Hojas de datos EPA: Óxidos de Nitrógeno (NOx), ¿Por Qué y Cómo Se Controlan?

La EPA ha establecido las National Ambient Air Quality Standards – NAAQS (Normas Nacionales de Calidad del Aire Ambiental), para el NO₂ y el ozono troposférico. Las NAAQS definen los niveles de calidad del aire que son necesarios, con un margen razonable de seguridad, para proteger la salud pública (norma primaria) y el bienestar público (norma secundaria) de cualquier efecto adverso conocido o anticipado de la contaminación. La norma primaria y secundaria para el NO₂ es de 0.053 partes por millón (ppm) (100 microgramos por metro cúbico) de concentración anual aritmética promedio.

El ozono troposférico ha sido y sigue siendo un problema significativo de contaminación del aire en los Estados Unidos y es el principal constituyente del smog (la niebla visible que es el resultado de polución aérea contiene oxidantes fotoquímicos). Grandes porciones del país no cumplen con las normas NAAQS para el ozono y por lo tanto exponen a grandes segmentos de la población a niveles poco saludables de ozono en el aire. El NO₂ reacciona en la presencia del aire y la luz ultravioleta (UV) bajo la luz del sol para formar ozono y óxido nítrico (NO). A su vez, el NO reacciona con radicales libres en la atmósfera, que también son creados por la acción de la luz UV sobre compuestos orgánicos volátiles (COV). A su vez, los radicales libres reciclan NO a NO₂. De esta manera, cada molécula de NO puede producir ozono un múltiplo de veces.40 Esto continuará hasta que los COV sean reducidos a compuestos de cadenas cortas de carbón que dejan de ser fotoreactivos (una reacción causada por la luz). Una molécula de COV puede por lo general realizar esto unas 5 veces.
Además del interés por las NAAQS para el NO₂ y el ozono, los NOx y los óxidos de azufre (SOx) en la atmósfera son capturados por la humedad para formar lluvia ácida. La lluvia ácida, junto con la deposición seca y de nubes, afecta severamente ciertos ecosistemas y afecta directamente a
algunos sectores de nuestra economía. Todos estos factores indican una necesidad obvia de reducir las emisiones de NOx. Sin embargo, para realizarlo con éxito, debemos entender la generación y el control de la “familia NOx” de contaminantes del aire.

El nitrógeno molecular diatómico (N₂) es un gas relativamente inerte que compone alrededor del 80% del aire que respiramos. Sin embargo, el elemento químico nitrógeno (N), en forma monoatómica, puede ser reactivo y poseer niveles de ionización (llamados estados de valencia) desde más uno a más cinco. Por esto el nitrógeno puede formar varios óxidos diferentes. Usando el modelo Niels Bohr del átomo, el estado de valencia se relaciona al número de electrones que están deficientes (valencia positiva) o en exceso (valencia negativa) en el ion en comparación con la molécula neutral. La familia de compuestos NOx y sus propiedades se enumeran en la Tabla 1..

Tabla 1. Óxidos de Nitrógeno (NOx)

Los iones oxígeno se encuentran siempre con una valencia de menos 2. Dependiendo del número de iones de oxígeno (siempre balanceados por el estado de valencia del nitrógeno), los NOx pueden reaccionar ya sea para agotar o para incrementar las concentraciones de ozono. El ion nitrógeno en estos óxidos en realidad efectúa una danza en la que tiene (en ocasiones diversas) varios números de iones de oxígeno como compañeros. El nitrógeno cambia sunúmero de compañeros cuando cambia su nivel de energía de ionización, Esto sucede siempre que el NOx: (1) es golpeado con un fotón de radiación ionizadora (UV o luz de longitud de onda corta); (2) es golpeado con suficientes fotones como para transferir juntos la energía suficiente para cambiar su nivel de ionización; (3) es catalizado; (4) es estimulado suficientemente por energía termal infraroja (IR); (5) reacciona con un radical químicamente oxidante o reductor (un fragmento ionicado de una molécula); o (6) reacciona con un ion químicamente oxidante o
reductor (un átomo con una carga eléctrica desbalanceada).

Cuando cualquiera de estos óxidos se disuelve en agua y se descompone, forma ácido nítrico (HNO₃) o ácido nitroso (HNO₂). El ácido nítrico forma sales de nitrato cuando es neutralizado. El ácido nitroso forma sales de nitrito. De esta manera, los NOx y sus derivados existen y reaccionan ya sea como gases en el aire, como ácidos en gotitas de agua, o como sales. Estos gases, gases ácidos y sales contribuyen en conjunto a los efectos de contaminación que han sido observados y atribuidos a la lluvia ácida.

