Técnicas de muestreo y análisis ambiental: partículas, gases y control de contaminantes atmosféricos

Muestreo ambiental y control de la contaminación

4. MUESTREO: etapa inicial y previa a la preparación de la muestra que determina la representatividad del resultado analítico y determinará la confianza de los datos obtenidos. Incluye subetapas como conservación, transporte y pretratamiento.

ESTRATEGIA:

• Estadísticas: azar, sistemático, estratificado.
• No estadísticas: algunos elementos presentan probabilidad nula de ser tomados, criterio personal del operador (muestras selectivas, etc.).

Errores

1. Planificación

• Elección A (heterogeneidad de la muestra: sistemático, azar).
• Método (falta de representatividad, contaminación, pérdida de analitos: azar, sistemático).
• Número de muestras (falta de representatividad: azar).
• Masa de la muestra (falta de representatividad: azar).
• Momento de la muestra (clima: azar, sistemático).

2. Toma de muestras

• Experimental (efecto matriz, lixiviación: sistemático).
• Envasado (contaminación, volatilización: sistemático).
• Conservación (pérdida de muestra, contaminación, reacción química: sistemático).

Muestreo de aire

Estrategia de muestreo: aspectos como parámetros ambientales a determinar, localización y número de muestras, tiempo y frecuencia del muestreo.

Para la determinación de contaminantes atmosféricos se debe diferenciar entre medidas de inmisión (concentración de un contaminante en el ambiente o depósito en superficie) y emisión (concentración de contaminantes de una fuente a su salida, chimenea).

Objetivos: caracterizar emisión de focos fijos o móviles, estudiar la evolución de contaminantes en el aire, determinar la calidad del aire ambiental interior. Las objetivos condicionan el plan y diseño del muestreo.

Parámetros

Delimitar parámetros para una buena estrategia.

• Ambientales: según gravedad y efectos nocivos sobre suelo y ecosistemas, abundancia, presencia, persistencia, O₃, SO₂.
• Meteorológicos: influencia de dispersión, transporte, dirección y velocidad del viento, temperatura, humedad, precipitaciones.

Equipos de muestreo de inmisión

Pasivos: exposición del ambiente durante periodo de tiempo, que difusión recoge contaminantes por absorción o adsorción. Se lleva a laboratorio, desorción y análisis.

• Ventajas: sencillos, bajo coste, no energía, máximos aprovechamientos.
• Inconvenientes: no valores mínimos ni máximos, valor de referencia.

Tipos: dosímetros pasivos, tubos de difusión, placas, barbotador pasivo, tubos colorimétricos, pellets indicadores.

Activos: bomba de aspiración para acumular partículas o aire, por medio físico o químico. Más costoso, más completo, más fiable que pasivo.

• Fase gas: recipientes inertes en los que se introduce la muestra por bombeo (COVs).
• Fase líquida: disolución resultante debe ser estable para análisis; la eficacia depende de la solubilidad del gas en absorbente y relación V aire/muestra/V disolución absorbente.
• Fase sólida: sustancia adsorbente en interior de tubo de vidrio (denuder).

Otros: analizadores automáticos, sensores remotos, bioindicadores.

Muestreo de emisión

En conductos de evacuación de gases de procesos de producción. Es in situ (sistema de análisis montado en propia chimenea), luego transporte y análisis.

Se debe elegir punto de muestreo para muestra representativa, mediante sonda de cristal de cuarzo a 120 ºC para análisis en condiciones isocinéticas. Luego pretratamiento para eliminar PM. Varios sistemas extractivos:

• Base seca: se elimina humedad a gas mediante dispositivos con filtros calentados para evitar condensaciones; debe llegar muestra seca y libre de partículas.
• Humedad: se mantiene a alta temperatura, sin producirse condensación; se usa cuando gas tiende a disolverse en líquido condensado (NH₃).
• Dilución: gases de salida con tenores máximos de compuestos o humedad; se toma 1 parte de la muestra y diluyen con aire seco permitiendo que el analizador pueda operar a temperatura ambiente.

Técnicas de análisis de partículas (PM)

Para determinar la concentración, distribución de partículas, análisis químico y mineral.

1. Análisis morfológico

Determina su comportamiento en atmósfera como en aparatos respiratorios, siendo de especial interés el tamaño de partícula por su distribución tóxica; su determinación se realiza en la etapa de muestreo mediante impactadores. Una vez captada, el análisis morfológico mediante técnicas no destructivas como microscopía para analizar tamaño y forma. Para hacerlo más detallado, mediante microscopía electrónica para aerosoles < 1 µm, también dispersión de rayos X.

