Reaxion. Año 3, Número 3. Mayo - Agosto, 2016.



Contaminación del aire por partículas (PM10) en el Polígono de Fragilidad Ambiental, Guadalajara, Jalisco.
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Por: Leonel Hernández Mena, Juan Gallardo Valdez, José de Jesús Díaz Torres, Edgardo Villegas García




Resumen

La zona conocida como el Polígono de Fragilidad Ambiental (POFA) abarca una buena parte de la ciudad de Guadalajara, Jalisco (CG) y experimenta días frecuentes con niveles altos de partículas (principalmente PM10) y ozono (O3), situación habitual en otras ciudades de México. Este trabajo contiene los resultados sobre el muestreo de partículas (PM10 y PM2.5, conocidas como partículas gruesas y finas, respectivamente), y del monitoreo de gases contaminantes en aire ambiente (CO, NO2, SO2, O3, Hidrocarburos Totales-No metano y H2S) en esta zona durante días de la temporada seca. Además, fue posible identificar algunas especies de Aniones y Cationes de las PM10 (F-, CH3COO-, Cl-, NO2-, Br-, NO3-, PO4-, SO42-, C2O42-, Li+, Na+, NH4+, K+, Ca2+ y Mg2+) mediante Cromatografía de Iones, como una forma de aportar información sobre el origen de las partículas gruesas, procesos atmosféricos relacionados en su formación y su probable relación con los demás contaminantes gaseosos.

Palabras clave: PM10, POFA, Aniones y Cationes.


Abstract

The Environmental Fragility Polygon (POFA, acronym in spanish) covers a large part of the City of Guadalajara (CG) and experiences frequent days with high levels of particle (mainly PM10) and ozone (O3), a habitual situation of different cities in Mexico. This paper contains the results on particle sampling (PM10 and PM2.5, known as coarse and fine particles, respectively), and about the monitoring of pollutant gases in ambient air (CO, NO2, SO2, O3, Total Hydrocarbons-Non-methane and H2S) during dry season days. In addition, it was possible identify some species of Anions and Cations in the PM10 (F-, CH3COO-, Cl-, NO2-, Br-, NO3-, PO4-, SO42-, C2O42-, Li+, Na+, NH4+, K+, Ca2+ y Mg2+) by Ion Chromatography, as a way of providing information on the origin of coarse particles, related atmospheric processes in their formation and their probable relationship with other gaseous pollutants.

Key words: PM10, POFA, Anions and Cations.


Introducción

Dentro de la ciudad de Guadalajara (CG) se ubica un área geográfica a la que el gobierno local del estado de Jalisco designó como Polígono de Fragilidad Ambiental (POFA)1. En esta zona son recurrentes los problemas de contaminación tanto en suelo, agua y aire, porque ha sufrido cambios de uso de suelo, deterioro ambiental, pérdida de su fauna y flora originales. Esto debido al crecimiento de la población y de áreas con actividades industriales y agrícolas2. Dicha situación probablemente tiene repercusiones en la salud de aproximadamente 1.4 millones de personas3, por la exposición a distintas sustancias contaminantes presentes en el ambiente.

Entre los problemas ambientales más severos en el POFA está la baja calidad del aire por partículas, ozono y la presencia de olores molestos. Se destacan episodios frecuentes de niveles altos de partículas menores o iguales a 10 micras (PM10)4. Las PM10 se originan de procesos mecánicos de trituración, por la combustión deficiente de combustibles de origen fósil o por agregación de partículas más pequeñas5 en la atmósfera. A las PM10 se les asocia con diversos problemas de salud humana como el cáncer de pulmón, agravamiento del asma e irritación de la garganta, esto debido a que su tamaño pequeño les permite ingresar al sistema respiratorio6,7. Incluso existen estudios que establecen incrementos relativos de mortalidad humana por un aumento de 10 µg/m3 de las PM10 en el aire ambiente8,9.

Los efectos negativos a la salud humana son porque las PM10 se conforman de numerosos compuestos químicos, orgánicos e inorgánicos, con diversas propiedades físicas, químicas y biológicas10,11. Algunos de estos compuestos en las PM10 pertenecen al grupo de los Aniones y Cationes y contribuyen de forma importante a la masa de dichas partículas11,12 y están relacionados con dichos efectos negativos a la salud y a otros efectos ambientales13,14. Entre los principales Aniones y Cationes en las PM10 están sulfato, nitrato y amonio, con reconocidos impactos perjudiciales en la salud humana, el ambiente, el balance de radiación, la visibilidad, así como a los sistemas ecológicos y las plantas15. Asimismo, se sabe que la abundancia de estos iones en las partículas puede sugerir las fuentes de emisión, o bien la existencia de procesos atmosféricos secundarios formadores de compuestos que integran a las partículas, principalmente durante largos periodos de transporte16. Además, se conoce que las partículas absorben y dispersan la radiación solar, y tienen efectos sobre la formación de nubes y la precipitación pluvial, debido a su concentración, tamaño y composición química17.

