Monitoreo de NH3

El amoníaco (NH3) es un contaminante del aire común que muchas personas podrían no darse cuenta de que tiene implicaciones ambientales significativas. A pesar de su ausencia en numerosos criterios de calidad del aire global, incluidos los de la Organización Mundial de la Salud, el amoníaco sigue desempeñando un papel crucial tanto en la naturaleza como en la industria. Este gas incoloro, conocido por su olor distintivo y penetrante, es producido de forma natural por organismos vivos y es esencial para el crecimiento de las plantas y la salud del suelo como parte del ciclo del nitrógeno. Sin embargo, cuando no se gestiona adecuadamente, el amoníaco puede contribuir a desafíos ambientales como la contaminación del aire y del agua. Entender el amoníaco, sus usos y su impacto ambiental es esencial para tomar decisiones informadas sobre cómo interactuar con este poderoso compuesto en nuestra vida diaria y en las industrias. 

Vamos a sumergirnos en el mundo del amoníaco y explorar su importancia en la naturaleza y las actividades humanas. Este artículo cubre información sobre el amoníaco, sus fuentes en el aire ambiental, niveles permisibles, impacto en la salud y el medio ambiente, medidas correctivas posibles, la necesidad de monitores de amoníaco y diferentes métodos de monitoreo de NH3.

El amoníaco (NH3) es un gas venenoso con un átomo de nitrógeno y tres átomos de hidrógeno. Ocurre naturalmente en niveles traza, pero también puede ser generado a través de procesos industriales. El amoníaco se utiliza en la producción de fertilizantes, refrigeración y productos de limpieza. Se utiliza como materia prima para producir compuestos como el óxido nítrico. El amoníaco es un gas incoloro a temperatura ambiente con un olor muy penetrante e irritante detectable en concentraciones tan bajas como 1–5 ppm en la atmósfera.

El amoníaco (NH3) es un gas tóxico que puede ser irritante para los ojos, la nariz, la garganta y el tracto respiratorio. Inhalar grandes cantidades de NH3 puede ser fatal. Este gas altamente reactivo, corrosivo y alcalino se disuelve fácilmente en agua para formar hidróxido de amonio. Si bien no es altamente inflamable, puede explotar cuando se expone a altas temperaturas. Estos peligros potenciales destacan la necesidad de cautela y conciencia al tratar con amoníaco. 

Amoníaco en la atmósfera:

El NH3 es el gas alcalino más abundante en la atmósfera, liberado naturalmente del suelo por procesos bacterianos y materia orgánica en descomposición, incluyendo plantas, animales y desechos animales.  

En la atmósfera, el amoníaco reacciona con contaminantes ácidos, tales como los productos de las emisiones de SO2 y NOx, para producir aerosoles finos que contienen iones de amonio (NH4+). Si bien la vida atmosférica del NH3 es relativamente corta, puede ser transportado a distancias de menos de 10 a 100 km, mientras que el NH4+ puede ser transferido a distancias mucho mayores (100->1000 km) (Asman et al. 1998, Fowler et al. 1998)

La transformación del gas amoníaco en la atmósfera se basa en la reacción química con especies gaseosas ácidas que forman aerosoles de sal de NH4+, también conocidos como PM2.5 inorgánico secundario. El amoníaco gaseoso primero reacciona con ácido sulfúrico (H2SO4) para formar sulfato de amonio ((NH4)2SO4), y si hay más cantidad de amoníaco disponible, entonces reacciona con ácido nítrico (HNO3) para formar nitrato de amonio (NH4NO3). Estas reacciones dependen en gran medida de la concentración atmosférica de amoníaco (NH3), óxidos de nitrógeno (NOx), óxidos de azufre (SOx), temperatura y humedad. 

Además de la contaminación del aire, el amoníaco en el aire, cuando se absorbe en el agua, contribuye a la acidez, salinización y oxidación de los sales de amonio en los ríos, lo que afecta la vida marina. Debido a las menores emisiones de SOx en áreas urbanas, el nitrato de amonio formado por reacción con HNO3 es la principal fuente de material particulado fino, específicamente liberado de fuentes agrícolas.

