3. REVISIÓN DE METODOLOGÍAS EXISTENTES · fotoquímicos entre estos se encuentra el ozono (O3),...

3. REVISIÓN DE METODOLOGÍAS EXISTENTES

La gran importancia y necesidad de controlar los contaminantes atmosféricos en la época de los años 50 y 60, trajo consigo un rápido desarrollo de metodologías para el muestreo y análisis de estos contaminantes en varios países. En 1955, el Congreso núm. 84 de los Estados Unidos de Norteamérica, decretó la Ley Pública 159, para proveer investigación y asistencia técnica relacionadas con el control de contaminantes atmosféricos. Una división de contaminantes atmosféricos fue establecida en el Servicio de Salud Pública de este país en 1960 y la primera “Clean Air Act”28 , fue adoptada por el Congreso núm. 88 como Ley Pública 206 en diciembre de 196329 . Posteriormente, se organiza en marzo de 1963, el Comité Intersociedades Norteamericano (ISC, siglas en inglés) que agrupa a diferentes asociaciones americanas como la de Higiene Industrial, de Ingenieros Químicos, de Salud Pública, entre otras, con la finalidad de establecer y desarrollar métodos de muestreo y análisis de calidad de aire y publica en 1972 el Manual ISC que contenía 57 metodologías. Por otro lado, la ASTM, se había ocupado del desarrollo y publicación de métodos tentativos y estándares para el muestreo y análisis de contaminantes atmosféricos, en su “Committee D-22”, participando con ISC hasta 197329 La EPA publica en 1971, métodos de referencia para el análisis de los seis principales contaminantes atmosféricos (partículas suspendidas totales (PST), bióxido de azufre (SO2), monóxido de carbono (CO), oxidantes

28

Clean Air Act: Acciones y políticas para mantener una calidad de aire; puede incluir programas de investigación y desarrollo de procedimientos de control y metodologías de control de emisiones.

29 Referencia 10.

REVISIÓN DE METODOLOGÍAS EXISTENTES

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fotoquímicos entre estos se encuentra el ozono (O3), hidrocarburos no-metano (HC) y bióxido de nitrógeno (NO2)) con la finalidad de determinar una congruencia con los estándares nacionales de calidad del aire, primarios y secundarios30. De igual manera la OECD, en los años 60 formó un grupo de trabajo encargado de desarrollar y estudiar metodologías para la medición de contaminantes atmosféricos. En 1969, la OMS, publicó una Guía de Selección de Metodologías para la Medición de Contaminantes Atmosféricos, preparada por el Dr. Morris Katz31 . Siguiendo a esta publicación, un manual de laboratorio titulado Métodos Selectos de Medición de Contaminantes Atmosféricos, publicado en 1976 bajo el patrocinio del PNUMA y de la OMS32 En los últimos años se han implementado técnicas de instrumentación que involucran métodos fotométricos y quimiluminiscentes, absorción atómica, infrarroja y ultravioleta, espectrometría de masa, cromatografía, activación de neutrones no-destructiva, el uso de electrodos selectivos, rayos X, fluorescencia y espectroscopia. También se han desarrollado instrumentos de control remoto que sirven para medir contaminantes gaseosos y aerosoles en la troposfera y en la estratosfera. Debido a que el monitoreo atmosférico involucra tanto la toma de muestra o muestreo como el análisis de la misma, definiremos primero las dife-rentes metodologías o técnicas de toma de muestras en las secciones 3.1 y 3.2, mientras que los métodos de análisis se tratarán en la sección 3.3. 3.1. TIPOS DE METODOLOGÍAS PARA MONITOREO

ATMOSFÉRICO Todas las metodologías para muestreo dentro del monitoreo atmosférico pueden ser divididas en cinco tipos genéricos: muestreadores pasivos, muestreadores activos, analizadores automáticos en línea, sensores remotos y bioindicadores.

30

Referencia 10. 31Referencia 11. 32 Referencia 12

MANUAL DE MONITOREO ATMOSFÉRICO 41

3.1.1. Muestreadores Pasivos Estos dispositivos de toma de muestra, generalmente con forma de tubo o disco, colectan un contaminante específico por medio de su adsorción y absorción en un sustrato químico seleccionado. Después de su exposición por un apropiado período de muestreo, que varía desde un par de horas hasta un mes, la muestra se regresa al laboratorio, donde se realiza la desorción del contaminante y después se le analiza cuantitativamente. Las principales ventajas del muestreo pasivo es su simplicidad y bajo costo, por lo que se pueden extender muchas unidades para que provean información en cuanto a la distribución espacial de los contaminantes. Sin embargo el tiempo de resolución de esta técnica es limitado, por lo que sólo puede proveer información de concentraciones promedio de contaminantes. Debido a su simplicidad y bajo costo, las técnicas de muestreo pasivo son adecuadas para muchas aplicaciones, ya sea por sí mismas o en combinación con analizadores automáticos. Existen varias técnicas de muestreos pasivos disponibles o en desarrollo para los principales contaminantes urbanos, entre las que se incluyen las de NO2, SO2, NH3, VOC’s, y O3. Entre los muestreadores pasivos hay que diferenciar los que especí-ficamente se utilizan en puntos fijos de muestreo, para monitorear calidad de aire, especialmente para estudios de fondo y muestreos de amplia cobertura espacial; y los pasivos personales, que la gente puede llevar puestos y se utilizan principalmente en estudios epidemiológicos, donde se puede determinar por ejemplo la exposición personal durante una jornada de 8 horas de trabajo a un determinado contaminante. En estudios de calidad del aire, también pueden ser útiles usados en combinación con muestreadores activos o monitores automáticos. En este tipo de estudios híbridos, el muestreador pasivo provee los datos de calidad de aire de resolución geográfica, mientras que los otros instrumentos ofrecen información relacionada con el tiempo, como variaciones diurnas de la concentración y sus picos. Estudios de este tipo pueden ser económica-mente muy convenientes y un ejemplo de ellos es el uso de muestreadores de tubo de difusión para colectar NO2, en el barrido de áreas y selección de sitios de monitoreo en varios países europeos33 .

33

Referencia 1, vol. l, anexo 3.


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3.1.2. Muestreadores Activos A diferencia de los muestreadores pasivos, este tipo de equipos requieren energía eléctrica para bombear el aire a muestrear a través de un medio de colección físico o químico. El volumen adicional de aire muestreado incrementa la sensibilidad, por lo que pueden obtenerse mediciones diarias promedio. Los muestreadores activos más utilizados actualmente son los burbujeadores acidimétricos para medir SO2, el método de filtración para PST de la OECD y el método gravimétrico de Altos Volúmenes (High Vol.) para partículas totales y fracción respirable de la EPA. También existen técnicas de muestreos activos disponibles para la mayoría de los contaminantes gaseosos, como el método de Saltzman para NO2 y el método NBKI (Neutral Buffered Potassium Iodide, solución amortiguadora neutra de yoduro de potasio) para O3, sin embargo la mayoría de estas técnicas han sido reemplazadas por analizadores automáticos. De cualquier manera para la investigación de aerosoles y gases ácidos se están usando filtros empacados y sistemas “Denuder”33.. Aunque los muestreadores activos son más caros y complejos que los muestreadores pasivos, son relativamente fáciles de operar, confiables y han proporcionado la base de datos de mediciones en la mayor parte del mundo a lo largo de más de quince años. La continuidad de esta base de datos es muy importante para poder deducir tendencias a largo plazo. 3.1.3. Analizadores o Monitores Automáticos A pesar de las ventajas económicas de los muestreadores activos o pasivos, existen aplicaciones de monitoreo que necesitan de la rápida respuesta, en horas o menor, que proporciona un analizador automático, por ejemplo cuando se pretenden detectar valores máximos de concentraciones de contaminantes y situaciones de alerta para implementar medidas de contingencia. Estos instrumentos se basan en propiedades físicas o químicas del gas que va a ser detectado continuamente, 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 esta luz por medio de un detector que produce una señal eléctrica proporcional a la concentración del contaminante muestreado.


La gran capacidad de estos monitores automáticos se obtiene a expensas de los altos costos que implica su inversión inicial y su operación. Estos instrumentos tienden también a ser más susceptibles a problemas técnicos en comparación con los muestreadores, cuando no se cuenta con los programas de mantenimiento adecuados y con personal técnico calificado, ya que requieren de técnicos especializados para la operación rutinaria de los equipos y de métodos más sofisticados de aseguramiento y control de calidad. Estos monitores automáticos producen gran cantidad de datos que usualmente necesitan de sistemas telemétricos para su recopilación y computadoras para su subsecuente procesamiento y análisis. Ya se cuenta con monitores continuos aprobados y validados para la mayor parte de los principales contaminantes urbanos, inclusive la normatividad de la EPA establece poco el uso de muestreadores, los cuales en algunos casos han sido sustituidos por sistemas automáticos que generan una mayor cantidad, confiabilidad y calidad de información, siempre y cuando se operen adecuadamente. Sin embargo sus altos costos y complejidad en su operación los hace inadecuados para algunos lugares. Su uso no se recomienda cuando no se cuenta con la infraestructura de apoyo y personal técnico necesarios. Es muy común en las redes de monitoreo el uso de monitores automáticos junto con muestreadores activos y pasivos, en la práctica estas mediciones se consideran como complementarias, debido a que, los monitores automáticos no son necesariamente superiores y muchos errores se evitarían si se mantuvieran algunos muestreadores cuando se instalan los monitores automáticos34 , por lo menos durante el período de ajuste y capacitación para el manejo de los mismos.

34

Referencia 1, vol. l, anexo. 3.


44

3.1.4. Sensores Remotos Los sensores remotos a diferencia de los monitores automáticos, que proporcionan mediciones de un contaminante en un punto en el espacio, pueden proporcionar mediciones integradas de multicomponentes a lo largo de una trayectoria específica en la atmósfera (normalmente mayor a 100 m.), y sistemas más complejos, pueden hasta proveer mediciones con rangos de resolución a lo largo de la trayectoria. Se han llegado a detectar por ejemplo hasta 5 ppb de SO2, en un patrón de 1 km. Sistemas móviles pueden proporcionar mapas tridimensionales detallados de concentra-ciones de contaminantes dentro de un área por un período de tiempo limitado. Algunos de estos controles remotos se han llevado a cabo por medio de instrumentos montados en aviones o en satélites, cuyos métodos incluyen el uso de correlaciones espectrométricas, el reflejo de la luz solar en las partículas de los aerosoles, absorción infrarroja y emisión espectroscópica, láser de color y de inducción infrarroja fluorescente y la aplicación de técnicas astronómicas35 . Las aplicaciones de los sensores remotos son muy especializadas y particularmente se utilizan para investigaciones cerca de las fuentes de emisión, en las plumas de las chimeneas y para mediciones verticales de contaminantes gaseosos y aerosoles en la atmósfera, como la investigación de la distribución del ozono en la troposfera y en la estratosfera. Sin embargo, desde un punto de vista comercial son instrumentos muy caros y extremadamente complejos, y presentan además dificultades con la validación de sus datos, niveles de confianza y calibración. Se requiere de un gran esfuerzo especializado y cuidadoso control de calidad para operar exitosamente estos sistemas y producir datos confiables. 3.1.5. Bioindicadores Actualmente se ha mostrado gran interés en el uso de bioindicadores para estimar algunos factores ambientales, entre los que se incluyen la calidad del aire, particularmente en la investigación de sus efectos. El término biomonitoreo, (el cual implica generalmente el uso de plantas para monitorear el aire) cubre una multitud de muy diferentes muestreos y

35

Referencia 10.


enfoques de análisis con muy diferentes grados de sofisticación y desarrollo. Los métodos incluyen: 1) Uso de la superficie de las plantas como receptoras de contaminantes, como el uso del perejil para el plomo y el musgo para hidrocarburos poliaromáticos. Esencialmente la planta es un muestreador y debe ser colectada y analizada en el laboratorio por medio de métodos clásicos. 2) Uso de la capacidad de la planta para acumular contaminantes o sus metabolitos en el tejido de la planta, como en el caso de las agujas del abeto para azufre total y de los pastos para fluoruros, azufre y algunos metales pesados. Nuevamente el tejido de la planta deberá ser colectado y analizado por métodos clásicos. 3) Estimación de los efectos de los contaminantes en el metabolismo o en la información genética de las plantas, como el efecto del ozono en los cloroplastos del abeto. En este caso la colección y análisis requiere de técnicas muy sofisticadas. 4) Estimación de los efectos de los contaminantes en la apariencia de las plantas, como el efecto del SO2 en los líquenes, el efecto del ozono en las plantas de tabaco36 y en algunas especies de pinos, cuyas agujas presentan bandas cloróticas cuando están expuestas a concentraciones episódicas de ozono37 . La estimación puede llevarse a cabo en el campo por expertos y no se necesitan análisis de laboratorio. 5) Distribución y análisis de plantas específicas como indicadores de calidad del aire, como el tipo y distribución de líquenes para estimar los efectos fitotóxicos totales de la contaminación del aire. La estimación se lleva a cabo en el campo por expertos y no se requiere análisis de laboratorio. A pesar de que se han desarrollado guías sobre las metodologías de los bioindicadores, todavía quedan problemas no resueltos en cuanto a la estandarización y armonización de estas técnicas. Algunos de los problemas son inherentes a los procedimientos y otros se deben a limitaciones por los tipos de plantas que pueden ser empleadas en diferentes regiones. En general, mientras menor sea la variación climática entre los sitios de las áreas de muestreo, será más fácil que se pueda 36

Referencia 13. 37

Referencia 14.


46

desarrollar una técnica estandarizada que permita una comparación de datos significativa. De cualquier manera, hay muchas variables cuyos efectos son muy difíciles de determinar, por ejemplo los efectos de los factores bióticos de estrés (calor, sequías, etc.) o la adaptación a ambientes contaminados. A la fecha, es todavía extremadamente difícil desarrollar procedimientos significativos de control de calidad para el uso de bioindicadores en localidades enteramente diferentes. Las bibliografías de algunos estudios de biomonitoreo se presentan en las referencias de este manual y corresponden a los números 13, 14 y 15. Dada la complejidad de los problemas involucrados actualmente, el uso de las técnicas de biomonitoreo se limita a localizaciones específicas, particularmente en estudios de monitoreo de ecosistemas, proporcionando información útil también a niveles regionales. Estas técnicas pueden establecer los efectos de contaminantes en lugares donde no es de primordial importancia el detallado conocimiento de la concentración de los mismos. La aplicación de estas técnicas a gran escala, en redes globales, posiblemente se estudiará en un futuro cercano38 . 3.2. EQUIPO DE MUESTREO 3.2.1. Equipo para Muestreo Pasivo: Cuadros de Metodologías y

Tipo de Equipos por Contaminante Algunos gases y vapores orgánicos pueden ser muestreados pasivamente, o sea sin utilizar bombas, mediante el uso de dispositivos de monitoreo gaseoso, que se encuentran disponibles en el mercado con una variedad de diferentes medios de colección que incluyen sólidos adsorbentes, medios líquidos, cintas químicamente impregnadas y tubos rellenos de algún reactivo. En cualquiera de estos casos la muestra de aire entra en contacto con el dispositivo por difusión y el contaminante de estudio es atrapado por medio de alguno de los medios de colección que se mencionaron anteriormente. Ya colectada la muestra las técnicas de análisis que se requerirán dependerán del tipo de dispositivo y del químico muestreado y entre ellas se incluyen los métodos colorimétricos, cromatografía de gases y otros métodos analíticos que se describirán en la sección 3.3. Actualmente se define a un muestreador pasivo para especies gaseosas como el instrumento capaz de tomar muestras de gases o vapores

38

Referencia 1, vol. l, anexo 3.


contaminantes de la atmósfera a una tasa controlada por un proceso físico como la difusión a través de un estrato estático o su permeación a través de una membrana pero sin involucrar el movimiento activo del aire39 . Entre los dispositivos más usados que se encuentran disponibles en el mercado se cuenta principalmente con:

• Muestreadores pasivos personales con forma de distintivo. Figura 3.1. • Tubos de Difusión: absorbentes o adsorbentes.

• Tubos de “Palmes”. Fig. 3.2. • Burbujeadores pasivos. Fig. 3.3.

• Depósitos de polvo, colectores de polvo sedimentable. Figura 3.4. • Otros: Papeles indicadores, tiras de hule, vela de peróxido de plomo,

etcétera.

Los muestreadores pasivos con forma de distintivo, se muestran en la figura. 3.1., en la que se puede observar a escala reducida el tamaño del dispositivo y sus componentes. Como se puede apreciar, la barrera de difusión permite la toma de muestra exclusivamente por difusión molecular, siendo independiente de la velocidad del viento. El adsorbente y el absorbente, se seleccionará en función del químico que se requiera muestrear, siendo éste el compuesto que mejor colecte al contaminante de interés. En el dispositivo, que se presenta en la figura, la abertura está protegida por una mampara contra el viento, pero existen otros que cuentan con un filtro de membrana para proteger a la misma.

39

Referencia 16.


48

Figura 3.1.

MUESTREADOR PASIVO-DISTINTIVO (Cortesía Catálogo SKC,1993. Ref. 17)

Los tubos de difusión, absorbentes o adsorbentes, que se muestran en la figura 3.2., consisten en tubos que contienen un material absorbente o adsorbente según sea el mejor compuesto que se requiera para colectar un determinado contaminante, y se encuentran abiertos en uno de sus extre-mos. Entre estos tubos se encuentran los tubos de “Palmes”, llamados así por uno de sus inventores y utilizados para muestrear NO2 y SO2, principalmente40 .

40

Referencia 18.

