Modelo Receptor

7/23/2019 Modelo Receptor

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Parte 1: Caracterizacin de Material Particulado y Modelos Receptores


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Alcalda Mayor de Bogot

Secretara Distrital de Ambiente, SDA, 2009

ISBN No. 978-958-695-441-9

Primera edicin

Julio de 2009

Secretara Distrital de Ambiente, Bogot, D.C., Colombia

Impreso en Colombia - Printed in Colombia

Todos los derechos reservados. Esta publicacin no puede ser reproducida total ni parcialmente, ni

registrada en o transmitida por un sistema de recuperacin de informacin, en ninguna forma ni en ningn

medio sea mecnico, fotoqumico, electrnico, magntico, electro-ptico, por fotocopia o cualquier otro,

sin el permiso previo por escrito de la entidad.


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Parte 1: Caracterizacin de Material Particulado y Modelos Receptores


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ALCALDA MAYOR DE BOGOTSecretara Distrital de Ambiente

Samuel Moreno RojasAlcalde Mayor

Juan Antonio Nieto EscalanteSecretario Distrital de Ambiente

Samir Jos Abisambra VesgaSubsecretario General y de Control Disciplinario

Edgar Fernando Erazo CamachoDirector de Control Ambiental

Edgar Vicente Gutirrez RomeroSubdirector de calidad del aire, auditiva y visual

GRUPO EDITOR

Jess Miguel Seplveda EscobarProfesional especializado Subdireccin de

calidad del aire, auditiva y visual

UNIVERSIDAD DE LOS ANDESFacultad de Ingeniera

Departamento de Ingeniera Civil y Ambiental

Centro de Investigaciones en Ingeniera Ambiental

Eduardo Behrentz ValenciaInvestigador principal

Nancy Snchez MorcoteCo-investigadora

Investigadores colaboradoresA. Juliana Rivera Contreras

Correccin de estiloOficina Asesora de Comunicaciones SDA

FotografaCentro de Investigaciones en Ingeniera Ambiental

Diseo y diagramacinDiana Fernndez Prieto

ImpresinContcto Grfico Ltda.

2009


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Descargo de responsabilidadLas afirmaciones y conclusiones que se presentan en este documento son producto del

trabajo y la reflexin del contratista y no necesariamente corresponden a la opinin de la

entidad financiadora, la Secretara Distrital de Ambiente de Bogot. La mencin o el uso de

productos comerciales o de empresas que se utilizaron para tener acceso a los mismos no

deben ser entendidos como un aval o una recomendacin de uso por parte de la Universida

de los Andes.


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Agradecimientos

Las contribuciones de la Secretara Distrital de Ambiente, en particular por parte de Jess Miguel Seplveda, princip

interventor de este proyecto y Edgar Erazo, Director de Control Ambiental; fueron altamente apreciadas. De forma simi

se agradecen las contribuciones de Claudia Buitrago, Martha Liliana Perdomo, Aymer Maturana, Carolina Jarro, Eder Pedra

Andrea Maldonado y Mnica Espinosa.

Agradecemos de forma especial la colaboracin prestada por Laura Dawidowski y Patricia Smichowski de la Comisin Nacion

de Energa Atmica de la Argentina. Del mismo modo se agradece a la Empresa de Telfonos de Bogot (Sandro RopeMnica Ruiz) y el Instituto Colombiano de Geologa y Minera (Gladys Valderrama).

Deseamos tambin destacar las valiosas contribuciones de Daniela M.S. Parra y de los miembros del equipo de campo: Ju

Carlos Crdenas, Andrey Giraldo, Gabriel Hernndez, Diego Armando Jacinto y Edgar Andrs Virgez.

Agradecemos los aportes realizados por Edna L. Delgado, Gloria Esperanza Barriga, Rigoberto Gmez, John Jairo Cardeo

Olga Luca Gmez, Nancy Janeth Henao, Alix Patricia Jaimes, Mariela Quintero, Luz Marina Rubiano, Nstor Yesid Rojas, Pab

Rincn y Patricia Vargas.

Finalmente, destacamos y agradecemos de manera especial el soporte provisto para esta investigacin por parte de la Alcald

Mayor de Bogot, a travs de la Secretara Distrital de Ambiente as como por parte del Inter-American Institute for Glob

Change Research (fondos CRN II 2017 a travs del soporte de la Fundacin Nacional de Ciencias de los Estados Unidos - Gra

GEO-0452325).

Este reporte fue remitido en cumplimiento parcial del Contrato de Ciencia y Tecnologa 347 de 2006 entre la Secretara Distrit

de Ambiente de Bogota y la Universidad de los Andes, cuyo objeto fue elaborar estudios y planes para contribuir a los proces

de monitoreo y mejoramiento de la calidad del aire en el distrito capital de Bogot as como disear las polticas necesari

para controlar los factores que generan contaminacin atmosfrica. Este trabajo fue culminado en el mes de Octubre de 200


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Resumen ejecutivo

Durante el desarrollo de este proyecto se llev a cabo la identificacin de fuentes causantes del problema de contaminaci

del aire en Bogot, a partir de un ejercicio de caracterizacin de muestras de material particulado (PM) y de la aplicacin de

tcnica de modelacin por receptores. Estas metodologas y procedimientos corresponden al estado del arte en estos tema

Para la caracterizacin de las muestras de PM se llev a cabo una campaa masiva de campo haciendo uso de 278 filtros d

quarzo (Whatman tamao 20.3 x 25.4 cm x 0.45 mm) instalados en estaciones de monitoreo (siguiendo el protocolo CFR 4

Parte 58, Apndice E) localizadas en lugares representativos de diversas condiciones al interior del permetro urbano de Bogo(zonas industrial, residencial y de alto trfico vehicular) en el perodo comprendido entre mayo y diciembre de 2007.

Para el caso de aniones y cationes se cuantific la presencia de trece especies incluyendo siete aniones (fluoruro, cloruro, nitri

sulfato, bromuro, nitrato, y fosfato) y seis cationes (litio, sodio, amonio, potasio, magnesio, y calcio) por medio de cromatogra

inica. Para el caso de metales se cuantific la presencia de 23 especies incluyendo plata, aluminio, boro, bario, bismuto, calc

cadmio, cobalto, cromo, cobre, hierro, galio, indio, potasio, litio, magnesio, manganeso, sodio, nquel, plomo, estroncio, talio

zinc; por medio de la tcnica de espectroscopia de emisin con fuente de plasma acoplado por induccin.

Para la modelacin por receptores, se seleccion el mtodo de Anlisis de Componentes Principales acoplado con una rotaci

tipo Varimax y una regresin lineal mltiple. Este modelo fue ejecutado para cada una de las zonas de inters y para cada u

de las fracciones de material particulado que fueron consideradas en la campaa de campo (PM10y PM2.5).

Los resultados de este estudio confirman que la zona industrial de Bogot presenta niveles de contaminacin por mater

particulado que son bastante ms elevados que los encontrados en otras zonas de la ciudad (promedio diario de PM10de 1

ug/m3, rango entre 25 y 250 ug/m3). Los iones con mayor presencia en la ciudad son el sulfato (1.78 ug/m 3en muestras

PM10recolectadas en la zona industrial), nitrato (1.5 ug/m3en PM10de la zona residencial), cloruro (0.66 ug/m3en muestras

PM10de la zona industrial) y amonio (0.45 ug/m3en muestras de PM2.5en la zona con alto trfico vehicular).

Los metales analizados representan el 7.5, 8.9, y 10.1% de las concentraciones de PM10registradas en las zonas de alto trfic

de tipo residencial y de tipo industrial, respectivamente. Para el caso de PM2.5las especies metlicas representan el 5.4% d

material recolectado en la zona residencial y el 4% del material recolectado en la zona de alto trfico vehicular.

Los resultados de la modelacin por receptores demostraron que el conocimiento de las concentraciones de mater

particulado no es suficiente para entender el problema de contaminacin en un lugar especfico de la ciudad. Esto se de

a que la peligrosidad de dicho contaminante (asociada con el tipo de materiales que transporta en sus superficies) puede ssustancialmente distinta en diferentes zonas de la ciudad.

Por otro lado, la modelacin por receptores demostr ser de gran importancia ya que a travs de la misma fue posible identific

particularidades especficas para la ciudad en lo que se refiere a los responsables de su problema de contaminacin. Es

significa que se debe continuar con esfuerzos similares para ampliar y complementar los resultados aqu encontrados. Es

es especialmente cierto dado que no es posible extrapolar los resultados encontrados para ciudades diferentes o incluso pa

zonas con caractersticas distintas al interior de una misma ciudad.

Finalmente, a travs de este estudio se puede tener certeza que la atmsfera de la ciudad funciona de forma similar a u

sistema interconectado, en donde las emisiones generadas en un lugar geogrfico pueden tener implicaciones negativas e

zonas relativamente alejadas. El reconocimiento de esta realidad es fundamental ya que significa que las polticas de cont

de la contaminacin deben planificarse de manera integral y considerando a toda la ciudad (y algunos de sus alrededore

como un mismo sistema.


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1. Aspectos generales 1

2. Antecedentes 2

2.1. Fundamentos conceptuales para la modelacin de receptores 4

2.1.1. Balance qumico de masas 4

2.1.2. Anlisis de variables mltiples 5

2.1.3. Anlisis de componentes principales 6

2.1.4. Factor de matriz positiva 6

2.1.5. Modelo Unmix 6

3. Metodologa 8

3.1. Caracterizacin del material particulado de Bogot 9

3.1.1. Actividades previas a la campaa de campo 9

3.1.2. Campaa de campo 10

3.1.3. Determinaciones analticas 14

3.2. Modelo de receptores 15

3.2.1. Anlisis cualitativo - PCA 16

3.2.2. Regresin lineal mltiple 17

4. Resultados caracterizacin de material particulado 18

4.1. Concentracin de material particulado en los puntos de monitoreo 18

4.2. Contenido de iones en el material particulado de Bogot 204.3. Contenido de metales en el material particulado de Bogot 24

4.4. Aporte de las especies inicas y metlicas 26

5. Resultados ejecucin del modelo de receptores 28

5.1. PM10en la zona industrial (corrida 1) 28

5.2. PM10en la zona de alto trfico vehicular (corrida 2) 33

5.3. PM2.5en la zona de alto trfico vehicular (corrida 3) 34

5.4. PM10en la zona residencial (corrida 4) 36

5.5. PM2.5 en la zona residencial (corrida 5) 37

5.6. Resumen de resultados anlisis comparativo 39

6. Anlisis de incertidumbre 40

7. Conclusiones 41

8. Referencias 43

Tabla de contenido


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El presente documento representa la primera de cuatro partes en las que se encuentra dividido el reporte final de resultados d

estudio elaborado por el Centro de Investigaciones en Ingeniera Ambiental (CIIA) de la Universidad de los Andes, contrata

por la Secretara Distrital de Ambiente de Bogot (SDA) como parte del convenio de ciencia y tecnologa nmero 347 de 200

El objeto de dicho convenio fue elaborar estudios y planes para contribuir a los procesos de monitoreo y mejoramiento de

calidad del aire en el distrito capital de Bogot as como disear las polticas necesarias para controlar los factores que gener

contaminacin atmosfrica.

