Dispersión de polución de aire en Mexicali es originada por factores climáticos

Resumen

Los factores climáticos generan la
dispersión de contaminantes del aire como
partículas finas y gases: ácido sulfhídrico,
bióxido de azufre, monóxido de carbono y
óxidos de nitrógeno, que en ocasiones sobrepasan
los estándares de calidad del aire de esta región.
Estos contaminantes son detectados por equipos especializados de
Estaciones de Monitoreo Ambiental (EMA) instaladas en la ciudad
de Mexicali. Una vez emitidos, los contaminantes
atmosféricos por fuentes exteriores como el tráfico
vehicular, las plantas industriales, campos geotérmicos,
la erosión del suelo y microorganismos, penetran a los
interiores de la industria electrónica. Además, con
niveles mayores al 80% de humedad y 25? C comunes en la ciudad de
Mexicali, se obtienen los ciclos del tiempo de humectación
(TH), que indica los periodos en los cuales una superficie
metálica permanece lo suficientemente húmeda para
dar paso que un proceso electroquímico de corrosión
ocurra.

Palabras clave. Factores climáticos,
contaminantes del aire, tiempo de humectación.

Introducción

Los índices de contaminación son evaluados
según la normatividad de estándares que indican los
niveles de concentración regulados por instituciones del
medio ambiente en cada país. En México, la
Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales
(SEMARNAT), en conjunto con la Procuraduría Federal de
Protección al Ambiente (PROFEPA) son las encargadas de
regular las emisiones de contaminación. Con acuerdos
internacionales, en la frontera de México y Estados
Unidos, la Agencia de Protección al Ambiente (EPA, por sus
siglas en inglés), han instalado Estaciones de Monitoreo
Ambiental (EMA), cuyos resultados que en conjunto con los de las
Estaciones de Monitoreo Meteorológico (EMM), permiten
elaborar un análisis que muestra índices de
contaminación, humedad relativa y temperatura por periodos
estaciónales [1, 2].

Normatividad
ambiental

Los contaminantes del aire exterior que penetran a
interiores de empresas, monitoreados en esta ciudad son el SO2,
CO, NOX, O3 y partículas en suspensión reportados
por la National Ambient Air Quality Standards (NAAQS, 2006).
Además se generan compuestos orgánicos
volátiles en interiores u otros como el amoniaco que es
inorgánico, y aun a bajas concentraciones, tienen un
efecto significativo en el fenómeno de corrosión
[4]. Las ciudades fronterizas han llegado a acuerdos para
proteger el medio ambiente regional, desarrollando normas para
obtener información de los contaminantes mencionados
anteriormente. Cada contaminante del aire se expresa en unidades
de microgramos por metro cúbico (µg/m3) y en partes
por millón (ppm) siendo aplicados en análisis de
correlación con los factores climáticos (Tabla 1).
Los índices de calidad del aire para cada contaminante,
son propuestos de acuerdo a experimentos elaborados, obteniendo
el grado de deterioro de los materiales [5].

Tabla 1. Estándares de calidad
del aire en la frontera de México y Estados
Unidos.

Fuente. Environmental Protection Agency
(EPA-USA). State and National Ambient Air Quality
Standards

Figura 1. Equipo electrónico contaminado
con polvo

1.2 Región árida: Mexicali, B.C. La
orografía de la ciudad y los niveles de la polución
del aire con contaminantes como el CO, NOX y SO2, que se
monitorean con EMA (Estaciones de Monitoreo Ambiental) en
ambientes exteriores y penetran a interiores de la industria
electrónica donde existen alrededor de 156 maquiladoras
según la AMAQ [6]. Estos contaminantes en ciertos periodos
estacionales sobrepasan las normas estándares, y originan
climas agresivos principalmente en áreas de
producción y almacenes donde se utilizan y resguardan
dispositivos y equipos electrónicos. El factor clima es
importante en el rendimiento operacional de equipos
electrónicos en interiores de plantas industriales
instaladas en la ciudad de Mexicali. Los niveles de humedad
relativa de esta ciudad oscilan entre los 50% a 90% y con rangos
de temperatura cercanos a los 0° C y mayor a los 45° C
(García ,2003). Estos cambios climáticos, modifican
las condiciones ambientales de los exteriores e interiores de la
industria electrónica, contribuyendo al deterioro de los
materiales. El polvo y las sustancias químicas de los
ambientes interiores, se adhieren a componentes de equipos
electrónicos, como computadoras, instrumentos de
medición y máquinas industriales (Figura 1). Un
equipo opera adecuadamente cuando esta libre de contaminantes y
en microclimas controlados [7].

