4. MUESTREO ATMOSFÉRICO
Introducción
La atmósfera es la capa gaseosa que rodea a la tierra. Está formada por varias capas concéntricas: Troposfera, entre 0 y 10 km sobre el nivel del mar, dentro de la cual se desarrolla la vida aérea. Estratosfera, hasta 80 km de altura. En ella existe una capa de ozono, O3, de unos 20 km de altura, que resulta esencial para la vida. Esta capa es una especie de "escudo" que protege a la Tierra de las radiaciones ultravioleta. Ionosfera, que se se extiende hasta hasta unos 500 km. En ella existen iones producidos por la radiación ultravioleta. Para efectos de análisis de la contaminación, se presta atención a la troposfera y a la capa de ozono (O3) en la estratosfera. •
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Fórmula
Composición del aire (seco y limpio) al nivel del mar
% en Volumen
ppm
N2
78.09
780 900
O2
20.94
209 400
Ar
0.93
9300
0. 0.0318
318
Ne
0.0018
18
He
0.00052
5.2
0. 0.00015
1.5
0.0001
1
0. 0.00005
0.5
N2O
0.000025
0.25
CO
0.00001
0.1
Xe
0.000008
0.08
O3
0.000002
0.02
NH2
0.000001
0.01
NO2
0.0000001
0.001
SO2
0.00000002
0.0002
CO2
CH4
Kr H2
Contaminantes atmosféricos Contaminación atmosférica es la presencia en el aire de sustancias y formas de energía que alteran su calidad, de modo que implique riesgos, daño o molestia grave para las personas y bienes. Los contaminantes pueden ser clasificados en primarios, sustancias que son vertidas directamente a la atmósfera, y secundarios, producidos como consecuencia de las transformaciones y reacciones químicas y fotoquímicas que sufren los contaminantes primarios.
Los Los cont contam amin inan ante tess prim primar ario ioss pued pueden en cl clas asif ific icar arse se en gases y material particulado. Dentro de los gases se encuentran los óxidos de azufre (SO2 y SO3), óxidos de nitrógeno (NO 2 ) y óxidos de carbono (CO y CO2), el ozono (O3), los hidrocarburos (CH4, C6H6, COV, PAH), las dioxinas y los PCB. También se considera contaminación atmosférica a la producida por formas de energía como radiaciones (ionizantes y no ionizantes), vibraciones y ruido
El material particulado puede clasificarse, en función del tamaño de partícula, en partículas sedimentables (ø > 10 μm), pa partículas en suspensión (ø < 10 μm) y partículas respirables (ø < 5 μm). Se usa la terminología PM10 (partículas torácicas) para las partículas con menos de 10 micrómetros de diámetro diámetro aerodinámico aerodinámico y PM2,5 (partículas respirables) para el material particulado con menos de 2,5 micrómetros de diámetro.
Los contaminantes secundarios principales son. O3. (Ozono troposférico). Se origina por interacción de la radiación solar a partir de los óxidos de nitrógeno y de los compuestos orgánicos volátiles. Derivados del nitrógeno. (NO). Los óxidos del nitrógeno en la atmósfera sufren reac eaccion iones de fotooxidación. A partir del NO2, se forma el NO3. En situación acuosa se formará el NO3H. Y además se formó el PAN, que es nitrato de peroxiacetileno. Derivados del óxido de azufre. En la atmósfera se transformará del SO2, al SO3. Y en la situación acuosa se formará el SO4H2. Los derivados derivados de nitrógeno nitrógeno y del óxido de azufre azufre son los responsables del smog y de la lluvia ácida. •
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Orígenes y Efectos de los Contaminantes Atmosféricos
Material Particulado
Virus Bacterias Neblina Gotas de lluvia Polvo Cenizas Aerosoles Humos Niebla 1000
100
10
1.0 micras
0.1
0.01
0.001
El material particulado y el tracto respiratorio
Objetivos del Muestreo de Aire Algunos objetivos del muestreo atmosférico pueden ser los siguientes: Identificación de fuentes contaminantes Observación de la tendencia de la contaminación a largo plazo Calibración de un modelo de dispersión Identificación de sitios representativos de monitoreo Investigación del impacto de la contaminación en la salud de la población y en los ecosistemas Supervisión del cumplimiento de normas de calidad del aire Establecimiento de un sistema de alerta • •
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El muestreo atmosférico Al referirnos al muestreo atmosférico, un interés importante es la determinación de la contaminación atmosférica, por lo que se debe considerar como dos situaciones objeto de muestreo a: 1. La emisión, es decir la incorporación a la atmósfera de contaminantes primarios a partir de fuentes fijas y móviles . Éste es el muestreo de emisión ó muestreo de fuentes. 2. La inmisión, es decir, la calidad del aire resultante luego de que los contaminantes primarios han sido transportados, modificados (contaminantes secundarios) y mezclados.. Éste es el muestreo de inmisión o de la calidad del aire que entra en contacto con los receptores.
