13.1 Contaminació atmosfèrica

Els objectius de la unitat són :

• Conèixer els principals contaminants atmosfèrics, les seves fonts i els seus efectes sobre la població i el medi ambient.
• Adquirir una visió molt bàsica de la dispersió de contaminants i la seva modelització.
• Conèixer els fonaments de les polítiques de gestió de la qualitat de l’aire ambient.
• Tenir un panorama de les principals tecnologies de control d’emissions industrials de contaminants atmosfèrics.

2. Introducció

3. Contaminació atmosfèrica: conceptes bàsics

Com es genera i desenvolupa la contaminació atmosfèrica? Una sèrie d’activitats (fonts d’emissió) transfereixen els contaminants primaris a l’atmosfera (emissió). Aquests contaminants es dispersen poc o molt en la troposfera (capa més baixa de l’atmosfera) en funció de les condicions atmosfèriques locals o regionals (dispersió). Alguns contaminants poden arribar a l’estratosfera.

Durant el procés de dispersió, els contaminants també poden tenir reaccions amb l’aire ambient o amb altres contaminants, sovint amb l’ajut de la llum solar, per produir contaminants secundaris, que també poden ser transportats a distàncies considerables. Com a resultat d’aquests processos d’emissió, de dispersió i de reacció, l’aire ambient presenta una certa concentració, anomenada immissió. 

Degut a processos de reacció química, sedimentació, o rentatge per la pluja, les molècules dels contaminants de l’aire acaben eliminant-se de l’atmosfera. Així, doncs, una molècula d’un contaminant té un cert temps de residència a l’atmosfera, que pot variar desde unes hores o dies fins a anys o segles en funció de les velocitats dels processos de cada contaminant. Si les velocitats d’emissió són superiors a les de dispersió i eliminació, els contaminants s’acumulen a l’entorn, a concentracions que poden ser nocives per a la salut i el medi ambient.

TERMES BASICS DE CONTAMINACIÓ ATMOSFÈRICA

Contaminant atmosfèric 

Substància o partícula que és abocada a l’atmosfera i que a concentracions prou elevades és nociva per als humans, els animals, la vegetació o els materials (per exemple els materials de construcció). En funció d’on es generen, els contaminants poden ser primaris o secundaris:

Emissió (a l’atmosfera)

Procés d’abocament de contaminants a l’atmosfera. 

Font d’emissió

Lloc o àrea on un contaminant s’emet a l’atmosfera. Exemples: una xemeneia, una fàbrica, una carretera, un cotxe; una superfície de conreu que emet compostos nitrogenats o metà a l’atmosfera.  

Tipus de fonts d’emissió

Per la seva forma geomètrica:

• Font puntual: font de gran emissió que es pot ubicar sobre un mapa com un punt. Exemple: la xemeneia d’una fàbrica o d’una central tèrmica.
• Font lineal: típicament, carrers, carreteres i autopistes
• Font de superfície: àrea que conté moltes fonts puntuals petites difícilment quantificables o conté fonts difuses. Exemple: els milers de cuines de gas d’una ciutat es poden considerar en el seu conjunt com una font de superfície.   

Per la seva mobilitat:

• Fonts fixes (o estacionàries): no es mouen (fàbriques, calderes, cuines)
• Fonts mòbils: vehicles terrestres, avions, vaixells.

Dispersió de contaminants

Procés pel qual els contaminants emesos s’escampen en l’aire des de la font d’emissió. Aquest procés està molt afectat per com són les fonts d’emissió, per les condicions meteorològiques i per l’orografia de la zona.

[Tornar a la part superior]

4. Contaminants, fonts, emissions

CONTAMINANTS QUE AFECTEN LA QUALITAT DE L’AIRE AMBIENT

Són els contaminants que afecten directament la salut de les persones, sobretot mitjançant l’exposició per via respiratòria (“l’aire que respirem”). També poden afectar directament els ecosistemes. Per aquest motiu estan regulats a la Unió Europea (2024b) i altres països. A la UE són els següents:

Partícules

Fa referència a petites partícules sòlides o líquides afegides a l’atmosfera per processos a la superfície terrestre (European Environment Agency, 2024a). Es coneix per les seves sigles angleses, PM (particulate matter), i inclou les partícules de la pols, el fum, el sutge, el pol·len i el sòl. En funció de la seva mida hi ha diferents tipus de partícules. En destaquem dos:

• PM₁₀ (escrit també PM10), partícules respirables: partícules de mida inferior a 10 micròmetres. La seva mida, força petita, fa que arribin ben endins dels pulmons i s’hi dipositin, provocant efectes negatius en la salut. Fonts principals de PM₁₀ a la UE (European Environment Agency, 2021): llars/comerços/institucions, indústria i agricultura. 
• PM_2,5 (o PM2,5), partícules fines: partícules de mida inferior a 2,5 micròmetres, arriben fins als alvèols dels pulmons i són molt perjudicials per a la salut. Fonts principals de PM_2,5 a la UE (European Environment Agency, 2021): llars/comerços/institucions, indústria i trànsit.

Monòxid de carboni (CO)

Producte de la combustió incompleta de la matèria orgànica, es forma en totes les combustions. Fonts principals del CO a la UE (European Environment Agency, 2021): llars/comerços/institucions, trànsit i indústria. Efectes (EPA, 2021): gas tòxic per inhalació, mortal a altes concentracions, típicament en llocs tancats. En exteriors, és perjudicial per a la gent que fa exercici, especialment si tenen malalties cardíaques. 

Òxids de nitrogen (NO_x)

Fa referència al monòxid i al diòxid de nitrogen (NO i NO₂) produïts principalment en les combustions, on es forma més NO que NO₂. Tot i així, l’NO s’oxida a NO₂ en l’aire ambient. Dels dos, l’NO₂ és el que està regulat a la UE en l’aire ambient. 

