3. revisiÓn de metodologÍas...

3. REVISIÓN DE METODOLOGÍAS EXISTENTES

La gran importancia y necesidad de controlar los contaminantesatmosféricos en la época de los años 50 y 60, trajo consigo un rápidodesarrollo de metodologías para el muestreo y análisis de estoscontaminantes en varios países. En 1955, el Congreso núm. 84 de losEstados Unidos de Norteamérica, decretó la Ley Pública 159, paraproveer investigación y asistencia técnica relacionadas con el control decontaminantes atmosféricos. Una división de contaminantes atmosféricosfue establecida en el Servicio de Salud Pública de este país en 1960 y laprimera “Clean Air Act”28 , fue adoptada por el Congreso núm. 88 comoLey Pública 206 en diciembre de 196329 .

Posteriormente, se organiza en marzo de 1963, el Comité IntersociedadesNorteamericano (ISC, siglas en inglés) que agrupa a diferentesasociaciones americanas como la de Higiene Industrial, de IngenierosQuímicos, de Salud Pública, entre otras, con la finalidad de establecer ydesarrollar métodos de muestreo y análisis de calidad de aire y publica en1972 el Manual ISC que contenía 57 metodologías. Por otro lado, laASTM, se había ocupado del desarrollo y publicación de métodostentativos y estándares para el muestreo y análisis de contaminantesatmosféricos, en su “Committee D-22”, participando con ISC hasta197329

La EPA publica en 1971, métodos de referencia para el análisis de los seisprincipales contaminantes atmosféricos (partículas suspendidas totales(PST), bióxido de azufre (SO2), monóxido de carbono (CO), oxidantes

28

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

29 Referencia 10.

REVISIÓN DE METODOLOGÍAS EXISTENTES40

fotoquímicos entre estos se encuentra el ozono (O3), hidrocarburos no-metano (HC) y bióxido de nitrógeno (NO2)) con la finalidad dedeterminar una congruencia con los estándares nacionales de calidad delaire, primarios y secundarios30.

De igual manera la OECD, en los años 60 formó un grupo de trabajoencargado de desarrollar y estudiar metodologías para la medición decontaminantes atmosféricos. En 1969, la OMS, publicó una Guía deSelección de Metodologías para la Medición de ContaminantesAtmosféricos, preparada por el Dr. Morris Katz31 . Siguiendo a estapublicación, un manual de laboratorio titulado Métodos Selectos deMedición de Contaminantes Atmosféricos, publicado en 1976 bajo elpatrocinio del PNUMA y de la OMS32

En los últimos años se han implementado técnicas de instrumentación queinvolucran métodos fotométricos y quimiluminiscentes, absorciónatómica, infrarroja y ultravioleta, espectrometría de masa, cromatografía,activación de neutrones no-destructiva, el uso de electrodos selectivos,rayos X, fluorescencia y espectroscopia. También se han desarrolladoinstrumentos de control remoto que sirven para medir contaminantesgaseosos y aerosoles en la troposfera y en la estratosfera.

Debido a que el monitoreo atmosférico involucra tanto la toma de muestrao muestreo como el análisis de la misma, definiremos primero las dife-rentes metodologías o técnicas de toma de muestras en las secciones 3.1 y3.2, mientras que los métodos de análisis se tratarán en la sección 3.3.

3.1. TIPOS DE METODOLOGÍAS PARA MONITOREOATMOSFÉRICO

Todas las metodologías para muestreo dentro del monitoreo atmosféricopueden ser divididas en cinco tipos genéricos: muestreadores pasivos,muestreadores activos, analizadores automáticos en línea, sensoresremotos y bioindicadores.

3.1.1. Muestreadores Pasivos 30

Referencia 10.31Referencia 11.32 Referencia 12

MANUAL DE MONITOREO ATMOSFÉRICO 41

Estos dispositivos de toma de muestra, generalmente con forma de tubo odisco, colectan un contaminante específico por medio de su adsorción yabsorción en un sustrato químico seleccionado. Después de su exposiciónpor un apropiado período de muestreo, que varía desde un par de horashasta un mes, la muestra se regresa al laboratorio, donde se realiza ladesorción del contaminante y después se le analiza cuantitativamente.

Las principales ventajas del muestreo pasivo es su simplicidad y bajocosto, por lo que se pueden extender muchas unidades para que proveaninformación en cuanto a la distribución espacial de los contaminantes. Sinembargo el tiempo de resolución de esta técnica es limitado, por lo quesólo puede proveer información de concentraciones promedio decontaminantes.

Debido a su simplicidad y bajo costo, las técnicas de muestreo pasivo sonadecuadas para muchas aplicaciones, ya sea por sí mismas o encombinación con analizadores automáticos. Existen varias técnicas demuestreos pasivos disponibles o en desarrollo para los principalescontaminantes urbanos, entre las que se incluyen las de NO2, SO2, NH3,VOC’s, y O3.

Entre los muestreadores pasivos hay que diferenciar los que especí-ficamente se utilizan en puntos fijos de muestreo, para monitorear calidadde aire, especialmente para estudios de fondo y muestreos de ampliacobertura espacial; y los pasivos personales, que la gente puede llevarpuestos y se utilizan principalmente en estudios epidemiológicos, dondese puede determinar por ejemplo la exposición personal durante unajornada de 8 horas de trabajo a un determinado contaminante. En estudiosde calidad del aire, también pueden ser útiles usados en combinación conmuestreadores activos o monitores automáticos. En este tipo de estudioshíbridos, el muestreador pasivo provee los datos de calidad de aire deresolución geográfica, mientras que los otros instrumentos ofreceninformación relacionada con el tiempo, como variaciones diurnas de laconcentración y sus picos. Estudios de este tipo pueden ser económica-mente muy convenientes y un ejemplo de ellos es el uso de muestreadoresde tubo de difusión para colectar NO2, en el barrido de áreas y selecciónde sitios de monitoreo en varios países europeos33 .

33

Referencia 1, vol. l, anexo 3.


3.1.2. Muestreadores Activos

A diferencia de los muestreadores pasivos, este tipo de equipos requierenenergía eléctrica para bombear el aire a muestrear a través de un medio decolección físico o químico. El volumen adicional de aire muestreadoincrementa la sensibilidad, por lo que pueden obtenerse medicionesdiarias promedio. Los muestreadores activos más utilizados actualmenteson los burbujeadores acidimétricos para medir SO2, el método defiltración para PST de la OECD y el método gravimétrico de AltosVolúmenes (High Vol.) para partículas totales y fracción respirable de laEPA. También existen técnicas de muestreos activos disponibles para lamayoría de los contaminantes gaseosos, como el método de Saltzmanpara NO2 y el método NBKI (Neutral Buffered Potassium Iodide,solución amortiguadora neutra de yoduro de potasio) para O3, sinembargo la mayoría de estas técnicas han sido reemplazadas poranalizadores automáticos. De cualquier manera para la investigación deaerosoles y gases ácidos se están usando filtros empacados y sistemas“Denuder”33..

Aunque los muestreadores activos son más caros y complejos que losmuestreadores pasivos, son relativamente fáciles de operar, confiables yhan proporcionado la base de datos de mediciones en la mayor parte delmundo a lo largo de más de quince años. La continuidad de esta base dedatos es muy importante para poder deducir tendencias a largo plazo.

3.1.3. Analizadores o Monitores Automáticos

A pesar de las ventajas económicas de los muestreadores activos opasivos, existen aplicaciones de monitoreo que necesitan de la rápidarespuesta, en horas o menor, que proporciona un analizador automático,por ejemplo cuando se pretenden detectar valores máximos deconcentraciones de contaminantes y situaciones de alerta paraimplementar medidas de contingencia. Estos instrumentos se basan enpropiedades físicas o químicas del gas que va a ser detectadocontinuamente, utilizando métodos optoelectrónicos. El aire muestreadoentra en una cámara de reacción donde, ya sea por una propiedad ópticadel gas que pueda medirse directamente o por una reacción química queproduzca quimiluminiscencia o luz fluorescente, se mide esta luz pormedio de un detector que produce una señal eléctrica proporcional a laconcentración del contaminante muestreado.


La gran capacidad de estos monitores automáticos se obtiene a expensasde los altos costos que implica su inversión inicial y su operación. Estosinstrumentos tienden también a ser más susceptibles a problemas técnicosen comparación con los muestreadores, cuando no se cuenta con losprogramas de mantenimiento adecuados y con personal técnico calificado,ya que requieren de técnicos especializados para la operación rutinaria delos equipos y de métodos más sofisticados de aseguramiento y control decalidad. Estos monitores automáticos producen gran cantidad de datos queusualmente necesitan de sistemas telemétricos para su recopilación ycomputadoras para su subsecuente procesamiento y análisis.

Ya se cuenta con monitores continuos aprobados y validados para lamayor parte de los principales contaminantes urbanos, inclusive lanormatividad de la EPA establece poco el uso de muestreadores, loscuales en algunos casos han sido sustituidos por sistemas automáticos quegeneran una mayor cantidad, confiabilidad y calidad de información,siempre y cuando se operen adecuadamente. Sin embargo sus altos costosy complejidad en su operación los hace inadecuados para algunos lugares.Su uso no se recomienda cuando no se cuenta con la infraestructura deapoyo y personal técnico necesarios.

Es muy común en las redes de monitoreo el uso de monitores automáticosjunto con muestreadores activos y pasivos, en la práctica estas medicionesse consideran como complementarias, debido a que, los monitoresautomáticos no son necesariamente superiores y muchos errores seevitarían si se mantuvieran algunos muestreadores cuando se instalan losmonitores automáticos34 , por lo menos durante el período de ajuste ycapacitación para el manejo de los mismos.

3.1.4. Sensores Remotos

Los sensores remotos a diferencia de los monitores automáticos, queproporcionan mediciones de un contaminante en un punto en el espacio,pueden proporcionar mediciones integradas de multicomponentes a lo

34

Referencia 1, vol. l, anexo. 3.


largo de una trayectoria específica en la atmósfera (normalmente mayor a100 m.), y sistemas más complejos, pueden hasta proveer mediciones conrangos de resolución a lo largo de la trayectoria. Se han llegado a detectarpor ejemplo hasta 5 ppb de SO2, en un patrón de 1 km. Sistemas móvilespueden proporcionar mapas tridimensionales detallados de concentra-ciones de contaminantes dentro de un área por un período de tiempolimitado.

Algunos de estos controles remotos se han llevado a cabo por medio deinstrumentos montados en aviones o en satélites, cuyos métodos incluyenel uso de correlaciones espectrométricas, el reflejo de la luz solar en laspartículas de los aerosoles, absorción infrarroja y emisiónespectroscópica, láser de color y de inducción infrarroja fluorescente y laaplicación de técnicas astronómicas35 .

Las aplicaciones de los sensores remotos son muy especializadas yparticularmente se utilizan para investigaciones cerca de las fuentes deemisión, en las plumas de las chimeneas y para mediciones verticales decontaminantes gaseosos y aerosoles en la atmósfera, como lainvestigación de la distribución del ozono en la troposfera y en laestratosfera. Sin embargo, desde un punto de vista comercial soninstrumentos muy caros y extremadamente complejos, y presentanademás dificultades con la validación de sus datos, niveles de confianza ycalibración. Se requiere de un gran esfuerzo especializado y cuidadosocontrol de calidad para operar exitosamente estos sistemas y producirdatos confiables.

3.1.5. Bioindicadores

Actualmente se ha mostrado gran interés en el uso de bioindicadores paraestimar algunos factores ambientales, entre los que se incluyen la calidaddel aire, particularmente en la investigación de sus efectos. El términobiomonitoreo, (el cual implica generalmente el uso de plantas paramonitorear el aire) cubre una multitud de muy diferentes muestreos yenfoques de análisis con muy diferentes grados de sofisticación ydesarrollo. Los métodos incluyen:

1) Uso de la superficie de las plantas como receptoras de contaminantes,como el uso del perejil para el plomo y el musgo para hidrocarburos

35

Referencia 10.


poliaromáticos. Esencialmente la planta es un muestreador y debe sercolectada y analizada en el laboratorio por medio de métodos clásicos.

2) Uso de la capacidad de la planta para acumular contaminantes o susmetabolitos en el tejido de la planta, como en el caso de las agujas delabeto para azufre total y de los pastos para fluoruros, azufre y algunosmetales pesados. Nuevamente el tejido de la planta deberá ser colectado yanalizado por métodos clásicos.

3) Estimación de los efectos de los contaminantes en el metabolismo o enla información genética de las plantas, como el efecto del ozono en loscloroplastos del abeto. En este caso la colección y análisis requiere detécnicas muy sofisticadas.

4) Estimación de los efectos de los contaminantes en la apariencia de lasplantas, como el efecto del SO2 en los líquenes, el efecto del ozono en lasplantas de tabaco36 y en algunas especies de pinos, cuyas agujas presentanbandas cloróticas cuando están expuestas a concentraciones episódicas deozono37 . La estimación puede llevarse a cabo en el campo por expertos yno se necesitan análisis de laboratorio.

5) Distribución y análisis de plantas específicas como indicadores decalidad del aire, como el tipo y distribución de líquenes para estimar losefectos fitotóxicos totales de la contaminación del aire. La estimación selleva a cabo en el campo por expertos y no se requiere análisis delaboratorio.

A pesar de que se han desarrollado guías sobre las metodologías de losbioindicadores, todavía quedan problemas no resueltos en cuanto a laestandarización y armonización de estas técnicas. Algunos de losproblemas son inherentes a los procedimientos y otros se deben alimitaciones por los tipos de plantas que pueden ser empleadas endiferentes regiones. En general, mientras menor sea la variación climáticaentre los sitios de las áreas de muestreo, será más fácil que se puedadesarrollar una técnica estandarizada que permita una comparación dedatos significativa. De cualquier manera, hay muchas variables cuyosefectos son muy difíciles de determinar, por ejemplo los efectos de losfactores bióticos de estrés (calor, sequías, etc.) o la adaptación aambientes contaminados. A la fecha, es todavía extremadamente difícil 36

Referencia 13.37

Referencia 14.


desarrollar procedimientos significativos de control de calidad para el usode bioindicadores en localidades enteramente diferentes. Las bibliografíasde algunos estudios de biomonitoreo se presentan en las referencias deeste manual y corresponden a los números 13, 14 y 15.

Dada la complejidad de los problemas involucrados actualmente, el usode las técnicas de biomonitoreo se limita a localizaciones específicas,particularmente en estudios de monitoreo de ecosistemas, proporcionandoinformación útil también a niveles regionales. Estas técnicas puedenestablecer los efectos de contaminantes en lugares donde no es deprimordial importancia el detallado conocimiento de la concentración delos mismos. La aplicación de estas técnicas a gran escala, en redesglobales, posiblemente se estudiará en un futuro cercano38 .

