Toma de Muestra y Analisis de Contaminantes Atmosfericos

TOMA DE MUESTRA MUESTRA Y ANÁL A NÁLISIS ISIS DE CONTAMINANTES CONTAMINANTES  ATMOSFÉRICOS

1.

INTRODUCCIÓN

2. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7 2.7. 2.8.

METODOLOG LOGÍA DE DEL MU MUESTREO Definici finición ón de los obje objetiv tivos os del del muestr muestre eo Definición finición de pará paráme metros tros ambienta mbientale less Loca Localiza lización ción de los los puntos puntos de muestr muestre eo Densidad nsidad o número número de puntos puntos de muestre muestreo o reque requeridos ridos Requerimi querimie entos ntos del del sitio de muestr muestre eo Determina terminación ción de tiempos tiempos de muestre muestreo: o: duración del programa, frecuencias de muestreo y tiempos de toma de muestra Selección elección del del equipo equipo de muestre muestreo o y de las técnica técnicass de análisis análisis Redes des de de mue muestre streo o

3. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5.

CLAS LASIFICACI ACIÓN DE MÉTODOS Muest uestre rea adore doress pasi pasivo voss Muest uestre rea adore doress activ ctivos os Ana Analiza lizadore doress autom utomá áticos ticos Sensor nsore es remo remoto toss B ioin ioindi dicc adore doress

4. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5.

EQUIPOS DE MUESTREO Equipos quipos para para muestr muestre eo pa pasivo sivo Equipos quipos para para muestr muestre eo acti activo vo Muest uestre reo o de part partíícula culass L ine inea d e m uest uestre reo o Esta stacion cione es auto automá máti tica cass

5. 5.1. 5.2.

MÉTODOS DE A NÁ L ISIS Aná Análisi lisiss de gase gasess Aná Análisi lisiss de de partí partícu cula lass

1. INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN En este tema se estudian las técnicas de muestreo y análisis para los contaminantes atmosféricos que con más frecuencia se emplean en la actualidad, con la excepción de los sistemas de evaluación continua, los cuales son objeto de otro tema debido a la gran actualidad de dichos equipos. En la evaluación de la calidad del aire existen tres conceptos básicos que se definen a continuación: Emisión : transferencia de contaminantes desde una fuente a la atmósfera. Transporte: describe los fenómenos que afectan a los contaminantes en la

atmósfera entre la fuente y el receptor (dilución del contaminan contaminante, te, reacciones químicas). Inmisión : transferencia de los contaminantes desde la atmósfera hasta

cualquier receptor.

2. MÉTODOLOGÍA DEL MUESTREO A continuación se desarrollan los puntos que deben definirse cuando se pretende llevar a cabo un muestreo atmosférico

2.1. 2.1. Defini Definición ción de los objetivos ob jetivos del muestreo Entre los objetivos más usuales de un muestreo se encuentran: - Estimar los efectos efectos sobre la población población y el medio ambiente. ambiente. - Informar al público público sobre la calidad del del aire. - Proporcionar información información sobre fuentes fuentes y riesgos riesgos de contaminación. contaminación. - Llevar a cabo evaluacione evaluacioness sobre tendencias tendencias a largo plazo. plazo. - Medir los efectos efectos de las medidas de de control en la calidad calidad del aire. - Estudiar las reacciones reacciones químicas químicas de los contam contaminantes inantes en eell aire. - Calibrar y evaluar modelos de dispersión dispersión de contaminantes contaminantes en la atmósfera. También hay que tener en cuenta el área de influencia del estudio: - Muestreos de un un área o región determinada: determinada: determinar determinar el nivel de contaminación en una o varias localidades de una región determinada - Muestreos de la contaminació contaminaciónn causada po porr fuentes emisoras: emisoras: - Fijas: Fijas: la emisió emisión n se produc produce e sie siempre mpre en en el mis mismo mo lug lugar ar (Ej. (Ej. Una industria) -

Móvile Móv iles: s: camb cambian ian su ubic ubicaci ación ón con con el el tiemp tiempo o (tráf (tráfico ico de

vehículos) - Muestreos específicos, específicos, generalmente generalmente relacionados relacionados con personas.

2.2. Definición de parámetros ambientales Contaminantes atmosféricos a medir: -primarios: aquellos que se emiten directamente a la atmósfera. -secundarios: se generan a partir de los primarios por reacciones en la atmósfera. -Los principales: SO2, NOx, O3, CO, HC, partículas.

