Dispersión de polución de aire en Mexicali es originada por factores climáticos

Resumen

Los factores climáticos generan la dispersión de contaminantes del aire como partículas finas y gases: ácido sulfhídrico, bióxido de azufre, monóxido de carbono y óxidos de nitrógeno, que en ocasiones sobrepasan los estándares de calidad del aire de esta región. Estos contaminantes son detectados por equipos especializados de Estaciones de Monitoreo Ambiental (EMA) instaladas en la ciudad de Mexicali. Una vez emitidos, los contaminantes atmosféricos por fuentes exteriores como el tráfico vehicular, las plantas industriales, campos geotérmicos, la erosión del suelo y microorganismos, penetran a los interiores de la industria electrónica. Además, con niveles mayores al 80% de humedad y 25? C comunes en la ciudad de Mexicali, se obtienen los ciclos del tiempo de humectación (TH), que indica los periodos en los cuales una superficie metálica permanece lo suficientemente húmeda para dar paso que un proceso electroquímico de corrosión ocurra.

Palabras clave. Factores climáticos, contaminantes del aire, tiempo de humectación.

Introducción

Los índices de contaminación son evaluados según la normatividad de estándares que indican los niveles de concentración regulados por instituciones del medio ambiente en cada país. En México, la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT), en conjunto con la Procuraduría Federal de Protección al Ambiente (PROFEPA) son las encargadas de regular las emisiones de contaminación. Con acuerdos internacionales, en la frontera de México y Estados Unidos, la Agencia de Protección al Ambiente (EPA, por sus siglas en inglés), han instalado Estaciones de Monitoreo Ambiental (EMA), cuyos resultados que en conjunto con los de las Estaciones de Monitoreo Meteorológico (EMM), permiten elaborar un análisis que muestra índices de contaminación, humedad relativa y temperatura por periodos estaciónales [1, 2].

Normatividad ambiental

Los contaminantes del aire exterior que penetran a interiores de empresas, monitoreados en esta ciudad son el SO2, CO, NOX, O3 y partículas en suspensión reportados por la National Ambient Air Quality Standards (NAAQS, 2006). Además se generan compuestos orgánicos volátiles en interiores u otros como el amoniaco que es inorgánico, y aun a bajas concentraciones, tienen un efecto significativo en el fenómeno de corrosión [4]. Las ciudades fronterizas han llegado a acuerdos para proteger el medio ambiente regional, desarrollando normas para obtener información de los contaminantes mencionados anteriormente. Cada contaminante del aire se expresa en unidades de microgramos por metro cúbico (µg/m3) y en partes por millón (ppm) siendo aplicados en análisis de correlación con los factores climáticos (Tabla 1). Los índices de calidad del aire para cada contaminante, son propuestos de acuerdo a experimentos elaborados, obteniendo el grado de deterioro de los materiales [5].

Tabla 1. Estándares de calidad del aire en la frontera de México y Estados Unidos.

Fuente. Environmental Protection Agency (EPA-USA). State and National Ambient Air Quality Standards

Figura 1. Equipo electrónico contaminado con polvo

1.2 Región árida: Mexicali, B.C. La orografía de la ciudad y los niveles de la polución del aire con contaminantes como el CO, NOX y SO2, que se monitorean con EMA (Estaciones de Monitoreo Ambiental) en ambientes exteriores y penetran a interiores de la industria electrónica donde existen alrededor de 156 maquiladoras según la AMAQ [6]. Estos contaminantes en ciertos periodos estacionales sobrepasan las normas estándares, y originan climas agresivos principalmente en áreas de producción y almacenes donde se utilizan y resguardan dispositivos y equipos electrónicos. El factor clima es importante en el rendimiento operacional de equipos electrónicos en interiores de plantas industriales instaladas en la ciudad de Mexicali. Los niveles de humedad relativa de esta ciudad oscilan entre los 50% a 90% y con rangos de temperatura cercanos a los 0° C y mayor a los 45° C (García ,2003). Estos cambios climáticos, modifican las condiciones ambientales de los exteriores e interiores de la industria electrónica, contribuyendo al deterioro de los materiales. El polvo y las sustancias químicas de los ambientes interiores, se adhieren a componentes de equipos electrónicos, como computadoras, instrumentos de medición y máquinas industriales (Figura 1). Un equipo opera adecuadamente cuando esta libre de contaminantes y en microclimas controlados [7].

