Los productos de la combustión del carbón ( CCP ), también llamados desechos de la combustión del carbón (CCW) o residuos de la combustión del carbón (CCR), [1] se clasifican en cuatro grupos, cada uno de ellos basado en formas físicas y químicas derivadas de los métodos de combustión del carbón y los controles de emisiones:
Las cenizas volantes , las cenizas de combustión , las cenizas de carbón o las cenizas de combustible pulverizadas (en el Reino Unido) ( plurale tantum : residuos de combustión de carbón ( CCR )) son un producto de la combustión de carbón que se compone de las partículas que salen juntas de las calderas alimentadas por carbón. con los gases de combustión . La ceniza que cae al fondo de la cámara de combustión de la caldera (comúnmente llamada cámara de combustión) se llama ceniza de fondo . En las modernas centrales eléctricas alimentadas con carbón , las cenizas volantes generalmente son capturadas por precipitadores electrostáticos u otros equipos de filtración de partículas antes de que los gases de combustión lleguen a las chimeneas. Junto con la ceniza de fondo extraída del fondo de la caldera, se la conoce como ceniza de carbón .
Dependiendo de la fuente y composición del carbón que se quema, los componentes de las cenizas volantes varían considerablemente, pero todas las cenizas volantes incluyen cantidades sustanciales de dióxido de silicio (SiO 2 ) (tanto amorfo como cristalino ), óxido de aluminio (Al 2 O 3 ) y Óxido de calcio (CaO), el principal compuesto mineral en los estratos de rocas que contienen carbón .
El uso de cenizas volantes como agregado liviano (LWA) ofrece una valiosa oportunidad para reciclar uno de los mayores flujos de desechos en los EE. UU. Además, las cenizas volantes pueden ofrecer muchos beneficios, tanto económicos como medioambientales, cuando se utilizan como LWA. [2]
Los componentes menores de las cenizas volantes dependen de la composición específica del lecho de carbón , pero pueden incluir uno o más de los siguientes elementos o compuestos que se encuentran en concentraciones traza (hasta cientos de ppm): galio , arsénico , berilio , boro , cadmio , cromo , hexavalente. cromo , cobalto , plomo , manganeso , mercurio , molibdeno , selenio , estroncio , talio y vanadio , junto con concentraciones muy pequeñas de dioxinas , compuestos HAP y otros compuestos traza de carbono. [3] [4] [5] [6]
En el pasado, las cenizas volantes generalmente se liberaban a la atmósfera , pero las normas de control de la contaminación del aire ahora exigen que se capturen antes de su liberación mediante la instalación de equipos de control de la contaminación . En los Estados Unidos, las cenizas volantes generalmente se almacenan en centrales eléctricas de carbón o se colocan en vertederos. Alrededor del 43% se recicla, [7] se utiliza a menudo como puzolana para producir cemento hidráulico o yeso hidráulico y como sustituto total o parcial del cemento Portland en la producción de hormigón. Las puzolanas aseguran el fraguado del concreto y el yeso y brindan al concreto más protección contra las condiciones de humedad y el ataque químico.
En el caso de que las cenizas volantes (o de fondo) no se produzcan a partir de carbón, por ejemplo, cuando los residuos sólidos se incineran en una instalación de conversión de residuos en energía para producir electricidad, las cenizas pueden contener niveles más altos de contaminantes que las cenizas de carbón. En ese caso, las cenizas producidas suelen clasificarse como residuos peligrosos.
El material de las cenizas volantes se solidifica mientras está suspendido en los gases de escape y se recoge mediante precipitadores electrostáticos o bolsas filtrantes. Dado que las partículas se solidifican rápidamente mientras están suspendidas en los gases de escape, las partículas de cenizas volantes generalmente tienen forma esférica y su tamaño varía entre 0,5 µm y 300 µm. La principal consecuencia del rápido enfriamiento es que pocos minerales tienen tiempo de cristalizar y queda principalmente vidrio templado y amorfo. Sin embargo, algunas fases refractarias del carbón pulverizado no se funden (completamente) y permanecen cristalinas. En consecuencia, las cenizas volantes son un material heterogéneo.
SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 y ocasionalmente CaO son los principales componentes químicos presentes en las cenizas volantes. [8] La mineralogía de las cenizas volantes es muy diversa. Las principales fases encontradas son una fase vítrea, junto con cuarzo , mullita y los óxidos de hierro hematita , magnetita y/o maghemita . Otras fases frecuentemente identificadas son cristobalita , anhidrita , cal libre , periclasa , calcita , silvita , halita , portlandita , rutilo y anatasa . En las cenizas volantes ricas en Ca se pueden identificar los minerales que contienen Ca anortita , gehlenita , akermanita y varios silicatos y aluminatos de calcio idénticos a los que se encuentran en el cemento Portland . [9] El contenido de mercurio puede alcanzar 1 ppm , [10] pero generalmente se incluye en el rango de 0,01 a 1 ppm para el carbón bituminoso. Las concentraciones de otros oligoelementos también varían según el tipo de carbón que se quema para formarlos.
La Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales (ASTM) C618 define dos clases de cenizas volantes : cenizas volantes de clase F y cenizas volantes de clase C. La principal diferencia entre estas clases es la cantidad de calcio, sílice, alúmina y hierro que contiene la ceniza. Las propiedades químicas de las cenizas volantes están influenciadas en gran medida por el contenido químico del carbón quemado (es decir, antracita , bituminoso y lignito ). [11]
No todas las cenizas volantes cumplen con los requisitos de ASTM C618, aunque dependiendo de la aplicación, esto puede no ser necesario. Las cenizas volantes utilizadas como sustituto del cemento deben cumplir estrictos estándares de construcción, pero en los Estados Unidos no se han establecido regulaciones ambientales estándar. El setenta y cinco por ciento de las cenizas volantes deben tener una finura de 45 µm o menos y un contenido de carbono , medido por la pérdida por ignición (LOI), inferior al 4%. En EE. UU., la LOI debe ser inferior al 6 %. La distribución del tamaño de las partículas de las cenizas volantes brutas tiende a fluctuar constantemente debido al rendimiento cambiante de los molinos de carbón y al rendimiento de la caldera. Esto hace necesario que, si las cenizas volantes se utilizan de manera óptima para reemplazar el cemento en la producción de concreto, se procesen utilizando métodos de beneficio como la clasificación mecánica por aire. Pero si se utilizan cenizas volantes como relleno para reemplazar la arena en la producción de hormigón, también se pueden utilizar cenizas volantes no beneficiadas con un LOI más alto. Especialmente importante es la verificación continua de la calidad. Esto se expresa principalmente en sellos de control de calidad como la marca de la Oficina de Normas de la India o la marca DCL de la Municipalidad de Dubai.
En el pasado, las cenizas volantes producidas por la combustión del carbón simplemente eran arrastradas por los gases de combustión y dispersadas a la atmósfera. Esto creó preocupaciones ambientales y de salud que impulsaron leyes en países fuertemente industrializados [ ¿dónde? ] que han reducido las emisiones de cenizas volantes a menos del 1% de las cenizas producidas. En todo el mundo, más del 65% de las cenizas volantes producidas en las centrales eléctricas de carbón se eliminan en vertederos y estanques de cenizas .
Las cenizas que se almacenan o depositan al aire libre pueden eventualmente filtrar compuestos tóxicos a los acuíferos subterráneos. Por esta razón, gran parte del debate actual sobre la eliminación de cenizas volantes gira en torno a la creación de vertederos especialmente revestidos que impidan que los compuestos químicos se filtren en las aguas subterráneas y los ecosistemas locales.
Dado que el carbón fue la fuente de energía dominante en los Estados Unidos durante muchas décadas, las compañías eléctricas a menudo ubicaban sus plantas de carbón cerca de áreas metropolitanas. Para agravar los problemas ambientales, las plantas de carbón necesitan cantidades significativas de agua para hacer funcionar sus calderas, lo que hace que las plantas de carbón (y más tarde sus depósitos de almacenamiento de cenizas volantes) se ubiquen cerca de áreas metropolitanas y cerca de ríos y lagos que a menudo se utilizan como fuentes de agua potable para los habitantes cercanos. ciudades. Muchos de esos depósitos de cenizas volantes no tenían revestimiento y también corrían un gran riesgo de derrames e inundaciones de ríos y lagos cercanos. Por ejemplo, Duke Energy en Carolina del Norte ha estado involucrada en varios juicios importantes relacionados con su almacenamiento de cenizas de carbón y derrames de cenizas en la cuenca de agua. [14] [15] [16]
El reciclaje de cenizas volantes se ha convertido en una preocupación creciente en los últimos años debido al aumento de los costos de los vertederos y al interés actual en el desarrollo sostenible . En 2017 [actualizar], las centrales eléctricas de carbón en EE. UU. informaron producir 38,2 millones de toneladas cortas (34,7 × 10 6 t) de cenizas volantes, de las cuales 24,1 millones de toneladas cortas (21,9 × 10 6 t) se reutilizaron en diversas aplicaciones. [17] Los beneficios ambientales del reciclaje de cenizas volantes incluyen la reducción de la demanda de materiales vírgenes que necesitarían extracción y una sustitución barata de materiales como el cemento Portland .