BARRERA DE DESORCION

CUBIERTA


Figura 3.2

TUBO DE PALMES (Ref.1.) En general los muestreadores pasivos con forma de distintivo tienen una tasa de muestreo alta, pero un límite de detección inferior que el de los tubos de difusión. Generalmente, el período de exposición más corto para un tubo de “Palmes” es de una semana, mientras que los muestreadores distintivo pueden ser expuestos por 24 horas o menos, lo cual permite la comparación directa de la concentración resultado con los valores recomendados por la OMS. Sin embargo estos muestreadores distintivo son más susceptibles a la velocidad del viento, que puede producir un efecto de adelgazamiento de la capa laminar que se localiza en la frontera del mismo y por la que las moléculas de gas se transportan a la entrada del muestreador por difusión molecular, lo cual indica que a altas velocidades se producirá una mezcla turbulenta por este adelgazamiento trayendo como consecuencia una sobreestimación de las concentraciones ambientales. Mientras que a velocidad cercana a 0 m/s la capa laminar será tan gruesa que en la entrada del muestreador se agotará el gas muestreado presentando reducciones de masa de hasta 30%. Para minimizar estos efectos se recomienda proteger al muestreador con una membrana micropore.


50

Figura 3.3

BURBUJEADOR PASIVO (Cortesía Catálogo SKC, 1993. Ref. 17)

Los burbujeadores pasivos, son otro tipo de muestreador pasivo del tipo de tubo de difusión, se muestran en la figura 3.3., y 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 laboratorio41 . Como la instalación de un muestreador pasivo, del tipo de distintivo o de tubo, no requiere de una línea de muestreo como en el caso de muestreadores activos y automáticos, se puede instalar en cualquier poste o señal de tránsito, generalmente por medio de una pinza o un sujetador de alambre. Sin embargo, se debe de tomar en cuenta cuando se instala un muestreador pasivo, tanto la velocidad como la dirección del viento, montando al muestreador verticalmente, con su lado abierto para abajo. A continuación en el cuadro 3.1, se presenta un ejemplo detallado de las consideraciones que se tienen que tomar en cuenta para armar, colocar y desensamblar un muestreador pasivo y en la figura 3.4, se muestran sus partes.

41

Referencia 17.


Los colectores para polvo sedimentable, llamados también jarras para polvo sedimentable, consisten básicamente en recipientes cilíndricos abiertos en la parte superior, presentando un área sobre la cual las partículas de gran tamaño y de mayor densidad pueden sedimentarse. Existen una gran variedad de diseños para su construcción, utilizándose principalmente materiales como: vidrio, polietileno y acero inoxidable. En la figura 3.5, se presentan algunos de estos diseños. En la práctica se recomienda tener un diseño uniforme de estos dispositivos dentro de una misma red para poder comparar los datos obtenidos de una estación a otra. Hay diversos métodos especiales que no pueden clasificarse en ninguna categoría y que han resultado muy útiles en la determinación de la presencia de algunos contaminantes, entre los que tenemos papeles indicadores, tiras de hule, velas de peróxido de plomo, etc. Los papeles indicadores son del tipo del de tornasol y del indicador del pH. Consisten en un trozo de material absorbente cuya superficie está impregnada con un reactivo seco y suelen ir acompañados de una tabla de colores para comparar el cambio después de exponerlo a la muestra. Las tiras de hule como su nombre lo indica son tiras delgadas de hule que se cuelgan para determinar el ozono por medio del resquebrajamiento que se produce en las mismas en presencia de este contaminante. La vela de peróxido de plomo es un método antiguo que consiste en un cilindro recubierto con una capa seca de suspensión de peróxido de plomo que absorbe el anhídri-do sulfuroso por largos períodos de tiempo. Sin embargo, se debe enfa-tizar que estos métodos sólo sirven como indicadores de contaminación. Los métodos modernos de muestreadores pasivos que incluyen a los de forma de distintivo y los tubos de difusión, se distinguen de los otros métodos como el de la antigua vela de peróxido de plomo, en que estos métodos modernos, sí cuentan con un patrón de difusión, a diferencia de los otros que no cuentan con éste. Lo cual permite obtener las concen-traciones aceptables que se requieren para que los resultados obtenidos por medio de diferentes equipos sean comparables42 .

42

Referencia 1, vol. 4, pág. 3.


52

Cuadro 3.1.

RECOMENDACIONES DE UN PROTOCOLO PARA MUESTREO DE O3

UTILIZANDO EL MUESTREADOR PASIVO OGAWA.

PREPARACIÓN

Los filtros de fibra de vidrio ya preparados de Ogawa y Co., vienen en paquetes dentro de viales de vidrio, fechados con el día en que fueron recubiertos. Se recomienda: • Almacenarlos dentro de su vial a temperatura de 25°C. • Abrirlos solamente en medio ambiente protegido o en la

“caja de guantes”. • Para el aseguramiento de la calidad un conjunto de blancos

de cada paquete deberá analizarse, previo al muestreo. • Filtros no expuestos deberán transportarse de noche. • Deberán protegerse los filtros de contacto directo con

gotas de agua. • Los filtros envejecen y ocurre una conversión de nitrito a

nitrato por lo que deben de utilizarse y analizarse preferentemente dentro de las 4 semanas subsecuentes a su recubrimiento. En ocasiones se han llevado a cabo análisis seguros entre 6 a 8 semanas.

• Todas las partes del muestreador deberán estar lavadas con agua ultrapurificada y secas antes de ensamblarlas.

• Se etiquetarán tanto el clip de cada muestreador como los viales de campo.

ENSAMBLE

La maniobra consiste en introducir en el cilindro del muestreador a cada lado una malla de acero inoxidable, un filtro, otra malla y una tapa de difusión, ver figura 3.4 : • Todas las partes del muestreador y los instrumentos de

ensamble deberán estar en la caja de guantes. • Todas las maniobras de ensamble se llevarán a cabo en la

misma. • Hay que asegurarse en la colocación de las mallas y filtros

que estos no se doblen ni dañen y que queden perfectamente planos.

• Ensamblado el cuerpo, se le coloca su clip y se guarda en una bolsa y ésta a su vez se introduce en una botella de almacenaje color ámbar, etiquetada de igual manera que el clip.


COLOCACIÓN

Puede colocarse en interiores o exteriores y para muestreos de calidad del aire o de exposición personal: • El sitio se seleccionará cuidando que la cara del

muestreador tenga un flujo de aire sin restricciones. • No deberá colocarse cerca de fuentes de óxidos de

nitrógeno. • Para muestreos de exposición personal, deberá colocarse

cerca de la zona de inhalación. Preferentemente en la orilla del cuello de la camisa.

• Se recomienda una cubierta contra lluvia para evitar efectos por condiciones climáticas.

• Mantenga las muestras secas durante la exposición. • Deberá anotarse, antes de sacar de la botella y colocar el

muestreador, el lugar de muestreo, condiciones climáticas, fecha y hora.

• De igual manera al finalizar el muestreo se guardará el muestreador en su bolsa y después en su botella y se anotará, fecha, hora y comentarios respecto al clima, apariencia del muestreador, etcétera.

• Se debe colocar a un mínimo de 1 a 1.5 m. del piso y a 30 cm. de cualquier superficie vertical.

DESENSAMBLE Y CONSERVACIÓN DE LA MUESTRA

Consiste en sacar las bolsas de las botellas de almacenamiento y colocarlas dentro de la “caja de guantes”. En ésta se sacarán los muestreadores de las bolsas y se desarmarán paso a paso siguiendo el proceso inverso del ensamble, sacando los filtros y colocando cada par de cada muestreador en un vial: • Todas las partes del muestreador y los instrumentos de

desensamble deberán estar en la caja de guantes. • Todas las maniobras de desensamble se llevarán a cabo en

la misma. • Remover la etiqueta del clip, ya que se le separó del

cuerpo del muestreador y colocarla en el vial donde se colocarán los filtros.

• No tocar la superficie plana de la tapa de difusión al quitarla.

• Para sacar los filtros y las mallas ladee el cuerpo del muestreador de manera que estos resbalen al exterior, impidiendo que caigan fuera del mismo. Saque primero el filtro de un lado y luego el del otro.

Coloque el filtro en el vial de campo. En caso de que el filtro no entre fácilmente dóblelo utilizando un par de pinzas previamente lavadas.

• Guarde los viales de campo (que contienen cada uno los

pares de filtro de cada muestreador) en la oscuridad a 5°C hasta su análisis.


54

• Se deberán mandar a analizar en cajas aisladas que minimicen los cambios de temperatura.

BLANCOS

En cada paquete de filtros existe algo de conversión de nitrito a nitrato sin que se haya expuesto a ozono. Debido a esto las muestras de campo necesitan ser corregidas por medio de un blanco. Esta conversión depende del manejo y envejecimiento del filtro, por lo cual si el paquete se divide para ser usado en diferentes tiempos de muestreo o de análisis, los blancos deberán dividirse para cada subgrupo: • Se recomienda un mínimo de 5% de blancos de campo. • Hasta 10% de blancos para obtener promedio de

correcciones por blanco para los análisis de cromatografía de iones.

ANÁLISIS

Se extrae del filtro el material de recubrimiento que es una base de nitrito, el cual después de haber sido expuesto, deberá de haberse oxidado por la presencia del ozono, a nitrato, analizándose por medio de cromatografía de iones para el ion nitrato. • Se recomienda que se manden los filtros a analizar a un

laboratorio especializado. •

Fuente: Protocolo para mediciones de Ozono utilizando el muestreador pasivo Ogawa. Basado en la referencia 19. Koutrakis. Measurement of Ambient Ozone Using a Nitrite-Coated Filter. Basado en la referencia

20.


Figura 3.4

I I

I I

II

I

DIAGRAMA DE PARTES DEL MUESTREADOR PASIVO OGAWA (Ref. 20).

Figura 3.5

COLECTORES PARA POLVO SEDIMENTABLE


56

Se puede concluir que a pesar de que los muestreadores pasivos modernos, presentan grandes ventajas en cuanto a su costo de inversión inicial y manejo, hay que considerar el costo adicional debido al análisis de los filtros y además es muy importante evaluarlos bajo diferentes condiciones climáticas, geográficas y culturales para llevar a cabo los ajustes necesarios, antes de que sean usados en estudios a gran escala. A continuación presentaremos en el cuadro 3.2, los tipos de equipos para muestreo pasivo que más se han utilizado en el campo, principales contaminantes que se pueden muestrear con estos dispositivos y recomendaciones técnicas de personal calificado que ha trabajado con estos equipos. También se presenta en el cuadro 3.3, las metodologías actuales para muestreos pasivos de diferentes especies de contaminantes gaseosos, que ya están desarrolladas y han sido probadas. En este cuadro sólo se menciona el nombre de la tecnología, su método de análisis y algún comentario referente a la misma. Para mayor información sobre el desarrollo de cada una de estas metodologías habrá que consultar su respectiva referencia bibliográfica o el resumen que se presenta en el volumen 4, de WHO/UNEP GEMS/AIR43 . Información adicional sobre algunas de estas metodologías se presenta en los artículos cuyas referencias bibliográficas se encuentran comprendidas en el capítulo 9 de este manual, desde la número 16 hasta la 28.

43

Referencia 1, vol. 4.


Cuadro 3.2.

TIPOS DE EQUIPO PARA MUESTREO PASIVO

TIPO DE EQUIPO CONTAMINANTE RECOMENDACIONES

Distintivos Pasivos

Principalmente para vapores orgánicos (VOCs) y algunos

gases inorgánicos como: NO2, NO, CO, O3 y SO2.

Deberá seleccionarse una

membrana inerte para evitar efectos en el gas muestreado.

Tubos de Difusión:

absorbentes y adsorbentes

Tubos de “Palmes”

VOCs, NH3, HNO3, Cl2.

NO2, SO2.

El tiempo de almacenaje deberá

ser lo más corto posible, utilizándose un congelador.

Es muy importante que se coloque protegido del viento, para que su factor de difusión sea constante.

Burbujeadores Pasivos

Formaldehídos principalmente

No olvidar remplazar la tapa que

retiene el disco de difusión por una tapa sólida cuando el dispositivo se

transporte al laboratorio.

Depósitos de polvos, colectores de polvos

sedimentables

Polvos sedimentables.

Utilizar un diseño uniforme de

estos dispositivos dentro de una misma red.

Papeles Indicadores

Bromo; cianuro de hidrógeno; fluoruro de hidrógeno y

anhídrido sulfuroso

Es de suma importancia la

preparación y almacenamiento de estos papeles.

Tiras de Hule

Ozono

Método usado únicamente como

indicador.

Vela de Peróxido de Plomo

Anhídrido sulfuroso

Método usado únicamente como indicador. Debe colocarse por

triplicado por problemas de análisis y conservación de la

muestra.

Cuadro 3.3.

METODOLOGÍAS DE MUESTREO PASIVO PARA DIFERENTES ESPECIES GASEOSAS CONTAMINANTES

CONTAMINANTE METODOLOGÍA ANÁLISIS COMENTARIOS LÍMITES DE

DETECCIÓN

NO2

Método de Tubo de Palmes.* Método de Yanagisawa y Nishimura.* Método modificado de Amaya-Sugiura* Método de Cadoff y Hodgeson. * Método de Lewis y Mulik.* Método de Ferm.*

Espectrofotometría. Espectrofotometría. Espectrofotometría. Espectrofotometría. Cromatografía de iones. Espectrofotometría.

La cromatografía de iones es muy cara pero también mide sulfatos.

200 ppb ha. 66 ppb ha. 34 ppb ha. 10 ppb ha. 25 ppb ha. 15 ppb ha.

NO

Método de Yanagisawa y Nishimura, usando como oxidante a CrO3.*

Espectrofotometría.

Agente oxidante tóxico e

inestable.

66 ppb h a.

CO

Método que utiliza una Zeolita sólida (TENAX), como adsorbente.*

Desorción térmica, cro-matografía de gases con detector de ionización de flama, después de la conversión a metano.

Está metodología no presentó efectos por factores ambienta-les como velocidad del viento, temperatura y humedad relati-va.

30 a 1600 ppm h.

a Límite de detección inferior en partes por billón hora. * Para información detallada sobre estas metodologías habrá que consultar las referencias 1, 12, 16 a 27.

Cuadro 3.3.(continuación)


CONTAMINANTE METODOLOGÍA ANÁLISIS COMENTARIOS LÍMITES DE

DETECCIÓN

O3

Método desarrollado por Monn y Hangartner. * Método de Grosjean y Hisham basado en el colorante carmin índigo.* Método basado en la oxidación de nitritos a nitratos, Método de Ogawa. * Método de oxidación de yoduro de potasio. *

Espectrofotometría Reflectancia Cromatografía de iones Espectrofotometría.

La reacción es sensible a la luz. Se pueden realizar en el sitio mediciones directas. Mediciones realizadas con este método han sido comparadas con las lleva-das a cabo con monitores automáticos. No le afectan los cambios de humedad y tempera-tura.

400 ppb h a.

a Límite de detección inferior en partes por billón hora. * Para información detallada sobre estas metodologías habrá que consultar las referencias 1, 12, 16 a 27.



CONTAMINANTE METODOLOGÍA ANÁLISIS COMENTARIOS

SO2

Método colorimétrico de West-Gaeke o de Tetracloromercurato.* Método de Hangartner, utilizando tubos de difusión de Palmes, con una mezcla de trietanolamina/glicol como reactivo.* Método de Hargreaves y Atkins, utilizando tubos de Palmes e hidróxido de potasio y glicerol como reactivos.* Método de Fern, utilizando un filtro impregnado con carbonato de sodio y glicerina como reactivos.* Método que utiliza como reactivos a TEA (Trietanolamina) y carbonato de sodio. *

Espectrofotometría (Pararrosanilina). Espectrofotometría (Pararrosanilina). Espectrofotometría. Cromatografía de iones. Método de Thorin después de intercambio iónico.

Inestabilidad de la muestra y problemas con su disposición. No se obtiene concordancia adecuada con otros métodos de medición. Técnica de análisis sensible al pH, por lo que se recomienda cromatografía de iones. Metodología comúnmente usada en ciudades urbanas y estudios de fondo en Suecia.

* Para información detallada sobre estas metodologías habrá que consultar las referencias 1, 12, 16 a 27.




NMVOC**

Método de adsorción utilizando Tenax

como adsorbente.*

Método de adsorción utilizando Porapack como adsorbente.* Método de adsorción utilizando carbón como adsorbente.*

Desorción térmica GC-ECD, GC-PID.*** Desorción térmica GC-FID. *** Desorción con solvente GC-FID, ECD. ***

El adsorbente Tenax es muy inestable. Las metodologías aquí mencionadas son las que utilizan los adsorbentes más comúnmente usados, sin embargo, la selección del adsorbente más apropiado dependerá de la espacie o rango de especies que se quieran muestrear.

* Para mayor información detallada sobre estas metodologías habrá que consultar las referencias 1, 12, 16 a 27. ** NMVOC: Compuestos orgánicos volátiles no-metano. *** GC: Cromatografía de gases. ECD: Detección de captura de electrones. PID: Detector de Fotoionización. FID: Detector de ionización de Flama.


62

3.2.2. Equipo para Muestreo Activo. Cuadros de Metodologías y Tipo de Equipos por Contaminante

El equipo que comprende el muestreo activo involucra el uso de un sistema de bombeo que force a una corriente de aire medida a pasar por un sistema de colección que puede contener un medio físico o químico, para que ésta sea colectada o para separar de la corriente de aire el o los contaminantes que se desean muestrear. La colección puede llevarse a cabo succionando el aire y conteniéndolo en bolsas de plástico o en depósitos de vidrio o de metal, o por medio de absorción, adsorción, filtración, difusión, reacción o por la combinación de cualesquiera de estos procesos, utilizando medios de colección. Las muestras colectadas deberán ser subsecuentemente analizadas para determinar la concentración del contaminante de interés. Los requerimientos mínimos de un equipo de muestreo activo común comprenderán en general44 :

• Línea de muestreo, que se describirá en la sección 3.4.1. e incluirá básicamente: • Entrada, mangueras y tuberías. • Sistemas de medición de flujo y/o de volumen. • Una bomba.