A nivel mundial, las empresas manufactureras usan equipos electrónicos con parámetros de conductividad eléctrica rigurosos, que si son modificados, su rendimiento operativo no es el adecuado. En los periodos del año cuando los índices de humedad relativa y temperatura son mayores al 70% y 35º C, y por la presencia de partículas contaminantes en interiores de ambientes industriales, se incrementa la cantidad de fallas eléctricas [2].

1.3 Contaminación del aire.

La presencia de contaminantes del aire en exteriores e interiores, influenciada por varios factores, tiene un efecto negativo en los materiales metálicos. Estos factores incluyen emisiones de fuentes antropogénicas (Figura 2) y naturales de procesos en interiores y exteriores, condiciones meteorológicas y de ventilación; así como los procesos de degradación y eliminación los contaminantes [8]. La calidad del aire en interiores es un reflejo de la calidad del aire del exterior. Se han desarrollado diversos métodos para mediciones del aire en interiores, indicando que los sulfuros y cloruros aunados a las variaciones de humedad y temperatura son los principales factores de la generación de ambientes agresivos en interiores de plantas industriales que originan la corrosión en materiales metálicos. Los sulfuros procedentes del exterior, penetran por rendijas, orificios y sistemas de aire acondicionado, mientras que los cloruros provienen de aerosoles en el ambiente, además de partículas formadas por actividades de limpieza en superficies y baños de plantas industriales y vapores de fundentes de los procesos de soldadura. Las operaciones de hornos industriales, emanaciones procedentes de materiales para construcción y procesos químicos, son menos significativos en la agresividad de los ambientes de interior [9].

Figura 2. Fuentes antropogénicas de contaminación del aire de automóviles e industrias.

Para poder determinar con mayor precisión la acumulación de contaminantes con sus principales factores de emisión y dispersión en el interior se esquematiza en el balance que se muestra en la figura 3. La acumulación de contaminantes del aire genera las concentraciones en los interiores en base a las dimensiones de masa/tiempo.

Figura 3. Balance de materia para el análisis cuantitativo de la calidad del aire en interiores.

El flujo de contaminantes se debe a la infiltración del aire exterior como a la recirculación. Si se obtienen valores apropiados con los equipos especializados en todas las etapas del balance de energía, se pueden estimar las concentraciones de interior para diferentes procesos industriales [10]. Las fuentes antropogénicas y naturales emiten gran diversidad de contaminantes al aire y algunos son monitoreados en la ciudad de Mexicali con equipos especializados de las Estaciones de Monitoreo Ambiental (EMA) y portátiles, son:

a) Ácido sulfhídrico (H2S). Es un gas tóxico y flamable, con un olor desagradable a huevos podridos y genera rápidamente un daño a los materiales metálicos aun a bajas concentraciones que origina sulfidación. Las fuentes de emisión de este gas se originan en el campo geotérmico de Cerro Prieto, quema de combustibles y lagunas de oxidación en plantas de tratamientos de aguas negras donde la materia orgánica es sometida a procesos de descomposición (animal o vegetal). Su reacción química típica de formación de H2S, es la siguiente:

b) Bióxido de azufre (SO2). Es un producto de la combustión de compuestos del azufre, en los combustibles que afecta en gran medida a los ambientes de exterior e interior de plantas industriales. En la ciudad de Mexicali la principal fuente de emisión de este contaminante es el parque vehicular. La oxidación del SO2 en presencia de NO2 genera H2SO4, siendo entonces promotor del fenómeno de la lluvia acida

c) Monóxido de carbono (CO). Es un compuesto químico inodoro e incoloro, producido por la combustión incompleta de compuestos de carbón (C), en plantas industriales y automóviles, como se expresa:

d) Óxidos de Nitrógeno (NOX). Es un grupo de gases reactivos que contiene nitrógeno y oxígeno en diferentes cantidades, que son incoloros e inodoros. Un compuesto particular de este grupo es el bióxido de nitrógeno (NO2) proveniente de automóviles que es la fuente de emisión mayor, además de las provenientes de actividades comerciales, domésticas e industriales, donde se queman combustibles fósiles. Un ejemplo es el NO2, formado en la presencia de ozono y óxido nitroso:

e) Ozono (O3). Es un contaminante del aire proveniente de reacciones químicas que se generan en al aire, presentándose en pequeñas concentraciones en la atmósfera terrestre. A cierta altura de la superficie terrestre forma una capa que no permite el paso de los rayos del sol que producen mayor radiación solar y con ello temperaturas elevadas. En algunas zonas del mundo esta capa se esta deformando por la interacción con otro tipo de gases contaminantes. Se forma entre otras por las siguientes reacciones:

