Oxido de nitrógeno

Los óxidos de nitrógeno (o vapores nitrosos ) son compuestos químicos formados a partir de oxígeno y nitrógeno .

"  NO x "Es el término genérico que engloba a un grupo de gases altamente reactivos, todos conteniendo nitrógeno y oxígeno en diferentes cantidades, mientras que"  NO y Denota el conjunto más amplio de compuestos nitrogenados.

Definición y ejemplos

Oxido de nitrógeno
Grado de oxidación Fórmula bruta apellido
+5 N 2 O 5 Óxido nitroso
+4 NO 2
N 2 O 4		 Dióxido de nitrógeno
Tetraóxido de dinitrógeno
+3 N 2 O 3
N (NO 2 ) 3		 Trinitramida de óxido nitroso
+2 NO Monóxido de nitrógeno
+1 N 2 O
NO 2 N 3		 Monóxido de dinitrógeno
azida nitrilo
+1/2 NO 3 Nitrosil azida  (en)

A modo de ejemplo, para las calderas de biomasa , en la práctica, el término "  NO x » Monóxido de nitrógeno (NO), dióxido de nitrógeno (NO 2) y óxido nitroso (N 2 O), Siendo este último formado en los hogares que operan a temperaturas inferiores a 950  ° C .

Por el contrario, el pentóxido de dinitrógeno (N 2 O 5), Al estado sólido en las condiciones estándar de temperatura y presión , no pertenece a la familia de NO x .

Óxidos NO y NO 2son contaminantes atmosféricos regulados. También se agrupan bajo el término "  NO x ".

Los vapores nitrosos son tóxicos y constituyen una fuente creciente de contaminación del aire  : contribuyen al efecto invernadero y al cambio climático , son acidificantes y eutróficos  ; El NOx se ha convertido en la principal fuente de lluvia ácida (a medida que ha disminuido la contaminación por óxido de azufre ) y la acidificación del agua dulce .

Óxidos de nitrógeno y efecto invernadero

El óxido nitroso N 2 Oes un potente gas de efecto invernadero .

El dióxido de nitrógeno NO 2y otros NO xestán involucrados en la formación de oxidantes fotoquímicos ( ozono troposférico ). Esta forma de contaminación oxidativa, ácida y eutrófica del aire e indirectamente del agua y el suelo ha aumentado significativamente donde la radiación ultravioleta (fuente fotoquímica de ozono a nivel del suelo) es más intensa (debido al agujero en la capa de ozono ) y por efecto indirecto. en el aumento del efecto invernadero .

Óxidos de nitrógeno y contaminación del aire

Es importante distinguir los contaminantes del aire y los gases de efecto invernadero .

Entre los óxidos de nitrógeno , los principales contaminantes del aire son NO, NO 2  ; son los que son analizados por las redes de monitoreo de la calidad del aire  ;

La suma de estos dos contaminantes se agrupa además bajo el término NO x  :

NOO x= NO + NO 2 .

Sus emisiones se expresan en equivalente de NO 2 (o equivalente de NO 2 ).

El óxido nítrico es un gas incoloro, el dióxido de nitrógeno es un gas de color marrón rojizo.

Los NO x son precursores importantes para la formación de lluvia ácida , aerosoles secundarios y, cuando se combinan con compuestos orgánicos volátiles , oxidantes fotoquímicos (ozono a nivel del suelo, smog de verano).

Los NO x también son precursores involucrados en la formación de nitratos atmosféricos (rápidamente disueltos en aguas meteoríticas que luego se vuelven acidificantes y eutróficas) de acuerdo con la reacción NO 2 + O 3 → NO 3 + O 2 . Debido a que uno de los isótopos del oxígeno (δ (17) O, se coloca preferentemente al nivel del átomo supernumerario , Los análisis isotópicos podrían permitir comprender mejor este proceso que es esencialmente nocturno, que tiene lugar después del ozono ( O 3 ) se ha formado durante el día bajo la acción de los rayos solares UV).

Origen de la contaminación

El NO x proviene principalmente de la combustión de combustibles fósiles en el aire (que contiene casi un 80% de nitrógeno) a una temperatura superior a 1400  ° C ( motores térmicos o plantas de cemento , ciertos calentadores y ciertos vehículos con motores térmicos en particular, incluidos los catalizados y algunos industriales. procesos (producción de ácido nítrico , fabricación de fertilizantes , tratamiento de superficies ,  etc. ).

