Monitoreo continuo de la calidad del aire para detectar partículas nocivas y aerosoles

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]. El control de la contaminación atmosférica industrial es esencial, ya que respirar aire altamente contaminado provoca problemas respiratorios, enfermedades cardíacas, cáncer y otros problemas graves de salud. También puede provocar lluvia ácida, dañar los cultivos, reducir el crecimiento y la productividad de las plantas y perjudicar a la vida silvestre. Dado que el 99 % de la población mundial respira aire que supera los límites de calidad establecidos por la OMS [1,2], se trata de un problema generalizado. Entre los diversos contaminantes atmosféricos, las partículas en suspensión y los aerosoles son motivo de especial preocupación. En este artículo del blog se analizan estos factores que contribuyen a la contaminación atmosférica y se destacan dos instrumentos para el control continuo de la calidad del aire ambiente.

¿Cuál es la diferencia entre partículas y aerosoles?

Figure 1. Particulate matter size comparison. Adapted from the US EPA [3].

Las partículas en suspensión (PM) se definen generalmente como pequeñas partículas sólidas que se encuentran suspendidas en un gas, mientras que los aerosoles son gotitas líquidas más finas o partículas sólidas que permanecen suspendidas en gases durante períodos de tiempo significativos. Ambos pueden afectar negativamente a la salud humana, especialmente cuando sus diámetros son inferiores a 2,5 µm. (PM_2.5, Figura 1).

Los aerosoles y las partículas en suspensión pueden provenir de fuentes naturales, como las erupciones volcánicas, pero también de actividades antropogénicas, como las operaciones industriales y el transporte. Por lo tanto, el monitoreo de la calidad del aire industrial desempeña un papel fundamental para identificar las fuentes de emisión, comprender la composición química y desarrollar estrategias para reducir la exposición.

¿Cómo se realiza el análisis de PM y aerosoles?

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 adecuados.

La recolección de muestras generalmente emplea un proceso de filtración. Las partículas se recolectan en sustratos con filtros que se retiran después de un cierto período de tiempo para su extracción con agua desionizada para su posterior análisis [4].. Sin embargo, este método solo es capaz de determinar promedios durante períodos de tiempo de 24 horas o más. Además, el método es engorroso e impreciso. Esto hace imposible realizar mediciones continuas en línea.

El muestreo continuo de la composición de los aerosoles es crucial para comprender y abordar los desafíos de la calidad del aire. Los datos en tiempo real brindan información valiosa sobre los cambios rápidos en la composición de los aerosoles, lo que permite respuestas más rápidas a los eventos de contaminación y respalda investigaciones científicas más precisas de los procesos atmosféricos.

Para superar las limitaciones de los métodos de muestreo tradicionales, se requieren tecnologías avanzadas para el análisis continuo de aerosoles. Los dispositivos de recolección de vapor, como el muestreador de aerosoles de Metrohm (MARS) y el monitor 2060 para aerosoles y gases en el aire ambiente (MARGA) (Figura 2), ofrecen un monitoreo continuo en tiempo real de la composición de los aerosoles. Estos instrumentos utilizan técnicas avanzadas para recolectar y analizar aerosoles, lo que proporciona datos valiosos para la evaluación y la investigación de la calidad del aire.

Figura 2. La preparación de muestras en línea para muestras gaseosas se simplifica utilizando los sistemas 2060 MARGA (izquierda) o MARS (derecha) de Metrohm Process Analytics.

Figure 3. MARS enables comprehensive analysis of air samples with IC, VA, or both.

Con el 2060 MARGA, los gases y aerosoles muestreados de la misma masa de aire se separan disolviéndolos selectivamente en agua. Las soluciones resultantes, disponibles cada hora, se analizan luego mediante cromatografía iónica con detección de conductividad. Esta separación permite la detección de gases precursores cruciales y especies iónicas presentes en los aerosoles, lo que proporciona una comprensión más completa de la calidad del aire.

MARS (Figura 3) está diseñado específicamente para el análisis de aerosoles. En términos de análisis químico, el dispositivo MARS generalmente se combina con analizadores químicos húmedos externos, como cromatógrafos iónicos (IC) para análisis de cationes y/o aniones, o sistemas voltamperométricos (VA). Este enfoque modular ofrece mayor flexibilidad y adaptabilidad para adaptarse a una gama más amplia de requisitos analíticos en comparación con el 2060 MARGA, que integra IC de aniones y cationes internamente.

Ambos instrumentos (2060 MARGA y MARS) incluyen denudadores de gas (Wet Rotating Denuder «WRD»; Figura 4, izquierda), un muestreador de crecimiento de partículas de condensación (Steam-Jet Aerosol Collector «SJAC»; Figura 4, derecha), así como dispositivos de bombeo y control. Estos instrumentos aplican el método de convertir partículas de aerosol en gotitas en un ambiente de vapor de agua sobresaturado. Después de ser mezcladas con agua portadora, las gotitas recolectadas se alimentan continuamente a bucles de muestra o columnas de preconcentración para su análisis.

Figure 4. Izquierda: Densificador rotatorio húmedo (WRD) para una fácil eliminación de gases. Derecha: Colector de aerosoles por chorro de vapor (SJAC) incorporado en el MARS y el MARGA 2060.

