4. MUESTREO ATMOSFÉRICO

Introducción La atmósfera es la capa gaseosa que rodea a la tierra.

Está formada por varias capas concéntricas:

• Troposfera, entre 0 y 10 km sobre el nivel del mar,dentro de la cual se desarrolla la vida aérea.

• Estratosfera, hasta 80 km de altura. En ella existeuna capa de ozono, O3, de unos 20 km de altura, queresulta esencial para la vida. Esta capa es una especiede "escudo" que protege a la Tierra de las radiacionesultravioleta.

• Ionosfera, que se extiende hasta unos 500 km. En ellaexisten iones producidos por la radiación ultravioleta.

Para efectos de análisis de la contaminación, se prestaatención a la troposfera y a la capa de ozono (O3) enla estratosfera.

Composición del aire

(seco y limpio) al nivel del mar

Fórmula % en Volumen ppm

N2 78.09 780 900

O2 20.94 209 400

Ar 0.93 9300

CO2 0.0318 318

Ne 0.0018 18

He 0.00052 5.2

CH4 0.00015 1.5

Kr 0.0001 1

H2 0.00005 0.5

N2O 0.000025 0.25

CO 0.00001 0.1

Xe 0.000008 0.08

O3 0.000002 0.02

NH2 0.000001 0.01

NO2 0.0000001 0.001

SO2 0.00000002 0.0002

Contaminantes atmosféricos

Contaminación atmosférica es la presencia en el aire desustancias y formas de energía que alteran su calidad,de modo que implique riesgos, daño o molestia gravepara las personas y bienes.

Los contaminantes pueden ser clasificados en primarios,sustancias que son vertidas directamente a laatmósfera, y secundarios, producidos comoconsecuencia de las transformaciones y reaccionesquímicas y fotoquímicas que sufren los contaminantesprimarios.

Los contaminantes primarios pueden clasificarse engases y material particulado.

Dentro de los gases se encuentran los óxidos de azufre(SO2 y SO3), óxidos de nitrógeno (NO2 ) y óxidos decarbono (CO y CO2), el ozono (O3), los hidrocarburos (CH4,C6H6, COV, PAH), las dioxinas y los PCB.

También se considera contaminación atmosférica a laproducida por formas de energía como radiaciones(ionizantes y no ionizantes), vibraciones y ruido

El material particulado puede clasificarse, en función deltamaño de partícula, en partículas sedimentables (ø >10 μm), partículas en suspensión (ø < 10 μm) ypartículas respirables (ø < 5 μm).

Se usa la terminología PM10 (partículas torácicas) paralas partículas con menos de 10 micrómetros dediámetro aerodinámico y PM2,5 (partículas respirables)para el material particulado con menos de 2,5micrómetros de diámetro.

Los contaminantes secundarios principales son.

• O3. (Ozono troposférico). Se origina por interacciónde la radiación solar a partir de los óxidos denitrógeno y de los compuestos orgánicos volátiles.

• Derivados del nitrógeno. (NO). Los óxidos delnitrógeno en la atmósfera sufren reacciones defotooxidación. A partir del NO2, se forma el NO3. Ensituación acuosa se formará el NO3H. Y además seformó el PAN, que es nitrato de peroxiacetileno.

• Derivados del óxido de azufre. En la atmósfera setransformará del SO2, al SO3. Y en la situación acuosase formará el SO4H2.

Los derivados de nitrógeno y del óxido de azufre son losresponsables del smog y de la lluvia ácida.

Orígenes y Efectos de los Contaminantes Atmosféricos

Material Particulado

micras1000 100 10 1.0 0.1 0.01 0.001

Niebla

Humos

Aerosoles

Polvo

Neblina

Bacterias

Virus

Gotas de lluvia

Cenizas

El material particulado y el tracto respiratorio

Objetivos del Muestreo de Aire

Algunos objetivos del muestreo atmosférico pueden serlos siguientes:

• Identificación de fuentes contaminantes• Observación de la tendencia de la contaminación a

largo plazo• Calibración de un modelo de dispersión• Identificación de sitios representativos de monitoreo• Investigación del impacto de la contaminación en la

salud de la población y en los ecosistemas• Supervisión del cumplimiento de normas de calidad del

aire• Establecimiento de un sistema de alerta

El muestreo atmosférico

Al referirnos al muestreo atmosférico, un interésimportante es la determinación de la contaminaciónatmosférica, por lo que se debe considerar como dossituaciones objeto de muestreo a:

1. La emisión, es decir la incorporación a la atmósferade contaminantes primarios a partir de fuentes fijasy móviles . Éste es el muestreo de emisión ó muestreode fuentes.