Se forman principalmente en cámaras de combustión y tienen tres orígenes (mecanismos descritos de forma simplificada):

térmico N 2 (aire) + O 2 → 2 NO cuando la temperatura de combustión, en presencia de aire, supere los 1.400  ° C  ; combustible R-NH 2 (nitrógeno combinado del combustible [por ejemplo, madera ]) + O 2 → NO + ... si N combinado en el combustible; NO aviso N 2 + CH → HCN + N luego NO después de diferentes pasos incluso a temperaturas más bajas.

El NO se transforma en presencia de oxígeno en NO 2 (del 0,5 al 10  % ) en la cámara de combustión. Esta reacción prosigue lentamente en la atmósfera y explica, en el caso de ciudades con mucho tráfico, el color pardusco de las capas de aire contaminado ubicadas a unos cientos de metros de altitud (acción conjunta del polvo).

El NO x contribuye al olor característico del aire urbano contaminado por el tráfico .

Efectos

Sobre salud

El NO 2 es fatalmente tóxico (40 veces más que el CO , 4 veces más que el NO). Penetra profundamente en los pulmones y es soluble en agua.

Las concentraciones máximas son más dañinas que la misma dosis distribuida durante un período prolongado. El NO es un gas irritante para los bronquios, reduce el poder oxigenante de la sangre.

Estas moléculas penetran fácilmente en los bronquiolos , afectan la respiración y provocan hiperreactividad de los bronquios en los asmáticos , así como una mayor vulnerabilidad de los bronquios a los microbios, al menos en los niños.

En caso de inhalación de humos nitrados de los humos de disparos de explosivos, utilizados en un lugar cerrado (en una cueva por espeleólogos o en una mina mal ventilada, por ejemplo, donde 1  kg de explosivo nitrado liberará de 0,1 a 3  litros de NOx (NO + NO2) "los síntomas inmediatos pueden limitarse a unos pocos trastornos irritativos: tos, hormigueo, lagrimeo, irritación de ojos y garganta; estos síntomas desaparecen tan pronto como el adicto sale al aire libre. A continuación, puede reanudar su exploración a pesar de un leve cansancio, pero de 2 a 36 horas después, corre el riesgo de presentar trastornos graves con la firma de un edema agudo de pulmón : tos , cianosis , expectoración rosada o amarillo salmón, ansiedad , sudores fríos, sed fuerte, la muerte ocurre en la mayoría de los casos en 24 a 48 horas. que los vapores nitrosos son solubles en agua ” .

En el medio ambiente

Como se mencionó anteriormente , el dióxido de nitrógeno NO 2 está involucrado en la formación de oxidantes fotoquímicos ( ozono troposférico ) e indirectamente en el aumento del efecto invernadero .

El NO y el NO 2 contribuyen al fenómeno de la lluvia ácida que consiste, entre otras cosas, en ácido nítrico ( ácido fuerte ).

La oxidación del NO producido por la combustión puede continuar en la atmósfera para formar NO 2  :

El NO 2 reacciona con el agua para dar una solución acuosa de ácido nítrico "  H 3 O + (acuoso) + NO 3 - (acuoso)" y monóxido de nitrógeno NO:

 :
  • (g) = gas;
  • (l) = líquido;
  • (aq) = ion acuoso hidratado = ion que ha fijado un número de moléculas de agua.
En Francia

El NOx es uno de los contaminantes preocupantes que Francia lucha por regular debido, entre otras cosas, a la gran cantidad de vehículos diésel en circulación. La ADEME , en un dictamen actualizadoMayo de 2018, recomienda controlar las necesidades de viaje, los modos de transporte (personas y mercancías), los tipos de movilidad, a favor de la movilidad suave organizada de tal manera que se desarrolle el autoservicio (bicicleta), el uso compartido del automóvil, los sistemas de vehículos compartidos (automóvil, bicicleta). .. asegurando al mismo tiempo mejorar la logística de la última milla .

Umbrales

La OMS recomienda no exceder:

  • 400 µg / m 3 de media durante 1  hora  ;
  • 150 µg / m 3 promedio por hora durante 24  horas .

En su tesis sobre prevención y rescate en espeleología (o se pueden generar vapores nitrosos mediante el uso de explosivos ) Mallard (1985) recomienda no respirar aire que contenga más de 10  ppm de vapores nitrosos (es decir, un estándar 10 veces más severo que el relacionado a monóxido de carbono (CO) que es 100  ppm .

Metrología

Los análisis para medir los niveles de óxidos de nitrógeno se realizan generalmente por quimioluminiscencia (que también es el método de referencia europeo), a través de la medición de la radiación producida por la reacción química entre las moléculas de monóxido de nitrógeno y las de ozono producidas por un generador de alto voltaje.

