estudio de la contaminación atmosférica generada por óxidos de

A RTÍCULO
DE
I NVESTIGACIÓN C IENTÍFICA
Y
T ECNOLÓGICA
ESTUDIO DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA
GENERADA POR ÓXIDOS DE AZUFRE, ÓXIDOS DE
NITRÓGENO Y MATERIAL PARTICULADO EN UN SECTOR
DE LA CIUDAD DE BOGOTÁ
PRIMERA PARTE
DESARROLLO SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍA
Astrid Altamar Consuegra
Ingeniera Química, Magíster en Ingeniería Química
Docente Investigadora Universidad Libre
RESUMEN
ABSTRACT
Se pretende aportar información acerca de la calidad
del aire en un sector del occidente de la ciudad de
Bogotá, utilizando equipos ubicados en las
instalaciones de la Universidad Libre y determinar
su incidencia en la salud pública de acuerdo con la
normatividad colombiana y estudios realizados
entorno a este tema. La Facultad de Ingeniería cuenta
con un equipo muestreador de gases y uno de alto
volumen para medir la concentración de partículas
suspendidas en el aire, que se encuentran
disponibles tanto para proyectos de investigación en
calidad de aire como para actividades de docencia.
Este artículo muestra el estado del arte del problema
de contaminación atmosférica en el Distrito de Bogotá
y los diferentes métodos seleccionados para la
determinación de los contaminantes gaseosos y
concentración de material particulado en los
Laboratorios de la Universidad Libre Sede Bogotá,
generados por fuentes móviles.
Information related to air quality is to be provided from
the west of Bogotá, using equipment located at
Universidad Libre facilities, and determining its
incidence on public health according to Colombian laws
and other studies developed on this matter. In the
Engineering Faculty there is a gas sampler and a high
volume to measure suspended particles concentration
in air, being available for research projects in air quality
as for academic activities. This article shows the state
of the art of the air contamination problem in Bogotá
District and the different selected methods for
determination of the gaseous contaminants and
particulate matter concentration in Universidad Libre
Laboratories, generated by mobiles sources.
Atmospheric pollution, Sulfur dioxide, Nitrogen
dioxide, Particulate Matter, PM10, TSP.
INTRODUCCIÓN
PALABRAS CLAVE
Contaminación atmosférica, Material particulado, Óxidos
de azufre, Óxidos de nitrógeno, PM10, TSP.
Fecha de recepción del artículo: 5 de diciembre de 2005.
Fecha de aceptación del artículo: 8 de marzo de 2006.
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KEY WORDS
AVANCES Investigación en Ingeniería - 2006 No. 5
La contaminación atmosférica es uno de los
principales problemas que está afectando la sociedad
de hoy en día, debido al impacto que tiene en la salud
En Bogotá, se ha detectado un empeoramiento del
problema de contaminación en la última década, sobre
todo en algunas localidades del distrito como Puente
Aranda, Fontibón y Kennedy, donde en ocasiones se
ha superado la norma anual en cuanto a material
particulado.
En el caso de la contaminación causada por fuentes
móviles, se ha detectado que en la ciudad de Bogotá,
las emisiones por esta vía son del orden del 70%1
con relación a las demás fuentes, y por esto se
implementaron medidas tendientes a reducir los
niveles de contaminación, entre las que se destacan:
los programas de inspección de vehículos y
certificación de gases, medidas sobre la calidad de
los combustibles, redes de monitoreo de calidad del
aire y vigilancia epidemiológica y acciones
complementarias como promoción de ciclo rutas y
prohibición de circulación de vehículos públicos y
particulares (día sin carro, pico y placa, pico y placa
ambiental).
El grupo de investigación TECNOAMBIENTAL, tiene
dentro de sus objetivos la investigación en el diagnóstico
y control de la contaminación atmosférica, unido a
grupos de investigación de otras Instituciones de
Educación Superior busca contribuir a abordar el
problema de contaminación desde un punto de vista
de salud pública para lo cual creará un sitio de
muestreo y un laboratorio de calidad de aire en las
instalaciones de la Universidad Libre Sede Bogotá.
