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La contaminación del aire es definida por la Organización Mundial de la Salud (OMS) como “la contaminación del ambiente interior o exterior por cualquier agente químico, físico o biológico que modifique las características naturales de la atmósfera” [1]. Cuando los niveles de contaminación del aire son altos, esto puede provocar problemas respiratorios, enfermedades cardíacas y otras enfermedades (p. ej., cáncer). También puede causar lluvia ácida, dañar los cultivos, reducir el crecimiento y la productividad de las plantas y dañar la vida silvestre. Dado que el 99% de la población mundial respira aire que excede los límites de las pautas de calidad de la OMS [1,2], este es un problema generalizado. Entre los diversos contaminantes del aire, materia particular y aerosoles son de especial preocupación. Este artículo de blog analiza estos contribuyentes a la contaminación del aire y destaca dos instrumentos dedicados a monitorear continuamente los parámetros de calidad del aire.
Breve introducción a las partículas y los aerosoles
El material particulado (PM) generalmente se define como pequeñas partículas sólidas suspendidas en un gas, mientras que los aerosoles son gotas líquidas más finas o partículas sólidas que permanecen suspendidas en los gases durante períodos de tiempo significativos. Ambos pueden afectar negativamente la salud humana, especialmente cuando sus diámetros son inferiores a 2,5 µm (PM2.5, Figura 1). Los aerosoles y el PM pueden ser creados por eventos naturales como erupciones volcánicas, así como por actividades antropogénicas como operaciones industriales y transporte. Por lo tanto, es importante analizar la composición química de estos contaminantes no solo para determinar los efectos a largo plazo después de la exposición, sino también para identificar sus fuentes a fin de tomar medidas para reducir las emisiones.
Una vez en el aire, estas minúsculas partículas pueden transportarse a largas distancias, causando complicaciones lejos de su origen. Cuanto más pequeño es el tamaño de las partículas, más profundamente pueden infiltrarse en el sistema respiratorio. Varios estudios han relacionado el PM con problemas de salud (p. ej., problemas respiratorios) y ambientales (p. ej., deterioro de la visibilidad) [4–6]. Mientras que las partículas de polvo más gruesas (PM10) son mayormente retenidas por el vello nasal, las partículas finas (PM2.5) pueden penetrar profundamente en los pulmones y causar irritación. Los aerosoles, por otro lado, son incluso más pequeños que el PM y, por lo tanto, pueden permanecer en la atmósfera durante períodos prolongados.
Para obtener una mejor comprensión de los efectos de la contaminación del aire en nuestra salud y el medio ambiente, se necesitan mediciones precisas que determinen la cantidad y la composición química de las partículas en suspensión con una alta resolución temporal. Sin embargo, la colección de muestras representativas y los análisis asociados son las partes más desafiantes de monitoreo del aire.
Monitoreo del aire: antes y ahora
Tradicionalmente, el análisis de partículas y aerosoles consta de dos pasos: recolección y análisis de muestras. Para recolectar muestras representativas, es importante utilizar equipos y técnicas de muestreo apropiados.
El paso de recolección de muestras comúnmente emplea un proceso de filtración. Las partículas se recolectan sobre sustratos con filtros que se retiran después de un cierto período de tiempo para su extracción con agua desionizada para su posterior análisis [7]. Sin embargo, este método solo es capaz de determinar promedios durante un tiempo de 24 horas o más. Además, el método es engorroso y tiene poca precisión, lo que hace imposible realizar mediciones continuas en línea.
El muestreo continuo es de suma importancia ya que permitirá un seguimiento sensible de los cambios en la composición iónica de los aerosoles. Pero, ¿cómo se puede hacer esto?
Metrohm Process Analytics es un conocido proveedor de soluciones analíticas para el análisis de aire y aerosoles con una gran experiencia y conocimientos en el campo. Ofrecemos una cartera integral de instrumentos, software y accesorios avanzados que permiten una medición precisa y confiable de partículas en el aire.
Los instrumentos más prometedores para colección de aerosoles, a menudo denominado dispositivos colectores de vapor, se muestran en Figura 2: el muestreador Metrohm AeRosol (MARS) y el Monitor 2060 para Aerosoles y Gases en Aire Ambiente (MARGA).