3.2. EQUIPO DE MUESTREO

3.2.1. Equipo para Muestreo Pasivo: Cuadros de Metodologías y Tipo de Equipos por Contaminante

Algunos gases y vapores orgánicos pueden ser muestreados pasivamente,o sea sin utilizar bombas, mediante el uso de dispositivos de monitoreogaseoso, que se encuentran disponibles en el mercado con una variedad dediferentes medios de colección que incluyen sólidos adsorbentes, medioslíquidos, cintas químicamente impregnadas y tubos rellenos de algúnreactivo. En cualquiera de estos casos la muestra de aire entra en contactocon el dispositivo por difusión y el contaminante de estudio es atrapadopor medio de alguno de los medios de colección que se mencionaronanteriormente. Ya colectada la muestra las técnicas de análisis que serequerirán dependerán del tipo de dispositivo y del químico muestreado yentre ellas se incluyen los métodos colorimétricos, cromatografía de gasesy otros métodos analíticos que se describirán en la sección 3.3.

Actualmente se define a un muestreador pasivo para especies gaseosascomo el instrumento capaz de tomar muestras de gases o vaporescontaminantes de la atmósfera a una tasa controlada por un proceso físicocomo la difusión a través de un estrato estático o su permeación a travésde una membrana pero sin involucrar el movimiento activo del aire39 .

38

Referencia 1, vol. l, anexo 3.39

Referencia 16.


Entre los dispositivos más usados que se encuentran disponibles en elmercado se cuenta principalmente con:

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

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

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

etcétera.

Los muestreadores pasivos con forma de distintivo, se muestran en lafigura. 3.1., en la que se puede observar a escala reducida el tamaño deldispositivo y sus componentes. Como se puede apreciar, la barrera dedifusión permite la toma de muestra exclusivamente por difusiónmolecular, siendo independiente de la velocidad del viento. El adsorbentey el absorbente, se seleccionará en función del químico que se requieramuestrear, siendo éste el compuesto que mejor colecte al contaminante deinterés. En el dispositivo, que se presenta en la figura, la abertura estáprotegida por una mampara contra el viento, pero existen otros quecuentan con un filtro de membrana para proteger a la misma.

Figura 3.1.


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

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

Figura 3.2

40

Referencia 18.

BARRERA DE DESORCION

CUBIERTA


TUBO DE PALMES (Ref.1.)

En general los muestreadores pasivos con forma de distintivo tienen unatasa de muestreo alta, pero un límite de detección inferior que el de lostubos de difusión. Generalmente, el período de exposición más corto paraun tubo de “Palmes” es de una semana, mientras que los muestreadoresdistintivo pueden ser expuestos por 24 horas o menos, lo cual permite lacomparación directa de la concentración resultado con los valoresrecomendados por la OMS. Sin embargo estos muestreadores distintivoson más susceptibles a la velocidad del viento, que puede producir unefecto de adelgazamiento de la capa laminar que se localiza en la fronteradel mismo y por la que las moléculas de gas se transportan a la entradadel muestreador por difusión molecular, lo cual indica que a altasvelocidades se producirá una mezcla turbulenta por este adelgazamientotrayendo como consecuencia una sobreestimación de las concentracionesambientales. Mientras que a velocidad cercana a 0 m/s la capa laminarserá tan gruesa que en la entrada del muestreador se agotará el gasmuestreado presentando reducciones de masa de hasta 30%. Paraminimizar estos efectos se recomienda proteger al muestreador con unamembrana micropore.

Figura 3.3


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

Los burbujeadores pasivos, son otro tipo de muestreador pasivo del tipode tubo de difusión, se muestran en la figura 3.3., y consisten de un tuboespecial largo con una garganta perforada y una tapa para retener un discode difusión Knudsen, que es el que precisamente controla la transferenciade gases dentro del medio acuoso sin que ésta sea afectada por el viento.Esta tapa deberá ser remplazada por una tapa sólida cuando el dispositivose transporte al laboratorio41 .

Como la instalación de un muestreador pasivo, del tipo de distintivo o detubo, no requiere de una línea de muestreo como en el caso demuestreadores activos y automáticos, se puede instalar en cualquier posteo señal de tránsito, generalmente por medio de una pinza o un sujetadorde alambre. Sin embargo, se debe de tomar en cuenta cuando se instala unmuestreador pasivo, tanto la velocidad como la dirección del viento,montando al muestreador verticalmente, con su lado abierto para abajo. Acontinuación en el cuadro 3.1, se presenta un ejemplo detallado de lasconsideraciones que se tienen que tomar en cuenta para armar, colocar ydesensamblar un muestreador pasivo y en la figura 3.4, se muestran suspartes.

Los colectores para polvo sedimentable, llamados también jarras parapolvo sedimentable, consisten básicamente en recipientes cilíndricos

41

Referencia 17.


abiertos en la parte superior, presentando un área sobre la cual laspartículas de gran tamaño y de mayor densidad pueden sedimentarse.Existen una gran variedad de diseños para su construcción, utilizándoseprincipalmente materiales como: vidrio, polietileno y acero inoxidable. Enla figura 3.5, se presentan algunos de estos diseños. En la práctica serecomienda tener un diseño uniforme de estos dispositivos dentro de unamisma red para poder comparar los datos obtenidos de una estación aotra.

Hay diversos métodos especiales que no pueden clasificarse en ningunacategoría y que han resultado muy útiles en la determinación de lapresencia de algunos contaminantes, entre los que tenemos papelesindicadores, tiras de hule, velas de peróxido de plomo, etc. Los papelesindicadores son del tipo del de tornasol y del indicador del pH. Consistenen un trozo de material absorbente cuya superficie está impregnada conun reactivo seco y suelen ir acompañados de una tabla de colores paracomparar el cambio después de exponerlo a la muestra. Las tiras de hulecomo su nombre lo indica son tiras delgadas de hule que se cuelgan paradeterminar el ozono por medio del resquebrajamiento que se produce enlas mismas en presencia de este contaminante. La vela de peróxido deplomo es un método antiguo que consiste en un cilindro recubierto conuna capa seca de suspensión de peróxido de plomo que absorbe el anhídri-do sulfuroso por largos períodos de tiempo. Sin embargo, se debe enfa-tizar que estos métodos sólo sirven como indicadores de contaminación.

Los métodos modernos de muestreadores pasivos que incluyen a los deforma de distintivo y los tubos de difusión, se distinguen de los otrosmétodos como el de la antigua vela de peróxido de plomo, en que estosmétodos modernos, sí cuentan con un patrón de difusión, a diferencia delos otros que no cuentan con éste. Lo cual permite obtener las concen-traciones aceptables que se requieren para que los resultados obtenidospor medio de diferentes equipos sean comparables42 .

Cuadro 3.1.

RECOMENDACIONES DE UN PROTOCOLO PARA MUESTREO DE O3

UTILIZANDO EL MUESTREADOR PASIVO OGAWA.

42

Referencia 1, vol. 4, pág. 3.


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

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

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

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

nitrato por lo que deben de utilizarse y analizarsepreferentemente dentro de las 4 semanas subsecuentes a surecubrimiento. En ocasiones se han llevado a cabo análisisseguros entre 6 a 8 semanas.

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

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

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

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

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

que estos no se doblen ni dañen y que quedenperfectamente planos.

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

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

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


nitrógeno.• Para muestreos de exposición personal, deberá colocarse

cerca de la zona de inhalación. Preferentemente en la orilladel cuello de la camisa.

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

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

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

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

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

DESENSAMBLE YCONSERVACIÓNDE LA MUESTRA

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

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

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

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

• No tocar la superficie plana de la tapa de difusión alquitarla.

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

Coloque el filtro en el vial de campo. En caso de que el filtrono entre fácilmente dóblelo utilizando un par de pinzaspreviamente lavadas.

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

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

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

BLANCOS En cada paquete de filtros existe algo de conversión de nitrito a


nitrato sin que se haya expuesto a ozono. Debido a esto lasmuestras de campo necesitan ser corregidas por medio de unblanco. Esta conversión depende del manejo y envejecimientodel filtro, por lo cual si el paquete se divide para ser usado endiferentes tiempos de muestreo o de análisis, los blancosdeberán dividirse para cada subgrupo:• Se recomienda un mínimo de 5% de blancos de campo.• Hasta 10% de blancos para obtener promedio de

correcciones por blanco para los análisis de cromatografíade iones.

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

laboratorio especializado.•

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

20.


Figura 3.4

I I

I I

II

I

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

Figura 3.5

COLECTORES PARA POLVO SEDIMENTABLE


Se puede concluir que a pesar de que los muestreadores pasivosmodernos, presentan grandes ventajas en cuanto a su costo de inversióninicial y manejo, hay que considerar el costo adicional debido al análisisde los filtros y además es muy importante evaluarlos bajo diferentescondiciones climáticas, geográficas y culturales para llevar a cabo losajustes necesarios, antes de que sean usados en estudios a gran escala.

A continuación presentaremos en el cuadro 3.2, los tipos de equipos paramuestreo pasivo que más se han utilizado en el campo, principalescontaminantes que se pueden muestrear con estos dispositivos yrecomendaciones técnicas de personal calificado que ha trabajado conestos equipos.

También se presenta en el cuadro 3.3, las metodologías actuales paramuestreos pasivos de diferentes especies de contaminantes gaseosos, queya están desarrolladas y han sido probadas. En este cuadro sólo semenciona el nombre de la tecnología, su método de análisis y algúncomentario referente a la misma. Para mayor información sobre eldesarrollo de cada una de estas metodologías habrá que consultar surespectiva referencia bibliográfica o el resumen que se presenta en elvolumen 4, de WHO/UNEP GEMS/AIR43 . Información adicional sobrealgunas de estas metodologías se presenta en los artículos cuyasreferencias bibliográficas se encuentran comprendidas en el capítulo 9 deeste manual, desde la número 16 hasta la 28.

43

Referencia 1, vol. 4.


Cuadro 3.2.

TIPOS DE EQUIPO PARA MUESTREO PASIVO

TIPO DE EQUIPO CONTAMINANTE RECOMENDACIONES

Distintivos Pasivos Principalmente para vaporesorgánicos (VOCs) y algunos

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

Deberá seleccionarse unamembrana inerte para evitarefectos en el gas muestreado.

Tubos de Difusión:absorbentes y adsorbentes

Tubos de “Palmes”

VOCs, NH3, HNO3, Cl2.

NO2, SO2.

El tiempo de almacenaje deberáser lo más corto posible,

utilizándose un congelador.

Es muy importante que se coloqueprotegido del viento, para que sufactor de difusión sea constante.

Burbujeadores Pasivos Formaldehídos principalmente No olvidar remplazar la tapa queretiene el disco de difusión por unatapa sólida cuando el dispositivo se

transporte al laboratorio.

Depósitos de polvos,colectores de polvos

sedimentables

Polvos sedimentables. Utilizar un diseño uniforme deestos dispositivos dentro de una

misma red.

Papeles Indicadores Bromo; cianuro de hidrógeno;fluoruro de hidrógeno y

anhídrido sulfuroso

Es de suma importancia lapreparación y almacenamiento de

estos papeles.

Tiras de Hule Ozono Método usado únicamente comoindicador.

Vela de Peróxido de Plomo Anhídrido sulfuroso Método usado únicamente comoindicador. Debe colocarse por

triplicado por problemas deanálisis y conservación de la

muestra.

Cuadro 3.3.

METODOLOGÍAS DE MUESTREO PASIVO PARA DIFERENTES ESPECIES GASEOSAS CONTAMINANTES

CONTAMINANTE METODOLOGÍA ANÁLISIS COMENTARIOS LÍMITES DE DETECCIÓN

NO2

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

Espectrofotometría.Espectrofotometría.Espectrofotometría.Espectrofotometría.Cromatografía deiones.Espectrofotometría.

La cromatografía de iones esmuy cara pero también midesulfatos.

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

NO Método de Yanagisawa y Nishimura,usando como oxidante a CrO3.*

Espectrofotometría. Agente oxidante tóxico einestable.

66 ppb h a.

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

Desorción térmica, cro-matografía de gases condetector de ionizaciónde flama, después de laconversión a metano.

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

30 a1600 ppm h.

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

Cuadro 3.3.(continuación)


CONTAMINANTE METODOLOGÍA ANÁLISIS COMENTARIOS LÍMITES DEDETECCIÓN

O3

Método desarrollado por Monn y Hangartner. *

Método de Grosjean y Hisham basado en elcolorante carmin índigo.*

Método basado en la oxidación de nitritos anitratos, Método de Ogawa. *

Método de oxidación de yoduro de potasio. *

Espectrofotometría

Reflectancia

Cromatografía deiones

Espectrofotometría.

La reacción es sensible a laluz.

Se pueden realizar en elsitio mediciones directas.

Mediciones realizadas coneste método han sidocomparadas con las lleva-das a cabo con monitoresautomáticos.

No le afectan los cambiosde humedad y tempera-tura.

400 ppb h a.

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



CONTAMINANTE METODOLOGÍA ANÁLISIS COMENTARIOS

SO2

Método colorimétrico de West-Gaekeo de Tetracloromercurato.*

Método de Hangartner, utilizandotubos de difusión de Palmes, con unamezcla de trietanolamina/glicol comoreactivo.*

Método de Hargreaves y Atkins,utilizando tubos de Palmes e hidróxidode potasio y glicerol como reactivos.*

Método de Fern, utilizando un filtroimpregnado con carbonato de sodio yglicerina como reactivos.*

Método que utiliza como reactivos aTEA (Trietanolamina) y carbonato desodio. *

Espectrofotometría(Pararrosanilina).

Espectrofotometría(Pararrosanilina).


Cromatografía de iones.

Método de Thorin despuésde intercambio iónico.

Inestabilidad de la muestra y problemascon su disposición.

No se obtiene concordancia adecuadacon otros métodos de medición.

Técnica de análisis sensible al pH, porlo que se recomienda cromatografía deiones.

Metodología comúnmente usada enciudades urbanas y estudios de fondo enSuecia.

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




NMVOC**

Método de adsorción utilizando Tenax

como adsorbente.*

Método de adsorción utilizando Porapackcomo adsorbente.*

Método de adsorción utilizando carbóncomo adsorbente.*

Desorción térmica GC-ECD, GC-PID.***

Desorción térmica GC-FID. ***

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

El adsorbente Tenax es muy inestable.Las metodologías aquí mencionadas sonlas que utilizan los adsorbentes máscomúnmente usados, sin embargo, laselección del adsorbente más apropiadodependerá de la espacie o rango deespecies que se quieran muestrear.

