Laboratorio N°1- Densidad Y PESO Molecular DEL AIRE PDF

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informe de laboratorio numero 1 de fisicoquímica 1...

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERA QUIMICA Y TEXTIL DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA

DENSIDAD Y PESO MOLECULAR DEL AIRE

DOCENTES Bullon Camarena Olga Frida Nieto Juárez Jessica Ivanna INTEGRANTES Mejia Montenegro Everth Daniel Poma Misahuaman Allison Yasbel Ramirez Oscco Yeferson Ruiz Meneses Ada Linda

Fecha de realización de la práctica:24/11/2020 Fecha de Presentación del informe:01/12/2020

Período Académico: 2020-1 LIMA –PERÚ 1

INDICE

Pag. 1. ¿Qué es el efecto invernadero?.............................................................................................3 2. ¿Qué gases conforma el efecto?............................................................................................3 2.1 GEI Directo…………………………………………………………………….……….4 2.1.1 Metano (CH4)……………..…………………………………………..……......4 2.1.2 Óxido Nitroso(N2O)……...…………………………………………….………4 2.1.3 Compuestos Halogenados…………...……………………………….……......4 2.1.4 El ozono troposférico (O3)………………………………………..…………...5 2.1.5 Dióxido de carbono (CO2)…………………………………………..….……...5 2.2 GEI Indirectos…….……………………………………………………………………5 2.2.1 Monóxido de Carbono (CO)……………………..……………..……………..6 2.2.2 Óxidos de Nitrógeno (NOx)………………………..………………..…………6 3. ¿Cómo se mide la densidad de estos gases, en su evaluación? .………..……..…....… …6 3.1 Equipos utilizados para detectar el metano y hallar su concentración….…….……6 3.1.1 ¿Cómo detectar las emisiones de metano?.......................................................6 3.1.2 Cálculos de ingeniería…………………………………………….……..….....7 3.1.3 Cálculos por factores de emisión ……………………………………..….……7 3.2 Equipos utilizados para detectar el dióxido de nitrógeno y hallar su concentración……………………………………………………..………….…….…...8 3.3 Analizador de NOx (Quimiluminiscencia)…………………………………..………..8 3.4 Método del anillo de cavidad (Cavity ringdown spectroscopy)………………..……9 3.4.1 Método del anillo de cavidad (Cavity ringdown spectroscopy)……..……...9 3.4.1.1 Técnicas espectroscópicas que utilizan QCL e ICL……………...……...9 3.4.1.2 Las redes de sensores basadas en LAS y QEPAS……………………...10 3.4.1.3 Los métodos e instrumentos espectroscópicos basados en EC-QCL y DFB-QC…………………………………………………………………..10 3.4.2 Descripción del funcionamiento del método del anillo de cavidad………..10 3.4.3 Métodos para medir la densidad de los gase………………………………..11 3.4.3.1 Métodos para medir la densidad de los gase…………….……………..11 3.4.3.2 Método de burbujas…………………………………………...…………11 3.4.4 Observatorios de gases de efecto invernadero…………………...…………12 3.4.4.1 La estación de Punta del Cabo…………………………………………..12 3.4.4.2 El Observatorio Ambiental de Groenlandia, en la estación Summit....12 4. Bibliografía…………………………………………………………………………..…….13

