Determinación de partículas totales en suspensión: Método gravimétrico o

de Alto volumen

Miguel Delgado 1; Adolfo Morera1

1Laboratorio de Química de la Atmósfera, Profesor: MSc. José Pablo Sibaja

Universidad Nacional, Costa Rica

21 de marzo del 2015

Resumen

Actualmente la calidad del aire ha disminuido de manera desmedida debido a la enorme cantidad de gases

contaminantes que se liberan a la atmósfera. Las partículas en suspensión es un término que se emplea

para describir las materias sólidas y líquidas, dispersas y arrastradas por el aire y se pueden utilizar para

evaluar la calidad del mismo, en un lugar en específico, ya que estas están ligadas a posibles problemas

respiratorios, en especial el material particulado menor a 10 y 2.5 micras (PM10 yPM2.5). Para este estudio

se realizó la determinación de las partículas totales en suspendidas (PTS) de dos zonas diferentes de la

Universidad Nacional de Costa de Rica, utilizando un equipo de muestreo para partículas en suspensión

de alto volumen durante 24 horas y por medio de un análisis gravimétrico se obtuvo la concentración de

las mismas. Con respecto a los resultados, la zona verde de la Escuela de Química presentó una

concentración de 61±6µg/m3 y en la zona de ingreso vehicular fue de 124±6µg/m3, cumpliendo ambos

lugares la normativa vigente, pero mostrando evidencias de que el factor vehicular influye en gran medida

en el aumento de PTS, concluyendo que el lugar con mejor calidad del aire es la zona verde de la Escuela

de Química, ya que presentó una menor concentración.

Palabras claves: Material particulado, PST, PM10, PM2.5, calidad del aire

Marco Teórico

El aire de la atmósfera es una mezcla de gases

muy estables, sobre todo en las proximidades de

la superficie terrestre. Sin embargo, actualmente

la calidad del aire ha disminuido de manera

desmedida debido a la enorme cantidad de gases

contaminantes que se liberan a la atmósfera (1).

La calidad del aire se define como un indicador

del grado de polución a la que está expuesto el

ambiente de contaminantes atmosféricos. Y una

sustancia se considera contaminante cuando

ejerce un efecto perjudicial en sobre animales,

plantas o materiales (2).

El material particulado (PM) es una mezcla

compleja de partículas pequeñas suspendidas en

el aire que varían en tamaño y composición

dependiendo de sus fuentes de emisiones (3).

Las partículas de fuentes móviles tienden a caer

en una distribución bi-modal referidas como

“modo de núcleos” y “modo de acumulación”.

Las partículas de modo de núcleos son de

diámetro inferior a 0,05 μm y están

generalmente compuestas de hidrocarburos,

sulfuro y cenizas metálicas. Las partículas de

modo de acumulación tienen un rango de

tamaño desde 0,05 a 0,5 μm y contienen carbono

elemental y orgánico, nitrato, sulfato y

diferentes cenizas metálicas. Después de su

emisión, las partículas experimentan reacciones

químicas en el aire, y por esto que su

composición y tamaño varían dependiendo de la

proximidad de las fuentes, el clima y otros

factores (4).

De esta forma, existen diversas clasificaciones

para el material particulado presente en la

atmósfera (5):

Naturales: aquellas que se emiten sin

estar involucrado el ser humano

Antropogénicas: aquellas formadas en la

atmósfera por medio de interacciones químicas

de gases precursores.

Primarias: aquellas emitidas

directamente a la atmósfera desde las fuentes.

Secundarias: aquellas formadas en la

atmósfera por medio de interacciones químicas

de gases precursores.

Los aerosoles que forman la mezcla de PM

tienen diferentes tamaños asociados a su modo

de formación o emisión. Se distinguen:

partículas gruesas que son aquellas con tamaño

aerodinámico superior a 1 micra. La emisión de

estas partículas se produce por acciones

mecánicas por lo que son principalmente

primarias. Y por partículas finas que son

aquellas con diámetro aerodinámico inferior a 1

micra. Sin embargo, por razones

epidemiológicas las fracciones a controlar son

(5):

PTS: partículas totales suspendidas.

PM10: partículas con diámetro

aerodinámico menor de 10 micras

PM2,5: partículas con diámetro

aerodinámico menor de 2,5 micras.

PM1: partículas con diámetro

aerodinámico menor de 1 micra.