En este artículo se muestra una primera fase del
proyecto que consiste en la determinación de los
objetivos de monitoreo, selección de los
contaminantes atmosféricos y selección de las
técnicas para la determinación de dióxido de azufre,
dióxido de nitrógeno y material particulado.
1. ESTADO DEL ARTE
La ciudad de Bogotá, ha sido considerada como la
quinta más contaminada en Latinoamérica. Según la
Alcaldía, el 70% de la contaminación la causan los
automóviles, que utilizan 14 de cada cien ciudadanos
y junto con el ozono el material particulado es el que
genera mayores preocupaciones dada su relación con
la mortalidad y morbilidad de la población reportada
en numerosos estudios alrededor del mundo.
Una de las investigaciones realizadas en 1997 en
Bogotá fue el estudio: “Contaminación del aire y
enfermedad respiratoria en población infantil de Puente
Aranda” por la Universidad El Bosque, que tomó como
población a los niños menores de cinco años que vivían
en un perímetro de 12 cuadras a la redonda del Centro
de Salud de Puente Aranda, los resultados arrojados
mostraron niveles de PM10 superiores a la norma
internacional. Una investigación posterior realizada por
la Universidad Javeriana (Iván Solarte, 1999) en las
zonas de Bosa, Venecia, Trinidad Galán, Olaya Herrera
y Engativá determinó la relación entre las fluctuaciones
de la concentración de contaminantes atmosféricos y
la presencia de síntomas y enfermedades respiratorias.
Las concentraciones de PM10 superaron el valor anual
y diario permitido por la legislación internacional2.
En cuanto a estudios sobre la composición química
del material particulado en la ciudad de Bogotá, se
reportan investigaciones relacionadas con la
determinación de plomo en TSP en el año de 1987,
concentración de metales pesados en 1998 y
concentración de HAP (hidrocarburos policíclicos
aromáticos) en las partículas respirables de áreas
industriales y de áreas afectadas por el tráfico
vehicular de Bogotá, en esta última se determinó la
presencia de benzopireno, sustancia cancerígena y
asociada a las emisiones de vehículos y combustión
del carbón.3
Actualmente (2006) se han unido esfuerzos para
adelantar estudios sobre calidad del aire, las
Universidades Javeriana, Los Andes y Nacional Sede
Bogotá están adelantando esta investigación: “Estudio
comparativo de los efectos de dos sistemas de
transporte en calidad de aire, salud respiratoria,
actividad física y calidad de vida en niños en la ciudad
de Bogotá” usando técnicas de medición no usadas
anteriormente en Colombia.
2. MARCO TEÓRICO
DESARROLLO SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍA
pública y en general la calidad de vida de la población,
dicha contaminación puede ser debida a diferentes
factores como son la gran cantidad de industrias, el
parque automotor, el desarrollo tecnológico, entre
otros.
La contaminación atmosférica se define como la
presencia de material indeseable en el aire, en
1
MÉNDEZ CAICEDO, Mildred. Análisis de la Intervención: efectividad de las políticas para reducir la contaminación por fuentes móviles
en Bogotá. Material Particulado y Salud. Ediciones Uniandes, 2005.
2
ROJAS, Néstor. Generalidades sobre material particulado y su caracterización. Material Particulado y Salud. Ediciones Uniandes, 2005.
3
GARCÍA, Héctor. Hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) y metales en partículas atmosféricas en áreas industriales y urbanas.
AVANCES Investigación en Ingeniería - 2006 No. 5
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cantidades bastante grandes como para producir
efectos nocivos. Los materiales indeseables pueden
dañar la salud humana, la vegetación, los bienes
humanos o el ambiente global. Se puede producir por
combustión de fósiles como el carbón, el gas o el petróleo
en cualquiera de sus derivados, tales como la bencina
o la parafina. Otras fuentes de contaminación son la
emisión de partículas sólidas por las industrias; el ruido
derivado del funcionamiento de máquinas y motores;
las ondas electromagnéticas, etc.