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1. ¿Qué es el efecto invernadero? El efecto invernadero es un fenómeno natural que se da en la tierra, por lo que la temperatura de la tierra se adapta a la vida. El proceso es similar al proceso en un invernadero para el cultivo de plantas, pero a nivel planetario. El proceso comienza cuando la radiación solar llega a la superficie de la tierra. La mayor parte de la energía recibida se denomina "onda corta". Parte de esta energía es absorbida por la atmósfera (como la radiación ultravioleta), otra parte es reflejada por la nube y la otra parte llega a la superficie visible del planeta calentándolo. Una vez que la radiación alcanza y calienta la superficie terrestre, la tierra devuelve energía en forma de "ondas largas" (radiación infrarroja), que se refleja y se envía de regreso a la atmósfera. Ciertos tipos de gases atmosféricos llamados "gases de efecto invernadero" retienen parte de la energía (aproximadamente 62,5%) dentro del planeta y no le permiten ingresar al espacio exterior. Es esta radiación la que no puede escapar del planeta, lo que hace que aumente la temperatura de la superficie. Cuando este proceso avanza con normalidad, el balance de temperatura promedio en la superficie del planeta es de 14ºC, y así se puede realizar la vida. De no producirse este efecto invernadero, la temperatura de la tierra será más baja, alrededor de -18ºC, lo que hará inviable el desarrollo de la vida, por lo que este fenómeno es fundamental para mantener las condiciones de vida actuales. Cuando la atmósfera se concentra, la energía que no puede escapar al espacio aumenta y se refleja de regreso a la superficie, haciendo que su temperatura aumente gradualmente. Esta es la principal causa del llamado cambio climático, proceso que se ha producido de forma natural a lo largo de la historia de la tierra, pero que ahora está experimentando una enorme aceleración debido al aumento artificial y excesivo de los llamados gases de efecto invernadero.

Figura 1: Efecto invernadero natural y el aumentado por el hombre

2. ¿Qué gases conforman el efecto invernadero? Los gases de efecto invernadero (GEI) o gases de invernadero son los componentes gaseosos de la atmósfera, tanto naturales como antropógenos, que absorben y emiten radiación en determinadas longitudes de onda del espectro de radiación infrarroja emitido por la superficie de la Tierra, la atmósfera y las nubes. En la atmósfera de la Tierra, los principales GEI son el vapor de agua (H 2O), el dióxido de carbono (CO 2), el óxido nitroso (N 2O), el metano (CH4) y el ozono (O3). Hay además en la

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atmósfera una serie de GEI creados íntegramente por el ser humano, como los halocarbonos y otras sustancias con contenido de cloro y bromo, regulados por el Protocolo de Montreal como el hexafluoruro de azufre (SF6), los hidrofluorocarbonos (HFC). Están clasificados en GEI directos e indirectos. 2.1. GEI Directos: Son gases que contribuyen al efecto invernadero tal como son emitidos a la atmósfera. En este grupo se encuentran: el dióxido de carbono, el metano, el óxido nitroso y los compuestos halogenados. 2.1.1. Metano (CH4). - El metano es un fuerte GEI y juega un papel importante en la determinación de la capacidad de oxidación de la troposfera. La carga atmosférica de metano a finales de la década de los 90`s era de 4800 x1012 gramos, más de dos veces la cantidad presente durante la era preindustrial. Esta duplicación en la carga atmosférica del metano ha contribuido en aproximadamente un 20% del forzamiento radiactivo directo debido a emisiones antropogénicas de GEI directos. El metano es removido de la atmósfera por reacción con radicales hidroxilos (OH) convirtiéndose finalmente en CO2.La fuente más importante de metano es la descomposición de materia orgánica en sistemas biológicos: 1. Las actividades agrícolas relacionadas con: a) fermentación entérica como consecuencia del proceso digestivo de los herbívoros b) descomposición en condiciones anaerobias (sin oxígeno) del estiércol generado por especies pecuarias c) cultivos de arroz bajo riego d) quemas de sabanas y residuos agrícolas. 2. Disposición de residuos sólidos. 3. El tratamiento anaerobio de aguas residuales domésticas e industriales. 2.1.2. Óxido nitroso (N2O). -El óxido nitroso, cuyas fuentes son de carácter natural y antropogénico, contribuye con cerca del 6% del forzamiento del efecto invernadero. Sus fuentes incluyen los océanos, la quema de combustibles fósiles y biomasa y la agricultura. El óxido nitroso es inerte en la troposfera. Su principal sumidero es a través de las reacciones fotoquímicas en la estratosfera que afectan la abundancia de ozono estratosférico. La fuente más importante de óxido nitroso son las emisiones generadas por suelos agrícolas y en menor grado por el consumo de combustibles fósiles para generar energía y las emitidas por descomposición de proteínas de aguas residuales domésticas. 2.1.3. Compuestos Halogenados. - Los halocarbonos tienen efectos sobre el forzamiento radiactivo tanto directos como indirectos. Los clorofluorocarbonos (CFCs), los cuales incluyen el CFC11 (CFC3) y el CFC12 (CF2Cl2) son una familia de compuestos que no existen naturalmente en el ambiente. Desde que empezó su fabricación a principios de la década de los 30, los CFCs han sido utilizados como gases refrigerantes, como solventes en aplicaciones industriales y en la limpieza en seco y como propulsor en los recipientes de aerosoles. Otros compuestos que contienen cloro incluyen los hidroclorofluorocarbónoses (HCFCs), el metil cloroformo y el tetracloruro de carbono, mientras que entre los compuestos que contienen bromo están los halones, el bromuro de metilo. Estos compuestos 40 halogenados son poco reactivos en la troposfera, pero en la estratosfera pierden los átomos de cloro y bromo (a través de procesos fotoquímicos) y posteriormente destruyen catalíticamente el ozono. A pesar de que entre los CFCs y los HCFCs se incluyen gases con altos potenciales de calentamiento global, su forzamiento radiactivo neto es reducido debido a que ellos

