A RTÍCULO DE I NVESTIGACIÓN C IENTÍFICA Y T ECNOLÓGICA ESTUDIO DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA GENERADA POR ÓXIDOS DE AZUFRE, ÓXIDOS DE NITRÓGENO Y MATERIAL PARTICULADO EN UN SECTOR DE LA CIUDAD DE BOGOTÁ PRIMERA PARTE DESARROLLO SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍA Astrid Altamar Consuegra Ingeniera Química, Magíster en Ingeniería Química Docente Investigadora Universidad Libre RESUMEN ABSTRACT Se pretende aportar información acerca de la calidad del aire en un sector del occidente de la ciudad de Bogotá, utilizando equipos ubicados en las instalaciones de la Universidad Libre y determinar su incidencia en la salud pública de acuerdo con la normatividad colombiana y estudios realizados entorno a este tema. La Facultad de Ingeniería cuenta con un equipo muestreador de gases y uno de alto volumen para medir la concentración de partículas suspendidas en el aire, que se encuentran disponibles tanto para proyectos de investigación en calidad de aire como para actividades de docencia. Este artículo muestra el estado del arte del problema de contaminación atmosférica en el Distrito de Bogotá y los diferentes métodos seleccionados para la determinación de los contaminantes gaseosos y concentración de material particulado en los Laboratorios de la Universidad Libre Sede Bogotá, generados por fuentes móviles. Information related to air quality is to be provided from the west of Bogotá, using equipment located at Universidad Libre facilities, and determining its incidence on public health according to Colombian laws and other studies developed on this matter. In the Engineering Faculty there is a gas sampler and a high volume to measure suspended particles concentration in air, being available for research projects in air quality as for academic activities. This article shows the state of the art of the air contamination problem in Bogotá District and the different selected methods for determination of the gaseous contaminants and particulate matter concentration in Universidad Libre Laboratories, generated by mobiles sources. Atmospheric pollution, Sulfur dioxide, Nitrogen dioxide, Particulate Matter, PM10, TSP. INTRODUCCIÓN PALABRAS CLAVE Contaminación atmosférica, Material particulado, Óxidos de azufre, Óxidos de nitrógeno, PM10, TSP. Fecha de recepción del artículo: 5 de diciembre de 2005. Fecha de aceptación del artículo: 8 de marzo de 2006. 32 KEY WORDS AVANCES Investigación en Ingeniería - 2006 No. 5 La contaminación atmosférica es uno de los principales problemas que está afectando la sociedad de hoy en día, debido al impacto que tiene en la salud En Bogotá, se ha detectado un empeoramiento del problema de contaminación en la última década, sobre todo en algunas localidades del distrito como Puente Aranda, Fontibón y Kennedy, donde en ocasiones se ha superado la norma anual en cuanto a material particulado. En el caso de la contaminación causada por fuentes móviles, se ha detectado que en la ciudad de Bogotá, las emisiones por esta vía son del orden del 70%1 con relación a las demás fuentes, y por esto se implementaron medidas tendientes a reducir los niveles de contaminación, entre las que se destacan: los programas de inspección de vehículos y certificación de gases, medidas sobre la calidad de los combustibles, redes de monitoreo de calidad del aire y vigilancia epidemiológica y acciones complementarias como promoción de ciclo rutas y prohibición de circulación de vehículos públicos y particulares (día sin carro, pico y placa, pico y placa ambiental). El grupo de investigación TECNOAMBIENTAL, tiene dentro de sus objetivos la investigación en el diagnóstico y control de la contaminación atmosférica, unido a grupos de investigación de otras Instituciones de Educación Superior busca contribuir a abordar el problema de contaminación desde un punto de vista de salud pública para lo cual creará un sitio de muestreo y un laboratorio de calidad de aire en las instalaciones de la Universidad Libre Sede Bogotá. En este artículo se muestra una primera fase del proyecto que consiste en la determinación de los objetivos de monitoreo, selección de los contaminantes atmosféricos y selección de las técnicas para la determinación de dióxido de azufre, dióxido de nitrógeno y material particulado. 