Con respecto a químico análisis, el dispositivo MARS (figura 3) es acoplado a analizadores de química húmeda como un cromatógrafo (IC) de cationes y/o aniones o un sistema voltamperométrico, mientras que el 2060 MARGA tiene circuitos integrados de aniones y cationes integrados (vea el video a continuación).
Ambos instrumentos incluyen denudadores de gas (Wet Rotating Denuder «WRD», Figura 4), un muestreador de crecimiento de partículas de condensación (Steam-Jet Aerosol Collector «SJAC», Figura 5), así como dispositivos de bombeo y control. Estos instrumentos aplican el método de crecimiento de partículas de aerosol en gotitas en un entorno de vapor de agua sobresaturado. Previamente mezcladas con agua portadora, las gotas recolectadas se alimentan continuamente en bucles de muestra o columnas de preconcentración para su análisis.
MARS vs. 2060 MARGA: ¿cuál es la elección correcta?
Si bien MARS ha sido diseñado para muestrear solo aerosoles, el 2060 MARGA también determina gases solubles en agua. En comparación con los denudadores clásicos que eliminan los gases de la muestra de aire aguas arriba del colector de aerosol (cámara de crecimiento), el 2060 MARGA recoge las especies gaseosas en un WRD para análisis en línea. A diferencia de los gases, los aerosoles tienen velocidades de difusión bajas y, por lo tanto, atraviesan el WRD sin interferencias.
El 2060 MARGA viene en dos configuraciones: R (investigación) y M (supervisión). La versión 2060 MARGA R está pensada para campañas de investigación como el estudio de la variabilidad estacional de la calidad del aire. Cuando no está en uso, el cromatógrafo de iones se puede desacoplar y reutilizar para otras investigaciones de laboratorio. Para una solución más permanente, el 2060 MARGA M se usa para monitorear la calidad del aire las 24 horas del día, los 7 días de la semana.
En comparación, el MARS se puede utilizar como unidad de preacondicionamiento para varias técnicas analíticas (Figura 7) en entornos ambientales o industriales, como un IC, un instrumento voltamétrico (VA), un espectrómetro de masas (MS) o un analizador de carbono orgánico total (TOC). Alternativamente, las muestras para la determinación fuera de línea se pueden recolectar utilizando un muestreador automático. Para evaluar inmediatamente los resultados, el MARS también se puede vincular de forma remota a cualquier sistema de análisis. Por otro lado, el 2060 MARGA tiene dos circuitos integrados, por lo que no se puede acoplar ninguna otra técnica analítica.
Tabla 1. Diferencias entre el MARGA 2060 y el MARS. El 2060 MARGA R tiene fines de investigación con un cromatógrafo de iones desmontable, mientras que el 2060 MARGA M está diseñado para monitorear la calidad del aire con sus dos circuitos integrados integrados.
| MARS | 2060 MARGA | |
|---|---|---|
| Tamaño de muestra | Grandes muestras de aire: 0,5–1,0 m3/ hora | Grandes muestras de aire: 0,5–1,0 m3/ hora |
| Tipo de contaminantes | Adecuado para solo aerosoles análisis Aerosoles: Cl-, NO3-, SO42-, F-, NH4+, Na+, Ca2+, Mg2+, K+ |
Aerosoles y gases análisis Aerosoles: Cl-, NO3-, SO42-, F-, NH4+, Na+, Ca2+, Mg2+, K+ Gases: HCl, HNO3, HONO (HNO2), SO2, NH3, HF |
| MARS puede medir varios contaminantes, como sulfato, nitrato e iones de amonio. | MARGA puede medir varios contaminantes, como sulfato, nitrato e iones de amonio, así como también gases traza, incluidos el dióxido de azufre y el amoníaco. | |
| Método de análisis | Se puede combinar con diferentes técnicas de análisis (p. ej., IC, VA, etc.) | Dos circuitos integrados |
| Técnicas de análisis simples o múltiples | Técnica de análisis único | |
| Resolución de tiempo | Monitoreo continuo del aire | Monitoreo continuo del aire |
| Método de recolección de muestras | SJAC | WRD y SJAC |
| Dimensiones en mm (ancho × alto × fondo) | 660/605/605 | 2060 MARGA R: 660/930/605 2060 MARGA M: 660/1810/605 |
| Uso adecuado | Investigación | 2060 MARGA R – Campañas de investigación 2060 MARGA M – Monitoreo continuo dedicado |
La siguiente sección compara los resultados para ver si existe alguna correlación entre el muestreo y la medición del aerosol 2060 MARGA y MARS. Dado que se sabe que los resultados de aerosol del MARGA 2060 son precisos [8], una buena correlación indicaría que el MARS también mide los aerosoles con precisión.