A nivel mundial, las empresas manufactureras usan
equipos electrónicos con parámetros de
conductividad eléctrica rigurosos, que si son modificados,
su rendimiento operativo no es el adecuado. En los periodos del
año cuando los índices de humedad relativa y
temperatura son mayores al 70% y 35º C, y por la presencia
de partículas contaminantes en interiores de ambientes
industriales, se incrementa la cantidad de fallas
eléctricas [2].

1.3 Contaminación del aire.

La presencia de contaminantes del aire en exteriores e
interiores, influenciada por varios factores, tiene un efecto
negativo en los materiales metálicos. Estos factores
incluyen emisiones de fuentes antropogénicas (Figura 2) y
naturales de procesos en interiores y exteriores, condiciones
meteorológicas y de ventilación; así como
los procesos de degradación y eliminación los
contaminantes [8]. La calidad del aire en interiores es un
reflejo de la calidad del aire del exterior. Se han desarrollado
diversos métodos para mediciones del aire en interiores,
indicando que los sulfuros y cloruros aunados a las variaciones
de humedad y temperatura son los principales factores de la
generación de ambientes agresivos en interiores de plantas
industriales que originan la corrosión en materiales
metálicos. Los sulfuros procedentes del exterior, penetran
por rendijas, orificios y sistemas de aire acondicionado,
mientras que los cloruros provienen de aerosoles en el ambiente,
además de partículas formadas por actividades de
limpieza en superficies y baños de plantas industriales y
vapores de fundentes de los procesos de soldadura. Las
operaciones de hornos industriales, emanaciones procedentes de
materiales para construcción y procesos químicos,
son menos significativos en la agresividad de los ambientes de
interior [9].

Figura 2. Fuentes antropogénicas
de contaminación del aire de automóviles e
industrias.

Para poder determinar con mayor precisión la
acumulación de contaminantes con sus principales factores
de emisión y dispersión en el interior se
esquematiza en el balance que se muestra en la figura 3. La
acumulación de contaminantes del aire genera las
concentraciones en los interiores en base a las dimensiones de
masa/tiempo.

Figura 3. Balance de materia para el
análisis cuantitativo de la calidad del aire en
interiores.

El flujo de contaminantes se debe a la
infiltración del aire exterior como a la
recirculación. Si se obtienen valores apropiados con los
equipos especializados en todas las etapas del balance de
energía, se pueden estimar las concentraciones de interior
para diferentes procesos industriales [10]. Las fuentes
antropogénicas y naturales emiten gran diversidad de
contaminantes al aire y algunos son monitoreados en la ciudad de
Mexicali con equipos especializados de las Estaciones de
Monitoreo Ambiental (EMA) y portátiles, son:

a) Ácido sulfhídrico (H2S). Es un
gas tóxico y flamable, con un olor desagradable a huevos
podridos y genera rápidamente un daño a los
materiales metálicos aun a bajas concentraciones que
origina sulfidación. Las fuentes de emisión de este
gas se originan en el campo geotérmico de Cerro Prieto,
quema de combustibles y lagunas de oxidación en plantas de
tratamientos de aguas negras donde la materia orgánica es
sometida a procesos de descomposición (animal o vegetal).
Su reacción química típica de
formación de H2S, es la siguiente:

b) Bióxido de azufre (SO2). Es un producto
de la combustión de compuestos del azufre, en los
combustibles que afecta en gran medida a los ambientes de
exterior e interior de plantas industriales. En la ciudad de
Mexicali la principal fuente de emisión de este
contaminante es el parque vehicular. La oxidación del SO2
en presencia de NO2 genera H2SO4, siendo entonces promotor del
fenómeno de la lluvia acida

c) Monóxido de carbono (CO). Es un
compuesto químico inodoro e incoloro, producido por la
combustión incompleta de compuestos de carbón (C),
en plantas industriales y automóviles, como se
expresa:

d) Óxidos de Nitrógeno (NOX). Es un
grupo de gases reactivos que contiene nitrógeno y
oxígeno en diferentes cantidades, que son incoloros e
inodoros. Un compuesto particular de este grupo es el
bióxido de nitrógeno (NO2) proveniente de
automóviles que es la fuente de emisión mayor,
además de las provenientes de actividades comerciales,
domésticas e industriales, donde se queman combustibles
fósiles. Un ejemplo es el NO2, formado en la presencia de
ozono y óxido nitroso:

e) Ozono (O3). Es un contaminante del aire
proveniente de reacciones químicas que se generan en al
aire, presentándose en pequeñas concentraciones en
la atmósfera terrestre. A cierta altura de la superficie
terrestre forma una capa que no permite el paso de los rayos del
sol que producen mayor radiación solar y con ello
temperaturas elevadas. En algunas zonas del mundo esta capa se
esta deformando por la interacción con otro tipo de gases
contaminantes. Se forma entre otras por las siguientes
reacciones:

1.4 Influencia del tiempo de
humectación.

El tiempo de humectación (TH por sus siglas en
español y TOW, por sus siglas en ingles), es el tiempo en
el cual una superficie metálica permanece lo
suficientemente húmeda, para que se origine el
fenómeno de corrosión. Las condiciones de TH se dan
a valores de humedad relativa y temperaturas mayores a 80%
(humedad crítica) y 0° C respectivamente,
información que puede ser obtenida de las EMM (Estaciones
de Monitoreo Meteorológico) del exterior. El tiempo de
humectación es fundamental para determinar la velocidad de
corrosión. Para evaluar las categorías del tiempo
de humectación por niveles, se aplica el estándar
ISO 9223 [11], el cual esta también relacionado con la
contribución de contaminantes como cloruros, sulfatos y
los índices de corrosividad para el acero al carbono,
aluminio y cobre (Tabla 2).

Tabla 2. Nivel de categorías
del tiempo de humectación en metales.

Materiales y
métodos

La humedad y temperatura son los dos parámetros
climáticos más importantes relacionados con la
dispersión de contaminantes del aire. Para ello se cuenta
con información de contaminantes, temperatura y HR del
año 2009. En base a información estadística
de HR y temperatura se realiza un análisis de los niveles
de dispersión de contaminantes que influyen al estar muy
concentrados en algunas áreas de Mexicali, con un mayor
impacto en encambio climático de esta región. Es
importante mencionar que las condiciones climáticas,
principalmente la humedad y temperatura, originan la
corrosión. Siendo que el clima semi-árido en
Mexicali, Baja California, es muy caluroso y con noches muy
frías en el invierno. Los valores máximos y
mínimos registrados en periodos mensuales de humedad
relativa y temperatura de ambientes interiores muestran rangos
muy variados siendo menores de 10% y mayores a 90% para la HR, y
temperaturas de 0º C en la estación invernal hasta
casi los 50º C en los meses de junio a agosto. Los valores
mensuales del TH corresponden a niveles bajos y medios de
corrosividad, con los estándares ISO 9223 e ISO 11844-1
[12, 13].

Resultados del
trabajo

El agua existe en la atmósfera como fase liquida,
vapor y sólida. Al existir como vapor, se origina un aire
húmedo. Los niveles de humedad dependen de la
presión de vapor que existe en un ambiente
determinado.

3.1 Evaluación de la calidad del aire en
Mexicali.

Los niveles de humedad relativa y temperatura fomentan
el proceso e influyen en la dispersión de contaminantes
del aire de fuentes antropogenicas y naturales. En la
época de verano la polución atmosférica, en
base a temperaturas en el rango de 30°C a 42°C y niveles
de humedad relativa en el rango de 35% a 65%, se observa con
mayor intensidad, representando baja dispersión de
contaminantes del aire (o alta concentración en alguna
zona de polutantes), que muestra niveles de polución alta
y las áreas de color azul cielo en el grafico muestran
niveles de concentración en menor escala, teniendo un
efecto menor que en mayor concentración. Esto puede
originar un cambio drástico en el clima y con ello la
posibilidad de movimientos sísmicos. Por otro lado, en el
invierno, a temperaturas de 2°C a 12º C y niveles de
humedad de 35% y 70%, se presentó una mayor incidencia de
condensación de agua sobre la superficie metálica.
En la época de invierno, se tiene una mayor
contaminación del aire en rangos de temperatura de 2°C
a 13°C y humedad relativa de 34% a 70%, y en algunos valores
dispersos de T de 15°C a 20°C y HR de 45%, 75%. A
temperaturas de 23°C a 30°C, con niveles de humedad
relativa de 30% y 75%, se presenta una alta dispersión de
contaminantes del aire y un menor impacto de la polución
en el cambio climático. El análisis realizado en
esta investigación en la época de verano para la
dispersión de contaminantes del aire, indica que se
concentran en mayor escala, a temperaturas menores a los 20
º C. de los 20º C a los 35º C se empieza a
incrementar y al ser mayor a los 35? C y menor a 39º C, la
dispersión es mayor y con ello se tienen zonas de menor
concentración de polutantes del aire,
estabilizándose a partir de 40 los º C.