Alrededor del 52 por ciento de los PCC en EE. UU. se reciclaron para "usos beneficiosos" en 2019, según la Asociación Estadounidense de Cenizas de Carbón. [18] En Australia, alrededor del 47 % de las cenizas de carbón se reciclaron en 2020. [19] El principal beneficio del reciclaje es estabilizar los componentes nocivos para el medio ambiente de los PCC, como el arsénico, el berilio, el boro, el cadmio, el cromo, el cromo VI y el cobalto. , plomo, manganeso, mercurio, molibdeno, selenio, estroncio, talio y vanadio, además de dioxinas e hidrocarburos aromáticos policíclicos . [20] [21]
No existe ningún registro o etiquetado gubernamental de EE. UU. sobre la utilización de cenizas volantes en los diferentes sectores de la economía: industria, infraestructuras y agricultura. La Asociación Estadounidense de Cenizas de Carbón publica anualmente los datos de la encuesta sobre utilización de cenizas volantes, que se consideran incompletos. [22]
Los usos de las cenizas de carbón incluyen (aproximadamente en orden de importancia decreciente):
Otras aplicaciones incluyen cosméticos , pasta de dientes , encimeras de cocina, [26] tejas para pisos y techos, bolas de bolos , dispositivos de flotación, estuco , utensilios, mangos de herramientas, marcos de cuadros, carrocerías de automóviles y cascos de embarcaciones , concreto celular, geopolímeros , tejas y techos. gránulos, terrazas, repisas de chimeneas , bloques de cemento , tuberías de PVC , paneles estructurales aislados , revestimientos y molduras de casas, rieles para correr, arena para granallado, madera plástica reciclada , postes y crucetas de servicios públicos, traviesas de ferrocarril , barreras acústicas para carreteras , pilotes marinos, puertas, ventanas. marcos, andamios, postes de señalización, criptas, columnas, durmientes de ferrocarril, pisos de vinilo, adoquines, cabinas de ducha, puertas de garaje, bancos de parques, maderas para paisajismo, jardineras, bloques para paletas, molduras, buzones de correo, arrecifes artificiales , aglutinantes, pinturas y revestimientos de base, piezas fundidas de metales y masillas en productos de madera y plástico. [27] [28]
Debido a sus propiedades puzolánicas, las cenizas volantes se utilizan como sustituto del cemento Portland en el hormigón . [29] El uso de cenizas volantes como ingrediente puzolánico fue reconocido ya en 1914, aunque el primer estudio notable sobre su uso fue en 1937. [30] Las estructuras romanas como los acueductos o el Panteón de Roma utilizaban ceniza volcánica o puzolana ( que posee propiedades similares a las cenizas volantes) como la puzolana en su hormigón. [31] Como la puzolana mejora enormemente la resistencia y durabilidad del hormigón, el uso de cenizas es un factor clave en su conservación.
El uso de cenizas volantes como reemplazo parcial del cemento Portland es particularmente adecuado, pero no limitado a, cenizas volantes de Clase C. Las cenizas volantes de clase "F" pueden tener efectos volátiles en el contenido de aire arrastrado del concreto, lo que reduce la resistencia a los daños por congelación y descongelación. Las cenizas volantes a menudo reemplazan hasta el 30% en masa del cemento Portland, pero pueden usarse en dosis más altas en ciertas aplicaciones. En algunos casos, las cenizas volantes pueden aumentar la resistencia final del hormigón y aumentar su resistencia química y durabilidad.
Las cenizas volantes pueden mejorar significativamente la trabajabilidad del hormigón. Recientemente, se han desarrollado técnicas para reemplazar parcialmente el cemento con un alto volumen de cenizas volantes (reemplazo del 50% del cemento). Para el hormigón compactado con rodillo (RCC) [utilizado en la construcción de presas], se han logrado valores de reemplazo del 70% con cenizas volantes procesadas en el proyecto de presa de Ghatghar en Maharashtra, India. Debido a la forma esférica de las partículas de cenizas volantes, puede aumentar la trabajabilidad del cemento y al mismo tiempo reducir la demanda de agua. [32] Los defensores de las cenizas volantes afirman que reemplazar el cemento Portland con cenizas volantes reduce la "huella" de gases de efecto invernadero del concreto, ya que la producción de una tonelada de cemento Portland genera aproximadamente una tonelada de CO 2 , en comparación con el CO 2 que no se genera con las cenizas volantes. ceniza. La nueva producción de cenizas volantes, es decir, la quema de carbón, produce aproximadamente de 20 a 30 toneladas de CO2 por tonelada de cenizas volantes. Dado que se espera que la producción mundial de cemento Portland alcance casi 2 mil millones de toneladas en 2010, la sustitución de cualquier porción importante de este cemento por cenizas volantes podría reducir significativamente las emisiones de carbono asociadas con la construcción, siempre y cuando la comparación tome la producción de cenizas volantes como un dado. [ cita necesaria ]
Las propiedades de las cenizas volantes son inusuales entre los materiales de ingeniería. A diferencia de los suelos que normalmente se utilizan para la construcción de terraplenes, las cenizas volantes tienen un coeficiente de uniformidad grande y están formadas por partículas del tamaño de una arcilla . Las propiedades de ingeniería que afectan el uso de cenizas volantes en terraplenes incluyen la distribución del tamaño de grano, las características de compactación , la resistencia al corte , la compresibilidad , la permeabilidad y la susceptibilidad a las heladas . [32] Casi todos los tipos de cenizas volantes utilizadas en terraplenes son Clase F.
La estabilización de suelos es la alteración física y química permanente de los suelos para mejorar sus propiedades físicas. La estabilización puede aumentar la resistencia al corte de un suelo y/o controlar las propiedades de contracción-hinchamiento de un suelo, mejorando así la capacidad de carga de una subrasante para soportar pavimentos y cimientos. La estabilización se puede utilizar para tratar una amplia gama de materiales de subrasante, desde arcillas expansivas hasta materiales granulares. La estabilización se puede lograr con una variedad de aditivos químicos que incluyen cal, cenizas volantes y cemento Portland. El diseño y las pruebas adecuados son un componente importante de cualquier proyecto de estabilización. Esto permite establecer criterios de diseño y determinar el aditivo químico y la tasa de mezcla adecuados que logren las propiedades de ingeniería deseadas. Los beneficios del proceso de estabilización pueden incluir: Valores más altos de resistencia (R), Reducción de la plasticidad, Menor permeabilidad, Reducción del espesor del pavimento, Eliminación de excavación (transporte/manipulación de materiales) e importación de base, Ayuda a la compactación, Proporciona acceso para todo tipo de clima y dentro de los sitios de los proyectos. Otra forma de tratamiento del suelo estrechamente relacionada con la estabilización del suelo es la modificación del suelo, a veces denominada "secado del lodo" o acondicionamiento del suelo. Aunque cierta estabilización ocurre inherentemente en la modificación del suelo, la distinción es que la modificación del suelo es simplemente un medio para reducir el contenido de humedad de un suelo para acelerar la construcción, mientras que la estabilización puede aumentar sustancialmente la resistencia al corte de un material de modo que pueda incorporarse al diseño estructural del proyecto. Los factores determinantes asociados con la modificación del suelo frente a la estabilización del suelo pueden ser el contenido de humedad existente, el uso final de la estructura del suelo y, en última instancia, el beneficio económico proporcionado. Los equipos para los procesos de estabilización y modificación incluyen: esparcidores de aditivos químicos, mezcladores de suelo (recuperadores), contenedores de almacenamiento neumáticos portátiles, camiones cisterna, compactadores de elevación profunda y motoniveladoras.