El óxido nitroso (N₂O), el NO, y el NO₂ son los óxidos de nitrógeno más abundantes en el aire. El N₂O (también conocido como gas hilarante) es producido abundantemente por fuentes biogénicas tales como las plantas y levaduras. Es sólo levemente reactivo, y es un analgésico (o sea, a diferencia de un anestésico aún siente usted dolor, pero se siente tan bien que no le molesta). El N₂O es una sustancia agotadora de nitrógeno que reacciona con el O₃ tanto en la tropósfera (o sea, por debajo de los 10,000 pies sobre el nivel del mar) como en la estratósfera (50,000 – 150,000 pies). El N₂O tiene un largo período de vida, estimado entre 100 y 150 años.

La oxidación del N₂O por el O₃ puede ocurrir a cualquier temperatura y genera a la vez oxígeno molecular (O₂) y NO o dos moléculas de NO unidas como su dímero, el bióxido de dinitrógeno (N₂O₂). Después el NO o N₂O₂ se oxida rápidamente (en alrededor de dos horas) a NO₂. El NO₂ a su vez crea una molécula de ozono a partir de una molécula de oxígeno (O₂) cuando es golpeado por un fotón de energía ionizadora proveniente de la luz solar. El N₂O es también un “Gas de Invernadero” que, como el bióxido de carbono (CO₂), absorbe la radiación infraroja de longitud de onda larga para retener el calor que irradia la Tierra, y de esa manera contribuye al calentamiento global.

Las emisiones de NOx provenientes de la combustión son principalmente en la forma de NO. De acuerdo a las ecuaciones Zeldovich, el NO es generado hasta el límite del oxígeno disponible(alrededor de 200,000 ppm) en el aire a temperaturas por encima de 1300-C (2370-F). A temperaturas menores de 760-C (1,400-F), el NO es generado a concentraciones mucho más bajas o no se genera en absoluto. El NO de combustión es generado en función de la relación aire a combustible y es más pronunciado cuando la mezcla está del lado magro en combustible de la relación estequiométrica 50 (la relación de las sustancias químicas que entran en reacción).

Las ecuaciones Zeldovich son:

N₂ + O – NO + N
N + O₂ – NO + O
N + OH – NO + H

A excepción del NO proveniente del suelo, los relámpagos, y los incendios naturales, el NO es antropogénico (o sea, generado por la actividad humana) en su mayor parte. Se cree que las fuentes biogénicas son responsables de menos del 10% de las emisiones totales de NO. El NO produce la misma interrupción en la absorción del oxígeno por la sangre que el monóxido de carbono (CO). Sin embargo, puesto que el NO es sólo geramente soluble en agua, no presenta amenaza real alguna excepto a infantes e individuos muy sensibles.

El NO₂ se encuentra presente en la atmósfera y en la lluvia ácida. Produce ácido nítrico (HNO₃) al disolverse en agua. Cuando el NO₂ reacciona con un fotón para hacer que el O₂ se vuelva O₃, el NO₂ se transforma en NO. Este NO es a su vez oxidado en cuestión de horas a NO₂ por medio de radicales provenientes de la fotoreacción de COV. Por lo tanto, nuestra concentración actual de ozono es el producto de la contaminación tanto de NOx como de COV.

El trióxido de dinitrógeno (N₂O₃) y el tetróxido de dinitrógeno (N₂O₄) existen en concentraciones muy bajas en el gas de chimenea. Sin embargo, existen en concentraciones tan bajas en la atmósfera que tanto su presencia como su efecto son ignorados con frecuencia. El N₂O₄ es un par de moléculas de NO₂ unidas (otro dímero) y reacciona como el NO2; así, la presencia de N2O4 puede ser enmascarada por el más abundante NO₂.

El pentóxido de dinitrógeno (N₂O₅) es la forma más altamente ionizada de óxido de nitrógeno. Es generado en el aire en una concentración muy baja, a menos que sea emitido por algún proceso (tal como una instalación productora de ácido nítrico) que esté diseñada específicamente para generarlo. El N₂O₅ es altamente reactivo, y forma ácido nítrico (HNO₃) cuando se descompone en el agua.

Algunos expertos creen que el NO₂ es un buen suplente para los NOx porque el NO se convierte rápidamente en NO₂, y el N₂O tiene un período de vida tan largo porque no es tan altamente reactivo. Otros creen que debido a su participación en la formación del ozono, tanto el NO como el NO₂ deben ser considerados NOx. Aún otros creen que todos los óxidos de nitrógeno (incluyendo el N₂O) necesitan ser reglamentados. El NO y el NO₂ son ciertamente las formas más abundantes de NOx y provienen en su mayor parte (pero no exclusivamente) de fuentes antropogénicas. El N₂O es biogénico en su mayor parte, y como tal no está sujeto a regulación. Para propósitos ambientales, el uso de la concentración de NO₂ como un suplente de la concentración de NOx ha parecido ser suficiente, debido a que es el precursor para el ozono.