Fundamentos de ingeniería ambiental / James R. Mihelcic ; colaboradores, Martin T. Auer ... [et al.].

CONTENIDO
Capítulo 1
Introducción: ¿por qué son necesarios los fundamentos? 17
Capítulo 2
Unidades de concentración 27
2.1 Unidades de concentración en masa 28
2.1.1 Unidades masa/masa 28
2.1.2 Unidades masa/volumen: mg/l y mg/m3 29
2.2 Unidades volumen/volumen y mol/mol 31
2.2.1 Utilización de la ley de los gases ideales para convertir ppmv en ug/m3 32
2.3 Unidades de presión parcial 35
2.4 Unidades mol/volumen 38
2.5 Otros tipos de unidades 40
2.5.1 Normalidad 40
2.5.2 Concentración como constituyente común 43
2.5.3 Representación de las concentraciones de partículas en el aire y el agua 46
2.5.4 Representación por el efecto 50
2.6 Concentraciones comunes que se encuentran en aguas residuales, superficiales y subterráneas y en la atmósfera 51
Problemas del capítulo 55
Bibliografia 61
Capítulo 3
Química 63
3.1 Diferencia entre actividad y concentración 63
3.1.1 Fuerza iónica 65
3.1.2 Cálculo de coeficientes de actividad de electrólitos 65
3.1.3 Cálculo de coeficientes de actividad de no electrólitos 68
3.2 Cinética química 69
3.2.1 Ley de las velocidades 70
3.2.2 Reacciones de orden cero y de primer orden 72
3.2.3 Reacciones de seudo primer orden 76
3.2.4 Vida media y su relación con la constante de velocidad 78
3.2.5 Efecto de la temperatura en las constantes de velocidad 80
3.2.6 Catalizadores 83
3.3 Termodinámica y equilibrio químico 85
3.3.1 Cálculo del cambio de energía libre en condiciones estándares 87
3.3.2 Cálculo de cambios de energía libre en condiciones "ambientales" no estándares 91
3.3.3 Energía libre y su relación con la constante de equilibrio 95
3.3.4 Efecto de la temperatura en la constante de equilibrio 98
3.4 Procesos de equilibrio 99
3.4.1 Volatilización 99
3.4.2 Equilibrio aire-agua 104
3.4.2.1 Constante de Henry con unidades para un gas que se disuelve en un líquido 107
3.4.2.2 Constante de Henry adimensional para una especie en transferencia de un líquido a un gas 108
3.4.3 Química de ácidos y bases 111
3.4.3.1 pH 111
3.4.3.2 Definición de ácidos y bases y sus constantes de equilibrio 112
3.4.3.3 El sistema carbonatado, alcalinidad y capacidad amortiguadora 118
3.4.4 Precipitación-disolución 124
3.4.5 Sorción e intercambio de iones con superficies sólidas 130
3.4.5.1 Introducción 130
3.4.5.2 Sorción y adsorción 130
3.4.5.3 Intercambio de iones 148
3.5 Oxidación/reducción 149
3.6 Fotoquímica y la atmósfera (smog urbano y el hoyo de ozono) 151
3.6.1 Introducción 151
3.6.2 Química del ozono estratosférico 154
3.6.3 Química del ozono troposférico 157
Problemas del capítulo 159
Bibliografia 167
Capítulo 4
Procesos físicos 169
4.1 Balances de materia 169
4.1.1 Volumen control 171
4.1.2 Términos de la ecuación del balance de materia de un reactor con flujo completamente mezclado (RFCM) 172
4.1.2.1. Tasa de acumulación de masa, dm/dt 172
4.1.2.2. Flujo másico de entrada 176
4.1.2.3. Flujo másico de salida 176
4.1.2.4. Tasa o velocidad neta de la reacción química 177
4.1.2.5 Pasos para aplicar el balance de materia en la solución de problemas 178
4.1.3. Análisis del reactor: el RFCM 178
4.1.4. El reactor por lotes 187
4.1.5. El reactor de flujo pistón 188
4.1.5.1 Comparación entre RFP y RFCM 190
4.1.5.1.1 Respuesta a entradas pico 192
4.1.5.1.2 Selección entre un RFCM y un RFP 194
4.1.6 Tiempo de retención y otras expresiones para V/Q 195
4.2 Balances de energía 198
4.2.1 Formas de energía 199
