CONTAMINANTES EMERGENTESEN LAGENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA: EL CASO

De Unaplantade Ciclo Combinado

GABRIELAELEONORAMOELLERCHÁVEZ1;CATALINAFERATTOSCANO2

DireccióndeIngeniería enTecnologíaAmbiental,UniversidadPolitécnicadelEstadode Morelos,Paseo CuauhnáhuacNo.566,62550Jiutepec,Morelos,México1 ,

Facultadde Ingeniería,UniversidadNacionalAutónomadeMéxico,Av.Universidad3000,04510 Ciudadde México,México 2 gmoeller@upemor.edu.mx1;cferat@unam.mx2

Palabras clave: contaminantes emergentes, termoeléctricas, toxicidad,riesgo.

Abstract

Intheelectricpowergeneration(EPG) process,thermoelectric power plants use chemicals for water conditioning. Residue from these chemicals could be contained in the wastewater discharged into the receiving water bodies and pollute them. Although theirconcentration levels and resulting chemical speciesareunknown,itislikelythatthesechemicalswillhave animpactonaquaticecosystems.However,theyareyettobe subjectedtoregulation.

Toknowthepotentialimpactsofthemainchemicalsusedfor water conditioning in a combined-cycle unit, a bibliographic research was conducted. Safety data sheets and chemical productdatabaseswereconsultedtoobtaininformationonthe risks to the environment and human health, as well as the results of toxicity and ecotoxicity tests. The results of this research revealed that most of thesechemicals areharmfulto humans and ecosystems. One of the most toxic chemicals found is hydrazine, which, at low concentrations (1.16 mg/l), can eliminate 50% of a Daphniamagna population and also affectothertrophiclevels.

The lack of legislation and the harmful effects that these chemicalscancausesuggestthattheycouldbeincludedinthe list of emerging pollutants. Due to the importance that these chemicals have in the production of electric power, it is necessarytocarryoutmoreresearchtoidentifytheirpresence and concentration levels in water bodies so that they can be candidatesforfutureregulation,ifrequired.

Introducción

En México, las centrales termoeléctricas que utilizan combustibles fósiles son aún la fuente más importante de generación de energía eléctrica. En 2019, la generación de energía bruta nacional fuede 250 395 GWh, delos cuales el

74% correspondió a las termoeléctricas. Dentro de esta clasificación,el55%fueproducidoutilizandolatecnologíade ciclo combinado (Comisión Federal de Electricidad [CFE], 2019).Estetipodeplantascombinandostecnologías,elciclo deturbinadevapor(termoeléctricaconvencional)yelciclode turbinadegas(turbogas)quedanporresultadounsistemade generación más eficiente (cerca del 59% a plena carga) en comparación con un sistema convencional (32-39%), obteniéndose costos menores de generación y menor contaminación ambiental. Esta tecnología se está generalizando en el sector eléctrico mexicano (Secretaría de Energía[SENER],2015).

Las plantas de ciclo combinado presentan dos sistemas de alimentación de agua para su funcionamiento: el agua desmineralizadayelaguadeenfriamiento.Elprimerocircula porlacalderarecuperadoradecalor-generadoradevapor yel condensador (ciclo agua-vapor [CAV]). El segundo, por el condensador y la torre de enfriamiento (sistema de enfriamiento[TE])(García,Ratia&Perea,2008).

Elaguaqueseutilizaparaalimentarlacaldera,porlogeneral, contienediversassustanciastalescomosólidosensuspensión, sólidos disueltos y gases. El uso de dicha agua sin un tratamiento previo puede ocasionar problemas tales como incrustaciones, corrosión y arrastre en las calderas y en los sistemas de equipos auxiliares (KuritaWater Industries Ltd. [Kurita],1999).Lacorrosiónylaformacióndeincrustaciones son los problemas más serios ya quedañan irreversiblemente la estructura de los equipos, acortando su vida útil (Electric PowerResearchInstitute[EPRI],2013).

Paraprevenirestosproblemasyoperarlascalderasdemanera segura y eficiente,serequierelaaplicacióndeuntratamiento adhoc, a base de compuestos químicos que prevenga la corrosión y haga que los componentes que forman las incrustaciones sean partículas insolubles y dispersas en el agua,lascualesserándescargadasenelaguadepurga(Kurita, 1999).

En lo que respecta al sistema de enfriamiento, el tratamiento químicodelaguadebecontrolar demanerasimultáneacuatro problemas: corrosión, incrustaciones, ensuciamiento y microorganismos(Garcíaetal.,2008).

Despuésdequeestoscompuestosquímicossonutilizados,sus residuos entran a los ambientes acuáticos a través de las descargas delas plantas. Se sabe relativamentepoco sobrela estructura química que presentan. Sin embargo, existen compuestos químicos que al transformarse o degradarse forman otros compuestos que son potencialmente más problemáticos que los compuestos originales (Raghav, Eden, Mitchell,&Witte,2013).

