Manual de tecnologías de medición de concentración de gases y material particulado en chimeneas y atmósfera – Parte 2

2. PROCESOS INVOLUCRADOS EN LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE. DEFINICIONES

Existe una relación causal entre las fuentes de emisión, la propagación de los contaminantes y la contaminación del aire. A fin de cuantificar cualquier relación entre ellos, se definen los conceptos básicos pertinentes. En términos generales se seguirán las definiciones dadas en la Organización Internacional de Normalización (ISO) (⁴).

2.1 Fuente de Emisión

Atmósfera:
La masa total de aire que circunda la tierra.
Emisión:
Es la transferencia o descarga de sustancias contaminantes del aire desde la fuente a la atmósfera libre. El punto o lo superficie donde se efectúa la descarga se denomina “fuente”. Este término se utiliza para describir la descarga y el caudal de esa descarga.
Concentración de la emisión:
Concentración de contaminantes del aire en una emisión en sus puntos de descarga.
Flujo de emisión:
Caudal de emisión por unidad de área de la superficie apropiada de una fuente emisora.
Caudal de emisión:
Masa de contaminante transferida a la atmósfera por unidad de tiempo.
Factor de emisión:
Expresión de la razón del caudal en que se emite un contaminante del aire como resultado de un actividad, respecto del caudal de esa actividad. Por ejemplo: los kilogramos de dióxido de azufre emitidos por tonelada de acero producido.
Norma de emisión:
Caudal de emisión especificado que tiene un estado legal. Se define frecuentemente en forma estadística fijando un límite al caudal de emisión. Se especifica en el caso de concentración el nivel de dilución u opacidad de referencia.
Altura eficaz de chimenea:
Altura utilizada con la finalidad de calcular la dispersión de los gases emitidos por una chimenea y que difiere de la altura real de esa chimenea en una cantidad que depende de factores tales como la velocidad de salida, los efectos de flotación y la velocidad del viento; puede ser afectada por la topografía.
Muestreo isocinético:
Método de toma de muestra de material particulado o de metales en suspensión en una corriente de gas para determinar su concentración, de tal modo que la velocidad de muestreo (velocidad y dirección del gas entrando a la tobera o conducto de toma de muestra) sea la misma que la de la corriente gaseosa en el punto de muestreo. Para ello es necesario medir la velocidad del gas.

2.2 Propagación de los Contaminantes

Transmisión:
Describe fenómenos colectivos que afectan los contaminantes del aire en la atmósfera libre entre la fuente y el receptor. Son efectos combinados de transporte y reacciones atmosféricas sobre aquellos; incluyen todos los efectos de dinámica física como dilucióndel contaminante con aire, así como las reacciones físicas y químicas que pueden ocurrir.

2.3 Contaminación del Aire

Aire ambiente:
Aire exterior al cual pueden estar expuestos personas, plantas, animales y materiales.
Calidad del aire ambiente:
Estado del aire ambiente según lo indique su grado de contaminación.
Normas de calidad del aire ambiente:
Calidad del aire ambiente especificada, que posee un estado legal, frecuentemente definida en forma estadística por la fijación de un límite en la concentración de un contaminante del aire respecto de un período promedio especificado.
Concentración de fondo natural:
Concentración de una especie dada en una masa de aire prístina en la cual las emisiones antropogénicas (⁵) son despreciables.
Contaminante del aire:
Cualquier sustancia emitida a la atmósfera, por una actividad humana o por un proceso natural, que afecte al ser humano o al medio ambiente.
Contaminación del aire:
La presencia habitual, en la atmósfera, de sustancias resultantes de la actividad humana o de procesos naturales, en concentración suficiente, durante un tiempo suficiente y en circunstancias tales como para afectar el confort, la salud o el bienestar de personas, o el medio ambiente.
Materia en suspensión:
Toda materia particulada que queda en la atmósfera o en una corriente de gas de chimenea durante largos períodos debido a que el tamaño de las partículas es demasiado pequeño para tener una velocidad de caída apreciable.
Contaminante primario:
Contaminante del aire emitido directamente por una fuente.
Contaminante secundario:
Contaminante que puede ser producido en la atmósfera por procesos físicos o químicos, a partir de contaminantes primarios u otras sustancias presentes como resultado de emisiones de fuentes estacionarias o móviles.
Concentración a nivel de suelo.
Cantidad de sólido, líquido o materia gaseosa por unidad de volumen de aire, generalmente medida a una altura especificada.
Inmisión:
Es la transferencia de contaminantes del aire desde la atmósfera libre a un receptor tal como un ser humano, planta o edificio. La suma de las inmisiones en un intervalo de tiempo da la dosis de inmisión, o sea la cantidad total de contaminantes del aire admitido, aspirado, absorbido o ingerido por parte del receptor. De acuerdo a esta definición, inmisión es tasa, medida o proporción de masa, u otra propiedad cuantificable determinada por unidad de intervalo de tiempo, la cual debe ser medida en lo posible en el receptor.
Esto lleva a que se debe conocerse la inmisión de un gran número de receptores diferentes.
Un estudio de la contaminación del aire debe ser diseñada para medir la inmisión en receptores y los efectos posibles. Uno puede introducir un “receptor virtual” con superficie unidad y propiedades unidades y estudiar, para cada receptor, la posible inmisión como una función de espacio y tiempo. Un receptor virtual puede ser simulado por un sistema de medición especial o tener una correlación definida con una concentración a nivel de suelo.
No tiene el mismo significado que concentración a nivel del suelo, pero tiene significado opuesto a emisión. Sin embargo, en muchas oportunidades se emplea el término inmisión en el mismo sentido que el de concentración a nivel del suelo.
Dosis de inmisión:
Integral del caudal de inmisión en el receptor durante un período de exposición.
Flujo de inmisión:
Caudal de inmisión por unidad de área de la superficie del receptor.
Caudal de inmisión:
Masa de contaminantes transferida al receptor por unidad de tiempo.
Monitoreo:
1. En un sentido amplio, este término designa las mediciones repetidas destinadas a seguir la evolución de un parámetro durante un intervalo de tiempo.
2. En un sentido más restrictivo se aplica a la medida regular de niveles de contaminantes respecto de una norma, o para evaluar la eficacia de un sistema de regulación y de control.