Esta primera parte del reporte final se centra en los resultados obtenidos para el ejercicio de modelacin de receptores

caracterizacin fsico-qumica del material particulado presente en la atmsfera bogotana.

1. Aspectos generales

(1


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El material particulado (PM) presente en el ambiente est compuesto por diversas especies qumicas que incluyen, entre otras,

metales, aniones, cationes y carbono orgnico y elemental (Chow J, 1995). La tcnica conocida como caracterizacin del

material particulado comprende la identificacin y cuantificacin de dichas especies a travs de la aplicacin de diversas

tcnicas de anlisis fisicoqumico.

Con base en los resultados obtenidos mediante estas tcnicas de anlisis es posible aplicar modelos estadsticos conocidos

como modelos de receptores, los cuales permiten la identificacin y cuantificacin de las fuentes que contribuyen a laconcentracin de material particulado encontrada en un determinado punto de monitoreo (ver Seccin 2.1).

De esta forma, diversas ciudades alrededor del mundo han realizado estudios tendientes a caracterizar el material particulado

presente en su ambiente para as identificar sus fuentes y aportes relativos. Los resultados obtenidos en trabajos de esta ndole

han constituido una herramienta esencial para el entendimiento de la situacin de contaminacin por material particulado y

para la formulacin de polticas de control de la contaminacin del aire.

Los antecedentes de aplicacin de modelos de receptores para los fines antes descritos, se registran en la literatura cientfica

desde la dcada de los aos 70, aunque con mayor frecuencia a partir de mediados de la dcada de los aos 80. Hopke et al.

(1980), analiz el contenido de metales mediante espectroscopia de absorcin atmica y anlisis por activacin de neutrones

en muestras de material particulado recolectadas en la interseccin de dos vas en la ciudad de Urbana (Illinois, Estados

Unidos). Los resultados obtenidos a partir de los anlisis estadsticos realizados indicaron que la principal contribucin a las

concentraciones de material particulado encontradas corresponda a emisiones directas de vehculos, incluyendo partculas

de hierro desprendidas de sus tubos de escape. Igualmente, resultaron relevantes las partculas de cemento desprendidas de

las vas y las fuentes naturales (v.g., partculas de tierra).

Davis (1984), emple emisin y transmisin de rayos X y microscopa de polarizacin ptica para hallar el contenido de

compuestos tales como calcita, magnetita y hematita en el material particulado presente en una zona de la ciudad de Denver

(Colorado, Estados Unidos). De manera posterior aplic el mtodo de varianza efectiva, determinando como principales

responsables de los niveles de este contaminante las partculas de tierra, las emisiones provenientes de los vehculos disel y

el polvo resuspendido de las calles.

Stevens et al. (1984), realiz un estudio de modelos receptores para la fraccin fina del material particulado recolectado en

el valle de Shenandoah (Virginia, Estados Unidos) empleando el denominado anlisis de factores. Los resultados obtenidos

indicaron un patrn de sulfato, azufre, amonio, selenio y nitrato total identificable en el conjunto de muestras recolectadas,sugiriendo as como principales causantes del problema de contaminacin por material particulado en el sitio de estudio, a las

plantas de generacin de energa operadas con carbn.

Thurston & Spengler (1985), identific y cuantific las principales fuentes contribuyentes a los niveles de contaminacin por

material particulado registrados en una zona de la ciudad de Boston (Massachussets, Estados Unidos). La metodologa aplicada

en este estudio se centr en el denominado Anlisis de Componentes Principales (PCA por sus siglas en ingls) sobre los datos

obtenidos a partir de un monitoreo de cerca de 24 meses de duracin. Las contribuciones se analizaron sobre las fracciones

fina y gruesa del contaminante en referencia, encontrando que el material fino provena principalmente de partculas de tierra,

emisiones de vehculos, fuentes relacionadas con la combustin de carbn y aceites. Por su parte, las fuentes identificadas

para el material grueso incluyeron partculas de tierra, emisiones de vehculos, emisiones de incineradores, y combustin de

aceites y sulfatos.

Parekh et al. (1987), analiz el contenido de 23 metales y especies inicas incluyendo cloruro, sulfato y nitrato en muestras dematerial particulado recolectadas en la ciudad de Karachi, Pakistn. De manera posterior, se aplic la metodologa de anlisis

de factores empleando PCA. Los resultados indicaron cinco fuentes como las principales responsables de las concentraciones

de material particulado en el sitio de medicin: partculas de tierra, aerosoles marinos, incineradores, combustin de carbn y

emisiones de vehculos.

Yoshizumi (1990), realiz el anlisis qumico de muestras de material particulado recolectadas en diez zonas diferentes de

la ciudad de Tokyo, Japn. La determinacin de metales y especies inicas se realiz mediante las tcnicas de activacin de

neutrones y cromatografa inica, respectivamente. Los datos obtenidos fueron analizados mediante el Modelo de Balance

Qumico de Masas (CMB por sus siglas en ingls). Los resultados obtenidos permitieron identificar dos perfiles de fuente

asociados a los niveles de material particulado hallados: las emisiones vehiculares provenientes de la flota alimentada con

combustibles disel y las partculas de tierra.

2. Antecedentes

(2 )


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Eltayeb et al. (1993), analiz 24 muestras de material particulado recolectadas en la ciudad de Karthoum (Sudn) empleand

emisin de rayos X (PIXE) y fluorescencia de rayos X (XRF) con el fin de determinar el contenido de 27 elementos metlic

y no metlicos. Los datos obtenidos fueron analizados mediante una modificacin del Anlisis Absoluto de Component

Principales (APCA), el cual permiti identificar dos componentes explicativos del material particulado monitoreado: l

partculas de tierra y los procesos de combustin

Fung & Wang (1995), realizaron el anlisis de aportes de fuentes al material particulado recolectado en los Nuevos Territoride la ciudad de Hong Kong (China). El mtodo de anlisis qumico seleccionado correspondi a la espectrofotometra

emisin atmica con plasma acoplado inductivamente (ICP-AES). El anlisis de los datos registrados se realiz median

PCA, permitiendo la identificacin de seis componentes principales: actividades de construccin, incineradores/emision

vehiculares, aerosoles marinos, polvo resuspendido, plantas de potencia que empleaban carbn y combustin de aceite.

Chan et al. (1997), realiz la caracterizacin qumica y posterior identificacin de fuentes contribuyentes al material particulad

presente en la ciudad de Brisbane (Australia) en sus fracciones fina y gruesa. Las muestras fueron recolectadas de tal form

que se contara con material proveniente de cinco sitios de estudio que fuesen representativos de los patrones de uso de tier

caractersticos de la regin: residencial, industrial, con cercana a vas de alto trfico y combinaciones de las anteriores.

Este mismo estudio, adems de evaluarse la variabilidad en las fuentes debida a la ubicacin de los puntos de muestreo, se anali

la influencia de las condiciones climticas relacionadas con las distintas estaciones y la variabilidad debida al da de la sema

en el que se realizaba el muestreo. La identificacin de las fuentes se llev a cabo empleando un mtodo de reconstrucci

de la composicin qumica del material particulado, partiendo del supuesto de ocho componentes caractersticos. De es

manera, se encontr que las mayores fuentes contribuyentes a los niveles de material particulado registrados correspondan

material de la corteza terrestre, compuestos orgnicos, aerosoles marinos y sulfatos.

Chung-Shin et al. (2000), caracteriz el material particulado recolectado en cinco puntos de muestreo ubicados en la regi

del sur de Taiwn, la cual cuenta con una intensa actividad industrial. Las fracciones monitoreadas correspondieron a mater

particulado con tamao menor a 2.5 m (PM2.5), tamao entre 2.5 y 10 m (PM2.5 - 10) y partculas suspendidas totales (TS

El anlisis qumico se centr en la determinacin del contenido de aniones, cationes, especies metlicas y carbn orgnico

elemental. El modelo empleado para determinar las fuentes involucradas y su contribucin correspondi al CMB. Las mayor

fuentes identificadas correspondieron a las emisiones vehiculares, polvo resuspendido, nitrato, sulfato, cemento y aerosol

marinos.

Celis et al. (2003), realiz la caracterizacin de partculas de tamao inferior a 10 um (PM10) en la ciudad de Chillan (Chile).

este trabajo se monitorearon diferentes zonas de la ciudad incluyendo los sectores comercial, residencial e industrial. Con

objeto de determinar la composicin qumica del material particulado recolectado se utilizaron las tcnicas analticas PIXE

XRF. Las mayores concentraciones de PM10fueron encontradas en el centro de la ciudad de Chilln en los meses de invierno.

este mismo punto, la composicin qumica fue ms variable debido al alto trfico de la ciudad y otras fuentes antropognic

mientras que las otras zonas fueron principalmente afectadas por las fuentes fijas y un gran nmero de vas sin pavimentar.

Tambin se encontr que la concentracin de PM fue un 40% mayor en los das hbiles y que la mayor parte del PM10analizad

se encontraba compuesto por sustancias carbonceas (carbono elemental y materia orgnica), material de la corteza terrest

y sustancias inorgnicas de origen secundario (nitrato y amonio).