Para realizar esta medida, los gases pasan por un horno de conversión, que transforma NO 2 en NO que se suma al NO ya presente en los gases y luego reacciona con O 3, producido en otros lugares.

Normativas

Existen varias regulaciones europeas a nacionales, con el objetivo de respetar las convenciones o tratados internacionales, incluido el Protocolo de Gotemburgo y una Convención de la Comisión Económica para Europa de las Naciones Unidas (CEPE) sobre la contaminación atmosférica transfronteriza de largo alcance .

Los Estados miembros de la Unión Europea deben comunicar periódicamente un inventario de las emisiones del país de NO x (así como de SO 2 , COVNM y NH 3 , en un formato idéntico al que retiene la convención sobre contaminación atmosférica transfronteriza ).

Fuentes y devenir

General

La combustión de combustibles fósiles y biomasa , en estufas estacionarias, por un lado, y de combustibles gaseosos y líquidos en motores térmicos, por otro lado, genera emisiones de óxidos de nitrógeno (NO x ) si la temperatura de combustión supera los 1.300  ° C , incluso a nivel local.

Los principales emisores de NO x son el transporte por carretera (de ahí una política de reducción mediante convertidores catalíticos, por ejemplo) y las grandes plantas de combustión ( centrales térmicas , calefacciones ,  etc. ). Los volcanes, las tormentas eléctricas y los incendios forestales también contribuyen a las emisiones de NO x . En la atmósfera , los rayos producen NO x. Con NO y NO 2producidos por la combustión de combustibles fósiles o biomasa, pueden combinarse con agua y producir ácido nítrico HNOO 3, uno de los culpables de la lluvia ácida (ver la sección de efectos ambientales ).

El NO 2 se encuentra dentro de las habitaciones donde funcionan los aparatos de gas, como estufas de gas o calentadores de agua a gas .

El NO x también se produce durante la combustión de la madera . Estos óxidos de nitrógeno no proceden prácticamente de la oxidación del nitrógeno ( dinitrógeno ) en el aire ( origen térmico ), sino de la del nitrógeno contenido en la madera en forma de aminas y proteínas necesarias para el crecimiento de los árboles ( origen combustible ).

Debido a la tasa de nitrógeno que contiene naturalmente la madera , las emisiones de óxidos de nitrógeno son más importantes para las instalaciones de combustión de biomasa para calderas de fuel oil o gas .

En la década de 2000 , los vehículos se convirtieron en responsables de casi el 60% de las emisiones de nitrógeno.O x.

En 2007, China fue el primer país en emitir óxidos de nitrógeno.

Reducción de las emisiones de NO x de los motores de automoción

El catalizador ha reducido las emisiones de los automóviles (desde 1993 en Francia), pero con un impacto mitigado por el fuerte crecimiento del tráfico, el número de vehículos y la duración de la renovación del parque de vehículos. Los filtros y convertidores catalíticos son eficientes pero consumen metales "preciosos" y raros que pueden ser tóxicos (incluidos los metales del grupo del platino ) y los pierden en el medio ambiente . Además, en Europa, donde por razones fiscales la tasa de motores Diesel (catalizados desde 1996) es muy alta, este tipo de vehículos produce la mayor parte del NO x. Un estudio de la UE concluyó en 1990 que el 15% de NO xse debieron al transporte marítimo. A este ritmo, representarán el 23% de las emisiones en 2010. En Francia, el país donde la tasa de diésel es más alta, en 2010 el transporte por carretera fue responsable de alrededor del 55% de las emisiones de NO x según CITEPA, que lo convierte en uno de los primer responsable de la contaminación de las carreteras .

Reducción de las emisiones de NO x de las plantas de combustión

General

Existen dos tipos de técnicas: las llamadas técnicas primarias (acción sobre la combustión) y las llamadas técnicas secundarias (acción sobre el efluente gaseoso).

