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Ingeniería e Investigación

Print version ISSN 0120-5609

Ing. Investig. vol.30 no.2 Bogotá May/Aug. 2010

 

Composición química y reconstrucción másica del material particulado suspendido en el aire de Bogotá

Chemical composition and mass closure for airborne particulate matter in Bogotá

Freddy A. Vargas1 and Néstor Y. Rojas2

1 Ingeniero Químico. M.Sc., en Ingeniería Ambiental, Universidad Nacional de Colombia. Bogotá, Colombia. Investigador, Grupo de Investigación en Calidad del Aire. favargasc@unal.edu.co 2 Ingeniero Químico. Ph.D., en Ingeniería Ambiental. Profesor Asociado, Departamento de Ingeniería Química y Ambiental, Universidad Nacional de Colombia. Colombia. Director, Grupo de Investigación en Calidad del Aire. nyrojasr@unal.edu.co


RESUMEN

El material particulado, medido como PM10, es el contaminante que más afecta la calidad del aire en Bogotá. Conocer la composición del material particulado es crucial para entender cuáles son las fracciones químicas que más aportan a ese contaminante e identificar posibles fuentes generadoras de él. En este artículo se presenta el resultado de la caracterización de especies iónicas, fracciones carbonáceas, metales y elementos minerales del material particulado en dos puntos de Bogotá. Con base en los resultados de caracterización se realiza un análisis de neutralidad iónica y reconstrucción másica para comparar la consistencia de los resultados obtenidos. La composición es diferente para cada sector, pero en general las fracciones que más aportan al material particulado son la geológica (asociada a polvo fugitivo y resuspendido), entre el 37 y 42%; las fracciones carbonáceas, que son las que más aportan, entre un 12 y 11% para el carbono elemental y un 43 y 34% para materia orgánica; la fracción iónica se encontró entre un 5 y 8%.

Palabras clave: material particulado, PM10, reconstrucción másica, análisis iónico, Bogotá.


ABSTRACT

Particulate matter, measured as PM10, is the most concerning airborne pollutant in Bogotá. Determining its chemical composition is important for understanding its potential effects and to estimate various sources' contribution to such pollution. This paper gives the results of characterising the ionic species, carbonaceous material, metals and crustal elements present in airborne PM10 in Bogotá. An ion charge balance and mass reconstruction were done for determining consistency between chemical characterisation and gravimetric PM10. The composition was different in each area; however, the fractions contributing most to PM10 were crustal, 37% to 42% was related to fugitive and suspended dust, 12% to 11% was related to carbonaceus fractions, 43% to elemental carbon, 34% for organic matter and 5% to 8% for ionic fractions.

Keywords: particulate matter, PM10, mass closure, ionic balance, Bogotá, chemical composition.


Recibido: mayo 26 de 2009 Aceptado: junio 15 de 2010

Introducción

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 hallado entre calidad del aire e indicadores de salud de la población (World Health Organization, 2006). En Bogotá se hizo 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; Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial (MMAVDT) e Ideam, 2007; Gaitán y Behrentz, 2009), se llegó 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) y que éste presenta diferentes incidencias en la geografía de la ciudad. En Bogotá se han realizado algunos trabajos previos sobre la caracterización del material particulado recolectado en mediciones de calidad del aire, especialmente para metales pesados (Pachón y Sarmiento, 2008; Roa, 1999; Páez, 1998). Pachón et al. (2008) analizaron muestras para carbón elemental (EC) y orgánico (OC), así como para iones, concluyendo que la fracción asociada a carbón está dentro del 15 y el 60% del total del PM10, y que el material iónico, especialmente en forma de sulfatos, 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 Bog.

Metodología

Muestreo

Se definieron tres puntos de muestreo que cumplieran con escala vecinal según los criterios EPA (US-EPA, 2006; US-EPA, 2008). Los sectores para el muestreo fueron: Suba, al noroccidente, y Carvajal, al suroccidente de la ciudad, X1 y X2 en la Figura 1. Se tomaron 55 muestras de 24 horas en cada sitio, utilizando muestreo simultáneo sobre dos sustratos filtrantes: cuarzo y PTFE.