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destruyen el ozono estratosférico el cual es un importante GEI. Los Hidrofluorocarbonos (HFCs), perfluorocarbonos (PFCs) y el hexafluoruro de azufre (SF6) no destruyen la capa de ozono y no están cubiertos dentro del Protocolo de Montreal, sin embargo, estos son poderosos GEIs. Los HFCs fueron inicialmente usados para reemplazar algunas Sustancias Agotadoras de Ozono (SAO), el SF6 son emitidos a partir de varios procesos industriales como son: la fundición del aluminio, la fabricación de semiconductores y la transmisión y distribución de energía eléctrica. 2.1.4. El ozono troposférico (O3). El aumento en las concentraciones de ozono troposférico, que también es un GEI, se estima que proporcionará el tercer aumento más grande en el forzamiento radiactivo directo positivo desde la era preindustrial, detrás del CO 2 y el CH4. El ozono troposférico es producido a partir de reacciones químicas complejas de compuestos orgánicos volátiles que se mezclan con óxidos de nitrógeno (NO x) en presencia de luz solar. 2.1.5. El vapor de agua. - El vapor de agua sigue siendo el GEI más abundante en la atmósfera y las nubes son una parte importante del invernadero planetario de la Tierra. Los gases de invernadero, como el dióxido de carbono y el metano, son investigados quizás 42 más extensamente, pero las nubes pueden provocar el mismo efecto: calientan nuestro planeta atrapando el calor que se encuentra debajo de ellas. Una atmósfera más caliente tiende a incrementar su contenido de vapor de agua lo cual afectará la formación de nubes. 2.1.6. Dióxido de carbono (CO 2). - El dióxido de carbono es uno de los gases traza más comunes e importantes en el sistema atmósfera-océano-Tierra, es el más importante GEI asociado a actividades humanas y el segundo gas más importante en el calentamiento global después del vapor de agua. En relación a las actividades humanas el CO 2 se emite principalmente, por el consumo de combustibles fósiles (carbón, petróleo y sus derivados y gas natural) y leña para generar energía, por la tala y quema de bosques. En la siguiente figura, se presenta la variación espacial y temporal de la concentración de CO 2 a escala global. Espacialmente, las mayores concentraciones de CO 2 se presentan en el hemisferio norte, donde se encuentra la totalidad de los países industrializados responsables exclusivos del aumento de la concentración de la mayoría de los gases de GEI que se han ido acumulando en la atmósfera desde la revolución industrial a mediados del siglo XI

Figura 2: Variación espacio-temporal del CO2 a escala global 2.2. GEI Indirectos: Son precursores de ozono troposférico, además de contaminantes del aire ambiente de carácter local y en la atmósfera se transforman a gases de efecto invernadero