Fonts principals dels NO_x a la UE (European Environment Agency, 2021): trànsit, agricultura, industria i energia

Efectes de l’NO₂:

• Efecte directe en la salut humana: irritació de les vies respiratòries, agreujament de malalties respiratòries com l’asma.
• Com a precursor d’ozó troposfèric: en presència de llum solar l’NO₂ oxida l’oxigen (O₂) a ozó (O₃) en l’aire ambient i, contribueix així a la formació d’ozó troposfèric i boirum fotoquímic. 

Òxids de sofre (SO_x)

Fa referència al diòxid i al triòxid de sofre (SO₂ i SO₃), que es formen sobretot en la crema de combustibles que contenen sofre: el carbó, el fuel i, en menor mesura, el gasoil, poden tenir tenen concentracions elevades de sofre. Les centrals tèrmiques de carbó o de fuel pesant han estat tradicionalment fonts molt importants d’òxids de sofre. Dels dos òxids, l’SO₂ és el contaminant regulat a la UE en l’aire ambient. Fonts principals de SOx a la UE (European Environment Agency, 2021): energia, indústria, llars/comerços/institucions. 

Principals efectes dels SO_x:

• En la salut humana: irritació de les vies respiratòries, agreujament de malalties respiratòries.
• En els ecosistemes: deposició àcida, que mata els arbres,  i la vida aquàtica dels llacs.

Ozó (O₃)

Contaminant secundari format a partir de d’oxigen i NO₂ en presència de llum. Els compostos orgànics volàtils (COV) també contribueixen a la formació d’ozó i altres oxidants fotoquímics com els peròxids orgànics, o el nitrat de peroxiacetil. Tots aquests compostos junt amb altres contribueixen a la formació del boirum fotoquímic (photochemical smog), un fenomen comú en les regions metropolitanes. 

Efectes negatius de l’ozó:

• Tos, inflamació vies respiratòries, agreujament de malalties respiratòries com asma, bronquitis, emfisema (EPA, 2024a).
• Ataca la vegetació i els ecosistemes, especialment durant l’estació de creixement (EPA, 2024b).

Aquests són els 5 contaminants més comuns regulats a la normativa europea de qualitat de l’aire, i formen part també dels criteria pollutants dels EUA. Altres contaminants regulats per a la qualitat de l’aire a la UE són el benzè, el benzo[a]pirè, i els elements tòxics: Pb, As, Cd, Ni.

Importants per a la qualitat de l’aire ho són també els compostos orgànics volàtils (COV): són compostos orgànics lleugers que, per tant, són volàtils o es volatilitzen fàcilment. Poden ser tòxics per inhalació i poden contribuir a la formació d’ozó troposfèric. Per les seves propietats diferents, el metà no s’inclou entre els COV, que a la UE s’anomenen COV no metànics (COVNM). Exemples de COV: els vapors de benzina que s’emeten a les benzineres o pels tubs d’escapament dels cotxes; dissolvents de pintures i altres dissolvents industrials.  

SUBSTÀNCIES QUE DESTRUEIXEN LA CAPA D’OZÓ 

Certs hidrocarburs halogenats, utilitzats alguns en el passat com a gasos refrigerants (i en altres aplicacions), tenen una vida mitjana molt llarga, cosa que els permet migrar fins a l’estratosfera, on alliberen radicals clor que destrueixen l’ozó, que, a l’estratosfera és un gas beneficiós perquè filtra la perillosa radiació ultraviolada (UV) d’alta energia. 

Les substàncies que destrueixen l’ozó (SDO) són:

• Clorofluorocarbonis (CFC)
• Hidroclorofluorocarbonis (HCFC)
• Hidrobromofluorocarbonis (HBFC)
• Halons
• Bromur de metil
• Tetraclorur de carboni 
• Metilcloroform

Avui dia aquests compostos estan prohibits pel Protocol de Mont-real (1987) i la seva producció és molt residual, però segueixen presents a l’atmosfera. 

GASOS D’EFECTE D’HIVERNACLE (GEH)

 A la unitat 4.5 (Impactes a escala global: canvi climàtic) s’ha parlat abastament dels gasos d’efecte d’hivernacle i de l’escalfament global que provoquen. Aquí només enumerem els principals gasos d’efecte d’hivernacle per la seva contribució a l’escalfament global, que són:

• Diòxid de carboni (CO₂)
• Metà (CH₄)
• Òxid nitrós (N₂O)
• Compostos halogenats: bàsicament els antics gasos refrigerants (CFC i HCFC) i els seus substituts, els hidrofluorocarbonis (HFC).

CONTAMINANTS ATMOSFÈRICS TÒXICS

Són una llarga llista de compostos de toxicitat elevada, d’ús normalment industrial i que estan sotmesos a límits d’emissió i/o l’obligació d’inventariar anualment les seves emissions. Un exemple d’aquestes llistes són els 188 hazardous air pollutants (HAP) dels EUA (EPA, 2024c) o la majoria dels 91 compostos del Registre Europeu d’Emissions i Transferència de Contaminants (E-PRTR) (MacDonald, 2008).  

INVENTARIS D’EMISSIONS

Diferents normes nacionals i internacionals obliguen els països i les industries a realitzar inventaris d’emissions, és a dir, un recompte detallat de les seves emissions de contaminants per a un periode de temps donat. Els inventaris poden ser anuals  o referits a un altre període de temps o a les emissions d’un producte.