Las principales fuentes de amoníaco son los procesos agrícolas, específicamente la fabricación de fertilizantes y la gestión de desechos ganaderos. El estiércol animal, que contiene NH3, se combina con otros materiales orgánicos inútiles, como heno y escorrentía de agua, para crear una suspensión. Esta combinación se deja reposar hasta que se convierte en un fertilizante natural. El amoníaco se produce de forma natural como un subproducto de este proceso. Como resultado, estas operaciones agrícolas provocan un aumento significativo en las concentraciones de NH3 en la primavera. Se estima que la agricultura representa entre el 80% y el 95% de las emisiones de amoníaco en los países desarrollados, que luego reaccionan con el H2SO4 mencionado anteriormente de SO2 y HNO3 de NOx para producir PM. De hecho, el amoníaco agrícola representa hasta el 50% de las partículas en las ciudades europeas y el 30% (EE. UU.) de la contaminación del aire PM2.5. (Katie et al., 2022)

También se encuentra en muchos productos de limpieza domésticos e industriales. 

• Emisiones Vehiculares: Las emisiones de NH3 de los vehículos se emiten junto con óxidos de nitrógeno (NOx) y pueden tener una vía más efectiva para la formación de partículas en entornos urbanos que el NH3 de las actividades agrícolas, que tienden a emitirse en regiones rurales de bajo NOx. La quema de gasolina emite de 0.30 a 0.47 g/kg de amoníaco a la atmósfera. La combustión de diésel contribuye con 0.34 a 0.50 g/kg. (Qijun et al., 2020).

Las dos principales fuentes de emisiones de NH3 de los vehículos de carretera son los vehículos de gasolina equipados con catalizadores y los vehículos diésel ligeros y pesados que dependen de la reducción catalítica selectiva (SCR). 

• Planta de Tratamiento de Aguas Residuales: El amoníaco en aguas residuales se refiere al nitrógeno en forma de amoníaco libre y amonio iónico, que se produce principalmente por la descomposición de materia orgánica que contiene nitrógeno en las aguas residuales residenciales, la síntesis de amoníaco y otras aguas residuales industriales, así como el drenaje agrícola. 

La oxidación de NH4+-N reduce la concentración de oxígeno disuelto en el agua, lo que resulta en agua oscura y maloliente y una reducción en la calidad del agua, lo que afecta la supervivencia de los animales y plantas acuáticas. 

El procesamiento de desechos de aguas residuales puede producir una gran cantidad de amoníaco. Si no se supervisa y controla, puede ser fatal.

• Fundamentos de la Producción de Amoníaco: El amoníaco (NH3) es un químico importante utilizado para fabricar fertilizantes, plásticos, tintes y muchos otros productos.
• El proceso Haber-Bosch, que transforma hidrógeno y nitrógeno en amoníaco, podría ser una de las reacciones químicas comerciales más significativas jamás desarrolladas. La tecnología hizo que el fertilizante de amoníaco estuviera ampliamente disponible, contribuyendo a un boom poblacional global al aumentar rápidamente los rendimientos agrícolas en un corto período.

A nivel mundial, la producción de amoníaco ha crecido significativamente en las últimas décadas, con una producción que supera los 180 millones de toneladas métricas anuales en los últimos años, según estimaciones de la industria. Entre el 75% y el 90% de este amoníaco se destina a la fabricación de fertilizantes, y aproximadamente el 50% de la producción de alimentos en el mundo depende del fertilizante de amoníaco. 

• Amoníaco en diversas industrias: El amoníaco es vital en muchas industrias debido a su versatilidad. En agricultura, se utiliza en fertilizantes para aumentar los rendimientos de los cultivos. La industria farmacéutica utiliza amoníaco en la producción de medicamentos, mientras que también sirve como refrigerante en la refrigeración y es clave en la fabricación de tejidos y agentes de limpieza. En petroquímicos, el amoníaco es un precursor de productos como urea, nitrato de amonio y plásticos. También ayuda a reducir las emisiones de azufre en procesos industriales mediante la desulfuración de gases de escape.

Las concentraciones de ruptura que describen la calidad del aire basadas en las concentraciones de amoníaco derivadas en India se indican a continuación. Aquí, los niveles promedio diarios de NH3 en el aire ambiente de hasta 400 µg/m3 (es decir, 0.574 ppm) se consideran satisfactorios.  