1.4 Influencia del tiempo de humectación.

El tiempo de humectación (TH por sus siglas en español y TOW, por sus siglas en ingles), es el tiempo en el cual una superficie metálica permanece lo suficientemente húmeda, para que se origine el fenómeno de corrosión. Las condiciones de TH se dan a valores de humedad relativa y temperaturas mayores a 80% (humedad crítica) y 0° C respectivamente, información que puede ser obtenida de las EMM (Estaciones de Monitoreo Meteorológico) del exterior. El tiempo de humectación es fundamental para determinar la velocidad de corrosión. Para evaluar las categorías del tiempo de humectación por niveles, se aplica el estándar ISO 9223 [11], el cual esta también relacionado con la contribución de contaminantes como cloruros, sulfatos y los índices de corrosividad para el acero al carbono, aluminio y cobre (Tabla 2).

Tabla 2. Nivel de categorías del tiempo de humectación en metales.

Materiales y métodos

La humedad y temperatura son los dos parámetros climáticos más importantes relacionados con la dispersión de contaminantes del aire. Para ello se cuenta con información de contaminantes, temperatura y HR del año 2009. En base a información estadística de HR y temperatura se realiza un análisis de los niveles de dispersión de contaminantes que influyen al estar muy concentrados en algunas áreas de Mexicali, con un mayor impacto en encambio climático de esta región. Es importante mencionar que las condiciones climáticas, principalmente la humedad y temperatura, originan la corrosión. Siendo que el clima semi-árido en Mexicali, Baja California, es muy caluroso y con noches muy frías en el invierno. Los valores máximos y mínimos registrados en periodos mensuales de humedad relativa y temperatura de ambientes interiores muestran rangos muy variados siendo menores de 10% y mayores a 90% para la HR, y temperaturas de 0º C en la estación invernal hasta casi los 50º C en los meses de junio a agosto. Los valores mensuales del TH corresponden a niveles bajos y medios de corrosividad, con los estándares ISO 9223 e ISO 11844-1 [12, 13].

Resultados del trabajo

El agua existe en la atmósfera como fase liquida, vapor y sólida. Al existir como vapor, se origina un aire húmedo. Los niveles de humedad dependen de la presión de vapor que existe en un ambiente determinado.

3.1 Evaluación de la calidad del aire en Mexicali.

Los niveles de humedad relativa y temperatura fomentan el proceso e influyen en la dispersión de contaminantes del aire de fuentes antropogenicas y naturales. En la época de verano la polución atmosférica, en base a temperaturas en el rango de 30°C a 42°C y niveles de humedad relativa en el rango de 35% a 65%, se observa con mayor intensidad, representando baja dispersión de contaminantes del aire (o alta concentración en alguna zona de polutantes), que muestra niveles de polución alta y las áreas de color azul cielo en el grafico muestran niveles de concentración en menor escala, teniendo un efecto menor que en mayor concentración. Esto puede originar un cambio drástico en el clima y con ello la posibilidad de movimientos sísmicos. Por otro lado, en el invierno, a temperaturas de 2°C a 12º C y niveles de humedad de 35% y 70%, se presentó una mayor incidencia de condensación de agua sobre la superficie metálica. En la época de invierno, se tiene una mayor contaminación del aire en rangos de temperatura de 2°C a 13°C y humedad relativa de 34% a 70%, y en algunos valores dispersos de T de 15°C a 20°C y HR de 45%, 75%. A temperaturas de 23°C a 30°C, con niveles de humedad relativa de 30% y 75%, se presenta una alta dispersión de contaminantes del aire y un menor impacto de la polución en el cambio climático. El análisis realizado en esta investigación en la época de verano para la dispersión de contaminantes del aire, indica que se concentran en mayor escala, a temperaturas menores a los 20 º C. de los 20º C a los 35º C se empieza a incrementar y al ser mayor a los 35? C y menor a 39º C, la dispersión es mayor y con ello se tienen zonas de menor concentración de polutantes del aire, estabilizándose a partir de 40 los º C.