Transporte Reacción Mezcla
EMISION
INMISION
Fijas
Móviles
Fuentes
Receptores
Muestreo de Emisión •
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Directamente en la fuente de emisión Contaminantes primarios Concentraciones relativamente altas de los contaminantes
Muestreo de Inmisión •
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A cierta distancia de la fuente de emisión Contaminantes primarios mas contaminantes secundarios Concentraciones relativamente bajas de los contaminantes
Ubicación de puntos de muestreo La ubicación de los puntos de muestreo puede obedecer a diferentes criterios: Cuadrículas, en una distribución sistemática Ubicaciones en función de Modelos Estadísticos Puntos seleccionados en las ciudades, como el centro de la ciudad, los sectores industriales, la densidad de tráfico, las zonas residenciales, preferentemente. Otros criterios pueden estar relacionados con las fuentes de emisión, la topografía y meteorología, la calidad del aire, los modelos de simulación y, por supuesto, los objetivos del muestreo. •
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Las Técnicas de Muestreo Atmosférico Las técnicas de muestreo atmosférico son las siguientes: Técnicas Pasivas Técnicas Activas Analizadores automáticos en línea Sensores remotos Bioindicadores Dentro de ellas existen técnicas específicas para el muestreo de gases y para el muestreo de material particulado, aplicables, según los casos, tanto para la emisión como para le inmisión. •
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Técnicas Pasivas El contaminante, ya sea gaseoso o particulado, entra en contacto con un medio o sustrato que sirve para detectarlo o retenerlo, por acción de una propiedad o proceso natural (gravedad, absorción, adsorción, reacción química, interferencia, etc.). Después de exponer el sustrato por un apropiado periodo de muestreo, (que depende del objetivo) se determina cuantitativamente la presencia del contaminante, ya sea in situ, o llevándola a un laboratorio para analizarla. Además de partículas, se utilizan para NO2, SO2, NH3, VOC´s, O3.
