Aspectos de la medición del ph del agua de lluvia

Transcripción

1 Aspectos de la medición del ph del agua de lluvia Bluhm Gutiérrez, Jorge a ; Núñez Peña, Ernesto Patricio a ; Valle Rodríguez, Santiago a ; Aguirre Bañuelos, Carlos; Magallanes Quintanar, Juan de Dios a a Miembros del Cuerpo Académico Investigación y Sustentabilidad de Recursos Naturales, de la UACT, UAZ Resumen La detección y control de la contaminación es un requerimiento indispensable para la preservación de la salud de la población. La acidez pronunciada de la lluvia proviene de la reacción de contaminantes del aire, primariamente óxidos de azufre y óxidos de nitrógeno, con el agua presente en la atmósfera para formar ácidos fuertes (como los ácidos sulfúrico y nítrico). Las principales fuentes de estos contaminantes son los vehículos motores y las plantas industriales y de generación de energía. La acidez de la lluvia es medida mediante la recolección de muestras de lluvia con la respectiva medición de su ph. Existen varios efectos nocivos de la lluvia ácida. En primer lugar, genera la acidificación de las fuentes naturales de agua, provocando la afectación y en algunos casos la disminución de la vida silvestre en todas sus formas, además de perjudicar las condiciones de las fuentes de suministro de agua para abastecer a la población. También da lugar a una lixiviación de los nutrientes del suelo. Esta desmineralización generada por la lluvia ácida puede provocar una pérdida de productividad en los cultivos y en las masas boscosas, así como perjuicios en la vegetación natural. Uno de los efectos visibles de la contaminación y la lluvia ácida es el deterioro acelerado de construcciones y monumentos. La contaminación del aire, particularmente en áreas urbanas, podría acelerar el ritmo natural y normal del deterioro de cualquier clase de roca, por lo que prematuramente se perderían edificios y esculturas de gran valor histórico y cultural. Los efectos negativos de la lluvia ácida generan implicaciones económicas, debido a que ocasiona la acidificación de suelos y aguas, causando la destrucción o degradación de los recursos naturales.

2 Con el objetivo de comenzar con la recolección y análisis de datos de la acidez de la lluvia en territorio Zacatecano, se ha efectuado la instalación y puesta en marcha de una estación de medición manual del ph del agua de lluvia. Palabras clave: Lluvia ácida, agua de lluvia, medición del ph, atmósfera. Introducción La calidad del aire es un elemento esencial para la salud y bienestar humano y de los ecosistemas. Diversos fenómenos naturales alteran dicha calidad al introducir un variado número de contaminantes. Pero la dimensión de esta contribución a la contaminación severa del aire que caracteriza, sobre todo, a las áreas urbanas altamente industrializadas y con una gran densidad vehicular, es menor en general comparada con la contribución de las actividades humanas [7]. Uno de los problemas ambientales al que nos enfrentamos actualmente es el de la lluvia ácida. Un fenómeno que no solo es de interés ambiental, sino de gran importancia económica, por sus efectos sobre los ecosistemas y las edificaciones del hombre [5]. La lluvia ácida es una forma de contaminación ácida, que hace referencia a la caída (deposición) de ácidos presentes en la atmósfera a través de la lluvia, niebla y nieve (también conocida como deposición húmeda) [8] El término lluvia ácida fue acuñado en 1872 por el químico británico Robert Angus Smith, con base en sus estudios sobre el aire de Manchester, Inglaterra. Pero no fue sino hasta que se creó una red de vigilancia de la calidad de la lluvia en el norte de Europa, en la década de 1950, cuando se reconoció la incidencia generalizada de la lluvia ácida [6]. El fenómeno de la lluvia ácida se refiere a la precipitación que es significativamente más ácida que la lluvia natural (la lluvia que no está contaminada), la cual a su vez es algo ácida, debido a la presencia en ella de dióxido de carbono atmosférico, el cual forma ácido carbónico: CO 2 (g) + H 2 O(ac) H 2 CO 3 (ac)