• Un sistema de colección de la muestra: • Instrumentos de colección. • Medio de colección.

El sistema de colección de la muestra que consta de los instrumentos y el medio de colección, tiene como función, la colección de la muestra de aire y separación de los contaminantes que van a ser analizados. Los instrumentos de colección son los diferentes recipientes, en el caso de gases o aparatos, en el caso de partículas, que contendrán la muestra y el medio de colección, siendo este medio de colección, un solvente químico, en el cual se absorba o reaccione la especie contaminante de interés, un adsorbente o un filtro. De manera que estos instrumentos de colección dependen estrechamente del tipo de muestreo que se llevará a cabo y del medio que contienen por lo que en general se manejan en conjunto y puede ser de varios tipos, entre los que se encuentran comúnmente los siguientes:

44


INTRODUCCIÓN AL MONITOREO ATMOSFÉRICO 63

Para el muestreo de gases:

• Bolsas de plástico y depósitos de vidrio o de metal, como “canisters” de acero inoxidable.

• Frascos para la absorción en fase líquida de gases, principalmente inorgánicos.

• Instrumentos de adsorción, para colectar gases orgánicos y algunos inorgánicos45 .

• “Denuders” para la separación por difusión de gases y partículas. • Filtros impregnados químicamente. Siempre y cuando, en la línea

de muestreo, se separen previamente por medio de otro filtro las partículas de la corriente de aire que se va a hacer pasar por el filtro impregnado.

Para el muestreo de partículas:

• Filtros, para la colección de partículas suspendidas. • Impactores, para medir la distribución del tamaño de las partículas

suspendidas. Las bolsas de plástico y depósitos de vidrio o de metal son recipientes inertes en los cuales se introduce por bombeo una muestra de aire. 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 VOCs, 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 gases46 . Entre los instrumentos que más se usan para la colección de muestras de gases se tienen a las botellas o frascos que contienen medios de colección absorbentes para la absorción en fase líquida de gases. Esta fase líquida tiene que ser estable y no puede ser volátil, corrosiva, viscosa, espumosa, ni cara. Las principales fases líquidas que se utilizan en el campo las tenemos agrupadas en el cuadro 3.4, donde se presentan también algunos gases que se pueden absorber en ellas.

45

Referencia 2, pág. 27. 46

Referencia 29, pág. 40.


64

Las reacciones a que se someten los contaminantes absorbidos general-mente 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 (generalmente 30 min.). En estos métodos de absorción se utiliza siempre un testigo que no está expuesto al contaminante para marcar el punto cero, y todas las lecturas del colorímetro se comparan con curvas de calibración preparadas con soluciones estándar. En los laboratorios se cuenta con métodos de análisis de las soluciones como titulación, conductividad, turbidimetría, fotometría, cromatografía y otros.

Cuadro 3.4.

FASE LÍQUIDA PRINCIPALES GASES MUESTREADOS

AGUA

Gases polares como: sulfuro de hidrógeno, cloruros en general, amoniaco y metanol.

ETANOL

Ésteres y aldehídos orgánicos

ÁCIDO CLORHÍDRICO (Diluido)

Aminas primarias.

SOSA CÁUSTICA (Diluida)

Cianuro de hidrógeno y anhídrido sulfuroso.

COMPUESTA DE UN SOLVENTE Y UN REACTIVO**

Óxidos de nitrógeno: NO y NO2, Compuestos de azufre: SO2, H2S.

**La eficiencia de la absorción dependerá de la reacción del gas con el reactivo y no de su dispersión y solubilidad como en las otras fases líquidas.

Existen diferentes formas de botellas absorbentes que se pueden agrupar en dos tipos básicos: el de choque o golpe, en el cual la primera corriente de aire muestreado se hace pasar por un tubo de vidrio que tiene un orificio muy fino en un extremo y que está montado en una botella de tal forma que el orificio queda a 5 mm. del fondo plano de la misma, entrando el aire muestreado en la botella que contiene el líquido absorbente a una gran velocidad, debido a que se acelera a su paso por el orificio, chocando con el fondo para dispersarse y mezclarse vigorosamente con el solvente y en el segundo, el burbujeador de gases de vidrio poroso, en el que la corriente de gases se rompe en burbujas muy finas que pasan lentamente a través del solvente, aumentando


enormemente la superficie de contacto, lo cual proporciona un mejor nivel de absorción. Entre estas botellas se destacan como más usadas: a) La Botella de Muenke. b) El “impinger”. c) La Botella de Fritten (ver figuras 3.6)47

Figura 3.6

IMPINGERS (Cortesía SKC. Ref. 17) FRASCOS ABSORBENTES (Ref. 2). En la Botella de Muenke el aire muestreado es conducido hacia los lados oblicuamente dentro del líquido absorbente, siendo un modelo en el que se conjuntan los dos tipos descritos anteriormente y proporcionando tanto ventajas de manejo de flujo y fácil limpieza como calidad de absorción. El “Impinger” es uno de los instrumentos más difundidos del tipo de cho-que, se utiliza principalmente para gases muy solubles en donde los niveles de absorción en la reacción química entre el gas que se analiza y el líquido absorbente son elevados. Tiene la ventaja de que puede manejar flujos elevados de volumen de aire y son muy fáciles de limpiar.

47



66

Las Botellas de Fritten se presentan en diversas construcciones y son del tipo burbujeadores de gases, todas contienen una capa de vidrio poroso de grano más o menos fino que separa al gas que entra, permitiendo una buena dispersión a velocidades muy bajas. Se utilizan para gases menos solubles en donde se requiere de una dispersión suficiente para que se mezclen bien, radicando su ventaja en la calidad de la absorción. Otro instrumento de colección de muestra es el recipiente que puede ser un frasco o tubo de vidrio, en el 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, o pelotas de vidrio o de plata revestidas. Entre estos instrumentos de colección de muestra se encuentran los tubos indicadores activos en los que se fuerza el paso de aire mediante una bomba, a través de los mismos, consisten de un tubo de vidrio sellado en ambos extremos, que contiene un material granulado inerte en el que se ha absorbido un reactivo. 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. Sin embargo estos tubos se utilizan principalmente en las pruebas de seguridad industrial o de exposiciones personales y no en monitoreos de calidad de aire rutinarios (ver figura 3.7).

Figura 3.7

TUBOS INDICADORES (Cortesía SKC. Ref. 17)

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 (ver figura 3.8).

Figura 3.8

DENUDER (Ref. 2).

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. En el cuadro 3.5, se presentan los métodos de colección para muestreo activo que más se utilizan en el campo, principales contaminantes que se colectan con estos dispositivos y recomendaciones técnicas de personal calificado que ha trabajado con estos equipos. Existen cientos de métodos activos principalmente de absorción que han aparecido publicados en revistas como Analytical Chemistry, Journal of the Air Pollution Control Association, American Industrial Hygiene

TUBO


68

Association Journal. y Health Laboratory Science Journal. Sin embargo no es el objetivo de este manual recopilar todas las metodologías existentes hasta ahora, sino enumerar las más utilizadas y reconocidas de los principales contaminantes atmosféricos, por lo que a continuación se presentarán, en el cuadro 3.6, las metodologías actuales para muestreos activos de especies de contaminantes gaseosos, que ya están desarrolladas y han sido probadas. En este cuadro, al igual que en el cuadro 3.3, sólo se menciona el nombre de la metodología, su procedimiento de análisis y algún comentario referente a la misma. Para mayor información sobre el desarrollo de cada una de estas metodologías habrá que consultar su respectiva referencia en el libro Methods of Air Sampling and Analysis, referencia bibliográfica número 29 del capítulo 9, en el resumen que se presenta en el volumen número 4, de UNEP/WHO Global Environment Monitoring System (GEMS/AIR)48 o en algún manual de los que mencionaremos a continuación. Para información sobre metodologías de algún otro contaminante atmosférico diferente a los que se manejan en este manual se pueden consultar los métodos publicados anualmente en la parte 26 del libro de Estándares de la ASTM, la segunda edición del Manual ISC-USA publicado en 1977, o Métodos Selectos de Medición de Contaminantes Atmosféricos, publicado en 1976 bajo el patrocinio del PNUMA y de la OMS, Normas ISO, o en el Manual de Control de Calidad del Aire preparado por la Comisión para la Prevención de Contaminación del Aire de la VDI.

48

. Referencia 1, vol. 4 .


Cuadro 3.5.

MÉTODOS DE COLECCIÓN PARA MUESTREO ACTIVO

MÉTODOS DE COLECCIÓN

CONTAMINANTE RECOMENDACIONES

Bolsas de plástico y depósitos

de vidrio o de metal.

N2, O2, CO, CO2, HC(hidrocarburos),

algunos vapores tóxicos y VOCs.

Antes de utilizarlos lím-pielos con un chorro de aire purificado o con ni-trógeno.

Absorción en fase líquida

en frascos o botellas.

SO2, NOX

Algunos de estos frascos deberán meterse en hielo durante su colección.

Instrumentos de adsorción, para

colectar gases orgánicos y algunos inorgánicos.

NO2, PAN (Nitrato de

Peroxiacetilo)

Capacitación en el mane-jo de las muestras ya que estas pueden variar con la temperatura.

“Denuders” para la separación

por difusión de gases de partículas.

Aerosoles y gases

ácidos, ácido nítrico, bióxido de azufre y

amoniaco.

Capacitar a los técnicos en el manejo de las mues-tras y de los tubos de vi-drio, ya que estos se rom-pen fácilmente.

Filtros impregnados

químicamente.

SO2

Verificar que el material del filtro no reaccione con el químico a impregnar.

Instrumentos Activos Portátiles para el muestreo de gases Con la finalidad de medir exposiciones personales en ambientes de trabajo y para estudios epidemiológicos, se han desarrollado equipos para medir contaminantes atmosféricos que utilizan bombas portátiles, accionadas por baterías e instrumentos de colección con los mismos métodos de colección que los expuestos en este capítulo, pero de un tamaño adecuado para que se puedan colgar del cuello de la camisa o de la chamarra de una persona. Entre estos instrumentos se tienen:

• Bolsas de plástico. • Burbujeadores; preferentemente del tipo frasco de Fritten. • Tubos indicadores, con adsorbentes como carbón, silica gel y

“chromosorbs”.

La mayoría de estos instrumentos han sido diseñados para evaluar expo-siciones temporales y son del tipo dosímetros, o sea acumulan el contaminante en un período de tiempo de exposición y dan una medición


70

integrada. En la figura 3.9 se presentan los diferentes tipos de muestreadores portátiles activos para gases y vapores y su colocación49 .

Figura 3.9

DIFERENTES TIPOS DE MUESTREADORES ACTIVOS PORTÁTILES PARA GASES Y VAPORES.

En el lado izquierdo se observa la bolsa de plástico (a), en el derecho un muestreador de tubos adsorbentes o indicadores múltiple (b) y burbujea-dores (c), así como en el hombro un tubo indicador sencillo (d). (Ref. 28).

49

Referencia 28.

Cuadro 3.6. METODOLOGÍAS DE MUESTREO ACTIVO PARA DIFERENTES ESPECIES GASEOSAS CONTAMINANTES


NO2

Método de Griess-Saltzman.* (Límite de detección 10-40 ppb)

Método TGS - ANSA +

. * Método de película de sorbente sólido.*

Espectrofotometría o Colorimetría. Espectrofotometría. Extracción con una base diluida y de-terminación fotométrica de la concen-tración.

No es recomendable para períodos de muestreo igual o mayor a 24 h. Ventajas en la estabilidad de la reacción con respecto al método de Saltzman. Completa eliminación de pérdidas de la solución. Fácil manejo. Principio aplicable para la determinación de otras especies: SO2, HF, HCl, H2S y fenol.

O3

Método NBKI.++. * (Rango de detección 5 ppb a >1 ppm)

Espectrofotometría.

Se recomienda un análisis rápido, ya que el complejo de yoduro se deteriora con el tiempo, presenta diferencias de hasta +20% de la concentración real. Interferencias po-tenciales de NO2 y SO2. SO2 puede ser re-movido pasando el aire muestreado por un filtro de fibra de vidrio impregnado con trióxido de cromo.

HC

Colección en “canister” de acero

inoxidable.

Cromatografía de Gases.

No es el método de referencia, sin embargo éste es el procedimiento más aceptado actualmente.

* Para mayor información de estas metodologías habrá que consultar las referencias: 1, 2, 28 a 32.

+TGS: Metabisulfito de sodio trietanolamina guayacol. ANSA: 8-anilina-1-naftaleno ácido sulfónico sal de amonio. ++ NBKI: Neutral Buffered Potassium Iodide. Solución amortiguadora neutra de Ioduro de Potasio.

Cuadro 3.6. (continuación) METODOLOGÍAS DE MUESTREO ACTIVO PARA DIFERENTES ESPECIES GASEOSAS CONTAMINANTES.


CO

Colección en bolsa de plástico.

Monitor de CO.

No existe disponible un muestreador activo per sé. Sin embargo es posible colectar una muestra durante un tiempo determinado y llevarla a análisis, gracias a que el CO es inerte en estas condiciones.

SO2

Método acidimétrico. ∗

Método de cromatografía de iones.* Método de pararrosanilina o de TCM. +++ .* (Rango de detección 10 ppb a 0.4 ppm) Método de Thorin.* Método de filtro impregnado.*

Titulación. Cromatografía de iones. Espectrofotometría o colorimetría. Método de Thorin con espectro-fotometría o titulación. Extracción, método de Thorin o cromatografía de iones, para análisis.

Método no específico para SO2, mide acidez total. La interferencia de amoniaco produce bajos resultados. Específico para iones sulfato. Requiere manejo y disposición especial de los compuestos tóxicos de mercurio. Remover fosfato para evitar interferencias, por medio de precipitación o intercambio iónico. Procedimientos analíticos complejos al igual que en el Método de Thorin.

* Para mayor información de estas metodologías habrá que consultar las referencias: 1, 2, 28 a 32.

+++ TCM: Tetracloromercurato.


Muestreo de partículas El análisis completo del material particulado que contiene una muestra atmosférica es más complicado que el de una muestra gaseosa, ya que comprende además de la colección de la muestra, y su análisis químico, la clasificación por tamaños o la identificación morfológica de las partículas. El material particulado aerotransportado está compuesto de partículas sólidas y líquidas, suspendidas y dispersas en el aire. Las propiedades de estas partículas varían en términos de su composición química, morfología (tamaño/forma), parámetros ópticos (color/dispersión de la luz) y características eléctricas (carga, resistencia). Debido a que son de tamaño, forma y composición variada, para su identificación en cuanto a su tamaño y forma, se han clasificado en términos de diámetro aerodinámico, que se define como el diámetro de una esfera con densidad de 1 g/cm3 (densidad unitaria), con la misma velocidad terminal debida a la fuerza gravitacional en aire en calma que la partícula en cuestión, bajo las mismas condiciones de presión, temperatura y humedad relativa50 . Cuando el diámetro aerodinámico de la partícula es menor a 0.5 µm., se utiliza el diámetro de difusión de la partícula en lugar del diámetro aerodinámico, el cual corresponde al diámetro de una esfera con el mismo coeficiente de difusión que el de la partícula, bajo las mismas condiciones de presión, temperatura y humedad relativa51 . Estos diámetros de las partículas varían desde decenas de nanómetros (nm.) hasta cientos de micras (µm.) y presentan una distribución de masa con respecto a su tamaño bimodal (ver figura 3.10). De acuerdo a su diámetro, agrupamos a las partículas en finas y gruesas. Correspondiendo a la categoría de partículas finas a aquellas partículas cuyo diámetro es menor a 2 µm. Estas partículas se dividen en ultrafinas o de nucleación y las de acumulación. Las de nucleación, tienen diámetros inferiores a 0.08 µm., y provienen de fuentes de combustión o del enfriamiento de gases inmediatamente después de su emisión, siendo su tiempo de vida media generalmente menor a una hora, debido a que rápidamente coagulan con partículas más grandes o sirven de núcleo a gotas de lluvia y neblina. Al rango de diámetro de partículas finas que comprende de 0.08-2 µm. se le conoce con el nombre de acumulación, ya 50

Referencia 1, vol. 3, pág. 3. 51

Referencia 33.


74

que estas partículas son el resultado de la coagulación de pequeñas partículas emitidas por fuentes de combustión, de la condensación de especies volátiles, de la conversión de gas a partículas y de partículas finas de suelos52 .

Figura 3.10

MESOESCALA / SUBURBANA

SITIO COSTERO

PROMEDIO INDUSTRIAL /URBANOTRÁFICO URBANO

INDUSTRIAL

MA

SA

TO

TA

L D

E P

AT

ICU

LAS

AE

RO

TR

AN

SP

OR

TA

DA

S

DIÁMETRO AERODINÁMICO (MICRAS)

DISTRIBUCIÓN BIMODAL DE LA MASA DE LAS PARTÍCULAS SUSPENDIDAS AEROTRANSPORTADAS, CON RESPECTO A SU TAMAÑO,

EN VARIOS LUGARES DEL NORTE DE EUROPA (Ref. 1).

En este rango de partículas finas se encuentran contenidos los aerosoles primarios de carbón (hollín), resultado de la combustión incompleta y los aerosoles secundarios (la mayoría del ácido sulfúrico, bisulfato de amonio, sulfato de amonio, nitrato de amonio etc.), resultado de transformaciones químicas seguidas por procesos de condensación. En general concentra-ciones elevadas de partículas finas han caracterizado a los episodios de contaminación fotoquímicos (como el smog de Los Ángeles) y a los episodios de partículas y SO2 (como el de Londres). Todas estas partículas se originan en su mayoría por actividades antropogénicas.