Debido a la heterogeneidad de las mezclas de

especies en el PM, el parámetro que se controla

es la concentración en masa de material

particulado en el aire. En concreto en la

legislación actual sobre la calidad del aire

existen valores normativos para las fracciones

de PM10 y PM2,5 (5).

Por lo general, se cree que las partículas

pequeñas son más nocivas que las partículas de

mayor tamaño, ya que pueden penetrar más a las

vías respiratorias; entre ellas, los pulmones,

afectando los alveolos, alterando el intercambio

gaseoso y el mecanismo defensivo del cuerpo.

Por este motivo, las partículas finas con

diámetros menores de 2,5 μm (PM2,5) están

ligadas a efectos sobre la salud más graves que

las partículas de mayor tamaño. Esto representa

aproximadamente un octavo de diámetro de un

cabello humano. Los PM10 incluyen partículas

finas así como partículas gruesas que varían en

tamaño de 2,5 a 10 μm. Estas partículas tienden

a quedarse en las partes superiores de las vías

respiratorias, como la nariz y la garganta (6).

El método de referencia para la determinación

de estos niveles de contaminación por parte del

material particulado es el análisis gravimétrico.

Este método consiste en el muestreo del aire

durante 24 horas a caudal fijo que se hace

atravesar un filtro donde se retiene el material

particulado (5).

Materiales y métodos

Entre los materiales que se utilizaron para la

realización de la práctica se encuentran: dos

muestreado de partículas en suspensión de alto

volumen, sistema de calibración del equipo,

filtros de fibra de vidrio, una balanza analítica y

una estufa.

Procedimiento

Descripción del lugar: Para la realización del

análisis se colocaron equipos para el muestreo

de partículas en suspensión en diferentes puntos

de la Universidad Nacional. El primero se

colocó en la zona verde de la Escuela de

Química y el otro en la zona de ingreso

vehicular como se muestra en la figura 1,

iniciando el muestreo a las 6 de la mañana del

viernes 6 de marzo y se retiró el 7 de marzo a las

7:45 a.m. del 2015.

Figura 1: Puntos de muestreos para de la

determinación de partículas en suspensión

(punto rojo: zona verde de la Escuela de

Química, punto verde: zona de ingreso

vehicular)

Descripción del método: Primero se realizó la

calibración del equipo utilizando la

instrumentación propia para el mismo,

posteriormente se midió la masa de dos filtros

de fibra de vidrio y se prosiguió a su colocación

en los muestreadores de alto volumen durante

un periodo aproximado de 24 horas.

Transcurrido esto, los filtros fueron secados y su

masa final fue determinada logrando así calcular

la concentración de partículas totales en

suspensión en µg/m3

Resultados

Cuadro 1. Lectura del disco obtenido durante el

período de muestreo para la calibración del

equipo ubicado en la zona verde de la escuela de

química.

Lectura

Presión

(±0,05)

pulg H2O

Flujo

(±0,01)

m3/min

Cerrado 0,80 0,88

Semi-cerrado 1,75 1,16

Semi-abierto 3,40 1,44

Abierto 5,22 1,59

Cuadro 2. Datos a presión y temperatura

estándar, para la realización de la curva de

calibración ubicado en la zona verde de la

Escuela de Química.

Qstd IC m3/min

0,54 0,83

0,80 1,10

1,11 1,37

1,38 1,50

Figura 2. Lectura del disco obtenido para (a) la

calibración del equipo y (b) durante el período

de muestreo en la zona verde de la Escuela de

Química.

Figura 3. Curva de calibración obtenida para la

determinación de partículas totales suspendidas

en la zona verde de la Escuela de Química.

Cuadro 3. Lectura del disco obtenido durante el

período de muestreo para la calibración del

equipo ubicado en la zona de ingreso vehicular

Lectura

Presión

(±0,05)

pulg H2O

Flujo

(±0,05)

m3/min)

Cerrado 1,00 0,62

Semi-cerrado 1,80 0,91

Semi-abierto 3,10 1,13

Abierto 4,90 1,42

Cuadro 4. Datos a presión y temperatura

estándar, para la realización de la curva de

calibración ubicado en la zona de ingreso

vehicular

Qstd IC (m3/min)

0,61 0,59

0,81 0,86

1,06 1,07

1,33 1,34

Figura 4. Curva de calibración obtenida para la

determinación de partículas totales suspendidas

en la zona de ingreso vehicular

Cuadro 5. Cuadro comparativo de los resultados

obtenidos durante la realización de la

determinación de partículas suspendidas en el

aire en la zona verde de la Escuela de Química

(ZVEQ) y zona de ingreso vehicular (ZIV).