Apesardesuspotencialesefectosnocivosenlasaludhumana y en los ecosistemas, estos compuestos químicos aún no han sidoconsideradosdentrodelosparámetrosdemedicióndela Norma Oficial Mexicana vigente (NOM-001-SEMARNAT1996) ni en su actualización (NOM-001-SEMARNAT-2021) (Secretaría del Medio Ambiente y Recursos Naturales [SEMARNAT], 1996; 2021). Por lo que podrían ser consideradoscomocontaminantesemergentes.

Los contaminantes emergentes son aquellos compuestos orgánicos —naturales y sintéticos— que se encuentran en bajas concentraciones (ng/L a g/L), no se detectan comúnmente en el medioambienteyno hansidocontrolados o regulados en las muestras ambientales. Sin embargo, en los últimos años se han convertido en una preocupación para la saludpúblicaporlosefectosnocivosquepuedencausarenlos ecosistemas y en la salud humana (Virkutyte, Varma&Jegatheesan,2010;CornellUniversity,s.f.;USGS,s.f. citadoenWWAP,2017).

Estoscontaminantesseclasificandependiendodesufinalidad, uso o características. Entre los principales grupos se encuentranlosproductosfarmacéuticos,productosdecuidado personal,desinfectantes,retardantes deflama, plastificantes y aditivos de plásticos, aditivos de combustibles, pesticidas y surfactantes, entre otros (Diputación de Barcelona, 2011; Raghavetal.,2013). Cabemencionarque,enlarevisióndela literatura, noseencontróunaclasificaciónespecíficaparalos compuestos químicos empleados para el acondicionamiento delaguadelascentralestermoeléctricas.

Objetivo

Poner de manifiesto que los compuestos químicos utilizados para el acondicionamiento del agua en una planta de ciclo combinado reúnen las características para ser considerados comocontaminantesemergentes.

Acondicionamiento de agua en una planta de ciclo combinado

LaFigura1muestraundiagramadebloquesdeunaunidadde ciclo combinado, en el cual se señalan los subprocesos en dondeseagreganloscompuestosquímicos.Estossubprocesos son:

 la planta de tratamiento de agua desmineralizada (tratamientos de intercambio iónico [II] y ósmosis inversa[OI]),

 el ciclo agua-vapor (unidad recuperadora de calorgeneradoradevaporyelcondensador)y

 el sistema de enfriamiento (torre de enfriamiento y el condensador).

Elaguacrudaprocededeunafuentenatural(aguadepozo)y cumple con las condiciones necesarias para entrar al sistema de enfriamiento, o bien para entrar al proceso de tratamiento de agua interno de la planta, por lo que no recibe un pretratamiento.

El agua desmineralizada seobtiene dedos procesos: ósmosis inversa —a base de membranas— e intercambio iónico —a través de resinas. Estas últimas son regeneradas con ácido sulfúricoe hidróxidodesodio. En el casode OI, para evitar los problemas de incrustaciones y taponamiento de las membranas, se adiciona una solución de fosfonato como antiicrustante.

El agua de alimentación de la unidad recuperadora de calorgeneradoradevaporprocededelcondensadoodeltratamiento del agua desmineralizada; algunas veces es una mezcla de ambos. El agua que entra a dicha unidades almacenada en el tanquedealimentaciónyseleañaden fosfatospararegularel pH en la fase líquida y amoniaco para regularlo en la fase vapor. Para eliminar el contenido de oxígeno disuelto en la fase líquida y en la fase vapor,se utiliza hidracina. Para el control de sales, se aplica un régimen de purgas, que contendrán fosfatos, amoniaco e hidracina (García et al., 2008).

Para el control microbiológico en el sistema de enfriamiento se adicionan biocidas y un biodispersante para mejorar su eficacia (Selby, Puckorius & Helm, 1996). Se agregan inhibidoresdecobreydeaceroparaprotegerlasinstalaciones deincrustacionesylacorrosióndemetales.ElpHdelaguade enfriamiento puede influir en la función de estos compuestos porloqueesnecesariodisminuirloañadiendoácidosulfúrico.

La Tabla 1 muestra algunos de los principales compuestos utilizados en los sistemas de enfriamiento y el ciclo aguavapor, así como la cantidad requerida del compuesto para la producciónde1MWhenunaunidaddeciclocombinado.

Para conocer los efectos de los compuestos químicos se recurrealaspruebasdetoxicidad.

Pruebas de toxicidad

Unapruebadetoxicidad,bioensayooensayobiológicoesuna herramientaquepermiteevaluarelriesgoqueimplicapara el medioacuáticolapresenciadecontaminantes;losorganismos seexponen adiferentesconcentraciones deloscontaminantes yseestudianlosefectos(Pica-Granados,2002).

