PRÁCTICA 4: BASE DE DATOS AMBIENTALES - EPI SUITE PDF

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Una herramienta importante que nos permite obtener información sobre el o los contaminantes que estemos analizando para prevenir o remediar un problema ambiental, es el EPI SUITE, un software que brinda propiedades físico-químicas y de destino ambiental de una gran cantidad de compuestos químicos, d...

Description

Italo Alencastre Rocha

PRÁCTICA 4: BASE DE DATOS AMBIENTALES - EPI SUITE Objetivos 

Manejar de manera adecuada el programa EPI SUITE y evaluar, interpretar y sintetizar la información que nos puede brindar.

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Analizar de manera crítica para describir los distintos programas como solubilidad, constante de ley de Henry, el coeficiente de octanol-agua, entre otros que nos brinda EPI SUITE.

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Analizar determinadas características de 6 contaminantes escogidos y compararlos utilizando EPI SUITE, caso de estudio: La industria del papel.

Introducción La ingeniería ambiental se basa en encontrar soluciones a la gran cantidad de problemas que afectan a la atmósfera, geosfera, hidrosfera y biosfera, basándose en alcanzar un desarrollo sostenible mediante el diseño de diversos tipos de sistemas. Para lograr este objetivo es necesario prevenir, remediar o mitigar los efectos que causan los distintos contaminantes en los cuerpos ambientales; ahora, para esta parte es muy importante conocer a detalle las características de cada contaminante que está afectando al ambiente; es decir, sus propiedades físico-químicas, biológicas, junto a otros casos de estudio en el que se haya tratado dicho contaminante. Una de las herramientas que permiten realizar un adecuado análisis de un compuesto químico ya que brindan importante y completa información, es EPI SUITE, este software fue diseñado por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA por sus siglas en inglés) y Syracuse Research Corp. (SRC). El EPI (Interfaz de programas de estimación) Suite ™ es un conjunto de programas de cálculo de propiedades físicas / químicas y de destino ambiental. De esta forma constituye una herramienta importante que brinda información para lograr controlar los efectos de los distintos problemas ambientales que se tienen que solucionar.

Resumen Una herramienta importante que nos permite obtener información sobre el o los contaminantes que estemos analizando para prevenir o remediar un problema ambiental, es el EPI SUITE, un software que brinda propiedades físico-químicas y de destino ambiental de una gran cantidad de compuestos químicos, diseñado por la EPA y SRC. En la presente práctica, se explican los procesos que se realizan dentro de este programa y el tipo de información que nos puede brindar mediante sus subprogramas. Luego se analizaron 6 contaminantes (ácido abiético, dióxido de azufre, tetracloroguaiacol, hexaclorobenceno, fenantreno, metil-mercaptano ) tomados en este caso como generados por la Industria del Papel, para luego identificar sus propiedades utilizando los modelos WSWIN, KOWWIN, KOCWIN, HENRYWIN, BCFBAF, que permitieron obtener los valores de solubilidad en agua, coeficiente de partición octanol-agua, el coeficiente de adsorción al suelo, la constante de Henry y la

Italo Alencastre Rocha bioconcentración respectivamente. Se observó que a pesar que había contaminantes similares, sus propias características iban a ser determinantes para evaluar su destino ambiental. Palabras Clave: EPI SUITE, propiedades físico-químicas, destino ambiental, modelos.

Abstract An important tool that allows us to obtain information about the pollutant (s) we are analyzing to prevent or remedy an environmental problem, is the EPI SUITE, a software that provides physical-chemical properties and environmental fate of a large number of chemical compounds, designed by the EPA and SRC. In the present practice, the processes that are carried out within this program and the type of information that can be provided through its subprograms are explained. Then, 6 pollutants (abietic acid, sulfur dioxide, tetrachloroguaiacol, hexachlorobenzene, phenanthrene, methyl mercaptan) were analyzed, in this case as generated by the Paper Industry, to later identify their properties using the models WSWIN, KOWWIN, KOCWIN, HENRYWIN , BCFBAF, which allowed obtaining the values of water solubility, octanol-water partition coefficient, soil adsorption coefficient, Henry's constant and bioconcentration respectively. It was observed that although there were similar pollutants, their own characteristics were going to be determinant to evaluate their environmental fate. Keywords: EPI SUITE, physical-chemical properties, environmental fate, models.