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


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

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

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

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

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

44


INTRODUCCIÓN AL MONITOREO ATMOSFÉRICO 63

Para el muestreo de gases:

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

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

• Instrumentos de adsorción, para colectar gases orgánicos yalgunos inorgánicos45 .

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

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

Para el muestreo de partículas:

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

suspendidas.

Las bolsas de plástico y depósitos de vidrio o de metal son recipientesinertes en los cuales se introduce por bombeo una muestra de aire. Sonmuy útiles para el muestreo de compuestos como metano, etano ypropano y gases estables como N2, O2, CO y CO2. Sin embargo, no serecomiendan para gases reactivos como O3, NOx y SO2, los cuales espreferible capturarlos y estabilizarlos por medio de alguna técnicaquímica de absorción previa a su análisis. Actualmente se ha difundido eluso de “canisters” de acero inoxidable para muestreos de hidrocarburos,bajos niveles de tóxicos en el aire, halocarburos y VOCs, a los cuales seles aplica un pulimiento en su interior de manera que se reducen losbordes o imperfecciones de la superficie de metal expuesta a la adsorciónde los gases46 .

Entre los instrumentos que más se usan para la colección de muestras degases se tienen a las botellas o frascos que contienen medios de colecciónabsorbentes para la absorción en fase líquida de gases. Esta fase líquidatiene que ser estable y no puede ser volátil, corrosiva, viscosa, espumosa,ni cara. Las principales fases líquidas que se utilizan en el campo lastenemos agrupadas en el cuadro 3.4, donde se presentan también algunosgases que se pueden absorber en ellas.

45

Referencia 2, pág. 27.46

Referencia 29, pág. 40.


Las reacciones a que se someten los contaminantes absorbidos general-mente son colorimétricas o fotométricas, por lo que es necesario añadir unreactivo que produzca color, en caso de requerirse, o esperar a que éste seproduzca antes de medirlo en un colorímetro (generalmente 30 min.). Enestos métodos de absorción se utiliza siempre un testigo que no estáexpuesto al contaminante para marcar el punto cero, y todas las lecturasdel colorímetro se comparan con curvas de calibración preparadas consoluciones estándar. En los laboratorios se cuenta con métodos deanálisis de las soluciones como titulación, conductividad, turbidimetría,fotometría, cromatografía y otros.

Cuadro 3.4.

FASE LÍQUIDA PRINCIPALES GASES MUESTREADOS

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

ETANOL Ésteres yaldehídos orgánicos

ÁCIDO CLORHÍDRICO(Diluido)

Aminas primarias.

SOSA CÁUSTICA(Diluida)

Cianuro de hidrógeno yanhídrido sulfuroso.

COMPUESTA DE UN SOLVENTE Y UNREACTIVO**

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

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

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


enormemente la superficie de contacto, lo cual proporciona un mejornivel de absorción. Entre estas botellas se destacan como más usadas:

a) La Botella de Muenke.b) El “impinger”.c) La Botella de Fritten (ver figuras 3.6)47

Figura 3.6

IMPINGERS (Cortesía SKC. Ref. 17) FRASCOS ABSORBENTES (Ref. 2).

En la Botella de Muenke el aire muestreado es conducido hacia los ladosoblicuamente dentro del líquido absorbente, siendo un modelo en el quese conjuntan los dos tipos descritos anteriormente y proporcionando tantoventajas de manejo de flujo y fácil limpieza como calidad de absorción.

El “Impinger” es uno de los instrumentos más difundidos del tipo de cho-que, se utiliza principalmente para gases muy solubles en donde losniveles de absorción en la reacción química entre el gas que se analiza yel líquido absorbente son elevados. Tiene la ventaja de que puede manejarflujos elevados de volumen de aire y son muy fáciles de limpiar.

47



Las Botellas de Fritten se presentan en diversas construcciones y son deltipo burbujeadores de gases, todas contienen una capa de vidrio poroso degrano más o menos fino que separa al gas que entra, permitiendo unabuena dispersión a velocidades muy bajas. Se utilizan para gases menossolubles en donde se requiere de una dispersión suficiente para que semezclen bien, radicando su ventaja en la calidad de la absorción.

Otro instrumento de colección de muestra es el recipiente que puede serun frasco o tubo de vidrio, en el que se lleva a cabo de manera discontinuala adsorción, en vía seca, de un gas de interés en un material adsorbenteque puede ser silicagel, carbón activado, algún polímero como Tenax, opelotas de vidrio o de plata revestidas. Entre estos instrumentos decolección de muestra se encuentran los tubos indicadores activos en losque se fuerza el paso de aire mediante una bomba, a través de los mismos,consisten de un tubo de vidrio sellado en ambos extremos, que contieneun material granulado inerte en el que se ha absorbido un reactivo. Parautilizarlos se rompen los extremos del tubo y se hace pasar por él unacantidad medida de aire para que se coloree el interior del tubo. El tonodel color y la longitud de la banda comparados con la cantidad de gas queha pasado, indicarán la concentración del contaminante. Sin embargoestos tubos se utilizan principalmente en las pruebas de seguridadindustrial o de exposiciones personales y no en monitoreos de calidad deaire rutinarios (ver figura 3.7).

Figura 3.7

TUBOS INDICADORES (Cortesía SKC. Ref. 17)

El “Denuder” consiste en un tubo cuyas paredes interiores estánrevestidas con una sustancia química absorbente que atrapa al gas de


interés. El aire muestreado se hace pasar por el tubo en condiciones deflujo laminar de manera que se produzca la difusión del gas hacia lasparedes del mismo tubo, absorbiéndose el gas de interés y separándose asídel resto de la muestra. Mientras tanto, las partículas continuarán su pasopor el tubo para ser atrapadas por un filtro a la salida de este. Usualmentese colocan varios tubos concéntricos para aumentar la superficie decontacto (ver figura 3.8).

Figura 3.8

DENUDER (Ref. 2).

Los filtros impregnados químicamente se utilizan para la absorción oreacción química de contaminantes, se preparan mediante la imersión deestos filtros en una solución química seleccionada, secándolos despuésprevio a su uso. Durante el muestreo el aire se hace pasar por el filtro y elcontaminante de interés reaccionará con el químico en el filtro. Elproducto de la reacción será después analizado para determinar lacantidad de contaminante presente en el aire muestreado.

En el cuadro 3.5, se presentan los métodos de colección para muestreoactivo que más se utilizan en el campo, principales contaminantes que secolectan con estos dispositivos y recomendaciones técnicas de personalcalificado que ha trabajado con estos equipos.

Existen cientos de métodos activos principalmente de absorción que hanaparecido publicados en revistas como Analytical Chemistry, Journal ofthe Air Pollution Control Association, American Industrial Hygiene

TUBO


Association Journal. y Health Laboratory Science Journal. Sin embargono es el objetivo de este manual recopilar todas las metodologíasexistentes hasta ahora, sino enumerar las más utilizadas y reconocidas delos principales contaminantes atmosféricos, por lo que a continuación sepresentarán, en el cuadro 3.6, las metodologías actuales para muestreosactivos de especies de contaminantes gaseosos, que ya están desarrolladasy han sido probadas. En este cuadro, al igual que en el cuadro 3.3, sólo semenciona el nombre de la metodología, su procedimiento de análisis yalgún comentario referente a la misma. Para mayor información sobre eldesarrollo de cada una de estas metodologías habrá que consultar surespectiva referencia en el libro Methods of Air Sampling and Analysis,referencia bibliográfica número 29 del capítulo 9, en el resumen que sepresenta en el volumen número 4, de UNEP/WHO Global EnvironmentMonitoring System (GEMS/AIR)48 o en algún manual de los quemencionaremos a continuación.

Para información sobre metodologías de algún otro contaminanteatmosférico diferente a los que se manejan en este manual se puedenconsultar los métodos publicados anualmente en la parte 26 del libro deEstándares de la ASTM, la segunda edición del Manual ISC-USApublicado en 1977, o Métodos Selectos de Medición de ContaminantesAtmosféricos, publicado en 1976 bajo el patrocinio del PNUMA y de laOMS, Normas ISO, o en el Manual de Control de Calidad del Airepreparado por la Comisión para la Prevención de Contaminación del Airede la VDI.

48

. Referencia 1, vol. 4.


Cuadro 3.5.

MÉTODOS DE COLECCIÓN PARA MUESTREO ACTIVO

MÉTODOS DECOLECCIÓN

CONTAMINANTE RECOMENDACIONES

Bolsas de plástico y depósitosde vidrio o de metal.

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

algunos vapores tóxicosy VOCs.

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

Absorción en fase líquidaen frascos o botellas.

SO2, NOX

Algunos de estos frascosdeberán meterse en hielodurante su colección.

Instrumentos de adsorción, paracolectar gases orgánicos y

algunos inorgánicos.

NO2, PAN (Nitrato dePeroxiacetilo)

Capacitación en el mane-jo de las muestras ya queestas pueden variar con latemperatura.

“Denuders” para la separaciónpor difusión de gases de

partículas.

Aerosoles y gasesácidos, ácido nítrico,bióxido de azufre y

amoniaco.

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

Filtros impregnadosquímicamente.

SO2

Verificar que el materialdel filtro no reaccione conel químico a impregnar.

Instrumentos Activos Portátiles para el muestreo de gases

Con la finalidad de medir exposiciones personales en ambientes detrabajo y para estudios epidemiológicos, se han desarrollado equipos paramedir contaminantes atmosféricos que utilizan bombas portátiles,accionadas por baterías e instrumentos de colección con los mismosmétodos de colección que los expuestos en este capítulo, pero de untamaño adecuado para que se puedan colgar del cuello de la camisa o dela chamarra de una persona. Entre estos instrumentos se tienen:

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

“chromosorbs”.

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


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

Figura 3.9

DIFERENTES TIPOS DE MUESTREADORES ACTIVOS PORTÁTILESPARA GASES Y VAPORES.

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

49

Referencia 28.

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


NO2

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

Método TGS - ANSA +. *

Método de película de sorbente sólido.*

Espectrofotometría o Colorimetría.


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

No es recomendable para períodos demuestreo igual o mayor a 24 h.

Ventajas en la estabilidad de la reacción conrespecto al método de Saltzman.Completa eliminación de pérdidas de lasolución. Fácil manejo. Principio aplicablepara la determinación de otras especies:SO2, HF, HCl, H2S y fenol.

O3 Método NBKI.++. *(Rango de detección 5 ppb a >1 ppm)


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

HC Colección en “canister” de aceroinoxidable.

Cromatografía de Gases.No es el método de referencia, sin embargoéste es el procedimiento más aceptadoactualmente.

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

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

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


COColección en bolsa de plástico. Monitor de CO.

No existe disponible un muestreador activoper sé. Sin embargo es posible colectar unamuestra durante un tiempo determinado yllevarla a análisis, gracias a que el CO esinerte en estas condiciones.

SO2

Método acidimétrico. ∗

Método de cromatografía de iones.*

Método de pararrosanilina o de TCM.+++ .* (Rango de detección 10 ppb a 0.4ppm)

Método de Thorin.*

Método de filtro impregnado.*

Titulación.

Cromatografía de iones.

Espectrofotometría o colorimetría.

Método de Thorin con espectro-fotometría o titulación.

Extracción, método de Thorin ocromatografía de iones, para análisis.

Método no específico para SO2, mide acideztotal. La interferencia de amoniaco producebajos resultados.Específico para iones sulfato.

Requiere manejo y disposición especial delos compuestos tóxicos de mercurio.

Remover fosfato para evitar interferencias,por medio de precipitación o intercambioiónico.Procedimientos analíticos complejos al igualque en el Método de Thorin.

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

+++ TCM: Tetracloromercurato.


Muestreo de partículas

El análisis completo del material particulado que contiene una muestraatmosférica es más complicado que el de una muestra gaseosa, ya quecomprende además de la colección de la muestra, y su análisis químico, laclasificación por tamaños o la identificación morfológica de las partículas.

El material particulado aerotransportado está compuesto de partículassólidas y líquidas, suspendidas y dispersas en el aire. Las propiedades deestas partículas varían en términos de su composición química,morfología (tamaño/forma), parámetros ópticos (color/dispersión de laluz) y características eléctricas (carga, resistencia). Debido a que son detamaño, forma y composición variada, para su identificación en cuanto asu tamaño y forma, se han clasificado en términos de diámetroaerodinámico, que se define como el diámetro de una esfera con densidadde 1 g/cm3 (densidad unitaria), con la misma velocidad terminal debida ala fuerza gravitacional en aire en calma que la partícula en cuestión, bajolas mismas condiciones de presión, temperatura y humedad relativa50 .

Cuando el diámetro aerodinámico de la partícula es menor a 0.5 µm., seutiliza el diámetro de difusión de la partícula en lugar del diámetroaerodinámico, el cual corresponde al diámetro de una esfera con el mismocoeficiente de difusión que el de la partícula, bajo las mismas condicionesde 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 masacon 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 partículascuyo diámetro es menor a 2 µm. Estas partículas se dividen en ultrafinas ode nucleación y las de acumulación. Las de nucleación, tienen diámetrosinferiores a 0.08 µm., y provienen de fuentes de combustión o delenfriamiento de gases inmediatamente después de su emisión, siendo sutiempo de vida media generalmente menor a una hora, debido a querápidamente coagulan con partículas más grandes o sirven de núcleo agotas de lluvia y neblina. Al rango de diámetro de partículas finas quecomprende de 0.08-2 µm. se le conoce con el nombre de acumulación, ya 50

Referencia 1, vol. 3, pág. 3.51

Referencia 33.


que estas partículas son el resultado de la coagulación de pequeñaspartículas emitidas por fuentes de combustión, de la condensación deespecies volátiles, de la conversión de gas a partículas y de partículasfinas de suelos52 .

Figura 3.10

MESOESCALA / SUBURBANA

SITIO COSTERO

PROMEDIO INDUSTRIAL /URBANOTRÁFICO URBANO

INDUSTRIAL

MA

SA

TO

TA

L D

E P

AT

ICU

LAS

AE

RO

TR

AN

SP

OR

TA

DA

S

DIÁMETRO AERODINÁMICO (MICRAS)

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

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

En este rango de partículas finas se encuentran contenidos los aerosolesprimarios de carbón (hollín), resultado de la combustión incompleta y losaerosoles secundarios (la mayoría del ácido sulfúrico, bisulfato deamonio, sulfato de amonio, nitrato de amonio etc.), resultado detransformaciones químicas seguidas por procesos de condensación. Engeneral concentra-ciones elevadas de partículas finas han caracterizado alos episodios de contaminación fotoquímicos (como el smog de LosÁngeles) y a los episodios de partículas y SO2 (como el de Londres).Todas estas partículas se originan en su mayoría por actividadesantropogénicas.

