La recolección de muestras de PCDD/Fs y dl-PCBs para calidad del aire, precisa dos tipos de monitoreo: pasivo y activo.
Monitoreo de Aire Pasivo
El monitoreo de aire pasivo (PAS, Passive Air Sampling, por sus siglas en inglés), consiste en exponer un material adsorbente al flujo natural del aire (flujo pasivo). Las sustancias químicas transportadas por el aire, son adsorbidas por difusión molecular, lo que resulta en una acumulación de productos químicos en el material adsorbente [63]. Así, el PAS monitorea la fase gaseosa del aire ambiente.
Existen diversos tipos de materiales que pueden ser utilizados como medios adsorbentes en el PAS. Las Espumas de Poliuretano (PUFs, Polyurethane Foams, por sus siglas en inglés) [40, 76, 77], resinas (como la XAD) [78-80], Membranas Semi-Permeables (SPM, Semi-Permeable Membranes, por sus siglas en inglés) [76, 81], películas poliméricas [82], entre otros, son los materiales comúnmente utilizados en este monitoreo [83, 84]. El uso de las PUFs para el monitoreo pasivo de PCDD/Fs y dl-PCBs está empezando su implementación a nivel mundial.
PAS con PUFs en forma de disco
El esquema del funcionamiento y estructura del captador, junto con sus principales elementos constitutivos, se muestra en la Figura 3.
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Figura 3. Monitoreo Pasivo con PUFs. a) Estructura de captador, b) PUF, c) y d) Estaciones PAS. Fuente: propia. El captador pasivo, mostrado en la Figura 3a, consta de dos campanas de acero inoxidable de diferentes tamaños, unidos por un soporte, del mismo material, que los atraviesa. El objetivo de empalmar las campanas con diámetros diferentes, consiste en permitir la circulación del flujo natural del aire a través de los espacios laterales que quedan entre ellas. La campana inferior, cuenta con pequeños orificios que facilitan la salida del aire. Internamente, en la parte central del equipo, se encuentra suspendida la PUF, lugar que facilita el contacto con el flujo del aire que logra entrar al captador. El aspecto de una PUFs es mostrado en la Figura 3b. Las campanas proporcionan a la PUF protección de la precipitación directa, la luz solar UV, la deposición de partículas, y también reduce la dependencia de la proporción de muestreo sobre la velocidad del viento.
Algunas estaciones PAS, constan de 1 a 3 captadores pasivos suspendidos en el aire por una estructura de metal que los mantiene a una distancia del suelo (Figura 3c y d). El número de captadores depende de la cantidad de contaminantes a medir o de la representatividad de muestra que se requiere para el posterior análisis.
El PAS con PUFs, presenta un mecanismo de adsorción cambiante con el tiempo de exposición que comprende dos etapas (Figura 4). La primera etapa, es llamada ―fase de respuesta lineal‖, en donde los compuestos químicos transportados por el aire y secuestrados por el adsorbente, aumentan linealmente con el tiempo, bajo los supuestos de una velocidad constante de muestreo volumétrico de aire y de una concentración constante del químico en el aire que es proporcional para el volumen de aire muestreado. A lo largo del tiempo de exposición, la tasa de acumulación disminuye hasta alcanzar el equilibrio entre el aire ambiente y el adsorbente [63, 85].
Figura 4. Fases de respuesta del transporte químico del aire en muestreadores pasivos. Tomado de [63] De esta manera, la determinación de la concentración del contaminante en el aire ambiente, será obtenida a partir de la exposición del adsorbente por un período de tiempo no más largo que la fase
41 de respuesta lineal, y basado en el volumen de la muestra de aire. Estos períodos pueden llevar de uno a seis meses dependiendo del contaminante a analizar y del medio adsorbente [63, 85].
Dado que las PCDD/Fs y los dl-PCBs son una mezcla de muchos congéneres en cada muestra, el volumen de aire es variable de un compuesto a otro, debido a que cada uno de ellos posee características de volatilidad diferente, las cuales dependen de la temperatura y del período de monitoreo. Por lo tanto, es necesaria la evaluación de la relación entre la cantidad de compuesto que se adsorbe en la matriz de monitoreo y la que se queda en la atmósfera. Esta relación se define a través del Coeficiente de Partición [86].
El Coeficiente de Partición octanol-aire (KOA), se reconoce como un descriptor clave de partición química entre la atmósfera y las fases orgánicas. Recientemente, los enfoques del KOA se han empleado con éxito para aire en la partición de los COPs [85, 86].
Otro aspecto de gran importancia en este tipo de equipos es la fase que monitorea. Anteriormente, se afirmaba que dentro del funcionamiento de los PAS con discos PUF, únicamente era capturada la fase gaseosa del aire. No obstante, estudios recientes, indican que estos materiales adsorbentes no sólo capturan la fase gaseosa del aire sino que también capturan partículas. De hecho, estos estudios sugieren que la fase partículada es capturada a una misma velocidad de monitoreo que la fase gaseosa. Esto es determinado a través de la evaluación de la velocidad hipotética de monitoreo, R, la cual se tratará en los cálculos de la sección metodológica de este estudio.
