Manual de tecnologías de medición de concentración de gases y material particulado en chimeneas y atmósfera. Parte 1

1. CARACTERÍSTICAS MÁS IMPORTANTES DE LOS CONTAMINANTES Y SUS EFECTOS SOBRE EL MEDIO AMBIENTE.

1.1 Introducción

Es reconocida la influencia que la contaminación atmosférica tiene sobre el deterioro de la salud humana, especialmente en las grandes ciudades, llegando en algunos casos a episodios críticos donde se observan síntomas respiratorios de tipo irritativo, fenómenos respiratorios de tipo obstructivo y una mortalidad más elevada que los promedios normales. Se ha establecido la estrecha relación de la contaminación atmosférica con alteraciones de la función respiratoria, con el transporte de oxígeno en el cuerpo, con enfermedades respiratorias cardiovasculares y dermatológicas y con la presencia de diversos y numeroso casos de cáncer.

Existen diversos factores a tener en cuenta para analizar los efectos sobre la salud, entre los que podemos citar.

Intensidad y composición de los contaminantes: No es lo mismo estar expuesto, aún en períodos cortos, a concentraciones altas de contaminantes cuyo valores medios en un período mayor sean aceptables. Las variaciones de la intensidad de la concentración depende no sólo de la emisión sino también de las condiciones meteorológicas y el relieve geográfico. Asimismo, el tipo de contaminante es muy importante por sus diversos efectos, por lo que los períodos de exposición cambia según aquellos

El horario: Las concentraciones varían en general con respecto a la hora del día por variaciones en las emisiones y las condiciones meteorológicas locales. Para un flujo de emisión constante, la concentración de los contaminantes a nivel del suelo dependerá de las lluvias y de los vientos

Los contaminantes que se producen directamente en algún proceso natural o debido a la actividad humana se denominan contaminantes primarios, o precursores. Si el tiempo de residencia de estos en la atmósfera es suficiente, pueden participar en reacciones químicas y transformarse en otras sustancias contaminantes denominadas contaminantes secundarios. En algunos casos los contaminantes primarios no son dañinos, por ejemplo el NO, y si lo son los secundarios, en este ejemplo el NO2.

La mayoría de los residuos volátiles generados por el hombre sólo ascienden unos pocos centenares de metros en la atmósfera. El aire en esta zona está en contacto con la superficie terrestre y su movimiento afectado por la rugosidad de aquella. Por esta razón se producen turbulencias que generan una mezcla constante de los componentes atmosféricos. A esta zona más baja de la atmósfera se la denomina capa de mezcla.

Del conjunto de contaminantes atmosféricos que pueden afectar de una u otra forma el medio ambiente, solamente se miden para su control un grupo de ellos que se consideran fundamentales. Los limitaremos por lo tanto al estudio de los siguientes contaminantes.

a) Contaminantes fotoquímicos
a1) Hidrocarburos no metano (HCNM); contaminante primario.
a2) Oxidos de nitrógeno, (NO) contaminante primario, y (NO2) contaminante secundario.
a3) Oxidantes fotoquímicos. Ozono (O3); contaminante secundario.
b) Dióxido de azufre (SO2); contaminante primario.
c) Monóxido de carbono (CO); contaminante primario.
d) Material particulado en suspensión con diámetro menor de 10 mm (MP10); contaminante primario y secundario. En casos particulares se mide, además, específicamente plomo (Pb).
Es de destacar que al analizar los efectos de los contaminantes mencionados, es importante considerar las interacciones entre ellos y la influencia que la presencia de uno tiene sobre otros.

1.2 Contaminantes fotoquímicos

1.2.1 Hidrocarburos no metano (HCNM)

El metano no se considera un contaminante importante por que no reaccionar apreciablemente para formar compuestos dañinos. La característica más importante de los demás hidrocarburos desde el punto de vista de la contaminación, es su habilidad para reaccionar con otros compuestos produciendo contaminantes dañinos secundarios.
El análisis del aire por contaminantes individuales de hidrocarburos no metano (HCNM) revela la presencia de numerosos compuestos diferentes por lo que es muy difícil de especificar un grupo de características definidas de “hidrocarburos”. Para nombrar algunos, dentro de los HC emitidos al aire por lo procesos de combustión, se encuentran los HC alifáticos o aquellos que sólo tienen enlaces simples y las olefinas o hidrocarburos con uno o más enlaces dobles, además de otras sustancias orgánicas como aldehídos, cetonas, e hidrocarburos aromáticos policíclicos. Los métodos de referencia para la determinación de hidrocarburos definen como de interés a los compuestos que pasan a través de un filtro con una porosidad de 3 a 5 mm y que produce una señal en un detector de llama ionizante (¹).