52

Referencia 34.


Se les llama partículas gruesas a las partículas cuyo diámetro es mayor a2-3 µm, y resultan principalmente de procesos mecánicos como laresuspensión, abrasión o fricción, son predominantemente de origennatural o geológico (como óxidos de aluminio, silicón, calcio, titanio yhierro), y se agrupan entre éstas las esporas, el polen, suelos, partículas dehojas, polvos generados por el tráfico o producto del desgaste de lasllantas y partículas de emisiones industriales como fábricas de cemento ycanteras. En la superficie de estas partículas gruesas pueden adsorberseotras especies contaminantes.

La fracción de partículas aerotransportadas que son inhaladas por elcuerpo humano, dependen de las propiedades de las partículas, delmovimiento del aire alrededor del cuerpo, velocidad y dirección, patrónde respiración y si ésta se lleva a cabo por la nariz o por la boca. Estaspartículas inhaladas pueden depositarse en el tracto respiratorio oexhalarse, la probabilidad depende de una gran cantidad de factores yvaría de una persona a otra. Sin embargo es posible definir valores típicospromedio de depósito de partículas en el tracto respiratorio de acuerdo asus diámetros (ver figura 3.11).

Figura 3.11

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

Extratorácica


Debido a que el daño en la salud del individuo estará en función de dóndese depositen las partículas y del tipo de partícula que entra al tractorespiratorio, se han implementado muestreos selectivos en cuanto altamaño de las partículas sobre todo cuando los muestreos se relacionancon la salud. De esta manera la ISO, ha dado definiciones para lasdiferentes fracciones de partículas suspendidas, con la finalidad deestablecer convenciones que fijen curvas objetivo de muestreo para losinstrumentos de colección de una fracción dada. Siendo estas definicioneslas que se resumen a continuación53 .

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

• Fracción Inhalable: Fracción de la masa del total de partículasaereotransportadas, el cual es inhalado por la boca o la nariz. Convención:el 50% de estas partículas corresponden a un diámetro aerodinámico de100 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 elpolen.

• Fracción Torácica: Fracción de la masa de las partículas inhaladas, lascuales penetran más allá de la laringe, refiriéndose a la región de losbronquios. Convención: el 50% de estas partículas corresponden adiámetros 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 partículasinhaladas que penetran más allá de la laringe, pero que no llegan a losconductos aéreos no ciliados. Aproximadamente el 50% de estas partículascorresponden también a diámetros de 0 a 10 µm.

• Fracción Respirable: Fracción de la masa de las partículas inhaladas quepenetran a los conductos aéreos no ciliados. También se les conoce comoFracción Alveolar. Convención: 50% de estas partículas corresponden adiámetros de 4 µm. para población adulta saludable y de 2.5 µm. parapoblación de alto riesgo (PM4 y PM2.5), no siendo mayores a 12 µm.

53

Referencia 3354

D50 significa diámetro aerodinámico de corte al 50%, lo cual implica que si dos partículas con el mismoD50 tratan de penetrar, se espera que cuando menos una de ellas lo logre. El diámetro de corte superiorimplica que ninguna partícula mayor al diámetro aerodinámico que corresponde a este diámetro de cortesuperior podrá penetrar.


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

Figura 3.12

TOTAL DE PARTÍCULAS AEROTRANSPORTADAS MPS

CONVENCIÓN INHALABLE

CONVENCIÓN TORÁCICA

CONVENCIÓNRESPIRABLEADULTO SANO

CONVENCIÓNPOBLACIÓN DE ALTORIESGO

CO

NV

EN

CIÓ

N D

EL

PO

RC

EN

TA

JE M

PS

5

DIÁMETRO AERODINÁMICO (MICRAS)

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

AEROTRANSPORTADAS (Ref. 1).

Otras definiciones que son utilizadas por el Comité Europeo para laestandarización son55 :

• Material de Partículas Suspendidas (MPS): que se refiere a todas laspartículas rodeadas por aire, en un determinado volumen de aire noperturbado.

• Partículas Suspendidas Totales (PST): es una estimación de MPScolectado por el HVS56 .

• Material de Partículas Suspendidas Total (MPST): es el valor real deMPS y se mide con un equipo conocido como WRAC que se describirá acontinuación.

55

Referencia 35.56

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


El tamaño de partícula que se requiere muestrear estará definido por losrequerimientos de calidad de los datos que se fijen para cumplir con losobjetivos de monitoreo. En general las PST deberán muestrearse cuandoel objetivo es efectos ambientales, muestreos de rutina, identificación defuentes y estimación de componentes del total de partículas relacionadoscon la salud, como por ejemplo el plomo. Mientras que el muestreofraccionado o por tamaño de partículas es más apropiado para evaluarefectos en la salud y compararlo con las recomendaciones que marca laOMS. Actualmente se han desarrollado sistemas de muestreo de tamañoselectivo 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 muestraque se lleva a cabo generalmente por medio de un equipo en el que el airees succionado por medio de una bomba a través de un filtro (siendo este elmedio de colección) que se coloca herméticamente en un portafiltro, laidentificación o distribución del tamaño de las partículas suspendidas,para la que se utilizan instrumentos como impactores, ciclones, etc., y lacuantificación de su masa y de sus componentes químicos por medio delanálisis de la muestra, que al igual que el de los gases se describirá en lasección 3.3, de este manual.

Entre los equipos más utilizados para el muestreo de partículas tenemos alos muestreadores de: Altos Volúmenes (HVS), Volúmenes Medios(MVS) y Bajos Volúmenes (LVS) y el Clasificador de aerosoles deamplio rango (WRAC).

El HVS, Muestreador de Altos Volúmenes: consta básicamente de unabomba de vacío, marco de sujeción del filtro, empaques, un adaptador delmarco, un registrador del flujo (o un dispositivo de medición del flujo engeneral) y un controlador de tiempo. Todo esto se halla cubierto con unacoraza de protección como se muestra en la figura 3.13. En este métodode 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 decolección miden alrededor de 25 - 30 cm.

En todos estos equipos es muy importante la calibración del dispositivopara medir el flujo y el acondicionamiento del filtro antes y después deser expuesto al muestreo. Estos filtros ya acondicionados por lo menospor 24 horas, se pesan en una microbalanza bajo condiciones estables detemperatura (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 ladiferencia en pesos del filtro antes y después del muestreo y el total delflujo de aire. También se recomienda acondicionar otro filtro igual“Blanco”57 a los filtros que se usarán en el muestreo. Este método esaplicable para mediciones de 24 h. en las que se obtienen promediosintegrados de concentraciones de masa de partículas en un rango de 1 - 5µg/m3 y tamaños de partículas desde 0.1 hasta 100 µm (dependiendo delviento). 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 haproporcionado la mayor parte de los datos de PST, ya que su costo esbajo, es muy durable y técnicamente es de fácil operación, sin embargodebido al diseño de este muestreador, cuando se tienen condiciones deviento y gran cantidad de partículas entre 50-100 µm. (D50 > 50) ocurreuna colección incompleta.

El MVS o Muestreador de Volúmenes Medios: cuenta con el mismoprincipio de funcionamiento que el HVS, pero su flujo de aire es delorden de 100 L/min. (aprox 150 m3/día). La dimensión de su entrada y desu 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 muestreodepende fuertemente de la velocidad del viento, decreciendouniformemente con esta velocidad hasta límites de diámetro de cortesuperior de 25-50 µm. Básicamente MVS, no es apropiado para medirPST, excepto para condiciones con baja concentración de partículasgruesas59 .

57

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

58 Referencia 1, vol. 3, págs. 19-20.

59 Referencia 1, vol. 3, págs. 19-20.


Figura 3.13

I

I

I I I I I

I

I I

MUESTREADOR DE ALTOS VOLÚMENESCON DIAGRAMA DE PARTES

(Ref. 36)El LVS o Muestreador de Bajos Volúmenes: es un muestreador similaral MVS, con el mismo principio de funcionamiento que el HVS, pero conun volumen de flujo muy inferior (aprox. 2 m3/día). Debido al pequeñovolumen muestreado, el límite de detección gravimétrica es alto (decenasde µg/m3), por lo que no se recomienda para aplicaciones gravimétricas.Principalmente se usa con el propósito de realizar análisis subsecuentes delas partículas depositadas en el filtro. También es comúnmente usadopara medir la opacidad y puede ser usado para el análisis de metales oaerosoles secundarios como aldehídos, peróxidos y ésteres. Las


características del muestreo dependen en menor grado de la velocidad delviento ya que su diámetro de corte superior es de 5-10 µm.60 .

El WRAC o Clasificador de aerosoles de amplio rango: es esencial-mente un HVS gigante con su mismo principio de funcionamiento. Estábasado en el diseño original de Burton y Lundgren61 . Su entrada centraltiene un diámetro de 60 cm. (el doble de la del HVS), y está protegido poruna coraza contra el viento de 160 cm de diámetro. El flujo de muestreoque maneja es de alrededor de 2,500 m3/h. (60,000 m3/día, 25 veces el delHVS), con una velocidad de entrada de aire de 2.3 m/s. Debido a susdimensiones físicas, el WRAC es el único sistema capaz de llevar a caboun muestreo representativo de partículas con diámetros aerodinámicosmayores 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 loque es considerado, por la Unión Europea como el muestreador dereferencia para llevar a cabo mediciones de MPST (Material de PartículasSuspendidas Total)62 .

Sin embargo a pesar de sus ventajas, el uso del WRAC es limitado debidoa su incómodo manejo en el campo, sus grandes dimensiones físicas, susrequerimientos de energía eléctrica trifásica y sus altos niveles de ruido.

Instrumentos para separar partículas en un rango de tamañodeterminado

Con la finalidad de determinar la concentración de las partículas en unrango de tamaño de partículas, se han desarrollado diferentesinstrumentos que se pueden adaptar a muestreadores como HVS y MHV,principalmente. Estos instrumentos selectivos en un rango de tamaño de 60

Referencia 1, vol. 3, págs. 19-20.61

Referencia 1, vol. 3, pág. 20. Referencia 37.62

Referencia 38.


partícula definen la fracción del tamaño de partícula que va a sermuestreada. Durante el muestreo el instrumento se coloca en el equipo demuestreo de manera que el aire es obligado a pasar por el instrumentoantes de atravesar el filtro, para que en el instrumento se remuevan laspartículas que excedan el diámetro aerodinámico especificado.

Estos instrumentos se caracterizan por sus curvas de efectividad demuestreo en las cuales se observa la fracción de partículas esféricas dedensidad unitaria las cuales penetran el instrumento como una función desu diámetro aerodinámico. Estas curvas se determinan haciendo pasar porel instrumento partículas de diámetro conocido y midiendo susconcentraciones antes y después de su paso por el mismo.

Los principios de operación que utilizan los diferentes instrumentos parala separación por rangos de tamaños de partículas son los siguientes63 :

Impactación directa: los instrumentos de impactación directa consistenen un conjunto de tubos inyectores circulares o rectangulares que secolocan en un plato de impactación. Las dimensiones del impactor seescogen de tal manera que las partículas del diámetro de corte deseadosigan las líneas de la corriente del flujo de aire dirigiéndose a los tubosinyectores, mientras que las partículas mayores, con suficiente inercia, sesalgan de las líneas de corriente y se impacten contra el plato. Existenimpactores para un solo rango de tamaño de partícula como los PM10cuyo D50 es de 10 µm; y otros llamados impactores en cascada quemiden al mismo tiempo varios rangos de tamaños de partícula.

Impactación virtual: Opera con un principio similar al anterior, con laexcepción de que la superficie de impactación se reemplaza por unaapertura la cual dirige las partículas grandes a un sustrato de muestreo,mientras que las pequeñas siguen las líneas de flujo a otro sustrato. Elrebote de las partícula y su reincorporación al flujo se aminoran con estemétodo, sin embargo una parte del flujo total (aprox. un 10%), pasa através del impactor.

Flujo ciclónico: los instrumentos con este principio de operación usan unimpulsor para impartir un movimiento circular al aire que entra al instru-mento. Este aire entra en un tubo cilíndrico orientado perpendicularmenteal impulsor y la fuerza centrífuga impartida a las partículas en la corriente

63

Referencia 34.


de aire las mueve hacia las paredes de este tubo, separando las que siguenla corriente de flujo de las que alcanzan la pared del tubo. Las partículasque alcanzan las paredes del tubo se adhieren a él, gracias a que éste seengrasa, o se depositan en una tolva en la parte inferior del tubo decolección.

Filtración selectiva: el principio de estos métodos de separación consisteen utilizar el tamaño uniforme del poro de un filtro determinado paraseparar un rango de tamaño de partículas. Existen en el mercado, filtrosde policarbonato de efectividad de muestreo conocida fabricados porCorning CoStar, (llamada anteriormente Nuclepore Corporation). En esteprocedimiento se utiliza un pre-filtro para separar las partículas grandes,mientras que las pequeñas pasan a un filtro de retención. El análisismicroscópico muestra que las partículas grandes son colectadas porimpactación e intercepción alrededor de los poros.

Elutriación: procedimiento mediante el cual las partículas se separan porasentamiento. El aire entra en una cámara de aire en calma que rodea alducto que comunica con el filtro, en donde las partículas que tienenvelocidad de asentamiento menor a la velocidad del flujo penetran alducto y las otras cuya velocidad de asentamiento es mayor a la del flujono son transmitidas.

Difusión utilizando “Denuders”: este instrumento que utiliza comoprincipio la difusión de las partículas gaseosas y que también se utilizapara muestrear gases, sirve para remover los gases que pueden interferiren las mediciones de aerosoles. Se presenta en diferentes formasrectangular, cilíndrica o anular, siendo ésta última la que presenta lamayor eficiencia de colección del gas.

Con el objeto de resumir y presentar objetivamente diferentes equipospara la colección de partículas suspendidas y sus instrumentos deseparación por rangos de tamaños, presentamos a continuación en elcuadro 3.7, algunos de los equipos de muestreo indicados para colectarlos diferentes rangos de tamaño de partículas y los comentarios yrecomendaciones al respecto de los mismos. En las referenciasbibliográficas 1, 2, 32, 34 a 45 se encuentra información adicional deestos equipos.

Instrumentos Activos Portátiles para el muestreo de partículas


Al igual que el muestreo de gases, existen instrumentos a escalaportátiles para determinar la exposición personal de los individuos en suambiente de trabajo o en microambientes. Entre estos tenemos (ver figura3.14):

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

Figura 3.14

DIFERENTES TIPOS DE MUESTREADORES ACTIVOS PORTÁTILESPARA GASES Y VAPORES

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

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

TAMAÑO DE PARTÍCULA(DEFINICIÓN ISO)

INDICADOR DE TAMAÑO DEPARTÍCULAS SUSPENDIDAS

EQUIPOS DEMUESTREO

RECOMENDACIONES YCOMENTARIOS

Total de Partículas Aerotransportadas.