Punto de Muestreo ZVEQ ZIV

Qprom

(± 0,05 m3/min) 1,02 1,04

Determinación de la

masa de las partículas

(μg)

93800 123800

Tiempo de muestreo

(±1 min) 1515 960

Volumen (± 75 m3) 1449 994

Concentración de

partículas (± 6 μg/m3) 61 124

y = 0,8121x + 0,4218

R² = 0,981

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

IC (

m3/m

in)

Qstd

y = 1,0114x + 0,0003

R² = 0,9933

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

IC (

m3/m

in)

Qstd

Discusión

Las partículas totales en suspensión son

indicadores de contaminación, por lo cual es

importante su consideración a la hora de realizar

estudios sobre la calidad del aire. Como

podemos observar, en el zona verde de la

escuela de química se presentó una

concentración de PTS de 61±6 µg/m3, la cual se

encuentra por debajo de la normativa actual,

donde se establece que para un muestro de 24h,

la medición no debe exceder las 240 µg/m3,

demostrando así que el ambiente respirable en

dicha zona es aceptable (7).

En cuanto al muestreo realizado en la zona de

ingreso vehicular, se logró determinar que

presentaba un valor de 124±6 µg/m3 el cual es

inferior a la norma actual, cumpliendo los

parámetros aceptables con respecto a la calidad

del aire, sin embargo debido a que el muestreo

solo fue de 16 horas, es un dato no concluyente,

aun cuando este cumpliera la normativa vigente.

Cabe resaltar que este muestreo fue de 16 horas

debido a que después del ese lapso el equipo fue

desconectado por el personal de seguridad que

trabajaba en la zona (7).

Si comparamos los valores obtenidos en los dos

puntos de muestreo podemos determinar que es

más perjudicial para la salud la permanencia en

la zona de ingreso vehicular, debido a que al ser

un lugar de mayor tránsito, es coherente que la

cantidad de partículas sea mayor por las

emisiones causadas por los vehículos, a

diferencia del otro punto que está en una zona

verde dentro de un edificio (8).

La dirección del viento es una variable que pudo

afectar los resultados del muestreo, ya que

según la estación meteorológica ubicada en la

Escuela de Física se reportó que las corrientes

de aire iban en dirección noreste-suroeste, por lo

que es posible que transportara las partículas por

encima o por los lados del edificio de la Facultad

de Ciencias Exactas y Naturales, evitando que

estas se acumularan en la zona verde de la

Escuela de Química, a diferencia de la zona de

ingreso vehicular, la cual se encuentra a favor de

la dirección del viento, donde no se cuenta con

alguna barrera de protección contra el flujo,

como sucede en la zona verde, provocando que

se de acumulación de material particulado en la

zona de muestreo, y por ende aumentando la

concentración de partículas (9).

Es importante mencionar que la estancia en la

zona de ingreso vehicular por mucho tiempo

puede facilitar el desarrollo de problemas

respiratorios debido que es la que presenta

mayor concentración de PTS lo que conlleva a

afirmar que en esa zona podría haber mayor

presencia de PM10 y PM2.5, las cuales son

peligrosas por su facilidad de penetración en las

vías respiratorias, tanto así que pueden llegar

hasta los pulmones corriendo el riesgo que se

produzca daño en tejido y órganos (10,11).

Conclusiones

Con dicho estudio se logró concluir que la

calidad del aire en las dos áreas de muestreo

cumple la normativa vigente con respecto a la

inmisión de contaminantes. En cuanto a los

puntos de muestreo se encontró que las mejores

condiciones en referencia a la calidad de aire se

ubicaron dentro del edificio de la Escuela de

Química, debido a la baja influencia que tienen

las emisiones producidas por el tránsito

vehicular, también por la dirección del viento, la

cual transporta las partículas en dirección

opuesta al punto de muestreo en dicha zona y las

edificaciones alrededor del punto, además de

que sería la zona que presentó menor

concentración de partículas totales en

suspendidas, y por ende debería tener menor

cantidad de PM10 y PM2.5

Referencias

1. Vokivic, G., Anicic, M., Razumenic,

I., Kuzmanoski, M., Pergal, M.,

Skrivanj, S. Popovic, A. 2014. Air

quality in urban parking garajes

(PM10, major and trace elements,

PAHs): Instrumental measurements

vs. active moss biomonitoring.