Wahlin et al. (2006), caracteriz y aplic la metodologa de modelos de receptores en zonas con alta presencia de emision

vehiculares en la ciudad de Copenhagen (Dinamarca). El monitoreo incluy las fracciones fina y gruesa del material particuladoel anlisis mediante PIXE permiti determinar 26 especies metlicas y no metlicas. Los resultados fueron analizados median

la aplicacin del Modelo de Receptores con Restricciones Fsicas (COPREM). Los resultados obtenidos identificaron como l

principales aportantes al material particulado recolectado a las emisiones provenientes de los tubos de escape de vehculo

las partculas provenientes de la va y los neumticos, as como las partculas desprendidas de los frenos y los aerosoles salino

(3


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Mazzei et al. (2008) llev a cabo un estudio de caracterizacin de material particulado en Gnova (Italia) en donde se realiz

la identificacin de fuentes de contaminacin mediante la aplicacin del modelo de Factorizacin de Matriz Positiva (PMF por

sus siglas en ingls). Las fracciones monitoreadas correspondieron a PM10, PM2.5y material particulado de tamao menor a 1

m, recolectadas en cuatro puntos con diferentes caractersticas topogrficas y de urbanizacin. Se determinaron 26 metales

a travs de XRF. Los resultados de la aplicacin del PMF permitieron establecer como las fuentes predominantes en los puntos

de muestreo a los aerosoles marinos, las partculas de tierra, los sulfatos y nitratos, la combustin de aceites pesados, las

emisiones vehiculares y los hornos de fundicin.

Las referencias presentadas anteriormente constituyen tan slo una muestra de los mltiples antecedentes que existen sobre

la tcnica de identificacin de fuentes y modelos de receptores para el anlisis de la contaminacin por material particulado

en ciudades. Otras referencias relevantes incluyen los trabajos realizados para las ciudades de Toronto (Lee et al., 2003; Buset et

al., 2006); Londres (Charron & Harrison, 2005); El Cairo (Abu-Allaban et al., 2002); Isla de Taiwan (Guor-Cheng et al., 1999; Tsai et

al., 2006); Barcelona (Querol et al., 2001); Miln (Pauletti et al., 2002; Lonati et al., 2005); Santiago de Chile (Artaxo et al., 1999) y

algunas reas al norte de Grecia (Samara et al., 2003).

2.1. Fundamentos conceptuales para la modelacin de receptores

Tal y como fue mencionado anteriormente, los modelos de receptores comprenden tcnicas de diversos tipos que seutilizan para determinar la identidad de las fuentes de emisin que contribuyen a las concentraciones de determinados

contaminantes en lugares especficos. Estas tcnicas incluyen mtodos microscpicos, fsicos y qumicos (Seigneur,

1997).

Los modelos de tipo qumico se basan en la identificacin de los denominados perfiles de fuente de emisin y su

relacin con las concentraciones halladas en un punto determinado. En este caso se supone que las concentraciones

de las sustancias qumicas que componen al material particulado se encuentran asociadas con las fuentes generadoras

del mismo (Hopke, 2003).

Este tipo de modelos suelen ejecutarse bajo dos tipos de tcnicas: el CMB y el anlisis de variables mltiples. Cada una

de stas requiere de informacin especfica de entrada y de caractersticas determinadas en los datos experimentales

a analizar. De esta forma, la seleccin de una u otra para su aplicacin se basa en el tipo y cantidad de informacin

disponible as como en las medidas analticas incluidas en el diseo experimental del estudio que se pretende desarrollar.

2.1.1. Balance qumico de masas

Este modelo (de tipo estadstico lineal) requiere del conocimiento previo de los perfiles de emisin de aquellas fuentes

que podran aportar a los niveles de material particulado observados en un punto de inters (Cooper & Watson, 1980;

Hopke, 1985; Lee et al., 2008).

El uso de esta informacin en conjunto con los datos de concentracin para las distintas especies identificadas en el

material particulado que es recolectado durante la fase de campo que debe desarrollarse como parte de estos estudios,

permite la aplicacin de una serie de ecuaciones de balance de masas que relacionan la concentracin de una especie

en el punto de medicin con la concentracin de la misma en la fuente de emisin1. En todos los casos se incluye la

contribucin de cada fuente a las concentraciones halladas (Cooper & Watson, 1980), de acuerdo a la siguiente ecuacin:

(4 )

=

==

p

1j

jiji n1,2,...,isac

1 Para la ejecucin de estos modelos es comn el uso de la herramienta computacional EPA TTN 2000 - EPA CMB8.2.


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En donde ci corresponde a la concentracin medida para la especie i, aijrepresenta la concentracin de la especie i en

fuente de emisin j, sjcorresponde a la contribucin de la fuente j a la concentracin i y p indica el nmero de fuent

identificadas como aportantes a la concentracin en referencia.

Este mtodo requiere tambin del conocimiento previo de la incertidumbre asociada tanto al perfil de la fuente como

los valores de concentracin en las muestras recolectadas en lo referente a cada especie qumica presente. Del mism

modo, la aplicacin del CMB involucra las siguientes suposiciones: a) la composicin de las emisiones de las fuentinvolucradas es constante durante el tiempo de medicin; b) la incertidumbre de cada fuente es independiente

presenta una distribucin normal; c) las especies qumicas no reaccionan entre si; d) los perfiles de las fuentes so

linealmente independientes uno de otro (Kleeman M, 2003).

Una ventaja importante en la aplicacin del CMB es que requiere un nmero relativamente pequeo de muestr

(generalmente menor a 25; Bruinen de Bruin, 2006). Al mismo tiempo, sin embargo, sus requerimientos relativos

conocimiento de los perfiles de las fuentes de emisin hacen su aplicacin poco prctica en muchas ciudades d

mundo (incluyendo Bogot).

2.1.2. Anlisis de variables mltiples

Los modelos basados en el anlisis multivariable (conocidos como modelos bi-lineales) corresponden a mtod

estadsticos comunes a diversas disciplinas cientficas y a travs de los cuales se pretende extraer e identific

caractersticas que sean similares al interior de un cierto conjuntos de datos (Hopke, 1985; Dunteman, 1989; Jackso

1991; Meyers et al., 2006.)

Estos modelos consideran las mismas variables que el CMB pero en este caso el conocimiento del perfil de emisi

de las fuentes no es un requerimiento. Si bien esto hace que dichos modelos sean ms universalmente aplicabl

la interpretacin de los resultados producidos por los mismos requiere de un conocimiento ms especfico en

que se refiere a las caractersticas del punto bajo estudio (e.d., mayores tamaos muestrales durante el ejercicio d

caracterizacin de material particulado) y de las posibles fuentes que pueden influenciar las concentraciones de mater

particulado observadas en ste (a travs de una extensa revisin bibliogrfica).

Adicionalmente, la interpretacin de los resultados al aplicar un modelo de anlisis de tipo estadstico requiere unamplia recopilacin bibliogrfica que incluya los perfiles de emisin de diversos tipos de fuentes que permita a su v

contar con informacin relativa a elementos que pueden ser considerados trazadores de las mismas. En estos casos

utiliza la siguiente ecuacin:

En donde cikcorresponde a la concentracin de la especie i en la muestra k, a ij representa la emisin caracterstica

la fuente (e.d., la fraccin de la especie i en la concentracin del material particulado de la fuente j en el sitio recepto

sjk corresponde a la concentracin de material desde la fuente j recolectado en la muestra k, y ijes el factor

transformacin qumica de las especies (lo que puede ocurrir entre el lugar de emisin y el sitio receptor). Ntese q

en este caso, a diferencia del CMB, la componente a ijes determinada durante el ejercicio de modelacin (Seinfeld1998).

(5

=

==m

1j

jkijijik n1,2,...,i,sac


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2.1.3. Anlisis de componentes principales

El modelo de PCA es una tcnica de reduccin de dimensionalidad que se basa en la extraccin de un nmero

determinado de componentes que es inferior al nmero de variables involucradas. Con este mtodo se busca, a partir

de informacin relativamente sencilla de obtener, explicar la mayor parte posible de la varianza presente en los datos

que son objeto de los anlisis (Meyers et al., 2006).

Mediante la aplicacin del anlisis por PCA se calculan vectores propios que corresponden a los componentes que

representan el comportamiento de los datos experimentales y cuyos valores propios permiten determinar la importancia

relativa de cada perfil de fuente identificado. Para el desarrollo de un anlisis por PCA se requiere de un nmero

relativamente alto de muestras en comparacin con los mtodos mencionados anteriormente (Henry et al., 1984).

Los resultados obtenidos mediante la aplicacin del PCA incluyen: el nmero de fuentes (componentes retenidos) que

logran explicar significativamente el comportamiento de los datos originales, las cargas de cada variable analizada

dentro de las fuentes identificadas y los puntajes factoriales de cada muestra recolectada en cada fuente identificada.

Estas ltimas constituyen la herramienta que es empleada en anlisis posteriores y encaminados a la cuantificacin de

los aportes de cada fuente a las concentraciones de material particulado en un punto de medicin determinado.

Algunos de los inconvenientes tpicamente asociados con la aplicacin del PCA se encuentran relacionados con ladificultad durante la fase de interpretacin de los factores hallados as como con la seleccin del modelo de rotacin

que debe ser utilizado (Henry, 1987; Paatero, 1997; Paatero et al., 2002). De forma similar, los resultados del PCA pueden

verse significativamente afectados en aquellas situaciones en las que los resultados de la fase analtica corresponden a

concentraciones que se encuentran cercanas a los lmites de deteccin de las tcnicas utilizadas (Paatero et al., 2005).

2.1.4. Factor de matriz positiva

La metodologa PMF se basa en el principio de anlisis de factores por medio de un robusto algoritmo de mnimos

cuadrados que se encuentra asociado con cortos tiempos de respuesta (Ramadan Z, 2003). La principal ventaja atribuida

a este mtodo tiene que ver con la inclusin de una restriccin de no negatividad para los resultados referentes a las

cargas de los elementos para cada uno de los componentes identificados as como para los puntajes factoriales.

Al mismo tiempo, sin embargo, algunos autores han planteado ciertas implicaciones indeseables para la restriccin antes

mencionada, tales como que las cargas negativas en los factores identificados podran ser indicadores de interacciones

reales e interesantes de evaluar entre las variables bajo estudio. Al imponer dicha restriccin, se pierde la posibilidad de

identificar tales interacciones (Chan & Mozurkewich, 2006).

El PMF, al igual que la mayora de los mtodos estadsticos que se utilizan para el proceso de identificacin de fuentes,

requiere de un elevado nmero de muestras (tpicamente superior a 50 en cada punto de medicin). La aplicacin del

PMF puede llevarse a cabo mediante el uso de herramientas disponibles de forma gratuita y pblica en el portal en

Internet de la Agencia de Proteccin Ambiental de los Estados Unidos EPA (modelos EPA-PMF2 y EPA-PMF1.1).