52

Referencia 34.


Se les llama partículas gruesas a las partículas cuyo diámetro es mayor a 2-3 µm, y resultan principalmente de procesos mecánicos como la resuspensión, abrasión o fricción, son predominantemente de origen natural o geológico (como óxidos de aluminio, silicón, calcio, titanio y hierro), y se agrupan entre éstas las esporas, el polen, suelos, partículas de hojas, polvos generados por el tráfico o producto del desgaste de las llantas y partículas de emisiones industriales como fábricas de cemento y canteras. En la superficie de estas partículas gruesas pueden adsorberse otras especies contaminantes. La fracción de partículas aerotransportadas que son inhaladas por el cuerpo humano, dependen de las propiedades de las partículas, del movimiento del aire alrededor del cuerpo, velocidad y dirección, patrón de respiración y si ésta se lleva a cabo por la nariz o por la boca. Estas partículas inhaladas pueden depositarse en el tracto respiratorio o exhalarse, la probabilidad depende de una gran cantidad de factores y varía de una persona a otra. Sin embargo es posible definir valores típicos promedio de depósito de partículas en el tracto respiratorio de acuerdo a sus diámetros (ver figura 3.11).

Figura 3.11

DEPÓSITO DE PARTÍCULAS EN EL TRACTO RESPIRATORIO DE ACUERDO A SUS DIÁMETROS (Ref. 1, modificada por el Dr. Laskus).

Extratorácica


76

Debido a que el daño en la salud del individuo estará en función de dónde se depositen las partículas y del tipo de partícula que entra al tracto respiratorio, se han implementado muestreos selectivos en cuanto al tamaño de las partículas sobre todo cuando los muestreos se relacionan con la salud. De esta manera la ISO, ha dado definiciones para las diferentes fracciones de partículas suspendidas, con la finalidad de establecer convenciones que fijen curvas objetivo de muestreo para los instrumentos de colección de una fracción dada. Siendo estas definiciones las que se resumen a continuación53 .

• Total de Partículas Aerotransportadas: Se definen como todas las partículas rodeadas por aire en un volumen de aire dado.

• Fracción Inhalable: Fracción de la masa del total de partículas

aereotransportadas, el cual es inhalado por la boca o la nariz. Convención: el 50% de estas partículas corresponden a un diámetro aerodinámico de 100 µm.

• Fracción Extratoráxica: Fracción de la masa de las partículas inhaladas,

las cuales no penetran más allá de la laringe. En esta fracción se incluye el polen.

• Fracción Torácica: Fracción de la masa de las partículas inhaladas, las

cuales penetran más allá de la laringe, refiriéndose a la región de los bronquios. Convención: el 50% de estas partículas corresponden a diámetros aerodinámicos de 0 a 10 µm., conocidas como PM10 (D50 = 10µm.), no aceptando mayores a 30 µm. (diámetro de corte superior) 54 .

• Fracción Traqueobronquial: Fracción de la masa de las partículas

inhaladas que penetran más allá de la laringe, pero que no llegan a los conductos aéreos no ciliados. Aproximadamente el 50% de estas partículas corresponden también a diámetros de 0 a 10 µm.

• Fracción Respirable: Fracción de la masa de las partículas inhaladas que

penetran a los conductos aéreos no ciliados. También se les conoce como Fracción Alveolar. Convención: 50% de estas partículas corresponden a diámetros de 4 µm. para población adulta saludable y de 2.5 µm. para población de alto riesgo (PM4 y PM2.5), no siendo mayores a 12 µm.

53

Referencia 33 54

D50 significa diámetro aerodinámico de corte al 50%, lo cual implica que si dos partículas con el mismo D50 tratan de penetrar, se espera que cuando menos una de ellas lo logre. El diámetro de corte superior implica que ninguna partícula mayor al diámetro aerodinámico que corresponde a este diámetro de corte superior podrá penetrar.


En la figura 3.12 se presentan las convenciones correspondientes a las fracciones Inhalable, Torácica y Respirable expresadas como porcentaje del total de partículas aerotransportadas. Esta figura muestra que aproxi-madamente el 30% del total de la masa de partículas con un diámetro de 5 µm están incluidas en la convención de fracción respirable para un adulto sano.

Figura 3.12

TOTAL DE PARTÍCULAS AEROTRANSPORTADAS MPS

CONVENCIÓN INHALABLE

CONVENCIÓN TORÁCICA

CONVENCIÓNRESPIRABLEADULTO SANO

CONVENCIÓNPOBLACIÓN DE ALTORIESGO

CO

NV

EN

CIÓ

N D

EL

PO

RC

EN

TA

JE M

PS

5

DIÁMETRO AERODINÁMICO (MICRAS)

CONVENCIONES INHALABLE, TORÁCICA Y RESPIRABLE, COMO PORCENTAJE DEL TOTAL DE PARTÍCULAS

AEROTRANSPORTADAS (Ref. 1). Otras definiciones que son utilizadas por el Comité Europeo para la estandarización son55 :

• Material de Partículas Suspendidas (MPS): que se refiere a todas las partículas rodeadas por aire, en un determinado volumen de aire no perturbado.

• Partículas Suspendidas Totales (PST): es una estimación de MPS

colectado por el HVS56 . • Material de Partículas Suspendidas Total (MPST): es el valor real de

MPS y se mide con un equipo conocido como WRAC que se describirá a continuación.

55

Referencia 35. 56

PST: Es una estimación de la masa total de las partículas aerotransportadas capturadas en un filtro por un equipo de muestreo llamado “Muestreador de Altos Volúmenes” (HVS, Método Gravimétrico de Altos Volúmenes, EPA, 1992).


78

El tamaño de partícula que se requiere muestrear estará definido por los requerimientos de calidad de los datos que se fijen para cumplir con los objetivos de monitoreo. En general las PST deberán muestrearse cuando el objetivo es efectos ambientales, muestreos de rutina, identificación de fuentes y estimación de componentes del total de partículas relacionados con la salud, como por ejemplo el plomo. Mientras que el muestreo fraccionado o por tamaño de partículas es más apropiado para evaluar efectos en la salud y compararlo con las recomendaciones que marca la OMS. Actualmente se han desarrollado sistemas de muestreo de tamaño selectivo de partículas para:

• Obtener información detallada de la distribución del tamaño de las partículas. • Para implementar la calidad de los resultados del muestreo, independientemente

del viento. • Para ser congruente con las definiciones de fracciones de tamaño de partículas

relacionadas con efectos en la salud, particularmente las menores a 10 µm, fracción torácica o PM10.

El muestreo activo de partículas comprende: la colección de la muestra que se lleva a cabo generalmente por medio de un equipo en el que el aire es succionado por medio de una bomba a través de un filtro (siendo este el medio de colección) que se coloca herméticamente en un portafiltro, la identificación o distribución del tamaño de las partículas suspendidas, para la que se utilizan instrumentos como impactores, ciclones, etc., y la cuantificación de su masa y de sus componentes químicos por medio del análisis de la muestra, que al igual que el de los gases se describirá en la sección 3.3, de este manual. Entre los equipos más utilizados para el muestreo de partículas tenemos a los muestreadores de: Altos Volúmenes (HVS), Volúmenes Medios (MVS) y Bajos Volúmenes (LVS) y el Clasificador de aerosoles de amplio rango (WRAC). El HVS, Muestreador de Altos Volúmenes: consta básicamente de una bomba de vacío, marco de sujeción del filtro, empaques, un adaptador del marco, un registrador del flujo (o un dispositivo de medición del flujo en general) y un controlador de tiempo. Todo esto se halla cubierto con una coraza de protección como se muestra en la figura 3.13. En este método de muestreo el aire es obligado a pasar por un filtro de baja resistencia (generalmente de fibra de vidrio o celulosa), con un flujo cerca de 1.5


m3/min. (aprox. 2 000 m3/día). La entrada al ducto y el medio de colección miden alrededor de 25 - 30 cm. En todos estos equipos es muy importante la calibración del dispositivo para medir el flujo y el acondicionamiento del filtro antes y después de ser expuesto al muestreo. Estos filtros ya acondicionados por lo menos por 24 horas, se pesan en una microbalanza bajo condiciones estables de temperatura (entre 20 y 25 °C) y humedad relativa (entre 40 y 45%). La concentración de la masa de las PST se calcula por medio de la diferencia en pesos del filtro antes y después del muestreo y el total del flujo de aire. También se recomienda acondicionar otro filtro igual “Blanco”57 a los filtros que se usarán en el muestreo. Este método es aplicable para mediciones de 24 h. en las que se obtienen promedios integrados de concentraciones de masa de partículas en un rango de 1 - 5 µg/m3 y tamaños de partículas desde 0.1 hasta 100 µm (dependiendo del viento). Se puede aplicar también para períodos de tiempo de 6 o 8 h. cuando se presentan altas concentraciones de partículas58 . Este muestreador de HVS, es el equipo que proporciona y ha proporcionado la mayor parte de los datos de PST, ya que su costo es bajo, es muy durable y técnicamente es de fácil operación, sin embargo debido al diseño de este muestreador, cuando se tienen condiciones de viento y gran cantidad de partículas entre 50-100 µm. (D50 > 50) ocurre una colección incompleta. El MVS o Muestreador de Volúmenes Medios: cuenta con el mismo principio de funcionamiento que el HVS, pero su flujo de aire es del orden de 100 L/min. (aprox 150 m3/día). La dimensión de su entrada y de su filtro es de alrededor de 5 cm. y su límite de detección es de 10 µg/m3 durante un período de muestreo de 24 h. La efectividad del muestreo depende fuertemente de la velocidad del viento, decreciendo uniformemente con esta velocidad hasta límites de diámetro de corte superior de 25-50 µm. Básicamente MVS, no es apropiado para medir PST, excepto para condiciones con baja concentración de partículas gruesas59 .

57

Blanco. Filtro que se acondiciona de igual manera que el filtro que va a ser expuesto al muestreo de partículas, pero que se guarda intacto para que sirva como referencia en los subsecuentes análisis.

58 Referencia 1, vol. 3, págs. 19-20.

59 Referencia 1, vol. 3, págs. 19-20.


80

Figura 3.13

I

I

I I I I I

I

I I

MUESTREADOR DE ALTOS VOLÚMENES CON DIAGRAMA DE PARTES

(Ref. 36) El LVS o Muestreador de Bajos Volúmenes: es un muestreador similar al MVS, con el mismo principio de funcionamiento que el HVS, pero con un volumen de flujo muy inferior (aprox. 2 m3/día). Debido al pequeño volumen muestreado, el límite de detección gravimétrica es alto (decenas de µg/m3), por lo que no se recomienda para aplicaciones gravimétricas. Principalmente se usa con el propósito de realizar análisis subsecuentes de las partículas depositadas en el filtro. También es comúnmente usado


para medir la opacidad y puede ser usado para el análisis de metales o aerosoles secundarios como aldehídos, peróxidos y ésteres. Las características del muestreo dependen en menor grado de la velocidad del viento ya que su diámetro de corte superior es de 5-10 µm.60 . El WRAC o Clasificador de aerosoles de amplio rango: es esencial-mente un HVS gigante con su mismo principio de funcionamiento. Está basado en el diseño original de Burton y Lundgren61 . Su entrada central tiene un diámetro de 60 cm. (el doble de la del HVS), y está protegido por una coraza contra el viento de 160 cm de diámetro. El flujo de muestreo que maneja es de alrededor de 2,500 m3/h. (60,000 m3/día, 25 veces el del HVS), con una velocidad de entrada de aire de 2.3 m/s. Debido a sus dimensiones físicas, el WRAC es el único sistema capaz de llevar a cabo un muestreo representativo de partículas con diámetros aerodinámicos mayores a 60 µm. a pesar de tener condiciones de fuertes vientos. Además es el único sistema que puede muestrear del mismo flujo de aire, isocinéticamente y al mismo tiempo partículas totales y fracción torácica, ya que cuenta con cuatro impactores con D50 de aproximadamente 10, 20, 40 y 60 µm. y un depósito para el muestreo total de partículas. Por lo que es considerado, por la Unión Europea como el muestreador de referencia para llevar a cabo mediciones de MPST (Material de Partículas Suspendidas Total)62 . Sin embargo a pesar de sus ventajas, el uso del WRAC es limitado debido a su incómodo manejo en el campo, sus grandes dimensiones físicas, sus requerimientos de energía eléctrica trifásica y sus altos niveles de ruido.

60

Referencia 1, vol. 3, págs. 19-20. 61

Referencia 1, vol. 3, pág. 20. Referencia 37. 62

Referencia 38.


82

Instrumentos para separar partículas en un rango de tamaño determinado Con la finalidad de determinar la concentración de las partículas en un rango de tamaño de partículas, se han desarrollado diferentes instrumentos que se pueden adaptar a muestreadores como HVS y MHV, principalmente. Estos instrumentos selectivos en un rango de tamaño de partícula definen la fracción del tamaño de partícula que va a ser muestreada. Durante el muestreo el instrumento se coloca en el equipo de muestreo de manera que el aire es obligado a pasar por el instrumento antes de atravesar el filtro, para que en el instrumento se remuevan las partículas que excedan el diámetro aerodinámico especificado. Estos instrumentos se caracterizan por sus curvas de efectividad de muestreo en las cuales se observa la fracción de partículas esféricas de densidad unitaria las cuales penetran el instrumento como una función de su diámetro aerodinámico. Estas curvas se determinan haciendo pasar por el instrumento partículas de diámetro conocido y midiendo sus concentraciones antes y después de su paso por el mismo. Los principios de operación que utilizan los diferentes instrumentos para la separación por rangos de tamaños de partículas son los siguientes63 : Impactación directa: los instrumentos de impactación directa consisten en un conjunto de tubos inyectores circulares o rectangulares que se colocan en un plato de impactación. Las dimensiones del impactor se escogen de tal manera que las partículas del diámetro de corte deseado sigan las líneas de la corriente del flujo de aire dirigiéndose a los tubos inyectores, mientras que las partículas mayores, con suficiente inercia, se salgan de las líneas de corriente y se impacten contra el plato. Existen impactores para un solo rango de tamaño de partícula como los PM10 cuyo D50 es de 10 µm; y otros llamados impactores en cascada que miden al mismo tiempo varios rangos de tamaños de partícula. Impactación virtual: Opera con un principio similar al anterior, con la excepción de que la superficie de impactación se reemplaza por una apertura la cual dirige las partículas grandes a un sustrato de muestreo, mientras que las pequeñas siguen las líneas de flujo a otro sustrato. El rebote de las partícula y su reincorporación al flujo se aminoran con este

63

Referencia 34.


método, sin embargo una parte del flujo total (aprox. un 10%), pasa a través del impactor. Flujo ciclónico: los instrumentos con este principio de operación usan un impulsor para impartir un movimiento circular al aire que entra al instru-mento. Este aire entra en un tubo cilíndrico orientado perpendicularmente al impulsor y la fuerza centrífuga impartida a las partículas en la corriente de aire las mueve hacia las paredes de este tubo, separando las que siguen la corriente de flujo de las que alcanzan la pared del tubo. Las partículas que alcanzan las paredes del tubo se adhieren a él, gracias a que éste se engrasa, o se depositan en una tolva en la parte inferior del tubo de colección. Filtración selectiva: el principio de estos métodos de separación consiste en utilizar el tamaño uniforme del poro de un filtro determinado para separar un rango de tamaño de partículas. Existen en el mercado, filtros de policarbonato de efectividad de muestreo conocida fabricados por Corning CoStar, (llamada anteriormente Nuclepore Corporation). En este procedimiento se utiliza un pre-filtro para separar las partículas grandes, mientras que las pequeñas pasan a un filtro de retención. El análisis microscópico muestra que las partículas grandes son colectadas por impactación e intercepción alrededor de los poros. Elutriación: procedimiento mediante el cual las partículas se separan por asentamiento. El aire entra en una cámara de aire en calma que rodea al ducto que comunica con el filtro, en donde las partículas que tienen velocidad de asentamiento menor a la velocidad del flujo penetran al ducto y las otras cuya velocidad de asentamiento es mayor a la del flujo no son transmitidas. Difusión utilizando “Denuders”: este instrumento que utiliza como principio la difusión de las partículas gaseosas y que también se utiliza para muestrear gases, sirve para remover los gases que pueden interferir en las mediciones de aerosoles. Se presenta en diferentes formas rectangular, cilíndrica o anular, siendo ésta última la que presenta la mayor eficiencia de colección del gas. Con el objeto de resumir y presentar objetivamente diferentes equipos para la colección de partículas suspendidas y sus instrumentos de separación por rangos de tamaños, presentamos a continuación en el cuadro 3.7, algunos de los equipos de muestreo indicados para colectar


84

los diferentes rangos de tamaño de partículas y los comentarios y recomendaciones al respecto de los mismos. En las referencias bibliográficas 1, 2, 32, 34 a 45 se encuentra información adicional de estos equipos. Instrumentos Activos Portátiles para el muestreo de partículas Al igual que el muestreo de gases, existen instrumentos a escala portátiles para determinar la exposición personal de los individuos en su ambiente de trabajo o en microambientes. Entre estos tenemos (ver figura 3.14):

• Los muestreadores de polvo inspirables. • Los impactores en cascada personales. • Ciclones personales. • Casetes con filtro.

Figura 3.14

DIFERENTES TIPOS DE MUESTREADORES ACTIVOS PORTÁTILES PARA GASES Y VAPORES

En el lado izquierdo se observa un casete con filtro, abierto (a) y un impactor tipo cascada (b), en el derecho un ciclón (c) y un muestreador de polvo inspirable, (d) y en el hombro un casete con filtro, cerrado (e) (Ref. 28).