Los siguientes gráficos muestran los resultados de aerosoles del aire ambiente en Schiedam, Países Bajos, medidos entre el 6 y el 9 de junio de 2022 con los sistemas 2060 MARGA y MARS mediante cromatografía iónica (Figura 6). El 2060 MARGA tiene un tiempo de ciclo de 60 minutos (tiempo de ciclo normal), mientras que el MARS tiene un tiempo de ciclo de 30 minutos. Los datos muestran una tendencia similar entre ambos sistemas, pero debido a que MARS genera el doble de datos, sus datos de concentración de aerosoles son más altos en comparación con los de MARGA 2060. Si los datos se corrigen a 60 minutos usando un promedio móvil, entonces las concentraciones dadas por MARS y 2060 MARGA son similares.
Conclusión
El monitoreo de la contaminación del aire es crucial porque nos permite comprender los tipos y niveles de contaminantes presentes en el aire que respiramos. La exposición a la contaminación del aire puede causar numerosos problemas de salud, incluidas enfermedades respiratorias, enfermedades cardiovasculares e incluso cáncer. También puede dañar el medio ambiente al causar lluvia ácida, agotamiento de la capa de ozono y contribuir al cambio climático. Es importante medir la calidad del aire utilizando herramientas como MARS o 2060 MARGA de Metrohm Process Analytics para comprender su impacto y desarrollar estrategias efectivas para reducir la exposición. Al hacerlo, podemos trabajar para crear un entorno más saludable y sostenible para todos.
Referencias
[1] Organización Mundial de la Salud. Contaminación del aire - Descripción general. https://www.who.int/health-topics/air-pollution (consultado el 22 de junio de 2023).
[2] Directrices mundiales de calidad del aire de la OMS: material particulado (PM2.5 y PM10), Ozono, Dióxido de Nitrógeno, Dióxido de Azufre y Monóxido de Carbono; Organización Mundial de la Salud: Ginebra, 2021. https://www.who.int/publications/i/item/9789240034228
[3] EPA de EE.UU. Conceptos básicos de partículas (PM). https://www.epa.gov/pm-pollution/particulate-matter-pm-basics (consultado el 22 de junio de 2023).
[4] Venners, S. A.; Wang, B.; Xu, Z.; et al. Materia particulada, dióxido de azufre y mortalidad diaria en Chongqing, China. Reinar. Perspectiva de Salud. 2003, 111 (4), 562–567. DOI:10.1289/ehp.5664
[5] Zhang, J.; Canción, H.; Tong, S.; et al. Concentración de sulfato ambiental y mortalidad por enfermedades crónicas en Beijing. ciencia Entorno Total. 2000, 262 (1–2), 63–71. DOI:10.1016/s0048-9697(00)00573-8
[6] EPA de EE.UU. Efectos sobre la salud y el medio ambiente del material particulado (PM). https://www.epa.gov/pm-pollution/health-and-environmental-effects-particulate-matter-pm (consultado el 27 de marzo de 2023).
[7] Wang, D.; Jiang, J.; Deng, J.; et al. Muestreador para recolectar partículas finas en suspensiones líquidas. Calidad del aire del aerosol. Res. 2020, 20 (3), 654–662. DOI:10.4209/aaqr.2019.12.0616
[8] Laubli, M. Monitoreo del aire por cromatografía iónica: una revisión de referencia de la literatura, 2018. https://www.metrohm.com/en/products/a/ir_m/air_monitoring_icv2.html
Tus conocimientos para llevar
Metrohm AeRosol Sampler "MARS"
2060 MARGA – Monitor de Aerosoles y Gases en Aire ambiente
Blog: Flexibilidad inigualable en el análisis de iones en línea: el analizador de procesos IC 2060