Marco Teórico EPI SUITE El EPI (Interfaz de programas de estimación) Suite ™ es un conjunto de programas de cálculo de propiedades físicas / químicas y de destino ambiental basados en Windows® desarrollados por la EPA y Syracuse Research Corp. (SRC). Este software utiliza una única entrada para ejecutar los siguientes programas de estimación: KOWWIN ™, AOPWIN ™, HENRYWIN ™, MPBPWIN ™, BIOWIN ™, BioHCwin, KOCWIN ™, WSKOWWIN ™, WATERNT ™, BCFBAF ™, HYDROWIN ™, KOAWINININ ™, y los modelos de destino WVOLWIN ™, STPWIN ™ y LEV3EPI ™. ECOSAR ™, que estima la ecotoxicidad. Es importante resaltar que EPI Suite ™ es una herramienta de nivel de detección y no debe utilizarse si hay disponibles valores medidos aceptables; por lo que una comprensión clara de los métodos de estimación y su aplicación apropiada es muy importante [ CITATION EPA17 \l 22538 ]. A continuación se mencionarán y describirán las funciones que cumple cada programa dentro de EPI SUITE [ CITATION EPA17 \l 22538 ]:  

KOWWIN ™: Calcula el coeficiente de partición octanol-agua de registro, log KOW, de químicos usando un método de contribución de átomo / fragmento. AOPWIN ™: Calcula la velocidad de reacción en fase gaseosa de la reacción entre el oxidante atmosférico más frecuente, los radicales hidroxilos y un químico. Además, también indica si la reacción radical de nitrato será importante.

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HENRYWIN ™: Calcula la constante de la Ley de Henry (coeficiente de partición aire / agua) utilizando los métodos de contribución grupal y contribución de bonos. MPBPWIN ™: El punto de fusión, el punto de ebullición y la presión de vapor de los químicos orgánicos se estiman utilizando una combinación de técnicas. Se incluye la presión de vapor de líquido semienfriado, que es la presión de vapor de un sólido si fuera líquido a temperatura ambiente. Es importante en el modelado del destino. BIOWIN ™: Calcula la biodegradabilidad aeróbica y anaeróbica de los productos químicos orgánicos utilizando 7 modelos diferentes. Dos de ellos son el Programa de Probabilidad de Biodegradación original (BPP ™). El séptimo y más reciente modelo estima el potencial de biodegradación anaeróbica. BioHCwin: Estima la vida media de biodegradación de compuestos que contienen solo carbono e hidrógeno (es decir, hidrocarburos). KOCWIN ™: Este programa calcula el coeficiente de sorción de carbono orgánico normalizado para el suelo y los sedimentos; es decir, KOC. La KOC se estima utilizando dos modelos diferentes: el método de conectividad molecular Sabljic con factores de corrección mejorados; y el método tradicional basado en log KOW. WSKOWWIN ™: Calcula un coeficiente de partición octanol-agua utilizando el programa KOWWIN ™, luego calcula la solubilidad en agua de un químico a partir de este valor y los factores de corrección aplicables, si los hay. WATERNT ™: Calcula la solubilidad en agua directamente usando un método de "constante de fragmento" similar al utilizado en el programa KOWWIN ™. BCFBAF ™: Calcula el factor de bioconcentración de peces y su logaritmo utilizando dos métodos diferentes. La regresión tradicional basada en el registro KOW más un factor de corrección aplicable y el método Arnot-Gobas, que calcula BCF a partir de primeros principios mecanísticos; también incorpora la predicción de la semivida del metabolismo aparente en los peces, y estima BCF y BAF para tres niveles tróficos. HYDROWIN ™: Calcula las constantes y semividas de la tasa de hidrólisis acuosa para las siguientes clases químicas: ésteres, carbamatos, epóxidos, halometanos, haluros de alquilo seleccionados y ésteres de fósforo. Se estiman las constantes para la hidrólisis catalizada por ácidos y bases. KOAWIN: Estima KOA, el coeficiente de partición octanol / aire, utilizando la relación del coeficiente de partición octanol / agua (KOW) de KOWWIN ™ y la constante de la Ley de Henry (KAW) adimensional de HENRYWIN ™. KOA tiene múltiples usos en la evaluación química. AEROWIN ™: Calcula la fracción de la sustancia transportada por el aire a partículas transportadas por el aire, es decir, el parámetro phi (φ), utilizando tres métodos diferentes. WVOLWIN ™: Calcula la tasa de volatilización de una sustancia química de ríos y lagos; y calcula la vida media de estos dos procesos a partir de sus tasas. STPWIN ™: Este programa predice la eliminación de un producto químico en una planta de tratamiento de aguas residuales basada en lodos activados típicos. Se proporcionan valores para la eliminación total y tres procesos que pueden contribuir a la eliminación: la biodegradación, la absorción a los lodos y la extracción con aire. LEV3EPI ™: Este programa contiene un modelo de fugacidad multimedia de nivel III y predice la partición de sustancias químicas entre el aire, el suelo, los