2. La inmisión, es decir, la calidad del aire resultanteluego de que los contaminantes primarios han sidotransportados, modificados (contaminantessecundarios) y mezclados.. Éste es el muestreo deinmisión o de la calidad del aire que entra en contactocon los receptores.

EMISION INMISION

Fuentes Receptores

Fijas

Móviles

TransporteReacciónMezcla

Muestreo de Emisión

• Directamente en lafuente de emisión

• Contaminantes primarios

• Concentracionesrelativamente altas delos contaminantes

Muestreo de Inmisión

• A cierta distancia de lafuente de emisión

• Contaminantes primariosmas contaminantessecundarios

• Concentracionesrelativamente bajas delos contaminantes

Ubicación de puntos de muestreoLa ubicación de los puntos de muestreo puede obedecer

a diferentes criterios:

• Cuadrículas, en una distribución sistemática

• Ubicaciones en función de Modelos Estadísticos

• Puntos seleccionados en las ciudades, como el centrode la ciudad, los sectores industriales, la densidad detráfico, las zonas residenciales, preferentemente.

Otros criterios pueden estar relacionados con lasfuentes de emisión, la topografía y meteorología, lacalidad del aire, los modelos de simulación y, porsupuesto, los objetivos del muestreo.

Las Técnicas de Muestreo Atmosférico

Las técnicas de muestreo atmosférico son las siguientes:

• Técnicas Pasivas

• Técnicas Activas

• Analizadores automáticos en línea

• Sensores remotos

• Bioindicadores

Dentro de ellas existen técnicas específicas para elmuestreo de gases y para el muestreo de materialparticulado, aplicables, según los casos, tanto para laemisión como para le inmisión.

Técnicas Pasivas

El contaminante, ya sea gaseoso o particulado, entra encontacto con un medio o sustrato que sirve paradetectarlo o retenerlo, por acción de una propiedad oproceso natural (gravedad, absorción, adsorción,reacción química, interferencia, etc.).

Después de exponer el sustrato por un apropiadoperiodo de muestreo, (que depende del objetivo) sedetermina cuantitativamente la presencia delcontaminante, ya sea in situ, o llevándola a unlaboratorio para analizarla. Además de partículas, seutilizan para NO2, SO2, NH3, VOC´s, O3.

Técnicas Pasivas

Ventajas:

• En general son técnicas simples

• No requieren del uso de energía

• Generalmente son de bajo costo

Desventajas:

• Solo permiten determinar valores promedio en unintervalo de tiempo

• No permiten el registro de valores máximos y mínimos

Técnicas Activas

El contaminante, ya sea gaseosos o particulado, entra encontacto forzado con un medio o sustrato que sirvepara detectarlo o retenerlo, utilizando para ello unabomba que absorbe una masa de aire.

Después de operar el muestreador para que elcontaminante entre en contacto con el sustrato por unapropiado periodo de muestreo, (que depende delobjetivo) se determina cuantitativamente la presenciadel contaminante, ya sea in situ, o llevándola a unlaboratorio para analizarla. Además de partículas, seutilizan para NO2, SO2, O3

Técnicas Activas

Ventajas:

• Al forzar el contacto entre el contaminante y elsustrato, se incrementa la posibilidad de detección ocaptación

• Un gran número de contaminantes puede sermuestreado por métodos activos, ya que se puedenaplicar una variedad de sustratos (sólidos o líquidos)

Desventajas:

• Requieren de energía eléctrica para su operación

• Son generalmente costosos

Analizadores automáticos en línea

Estos instrumentos se basan en aprovechar propiedadesfísicas o químicas del contaminante (especialmentegas), mediante su detección continua, utilizandométodos optoelectrónicos.