3 ácido carbónico El H 2 CO 3 se ioniza parcialmente para liberar un ión hidrógeno, con la consecuente reducción en el ph del sistema: H 2 CO 3 (ac) H + + HCO 3 - ácido carbónico ión bicarbonato Debido a esta fuente de acidez, el ph de la lluvia natural (no contaminada) es alrededor de 5.6 [1]. Los estudios de las lluvias en los países europeos han demostrado una tendencia creciente a registrar mayores acideces en las lluvias, con valores de ph que van de 3 a 5. Esta mayor acidez se debe a que la lluvia absorbe ácido sulfúrico y nítrico que se forman en la atmósfera a partir de contaminantes del aire de óxidos de nitrógeno y óxidos de azufre [4]. La lluvia ácida se define como la que tiene un ph inferior a 5.6. Los lagos de agua dulce son un poco básicos. Un rango de ph de 6.5 a 8.2 es óptimo para la mayoría de los organismos, y por debajo de 5.0 es letal para muchas de las especies de peces [10]. Este tipo de contaminación ha mostrado no tener fronteras, en forma tal que los contaminantes generados en un país pueden tener impactos indeseables en los países vecinos [7]. La precipitación ácida, conocida también como lluvia ácida, es un fenómeno que ha surgido alrededor de los centros urbanos e industriales, sin que ello signifique que sus efectos se circunscriban únicamente a estas áreas, sino que se dejan sentir también a cientos de kilómetros del lugar de origen de sus precursores. Dicho fenómeno es el producto de la incorporación de compuestos químicos a la atmósfera, que en contacto con la humedad existente en ella forman ácidos. El origen de dichos compuestos puede ser antropogénico o natural [7]. Los óxidos de azufre (SO x ) y los óxidos de nitrógeno (NOx) son emitidos por las termoeléctricas, los motores de combustión interna de coches y aviones y algunas otras industrias, como producto de la combustión de combustibles que contienen pequeños porcentajes de azufre (S) y nitrógeno (N), como el carbón, gas natural, gas oil, petróleo, etc. [8].

4 La lluvia ácida se produce (siguiendo la dirección del viento) en las áreas de importantes emisiones industriales de dióxido de azufre (SO 2 ) y de óxidos de nitrógeno (NO x ). Después de que el SO 2 y los NO x se depositan en la atmósfera, se transforman en partículas de sulfato o de nitrato, y más tarde se combinan con vapor de agua en ácidos sulfúrico o nítrico diluidos. Estos ácidos retornan más tarde al suelo en forma de rocío, llovizna, niebla, nieve y lluvia [6]. La presencia creciente de estos ácidos se atribuye al aumento en las emisiones de SO 2 y los NO x que han ocurrido desde 1940 con el mayor uso de combustibles fósiles en los países industrializados. Una alta proporción de derivados del ácido nítrico indica que las fuentes móviles son responsables, mientras que una alta proporción de derivados del ácido sulfúrico sugiere que proviene de fuentes estacionarias. Con frecuencia las concentraciones de sulfatos y nitratos formados en la atmósfera son bajas, pero el efecto de deposición es acumulativo [11]. En general, la lluvia ácida precipita lejos de la fuente de los contaminantes primarios: dióxido de azufre (SO 2 ) y óxidos de nitrógeno (NO x ). Estos ácidos se producen durante el transporte de las masas de aire que contienen los contaminantes primarios. Así pues, la lluvia ácida es un problema de contaminación que no respeta las fronteras estatales o nacionales, debido al transporte de largo alcance al que están sometidos los contaminantes atmosféricos. Por ejemplo, casi toda la lluvia ácida que precipita en Noruega, Suecia y Holanda se origina de la emisión de los óxidos de azufre y nitrógeno procedentes de otros países de Europa [1]. Efectos e importancia de la lluvia ácida La lluvia ácida constituye un indicador de la calidad del aire. También es posible conocer la relación entre las zonas que presentan éste fenómeno con daños observados a flora, fauna, salud humana y materiales para así continuar con las medidas de prevención y control e incluso hacerlas más estrictas. La deposición ácida contribuye a la reducción del ph en ecosistemas terrestres y acuáticos y permite la movilización de metales tóxicos, especialmente del aluminio. Esto ocasiona una variedad de efectos, como son daños a bosques y suelos, peces y otros seres vivos, materiales de construcción y a la salud humana. Asimismo, la lluvia ácida actúa reduciendo la visibilidad. En los bosques, la lluvia ácida produce daños al descomponer los nutrientes del suelo, dificultando el crecimiento natural de los árboles. El daño se puede