MPST

PST

WRAC

HVS

KLEINFILTERGERÄT

Método de referencia de la ComunidadEuropea.Decremento del flujo por taponamientodel filtro en ambientes muy húmedos ycon partículas grasosas. Método dereferencia de la EPA.Aparato pequeño de filtración, métodode referencia de la TA Luft, Alemana.

Fracción Torácica. PM - 10

WRAC (< 10 )

Partisol 2000

HVS + IMPACTOR PM10,tipos de Impactores:

Andersen SA 1200Andersen SA 246B

Uso restringido por sus dimensiones,gran consumo de energía y difícilmanejo. Se utiliza únicamente comoequipo de referencia.Muestreador de bajo volumen. Métodode referencia de la EPA.Habrá que limpiar y engrasar lasuperficie de impacto para evitar elreingreso de las partículas al flujo.Fácil acceso para engrasado.La entrada se destornilla para teneracceso al plato de impacto. Requiere debomba reguladora de flujo.

Cuadro 3.7. (continuación)EQUIPOS DE MUESTREO PARA DIFERENTES TAMAÑOS DE PARTÍCULAS

TAMAÑO DE PARTÍCULA(DEFINICIÓN ISO)

INDICADOR DE TAMAÑO DEPARTÍCULAS SUSPENDIDAS EQUIPOS DE MUESTREO

RECOMENDACIONES YCOMENTARIOS

Fracción Torácica PM - 10

Andersen SA 254

PM10 KLEINFILTERGERÄT

HVS + entrada ciclónica

MVS + IMPACTOR PM10DICHOTOMOUS(Impactor Virtual)

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

Fracción Respirable PM 2.5

PM 2.5 KLEINFILTERGERÄT

Partisol 2000

Impactor WINS

Bomba con flujo regulado, de 2m3/h.Cabezal PM 2.5. Probado satisfacto-riamente en el campo.

Con cabezal PM 2.5. Está siendoprobado en Europa (1997), en el campo.

A prueba 1997. Posible método dereferencia de la EPA.


Otro factor que se tiene que tomar en cuenta en el muestreo de partículases la selección del filtro y del portafiltro que se va a utilizar. Un filtropara el muestreo de partículas consiste en un material compuesto de fibrasfuertemente entretejidas entre sí o de una membrana plástica con porosmicroscópicos. La selección del tipo de filtro que debe de utilizarsedepende del tipo de muestreo que se está llevando a cabo y de sussubsecuentes análisis químicos y físicos. No existe un filtro apropiadopara todos los análisis, sin embargo a continuación se enumeran algunascaracterísticas que deberán considerarse al seleccionar un filtro64 y 65 :

• Eficiencia de muestreo de partículas: un filtro deberá remover más del 99% delas partículas suspendidas que se hacen pasar a través de él, sin importar eltamaño 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 demuestreo.

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

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

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

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

variables o significativas de las sustancias químicas que se están analizando.Cada paquete de filtros que no han sido expuestos debe ser examinado paradeterminar las concentraciones del Blanco antes de que estos filtros seanenviados al muestreo. Por lo menos un filtro de cada lote (gral. 100 filtros) quese recibe del fabricante deberá ser analizado, para verificar que cumple con lasespecificaciones 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 yademás obtener un depósito adecuado. Las partículas colectadas no deberántaponarlo al grado que el flujo decrezca en el muestreador, ya que estoprovocaría un decremento en la eficiencia de colección.

64

Referencia 34.65

Referencia 46.


En lo que respecta a los portafiltros, estos se fabrican en una granvariedad de materiales, lo cual debe de tomarse en consideración cuandose miden compuestos reactivos. Características y recomendaciones de usode estos portafiltros se resumen en el estudio de la Dra. J. Chow (Ref. 34).

En el cuadro 3.8 se presentan los filtros más utilizados y las reco-mendaciones y los comentarios con respecto a su utilización.

Cuadro 3.8.

TIPOS DE FILTRO PARA MUESTREO DE PARTÍCULAS SUSPENDIDAS

TIPO DE FILTROCOMENTARIOS Y

RECOMENDACIONES

De Fibras:Celulosa

Fibra de vidrio

Fibra de Cuarzo

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

De Membrana:

Policarbonato(Nucleopore)

Teflón

Cloruro de Poli-vinilo (Millipore)

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

Fuente: Basado en la referencia 34.


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

Los equipos automáticos de monitoreo son los equipos en los cuales lacolección y el análisis de la muestra están combinados en un soloinstrumento, que realiza mediciones de concentraciones de contaminantesde forma continua y envía la señal respuesta de estos análisis (los datos), aun mecanismo de colección de información que puede ir desde unregistrador analógico hasta un sistema de computación sofisticado.

Como ya se explicó previamente, el aire muestreado entra en una cámarade reacción donde se puede llevar a cabo una reacción químicaautomatizada que puede ser de absorción, de manera que el instrumentoesté diseñado para poner en contacto continuamente solución nueva con elgas que penetra, manteniéndose esta mezcla durante el tiempo suficientepara que se lleve a cabo la reacción, y pasando después a la sección deevaluación del resultado de la reacción donde la medición de la reacciónpuede llevarse a cabo por medio de un colorímetro interno o de lamedición de la conductividad. Otras técnicas empleadas miden la luz queproduce una reacción química, como es el caso del equipo para medirozono, que capta la quimiluminiscencia de la reacción.

Existen otros equipos automáticos que se basan en propiedades físicascomo la detección de hidrocarburos por medio de un detector deionización de flama, el cual consiste en una flama de hidrógeno en la quese fuerza el paso de una muestra de aire calibrada, aplicándose unpotencial entre el quemador y un electrodo que se inserta en la partesuperior de la flama. Los hidrocarburos que están en la flama se ionizan ytransportan corriente entre los electrodos en proporción a su masa.

Debido a que existen variados principios químicos y físicos en los cualesse basan los diferentes equipos automáticos para el monitoreo de conta-minantes atmosféricos describiremos a continuación los principios demedición básicos de los equipos que más se utilizan en el mercado.Además en el cuadro 3.9 se presentan los principales principios demedición de los equipos automáticos de monitoreo, los contaminantes quepueden monitorear y recomendaciones durante su uso.

Principios de medición


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

Figura 3.15

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

E L E C T R O D O SDE MEDIC IÓN

MEDICIÓN CONDUCTOMÉTRICA (Ref. 2)

Quimiluminiscencia. Algunas reacciones químicas de los gases producenuna radiación característica llamada quimiluminiscencia. La intensidad deésta es proporcional al flujo de masa de la muestra de gas bajocondiciones constantes de reacción. Las mediciones de laquimiluminiscencia en el equipo automático se llevan a cabo en unacámara de reacción (ver figura 3.16), en donde por un lado entra aire queha pasado ya por un generador de O3 para que se enriquezca con éste ypor el otro entra un flujo constante de gas a muestrear, el cual se mezclacon el anterior produciéndose la reacción entre el SO (que resulta de ladescomposición del SO2 en una flama de hidrógeno) o el NO según sea el

66



caso y el O3. La conversión parcial del oxígeno del aire a ozono seacompaña de descargas eléctricas o de emisiones de radiación UV. Laquimiluminiscencia producto de la reacción se mide con unfotomultímetro, y a la salida de la cámara de reacción se ajusta un filtrode ozono para prevenir emisión de contaminantes al medio ambiente. Estees el método de referencia que marca la Norma Oficial Mexicana (NOM)para determinar la concentración de bióxido de nitrógeno en el aireambiente67 y coincide totalmente con el CFR 40, parte 50, apéndice F68 .Para la determinación de concentraciones de NO2, la muestra de gas pasaprimero por un convertidor termocatalítico el cual reduce el NO2 a NO,previo a su análisis. También se emplea este principio para la mediciónde concentraciones de ozono en el aire, utilizando NO en exceso o etilenocomo indica la NOM para determinar la concentración de ozono en el aireambiente y el CFR 40, Parte 50, apéndice D67 y 68.

Figura 3.16

MEDICIÓN QUIMILUMINISCENTE(Ref. 2)

67

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

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

NO2/NO


Absorción UV. Este principio se utiliza principalmente en las medicionesde ozono de calidad del aire. Se basa en la absorción de luz ultravioletadel ozono, la cual tiene una máxima longitud de onda de 254 nm. Elprocedimiento se muestra en la figura 3.17, en donde podemos observarcómo el aire muestreado entra a una celda de medición en donde pasaentre una fuente de radiación UV y un receptor de la misma (unfotomultiplicador). El aire entra a la celda por medio de una válvulamagnética que alterna entre un flujo directo y un flujo a través de unconvertidor catalítico, el cual reduce cuantitativamente el ozono aoxígeno. La intensidad de radiación medida en el aire libre de ozono esalmacenada y restada de la intensidad medida en el aire que contieneozono69 .

Figura 3.17

MEDICIÓN DE ABSORCIÓN UV(Ref. 2)

Fluorescencia UV. El procedimiento para llevar a cabo mediciones deFluorescencia UV, se muestra en la figura 3.18, en donde podemos

69



observar que el aire o la muestra de gas entran a una cámara en dondepasan a través de un haz de luz que proviene de una lámpara UV (lámparade cátodo de Zn hueco), activándose las moléculas del gas que va a sermedido y emitiendo radiación fluorescente, la cual es detectada por unfotomultiplicador y puede ser medida después de su amplificación. Paraobtener la radiación fluorescente específica del gas de interés, se colocaun filtro de interferencia. La concentración de este gas de interés será unafunción de la intensidad fluorescente y de la energía de la fuente de luzUV70 .

Figura 3.18

MEDICIÓN DE FLUORESCENCIA UV(Ref. 2)

Absorción IR. Esta medición se basa en el principio de que todas lasmoléculas heteroatómicas como CO, CO2, SO2 y NO, poseen un espectrode absorción característico en un rango infrarrojo. Esta propiedad de losgases frecuentemente se usa para la medición de emisiones. Sin embargo,para evaluar la calidad del aire este principio de medición de absorcióninfrarroja exclusivamente se utiliza para la determinación de monóxido de

70

Referencia 2, pág. 20 y 21.

FOTOMULTIPLICADOR


carbono (CO) y para bióxido de carbono (CO2) debido a que la absorciónde radiación de estos gases es suficientemente grande, a pesar de que seencuentren en muy bajas concentraciones en la atmósfera. No serecomienda esta técnica para la medición de concentraciones de SO2 yNO en el aire ambiente71 .

Existen dos diferentes métodos de absorción IR (infrarrojo)que sedistinguen entre sí por el método de almacenaje de la muestra dereferencia que sirve para obtener la selectividad deseada del espectro derefracción. Estos son el método de absorción infrarroja no dispersa(NDIR) y el método de correlación de un gas filtrado (GFC).

En el NDIR, el receptor de luz se utiliza para el almacenaje de unamuestra del mismo gas a ser medido y la radiación transformada en lascámaras receptoras llenas de gas y modulada produce variacionesperiódicas de presión en estas cámaras, las cuales se convierten en señaleseléctricas por medio de un capacitor de membrana o un detector de microflujo (ver figura 3.19).

El GFC utiliza una cámara llena de gas ajustada a un filtro y otra llena deN2, las cuales están montadas en una rueda que las coloca periódica yalternadamente en la trayectoria de la luz (ver figura 3.20).

La Norma Oficial Mexicana (NOM) utiliza como método de referencia elNDIR para determinar la concentración de monóxido de carbono en elaire ambiente, al igual que el CFR 40, parte 50, apéndice C72 .

Figura 3.19 Figura 3.20

71

Referencia 2, págs. 21, 22 y 23.72

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


MEDICIÓN DE ABSORCIÓNIR NO DISPERSA

(Ref. 2)

MEDICIÓN DE CORRELACIÓNDE UN GAS FILTRADO

(Ref. 2)

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

GASMUESTREADO

FUENTE DE LUZ IR

FILTRO DEINTERFERENCIA

GASMUESTREADO

CELDA DEMEDICIÓN

FILTRO DE GASROTATIVO

MOTOR


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

Figura 3.21

DETECTOR DE IONIZACIÓN DE FLAMA (Ref. 2).

Para mediciones de calidad del aire, la determinación de la suma de loscompuestos orgánicos gaseosos se lleva a cabo después de la separacióndel metano, que siempre está contenido en las muestras, aunque esinofensivo. La separación puede llevarse a cabo colocando antes del FIDuna columna de separación o un quemador catalítico.

Atenuación de rayos beta (ββ). El principio se basa en la medición de laatenuación gradual que sufren los rayos β al pasar a través de un filtro enforma de cinta en el cual se depositan las partículas. Los rayos β(electrones con energías entre 0.01 a 0.1 MeV) son atenuados de acuerdoa una función exponencial aproximada de la masa de las partículasdepositadas en el filtro. Los monitores automáticos utilizan un filtrocontinuo de cinta, en donde primero se mide la atenuación de los rayos β,a través de un segmento de filtro no expuesto a la muestra para corregircon la atenuación debida al “blanco”. La cinta es entonces expuesta a lamuestra de aire por lo que se acumula un depósito de partículas y laatenuación de los rayos β se mide nuevamente. Las lecturas de laatenuación con muestra, corregidas con las del blanco se convierten a

73



concentraciones de masa con tiempos promedio desde 30 minutos (verfigura 3.22)74 .

Como fuente de radiación se utiliza una sonda radioactiva de actividadadecuada (carbón 14 o kriptón 85) y como detector puede utilizarse uncontador Geiger-Müller. A los monitores automáticos que se basan eneste principio se les conoce como BAM (Beta-particle AttenuationMonitor)75 .

Figura 3.22

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

Microbalanza oscilatoria. En el monitor automático basado en esteprincipio y conocido como TEOM (Tapered Element OscillatingMicrobalance), las partículas se colectan continuamente en un filtro

74

Referencia 34.75


LA

St-B-MK

F1 - F2


montado en la punta de un elemento de vidrio hueco, el cual oscila en uncampo eléctrico. El aire pasa a través del filtro y del elemento de vidrio,manteniéndose la frecuencia de oscilación del elemento de vidrio pormedio de la retroalimentación de una señal de un sensor óptico. Lafrecuencia de resonancia del elemento decrece a medida que la masa delas partículas se acumula en el filtro, ya que se incrementa su masa. Laconcentración de la masa de las partículas se calcula por medio de unarelación calibrada entre la frecuencia y la cantidad de partículas, tomandoen cuenta el volumen del aire muestreado (ver figura 3.23)76 .