2.3. Localización de los puntos de muestreo Existen diversos procedimientos de selección de los lugares donde se deben instalar los equipos de muestreo: - Cuadrícula: los equipos se colocan en las aristas o en los vértices de una cuadrícula. - Modelos estadísticos: nos proporcionan el número y la distribución optima. - Ciudades → experiencia + información. Se seleccionan puntos en los sitios más representativos de la ciudad: - centro de la ciudad. - sectores industriales. - zonas con densidad de tráfico elevada. - zonas residenciales. Consideraciones a tener en cuenta en la localización de los puntos de muestreo: - Fuentes de emisión. - Topografía y meteorología. - Calidad del aire. - Modelos de simulación. La localización de los puntos también está en función de los objetivos: - Calidad del aire. - Fuente fija. - Fuente móvil. - Salud Pública.

2.4. Número de puntos de muestreo requeridos Consideraciones a tener en cuenta a la hora de elegir el número de puntos en una zona: - Concentraciones más altas y variaciones → más puntos. - Frecuencia de muestreo. - Población. - Recursos. Ejemplo de localización de puntos, cada letra representa un día de la semana.

a

 b

a

b

c

d

c

d

a  b

a

b

c

c

d

d

2.5. Requerimientos del lugar de muestreo - Fácil acceso. - Seguridad: protegido de actos vandálicos. - Infraestructura: electricidad, agua, líneas de teléfono. - Obstáculos: libre de obstáculos que dificulten la libre circulación del viento.

Recomendaciones para la selección del lugar de muestr eo OBSTÁCULO

DISTANCIA

 Árboles y edificios

radio l ibr e de 10 m

Fuentes de emisión: indust rias, co merciales, carreteras con elevado tráfico

20 m de distancia del sit io de muestreo

ALTURA TOMA DE MUESTRA

TIPO DE ESTUDIO

1.5 m a 2.5 m

10 m

Estudios epidemiológicos Tráfico de automóviles Determinación de parámetros meteorológicos

2.6. Determinación de tiempos de muestreo -Duración del programa: - calidad del aire

→

12 meses (influencia de los cambios

estacionales). - semestrales, mensuales, semanales. -Frecuencia de muestreo: número de muestras en la unidad de tiempo. Es importante ya que la calidad del aire tiene variaciones temporales: cambios climáticos, estacionales, patrones de emisión e incluso con la hora del día (ver ejemplo en la siguiente página). -Tiempo de toma de muestra: tiempo de toma de muestra para obtener una lectura individual en mediciones discontinuas. Depende de: - LD método. - nivel de contaminación: para concentraciones elevadas se requiere un menor tiempo. - normas oficiales.

Ejemplo: Variaciones de la concentración de contaminantes Contaminante pr imario

Contaminante secundario

Ejemplos de tiempos d e muestreo

2.7. Selección del equipo de muestreo y de las técnicas de análisis Se debe seleccionar una técnica simple con un bajo coste económico pero que sea capaz de cumplir con los objetivos del estudio.

2.8. Redes de muestreo Se define red de muestreo como el conjunto de estaciones de muestreo, generalmente fijas y continuas que se establecen para medir los parámetros ambientales y que cubren toda la extensión de un área determinada. Existen diversos métodos para el diseño de las redes siendo los más utilizados los siguientes: - el de la cuadrícula espacial que suministra información detallada en cuanto a la variabilidad espacial. - el diseño ubicando los puntos en los lugares representativos , este método requiere un menor número de puntos y por lo tanto es más económico.

3. CLASIFICACIÓN DE MÉTODOS 3.1. Muestreadores pasivos - Colectan el contaminante por adsorción o absorción en un sustrato químico. El contaminante entra en contacto con el medio de colección por difusión molecular. -Como ventajas presenta su simplicidad y bajo costo lo que permite utilizar muchas unidades. - La desventaja es que el tiempo de resolución es limitado, solo da información de concentraciones medias. - Contaminantes estudiados por este método: NO2, SO2, NH3, VOC´s, O3. - Se emplean en puntos fijos y en estudios específicos para conocer el grado de exposición a la contaminación en personas.