La gravimetría de los filtros para los IH se llevó a cabo en una balanza Sartorius, con una precisión de 1µg, dentro de un cuarto con temperatura y humedad controladas (20 °C y 40% de humedad relativa), en el cual también se acondicionaron los filtros. La gravimetría para los filtros del HiVol se realizó en una balanza Sartorius con una precisión de 10µg, un acondicionamiento de filtros a 18 ± 3 °C y una humedad relativa de 45 ± 5%. Las muestras recolectadas se conservaron en refrigeración a -5 °C para evitar pérdidas por volatilización.

La caracterización se hizo utilizando tres técnicas:

  • Flourescencia de rayos X – Energía dispersiva (EDXRF): se empleó para cuantificar la presencia de elementos desde Na hasta U, usando como muestra el material recolectado sobre los filtros de PTFE y siguiendo el método IO 3.3 de la EPA (EPA, 1999), modificado para el equipo Epsilon 5 de la empresa PANalytical (PANalytical, 2008).
  • Thermal Optical Trasmittance (TOT) para la caracterización de carbono orgánico (OC) y carbono elemental (EC). Se empleó como muestra el material recolectado en el filtro de cuarzo, mediante un equipo SunLab, siguiendo los procedimientos establecidos por el Georgia Institute of Technology.
  • 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 y siguiendo los procedimientos establecidos por el Georgia Institute of Technology.

Resultados y discusión

La concentración del material particulado varía de manera significativa durante el periodo de muestreo (Figura 2) y en algunos días de éste, la diferencia reportada entre los dos tipos de filtros es a-preciable (círculos en la Figura 2). Las diferencias en los puntos de Suba y Carvajal se concentraron en regiones temporales específicas, lo cual hace suponer que se cometió un error gravimétrico en ese periodo de tiempo.

Se realizó una comparación entre las concentraciones halladas para los puntos de monitoreo en cada sustrato filtrante (Figura 3) que muestra, para Carvajal, una tendencia a reportar mayor concentración al utilizar el filtro de teflón que el de cuarzo. Esta tendencia se detectó durante el muestreo y no se encuentra explicación aparente asociada a posibles errores de operación de los equipos de muestreo. La explicación más plausible es la de que existieron pérdidas de fibras del filtro de cuarzo durante el monte y desmonte del filtro en los soportes del muestreador. La tendencia se mantiene aún retirando dos datos anómalos. Para los muestreos en Suba, la correlación de las concentraciones es cercana a 1:1, y mejora notablemente cuando se retiran los datos anómalos de la gráfica.

La caracterización por EDXRF dio como resultado la caracterización de elementos que, por facilidad, se presentan en gráficas separadas, de acuerdo con sus niveles de concentración (Figura 4). En el nivel alto se encuentran aluminio, silicio, calcio y hierro (Al, Si, Ca, Fe) como los componentes más importantes, indicando alta presencia de elementos minerales. El nivel bajo agrupa elementos con menor concentración, como cinc, cobre y plomo (Zn, Cu, Pb), que comúnmente están asociados a fuentes vehiculares o industriales. La presencia de yodo (I) en Suba es interesante, ya que este elemento no es comúnmente detectado en análisis de material particulado.

Los niveles de concentración de concentración de Zn y Pb en Carvajal son del mismo orden de magnitud de los encontrados en otras ciudades en Latinoamérica (Dawidowski, 2007).

Sin embargo, la concentración de Pb hallado es dos órdenes de magnitud menor que los resultados de Pachón y Sarmiento (2008), diferencia que posiblemente se debe a que el punto de monitoreo de su estudio se encontraba en Puente Aranda, zona de alta concentración industrial de la ciudad, incluyendo fundiciones e industria metalmecánica. Rivera y Behrentz (2009) también reportaron niveles de concentración de Zn y Pb mayores en la zona industrial que en una zona de alto tráfico y otra residencial.

La relación OC/EC fue diferente en cada punto (Figura 5), lo cual es explicable dados los tipos de fuentes predominantes en cada uno de ellos.

Según Seinfeld y Pandis (1998), un valor de OC/EC entre 1 y 1,2 se puede asociar a fuentes de combustión que utilizan combustible diesel. Sin embargo, estos valores se relacionan con emisiones de fuentes móviles utilizando un diesel de bajo contenido de azufre. Los análisis de Zhang et al. (2009) muestran que un diesel con alto contenido de azufre producen mayor índice OC/EC y niveles superiores de las fracciones carbonáceas. De hecho, la relación OC/EC y los niveles de emisión cambian con los patrones de conducción, los cambios de carga y la edad del parque automotor. Las anteriores conclusiones están de acuerdo a lo hallado por Rodríguez y Behrentz (2009), quienes actualizaron el inventario de emisiones de fuentes móviles en Bogotá e identificaron el cilindraje de los vehículos como otro parámetro que afecta la emisión de contaminantes.