4.2.2 Realización de un balance de energía 200
4.3. Procesos de transporte de masa 208
4.3.1 Advección y dispersión 208
4.3.1.1 Definición de la densidad del flujo másico 209
4.3.1.2 Cálculo del flujo advectivo 209
4.3.1.3 Dispersión 210
4.3.1.3.1 Ley de Fick 210
4.3.1.3.2 Difusión molecular 214
4.3.1.3.3 Dispersión turbulenta 216
4.3.1.3.4 Dispersión mecánica 217
4.3.2 Movimiento de una partícula en un fluido: Ley de Stokes 218
4.3.2.1 Sedimentación o decantación gravitacional 219
4.3.2.2 Cálculo del tamaño mínimo de partícula removida 223
4.3.2.2.1 Distancia de sedimentación durante el periodo de retención 223
4.3.2.2.2 Velocidad de sedimentación mayor que la tasa de derrame 225
4.3.2.2.3 Equivalencia de los dos métodos 225
4.3.2.3 Otras aplicaciones de los balances de fuerzas sobre una partícula 228
4.3.3 Flujo de agua a través de un medio poroso: ley de Darcy para flujo de agua subterránea 229
4.3.3.1 Carga y gradiente hidráulicos 230
4.3.3.2 Porosidad 231
4.3.3.3 Ley de Darcy 231
4.3.3.4 Velocidad de Darcy y velocidad horizontal verdadera 233
Problemas del capitulo 235
Bibliografía 245
Capítulo 5
Biología 247
5.1 Estructura y función de los ecosistemas 248
5.1.1 Principales grupos de organismos 251
5.2 Dinámica de poblaciones 256
5.2.1 Unidades para expresar el tamaño de la población 256
5.2.2 Modelos de crecimiento poblacional 257
5.2.2.1 Crecimiento exponencial o ilimitado 258
5.2.2.2 Crecimiento logístico: el efecto de la capacidad de carga 260
5.2.2.3 Crecimiento limitado por los recursos: el modelo de Monod 264
5.2.2.4 Coeficiente de producción: relación entre la tasa de crecimiento y la tasa de utilización del sustrato 266
5.2.2.5 Respiración: coeficiente de decaimiento 269
5.2.2.6 Coeficientes biocinéticos o de biodegradabilidad 270
5.2.2.7 Crecimiento por lotes: integración 270
5.2.2.8 Modelos de crecimiento y la población humana 274
5.3 Flujo de energía en los ecosistemas 278
5.3.1 Captura y uso de la energía: fotosíntesis y respiración 279
5.3.2 Estructura trófica de los ecosistemas 282
5.3.3 Termodinámica y transferencia de energía 289
5.4 Demanda bioquímica de oxígeno (DBO), demanda teórica de oxígeno (DTO) y demanda química de oxígeno (DQO) 291
5.4.1 Definición de DBO, DBOC y DBON 291
5.4.2 Fuentes de DBO 292
5.4.3 Demanda teórica de oxígeno 294
5.4.4 Cinética de la DBO 299
5.4.5 Constante de velocidad de la DBOC 301
5.4.6 Medición de la DBO 303
5.4.7 La prueba DBO: limitaciones y opciones como la demanda química de oxígeno 308
5.5 Oxígeno disuelto y DBO en ríos 308
5.5.1 Saturación de oxígeno 313
5.5.2 Déficit de oxígeno 314
5.5.3 Balance de materia de oxígeno 315
5.5.4 Curva de pandeo del oxígeno disuelto y distancia crítica 316
5.6 Flujo de materiales en los ecosistemas 318
5.6.1 Ciclo hidrológico 321
5.6.2 Ciclo del carbono 326
5.6.3 Ciclo del oxígeno 329
5.6.4 Ciclo del nitrógeno 329
5.6.5 Ciclo del fósforo 333
5.6.6 Ciclo del azufre 335
5.7 Lagos: nutrientes y eutroficación 338
5.7.1 Estratificación térmica de lagos y embalses 338
5.7.2 Materia orgánica, estratificación térmica y consumo de oxígeno 340
5.7.3 Limitaciones de nutrientes y estado trófico 342
5.7.4 Modelos y manejo de la eutroficación 345
5.7.5 Restauración y manejo de lagos y embalses 347
5.8 Salud del ecosistema y bienestar público 348
5.8.1 Bioconcentración y bioacumulación 348
5.8.2 Toxicidad 352
5.8.3 Organismos indicadores 357
Problemas del capítulo 360
Bibliografia 370
Soluciones a los problemas de los capítulos 373
Indice 381