Las cenizas volantes también se utilizan como componente en la producción de relleno fluido (también llamado material de baja resistencia controlada o CLSM), que se utiliza como material de relleno autonivelante y autocompacto en lugar de tierra compactada o relleno granular. La resistencia de las mezclas de relleno fluidas puede oscilar entre 50 y 1200 lbf/in2 ( 0,3 a 8,3 MPa ), dependiendo de los requisitos de diseño del proyecto en cuestión. El relleno fluido incluye mezclas de cemento Portland y material de relleno, y puede contener aditivos minerales. Las cenizas volantes pueden reemplazar al cemento Portland o al agregado fino (en la mayoría de los casos, arena de río) como material de relleno. Las mezclas con alto contenido de cenizas volantes contienen casi todas las cenizas volantes, con un pequeño porcentaje de cemento Portland y suficiente agua para que la mezcla fluya. Las mezclas con bajo contenido de cenizas volantes contienen un alto porcentaje de material de relleno y un bajo porcentaje de cenizas volantes, cemento Portland y agua. Las cenizas volantes de clase F son más adecuadas para mezclas con alto contenido de cenizas volantes, mientras que las cenizas volantes de clase C casi siempre se usan en mezclas con bajo contenido de cenizas volantes. [32] [33]
El hormigón asfáltico es un material compuesto que consta de un aglutinante asfáltico y un agregado mineral que se utiliza habitualmente para pavimentar carreteras. Tanto las cenizas volantes de Clase F como las de Clase C generalmente se pueden usar como relleno mineral para llenar los huecos y proporcionar puntos de contacto entre partículas de agregado más grandes en mezclas de concreto asfáltico. Esta aplicación se utiliza junto con otros aglutinantes (como el cemento Portland o la cal hidratada) o como reemplazo de ellos. Para su uso en pavimento asfáltico, las cenizas volantes deben cumplir con las especificaciones de relleno mineral descritas en ASTM D242. La naturaleza hidrofóbica de las cenizas volantes confiere a los pavimentos una mejor resistencia al decapado. También se ha demostrado que las cenizas volantes aumentan la rigidez de la matriz asfáltica, mejorando la resistencia al ahuellamiento y aumentando la durabilidad de la mezcla. [32] [34]
Las cenizas volantes de carbón y petróleo de esquisto se han utilizado como relleno para termoplásticos que podrían usarse para aplicaciones de moldeo por inyección . [35]
Más recientemente, las cenizas volantes se han utilizado como componente en geopolímeros , donde la reactividad de los vidrios de cenizas volantes se puede utilizar para crear un aglutinante similar en apariencia al cemento Portland hidratado , pero con propiedades potencialmente superiores, incluida la reducción de las emisiones de CO 2 . dependiendo de la formulación. [36]
Otra aplicación del uso de cenizas volantes es en presas de hormigón compactadas con rodillos . Muchas represas en Estados Unidos se han construido con altos contenidos de cenizas volantes. Las cenizas volantes reducen el calor de hidratación permitiendo que se produzcan colocaciones más espesas. Los datos sobre estos se pueden encontrar en la Oficina de Reclamación de EE. UU. Esto también ha quedado demostrado en el proyecto de la presa de Ghatghar en la India .
Existen varias técnicas para fabricar ladrillos de construcción a partir de cenizas volantes, produciendo una amplia variedad de productos. Un tipo de ladrillo de cenizas volantes se fabrica mezclando cenizas volantes con una cantidad igual de arcilla y luego cociendo en un horno a aproximadamente 1000 °C. Este enfoque tiene el principal beneficio de reducir la cantidad de arcilla requerida. Otro tipo de ladrillo de cenizas volantes se fabrica mezclando tierra, yeso de París, cenizas volantes y agua, y dejando secar la mezcla. Como no se requiere calor, esta técnica reduce la contaminación del aire. Los procesos de fabricación más modernos utilizan una mayor proporción de cenizas volantes y una técnica de fabricación de alta presión, que produce ladrillos de alta resistencia con beneficios medioambientales.