La Figura 6 muestra gráficamente la mediana de las composiciones (en este caso se incluyeron las medianas de todos los iones cuantificados). El Ca+2 es el catión dominante, y el SO4-2 y NO3- los aniones presentes en mayor proporción.

Los datos obtenidos confirman los hallazgos de Rivera y Behrentz (2009) en cuanto al nivel del contenido iónico, entre el 5 y el 10% del PM10 recolectado.

Cabe mencionar que durante el muestreo no se utilizaron instrumentos para evitar el acceso de gases ácidos y básicos (HNO3, H2SO4, NOX, SOX y NH4) hasta los filtros, lo que puede implicar una sobreestimación de algunas especies iónicas. Sin embargo, los análisis a los datos de la RMCAB no muestran que las concentraciones de estos gases sean muy altas en Bogotá (Gaitán y Behrentz, 2009). Otro factor que no pudo controlarse fue la posible pérdida de parte del nitrato de amonio (NH4NO3) depositado sobre los filtros. No obstante, las condiciones de Bogotá durante los meses del muestreo, que se mantuvieron a 12,9 °C y 83% de humedad relativa (MAVDT e IDeam, 2008a, 2008b, 2008c), no favorecen esta pérdida (Judith C. Chow et al., 2005; Ashbaugh y Eldred, 2004; Schaap et al., 2004).

Los análisis de balances iónicos dan pistas sobre la constitución química del material particulado. En general puede suponerse que una partícula tiene neutralidad iónica (carga neutra), lo cual quiere decir que si se miden todos los componentes iónicos en unidades de equivalentes, la suma de aniones es igual a la de cationes (Maxwell-Meier et al., 2004). A partir de los datos de cuantificación, incluyendo todos los iones, se esperaría que las gráficas de equivalentes de cationes vs. equivalentes de aniones, presentarán una pendiente 1:1 (Figura 7); la posible pérdida de nitrato de amonio no afectaría el balance iónico ya que si se llegara a volatizar ocasionaría una pérdida tanto al componente aniónico como al catiónico).

En este caso, tanto en Carvajal como en Suba existe un exceso de cationes, lo que podría asociarse a la presencia no cuantificada de algún anión. De los análisis realizados se encontró que el déficit aniónico, calculado como la suma de cationes menos la sumatoria de los aniones, estaba bien correlacionado con el catión Ca+2 (Figura 8), lo que parece confirmar la presencia de CaCO3 en el PM10 muestreado en los sectores de Suba y Carvajal. El ión carbonato no se cuantificó en este trabajo.

Reconstrucción másica

Con base en los hallazgos de la caracterización y análisis del balance iónico se realizó una reconstrucción másica utilizando la fórmula seguida por Lewis et al. (2003), modificada para tener en cuenta el carbonato de calcio.

FO es el factor para contabilizar el peso de los elementos asociados al carbono orgánico (generalmente hidrógenos y oxígenos). Para Carvajal se usó un FO de 1,6 y para Suba otro de 1,8, teniendo en cuenta que los dos están dentro del intervalo sugerido para aerosoles urbanos (1,6 ± 0,2) y que en Carvajal los compuestos orgánicos no tenderán a oxidarse tanto (son más jóvenes las moléculas orgánicas) comparados a los de Suba, donde se limita con áreas rurales (Turpin y Lim, 2001).

En general se obtuvo un buen acuerdo entre los pesos reconstruidos y los determinados gravimétricamente. Las figuras 9 y 10 muestran las correlaciones entre la reconstrucción másica y los pesos reportados en cada sustrato filtrante. La reconstrucción para los dos puntos de muestreo registra un ajuste bastante aceptable y está de acuerdo con otros resultados para PM10 (J. C. Chow et al., 2002; Andrews et al., 2000; Almeida et al., 2006; Vecchi et al., 2008). Los datos anómalos (outliers) identificados en las dos gráficas de la Figura 10 corresponden a las mismas fechas y están dentro del grupo de datos en el que las concentraciones halladas sobre los filtros de teflón y de cuarzo difieren sustancialmente en las concentraciones halladas (Figura 2).