De acuerdo con el momento en que entran a actuar
sobre el aire, por su composición, y química, los
contaminantes se pueden clasificar en:
a) Contaminantes primarios: entran directamente
al aire, como resultado de fenómenos naturales
(erupciones volcánicas, lluvia, vientos) o de
actividades antropogénicas.
b) Contaminantes secundarios: provienen de
las reacciones químicas entre los contaminantes
primarios existentes en la atmósfera.
DESARROLLO SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍA
La contaminación también puede ser ocasionada por
agentes biológicos debido a las bacterias o virus que
pueden encontrarse suspendidos en la atmósfera,
partículas suspendidas, hidrocarburos y metales
pesados.
Uno de los principales contaminantes es el material
particulado. Las partículas son cuerpos de materia que
pueden estar en fase líquida o gaseosa, aglomeradas
formando cúmulos más grandes. Estas poseen formas
irregulares y su tamaño puede variar desde 100 micras
hasta unas cuantas décimas de nanómetros.
El material particulado definido como PM 10, con un
diámetro aerodinámico de corte igual o menor a 10
µm y las definidas como PM 2.5 con un diámetro
aerodinámico de corte igual o menor a 2.5 µm, son
de gran importancia en la contaminación urbana ya
que pueden penetrar más fácilmente a los alvéolos
pulmonares representando un riesgo para la salud
humana. Entre los efectos que tiene el material
particulado sobre la salud se encuentran: daño en el
tejido pulmonar, disminución de la función pulmonar,
síntomas respiratorios agudos, bronquitis crónicas y
muertes prematuras.
Los contaminantes en partículas no son químicamente
uniformes y algunos son mucho más nocivos para la
salud y visibilidad que otros, de ahí la importancia de
determinar su composición química. El material
particulado es químicamente diverso y su composición
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AVANCES Investigación en Ingeniería - 2006 No. 5
depende de la fuente de donde provenga. Algunos
presentan presencia de sulfatos los cuales se derivan
de la oxidación del dióxido de azufre presente en la
atmósfera. El sulfato de amonio, bisulfito de amonio
y ácido sulfúrico se generan durante la conversión
de gases en partículas, son solubles en agua y se
encuentran casi exclusivamente en el PM2.5. Los
nitratos se forman por la oxidación de dióxido de
nitrógeno presente en la atmósfera. También se
encuentra carbono elemental producto de los
procesos de combustión.
Los metales pesados también hacen parte de la
composición del material particulado y provienen de
los procesos de combustión, procesos industriales
específicos, incineradores, antidetonantes de
gasolinas y aceites de motores de combustión interna.
Los materiales biológicos pueden incluir bacterias,
virus, polen, piel, fragmentos de celulosa. A excepción
de los virus, éstos se encuentran en la fracción gruesa
del material particulado, entre 2.5 y 10 µm y se
caracterizan como carbono orgánico.
3. SELECCIÓN DE MÉTODOS PARA LA
DETERMINACIÓN DE CONTAMINANTES
ATMOSFÉRICOS
El objetivo del diseño e implementación del sistema
de monitoreo está centrado en aportar información
acerca de la calidad del aire, en un sector al occidente
de la ciudad de Bogotá, en la Universidad Libre, que
permitirá determinar la congruencia con las normas
y hacer inferencias sobre los efectos en la población.
La localización del sitio de muestreo se realizó
teniendo en cuenta los objetivos de monitoreo, por lo
cual estará ubicado en cercanías a la portería
principal de la Universidad Libre sobre la Avenida
Rojas, donde existe tráfico vehicular.
Para la determinación de los contaminantes
atmosféricos se seleccionaron métodos de muestreo
activos, recomendados por la EPA (Agencia de
protección Ambiental de los Estados Unidos) como
métodos de referencia, los cuales requieren energía
eléctrica para bombear aire a través de un medio de
colección físico o químico. El volumen adicional de
aire muestreado incrementa la sensibilidad, por lo
que pueden obtenerse mediciones diarias promedio,
son fáciles de operar y confiables en su operación y
mantenimiento. Su principal desventaja radica en que
se necesitan análisis de laboratorio posteriores para
la determinación de la concentración de los
contaminantes.