Un sumario de las reacciones complejas por lo cual aparecen oxidantes a partir de HCNM es el siguiente. El punto de partida es el dióxido de nitrógeno (NO2), un producto formado por oxidación del monóxido de nitrógeno (NO) el cual es producido durante la combustión.

En ausencia de hidrocarburos, el NO2 es disociado por la luz solar produciendo NO y un átomo de oxigeno. Este último se combina con oxigeno molecular para dar ozono (O3) el cual no se acumula puesto que se combina con el NO para producir nuevamente NO2. El proceso es continuo y se establece una concentración de equilibrio de cada especie. La concentración de oxidante fotoquímico aumenta cuando el estado de régimen del ciclo fotolítico del NO2 es roto por los HCNM, que reaccionan con agentes oxidantes como radicales OH u oxígeno atómico para dar otras especies radicales, que reaccionan a su vez con el NO y desbalancean el ciclo. La concentración de ozono aumenta al encontrar menor cantidad de NO libre para reaccionar. Una de las especies químicas que se origina en la reacción de los HCNM con el NO es el nitrato de peroxiacetilo (PAN), compuesto relativamente estable y de elevado poder oxidante. Es el responsable de la típica irritación en los ojos en situaciones de “smog” (²) intenso.

En general los HCNM no presentan efectos nocivos sobre la salud al nivel de concentraciones que se encuentran en el aire. Sin embargo, los hidrocarburos que tienen incorporado oxígeno a su estructura molecular, como en el caso de aldehídos, cetonas y algunos ácidos orgánicos sustituidos, por lo general son perjudiciales al ser humano.

Las sustancias aromáticas como el benceno tienen alto poder cancerígeno, así como otras sustancias cíclicas con anillos bencénicos.

1.2.2 Oxidos de nitrógeno (NO y NO2)

El monóxido de nitrógeno (NO) es formado en el quemado de combustibles fósiles por oxidación del nitrógeno del aire. No hay evidencia que el NO sea dañino para la salud en las concentraciones normalmente encontradas en la atmósfera. La importancia de conocer su concentración en el aire ambiente, y su relación con la calidad de este, se debe a que frecuentemente el NO es oxidado formando dióxido de nitrógeno (NO2). El NO2 no sólo es tóxico, sino también corrosivo y altamente oxidante. Pequeña cantidad de NO2, usualmente menor que décimas por ciento, son formadas directamente durante la combustión a temperatura elevada. Menos del 10 % del NO2 se forma por oxidación directa del NO en el corto intervalo entre la eyección de NO como un producto de la combustión y el tiempo en que este diluye su concentración debajo de 1 ppm. La mayoría del NO2 que se encuentra en la atmósfera resulta por la oxidación del NO en presencia de luz solar, ozono e hidrocarburos. Otros óxidos del nitrógeno no son considerados por su baja concentración en la atmósfera y por no reaccionar fotoquímicamente.

Antes de la salida del sol las concentraciones de NO y NO2 permanecen relativamente constante. Cuando aumenta la actividad urbana de las 6 a las 8 horas de la mañana, la concentración de contaminantes primarios, CO y NO, aumenta dramáticamente. Luego, por aumento de la radiación solar ultravioleta, aumenta la concentración de NO2 a partir del NO. Cuando la concentración de NO cae a niveles muy bajos (menor del 0,1 ppm) los oxidantes fotoquímicos comienzan acumularse y alcanzan un pico al mediodía. El aumento del trafico de automotores por la tarde causa un nuevo aumento en la concentración de NO.

Aún en la ausencia de luz solar, se continua formando el NO2 a partir del NO por acción del ozono, hasta que el aporte del O3 se agota.

Al igual que el SO2, el dióxido de nitrógeno es otro de los contaminantes gaseoso que poseen carácter ácido. Su acción se manifiesta mediante la descomposición del NO2 con la humedad presente en el sistema respiratorio, transformándose en ácido nítrico (HNO3) y nitroso (HNO2). Dado que el NO2 no es muy soluble en agua pasa a través de la tráquea y bronquios, relativamente secos, alcanzando el área húmeda de los pulmones (los alvéolos) donde forma los ácidos mencionados, ambos irritantes y corrosivos para la cubierta mucosa de los pulmones.

