4.1.- Óxidos de azufre.
Los sistemas más empleados son los de lavado húmedo de la corriente gaseosa mediante una solución acuosa de carbonato cálcico, hidróxido cálcico, hidróxido sódico o bicarbonato. Otros sistemas son el lavado en semihúmedo y en seco mediante el empleo de lechadas o por aplicación directa del reactivo en forma de polvo respectivamente. Los procesos mencionados no permiten la recuperación de los absorbentes utilizados.
Los equipos de lavado en húmedo son también capaces de eliminar partículas presentes en la corriente gaseosa. Hay bastantes tipos tales como los que se han comentado anteriormente. Para asegurar una buena desulfuración se suelen recomendar dos etapas de lavado. La primera consiste en un equipo Venturi que elimina las partículas y compuestos ácidos y la segunda es una torre de atomización, relleno o platos para eliminar SOx .
Los atomizadores pueden eliminar más óxidos de azufre que los restantes equipos con un menor consumo de energía, sin embargo son poco eficaces para la eliminación de partículas especialmente, si éstas tienen un tamaño inferior a 5 µm.
Los lavadores de pantallas son bastante eficaces en la eliminación de partículas de 1 µm y mayores, alcanzando rendimientos del 90 %. Son bastante resistentes al ensuciamiento. Como inconvenientes cabe citar los problemas que habitualmente surgen por una mala distribución del líquido.
Los lavadores de platos se pueden conseguir con una sola etapa altas eficacias en la eliminación de óxidos de azufre y partículas.
Los separadores de relleno no son buenos para la eliminación de partículas.
El empleo de hidróxido o carbonato cálcico conduce a la formación de sulfito o sulfato cálcico según el estado de oxidación del azufre. Los cristales formados son poco solubles en agua por lo que se llevan a una balsa de clarificación para que sedimenten o bien a filtración. A los sólidos separados, se los dará una gestión adecuada en función a sus características toxicológicas. Una buena parte de la solución se recircula al lavador mientras que el resto se lleva al tanque de sedimentación. La solución procedente de los clarificadores o filtros también se devuelve al sistema. (Figura 31).
El empleo de soluciones de sosa, carbonato o bicarbonato sódico produce sulfito o sulfato sódico que se disuelve en el líquido. Las soluciones de sulfito o sulfato sódico se evacuan como corrientes contaminadas y suelen llevarse a balsa para la evaporación del agua. También se utiliza un proceso que emplea simultáneamente dos tipos de soluciones, una conteniendo hidróxido sódico, carbonato y bicarbonatos sódicos y otra con óxido cálcico (proceso dual).
Los lavadores semihúmedos se pulveriza una lechada de hidróxido cálcico o de carbonato sódico, los productos de reacción quedan secos por que el calor del gas evapora el agua.
También pueden tratarse en seco los gases a unos 150 º C con hidróxido cálcico en cantidad de 2 a 3 veces la estequiométrica. Los sólidos formados pueden recuperarse del gas en un filtro de mangas o electrofiltro. Dependiendo de sus características ecotóxicas y de lixiviación se les dará la gestión adecuada.
Los productos de neutralización a partir de sosa son más reactivos pero más caros que los basados en calcio.
4.2.- Contaminación por vehículos
Existen tres importantes contaminantes: monóxido de carbono (CO), hidrocarburos no quemados (HC) y óxidos de nitrógeno (NOx), que son de gran importancia por su efecto nocivo para el medio ambiente, en particular para la salud humana. Con relación a estos gases, los vehículos con motor de combustión interna son los responsables de la emisión, aproximada, del 79% del CO, el 59% de los óxidos de nitrógeno y el 44% de los hidrocarburos no quemados.
Siendo las emisiones del tubo de escape la fuente más importante de contaminación de un motor a gasolina, los métodos de control que se emplean se pueden dividir en tres categorías:
1. Control de la mezcla antes de la combustión. 2. Control del proceso de la combustión misma. 3. Control de los productos de la combustión.