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sedimentos y el agua en condiciones de estado estable para un "entorno" predeterminado del modelo. ECOSAR ™ Versión 1.11 (septiembre de 2012): Estima la toxicidad acuática de los químicos industriales; la toxicidad aguda (a corto plazo) y la toxicidad crónica (a largo plazo o retrasada) para los organismos acuáticos en peces, invertebrados acuáticos y algas verdes.

Industria del papel La industria del papel se ubica al tope del ranking en materia de uso de recursos naturales y generación de contaminantes, todo para fabricar un producto que es usualmente descartado inmediatamente. El papel alcanza cerca del 40% del total de los residuos sólidos urbanos en algunos países industrializados. A pesar de la modernización de sus procesos industriales, la demanda de tierras para plantaciones, el uso intensivo de recursos de agua, los volúmenes de descargas líquidas, sus emisiones gaseosas y residuos sólidos hacen de esta industria un peligro que se expande en todas las regiones del planeta [ CITATION Gre06 \l 22538 ]. El papel consiste en un tejido o entramado de fibras vegetales con alto contenido de celulosa, que han sido refinadas y tratadas en agua antes de ser depositadas sobre un tamiz y secadas. El papel y los productos relacionados con él se elaboran a partir de fibras de celulosa presentes en las plantas. Estas fibras pueden provenir de diferentes vegetales: algodón, madera, paja de cereales, caña de azúcar, etc., pero actualmente la mayor parte de la producción mundial del papel proviene de la madera. Producir una tonelada de papel virgen requiere de unas 2 a 3,5 toneladas de árboles para ser procesadas en una planta de celulosa. Transformar esa cantidad de árboles en papel significa utilizar grandes cantidades de agua, energía y químicos, y genera grandes cantidades de contaminantes gaseosos y líquidos y residuos sólidos [ CITATION EPA971 \l 22538 ]. Etapa 1 – Producción de la Pasta: Para fabricar papel es necesario separar las fibras de celulosa, fuertemente unidas por lignina (adhesivo resinoso que provee el apoyo estructural al árbol), para luego poder producir la pasta o pulpa. Esta puede producirse básicamente a través de métodos químicos o métodos mecánicos. Una vez eliminada el agua, el tronco de un árbol está compuesto por alrededor de sólo un 50% de celulosa. El resto consiste en un 30% de lignina y un 20% de aceites y otras sustancias. Para que la celulosa contenida en el árbol pueda ser transformada para la fabricación de papel, se requiere que la madera sea molida (para hacer pulpa mecánica) o que sea transformada primero en astillas y luego sometida a un cocimiento con productos químicos, seguido de un refinado (para hacer pulpa química) [ CITATION Gre06 \l 22538 ]. Etapa 2 – Blanqueo de la Pasta: Con el objetivo de producir celulosa blanca pura, la pasta química es blanqueada con removedores de lignina. La pasta mecánica -que por definición contiene grandes cantidades de lignina- se aclara usualmente con peróxido de hidrógeno que cambia la estructura de la lignina y altera el color, pero no la elimina. En las tecnologías convencionales de blanqueo de la pasta química, la lignina se degrada y remueve con la ayuda de gas cloro (Cl2) o de dióxido de cloro (ClO2). El