Los efectos más estudiados son la muerte (letales) y la afectación de las funciones biológicas fundamentales (subletales), como la reproducción y el crecimiento, debido a que son los que repercuten de manera considerable en el desempeño de las comunidades acuáticas, en sus interrelaciones y en la dinámica de los ecosistemas (PicaGranados,2002;UniversitatdeBarcelona,2020).Los efectos nocivosseclasificanen agudosycrónicos

El efectoagudo es aquel que se presenta como una respuesta rápidaoseveraanteunestímulo.Porlogeneral,semanifiesta en menos de 96 horas como mortalidad, inmovilidad o desintegración.

Los parámetros que generalmente se calculan en los bioensayos de toxicidad aguda son la concentración letal media (LC50) o la concentración efectiva media (EC50). La LC50 indicalaconcentración de unasustancia queprovocala muertedel50%delapoblación delosorganismosexpuestos; porsuparte,laEC50 eslaconcentracióndeunasustanciaque se espera produzca un determinado efecto en el 50% de los organismos expuestos (Pica-Granados, 2002; Asociación EspañoladeToxicología,1995).

Por otro lado, el efectocrónico se refiere a la respuesta a un estímulo quepersisteporlargotiempo, generalmente,durante el ciclo de vida de los organismos bajo estudio. Las concentraciones del agente tóxico no provocan la muerte de los organismos expuestos; sin embargo, afectan una o varias de sus funciones biológicas. Los parámetros que se utilizan paraevaluarestosefectossonlaconcentraciónefectivamedia (EC50),laconcentracióndelagentetóxicoquenocausadañoo efecto observable (NOEC o concentración de efecto no observado) y la concentración más baja en que se inicia la producción de efectos (LOEC o concentración de efectos mínimosobservables)(Pica-Granados,2002).

Normalmente, para los estudios de toxicidad se sugiere el empleo deporlo menostresdiferentes organismosdeprueba de distintos niveles tróficos (Pica-Granados, 2002). Para el medio acuático, los bioensayos se llevan a cabo con organismos que tienen una mayor sensibilidad a los tóxicos, comoeselcasodelapulgadeagua(Daphniamagna),yaque, al establecerse concentraciones seguras para ellos, se espera proteger atodo el ecosistema.Sin embargo, hayquetener en cuenta que distintas especies tienen diferente sensibilidad a distintassustanciasquímicas.

Metodología

Esteestudiotomócomopuntodepartidalosresultadosdeun análisis deciclode vida (ACV) realizado paradeterminar los impactos ambientales producidos por una unidad de ciclo combinado(Feratetal.,2019).

Losresultadosdedichoestudiomostraronquelosimpactosal medio ambiente se debieron principalmente a la cantidad de combustible empleado (gas natural), al volumen de agua utilizado en el sistema de enfriamiento y a la manufactura y consumo de los compuestos químicos utilizados para el acondicionamientodelagua.

Para conocer los efectos potenciales de los compuestos químicos en el medioambiente y en la salud humana, se seleccionaron aquellos anticorrosivos, antiincrustantes y antimicrobianos que, por su nivel de peligrosidad y/o consumo, fueran los más representativos (ver Tabla 1). Posteriormente, se consultaron las fichas de seguridad de los productos y bases de datos especializadas, poniendo especial cuidado en la información correspondiente a las pruebas de toxicidad. Se seleccionaron los resultados de los bioensayos realizados en organismos acuáticos de dos niveles tróficos: alga verde —por ser la base de la cadena alimenticia— y la pulga deagua,por ser el organismo más sensible deacuerdo conlosestudiosdetoxicidad.

Resultados ydiscusión

Los riesgos a la salud humana y al medioambiente, así como los datos de ecotoxicidad, de cada compuesto investigado se presentanenlasTablas2a6.

Tabla2.Riesgosalasaludhumana yalambientecausadosporel toliltriazol(TTA)(inhibidordecorrosióneincrustacionesde cobre)

Fuente:Tabla elaboradaconinformacióndePubChem(s.f.-a).

Noseencontraronresultadosdepruebasdeecotoxicidadpara este compuesto.Sin embargo, una concentración de280 mg/l de sal de sodio de toliltriazol produce la muerte del 50% de una población de Daphnia magna tras un tiempo de exposición de 48 h (North Metal and Chemical Company [NM&CCo],2018).Cabemencionarqueeltoliltriazol esuno de los compuestos químicos que más se consumen en el acondicionamiento del agua durantela generación de energía eléctrica(aproximadamente5765kgmensuales).