5 extender a los pastos de las praderas, perjudicando al ganado, y a los lagos, pudiendo ocasionar la muerte de gran cantidad de peces. Los efectos de la lluvia ácida en el suelo pueden verse incrementados en bosques de zonas de alta montaña, donde la niebla contribuye a aportar cantidades importantes de los contaminantes ácidos. La lluvia ácida contribuye a la degradación de los materiales de construcción y artísticos (mal de piedra) y la corrosión metálica. Los monumentos y edificios son sensibles a la acción de la lluvia ácida. Muchas ruinas han desaparecido o están por de hacerlo, a causa de este factor. El daño que produce a las personas es principalmente indirecto, mediante el consumo de peces y agua potable contaminados por la lluvia ácida [8]. La deposición ácida puede tener muchos efectos de estrés sobre los organismos acuáticos: incapacidad para reproducirse, daños en las agallas (que causan problemas respiratorios), incapacidad de eclosión de los huevos, interferencia en la absorción de Ca (en los moluscos) [3]. El efecto más importante de la lluvia ácida en los sistemas acuáticos es el descenso de las poblaciones de peces, perjudicando al medio y a la economía del sitio. Otros efectos de la lluvia ácida relacionados con el agua incluyen los que se producen en los seres humanos que comen peces con una mayor concentración de metales en su carne y la reducción de ciertos grupos de zooplancton, algas y plantas acuáticas, todo lo cual trastorna la cadena alimenticia de los lagos. Las altas concentraciones de aluminio en las aguas acidificadas suelen ser el agente que mata a los peces y quizá otras biotas sensibles, como los crustáceos del plancton. En los lagos alcalinos o casi neutros las concentraciones de aluminio son muy bajas [6]. En la actualidad, las precipitaciones ácidas adquieren gran importancia, pues sus efectos pueden ser irreversibles y acabar con lagos, ríos, bosques (sin excluir reservas naturales, áreas protegidas o parques nacionales), zonas arqueológicas, monumentos históricos, edificios, estructuras metálicas, así como los ecosistemas asociados a ellos, entre otros [7]. Ubicación del sitio La Ciudad de Zacatecas está localizada en la región central del Estado del mismo nombre, presenta lluvias en verano y un porcentaje de lluvia invernal entre 5 y 10.2%. La precipitación media anual tiene un rango entre 400 y 700 mm. La temperatura media anual es menor de 18ºC.

6 La mayor incidencia de lluvias se registra en el mes de agosto, con un rango entre 70 y 80 mm. Los meses más secos son febrero y marzo, ambos con una precipitación menor de 5 mm. La máxima temperatura corresponde a mayo, con un valor que oscila entre 17 y 18ºC; la temperatura mínima se presenta en enero, con un valor entre 10 y 11ºC; El suelo presente en la zona se clasifica como Xerosol haplico [9]. (Síntesis Geográfica de Zacatecas). La estación de medición del ph del agua de lluvia fue instaladaa en la Unidad Académica de Ciencias de la Tierra. Su ubicación geográfica es 22º de latitud norte y 102º de longitud oeste y la estación se encuentra a una altitud de 2411 m sobre el N.M.M. Figura 1.- Mapa de ubicación del sitio de muestreo. Metodología de medición del ph del agua de lluvia Para efectuar mediciones del ph del agua de lluvia se instaló un pluviómetro, con su base correspondiente, en la Unidad Académica de Ciencias de la Tierra de la UAZ (Ciudad de Zacatecas, Zacatecas, México). El pluviómetro debe ubicarse en un área abierta, suficientemente lejos de edificios, árboles, cubiertas y otras obstrucciones que pudieran causar contaminación o desviar la precipitación. La lluvia que cae de azoteas o árboles recoge productos químicos, los cuales pudieran afectar al ph [2]. Para contar con un volumen significativo de precipitación donde se pudiera realizar la medición del ph, sólo se consideraron precipitaciones de 1.0 mm o más. El proceso de medición y registro se efectúa siguiendo estos pasos: 1º Se lee directamentee en el pluviómetro la precipitación ocurrida, en mm.

