el muestreo difusivo visto como una alternativa para los

EL MUESTREO DIFUSIVO VISTO COMO UNA ALTERNATIVA PARA LOS
PAISES EN DESARROLLO
Markus Hangartner, Swiss Federal Institute of Technology, Suiza
Congreso Mundial Sobre Contaminación del Aire en Países de Desarollo, Costa Rica 1996
1. INTRODUCCIÓN
Cada día se reconoce más la
necesidad de lograr acciones
concertadas y efectivas para mejorar la
calidad del aire en los ambientes
urbanos. La contaminación del aire se
está convirtiendo en un factor
importante en lo que a calidad de vida
se refiere para los habitantes urbanos
lo que significa un riesgo tanto para la
salud humana como para el ambiente.
El primer paso en el diseño e
implementación de un sistema de
monitoreo del aire es la definición de
sus objetivos globales. Estos podrían
incluir la evaluación de la población ó
la exposición del ecosistema a los
contaminantes del aire y así poder
determinar si se cumple con las
normas aceptadas de calidad de aire lo
que permitiría una base sana para
desarrollar planes para el manejo de la
calidad del aire ó para informar al
público sobre la calidad ambiental.
Algunos objetivos técnicos que serían
mas detallados incluyen sistemas de
alarma de smog de tiempo real, la
identificación de fuentes de
contaminación, planificación y manejo
del tránsito y así sucesivamente.
Existen varias tecnologías de
medición del aire disponibles tales
como los sistemas automatizados,
sensores remotos y métodos
integracionales. Los métodos
automatizados tienden a ser más
complejos, costosos y técnicamente
exigentes. Puede que existan serios
problemas técnicos locales,
particularmente en los países en
desarrollo. Estos problemas entre otros
son los de capacitación y dificultades
de reparación, temperaturas climáticas
extremas, variación del suministro de
energía y una falta de divisas para la
compra de equipo, piezas que se
consumen y repuestos.
Bajo estas circunstancias, el uso
de otras tecnologías tales como
aparatos de muestreo pasivos puede
proporcionar un medio para obtener
información confiable y de fácil
mantenimiento. Ofrecen la posibilidad
de llevar a cabo encuestas a gran
escala, estudios de base, observación
de tendencias e ingreso de información
sobre las modalidades de
contaminación del aire. Los aparatos
de muestreo pasivos no son costosos
y ya que todos los análisis se pueden
realizar de manera centralizada, no se
requiere de personal técnico en la
locación donde por lo general se
encuentra buen recurso de laboratorio.
En este documento se presenta el
desempeño de algunos aparatos de
muestreo difusivo con respecto a la
exactitud e intervalo de prognosis. Se
dan ejemplos de formas de aplicación
así como las ventajas y desventajas.
2. MUESTREO PASIVO
Los aparatos de muestreo pasivo
se basan en la difusión de
contaminantes del aire hacia un medio
de absorción. La fuerza principal es el
gradiente de concentración entre el
aire que rodea y la superficie de
absorción, donde la concentración de
contaminante está en cero.
Figura 1: Vista esquemática de un aparato de muestreo pasivo.
absorbing surface
C0
diffusion path
Términos:
absorbing surface: superficie de absorción
cross section: sección transversal
diffusion path: ruta de difusión
cross section
Cu
El movimiento de particulas puede expresarse a través de la ley de Flick. Luego de integrarla y reordenarla, la siguiente
ecuación puede utilizarse para calcular la concentración ambiente:
Q • l
Q
concentración Cu =
________________
D •
•
A
=
_________
SR •
t
t
desempeño, se pueden estimar la
capacidad de un aparato de muestreo
para una tarea específica de
monitoreo.
Las siguientes características se
toman en cuenta:
♦ ritmo de muestreo
♦ rango de trabajo y saturación
♦ precisión
♦ influencia de la humedad
♦ influencia de la velocidad del viento
♦ tiempo de almacenamiento
♦ acuerdo con los métodos
independientes de medición bajo
condiciones de campo
En la tabla 1 se proporciona una
lista de aparatos de muestreo que
normalmente se utilizan
subsecuente a través de
una membrana.
Los contaminantes absorbidos se
determinan por medio de análisis
utilizando técnicas normales tales
como espectrfotometría, cromatografía
de gas ó cromatografía de iones.
c: concentración [µg/m3]
Q: cantidad absorbida [µg]
l: ruta de difusión [cm]
A: sección transversal [cm2]
D: coeficiente de difusión [cm2/seg]
t: tiempo de exposición [seg]
SR:ritmo de muestreo [ml/min]
Sección transversal, la longitud de
un tubo y el coeficiente de difusión son
constantes para un sistema de
muestreo y expresan el ritmo de
muestreo de un aparato de muestreo
pasivo.