Técnicas Pasivas Ventajas: En general son técnicas simples No requieren del uso de energía Generalmente son de bajo costo •
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Desventajas: Solo permiten determinar valores promedio en un intervalo de tiempo No permiten el registro de valores máximos y mínimos •
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Técnicas Activas El contaminante, ya sea gaseosos o particulado, entra en contacto forzado con un medio o sustrato que sirve para detectarlo o retenerlo, utilizando para ello una bomba que absorbe una masa de aire. Después de operar el muestreador para que el contaminante entre en contacto con el sustrato por un apropiado periodo de muestreo, (que depende del objetivo) se determina cuantitativamente la presencia del contaminante, ya sea in situ, o llevándola a un laboratorio para analizarla. Además de partículas, se utilizan para NO2, SO2, O3
Técnicas Activas Ventajas: Al forzar el contacto entre el contaminante y el sustrato, se incrementa la posibilidad de detección o captación Un gran número de contaminantes puede ser muestreado por métodos activos, ya que se pueden aplicar una variedad de sustratos (sólidos o líquidos) •
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Desventajas: Requieren de energía eléctrica para su operación Son generalmente costosos •
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Analizadores automáticos en línea Estos instrumentos se basan en aprovechar propiedades físicas o químicas del contaminante (especialmente gas), mediante su detección continua, utilizando métodos optoelectrónicos. El aire muestreado entra en una cámara de reacción donde, ya sea por una propiedad óptica del gas que pueda medirse directamente o por una reacción química que produzca quimiluminiscencia o luz fluorescente; se mide la intensidad de esta luz por medio de un detector que produce una señal eléctrica proporcional a la concentración del contaminante muestreado. Además de partículas, se utilizan para CO2, CO, HC, NO2, SO2 y O3
Analizadores automáticos en línea Ventajas: Se tienen valores en tiempo real Se determinan valores máximos y mínimos Permite identificar valores umbrales respecto a los cuales tomar acciones inmediatas como medidas de contingencia •
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Desventajas: Costo elevado Requieren personal especializado para su manejo Constante mantenimiento y calibración •
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Sensores remotos Son técnicas que permiten capturar información de los objetos sin tener un contacto directo con ellos. En el caso de la atmósfera, proporcionan mediciones de un contaminante dentro de un área por un periodo de tiempo limitado. Particularmente aplicables a aerosoles, ozono y gases. Operan a través de instrumentos montados en aviones, satélites y globos de observación. Identifican a componentes a través de varios principios como las correlaciones espectrométricas, el reflejo de luz solar en partículas de aerosoles, absorción infrarroja y emisión espectroscópica, láser de color, fluorescencia infrarroja, etc. También proporcionan información sobre meteorología y clima,
Sensores remotos Ventajas: Pueden cubrir áreas considerables Pueden proporcionar mediciones integradas de multicomponentes a lo largo de una trayectoria específica en la atmósfera Rangos de resolución altos •
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Desventajas: Aplicación por parte de personal muy especializado Complejidad técnica Costo alto Datos no siempre comparables con los obtenidos por otros métodos •
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Bioindicadores Se refiere principalmente al uso de plantas como indicadores biológicos para estimar algunos factores ambientales, entre los que se incluyen la calidad del aire, particularmente en la investigación de sus efectos. Se incluyen aquí métodos como uso de la planta como muestreador pasivo, capacidad de la planta para acumular contaminantes o sus metabolitos en los tejidos, efectos de los contaminantes en la información genética de la planta, efectos de los contaminantes en la apariencia, etc.
Bioindicadores Ventajas: Costo generalmente bajo Útiles para detectar la presencia de algunos contaminantes •
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Desventajas: Problemas en la estandarización de metodologías Algunos métodos no han alcanzado un grado de confiabilidad suficiente •
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MUESTREADORES DE PARTICULAS Muestreadores Pasivos. Se basan en la depositación, por gravedad, de partículas sobre una superficie. Para ambiente exterior, se usan bandejas colectoras metálicas de dimensiones estandarizadas, que son expuestas al ambiente por periodos de tiempo determinados (24 h) Para ambientes interiores, se utilizan bandejas o pads de papel o de plástico, que son expuestas al ambiente por periodos determinados. Algunos de ellos