En el Reino Unido, las cenizas volantes se utilizan desde hace más de cincuenta años para fabricar bloques de construcción de hormigón . Se utilizan ampliamente para la piel interna de las paredes de las cavidades . Naturalmente son más aislantes térmicamente que los bloques fabricados con otros áridos. [38]
Los ladrillos de fresno se han utilizado en la construcción de viviendas en Windhoek, Namibia , desde la década de 1970. Sin embargo, existe un problema con los ladrillos: tienden a fallar o a producir antiestéticos salientes. Esto sucede cuando los ladrillos entran en contacto con la humedad y se produce una reacción química que hace que los ladrillos se expandan. [ cita necesaria ]
En la India, los ladrillos de cenizas volantes se utilizan para la construcción. Los principales fabricantes utilizan un estándar industrial conocido como "Cenizas de combustible pulverizadas para mezcla de cal y puzolana" utilizando más del 75% de residuos reciclados postindustriales y un proceso de compresión. Esto produce un producto fuerte con buenas propiedades de aislamiento y beneficios ambientales. [39] [40]
Las partículas de cenizas volantes han demostrado su potencial como buen refuerzo con aleaciones de aluminio y muestran una mejora de las propiedades físicas y mecánicas. En particular, la resistencia a la compresión, la resistencia a la tracción y la dureza aumentan cuando aumenta el porcentaje de contenido de cenizas volantes, mientras que la densidad disminuye. [41] La presencia de cenósferas de cenizas volantes en una matriz de Al puro disminuye su coeficiente de expansión térmica (CTE). [42]
Quizás sea posible utilizar la destilación al vacío para extraer germanio y tungsteno de las cenizas volantes y reciclarlos. [43]
Las cenizas volantes, dada su alcalinidad y capacidad de absorción de agua, pueden utilizarse en combinación con otros materiales alcalinos para transformar lodos de depuradora en fertilizante orgánico o biocombustible . [44] [45]
Las cenizas volantes, cuando se tratan con hidróxido de sodio , parecen funcionar bien como catalizador para convertir el polietileno en una sustancia similar al petróleo crudo en un proceso de alta temperatura llamado pirólisis [46] y utilizado en el tratamiento de aguas residuales. [47]
Además, las cenizas volantes, principalmente de clase C, pueden utilizarse en el proceso de estabilización/solidificación de desechos peligrosos y suelos contaminados. [48] Por ejemplo, el proceso Rhenipal utiliza cenizas volantes como mezcla para estabilizar lodos de depuradora y otros lodos tóxicos. Este proceso se ha utilizado desde 1996 para estabilizar grandes cantidades de lodos de cuero contaminados con cromo (VI) en Alcanena , Portugal. [49] [50]
La mayoría de los PCC se depositan en vertederos, se colocan en pozos de minas o se almacenan en estanques de cenizas en centrales eléctricas alimentadas con carbón. La contaminación de las aguas subterráneas por estanques de cenizas sin revestimiento ha sido un problema ambiental continuo en los Estados Unidos. [51] Además, algunos de estos estanques han tenido fallas estructurales, lo que provocó derrames masivos de cenizas en los ríos, como el derrame de cenizas de carbón del río Dan en 2014 . [52] Los estándares federales de diseño para estanques de cenizas se fortalecieron en 2015. [53] [54] Luego de impugnaciones de litigios contra varias disposiciones de las regulaciones de 2015, [55] La EPA emitió dos reglas finales en 2020, denominadas "CCR Parte A". y las reglas "CCR Parte B". Las reglas requieren que algunas instalaciones modernicen sus embalses con revestimientos, mientras que otras instalaciones pueden proponer diseños alternativos y solicitar tiempo adicional para lograr el cumplimiento. [56] [57] En marzo de 2023 se publicó una regla propuesta que fortalecería los límites de aguas residuales para las descargas a aguas superficiales. [58]
El carbón contiene trazas de elementos traza (como arsénico , bario , berilio , boro , cadmio , cromo , talio , selenio , molibdeno y mercurio ), muchos de los cuales son altamente tóxicos para los humanos y otras formas de vida. Por lo tanto, las cenizas volantes obtenidas después de la combustión de este carbón contienen concentraciones elevadas de estos elementos y el potencial de las cenizas de causar contaminación de las aguas subterráneas es significativo. [59] En los EE. UU. hay casos documentados de contaminación de aguas subterráneas que siguieron a la eliminación o utilización de cenizas sin que se hubiera implementado la protección necesaria.
