Niveles, composición química y reconstrucción másica del PM en

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Niveles, composición química y reconstrucción másica del PM10
en Bogotá. Estudio integrado en tres puntos diferentes
1-Vargas-Colombia-1
Freddy A. VARGAS* y Néstor Y. ROJAS†
Palabras clave: caracterización PM10, reconstrucción másica (mass closure),
análisis iónico, Bogotá.
Introducción y objetivos
La calidad del aire, especialmente en centros urbanos, ha sido un tema recurrente en los debates de salud pública y calidad de vida (Fenger, 1999). Lo
anterior se ha debido especialmente a las relaciones que se han encontrado
entre calidad del aire e indicadores de salud de la población (World Health
Organization, 2006). En Bogotá se hace un seguimiento a la calidad del aire
a través de la Red de Monitoreo de Calidad del Aire (RMCAB), y partiendo de
los reportes de las autoridades ambientales y análisis independientes (SDA,
2008; MAVDT, Ideam, 2007; Gaitán, Cancino, y Behrentz, 2007), (SDA, 2008; MAVDT,
Ideam, 2007) se llega a la conclusión de que el contaminante que presenta
los niveles más preocupantes es el material particulado (medido como material particulado de diámetro aerodinámico menor a 10 micras, PM10).
*
Ingeniero químico, estudiante de la Maestría en Ingeniería Ambiental, Departamento de Ingeniería Química y Ambiental, Universidad Nacional de Colombia, dirección: carrera 45 núm. 26-85,
Laboratorio de Ingeniería Química, oficina 206, Bogotá, Colombia, teléfono: +(57-1) 316 5000, ext.
14304, fax: +(57-1) 316 5000, ext. 14302, correo electrónico: [email protected].
†
Profesor Asociado. Departamento de Ingeniería Química y Ambiental, Universidad Nacional de
Colombia.
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Freddy A. VARGAS y Néstor Y. ROJAS
En Bogotá se han realizado algunos trabajos previos sobre la caracterización del material particulado recolectado en mediciones de calidad del aire
en Bogotá, especialmente para metales pesados (Pachón y Sarmiento, 2008;
Roa, 1999; Páez, 1998). Pachón et ál. (2008) analizaron muestras para carbón
elemental (EC) y orgánico (OC), así como para iones, de donde concluyeron
que la fracción asociada a carbón está dentro del 15 y el 60% del total del PM10,
y que el material iónico, especialmente sulfato, es también apreciable. Rivera y
Behrentz (2009) adelantaron un análisis de metales y del componente iónico,
donde este último parámetro estuvo entre el 3,5 y el 8% del total del PM10; sin
embargo, no se caracterizaron las fracciones carbonáceas.
El trabajo discutido en el presente documento consistió en la caracterización química del material particulado, incluyendo análisis de metales,
componente iónico y carbono elemental y orgánico, y la reconstrucción
másica (mass closure) del
PM10
a partir de los datos de caracterización y
su correlación con los datos obtenidos en el análisis gravimétrico. Adicionalmente, se adelantó un análisis de balance iónico de las muestras recolectadas que permitió plantear algunas hipótesis sobre los compuestos
presentes en PM10 de Bogotá.
Metodología
El presente trabajo se desarrolló en tres etapas generales, a saber:
Muestreo
Se definieron tres sectores para el muestreo: Tunal, Carvajal y Suba. Se tomaron muestras diarias durante 140 días (30 en Tunal, 55 en Carvajal y 55 en
Suba), utilizando muestreo simultáneo sobre dos sustratos filtrantes (cuarzo
y PTFE) en cada punto. En total se recolectaron 280 muestras. Los puntos de
muestreo se definieron para cumplir escala barrial según los criterios de la
Environmental Protection Agency (EPA). Cada muestra se sometió a análisis
gravimétrico en una balanza de seis cifras.
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Las muestras recolectadas se conservaron en refrigeración a –5 °C para
evitar pérdidas por volatilización.
Caracterización
La caracterización se realizó utilizando tres técnicas:
–
Flourescencia de rayos X, energía dispersiva: se utilizó para cuantificar la presencia de elementos desde Na hasta U, utilizando como
muestra el material recolectado sobre los filtros de PTFE y siguiendo
el método IO 3,3 de la EPA (EPA, 1999) modificado.
–
Cromatografía iónica para cuantificar cationes (Na+, K+. NH4+ y Ca+2)
y aniones (Cl-, NO2-, NO3-, SO4=, Oxalato=, Formato-,Acetato-), usando
como muestra el material recolectado sobre los filtros de cuarzo,
utilizando un equipo Dionex300DX, siguiendo la metodología del
Georgia Institute of Technology.