2.1.5. Modelo Unmix

El modelo Unmix, desarrollado por la EPA en el ao 2000, permite la aplicacin de diversos algoritmos para conocer la

distribucin de contaminantes en la atmsfera. Esta metodologa tiene la capacidad de identificar un elevado nmero

de fuentes aunque para ello se requiere de grandes tamaos muestrales durante la etapa de caracterizacin del material

particulado (Henry, 2005).

(6 )


23/66

El planteamiento del Unmix supone que la composicin de las emisiones de las fuentes es constante a travs del pero

de monitoreo, que los perles de las fuentes son linealmente independientes unos de los otros y que las especi

qumicas no reaccionan entre si (principio de linealidad). Para poder hacer uso de esta metodologa, el nmero

fuentes o sus categoras deben ser menores o iguales al nmero de especies analizadas (Bruinen de Bruin, 2006).

igual que para el PMF, la EPA ha desarrollado herramientas computacionales de distribucin gratuita para la ejecuci

de anlisis haciendo uso del Unmix (EPA-Unmix 6.0).

Otras metodologas de uso comn en procesos de identicacin de fuentes a travs de modelos receptores basados

resultados de caracterizaciones de material particulado incluyen el Mtodo de Funcin Ortogonal Emprica (que inclu

la ubicacin espacial de las fuentes) y los Modelos Estadsticos Hbridos basados en CMB (Kleeman, 2003).

(7


24/66

Durante el desarrollo de este proyecto, la identificacin de fuentes responsables del problema de contaminacin por material

particulado en Bogot se llev a cabo mediante la aplicacin de un modelo de receptores basado en la caracterizacin

fisicoqumica de muestras recolectadas en diferentes zonas de la ciudad (ver Figura 3.1).

Para la caracterizacin de las muestras de PM se llev a cabo una campaa masiva de campo en la que se recolectaron cerca

de 300 filtros que fueron instalados en estaciones de monitoreo localizadas en lugares representativos de diversas condiciones

al interior del permetro urbano de Bogot (zonas industrial, residencial y de alto trfico vehicular). Este esfuerzo fue realizadoen tres etapas: 1)Actividades preparatorias a la campaa de campo; 2)Recoleccin de muestras de material particulado2; 3)

Determinacin analtica de metales e iones en el laboratorio de la Universidad.

Para el caso de la aplicacin del modelo de receptores se llevaron a cabo las siguientes tres etapas: 1)Seleccin del tipo de

modelo a ser utilizado; 2)Ejecucin del modelo estadstico; 3)Clculo de puntuaciones y regresiones mltiples.

3. Metodologa

(8 )

2 Al igual que para el caso de los inventarios de emisiones provenientes de fuentes fijas y mviles (ver partes A y B del informe final de este mismo proyecto), la

campaa de campo que se realiz para la caracterizacin del material particulado corresponde a un esfuerzo sin antecedentes en la capital del pas.

Figura 3.1. Diagrama esquemtico de la metodologa para la identificacin de fuentes.

CARACTERIZACIN DEMATERIAL PARTICULADO

MODELACIN DE RECEPTORES

Actividades Preliminares(Seccin 3.1.1)

Seleccin de zonas de e studio Seleccin de puntos de monitoreo Definicin de tamao muestral

Realizacin de Campaa de Campo(Seccin 3.1.2)

Instalacin de equipos Captura de muestra en filtros Recoleccin y acondicionamiento

Seleccin del Modelo Receptor(Seccin 3.2.1)

Anlisis de alternativas Determinacin de valores de

entrada requeridos

Determinacin Analti ca(Seccin 3.1.3)

Preparacin y digestin Anlisis de contenido de metales Anlisis de contenido de iones

Ejecucin de Modelo Receptor(Seccin 3.2.2)

Clculo de puntuaciones decomponentes

Regresiones lineales mltiples

Anlisis de Resultados(Seccin 3.2.3)

Identificacin de fuentes Determinacin de las fracciones

que componen al PM


25/66

3.1. Caracterizacin del material particulado de Bogot

En este captulo se describe la metodologa empleada para la recoleccin de muestras de material particulado y

posterior caracterizacin qumica de las mismas. Estas actividades se llevaron a cabo en las etapas que se describen

continuacin.

3.1.1. Actividades previas a la campaa de campo

La serie de actividades preparatorias a la campaa de campo incluyeron: a) La definicin del nmero de sitios

monitoreo y las caractersticas de los mismos; b)La identificacin de los lugares especficos en los que se llevaran

cabo los muestreos de material particulado y la gestin para tener acceso a dichos lugares;c)La definicin del tama

muestral; d)El transporte y acondicionamiento de los equipos y los filtros utilizados para la captura de muestras.

Los sitios de monitoreo incluidos en la campaa de campo fueron seleccionados de tal manera que resultara

representativos de zonas de la ciudad con diferentes caractersticas en cuanto a flujo vehicular (cantidad y tipo de flot

y tipo de actividad desarrollada. De esta forma, se seleccionaron tres lugares de medicin: 1)Zona con alta activid

industrial, alto trfico de vehculos de carga pesada y con presencia de vas sin pavimentar; 2)Zona con trfico vehicu

mixto incluyendo vehculos de transporte pblico colectivo as como buses articulados de la flota de TransMilen(TM), vehculos de carga pesada y vehculos particulares; 3)Zona residencial con una actividad vehicular de carct

intermedio y relativamente alejada de la zona industrial de la ciudad.

Una vez definidos el nmero y caractersticas de los puntos en los cuales se ubicaran los equipos de medicin,

procedi a realizar recorridos por distintas zonas de la ciudad con el fin de ubicar los sitios especficos que cumplier

con las condiciones antes descritas.

Para el caso de la zona con alta actividad industrial, el lugar de monitoreo seleccionado correspondi a las instalacion

del Centro de Innovacin y Desarrollo Tecnolgico de la Universidad de los Andes, ubicado en la localidad de Puen

Aranda (centro-occidente de la ciudad) en la carrera 65b con Calle 17a.

Para el caso del sitio con alta actividad vehicular se seleccion la interseccin entre la Avenida Suba y la Calle 127

el nor-occidente de la ciudad mientras que el punto correspondiente a la zona residencial fue ubicado en el Barrio Esmeralda en la Carrera 52 con Calle 44, en el occidente de la ciudad. Para la ubicacin de los equipos en estos d

puntos (ver figuras 3.2 y 3.3) se cont con la colaboracin de la Empresa de Telfonos de Bogot (ETB) y se tuvieron

cuenta criterios tales como la altura de la edificacin, la facilidad de acceso a las instalaciones y las caractersticas de

superficie disponible para la instalacin de los equipos de captura de muestra.

(9

Figura 3.2. Lugar de monitoreo en zona de alto

trfico vehicular.

Figura 3.3. Lugar de monitoreo en zona

residencial.


26/66

El nmero de muestras a recolectar en cada punto de medicin se defini con base en el nmero de datos requeridos

para la aplicacin posterior del modelo de receptores. En este sentido, en la literatura cientfica internacional se reportan

diferentes expresiones empricas que permiten hallar el nmero de datos necesario para la correcta aplicacin de dicha

metodologa.

Una de las referencias ms comnmente utilizadas tiene que ver con la expresin formulada por Ronald et al. (1984), en

la cual se generalizan los requerimientos para estar en capacidad de efectuar un anlisis multivariable, tal y como el quese utiliza para un anlisis de factores:

En donde N corresponde al nmero mnimo de muestras a obtener en el punto de monitoreo y V indica el nmero

de variables a determinar sobre el material particulado recolectado (especies qumicas que son objeto de anlisis).

Teniendo en cuenta que el nmero de especies determinadas sobre los filtros que contenan muestra de PM fue de

36 (ver Seccin 3.1.3), la cota inferior para el nmero de muestras a recolectar en cada sitio fue establecida en 49. Esta

cantidad fue aumentada hasta 60 muestras por punto (en los casos en los que fue posible) con el fin de contar con

un factor de seguridad que permitiera la eliminacin de algunas muestras que por eventuales problemas durante el

monitoreo o la fase de anlisis fuesen consideradas invlidas.

3.1.2. Campaa de campo

Durante la campaa de campo se recolectaron un total de 278 filtros con muestras de PM10y PM2.5en diferentes lugares

de la ciudad de Bogot y en el perodo comprendido entre mayo y diciembre de 2007. Cada una de estas mediciones

corresponden a 24 horas de monitoreo continuo. De forma adicional a la recoleccin de muestras de material

particulado, se realizaron mediciones de diversas variables meteorolgicas as como filmaciones digitales (horarios:

7:00 a 9:00; 11:00 a 13:00; 16:00 a 18:00) para documentar las condiciones de trfico vehicular en las vas aledaas a los

sitios de monitoreo3. La Tabla 3.1 resume la matriz experimental utilizada en este trabajo.

Tabla 3.1.Matriz experimental de la campaa de campo.

Uno de los primeros pasos que se llevaba a cabo con el fin de recolectar las muestras de PM tena que ver con el

acondicionamiento de los filtros (bajo condiciones de temperatura y humedad controladas4

) que seran utilizados paracapturar las muestras. Este procedimiento, as como el relacionado con el manejo de los mismos filtros una vez se

encontraban provistos de la muestra de inters, correspondi a lo estipulado en el Apndice B (Parte 40) del Cdigo

Federal de Regulacin de los Estados Unidos (CFR por sus siglas en ingls).

Posteriormente se proceda a ejecutar el protocolo de toma de muestra el cual inclua la ubicacin del filtro blanco en el

portafiltros, la operacin del equipo de anlisis gravimtrico de alto volumen (Hi-Vol), el registro y la documentacin de

las variables de temperatura y presin, y la verificacin del flujo del aire succionado por el equipo de muestreo.

(10 )

3 En total se cuenta con cerca de 130 horas de grabacin de las condiciones en las v as de inters.4 Estas actividades fueron llevadas a cabo en las instalaciones del Laboratorio de Metrologa del Instituto Colombiano de Minera y Geologa (Ingeominas).