Técnicas primarias Limitan las emisiones interviniendo en la combustión. Se hará mención de la “bajo-NO x  ” quemadores , la recirculación de los gases de combustión , la inyección del combustible y / o del aire de combustión por etapas. La efectividad de estas técnicas oscila entre el 20 y el 60% (en el caso de que se combinen varias técnicas primarias). Técnicas secundarias Permiten obtener tasas de reducción mucho mayores.
Las dos tecnologías que realmente se han consolidado en el mercado son: redox no catalítico ( SNCR para reducción selectiva no catalítica ) permitiendo una reducción de al menos el 50% del flujo de contaminante, mediante la inyección de urea o amoníaco , en una zona específica de los humos  ; Reducción catalítica selectiva ( SCR en inglés para reducción catalítica selectiva ) permitiendo una reducción de al menos el 80% del flujo de contaminante, mediante una reacción química catalítica , siendo el catalizador regenerado periódicamente. Caso de dendroenergía

Como la temperatura de combustión es difícil de controlar en una estufa o chimenea (con o sin inserto), y cualquier temperatura de combustión superior a 1300  ° C genera NOx, es más probable que lo genere la energía de madera que las calderas. Que funcionan con gas natural o fueloil donde la temperatura de combustión es más fácil de controlar, su desarrollo, en el marco de la promoción de las energías renovables , “  juega un papel preponderante frente a otras energías en la evolución de las emisiones de NO x  ”.

suizo

La quema de madera "en instalaciones de calefacción ordinarias, sin filtros costosos, produce contaminantes locales adicionales del aire, especialmente polvo fino y óxidos de nitrógeno" . Los servicios de energía y el medio ambiente cantonales, en una información sobre la carga automáticamente calderas de madera ( Bolitas y patatas fritas ), Informe que “una caldera de madera emite mucho más PM 10 partículas y óxidos de nitrógeno NO x que un aceite caldera  ” .

El Instituto Paul Scherrer recomienda convertir la leña en gas natural sintético para reducir estas emisiones.

Francia

La combustión de biomasa tiene un impacto en la contaminación del aire , que debe reducirse de acuerdo con los compromisos nacionales para mejorar la calidad del aire . Un estudio, realizado en nombre de ADEME por CITEPA y "Energies Demain", evalúa las condiciones técnicas y económicas para un desarrollo controlado de la energía de biomasa permitiendo cumplir conjuntamente los compromisos adquiridos para mitigar el calentamiento global y mejorar la calidad del aire. De los veinte contaminantes atmosféricos estudiados, los NO x son los únicos contaminantes para los que se observa un aumento de emisiones para 2020 en los resultados de las simulaciones. El siguiente texto está tomado de este estudio:

“El tema de las emisiones de NO x debe ser monitoreado y controlado cuidadosamente, a pesar de que la biomasa en 2005 solo representó el 2% de las emisiones nacionales. Francia no solo no cumple con determinadas concentraciones límite en el medio ambiente, sino que también tiene muchas dificultades para cumplir con su techo de emisiones de NO x (ya sea el de 2010 o el de preparación para 2020). La renovación del parque de electrodomésticos genera mayores emisiones de NO x en comparación con la situación actual. Dado que la madera emite más NO x que los combustibles fósiles como el gas natural y el fueloil , la instalación de "de-NO x  " en instalaciones de gran capacidad podría estudiarse caso por caso para limitar las emisiones de NO. X . Dependiendo de los escenarios considerados, el coste de inversión adicional anual para equipar todas las nuevas calderas de biomasa con sistema de tratamiento de NO x se estima entre 52 millones de euros (sistema no catalítico o SNCR, permitiendo una reducción del 2 al 6% de las emisiones entre 2005 y 2020 ) y 280 millones de euros (sistema catalítico o SCR , que permite una reducción del 6 al 11% de las emisiones entre 2005 y 2020). " .

Comparación del factor de emisión de NO x de la calefacción de leña
con otros tipos de combustible
(sector doméstico, año 2005 - resumen 2009)
Madera energética Carbón Aceite de calefaccion Gas natural
NO x (g / GJ saliente) 126 72 60 58
Los factores de emisión de los dispositivos se expresan en g / GJ ( masa de NO x emitida por unidad de energía de salida ( giga joule (GJ))).

Efecto del dióxido de titanio

En Dinan , Francia, se construyeron 2.500  m 2 de pavimento incorporando una "lechada a base de cemento" que contiene dióxido de titanio (TiO 2), tratado químicamente, que ayuda a destruir el NO x.

Notas y referencias

  • Este artículo está tomado parcial o totalmente del artículo titulado "  NOx  " (ver lista de autores ) .

Notas

  1. En estado gaseoso, los dos compuestos están en equilibrio  :
  2. Ver efectos ambientales
  3. Ver el efecto invernadero
  4. Véanse las secciones "  Fuentes y devenir - General  " y "  Francia  ".
  5. de-NO x , o DeNO x  : sistemas de reducción de óxidos de nitrógeno.

Referencias

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Ver también

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