Estrategias de mitigación
de la contaminación del aire
basadas en chimeneas solares.
Introducción
Contaminación del aire
Causa una buena cantidad de problemas a causa de los aerosoles atmosféricos.
Producen un gran impacto en megaciudades que cuentan con una rápida expansión e industrialización.
El aerosol atmosférico cuenta con partículas liquidas y/o solidas que están divididas por partículas finas como PM 2.5 y partículas respirables PM 10.
Estas partículas son generadas a causa de la industria, el transporte y una seria de reacciones fotoquímicas
Alta concentración de partícula finas.
Son el principal contribuyente a la neblina debido a que el incidente de la luz solar se dispersa y es absorbida.
Esto se conoce como el fenómeno meteorológico en visibilidad reducido que esta asociado con la neblina.
Esta niebla se forma por el aumento de vapor de agua o por su enfriamiento hasta llegar a la saturación generando una perdida de visibilidad.
Estos materiales particulados azotan gravemente a varias ciudades del mundo.
Pekín, China
Ahvaz, Irán
Ulan Bator, Mongolia
Lahore, Pakistán
Nueva Delhi, India
Riad, Arabia Saudita
El Cairo, Egipto
Dhaka, Bangladesh
Moscú, Rusia
Ciudad de México, México
Efectos del material particulado.
Afecta tanto al medio ambiente como a la salud publica
y al desarrollo sostenible. Genera síntomas como:
Asma
Enfermedades respiratorias graves
En casos extremos puede provocar la muerte
Este tipo de síntomas o consecuencias se debe al resultado de una prolongada o corta exposición al material particulado.
Material particulado catalogado como el octavo riesgo principal de muerte a nivel mundial.
Esto pasó a ser una problemática bastante preocupante debido a que en 2015, un poco mas de 4 millones de personas perdieron la vida.
Plan para combatir esta problemática tan grave
Se optó por cerrar temporalmente o reducir las operaciones en plantas industriales.
A pesar de que las concentraciones del material particulado disminuyó, los índices siguen siendo superiores al estándar nacional
Para tratar los problemas de la neblina y mejorar la calidad del aire se propusieron varias mediadas ambiciosas.
1. Chimenea solar alta
utilizando el efecto isla de calor para impulsar el aire
contaminado hasta la troposfera libre
2. Rociar agua en la parte superior de las chimeneas altas para eliminar los contaminantes.
Consiste en bombear agua a la parte superior de las chimeneas altas y luego rociar gotas a la atmosfera para eliminar los contaminantes del aire
3. Rociar vapor de agua condensada del aire para lavar
Conducir el aire humidificado hacia una chimenea alta para que se sature y condense de forma natural para crear precipitación en la chimenea
Por ultimo, utilizar el calor latente de la condensación para formar chimeneas de limpieza de aire
Metodologia
Chimeneas solares para trasportar la neblina
Las altas chimeneas solares propuestas pueden utilizar el efecto isla de calor urbano para impulsar el aire hacia arriba y transportar el aire contaminado a la troposfera libre
VENTAJAS
Eliminar la neblina de los residentes urbanos del entorno, también genera energía verde mediante turbinas montadas debajo de las chimeneas.
solo nueve chimeneas solares serían suficientes para transferir el smoke atmosférico de Beijing a una altitud mayor de un 1km en tres meses de operación ( Zhou et al., 2015 ).
las chimeneas solares para dispersar la contaminación del aire aprovecha el efecto chimenea que también se encuentra en ciudades ubicadas cerca
DESVENTAJAS
La contaminación del aire no se elimina, sino que se transporta y dispersa en áreas más altas o en otras áreas a través del movimiento atmosférico ( Huang y col., 2020b ),
Los siguientes efectos negativos potenciales son difíciles de predecir ( Tan et al., 2017 ).
Efecto chimenea de montaña
De manera similar, este efecto hace que una cierta cantidad de contaminación se
Se dispersa naturalmente, lo que se llama " efecto chimenea de montaña "( Rong y Turco, 1996 )
Eliminación de la contaminación del aire mediante la pulverización de gotas de agua en la chimenea solar.
Una chimenea solar puede transportar contaminantes del aire a la troposfera libre y brindar la oportunidad de mantener la concentración de contaminantes dentro de un nivel controlable, pero no puede eliminar físicamente la contaminación.
3.1 El mecanismo de eliminación de aerosoles finos mediante pulverización de agua
Cuando una gota de agua pasa a través de la neblina, el aerosol en el aire sería recogido por la gota y recogido, limpiando así el aire.
Fredericks y Saylor (2016) proporcionó un modelo refinado para predecir las gotas que se limpiaban a través de la impactación inercial de una partícula relativamente grande.
3.2. Sinergias de chimeneas solares junto con la pulverización de agua
Para eliminar los contaminantes del aire en la escala de la ciudad, se debe proponer un método más eficiente, ya que el aire contaminado debe llevarse al área que se está rociando. Este enfoque creativo de geoingeniería podría mejorarse rociando gotas de agua dentro de una chimenea solar.
Ventajas
boquilla de pulverización podría seleccionarse para el material particulado con diámetros específicos.
un sistema de aspersión continua que puede funcionar durante 24 horas al día
una tasa controlable de flujo de aire impulsado por la diferencia de presión del aire.
La imagen de una chimenea solar combinada con un estanque solar y su diseño esq.Figuruemático ( Akbarzadeh y otros, 2009 ).
Eliminación de la contaminación del aire por agua condensada dentro de una chimenea solar.
Las gotas de agua se pueden formar bajo ciertas condiciones a partir del vapor en el aire y se pueden usar para eliminar los contaminantes del aire.