3. MEDICIONES. UNIDADES. PRESENTACIÓN DE DATOS

3.1 Mediciones

Las mediciones de los gases contaminantes en atmósfera se hacen según el tipo de sistema o método de medición. Para métodos discontinuos, generalmente manuales, se mide un tiempo dado, normalmente de 1 a 24 horas, según el contaminante y la norma correspondiente. Para métodos continuos o automáticos se mide en forma continua, registrando los datos cada minuto. Para informar los valores se calculan las concentraciones en promedio por minuto, y a partir de éstos se calculan los promedios horarios. Con ellos se calculan los promedios móviles (⁶) dentro de las 24 horas, según el contaminante, informándose el valor máximo.

2.3 Contaminación del Aire

Las unidades de medición, según referencia ISO (⁷), son dadas en la Tabla 3.2-I. Se diferencian en contaminantes gaseosos y material particulado en suspensión.

[a] Cuando las concentraciones son expresadas en términos de masa por unidad de volumen, se deben dar la temperatura y la presión, así como la humedad.
En el caso de contaminantes gaseosos, la relación entre la concentración expresada en mg/m3 y ppm es dada en la Sección 3.4

3.3 Presentación de Datos. Calidad del Aire

Para la contaminación del aire atmosférico o calidad del aire, la información de base que se transmite es el denominado Indice Estándar de Contaminación (IEC), Indice Normalizado de Contaminantes (INC), o Indice Diario de Contaminación del Aire (ICA). Según la norma EPA (⁸) se lo conoce como Pollutants Standad Index (PSI),.

La estructura de este índice incluye los cinco contaminantes para los cuales la EPA ha establecido estándares (primarios y secundarios): O3, NO2, SO2, CO, MP. Se calcula para cada contaminante un índice a partir de una función lineal fragmentada que transforma la concentración ambiente a una misma escala numérica que va de 0 a 500 teniendo en cuenta el efecto que pueden causar sobre la salud de la población, siendo 100 el correspondiente a la concentración de los estándares primarios, o sea que el estado de concentración de algún contaminante ha superado el límite aceptable de contaminación y 500 el de niveles de perjuicios significativos. Para los valores de 200, 300 y 400 sus efectos son aproximadamente normalizados usando los puntos de quiebre correspondientes a alerta, alarma, y emergencia. En la Tabla 3.3-I se describen, para cada nivel de contaminación, los efectos sobre la salud humana.

En la Tabla 3.3-II se resumen los puntos de quiebre en unidades métricas y en ppm.

[a] No hay valores dado para el estándar en una 1 h.

3.4 Relación entre la concentración expresada en fracción de volumen (ppm) y en masa por unidad de volumen (mg/m³)

Para los gases ideales se definen las siguientes relación entre pesos y volúmenes de las moléculas.

M – Peso Molecular: Es el peso de una molécula de una sustancia dada con respecto al peso del átomo de oxígeno tomado como 16, o comparado con el de una molécula de oxígeno tomado como 32.
MOL – Molécula gramo: El peso molecular de cualquier sustancia, elemento o compuesto, en gramos, se llama peso molecular gramo, o más generalmente molécula gramo; en la práctica se utiliza la palabra mol para indicar esta cantidad.