Cuadro 3.7. EQUIPOS DE MUESTREO PARA DIFERENTES RANGOS DE TAMAÑO DE PARTÍCULAS

TAMAÑO DE PARTÍCULA

(DEFINICIÓN ISO) INDICADOR DE TAMAÑO DE PARTÍCULAS SUSPENDIDAS

EQUIPOS DE MUESTREO

RECOMENDACIONES Y COMENTARIOS

Total de Partículas Aerotransportadas.

MPST

PST

WRAC

HVS

KLEINFILTERGERÄT

Método de referencia de la Comunidad Europea. Decremento del flujo por taponamiento del filtro en ambientes muy húmedos y con partículas grasosas. Método de referencia de la EPA. Aparato pequeño de filtración, método de referencia de la TA Luft, Alemana.

Fracción Torácica.

PM - 10

WRAC (< 10 )

Partisol 2000

HVS + IMPACTOR PM10, tipos de Impactores:

Andersen SA 1200 Andersen SA 246B

Uso restringido por sus dimensiones, gran consumo de energía y difícil manejo. Se utiliza únicamente como equipo de referencia. Muestreador de bajo volumen. Método de referencia de la EPA. Habrá que limpiar y engrasar la superficie de impacto para evitar el reingreso de las partículas al flujo. Fácil acceso para engrasado. La entrada se destornilla para tener acceso al plato de impacto. Requiere de bomba reguladora de flujo.

Cuadro 3.7. (continuación)

EQUIPOS DE MUESTREO PARA DIFERENTES TAMAÑOS DE PARTÍCULAS

TAMAÑO DE PARTÍCULA (DEFINICIÓN ISO)

INDICADOR DE TAMAÑO DE PARTÍCULAS SUSPENDIDAS

EQUIPOS DE MUESTREO

RECOMENDACIONES Y COMENTARIOS

Fracción Torácica

PM - 10

Andersen SA 254

PM10 KLEINFILTERGERÄT

HVS + entrada ciclónica

MVS + IMPACTOR PM10 DICHOTOMOUS (Impactor Virtual)

Requiere de la remoción de una docena de pequeños tornillos. Misma eficiencia de muestreo que el HVS + SA 1200. Flujo de 2.3 m3/h. Pobre eficiencia de colección, 25 - 30% menor que con el SA 1200. Limpieza del tubo y la tolva, para evitar reingreso de partículas. Engrasado y limpieza del Impactor. Recomendado para estudios de aproximación, ya que sus diámetros de corte no son precisos. Referencia EPA.

Fracción Respirable

PM 2.5

PM 2.5 KLEINFILTERGERÄT

Partisol 2000

Impactor WINS

Bomba con flujo regulado, de 2m3/h. Cabezal PM 2.5. Probado satisfacto-riamente en el campo. Con cabezal PM 2.5. Está siendo probado en Europa (1997), en el campo. A prueba 1997. Posible método de referencia de la EPA.


Otro factor que se tiene que tomar en cuenta en el muestreo de partículas es la selección del filtro y del portafiltro que se va a utilizar. Un filtro para el muestreo de partículas consiste en un material compuesto de fibras fuertemente entretejidas entre sí o de una membrana plástica con poros microscópicos. La selección del tipo de filtro que debe de utilizarse depende del tipo de muestreo que se está llevando a cabo y de sus subsecuentes análisis químicos y físicos. No existe un filtro apropiado para todos los análisis, sin embargo a continuación se enumeran algunas características que deberán considerarse al seleccionar un filtro64 y 65 :

• Eficiencia de muestreo de partículas: un filtro deberá remover más del 99% de las partículas suspendidas que se hacen pasar a través de él, sin importar el tamaño de la partícula o su flujo (excepto en la filtración selectiva).

• Estabilidad mecánica: los filtros deberán permanecer planos y en una pieza de

manera que puedan proveer un buen sello para eliminar fugas en el sistema de muestreo.

• Estabilidad química: los filtros no deben reaccionar químicamente con su de-

pósito, a pesar de que se les someta a solventes fuertes de extracción. Ni tampoco deben absorber gases que no se quieran colectar.

• Estabilidad a la temperatura: los filtros deben mantener su estructura y poro-

sidad a temperaturas típicas de muestreo y análisis. • Concentraciones del “Blanco”: los filtros no deben contener concentraciones

variables o significativas de las sustancias químicas que se están analizando. Cada paquete de filtros que no han sido expuestos debe ser examinado para determinar las concentraciones del Blanco antes de que estos filtros sean enviados al muestreo. Por lo menos un filtro de cada lote (gral. 100 filtros) que se recibe del fabricante deberá ser analizado, para verificar que cumple con las especificaciones establecidas.

• Resistencia al flujo y capacidad de carga: los filtros deberán permitir el paso de

aire suficiente para satisfacer los requerimientos de flujo del instrumento y además obtener un depósito adecuado. Las partículas colectadas no deberán taponarlo al grado que el flujo decrezca en el muestreador, ya que esto provocaría un decremento en la eficiencia de colección.

64

Referencia 34. 65

Referencia 46.


88

En lo que respecta a los portafiltros, estos se fabrican en una gran variedad de materiales, lo cual debe de tomarse en consideración cuando se miden compuestos reactivos. Características y recomendaciones de uso de estos portafiltros se resumen en el estudio de la Dra. J. Chow (Ref. 34). En el cuadro 3.8 se presentan los filtros más utilizados y las reco-mendaciones y los comentarios con respecto a su utilización.

Cuadro 3.8.

TIPOS DE FILTRO PARA MUESTREO DE PARTÍCULAS SUSPENDIDAS

TIPO DE FILTRO

COMENTARIOS Y RECOMENDACIONES

De Fibras:

Celulosa

Fibra de vidrio

Fibra de Cuarzo

Estos filtros tienen relativamente bajas caídas de presión y se usan comúnmente en el HVS. Puede absorber agua por lo que se recomienda un cuidadoso acondicionamiento antes de ser pesado. Tienen una gran capacidad y se recomiendan cuando la determinación de la concentración se efectúa gravimétri-camente, ya que presentan la formación de diversos compuestos sobre todo en ambientes de smog fotoquímico. Proveen valores de la masa más precisos que los filtros anteriores, pero son frágiles, contienen cantidades variables de Al y Si y adsorben vapores orgánicos, HNO3, NO2 y SO2.

De Membrana:

Policarbonato (Nucleopore)

Teflón

Cloruro de Poli-vinilo (Millipore)

Proveen mejores muestras para estudios de análisis elemental de trazas de elementos. Su eficiencia de colección depende del tamaño del poro. Generalmente bajos pesos de Blancos. Fabricado con una base de carbón por lo que es inapropiado para el análisis de carbón. Usado principalmente para el análisis de asbestos y minerales. Diámetro promedio de poro de 0.8 µm. Inerte a la adsorción de gases, pero también inapropiado para el análisis de carbón. Se disuelve en algunos solventes orgánicos. El único com-patible con el método de análisis de difracción de rayos X.

Fuente: Basado en la referencia 34.


3.2.3. Equipo para Monitoreo con Analizadores Automáticos. Cua-dros de Tipo de Equipos y Métodos de Referencia por Conta-minante

Los equipos automáticos de monitoreo son los equipos en los cuales la colección y el análisis de la muestra están combinados en un solo instrumento, que realiza mediciones de concentraciones de contaminantes de forma continua y envía la señal respuesta de estos análisis (los datos), a un mecanismo de colección de información que puede ir desde un registrador analógico hasta un sistema de computación sofisticado. Como ya se explicó previamente, el aire muestreado entra en una cámara de reacción donde se puede llevar a cabo una reacción química automatizada que puede ser de absorción, de manera que el instrumento esté diseñado para poner en contacto continuamente solución nueva con el gas que penetra, manteniéndose esta mezcla durante el tiempo suficiente para que se lleve a cabo la reacción, y pasando después a la sección de evaluación del resultado de la reacción donde la medición de la reacción puede llevarse a cabo por medio de un colorímetro interno o de la medición de la conductividad. Otras técnicas empleadas miden la luz que produce una reacción química, como es el caso del equipo para medir ozono, que capta la quimiluminiscencia de la reacción. Existen otros equipos automáticos que se basan en propiedades físicas como la detección de hidrocarburos por medio de un detector de ionización de flama, el cual consiste en una flama de hidrógeno en la que se fuerza el paso de una muestra de aire calibrada, aplicándose un potencial entre el quemador y un electrodo que se inserta en la parte superior de la flama. Los hidrocarburos que están en la flama se ionizan y transportan corriente entre los electrodos en proporción a su masa. Debido a que existen variados principios químicos y físicos en los cuales se basan los diferentes equipos automáticos para el monitoreo de conta-minantes atmosféricos describiremos a continuación los principios de medición básicos de los equipos que más se utilizan en el mercado. Además en el cuadro 3.9 se presentan los principales principios de medición de los equipos automáticos de monitoreo, los contaminantes que pueden monitorear y recomendaciones durante su uso.


90

Principios de medición Conductometría. Principio de medición basado en la conductividad. La muestra de gas es introducida en un reactivo líquido y el cambio en la conductividad se mide después de que se completa la reacción entre el líquido y el gas. En el equipo automático la muestra de gas y el reactivo líquido se alimentan continuamente dentro de la celda de reacción, la conductividad dependerá del radio del gas muestreado con el flujo volumétrico del líquido (ver figura 3.15)66 .

Figura 3.15

E L E C T R O D O SD E M E D I C I Ó N

E L E C T R O D O SDE MEDICIÓN

MEDICIÓN CONDUCTOMÉTRICA (Ref. 2) Quimiluminiscencia. Algunas reacciones químicas de los gases producen una radiación característica llamada quimiluminiscencia. La intensidad de ésta es proporcional al flujo de masa de la muestra de gas bajo condiciones constantes de reacción. Las mediciones de la quimiluminiscencia en el equipo automático se llevan a cabo en una cámara de reacción (ver figura 3.16), en donde por un lado entra aire que ha pasado ya por un generador de O3 para que se enriquezca con éste y por el otro entra un flujo constante de gas a muestrear, el cual se mezcla con el anterior produciéndose la reacción entre el SO (que resulta de la

66



descomposición del SO2 en una flama de hidrógeno) o el NO según sea el caso y el O3. La conversión parcial del oxígeno del aire a ozono se acompaña de descargas eléctricas o de emisiones de radiación UV. La quimiluminiscencia producto de la reacción se mide con un fotomultímetro, y a la salida de la cámara de reacción se ajusta un filtro de ozono para prevenir emisión de contaminantes al medio ambiente. Este es el método de referencia que marca la Norma Oficial Mexicana (NOM) para determinar la concentración de bióxido de nitrógeno en el aire ambiente67 y coincide totalmente con el CFR 40, parte 50, apéndice F68 . Para la determinación de concentraciones de NO2, la muestra de gas pasa primero por un convertidor termocatalítico el cual reduce el NO2 a NO, previo a su análisis. También se emplea este principio para la medición de concentraciones de ozono en el aire, utilizando NO en exceso o etileno como indica la NOM para determinar la concentración de ozono en el aire ambiente y el CFR 40, Parte 50, apéndice D67 y 68.

Figura 3.16

MEDICIÓN QUIMILUMINISCENTE (Ref. 2)

67

Normas Oficiales Mexicanas en materia de protección ambiental (Referencia 47). 68

Code of Federal Regulations 40, Part 50. U.S.A. (Referencia 3).

NO2/NO


92

Absorción UV. Este principio se utiliza principalmente en las mediciones de ozono de calidad del aire. Se basa en la absorción de luz ultravioleta del ozono, la cual tiene una máxima longitud de onda de 254 nm. El procedimiento se muestra en la figura 3.17, en donde podemos observar cómo el aire muestreado entra a una celda de medición en donde pasa entre una fuente de radiación UV y un receptor de la misma (un fotomultiplicador). El aire entra a la celda por medio de una válvula magnética que alterna entre un flujo directo y un flujo a través de un convertidor catalítico, el cual reduce cuantitativamente el ozono a oxígeno. La intensidad de radiación medida en el aire libre de ozono es almacenada y restada de la intensidad medida en el aire que contiene ozono69 .

Figura 3.17

MEDICIÓN DE ABSORCIÓN UV

(Ref. 2)

69



Fluorescencia UV. El procedimiento para llevar a cabo mediciones de Fluorescencia UV, se muestra en la figura 3.18, en donde podemos observar que el aire o la muestra de gas entran a una cámara en donde pasan a través de un haz de luz que proviene de una lámpara UV (lámpara de cátodo de Zn hueco), activándose las moléculas del gas que va a ser medido y emitiendo radiación fluorescente, la cual es detectada por un fotomultiplicador y puede ser medida después de su amplificación. Para obtener la radiación fluorescente específica del gas de interés, se coloca un filtro de interferencia. La concentración de este gas de interés será una función de la intensidad fluorescente y de la energía de la fuente de luz UV70 .

Figura 3.18

MEDICIÓN DE FLUORESCENCIA UV (Ref. 2)

Absorción IR. Esta medición se basa en el principio de que todas las moléculas heteroatómicas como CO, CO2, SO2 y NO, poseen un espectro de absorción característico en un rango infrarrojo. Esta propiedad de los gases frecuentemente se usa para la medición de emisiones. Sin embargo,

70

Referencia 2, pág. 20 y 21.

FOTOMULTIPLICADOR


94

para evaluar la calidad del aire este principio de medición de absorción infrarroja exclusivamente se utiliza para la determinación de monóxido de carbono (CO) y para bióxido de carbono (CO2) debido a que la absorción de radiación de estos gases es suficientemente grande, a pesar de que se encuentren en muy bajas concentraciones en la atmósfera. No se recomienda esta técnica para la medición de concentraciones de SO2 y NO en el aire ambiente71 . Existen dos diferentes métodos de absorción IR (infrarrojo)que se distinguen entre sí por el método de almacenaje de la muestra de referencia que sirve para obtener la selectividad deseada del espectro de refracción. Estos son el método de absorción infrarroja no dispersa (NDIR) y el método de correlación de un gas filtrado (GFC). En el NDIR, el receptor de luz se utiliza para el almacenaje de una muestra del mismo gas a ser medido y la radiación transformada en las cámaras receptoras llenas de gas y modulada produce variaciones periódicas de presión en estas cámaras, las cuales se convierten en señales eléctricas por medio de un capacitor de membrana o un detector de micro flujo (ver figura 3.19). El GFC utiliza una cámara llena de gas ajustada a un filtro y otra llena de N2, las cuales están montadas en una rueda que las coloca periódica y alternadamente en la trayectoria de la luz (ver figura 3.20). La Norma Oficial Mexicana (NOM) utiliza como método de referencia el NDIR para determinar la concentración de monóxido de carbono en el aire ambiente, al igual que el CFR 40, parte 50, apéndice C72 .

71

Referencia 2, págs. 21, 22 y 23. 72

Normas Oficiales Mexicanas (Referencia 47) y Code of Federal Regulations 40, parte 50 (Referencia 3).


Figura 3.19 Figura 3.20

MEDICIÓN DE ABSORCIÓN

IR NO DISPERSA (Ref. 2)

MEDICIÓN DE CORRELACIÓN DE UN GAS FILTRADO

(Ref. 2)

Ionización de flama. Se basa en el principio de que los compuestos de carbón orgánico se ionizan fácilmente por medio de una flama de hidrógeno. El detector de ionización de flama (FID) cuyo esquema se aprecia en la figura 3.21, consiste en una cámara de combustión en la cual se inyecta hidrógeno puro de un cilindro de gas presurizado o producido por un generador electrolítico de hidrógeno. Después de la ignición eléctrica, se produce una densidad muy pequeña de iones (valor cero) en ausencia de carbón orgánico en el aire, pero en su presencia se producirá una nube de iones que se extraerá por medio de la aplicación de un campo eléctrico vía electrodos y generando una corriente eléctrica. Los electrodos se colocan cerca de la flama, utilizándose la boquilla de combustión como uno de ellos. La corriente es medida y amplificada y al mismo tiempo compensada con el valor cero. La sensibilidad de estas

GAS MUESTREADO

FUENTE DE LUZ IR

FILTRO DE INTERFERENCIA

GAS MUESTREADO

CELDA DE MEDICIÓN

FILTRO DE GAS ROTATIVO

MOTOR


96

mediciones dependerán del material de la boquilla de combustión y de la geometría del detector73 .

Figura 3.21

DETECTOR DE IONIZACIÓN DE FLAMA (Ref. 2). Para mediciones de calidad del aire, la determinación de la suma de los compuestos orgánicos gaseosos se lleva a cabo después de la separación del metano, que siempre está contenido en las muestras, aunque es inofensivo. La separación puede llevarse a cabo colocando antes del FID una columna de separación o un quemador catalítico. Atenuación de rayos beta (ββ ). El principio se basa en la medición de la atenuación gradual que sufren los rayos β al pasar a través de un filtro en forma de cinta en el cual se depositan las partículas. Los rayos β (electrones con energías entre 0.01 a 0.1 MeV) son atenuados de acuerdo a una función exponencial aproximada de la masa de las partículas depositadas en el filtro. Los monitores automáticos utilizan un filtro continuo de cinta, en donde primero se mide la atenuación de los rayos β, a través de un segmento de filtro no expuesto a la muestra para corregir con la atenuación debida al “blanco”. La cinta es entonces expuesta a la muestra de aire por lo que se acumula un depósito de partículas y la atenuación de los rayos β se mide nuevamente. Las lecturas de la atenuación con muestra, corregidas con las del blanco se convierten a

73



concentraciones de masa con tiempos promedio desde 30 minutos (ver figura 3.22)74 . Como fuente de radiación se utiliza una sonda radioactiva de actividad adecuada (carbón 14 o kriptón 85) y como detector puede utilizarse un contador Geiger-Müller. A los monitores automáticos que se basan en este principio se les conoce como BAM (Beta-particle Attenuation Monitor)75 .