1.2.3 Oxidantes fotoquímicos. Ozono (O3)

Los oxidantes son definidos como las sustancias atmosféricas que reaccionan específicamente oxidando. El más abundante de esos oxidantes es el ozono (O3). Por esta razón, el termino oxidante y ozono son frecuentemente usados en forma indistinta. El ozono no es directamente emitido a la atmósfera, sino que es un contaminante secundario formado por una variedad de reactivos atmosférico. El ozono interacción con el ambiente más que cualquier otro contaminante ambiental. Reacciona con otros contaminantes, con vegetales, etc. y es fácilmente destruido en esas reacciones. La reacción del ozono con el NO causa que la concentración de O3 en la cercanía de autopistas o caminos de gran circulación de vehículos sea mucho menor que el que se encuentra en otros lugares.

La formación de oxidantes esta afectada por la intensidad y duración de la luz solar, la temperatura, y los procesos de emisión y dilución que afectan la concentración en la atmósfera de los otros participantes en las reacciones fotoquímicas. La relación entre las emisiones primarias de NO e HCNM y la subsiguiente formación de ozono atmosférico es difícil de cuantificar. La lenta formación y el transporte de contaminantes secundarios tienden a producir una gran separación, espacial y temporalmente, entre las principales fuentes de emisión y las áreas de elevada concentración de contaminantes oxidantes.

Existen pocas fuentes de producción primaria de ozono, usualmente vinculadas con descarga eléctrica. En general, no se observa contribución importante en la concentración urbana, excepto en las vecindades inmediata de donde se produce. El ozono puede también crecer en la superficie por el proveniente de la estratosfera donde es formado por foto disociación de oxígeno y recombinación a ozono. La acumulación de ozono ha sido frecuentemente observada dentro de la capa de inversión sobre áreas urbanas y rurales.

Procesos de convección pueden traer esas capas elevadas a la altura de suelo.
Aparte de otros contaminantes, el índice de peligrosidad de una atmósfera urbana se acostumbra a medir en función de los niveles de ozono presente. Existe una cierta variación de los niveles de ozono en la atmósfera urbana durante el día, que refleja la actividad propia de la ciudad. Los niveles de ozono comienzan a aumentar por la mañana, en el inicio de la actividad urbana, alcanzándose las concentraciones máximas cerca del mediodía, un par de horas después de que se registren los niveles más altos de NO2 y de hidrocarburos en la atmósfera. A partir del medio día la concentración de ozono disminuye a causa de ciertas reacciones químicas, como la transformación de NO a NO2 y determinados hidrocarburos a aldehídos, en las que el ozono manifiesta su gran poder oxidante. Los niveles más bajos de ozono se observan durante la noche, puesto que reacciona con el NO2 presente en la atmósfera dando radicales NO3 muy reactivos. Estos radicales oxidan el NO a NO2 y se combinan con otros NO2 para dar N2O5, inestable, que reacciona con el vapor de agua dando ácido nítrico, responsable de la acidez de las nieblas matutinas urbanas.

El ozono afecta a la salud humana a través de la alta reactividad que muestra en presencia de compuestos orgánicos con doble enlace, como por ejemplo proteínas y elementos constitutivos de las células. Esto conduce a transformaciones químicas que pueden dar lugar a mutaciones a nivel celular, cuando esta sustancia penetra al organismo a través de las vías respiratorias. Es uno de los contaminantes de mayor estudio en el campo epidemiológico por sus efectos nocivos sobre la salud humana.

1.3 Dióxido de azufre (SO2)

El dióxido de azufre (SO2) se genera por oxidación del azufre contenido en los combustibles al quemarse estos. Actualmente su nivel tiende a bajar dado que se exigen combustibles con bajo contenido de azufre. Como el SO2 es soluble en agua, interacciona física y químicamente con la humedad ambiente. Reacciona fotoquímica y catalíticamente con otros componentes de la atmósfera. La cinética de las reacciones son complejas, algunas de las cuales no son entendidas. El SO2 puede ser catalíticamente oxidado a SO3 en presencia de óxidos de nitrógeno. El SO3 luego convierte óxidos básico a sulfato. La tasa de oxidación de SO2 a sulfatos varía de 0,17 % / hora a 50 % / hora, dependiendo de la humedad relativa y la presencia y concentración relativa de otros contaminantes. La tasa es típicamente más rápida en zonas urbanas. El SO2 puede ser foto oxidado a ácido sulfúrico (H2SO4) en aerosol en la presencia de vapor de agua y más rápidamente cuando está presente hidrocarburos, dióxido de nitrógeno o compuestos de hierro o de manganeso.

