Cap ii monitoreo de la calidad de aire-2021

Vigilancia de la Calidad
del Aire

Vigilancia de la Calidad del Aire
Microescala Define concentraciones en volúmenes de
aire asociados con dimensiones de área
de algunos metros hasta 100 m.
Escala Media Define concentraciones típicas de áreas
que pueden comprender dimensiones
desde 100m, hasta 0.5 Km.
Escala Local Define concentraciones en un área con
uso de suelo relativamente uniforme,
cuyas dimensiones abarcan de 0.5 a 4
Km.
Escala Espacial
Escala definida por la EPA.

Escala Urbana Define todas las condiciones de una
ciudad con dimensiones en un rango de
4 a 50Km.
Escala
Regional
Define generalmente un área rural de
geografía razonablemente homogénea y
se extiende desde decenas hasta cientos
de Kilómetros.
Escala
Nacional y
Global
Las mediciones que corresponden a esta
escala representan concentraciones
características de la nación y del mundo
como un todo
Escala Espacial

Objetivo del Monitoreo Escalas Espaciales
Medición de altas
concentraciones
Micro. Media, Local, Urbana (en
ocasiones)
Efectos en Población Local, Urbana.
Fuentes Micro, Media, Local.
General/De Fondo Local, Regional.
Relación entre objetivos de monitoreo y
Escalas Espaciales

 VIGILANCIA CONTINUA.
 VIGILANCIA DE ESTUDIOS ESPECÍFICOS.
CLASIFICACIÓN

CLASIFICACIÓN
VIGILANCIA FIJA VIGILANCIA MOVIL

OBJETIVOS BÁSICOS PARA LA
VIGILANCIA DE LA CALIDAD DEL AIRE
 Obtener información para informar al público
acerca de la calidad del aire.
 Proporcionar información de fuentes y riesgos
de contaminación.
 Evaluar los efectos de la contaminación sobre
el hombre y el medio ambiente

 Selección de los Contaminantes a Vigilar.
 Determinación del Número y Ubicación de las
Estaciones de Muestreo.
 Selección de los Instrumentos y Técnicas
Analíticas.
 Definición de las Frecuencias de Muestreo.
 Elaboración de Procedimientos para el
Tratamiento y Análisis de los Datos.
ETAPAS DE UN SISTEMA DE VIGILANCIA

 De los más de 100 elementos contaminantes
atmosféricos identificados, se consideran
como Indicadores sólo a los mas abundantes:
 Partículas Suspendidas (PTS, PM10, PM 2.5)
 Dióxido de Azufre (SO2)
 Oxidos de Nitrógeno (NOx)
 Monóxido de Carbono (CO)
Selección de los Contaminantes a Vigilar

 Hidrocarburos (HC)
 Ozono (O3)
- Metales Pesados (Plomo, Cadmio ,Arsénico)
• También es importante señalar que esta selección
dependerá de las características de emisión de
cada región, pudiéndose obviar los contaminantes
antes señalados e incluir otros más específicos.
Selección de los Contaminantes a Vigilar

DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE ESTACIONES
 Primero se definen:
- Objetivos del monitoreo
- Tamaño de la localidad o área de estudio -
Parámetro a monitorear ( SO2, NOx. etc.).
 La muestra debe ser representativa del lugar,
que permita hacer comparaciones con los
estándares de calidad del aire, normas, etc

DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE
ESTACIONES
 Otros criterios para determinar el número de
estaciones:
 La población que habita en el área que se pretende
vigilar.
 La problemática existente en el área y la
representatividad de la estación.
 Los recursos económicos, humanos y tecnológicos
disponibles.
 El número y ubicación de zonas de alta
contaminación (Hot spots)

Número de Estaciones en Función de la Densidad
Poblacional
Promedio de Estaciones por Contaminante
Población
urbana
(millones)
Parámetros de Monitoreo
Partí-
culas
SO2 NO2 Oxi-
dantes
CO P.Met.
Menos de
1
2 2 1 1 1 1
1 – 4 5 5 2 2 2 2
4 – 8 8 8 4 3 4 2
Más de 8 10 10 5 4 5 3
Valores recomendados por la OMS

Poblacional
Modificaciones por los siguientes criterios:
• En ciudades con alta densidad industrial deben de
instalarse más estaciones para medir partículas y
bióxido de azufre.
• En zonas en donde se utilicen combustibles pesados se
deben incrementar las estaciones de dióxido de azufre.
• En zonas con tránsito intenso se duplican las
estaciones de monóxido de carbono, óxidos de
nitrógeno y oxidantes.