2. Cuantificación de masa

Varios métodos:

• Discontinuos: gravimétrico (mediante captadores de partículas activas para la concentración de PM, mediante determinación de la masa pesando filtro antes y después a temperatura y humedad controlada); reflectometría (medición de la reflexión de la luz y determina la opacidad de una muestra (humos negros), este valor se convierte en concentración por volumen de aire).
• Continuos: nefelometría (explica turbidez), atenuación de radiación beta (se lee como bam, es la medición de la atenuación gradual que sufren los rayos beta al pasar a través de un filtro donde se depositan partículas); microbalanza oscilatoria de elementos cónicos (TEOM: muestra aire que pasa a través de filtro, en extremo de vidrio hueco oscilando a resonancia; cuando se acumula PM disminuye la frecuencia de oscilación proporcional al incremento de masa).

Problemas de contaminación

Eventos y tratados: capa de ozono

El Protocolo de Montreal (1987) regula la producción de los gases responsables de la destrucción de la capa de O₃ y pretende reducir/eliminar las emisiones de CFC halogenados mediante medidas estrictas tanto en emisión como en intrusión de otras especies químicas. Las emisiones de CFC han disminuido desde el protocolo, ya que vienen siendo niveles críticos hasta el año 2000 y su recuperación se prevé para 2050, aunque puede verse afectado por emisión como volcanes.

Efectos del calentamiento global

Aumento de temperatura 1,4-5,8 ºC, más calor – huelgas, subida del nivel del mar, consecuencias polares.

• Efectos: cambios en ecosistemas marinos con migración de especies hacia el norte, disminución de especies en ecosistemas terrestres, cambio en composición de plantas y animales, disminución de producción por escasez de H₂O, cambios en caudales de ríos, pérdidas de ecosistemas por catástrofes naturales, más olas de calor y transmisión de enfermedades.
• España: desertificación zona sur, Mediterráneo, zona norte con disminución hidrica de 20%.

Control de contaminantes atmosféricos: tecnologías en combustión

8. CONTROL DE CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS, TECNOLOGÍAS EN COCHES:

• Downsizing: reducir cilindrada de un motor y optimizar su potencia en cv, para un consumo menor y menos contaminantes.
• Pila combustible de H₂: no se agota ni necesita cargarla; combustión fría que convierte en química en eléctrica útil.
• Híbridos: con batería de litio que puede ser recargada eléctricamente, no produce contaminantes.

Adsorción

Definición: poros, área superficial, adsorbente, adsorbato.

Tipos:

• Física: exotérmica reversible (desorción).
• Química: el contaminante se une por enlace químico, más energía, normalmente irreversible.
• Variables.

Adsorbentes: carbón, sílice gel, alúmina activa, zeolitas.

Tipos de sistemas:

• Lecho fijo: gas a través de un lecho con material adsorbente; cuando se satura se debe regenerar; adsorbe mediante +T, -P, gas inerte, vapor de H₂O.
• Lecho fluidificado: gas a través de adsorbente que se mantiene en suspensión por el propio flujo del gas; parte del adsorbente se extrae, se regenera y se vuelve a introducir en el sistema.

Incineración

Definición: sometra al material combustible hasta su punto de ignición para que se produzca la oxidación de los compuestos reducidos del carbono con liberación de energía.

Factores: +T aumenta velocidad de oxidación; tiempo de retención necesario para eliminación completa; turbulencia: buena mezcla entre O₂ y gas; suministro continuo de O₂.

Incineradores:

• Directa: gases residuales se queman directamente con o sin aporte de combustible adicional.
• Incineración térmica: cuando la concentración de gases combustibles y gases residuales se baja, precalentamiento y lleva a cámara de combustión donde se quema por completo con O₂ y combustible.
• Incineración catalítica: gas por lecho catalítico que provoca aceleración de la tasa de oxidación, con eficiencias elevadas a T bajas, eliminando NOx, SO₂.

Condensación

Definición: para COVs.

• Indirecta: gas y fluido refrigerante, se condensa sobre los mismos y se elimina el líquido.
• Directa: gas condensado por contacto directo con líquido frío en forma de pequeñas gotas a contracorriente: H₂O y NH₃.

Eliminación de SOx

Por procesos de combustión fósil, como de petróleo y carbón; disminución por uso de combustibles bajos en azufre como gas natural o eliminación previa de azufre de los combustibles. Como se acidifican los métodos para su eliminación mediante compuestos alcalinos:

• Húmedos: gases a contracorriente.
  • Cal: lechada y reacción generando sulfito cálcico (η=60-90%, corrosión).
  • Óxido de magnesio (con lechada de Mg).
  • Sosa: absorbe SO₂ obteniendo sulfitos solubles.
  • NH₃: se absorbe SO₂ dando sulfito amónico.
  • Sulfito de sodio: reacción química se produce SO₂ concentrado, vapor de H₂O y sulfito sódico.
  • Doble alcalino: 1) tratamiento con sosa forma sulfito de sodio; 2) se mezcla con lechada de cal y precipita sulfito de calcio y regenera sosa.
  • Citrato: forma bisulfito de sodio y ácido cítrico, η=80-90%, no forma sólidos, coste bajo.
• Secos: absorción en seco mediante atomización de partículas finas a contracorriente con gas con las mismas reacciones que húmedos, con rendimientos peores.