Punto de monitoreo Perodo de Monitoreo Muestras PM10 Muestras PM2.5

Zona Industrial 22/05/07 a 08/08/07 60 0

Zona de alto trfico

vehicular24/08/07 a 22/10/07 60 59

Zona residencial 03/11/07 a 22/12/07 49 50

++>

2

330

VN


27/66

Para la ubicacin de los equipos Hi-Vol se sigui el protocolo establecido por el mtodo CFR 40, Parte 58, Apndice E,

cual especica la altura a la que deben instalarse los equipos para una medicin de aire ambiente (entre 2 y 15 metro

as como los requerimientos del sitio de monitoreo en trminos de la presencia de obstrucciones fsicas, cercanafuentes de emisin y distancia entre equipos de recoleccin de muestras (ver Figura 3.4).

Una vez finalizado el muestreo los filtros eran retirados del equipo utilizando guantes de nitrilo y teniendo espec

cuidado en evitar la prdida del material particulado recolectado. Del mismo modo, en esta etapa del procedimiense tomaban todas las precauciones del caso para evitar la contaminacin del filtro por parte de partculas presentes el ambiente pero ajenas al perodo de toma de muestra.

Para el transporte y almacenamiento de los filtros con muestra se utilizaron neveras de hicopor y se emple gel azul comagente refrigerante. Como parte de los procedimientos de control de calidad, se cont con formatos de seguimientocadenas de custodia para cada una de las etapas antes mencionadas.

3.1.2.1. Instrumentacin y equipos

Durante la fase de campo de este trabajo se utilizaron los siguientes instrumentos:

Muestreador de alto volumen para PM10: Este equipo fabricado por Graseby Andersen (referencia 1200) basa operacin en la succin de aire a travs de un sistema de separacin inercial (SSI por sus siglas en ingls). El flujo aire es mantenido constante mediante un controlador de flujo volumtrico (VFC). La muestra de partculas que logpenetrar el SSI es atrapada en un filtro (de cuarzo en el caso de este estudio) que es sometido a un anlisis gravimtric

Muestreador de alto volumen para PM2.5:Este equipo de marca Tisch Environmental (referencia TE-6070-2.5-HVS) opede forma similar al anteriormente descrito pero en lugar de un SSI se encuentra provisto de un sistema de tubos dimpactacin (ver Figura 3.5).

(11

Figura 3.4. Imgenes de la campaa de campo.


28/66

Estacin Meteorolgica:Para la documentacin de las condiciones meteorolgicas durante los perodos de monitoreose utiliz una estacin Davis Vantage Pro2 Plus. Este equipo cuenta con sensores de humedad relativa, temperatura y

nivel de radicacin solar. Igualmente, incluye una cpsula para recoleccin de lluvia (pluvimetro) y un anemmetro

que permite registrar tanto la velocidad como la direccin del viento. El equipo tiene comunicacin inalmbrica con su

panel de control y programacin as como con su sistema de adquisicin y respaldo de datos (ver Figura 3.6).

Sistema de Cromatografa Inica: Para la determinacin del contenido de iones en las muestras de material particuladose utiliz un equipo marca Dionex referencia ICS-2000 que permite la determinacin de iones con carga positiva y

negativa haciendo uso de columnas independientes y un detector de conductividad (ver Figura 3.7).

Equipo Microondas:La extraccin de los metales en los ltros se llev a cado empleando un equipo de microondas CEM

referencia MARSX. En este equipo las muestras son introducidas en viales de ten, los cuales permiten la liberacinde la presin durante el calentamiento producido al aplicar la potencia requerida para la extraccin. El equipo cuentacon un carrusel que permite el procesamiento de hasta 24 muestras de manera simultnea hacindolo adecuado para

anlisis masivos como los realizados en este estudio (ver Figura 3.8).

Espectrmetro de Emisin ptica: La determinacin del contenido de metales sobre la solucin resultante del procesode extraccin de los filtros que contenan material particulado se realiz empleando el equipo ICAP 6500 Duo marca

Thermo Electron. Este espectrmetro de emisin ptica excita los tomos mediante su paso por un plasma formado

gracias al uso de gas argn. Una vez excitados, los tomos emiten fotones a longitudes de onda especficas para cada

elemento, lo que permite su identificacin a travs del sistema ptico con que cuenta el instrumento (ver Figura 3.9).

Adicionalmente, tal y como fue mencionado anteriormente, se utiliz una cmara de video digital de alta resolucin para

documentar las condiciones de trfico en las inmediaciones de los lugares en los que se llevaron a cabo las mediciones

(Logitech QuickCam Pro 5000).

(12 )

Figura 3.5. Muestreador de alto

volumen empleado en

la determinacin de PM2.5.

Figura 3.6. Estacin meteorolgica empleada en la

campaa de campo.

Figura 3.7. Cromatgrafo

inico Dionex

ICS-2000.

Figura 3.8. Equipo de microondas

para la extraccin de

metales en los filtros.

Figura 3.9. Espectrmetro de emisin empleado

en la determinacin de metales.(Este equipo se encontraba provisto de un auto-

muestreador ASX-260 con capacidad para inyectar

hasta 120 muestras en una misma secuencia de

anlisis).


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3.1.2.2. Filtros utilizados para la recoleccin de material particulado

Para la seleccin de los filtros a ser utilizados durante la campaa de campo se tuvieron en cuenta criterios tales comel tipo de anlisis a los que se seran sometidos los mismos; su estabilidad qumica, trmica y mecnica; la eficiencia recoleccin de partculas; los niveles de elementos a analizar en el filtro blanco y la formacin de artefactos5 positivo negativos en el filtro.

Cada uno de estos criterios fue considerado (ver Tabla 3.2) teniendo en cuenta que los filtros seran utilizados para determinacin de iones, metales y carbono orgnico y elemental6.

Como resultado de la evaluacin antes descrita se lleg a la decisin de utilizar filtros de cuarzo para la recoleccin las muestras de material particulado. Dichos filtros, fabricados por Whatman (referencia QMA-1851-865) contaban cun tamao de 20.3 x 25.4 cm y un espesor de 0.45 mm as como con una resistencia a la traccin de 200 g/15mm y ucontenido de plomo inferior a 0.25 ug.

Tabla 3.2.Sntesis de la aplicabilidad de los materiales de los filtros utilizados para la recoleccin de material particulado en sistemas de alto volume

(13

IC = Cromatografa inica; ICP-AES = Plasma inductivamente acoplado con espectrofotometra de emisin atmica; XRF = Fluorescencia de rayos X;PIXE = Emisin de rayos X por protn inducido; INAA = Anlisis por activacin neutrnica instrumental; ICP-MS = Plasma inductivamente acoplado conespectrofotometra de masas; XRD = Difraccin de rayos X.

5 Los artefactos hacen referencia a la deteccin incorrecta de ciertos materiales en los filtros debido a limitaciones y errores de la tcnica experimental.6 Durante el diseo experimental del estudio se consider la posibilidad de documentar el contenido de carbn elemental en los filtros, a travs de un acuerdode cooperacin con otra institucin acadmica que contaba con la capacidad analtica para el desarrollo de dichos anlisis. Esto, sin embargo, no fue posibleen la prctica debido a diferentes inconvenientes logsticos.7 Adaptado de Chow (1995).

Material del filtro Mtodos de anlisisaplicables

Ventajas Desventajas

Fibra de vidrio

ICICP-AESXRFPIXEINAA

Alta eficiencia derecoleccin de partculas. Gama amplia de anlisisposibles.

Niveles altos de sodio, calcio ysilicio en el filtro blanco. Absorcin de HNO3, NO2y SO2.

Cuarzo

ICICP-AESICP-MSXRFPIXECarbono orgnico yelemental

Alta eficiencia derecoleccin de partculas. Gama amplia de anlisisposibles.

Niveles altos de silicio, aluminio ysodio en el filtro blanco. Absorcin de vapores orgnicos.

Tefln

XRFPIXE

ICP-AESICP-MSINAA

Bajos niveles de metales en

el filtro blanco. Inerte.

No permite anlisis de carbono.

Requiere de un agentehumectante que puede introducirinterferencias.

ster de Celulosa XRD

Bajos niveles de metales enel filtro blanco. Alta resistencia al flujo.

No permite anlisis de carbononi de iones. Baja eficiencia de retencin departculas.

PolicarbonatoXRFPIXE

Bajos niveles de metales enel filtro blanco.

No permite anlisis de carbononi de iones. Baja eficiencia de retencin departculas.


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3.1.3. Determinaciones analticas

Una vez recolectados los filtros, fueron transportados al laboratorio de la Universidad para ser sometidos a diversastcnicas analticas encaminadas a la determinacin de su contenido de especies metlicas e iones.

Para el caso de aniones y cationes se cuantific la presencia de trece especies distintas en las muestras de material

particulado, incluyendo siete aniones (fluoruro, cloruro, nitrito, sulfato, bromuro, nitrato, y fosfato) y seis cationes (litio,sodio, amonio, potasio, magnesio, y calcio). Como parte del proceso de anlisis se llev a cabo una extraccin porultrasonido de los iones presentes en los filtros seguida de un anlisis mediante cromatografa inica8de las solucionesprovenientes de la extraccin.

El proceso de anlisis incluy la determinacin de los niveles de iones en los filtros blancos correspondientes a 12 lotesempleados en la campaa de campo realizada. stos fueron sometidos al mismo proceso de extraccin que los filtroscon muestra y la solucin obtenida en cada caso fue analizada por duplicado.

El proceso de control de calidad a los anlisis realizados, incluy la aplicacin de calibraciones al inicio de cada secuenciade anlisis, la inyeccin de blancos de extraccin hasta lograr la estabilidad en la seal del equipo y el enriquecimientode filtros con muestra para la determinacin del porcentaje de recuperacin obtenido mediante el procedimiento de

extraccin.

Igualmente, se realiz la validacin de la curva de calibracin aplicada a lo largo de una secuencia de anlisis mediantela inyeccin de estndares de concentracin conocida y la comparacin de la concentracin reportada para stos porel equipo respecto al valor real.

Respecto al nivel de reproducibilidad del mtodo de anlisis, se realizaron inyecciones con tres rplicas para determinadasmuestras y se determin la desviacin estndar asociada a las lecturas realizadas.

Para el caso de metales se cuantific la presencia de 23 especies en las muestras de material particulado, incluyendoplata, (Ag), aluminio (Al), boro (B), bario (Ba), bismuto (Bi), calcio (Ca), cadmio (Cd), cobalto (Co), cromo (Cr), cobre (Cu),hierro (Fe), galio (Ga), indio (In), potasio (K), litio (Li), magnesio (Mg), manganeso (Mn), sodio (Na), nquel (Ni), plomo (Pb),estroncio (Sr), talio (Tl) y zinc (Zn).