Constellation Energy eliminó las cenizas volantes generadas por su estación generadora Brandon Shores en una antigua mina de arena y grava en Gambrills, Maryland , entre 1996 y 2007. Las cenizas contaminaron el agua subterránea con metales pesados. [60] El Departamento de Medio Ambiente de Maryland impuso una multa de 1 millón de dólares a Constellation. Los residentes cercanos presentaron una demanda contra Constellation y en 2008 la empresa resolvió el caso por 54 millones de dólares. [61] [62]
En 2014, a los residentes que vivían cerca de la estación de vapor Buck en Dukeville, Carolina del Norte , se les dijo que "los pozos de ceniza de carbón cerca de sus casas podrían estar lixiviando materiales peligrosos al agua subterránea". [63] [64]
Illinois tiene muchos vertederos de cenizas de carbón generadas por plantas de energía eléctrica que queman carbón. De los 24 vertederos de cenizas de carbón del estado con datos disponibles, 22 han liberado contaminantes tóxicos, incluidos arsénico , cobalto y litio , en aguas subterráneas, ríos y lagos. Los químicos tóxicos peligrosos vertidos al agua en Illinois por estos vertederos de cenizas de carbón incluyen más de 300.000 libras de aluminio, 600 libras de arsénico, casi 300.000 libras de boro, más de 200 libras de cadmio, más de 15.000 libras de manganeso, aproximadamente 1.500 libras de selenio, aproximadamente 500.000 libras de nitrógeno y casi 40 millones de libras de sulfato, según un informe del Environmental Integrity Project , Earthjustice , Prairie Rivers Network y Sierra Club . [sesenta y cinco]
Tennesse
En 2008, la planta de fósiles de Kingston en el condado de Roane derramó 1.100 millones de galones de cenizas de carbón en los ríos Emory y Clinch y dañó áreas residenciales cercanas. Se trata del mayor derrame industrial en EE.UU. [66]
El agua subterránea que rodea cada una de las 16 centrales eléctricas de carbón en Texas ha sido contaminada por cenizas de carbón, según un estudio del Proyecto de Integridad Ambiental (EIP). Se encontraron niveles peligrosos de arsénico, cobalto, litio y otros contaminantes en el agua subterránea cerca de todos los vertederos de cenizas. En 12 de los 16 sitios, el análisis del EIP encontró niveles de arsénico en el agua subterránea 10 veces superiores al nivel máximo de contaminante de la EPA ; Se ha descubierto que el arsénico causa varios tipos de cáncer. En 10 de los sitios, se encontró litio, que causa enfermedades neurológicas, en el agua subterránea en concentraciones de más de 1.000 microgramos por litro, que es 25 veces el nivel máximo aceptable. El informe concluye que la industria de combustibles fósiles en Texas no ha cumplido con las regulaciones federales sobre el procesamiento de cenizas de carbón y los reguladores estatales no han protegido las aguas subterráneas. [67]
El efecto de las cenizas volantes en el medio ambiente puede variar según la central térmica donde se producen, así como la proporción de cenizas volantes con respecto a las cenizas de fondo en el producto de desecho. [68] Esto se debe a la diferente composición química del carbón según la geología del área en la que se encuentra y el proceso de combustión del carbón en la planta de energía. Cuando el carbón se quema, se crea un polvo alcalino . Este polvo alcalino puede tener un pH que oscila entre 8 y 12. [69] El polvo de cenizas volantes puede depositarse en la capa superior del suelo , aumentando el pH y afectando a las plantas y animales del ecosistema circundante. Los oligoelementos, como hierro , manganeso , zinc , cobre , plomo , níquel , cromo , cobalto , arsénico , cadmio y mercurio , se pueden encontrar en concentraciones más altas en comparación con las cenizas de fondo y el carbón original. [68]
Las cenizas volantes pueden lixiviar componentes tóxicos que pueden ser entre cien y mil veces mayores que el estándar federal para el agua potable . [70] Las cenizas volantes pueden contaminar el agua superficial a través de la erosión , la escorrentía superficial , las partículas en el aire que aterrizan en la superficie del agua, el agua subterránea contaminada que se mueve hacia las aguas superficiales, el drenaje de inundaciones o la descarga de un estanque de cenizas de carbón. [70] El pescado puede contaminarse de dos maneras diferentes. Cuando el agua está contaminada con cenizas volantes, los peces pueden absorber las toxinas a través de sus branquias. [70] Los sedimentos en el agua también pueden contaminarse. El sedimento contaminado puede contaminar las fuentes de alimento de los peces, y luego los peces pueden contaminarse al consumir esas fuentes de alimento. [70] Esto puede conducir a la contaminación de los organismos que consumen estos peces, como aves, osos e incluso humanos. [70] Una vez expuestos a las cenizas volantes que contaminan el agua, los organismos acuáticos han tenido niveles elevados de calcio , zinc, bromo , oro, cerio, cromo, selenio, cadmio y mercurio. [71]
Los suelos contaminados por cenizas volantes mostraron un aumento en la densidad aparente y la capacidad de agua, pero una disminución en la conductividad hidráulica y la cohesividad. [71] El efecto de las cenizas volantes en los suelos y los microorganismos en los suelos está influenciado por el pH de las cenizas y las concentraciones de metales traza en las cenizas. [71] Las comunidades microbianas en suelos contaminados han mostrado reducciones en la respiración y la nitrificación. [71] Estos suelos contaminados pueden ser perjudiciales o beneficiosos para el desarrollo de las plantas. [71] Las cenizas volantes generalmente tienen resultados beneficiosos cuando corrigen las deficiencias de nutrientes en el suelo. [71] Los efectos más perjudiciales se observaron cuando se observó fitotoxicidad del boro. [71] Las plantas absorben del suelo los elementos elevados por las cenizas volantes. [71] El arsénico, el molibdeno y el selenio fueron los únicos elementos encontrados en niveles potencialmente tóxicos para los animales de pastoreo. [71] Los organismos terrestres expuestos a las cenizas volantes solo mostraron niveles elevados de selenio. [71]
En el Reino Unido, las lagunas de cenizas volantes de antiguas centrales eléctricas alimentadas con carbón se han convertido en reservas naturales como los humedales de Newport , [72] [73] , proporcionando hábitat para aves raras y otros animales salvajes. [74]
Cuando las cenizas volantes se almacenan a granel, generalmente se almacenan húmedas en lugar de secas para minimizar el polvo fugitivo . Los embalses resultantes ( estanques de cenizas ) suelen ser grandes y estables durante largos períodos, pero cualquier ruptura de sus presas o diques es rápida y a escala masiva.