Muestreadores pasivos de partículas para ambiente exterior
Bandejas colectoras para material particulado
Muestreadores pasivos de partículas para ambientes interiores
Superficies colectoras
Pad colector con indicador colorimétrico
MUESTREADORES DE PARTICULAS Muestreadores Activos. Esencialmente, se trata de equipos que tienen una bomba de succión que captan un flujo de aire y lo dirigen hacia un sustrato que capta o registra a la partícula a ser muestreada. Estos muestreadores pueden ser de uno de los siguientes tipos: Muestreador con filtro. Las partículas son retenidas en filtros. Muestreador Inercial. Las partículas son interceptadas luego de que el flujo de aire ingresado mediante la bomba es forzado a cambiar de dirección abruptamente. •
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Comportamiento de partículas en un filtro Impacto
Atracción Electrostática Intercepción
Fibras del filtro
Principio de los muestreadores inerciales de partículas Las partículas siguen su trayectoria inicial por inercia e impactan al sustrato Dirección inicial del flujo S U S T R A T O
Dirección del flujo abruptamente desviada
Bajo este principio se han desarrollado muestreadores de partículas llamados precisamente impactadores “
”
Muestreadores de partículas con filtros HVS (High Volume Sampler)
-Flujo aproximado: 35 m3/hora -Límite detección: 1-5 μg/m3 -Rango de captación: 0.1 - 100 μm - PST
Muestreadores de partículas con filtros High Volume Sampler
Muestreadores de partículas con filtros MVS (Medium Volume Sampler) -Flujo aproximado: 6 m3/hora -Límite detección: 10 μg/m3 -Rango de captación: 0.1 – 25 o 50 μm - No apropiado para PST
Muestreadores de partículas con filtros
Muestreadores Inerciales En el mercado existen impactadores seriados que permiten colectar partículas de tamaños diferentes, de mas grueso a mas fino. A éstos se denomina en “impactadores cascada”
Muestreadores en cascada Andersen de dos y seis etapas
Muestreadores Inerciales de partículas – Impactador de cascada
– PM10 High Vol.
Impactador en cascada: permite hallar relación PM2.5/PM10
Medidores de PM10 PM10 Impactor •
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Cabezal de impactación Filtro Succión y medición
Impactadores en cascada gravimétricos
ImpactadorAndersen •
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Distribución de tamaño de partícula con 8 etapas entre 0.4mm y 10mm Determinación gravimétrica
Impactador con detección eléctrica
Distribución de tamaño de partícula con 13 etapas entre 0.035mm y 10mm. Detección eléctrica cada segundo de la concentración en número de partículas
Impactadores
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Impact Sampler
Medidores de Opacidad •
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Opacidad: Fracción de la luz expresada en (%) , que al ser enviada desde una fuente es impedida de llegar al receptor del instrumento observador y que se expresa en función de la transmitancia Opacímetro: Medidor de humo diseñado para medir la opacidad de una muestra de humo mediante el principio de extinción de luz. Mide mediante un sensor electro-óptico cuya función es medir la opacidad en el aire a través de las partículas existentes (polvo en suspensión, emisiones de gas, niebla, lluvia, nieve, etc.).
Los datos del opacímetro pueden ser expresados como concentración de material particulado total.
Opacímetro •
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Alta sensibilidad Instalación rápida Fácil operación Mantenimiento simple Opacidad medida como porcentaje, 0-100% Puede relacionarse con la concentración total másica de material particulado, TPM, en mg/m3
Muestreador de partículas en fase líquida Existen también muestreadores de partículas en fase líquida que paermiten la separación (fraccionamiento) por tamaño de partículas.
MUESTREADORES DE GASES Muestreadores Pasivos. Los gases a ser muestreados entran en contacto con un medio que interactúa con ellos. Algunos tipos de muestreadores con estas características son: Personales (tipo distintivo o escarapela) Tubos de difusión Burbujeadores pasivos Otros: papeles indicadores, etc. •
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Muestreadores personales de gases Se usan fundamentalmente para ambientes cerrados Constan de un receptáculo en el que está un material absorbente o adsorbente, protegido por una barrera, que permite la toma de muestra exclusivamente por difusión molecular, siendo independiente de la velocidad del viento. El adsorbente y el absorbente, se seleccionan en función del químico que se requiera muestrear, siendo éste el compuesto que mejor colecte al contaminante de interés.