1. ESTADO DEL ARTE La ciudad de Bogotá, ha sido considerada como la quinta más contaminada en Latinoamérica. Según la Alcaldía, el 70% de la contaminación la causan los automóviles, que utilizan 14 de cada cien ciudadanos y junto con el ozono el material particulado es el que genera mayores preocupaciones dada su relación con la mortalidad y morbilidad de la población reportada en numerosos estudios alrededor del mundo. Una de las investigaciones realizadas en 1997 en Bogotá fue el estudio: “Contaminación del aire y enfermedad respiratoria en población infantil de Puente Aranda” por la Universidad El Bosque, que tomó como población a los niños menores de cinco años que vivían en un perímetro de 12 cuadras a la redonda del Centro de Salud de Puente Aranda, los resultados arrojados mostraron niveles de PM10 superiores a la norma internacional. Una investigación posterior realizada por la Universidad Javeriana (Iván Solarte, 1999) en las zonas de Bosa, Venecia, Trinidad Galán, Olaya Herrera y Engativá determinó la relación entre las fluctuaciones de la concentración de contaminantes atmosféricos y la presencia de síntomas y enfermedades respiratorias. Las concentraciones de PM10 superaron el valor anual y diario permitido por la legislación internacional2. En cuanto a estudios sobre la composición química del material particulado en la ciudad de Bogotá, se reportan investigaciones relacionadas con la determinación de plomo en TSP en el año de 1987, concentración de metales pesados en 1998 y concentración de HAP (hidrocarburos policíclicos aromáticos) en las partículas respirables de áreas industriales y de áreas afectadas por el tráfico vehicular de Bogotá, en esta última se determinó la presencia de benzopireno, sustancia cancerígena y asociada a las emisiones de vehículos y combustión del carbón.3 Actualmente (2006) se han unido esfuerzos para adelantar estudios sobre calidad del aire, las Universidades Javeriana, Los Andes y Nacional Sede Bogotá están adelantando esta investigación: “Estudio comparativo de los efectos de dos sistemas de transporte en calidad de aire, salud respiratoria, actividad física y calidad de vida en niños en la ciudad de Bogotá” usando técnicas de medición no usadas anteriormente en Colombia. 2. MARCO TEÓRICO DESARROLLO SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍA pública y en general la calidad de vida de la población, dicha contaminación puede ser debida a diferentes factores como son la gran cantidad de industrias, el parque automotor, el desarrollo tecnológico, entre otros. La contaminación atmosférica se define como la presencia de material indeseable en el aire, en 1 MÉNDEZ CAICEDO, Mildred. Análisis de la Intervención: efectividad de las políticas para reducir la contaminación por fuentes móviles en Bogotá. Material Particulado y Salud. Ediciones Uniandes, 2005. 2 ROJAS, Néstor. Generalidades sobre material particulado y su caracterización. Material Particulado y Salud. Ediciones Uniandes, 2005. 3 GARCÍA, Héctor. Hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) y metales en partículas atmosféricas en áreas industriales y urbanas. AVANCES Investigación en Ingeniería - 2006 No. 5 33 cantidades bastante grandes como para producir efectos nocivos. Los materiales indeseables pueden dañar la salud humana, la vegetación, los bienes humanos o el ambiente global. Se puede producir por combustión de fósiles como el carbón, el gas o el petróleo en cualquiera de sus derivados, tales como la bencina o la parafina. Otras fuentes de contaminación son la emisión de partículas sólidas por las industrias; el ruido derivado del funcionamiento de máquinas y motores; las ondas electromagnéticas, etc. De acuerdo con el momento en que entran a actuar sobre el aire, por su composición, y química, los contaminantes se pueden clasificar en: a) Contaminantes primarios: entran directamente al aire, como resultado de fenómenos naturales (erupciones volcánicas, lluvia, vientos) o de actividades antropogénicas. b) Contaminantes secundarios: provienen de las reacciones químicas entre los contaminantes primarios existentes en la atmósfera. DESARROLLO SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍA La contaminación también puede ser ocasionada por agentes biológicos debido a las bacterias o virus que pueden encontrarse suspendidos en la atmósfera, partículas suspendidas, hidrocarburos y metales pesados. Uno de los principales contaminantes es el material particulado. Las