Poblacional
• En ciudades con población mayor a 4 millones
de habitantes, con tráfico ligero, se pueden
reducir las estaciones de monóxido de carbono.
• En regiones con terreno accidentado, puede ser
necesario incrementar el número de estaciones.

 Microgeografía del Área.
 Microclima.
 Estructura Urbana.
 Focos Contaminantes.
 Características y Densidad Demográfica.
UBICACIÓN DE LAS ESTACIONES

 Consideraciones Para la ubicación de las
estaciones:
 Accesibilidad.
 Seguridad contra vandalismo.
 Infraestructura. (electricidad, teléfono, etc)
 Libre de Obstáculos y fuentes de emisión
cercanas.

Obstáculo Distancia
Árboles y Edificios Se recomienda radio
libre de 10m.,
alrededor del sitio de
muestreo
Fuentes de Emisión:
Industriales,
Comerciales o móviles
Se recomienda 20m.,
de distancia del sitio
de muestreo

Altura de toma de
muestra
Tipo de Estudio
1.5 a 2.5 m. Para estudios
epidemiológicos o de
tráfico vehicular.
2.5 a 4 m y hasta
8m.
Estudios de calidad del aire
de fuentes fijas.
10m. Determinación de
Parámetros meteorológicos

 Ser representativas del área donde se ubican
 Proporcionar datos comparables con las demás
estaciones.
 Ser útiles por lo menos durante todo el periodo de
tiempo del estudio.
 Ser accesibles permanentemente.
 Contar con energía eléctrica segura.
 Estar acondicionadas par resistir condiciones
extremas de temperatura.
Criterios de Ubicación de las Estaciones

Es el periodo de tiempo de evaluación para
llevar a cabo las mediciones, recopilar la
base de datos necesarios y cumplir con los
objetivos del programa.
Para calidad del aire, se considera la
duración del programa de muestreo de 12
meses.
DURACIÓN DE UN PROGRAMA DE
CALIDAD AIRE

Es el número de muestras que se tomarán en
un intervalo de tiempo, en una estación, se
aplica en programas de muestreo discontinuo.
De ello depende los valores de calidad del aire
por lo que se considera : condiciones
climáticas, cambios estacionales, día de la
semana, horas en el día, etc.
Frecuencia de Muestreos:

Para valores medios anuales se recomiendan
muestreos individuales con una frecuencia de 1
a 2 veces por semana dependiendo de las
concentraciones se varia el día de la semana. Se
deben realizar por lo menos 5 mediciones por
mes, durante un año o por lo menos durante 6
meses.
Frecuencia de Muestreos

Frecuencia de Muestreos
Para valores medios diarios se consideran
todas las mediciones realizadas por el
equipo durante las 24 horas.

Es el periodo de tiempo para determinar las
concentraciones. Mientras mas corto es el
tiempo de toma de muestra, más altos serán los
valores esperados.
Dependerá de los límites de detección del
método de muestreo utilizado y de los criterios
establecidos en las normas oficiales de cada
país. (1hora, 8horas, 24 horas, un mes, etc)
Determinación del Tiempo de Muestreo

La OMS recomienda lo siguiente:
 El monitoreo anual se recomienda para determinar
las variaciones estacionales y para obtener promedio
anuales.
 El muestreo diario se recomienda si se necesitan
realizar comparaciones significativas a corto plazo.
 Deben ser medidas concentraciones promedio de 24
horas.
 Se requiere de monitoreo con resolución horaria
cuando existan condiciones de episodios de
contaminación
Determinación del Tiempo de Muestreo

Valores característicos que pueden ser
determinados para estimar la calidad del aire
Valor a Determinar Parámetros
Promedio Diario Contaminantes Atmosféricos
Gaseosos: NO2, SO2, O3 y CO
Media Aritmética Mensual y
Anual
Contaminantes Atmosféricos
Gaseosos, Humos, Partículas
Suspendidas y Compuestos
asociados a ellas.
Medianas para los diferentes
periodos estacionales
Contaminantes Atmosféricos
Gaseosos y Partículas
Suspendidas