Debido a las interacciones complejas del SO2 con otros contaminantes es muy difícil determinar tiempo de residencia y vida media. En general la vida media va de una hora a varios días. La vida media más corta es característica del SO2 urbano donde existen muchos otros contaminantes. Un decaimiento exponencial con una vida media de tres horas es típica de una ciudad. Se ha encontrado que el océano es el mayor sumidero de SO2

El dióxido de azufre, por su carácter ácido, tiene efectos irritativos sobre las vías respiratorias, creando problemas de bronquitis obstructiva. Al encontrarse en presencia de partículas en suspensión, la sinergía producida por ambas sustancias aumenta su agresividad. Su solubilidad en agua y posible transformación a ácido sulfúrico, así como su propio carácter ácido, permiten que origine problemas puntuales en regiones de alta sensibilidad del sistema respiratorio.

La temperatura en un punto dado tiene un pequeño efecto directo sobre la concentración de SO2. Sólo gradientes de temperatura, principalmente en el sentido vertical, tienen alguna influencia. Sin embargo, la temperatura ambiente puede influenciar la emisión de SO2 (en realidad su producción), sobre todo cuando se quema combustibles para calefacción.

También si la generación de electricidad es fundamentalmente térmica, los requerimientos de refrigeración en verano influye en la emisión de SO2.

1.4 Monóxido de carbono (CO)

El monóxido de carbono (CO) se produce por la oxidación incompleta del carbono en el proceso de combustión. En general esto ocurre en los automotores, dado que en las industrias y en las centrales térmicas se controla que la oxidación sea total, generando CO2 pues es la forma de obtener el mayor rendimiento térmico de los hidrocarburos, o sea hay un aspecto económico por medio; el CO2 no es dañino para el ser humano, si bien produce otros efectos como el invernadero. La producción de CO2 es inevitable, dado que es inherente al proceso mismo de oxidación del combustible, pero la generación de CO puede ser reducida al máximo con un control adecuado de la combustión.

El monóxido de carbono actúa por asociación con la hemoglobina de la sangre, formando carboxihemoglobina, reduciendo ostensiblemente la oxigenación debido a que el CO es 210 veces más reactivo que el oxígeno con la hemoglobina. Por lo tanto se observa una disminución en el transporte de oxígeno por la sangre hacia las células del cuerpo humano.

Cuando la concentración de CO supera las 120 ppm, se puede producir pérdida de reflejos, dolores de cabeza, nauseas, vómitos, y si persiste puede llevar a la muerte.

1.5 Material particulado en suspensión (MP)

El material particulado en suspensión (MP) como un contaminante del aire incluye una amplia clase de sustancias líquidas o sólidas con una variedad de propiedades físicas y químicas. Una característica importante es su tamaño, dado que partículas grandes no son colectadas por el sistema respiratorio del ser humano por lo que no son consideradas dañinas a la salud. Las partículas con diámetro aerodinámico menor o igual a 10 mm, usualmente mencionada como MP10, pueden penetrar las vías respiratorias y llegar a los pulmones, depositándose en las paredes alveolares.

A causa de su irregularidad en forma, densidad, composición y estructura, el material particulado es caracterizado convenientemente por su diámetro aerodinámico equivalente. Partículas teniendo la misma velocidad de caída son definidas como teniendo el mismo diámetro aerodinámico equivalente, el cual por conveniencia se especifica como el diámetro de una esfera con densidad unidad que tiene esa velocidad de caída. Cuando son considerados los efectos de las partículas sobre la visibilidad o la dispersión de la luz, puede ser necesario emplear una definición más relacionada con el tamaño físico real de las mismas.

El principal daño a la salud del material particulado es por su deposición en el sistema respiratorio. Los aerosoles atmosféricos que contienen material con diámetro hasta 10 mm varían en distribución de tamaño y composición química. Se puede considerar tres tamaños:

a) Las partículas más pequeñas, con diámetro < 0,1 mm, tienen vida corta y frecuentemente se observan como una clase distinta cerca de la fuente de combustión; se denominan modo núcleo. El modo núcleo pequeño (Aitken) crece rápidamente por coagulación en la clase superior.
b) Las partícula de tamaño medio (diámetro de 0,1 a 2,5 mm) son formados principalmente por coagulación y condensación de vapor sobre las partículas modo núcleo.
c) Las partículas más grandes de modo tamaño grueso (diámetro >2,5 mm) generalmente forman la mayoría de la masa e incluye partículas formadas por procesos antropogénicos y partículas de superficie.

Las dos primeras se denominan partículas finas y las mayores partículas gruesas. Las partícula finas resultan principalmente de procesos de combustión, incluyendo la condensación y transformación atmosférica de gases de escape para formar MP. Procesos mecánicos y erosión del viento producen partículas gruesas.