El aire muestreado entra en una cámara de reaccióndonde, ya sea por una propiedad óptica del gas quepueda medirse directamente o por una reacciónquímica que produzca quimiluminiscencia o luzfluorescente; se mide la intensidad de esta luz pormedio de un detector que produce una señal eléctricaproporcional a la concentración del contaminantemuestreado. Además de partículas, se utilizan paraCO2, CO, HC, NO2, SO2 y O3

Analizadores automáticos en línea

Ventajas:

• Se tienen valores en tiempo real

• Se determinan valores máximos y mínimos

• Permite identificar valores umbrales respecto a loscuales tomar acciones inmediatas como medidas decontingencia

Desventajas:

• Costo elevado

• Requieren personal especializado para su manejo

• Constante mantenimiento y calibración

Sensores remotosSon técnicas que permiten capturar información de los

objetos sin tener un contacto directo con ellos. En elcaso de la atmósfera, proporcionan mediciones de uncontaminante dentro de un área por un periodo detiempo limitado. Particularmente aplicables aaerosoles, ozono y gases. Operan a través deinstrumentos montados en aviones, satélites y globosde observación.

Identifican a componentes a través de varios principioscomo las correlaciones espectrométricas, el reflejode luz solar en partículas de aerosoles, absorcióninfrarroja y emisión espectroscópica, láser de color,fluorescencia infrarroja, etc.

También proporcionan información sobre meteorología yclima,

Sensores remotos

Ventajas:

• Pueden cubrir áreas considerables

• Pueden proporcionar mediciones integradas demulticomponentes a lo largo de una trayectoriaespecífica en la atmósfera

• Rangos de resolución altos

Desventajas:

• Aplicación por parte de personal muy especializado

• Complejidad técnica

• Costo alto

• Datos no siempre comparables con los obtenidos porotros métodos

Bioindicadores

Se refiere principalmente al uso de plantas comoindicadores biológicos para estimar algunos factoresambientales, entre los que se incluyen la calidad delaire, particularmente en la investigación de susefectos.

Se incluyen aquí métodos como uso de la planta comomuestreador pasivo, capacidad de la planta paraacumular contaminantes o sus metabolitos en lostejidos, efectos de los contaminantes en lainformación genética de la planta, efectos de loscontaminantes en la apariencia, etc.

Bioindicadores

Ventajas:

• Costo generalmente bajo

• Útiles para detectar la presencia de algunoscontaminantes

Desventajas:

• Problemas en la estandarización de metodologías

• Algunos métodos no han alcanzado un grado deconfiabilidad suficiente

MUESTREADORES DE PARTICULAS

Muestreadores Pasivos.

Se basan en la depositación, por gravedad, de partículassobre una superficie.

Para ambiente exterior, se usan bandejas colectorasmetálicas de dimensiones estandarizadas, que sonexpuestas al ambiente por periodos de tiempodeterminados (24 h)

Para ambientes interiores, se utilizan bandejas o padsde papel o de plástico, que son expuestas al ambientepor periodos determinados. Algunos de ellos

Muestreadores pasivos de partículas para ambiente exterior

Bandejas colectoras para material particulado

Muestreadores pasivos de partículas para ambientes interiores

Superficies colectoras

Pad colector con indicador

colorimétrico

MUESTREADORES DE PARTICULASMuestreadores Activos.

Esencialmente, se trata de equipos que tienen una bombade succión que captan un flujo de aire y lo dirigenhacia un sustrato que capta o registra a la partícula aser muestreada.

Estos muestreadores pueden ser de uno de lossiguientes tipos:

• Muestreador con filtro. Las partículas son retenidasen filtros.

• Muestreador Inercial. Las partículas soninterceptadas luego de que el flujo de aire ingresadomediante la bomba es forzado a cambiar de direcciónabruptamente.