Valores característicos que pueden ser
determinados para estimar la calidad del aire
Valor a Determinar Parámetros
98 Percentil de los Valores
de un año calendario.
Contaminantes
Atmosféricos Gaseosos,
Humos, Partículas
Suspendidas y compuestos
asociados a ellas
Promedios Mensuales Depósitos de Polvo
Promedios Anuales Depósitos de Polvo y
compuestos asociados con
estos

 La Selección de los Equipos de Muestreo y las
técnicas de análisis dependerá de los siguientes
factores:
 Grado de Contaminación de la Localidad
 Calidad y Precisión de los Datos.
 Requerimiento de Información inmediata
 Capacidad Económica Local.
 Disponibilidad de Recursos Humanos Capacitados.
SELECCIÓN DE LOS INSTRUMENTOS DE MUESTREO
Y TECNICAS ANALÍTICAS

Torre
Meteorológica
Estación
de Medición
Sistema de
transmisión

 Las metodologías de muestreo se dividen en
cinco grupos genéricos :
 Muestreadores Pasivos.
 Muestreadores Activos.
 Analizadores Automáticos.
 Sensores Remotos.
 Bioindicadores.

Muestreadores Pasivos
 Tubos de Difusión
 Colectores de Polvo
 Papeles indicadores
 Bujías de Peróxido de
Plomo
Se caracterizan porque no utilizan bombas para la
succión del aire. Los medios de colección incluyen
sólidos adsorbentes, tubos rellenos de reactivos, cintas
impregnadas,etc.

 Son tubos que contienen
material absorbente o
adsorbente, y se encuentran
abiertos en uno de sus
extremos.
 Entre estos tubos se tienen a
los tubos palmes. Se usan
para muestrear NO2 y SO2
principalmente.
Tubos de Difusión

Tubos de Difusión

Tubos de Difusión
Tipo de Equipo Contaminante Recomendacion
es
Distintivos
Pasivos
Principalmente para
vapores orgánicos
(VOCs) y algunos
gases inorgánicos
como : NO2, NO,
CO, O3 y SO2
Deberá
seleccionarse una
membrana inerte
para evitar efectos
en el gas
muestreado.
Tubos de
Difusión:
Absorbentes y
adsobentes
VOCs, NH3, HNO3,
Cl2
El tiempo de
almacenaje deberá
ser lo más corto
posible, utilizándose
un congelador

Tubos de Difusión
Tipo de Equipo Contaminante Recomendaciones
Tubos de Palmes NO2, SO2 Debe colocarse
protegido del viento,
para que el factor de
difusión sea
constante
Burbujeadores
pasivos
Formaldehídos Se debe reemplazar
la tapa que retiene el
disco de difusión por
una tapa sólida
cuando el dispositivo
se transporte al
laboratorio

Tubos de Difusión
Tipo de Equipo Contaminante Recomendacion
es
Colectores de
Polvo
Polvos
Sedimentables
Se debe utilizar un
diseño uniforme de
estos dispositivos
dentro de la red.
Papeles
indicadores
Bromo; HCN, HF,
SO2
Es importante la
preparación y
almacenamiento de
estos papeles.

Tubos de Difusión
Tipo de Equipo Contaminante Recomendaciones
Tiras de Hule O3 Este método se usa
únicamente como
indicador.
Bujía de Peróxido de
Plomo
SO2 Se usa sólo como
indicador. Debe
colocarse por triplicado.

Cap ii monitoreo de la calidad de aire-2021

MEDICIÓN DE GASES NOX POR TUBOS
PASIVOS

Muestreadores Activos
Involucra el uso de bombas de succión que
fuerza el paso del aire a través de un sistema
de colección (filtros, líquidos absorbentes,
sustancias adsorbentes). Requieren de
análisis posterior en laboratorio

 Para el muestreo de gases:
 Bolsas de plástico y depósitos de vidrio o de
metal de acero inoxidable.
 Frascos para la absorción en fase líquida para
gases inorgánicos.
 Instrumentos de adsorción, para gases
orgánicos e inorgánicos.
 Separadores por difusión de gases y partículas.
 Filtros impregnados químicamente (debe haber
separación de partículas)

 Para el muestreo de partículas:
 Filtros para la colección de partículas
suspendidas.
 Impactores, para medir la distribución del
tamaño de las partículas suspendidas.