Estas especies fueron seleccionadas considerando la composicin del estndar de calibracin utilizado en los anlisis ysu proceso de determinacin comprendi las etapas de extraccin cida mediante microondas9 (siguiendo el mtodoEPA I.O 3-1) y de anlisis del extracto empleando la tcnica de ICP-OES10.

Cada secuencia de anlisis incluy muestras de los filtros blancos de los lotes asociados a las muestras analizadas. De estamanera, se cuantific el nivel de metales en 12 filtros blancos y 278 filtros con muestra. La validacin de los resultadosreportados por el equipo empleado se realiz mediante el procesamiento de muestras certificadas correspondientesal material de referencia estndar SRM-1648 (material particulado urbano) del Instituto Nacional de Estndares yTecnologa de Estados Unidos (NIST). En cada secuencia de anlisis realizada se incluy una muestra de este materialcertificado sometido de manera previa a extraccin por microondas empleando las mismas condiciones utilizadas parael procesamiento de las muestras de filtros recolectados en campo.

La seleccin de la lnea de emisin a emplear para la lectura de cada metal en las muestras bajo estudio se bas en losresultados obtenidos durante el desarrollo de la curva de calibracin, en el nivel de ajuste a la concentracin certificadapara el material de referencia y en la configuracin de las campanas de emisin.

(14 )

8 Las condiciones durante la determinacin analtica de iones incluyeron el uso de hidrxido de potasio (30 mM) para aniones y cido metanosulfnico (20mM) para cationes y una temperatura de 30 y 20 grados centgrados para aniones y cationes, respectivamente. Para aniones se utiliz supresor ASRS ULTRA II(2mm), una corriente de 23 mA, un volumen de inyeccin de 10 uL y un tiempo de corrida de 14 minutos. Para el caso de los cationes se utiliz supresor CSRSULTRA II (2mm), una corriente de 19 mA, un volumen de inyeccin de 2.5 uL, y un tiempo de corrida de 12 minutos.9 Durante el proceso de extraccin se utiliz una mezcla de cido clorhdrico (16.78% p/p) y cido ntrico (5.55% p/p). El volumen de solucin adicionado fuede 10 mL y el nmero de viales usados igual a 24. La potencia fue de 1,600 W para un tiempo de 23 minutos (un slo ciclo de extraccin). Una vez concluidoel proceso de extraccin, las muestras fueron diluidas y filtradas utilizando filtros de jeringa con membrana de nylon de 0.45 m.10 Las condiciones durante la determinacin analtica de metales incluyeron un tiempo de toma de muestra de 45 segundos, una velocidad de la bomba de100 rpm, y un tiempo de estabilizacin de la misma de 5 segundos. La potencia RFP utilizada fue de 1,150 W, el flujo de gas en el nebulizador fue de 0.8 l/min,en el gas auxiliar de 0.5 l/min y en el enfriamiento de 14 l/min. Se usaron tres rplicas por cada muestra y se llevaron a cabo corridas de autopico.


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El control de calidad de las lecturas reportadas por el equipo incluy la aplicacin de calibraciones al inicio de cadsecuencia de anlisis, la cuantificacin de los niveles de metales en la solucin de extraccin sometida al proceso microondas y el enriquecimiento de filtros con muestra para la determinacin del porcentaje de recuperacin obtenidmediante el procedimiento de extraccin empleado.

Respecto al nivel de reproducibilidad del mtodo de anlisis, tanto las muestras como los patrones de calibracin

inyectaron por triplicado, haciendo posible determinar la desviacin estndar asociada a la lectura obtenida para camuestra procesada.

3.2. Modelo de receptores

Una vez revisados y analizados los antecedentes disponibles en la literatura cientfica internacional en lo que se refie

al uso de modelos receptores con el fin de llevar a cabo procesos de identificacin de fuentes de contaminacin p

material particulado, se concluy que el mtodo ms apropiado para el caso de Bogot (dada la informacin disponib

era el Anlisis de Componentes Principales. Este PCA fue complementado por medio del denominado mtodo

Rotacin Varimax as como por medio de una regresin lineal mltiple.

De forma previa a la aplicacin de estos modelos se llev a cabo un proceso de validacin de la informacin de entracon el fin de recuperar informacin faltante (por medio de regresiones lineales) as como para contar con informaci

coherente (v.g., se eliminaron valores iguales e inferiores a cero) para los anlisis a realizar.

La metodologa utilizada se llev a cabo en dos etapas (ver Figura 3.10): 1)Aplicacin del PCA seguida por Rotaci

Varimax, en donde se identifican y determinan los patrones visibles (componentes principales) en el conjunto de dat

obtenidos a travs de la caracterizacin qumica de las muestras de material particulado recolectadas; 2)Regresi

lineal mltiple, en donde se cuantifica el aporte a las concentraciones de material particulado presentes en los punt

de medicin para cada uno de los componentes identificados en la etapa anterior.

Para la aplicacin de las etapas descritas anteriormente se utiliz el paquete estadstico SPSS (versin 13.0), el cu

incorpora la funcin de reduccin de datos mediante el anlisis de componentes principales, permitiendo adems

rotacin de los componentes obtenidos mediante el Mtodo de Varimax.

Este mismo software permiti generar correlaciones (mediante el mtodo de regresin lineal mltiple) para l

componentes identificados en las muestras de material particulado recolectadas durante la campaa de campo. Es

significa que la herramienta analtica utilizada hizo posible una ejecucin integral de las etapas requeridas para obten

tanto las fuentes contribuyentes como la magnitud de sus aportes al problema de contaminacin bajo estudio.

(15


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3.2.1. Anlisis cualitativo - PCA

La ejecucin de un anlisis de PCA requiere del establecimiento de una serie de preferencias basadas en los criterios quese describen a continuacin.

Criterios Descriptivos:Determinan las opciones referentes al clculo y despliegue de los denominados estadsticosgenerales de los datos (v.g., media y desviacin estndar) as como de los parmetros asociados a la matriz de correlacin,tales como su determinante, el estadstico Kaiser-Meyer-Olkin (KMO) y la Prueba de Esfericidad de Bartlett. Estos dosltimos parmetros son indicativos de qu tan apropiados son los datos de cara a un anlisis de factores.

Criterios de Extraccin: Determinan el mtodo de extraccin de los factores, la matriz sobre la que se realiza el anlisis, yel criterio de seleccin de los componentes con base en la magnitud de los valores propios de la matriz de correlacin.Respecto a este ltimo criterio, en este trabajo se seleccionaron como representativos aquellos componentes cuyosvalores propios fuesen mayores a uno.

Criterios de Rotacin: Determinan el tipo de rotacin a aplicar para la identicacin de los componentes principales y lasopciones de despliegue de la solucin rotada. Tal y como ha sido mencionado previamente, en este estudio se utiliz larotacin ortogonal Varimax. Este tipo de rotacin permite una interpretacin efectiva de los componentes identicados

dado que reduce el nmero de variables que presentan una influencia signicativa sobre los mismos.

Puntuaciones: Determinan las opciones referentes a las puntuaciones factoriales (o puntuaciones de componentes).stas reflejan la signicancia de cada muestra dentro de cada componente determinado y constituyen las variables apartir de las cuales se estima la contribucin de cada componente identicado. Durante el desarrollo de este estudiola seleccin efectuada incluy la opcin de despliegue de la matriz de coecientes de puntuaciones factoriales, elclculo de las puntuaciones de componentes mediante regresin lineal y la inclusin dentro de la hoja de datos de laspuntuaciones de componentes. Estas ltimas fueron consideradas como nuevas variables para ser utilizadas en la etapade regresin multilineal.

(16 )

Entradas

Resultados de caracterizacin qumica

de las muestras de materialparticulado

Anlisis Cualitativo

(ver Seccin 3.2.1)

PCA Varimax

Anlisis Cuantitativo

(Ver Seccin 3.2.2)

Regresin lineal mltiple

- Estimacin del nivel de significancia

de cada fuente.

- Hiptesis respecto a la identidad de

las fuentes.

- Determinacin de componentes

principales.

- Determinacin de especies

predominantes.

Determinacin de la con tribucin

porcentual de cada una de las fuentes

y nivel de ajuste del modelo

Figura 3.10. Representacin esquemtica de la metodologa empleada para laidenticacin de fuentes.


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Opciones: Determinan las preferencias relacionadas con la exclusin de valores perdidos del conjunto de dat(muestras en las que no se cuenta con informacin de concentracin para todas las especies analizadas), organizacide los coeficientes obtenidos, y exclusin de valores absolutos de coeficientes menores a 0,1.

Como resultado del anlisis ejecutado en esta etapa del proyecto se obtuvieron todos los componentes que permit

explicar la varianza11 de los datos referentes a las concentraciones de material particulado.

Una vez obtenidos los componentes principales y contando con las puntuaciones de componentes como nuev

variables dentro de la hoja de trabajo, se procedi al clculo de las puntuaciones absolutas de componentes (AFS p

sus siglas en ingls). Para esto se utiliz la metodologa descrita por Thurston & Spengler (1985) en donde se incluuna muestra ficticia con concentracin cero para todas las especies analizadas y se calculan las puntuaciones componentes asociadas con dicha muestra. Estas concentraciones corresponden al nivel de referencia (cero real) ysubstraccin de las mismas de las puntuaciones de componentes obtenidas originalmente (puntuaciones normalizadapermiten obtener las AFS.

3.2.2. Regresin lineal mltiple

Las AFS obtenidas mediante la metodologa antes descrita (que son utilizadas como trazadores de las fuentes quhan sido identificadas) se relacionaron con las concentraciones de material particulado mediante una regresin linemltiple, de acuerdo a la siguiente ecuacin:

En donde PMicorresponde a la concentracin de material particulado en una muestra i, n representa el nmero fuentes (componentes) identificadas, ajindica el coeficiente hallado mediante la regresin multilineal correspondienal componente j, AFSjicorresponde a la puntuacin absoluta del componente j para la muestra i y a0 representaconstante incluida en la correlacin multilineal para los casos en que el ajuste realizado no intercepte el origen.

Para estos propsitos se llevaron a cabo mltiples iteraciones de tal forma que se lograra excluir todas las muestras codesviaciones superiores a tres desviaciones estndar (las cuales fueron catalogadas como outliers). Para cada casocon el fin de determinar la validez de la correlacin obtenida, se analizaron los resultados correspondientes al Factor

de la regresin Anova as como los estadsticos de co-linealidad resultantes.