Figura 3.23

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

Microbalanza piezoeléctrica: En este monitor las partículas se depositanpor impactación inercial o por precipitación electrostática en la superficiede un disco de cristal de cuarzo piezoeléctrico. La frecuencia deresonancia natural del cristal decrece a medida que se acumulan las

76

Referencia 34.


partículas. El cambio de frecuencia del cristal de muestreo es electró-nicamente comparado con un cristal de referencia limpio, generando unaseñal que es proporcional a la masa colectada. El cristal de referenciatambién permite una compensación por temperatura77 .

Cuadro 3.9.

CARACTERÍSTICAS DE LOS PRINCIPALES MONITORES AUTOMÁTICOS

CONTAMINANTE PRINCIPIO DEMEDICIÓN

RECOMENDACIONES Y COMENTARIOS

SO2 y CO Conductometría Hay que asegurar que el flujo de lacorriente del gas y del líquido semantengan constantes.Estas mediciones son semiautomáticas, yaque entregan información cada hora,dando promedios horarios.

Especies de NO,NO2 y O3

Quimiluminiscencia

Es absolutamente necesario para obtenermediciones estables, que la temperaturadentro de la cámara de reacción estécontrolada y que la presión interna seaconstante. Proporcionándole al monitorun medio ambiente controlado. Lareacción quimiluminiscente del ozonosólo se podrá medir si se cuenta con uncilindro con una mezcla de gas etileno oetichem.

SO2

FluorescenciaPulsante en el Rango

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

Cuadro 3.9. (continuación)

CARACTERÍSTICAS DE LOS PRINCIPALES MONITORES AUTOMÁTICOS

CONTAMINANTE PRINCIPIO DEMEDICIÓN

RECOMENDACIONES Y COMENTARIOS

77

Referencia 34.


CO y CO2 Absorción IR:NDIRGFC

Hay que tener cuidado con la temperaturade la celda de medición, la humedadpuede formar un espectro igual que el delCO.

O3 Fotometría en elRango UV

Anteriormente se usaba la Quimilumi-niscencia, pero ésta ha sido sustituida porla Fotometría en el Rango UV. Posibleinterferencia por altas concentraciones deHC aromáticos.

Suma de gasesorgánicos sin el

metano.

Ionización de Flama Para mediciones continuas es importantemantener constante la temperatura y elflujo del gas muestreado.

PartículasSuspendidas.

Atenuación deRadiación β

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


MicrobalanzaOscilatoria

Se pueden ajustar para PM10, PM5 yPM2.5.


MicrobalanzaPiezoeléctrica

Hay que tener bien cimentado elinstrumento para no generar medicioneserróneas.

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

Todos estos equipos automáticos requieren de una calibración adecuada yde la determinación de la desviación probable de los instrumentos, paraobtener mediciones confiables. En estos equipos las lecturas sólo seránconfiables si han sido calibrados con gases patrón de concentraciónconocida del contaminante a medir en la operación normal del campo (versección 4.2.2. Mantenimiento y Calibración del Equipo), que seencuentran disponibles en el mercado para los gases contaminantes máscomunes. Los puntos de calibración se deben encontrar entre losmárgenes de la concentración más alta esperada y el cero, e incluir puntosintermedios para verificar la linearidad o proporcionalidad de lasmediciones que reporta el instrumento. Algunos equipos automáticosposeen puntos de calibración electrónica.

Las recomendaciones que se tienen que considerar para que estos equiposautomáticos sean confiables se agrupan en el cuadro 3.10, y en el cuadro3.11 se recopilan los métodos estándar de referencia y análisis de losprincipales contaminantes atmosféricos que rigen en los Estados Unidos


de Norteamérica. En éste podemos observar que algunas de estas seismetodologías todavía se llevan a cabo con equipo de muestreo activo yson las que nos han proporcionado la base de datos de calidad del aire conla que se cuenta actualmente y en las que se basan las normas de variospaíses.

Cuadro 3.10.

FACTORES Y RECOMENDACIONES PARA LA SELECCIÓN DEUN EQUIPO AUTOMÁTICO DE MONITOREO

FACTORES RECOMENDACIONESEspecificación Determinar si el equipo es específico únicamente para el compuesto

contaminante de interés o si detecta la presencia de otros que seencuentran mezclados en la atmósfera.

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

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

Estabilidad del ceroy de la calibración

Se tiene que considerar si el instrumento es estable dentro de unperíodo de operación de por lo menos tres días y catorce días paramonitores de SO2, NO2, O3 y CO, sin atención del personal, de talforma que sean confiables los datos.

Tiempo de respuestaDebe considerarse si el instrumento puede funcionar con rapidez paragraficar fielmente los cambios de concentración del contaminantemuestreado durante el período que está siendo analizado.

Temperatura ambiente yhumedad

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

Facilidades y costos

Se deberá considerar el costo del instrumento, su mantenimiento,facilidad de apoyo técnico y los requerimientos de hora-hombre que senecesitan para el buen funcionamiento del equipo, en los cinco añossubsecuentes a su adquisición, de manera que estos sean congruentescon las necesidades del objetivo y los recursos disponibles.Es muy importante verificar el tipo de garantía que se ofrece, elservicio al equipo y disponibilidad de partes y refacciones en el paísdonde se usará el equipo.

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

Cuadro 3.11.

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

CONTAMINANTE MÉTODO DEREFERENCIA

PRINCIPIO DEDETECCIÓN

SO2 Pararrosanilina Colorimétrico

Partículas Suspendidas Muestreador de altos Gravimétrico


volúmenes, Hi VolCO Automático Fotometría Infrarroja No-

DispersaOxidantes fotoquímicos

(Ozono)78Automático Fotometría Ultravioleta

Hidrocarburos(no metano)79

Captación en “canister” deacero inoxidable

Cromatografía de gases

NO2 Automático Quimiluminiscencia

PM10 Dichotomous Gravimétrico

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

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

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

Figura 3. 24

78

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

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

80 Referencia 28.


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

3.2.4. Equipo para Muestreo en Interiores

Las metodologías para el muestreo de la calidad del aire en interiores, nodifieren substancialmente de las empleadas en exteriores, aunque hayalgunas, como los sensores remotos y las muy ruidosas o voluminosascomo los muestreadores de altos volúmenes y el WRAC, que son por símismas inapropiadas. En general la mayoría de los estudios en interioresutilizan muestreadores pasivos (los cuales son todos portátiles) o activos,entre los que se destacan los portátiles y ligeros que se mencionaronanteriormente, y que sirven para estimar exposiciones personales (algunosde estos métodos se presentan en el estudio de Fernández-Bremauntz81 ),ya que para este tipo de estudios es para los que está más difundido elmonitoreo en interiores. El uso de monitores automáticos no portátiles,está limitado por el tamaño de los monitores y de sus sistemas de manejode datos y sólo se utilizan cuando se requiere evaluar efectos agudos porexposición a contaminantes.

Es de gran importancia que se realicen estudios de calidad de aire eninteriores, debido a que las personas pasan por lo menos un 25% de su

81

Referencia 50.


tiempo en un ambiente interior y las que viven en climas fríos hasta un90%. Además de que los estudios en interiores que se han realizado enlas últimas décadas indican que en algunos casos el aire del interior estámás contaminado que el aire exterior en un mismo lugar. Esto se debe anumerosas fuentes de contaminación que existen en interiores comopueden ser los hornos, estufas de leña (Zayas82 ), calentadores de gas y dekerosén, calefacción, humo de cigarrillo y materiales de construccióncomo materiales aislantes y productos de madera prensada83 .

Entre los estudios que se han llevado a cabo en interiores se hanencontrado altos niveles de concentraciones de CO y NO2, alarmantesconcentraciones de formaldehídos (CH2O) y radón en algunas viviendascomo casas móviles, una relación directa entre el incremento de partículassuspendidas fracción respirable y el incremento de fumadores, y engeneral bajos niveles de SO2 dentro de las viviendas84 .

3.3. EQUIPO DE LABORATORIO PARA EL ANÁLISIS DEMUESTRAS

Ya habiendo colectado la muestra mediante alguno de los equipos,aparatos o instrumentos descritos en este capítulo se procederá a suanálisis específico. Las técnicas de análisis que se requerirán dependerándel tipo de dispositivo en que fue colectada la muestra, del contaminantemuestreado y de los objetivos de monitoreo que se hayan fijado. Elanálisis de PST (Material de Partículas Suspendidas) será muy diferente sisólo se pretende emitir un diagnóstico de la calidad del aire para ver sucongruen-cia con las normas, a si nuestro objetivo requiere delconocimiento del ta-maño, forma y composición química de laspartículas.

3.3.1. Métodos de Análisis

Existen diferentes métodos de análisis químico para determinar lassustancias o elementos que se encuentran en una determinada muestra ysus concentraciones, entre los cuales se tienen a los métodosvolumétricos, los métodos gravimétricos, los métodos colorimétricos o

82

Referencia 51.83

Referencia 1, vol, l, págs. 35 y 36.84

Referencia 52.


fotométricos, los métodos potenciométricos, técnicas para conocer lamorfología de las partículas y técnicas para llevar a cabo su análisiselemental.

Los métodos volumétricos. Son los métodos analíticos cuantitativos,llamados así porque la cantidad de producto detectado se deduce delvolumen de la disolución que se ha consumido en una reacción. Estosmétodos cuantifican muestras en solución mediante la valoración de lasmismas por medio de técnicas como la titulación85.

Titulación. Es la técnica volumétrica que se utiliza para determinar laconcentración de un soluto en un solvente, mediante la adición de unvolumen de solución de concentración perfectamente conocida, a ladisolución. Es la acción y efecto de (valorar) cuantificar una disolución.Es decir, se utiliza para valorar una disolución. La valoración de unadisolución siempre será una titulación.

Los métodos gravimétricos. Son métodos analíticos cuantitativos en loscuales las determinaciones de las sustancias se llevan a cabo por unadiferencia de pesos. Existen métodos gravimétricos para conocer laconcentración de una muestra en solución, que llevan a cabo precipita-ciones de las muestras por medio de la adición de un exceso de reactivo yaprovechando el efecto del ion común, y otros en los que directamente sepesa el material colectado en un filtro. En este último métodogravimétrico se determina la masa, pesando el filtro antes y después delmuestreo con una balanza a temperatura y humedad relativa controladas86

.

Los métodos fotométricos. Basan la determinación de la concentraciónde una solución, en la medida de la intensidad de la luz que se transmite através de la misma, comparándola con una curva patrón de lasintensidades de la luz de la misma longitud de onda que se transmite através de una serie de estas soluciones pero de concentraciones conocidas.El color de la solución puede ser inherente a la reacción que se lleva acabo, al constituyente que se analiza, o bien, formarse al agregar unreactivo adecuado. Existen diferentes instrumentos para medir la cantidadde energía radiante absorbida, entre los que tenemos desde diferentestipos de colorímetros cuyo principio es la colorimetría (procedimiento deanálisis químico que se basa en la intensidad del color de las disoluciones) 85

Referencia 53.86

Referencia 53.


que se valora por técnicas visuales simples, instrumentos para medir lareflectancia, que es una medida de la habilidad para reflejar la energíaradiante y el espectrofotómetro, que es un instrumento colorimétrico,cuyo principio de medición es la espectrofotometría, siendo este último elmás usado por preciso y flexible87 .

Espectrofotometría. Es la medida de la cantidad de energía radianteabsorbida por las moléculas a longitudes de onda específicas. Cada com-puesto tiene un patrón de absorción diferente que da origen a un espectrode identificación. Éste consiste en una gráfica de la absorción y lalongitud de onda y se presenta en márgenes que abarcan longitudes deonda desde la ultravioleta a la infrarroja. Por lo que si se ajusta uninstrumento a una sola longitud de onda escogida entre los límites en queun compuesto absorbe fuertemente y otros no, se puede aislar con filtrosuna sola longitud de onda, para poder medir la energía absorbida de esecompuesto en particular. Entre los espectrofotómetros más usadostenemos al de infrarrojo no disperso y al de espectro ultravioleta88 .

Los métodos potenciométricos. Son aquellos en los que se mide unadiferencia de potencial eléctrico, por medio de aparatos llamadospotenciómetros, que se utilizan principalmente para la determinación delpH, introduciendo dos electrodos a la solución a analizar, por los cuales sehace fluir una corriente89 .

Las técnicas para conocer la morfología de las partículas y técnicas parallevar a cabo su análisis elemental, se describirán en la sección de análisisde material particulado de este mismo capítulo. A continuaciónpresentaremos los métodos de análisis más utilizados para cuantificar losgases muestreados.

3.3.2. Análisis de Gases

Los principales métodos para la detección de gases inorgánicos en el aire,son los métodos de análisis fotométricos que se llevan a cabo en lassustancias colectadas en soluciones absorbentes durante los muestreos.Los requisitos que se deben cumplir para que se pueda llevar a cabo unanálisis fotométrico son los siguientes90 : 87

Referencia 2, págs. 30 y 31.88

Referencia 53.89 Referencia 53.90

Referencia 2, págs. 30 y 31.


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

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

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

• Estabilidad del color.

Algunos de los métodos fotométricos utilizados en la determinación decontaminantes gaseosos en Alemania se resumen en el cuadro 3.12, dondese muestra el gas a determinar, el número de metodología que describe elprocedimiento de la guía VDI, la solución absorbente y el reactivofotométrico. Para la determinación de vapores orgánicos, el principalmétodo utilizado, se conoce como cromatografía de gases, que es ladestilación fraccionada a escala molecular.

La cromatografía de gases (GC), se lleva a cabo en columnas deseparación que contienen absorbentes líquidos no volátiles, soportados ensustratos sólidos (existen columnas empacadas que se rellenan de materialinorgánico u orgánico poroso e inerte, como algún polímero, óxido dealuminio o silicagel). Las moléculas de la muestra pasan por lascolumnas a velocidades proporcionales a sus volatilidades y a su afinidadpor el absorbente, y se descomponen en sus componentes por medio deprocesos de absorción y desorción. El cromatógrafo de gases constaesencialmente de una columna que está a temperatura controlada, unsistema para introducir cantidades medidas de un gas inerte en dichacolumna, un sistema de inyección de la muestra a la entrada de lacolumna y un detector a la salida que determina la masa. Se puedenelegir diferentes detectores para sensibilidades específicas dedeterminados compuestos, entre los que se tienen el detector deionización de flama, el de captura de electrones y el de fotoionizaciónentre otros91 . También se puede colocar al final de la columna deseparación un espectrofotómetro de masa (MS), con lo cual se facilita laidentificación de componentes de muestras de aire desconocidas. Elmétodo de análisis llamado GC/MS, es actualmente el método máseficiente de análisis de calidad de aire para medir compuestos orgánicos.