En els inventaris de grans fonts, les emissions es poden mesurar mitjançant l’anàlisi dels gasos emesos i la mesura del seu cabal. En moltes situacions, però, les emissions s’estimen utilitzant factors d’emissió (FE). Un factor d’emissió indica la quantitat emesa d’un contaminant (en g o kg) per unitat d’activitat d’un procés. La unitat d’activitat pot ser, per exemple, 1 kg de combustible cremat o 1 MJ (megajoule) d’energia consumida.

[Tornar a la part superior] 

5. Dispersió i reacció, modelització, qualitat de l’aire

Els contaminants emesos a l’atmosfera es dispersen en la troposfera en funció de diferents variables:

• Ubicació i geometria de les fonts d’emissió
• Cabal i règim d’emissió
• Velocitat/règim del vent
• Estabilitat/inestabilitat atmosfèrica dominant
• Topografia del terreny, presència d’edificis
• Presència o no de pluja

El resultat d’aquesta dispersió és que els contaminants es dilueixen dins l’aire ambient, resultant en unes concentracions d’immissió que són molt més baixes que les d’emissió. Durant molts anys, la gestió de la contaminació atmosfèrica es va basar en gran part en confiar que aquesta dilució dels contaminants permetria rebaixar la immissió a uns nivells que no serien nocius per a la salut de la població.  Es va demostrar que això no era així, però, en tot cas, és d’una importància vital en polítiques ambientals poder respondre a la pregunta “Quina immissió provocaran aquestes emissions?”. Els models de dispersió o dispersió/reacció de contaminats miren de respondre a aquesta qüestió.

MODELS DE DISPERSIÓ DE CONTAMINANTS

 La comunitat científica ha desenvolupat eines matemàtiques i informàtiques que permeten simular la dispersió i la reacció dels contaminants –i la immissió resultant– en un territori donat.  Són els models de dispersió (i reacció, si és el cas) dels contaminants a l’atmosfera. Aquests models tenen aplicacions com les següents:

• Simular la immissió de contaminants que provocarà una gran font d’emissió que està en procés de projecte/avaluació d’impacte/autorització ambiental
• Analitzar la contribució de fonts d’emissió ja existents a la contaminació 
• Simular l’efecte de noves polítiques de reducció d’emissions. Per exemple: Com millorarà la qualitat de l’aire amb una zona de baixes emissions? I si substituïm les calderes de gas per aerotèrmies?  
• Predir l’evolució de la qualitat de l’aire urbà durant un episodi de contaminació atmosfèrica. 

Els models de dispersió es basen en resoldre l’equació diferencial de conservació de la massa per a cada contaminant. En els model més simples (gaussians, lagrangians) l’equació té solució analítica. Tot i que aquests models no simulen les condicions meteorològiques, actualment el programari disponible ha incorporat paquets meteorològics que calculen les condicions meteorològiques i les alimenten als models de dispersió (Leelőssy et al., 2014).

Una aplicació més sofisticada són els models eulerians. Aquests resolen numèricament les equacions diferencials de conservació de la massa dels contaminants sobre una malla geogràfica amb coordenades fixes. Poden incorporar processos de reacció, o de sedimentació de partícules, o de pluja, que eliminen contaminants, i un paquet de càlcul meteorològic (Leelőssy et al., 2014). La potència de càlcul requerida en aquests models és superior. 

Un nivell superior de sofisticació i de requeriments de càlcul són els models de dinàmica de fluids computacional (CFD, per les sigles en anglès), en els quals es resolen numèricament les equacions diferencials de conservació (energia, massa, quantitat de moviment),  i poden utilitzar geometries molt més detallades per a entorns urbans (Leelőssy et al., 2014).

TEMPS DE VIDA I ABAST GEOGRÀFIC DELS CONTAMINANTS

Com s’ha dit, els contaminants s’eliminen de l’atmosfera a diferent velocitat. La Figura 13.1.1 (Ferreira, 2008) mostra el temps de residència mitjà dels contaminants a l’atmosfera. Alguns duren tot just hores o dies a l’atmosfera i tenen un efecte directe sobretot local. D’altres duren dies o setmanes i tenen un abast local i regional. D’altres duren setmanes o mesos afecten a nivell regional. El CO té una vida mitjana entre mesos i anys i es distribueix a nivell hemisfèric. Els contaminants amb una vida més llarga –entre anys i segles, i, per tant, d’abast i efectes globals– són alguns gasos hivernacle (CO₂, CH₄ i N₂O) i els halocarbonis.

Figura 13.1.1.  Temps de residència mitjà d’alguns contaminants a l’atmosfera, amb indicació de l’abast geogràfic màxim de cadascun. Font: Ferreira (2008) https://www.redalyc.org/pdf/408/40821110.pdf

QUALITAT DE L’AIRE

Com a resultat dels processos d’emissió, dispersió i reacció, s’obté una determinada qualitat de l’aire (immissió). A la Unió Europea diferents directives estableixen les normes de qualitat de l’aire, que estableixen les concentracions màximes que poden assolir, o haurien d’assolir, els principals contaminants atmosfèrics (valors límit o valors objectiu, segons els casos). La Taula 13.1.1 mostra uns exemples de concentracions límit/objectiu extretes de les directives europees de qualitat de l’aire.

 Taula 13.1.1. Tria d’exemples de concentracions límit/objectiu extretes de les directives de qualitat de l’aire europees. (European Environment Agency, 2024b)

Índexs integrats de qualitat de l’aire

La comunicació de la qualitat de l’aire a la població ha de ser simple i clara. Diversos països han creat índexs integrats de qualitat de l’aire que, a partir de les concentracions de diversos contaminants, elaboren un índex numèric, acompanyat d’un codi de qualificatius i de colors que faciliten aquesta comunicació. L’Índex Europeu de Qualitat de l’Aire o el de l’EPA dels EUA (AQI) fan aquesta funció. L’Índex Català de Qualitat de l’Aire (ICQA) (Fig. 13.1.2) adopta els patrons de l’índex europeu.