Muestreadores personales de gases
Tubo de difusión Se usan fundamentalmente para ambientes cerrados Consisten en tubos que contienen un material absorbente o adsorbente según sea el mejor compuesto que permita colectar un determinado contaminante, y se encuentran abiertos en uno de sus extremos. Son utilizados para muestrear NO2 y SO2, Tubo de Palmes principalmente.
Burbujeadores pasivos Los burbujeadores pasivos, consisten de un tubo especial largo con una garganta perforada y una tapa para retener un disco de difusión Knudsen, que es el que precisamente controla la transferencia de gases dentro del medio acuoso sin que ésta sea afectada por el viento. Esta tapa deberá ser remplazada por una tapa sólida cuando el dispositivo se transporte al laboratorio.
En los cuadros siguientes, se presenta un resumen de métodos pasivos para muestreo de gases, y diversos materiales que son utilizados como sustratos para interactuar con los diferentes gases a ser muestreados.
MUESTREADORES DE GASES Muestreadores Activos. Mediante el uso de bombas al vacío, se pone en contacto al aire muestreado con un sustrato, o se aísla un volumen de aire para llevarlo al laboratorio. Los tipos principales son: Bolsas de plástico, depósitos de vidrio o de metal, “canisters” de acero inoxidable. Frascos para la absorción en fase líquida de gases. Tubos indicadores adsorbentes. “Denuders” para la separación por difusión de gases y partículas. Filtros impregnados químicamente. •
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Bolsas, depósitos, canisters Son muy útiles para el muestreo de compuestos como metano, etano y propano y gases estables como N2, O2, CO y CO2. Sin embargo, no se recomiendan para gases reactivos como O3, NOx y SO2, los cuales es preferible capturarlos y estabilizarlos por medio de alguna técnica química de absorción previa a su análisis. Actualmente se ha difundido el uso de “canisters” de acero inoxidable para muestreos de hidrocarburos, bajos niveles de tóxicos en el aire, halocarburos y COVs, a los cuales se les aplica un pulimiento en su interior de manera que se reducen los bordes o imperfecciones de la superficie de metal expuesta a la adsorción de los gases
Bolsas, depósitos, canisters
Bolsas de Muestreo
Jeringas
Bolsas, depósitos, canisters Canisters al vacío
Frascos para la absorción en fase líquida de gases Se trata de botellas o frascos que contienen medios de colección absorbentes para la absorción en fase líquida de gases. Esta fase líquida es estable y no puede ser volátil, corrosiva, viscosa, espumosa, ni cara. Se usan para SO2, NOx. Las reacciones a que se someten los contaminantes absorbidos son colorimétricas o fotométricas, por lo que es necesario añadir un reactivo que produzca color, en caso de requerirse, o esperar a que éste se produzca antes de medirlo en un colorímetro. En los laboratorios se cuenta con métodos de análisis de las soluciones como titulación, conductividad, turbidimetría, fotometría, cromatografía y otros.
Los frascos para la absorción en fase líquida de gases mas conocidos son los denominados “impingers”, o “frascos borboteadores”. Se trata de frascos que tienen un tubo de entrada que introduce el gas muestreado hasta el fondo del recipiente; el gas interactúa con el medio líquido y luego es dirigido a un tubo de salida, el cual está conectado a una bomba aspirante. Los impingers pueden conectarse en serie, formando lo que se denomina un “tren de impingers”, con posibilidad de detectar varios gases.
Frascos borboteadores
Impingers
Impingers
Tren de Muestreo
En los cuadros siguientes, constan las principales fases líquidas que se utilizan en el los frascos absorbentes, así como también algunos gases que se pueden absorber en ellas.
Tubos indicadores adsorbentes. Son tubos, de vidrio u otro material, cerrados en ambos extremos, en los que se lleva a cabo de manera discontinua la adsorción, en vía seca, de un gas de interés en un material adsorbente que puede ser silicagel, carbón activado, algún polímero como Tenax, u otros reactivos. Se fuerza el paso de aire mediante una bomba, a través de ellos. Para utilizarlos se rompen los extremos del tubo y se hace pasar por él una cantidad medida de aire para que se coloree el interior del tubo. El tono del color y la longitud de la banda comparados con la cantidad de gas que ha pasado, indicarán la concentración del contaminante. Se utilizan principalmente en las pruebas de seguridad industrial o de exposiciones personales y no en monitoreos de calidad de aire rutinarios.