Este control puede mejorarse por el uso de dispositivos, refinando el combustible para disminuir la emisión de NOx, CO y HC, modificando o eliminando la carburación o utilizando instrumentos de inyección electrónicos o monitoreo computarizado de niveles de polución, especialmente durante la aceleración y desaceleración. Para ello es necesario, que al usar un convertidor catalítico se utilice también inyectores en vez de carburadores, lo que permite lograr una mezcla más exacta de acuerdo a la exigencia a que se someta el motor, con lo que se consigue el efecto buscado de disminuir los contaminantes.
Para realizar el control de los productos de la combustión se debe realizar un tratamiento de dichos gases de emisión. Para ello, los convertidores catalíticos se alzan como la gran alternativa.
Básicamente, se necesita de dos atmósferas distintas para purificar los gases de escape; el control de CO y HC se lleva a cabo utilizando un catalizador de oxidación en una atmósfera pobre en combustible; por su parte, para el control de NOx, se requiere de un catalizador de reducción en una atmósfera rica en combustible. De este modo, existen 3 tipos principales de sistemas catalíticos:
1. Catalizadores de oxidación.
2. Catalizadores de reducción, en el sistema de catalizador dual.
3. Catalizador de tres vías, para el control de emisión de CO, HC y NOx en una sola unidad. Para abordar el problema, en USA desde 1975 se empezó a utilizar el control catalítico para reducir el nivel de emisión de CO y HC. El control catalítico implicaba el uso de convertidores catalíticos que utilizaban como componente activo (o catalizador) paladio (Pd) y/o platino (Pt). Ambos metales
nobles muestran buenas características como catalizadores de oxidación. El control de los óxidos de nitrógeno, que se realizaba por medios no catalíticos, se empezó a realizar con este sistema a partir de 1978, a fin de poder cumplir con las estrictas exigencias que impuso la legislación federal de USA a la emisión de contaminantes. Para el control de NOx se empezó a utilizar un tercer metal noble, rodio (Rh), que presenta buenas características como catalizador de reducción de los óxidos de nitrógeno y, además, es altamente activo en la oxidación de HC y CO.
El tipo de convertidor catalítico fue variando con el transcurso del tiempo, partiendo con el catalizador de oxidación, que sólo servía para controlar el CO y los HC. Se pasó luego al catalizador de reducción, que controlaba los óxidos de nitrógeno, el cual se juntó al anterior para formar el convertidor catalítico dual, el cual se caracterizaba por tener en una misma unidad, pero en lechos separados, el catalizador de oxidación y el de reducción, lo que permitía controlar los tres contaminantes.
Finalmente, se llegó al convertidor catalítico de tres vías, cuyas particularidades principales son el estar constituido por un solo lecho, en el cual se encuentran los metales nobles (Pd, Pt y Rh), y por efectuar el control simultáneo de los tres contaminantes. Este es el convertidor de más amplio uso hoy en día y constituye la mejor alternativa tecnológica para controlar las emisiones de escape de los vehículos a gasolina.
4.2.1 Emisiones de contaminantes
La generación de los contaminantes CO, HC y NOx en los gases de escape es una función de la relación aire/combustible de la mezcla que se quema en el motor. Esto se puede ver en la Figura 32:
En esta figura es posible ver el problema principal de las emisiones: la existencia de un máximo de NOx para una relación aire/combustible similar a aquella que producen los niveles mínimos de HC y CO. El CO y los HC resultan de la combustión incompleta y su proporción disminuye al aumentar la relación aire/combustible.
Por otra parte, el NOx resulta de la combinación directa de nitrógeno y oxígeno a altas temperaturas y presiones en la cámara de combustión. La generación de NOx es una función exponencial de la temperatura de llama. A bajas temperaturas no se verifica la reacción entre N2 y O2. Temperaturas
bajas se consiguen con relaciones aire/combustible mas bajas o altas a la estequiométrica. Para la mayoría de las gasolinas, el valor estequiométrico se encuentra entre 14.5 y 15.0 veces aire por gasolina.