Figura 13.1.2 Mapa interactiu que mostra la qualitat de l’aire (Bona/Raonablement bona/...etc., segons els criteris de l’índex europeu) a les estacions de mesura de la contaminació atmosfèrica de Catalunya basant-se en el valor numèric de l’ICQA a cada estació, valor que no es mostra en el mapa. Captura pàgina web 12 de juny 2024, 17:00.  

https://mediambient.gencat.cat/ca/05_ambits_dactuacio/atmosfera/qualitat_de_laire/vols-saber-que-respires/ 

[Tornar a la part superior] 

6. Efectes de la contaminació atmosfèrica

En aquest apartat s’exposen de manera resumida tres problemàtiques característiques de la contaminació atmosfèrica:

El canvi climàtic (global) degut als gasos d’efecte hivernacle n’és un altra però s’ha tractat a les unitats 4.5 i 10.2.

LA DEGRADACIÓ DE LA QUALITAT DE L’AIRE URBÀ

La zones urbanes allotgen multitud de fonts domèstiques, industrials i del transport, principalment fonts de combustió. Alhora són les receptores en primera instància d’aquesta contaminació. L’exposició de la població a la contaminació atmosfèrica, doncs, és generalment més elevada en zones urbanes.  L’exposició a contaminants primaris com el CO, els NO_x, l‘SO₂ o les partícules primàries ja és problemàtica per ella mateixa, però la transformació d’alguns contaminants a la troposfera dona lloc al boirum fotoquímic, compost en gran part de contaminants secundaris.

Boirum fotoquímic

La Figura 13.1.3 presenta un resum molt simplificat de les reaccions que porten a la formació del boirum fotoquímic. En presència de llum ultraviolada (UV), l’NO₂ reacciona amb l’O₂ per a donar ozó (O₃). Aquest pot reaccionar amb compostos orgànics volàtils (COV) per donar radicals orgànics lliures, molt reactius, peròxids orgànics i altres substàncies).

Figura 13.1.3. Reaccions bàsiques, simplificades, del boirum fotoquímic. Elaboració pròpia a partir de diverses fonts. 

La radiació solar intensa, les presència de precursors (NO_x i COV) i l’estabilitat atmosfèrica com la que es dona en una inversió tèrmica afavoreixen la formació i la persistència del boirum fotoquímic. La Figura 13.1.4 mostra una situació de boirum fotoquímic a la Ciutat de Mèxic.

Figura 13.1.4. Boirum fotoquímic sobre la Ciutat de Mèxic. S’hi aprecia una capa d’inversió tèrmica ocupada pel boirum, d’un color terrós causat bàsicament per l’NO₂. Autor:  Usfirstgov a English Wikipedia. Llicència: CC BY 3.0 <https://creativecommons.org/licenses/by/3.0>, via Wikimedia Commons.

 https://commons.wikimedia.org/wiki/File:MexCityPolution.JPG

Impactes de la degradació de la qualitat de l’aire sobre la salut humana

 Ja s’han indicat per a cada contaminant els efectes més significatius sobre la salut humana.  Segons l’OMS (2024a), l’exposició es produeix sobretot per via respiratòria, tots els òrgans en poden resultar afectats i és significatiu que l’exposició a la contaminació atmosfèrica augmenta la taxa de mortalitat general i de mortalitat per certes causes específiques, entre elles l’ictus o la cardiopatia isquèmica. A nivell mundial, la mortalitat deguda a la contaminació atmosfèrica s’estima en 7 milions de morts prematures a l’any (OMS , 2024b), de les quals, almenys 238.000 es produeixen a Europa (European Environtment Agency, 2024c). 

LA PLUJA ÀCIDA

 La deposició àcida (terme més general que “pluja àcida”) és la deposició sobre l’aigua, el sòl o altres superfícies, de substàncies que n’augmenten l’acidesa mitjançant la contaminació amb contaminants àcids com SO_x, sulfats, NO_x, nitrats, i compostos d’amoni. La deposició pot ser seca (contaminants adsorbits sobre partícules) o humida (com en la precipitació àcida) (EEA (2024d) .

Els contaminants àcids poden ser transportats a centenars de quilòmetres i dipositar-se sobre boscos i llacs amb efectes ambientals devastadors (Figura 13.1.5). Aquesta situació es va donar en àmplies zones d’Europa Central i de la costa est dels EUA. 

Figura 13.1.5. Efectes de la pluja àcida als boscos de la República Txeca. Autor: Lovecz. Llicència: Domini públic. Via Wikimedia Commons. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0c/Acid_rain_woods1.JPG 

Normes més estrictes d’emissió de SO_x i NO_x han contribuït a una reducció generalitzada de la deposició àcida a Europa i Nord-amèrica. Les estratègies de reducció han estat fonamentalment la utilització de combustibles baixos en sofre i la dessulfuració dels gasos de combustió a les grans plantes de combustió, acompanyats de topalls d’emissió (UE i EUA) i de mercats d’emissions (EUA). 

LA DESTRUCCIÓ DE LA CAPA D’OZÓ DE L’ESTRATOSFERA

A l’estratosfera, la radiació UV dissocia l’oxigen molecular per produir radicals oxigen, que al seu torn reaccionen amb l’oxigen molecular per produir ozó. 