La contribucin porcentual de la fuente j a la concentracin de material particulado en la muestra i (Pji), se calcumediante la siguiente ecuacin:

Finalmente, la contribucin de la fuente j a la concentracin de material particulado en cada uno de los puntos dmedicin se determin mediante la siguiente ecuacin:

(17

11 La expresin explicar la varianza hace referencia a que tan apropiado y acertado es el modelo estadstico seleccionado al momento de predecir elcomportamiento y la distribucin observada en los datos obtenidos en campo.

100

=i

jij

jiPM

AFSaP

m

P

P

m

i

ji

j

== 1

0

n

1j

jiji aAFSaPM +==


34/66

En este captulo se presentan los principales resultados de esta etapa del proyecto. En primer lugar se muestran los resultadosasociados con las muestras de material particulado (PM10y PM2.5) y las condiciones meteorolgicas que se presentaron durante

la campaa de campo. Posteriormente se ilustran los resultados obtenidos para los anlisis de iones y especies metlicaspresentes en dichas muestras.

4.1. Concentracin de material particulado en los puntos de monitoreo

La Figura 4.1 muestra las concentraciones de PM10encontradas en los sitios de monitoreo (zona industrial, zona dealto trfico vehicular, y zona residencial). Para la zona industrial se obtuvo un valor medio de 110 ug/m3para un rangoentre 25 y 240 ug/m3. Para el caso de la zona con alto trfico vehicular, las concentraciones de PM10variaron entre 25 y

110 ug/m3mientras que el promedio fue de 53 ug/m3. Finalmente, en la zona residencial el rango de concentraciones

observado fue entre 7 y 125 ug/m3para un valor medio de 54 ug/m3.

La Figura 4.2 muestra las concentraciones de PM2.5encontradas en dos de los sitios de monitoreo (no se realizaron

mediciones de este contaminante en la zona industrial). Para la zona de alto trfico vehicular se obtuvo un valor medio

de 25 ug/m3y un rango de concentraciones entre 12 y 45 ug/m3. Para el caso de la zona residencial, las concentraciones

de PM2.5variaron entre 2 y 65 ug/m3mientras que el promedio fue de 26 ug/m3.

De estos resultados es claro que la zona industrial es la que presenta los ms altos niveles de contaminacin para la

fraccin respirable del material particulado. Esto se observa no slo en sus mayores niveles medios sino tambin en los

valores extremos. Para el caso de la zona residencial y de alto trfico los valores obtenidos fueron comparables tanto

para PM10como para PM2.5.

En este sentido es necesario resaltar que las mediciones realizadas en este estudio, dados los objetivos del mismo,

corresponden a aire ambiente y no al nivel de exposicin de la poblacin (ver Seccin 3.1.2). Este detalle metodolgico

es el que explica que en la zona de alto trfico vehicular no se observen niveles de contaminacin superiores a aquellos

encontrados en la zona residencial, en donde la calidad del aire es el resultado de todas las dinmicas de emisiones y de

condiciones meteorolgicas de la ciudad.

Tal como fue mencionado en el captulo que describe la metodologa, de forma simultnea a la captura de muestras

de material particulado se llevaron a cabo mediciones de condiciones meteorolgicas que incluyeron, entre otras,intensidad de precipitacin y direccin y velocidad del viento.

A partir de estas mediciones se hizo un intento por correlacionar las variables meteorolgicas con las concentraciones

observadas de material particulado. De estos anlisis se logr concluir que si bien tanto la precipitacin como la

velocidad del viento explican algunos de los eventos extremos de contaminacin (ver figuras 4.3 y 4.4), dichas variables

no se correlacionan de forma significativa entre s. Con la nica excepcin de las mediciones de PM10 y velocidad de

viento en la zona residencial (r = 0.4), el Coeficiente de Correlacin de Pearson (r) entre niveles de contaminacin por

material particulado y variables meteorolgicas fue inferior a 0.15.

(18 )

4. Resultados - caracterizacin de material particulado

Figura 4.1. Concentraciones de PM10 en los puntos de medicin.(Las mediciones en los distintos puntos de monitoreo no fueron realizadas de forma

simultnea)

Figura 4.2. Concentraciones de PM2.5en los puntos de medicin.(Las mediciones en los distintos puntos de monitoreo no fueron realizadas de forma

simultnea)


35/66

Finalmente, la Figura 4.5 muestra la proporcin, caso a caso, entre las concentraciones de PM 10 y PM2.5 para lpuntos de medicin considerados en la fase de campo. Estos resultados demuestran una gran estabilidad tanto la zona residencial (49 8%) como en la zona con alto trfico vehicular (48 7%)12 y permiten concluir que cuanse hace referencia a aire ambiente en las condiciones de Bogot, la fraccin fina del material particulado represen

aproximadamente el 50% de la fraccin respirable.

Los resultados presentados en las figuras anteriores muestran que las concentraciones medias de material particulad

que se encuentran en la zona industrial corresponden al doble de aquellas que se pueden encontrar en otras zon

de la ciudad. Esto, tal y como ha sido discutido en otros apartes de este documento, es consecuencia no slo de

emisiones (provenientes de fuentes vehiculares e industriales) que ocurren en esta parte de la ciudad sino tambin dlas dinmicas meteorolgicas que se observan al interior del permetro urbano, especialmente en lo que se refiere a

direccin del viento.

(19

0

50

100

150

200

250

300

1 3 5 7 911

13

15

17

19

21

23

25

27

29

31

33

35

37

39

41

43

45

47

49

51

53

55

57

59

Da de Monitoreo

NiveldePrecipitacin(mm/da)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Concentrac

indePM10(ug/m3)

Concent racin de P M10 N iv el de p recipi tacin

Figura 4.3. Concentraciones de PM10y niveles de precipitacin en el

punto de monitoreo localizado en la zona industrial.

0

50

100

150

200

250

300

1 3 5 7 911

13

15

17

19

21

23

25

27

29

31

33

35

37

39

41

43

45

47

49

51

53

55

57

59

Da de Monitoreo

Veloci

daddelviento(m/s)

0

1

2

3

4

5

Concentrac

indePM10(ug/m3)

C on ce nt ra ci n d e P M1 0 V el oc id ad d el v ie nt o

Figura 4.4. Concentraciones de PM10 y velocidad del viento en el

punto de monitoreo localizado en la zona industrial.

Figura 4.5. Razn PM2.5/PM10en los sitios de monitoreo.

12 Estos valores hacen referencia a la media y la desviacin estndar.


36/66

El 75% de los datos diarios de PM10en la zona industrial superaron la norma anual de calidad del aire establecida porla Resolucin 601 de 2006 del MAVDT (70 ug/m3). De forma similar, el 20% de los datos diarios para esta misma zonaviolaron la norma diaria que hace parte de la misma resolucin (150 ug/m3). Para el caso de las zonas de alto trficovehicular y de uso residencial, la excedencia de la norma anual fue del 12% y 24%, respectivamente. En ninguna de

estas dos zonas se presentaron excedencias al valor de referencia para la norma diaria.

Dentro de las concentraciones registradas, las correspondientes a los das sbado y domingo presentaron valores menoresa las reportadas para los das hbiles. En particular, para el punto ubicado en la zona industrial, las concentraciones

medias del fin de semana correspondieron a un valor entre el 50% y el 70% de las concentraciones registradas en das

laborales. Para el punto ubicado en la zona con alto trfico vehicular, las concentraciones de PM10constituyeron entre el

90% y el 95% de los valores registrados durante los das hbiles de la semana correspondiente. En el punto de muestreo

ubicado en la zona residencial, las concentraciones para los das sbado y domingo correspondieron entre el 30% y el

50% de los valores registrados en das laborales.

Estos resultados demuestran la importancia diferencial de las fuentes causantes del problema de contaminacin en

los diferentes puntos de la ciudad. Por ejemplo, a pesar de los cambios en las dinmicas de la ciudad durante un fin

de semana, las concentraciones de PM10en la zona con alto trfico vehicular siguen siendo muy similares a aquellas

encontradas en das laborales. Al mismo tiempo, el caso contrario fue documentado para la zona residencial.

4.2. Contenido de iones en el material particulado de Bogot

En esta seccin se presentan los principales resultados concernientes al contenido de iones con carga positiva y negativa

en los filtros recolectados (muestras de PM10y PM2.5) durante la campaa de campo.

En la Figura 4.6 se ilustran cromatogramas tpicos obtenidos durante la fase analtica del estudio para muestras de PM10.

La Tabla 4.1 resume los resultados de concentracin media de iones en las muestras de material particulado para cada

uno de los puntos de medicin.

(20 )

Figura 4.6. Cromatogramas tpicos para muestras de PM10: a) Resultados para aniones; b) Resultados para cationes.

0,0 1,3 2,5 3,8 5,0 6,3 7,5 8,8 10,0

-1,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0 CFMP-07-04-08 #701 24rE CD_1S

min

1-Sodio-3,5

90

2-Amonio-4,1

37

3-Potasio-5,3

27

4-M

agnesio-6,5

10

5-Calcio-8,0

83

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0

-5,0

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0 AFMP-11-0 2-08 #26 F58E CD_1S

min

1-Fluoruro-3,0

67

2-Cloruro-4,2

77

3-Nitrito-4,7

70

4-Sulfato-5,6

17

5-6,4

50

6-Nitrato-7,4

83

7-Fosfato-10,

883


37/66

Tabla 4.1.Contenido de iones (ug/m3) en el material particulado de Bogot.

Estos resultados indican que para un elevado nmero de especies evaluadas, el contenido de iones y cationes es may

en la zona industrial de la ciudad que en otras zonas de la misma. Este fue el caso para fluoruro, cloruro, nitrito, sulfa

fosfato, y calcio. En ninguno de los filtros recolectados se registr la presencia de bromuro o litio en niveles superior

al lmite de deteccin de las tcnicas analticas utilizadas.

En el caso del PM10, el anin con mayor abundancia (en las tres zonas de la ciudad) es el sulfato, seguido por el nitrato

el cloruro. Las mayores concentraciones para los iones sulfato y cloruro se presentaron en el punto de medicin ubica

en la zona industrial, mientras que el mayor nivel de nitrato se registr en los filtros recolectados en la zona residenc

Para la fraccin fina del material particulado en la zona residencial, el anin con mayor abundancia correspondi

sulfato, seguido por el nitrato y cloruro. Para las muestras de esta misma fraccin obtenidas en el punto de monitor

ubicado en la zona con alto trfico vehicular, la concentracin de aniones sigui el orden sulfato, nitrato, fosfato.

