporte de materiales

* Refinación de materias primas

* Almacenamiento y transporte

*Carga y descarga

Etapas de Post Manufactura química

* Manufactura de producto final* Uso del producto en el comercio* Reuso/reciclaje* Tratamiento/destrucción* Confinamiento* Liberación al ambiente

Proceso Químico de Manufactura

* Reacciones químicas* Operaciones de separación* Almacenamiento de material* Carga y descarga* Transporte de material* Procesos de tratamiento de desechos

Descargas aéreas descargas de agua de desecho desechos sólidos/peligrosos

Consumo de energía Descargas químicas tóxicas deterioro de recursos

Impactos Ambientales

Calentamiento global deterioro de la capa de ozono calidad del aire - smog acidificación ecotoxicidad efectos a la salud humana cancerígenos y no cancerígenos deterioro de recursos

Estimación de los Destinos Ambientales y Emisión de

Desechos

ObjetivoDeterminar el transporte y los procesos de reacción que afectan la concentración última de un químico liberado al ambiente (agua, aire y suelo)

La evaluación es hecha usando los modelos de destino ambiental y de transporte:-Un compartimiento - Compartimiento Multimedia

Eligiendo los Tipos de Modelos

• exactitud : – Este parámetro varía de acuerdo al método del

modelo de incorporar los procesos ambientales en su descripción de transferencias de masa y reacciones

• Facilidad de uso : – Este parámetro refleja los datos y

requerimientos computacionales que el modelo coloca en la evaluación ambiental

Modelos de Un Compartimiento• Ventajas :

– Pocos datos químicos y/o específicos ambientalmente requeridos

– Resultados relativamente precisos usando recursos computacionales modestos

• Desventajas: – La información solo es

para un medio (severas limitaciones cuando se están considerando múltiples impactos ambientales)

•Ejemplos: – Modelos de Dispersión atmosférica para predecir concentraciones de aire de fuentes estacionarias– Modelos de dispersión para agua de subsuelo para predecir perfiles de concentraciones contaminantes en columnas

Modelos de Compartimiento Multimedia (MCMs)

• Ventajas:– Información de transporte y

destino en más de un medio

– Entrada mínima de datos requerida

– Relativamente simple y eficiente computacionalmente

– Cuenta con varios mecanismos de transporte y degradaciones intermedios

• Desventajas: – La falta de datos

experimentales puede ser usada para verificar la exactitud del modelo

– La creencia general de que solo proveen estimados de orden de magnitud de las concentraciones ambientales

– Grandes requerimientos computacionales pueden resultar en difíciles implementaciones prácticas para evaluaciones de rutina de procesos químicos.

Ejemplo de Modelos Multimedia: Modelo de Fugacidad Multimedia Nivel III

Allen, A.T., D.R. Shonnard (2002) Green engineering, Prentice HallMacKay, D.(2001) Multimedia environmental models: the fugacity approach, CRC Press

El modelo predice concentraciones en estado estable de un químico en cuatro compartimientos ambientales (1) aire, (2) agua superficial, (3) suelo, (4) sedimentos en respuesta a una emisión constante en una región ambiental de volumen definido

Fugacidad y Capacidad de Fugacidad

• Fase aérea

• Fase acuosa

• Suelo

• Factores de Capacidad de Fugacidad

Fugacidad: Fase Aérea • Definida como: Donde :

– y es la fracción molar de químico en la fase aérea– Ф es el coeficiente de fugacidad adimensional que corresponde al

comportamiento no ideal– PT es la presión total (Pa)– P es la presión parcial del químico en la fase aérea

• Concentración y fugacidad :

Donde : – n es el número de moles del químico en un volumen dado V (mol)– V es el volumen dado (m3)– R es la constante de los gases (8.312 (Pa m3)/(mole K))– T es la temperatura absoluta (K)– Z1 es la capacidad de fugacidad (=1/(RT))

PPyf T

11 )/()/(/ ZfRTfRTPVnC

Fugacidad: Fase acuosa• Definida como: Donde:

– x es la fracción molar

– y es el coeficiente de actividad en la convención de la ley de Raoult

– PS es la presión de saturación del vapor del químico líquido puro a la temperatura del sistema (Pa)

• Concentración y Fugacidad: • Donde:

– vw es el volumen molar de la solución (agua, 1.8x10-5m3/mole)

– H es la constante de la ley de Henry para el químico (Pa.*m3/mole)

– Z2 es la capacidad de fugacidad del agua para cada químico (=1/H)

– C2 es la concentración en solución acuosa (moles/m3)

SPxf

22 /)/(/ fZHfPvfvxC SWW

Fugacidad: Suelo• Definida como:• Donde:

– Cs es la concentración sorbida (moles/kg suelo o sedimento)– C2 es la concentración acuosa (moles/L solución)– Kd es el coeficiente de distribución de equilibrio (L solución/kg sólidos)

• Coeficiente de distribución relacionado a contenido orgánico:• Concentración y Fugacidad:

• Donde: – р3 es la densidad de la fase (kg sólido/m3 sólido)– Ф3 es la fracción másica de carbón orgánico en el suelo (g carbón orgánico/g

sólidos del suelo)– Koc es el coeficiente de distribución basado en el carbón orgánico (L/kg)– Z3 es la capacidad de fugacidad

2CKC dS

3/dOC KK

fZfKHC OCS 3333 1000//1

Capacidad de Fugacidad para Compartimientos y Fases en el ambiente

Fases Ambientales Densidad de las Fases (kg/m3)

Fase aire Z1=1/RT 1.2

Fase acuosa Z2=1/H 1,000

Suelo Z3=(1/H)KOCΦ3ρ3/1000 2,400

Sedimento Z4=(1/H)KOCΦ4ρ4/1000 2,400

Fase de sedimento suspendido Z5=(1/H)KOCΦ5ρ5/1000 2,400

Fish Phase Z6=(1/H)0.048ρ6KOW 1,000

Fase Aerosol Z7=(1/RT)6x106/PSL

Donde R=Constante de los gases (8.314Pa*m3/mole*K)T= Temperatura Absoluta (K)H=Constante de la ley de Henry (Pa*m3/mole)KOC=Coeficiente de partición de carbono orgánico (=0.41KOW)KOW=coeficiente de partición Octanol-agua ρi=densidad de la fase por fase i (kg/m3)Φi=fracción másica de carbón orgánico en la fase i (g/g)

Compartimientos Ambientales

Compartimiento de Aire (1) ZC1=Z1+2x10-11Z7 (Aproximadamente 30 μg/m3 aerosoles)

Compartimiento de agua (2) ZC2=Z2+5x10-6Z5+10-6Z6 (5 ppm sólidos, 1 ppm peces por vol.)

Compartimiento de sólidos (3) ZC3=0.2Z1+0.3Z2+0.5Z3 (20% aire, 30% agua, 50% sólidos)

Compartimiento de sedimento (4) ZC4=0.8Z2+0.2Z4 (80% agua, 20% sólidos)Note: Para aerosoles sólidos PSL=PS

S/exp{6.79(1-TM/T)} donde TM es el punto de fusión (K). Adaptado de Mackay et. Al. (1992).

Transporte entre interfases

• Procesos Difusivos– Pueden ocurrir en más de una dirección, dependiendo de

los signos de fugacidad de los diferentes compartimientos– Velocidad de transferencia: N = D(f)– Ej. Volatilización de agua a aire o de suelo a aire.

• Procesos No Difusivos– Es el transporte en una dirección entre compartimientos– Velocidad de transferencia: N = GC = GZf = Df– Ej. Deslave por lluvias, deposiciones húmedas/secas a

agua y suelo, deposiciones de sedimentos y resuspensiones

Procesos Difusivos y No difusivos

Transporte entre interfases... continuación

• Un enfoque de dos películas es usado con los coeficientes de transferencia de masa para el aire (u1 = 5m/h) y agua (u2 = 0.05 m/h). El parámetro de transporte intermedio para absorción es dado por:

• El valor D para deslave por lluvia puede ser dado como:

• El valor D para la deposición húmeda/seca es dado por:

• El valor D acumulado para transferencia de aire a agua:

• El valor D para transferencia de agua a aire es:

Derivaciones de Parámetros: Transporte Aire-Agua

))/(1)/1/(1 2211 ZAuZAuD WWVW

23 ZAuD WRW

74 ZAuD WQW

VWDD 21

RWQWVW DDDD 12

• Después del desarrollo, la ecuación de valor D para la difusión de aire a suelo es dada por:

• Con:

• El valor D acumulado para todos los procesos aire a suelo es dado por:

• Y el transporte de difusión suelo a aire es:

Derivaciones de Parámetros: Transporte Aire-Suelo

))/(1/1/(1 SASWSVS DDDD

15 ZAuD SS 26 ZAuD SSW

RSQSVS DDDD 13


17 ZAuD SSA

VSDD 31

• El valor D de agua a sedimento puede ser estimado por:

Donde:– u8 es el coeficiente de transferencia de masa (m/h)– AW es el área (m2)– u9 es la velocidad de deposición del sedimento (m/h)

• El valor D de sedimento a agua puede ser estimado por:

• Donde : – u10 es la velocidad de resuspensión (m/h)

Derivaciones de Parámetros: Transporte Agua-Sedimento

592824 ZAuZAuD WW

4102842 ZAuZAuD WW


• El valor D para la transferencia de suelo a agua es:

• Donde: – u11 es la velocidad de agua de salida (m/h)– u12 es la velocidad de salida del sólido (m/h)

• El valor D del mecanismo de transporte no difusivo usado para describir la remoción de químicos de sedimento por entierro es:

• Donde:– uB es la velocidad de entierro del sedimento (m/h)

Derivaciones de Parámetros: Transporte Suelo-Agua

31221132 ZAuZAuD SS

44 ZAuD WBA


• La velocidad total de entradas para cada medio es:

• Donde:– Ei es la velocidad de emisión (moles/h)– GAi es el flujo advectivo (m3/h)– CBi es la concentración externa de fondo del compartimiento i

(moles/m3)

• La velocidad total de las salidas de la totalidad del flujo para cada medio es:

• Donde: – ZCi es la capacidad de fugacidad del compartimiento i

Derivación de Parámetros: Transporte Advectivo

BiAiii CGEI


CiAiAi ZGD

Procesos de Pérdida de Reacción

Los procesos de pérdida de reacción que ocurren en el ambiente incluyen:

– Biodegradación– Fotólisis– Hidrólisis– Oxidación

Ecuaciones de Balance

Aire I1+f2D21+f3D31=f1DT1

Agua I2+f1D12+f3D32+f4D42=f2DT2

Suelo I3+f1D13=f3DT3

Sedimento I4+f2D24=f4DT4

Donde el lado izquierdo es la suma de todas las ganancias y el lado derecho es la suma de las pérdidas, II=EI+GAICBI, siendo I4 usualmente cero. Los valores D del lado derecho son:

DT1=DR1+DA1+D12+D13

DT2=DR2+DA2+D21+D24

DT3=DR3+DA3+D31+D32

DT4=DR4+DA4+D42

La solución para las fugacidades desconocidas de cada compartimiento es:

f2 = (I2+ J1J4/J3 + I3D32/DT3 + I4D42/DT4)/(DT2 - J2J4/J3- D24D42/ DT4)

f1 = (J1+ f2J2) /J3

f3 = (I3+ f1D13) /DT3

f4 = (I4+ f2D42)/DT4

Donde J1 = I1 / DT1 + I3D31/(DT3DT1)

J2 = D21/ DT1

J3 = 1 – D31D13/(DT1DT3)

J4 = D12 + D32D13/DT3)

Ecuaciones de Balance molar para el Modelo de Fugacidad Mackay Nivel III.

Medidas para la evaluación de riesgo ambiental del diseño de

procesos

• Este tier discutirá como combinar los datos concernientes a la estimación de emisiones, destino ambiental e información de transporte y datos de impacto ambiental para desarrollar una evaluación de los riesgos potenciales causados por las descargas de sustancias del diseño de procesos químicos

• Se usarán índices y el ejemplo de modelo de compartimiento multimedia será fuente de concentraciones ambientales que serán usadas en los ÍNDICES.