O₂ + hv  -> 2 O· 

O₂ + O· -> O₃

Aquesta reacció, que és reversible, produeix una concentració relativament elevada d’ozó a l’estratosfera. Com que l’ozó té la propietat d’absorbir la radiació UV-C, molt nociva per als ésser vius, i la major part de la UV-B, també problemàtica, aquesta capa atmosfèrica rica en ozó (“capa d’ozó”) compleix una funció vital de protecció de la vida a la Terra. 

Substàncies que destrueixen la capa d’ozó

Als anys 1970 Molina i Rowland (Molina i Rowland, 1974) van comprovar que els CFC tenien la capacitat de generar radicals clor que desencadenaven reaccions catalítiques de descomposició de l’ozó i que això podia destruir l’ozó estratosfèric.  Els CFC s’utilitzaven com a gasos refrigerants, propel·lents d’esprais i en la producció d’escumes polimèriques, com l’escuma de poliuretà. Els CFC formen part de les substàncies que destrueixen l’ozó (SDO).

Més tard es va comprovar que la descomposició de l’ozó ja estava passant efectivament a l’estratosfera.

Reaccions típiques que destrueixen l’ozó

Les reaccions bàsiques, amb l’exemple del CFC-12 (diclorodifluorometà), són (Molina i Rowland, 1974):

Fotodissociació del CFC-12:               CF₂Cl₂ + hv    ->   ·CF₂Cl  +  Cl·

Descomposició de l’ozó:                    Cl·  + O₃  ->  ClO  +  O₂

Regeneració del radical clor:             ClO  + O·  ->  Cl· + O₂

El radical clor regenerat queda disponible per atacar una nova molècula d’ozó, un procés que es repetiria indefinidament si no fos que, lentament, per migració o per reacció, els radicals clor poden desaparèixer. 

El forat de la capa d’ozó

Les reaccions de descomposició de l’ozó provoquen una caiguda de la concentració de l’ozó estratosfèric, sobretot a l’Antàrtida, amb una intensitat i una extensió màximes al començament de la primavera austral (setembre-octubre). Aquest fenomen es coneix com el forat de la capa de ozó o simplement el forat de l’ozó (Figura 13.1.6).

Figura 13.1.6. Visualització del forat de la capa d’ozó sobre l’Antàrtida el 2011, quan tingué una extensió màxima de 26 milions de km². Crèdit: NASA Goddard Space Flight Center Photostream, a Flickr. Llicència: Attribution 2.0 Generic (CC BY 2.0). https://www.flickr.com/photos/gsfc/ 

La mitigació del problema de la capa d’ozó

La comunitat internacional va donar una resposta ràpida al problema, amb la signatura del Protocol de Mont-real (1987), que acordava la prohibició progressiva de la producció i el consum de SDO. En 10 anys el consum de SDO al món es va reduir en un 80% i en 10 anys més la reducció ja era del 95% [12] (Figura 13.1.7).

Figura 13.1.7. Evolució del consum mundial de substàncies que destrueixen la capa d’ozó. Reducció abrupta poc anys després de signatura del Protocol de Mont-real; valors testimonials avui dia. Autor: A. Escalas amb dades de l’Environm. European Agency [12]. https://www.eea.europa.eu/data-and-maps/daviz/consumption-of-controlled-ozone-depleting-substances-5#tab-chart_1 

Evolució de la capa d’ozó post-Protocol de Mont-real

La resposta de la capa d’ozó no va ser immediata perquè les emissions no es van reduir immediatament a quasi zero, i, a més, la vida mitjana de les SDO és elevada. Tot i així, a partir del 2005 l’àrea mitjana del forat d’ozó va tendir a estabilitzar-se i pocs anys després va començar a disminuir, amb grans oscil·lacions i lluny encara de  la recuperació total. La densitat mínima anual d’ozó va seguir una tendència semblant però lògicament inversa (Figura 13.1.8).

Figura 13.1.8. Evolució de dos indicadors del forat d’ozó: el mínim anual d’ozó (unitats Dobson) i la superfície mitjana del forat d’ozó en milions de km²: el forat deixa d’augmentar i comença a disminuir, amb grans oscil·lacions.  Autor: A. Escalas amb dades de NASA Ozone Watch [13]. https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/meteorology/annual_data.txt 

[Tornar a la part superior] 

7. Polítiques de qualitat de l’aire i gestió de la contaminació atmosfèrica

En aquesta secció farem un repàs general a les polítiques de qualitat de l’aire i de gestió de la contaminació atmosfèrica.

Figura 13.1.9. Esquema general de les polítiques de qualitat de l’aire als països avançats. Font: elaboració pròpia. 

La Figura 13.1.9 mostra un esquema general d’aquesta mena de polítiques. Avui dia es coneix el vincle quantitatiu entre la qualitat de l’aire i la mortalitat i la morbilitat. Els governs poden saber com han de millorar la qualitat de l’aire per aconseguir una reducció desitjada de la mortalitat, per exemple. Així es fixen les normes de qualitat de l’aire (NQA) (1) que legislen quines concentracions màximes del diferents contaminants es podran permetre. Per exemple, els valors indicats a la Taula C.1 per a la Unió Europea. 

El següent pas (2) és decidir quina reducció d’emissions serà necessària per rebaixar les concentracions en immissió fins als valors establerts a les NQA. La relació emissió-immissió és complexa, però la modelització atmosfèrica permet estimar-la amb un cert nivell de confiança. Es poden estimar, doncs, quines reduccions d’emissions caldran, i legislar en conseqüència. Aquestes mesures es concreten en normes (2) i programes d’actuació (3) que inclouen mesures com:

• Concentracions màximes en emissió (normes d’emissió)
• Substitució de tecnologies contaminants -> aplicació de les millors tècniques disponibles (MTD)
• Quotes d’emissió a les indústries
• Impostos a les emissions
• Comerç d’emissions
• Zones de baixes emissions
• Transport sostenible
• Urbanisme sostenible

Per tal de poder avaluar l’assoliment de la qualitat establerta a les NQA, cal realitzar un monitoratge de la qualitat de l’aire mitjançant estacions de mesura de la contaminació atmosfèrica (4). Això permet detectar també àrees (normalment urbanes) on les concentracions de contaminants superen les màximes fixades per les NQA. Aquest és un problema crònic en moltes zones urbanes del món. Són les non-attainment areas dels EUA o les exceedance areas de la UE. 

