Óxidos de Nitrógeno (NOx)
Introducción
El término óxido de nitrógeno se refiere a diversos compuestos químicos formados por la combinación de oxígeno y nitrógeno, tales como NO, NO2, N2O2, N2O4, N2O, N2O3, N2O5 y NO3. No obstante, los más habituales y que normalmente están presentes en la atmósfera son el NO (monóxido de nitrógeno u óxido nítrico) y NO2 (dióxido de nitrógeno) y frecuentemente el término NOx se refiere a estos dos únicamente. Es curioso observar que todos estos contaminantes están formados únicamente por nitrógeno y oxígeno, al igual que el aire que respiramos. Sin embargo, a temperatura ambiente el N2 y el O2 no reaccionan y no generan NOx.Producen efectos muy perjudiciales para la salud. El NO2 reacciona en la atmósfera para formar ozono (O3) y lluvia ácida. Es importante observar que el ozono al que nos referimos como perjudicial es el troposférico, es decir, el que existe en el aire que respiramos y no el ozono estratosférico en la capa alta de la atmósfera, que es el que nos protege de la radiación ultravioleta procedente del sol.
Estos gases se forman tanto como producto de la actividad industrial como por procesos naturales, aunque se estima que el 99% de la concentración presente en las ciudades procede de fuentes no naturales. Las principales fuentes son los vehículos con motor de combustión interna y las centrales térmicas tradicionales, aunque también muchos otros procesos industriales.
El NO es un gas a temperatura ambiente y se oxida fácilmente a NO2. Este último es un líquido a temperaturas inferiores a 21ºC, con un olor fuerte y desagradable.
Cómo se produce la formación química de los NOx :
- NOx térmico: se produce a altas temperaturas, normalmente por encima de 1200ºC. Este es el mecanismo de producción principal en la combustión y se produce como oxidación del nitrógeno diatómico (N2) contenido en el aire.
- NOx del combustible. Se produce a partir del nitrógeno contenido en el combustible, al reaccionar con el exceso de oxígeno en el aire. Como el hidrógeno y el carbono del combustible se oxidan durante la combustión, todos los átomos de nitrógeno del combustible se liberan como átomos inestables. Una parte se transforma en NOx y otra parte en nitrógeno molecular. Es un problema importante en la combustión de petróleo y carbón, donde existen cantidades importantes de nitrógeno. En combustibles como el gas natural, que sólo contienen nitrógeno molecular, no se genera.
- NOx instantáneo (prompt NOx). El formado en la primera fase de la combustión. Se forma al reaccionar el nitrógeno atmosférico con radicales de hidrocarburos existentes en el aire. Generalmente es muy bajo en la mayor parte de procesos industriales.
Las reacciones más habituales en las que intervienen los NOx
son las siguientes:
- Debido a las altas temperaturas de combustión, el oxígeno y nitrógeno presentes en el aire se combinan para dar NO y este posteriormente se oxida parcialmente a NO2 (NOx térmico). Por tanto la combustión produce ambos contaminantes en proporciones variables.
- Una vez en la atmósfera, el NO se oxida a NO2:
- La luz del sol convierte el NO2 en NO nuevamente a un ratio que depende de la intensidad de radiación solar y la cantidad de ozono existente.
El átomo de oxígeno (O) de la reacción anterior puede también combinarse con oxígeno molecular (O2) para formar ozono (O3)
- Formación de lluvia ácida: En contacto con el agua, el NO2 produce ácido nitroso (HNO2) y ácido nítrico (HNO3), que son muy corrosivos. Cuando el ácido nítrico entra en contacto con el agua de lluvia se produce la lluvia ácida que es muy perjudicial para plantas, árboles e incluso puentes, estructuras metálicas, etc…
- Formación de niebla tóxica. Se forma cuando el NOx y compuestos orgánicos volátiles (VOCs) reaccionan en la presencia de la luz del sol, especialmente en el verano. Es perjudicial para niños y personas con problemas pulmonares tales como asma.
Los NOx son transparentes a la
mayoría de las longitudes de onda procedentes de la luz solar, por lo
que su tiempo de vida es largo, de varios días.
Métodos para reducir la generación de NOx
Existen diversos métodos para reducir las emisiones de NOx:
1.- Reducción de temperatura. La producción de NOx térmico aumenta exponencialmente con la temperatura. El objetivo es eliminar la relación estequiométrica mediante un exceso de combustible, aire, humos de combustión o vapor, ya que esta relación estequiométrica produce las temperaturas más altas y por tanto mayor generación de NOx
2.- Reducción del tiempo de residencia.
3.-
Reducción química del NOx. Mediante una sustancia reductora se extrae
el oxígeno de los óxidos de nitrógeno. La técnica SCR (siglas en inglés
de Reducción Catalítica Selectiva) es un ejemplo de una técnica de este
tipo. Es una técnica que utiliza amoníaco (NH3) en presencia de un
exceso de O2 para reducir el NOx. El amoniaco se inyecta aguas arriba
de un catalizador. Las reacciones que intervienen en el proceso son las
siguientes:
4NO + 4NH3 + O2 -> 4N2 + 6H2O
6NO2 + 8NH3 + O2 -> 7N2 + 12H2O
NO + NO2 + 2NH3 -> 2N2 + 3H2O
En
definitiva, obtenemos nitrógeno molecular y agua. No obstante, es
importante controlar el exceso de amoniaco, ya que es también un
contaminante, puede generar problemas en los equipos y tiene un costo
asociado. Uno de los peligros existentes es la formación de sales
4.- Oxidación del NOx. El objetivo es mejorar la solubilidad con el agua.
5.- Eliminación del nitrógeno en la combustión. Por ejemplo usando oxígeno en lugar de aire.
6.- Tratamiento de los gases de combustión.