CAPÍTULO 10

1. CAPÍTULO 10 EVALUACIÓN DE IMPACTO AMBIENTAL DE UNA HOJA DE FLUJO DE PROCESO - TIER 3

2. 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.

3. 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

4. Introducción

5. ¿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

6. 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

7. 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.

8. 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

9. 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

10. 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)

11. 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 Etapas de Pre-Manufactura química * Extracción del ambiente * Transporte de materiales * Refinación de materias primas * Almacenamiento y transporte *Carga y descarga 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 Límites para evaluación de impacto De Allen (2004) Design for the Environment - http://www.utexas.edu/research/ceer/che341

12. Estimación de los Destinos Ambientales y Emisión de Desechos

13. Objetivo Determinar 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

14. 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

15. 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) Modelos de Un Compartimiento • 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

16. 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. Modelos de Compartimiento Multimedia (MCMs)

17. Ejemplo de Modelos Multimedia: Modelo de Fugacidad Multimedia Nivel III 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 Allen, A.T., D.R. Shonnard (2002) Green engineering, Prentice Hall MacKay, D.(2001) Multimedia environmental models: the fugacity approach, CRC Press

18. Fugacidad y Capacidad de Fugacidad • Fase aérea • Fase acuosa • Suelo • Factores de Capacidad de Fugacidad

19. 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))

20. 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)

21. 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

22. Capacidad de Fugacidad para Compartimientos y Fases en el ambiente Note: Para aerosoles sólidos PSL=PSS/exp{6.79(1-TM/T)} donde TM es el punto de fusión (K). Adaptado de Mackay et. Al. (1992).

23. Transporte entre interfases Procesos Difusivos y No difusivos • 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

24. Transporte entre interfases... continuación Derivaciones de Parámetros: Transporte Aire-Agua • 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:

25. Transporte entre interfases... continuación Derivaciones de Parámetros: Transporte Aire-Suelo • 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:

26. Transporte entre interfases... continuación Derivaciones de Parámetros: Transporte Agua-Sedimento • 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)

27. Transporte entre interfases... continuación Derivaciones de Parámetros: Transporte Suelo-Agua • 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)

28. Transporte entre interfases... continuación Derivación de Parámetros: Transporte Advectivo • 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

29. Procesos de Pérdida de Reacción Los procesos de pérdida de reacción que ocurren en el ambiente incluyen: • Biodegradación • Fotólisis • Hidrólisis • Oxidación

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

31. Medidas para la evaluación de riesgo ambiental del diseño de procesos

32. Tier 3 Medidas para la Evaluación de Riesgo Ambiental del Diseño de Procesos • Este tierdiscutirá 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.

33. 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

34. Índices Ambientales

35. Impactos Abióticos: Calentamiento Global Deterioro del ozono estratosférico Acidificación Eutroficación Formación de Smog Impactos Abióticos y Bióticos • Implicaciones Globales • Calentamiento global • Deterioro del ozono estratosférico • Implicaciones Regionales • Formación de Smog • Deposición de ácido • Implicaciones Locales • Toxicidad • Carcinogenicidad B es para el compuesto de referencia e i es el compuesto químico de interés.

36. 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...

37. Deterioro del Ozono 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.

38. Lluvia ácida 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.

39. Formación de Smog 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

40. Toxicidad Toxicidad no carcinogénica 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)

41. Toxicidad Carcinogenicidad 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. Potencial carcinogénico de un químico determinado por la razón del riesgo del químico al de compuesto de referencia. Ingestión Inhalación Índice de carcinogenicidad toxicidad para el proceso completo (ingestión) Índice de carcinogenicidad toxicidad para el proceso completo (inhalación)

42. Diseño conceptual de una evaluación de impacto ambiental de una hoja de flujo de proceso químico

43. 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