3.2 Análisis del Tiempo de Humectación
(TH). El tiempo de humectación obtenido con la humedad
relativa (HR) y temperatura de la ciudad de Mexicali, muestra
índices altos en algunos periodos de invierno y verano,
siendo un factor importante para saber el tipo de
corrosión que se presenta en los metales y los niveles en
que se incrementa la velocidad de corrosión. En este
proceso se forman celdas electroquímicas galvánicas
de corrosión, como por ejemplo en la unión del
platino y zinc (0.2 voltios), los cuales son capaces de originar
una falla eléctrica.

Figura 4. Tiempo de Humectación
por horas en la ciudad de Mexicali.

El nivel mínimo del tiempo de humectación
durante el periodo invernal se presentó en diciembre con
un valor de 58 ciclos y el máximo en febrero con 163
ciclos, en un rango de temperaturas en ambientes exteriores de
4°C a 24°C, originando que en ambientes interiores, se
formará una película húmeda en la superficie
metálica, que origina un proceso de corrosión
uniforme. En julio y agosto la humedad relativa es mayor al 80%,
y con temperaturas mayores a los 35? C, se forman gotas en
algunas áreas de la superficie metálica, generando
corrosión en zonas selectivas del metal, principalmente
por picaduras. El tiempo de humectación en el verano fue
de 47 ciclos como valor mínimo en junio y un máximo
de135 ciclos en el mes de agosto (Figura 4). Este factor es muy
indispensable para conocer la cinética de la
corrosión que se presenta en materiales metálicos
usados en la industria electrónica, siendo ésta
mayor en verano que en invierno. Aun cuando el TH se presento en
un nivel mayor en febrero que en agosto, la velocidad de
corrosión fue mayor en el mes de verano que en el de
invierno por el efecto de la temperatura la cual fue mayor a
35° C. Para la obtención de ciclos del tiempo de
humectación de los parámetros climáticos en
esta ciudad, se consideraron valores de HR > 70% para
cualquier época y se tomo en cuenta los niveles de
temperatura en verano de exterior que influye en el ambiente de
interiores, con la combinación con contaminantes del aire
como sulfuros y cloruros, para observar el proceso de
corrosión en los metales evaluados. El fenómeno es
más detectable en los meses de febrero (15%), agosto
(12%), julio (11%), octubre (11%), septiembre (11%), noviembre
(9%) y enero (8%). En el periodo anual restante, el tiempo de
humectación presenta índices menores, pero no se
descarta que pueda generarse en un menor grado corrosión
en los metales (Figura 5).

Figura 5. Distribución porcentual
del comportamiento del TH (2009).

El clima en invierno presenta variaciones en periodos
horarios, ocasionando que por la mañana y noche se
presenten temperaturas cercanas a los 0°C, que es en el
periodo en el cual una superficie metálica permanece
húmeda y al medio día puede llegar a los 25°C,
originando que la película formada en el metal disminuya
su grosor y la velocidad de corrosión sea menor. En la
época de verano, los rangos de temperatura van desde los
25°C por la mañana y noche, alrededor de los 45° C
al mediodía y atardecer, originando que el metal este
húmedo en ciertas zonas y no en su totalidad.

Conclusiones

Las variaciones de humedad relativa en el rango de 40% a
90% y temperaturas que oscilan entre 0°C y mayor de 35°C,
aunados a concentraciones de contaminantes del aire como
sulfuros, que sobrepasan las normas estándares de calidad
del aire, generan corrosión. Las partículas y gases
contaminantes que se depositan en superficies metálicas de
micro componentes electrónicos, provienen de procesos
industriales de las diversas empresas de la localidad, zonas con
altos niveles de contaminación del aire por el gran
tráfico vehicular citadino, almacenes, oficinas y
áreas donde se originan ambientes húmedos. Por
ejemplo la sulfidación de la plata por H2S, se origina en
zonas secas y ambientes húmedos. Cuando los niveles de
humedad son mayores al 70% lo que se conoce como tiempo de
humectación.

En Mexicali los periodos con condiciones de TH con
valores máximos fueron en el mes de febrero y agosto, a de
las 3 a.m. a las 10 a.m. en el mes de febrero con 163 horas/mes y
de las 2 a.m. a las 6 a.m. en agosto con 135 horas/mes, donde la
humedad es mayor al 70% en la mayor parte de los días de
cada mes. Con niveles altos del tiempo de humectación,
como los que se presentan en esta ciudad, se forma una
película delgada en superficies metálicas,
originando el proceso electroquímico, y conforme el valor
se acerca al 100%, la película es más gruesa, por
lo que la duración del tiempo en que ocurre este proceso
se define como el tiempo de humectación.