Es interesante notar que para ninguna de las especies evaluadas se logr determinar que la zona de alto trfico vehicu

se encontrara asociada con los mayores contenidos de iones en las muestras de material particulado. Al mismo tiemp

fueron varios los casos (amonio y nitrato) en los que las muestras provenientes de la zona residencial mostraron los m

altos contenidos de iones.

Estos resultados tienen dos implicaciones. En primer lugar, representan evidencia adicional de la forma en que

contaminacin percibida en un lugar de la ciudad es consecuencia de lo que ocurre en zonas aledaas. En segun

lugar, demuestran que el conocimiento de las concentraciones de material particulado no es suficiente para entendel problema de contaminacin. Esto ltimo se debe a que la peligrosidad de dicho contaminante (asociada con el ti

de materiales que transporta en sus superficies) puede ser sustancialmente diferente en diversas zonas de la ciudad.

(21

LD = Lmite de deteccin de la tcnica analtica empleada.

IonZona industrial

(PM10)

Zona con alto trfico vehicular Zona residencial

PM10 PM2.5 PM10 PM2.5

Fluoruro (F-) 0.03 5E-3


38/66

En la Figura 4.7 se presentan los contenidos porcentuales para los iones ms comunes en las muestras de PM10 y PM2.5.La Figura 4.8 hace lo propio para el caso de cationes.

A partir de estos resultados es posible sealar que, de manera individual, los aniones con mayor abundancia en el

PM10representan porcentajes entre el 0.2 y el 3% del material particulado recolectado. Para el caso del sulfato, el cual

corresponde a la especie inica de mayor importancia (en trminos de su aporte a la masa del material particulado

recolectado) se observa que tanto para la zona industrial como para la zona con alto trco vehicular, representa cerca

del 1.5% del material particulado. Para el caso de la zona residencial, esta misma especie corresponde a un porcentaje

cercano al 3% del material particulado.

En trminos generales, los siete aniones analizados constituyen en promedio el 3.3% del PM 10recolectado en la zona

industrial, el 3.4% del material particulado presente en la zona con alto trco vehicular, y el 6.7% de esta fraccin de

material particulado presente en la zona residencial.

De acuerdo con los resultados anteriores, la zona con caractersticas industriales presenta un contenido de anionescomparable al registrado para la zona influenciada por el trco vehicular. En el caso de la zona residencial, los aniones

constituyen una fraccin de mayor importancia dentro del material particulado, duplicando lo registrado en las otras

dos zonas de la ciudad.

Para el caso de la fraccin na del material particulado, los aniones con mayor abundancia representan individualmente

porcentajes entre el 0.3 y el 5% del total de esta fraccin (ver Figura 4.7). Los siete aniones cuanticados constituyen

alrededor del 3% del PM2.5para el caso de la zona con alto trco vehicular mientras que representan cerca del 11% del

PM2.5presente en la zona residencial.

Para el PM2.5, la relacin entre el porcentaje que constituyen los aniones en las muestras provenientes de la zona

residencial y el registrado para las muestras recolectadas en la zona con alto trco vehicular es de alrededor de 4:1.

Estos valores refuerzan el argumento de la importancia que tienen los aniones como constituyentes del material

particulado presente en la zona de tipo residencial.

Para el caso de los cationes (ver Figura 4.8), estas especies constituyen de manera individual contenidos entre el 0.2%

y el 0.8% del PM10hallado en los distintos puntos de monitoreo. El contenido de calcio es similar en todas las zonas

mientras que el amonio presente en el PM10de la zona residencial es signicativamente ms alto al valor hallado en las

muestras recolectadas en las otras dos zonas.

En trminos generales, las concentraciones reportadas para los seis cationes analizados constituyen en promedio el

0.8%, 1% y 1.8% del PM10de las zona industrial, de alto trco vehicular y residencial, respectivamente. Estos porcentajes

resultan inferiores a los correspondientes a los iones provistos de cargas negativas.

(22 )

Figura 4.7. Contenido porcentual de aniones en el material

particulado de Bogot.

Figura 4.8. Contenido porcentual de cationes en el material

particulado de Bogot.

0

1

2

3

4

5

6

ContenidoenelPM(%)

Zonaindustrial

[PM10]=109 g/m3 [PM 10]=53 g/m3ZonaResidencial

[PM 10]= 54 g/m3

Cl-

NO3-

SO4=

[PM2.5]=25g/m3Zona Residencial

[PM 2.5]= 26g/m3

0

1

2

25

Ca++

NH4+

K+

Na++


39/66

En lo referente al contenido de cationes en la fraccin fina del material particulado (ver Figura 4.8) se logr identificar qdichas especies representan de forma individual entre el 0.1% y el 1.7% de dicho material. Los seis cationes analizadrepresentan el 0.8% del PM2.5en la zona con alto trfico vehicular y el 2.3% del PM2.5 presente en la zona residencial.

Las figuras 4.9 y 4.10 muestran la forma en la que las especies inicas que resultaron ser ms abundantes en la ciuda

de Bogot se distribuyen en las diferentes fracciones del material particulado.

Estos resultados muestran que los iones sulfato, amonio y potasio tienden a concentrarse en la fraccin fina mientr

que el calcio lo hace en la fraccin gruesa. El sodio tiende a distribuirse de forma relativamente uniforme entre las d

fracciones en referencia mientras que la distribucin de nitrato y el cloruro dependen de la zona de donde proveng

las muestras de material particulado.

Finalmente, la Tabla 4.2 resume la composicin porcentual del material particulado que puede ser atribuida a espec

inicas. Esta informacin ser complementada con los resultados del contenido de metales que se discuten en

siguiente captulo.

Tabla 4.2. Composicin del material particulado (%) atribuible a especies inicas en Bogota.

(23

Figura 4.10. Distribucin de cationes en las fracciones de materialparticulado en Bogot.

Figura 4.9. Distribucin de aniones en las fracciones de material

particulado en Bogot.

EspecieZona industrial

(PM10)

Zona con alto trfico vehicular Zona residencial

PM10 PM2.5 PM10 PM2.5

Aniones 3.5 3.5 3 7 11

Cationes 1 1 1 2 2.5

Total 4.5 4.5 4 9 13.5

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

DistribucinenelPM(

%)

ZATV Z R

Nitrato (NO3-)

ZATV ZR

Cloruro (Cl -)

ZATV ZR

Sulfato (SO4=)

PM2.5

PM2.5-10

ZATV: Zona de

vehicular

ZR:Zona

residencial

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

DistribucinenelPM(

%)

ZATV ZR

Amonio(NH4+)

ZATV ZR

Calcio(Ca++)

ZATV ZR

Potasio(K+)

ZATV ZR

Sodio(Na +)

PM2.5

PM2.5-10

ZATV:Zona de

vehicular

ZR:Zona

residencial


40/66

4.3. Contenido de metales en el material particulado de Bogot

La Tabla 4.3 resume los resultados obtenidos para el contenido de metales en muestras de PM 10y PM2.5recolectadasen las tres zonas de la ciudad que fueron objeto de este estudio (zona residencial, zona con alto trfico vehicular, y zonaresidencial). Las figuras 4.11 y 4.12 muestran la misma informacin de manera grfica.

En lo referente a PM10, la zona industrial registr las mayores concentraciones para 11 de los 23 metales analizados.

Estos correspondieron a aluminio, bario, calcio, hierro, galio, potasio, magnesio, manganeso, nquel, plomo y zinc. De

este conjunto de especies se destacan los elevados valores encontrados para calcio, aluminio y hierro.

La zona residencial present los mayores niveles para 7 de los metales cuantificados en las muestras de PM10(bismuto,

cadmio, cobalto, cobre, litio, sodio y estroncio). El punto de monitoreo ubicado en la zona con alto trfico vehicular

registr las mayores concentraciones para dos de los metales analizados (boro y cromo). Los anlisis para plata, indio y

talio en los filtros recolectados no mostraron resultados ajustados a los parmetros de validacin establecidos para el

mtodo de determinacin y por lo mismo no fueron tenidos en cuenta durante la etapa de anlisis.

En la zona caracterizada por su actividad industrial el mayor nivel dentro de las especies metlicas en las muestra de

PM10 se registr para el calcio mientras que en las zonas de alto trfico vehicular y de tipo residencial el metal ms

abundante fue el sodio, seguido por el potasio, hierro y cadmio.

Tabla 4.3. Contenido de metales (ug/m3) en el material particulado de Bogot.

(24 )

(a)Valor no ajustado a los parmetros de calidad del mtodo de anlisis empleado. LD = lmite de deteccin.

Metal

Zona

industrial

(PM10)

Zona con alto trfico

vehicularZona residencial

PM10 PM2.5 PM10 PM2.5

Aluminio (Al) 2.58 0.77 0.06 0.70 0.07

Boro (B) 6E-3 0.01 0.01 -------(a) -------

Bario (Ba) 0.05 0.04


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Las figuras 4.13 y 4.14 muestran el contenido porcentual de metales en las muestras de PM10y PM2.5recolectadas en ldistintos sitios de monitoreo al interior del permetro urbano de Bogot.

De acuerdo a estos resultados, la contribucin individual de cada metal a la masa de PM10en Bogot se encuentra

el rango entre 0.0003% y 3.2%. Los metales analizados representan el 7.5, 8.9, y 10.1% de las concentraciones de PM

registradas en las zonas de alto trfico vehicular, de tipo residencial y de tipo industrial, respectivamente. En trmin

del PM2.5, los resultados en referencia indican que los metales analizados constituyen de manera individual porcentaj

entre el 6.7E-5 y el 2.5 % del total de la masa de esta fraccin de material particulado. De forma global, las espec

metlicas analizadas representan el 5.4% del PM2.5recolectado en la zona residencial y el 4% del PM2.5 recolectado

la zona de alto trfico vehicular.

Finalmente, la Tabla 4.4 muestra la distribucin de los metales en las fracciones de material particulado capturadas los puntos de medicin. Estos resultados permiten establecer que varios de los metales de mayor inters (e.d., aquel

ms abundantes en el material particulado de la ciudad calcio, aluminio, hierro) se concentran de forma mayorita

en la frac

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