Se utilizan dos tipos de aparatos de
muestreo pasivo:
tipo tubo:l a difusión se controla con
una capa de aire
estancada
tipo de
penetración: la difusión es dirijida por
una penetración
3. CRITERIOS DE DESEMPEÑO
Un documento de opinión sobre el
potencial ambiental de los aparatos de
muestreo difusivos se da en el [1]. La
aplicación de aparatos de muestreo en
el monitoreo ambiental requiere de
características de desempeño. Dentro
del contexto del Comité Europeo para
la Normalización (CEN), se ha
establecido un protocolo de evaluación
y se han definido los requisitos mínimo.
Si se conocen las características de
Tabla 1: Características de desempeño de algunos aparatos de muestreo difusivo para el monitoreo ambiental.
Diffusive
Type
Diffusion
coefficient rate
sampler
2
cm /sec
Nitrogen
Sampling
tube
0.154
ml/min
0.89
Detection
Storage
Storage
limit
time
conditions
Analytical
Refer
method
ences
ug/week
2
6 months
dioxide
Nitrogen
Absorbant
room
triethanolamine spectro-
temp
tube
0.199
1.16
6
1 week
room
triethanolamine spectro-
temp
chromic acid
photometry
Sulfure
membran
0.117
15.0
0.3
6months
room
potassium
Ion chro-
dioxide
e
temp
carbonate
matography
monoxide
Ozone
Formaldehyd
tube
tube
-0.159
0.85
9.0
3
5
2 months
2 months
o
4 C
o
4 C
Ammonia
membran
0.254
40.9
0.2
6 months
e
Benzene
membran
e
0.0859
435
0.4
6 months
dipyridylethylen spectroe
photometry
sodium
spectro-
sulphite
photometry
room
phosphoric
spectro-
temp
acid
photometry
room
activated
gas chro-
temp
carbon
matography
e
2
photometry
3
4
7
2
4
5
Chemiluminescence monitor [ug/m3
Figura 2: Comparación de promedios anuales de aparatos de muestreo de NO2 y los monitores de químicoluminiscencia [6]
80
70
60
50
40
30
y = 1.0538x - 1.4095
R2 = 0.9706
20
10
0
0
20
40
60
80
NO2 diffusive sampler [ug/m3]
Términos de la gráfica:
chemiluminiscence monitor: monitor de químicoluminiscencia
NO2 diffusive sampler: aparato de muestreo difusivo de NO2
punto se caracteriza por 50 a 70
mediciones del aparato de muestreo
difusivo por un período de un año y un
set completo de información de un
monitor de químicoluminiscencia
continuo. El intervalo de seguridad de
un 95% terminó siendo de 4 ug/m3
aproximadamente dentro del rango de
la norma suiza de 30 ug/m3.
Al utilizar aparatos de muestreo es
de suma importancia compararlos con
los métodos independientes bajo
condiciones de campo. Bajo estas
condiciones factores meteorológicos
tales como la humedad, viento,
temperatura, etc. deben considerarse
automáticamente. La figura 2 muestra
las comparaciones de promedios
anuales de dióxido de nitrógeno. Cada
La figura 3 muestra el resultado de
una intercomparación de métodos de
ozono integrados en los Alpes
europeos. Los resultados son
promediados sobre la base de 6
locaciones de monitoreo a varias
alturas desde los 100 a 1780 metros
sobre el nivel del mar.
Figura 3: Exposición de una semana de dos métodos de aparatos de muestreo pasivo comparados con monitores activos.
120
100
extinction [abs]
ozone concentration [ug/m3]
140
80
60
40
20
0
I
III
V
V II
IX
XI
X III
XV
X V II X IX
XXI
tim e p e rio d s
Términos de la figura 3: ozone concentration: concentración de ozono; time periods: períodos de tiempo; extinction:
extinción.
El método A se basa en la
químicoabsorción de ozono por medio
de dipridilenetileno y B: método índigo
de la Universidad de Munich [8]. El
intervalo de prognosis de 68% para el
método A+ es de 12 ug/m3 y para el
método B: +28 ug/m3. a pesar de una
variación mayor que el muestreo de
NO2, estos métodos pueden utilizarse
en investigaciones de alta montaña ó
en estudios de daño de bosques.
4. ASEGURAMIENTO DE CALIDAD
Los procedimientos utilizados para
asegurar la exactitud específica de los
aparatos de muestreo difusivo son
relativamente sencillos. Las
comparaciones y distribuciones entre
laboratorios de normas definidas
permiten comprobar la analítica de
manera efectiva. Pero un programa de
aseguramiento de calidad cubre
además temas tales como monitoreo
de objetivos, diseño de redes,
estructura de manejo, selección de
Figura 4: Perfil de concentración de NO2 en un cañón de calle.
instrumentos, capacitación de personal
y auditoría.
Un punto crítico es la
representatividad del lugar de
monitoreo. Especialmente en las áreas
urbanas, las concentraciones de
contaminantes de aire pueden variar
considerablemente dentro de
distancias cortas o alturas varias. La
figura 3 muestra el perfil de
concentración de una calle de alto
tráfico.