91

Referencia 53.


Si la muestra de aire colectada está contenida en un material adsorbente,primero tendrá que ser sometida a una desorción o a una extracción previasu introducción al cromatógrafo para recuperar los compuestos orgánicosvolátiles adsorbidos, y después podrá analizarse por medio de croma-tografía de gases. En estos casos generalmente se utiliza la DesorciónTérmica, que consiste en restaurar una sustancia absorbida o adsorbidapor medio de la acción o el efecto del calor. La desorsión también sepuede llevar a cabo por medio de solventes específicos.

El cromatógrafo de gases es uno de los instrumentos de aplicaciones másdiversas en el análisis de contaminantes atmosféricos, ya que puedeseparar mezclas complejas que comprenden gran variedad de compuestosen columnas diferentes y además puede estandarizar con exactitud un gasde calibración. Existen cromatógrafos adaptados para determinar enforma continua varios contaminantes al mismo tiempo. Y son aparatossencillos de operar, resistentes y relativamente baratos92 .

CUADRO 3.12.

MÉTODOS FOTOMÉTRICOS PARA LAMEDICIÓN DE CONTAMINANTES GASEOSOS

GAS GUÍAVDI93

SOLUCIÓNABSORBENTE

REACTIVOFOTOMÉTRICO

Bióxido de Azufre 24513° Parte

Solución deTetracloromercurato

Pararrosanilina yFormaldehído

Bióxido de Nitrógeno 24531° Parte

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

Monóxido deNitrógeno

24531° Parte

Después de suoxidación a bióxido

de Nitrógeno

Analizarlo como bióxidode Nitrógeno

Sulfuro de Hidrógeno 24531° Parte2° Parte

Suspensión deHidróxido de Cadmio

Azul de Molibdeno

Cloruro de N,N-dimeti-p -fenilendiamonio

(formación de azul deMetileno)

CUADRO 3.12. (continuación)

MÉTODOS FOTOMÉTRICOS PARA LAMEDICIÓN DE CONTAMINANTES GASEOSOS

92

Referencia 34.93

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

del Aire, de la Asociación de Ingenieros Alemanes.


GAS GUÍAVDI94

SOLUCIÓNABSORBENTE

REACTIVOFOTOMÉTRICO

Cloro 24581° Parte

Disolución acética deanaranjado de Metilo

Medición de la brillantezdel color

Cloruro deHidrógeno

0.1-mol/1-NaOH Rodamina de Mercurio ySal de Hierro III

Amoniaco 24611° Parte

2° Parte

0.005-mol/1-H2SO4

0.005-mol/1-H2SO4

Fenol e Hipoclorito deSodio (formación de

Indofenol)Reactivo Nessler

Ozono 24681° Parte5° Parte

Solución de Yodurode Potasio

Disolución del ácido5,5-indigodisulfónico

Medición de la formaciónde Yodo

Medición de la brillantezdel color

Formaldehídos 34841° Parte

Solución deTetracloromercurato

Pararrosanilina y Sulfato

Fenoles 34851° Parte

0.1-mol/1-NaOH P-Nitroanilina

Fuente: Referencia 2, pág. 31.

3.3.3. Análisis de Material Particulado

Como ya se mencionó, el análisis completo del material particulado quecontiene una muestra atmosférica es más complicado que el de unamuestra gaseosa, ya que comprende básicamente tres diferentes tipos deanálisis:

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

Estimación o cuantificación de la masa, método gravimétrico. Elprincipal procedimiento para la cuantificación de la masa es un métodogravimétrico en el cual los filtros para la colección de la muestra departículas y sus “blancos”, se acondicionan a una temperatura y humedady se pesan (utilizando una microbalanza) antes y después de utilizarse enel muestreo, para determinar el peso (masa) neto resultado de la coleccióndel material particulado, que quedó en el filtro después del muestreo. Deesta manera la concentración de la masa en el aire ambiente se calculacomo el cociente de la masa de partículas colectadas en el filtro, dividido

94

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

del Aire, de la Asociación de Ingenieros Alemanes.


entre el volumen de aire muestreado y corregido a una temperatura ypresión estándar 95 .

Todos los muestreadores activos y pasivos requieren de este tipo deanálisis gravimétrico para cuantificar la concentración del materialparticulado, lo cual implica el montaje del filtro, su colección(generalmente 24 horas más tarde para muestreos de calidad del aireambiente) y su envío al laboratorio para su análisis que significa untrabajo intensivo, sobre todo si se planean muestreos diarios. Por lo queen estos casos se recomienda la consideración de sistemas de monitoreoautomáticos como el TEOM y el BAM96 para la estimación gravimétricay pseudogravimétrica de la masa.

Otros métodos para la estimación de la masa del material particulado sonla Reflectometría y la Nefelometría. En ciudades industrializadas delnorte de Europa, el material particulado en invierno, estaba formadopredominantemente por partículas de carbón provenientes de la combus-tión doméstica incompleta de este mismo carbón. Esto provocaba unhumo negro conocido como “black smoke” (BS), que era el responsabledel material de PST durante episodios de alta mortandad como el ocurridoen Londres. Para medir la concentración del BS muestreado en un filtro,se utiliza un reflectómetro, por medio del cual se mide la reducción dereflectancia que producirían mezclas de humo negro estándar (µg/m3) deconcentración conocida y se comparan con la reducción producida por unfiltro a través del cual ha pasado aire atmosférico con el mismo flujo ytiempo de muestreo (estándar Británico 1747)97 .

Reflectometría. Siendo ésta una técnica que mide la reducción en elreflejo de la luz y debido a que en la actualidad las emisiones hancambiado considerablemente con la adopción de nuevas tecnologías, eluso de la reflectometría se debiera considerar restringido para la mediciónde la fracción carbonacea de las partículas y no para la estimación deltotal de su masa. Sin embargo, comúnmente se convierte la reflectanciamedida, inclusive de los aerosoles, en concentraciones gravimétricasutilizando curvas de calibración de la Organización para la Cooperación yDesarrollo Económicos y la Comisión de Comunidades Europeas (OECD1963; EC 1992), debido a que es una técnica sencilla y de bajo costo. Por

95


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



lo que una gran cantidad de datos epidemiológicos están relacionados conmediciones de BS, que para ser reemplazadas por un método gravimétricoadecuado, requerirían de un monitoreo en paralelo de por lo menos un añopara asegurar la continuidad de los datos y una relación entre lasmetodologías, asumiendo que la fuente de mezcla ha permanecidoconstante por el período en que los datos de BS fueron colectados98 .

Nefelometría. Es una técnica que mide la dispersión total de la luzdebida principalmente a los aerosoles ambientales en su conjunto. Sirvecomo una estimación de los aerosoles entre 0.1 y 3 µm. (aprox. PM 2.5).Esta dispersión de la luz está dominada por los aerosoles secundarios,principalmente por sulfatos, nitritos y amonio. Sin embargo, laconversión de esta dispersión de la luz a concentraciones de masagravimétricas tiene el mismo problema que la técnica de BS, ya que ahumedades relativas de 70% o mayores, las partículas incrementan sutamaño provocando que los valores de dispersión de luz observadosaumenten, lo cual ocasiona sobrestimaciones de la masa de los aerosoles.Para evitar este problema la mayoría de los instrumentos cuentanactualmente con dispositivos térmicos en la entrada, pero a pesar de ellosestos instrumentos no se recomiendan para mediciones de masa. Suaplicación más importante se lleva a cabo para estimar la degradación dela visibilidad99 .

Para medir esta dispersión de la luz se utiliza un instrumento llamadoNefelómetro, que consiste en una cámara óptica que generalmente tiene laforma de un cilindro largo iluminado por un lado, perpendicularmente aleje longitudinal de la cámara. La fuente de luz está localizada detrás deun difusor e ilumina los aerosoles en longitudes de onda del espectrovisible, dispersando a la luz entre 0° y 180°. La luz dispersada por laspartículas en la cámara es detectada e integrada por un tubofotomultiplicador en un rango de 9° a 171°. Este instrumento se calibrapor medio de la introducción de gases con índices de refracción conocido,los cuales producen una determinada dispersión de energía luminosa100 .

La caracterización de la distribución por tamaños de partículas. Selleva a cabo principalmente durante el muestreo por medio de Impactoresque se describieron ampliamente en la sección 3.2.2., o puede llevarse acabo en el laboratorio durante los análisis físicos en los que se estudia el 98



Referencia 34.


tamaño y forma de partículas aisladamente, aunque en estos análisis serámás difícil obtener la relación entre un cierto rango de tamaño departículas y el total de ellas, ya que al colectarse juntas en un mismo filtropueden sufrir aglutinamientos.

El análisis físico y químico de las fracciones particuladas. Lacaracterización del material particulado tanto física (tamaño), comoquími-camente (composición), se lleva a cabo generalmente con elpropósito de determinar la presencia de compuestos o contaminantesespecíficos como metales. Estas caracterizaciones son importantes paraestimar los efectos potenciales de estas partículas en la salud y en elmedio ambiente y para la investigación de la contribución de diferentesfuentes de partículas al PST. También se pueden llevar a caboinvestigaciones retrospectivas de cambios en los patrones de loscontaminantes con los filtros que se mantienen en los bancos deespecímenes, por medio de diferentes técnicas de análisis quemencionaremos a continuación101 .

Actualmente se cuenta con una gran variedad de técnicas de análisisfísicas y químicas para identificar la composición de las partículascolectadas. Las técnicas químicas se usan principalmente para determinarentidades funcionales como grupos de iones y volumen de metales enespecímenes, mientras que las técnicas físicas se emplean parainspeccionar partículas aisladas y para determinar la composiciónelemental de la molécula/cristalina101.

Sin embargo, hay que tomar en consideración que el espectro de ionesresultado del análisis de un filtro no siempre representa a los iones que seencuentran en el aire, ya que muchas veces son resultado de reaccionesquímicas que se llevan a cabo durante el muestreo. Estas interferenciaspueden limitarse utilizando “Denuders” tanto para prevenir laneutralización de partículas ácidas y la volatilización de sales de amonio,como para evitar la formación de sulfatos102 .

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

101


Referencia 1, vol. 3, págs. 23 y 24.103

Referencia 1, vol. 3, págs. 23 y 24.


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

• Microscopía de electrones. Utilizada para llevar a cabo análisis

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

Existen además siete técnicas fundamentales de análisis elementaldisponibles para la caracterización de trazas de elementos que seencuentran en el material particulado suspendido en el aire y son103:

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

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

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

Las primeras dos técnicas cuantifican la concentración de elementos connúmeros atómicos que van desde 11 (Sodio) hasta el 92 (Uranio), son nodestructivas, o sea el filtro permanece intacto después del análisis y puedeutilizarse para subsecuentes análisis por otros métodos. Estas técnicas sedescriben a continuación.

La Fluorescencia de Rayos X (XRF). Es una técnica de análisis que selleva a cabo irradiando el material depositado en el filtro por medio derayos X de alta energía, los cuales expulsan a los electrones de capasinteriores de los átomos de cada elemento en la muestra. Cuando un elec-trón de energía mayor cae dentro de un orbital libre de menor energía, selibera un fotón, rayo X, fluorescente, único para cada elemento. Co-múnmente se utiliza:

1. Fluorescencia de rayos X con longitud de onda dispersa,(WDXRF), la cual utiliza un cristal de difracción para la obser-vación de los rayos X fluorescentes, determinándose uno por


uno los elementos y minimizando los traslapes. Esta técnicaprovee una gran resolución de espectro.

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

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

Emisión de Rayos X por Inducción de Protones (PIXE). Esta técnicade análisis es muy similar a la técnica de XRF, pero difiere de ésta en lafuente de excitación para la producción de fluorescencia. En la técnicaPIXE el material depositado en el filtro es bombardeado con protones dealta energía para remover a los electrones de las capas interiores104.

Análisis de Activación de Neutrones, NAA. A pesar de que esta técnicade análisis no es destructiva, tapona el filtro y lo hace radioactivo, pero esmuy útil para la detección de muy bajas concentraciones. Esta técnicaconsiste en exponer la muestra del filtro a un flujo de neutrones en unreactor nuclear. El bombardeo de neutrones transforma a los elementos enisótopos radioactivos que emiten rayos gama. La energía y la intensidadde estos rayos gama se detecta por medio de un detector de litiogermanio,identificándose con la energía al isótopo y con su intensidad a la cantidadproporcional del elemento presente en la muestra. Esta técnica no puedecuantificar elementos como silicón, níquel, estaño y plomo104.

Las otras cuatro técnicas de análisis son destructivas, o sea que requierendel tratamiento o destrucción del filtro o de una parte del mismo para quese lleven a cabo, este tratamiento consiste por lo general en unaseparación por lavado y decantación o en una extracción, que es unaseparación de una sustancia que se encuentra en un filtro o que seencuentra disuelta en un líquido mediante otro que no se puede mezclarcon éste y en el cual dicha sustancia es mucho más soluble. Estas cuatrotécnicas se describen a continuación.

Espectrofotometría de Absorción Atómica, AAS. Esta técnica, se llevaa cabo después de la extracción ácida de la muestra, la cual se gasifica en

104

Referencia 34.


una región a través de la cual se transmite la luz de una específicalongitud de onda. Estas longitudes de onda se escogen de manera quecorrespondan a las energías de absorción de los elementos deseados, enesta técnica se analizan uno a uno los elementos y se utiliza para ladeterminación de componentes individualmente. La cantidad de luztransmitida se detecta por medio de un fotomultiplicador y unmonocrómetro. Comúnmente se usa105 :

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

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

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

Espectrometría de Masa con plasma de acoplamiento inducido ICP-MS. Esta técnica se lleva a cabo después de la extracción en ácido delmaterial depositado en el filtro y ese extracto es nebulizado dentro de unaatmósfera de plasma de argón gaseosa, sostenida dentro de un serpentínde inducción energizado con una corriente alterna de alta frecuencia. Laalta temperatura en el plasma eleva los electrones de valencia sobre suestado natural y cuando estos electrones regresan a su estado normal,emiten un fotón de luz el cual es único para cada elemento excitado. Estaluz es detectada por un tubo fotomultiplicador en longitudes de ondaespecíficas, para identificar los elementos en la muestra. Este plasma deacoplamiento inducido ICP, junto con un espectrómetro de masa, ICP-MS, puede cuantificar concentraciones elementales con gransensibilidad106.