Italo Alencastre Rocha cloro y el dióxido de cloro, si bien son efectivos para remover la lignina y fortalecer la pulpa, reaccionan con compuestos orgánicos presentes en la pulpa, dando lugar a cientos de contaminantes organoclorados, incluyendo las dioxinas, que son uno de los más potentes venenos conocidos [ CITATION Gre06 \l 22538 ]. Etapa 3 – De Pulpa a Papel: Para fabricar el papel se combinan distintos tipos de pulpas húmedas mezcladas con sustancias de relleno (carbonato de calcio, caolín, dióxido de titanio, etc.) y con otros aditivos (colofonia, sulfato de aluminio, tinturas), todo lo cual se extiende uniformemente sobre una malla metálica, se somete a un secado y luego se lo remueve con un fieltro absorbente. La superficie de los papeles de impresión y escritura es luego alisada mecánicamente o revestido con una capa de arcilla o tiza (coteado). A partir de las diferentes categorías de pulpas se pueden obtener cientos de diferentes tipos de papeles [ CITATION Gre06 \l 22538 ]. Impactos Ambientales de la Industria del Papel: La presencia de resinas ácidas y otros componentes no identificados continúan presentando problemas de toxicidad en todas las plantas kraft, independientemente del proceso de blanqueo que se utilice. Los ecosistemas cercanos a estas plantas experimentan una reducción significativa de la diversidad de plantas y animales capaces de vivir cerca de ellas, aún en los casos en los que se cumple con las regulaciones ambientales [ CITATION MMB05 \l 22538 ]. Además La exposición a los químicos blanqueadores, los gases que emanan estos procesos, las emisiones de las piletas de tratamientos y las bacterias y hongos provenientes de los chips de madera y los polvillos impactan directamente sobre la salud y seguridad de quienes trabajan en las plantas y quienes viven cerca de ellas; además de llegar al aire, suelo y agua, y ser transportados grandes distancia causando efectos negativos en todo este trayecto [ CITATION EPA971 \l 22538 ]. Por esto se tomaron 6 contaminantes típicos de la Industria del Papel, entre ácidos, compuesto organoclorados, hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) y gases [ CITATION ACR17 \l 22538 ] para analizar sus propiedades utilizando EPI SUITE y con esta información contar una base más sólida para proponer soluciones a este impacto ambiental. Ácido abiético: Es el más abundante de varios ácidos orgánicos estrechamente relacionados que constituyen la mayoría de la colofonia, la porción sólida de la oleorresina de los árboles coníferos. Pertenece al grupo diterpeno de compuestos orgánicos (compuestos derivados de cuatro unidades de isopreno) [ CITATION BRI12 \l 22538 ] . Se genera como residuo del proceso de la industria del papel al momento de la cocción junto con otros ácidos de resina (Palústrico, Pimárico, Isopimárico, entre otros) en la producción de la pasta [ CITATION Val10 \l 22538 ] y además tiene distintos usos como barnizar instrumentos o al momento de calafatear los barcos antiguos principalmente. Suele terminar como residuo en los cuerpos de agua cercanos. La hoja de seguridad de este compuesto [ CITATION Rot17 \l 22538 ] relacionado al tema del medio ambiente indica que en caso de vertido accidental se debe mantener el producto alejado de los desagües, aguas superficiales, subterráneas y retener y eliminar el agua de lavado contaminada. Es muy tóxico para los organismos acuáticos, con efectos nocivos duraderos con un LC 50 de 0,41 mg/L para peces durante una exposición de 4 días.