Muestreadores de Alto Volumen
PTS PM 10

Tipos de filtros
Tipo de Filtro Comentarios y Recomendaciones
De
Fibras
Tienen relativamente bajas caídas de presión y
se usan comunmente en el HVS
Celulosa Pueden absorber Agua por lo que se
recomienda un cuidadoso acondicionamiento
antes de ser pesado
Fibra de
Vidrio
Tiene gran capacidad. Es recomendable
cuando la determinación es gravimétrica
Fibra de
Cuarzo
Proveen valores de masa mas precisos que los
otros filtros, pero son muy frágiles. Contienen
cantidades variables de Al y Si y adsorben
vapores orgánicos, HNO3, NO2 y SO2

Tipos de filtros
Tipo de Filtro Comentarios y Recomendaciones
De
Mem
brana
Proveen mejores muestras para estudios
de trazas. La eficiencia de colección
depende del tamaño del poro
Policar-
bonato
Inapropiado para carbón. Se usa para
asbesto y minerales. Diámetro de poro
de 0.8 um.
Teflón Inerte a la adsorción de gases.
Inapropiado para el carbón.
PVC Se disuelve en algunos solventes
orgánicos. Es compatible con el método
de análisis de difracción de rayos X.

Analizadores Automáticos
Son aquellos en los cuales
la colección y el análisis
de la muestra están
combinados en un solo
instrumento, que realiza
mediciones de
concentraciones de
contaminantes de forma
continua y envía los datos
a un mecanismo de
recolección de la
información.

 Conductimetría.
 Quimiluminiscencia.
 Fluorescencia UV.
 Absorción IR.
 Ionización de Flama.
 Atenuación de Rayos Beta.
 Microbalanza Oscilatoria.
 Microbalanza Piezoelectrica
Principios de Medición:

 Conductimetría:
Principio de medición basado en la conductividad.
La muestra de gas es introducida en un reactivo
líquido y el cambio en la conductividad se mide
después de que se completa la reacción entre el
líquido y el gas.

Conductimetría
ELECTRODOS
DE MEDICIÓN
GAS DE
DESECHO
GAS MUESTREADO
SALIDA DE
SOLUCIÒN DE
DESECHO
ELEMENTOS
ELECTRÓNICOS
INDICADOR
ELECTRODOS
DE MEDICIÓN
REACTIVO

Principio de medición NOx por: Quimiluminiscencia
 Se basa en la reacción entre NO y O3 que produce NO2 excitado:
NO + O3  NO + NO2* + O2
90-95 % 5-10 %
 La forma excitada emite energía o quimiluminiscencia proporcional a la
concentración de NO2:
 N02*  NO2 + hv
 Si se desea conocerla suma de NO y NO2 por separado se procede en 2 etapas
 Primero se trata !a muestra de aire con ozono y se hace lectura únicamente
para NO
 Segundo, en una cámara caliente de acero inoxidable para convertir:
 NO2 a 1350 °F  NO + O2
 3NO2 + Mo a 315°F  3NO + Mo03
 Entonces se hace una lectura para NO y NO2. La lectura para NO2 se
determina por diferencia.

Equipo de quimiluminiscencia
FILTRO MATERIAL
PARTICULADO
GAS MUESTREADO
BOMBA
FILTRO DE PROTECCIÓN
DE OZONO
CAMARA DE REACCIÓN
FILTRO OPTICO
TUBO
FOTOMULTIPLICADOR
AMPLIFICADOR
INDICADOR
AIRE
GENERADOR
DE OZONO
VENTANA
REDUCTOR
NO2/NO
HORNO

Diagrama simple de Absorción UV
GAS
MUESTREADO
CELDA DE
MEDICIÓN
FILTRO OPTICO
FUENTE
DE LUZ
RECEPTOR DE LUZ
CON PROCESADOR
E INDICADOR