partículas son cuerpos de materia que pueden estar en fase líquida o gaseosa, aglomeradas formando cúmulos más grandes. Estas poseen formas irregulares y su tamaño puede variar desde 100 micras hasta unas cuantas décimas de nanómetros. El material particulado definido como PM 10, con un diámetro aerodinámico de corte igual o menor a 10 µm y las definidas como PM 2.5 con un diámetro aerodinámico de corte igual o menor a 2.5 µm, son de gran importancia en la contaminación urbana ya que pueden penetrar más fácilmente a los alvéolos pulmonares representando un riesgo para la salud humana. Entre los efectos que tiene el material particulado sobre la salud se encuentran: daño en el tejido pulmonar, disminución de la función pulmonar, síntomas respiratorios agudos, bronquitis crónicas y muertes prematuras. Los contaminantes en partículas no son químicamente uniformes y algunos son mucho más nocivos para la salud y visibilidad que otros, de ahí la importancia de determinar su composición química. El material particulado es químicamente diverso y su composición 34 AVANCES Investigación en Ingeniería - 2006 No. 5 depende de la fuente de donde provenga. Algunos presentan presencia de sulfatos los cuales se derivan de la oxidación del dióxido de azufre presente en la atmósfera. El sulfato de amonio, bisulfito de amonio y ácido sulfúrico se generan durante la conversión de gases en partículas, son solubles en agua y se encuentran casi exclusivamente en el PM2.5. Los nitratos se forman por la oxidación de dióxido de nitrógeno presente en la atmósfera. También se encuentra carbono elemental producto de los procesos de combustión. Los metales pesados también hacen parte de la composición del material particulado y provienen de los procesos de combustión, procesos industriales específicos, incineradores, antidetonantes de gasolinas y aceites de motores de combustión interna. Los materiales biológicos pueden incluir bacterias, virus, polen, piel, fragmentos de celulosa. A excepción de los virus, éstos se encuentran en la fracción gruesa del material particulado, entre 2.5 y 10 µm y se caracterizan como carbono orgánico. 3. SELECCIÓN DE MÉTODOS PARA LA DETERMINACIÓN DE CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS El objetivo del diseño e implementación del sistema de monitoreo está centrado en aportar información acerca de la calidad del aire, en un sector al occidente de la ciudad de Bogotá, en la Universidad Libre, que permitirá determinar la congruencia con las normas y hacer inferencias sobre los efectos en la población. La localización del sitio de muestreo se realizó teniendo en cuenta los objetivos de monitoreo, por lo cual estará ubicado en cercanías a la portería principal de la Universidad Libre sobre la Avenida Rojas, donde existe tráfico vehicular. Para la determinación de los contaminantes atmosféricos se seleccionaron métodos de muestreo activos, recomendados por la EPA (Agencia de protección Ambiental de los Estados Unidos) como métodos de referencia, los cuales requieren energía eléctrica para bombear aire a través de un medio de colección físico o químico. El volumen adicional de aire muestreado incrementa la sensibilidad, por lo que pueden obtenerse mediciones diarias promedio, son fáciles de operar y confiables en su operación y mantenimiento. Su principal desventaja radica en que se necesitan análisis de laboratorio posteriores para la determinación de la concentración de los contaminantes. Para la determinación de partículas menores a 10 micras se utilizó igualmente un procedimiento gravimétrico empleando el equipo PM10, el cual posee un sistema de chorro opuesto de separación inercial en el cual el aire pasa a través de diferentes tubos opuestos y debido al impacto que presentan las partículas de mayor tamaño a causa de la fuerza inercial que llevan, quedan retenidas a la entrada, y las de menor tamaño son retenidas en el filtro de cuarzo.4 Dentro de los métodos que se han desarrollado para la determinación de dióxido de azufre se encuentran el Método West-Gaeke o pararosanilina5 y el Método del peróxido de hidrógeno 6 , ambos permiten la determinación de la concentración del contaminante mediante su absorción en un reactivo específico, para lo cual se utiliza un muestreador de gases compuesto por una bomba de succión, tubos de propileno para absorber los gases y un sistema de refrigeración. Se