4.1 el mecanismo de eliminación de aerosoles finos por agua condensada
cinismo de eliminación de aerosoles finos por agua condensada. A medida que la temperatura del aire disminuye con el aumento de altitud, si el aire asciende por la chimenea y alcanza su punto de saturación debido a la caída de temperatura, el vapor de agua comienza a condensarse en gotitas de nubes, fusionarse, crecer y convertirse en precipitación. Esta precipitación tendría la función de captación como la lluvia natural para eliminar la contaminación del aire
Medidas de filtro de aire
Se tarta de conducir el aire a través de un filtro por el calor obtenido del dosel solar y usar un sistema tipo U invertida para canalizar el aire limpio con filtro de regreso al nivel del suelo
Discusión y Conclusión
Solución fundamental de las PM
Reemplazar los combustibles fósiles con energía limpia y renovable
Para aliviar los efectos nocivos de las PM sobre la salud se revisaron varias medidas de geoingeniería basadas en las chimeneas solares
Estas chimeneas tiene la capacidad de eliminar a gran escala los contaminantes que hay en el aire y a su vez tienen las siguientes ventajas.
1. Pueden funcionar las 24 horas del día y, por lo tanto, mantienen la función de eliminación de la contaminación estable y continua.
2. Son medidas amigables con el medio ambiente, que pueden generar electricidad limpia mediante turbinas.
3. También son robustos, necesitan poco mantenimiento y pueden funcionar durante mucho tiempo.
Medidas de eliminación de contaminantes del aire
1. Chimenea solar alta.
Fortalezas y debilidades.
Abre los canales meteorológicos para la dispersión de la contaminación.
No puede eliminar la contaminación físicamente
Impactos ambientales.
La contaminación del aire elevada puede transportarse a un lugar muy distante.
Requisitos.
Chimenea flotante podría ser factible y más económica
2. Rociar agua en la parte superior de las chimeneas altas para eliminar los contaminantes.
Fortalezas y debilidades.
Puede eliminar partículas en el aire con una pérdida de agua relativamente baja.
Impactos ambientales.
La perdida de agua.
El agua recolectada después del barrido podría tratarse como agua de lluvia natural.
Requisitos.
Chimenea alta.
Bombas.
Sistema de aspersión.
Suficientes recursos hídricos.
3. Rociar vapor de agua condensada del aire para lavar.
Fortalezas y debilidades.
El agua extraída del aire mismo puede satisfacer la necesidad del sistema de pulverización de eliminar la contaminación del aire.
Impactos ambientales.
Mejora el clima cerda de la chimenea.
El agua recolectada después del barrido podría tratarse como agua de lluvia natural.
Requisitos.
Chimenea alta.
4. Medidas de filtro de aire
Fortalezas y debilidades.
Algunos filtros se pueden regenerar con la lluvia
También eliminan los contaminantes de los gases ácidos
Impactos ambientales.
Es posible que los filtros deban ser sustituidos con regularidad
Requisitos.
Chimenea alta
Filtros a medida para contaminantes atmosféricos específicos
Resultados
Evaluación de la medida de la chimenea solar alta
1.) Variación considerable de la altura media del PLB en el día, la noche y el invierno.
2.) Se debe considerar el alto costo de las chimeneas. Se propusieron chimeneas flotantes (menos costo)
3.) La chimenea alta en la actualidad sigue presentando problemas ingenieriles.
4.) Las chimeneas no inducen en el flujo natural de la temperatura
5.)Dispone de filtros capaces de solucionar el problema de particulas
6.) Preocupación por alta velocidad del viento en la estructura
Sinergias de chimeneas solares junto con la pulverización de agua
Variaciones de los parámetros del aire en la torre contra la distancia desde la parte superior, por rociamiento:
Para 1200m, tanto la temperatura como la humedad relativa del aire obtendrán el valor final después de viajar 400 m hacia abajo desde la parte superior
Eficiencia de barrido: la relación entre la concentración de partículas reducida y la concentración de partículas de entrada
depende del diámetro de la partícula , el diámetro de las gotas de agua y la velocidad relativa.
El mecanismo de eliminación de aerosoles finos por agua condensada.
Simulación numérica de esta teoría de la lluvia artificial para validar este concepto
1.) una chimenea más alta tenía una mayor probabilidad de hacer que la pluma alcanzara el punto de saturación.
Para recolectar el vapor de agua condensado a una altura menor y de manera más eficiente, se propuso superficie porosa.
Se pueden recoger más de 100 kg / s de agua condensada
Grafica La variación estacional y diurna en el rendimiento de la condensación de vapor, en condición humeda
Ocurriendo condensación entre las 6:50 pm y las 7:50 am
La altura de condensación más baja fue aproximadamente 644.07 m
la tasa máxima de masa de agua de condensación baja podría llegar a 450 kg / s
Grafica de variación de chimenea de un ciclón solar
Para un ciclón solar de 500 m de altura, 6 × 10 9 kg / año (190 kg / s) se puede generar aire con una relación de humedad de 12,00 g / kg
Eliminación de la contaminación del aire mediante un filtro dentro de una chimenea solar.
Bajo estudió se concluyó
1.)El rendimiento de este sistema de filtro de aire se ve afectado por las condiciones climáticas y las configuraciones.
2.)un flujo de radiación solar más alto inducirá más aire al sistema.
3.)Un colector más grande y una chimenea más amplia serán beneficiosos para el rendimiento
Estudio torre de enfriamiento
la tasa de volumen de aire aspirado es mayor que la tasa de volumen sin un sistema de pulverización
lo que conducirá más aire contaminado al sistema a purificar
Flujo del aire
Se concluyó que en la chimenea solar también se ve afectado por el viento cruzado
El estado del patrón de flujo se mejoraría, con muros cortavientos en forma de union jack