Para el análisis de la correlación de los
factores climáticos y atmosféricos utilizados en la
investigación con gráficos tridimensionales, se
utilizó el MatLab donde se observa en ciertos rangos de
humedad relativa y temperatura, y a ciertos niveles de las
concentraciones de los contaminantes del aire monitoreados en
esta ciudad, la velocidad de corrosión es baja y en
valores críticos de los tres parámetros
mencionados, ésta aumenta considerablemente. La
aplicación del MatLab es una nueva metodología que
puede ser utilizada para el análisis de corrosión
atmosférica en zonas desérticas y
semi-desérticas, como quedó demostrado en esta
investigación.

Bibliografía

1. López Badilla Gustavo, "Caracterización
de la corrosión en materiales metálicos de la
industria electrónica en Mexicali"", Mexicali, B.C.,
Mexico, 2008, 115 paginas (Tesis Doctoral).

2. B.G. Lopez, S.B. Valdez, K.R. Zlatev, P.J. Flores,
B.M. Carrillo and W.M. Schorr; "Corrosion of metals at indoor
conditions in the electronics manufacturing industry",
Anti-Corrosion Methods and Materials, 54/6, 2007,
354–359, ISSN 0003-5599.

3. NAAQS- National Ambient Air quality Standards; U.S.
Environmental Protection Agency (EPA); consultado en: http://www.epa.gov/air/criteria.html;
[consultado en agosto de 2010].

4. Annual Book of ASTM Standards (G4, G15, G31), Section
Three; Metals Tests Methods and Analytical Procedures, Vol.
03.01; 2001.

5. Ashrae, Handbook, Heating, Ventilating, and
Air-Conditioning, Applications; American Society of Heating,
Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc.;
1999.

6. Asociación de Maquiladoras de Mexicali-AMAQ,
Departamento de Estadística, Reporte Anual de la Industria
en Mexicali, Gobierno Municipal; 2008.

7. Nishikata A. and Ichihara Y, The effect of Time of
Wetness (TOW) in metallic components; Corrosion Science;
No. 37, 1995, paginas 134-138.

8. Velasco, L., La contaminación
atmosférica de las grandes urbes, Ciencia y Desarrollo,
marzo-abril, 1996.

9. Camuffo, D. and Bernardi, A., Controlling the
Microclimate and the Particulate Matter inside the Historic
Anatomic Theatre, Padova. Museum Management and
Curatorship, 1997, paginas 285-298.

10. Morcillo, M., Evaluación de la
polución ambiental en interiores de empresas, Madrid,
España; Revista Iberoamericana de Corrosión;
No. 17, Vol 42, 1996, paginas 112-115 .

11. ISO 9223:1992, Corrosion of metals and alloys,
Corrosivity of Atmospheres, Classification.

12. ISO 11844 PART 1. Corrosion of metals and alloys-
Classification of low corrosivity of indoor atmospheres-
Determination and estimation of indoor corrosivity.

13. ISO 11844 PART 2. Corrosion of metals and alloys-
Classification of low corrosivity of indoor atmospheres-
Determination and estimation attack in indoor
atmospheres.

RESEÑA. GUSTAVO LOPEZ BADILLA, nacido en
la ciudad de Santa Ana, Sonora, en el noroeste de Mexico, con
estudios de licenciatura en Ingeniería en
Electrónica con la tesis de ""Análisis de
producción en la industria electrónica de la ciudad
de Mexicali"", maestría en Ingeniería de Sistemas
con la Especialidad en Medio Ambiente con la tesis de
maestría ""El PM10 y su efecto en las Enfermedades
Respiratorias en Mexicali, B.C."", Doctorado en Química
Industrial: Corrosión y Materiales con la tesis
""Corrosión en componentes y sistemas electrónicos
de empresas en Mexicali"", en el Instituto de Ingeniería
– UABC y una estancia de Postdoctorado en el Departamento
de Fisicoquímica en el Centro de Nanociencias y
Nanotecnología–UNAM con el tema ""Análisis
fisicoquímico materiales afectados por corrosión en
empresas de zonas áridas y marinas"", y siendo miembro
como Candidato del Sistema Nacional de investigadores (SNi) en
México. Con experiencia de 6 anos en la industria y 11
anos en la Investigación y Docencia en las áreas
básicas de Matemáticas, Física y
Química, y vinculación con empresas principalmente
del ramo electrónico de la región noroeste de
México. Asistencia a más de 20 congresos nacionales
e internacionales y más de 35 publicaciones de
divulgación, técnicas y científicas.
Participante en la elaboración de dos libros con
capítulos.

Autor:

Gustavo López
Badilla

1 Investigador Académico, Academia
de Ingeniería y Medio Ambiente, UNIVER, Plantel Oriente,
Mexicali, B.C.