Tubos Indicadores Adsorbentes
Tubos Indicadores adsorbentes
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Tubos absorbentes
Tubos indicadores adsorbentes
Los tubos indicadores se utilizan con bombas eléctricas de pequeño tamaño especialmente diseñadas. Existen también bombas manuales a las cuales se acoplan los tubos indicadores. Algunas de estas bombas se pueden utilizar también con los frascos absorbentes.
Bomba Manual
Bombas
Bombas
Bombas Drager
DENUDERS •
El “Denuder” consiste en un tubo cuyas paredes interiores están revestidas con una sustancia química absorbente que atrapa al gas de interés. El aire muestreado se hace pasar por el tubo en condiciones de flujo laminar de manera que se produzca la difusión del gas hacia las paredes del mismo tubo, absorbiéndose el gas de interés y separándose así del resto de la muestra. Mientras tanto, las partículas continuarán su paso por el tubo para ser atrapadas por un filtro a la salida de este. Usualmente se colocan varios tubos concéntricos para aumentar la superficie de contacto. Se usan para aerosoles y gases ácidos, ácido nítrico, Bióxido de azufre y amonio
Denuder
Filtros Impregnados Químicamente Los filtros impregnados químicamente se utilizan para la absorción o reacción química de contaminantes, se preparan mediante la imersión de estos filtros en una solución química seleccionada, secándolos después previo a su uso. Durante el muestreo, el aire se hace pasar por el filtro y el contaminante de interés reaccionará con el químico en el filtro. El producto de la reacción será después analizado para determinar la cantidad de contaminante presente en el aire muestreado.
MUESTREO DE CHIMENEAS MEDICIÓN DE EMISIONES DE CONTAMINANTES EN CHIMENEAS O DUCTOS DE FUENTES FIJAS
La metodología general para el muestreo de chimeneas es la siguiente: 1. Selección del sitio para la ubicación del puerto de muestreo, determinación del número de puntos para mediciones y su localización 2. Determinación de la velocidad de las emisiones y del gasto volumétrico 3. Análisis de las emisiones para determinar el porcentaje de CO2, oxígeno (O2), monóxido de carbono (CO) y el peso molecular seco 4. Determinación del contenido de humedad de las emisiones 5. Determinación de las emisiones de partículas 6. Determinación de las emisiones de dióxido de azufre (SO2)
Puertos de Muestreo en Chimeneas
Tren de Muestreo para gases en Chimeneas
Sistema de medición de velocidad
Tren de Muestreo de Humedad
Tren de Muestreo de Material Particulado
Muestreador portátil de gases de combustión
Muestreo isocinético en Chimeneas Al muestrear material particulado en una chimenea se debe mantener el flujo isocinético hacia la sonda de muestreo. El problema se ilustra en la figura siguiente: Vn = velocidad del gas en la sonda de muestreo Vs = velocidad de la emisión de la chimenea Vn
Vs
Si la velocidad del flujo de en el interior de la sonda de muestreo es igual a la velocidad de la emisión en la chimenea de la cual se esta tomando la muestra, la condición de muestreo es isocinetica (Vn = Vs) y la concentración medida de las partículas (Cm) sera igual a la concentración verdadera (Cl). Sin embargo, si la velocidad en la sonda es mayor que en la chimenea (Vn >Vs), entonces las líneas de corriente del gas se curvarán hacia la boquilla y la inercia de las partículas hará que algunas de ellas pasen por fuera de ésta, aun cuando el gas en el que hayan estado fuera captado y, por consiguiente, la concentración medida será menor que la verdadera.