seleccionó el método de pararosanilina con tetracloruro de mercurato por su límite de detección (5 g/m3) y facilidad de implementar en el laboratorio. Éste puede ser usado para análisis de SO 2 con períodos de muestreo entre 30 minutos, y 24 horas. Su principio de medición consiste en la reacción del SO2 con Tetracloromercurato de Potasio formando un complejo estable a oxidantes fuertes, pero térmicamente inestable, razón por la cual la muestra debe manejarse a temperatura de laboratorio o inferior a ésta. El complejo formado se hace reaccionar con ácido sulfámico, formaldehído y pararosanilina para formar el ácido metilsulfámico de pararosanilina, de color rojo intenso. La observancia se mide en espectrofotómetro a 548 nm. Para la determinación del dióxido de nitrógeno los métodos más utilizados son el de la reacción de Griess-Saltzman7 y el método del Arsenito de Sodio8. Por la facilidad de implementación en el laboratorio se seleccionó el método del arsenito de sodio, el cual utiliza una mezcla de hidróxido de sodio y arsenito sódico como medio absorbente. El NO 2 forma un compuesto estable de nitrito sódico, que se trata con ácido fosfórico, sulfanilamida y n-(1-naftil) etilendiaminodihidrocloruro formando una sustancia violeta que se mide colorimétricamente. CONCLUSIONES Dada la problemática actual de contaminación del aire en Bogotá, se establecieron como objetivos de monitoreo, la determinación de calidad de aire realizando muestreos de contaminación causadas por fuentes móviles, que según diversos estudios contribuyen en gran medida a la generación de material particulado. La localización del sitio de muestreo es estratégico, dado que se encuentra rodeado de las estaciones de Fontibón, Carrefour y Puente Aranda, y la información obtenida puede ser complementada con la de las estaciones de la red de monitoreo de calidad del aire de Bogotá. La selección del dióxido de azufre, dióxido de nitrógeno y partículas suspendidas como parámetros ambientales indicadores de la contaminación, garantiza resultados que llevan a cumplir con los objetivos propuestos. La selección de los diferentes métodos de medición de los contaminantes bajo estudio, estuvieron acorde con los equipos disponibles, facilidad de implementación en el laboratorio y recomendación de la EPA (Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos) como métodos de referencia, lo cual garantiza la viabilidad del estudio. DESARROLLO SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍA En el caso de partículas suspendidas totales TSP el método seleccionado determina la concentración de las mismas, mediante un procedimiento gravimétrico, en el que la bomba de vacío toma el aire del ambiente haciéndolo pasar a través de un filtro de fibra de vidrio donde quedan retenidas las partículas en suspensión, los filtros se pesan luego de un tiempo de operación (8 ó 24 horas) y la concentración de partículas totales en suspensión TSP, se calcula por la diferencia en peso del filtro antes y después del muestreo. Este método es aplicable para tamaños de partícula entre 1 y 100 micras dependiendo de la velocidad del viento. 4 GÓMEZ, Juan Pablo. Instalación de una estación de monitoreo de calidad de aire en el CITEC. Trabajo de grado Magíster en Ingeniería Ambiental. Universidad de Los Andes, 1998. 5 ASTM. Section 11. Water and environmental Technology, 1997. Volume 11.03. Pag. 58-69. 6 LODGE, James. Methods of Air sampling and Análisis. 3er edition. 1989. Pag. 503-506. 7 ASTM. Section 11. Water and Environmental Technology, 1997. Volume 11.03. Pag. 17-21. 8 SALTZMAN, Bernard. Colorimetric Microdetermination of Nitrogen Dioxide in the atmosphere. Analytical Chemistry 1954. 26:1949-1955 AVANCES Investigación en Ingeniería - 2006 No. 5 35 BIBLIOGRAFÍA BEHRENTZ, Eduardo. Foro Taller Internacional de la Contaminación del aire. Calidad del aire en Bogotá. Junio 5 y 6 2006. DE NEVERS Noel. Ingeniería de control de la contaminación del aire. Mc Graw Hill. México, 1998. GORDON E. Anthon and Diane M. Barrett. Determination of Reducing Sugars with 3-Methyl-2-benzothiazolino nehydrazone. DEPARTMENT OF FOOD SCIENCE AND TECHNOLOGy, University of California, May 9, 2002. LIU David H.F. Liptak, Bela G. Environmental Engineer’s Handbook. Ed. &. Boca Raton: CRC Press LLC, 1999. NGUYENA, Ha Thi-Hoang. Takenakaa Norimichi. 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