Italo Alencastre Rocha Dióxido de Azufre: Es un gas incoloro con un olor fuerte e irritante que a menudo se transporta como líquido bajo presión. Se utiliza como agente blanqueador, refrigerante y disolvente, además también es utilizado como un conservante / antioxidante empleado en la industria alimentaria, y ocurre como un gas maloliente de hornos de fusión y plantas generadoras de electricidad [ CITATION NJH10 \l 22538 ]. En este caso se genera como residuo de la cocción de la madera que utiliza compuestos químicos a base de azufre y por eso las emisiones de estos compuestos generan el clásico olor a “huevo podrido”, ya que también se genera a la vez el ácido sulfhídrico. La ficha de datos de seguridad del SO2 [ CITATION AGR18 \l 22538 ], indica que en caso de derrames, se debe Evitar la contaminación de desagües, aguas superficiales o subterráneas, así como del suelo. Se considera como tóxico para algunas especies de peces con un LC 50 de 3.2 ug/L en el periodo de una hora y también para plantas acuáticas aunque estas son mucho más tolerantes. También como sabemos, es uno de los principales gases de efecto invernadero. Tetracloroguaiacol (TCG): Este es un compuesto organoclorado, de los muchos identificados que son generados por el uso de cloro en forma de dióxido de cloro o hipoclorito de sodio en el blanqueo de la pasta para fabricar el papel. No se cuenta con demasiada información sobre cada contaminante específico perteneciente a los organoclorados, ya que apenas han sido identificados, pero si es cierto que en conjunto representan uno de los mayores impactos de esta industria por su nivel de toxicidad relacionado principalmente al cloro, un elemento que puede llegar a ser cancerígeno y también letal para la vida acuática, destacan algunos por su abundancia además del mencionado como: 3-4-5 tricloroguaiacol y 4-5-6 tricloroguaiacol. También son muy utilizados como componentes para fabricar los pesticidas. Los organoclorados en general [ CITATION RES17 \l 22538 ], suelen contar con un peligro ecológico moderado a grave, peligrosos para la flora y fauna por la potencial bioacumulación que ocasiona posibles efectos tóxicos. Hexaclorobenceno: Es un sólido blanco cristalino a temperatura ambiente que se forma como un subproducto durante la fabricación de otros productos químicos [ CITATION EPA16 \l 22538 ]. Pero en el medio ambiente, el hexaclorobenceno se puede encontrar principalmente en suelos, sedimentos y océanos tratados y de fondo. También se puede encontrar en el aire, las aguas superficiales y subterráneas debido al uso y la eliminación de productos de hexaclorobenceno y como un subproducto de otros procesos. Además puede acumularse a través de la cadena alimentaria y se ha detectado en la leche materna [ CITATION AST96 \l 22538 ]. Fue ampliamente utilizado como pesticida hasta 1965. Cuando se da exposición oral crónica (a largo plazo) a hexaclorobenceno en humanos genera una enfermedad hepática con lesiones cutáneas asociadas. Por lo tanto la EPA lo ha clasificado como un probable carcinógeno humano (Grupo B2). Se ha identificado también como uno de los organoclorados residuales obtenidos en la fabricación de papel que puede afectar tanto a la atmósfera como a cuerpos de agua. Fenantreno: Es un hidrocarburo que pertenece al grupo de los llamados compuestos aromáticos, cuya unidad estructural fundamental es el benceno. A los aromáticos también pertenecen los compuestos policíclicos fusionados, formados por varios anillos aromáticos que comparten un enlace carbono-carbono (C-C). El fenantreno es

Italo Alencastre Rocha uno de estos, presenta en su estructura tres anillos fusionados. Se le considera isómero del antraceno, compuesto que tiene sus tres anillos fusionados en forma lineal. Fue aislado del aceite de antraceno del alquitrán de hulla. Se obtiene mediante la destilación de la madera, emisiones vehiculares, derrames de petróleo y otras fuentes. Está en el ambiente a través del humo del cigarrillo, y en las moléculas esteroidales conforma la base aromática de la estructura química, como se muestra en la molécula del colesterol. El fenantreno tiene una estructura química conformada por tres anillos bencénicos fusionados entr...