3.2. Muestreadores activos - Se bombea el aire a través de un medio de colección y por tanto la sensibilidad es mayor. -Se han utilizado para: SO2, partículas en suspensión, NO2, O3 - Mayor costo y complejidad que los pasivos. - Son equipos fiables.

3.3. Analizadores automáticos - Se utilizan cuando se necesita una respuesta rápida que no se puede conseguir con los muestreadores pasivos y activos. - Su funcionamiento se basa en la medida de propiedades físicas o químicas del contaminante a medir. -Tienen mayores costos que los muestreadores tanto de inversión inicial como de operación.También tienen más problemas técnicos por lo que se necesita programas de mantenimiento y técnicos especializados.

3.4. Sensores remotos - Realizan mediciones integradas a lo largo de una trayectoria - Los métodos utilizados incluyen el uso del reflejo de la luz solar en partículas, absorción de radiación infraroja, laser, etc. - Aplicaciones como la determinación de contaminantes en zonas cercanas a fuentes de emisión, en las plumas de las chimeneas, o la distribución del ozono en la troposfera y la estratosfera. - Son equipos caros y complejos. Existen dificultades para su calibración y la validación de los datos.

3.5. Bioindicadores Este tipo de métodos incluye: -La utilización de la superficie de las plantas como receptoras de contaminantes. La utilización de plantas que acumulan contaminantes en su tejidos. - Estimación de los efectos que los contaminantes provocan en plantas.

El problema más importante de este tipo de técnica es la estandarización. Problemas como limitaciones por los tipos de plantas que pueden ser empleadas en diferentes regiones. Variables difíciles de cuantificar como adaptación a los ambientes contaminados, efectos de las sequías, etc.

4. EQUIPOS DE MUESTREO 4.1. Equipos para muestreo pasivo

Personales Ejemplo: muestreador pasivo-distintivo

Adsorbente

Tubos de difusión

NORMA UNE EN 838 (año 1996). Atmósferas en el lugar de trabajo. Muestreadores pasivos por difusión para la determinación de gases y vapores. Clasificación: Tipo A: determinación directa de concentraciones, tubos colorimétricos Tipo B1: adsorción en un sólido, desorción con un solvente y análisis. Tipo B2: adsorción en un sólido, desorción térmica y análisis. Tipo B3: absorción en un líquido y análisis

Ejemplo tipo B3, burbujeador pasivo

Líquido absorbente

Colector de materia sedimentable

Otros tipos - Papeles indicadores. - Vela de peróxido de plomo.

4.2 Equipos de muestreo activo En general están constituidos de una línea de muestreo que consta de las siguientes partes: - Entrada, tuberías. - Sistema de medición de flujo. -Bomba. -Sistema colección de muestra: GASES - Bolsas de plástico. - Recipientes evacuados. - Absorción en fase líquida. - Adsorción. - Denuder. - Filtros impregnados. PARTÍCULAS - Filtros. - Impactadores.

Bolsas de plástico

Recipientes evacuados

 Absorción en fase líquida Fase líquida

Gas muestreado

Agua

Gases polares (sulfuro de hidrógeno, amoniaco, metanol)

Etanol

Ésteres y aldehídos orgánicos

Ácido clorhídrico diluido

Aminas primarias

Sosa cáustica diluida

Cianuro de hidrógeno y anhídrido sulfuroso

Solvente mas reactivo

Óxidos de nitrógeno Compuestos de azufre

Impactadores

Absorbedores de vidrio poroso

 Adsorción en fase sólida Adsorbentes más utilizados: Silica gel, carbón activo. UNE EN 1076 (año 1997)Atmósferas en el lugar de trabajo. Tubos adsorbentes para la determinación de gases y vapores mediante bombeo. CLASIFICACIÓN - Tipo A: adsorción sobre un sólido, desorción con un solvente y análisis. - Tipo B: adsorción sobre un sólido, desorción térmica y análisis.

Ejemplo de método de adsorción con tubos indicadores

Tubo de vidrio Material adsorb ente que ha cambiado de color 

Flujo de gas

Flujo de gas

Denuder 

Métodos de colección y c ontaminantes

Método de colección Bolsas de plástico

Absorción en fase líquida Adsorción Denuder 

Filtros impregnados químicamente

Contaminante N2, O2, CO, CO, hidrocarburos, vapores tóxicos y VOCs SO2, NOx NO2, PAN (Nitrato de peroxiacetilo) Aerosoles y gases ácidos, ácido nítrico, Bióxido de azufre y amonio SO2

4.3. Muestreo activo de partículas El análisis completo del material particulado es más complicado que el de una muestra gaseosa ya que comprende las siguientes determinaciones: - Captación de la muestra. - Distribución de tamaños. - Cuantificación de la masa. - Componentes químicos.