Comportamiento de partículas en un filtro

Intercepción

Atracción Electrostática

Impacto

Fibras

del filtro

Principio de los muestreadores inerciales de partículas

Dirección inicial del flujo

Dirección del flujo

abruptamente desviada

Las partículas siguen su trayectoria inicial

por inercia e impactan al sustrato

SU

ST

RA

TO

Bajo este principio se han

desarrollado

muestreadores de

partículas llamados

precisamente

“impactadores”

Muestreadores de partículas con filtros

HVS (High Volume Sampler) -Flujo aproximado:

35 m3/hora-Límite detección:

1-5 μg/m3

-Rango de captación:0.1 - 100 μm

- PST

Muestreadores de partículas con filtros

High Volume Sampler

Muestreadores de partículas con filtros

MVS (Medium Volume Sampler)-Flujo aproximado:

6 m3/hora-Límite detección:

10 μg/m3

-Rango de captación:0.1 – 25 o 50 μm

- No apropiado para PST

Muestreadores de partículas con filtros

Muestreadores Inerciales

Muestreadores en cascadaAndersen de dos y seis etapas

En el mercado existenimpactadores seriadosque permiten colectarpartículas de tamañosdiferentes, de masgrueso a mas fino. Aéstos se denomina“impactadores encascada”

Muestreadores Inerciales de partículas

– Impactador de cascada – PM10 High Vol.

Impactador en cascada: permite hallar relación PM2.5/PM10

Medidores de PM10

• Cabezal de impactación

• Filtro

• Succión y medición

PM10 Impactor

Impactadores en cascada gravimétricos

ImpactadorAndersen

• Distribución de tamañode partícula con 8etapas entre 0.4mm y10mm

• Determinacióngravimétrica

Impactador con detección eléctrica

Distribución de tamaño de partícula con 13 etapas entre0.035mm y 10mm. Detección eléctrica cada segundo de laconcentración en número de partículas

Impactadores

• Impact Sampler

Medidores de Opacidad• Opacidad: Fracción de la luz expresada en (%) , que al

ser enviada desde una fuente es impedida de llegar alreceptor del instrumento observador y que se expresaen función de la transmitancia

• Opacímetro: Medidor de humo diseñado para medir laopacidad de una muestra de humo mediante elprincipio de extinción de luz. Mide mediante un sensorelectro-óptico cuya función es medir la opacidad en elaire a través de las partículas existentes (polvo ensuspensión, emisiones de gas, niebla, lluvia, nieve,

etc.).

Los datos del opacímetro pueden ser expresados comoconcentración de material particulado total.

Opacímetro

• Alta sensibilidad• Instalación rápida• Fácil operación• Mantenimiento simple• Opacidad medida como

porcentaje, 0-100%• Puede relacionarse con la

concentración total másica dematerial particulado, TPM, enmg/m3

Muestreador de partículas en fase líquida

Existen tambiénmuestreadores departículas en fase líquidaque paermiten la separación(fraccionamiento) portamaño de partículas.

MUESTREADORES DE GASES

Muestreadores Pasivos.Los gases a ser muestreados entran en contacto con un

medio que interactúa con ellos. Algunos tipos demuestreadores con estas características son:

• Personales (tipo distintivo o escarapela)

• Tubos de difusión

• Burbujeadores pasivos

• Otros: papeles indicadores, etc.

Muestreadores personales de gases

Se usan fundamentalmente para ambientes cerradosConstan de un receptáculo en elque está un material absorbente oadsorbente, protegido por unabarrera, que permite la toma demuestra exclusivamente pordifusiónmolecular, siendo independientede la velocidad del viento. Eladsorbente y el absorbente, seseleccionan en función del químicoque se requiera muestrear, siendoéste el compuesto que mejorcolecte al contaminante deinterés.