Analizador Automático de Ozono
por absorción UV

Medición de ozono por absorción UV
 PRINCIPIO DE MEDICION
 Se basan en que un rayo de luz UV de 254 nm seleccionada con un
filtro, pasa a través de la muestra ubicada en una celda en el
equipo donde es absorbida, en proporción a la cantidad de ozono
presente.
 Cada 4 s, un interruptor de la válvula alterna las mediciones entre
la muestra y la misma muestra liberada de ozono Scrubber).
 La señal pasa luego a un censor de temperatura y al amplificador.
 A una velocidad de flujo de 800cm3/min detecta 0,6 ppb con una
precisión de 0,5 % (para lecturas >50ppb). Velocidad de respuesta
10 s , Temperatura 5 – 40°C (L.D. 0,6 ppb)

Diagrama simple de Fluorescencia UV
GAS
MUESTREADO
CELDA
FILTRO DE INTERFERENCIA
FOTOMULTIPLICADOR
INDICADOR
AMPLIFICADOR
FILTRO DE
INTERFERENCIA
LENTE
OPTICO
FUENTE DE
RADIACIÓN
UV

Determinación de SO2
 PRINCIPIO DE MEDICIÓN
 Los aromáticos polinucleares PNA interferentes son eliminados por un
separador (Kicker) el cual los remueve selectivamente a través de una
membrana sin afectar el SO2 de la muestra de gas.
 La radiación UV emitida por una lámpara pasa por un filtro que
separa ondas específicas de 214 nm que inciden y excitan las moléculas
de SO2 de la muestra en la celda.
 SO2 + h1  SO2*
 La fluorescencia F emitida por el SO2* al regresar al estado basal es
convertida en una señal eléctrica por un Sensor óptico con modulador
de las perturbaciones eléctricas o de descargas PMT (Power Module
Troubleshooting).
 SO2*  SO2 + h
 La señal eléctrica del PMT, seleccionada por un 2do. Filtro pasa al
amplificador de precisión PREAM convirtiéndose en una diferencia de
voltaje y luego en lectura directa.
 F = K [SO2]
 Donde K es la constante del equipo determinada por calibración.

Absorción IR:
 Esta medición se basa en la capacidad de
absorción IR que poseen las moléculas como
CO (4.7 um ), CO2 (4.3 um ), HC (3.39 um ),
cuyas ondas son separadas por métodos no
dispersivos.
 El mayor uso es para la medición del CO, el
cual se calibra con una mezcla patrón de gases:
N2 puro con un % conocido de CO ( 5%)
 Mezcla patrón : 99.99% N2 + X% CO

Diagrama Simple Absorción IR
GAS
MUESTREADO
CELDA DE
MUESTRAS
FUENTE DE LUZ
RUEDA
CELDA DE
REFERENCIA
DETECTOR
DE GAS
AMPLIIFICADOR
INDICADOR

Fluorescencia UV para H2S
 La muestra ingresa a una
fotocelda y es irradiada
con rayos UV, las
moléculas de H2S
absorben los rayos e
irradian fluorescencia que
es detectada por un tubo
fotomultiplicador que la
transforma en voltaje y
concentración

 Ionización de Flama:
Se basa en el principio de que los
compuestos de carbón orgánico se
ionizan fácilmente por medio de una
flama de hidrógeno.

Cromatógrafo de Gases con Detector de Ionización
en Flama
Los compuestos orgánicos se
pre concentran en un módulo
de enriquecimiento de una
sola etapa, componentes son
transferidos a la columna de
separación por una técnica
de desorción térmica. El
volumen de aire se mide con
precisión con un sensor de
flujo de masa térmica referido
a las C. Standard

Ionización de Flama
GAS MUESTREADO
AIRE H2
CAMARA DE
COMBUSTION
ELECTRODO
COLECTOR
BOQUILLA DE
COMBUSTION
AMPLFICADOR
INDICADOR
Las moléculas de carbono son ionizadas en
llama aire H2 generando un flujo de e- que es
directamente proporcional a la concentración

Medición de material particulado
 Atenuación de Rayos Beta: El principio se basa
en la medición de la atenuación gradual y
exponencial que sufren los rayos Beta al pasar
a través de un filtro en forma de cinta en el cual
se depositan las partículas.
 La atenuación esta directamente relacionada
con la masa de las partículas depositadas en el
filtro.