Para la determinación de partículas menores a 10
micras se utilizó igualmente un procedimiento
gravimétrico empleando el equipo PM10, el cual posee
un sistema de chorro opuesto de separación inercial
en el cual el aire pasa a través de diferentes tubos
opuestos y debido al impacto que presentan las
partículas de mayor tamaño a causa de la fuerza inercial
que llevan, quedan retenidas a la entrada, y las de
menor tamaño son retenidas en el filtro de cuarzo.4
Dentro de los métodos que se han desarrollado para
la determinación de dióxido de azufre se encuentran
el Método West-Gaeke o pararosanilina5 y el Método
del peróxido de hidrógeno 6 , ambos permiten la
determinación de la concentración del contaminante
mediante su absorción en un reactivo específico, para
lo cual se utiliza un muestreador de gases compuesto
por una bomba de succión, tubos de propileno para
absorber los gases y un sistema de refrigeración.
Se seleccionó el método de pararosanilina con
tetracloruro de mercurato por su límite de detección
(5 g/m3) y facilidad de implementar en el laboratorio.
Éste puede ser usado para análisis de SO 2 con
períodos de muestreo entre 30 minutos, y 24 horas.
Su principio de medición consiste en la reacción del
SO2 con Tetracloromercurato de Potasio formando un
complejo estable a oxidantes fuertes, pero
térmicamente inestable, razón por la cual la muestra
debe manejarse a temperatura de laboratorio o inferior
a ésta. El complejo formado se hace reaccionar con
ácido sulfámico, formaldehído y pararosanilina para
formar el ácido metilsulfámico de pararosanilina, de
color rojo intenso. La observancia se mide en
espectrofotómetro a 548 nm.
Para la determinación del dióxido de nitrógeno los
métodos más utilizados son el de la reacción de
Griess-Saltzman7 y el método del Arsenito de Sodio8.
Por la facilidad de implementación en el laboratorio
se seleccionó el método del arsenito de sodio, el cual
utiliza una mezcla de hidróxido de sodio y arsenito
sódico como medio absorbente. El NO 2 forma un
compuesto estable de nitrito sódico, que se trata con
ácido fosfórico, sulfanilamida y n-(1-naftil)
etilendiaminodihidrocloruro formando una sustancia
violeta que se mide colorimétricamente.
CONCLUSIONES
Dada la problemática actual de contaminación del aire
en Bogotá, se establecieron como objetivos de
monitoreo, la determinación de calidad de aire
realizando muestreos de contaminación causadas por
fuentes móviles, que según diversos estudios
contribuyen en gran medida a la generación de
material particulado.
La localización del sitio de muestreo es estratégico,
dado que se encuentra rodeado de las estaciones de
Fontibón, Carrefour y Puente Aranda, y la información
obtenida puede ser complementada con la de las
estaciones de la red de monitoreo de calidad del aire
de Bogotá.
La selección del dióxido de azufre, dióxido de
nitrógeno y partículas suspendidas como parámetros
ambientales indicadores de la contaminación,
garantiza resultados que llevan a cumplir con los
objetivos propuestos.
La selección de los diferentes métodos de medición
de los contaminantes bajo estudio, estuvieron acorde
con los equipos disponibles, facilidad de
implementación en el laboratorio y recomendación de
la EPA (Agencia de Protección Ambiental de los
Estados Unidos) como métodos de referencia, lo cual
garantiza la viabilidad del estudio.