Tabla: Puntos de ruptura de NH3 (µg/m3) - 24 horas en India

[Fuente: Índice Nacional de Calidad del Aire Ambiente, CPCB (Oct 2014)]

Aparte de los límites ambientales, los límites de exposición permisibles de NH3 en términos de exposición ocupacional continua en interiores se indican a continuación:

El Límite de Exposición Permisible (PEL) dado por OSHA (Administración de Seguridad y Salud Ocupacional) define la concentración máxima de NH3 a la cual un trabajador no protegido puede estar expuesto. El PEL puede referirse a un promedio ponderado en el tiempo de ocho horas (TWA), a un límite de exposición a corto plazo (STEL) de 15 minutos, o a una concentración de límite de techo (CL) instantáneo que no puede ser excedida en ningún período. De manera similar, el Límite de Exposición Recomendado (REL) es el límite de exposición ocupacional recomendado por NIOSH (Instituto Nacional para la Seguridad y Salud Ocupacional), y los LTVs (es decir, valores umbral de límite) son las pautas de exposición dadas por ACGIH (Conferencia Americana de Higienistas Industriales Gubernamentales).

Concentraciones de Amoníaco y Efectos en la Salud: 

Conozca los riesgos. Manténgase informado sobre cómo diferentes niveles de exposición al amoníaco impactan su salud. 

Fuente - NAQI según CBCB. Valores promedios de 2 horas por hora

La tabla anterior describe la concentración de amoníaco en (µg/m3) con sus efectos en la salud.

Existen valores de límite de exposición ocupacional indicativos recomendados para la exposición al amoníaco, que varían según el país.

Impacto en la salud:

El gas amoníaco puede dañar la salud de un individuo porque es irritante y tóxico. Por lo tanto, es fundamental tomar las precauciones necesarias al manipularlo para evitar la exposición y proteger la seguridad humana. A continuación, se presentan algunos peligros comunes para la salud que se pueden experimentar si se está expuesto al gas amoníaco:  

• Cuando se inhala a niveles altos, el NH3 es un gas perjudicial que irrita el tracto respiratorio y los ojos. Además, incluso a concentraciones más bajas, puede causar irritación en la garganta y la piel.
• La exposición a altos niveles de amoníaco puede causar intoxicación, con síntomas como confusión, mareos y convulsiones, e incluso puede ser mortal en casos severos.
• La exposición crónica a niveles bajos de amoníaco puede tener potencialmente consecuencias a largo plazo para la salud, incluyendo bronquitis crónica, asma y daño pulmonar.
• La ingestión de amoníaco líquido puede llevar a problemas digestivos como náuseas, vómitos y dolor abdominal.
• Los niños son más vulnerables a la exposición al NH3 debido a su mayor tasa de respiración en relación con su peso corporal, lo que aumenta la dosis de amoníaco inhalado por kilogramo de masa corporal. Su altura más corta también los hace más propensos a inhalar vapores de NH3 que permanecen cerca del suelo.

Los efectos tóxicos asociados con la exposición a la concentración de NH3 se indican a continuación:

[Fuente de la visión general toxicológica del amoníaco, Salud Pública Inglaterra]

Impacto Ambiental:

El amoníaco contamina hábitats terrestres y acuáticos, causando eutrofización y acidificación. Cuando se utiliza como fertilizante, el nitrógeno en NH3 puede filtrarse en el suelo, aumentando su acidez e impactando negativamente el crecimiento de las plantas. Además, el NH3 puede evaporarse en el aire circundante, contribuyendo a la contaminación del aire y formando materia particulada dañina (PM2.5). Esto puede reducir la calidad del aire y plantear riesgos para la salud de las comunidades y los ecosistemas cercanos. Es peligroso para los organismos acuáticos; la acumulación de contaminantes en sus cuerpos causa la muerte. El aumento de los niveles de nitrógeno también induce el crecimiento excesivo de algas, que bloquea la luz y priva a las plantas de nutrientes, lo que resulta en su desaparición. 

Las plantas como los líquenes y los musgos son especialmente sensibles a los niveles de nitrógeno. Incluso un aumento modesto puede ser fatal. Esto tiene un impacto en la fauna circundante, que depende de estas especies para sobrevivir. 

Formación de Aerosoles Inorgánicos Secundarios (SIA): El amoníaco reacciona con H2SO4 y HNO3 presentes en la atmósfera para formar sales de amonio que permanecen en la atmósfera durante unos días hasta una semana como materia particulada antes de depositarse de nuevo en el suelo, impactando la salud humana y el medio ambiente a gran escala. 