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directo. En este grupo se encuentran: los óxidos de nitrógeno, los compuestos orgánicos volátiles diferentes del metano y el monóxido de carbono. 2.2.1. Monóxido de Carbono (CO). -En la troposfera, el monóxido de carbono es frecuentemente el principal sumidero de radicales hidroxilos (OH). Es un componente de la amplia variedad de reacciones que oxidan el carbón, nitrógeno y azufre reducido contenido en gases traza. Aunque el CO por sí mismo no contribuye directamente al efecto invernadero, a causa de su influencia sobre los radicales OH, el CO tiene la importancia climatológica ya que su cantidad afecta indirectamente la formación de otros GEI tales como el metano y el ozono troposférico. Este es un GEI indirecto creado cuando el carbono contenido en los combustibles es quemado incompletamente y posteriormente es oxidado a CO2 a través de procesos naturales. La mayoría de las emisiones de CO de la combustión de combustibles proviene de los automotores. Otro gran contribuyente es el sector residencial desde pequeños equipos de combustión. 2.2.2. Óxidos de Nitrógeno (NOx). -Los óxidos de nitrógeno forman una gran familia de gases traza que se presentan en la troposfera de la Tierra. Ellos se originan en procesos antropogénicos (motores de automóviles y por las centrales de energía) y naturales (quema de biomasa, relámpagos y actividad microbiana del suelo). Los compuestos más importantes son: el NO (óxido nítrico), el NO 2 (dióxido de nitrógeno el cual es un gas venenoso color marrón-rojizo que produce un olor muy fuerte), el HNO 3, los aerosoles nitrados y el Peroxi- Acetil- Nitrato (PAN). La suma del NO y el NO 2 es usualmente reportada como NO x. 3. ¿Cómo se mide la densidad de estos gases, en su evaluación? Podemos hallar la densidad de los gases utilizando la concentración. Los analizadores de gases de efecto invernadero que integran una técnica de espectroscopía óptica mediante láser conocida como “Cavity Ringdown Spectroscopy” para realizar mediciones precisas y fiables de dióxido de carbono y metano. 3.1. Equipos utilizados para detectar el metano y hallar su concentración 3.1.1. ¿Cómo detectar las emisiones de metano? Instrumento: Detección de Fugas Remotas de Metano Descripción: Dispositivo que permite detectar únicamente fugas de metano de forma rápida y eficaz, ubicadas hasta 30 m de distancia, permitiendo alcanzar zonas de difícil acceso. El RMLD emplea la tecnología conocida como láser diodo giratorio Espectroscopía de Absorción, la cual emite un sonido agudo cuando detecta metano, cuanto más metano hay, más agudo es el sonido. Cuando el rayo láser infrarrojo es transmitido desde el emisor, parte de la luz se refleja en el detector y se convierte en una señal eléctrica que transporta la información necesaria para deducir la concentración de metano relativa (pueden ser reportadas en partes por millón).

Figura 3: Detector de emisión de metano

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3.1.2. Cálculos de ingeniería Este método se refiere al cálculo de las emisiones con base en un balance de masa o fundamento estequiométrico específico para una planta o proceso. Este tipo de métodos requiere principalmente el conocimiento técnico del proceso. Estos pueden incluir:  conocimiento de las reacciones que ocurren y que dan origen a la formación de contaminantes  condiciones de equilibrio fisicoquímico y termodinámico de fases  propiedades físicas y químicas de las sustancias  constantes de reacciones químicas  correlaciones y especificaciones de diseño. Para la estimación de emisiones existen tres tipos básicos de cálculos de ingeniería: A. Correlaciones de diseño desarrolladas, como por ejemplo por pérdidas de tanques, pérdidas por manejo de materiales y descargas de procesos de tratamiento de aguas. B. Uso de especificaciones de diseño de equipo, Ej.: velocidad y eficiencia de remoción y velocidad de secado, entre otros. Este tipo de cálculos se utilizan principalmente para estimar emisiones al aire de fuentes puntuales provenientes de equipo anticontaminante. C. Uso de las propiedades físicas, químicas y condiciones de equilibrio de fases; datos que son usados para estimar la concentración de una sustancia presente en una emisión. De este modo, los cálculos de ingeniería cuentan con relativamente alta precisión con un nivel relativamente bajo de esfuerzo; normalmente los datos operativos son accesibles fácilmente y son apropiados para las fuentes de emisión más frecuentes y para las que están geográficamente dispersas. Actualmente Ecopetrol calcula parte de sus emisiones con balances de masa, como emisiones en teas, venteos de proceso, entre otras, sin embargo, la dificultad radica en que no en todas las áreas se cuenta con datos de las propiedades físicas y químicas de las sustancias, tales como cromatografías. 3.1.3. Cálculos por factores de emission La aproximación más común para calcular las emisiones de Gases Efecto Invernadero (GEI), es mediante la aplicación de factores de emisión documentados. Es un método rápido para estimar las emisiones con un nivel 38 relativamente bajo de esfuerzo. Estos factores son cocientes calculados que relacionan emisiones de GEI a una medida de actividad en una fuente de emisión. Generalmente, se expresa como el peso de un gas dividido entre una unidad de volumen, peso, distancia o duración de la actividad que genera la emisión (Ej. kilogramos de metano por cantidad de combustible consumido). Sin embargo, existen factores de emisión desarrollados considerando la operación de un equipo específico, incorporando de esta manera el término que representa la efectividad de dicho sistema. Es así como la fórmula general para el cálculo de las emisiones utilizando un factor de emisión es:

E=FE x NA Donde: E: Emisión del gas, en este caso metano FE: Factor de emission NA: Nivel de actividad (diaria, semanal, mensual) de la fuente estimada. Expresada como consumo de combustible, cantidad de energía o materia consumida, entre otros.

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3.2. Equipos utilizados para detectar el dióxido de nitrógeno y hallar su concentración Analizador de O3 (Fotometría UV). El principio de operación que utilizan los analizadores de ozono, O3, se conoce como el método de fotometría UV y consiste en medir la cantidad de luz ultravioleta, a una longitud de onda de 254 nm, absorbida por el ozono presente en una muestra. El principio de operación se basa en la Ley de Beer-Lambert. Cuando la muestra pasa por el interior de las celdas, la molécula de ozono absorbe una cantidad de luz (I), la cual se compara con la cantidad de luz medida en la celda de referencia (I0) para calcular la concentración (C). La concentración obtenida se corrige a condiciones de temperatura y presión del interior de la celda de absorción, los cuales son medidos de manera independiente. La concentración del gas se puede obtener mediante la siguiente ecuación:

Donde: I = La intensidad de la luz después de la absorción I0 = La intensidad de la luz antes de la absorción α = Coeficiente de Absorción del O 3 a determinada longitud de onda L = Longitud de la celda o tubo de absorción C = concentración del gas absorbente (O3)

Despejando la concentración de O3 (C) en ppm:

Figura 4: Línea de absorción de Ozono

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3.3. Analizador de NOx (Quimiluminiscencia). La quimiluminiscencia es una técnica analítica basada en la medición de la cantidad de luz generada por una reacción química. Los analizadores de Óxidos de Nitrógeno, NOx utilizan este principio a partir de la reacción que tiene lugar entre el óxido nítrico (NO) contenido en la muestra de aire y el ozono (O3) que genera, en exceso, un dispositivo que es parte de los componentes del instrumento. La luz emitida se encuentra en el intervalo del infrarrojo entre 500 y 3000 nm de acuerdo a la siguiente reacción:

El NO en una muestra de aire reacciona con el O3 para formar dióxido de nitrógeno en estado de excitación (NO2*). Posteriormente, cuando el dióxido de nitrógeno generado vuelve al estado inicial emite una luz característica en una cantidad proporcional a la concentración del NO contenido en la muestra (Jahnke, 1993). En la Figura 13 se muestran los componentes básicos del módulo óptico de un analizador de NOx. 3.4. Método del anillo de cavidad (Cavity ringdown spectroscopy) 3.4.1. Espectroscopia de absorción láser de infrarrojo medio sintonizable. -Casi todas las moléculas pequeñas en fase gaseosa (CO 2, H 2 O, H 2 S, NH 3) tiene un espectro de absorción de infrarrojo cercano único. A presión subatmosférica, esto es una serie de líneas estrechas, bien resueltas y nítidas, cada una en una longitud de onda característica. A causa de que e...