Es aconsejable llevar a cabo un
estudio piloto al comenzar una
campaña de medición a largo plazo
para comprobar la representatividad. El
cambio de lugares de medición luego
de largos períodos de observación,
resulta en el fracaso de la
interpretación de los resultados.
5. LIMITACIONES Y VENTAJAS
Las metodologías de monitoreo de
aire pueden dividirse ampliamente en
tres tipos genéricos comunes: métodos
integrales, analizadores automáticos
de línea y sensores remotos. Los
objetivos de calidad de la información
pasa a ser la herramienta principal en
la selección de la tecnología. Algunas
consideraciones secundarias incluyen
por ejemplo, restricciones económicas
locales y la disponibilidad de mano de
obra calificada. Suele haber una
compensación entre el costo de los
instrumentos, complejidad,
confiabilidad y desventajas.
Tabla 2: Ventajas y desventajas de los aparatos de muestreo difusivos.
Analizadores
Métodos
Sensores
automáticos
Integrales
Remotos
___________________________________________________________________________________________
Información
1 punto
área
área, espacial
Concentración
Tiempo real
continuo
valores promedio
Tiempo real
continuo
Calibración
periódicamente
una validación
información del
suplidor
Control de
Calidad
20% del costo total
comparaciones de
laboratorios
complejo
Contaminantes
NO2,SO2,O3,CO,
BT,X H2S, part.
NOx,SO2,BTX,O3
NH3,CH2O
NOx,SO2,BTX,O3
CH2O
Destrezas
Requeridas
alta
baja
alta
Energía
sí
no
si
Transporte
estacionario/van
alto: áreas
remotas correo bajo
estacionario/van
Supervisión
de normas
sí
NO2 al momento
necesario
no comparable
no
250'000 US
[130'000]
5000/lugar,año,
4sub (2)
no
no
250'000 US
Costos (1)
labratorio
instrumentación
mantenimiento
10%
10%
depreciación
10%/año
10%/año
instalación
50'000
20
5-50'000
____________________________________________________________________________________________
(1) Costos en US$
(2) NO2, Ozono, SO2, BTX: 3 aparatos de muestreo, 26 períodos (max)
6. APLICACIONES
El Reino Unido es una especie de
pionero en el uso de aparatos e
muestreo difusivos para estudios a
gran escala. En 1986 y 1991, más de
400 lugares ultilizaron aparatos de
muestreo difusivo para mediciones de
NO2 y SO2 [9]. Resulta que la
distribución espacial fue muy similar
entre ambos estudios, pero las
concentraciones fueron
significativamente superiores en 1991.
Esto está de acuerdo con el aumento
global estimado de las emisiones de
óxidos de nitrógeno de los vehículos
auto motores en el Reino Unido. El
éxito de estos estudios ha tenido como
resultado en un estudio a largo plazo
de medición de NO2 de 1300 lugares e
iniciado en 1993 en el Reino Unido.
Figura 5: Mapas de cantidad promedio de NO2 en ubicaciones urbanas en el Reino Unido derivadas de tubos de difusión.
En Suiza, la Ley Ambiental y sus
decretos entró en vigencia en 1986.
Los cantones tienen el deber de
establecer planes de implementación
para cumplir con las normas de
contaminantes de aire. Para demostrar
la eficacia de las mediciones, los
aparatos de muestreo difusivo son una
herramienta importante. La figura 3
muestra un ejemplo.
Figura 6: Reducción en la contaminación del aire debido a planes de implementación.
(ciudades de Baden y Aurau)
Aurau
60
50
40
30
20
10
0
Year
1994
1992
Year
7. CONCLUSIONES
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Muchos de los objetivos para
monitorear el aire pueden lograrse con
la ayuda de aparatos de muestreo
difusivos. La gran ventaja es la
medición en lugares varios al mismo
tiempo. La resolución de tiempo está
restringida y no se pueden detectar
valores pico. Sin embargo,
investigaciones recientes han
demostrado que se pueden utilizar los
resultados para hacer estimados de los
excedentes de los lineamientos de
calidad del aire a corto plazo. [7,10].
La evaluación de la contaminación del
aire debe seguir la siguiente jerarquía:
♦ Inventario de emisiones
♦ Tipo de Modelo
♦ Monitoreo sencillo
♦ Monitoreo automático
El inventario de emisiones es la
base para adoptar medidas en contra
de la contaminación excesiva del aire.
Es también la base para el tipo de
modelo a utilizar de la contaminación
del aire de manera que permita un
vistazo de las zonas críticas en un
corto período de tiempo. La calidad del
tipo de modelo dependerá de los
parámetros entrantes y es esencial
para comprobar los resultados con
mediciones y adaptar el modelo a los
valores reales de concentración.
Dentro de este contexto los métodos
de muestreo difusivo juegan un papel
importante como una posibilidad
económicamente viable para el
monitoreo del aire.
1990
1988
1994
1992
1990
NO2 [ug/m3]
60
50
40
30
20
10
0
1988
NO2 [ug/m3]
Baden
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