Tenga cuidado, ya que los vapores de amoníaco son dañinos para el ganado. Los productores de ganado lechero, porcino y avícola que operan cerca o a favor del viento de una fuga o una liberación potencial deben ser notificados para que se tomen las acciones necesarias.

La acción principal es el monitoreo de NH3, es decir, medir cuántas concentraciones de NH3 estás expuesto. Además de esto, se pueden tomar las siguientes medidas correctivas:

• Evitar ir o permanecer en áreas bajas donde se produce o utiliza NH3, como granjas agrícolas o avícolas.
• Para evitar la exposición, los trabajadores que manejan gas de amoníaco deben usar equipos de protección personal (EPP) adecuados, como respiradores, gafas, guantes y ropa protectora. 
• Las instalaciones que manejan gas de amoníaco deben tener sistemas de ventilación adecuados para evitar que se acumulen cantidades perjudiciales de gas de amoníaco en el aire. 
• El gas de amoníaco se clasifica como un material peligroso para el transporte, y se aplican estrictas regulaciones a su transporte por carretera, ferrocarril o mar.
• El equipo y las instalaciones que manejan gas de amoníaco deben ser inspeccionados y mantenidos regularmente para prevenir fugas u otros riesgos de seguridad.
• Las instalaciones que manejan gas de amoníaco deben cumplir con las leyes y regulaciones de seguridad aplicables, como las establecidas por la OSHA, la EPA o las autoridades municipales.

Los diferentes principios de funcionamiento para la monitorización de amoníaco en el ambiente son la quimioluminiscencia, los semiconductores y la electroquímica.

Quimioluminiscencia - Los monitores de NH3 basados en el método de quimioluminiscencia miden continuamente NH3 y NOx con solo algunas modificaciones. En el monitor de NH3, un módulo convertidor térmico de NH3 se coloca aguas arriba del analizador convencional de NOx por quimioluminiscencia, donde el NH3 y el NO2 se transforman en NO en una parte de la corriente de aire. En contraste, la otra parte contiene el contenido original de NO. Ambas corrientes se pasan a reaccionar con ozono (O3) en una cámara de reacción, donde la luz producida por la reacción quimioluminiscente de O3 y NO se mide fotométricamente y se registra. El monitor de amoníaco, a continuación, detecta el total de NOx después de ser pasado por los depuradores de NH3 en un canal separado, de tal manera que la diferencia en ambas señales es proporcional a la concentración total de NH3 en la muestra de aire. Para los monitores de NH3 basados en este principio, se deben tomar precauciones específicas para abordar las interferencias causadas por otros compuestos orgánicos de nitrógeno que pueden transformarse en NO, lo que resulta en resultados inexactos.

Semiconductor - Cuando un monitor de amoníaco basado en un semiconductor de óxido metálico se expone a una muestra de aire, las moléculas de NH3 reaccionan en la superficie del óxido metálico del sensor y se disocian en iones cargados, alterando la resistencia de la película. Esta interacción se mide como una señal y se convierte en la concentración de gas. Sin embargo, el consumo de energía de tales monitores de amoníaco es mayor que el de otros monitores.

Electroquímica - Los monitores de NH3 que funcionan sobre el principio electroquímico operan en base a la difusión de gas de amoníaco en el sensor, produciendo señales eléctricas proporcionales a la concentración de NH3. Permite una medición precisa incluso de bajas concentraciones de NH3, lo cual es esencial en la monitorización de NH3 en el aire ambiente. 

[Fuente: https://docs.smartcitizen.me/Components/sensors/Electrochemical%20Sensors/]

Oizom proporciona una gama de módulos de sensores de amoníaco (NH3) para monitorear los niveles variables de NH3 según sus necesidades. Nuestros sensores miden con precisión el NH3 en condiciones ambientales, detectando concentraciones en ppb/ppm. Este sensor monitorea el amoníaco en tiempo real. Este sensor está integrado en una carcasa metálica y electrónica de soporte de ultra-bajo ruido, lo que lo hace compacto y confiable. Esto permite una detección precisa de gas incluso en concentraciones muy bajas en la atmósfera. Este sensor funciona con el principio de trabajo electroquímico para medir la calidad del aire ambiental.