–
Thermal Optical Trasmittance: para la caracterización de carbono
orgánico y elemental. Se utilizó como muestra el material recolectado en el filtro de cuarzo, usando un equipo SunLab, siguiendo la
metodología del Georgia Institute of Technology.
Análisis de resultados
Los resultados fueron analizados para verificar su consistencia; para tal fin
se utilizaron balances iónicos y la relación OC/EC. Para la reconstrucción másica se
utilizó la fórmula seguida por Lewis et ál. (2003) y el aporte de peso de la fracción orgánica se calculó siguiendo las recomendaciones de Turpin y Lim (2001).
Resultados y conclusiones
Los datos obtenidos confirman los hallazgos de Rivera y Behrentz (2009) en
cuanto al nivel del contenido iónico y el orden de magnitud del contenido
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FIG. 1. OC contra EC
FIG. 2. Balance iónico (línea recta es relación 1:1)
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FIG. 3. Déficit aniónico. ([X-] Se calculó suponiendo neutralidad iónica)
de la fracción carbonácea fue entre el 50 y 65%, acorde con Pachón et ál.
(2008). La relación OC/EC fue diferente en cada punto (fig. 1) y esta diferencia
está seguramente asociada a los tipos de fuentes predominantes en cada
uno de ellos o a la meteorología particular del lugar.
El balance iónico de equivalentes también muestra características particulares en cada punto (fig. 2).
Teniendo en cuenta que es razonable suponer la neutralidad iónica del
material particulado (Maxwell-Meier et ál., 2004), se puede afirmar que en
el material particulado tomado en El Tunal hay un balance iónico y en los
otros dos puntos existe un exceso de cationes lo que puede originarse en
la presencia no cuantificada de algún anión. De los análisis realizados se
encontró que el déficit aniónico está bien correlacionado con el catión Ca+2
lo que parece confirmar la presencia de CaCO3 en el PM10 muestreado en los
sectores de Suba y Carvajal.
Basados en los anteriores hallazgos se realizó una reconstrucción másica utilizando la fórmula seguida por Lewis et ál. (2003), modificada para
tener en cuenta el carbonato de calcio.
3
=
4
Mass Closure = Ca * 2.5 + Na + NH4+ K+ Cl + NO + SO + Oxalate+ 1.6 * OC + EC +
(1.5 * Mg + 2.2 * Al + 2.49 * Si + 1.94 * Ti + 2.42 * Fe) + Trace elements
Ecuación 1. Ecuación para reconstrucción másica a partir de los análisis químicos
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FIG. 4. PM10 reconstruido y hallado gravimétricamente para los tres puntos del análisis
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FIG. 5. PM10 composición general
En general, se obtuvo un buen acuerdo entre los pesos reconstruidos
y los determinados gravimétricamente y las correlaciones se encuentran
dentro de lo típico para estos ejercicios (Andrews et ál., 2000).
Basados en los resultados gravimétricos la composición general del PM10
se resumen la figura 5.
En la figura 5 se evidencia el gran aporte del polvo y suelo resuspendido al
PM10,
se esperaría que esta fracción se reduzca casi totalmente al
muestrear PM2,5, como se evidencia en el resultado obtenido en otros estudios, y tomen mayor importancia el componente iónico y los metales traza
(Zn, Pb, Cg, etcétera). La fracción carbonácea (EC y OC) está asociada a fuentes de combustión, principalmente móviles, pero también en Bogotá, fijas
(Rodríguez y Behrentz, 2009). Teniendo en cuenta que el contenido de azufre en el diésel utilizado en Bogotá está bajando gradualmente (El Tiempo,
2009), el material particulado tenderá a bajar, quedando aún por controlar
factores como el tiempo de uso de los buses, su cilindraje y los patrones de
conducción.
Generalmente, el muestreo y la caracterización de material particulado
nos dan mayores elementos para entender la composición e interacciones
químicas en las partículas, el análisis de resultados provee herramientas
para la validación interna de datos.
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Sesión 8:
Herramientas de apoyo
Análisis espacial de morbilidad por
enfermedades cardiorrespiratorias como
apoyo a la priorización de zonas de
intervención para el mejoramiento de
calidad del aire. Caso de estudio, Itagüí
Campañas de medición: herramientas
esenciales para entender los fenómenos
que determinan la calidad del aire y el
flujo de gases de efecto invernadero
Comparación de políticas de control
de contaminación para fuentes fijas en
Bogotá (Colombia)