Figura 3.22

MEDICIÓN DE PARTÍCULAS SUSPENDIDAS POR MEDIO DE LA ATENUACIÓN DE RADIACIÓN BETA (Ref. 2).

74

Referencia 34. 75


LA

St-B-MK

F1 - F2


98

Microbalanza oscilatoria. En el monitor automático basado en este principio y conocido como TEOM (Tapered Element Oscillating Microbalance), las partículas se colectan continuamente en un filtro montado en la punta de un elemento de vidrio hueco, el cual oscila en un campo eléctrico. El aire pasa a través del filtro y del elemento de vidrio, manteniéndose la frecuencia de oscilación del elemento de vidrio por medio de la retroalimentación de una señal de un sensor óptico. La frecuencia de resonancia del elemento decrece a medida que la masa de las partículas se acumula en el filtro, ya que se incrementa su masa. La concentración de la masa de las partículas se calcula por medio de una relación calibrada entre la frecuencia y la cantidad de partículas, tomando en cuenta el volumen del aire muestreado (ver figura 3.23)76 .

Figura 3.23

MEDICIÓN DE PARTÍCULAS SUSPENDIDAS POR MEDIO DE LA MICROBALANZA OSCILATORIA (Ref. 2).

76

Referencia 34.


Microbalanza piezoeléctrica: En este monitor las partículas se depositan por impactación inercial o por precipitación electrostática en la superficie de un disco de cristal de cuarzo piezoeléctrico. La frecuencia de resonancia natural del cristal decrece a medida que se acumulan las partículas. El cambio de frecuencia del cristal de muestreo es electró-nicamente comparado con un cristal de referencia limpio, generando una señal que es proporcional a la masa colectada. El cristal de referencia también permite una compensación por temperatura77 .

Cuadro 3.9.

CARACTERÍSTICAS DE LOS PRINCIPALES MONITORES AUTOMÁTICOS

CONTAMINANTE

PRINCIPIO DE

MEDICIÓN

RECOMENDACIONES

Y COMENTARIOS

SO2 y CO

Conductometría Hay que asegurar que el flujo de la corriente del gas y del líquido se mantengan constantes. Estas mediciones son semiautomáticas, ya que entregan información cada hora, dando promedios horarios.

Especies de NO, NO2 y O3

Quimiluminiscencia

Es absolutamente necesario para obtener mediciones estables, que la temperatura dentro de la cámara de reacción esté controlada y que la presión interna sea constante. Proporcionándole al monitor un medio ambiente controlado. La reacción quimiluminiscente del ozono sólo se podrá medir si se cuenta con un cilindro con una mezcla de gas etileno o etichem.

SO2

Fluorescencia Pulsante en el Rango

UV

Hay que verificar el filtro cortador de HC, para evitar interferencias.

77

Referencia 34.


100

Cuadro 3.9. (continuación)

CARACTERÍSTICAS DE LOS PRINCIPALES MONITORES AUTOMÁTICOS

CONTAMINANTE PRINCIPIO DE

MEDICIÓN RECOMENDACIONES

Y COMENTARIOS

CO y CO2

Absorción IR: NDIR GFC

Hay que tener cuidado con la temperatura de la celda de medición, la humedad puede formar un espectro igual que el del CO.

O3

Fotometría en el

Rango UV

Anteriormente se usaba la Quimilumi-niscencia, pero ésta ha sido sustituida por la Fotometría en el Rango UV. Posible interferencia por altas concentraciones de HC aromáticos.

Suma de gases orgánicos sin el

metano.

Ionización de Flama

Para mediciones continuas es importante mantener constante la temperatura y el flujo del gas muestreado.

Partículas

Suspendidas.

Atenuación de Radiación β

Tanto para el BAM como para el TEOM, sus límites de detección dependen del cabezal de separación tipo ciclón y del flujo que se maneje.

Partículas

Suspendidas.

Microbalanza Oscilatoria

Se pueden ajustar para PM10, PM5 y PM2.5.

Partículas

Suspendidas.

Microbalanza Piezoeléctrica

Hay que tener bien cimentado el instrumento para no generar mediciones erróneas.

Fuente: Experiencia de técnicos mexicanos, y basado en las referencias: 2, 10, 28, 29, 30 y 32.

Todos estos equipos automáticos requieren de una calibración adecuada y de la determinación de la desviación probable de los instrumentos, para obtener mediciones confiables. En estos equipos las lecturas sólo serán confiables si han sido calibrados con gases patrón de concentración conocida del contaminante a medir en la operación normal del campo (ver sección 4.2.2. Mantenimiento y Calibración del Equipo), que se encuentran disponibles en el mercado para los gases contaminantes más comunes. Los puntos de calibración se deben encontrar entre los márgenes de la concentración más alta esperada y el cero, e incluir puntos intermedios para verificar la linearidad o proporcionalidad de las


mediciones que reporta el instrumento. Algunos equipos automáticos poseen puntos de calibración electrónica. Las recomendaciones que se tienen que considerar para que estos equipos automáticos sean confiables se agrupan en el cuadro 3.10, y en el cuadro 3.11 se recopilan los métodos estándar de referencia y análisis de los principales contaminantes atmosféricos que rigen en los Estados Unidos de Norteamérica. En éste podemos observar que algunas de estas seis metodologías todavía se llevan a cabo con equipo de muestreo activo y son las que nos han proporcionado la base de datos de calidad del aire con la que se cuenta actualmente y en las que se basan las normas de varios países.

Cuadro 3.10.

FACTORES Y RECOMENDACIONES PARA LA SELECCIÓN DE

UN EQUIPO AUTOMÁTICO DE MONITOREO

FACTORES

RECOMENDACIONES

Especificación Determinar si el equipo es específico únicamente para el compuesto contaminante de interés o si detecta la presencia de otros que se encuentran mezclados en la atmósfera.

Sensibilidad y rango Determinar la sensibilidad del equipo y si éste es sensible en el rango de interés de la medición del contaminante.

Precisión y exactitud Verificar por medio de la calibración del equipo si los resultados representan la concentración del contaminante en la atmósfera.

Estabilidad del cero y de la calibración

Se tiene que considerar si el instrumento es estable dentro de un período de operación de por lo menos tres días y catorce días para monitores de SO2, NO2, O3 y CO, sin atención del personal, de tal forma que sean confiables los datos.

Tiempo de respuesta

Debe considerarse si el instrumento puede funcionar con rapidez para graficar fielmente los cambios de concentración del contaminante muestreado durante el período que está siendo analizado.

Temperatura ambiente y

humedad

Debe verificarse si se le puede proporcionar al equipo un ambiente controlado, para que no presente fallas en condiciones extremas de temperatura o de humedad.

Facilidades y costos

Se deberá considerar el costo del instrumento, su mantenimiento, facilidad de apoyo técnico y los requerimientos de hora-hombre que se necesitan para el buen funcionamiento del equipo, en los cinco años subsecuentes a su adquisición, de manera que estos sean congruentes con las necesidades del objetivo y los recursos disponibles. Es muy importante verificar el tipo de garantía que se ofrece, el servicio al equipo y disponibilidad de partes y refacciones en el país donde se usará el equipo.

Fuente: Bravo H. La contaminación del Aire en México. (Ref. 49). Cuadro modificado.


102

Cuadro 3.11.

MÉTODOS DE REFERENCIA ESTÁNDAR DE MUESTREO Y ANÁLISIS DE CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS DE E.U.A. *

CONTAMINANTE MÉTODO DE

REFERENCIA PRINCIPIO DE DETECCIÓN

SO2 Pararrosanilina Colorimétrico

Partículas Suspendidas Muestreador de altos volúmenes, Hi Vol

Gravimétrico

CO Automático Fotometría Infrarroja No-Dispersa

Oxidantes fotoquímicos (Ozono)78

Automático Fotometría Ultravioleta

Hidrocarburos (no metano)79

Captación en “canister” de acero inoxidable

Cromatografía de gases

NO2 Automático Quimiluminiscencia

PM10 Dichotomous Gravimétrico

* Fuente: Code of Federal Regulations. 40. Protection of Environment. Part. 50, appendixes: A, B, C, D, E, F, J.

Office of the Federal Register, National Archives and Records Service. General Services Administration U.S.A., revised July 1990. Cuadro modificado y actualizado.

Existen también en el mercado instrumentos automáticos personales de monitoreo que se utilizan principalmente en ambientes laborales como sistemas de alarma y como dosímetros. Están diseñados para detectar gases y vapores de alguna sustancia como: monóxido de carbono, cianuro de hidrógeno, sulfuro de hidrógeno, bióxido de azufre, bióxido de nitró-geno, niveles de oxígeno, etc., por medio de sensores electroquímicos. Algunos de estos son capaces de almacenar datos, que después pueden ser descargados en una unidad por separado que los colecciona e imprime. Ejemplo de este tipo de instrumentos es el Dräger modelo 190, Datalogger con unidades para medir: CO, NO2, S02 y H2S que se presenta en la figura 3.24, el cual abre nuevas posibilidades de monitoreo, como sería el monitorear dentro de vehículos80 .

Figura 3. 24

78

Actualmente se ha sustituido la Quimiluminiscencia por la Fotometría Ultravioleta. 79

El método de referencia para el muestreo de HC no se ha determinado. Anteriormente se utilizaba un método automático, pero ya no se utiliza por los frecuentes problemas que se tenían con su calibración.

80 Referencia 28.


DRÄGER MODELO 190, DATALOGGER (Cortesía de National Draeger, Inc.) (Ref. 48)

3.2.4. Equipo para Muestreo en Interiores Las metodologías para el muestreo de la calidad del aire en interiores, no difieren substancialmente de las empleadas en exteriores, aunque hay algunas, como los sensores remotos y las muy ruidosas o voluminosas como los muestreadores de altos volúmenes y el WRAC, que son por sí mismas inapropiadas. En general la mayoría de los estudios en interiores utilizan muestreadores pasivos (los cuales son todos portátiles) o activos, entre los que se destacan los portátiles y ligeros que se mencionaron anteriormente, y que sirven para estimar exposiciones personales (algunos de estos métodos se presentan en el estudio de Fernández-Bremauntz81 ), ya que para este tipo de estudios es para los que está más difundido el monitoreo en interiores. El uso de monitores automáticos no portátiles, está limitado por el tamaño de los monitores y de sus sistemas de manejo de datos y sólo se utilizan cuando se requiere evaluar efectos agudos por exposición a contaminantes.

81

Referencia 50.


104

Es de gran importancia que se realicen estudios de calidad de aire en interiores, debido a que las personas pasan por lo menos un 25% de su tiempo en un ambiente interior y las que viven en climas fríos hasta un 90%. Además de que los estudios en interiores que se han realizado en las últimas décadas indican que en algunos casos el aire del interior está más contaminado que el aire exterior en un mismo lugar. Esto se debe a numerosas fuentes de contaminación que existen en interiores como pueden ser los hornos, estufas de leña (Zayas82 ), calentadores de gas y de kerosén, calefacción, humo de cigarrillo y materiales de construcción como materiales aislantes y productos de madera prensada83 . Entre los estudios que se han llevado a cabo en interiores se han encontrado altos niveles de concentraciones de CO y NO2, alarmantes concentraciones de formaldehídos (CH2O) y radón en algunas viviendas como casas móviles, una relación directa entre el incremento de partículas suspendidas fracción respirable y el incremento de fumadores, y en general bajos niveles de SO2 dentro de las viviendas84 . 3.3. EQUIPO DE LABORATORIO PARA EL ANÁLISIS DE

MUESTRAS Ya habiendo colectado la muestra mediante alguno de los equipos, aparatos o instrumentos descritos en este capítulo se procederá a su análisis específico. Las técnicas de análisis que se requerirán dependerán del tipo de dispositivo en que fue colectada la muestra, del contaminante muestreado y de los objetivos de monitoreo que se hayan fijado. El análisis de PST (Material de Partículas Suspendidas) será muy diferente si sólo se pretende emitir un diagnóstico de la calidad del aire para ver su congruen-cia con las normas, a si nuestro objetivo requiere del conocimiento del ta-maño, forma y composición química de las partículas. 3.3.1. Métodos de Análisis Existen diferentes métodos de análisis químico para determinar las sustancias o elementos que se encuentran en una determinada muestra y

82

Referencia 51. 83

Referencia 1, vol, l, págs. 35 y 36. 84

Referencia 52.


sus concentraciones, entre los cuales se tienen a los métodos volumétricos, los métodos gravimétricos, los métodos colorimétricos o fotométricos, los métodos potenciométricos, técnicas para conocer la morfología de las partículas y técnicas para llevar a cabo su análisis elemental. Los métodos volumétricos. Son los métodos analíticos cuantitativos, llamados así porque la cantidad de producto detectado se deduce del volumen de la disolución que se ha consumido en una reacción. Estos métodos cuantifican muestras en solución mediante la valoración de las mismas por medio de técnicas como la titulación85. Titulación. Es la técnica volumétrica que se utiliza para determinar la concentración de un soluto en un solvente, mediante la adición de un volumen de solución de concentración perfectamente conocida, a la disolución. Es la acción y efecto de (valorar) cuantificar una disolución. Es decir, se utiliza para valorar una disolución. La valoración de una disolución siempre será una titulación. Los métodos gravimétricos. Son métodos analíticos cuantitativos en los cuales las determinaciones de las sustancias se llevan a cabo por una diferencia de pesos. Existen métodos gravimétricos para conocer la concentración de una muestra en solución, que llevan a cabo precipita-ciones de las muestras por medio de la adición de un exceso de reactivo y aprovechando el efecto del ion común, y otros en los que directamente se pesa el material colectado en un filtro. En este último método gravimétrico se determina la masa, pesando el filtro antes y después del muestreo con una balanza a temperatura y humedad relativa controladas86

. Los métodos fotométricos. Basan la determinación de la concentración de una solución, en la medida de la intensidad de la luz que se transmite a través de la misma, comparándola con una curva patrón de las intensidades de la luz de la misma longitud de onda que se transmite a través de una serie de estas soluciones pero de concentraciones conocidas. El color de la solución puede ser inherente a la reacción que se lleva a cabo, al constituyente que se analiza, o bien, formarse al agregar un reactivo adecuado. Existen diferentes instrumentos para medir la cantidad de energía radiante absorbida, entre los que tenemos desde diferentes 85

Referencia 53. 86

Referencia 53.


106

tipos de colorímetros cuyo principio es la colorimetría (procedimiento de análisis químico que se basa en la intensidad del color de las disoluciones) que se valora por técnicas visuales simples, instrumentos para medir la reflectancia, que es una medida de la habilidad para reflejar la energía radiante y el espectrofotómetro, que es un instrumento colorimétrico, cuyo principio de medición es la espectrofotometría, siendo este último el más usado por preciso y flexible87 . Espectrofotometría. Es la medida de la cantidad de energía radiante absorbida por las moléculas a longitudes de onda específicas. Cada com-puesto tiene un patrón de absorción diferente que da origen a un espectro de identificación. Éste consiste en una gráfica de la absorción y la longitud de onda y se presenta en márgenes que abarcan longitudes de onda desde la ultravioleta a la infrarroja. Por lo que si se ajusta un instrumento a una sola longitud de onda escogida entre los límites en que un compuesto absorbe fuertemente y otros no, se puede aislar con filtros una sola longitud de onda, para poder medir la energía absorbida de ese compuesto en particular. Entre los espectrofotómetros más usados tenemos al de infrarrojo no disperso y al de espectro ultravioleta88 . Los métodos potenciométricos. Son aquellos en los que se mide una diferencia de potencial eléctrico, por medio de aparatos llamados potenciómetros, que se utilizan principalmente para la determinación del pH, introduciendo dos electrodos a la solución a analizar, por los cuales se hace fluir una corriente89 . Las técnicas para conocer la morfología de las partículas y técnicas para llevar a cabo su análisis elemental, se describirán en la sección de análisis de material particulado de este mismo capítulo. A continuación presentaremos los métodos de análisis más utilizados para cuantificar los gases muestreados. 3.3.2. Análisis de Gases Los principales métodos para la detección de gases inorgánicos en el aire, son los métodos de análisis fotométricos que se llevan a cabo en las sustancias colectadas en soluciones absorbentes durante los muestreos.

87

Referencia 2, págs. 30 y 31. 88

Referencia 53. 89 Referencia 53.


Los requisitos que se deben cumplir para que se pueda llevar a cabo un análisis fotométrico son los siguientes90 :

• El reactivo debe ser muy específico y muy sensible al gas que se analiza. • El color de la reacción debe aparecer durante los 30 min. subsecuentes a

la misma. • Una máxima absorción producirá un color fuerte o muy vivo. • Debe haber una relación lineal entre la masa de la sustancia a ser

analizada y la intensidad del color, por lo menos por un rango amplio de concentración (cumplir con la ley de Lambert - Beer).