Muestreadores personales de gases

Tubo de difusión

Se usan fundamentalmente para ambientes cerrados

Consisten en tubos quecontienen un materialabsorbente o adsorbentesegún sea el mejorcompuesto que permitacolectar un determinadocontaminante, y seencuentran abiertos en unode sus extremos.Son utilizados paramuestrear NO2 y SO2,principalmente.Tubo de Palmes

Burbujeadores pasivos

Los burbujeadores pasivos,consisten de un tubo especiallargo con una gargantaperforada y una tapa pararetener un disco de difusiónKnudsen, que es el queprecisamente controla latransferencia de gases dentrodel medio acuoso sin que éstasea afectada por el viento.Esta tapa deberá serremplazada por una tapasólida cuando el dispositivo setransporte al laboratorio.

En los cuadros siguientes, se presenta un resumen demétodos pasivos para muestreo de gases, y diversosmateriales que son utilizados como sustratos parainteractuar con los diferentes gases a ser

muestreados.

MUESTREADORES DE GASESMuestreadores Activos.

Mediante el uso de bombas al vacío, se pone en contactoal aire muestreado con un sustrato, o se aísla unvolumen de aire para llevarlo al laboratorio. Los tiposprincipales son:

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

• Frascos para la absorción en fase líquida de gases.

• Tubos indicadores adsorbentes.

• “Denuders” para la separación por difusión de gases ypartículas.

• Filtros impregnados químicamente.

Bolsas, depósitos, canisters

Son muy útiles para el muestreo de compuestos comometano, etano y propano y gases estables como N2, O2, COy CO2. Sin embargo, no se recomiendan para gasesreactivos como O3, NOx y SO2, los cuales es preferiblecapturarlos y estabilizarlos por medio de alguna técnicaquímica de absorción previa a su análisis.Actualmente se ha difundido el uso de “canisters” deacero inoxidable para muestreos de hidrocarburos, bajosniveles de tóxicos en el aire, halocarburos y COVs, a loscuales se les aplica un pulimiento en su interior de maneraque se reducen los bordes o imperfecciones de lasuperficie de metal expuesta a la adsorción de los gases

Bolsas, depósitos, canisters

Bolsas de Muestreo

Jeringas

Canisters al vacío

Bolsas, depósitos, canisters

Frascos para la absorción en fase líquida de gases

Se trata de botellas o frascos que contienen medios decolección absorbentes para la absorción en faselíquida de gases. Esta fase líquida es estable y nopuede ser volátil, corrosiva, viscosa, espumosa, nicara. Se usan para SO2, NOx.

Las reacciones a que se someten los contaminantesabsorbidos son colorimétricas o fotométricas, por loque es necesario añadir un reactivo que produzcacolor, en caso de requerirse, o esperar a que éste seproduzca antes de medirlo en un colorímetro. En loslaboratorios se cuenta con métodos de análisis de lassoluciones como titulación, conductividad,turbidimetría, fotometría, cromatografía y otros.

Los frascos para la absorción en fase líquida de gasesmas conocidos son los denominados “impingers”, o“frascos borboteadores”. Se trata de frascos quetienen un tubo de entrada que introduce el gasmuestreado hasta el fondo del recipiente; el gasinteractúa con el medio líquido y luego es dirigido a untubo de salida, el cual está conectado a una bombaaspirante. Los impingers pueden conectarse en serie,formando lo que se denomina un “tren de impingers”,con posibilidad de detectar varios gases.

Frascos borboteadores

Impingers

Impingers

Tren de Muestreo

En los cuadros siguientes, constan las principales faseslíquidas que se utilizan en el los frascos absorbentes,así como también algunos gases que se puedenabsorber en ellas.

Tubos indicadores adsorbentes.

Son tubos, de vidrio u otro material, cerrados en ambosextremos, en los que se lleva a cabo de maneradiscontinua la adsorción, en vía seca, de un gas deinterés en un material adsorbente que puede sersilicagel, carbón activado, algún polímero como Tenax,u otros reactivos. Se fuerza el paso de aire medianteuna bomba, a través de ellos. Para utilizarlos serompen los extremos del tubo y se hace pasar por éluna cantidad medida de aire para que se coloree elinterior del tubo. El tono del color y la longitud de labanda comparados con la cantidad de gas que hapasado, indicarán la concentración del contaminante.Se utilizan principalmente en las pruebas de seguridadindustrial o de exposiciones personales y no enmonitoreos de calidad de aire rutinarios.