Las partículas finas típicamente consisten de sulfatos, nitratos, carbonatos orgánicos, amonio y plomo, mientras que las partículas gruesas están constituidas típicamente de óxidos de silicio, hierro, aluminio, sal del mar, partículas de cubiertas de automotores, y partículas de plantas.

Las fuentes naturales de emisión de partículas son pulverización del mar, incendios, emanaciones biogenéticas, y volcanes. La mayoría de las emisiones producidas por el hombre son fugas desde rutas o calles (pavimentadas o no), actividades de construcción, agricultura, actividades mineras e industrial. La mitad del material particulado urbano está formado por negro de grafito procedente de la combustión de carburantes fósiles, principalmente en automotores, sobretodo los que funcionan con motor Diesel. También contribuyen a su formación los calefactores domiciliarios, las centrales térmicas y las industrias que operan con fuel oil o carbón.

Como mencionamos, las MP10 pueden penetrar las vías respiratorias y llegar a los pulmones. La distinta solubilidad de las partículas, según su carga química, determinará su transferencia a la sangre. La deposición de partículas en el sistema respiratorio depende de tres fuerzas física:

a) Fuerzas inerciales: Son las causales de deposición en la nasofaringe. La inercia es muy importante en los grandes conductos del sistema respiratorio, especialmente cuando se requiere respiración rápida forzada. Su importancia decrece mientras más adentro del sistema respiratorio se encuentren las partículas.
b) Sedimentación gravitacional: Es proporcional a la velocidad de deposición de la partícula y al tiempo disponible para sedimentar. Como la velocidad decrece en los conductos estrechos del sistema, el efecto gravitacional se ve aumentado.
c) Difusión: En el caso de partículas finas, la fuerza más importante es la de difusión y conduce a una sedimentación o depósito en las paredes de los ductos finos del sistema, como es el espacio alveolar. Esta fuerza es una magnitud significativa para partículas de diámetro superior a 0,5 mm.

La acidez inherente a las partículas urbanas puede provocar la irritación de las membranas mucosa y conducir a una constricción bronquial. La función irritante de las partículas no es función sólo de la naturaleza de las mismas, sino también de la facilidad de absorber o adsorber otras sustancias en la superficie de ellas, que en ciertas ocasiones da lugar al denominado sinergismo (³). Un ejemplo típico se observa cuando las partículas se encuentran en presencia de SO2 en el aire. Otro ejemplo lo presenta los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) que en algunos casos no son agentes mutagénicos, pero se comportan como tales cuando están en presencia de otros HAP.

Otras sustancias que están presentes en el material particulado son el plomo, arsénico, cadmio, mercurio, ácido sulfúrico y sulfatos. El plomo, emitido a causa de la combustión de gasolina que incorporan como aditivo tetraetilplomo u otros compuestos orgánicos de plomo, es una de las partículas metálicas que más presente se encuentra en la atmósfera urbana. El plomo en el interior del organismo interfiere en el proceso de maduración de las células rojas de la sangre, así como también induce la excreción, a través de la orina, de porfirinas, que son sustancias precursoras de la hemoglobina. Se acumula en los huesos y tejidos, produciendo alteraciones nerviosas y reducción de la función renal. Por esa razón se suele medir su concentración en aire por separado.

Las partículas sólidas en suspensión actúan de agentes de condensación del vapor de agua presente en la atmósfera. Por ello, el material particulado puede participar en procesos químicos que ocurren en la atmósfera urbana, actuando incluso de catalizadores. Por ejemplo, los óxidos de azufre y nitrógeno se transforman rápidamente a ácidos sulfúrico y nítrico, respectivamente, en la superficie de las partículas, las cuales actúan de catalizador del proceso. El material particulado favorece así la formación de nieblas ácidas que acostumbran a estar presente en los núcleos urbanos muy contaminados.

Actualmente la concentración de MP10 es empleada como indicador de calidad de aire ambiente, en reemplazo del material particulado en suspensión total que se empleaba anteriormente.

Referencias

(1) Lawrence Berkeley Laboratory (LBL), 1973: Instrumentation for Environmental Monitoring. NSF Grant No. AG-271, Environmental Instrumentation Laboratory, Berkeley, CA.
(2) El término smog proviene de las palabras inglesas “smoke” (humo) y “fog” (niebla) y se emplea para describir el fenómeno en la ciudad debido al estancamiento de las masas de aire producido por la inversión térmica que incrementa los niveles de residuos.
(3) Efecto sinérgico es el fenómeno que presentan algunas sustancias que al encontrarse en presencia de otras incrementan su agresividad frente al medio que los rodea.

Por: Dr. Jaime A. Moragues
Fuente: blogaustral.org