Per exemple, a la UE el 2019, el 25% i l’11% de la població vivia en àrees on es van superar els límits de les NQA respectivament per a l’ozó i la PM₁₀. Si ens fixem en les normes de l’OMS, més estrictes, el percentatge de població europea sotmesa a concentracions excessives de contaminants el 2019 variava entre el 81% i el 97%, segons el contaminant (European Environment Agency, 2024e). 

Quan es donen situacions d’incompliment de les NQA, es poden introduir accions correctives (5), com normes o programes específics per a aquestes àrees. Per exemple, a les zones dels EUA on s’excedeix la concentració permesa de CO, a l’hivern, és obligatòria la distribució i el consum de benzines que contenen compostos oxigenats (EPA, 2024c). 

Finalment (MacDonald, 2008), s’avaluen les NQA, el seu compliment, els resultats obtinguts i s’actualitzen les NQA i/o les normes d’emissions, programes, etc.

Episodis de contaminació atmosfèrica

 Quan es donen condicions persistents d’estabilitat atmosfèrica, els contaminants s’acumulen a l’aire urbà i donen lloc a un episodi de contaminació atmosfèrica:

Un episodi pot durar entre uns dies i 2-3 setmanes i afecta negativament la salut de la població, especialment la població sensible: infants, ancians, malalts. Segons la normativa europea (European parlament, 2008), quan la concentració d’un contaminant supera un cert valor (llindar d’informació), cal informar la població de la situació i donar-li recomanacions sanitàries. Quan se supera un segon valor (llindar d’alerta), cal avisar la població del risc a la salut per breu exposició a la contaminació i cal prendre mesures per reduir significativament les emissions (com restringir el trànsit o aturar algunes activitats industrials). 

[Tornar a la part superior]

8. Tecnologies de control de la contaminació

Tot i que les mesures preventives són les més recomanables per a la millora de la qualitat de l’aire, encara s’utilitzen processos potencialment molt contaminants que generen contaminants atmosfèrics. Aquests, doncs, s’han capturar o s’han destruir químicament per tal d’impedir la seva emissió a l’atmosfera. Les tecnologies utilitzades per a aquest fi es coneixen com a tecnologies de control de la contaminació.

Aquestes solucions de final de canonada (end-of-the pipe solutions) inclouen bàsicament els següents tipus de processos o dispositius (ens referim només als aplicats en processos industrials):

CAPTURA DE PARTÍCULES

• Ciclons
• Filtres de mànegues
• Electrofiltres
• Rentadors de partícules

ELIMINACIÓ DE CONTAMINANTS GASOSOS

• Absorció de gasos àcids (SO_x)
• Reducció química de NO_x
• Eliminació de COV
• Altres tecnologies

TECNOLOGIES DE CAPTURA DE PARTÍCULES

 Ciclons (separadors ciclònics) 

Els ciclons (Figura 13.1.10) són dispositius cilíndrics amb el fons cònic, on el gas brut amb partícules entra tangencialment per dalt i baixa pel cilindre en un moviment d’espiral, per després ascendir pel centre cap a la sortida superior. El component circular del moviment genera una força centrífuga sobre les partícules i les projecta contra la paret cilíndrica, per on baixen cap al fons cònic on se separen.

Els ciclons són eficaços en l’eliminació de partícules de més de 5 o 10  micròmetres de mida. Per tant, no serveixen per eliminar les partícules fines (PM_2,5) ni, en bona part, les PM₁₀. Per aquest motiu, sovint es fan servir només com a pretractament abans d’un filtre, més eficient. 

 Figura 13.1.10. Esquema d’un separador ciclònic. Autor: Cburnett: Llicència CC BY-SA 3.0 <http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/>, via Wikimedia Commons.

 https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cyclone_separator.svg

Electrofiltres (filtres electrostàtics)

 Si els ciclons fan servir la força centrífuga, els electrofiltres apliquen forces electrostàtiques molt més intenses. Ho aconsegueixen tot aplicant voltatges de corrent continu d’uns 20.000-100.000 V (EPA, 2003). Uns fils a potencial negatiu ionitzen negativament les partícules al seu voltant (efecte corona). Les partícules ionitzades són atretes cap als elèctrodes col·lectors (plaques planes o niu d’abella) a potencial positiu. (Figura 13.1.11). Una condició perquè un electrofiltre sigui efectiu és que les partícules no siguin conductores de l’electricitat, han de tenir una resistivitat elèctrica elevada.

Figura 13.1.11. (a) Principi de funcionament d’un electrofiltre. (b) Vista exterior dels electrofiltres d’una incineradora de residus de Dijon, França. Crèdits: (a) Evan Mason, CC BY-SA 3.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0>, https://commons.wikimedia.org/wiki/ File:Electrostatic_precipitator.svg. (b) Fotografia de Christophe.Finot, CC BY-SA 3.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0>, via Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dijon_-_Usine_incin%C3%A9ration_-_Electrofiltre_3.JPG 

Els electrofiltres tenen eficiències d’eliminació de partícules molt més elevades que els ciclons, del 99-99,9%, en la captura de PM₁₀ i PM_2,5 [18] i són molt més costosos que els ciclons.  