• Estabilidad del color. Algunos de los métodos fotométricos utilizados en la determinación de contaminantes gaseosos en Alemania se resumen en el cuadro 3.12, donde se muestra el gas a determinar, el número de metodología que describe el procedimiento de la guía VDI, la solución absorbente y el reactivo fotométrico. Para la determinación de vapores orgánicos, el principal método utilizado, se conoce como cromatografía de gases, que es la destilación fraccionada a escala molecular. La cromatografía de gases (GC), se lleva a cabo en columnas de separación que contienen absorbentes líquidos no volátiles, soportados en sustratos sólidos (existen columnas empacadas que se rellenan de material inorgánico u orgánico poroso e inerte, como algún polímero, óxido de aluminio o silicagel). Las moléculas de la muestra pasan por las columnas a velocidades proporcionales a sus volatilidades y a su afinidad por el absorbente, y se descomponen en sus componentes por medio de procesos de absorción y desorción. El cromatógrafo de gases consta esencialmente de una columna que está a temperatura controlada, un sistema para introducir cantidades medidas de un gas inerte en dicha columna, un sistema de inyección de la muestra a la entrada de la columna y un detector a la salida que determina la masa. Se pueden elegir diferentes detectores para sensibilidades específicas de determinados compuestos, entre los que se tienen el detector de ionización de flama, el de captura de electrones y el de fotoionización entre otros91 . También se puede colocar al final de la columna de separación un espectrofotómetro de masa (MS), con lo cual se facilita la identificación de componentes de muestras de aire desconocidas. El método de análisis llamado GC/MS, es actualmente el método más eficiente de análisis de calidad de aire para medir compuestos orgánicos. 90

Referencia 2, págs. 30 y 31. 91

Referencia 53.


108

Si la muestra de aire colectada está contenida en un material adsorbente, primero tendrá que ser sometida a una desorción o a una extracción previa su introducción al cromatógrafo para recuperar los compuestos orgánicos volátiles adsorbidos, y después podrá analizarse por medio de croma-tografía de gases. En estos casos generalmente se utiliza la Desorción Térmica, que consiste en restaurar una sustancia absorbida o adsorbida por medio de la acción o el efecto del calor. La desorsión también se puede llevar a cabo por medio de solventes específicos. El cromatógrafo de gases es uno de los instrumentos de aplicaciones más diversas en el análisis de contaminantes atmosféricos, ya que puede separar mezclas complejas que comprenden gran variedad de compuestos en columnas diferentes y además puede estandarizar con exactitud un gas de calibración. Existen cromatógrafos adaptados para determinar en forma continua varios contaminantes al mismo tiempo. Y son aparatos sencillos de operar, resistentes y relativamente baratos92 .

CUADRO 3.12.

MÉTODOS FOTOMÉTRICOS PARA LA

MEDICIÓN DE CONTAMINANTES GASEOSOS

GAS GUÍA VDI93

SOLUCIÓN ABSORBENTE

REACTIVO FOTOMÉTRICO

Bióxido de Azufre 2451 3° Parte

Solución de Tetracloromercurato

Pararrosanilina y Formaldehído

Bióxido de Nitrógeno 2453 1° Parte

Solución del reactivo Cloruro de N-(1-Naftil) - etilendiamonio.

Monóxido de Nitrógeno

2453 1° Parte

Después de su oxidación a bióxido

de Nitrógeno

Analizarlo como bióxido de Nitrógeno

Sulfuro de Hidrógeno 2453 1° Parte 2° Parte

Suspensión de Hidróxido de Cadmio

Azul de Molibdeno

Cloruro de N,N-dimeti-p -fenilendiamonio

(formación de azul de Metileno)

92

Referencia 34. 93

VDI: Manual de Control de Calidad del Aire. Preparado por la Comisión de Prevención de Contaminación

del Aire, de la Asociación de Ingenieros Alemanes.


CUADRO 3.12. (continuación)

MÉTODOS FOTOMÉTRICOS PARA LA MEDICIÓN DE CONTAMINANTES GASEOSOS

GAS GUÍA

VDI94 SOLUCIÓN

ABSORBENTE REACTIVO

FOTOMÉTRICO

Cloro 2458 1° Parte

Disolución acética de anaranjado de Metilo

Medición de la brillantez del color

Cloruro de Hidrógeno

0.1-mol/1-NaOH Rodamina de Mercurio y Sal de Hierro III

Amoniaco 2461 1° Parte

2° Parte

0.005-mol/1-H2SO4

0.005-mol/1-H2SO4

Fenol e Hipoclorito de Sodio (formación de

Indofenol) Reactivo Nessler

Ozono 2468 1° Parte 5° Parte

Solución de Yoduro de Potasio

Disolución del ácido 5,5-indigodisulfónico

Medición de la formación de Yodo

Medición de la brillantez del color

Formaldehídos 3484 1° Parte

Solución de Tetracloromercurato

Pararrosanilina y Sulfato

Fenoles 3485 1° Parte

0.1-mol/1-NaOH P-Nitroanilina

Fuente: Referencia 2, pág. 31.

3.3.3. Análisis de Material Particulado Como ya se mencionó, el análisis completo del material particulado que contiene una muestra atmosférica es más complicado que el de una muestra gaseosa, ya que comprende básicamente tres diferentes tipos de análisis:

• La estimación o cuantificación de la masa. • La caracterización de la distribución por tamaños de partículas. • El análisis físico y químico de las fracciones particuladas.

Estimación o cuantificación de la masa, método gravimétrico. El principal procedimiento para la cuantificación de la masa es un método gravimétrico en el cual los filtros para la colección de la muestra de partículas y sus “blancos”, se acondicionan a una temperatura y humedad y se pesan (utilizando una microbalanza) antes y después de utilizarse en

94

VDI: Manual de Control de Calidad del Aire. Preparado por la Comisión de Prevención de Contaminación

del Aire, de la Asociación de Ingenieros Alemanes.


110

el muestreo, para determinar el peso (masa) neto resultado de la colección del material particulado, que quedó en el filtro después del muestreo. De esta manera la concentración de la masa en el aire ambiente se calcula como el cociente de la masa de partículas colectadas en el filtro, dividido entre el volumen de aire muestreado y corregido a una temperatura y presión estándar 95 . Todos los muestreadores activos y pasivos requieren de este tipo de análisis gravimétrico para cuantificar la concentración del material particulado, lo cual implica el montaje del filtro, su colección (generalmente 24 horas más tarde para muestreos de calidad del aire ambiente) y su envío al laboratorio para su análisis que significa un trabajo intensivo, sobre todo si se planean muestreos diarios. Por lo que en estos casos se recomienda la consideración de sistemas de monitoreo automáticos como el TEOM y el BAM96 para la estimación gravimétrica y pseudogravimétrica de la masa. Otros métodos para la estimación de la masa del material particulado son la Reflectometría y la Nefelometría. En ciudades industrializadas del norte de Europa, el material particulado en invierno, estaba formado predominantemente por partículas de carbón provenientes de la combus-tión doméstica incompleta de este mismo carbón. Esto provocaba un humo negro conocido como “black smoke” (BS), que era el responsable del material de PST durante episodios de alta mortandad como el ocurrido en Londres. Para medir la concentración del BS muestreado en un filtro, se utiliza un reflectómetro, por medio del cual se mide la reducción de reflectancia que producirían mezclas de humo negro estándar (µg/m3) de concentración conocida y se comparan con la reducción producida por un filtro a través del cual ha pasado aire atmosférico con el mismo flujo y tiempo de muestreo (estándar Británico 1747)97 . Reflectometría. Siendo ésta una técnica que mide la reducción en el reflejo de la luz y debido a que en la actualidad las emisiones han cambiado considerablemente con la adopción de nuevas tecnologías, el uso de la reflectometría se debiera considerar restringido para la medición de la fracción carbonacea de las partículas y no para la estimación del total de su masa. Sin embargo, comúnmente se convierte la reflectancia

95


TEOM: Tapered Element Oscillating Microbalance. BAM: Beta - Particle Attenuation Monitor. 97



medida, inclusive de los aerosoles, en concentraciones gravimétricas utilizando curvas de calibración de la Organización para la Cooperación y Desarrollo Económicos y la Comisión de Comunidades Europeas (OECD 1963; EC 1992), debido a que es una técnica sencilla y de bajo costo. Por lo que una gran cantidad de datos epidemiológicos están relacionados con mediciones de BS, que para ser reemplazadas por un método gravimétrico adecuado, requerirían de un monitoreo en paralelo de por lo menos un año para asegurar la continuidad de los datos y una relación entre las metodologías, asumiendo que la fuente de mezcla ha permanecido constante por el período en que los datos de BS fueron colectados98 . Nefelometría. Es una técnica que mide la dispersión total de la luz debida principalmente a los aerosoles ambientales en su conjunto. Sirve como una estimación de los aerosoles entre 0.1 y 3 µm. (aprox. PM 2.5). Esta dispersión de la luz está dominada por los aerosoles secundarios, principalmente por sulfatos, nitritos y amonio. Sin embargo, la conversión de esta dispersión de la luz a concentraciones de masa gravimétricas tiene el mismo problema que la técnica de BS, ya que a humedades relativas de 70% o mayores, las partículas incrementan su tamaño provocando que los valores de dispersión de luz observados aumenten, lo cual ocasiona sobrestimaciones de la masa de los aerosoles. Para evitar este problema la mayoría de los instrumentos cuentan actualmente con dispositivos térmicos en la entrada, pero a pesar de ellos estos instrumentos no se recomiendan para mediciones de masa. Su aplicación más importante se lleva a cabo para estimar la degradación de la visibilidad99 . Para medir esta dispersión de la luz se utiliza un instrumento llamado Nefelómetro, que consiste en una cámara óptica que generalmente tiene la forma de un cilindro largo iluminado por un lado, perpendicularmente al eje longitudinal de la cámara. La fuente de luz está localizada detrás de un difusor e ilumina los aerosoles en longitudes de onda del espectro visible, dispersando a la luz entre 0° y 180°. La luz dispersada por las partículas en la cámara es detectada e integrada por un tubo fotomultiplicador en un rango de 9° a 171°. Este instrumento se calibra por medio de la introducción de gases con índices de refracción conocido, los cuales producen una determinada dispersión de energía luminosa100 .

98



Referencia 34.


112

La caracterización de la distribución por tamaños de partículas. Se lleva a cabo principalmente durante el muestreo por medio de Impactores que se describieron ampliamente en la sección 3.2.2., o puede llevarse a cabo en el laboratorio durante los análisis físicos en los que se estudia el tamaño y forma de partículas aisladamente, aunque en estos análisis será más difícil obtener la relación entre un cierto rango de tamaño de partículas y el total de ellas, ya que al colectarse juntas en un mismo filtro pueden sufrir aglutinamientos. El análisis físico y químico de las fracciones particuladas. La caracterización del material particulado tanto física (tamaño), como quími-camente (composición), se lleva a cabo generalmente con el propósito de determinar la presencia de compuestos o contaminantes específicos como metales. Estas caracterizaciones son importantes para estimar los efectos potenciales de estas partículas en la salud y en el medio ambiente y para la investigación de la contribución de diferentes fuentes de partículas al PST. También se pueden llevar a cabo investigaciones retrospectivas de cambios en los patrones de los contaminantes con los filtros que se mantienen en los bancos de especímenes, por medio de diferentes técnicas de análisis que mencionaremos a continuación101 . Actualmente se cuenta con una gran variedad de técnicas de análisis físicas y químicas para identificar la composición de las partículas colectadas. Las técnicas químicas se usan principalmente para determinar entidades funcionales como grupos de iones y volumen de metales en especímenes, mientras que las técnicas físicas se emplean para inspeccionar partículas aisladas y para determinar la composición elemental de la molécula/cristalina101. Sin embargo, hay que tomar en consideración que el espectro de iones resultado del análisis de un filtro no siempre representa a los iones que se encuentran en el aire, ya que muchas veces son resultado de reacciones químicas que se llevan a cabo durante el muestreo. Estas interferencias pueden limitarse utilizando “Denuders” tanto para prevenir la neutralización de partículas ácidas y la volatilización de sales de amonio, como para evitar la formación de sulfatos102 .

101


Referencia 1, vol. 3, págs. 23 y 24.


Entre las técnicas más comunes que se utilizan para determinar la morfología de las partículas tenemos103 :

• Microscopía. Utilizada para analizar partículas gruesas como polen, suelos, polvo de desgaste de llantas y materiales fibrosos. Por medio de esta técnica no destructiva, se analiza el tamaño y la forma de partículas mayores a 1 µm. en forma asilada.

• Microscopía de electrones. Utilizada para llevar a cabo análisis

morfológico detallado de aerosoles menores a 1 µm. (humo de cigarro, asbestos y otros) y análisis elemental. Se realiza cuando las partículas se amplifican por medio de un haz de electrones, observándose su tamaño, forma y datos de su concentración.

Existen además siete técnicas fundamentales de análisis elemental disponibles para la caracterización de trazas de elementos que se encuentran en el material particulado suspendido en el aire y son103:

• Fluorescencia de Rayos X (XRF). • Emisión de Rayos X por Inducción de Protones (PIXE). • Análisis de Activación de Neutrones (NAA). • Espectrofotometría de Absorción Atómica (AAS). • Espectrometría de Masa con plasma de acoplamiento inducido (ICP-

MS). • Espectrometría de Emisión Atómica con plasma de acoplamiento inducido

(ICP-AES). • Cromatografía de Iones (IC).

Las primeras dos técnicas cuantifican la concentración de elementos con números atómicos que van desde 11 (Sodio) hasta el 92 (Uranio), son no destructivas, o sea el filtro permanece intacto después del análisis y puede utilizarse para subsecuentes análisis por otros métodos. Estas técnicas se describen a continuación. La Fluorescencia de Rayos X (XRF). Es una técnica de análisis que se lleva a cabo irradiando el material depositado en el filtro por medio de rayos X de alta energía, los cuales expulsan a los electrones de capas interiores de los átomos de cada elemento en la muestra. Cuando un elec-trón de energía mayor cae dentro de un orbital libre de menor energía, se libera un fotón, rayo X, fluorescente, único para cada elemento. Co-múnmente se utiliza:

103

Referencia 1, vol. 3, págs. 23 y 24.


114

1. Fluorescencia de rayos X con longitud de onda dispersa,

(WDXRF), la cual utiliza un cristal de difracción para la obser-vación de los rayos X fluorescentes, determinándose uno por uno los elementos y minimizando los traslapes. Esta técnica provee una gran resolución de espectro.

2. Fluorescencia de rayos X con energía dispersa, (EDXRF), la

cual utiliza un detector semiconductor de silicón, que propor-ciona la determinación simultánea de múltiples elementos con una alta sensibilidad, pero con interferencias espectrales poten-ciales que requieren de un complejo procedimiento de elimina-ción de traslapes espectrales104 .

Emisión de Rayos X por Inducción de Protones (PIXE). Esta técnica de análisis es muy similar a la técnica de XRF, pero difiere de ésta en la fuente de excitación para la producción de fluorescencia. En la técnica PIXE el material depositado en el filtro es bombardeado con protones de alta energía para remover a los electrones de las capas interiores104. Análisis de Activación de Neutrones, NAA. A pesar de que esta técnica de análisis no es destructiva, tapona el filtro y lo hace radioactivo, pero es muy útil para la detección de muy bajas concentraciones. Esta técnica consiste en exponer la muestra del filtro a un flujo de neutrones en un reactor nuclear. El bombardeo de neutrones transforma a los elementos en isótopos radioactivos que emiten rayos gama. La energía y la intensidad de estos rayos gama se detecta por medio de un detector de litiogermanio, identificándose con la energía al isótopo y con su intensidad a la cantidad proporcional del elemento presente en la muestra. Esta técnica no puede cuantificar elementos como silicón, níquel, estaño y plomo104. Las otras cuatro técnicas de análisis son destructivas, o sea que requieren del tratamiento o destrucción del filtro o de una parte del mismo para que se lleven a cabo, este tratamiento consiste por lo general en una separación por lavado y decantación o en una extracción, que es una separación de una sustancia que se encuentra en un filtro o que se encuentra disuelta en un líquido mediante otro que no se puede mezclar

104

Referencia 34.


con éste y en el cual dicha sustancia es mucho más soluble. Estas cuatro técnicas se describen a continuación. Espectrofotometría de Absorción Atómica, AAS. Esta técnica, se lleva a cabo después de la extracción ácida de la muestra, la cual se gasifica en una región a través de la cual se transmite la luz de una específica longitud de onda. Estas longitudes de onda se escogen de manera que correspondan a las energías de absorción de los elementos deseados, en esta técnica se analizan uno a uno los elementos y se utiliza para la determinación de componentes individualmente. La cantidad de luz transmitida se detecta por medio de un fotomultiplicador y un monocrómetro. Comúnmente se usa105 :

1. AAS con Ionización de Flama, en el cual la muestra extraída se nebuliza por medio de una flama la cual disocia la muestra en los átomos libres del elemento.

2. AAS con horno de grafito o electrotérmico, donde la muestra

extraída es calentada paulatinamente para secarla, carbonizarla y atomizar la parte a analizar hasta temperaturas de 3 000 °C.

Espectrometría de Masa con plasma de acoplamiento inducido ICP-MS. Esta técnica se lleva a cabo después de la extracción en ácido del material depositado en el filtro y ese extracto es nebulizado dentro de una atmósfera de plasma de argón gaseosa, sostenida dentro de un serpentín de inducción energizado con una corriente alterna de alta frecuencia. La alta temperatura en el plasma eleva los electrones de valencia sobre su estado natural y cuando estos electrones regresan a su estado normal, emiten un fotón de luz el cual es único para cada elemento excitado. Esta luz es detectada por un tubo fotomultiplicador en longitudes de onda específicas, para identificar los elementos en la muestra. Este plasma de acoplamiento inducido ICP, junto con un espectrómetro de masa, ICP-MS, puede cuantificar concentraciones elementales con gran sensibilidad106. El espectrómetro de masa resulta muy útil para identificar cantidades de materia muy pequeñas, lo cual se logra ionizando una muestra para descomponerla y acelerando después los iones a través de un campo

105

Referencia 34.