Tier 3 Medidas para la Evaluación de Riesgo Ambiental del Diseño de Procesos

• Índices Ambientales• Calentamiento Global• Deterioro del Ozono• Lluvia ácida• Formación de Smog• Toxicidad y Carcinogenicidad

Tier 3 Medidas para la Evaluación de Riesgo Ambiental del Diseño de Procesos

Índices Ambientales

Impactos Abióticos y Bióticos• Impactos Abióticos:

– Calentamiento Global

– Deterioro del ozono estratosférico

– Acidificación

– Eutroficación

– Formación de Smog

• Implicaciones Globales

– Calentamiento global

– Deterioro del ozono estratosférico

• Implicaciones Regionales

– Formación de Smog

– Deposición de ácido

• Implicaciones Locales

– Toxicidad

– CarcinogenicidadB

i

IIPEP

IIPEP

)])([(

)])([(al)Adimension Riesgo de (Índice i

B es para el compuesto de referencia e i es el compuesto químico de interés.

Calentamiento Global (GW)

• GWP es un índice común y es la energía infrarroja cumulativa capturada por la liberación de 1 kg de gas invernadero relativo a 1 kg de dióxido de carbono

• El índice para GW puede ser estimado usando el GWP con:

• Usando efectos de compuestos orgánicos...

n

COCO

n

ii

i

dtCa

dtCaGWP

0

0

22

i

iiGW mGWPI )(

i

COCi MW

MWNindirectGWP 2)(

i

iiOD mODPI )(

El Potencial de Deterioro del Ozono (Ozone Depletion Potential, ODP) es un cambio integrado del ozono estratosférico causado por una cantidad específica de un compuesto químico.

Es una comparación entre el daño causado por una cantidad específica de un químico dado y el daño causado por la misma cantidad de un compuesto de referencia.

Deterioro del Ozono

113

3

CFC

ii O

OODP

Lluvia ácida

HX

i

ii MW

2SO

iiARP

i

iiAR mARPI )(

La relación entre el número de moles de H+ creados por número de moles emitidos es llamada potencial de acidificación. La siguiente ecuación (balance) provee esta relación.

Formación de Smog

223

323

32

)(

)(

ONONOO

MOMOPO

NOPOhvNO

oxidación de productos otros

oxidación de productos otros

22

2

OHradicales

radicalesNONORO

ROOHVOC

ROG

ii MIR

MIRSFP

iiiSF mSFPI )(

Las siguientes ecuaciones representan el proceso mas importante para la formación de ozono en la atmósfera baja (fotodisociación de NO2)

Los VOC's no destruyen el O3 pero forman radicales que convierten NO en NO2.

Potencial de Formación de Smog Emisiones equivalentes de proceso de ROG

ToxicidadToxicidad no carcinogénica

)/()70/()/2)((

)/()70/()/2)((

,

,

toluenewtoluene

iwi

RfDkgdLC

RfDkgdLCINGTPi

tolueneatoluene

iaii RFCC

RFCCINHTP

/

/

,

,

)( iiING mINGTPI

)( iiINH mINHTPI

La toxicidad no carcinogénica es controlada por límites establecidos de exposición. Por encima de estos valores se manifiesta una respuesta tóxica. Los parámetros clave para estos químicos son la dosis de referencia (RfD [mg/kg/d]) o la concentración de referencia (RfC [mg/m3]).

Potencial de toxicidad para exposición vía ingestión

Potencial de toxicidad por inhalación

Índice de toxicidad no carcinogénica para el proceso completo (ingestión)

Índice de toxicidad no carcinogénica para el proceso completo (inhalación)

Un método similar al de la toxicidad no carcinogénica es usado para medir el riesgo relacionado al cáncer; se basa en concentraciones predichas de químicos en el aire y agua de la liberación de 1000 kg/h.

ToxicidadCarcinogenicidad

))(,

(

))(,

(

benzeneSF

wbenzeneC

iSF

wiC

INGCPi ))(,

(

))(,

(

benzeneSF

abenzeneC

iSF

aiC

INHCPi

)( ii

iCING mINGCPI

)( ii

iCINH mINHCPI

Potencial carcinogénico de un químico determinado por la razón del riesgo del químico al de compuesto de referencia.

Índice de carcinogenicidad toxicidad para el proceso completo (ingestión)

Índice de carcinogenicidad toxicidad para el proceso completo (inhalación)

Ingestión Inhalación

Diseño conceptual de una evaluación de impacto ambiental de una hoja de flujo de proceso

químico

Diseño conceptual de evaluación de impacto ambiental de un proceso

Propuesto por Allen (2004) Design for the Environment - http://www.utexas.edu/research/ceer/che341

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