DESARROLLO SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍA
En el caso de partículas suspendidas totales TSP el
método seleccionado determina la concentración de
las mismas, mediante un procedimiento gravimétrico,
en el que la bomba de vacío toma el aire del ambiente
haciéndolo pasar a través de un filtro de fibra de vidrio
donde quedan retenidas las partículas en
suspensión, los filtros se pesan luego de un tiempo
de operación (8 ó 24 horas) y la concentración de
partículas totales en suspensión TSP, se calcula por
la diferencia en peso del filtro antes y después del
muestreo. Este método es aplicable para tamaños de
partícula entre 1 y 100 micras dependiendo de la
velocidad del viento.
4
GÓMEZ, Juan Pablo. Instalación de una estación de monitoreo de calidad de aire en el CITEC. Trabajo de grado Magíster en Ingeniería
Ambiental. Universidad de Los Andes, 1998.
5
ASTM. Section 11. Water and environmental Technology, 1997. Volume 11.03. Pag. 58-69.
6
LODGE, James. Methods of Air sampling and Análisis. 3er edition. 1989. Pag. 503-506.
7
ASTM. Section 11. Water and Environmental Technology, 1997. Volume 11.03. Pag. 17-21.
8
SALTZMAN, Bernard. Colorimetric Microdetermination of Nitrogen Dioxide in the atmosphere. Analytical Chemistry 1954. 26:1949-1955
AVANCES Investigación en Ingeniería - 2006 No. 5
35
BIBLIOGRAFÍA
BEHRENTZ, Eduardo. Foro Taller Internacional de la Contaminación del aire. Calidad del aire en Bogotá. Junio
5 y 6 2006.
DE NEVERS Noel. Ingeniería de control de la contaminación del aire. Mc Graw Hill. México, 1998.
GORDON E. Anthon and Diane M. Barrett. Determination of Reducing Sugars with 3-Methyl-2-benzothiazolino
nehydrazone.
DEPARTMENT OF FOOD SCIENCE AND TECHNOLOGy, University of California, May 9, 2002.
LIU David H.F. Liptak, Bela G. Environmental Engineer’s Handbook. Ed. &. Boca Raton: CRC Press LLC, 1999.
NGUYENA, Ha Thi-Hoang. Takenakaa Norimichi. Atmospheric alcohols and aldehydes concentrations measured
in Osaka, Japan and in Sao Paulo, Brazil.
ROJAS, Néstor. Estado de la Investigación en Colombia. Universidad Nacional de Colombia.
ROJAS, Néstor. GALVIS, Boris. Relación entre PM2.5 y PM10 en la ciudad de Bogotá. Revista de Ingeniería
Facultad de Ingeniería de la Universidad de Los Andes 22, pp 54-60, 2005.
ROJAS, Néstor. CALA SIERRA, Juan Pablo. Muestreo y Análisis de partículas PM10 como contaminantes del
aire, 2004. Tesis de pregrado en Ingeniería Química.
SEPÚLVEDA RUIZ, Lucía. La contaminación ambiental, antecedentes, actividades y noticias. Publicado por el
Ministerio de Educación, Santiago, 1999.
WARK K. Warner C. Contaminación del aire, origen y control. Editorial Limusa. México, 2001.
INFOGRAFÍA
DESARROLLO SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍA
Contaminación atmosférica. http://www.epa.gov/air/espanol/contaminantes/mp.html recuperado el 22 de
agosto de 2006.
36
Reference Method for the Determination of Sulfur Dioxide in the Atmosphere (Pararosaniline Method). http://
ecfr.gpoaccess.gov/cgi/t/text/text-idx?c=ecfr&sid=4831a61451c3c859a4addcf7286380f0&rgn=div9&view=
text&node=40:2.0.1.1.1.0.1.13.1&idno=40 Recuperado el 18 de agosto de 2006.
Reference Method for the Determination of Suspended Particulate Matter in the Atmosphere (High-Volume
Method) http://ecfr.gpoaccess.gov/cgi/t/text/text-dx?c=ecfr&sid=4831a61451c3c859a4addcf7286380f0&rgn
=div9&view=text&node=40:2.0.1.1.1.0.1.13.2&idno=40. Recuperado el 18 de agosto de 2006.
AVANCES Investigación en Ingeniería - 2006 No. 5