Filtres de mànegues (filtres de tela)

En aquests dispositius, el gas es filtra a través de les parets de tela d’unes mànegues o sacs. Un filtre pot tenir centenar de mànegues funcionant en paral·lel. Les partícules es dipositen a la superfície de la tela formant un pa de filtració fi que millora l’eficiència de filtració. El flux pot ser de dins cap a fora o al revés: hi ha diferents solucions. Cal netejar periòdicament els filtres i això, segons el tipus de filtre, es pot fer:

• Sacsejant-los mecànicament (shaker type)
• Invertint el flux del gas (reverse-air type) (Figura 13.1.12)
• Injectant a cada mànega polsos d’aire comprimit en sentit invers al flux (pulse-jet type)

Figura 13.1.12. Filtre de mànegues del tipus “reverse-air”: flux normal de dins cap a fora, neteja invertint el flux de gas. Autor: Goran tek-en. Llicència: Goran tek-en, CC BY-SA 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0>, via Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Reverse-Jet.svg

La Figura 13.1.13 mostra l’esquema d’un dels tipus existents de rentador humit: la torre de polvorització (spray tower).

Figura 13.1.13. Rentador de gasos humit del tipus torre de polvorització (spray tower) per a l’absorció d’SO2 amb pedra calcària. Crèdit: Flue gas desulfurization unit DE.svg: Sponktranslated by: Sponk (CC SA 1.0 <http://creativecommons.org/licenses/sa/1.0/> or CC SA 1.0 <http://creativecommons.org/licenses/sa/1.0/>) via Wikimedia Commons. 

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Flue_gas_desulfurization_unit_EN.svg

Reducció química dels NO_x

 La minimització de la producció de NO_x en les combustions s’aconsegueix amb diferents mesures preventives, com són la utilització de combustibles molt baixos en nitrogen, com el gas natural, o fent la combustió en condicions que limiten la producció d’aquests contaminants i donen lloc a les combustions baixes en nitrogen (low NO_x). 

Els NO_x que, tot i així, encara s’han format en les combustions industrials, poden ser destruïts mitjançant la seva reducció química amb amoníac o urea. Per exemple:

4 NO + 4 NH₃+ O₂ -> 4 N₂+ 6 H₂O

El producte resultant és gas nitrogen, inert. La reacció es  produeix a temperatures elevades, amb o sense l’ajut d’un catalitzador. 

Eliminació de compostos orgànics volàtils COV

 Els compostos orgànics volàtils s’incorporen fàcilment als corrents gasosos industrials. També es formen en petites quantitats en les combustions i surten amb els gasos de combustió. Hi ha tres estratègies diferents en la gestió dels COV:

• Recuperació dels COV
• Captura per adsorció
• Combustió tèrmica o catalítica

Recuperació dels COV

COV amb valor econòmic i presents en el gas a concentracions importants poden ser recuperats per absorció de gasos o per diferents tècniques de condensació. El producte recuperat es pot utilitzar com a combustible o reutilitzar en el procés d’origen.

Captura per adsorció

Sòlids adsorbents com el carbó activat granulat capturen les molècules de COV sobre la seva superfície (adsorció), netejant així el gas d’aquests compostos. El carbó activat després es regenera tèrmicament i els COV s’oxiden. També es pot fer servir carbó activat en pols, que llavors no es regenera.

Oxidació tèrmica o catalítica

L’oxidació, bàsicament una combustió, és una altra alternativa per a la gestió dels COV. L’oxidació produirà sobretot CO₂ i vapor d’aigua i petites quantitats de CO, NOx, etc, però eliminarà el problema dels COV. L’oxidació es pot produir a alta temperatura (oxidació tèrmica) o a temperatures mitjanes (oxidació catalítica).

[Tornar a la part superior] 

9. Reflexions Finals

• Malgrat dècades de legislació sobre contaminació atmosfèrica i de progressiva reducció de les emissions, capes significatives de la població europea encara viu en llocs on l’aire ambient no és de bona qualitat segons les normes europees. En altres regions del món, la situació és molt pitjor.
• Atès que la combustió és la principal font de contaminació atmosfèrica, el fet que el transport, l’escalfament urbà i industrial i, en part, la generació d’electricitat depenguin de les combustions fa difícil aconseguir la millora, desitjada i necessària, de la qualitat de l’aire.
• La reducció d’emissions necessària per al compliment de l’Acord de París sobre el clima és una oportunitat a nivell mundial per anar més enllà i millorar també significativament la qualitat de l’aire ambient a nivell global. Esperem que la descarbonització de l’energia sigui el catalitzador d’una millora decisiva de la qualitat de l’aire. 

[Tornar a la part superior]

10. Per saber-ne més

• Organització Mundial de la Salut: Air quality and Health.
  https://www.who.int/teams/environment-climate-change-and-health/air-quality-and-health/health-impacts
• European Environmental Agency: Europe’s air quality status 2022.   
  https://www.eea.europa.eu/publications/status-of-air-quality-in-Europe-2022/europes-air-quality-status-2022
• US Environmental Protection Agency. Air Quality Models.  
  https://www.epa.gov/scram/air-quality-models
• US Environmental Protection Agency: Managing Air Quality - Control Strategies to Achieve Air Pollution Reduction. https://www.epa.gov/air-quality-management-process/managing-air-quality-control-strategies-achieve-air-pollution

[Tornar a la part superior]

11. Referències

• Directive 2008/50/EC of the European Parliament and of the Council of 21 May 2008 on ambient air quality and cleaner air for Europe. https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/PDF/?uri=CELEX:32008L0050&from=en (últim accés: 10/09/2024) 

• EPA United States Environmental Protection Agency. (2021). Basic information about carbon monoxide (CO) outdoor air pollution. 