7 2º Se vacía el agua de precipitación recolectada en el pluviómetro a un vaso de precipitado, para estimar el volumen almacenado, en ml. 3º Se registra el día y la hora de medición. 4º Se utiliza un medidor portátil de ph y temperatura (en ºC). Para estabilizar el medidor, se introduce en una solución buffer de referencia 4.01 antes de efectuar la lectura, se procede a su secado y luego se introduce al vaso de precipitado donde está el agua de lluvia recolectada. 5º Se registran todos los datos obtenidos en un libro de registro. Foto 1.- Pluviómetro para captar la precipitación.

8 Foto 2.- Medición de ph y temperatura del agua de una tormenta en particular. Corrección por temperatura del ph Al efectuar la medición del ph, se tiene que está medición se ve afectada por la temperatura ambiente. Para la medición del ph se utilizará ph10 Pen-Style ph de la marca YSI, el cual cuenta con compensación automática de temperatura de 0.0 a 99.9ºC. Además el aparato cuenta con sensor de temperatura, lo que permite registrar a que temperatura se está realizando la toma de la lectura del ph. El aparato utilizado se calibra con tres buffers (soluciones) con valores de ph de 10.01, 7.00 y 4.01.

9 Foto 3.- ph10 Pen-Style ph y buffers (soluciones) de calibración. Conclusiones La medición del ph del agua de lluvia es importante para detectar procesos de contaminación, principalmente ocasionados por óxidos de azufre y óxidos de nitrógeno. La lluvia ácida (conocida también como deposición húmeda) genera la acidificación de los cuerpos de agua, perjudicando a los organismos que viven en ellos; también da lugar a la lixiviación de nutrientes del suelo, perjudicando a la flora que está ligada a él; también es responsable del deterioro acelerado de construcciones y monumentos sujetos a sus efectos. La lluvia ácida es un indicador de la calidad del aire. Es importante conocer los valores que toma en una región el ph del agua de lluvia, para evitar efectos irreversibles en lagos, ríos, bosques, monumentos de valor cultural, edificios y acuíferos. Debido a estos factores, se consideró tan importante medir este parámetro en la Ciudad de Zacatecas, con el propósito de llevar un registro histórico de su comportamiento y proponer las medidas necesarias de requerirse.

10 La experiencia que se adquiera con la medición y registro del ph pueden servir para plantear en el futuro una red de medición que comprenda los puntos de interés del Estado de Zacatecas. Bibliografía [1] BAIRD, C. Química ambiental. España, Editorial Reverté, [2] CAMPBELL G., WILDBERGER S. The Monitor s Handbook. USA, LaMotte Company, [3] DAVIS M. L., MASTEN S. J. Ingeniería y ciencias ambientales. México, McGraw- Hill Interamericana, [4] DICKSON, T. R. Química. Enfoque ecológico. México, Editorial Limusa, [5] GALLARDO TORRES A., GARCÍA GALVÁN L. Lluvia ácida. México, Gobierno del Distrito Federal, Publicación electrónica, [6] HENRY J. G., HEINKE G. W. Ingeniería ambiental. México, Prentice Hall, [7] INSTITUTO NACIONAL DE ECOLOGÍA. Aire. México, SEMARNAT, Publicación electrónica, [8] INSTITUTO NACIONAL DE ECOLOGÍA. Lluvia ácida. México, Dirección General de Investigación sobre la Contaminación Urbana y Regional, INE, Publicación electrónica, [9] SECRETARÍA DE PROGRAMACIÓN Y PRESUPUESTO. Síntesis Geográfica de Zacatecas. México, SPP, [10] TRAUTMANN N. Acid Rain Experiments. USA, Cornell University, Publicación electrónica, [11] WARK K., WARNER C. F. Contaminación del aire. Origen y control. México, Editorial Limusa, 2000.