La composición de los gases de escape varía según el modo de operación delvehículo,variación que se muestra en la Tabla 5:
MODO DE OPERACION CO HC NOx
(Km/hr) % Volumen ppm ppm
Acelerando (0-40) 3.6 665 1250
Crucero (80) 2.8 445 990
Desacelerando (45-25) 5.0 1650 muy bajo
Acelerando (25-45) 2.8 500 1700
Desacelerando (80-32) 4.2 3495 muy bajo
Neutro (mínimo) 5.8 895 muy bajo
Tabla 5: Variación de la composición de gases de escape en función de la operación del vehículo
4.2.2 Catalizadores
Los convertidores catalíticos deben ser muy versátiles, ya que deben operar en condiciones variables y transitorias de temperatura, flujo, velocidad espacial, composición de gases, etc. Como regla general, deben presentar las siguientes propiedades:
1. Químicas:
2. Tiempo de contacto suficiente entre los catalizadores y las emisiones. 3. Actividad catalítica entre temperatura ambiente y 870 ºC.
4. Resistencia al envenenamiento por aditivos químicos presentes en la gasolina. 2. Físicas:
1. Resistencia a choques térmicos
2. Resistencia a la tracción causada por el flujo turbulento de los gases de emisión. 3. Mantenimiento de la actividad por un determinado número de kilómetros.
Los convertidores deben ser eficientes para emisiones cuya composición en contaminantes es variable.
Un convertidor catalítico generalmente consiste en un ingrediente activo (catalizador) depositado sobre un soporte y dispuesto en un envase metálico, similar al silenciador. El catalizador se ubica antes del silenciador, en el tubo de escape, lo más cerca posible del colector de escape del motor.
Catalizadores de tres vías
La característica principal del catalizador de tres vías radica en que la eliminación de los 3 contaminantes atmosféricos de interés (CO, HC y NOx) se verifica en un solo lecho catalítico. Esta idea brota del estudio del efecto en las emisiones de la razón aire/combustible en el sistema de carburación. Se encontró que cerca de la relación estequiométrica aire/combustible (aproximadamente el14.7/1), el CO y el NO pueden ser controlados simultáneamente; se emplea el CO para reducir el NO. Sin embargo, un desplazamiento de ± 0.1 en la razón aire/combustible, conduce a un descenso en la conversión de uno o más de los 3
contaminantes involucrados. Lo anterior se ilustra en la siguiente Figura 33:
En la figura se muestra el porcentaje de conversión de un catalizador de 3 vías en función de la razón aire/combustible.
Durante el manejo, la carburación cambia en un rango superior a ± 0.1, lo que demanda un sistema de control que haga factible mantener la razón aire/combustible en 14.7 ±0.1. Para tal efecto, se emplea la inyección electrónica de combustible combinada con un sensor de oxígeno o lambda en los gases de escape. (Figura 34).
Figura 34. Esquema de funcionamiento de un catalizador de tres vías con sensor lambda:
Forma del catalizador
Aunque se han propuesto 6 formas físicas diferentes de catalizadores, existen 2 configuraciones principales de lechos catalíticos: el de pastillas y el tipo monolito.
Los lechos catalíticos de pastillas están en forma de extruidos, partículas esféricas o cilindros de 1/8 a 3/8 de pulgadas de diámetro.
Este incluye además de las pastillas, deflectores de flujo y platos deflectores. Las partículas de catalizador se sostienen en un lecho delgado entre dos placas que son casi horizontales.
Por otro lado, los catalizadores con lecho tipo monolito son generalmente cilindros de 3 a 6 pulgadas de diámetro y de 2 a 9 pulgadas de longitud, con un diseño interior tipo panel de abejas.