Tabla3.Riesgosalasaludhumana yalambientecausadosporel D-Limoneno(biodispersante)

Fuente:Tablaelaboradaconinformaciónde(Maquimex,2012).Los datossobreecotoxicidadfuerontomadosdePubChem(s.f.-e).

Se menciona que es un compuesto muy tóxico, pero se desconoce la concentración a la cual se producen efectos letalesenlapoblación.

Tabla5.Riesgosalasaludhumana yalambientecausadosporla hidracina(secuestrantedeoxígeno)

Fuente:Tabla elaboradaconinformaciónde(SolkemS.R.L.,s.f.). LosdatossobreecotoxicidadfuerontomadosdePubChem(s.f.-c), Diversey(2017)yTheCloroxCompany(2021).

Este compuesto es del que más información ecotoxicológica se obtuvo, ya que es un componente de uso frecuente en los productos de limpieza. Es interesante observar los efectos en dos diferentes especies de Daphnia. En el casode D.magna, lainmovilización ylamuertedel 50%delapoblaciónsedan con una pequeña variación en la concentración (0.217 mg/l). Sin embargo, en D. pulex se observa un efecto de inmovilización en el 50% de la población, con una concentración mucho mayor. Esto hace suponer que esta especieesmásresistentealcompuesto.

Fuente:Tablaelaboradaconinformacióndela International LabourOrganization[ILO](2009)yde laAgenciaparaSustancias TóxicasyelRegistrodeEnfermedades[ATSDRE](s.f.).Losdatosde ecotoxicidadfuerontomadosdePubChem(s.f.-d).

Laalta toxicidad delahidracinapuedeobservarseen el daño causado a la población del alga verde a una muy baja concentración.Sin embargo,el 50%delapoblación depulga de agua muere con una mayor concentración en 24 h. Si se consideraqueparaproducir141272MWhalmesserequieren 14.4kgdehidracina,es muyprobablequepartedeéstasalga enladescarga.

Tabla6.Riesgosalasaludhumana yalambientecausadosporla ciclohexilamina(antioxidanteyreguladordepH)

Fuente:TablaelaboradaconinformacióndeILO(2003) yPubChem (s.f.-b).Losdatossobreecotoxicidadfuerontomadosde LanXess (2008) yThermoFisherScientific(2020).

Noseespecificaquémicroorganismosintegrabanlapoblación dellodoactivado,ni el tiempodeexposición alcompuestoni qué efectos específicos produjo la ciclohexilamina en esa población. Sin embargo, se observa que concentraciones mucho menores a los 200 mg/l producen un efecto de inmovilización en la pulga de agua, y de inhibición del crecimientoenelalgaentiemposdeexposiciónrelativamente cortos.

Conclusiones

En la generación de energía eléctrica, se utilizan compuestos químicos para el acondicionamiento del agua, cuyos residuos podrían estar contenidos en las aguas residuales que se descargan. En el caso de los compuestos orgánicos, se desconocelaformaenquepuedenencontrarseenladescarga. Algunosdeellos podrían estardeformacombinadacon otros compuestos, haberse degradado o mantener su composición debido a su insolubilidad. Aunque se desconoce la cantidad remanente y la especie química que presenten, es muy probable que, por su naturaleza tóxica, tengan repercusiones enlosecosistemasacuáticos.

La información encontrada sobre ecotoxicidad revela que la mayoríadeestoscompuestosafectana Daphniamagna amuy bajas concentraciones. Sin embargo, esto no significa que otros organismos no puedan ser más vulnerables con concentracionesmenoresdeloscompuestos.

Por otro lado, se observa que, con variaciones mínimas de concentracióndelcompuestoytiemposdeexposición iguales parauna misma especie,sepresentandiferentesresultados en el 50% de la población. Mientras que en unos se produce la muerte,en otroshayunefecto deinmovilizaciónoinhibición del crecimiento, dependiendo del organismo expuesto, por lo que es necesario obtener más información sobre las pruebas paraentenderelcontextoenquesedanestosresultados.

Debido a que estos compuestos tienen el potencial de causar efectos nocivosen losecosistemasyenlasaludhumana yno están regulados, podrían ser candidatos a incluirse en la lista de contaminantes emergentes. En este sentido, los impactos detectadospuedenservirdebaseparaunamayorinversiónen elconocimiento.

Ciertamente,elconsumodeestosquímicosporMWhesbajo, incluso, podría considerarse insignificante. Sin embargo, si consideramos que la unidad de ciclo combinado del caso de estudioproducealaño1 695264MWh,yquelacantidad de compuestos químicos empleados oscila entre 173 kg y 69506kg,losriesgos potencialesqueimplicalapresencia de estas sustancias en las descargas pueden ser altos.Y serían superiores si se consideran todas las plantas bajo la misma tecnología. Por lo que es necesario realizar estudios para determinar la presencia de estos compuestos en los cuerpos receptores.

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