Todas estas características de estructura y funcionamiento de los PAS, los convierte en un método de monitoreo de fácil manejo, económico, práctico y de gran fuente de información en el seguimiento de los COPs.
Actualmente, el GTA en Ingeniería Hidráulica y Ambiental de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales, coordina el monitoreo de un punto PAS ubicado en la Reserva Forestal Natural de Rio Blanco desde el año 2010. La Universidad Nacional de Colombia Sede Orinoquía, también maneja el monitoreo de un punto PAS en Arauca. Estas estaciones, se ubican en lugares remotos y rurales, respectivamente, y hacen parte del proyecto GAPS Network en convenio con Environment Canada. Allí, han sido medidas concentraciones de PCDD/Fs y otros COPs. Sin embargo, oficialmente, se han reportado únicamente los datos de Arauca, para la subregión Andina, en el Primer Reporte Regional de Monitoreo el Grulac elaborado por el GMP [87]. El informe con los datos más actualizados, en donde se incluye a Manizales, es un informe preliminar no oficial que se encuentra aún en elaboración [68].
Por otro lado, el inicio de la red de estaciones pasivas en la zona urbana de Manizales para PCDD/Fs y dl-PCBs en el 2012, con el desarrollo de este proyecto, ha motivado su expansión en otras ciudades del país. Desde Mayo del 2013, fue instalado un punto PAS en el sector Fontibón de la ciudad de Bogotá. En este lugar, también se encuentra ubicado un punto de monitoreo meteorológico y de calidad del aire de la Secretaría de Ambiente de Bogotá. Esta estación PAS, es coordinada en convenio con la Universidad de La Sabana.
En Manizales, el PAS con PUF no es el único tipo de captador utilizado para el seguimiento atmosférico. El Laboratorio de Micro-contaminantes Orgánicos y Ecotoxicología Acuática de la Universidad Federal de Rio Grande, en Brasil, en convenio con la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales, desde Abril del 2013, ha implementado en la Reserva de Rio Blanco el uso de captadores PAS utilizando la resina XAD2 como medio adsorbente. Este equipo PAS tiene un diseño diferente, debido al estado granulado de la matriz adsorbente (Fotografía 1). De este
modo, Manizales, se convirtió en un punto estratégico y de colaboración con otros países para mediciones atmosféricas con equipos PAS. Este es un punto estratégico ya que el uso de dos tipos de equipos PAS en la misma zona permitirá comparar el desempeño de ambos sistemas.
(a) (b)
Fotografía 1. Captador Pasivo con XAD2 como medio adsorbente. a) Empaque XAD2 en el PAS. b) Montaje del PAS. Fuente: propia.
Monitoreo de aire activo
A diferencia de los muestreadores pasivos, este tipo de equipos requieren energía eléctrica para bombear el aire a través de un medio de recolección físico o químico. Para la medición de PCDD/Fs y dl-PCBs, son utilizados los equipos de alto volumen (HiVol) que recolectan tanto la fracción particulada, ya sean partículas suspendidas totales (PST) o material particulado de diámetro inferior a 10 micrómetros (PM10), como la fracción gaseosa en PUF, los cuales se encuentran acoplados al interior del equipo. La Figura 5, muestra el esquema interno de un equipo HiVol para medición de PCDD/Fs.
Figura 5. Estructura interna de un muestreador HiVol. Tomado de [88]
El aire entra por la parte superior del equipo con ayuda de una bomba de succión. En esta sección, el aire pasa a través del filtro, en el cual queda retenida la fracción particulada del aire. Posteriormente, el aire fluye hacia la parte inferior en donde se encuentra ubicado el PUF, para la adsorción de los componentes químicos en la fase gaseosa. Finalmente, el aire sale por el extremo inferior del equipo junto con lo que no fue retenido por los dos medios adsorbentes. El tiempo de monitoreo es de 24 horas, por lo tanto, se obtiene promedios diarios de niveles de contaminantes.
43 Este procedimiento de monitoreo se realiza siguiendo las directrices del método US-EPA TO-9A [89].
La fracción particulada o material particulado (PM), consiste en una mezcla compleja de compuestos de naturaleza orgánica e inorgánica con diferentes distribuciones granulométricas y composición química, que esta relacionada con la composición de los gases que las rodean [90]. Esta característica le otorga al PM la propiedad de adsorber sustancias. Algunos estudios realizados en Barcelona (España) y Manizales (Colombia), han evaluado los niveles PCDD/Fs adsorbidos en el PST y el PM10 únicamente. Esto es, el análisis de los COPs en la fracción particulada, indicando que las emisiones de partículas provenientes de fuentes industriales y vehiculares tienen niveles considerables de estos contaminantes [12, 73].
La fracción particulada y la fracción gaseosa del aire, corresponden a dos medios complementarios de análisis de COPs, los cuales pueden ser analizados juntos en el procedimiento analítico o por separado. En este último, puede ser identificada la fracción en que la se encuentran con mayor predominancia estos compuestos [91, 92].
Para el presente estudio, fue analizada la presencia de PCDD/Fs y dl-PCBs en el PM10 únicamente, como producto del monitoreo activo.