Atenuación de rayos beta
M k
KK
F1 F2
B
BOMBA
SUMINISTRO
DE ENERGIA
MK = CAMARA DE
MEDICIÓN
KK = CAMARA DE
COMPENSACIÓN
St = FUENTE DE
RADIACIÓN
B = CAMARA PARA LA
MEDICIÓN Y
PRECIPITACIÓN
DE PARTÍCULAS
F1- F2 = CARRETE DE LOS
FILTROS

Medición de material particulado
 Microbalanza Oscilatoria: TEOM (Tapered
Element Oscillating Microbalance)
Las partículas se colectan continuamente en un
filtro montado en la punta de un elemento de vidrio
hueco, el cual oscila en un campo eléctrico
generando una frecuencia.
La concentración de la masa de las partículas se
calcula por medio de una relación calibrada entre la
frecuencia y la cantidad de partículas, tomando en
cuenta el volumen muestreado.

Microbalanza Oscilatoria
SISTEMA
ELECTRONICO
MICROPROCESADOR
ELEMENTO CONICO
AL CONTROLADOR
DE FLUJO
ENTRADA CON CALENTAMIENTO
DEL FLUJO DELAIRE
MUESTREADO
FLUJO DE MUESTREO

Contaminantes y Principios de Medición
Contaminante Principio de Medición
SO2 y CO Conductimetría
Especies de NO, NO2 y
O3
Quimiluminiscencia
SO2 Fluorescencia
CO, CO2 , HC Absorción IR
O3 Fotometría en el rango
UV
Gases Orgánicos sin
metano
Ionización de Flama

Contaminante Principio de Medición
Partículas
Suspendidas
Atenuación de Rayos Beta.
Microbalanza Oscilatoria
TEOM.
Contaminantes y Principios de Medición

Sensores Remotos
A diferencia de los monitores automáticos que
proporcionan mediciones de un contaminante en un punto
en el espacio, pueden proporcionar mediciones integradas
de multicomponentes a lo largo de una trayectoria
específica en la atmósfera (normalmente mayor a 100
metros). Algunos de estos controles son utilizados en
aviones o en Satélites. Son muy complicados y su costo es
muy elevado.

Bioindicadores y Biomonitores
El uso de plantas bioindicadorres para monitorear
el aire, implica una multitud de diferentes
muestreos y enfoques de análisis con diferentes
grados de sofistificación y desarrollo. Los
métodos incluyen :
• Uso de Superficies de plantas como receptoras.
• Uso de capacidad de la planta para acumular
contaminantes o sus metabolitos en el tejido.
• Efectos de los contaminantes en la apariencia de
las plantas, etc.

Ventajas y Desventajas de los Método de
Monitoreo
Metodología Ventajas Desventaja Inversión
U:S:
DLLS
Muestreadores
Pasivos
Muy bajo costo
Muy simples
Útiles para
estudios de
base
No probado para
algunos
contaminantes.
En general solo
proveen promedios
semanales y
mensuales.
Requieren análisis de
laboratorio
2-4 por
muestra
Muestreadores
Activos
Bajo Costo.
Fácil de operar.
Confiables en
operación y
funcionamiento
Da concentraciones
pico o de alerta.
Trabajo intensivo
laboratorio
$2000 a
$4000 por
unidad

Ventajas y Desventajas de los Método de
Monitoreo
USA$
Muestreadores
Automáticos
Alto funcionamiento
comprobado.
Datos horarios
Información On Line
Complejo, caro.
Requieren técnicos
calificados. Altos costos
periódicos de operación
$10,000 a
20,000 por
monitor
Sensores
Remotos
Proporcionan
patrones de
resolución de
datos. Utiles cerca
de fuentes y para
mediciones
verticales en la
atmósfera.
Mediciones de
multicomponentes
Muy complejos y
caros. Difíciles de
operar, calibrar y
validar. No son
siempre comparables
con los analizadores
convencionales
>$200,000
por sensor

Ventajas y Desventajas de los Métodos de
Monitoreo
USA$
Bioindicadores Baratos. Útiles
para identificar
presencia de
algunos
contaminantes
Problemas de
estandarización de
metodologías.
laboratorio
Costo
variable

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