Introducción al monitoreo atmosférico – 03. Revisión de metodologías existentes. Parte 2

3. REVISIÓN DE METODOLOGÍAS EXISTENTES

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 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 .

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.

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).

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.

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 aproximadamente 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.

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.

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 .

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 esencialmente 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.

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 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 instrumento. 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 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.

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).

ver Cuadro 3.7.

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 filtro^{64 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 depósito, 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 porosidad 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.

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 recomendaciones y los comentarios con respecto a su utilización.

3.2.3. Equipo para Monitoreo con Analizadores Automáticos. Cuadros de Tipo de Equipos y Métodos de Referencia por Contaminante

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 contaminantes 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.

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 .

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 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 d