3.2 Análisis del Tiempo de Humectación (TH). El tiempo de humectación obtenido con la humedad relativa (HR) y temperatura de la ciudad de Mexicali, muestra índices altos en algunos periodos de invierno y verano, siendo un factor importante para saber el tipo de corrosión que se presenta en los metales y los niveles en que se incrementa la velocidad de corrosión. En este proceso se forman celdas electroquímicas galvánicas de corrosión, como por ejemplo en la unión del platino y zinc (0.2 voltios), los cuales son capaces de originar una falla eléctrica.

Figura 4. Tiempo de Humectación por horas en la ciudad de Mexicali.

El nivel mínimo del tiempo de humectación durante el periodo invernal se presentó en diciembre con un valor de 58 ciclos y el máximo en febrero con 163 ciclos, en un rango de temperaturas en ambientes exteriores de 4°C a 24°C, originando que en ambientes interiores, se formará una película húmeda en la superficie metálica, que origina un proceso de corrosión uniforme. En julio y agosto la humedad relativa es mayor al 80%, y con temperaturas mayores a los 35? C, se forman gotas en algunas áreas de la superficie metálica, generando corrosión en zonas selectivas del metal, principalmente por picaduras. El tiempo de humectación en el verano fue de 47 ciclos como valor mínimo en junio y un máximo de135 ciclos en el mes de agosto (Figura 4). Este factor es muy indispensable para conocer la cinética de la corrosión que se presenta en materiales metálicos usados en la industria electrónica, siendo ésta mayor en verano que en invierno. Aun cuando el TH se presento en un nivel mayor en febrero que en agosto, la velocidad de corrosión fue mayor en el mes de verano que en el de invierno por el efecto de la temperatura la cual fue mayor a 35° C. Para la obtención de ciclos del tiempo de humectación de los parámetros climáticos en esta ciudad, se consideraron valores de HR > 70% para cualquier época y se tomo en cuenta los niveles de temperatura en verano de exterior que influye en el ambiente de interiores, con la combinación con contaminantes del aire como sulfuros y cloruros, para observar el proceso de corrosión en los metales evaluados. El fenómeno es más detectable en los meses de febrero (15%), agosto (12%), julio (11%), octubre (11%), septiembre (11%), noviembre (9%) y enero (8%). En el periodo anual restante, el tiempo de humectación presenta índices menores, pero no se descarta que pueda generarse en un menor grado corrosión en los metales (Figura 5).

Figura 5. Distribución porcentual del comportamiento del TH (2009).

El clima en invierno presenta variaciones en periodos horarios, ocasionando que por la mañana y noche se presenten temperaturas cercanas a los 0°C, que es en el periodo en el cual una superficie metálica permanece húmeda y al medio día puede llegar a los 25°C, originando que la película formada en el metal disminuya su grosor y la velocidad de corrosión sea menor. En la época de verano, los rangos de temperatura van desde los 25°C por la mañana y noche, alrededor de los 45° C al mediodía y atardecer, originando que el metal este húmedo en ciertas zonas y no en su totalidad.

Conclusiones

Las variaciones de humedad relativa en el rango de 40% a 90% y temperaturas que oscilan entre 0°C y mayor de 35°C, aunados a concentraciones de contaminantes del aire como sulfuros, que sobrepasan las normas estándares de calidad del aire, generan corrosión. Las partículas y gases contaminantes que se depositan en superficies metálicas de micro componentes electrónicos, provienen de procesos industriales de las diversas empresas de la localidad, zonas con altos niveles de contaminación del aire por el gran tráfico vehicular citadino, almacenes, oficinas y áreas donde se originan ambientes húmedos. Por ejemplo la sulfidación de la plata por H2S, se origina en zonas secas y ambientes húmedos. Cuando los niveles de humedad son mayores al 70% lo que se conoce como tiempo de humectación.

En Mexicali los periodos con condiciones de TH con valores máximos fueron en el mes de febrero y agosto, a de las 3 a.m. a las 10 a.m. en el mes de febrero con 163 horas/mes y de las 2 a.m. a las 6 a.m. en agosto con 135 horas/mes, donde la humedad es mayor al 70% en la mayor parte de los días de cada mes. Con niveles altos del tiempo de humectación, como los que se presentan en esta ciudad, se forma una película delgada en superficies metálicas, originando el proceso electroquímico, y conforme el valor se acerca al 100%, la película es más gruesa, por lo que la duración del tiempo en que ocurre este proceso se define como el tiempo de humectación.