Tubos Indicadores Adsorbentes

Tubos Indicadores adsorbentes

• Tubos absorbentes

Tubos indicadores adsorbentes

Los tubos indicadores seutilizan con bombaseléctricas de pequeñotamaño especialmentediseñadas.Existen también bombasmanuales a las cuales seacoplan los tubosindicadores.Algunas de estas bombasse pueden utilizar tambiéncon los frascosabsorbentes.

Bomba Manual

Bombas

Bombas

Bombas Drager

DENUDERS

• El “Denuder” consiste en un tubo cuyas paredesinteriores están revestidas con una sustancia químicaabsorbente que atrapa al gas de interés. El airemuestreado se hace pasar por el tubo en condicionesde flujo laminar de manera que se produzca la difusióndel gas hacia las paredes del mismo tubo,absorbiéndose el gas de interés y separándose así delresto de la muestra. Mientras tanto, las partículascontinuarán su paso por el tubo para ser atrapadaspor un filtro a la salida de este. Usualmente secolocan varios tubos concéntricos para aumentar lasuperficie de contacto. Se usan para aerosoles ygases ácidos, ácido nítrico, Bióxido de azufre y amonio

Denuder

Filtros Impregnados Químicamente

Los filtros impregnados químicamente se utilizan para laabsorción o reacción química de contaminantes, sepreparan mediante la imersión de estos filtros en unasolución química seleccionada, secándolos despuésprevio a su uso.

Durante el muestreo, el aire se hace pasar por el filtro yel contaminante de interés reaccionará con el químicoen el filtro. El producto de la reacción será despuésanalizado para determinar la cantidad decontaminante presente en el aire muestreado.

MUESTREO DE CHIMENEASMEDICIÓN DE EMISIONES DE CONTAMINANTES EN

CHIMENEAS O DUCTOS DE FUENTES FIJAS

La metodología general para el muestreo de chimeneases la siguiente:

1. Selección del sitio para la ubicación del puerto demuestreo, determinación del número de puntospara mediciones y su localización

2. Determinación de la velocidad de las emisiones ydel gasto volumétrico

3. Análisis de las emisiones para determinar elporcentaje de CO2, oxígeno (O2), monóxido decarbono (CO) y el peso molecular seco

4. Determinación del contenido de humedad de lasemisiones

5. Determinación de las emisiones de partículas6. Determinación de las emisiones de dióxido de

azufre (SO2)

Puertos de Muestreo en Chimeneas

Tren de Muestreo para gases en Chimeneas

Sistema de medición de velocidad

Tren de Muestreo de Humedad

Tren de Muestreo de Material Particulado

Muestreador portátil de gases de combustión

Muestreo isocinético en Chimeneas

Al muestrear material particulado en una chimenea sedebe mantener el flujo isocinético hacia la sonda demuestreo. El problema se ilustra en la figurasiguiente:

Vs

Vn

Vn = velocidad del gas en la sonda demuestreo

Vs = velocidad de la emisión de lachimenea

Si la velocidad del flujo de en el interior de la sonda demuestreo es igual a la velocidad de la emisión en lachimenea de la cual se esta tomando la muestra, lacondición de muestreo es isocinetica (Vn = Vs) y laconcentración medida de las partículas (Cm) sera iguala la concentración verdadera (Cl).

Sin embargo, si la velocidad en la sonda es mayor que enla chimenea (Vn >Vs), entonces las líneas de corrientedel gas se curvarán hacia la boquilla y la inercia de laspartículas hará que algunas de ellas pasen por fuerade ésta, aun cuando el gas en el que hayan estadofuera captado y, por consiguiente, la concentraciónmedida será menor que la verdadera.

Inversamente, si la velocidad en la boquilla es menor quela velocidad en la chimenea (Vn > Vs), entonces laslíneas de corriente del gas se curvarán hacia afuerade la boquilla y su inercia hará que algunas de laspartículas sean arrastradas hacia el interior de ésta,sacándolas del gas que las acompañaba. Entonces laconcentración medida será mayor que la verdadera.