116

magnético hasta que llegan a un colector. El tiempo que transcurre entre la ionización y la recolección de cada ion es proporcional a su masa. Con un osciloscopio se obtiene el espectro de las masas de todos los iones producidos de cada muestra, desde el más ligero hasta el más pesado. En este espectrómetro de masa, su poder de resolución o de separación es su característica más importante. Existen equipos con poder de resolución capaz de distinguir entre isómeros atómicos. Espectrometría de Emisión Atómica con plasma de acoplamiento inducido, ICP-AES. Esta técnica de análisis es muy similar a la anterior, es destructiva, requiere de extracción previa al análisis y difiere de la ICP-MS en que el análisis se lleva a cabo utilizando las características de emisión de luz fluorescente en el espectro visible, después de que el espécimen es atomizado. Con esta técnica se pueden determinar una gran cantidad de trazas de metales y al igual que la anterior identifican elementos múltiples106 . Cromatografía de Iones, IC. Este método puede utilizarse para determinar gran cantidad de aniones como compuestos de azufre, NO3

-, Cl-, Br-, F-, I-, HPO4

-, BrO3-, etc., y cationes como NH4+, Na+, K+, Ca2+,

Mg2+, a niveles inferiores a ppb. Su principio de medición consiste en una técnica cromatográfica líquida la cual se basa en un mecanismo de intercambio iónico y una detección conductométrica para la separación y cuantificación de los aniones y cationes. La muestra de iones se extrae de la columna de intercambio iónico, como bandas discretas basadas en su tiempo de retención y son cuantificadas por un detector de conductividad106. Además de estas técnicas existen también técnicas analíticas para de-terminar compuestos orgánicos que frecuentemente se asocian con las partículas atmosféricas y que debido a su alto peso molecular y baja solubilidad requieren de un tratamiento especial. Estos compuestos orgá-nicos pueden ser Hidrocarburos Alifáticos (AHs) e Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos (PAHs). Su análisis se lleva a cabo de la manera siguiente:

1. Extracción del filtro de fibra de vidrio usando cloruro de metileno.

106

Referencia 34.


2. Concentración del extracto en un evaporador rotatorio y colección en hexano.

3. Purificación del extracto en una columna de alúmina o similar. Obtención de dos fracciones: - Fracción no polar, que contiene los AHs. - Fracción polar que contiene los PAHs.

4. Separadas las fracciones, se analizan por medio de cromatogra-fía de gases con una columna capilar y los compuestos se identifican utilizando espectrometría de masa107 .

Para mayor información sobre el monitoreo y análisis de contaminantes atmosféricos, existen, además de los documentos indicados en las secciones 3.2.1 y 3.2.2, estándares ISO y diversos manuales como los que se incluyen en las referencias bibliográficas número 29, 32 y 54. 3.4. CONFIGURACIÓN DE SISTEMAS DE MUESTREO Ya seleccionados los sitios de monitoreo y escogido los equipos de muestreo y análisis que cumplan con los requerimientos de nuestros objetivos, el siguiente paso será la configuración del sistema de muestreo, que implica el arreglo o el diseño del sistema, desde la toma de muestra, hasta su captura en el muestreador. El diseño de un sistema de muestreo puede ser exclusivamente el diseño del montaje de un muestreador, como es el caso de los muestreadores pasivos, el diseño de una línea de muestreo, para muestreadores activos o un sistema completo de multi-analizadores para monitorear diversos contaminantes, como el diseño de una estación de monitoreo. Sin embargo, existen algunos criterios comunes a casi todos los sistemas de muestreo, tanto para muestreadores pasivos, activos y automáticos, que deben tomarse en cuenta para establecer el diseño del sistema de muestreo, y son108 :

• Las concentraciones de todos los contaminantes de interés que van a ser medidas no deberán alterarse a su paso por el sistema de muestreo, por lo que se requiere el uso de materiales inertes, tanto para la entrada de la muestra, las tuberías y las conexiones, principalmente si es el caso del estudio de gases reactivos.

• La tubería deberá ser lo más corta posible, evitándose codos y partes con

restricciones donde pudiera acumularse material particulado.

107


Referencia 1, vol. l, pág. 16 y vol. 3, pág. 3.


118

• Deberán removerse de la corriente de muestreo, partículas, gases o líquidos, que puedan contaminar la muestra o el medio de colección, y sustancias que puedan interferir con la operación de los analizadores, como partículas o agua condensada.

• El tiempo de residencia de los gases en el sistema deberá minimizarse, al

igual que la interacción de la corriente de aire con los materiales de la línea de muestreo, los cuales como ya se indicó, deberán ser inertes.

• Para minimizar retrasos en las respuestas del sistema se recomienda que el

flujo total del sistema sea mayor que el flujo total requerido por el analizador.

• El sistema de muestreo debe mantenerse en óptimas condiciones, debe

limpiarse y remplazarse las partes antes o en el momento de que muestren signos de envejecimiento, fallas o contaminación.

• Por lo que el sistema de muestreo deberá ser confiable y fácil de dar

mantenimiento. Los tubos múltiples, (“manifolds”), que no se limpian escrupulosamente pueden causar pérdidas de muestreo significativas, como en el caso de muestreo de gases reactivos, por lo que deberán de ser limpiados periódicamente.

• Debido a que uno de los principales problemas en las líneas de muestreo

son las fugas, se recomienda que en las visitas regulares se cheque el flujo del sistema y en caso de evidencia de fuga o descompostura se corrija inmediatamente el problema.

• Hay que notar la importancia del control de la temperatura en las estaciones

de monitoreo, ya que muchos analizadores de gases tienen un coeficiente de respuesta a temperaturas significativas y algunos pueden fallar a temperaturas extremas. Por lo que se requerirá de un buen control térmico del equipo, que utilice aire acondicionado o calefacción según se necesite.

• También debe ser minimizada la caída de presión dentro del sistema de

muestreo, ya que ésta afecta los resultados de los detectores de fotones o ion/electrones, que se emplean comúnmente en los analizadores de gases.

En vista de lo estricto de algunos de los criterios anteriores y la incompatibilidad de algunos de ellos, es difícil que se diseñe el sistema de muestreo perfecto. En la práctica, el arreglo que se adopta es un compromiso de trabajo que depende de los gases en estudio, el analizador usado y los recursos disponibles. Parte fundamental de este compromiso de trabajo es el compromiso de llevar a cabo y cumplir con un programa de mantenimiento, sin el cual ningún sistema de monitoreo será confiable. Nuevamente se enfatiza la necesidad de tener un método o sistema capaz de analizar los datos, de manera que los resultados que se obtengan


correspondan a la composición real de la calidad de aire de la zona en la cual se extrajo la muestra, ya que el muestreo consiste básicamente en la obtención de una pequeña porción de un cierto conjunto o lote de material que va a ser sometido a un determinado análisis o estudio109 . Por lo cual se recomienda tener bitácoras de campo y mantenimiento que documenten cualquier anomalía relacionada con los sistemas de monitoreo y en términos de los reportes de datos es importante especificar el número de datos válidos, perdidos (en algún caso repuestos mediante algún algoritmo) y cómo se obtiene el cálculo de la norma o del indicador pertinente de calidad de aire (número de veces que se sobrepasa la norma). En los incisos siguientes se darán ejemplos de dos sistemas de muestreo: una línea de muestreo y una estación de monitoreo, con todas las partes que conforman cada una de ellas, sin pretender abordar todos los sistemas de medición de flujo y de volumen, bombas y mecanismos existentes actualmente en el mercado. 3.4.1. Líneas de Muestreo Los requerimientos mínimos de equipo de un sistema de muestreo con una línea de muestreo, para llevar a cabo la colección de un contaminante en una solución absorbente, por medio de muestreadores activos, se observan en la figura 3.25, y son110 :

• Línea de muestreo que consta de: • Entrada, mangueras y tuberías. • Sistemas de medición de flujo y/o de volumen como el “Gas Meter”,

o controladores de flujo, por ejemplo un orificio crítico. • Una Bomba.

• Un sistema de colección de la muestra, ya descrito en la sección 3.2.2 de este manual: • Instrumentos de colección. • Medio de colección.

109

Referencia 53. 110

Referencia 1, vol. 4, págs. 26 a 29.


120

Figura 3.25

il

ll

i

EQUIPO REQUERIDO PARA EL MUESTREO ACTIVO DE UN CONTAMINANTE EN UNA SOLUCIÓN ABSORBENTE (Ref. 1).

Entrada, mangueras y tuberías. La entrada deberá incluir un embudo boca abajo, como se aprecia en la figura para prevenir que penetre la lluvia y partículas a la línea de muestreo, tanto el embudo, como las líneas (mangueras y tuberías) y tubos múltiples (“manifolds”), deberán ser químicamente inertes (como ya se indicó) y transparentes, de manera que se puedan llevar a cabo inspecciones visuales para checar que no se tengan condensaciones, obstrucciones o depósitos de polvo, durante la operación. Se recomienda una longitud máxima de tres metros. Sistemas de medición de flujo y de volumen. Existen diferentes instrumentos y técnicas para la medición del flujo y del volumen, los cuales se agrupan en estándares primarios y secundarios, en función de si se involucra la medición directa del volumen con base en su dimensión física en un espacio determinado (primarios), o de si son instrumentos de referencia o medidores que basan su calibración en los estándares primarios. Entre los instrumentos de estándares primarios que sirven para medir volúmenes integrados están el espirómetro, los medidores de pistón, los tubos de Pitot, medidores de película de jabón y otros. Entre los secundarios tenemos el “Dry Gas Meter”; el “Wet Test Meter”, el rotámetro, etcétera111 . Para el muestreo de volúmenes de aire los instrumentos más prácticos son los “Dry Gas Meter”, los cuales son capaces de determinar volúmenes con

111

Referencia 32.


una precisión de + 0.02 m3. Los demás instrumentos también se pueden utilizar, pero requieren de mayor cuidado tanto en su calibración como en su preparación antes de su utilización y sus controles112 . Los controladores de flujo sirven para mantener el flujo constante dentro de un rango de + 10%. Entre estos tenemos a los orificios críticos, orificios calibrados y medidores de flujo ajustables. Para el buen funcio-namiento de estos instrumentos se tienen que mantener limpios y libres de cualquier tipo de bloqueo, deberán ser calibrados antes de utilizarlos y de ahí en adelante ocasionalmente. Bomba. Es la máquina que creará el vacío para que se force a una corriente de aire medida a pasar por un sistema de colección. Se requiere de bombas capaces de mantener flujos estables en un determinado rango. Las más utilizadas son las bombas de diafragma con la adición de controladores de flujo para asegurar que se mantenga el rango del mismo. Adicionalmente tenemos instrumentos y equipos que nos ayudan a mantener la integridad del sistema de muestreo, establecen el control del flujo y permiten muestreos múltiples. Entre estos tenemos:

• Manómetros y Termómetros. • Pre Filtros. • Controladores adicionales de flujo. • Válvulas. • Contadores de Tiempo, “Timer”.

Manómetros/Termómetros. Los manómetros miden la caída de presión que se ocasiona por la resistencia del equipo de muestreo al paso del flujo de gas. Lo cual permite corregir el volumen de gas muestreado a condi-ciones estándar. De igual manera se necesita medir la temperatura para realizar las mismas correcciones, utilizando la ecuación de la ley de los gases113 .

P0V0 = P1V1 V0 = V1P1 . T0 T0 T1 P0 T1

Pre Filtros. Deberá incluirse un filtro en la línea de muestreo, adelante del absorbente, para remover las partículas que pudieran contaminar a la

112

Referencia 1, vol. 4, págs. 26 a 29. 113

Referencia 1, vol. 4, págs. 26 a 29.


122

solución absorbente o para la colección de estas en análisis subsecuentes. Estos filtros, al igual que sus soportes deberán ser químicamente inertes o estar recubiertos para evitar reacciones químicas con la corriente de gas muestreada. En general se utilizan filtros de papel, ya que en los de fibra de vidrio pueden ocurrir reacciones químicas que removerían contaminan-tes de interés113. Válvulas. Estas se introducen para poder llevar a cabo muestreos múlti-ples simultáneos o consecutivos en arreglos de soluciones absorbentes múltiples sin necesidad de apagar el equipo y cambiar las soluciones113. Contadores de Tiempo, “Timer”. Estos instrumentos se introducen en la línea de muestreo para que se realicen muestreos, sin necesidad de atención personalizada para prenderlos y apagarlos, para que se cambie a otro absorbente, trabajando en conjunto con las válvulas, o para llevar a cabo series de muestreos, como por ejemplo series de muestreos de 3 horas en un día o de 24 horas en una semana113. En la figura 3.26, siguien-te podemos observar un ejemplo de una unidad completa de muestreo activo portátil.


Figura 3.26

Oxidación→NO2

8

i l

i ili li-

i ii l i l

)

UNIDAD DE MUESTREO PORTÁTIL PARA LA DETERMINACIÓN DE NO2 Y DE NO

(Ref. 1)


124

3.4.2. Estaciones de Monitoreo El equipo que conforma a una estación de monitoreo atmosférico se coloca en el interior de una caseta con una serie de acondicionamientos que permitan la óptima operación de los equipos automáticos que se instalarán en la misma. Sus partes principales se aprecian en la figura 3.27 y son114 :

• Unidad de aire acondicionado o climatizador. • Instalaciones eléctricas. • Consola de montaje. • Toma de muestra de puertos múltiples. • Sistemas de transmisión y acopio de información.

Unidad de aire acondicionado o climatizador. Las unidades de aire acondicionado, sirven para mantener una temperatura controlada para la correcta operación de los instrumentos de medición. Ya que, a pesar de que estos instrumentos están diseñados para soportar cambios de temperatura, las temperaturas alcanzadas en algunas estaciones cuando la unidad de aire acondicionado falla, sobrepasan el rango con el que fueron diseñados los instrumentos, lo que ocasiona un mal funcionamiento de los mismos. Por lo cual es muy importante mantener en buen estado operativo estas unidades de aire acondicionado. Instalaciones eléctricas. En lo que respecta a estas instalaciones en la caseta, es conveniente integrarlas con reguladores de voltaje y carac-terísticas adecuadas para evitar cualquier descarga eléctrica hacia los instrumentos. Estos también cuentan con protección para descargas eléctricas y soportan fluctuaciones de voltaje, pero se pueden presentar algunas fuera de especificaciones, por lo que se recomienda la instalación de estos reguladores como protección adicional. Consola de montaje. Comúnmente conocida como “Rack de Montaje”, esta consola está diseñada para soportar y brindar un mejor acceso al interior de los instrumentos, ya que cuenta con rieles que permiten el deslizamiento del instrumento para tener un acceso total a cualquier componente del mismo. Es importante mencionar que la libertad de espa-cio y condiciones adecuadas de movimiento dentro de la estación permitirán un desarrollo ideal de las actividades de operación. Esta

114

Referencia 36.


consola también nos permite organizar la ubicación de todos los elementos que conforman el interior de la estación.

Figura 3.27

CONFIGURACIÓN BÁSICA DE LOS REQUERIMIENTOS PARA LA

INSTALACIÓN DE UNA ESTACIÓN AUTOMÁTICA DE MONITOREO (Ref. 36)

Toma de muestra de puertos múltiples. Conocida también como “manifold”, será la encargada de hacer el manejo y cambio continuo de las muestras de aire ambiente. Deberá ser colocada conforme a las especi-ficaciones establecidas por el fabricante y tendrá que exceder en un volumen superior de aire al requerido por los analizadores. Se recomienda la instalación de un número de puertos mayores al requerido por los analizadores, ya que a futuro generalmente se incrementa el número de instrumentos de medición. Se recuerda que el múltiple de toma de muestra sea de algún material inerte como vidrio o teflón115 .

115

Referencia 36.


126

Sistemas de transmisión y acopio de información. Se requieren de estos tipos de sistemas en una estación de monitoreo, debido a la cantidad de información que se genera y a que los datos deberán estar disponibles en formato electrónico para el usuario final. Como su nombre lo indica, recopilan la información de los analizadores, la guardan y la transmiten a un centro de datos. Este manejo de datos se lleva a cabo mediante líneas telefónicas por medio del uso de módems que son los encargados de ejecutar la conexión entre los sistemas de acopio y transmisión de datos y los centros de compilación de información. Un ejemplo de este tipo de sistemas es el que tienen las estaciones de monitoreo atmosférico de la RAMA de la ZMCM116 ; las cuales cuentan con dos sistemas de acopio de datos, que consisten en:

• Sistema Primario. Está formado por una computadora que recibe, almacena y envía la información que genera cada uno de los analizadores y sensores de cada estación, transmitiendo esta información cada minuto a la central de la Dirección General de Ecología del Departamento del Distrito Federal. Por lo que este sistema está en constante comunicación con las estaciones.

• Sistema Secundario. Este es un sistema de acopio y respaldo de

datos, el cual está formado por un módulo de adquisición de datos o microcom-putadora, que cuenta con una serie de puertos en los cuales se conectan cada una de las salidas analógicas de los analizadores. El sistema almacena la información que recibe cada minuto, y calcula un promedio horario. Esta información es transmitida al sistema secundario, el cual interroga cada hora a cada estación de monitoreo para recopilar estos datos. De manera que si el sistema primario falla es posible obtener la información por medio del sistema secundario, que además, puede proporcionar información de días anteriores y del comportamiento de cada estación117 .

116

RAMA de la ZMCM: Red Automática de Monitoreo Atmosférico de la Zona Metropolitana de la Ciudad de México.

117 Referencia 36.


Finalizamos este capítulo, después de haber expuesto las principales metodologías de muestreo y análisis que existen actualmente. A conti-nuación presentaremos en el capítulo siguiente los controles que se necesitan establecer para el buen funcionamiento de un programa conjunto de monitoreo atmosférico.

3. REVISIÓN DE METODOLOGÍAS EXISTENTES · fotoquímicos entre estos se encuentra el ozono (O3),...

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