Definiciones comité europeo de estandarización - MPS: que se refiere a todas las partículas rodeadas por aire, en un determinado volumen de aire no perturbado. - PST: es una estimación de MPS colectado por el HVS . - MPST: es el valor real de MPS y se mide con un equipo conocido como WRAC

Equipos utilizados en el muestro de partículas HVS, captador de alto volumen

- flujo aproximado: 36 m3/hora. - límite de detección:1-5 µg/m3. - rango de captación de partículas: 0.1 - 100 µm. - PST. MVS, captador de volumen medio

- flujo aproximado: 6 m3/hora. - límite detección: 10 µg/m3. - No apropiado PST. LVS, captador de bajo vo lumen

- flujo aproximado: 2.3 m3/día. - limite detección: 50 µg/m3. -análisis de partículas, opacidad. WRAC, clasificador de aerosoles de amplio r ango

- flujo aproximado: 1966 m3/hora. - impactadores: 10, 20, 40 y 60 µm. - MPST. - Uso limitado: ruido, grandes dimensiones físicas, necesita corriente trifásica.

Captador de alto vol umen

Filtro Muestreador  Control de flujo Bomba Medidor de flujo

Aire ambiente

Funcionamiento de los imp actadores

En la actualidad existe una creciente preocupación por determinar las partículas de menor tamaño ya que son las que presentan un mayor peligro para la salud al depositarse en zonas más profundas del tracto respiratorio, como se observa en la siguiente figura.

Diámetro (μm)

Fracción torácica (UNE EN 481, año 1993): fracción másica de partículas que penetran más allá de la laringe.

PM10 (Directiva europea 1999/30/CE): Partículas que pasan a través de un

cabezal de tamaño selectivo para un diámetro aerodinámico de 10 μm con una eficiencia de corte del 55%.

Distribución porcentual de la PM10

UNE EN 12341 (año 1999, Determinaciónde la fracción PM10 de la materia particulada en suspensión). En las siguientes figuras aparece el cabezal que se debe acoplar a un captador de bajo volumén y a uno de alto volumen para la determinación de la PM10.

LVS-PM 10

HVS-PM 10

4.4 Línea de muestreo Medidor de flujo Bomba Entrada de aire Botella de absorción

Instrumentos adicionales de una línea de muestreo - Manómetros y termómetros : miden la caída de presión en el equipo y la temperatura para corregir el volumen de gas muestreado a condiciones estandar. - Prefiltros: antes del absorbente para la eliminación de partículas que pudieran contaminar la solución absorbente. - Válvulas : útiles para llevar a cabo muestreos simultáneos o consecutivos. - Contadores de tiempo : para automatizar el equipo (apagado, encendido, muestreos en serie, etc)

Calibración - Dilución estática - Dilución dinámica

- Tubo de permeación

4.5. Estación automática Toma de muestra

Climatizador 

Línea telefónica

Consolas de montaje

Regulador  de voltaje

5. MÉTODOS DE ANÁLISIS GASES

Los métodos más empleados para la detección de gases inorgánicos son los análisis fotométricos. Los requisitos que deben cumplir estos métodos son: - El reactivo debe se específico y sensible al gas que se analiza. - El color de reacción debe de aparecer en los 30 minutos subsecuentes a la misma. - La absorción debe ser elevada. - Se tiene que cumplir la ley de Lambert- Beer , es decir debe de existir una relación lineal entre la respuesta y la concentración de analito. - El color de reacción ha de ser estable El cromatógrafo de gases es uno de los instrumentos de aplicaciones más diversas en el análisis de contaminantes atmosféricos orgánicos, ya que puede separar mezclas complejas que comprenden gran variedad de compuestos en columnas diferentes y además puede estandarizar con exactitud un gas de calibración. Existen cromatógrafos adaptados para determinar en forma continua varios contaminantes al mismo tiempo. Y son aparatos sencillos de operar, resistentes y relativamente baratos.