Este sensor se somete a calibración usando gases y herramientas estándar para asegurar alta sensibilidad y precisión. Cada sensor de gas es calibrado con comprobaciones de cero y rango en un laboratorio controlado, siguiendo la Sección 12.2 del Manual de Aseguramiento de Calidad de la USEPA para Sistemas de Medición de Contaminación del Aire Volumen II. La calibración se realiza utilizando estándares de gas rastreables por el NIST para un rendimiento confiable.

El módulo de sensor de NH3 está integrado en sistemas de monitoreo de calidad del aire exterior como AQBot y Odosense. Es ideal para aguas residuales, tratamiento de efluentes, industrias, vertederos, gestión de residuos sólidos y proyectos de investigación sobre calidad del aire. Al utilizar este módulo de sensor, los usuarios pueden asegurarse de recibir datos precisos y en tiempo real sobre los niveles de NH3, ayudando a monitorear y gestionar eficazmente la calidad del aire en diversos entornos.

1. Compacto: Nuestros sensores son pequeños y fáciles de instalar, perfectos para su uso en cualquier espacio, haciéndolos ideales para la monitorización portátil de la calidad del aire. Los sensores de NH3 vienen precalibrados y pueden ser reemplazados rápidamente en solo unos minutos al quitar y reemplazar el sensor viejo por uno nuevo.
2. Duradero: El sensor de NH3 tiene una larga vida útil de casi dos años.
3. Eficiente en energía: No hay necesidad de preocuparse por el consumo de energía porque nuestros sensores son precisos y eficientes en energía. ¡Funcionan con solo 3.3 a 5V para un rendimiento eficiente y confiable!
4. Tecnología de sensores interna: Oizom aplica algoritmos avanzados de procesamiento de datos para compensar los efectos de la temperatura y la humedad en la salida del sensor. El algoritmo está diseñado para actualizarse automáticamente basado en las condiciones climáticas y los cambios estacionales, eliminando su influencia en el rendimiento del sensor. Los algoritmos avanzados también compensan el efecto del gas cruzado sensible.
5. Electrónica de ultra-bajo ruido: El diseño del módulo del sensor es crucial para mediciones precisas. Cada sensor está alojado en una carcasa metálica con electrónica de ultra-bajo ruido y una PCB base. La carcasa metálica protege al sensor y a la electrónica de la interferencia electromagnética, previniendo lecturas falsas.
6. Cumple con RoHS: Nuestros sensores cumplen con los criterios de RoHS para restringir sustancias peligrosas en dispositivos eléctricos y electrónicos.

Las acciones simples pueden reducir los niveles de amoníaco, pero deben aplicarse a nivel nacional. 

• El NH3 es un gas muy soluble, incoloro y con un olor fuerte y penetrante, liberado principalmente de materia orgánica en descomposición, incluyendo desechos animales y el uso de fertilizantes.
• El NH3 forma materia particulada secundaria de sales de amonio (NH4+) reaccionando con los ácidos de los SOx y NOx, que se desplazan grandes distancias por el aire, impactando la salud humana y el medio ambiente tanto a nivel local como internacional (transfronterizo). 
• El NH3, al contacto o al ser inhalado, reacciona rápidamente con las partes del cuerpo que contienen humedad y causa irritación y daño a las células de los ojos, la nariz, la garganta y las vías respiratorias. Además, desempeña un papel significativo en la deposición de nitrógeno atmosférico en ecosistemas sensibles, causando acidificación y eutrofización de suelos y aguas naturales. 
• Los niveles de gas amoníaco en la atmósfera deben ser monitoreados frecuentemente, particularmente en contextos industriales y agrícolas donde se emplea comúnmente. Esto puede reducir la exposición a cantidades peligrosas de gas amoníaco mientras se protege el medio ambiente. 
• El monitoreo del gas amoníaco en la atmósfera es crítico para proteger la salud humana, el medio ambiente y el cumplimiento normativo. El monitoreo regular puede ayudar a identificar las fuentes de emisiones de amoníaco y ejecutar acciones de reducción, resultando en un entorno más seguro y saludable para todos.
• El monitoreo en tiempo real de los niveles de NH3 ayuda a calcular el índice de calidad del aire para proporcionar avisos de salud y formular un plan de acción para cumplir con los estándares.