El espectrómetro de masa resulta muy útil para identificar cantidades demateria muy pequeñas, lo cual se logra ionizando una muestra paradescomponerla y acelerando después los iones a través de un campomagnético hasta que llegan a un colector. El tiempo que transcurre entrela ionización y la recolección de cada ion es proporcional a su masa. Conun osciloscopio se obtiene el espectro de las masas de todos los ionesproducidos de cada muestra, desde el más ligero hasta el más pesado. Eneste espectrómetro de masa, su poder de resolución o de separación es su

105

Referencia 34.


característica más importante. Existen equipos con poder de resolucióncapaz de distinguir entre isómeros atómicos.

Espectrometría de Emisión Atómica con plasma de acoplamientoinducido, ICP-AES. Esta técnica de análisis es muy similar a la anterior,es destructiva, requiere de extracción previa al análisis y difiere de la ICP-MS en que el análisis se lleva a cabo utilizando las características deemisión de luz fluorescente en el espectro visible, después de que elespécimen es atomizado. Con esta técnica se pueden determinar una grancantidad de trazas de metales y al igual que la anterior identificanelementos múltiples106 .

Cromatografía de Iones, IC. Este método puede utilizarse paradeterminar gran cantidad de aniones como compuestos de azufre, NO3

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

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

Mg2+, a niveles inferiores a ppb. Su principio de medición consiste enuna técnica cromatográfica líquida la cual se basa en un mecanismo deintercambio iónico y una detección conductométrica para la separación ycuantificación de los aniones y cationes. La muestra de iones se extrae dela columna de intercambio iónico, como bandas discretas basadas en sutiempo de retención y son cuantificadas por un detector deconductividad106.

Además de estas técnicas existen también técnicas analíticas para de-terminar compuestos orgánicos que frecuentemente se asocian con laspartículas atmosféricas y que debido a su alto peso molecular y bajasolubilidad requieren de un tratamiento especial. Estos compuestos orgá-nicos pueden ser Hidrocarburos Alifáticos (AHs) e HidrocarburosAromáticos Policíclicos (PAHs). Su análisis se lleva a cabo de la manerasiguiente:

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

2. Concentración del extracto en un evaporador rotatorio ycolección en hexano.

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

106

Referencia 34.


- Fracción polar que contiene los PAHs.4. Separadas las fracciones, se analizan por medio de

cromatogra-fía de gases con una columna capilar y loscompuestos se identifican utilizando espectrometría demasa107 .

Para mayor información sobre el monitoreo y análisis de contaminantesatmosféricos, existen, además de los documentos indicados en lassecciones 3.2.1 y 3.2.2, estándares ISO y diversos manuales como los quese incluyen en las referencias bibliográficas número 29, 32 y 54.

3.4. CONFIGURACIÓN DE SISTEMAS DE MUESTREO

Ya seleccionados los sitios de monitoreo y escogido los equipos demuestreo y análisis que cumplan con los requerimientos de nuestrosobjetivos, el siguiente paso será la configuración del sistema de muestreo,que implica el arreglo o el diseño del sistema, desde la toma de muestra,hasta su captura en el muestreador. El diseño de un sistema de muestreopuede ser exclusivamente el diseño del montaje de un muestreador, comoes el caso de los muestreadores pasivos, el diseño de una línea demuestreo, para muestreadores activos o un sistema completo de multi-analizadores para monitorear diversos contaminantes, como el diseño deuna estación de monitoreo. Sin embargo, existen algunos criterioscomunes a casi todos los sistemas de muestreo, tanto para muestreadorespasivos, activos y automáticos, que deben tomarse en cuenta paraestablecer el diseño del sistema de muestreo, y son108 :

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

• La tubería deberá ser lo más corta posible, evitándose codos y partes conrestricciones donde pudiera acumularse material particulado.

• Deberán removerse de la corriente de muestreo, partículas, gases olíquidos, que puedan contaminar la muestra o el medio de colección, ysustancias que puedan interferir con la operación de los analizadores, comopartículas o agua condensada.

107


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


• El tiempo de residencia de los gases en el sistema deberá minimizarse, aligual que la interacción de la corriente de aire con los materiales de la líneade muestreo, los cuales como ya se indicó, deberán ser inertes.

• Para minimizar retrasos en las respuestas del sistema se recomienda que elflujo total del sistema sea mayor que el flujo total requerido por elanalizador.

• El sistema de muestreo debe mantenerse en óptimas condiciones, debelimpiarse y remplazarse las partes antes o en el momento de que muestrensignos de envejecimiento, fallas o contaminación.

• Por lo que el sistema de muestreo deberá ser confiable y fácil de darmantenimiento. Los tubos múltiples, (“manifolds”), que no se limpianescrupulosamente pueden causar pérdidas de muestreo significativas, comoen el caso de muestreo de gases reactivos, por lo que deberán de serlimpiados periódicamente.

• Debido a que uno de los principales problemas en las líneas de muestreoson las fugas, se recomienda que en las visitas regulares se cheque el flujodel sistema y en caso de evidencia de fuga o descompostura se corrijainmediatamente el problema.

• Hay que notar la importancia del control de la temperatura en las estacionesde monitoreo, ya que muchos analizadores de gases tienen un coeficientede respuesta a temperaturas significativas y algunos pueden fallar atemperaturas extremas. Por lo que se requerirá de un buen control térmicodel equipo, que utilice aire acondicionado o calefacción según se necesite.

• También debe ser minimizada la caída de presión dentro del sistema demuestreo, ya que ésta afecta los resultados de los detectores de fotones oion/electrones, que se emplean comúnmente en los analizadores de gases.

En vista de lo estricto de algunos de los criterios anteriores y laincompatibilidad de algunos de ellos, es difícil que se diseñe el sistema demuestreo perfecto. En la práctica, el arreglo que se adopta es uncompromiso de trabajo que depende de los gases en estudio, el analizadorusado y los recursos disponibles. Parte fundamental de este compromisode trabajo es el compromiso de llevar a cabo y cumplir con un programade mantenimiento, sin el cual ningún sistema de monitoreo será confiable.

Nuevamente se enfatiza la necesidad de tener un método o sistema capazde analizar los datos, de manera que los resultados que se obtengancorrespondan a la composición real de la calidad de aire de la zona en lacual se extrajo la muestra, ya que el muestreo consiste básicamente en laobtención de una pequeña porción de un cierto conjunto o lote de material


que va a ser sometido a un determinado análisis o estudio109 . Por lo cualse recomienda tener bitácoras de campo y mantenimiento quedocumenten cualquier anomalía relacionada con los sistemas demonitoreo y en términos de los reportes de datos es importante especificarel número de datos válidos, perdidos (en algún caso repuestos mediantealgún algoritmo) y cómo se obtiene el cálculo de la norma o del indicadorpertinente de calidad de aire (número de veces que se sobrepasa lanorma).

En los incisos siguientes se darán ejemplos de dos sistemas de muestreo:una línea de muestreo y una estación de monitoreo, con todas las partesque conforman cada una de ellas, sin pretender abordar todos los sistemasde medición de flujo y de volumen, bombas y mecanismos existentesactualmente en el mercado.

3.4.1. Líneas de Muestreo

Los requerimientos mínimos de equipo de un sistema de muestreo conuna línea de muestreo, para llevar a cabo la colección de un contaminanteen una solución absorbente, por medio de muestreadores activos, seobservan en la figura 3.25, y son110 :

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

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

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

Figura 3.25

109

Referencia 53.110

Referencia 1, vol. 4, págs. 26 a 29.


il

ll

i

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

Entrada, mangueras y tuberías. La entrada deberá incluir un embudoboca abajo, como se aprecia en la figura para prevenir que penetre lalluvia y partículas a la línea de muestreo, tanto el embudo, como las líneas(mangueras y tuberías) y tubos múltiples (“manifolds”), deberán serquímicamente inertes (como ya se indicó) y transparentes, de manera quese puedan llevar a cabo inspecciones visuales para checar que no setengan condensaciones, obstrucciones o depósitos de polvo, durante laoperación. Se recomienda una longitud máxima de tres metros.

Sistemas de medición de flujo y de volumen. Existen diferentesinstrumentos y técnicas para la medición del flujo y del volumen, loscuales se agrupan en estándares primarios y secundarios, en función de sise involucra la medición directa del volumen con base en su dimensiónfísica en un espacio determinado (primarios), o de si son instrumentos dereferencia o medidores que basan su calibración en los estándaresprimarios. Entre los instrumentos de estándares primarios que sirven paramedir volúmenes integrados están el espirómetro, los medidores depistón, los tubos de Pitot, medidores de película de jabón y otros. Entrelos secundarios tenemos el “Dry Gas Meter”; el “Wet Test Meter”, elrotámetro, etcétera111 .

Para el muestreo de volúmenes de aire los instrumentos más prácticos sonlos “Dry Gas Meter”, los cuales son capaces de determinar volúmenes conuna precisión de + 0.02 m3. Los demás instrumentos también se pueden

111

Referencia 32.


utilizar, pero requieren de mayor cuidado tanto en su calibración como ensu preparación antes de su utilización y sus controles112 .

Los controladores de flujo sirven para mantener el flujo constante dentrode un rango de + 10%. Entre estos tenemos a los orificios críticos,orificios calibrados y medidores de flujo ajustables. Para el buen funcio-namiento de estos instrumentos se tienen que mantener limpios y libres decualquier tipo de bloqueo, deberán ser calibrados antes de utilizarlos y deahí en adelante ocasionalmente.

Bomba. Es la máquina que creará el vacío para que se force a unacorriente de aire medida a pasar por un sistema de colección. Se requierede bombas capaces de mantener flujos estables en un determinado rango.Las más utilizadas son las bombas de diafragma con la adición decontroladores de flujo para asegurar que se mantenga el rango del mismo.

Adicionalmente tenemos instrumentos y equipos que nos ayudan amantener la integridad del sistema de muestreo, establecen el control delflujo y permiten muestreos múltiples. Entre estos tenemos:

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

Manómetros/Termómetros. Los manómetros miden la caída de presiónque se ocasiona por la resistencia del equipo de muestreo al paso del flujode gas. Lo cual permite corregir el volumen de gas muestreado a condi-ciones estándar. De igual manera se necesita medir la temperatura pararealizar las mismas correcciones, utilizando la ecuación de la ley de losgases113 .

P0V0 = P1V1 V0 = V1P1 . T0

T0 T1 P0 T1

Pre Filtros. Deberá incluirse un filtro en la línea de muestreo, adelantedel absorbente, para remover las partículas que pudieran contaminar a lasolución absorbente o para la colección de estas en análisis subsecuentes.

112

Referencia 1, vol. 4, págs. 26 a 29.113

Referencia 1, vol. 4, págs. 26 a 29.


Estos filtros, al igual que sus soportes deberán ser químicamente inertes oestar recubiertos para evitar reacciones químicas con la corriente de gasmuestreada. En general se utilizan filtros de papel, ya que en los de fibrade vidrio pueden ocurrir reacciones químicas que removerían contaminan-tes de interés113.

Válvulas. Estas se introducen para poder llevar a cabo muestreos múlti-ples simultáneos o consecutivos en arreglos de soluciones absorbentesmúltiples sin necesidad de apagar el equipo y cambiar las soluciones113.

Contadores de Tiempo, “Timer”. Estos instrumentos se introducen enla línea de muestreo para que se realicen muestreos, sin necesidad deatención personalizada para prenderlos y apagarlos, para que se cambie aotro absorbente, trabajando en conjunto con las válvulas, o para llevar acabo series de muestreos, como por ejemplo series de muestreos de 3horas en un día o de 24 horas en una semana113. En la figura 3.26, siguien-te podemos observar un ejemplo de una unidad completa de muestreoactivo portátil.


Figura 3.26

Oxidación→NO2

8

i l

i ili li-

i ii l i l

)

UNIDAD DE MUESTREO PORTÁTIL PARALA DETERMINACIÓN DE NO2 Y DE NO

(Ref. 1)


3.4.2. Estaciones de Monitoreo

El equipo que conforma a una estación de monitoreo atmosférico secoloca en el interior de una caseta con una serie de acondicionamientosque permitan la óptima operación de los equipos automáticos que seinstalarán en la misma. Sus partes principales se aprecian en la figura 3.27y son114 :

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

Unidad de aire acondicionado o climatizador. Las unidades de aireacondicionado, sirven para mantener una temperatura controlada para lacorrecta operación de los instrumentos de medición. Ya que, a pesar deque estos instrumentos están diseñados para soportar cambios detemperatura, las temperaturas alcanzadas en algunas estaciones cuando launidad de aire acondicionado falla, sobrepasan el rango con el que fuerondiseñados los instrumentos, lo que ocasiona un mal funcionamiento de losmismos. Por lo cual es muy importante mantener en buen estadooperativo estas unidades de aire acondicionado.

Instalaciones eléctricas. En lo que respecta a estas instalaciones en lacaseta, es conveniente integrarlas con reguladores de voltaje y carac-terísticas adecuadas para evitar cualquier descarga eléctrica hacia losinstrumentos. Estos también cuentan con protección para descargaseléctricas y soportan fluctuaciones de voltaje, pero se pueden presentaralgunas fuera de especificaciones, por lo que se recomienda la instalaciónde estos reguladores como protección adicional.

Consola de montaje. Comúnmente conocida como “Rack de Montaje”,esta consola está diseñada para soportar y brindar un mejor acceso alinterior de los instrumentos, ya que cuenta con rieles que permiten eldeslizamiento del instrumento para tener un acceso total a cualquiercomponente del mismo. Es importante mencionar que la libertad de espa-cio y condiciones adecuadas de movimiento dentro de la estaciónpermitirán un desarrollo ideal de las actividades de operación. Esta

114

Referencia 36.


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

Figura 3.27

CONFIGURACIÓN BÁSICA DE LOS REQUERIMIENTOS PARA LAINSTALACIÓN DE UNA ESTACIÓN AUTOMÁTICA DE MONITOREO

(Ref. 36)

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

115

Referencia 36.


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

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

• Sistema Secundario. Este es un sistema de acopio y respaldo de datos, elcual está formado por un módulo de adquisición de datos o microcom-putadora, que cuenta con una serie de puertos en los cuales se conectancada una de las salidas analógicas de los analizadores. El sistema almacenala información que recibe cada minuto, y calcula un promedio horario. Estainformación es transmitida al sistema secundario, el cual interroga cadahora a cada estación de monitoreo para recopilar estos datos. De maneraque si el sistema primario falla es posible obtener la información por mediodel sistema secundario, que además, puede proporcionar información dedías anteriores y del comportamiento de cada estación117 .

Finalizamos este capítulo, después de haber expuesto las principalesmetodologías de muestreo y análisis que existen actualmente. A conti-nuación presentaremos en el capítulo siguiente los controles que senecesitan establecer para el buen funcionamiento de un programaconjunto de monitoreo atmosférico.

116

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

117 Referencia 36.

3. revisiÓn de metodologÍas...

Documents