VGI (0 °C, 1 atm)
Volumen ocupado por 1 mol de un gas ideal a 0°C (273,16 °K), 1 atm. (760 mm de Hg, 101,325 kPa) : 22,414 litros (0,022414 m3)
VGI (25 °C, 1 atm)
Volumen ocupado por 1 mol de un gas ideal a 25°C (298,16 °K), 1 atm (760 mm de Hg, 101,325 kPa) : 24,467 litros (0,024467 m3).
En función de las definiciones dadas se determinan las siguientes relaciones Fracción en volumen de gases contaminantes (ppm) y Concentración en masa de por unidad de volumen (mg/m3)
y ppm . (M/VGI) = x mg/m3 x mg/m3 . (VGI/M) = y ppm
Ejemplo
(x mg de sustancia / 1 m3 de aire) x (0,022414 m3/ M 106 mg) = (z 10-6 m3 de sustancia) / 1 m3 de aire = (z m 3 de sustancia) / (1 millón de m3 de aire) = parte por millón en volumen
Las unidades mencionadas de presión y temperatura se expresan en la Tabla 3.4-I en función del SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES

4. NORMAS DE CALIDAD DE AIRE

La calidad del aire se define no en función del aire por si mismo, sino que para que éste, en razón de las concentraciones de los contaminantes que contenga, no represente un riesgo para el hombre o para la flora o los suelos. Se define (⁹) la calidad que debe tener el aire respecto a un contaminante dado, o a la inversa, la forma en que puede ser usado el aire, en cuanto componente del medio ambiente, como receptor de las descargas de un contaminante dado que generan determinadas actividades naturales o productivas. La fijación de un estándar de calidad ambiental debe estar basada en un fundamento de carácter científico, lo que obliga a la realización de los estudios pertinentes, que establezcan las asociaciones o correlaciones relevantes entre contaminantes y los efectos que se quieren evitar. Dadas las limitaciones económicas que tienen países como la Argentina para realizar un estudio de esa naturaleza, es razonable adoptar estándares de otros países que han efectuado tales estudios de respaldo, como EE.UU. de Norteamérica, pero adaptándolos en lo pertinente a la realidad nacional.

En EE.UU. se definen dos tipo de estándares de calidad de aire

Estándar de calidad de aire primario.
Define niveles de calidad de aire el cual la entidad responsable juzga que es el necesario, con un adecuado margen de seguridad, para proteger la salud de la población.
Los estándares primarios tienen por objetivo proteger la vida y salud de los seres humanos, con un margen razonable de seguridad.
Estándar de calidad de aire secundario.
Define niveles de calidad de aire el cual la entidad responsable juzga que es el necesario para proteger el bienestar de la población de un efecto adverso conocido o esperado (previsto) de un contaminante. Los estándares secundarios están destinados a proteger, conservar o preservar la vida y salud de los seres vivos no humanos (flora y fauna), la renovabilidad de los recursos de los cuales tales especies dependen y la sustentabilidad de las funciones de los ecosistemas de que forman parte, también con un grado razonable de seguridad. Asimismo son funcionales para la protección de monumentos, visibilidad, paisajes u otros aspectos del medio ambiente.

En la Tabla 4 -I se resumen las normas de calidad de aire dadas por EPA y en la Tabla 4 – II las normas de calidad de aire ambiental nacional, vigentes en la Argentina, así como las dadas por la EPA como comparación.

Todas la mediciones de calidad de aire son corregidas para referirlas a 25 ° de temperatura y a presión de 760 milímetro de Hg (1.013,2 milibars) ( 101,3 kPa).

Hidrocarburos no metano HCNM

Aunque los HCNM no son considerados a nivel ambiente como peligrosos para la salud, algunos estudios muestran que una concentración promedio de 0,24 ppm entre las horas 6 y 9 en la mañana, puede producir una concentración promedio horario máxima de ozono de 0,1 ppm. Para guardar los niveles de oxidantes debajo de estos niveles, los valores guía para HCNM fueron elegido para que el máximo de 0,24 ppm para la concentración promedio de 6 a 9 en la mañana no sea excedido más que una vez por año. Sin embargo, esos número guía son sólo aplicables en áreas donde están también presentes los otros precursores necesarios para producir violaciones del estándar de oxidantes.

Recientemente, el efecto conjunto de producción de ozono de los hidrocarburos y los óxidos de nitrógeno han sido considerados en la formulación de estrategias de control del ozono urbano.

(a) Ocho horas es el tiempo que tarda el monóxido de carbono en disolverse en la hemoglobina.

(1) Ley 24.051/92 Decreto 831/93; (2) Ley 20.284/73. Existen valores para Alerta, Alarma y Emergencia; (3) US EPA 40 CFR, Pt 50.
(4) Estándar secundario; (5) Estándar primario; (6) Concentración media aritmética; (7) MP10; (8) No es un valor estándar.; (9) Valor estándar para NO2.

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.
(4) International Organization for Standardization ISO Standard Compendium – Environment Air Quality, Edition 1994. ISO 4225:1994. Air Quality – General Aspects – Vocabulary.
(5) Generada por el hombre
(6) Los promedios se realizan tomando el número de horas consideradas, desplazando en una hora el tiempo de inicio (por ejemplo, para el CO se calculan los promedios móviles de 8 h. en forma corrida).
(7) ISO 4226:1993(E) International Standard. Air Quality – General aspect – Units of measurement.
(8) EPA 40 CFR, Part 58, Appendix G.
(9) Se sigue las definiciones dadas por EPA. Environmental Protection Agency, Title 40: Code of Federal Regulations (40 CFR), Part 50 – National primary and secondary air quality standards (Pt.50), Appendix (APP.)

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