Con base en la mediana de los datos de peso gravimétrico de las partículas recolectadas sobre los filtros de teflón, y las medianas de los datos de aporte porcentual proporcionado por los análisis de las muestras, se calculó la composición promedio del material particulado en cada uno de los puntos de muestreo, la cual se aprecia en la Figura 11. La fracción designada como OM representa la materia orgánica, calculada a partir del resultado del carbón orgánico al multiplicar por el factor FO explicado arriba, que incluye la masa de oxígeno e hidrógeno asociada a las cadenas carbonadas.

Por otro lado, la fracción designada como trazas se refiere a los metales y otros elementos presentes en concentraciones menores.

Un aporte significativo a la masa total de PM10 corresponde a material mineral proveniente del suelo y polvo resuspendido, fracción asociada a partículas gruesas y que se reduciría drásticamente al muestrear PM2.5, como lo sugieren los resultados de Rivera y Behrentz (2009). Sin embargo, la suma de las fracciones carbonáceas constituyen un aporte aún más importante, entre 50 y 65% del total del PM10, acorde con lo reportado por Pachón et al. (2008). Las posibles fuentes asociadas al aporte a estas fracciones son los vehículos automotores y las fuentes fijas de combustión (Rivera y Behrentz, 2009; Fandiño y Behrentz, 2009; Rodríguez y Behrentz, 2009). La fracción iónica no es tan alta como la que se ha encontrado en ciudades norteamericanas, y está en el mismo rango de las conclusiones obtenidas en otros estudios en Bogotá. Pachón et al. (2008) hallaron un 9% de componente iónico en Puente Aranda, mientras que en Rivera y Behrentz (2009) este aporte fue de 3,5% en Puente Aranda y 7% en una zona residencial. El aporte de material no identificado generalmente se asocia a la presencia de agua ligada al material particulado o a diferencias entre el factor utilizado para calcular la materia orgánica y el que se presenta en la realidad.

Existen diferencias entre Carvajal y Suba, primero en las concentraciones de PM10, donde Carvajal presenta mayores valores que Suba, mientras que en la composición Suba muestra niveles menores de fracciones carbonáceas y mayor porcentaje de contenido iónico. Estas diferencias están probablemente relacionadas con el tipo de fuentes de contaminación que afectan cada área de la ciudad.

Conclusiones

Los mayores aportes al PM10 en Bogotá están constituidos por fracciones carbonáceas, las cuales están asociadas principalmente a las fuentes de combustión, tanto fijas como móviles. La fracción mineral, asociada a polvo fugitivo o resuspendido por fuentes móviles, es también apreciable, aunque su aporte al PM2.5 es, muy probablemente, mucho menor.

A partir del análisis iónico se concluye que, si se realizan caracterizaciones de PM10, es recomendable llevar a cabo la cuantificación del ión carbonato, de manera que se pueda comprobar la presencia de carbonato de calcio de manera directa y contabilizarla en el balance iónico. El componente iónico no es muy alto comparado con ciudades de Estados Unidos, donde la producción de energía térmica hace que los precursores de estas especies se emitan en mayor cantidad. En general, el muestreo y caracterización de material particulado proporcionan más elementos para entender la composición e inte-racciones entre las especies químicas en las partículas, y el análisis de los resultados de dicha caracterización provee herramientas pa-ra la validación interna de los datos. Este tipo de análisis es reco-mendado en estudios de caracterización química, en especial en aquellos que pretendan utilizar dicha caracterización como insu-mo para modelos de receptor.

Es necesario tratar de mejorar la resolución de los resultados obtenidos por la técnica de EDXRF, bien sea por ajuste de los parámetros de la técnica, o garantizando la obtención de muestras con mayor cantidad de masa de partículas en los filtros. El análisis de la variación de la composición en periodos temporales (día.-noche), y su relación con los datos meteorológicos, podría proporcionar más elementos para la comprensión de la dinámica y la composición del material particulado en Bogotá.

Agradecimientos

Los autores expresan agradecimientos a Colciencias por el apoyo financiero que hizo posible el desarrollo de este trabajo. También se agradece a Ted Russell y al Georgia Institute of Technology por permitir el uso de sus instalaciones en parte del trabajo de caracterización.

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