En diciembre de 2008, el colapso de un terraplén en un embalse para el almacenamiento húmedo de cenizas volantes en la planta de fósiles de Kingston de la Autoridad del Valle de Tennessee provocó una liberación importante de 5,4 millones de yardas cúbicas de cenizas volantes de carbón, dañando tres casas y desembocando en Emory. Río . [75] Los costos de limpieza pueden exceder los 1.200 millones de dólares. [ necesita actualización ] A este derrame le siguió unas semanas más tarde un derrame más pequeño en una planta de TVA en Alabama , que contaminó Widows Creek y el río Tennessee . [76]
En 2014, 39.000 toneladas de cenizas y 27 millones de galones (100.000 metros cúbicos) de agua contaminada se derramaron en el río Dan cerca de Eden, Carolina del Norte, desde una central eléctrica de carbón cerrada en Carolina del Norte propiedad de Duke Energy. Actualmente es el tercer peor derrame de cenizas de carbón jamás ocurrido en los Estados Unidos. [77] [78] [79]
La Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA) publicó una regulación sobre residuos de combustión de carbón (CCR) en 2015. La agencia continuó clasificando las cenizas de carbón como no peligrosas (evitando así los estrictos requisitos de permisos según el Subtítulo C de la Ley de Conservación y Recuperación de Recursos (RCRA). , pero con nuevas restricciones:
El reglamento fue diseñado para prevenir fallas en los estanques y proteger el agua subterránea. Es necesario mejorar la inspección, el mantenimiento de registros y el seguimiento. También se incluyen los procedimientos de cierre, que incluyen tapado, revestimientos y deshidratación. [80] Desde entonces, el Reglamento CCR ha sido objeto de litigios.
Las cenizas volantes contienen trazas de metales pesados y otras sustancias que se sabe que son perjudiciales para la salud en cantidades suficientes. Los oligoelementos potencialmente tóxicos del carbón incluyen arsénico , berilio , cadmio , bario , cromo , cobre , plomo , mercurio , molibdeno , níquel , radio , selenio , torio , uranio , vanadio y zinc . [81] [82] Aproximadamente el 10% de la masa de carbón quemado en los Estados Unidos consiste en material mineral no quemable que se convierte en ceniza, por lo que la concentración de la mayoría de los oligoelementos en la ceniza de carbón es aproximadamente 10 veces la concentración en el carbón original. Un análisis realizado en 1997 por el Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) encontró que las cenizas volantes normalmente contenían de 10 a 30 ppm de uranio, comparable a los niveles encontrados en algunas rocas graníticas , rocas de fosfato y esquisto negro . [83]
En 1980, el Congreso de los Estados Unidos definió las cenizas de carbón como un "desecho especial" que no estaría regulado por los estrictos requisitos de permisos para desechos peligrosos de la RCRA. En sus enmiendas a la RCRA, el Congreso ordenó a la EPA que estudiara la cuestión de los desechos especiales y determinara si era necesaria una regulación de permisos más estricta. [84] En 2000, la EPA declaró que las cenizas volantes de carbón no necesitaban ser reguladas como desechos peligrosos. [85] [86] Como resultado, la mayoría de las plantas de energía no estaban obligadas a instalar geomembranas o sistemas de recolección de lixiviados en estanques de cenizas. [87]
Los estudios realizados por el USGS y otros sobre elementos radiactivos en las cenizas de carbón han concluido que las cenizas volantes se comparan con suelos o rocas comunes y no deberían ser fuente de alarma. [83] Sin embargo, las organizaciones comunitarias y ambientales han documentado numerosas preocupaciones sobre contaminación y daños ambientales. [88] [89] [90]
La sílice cristalina y la cal junto con productos químicos tóxicos representan riesgos de exposición para la salud humana y el medio ambiente. Las cenizas volantes contienen sílice cristalina que, si se inhala, causa enfermedades pulmonares, en particular silicosis . La sílice cristalina está catalogada por la IARC y el Programa Nacional de Toxicología de EE. UU. como un carcinógeno humano conocido . [91]
La cal (CaO) reacciona con el agua (H 2 O) para formar hidróxido de calcio [Ca(OH) 2 ], dando a las cenizas volantes un pH entre 10 y 12, una base de media a fuerte. Esto también puede causar daño pulmonar si está presente en cantidades suficientes.
Las hojas de datos de seguridad de materiales recomiendan que se tomen una serie de precauciones de seguridad al manipular o trabajar con cenizas volantes. [92] Estos incluyen el uso de gafas protectoras, respiradores y ropa desechable y evitar agitar las cenizas volantes para minimizar la cantidad que se transporta por el aire.