MARS vs. 2060 MARGA: ¿cuál es la elección correcta?

Mientras que MARS ha sido diseñado para muestrear únicamente aerosoles, el 2060 MARGA también determina los gases solubles en agua. En comparación con los denudadores clásicos que eliminan los gases de la muestra de aire antes del colector de aerosoles (cámara de crecimiento), el 2060 MARGA recoge las especies gaseosas en un WRD para su análisis en línea. A diferencia de los gases, los aerosoles tienen velocidades de difusión bajas y, por lo tanto, pasan a través del WRD sin interferencias.

El 2060 MARGA viene en dos configuraciones: R (investigación) y M (monitoreo). La versión R del 2060 MARGA está diseñada para campañas de investigación, como el estudio de la variabilidad estacional de la calidad del aire. Cuando no se utiliza, el cromatógrafo de iones se puede desacoplar y reutilizar para otras investigaciones de laboratorio.

Para una solución más permanente y un monitoreo de la calidad del aire las 24 horas del día, los 7 días de la semana, el 2060 MARGA M es el más adecuado

Tabla 1. Diferencias entre las capacidades de análisis de los sistemas 2060 MARGA y MARS.

	MARS	2060 MARGA
Tamaño de la muestra	Grandes muestras de aire: 0.5–1.0 m³/h	Grandes muestras de aire: 0.5–1.0 m³/h
Tipos de contaminantes	Adecuado únicamente para análisis de aerosoles. Aerosoles: Cl^-, NO₃^-, SO₄^2-, F^-, NH₄⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺	Análisis de aerosoles y gases Aerosoles: Cl^-, NO₃^-, SO₄^2-, F^-, NH₄⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ Gases: HCl, HNO₃, HONO (HNO₂), SO₂, NH₃, HF
Tipos de contaminantes	MARS puede medir diversos contaminantes como iones de sulfato, nitrato y amonio.	MARGA puede medir diversos contaminantes como iones de sulfato, nitrato y amonio, así como gases traza, incluidos dióxido de azufre y amoníaco..
Método de análisis	Se puede combinar con diferentes técnicas de análisis (por ejemplo, IC, VA, etc.)	Dos circuitos integrados
Método de análisis	Posibilidad de técnicas de análisis simples o múltiples	Técnica de análisis único
Resolución temporal	Monitoreo continuo del aire	Monitoreo continuo del aire
Método de recolección de muestras	SJAC	WRD y SJAC
Dimensiones en mm (W/H/D)	660/605/605	2060 MARGA R: 660/930/605 2060 MARGA M: 660/1810/605
Uso previsto	Investigación	2060 MARGA R – Campañas de investigación 2060 MARGA M – Monitoreo continuo dedicado

A continuación se presenta una comparación de los resultados para determinar si existe alguna correlación entre el muestreo y la medición de aerosoles de 2060 MARGA y MARS. Dado que se sabe que los resultados de aerosoles de 2060 MARGA son precisos [5], una buena correlación indicaría que MARS también mide aerosoles con una precisión similar.

Los gráficos a continuación 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 utilizando cromatografía iónica (Figura 5). 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 para ambos sistemas, pero como MARS genera el doble de datos, sus datos de concentración de aerosoles son más altos en comparación con los de 2060 MARGA. Si los datos se corrigen a 60 minutos utilizando un promedio móvil, las concentraciones proporcionadas por MARS y 2060 MARGA son similares.

Figure 5. Comparison test showing results for various air quality parameters as measured by the 2060 MARGA (top) and MARS (bottom).

Conclusión

El control de la contaminación atmosférica es fundamental porque nos permite comprender los tipos y niveles de contaminantes presentes en el aire que respiramos. La exposición a la contaminación atmosférica puede provocar numerosos problemas de salud, como enfermedades respiratorias, enfermedades cardiovasculares e incluso cáncer. También puede dañar el medio ambiente al provocar lluvia ácida, agotamiento de la capa de ozono y contribuir al cambio climático. Es importante medir la calidad del aire utilizando herramientas como 2060 MARGA o MARS de Metrohm Process Analytics para comprender el impacto de los distintos contaminantes y desarrollar estrategias eficaces para reducir la exposición. De este modo, podemos trabajar para crear un entorno más saludable y sostenible para todos.

Referencias

[1] World Health Organization. Air pollution - Overview. https://www.who.int/health-topics/air-pollution (accessed 2025-02-06).

[2] WHO Global Air Quality Guidelines: Particulate Matter (‎PM_2.5 and PM₁₀)‎, Ozone, Nitrogen Dioxide, Sulfur Dioxide and Carbon Monoxide; World Health Organization: Geneva, 2021. https://www.who.int/publications/i/item/9789240034228

[3] US EPA. Particulate Matter (PM) Basics. https://www.epa.gov/pm-pollution/particulate-matter-pm-basics (accessed 2025-02-06).

[4] Wang, D.; Jiang, J.; Deng, J.; et al. A Sampler for Collecting Fine Particles into Liquid Suspensions. Aerosol Air Qual. Res. 2020, 20 (3), 654–662. DOI:10.4209/aaqr.2019.12.0616

[5] Läubli, M. Air Monitoring by Ion Chromatography – a Literature Reference Review, 2018. https://www.metrohm.com/en/products/a/ir_m/air_monitoring_icv2.html