Para el análisis de la correlación de los factores climáticos y atmosféricos utilizados en la investigación con gráficos tridimensionales, se utilizó el MatLab donde se observa en ciertos rangos de humedad relativa y temperatura, y a ciertos niveles de las concentraciones de los contaminantes del aire monitoreados en esta ciudad, la velocidad de corrosión es baja y en valores críticos de los tres parámetros mencionados, ésta aumenta considerablemente. La aplicación del MatLab es una nueva metodología que puede ser utilizada para el análisis de corrosión atmosférica en zonas desérticas y semi-desérticas, como quedó demostrado en esta investigación.

Bibliografía

1. López Badilla Gustavo, "Caracterización de la corrosión en materiales metálicos de la industria electrónica en Mexicali"", Mexicali, B.C., Mexico, 2008, 115 paginas (Tesis Doctoral).

2. B.G. Lopez, S.B. Valdez, K.R. Zlatev, P.J. Flores, B.M. Carrillo and W.M. Schorr; "Corrosion of metals at indoor conditions in the electronics manufacturing industry", Anti-Corrosion Methods and Materials, 54/6, 2007, 354–359, ISSN 0003-5599.

3. NAAQS- National Ambient Air quality Standards; U.S. Environmental Protection Agency (EPA); consultado en: http://www.epa.gov/air/criteria.html; [consultado en agosto de 2010].

4. Annual Book of ASTM Standards (G4, G15, G31), Section Three; Metals Tests Methods and Analytical Procedures, Vol. 03.01; 2001.

5. Ashrae, Handbook, Heating, Ventilating, and Air-Conditioning, Applications; American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc.; 1999.

6. Asociación de Maquiladoras de Mexicali-AMAQ, Departamento de Estadística, Reporte Anual de la Industria en Mexicali, Gobierno Municipal; 2008.

7. Nishikata A. and Ichihara Y, The effect of Time of Wetness (TOW) in metallic components; Corrosion Science; No. 37, 1995, paginas 134-138.

8. Velasco, L., La contaminación atmosférica de las grandes urbes, Ciencia y Desarrollo, marzo-abril, 1996.

9. Camuffo, D. and Bernardi, A., Controlling the Microclimate and the Particulate Matter inside the Historic Anatomic Theatre, Padova. Museum Management and Curatorship, 1997, paginas 285-298.

10. Morcillo, M., Evaluación de la polución ambiental en interiores de empresas, Madrid, España; Revista Iberoamericana de Corrosión; No. 17, Vol 42, 1996, paginas 112-115 .

11. ISO 9223:1992, Corrosion of metals and alloys, Corrosivity of Atmospheres, Classification.

12. ISO 11844 PART 1. Corrosion of metals and alloys- Classification of low corrosivity of indoor atmospheres- Determination and estimation of indoor corrosivity.

13. ISO 11844 PART 2. Corrosion of metals and alloys- Classification of low corrosivity of indoor atmospheres- Determination and estimation attack in indoor atmospheres.

RESEÑA. GUSTAVO LOPEZ BADILLA, nacido en la ciudad de Santa Ana, Sonora, en el noroeste de Mexico, con estudios de licenciatura en Ingeniería en Electrónica con la tesis de ""Análisis de producción en la industria electrónica de la ciudad de Mexicali"", maestría en Ingeniería de Sistemas con la Especialidad en Medio Ambiente con la tesis de maestría ""El PM10 y su efecto en las Enfermedades Respiratorias en Mexicali, B.C."", Doctorado en Química Industrial: Corrosión y Materiales con la tesis ""Corrosión en componentes y sistemas electrónicos de empresas en Mexicali"", en el Instituto de Ingeniería – UABC y una estancia de Postdoctorado en el Departamento de Fisicoquímica en el Centro de Nanociencias y Nanotecnología–UNAM con el tema ""Análisis fisicoquímico materiales afectados por corrosión en empresas de zonas áridas y marinas"", y siendo miembro como Candidato del Sistema Nacional de investigadores (SNi) en México. Con experiencia de 6 anos en la industria y 11 anos en la Investigación y Docencia en las áreas básicas de Matemáticas, Física y Química, y vinculación con empresas principalmente del ramo electrónico de la región noroeste de México. Asistencia a más de 20 congresos nacionales e internacionales y más de 35 publicaciones de divulgación, técnicas y científicas. Participante en la elaboración de dos libros con capítulos.

Autor:

Gustavo López Badilla

1 Investigador Académico, Academia de Ingeniería y Medio Ambiente, UNIVER, Plantel Oriente, Mexicali, B.C.