La Academia Nacional de Ciencias señaló en 2007 que "la presencia de altos niveles de contaminantes en muchos lixiviados CCR (residuos de combustión de carbón) puede crear preocupaciones ecológicas y para la salud humana". [3]
Luego del derrame de lodo de cenizas volantes de carbón de Kingston Fossil Plant en 2008, la EPA comenzó a desarrollar regulaciones que se aplicarían a todos los estanques de cenizas en todo el país. La EPA publicó la regla CCR en 2015. [53] Algunas de las disposiciones de la reglamentación CCR de 2015 fueron impugnadas en un litigio, y el Tribunal de Apelaciones de los Estados Unidos para el Circuito del Distrito de Columbia devolvió ciertas partes de la reglamentación a la EPA para una mayor reglamentación. [55]
La EPA publicó una regla propuesta el 14 de agosto de 2019, que usaría criterios basados en la ubicación, en lugar de un umbral numérico (es decir, tamaño del embalse o vertedero) que requeriría que un operador demuestre un impacto ambiental mínimo para que un sitio pueda permanecer en operación. [93]
En respuesta a la devolución judicial, la EPA publicó su norma final "CCR Parte A" el 28 de agosto de 2020 que exige que todos los estanques de cenizas sin revestimiento se modernicen con revestimientos o se cierren antes del 11 de abril de 2021. Algunas instalaciones pueden solicitar obtener tiempo adicional, hasta 2028—para encontrar alternativas para gestionar los desechos de cenizas antes de cerrar sus embalses superficiales. [94] [95] [96] La EPA publicó su regla "CCR Parte B" el 12 de noviembre de 2020, que permite que ciertas instalaciones utilicen un revestimiento alternativo, basándose en una demostración de que la salud humana y el medio ambiente no se verán afectados. [57] A partir de 2021 están pendientes más litigios sobre el reglamento CCR. [97]
En octubre de 2020, la EPA publicó una norma final sobre directrices sobre efluentes que revierte algunas disposiciones de su reglamento de 2015, que había endurecido los requisitos sobre metales tóxicos en las aguas residuales descargadas de estanques de cenizas y otros flujos residuales de plantas de energía. [98] [99] La norma de 2020 también ha sido impugnada en litigios. [100] En marzo de 2023, la EPA publicó una regla propuesta que revertiría algunos aspectos de la regla de 2020 e impondría limitaciones de aguas residuales más estrictas para algunas instalaciones. [101]
El Ministerio de Medio Ambiente, Bosques y Cambio Climático de la India publicó por primera vez una notificación en un boletín en 1999 especificando el uso de cenizas volantes y estableciendo una fecha límite para que todas las centrales térmicas cumplieran garantizando una utilización del 100%. [102] Enmiendas posteriores en 2003 y 2009 cambiaron el plazo de cumplimiento a 2014. Según informó la Autoridad Central de Electricidad de Nueva Delhi, en 2015, solo se estaba utilizando el 60% de las cenizas volantes producidas. [103] Esto ha dado lugar a la última notificación de 2015, que ha fijado el 31 de diciembre de 2017 como fecha límite revisada para alcanzar el 100% de utilización. De aproximadamente el 55,7% de las cenizas volantes utilizadas, la mayor parte (42,3%) se destina a la producción de cemento, mientras que sólo alrededor del 0,74% se utiliza como aditivo en el hormigón (consulte la Tabla 5 [29]). Investigadores de la India están abordando activamente este desafío trabajando con cenizas volantes como aditivo para hormigón y cemento puzolánico activado, como el geopolímero [34], para ayudar a alcanzar el objetivo de utilización del 100 %. [104] El mayor alcance reside claramente en el área de aumentar la cantidad de cenizas volantes que se incorporan al hormigón. India produjo 280 millones de toneladas de cemento en 2016. Dado que el sector inmobiliario consume el 67% del cemento, existe un gran margen para incorporar cenizas volantes tanto en la proporción cada vez mayor de PPC como en el hormigón de resistencia baja a moderada. Existe la idea errónea de que los códigos indios IS 456:2000 para hormigón y hormigón armado e IS 3812.1:2013 para cenizas volantes restringen el uso de cenizas volantes a menos del 35%. Conceptos erróneos similares existen en países como EE. UU. [105] , pero la prueba de lo contrario es el uso de HVFA en muchos proyectos grandes donde se han utilizado mezclas de diseño bajo un estricto control de calidad. Se sugiere que, para aprovechar al máximo los resultados de la investigación presentados en el artículo, se desarrolle urgentemente hormigón de volumen ultraalto con cenizas volantes (UHVFA) para su uso generalizado en la India utilizando cenizas volantes locales. También se requieren medidas urgentes para promover hormigones a base de puzolanas activadas con álcalis o cementos geopolímeros.
Debido a la ignición de los depósitos de carbón por las trampas siberianas durante el evento de extinción del Pérmico-Triásico hace unos 252 millones de años, se liberaron en los océanos grandes cantidades de carbón muy similar a las cenizas volantes modernas, que se conserva en el registro geológico en los depósitos marinos. Ubicado en el Alto Ártico canadiense. Se ha planteado la hipótesis de que las cenizas volantes podrían haber provocado condiciones ambientales tóxicas. [106]
Las cenizas volantes contienen aproximadamente una parte por millón de mercurio.
{{cite journal}}: Enlace externo en |author=Antes de la creación de la reserva, el terreno formaba parte de la vecina central eléctrica de carbón de Uskmouth y era un páramo cubierto de cenizas.
En 2008, la reserva fue designada Reserva Natural Nacional.
Creado en antiguas lagunas de cenizas volantes de las centrales eléctricas de carbón cercanas hace 20 años con el objetivo de proporcionar un hábitat para que se reproduzcan los avetoros.
El análisis mostró que el hábitat de compensación era mejor que el original.