• European Environment Agency (2024a). EEQ Glossary, TERM – air pollution. Recuperat de: https://www.eea.europa.eu/help/glossary (últim accés: 10/09/2024) 

• European Environment Agency. (2024b). Air Quality Standards. Recuperat de:    https://www.eea.europa.eu/themes/air/air-quality-concentrations/air-quality-standards (últim accés: 10/09/2024) 

• European Environmental Agency. (2024c). Premature deaths due to air pollution continue to fall in the EU, more efforts needed to deliver a toxic-free environment. Recuperat de: https://www.eea.europa.eu/highlights/premature-deaths-due-to-air Consulta el 17 de desembre de 2022. 

• European Environmental Agency. (2024d). EEQ Glossary, TERM – acid deposition. Recuperat de: https://www.eea.europa.eu/help/glossary/eea-glossary/acid-deposition (últim accés: 10/09/2024) 

• European Environmental Agency. (2024e). Exceedance of air quality standards in Europe. Recuperat de :tps://www.eea.europa.eu/ims/exceedance-of-air-quality-standards (últim accés: 10/09/2024) 

• European Environment Agency. (2021). Air quality in Europe 2021 - Sources and emissions of air pollutants in Europe. Recuperat de: https://www.eea.europa.eu/publications/air-quality-in-europe-2021/sources-and-emissions-of-air (últim accés: 10/09/2024) 

• European Environmental Agency. “Consumption of controlled ozone-depleting substances (ODSs)”. Recuperat de: https://www.eea.europa.eu/data-and-maps/daviz/consumption-of-controlled-ozone-depleting-substances-5#tab-chart_1. (últim accés: 10/09/2024) 

• Leelőssy, Á., Molnár, F., Izsák, F., Havasi, Á., Lagzi, I. & Mészáros, R. (2014). Dispersion modeling of air pollutants in the atmosphere: a review. Open Geosciences, 6(3), 257-278. https://doi.org/10.2478/s13533-012-0188-6 

• MacDonald, K. E. (2008). The European pollutant release and transfer register. Eur. JL Reform, 10, 21. 

• Molina, M., Rowland, F (1974) Stratospheric sink for chlorofluoromethanes: chlorine atom-catalysed destruction of ozone. Nature 249, 810–812. https://doi.org/10.1038/249810a0 

• NASA Ozone Watch. “The mean ozone hole size for 07 September–13 October and the minimum of Southern Hemisphere mean ozone for 21 September–16 October for each year”. ozonewatch.gsfc.nasa.gov. https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/statistics/annual_data.txt. (últim accés: 10/09/2024) 

• Organització Mundial de la Salut. (2024a).  Air quality and Health – Health impact. Recuperat de: https://www.who.int/teams/environment-climate-change-and-health/air-quality-and-health/health-impacts (últim accés: 10/09/2024) 

• Organització Mundial de la Salut. (2024b).  Air Polution – Impact. Recuperat de: https://www.who.int/health-topics/air-pollution#tab=tab_2  (últim accés: 10/09/2024) 

• Pacheco Ferreira, A., (2008). Public health and environmental pollution: precautionary paradigms. Revista Brasileira em Promoção da Saúde, 21(1), 69-74. Disponible a: https://www.redalyc.org/pdf/408/40821110.pdf (últim accés: 10/09/2024) 

• Perera, F. (2017).  Pollution from Fossil-Fuel Combustion is the Leading Environmental Threat to Global Pediatric Health and Equity: Solutions Exist, Int J Environ Res Public Health, vol. 15, no. 1, 16, doi: 10.3390/ijerph15010016. 

• US Environmental Protection Agency. (2024c) What are Hazardous Air Pollutants? Recuperat de: https://www.epa.gov/haps/what-are-hazardous-air-pollutants. (últim accés: 10/09/2024) 

• US Environmental Protection Agency. (2024a). Health Effects of Ozone Pollution. Recuperat de:  https://www.epa.gov/ground-level-ozone-pollution/health-effects-ozone-pollution. (últim accés: 10/09/2024) 

• US Environmental Protection Agency. (2024b). Ecosystem Effects of Ozone Pollution. Recuperat de: https://www.epa.gov/ground-level-ozone-pollution/ecosystem-effects-ozone-pollution. (últim accés: 10/09/2024) 

• US Environmental Protection Agency. (2024c). Gasoline Winter Oxygenates. Recuperat de: https://www.epa.gov/gasoline-standards/gasoline-winter-oxygenates (últim accés: 10/09/2024) 

• US EPA SOR Terminology Services. “Terms and Acronyms”. 2009. Recuperat de: https://sor.epa.gov/sor_internet/registry/termreg/searchandretrieve/termsandacronyms/search.do (últim accés: 10/09/2024) 

• US Environmental Protection Agency. (2003). Dry Electrostatic Precipitator (ESP). – Wire-Plate Type. Document EPA-452/F-03-028. Recuperat de: http://nepis.epa.gov/Exe/ZyPURL.cgi?Dockey=P1008OHL.txt (últim accés: 10/09/2024) 

[Tornar a la part superior]

12. Crèdits

Com es cita aquesta unitat?

Escalas, A. Contaminació atmosfèrica. A. Segalàs J. (ed.). Sostenibilitat i Enginyeria [en línia]. Universitat Politècnica de Catalunya. Institut de Recerca en Ciència i Tecnologies de la Sostenibilitat, 2024. [Consulta: dia mes any]. Disponible a: https://is.upc.edu/tecnoisost/ca/unitats/13-1-contaminacio-atmosferica-1

El contingut d’aquesta unitat ha estat elaborat per:

[Tornar a la part superior]