Atmospheric Environment, 85:31-40.

2. Senitkova, I. 2014. Impact of indoor

surface material on perceived air

quality. Materials Science and

Engineering; 36: 1-6.

3. Simon, S. 2013. Outdoor air pollution

causes cáncer. World Health

Organization.

4. World Health Organization. 2004.

Meta-analysis of time-series studies

and panel studies of Particulate

Matter (PM) and ozone (O3): report

of a WHO Task Group, Geneva,

Switzerland.

5. García, M. 2014. La calidad del aire

en Aragón. Departamento de

Agricultura, Ganadería y Medio

Ambiente del Gobierno de Aragón.

6. Pope, C., Dockery, W. 2006. Health

effects of fine particulate air

pollution: lines that connect. Air

Waste Manage Association 56:709–

42.

7. Reglamento sobre la inmisión de

contaminantes. Tomado de

http://laboratoriolambda.com/site2/w

p-

content/uploads/2012/04/Reglamento

-Sobre-Inmisi%C3%B3n-de-

Contaminantes-

Atmosf%C3%A9ricos-Decreto-

30221.pdf (Accesado el 21/3/15)

8. García, N.; Machado, A.; García, C.;

Socorro, E.; Hernández, H.; Granda,

N.; Concentraciones atmosféricas de

PTS y su contenido de metales en una

zona adyacente a una planta de

cemento. NCI. 2002, vol.27, n.9, pp.

476-481.

9. Yarke, E.; Ventilación natural en

edificios. Fundamentos y métodos de

cálculo para aplicación de ingenieros

y arquitectos; Nobuko; Argentina,

1998. p 52.

10. Rojano, R.; Angulo, l.; Restrepo,

G.; Niveles de partículas suspendidas

totales (pst), PM10 y PM2.5 y su

relación en lugares públicos de la

ciudad Riohacha, Caribe

Colombiano. Inf. Tecnol. 2013,

vol.24, n.2, pp. 37-46.

11. Instituto Nacional de Ecología. Guía

para evaluar los impactos en la salud

por la instrumentación de medidas de

control de la contaminación

atmosférica.; Editorial INE, primera

edición, 2011, pp 57.

Apéndice

Muestra de cálculos

1- Volumen (± 75 𝑚3).

𝑉 = 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑒𝑜

∗ 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜

𝑉 = 1515 min ∗ 1,022 𝑚3

𝑚𝑖𝑛⁄

𝑉 = 1549 ± 75 𝑚3

2- Concentración de partículas

(± 6 𝜇𝑔 𝑚3⁄ ).

𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑡í𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛

𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 =93800 𝜇𝑔

1549 𝑚3⁄

𝑉 = 61 ± 6 𝜇𝑔 𝑚3⁄

3- Incertidumbre para los datos

según la curva de calibración

generada

𝑆𝑥 =𝑆𝑒

𝑚× √

1

𝑛+

1

𝐿+

(𝑦0−�̅�)2

𝑚2𝑆𝑥𝑥

Ecuación de la curva de calibración:

y = 0,8121x + 0,4218

m: pendiente de la recta: 0,8121

n: número de puntos de calibración: 13

𝑦0= señal promedio de la incógnita

�̅� = Señal promedio de los patrones

Se:√∑(𝑌−�̂�)2

𝑛−2 = 0,06181

Sxx: ∑(𝑋𝑖 − �̅�)2 = 0,3949

L: número de réplicas de la incógnita: 4

P Q IC

Flujo

esperado(ÿ)

Diferen

cia de

flujos

Diferenci

a al

cuadrado

1 0,54 0,83 0,50488945 0,04 0,001609

2 0,80 1,10 0,83530352 -0,03 0,001145

3 1,11 1,37 1,1657179 -0,05 0,002742

4 1,38 1,50 1,33092462 0,05 0,002144

Promedio 0,96 1,20 suma 0,007640

𝑆𝑥

=0,06181

0,8121

× √1

13+

1

4+

(1,02 − 1,20)2

0,81212𝑥 0,3949

Sx =0,051003701