El objetivo de esta investigación fue determinar las concentraciones de las PM10 y de algunos otros contaminantes (PM2.5, O3, SO2, NO2, CO, HT-Hidrocarburos Totales No metano- y H2S-ácido sulfhídrico-) en aire ambiente de diferentes sitios del POFA, así como la determinación de algunos Aniones y Cationes en dichas partículas. Se plantea el problema de establecer las probables fuentes de emisión o de algunos procesos involucrados en la formación de las partículas, esto en base a su caracterización química.


Metodología

La Figura 1 muestra la ciudad de Guadalajara y la extensión del POFA. Se aprecia la ubicación de los sitios de muestreo (S1, S2 y S3) y la coexistencia de áreas habitacionales, sitios de actividad industrial, así como de grandes zonas sin cobertura vegetal y otras dedicadas a prácticas agrícolas y agropecuarias2.

Delimitación de la zona del POFA dentro de la Ciudad de Guadalajara y ubicación de los sitios de muestreo para partículas y monitoreo de gases contaminantes en aire ambiente. La línea roja continua indica la extensión del POFA. Tomado y modificado de Google Maps

Figura 1. Delimitación de la zona del POFA dentro de la Ciudad de Guadalajara y ubicación de los sitios de muestreo para partículas y monitoreo de gases contaminantes en aire ambiente. La línea roja continua indica la extensión del POFA. Tomado y modificado de Google Maps.

Los muestreos de partículas y el monitoreo de contaminantes gaseosos se realizaron entre el 6 y 18 de abril de 2013, días de la temporada seca cálida, caracterizados por temperaturas elevadas, radiación solar alta y humedad relativa baja2,18. La Figura 2 muestra un diagrama de las distintas actividades relacionadas con este trabajo de investigación, acorde a metodologías estandarizadas3,19, 20, 21,22,23, 24, 25.

Diagrama de flujo de las diferentes actividades relacionadas con la metodología para la determinación de concentraciones ambientales de contaminantes particulados (PM10–partículas gruesas- y PM2.5-partículas finas-), así como el contenido de Cationes y Aniones asociados a las partículas gruesas, y la determinación de otros contaminantes gaseosos en diferentes sitios del POFA.

Figura 2. Diagrama de flujo de las diferentes actividades relacionadas con la metodología para la determinación de concentraciones ambientales de contaminantes particulados (PM10–partículas gruesas- y PM2.5-partículas finas-), así como el contenido de Cationes y Aniones asociados a las partículas gruesas, y la determinación de otros contaminantes gaseosos en diferentes sitios del POFA.

A partir de los filtros de las PM10 se obtuvieron extractos acuosos con Aniones y Cationes disueltos (F-, CH3COO- (acetato), Cl-, NO2-, Br-, NO3-, PO42-, SO42-, C2O42- (oxalato), Li+, Na+, NH4+, K+, Ca2+ y Mg2+) para su análisis por Cromatografía de Iones (CI), esto para identificar y estimar su cantidad. El principio de la cromatografía es la separación de compuestos en función de su mayor afinidad por una fase móvil o una fase estacionaria que genera distintos tiempos de retención, permitiendo así su separación e identificación. La presencia de los Aniones y Cationes es a través de un detector de conductividad.

Para el análisis de los resultados se emplearon pruebas estadísticas no paramétricas, entre ellas la r de Spearman (r) para correlaciones entre variables, o pruebas como Mann-Whitney y Kruskall-Wallis para comparación de dos o más grupos de datos, respectivamente. Las pruebas se efectuaron con el software Statistica 6.


Resultados y discusión

Variación en aire ambiente de las PM10 y PM2.5

La estadística descriptiva resume la variación de las concentraciones de las PM10, PM2.5 y de las otras variables de estudio (excepto dirección del viento) en aire ambiente en el POFA durante el periodo de muestreo (Tabla 1).

  n Media D.E. Mediana Mínimo Máximo
  µg/m3  
PM10 12 173.29 33.26 187.83 115.61 217.65
CH3COO- 12 0.38 0.14 0.37 0.19 0.67
Cl- 12 2.67 4.20 1.24 0.16 14.75
NO3- 12 2.02 0.81 1.75 1.07 3.43
PO4- 12 0.36 0.31 0.23 0.16 1.02
SO42- 12 3.62 1.31 3.31 2.42 6.75
C2O42- 12 0.15 0.02 0.16 0.12 0.19
Na+ 12 1.15 0.58 1.10 0.36 2.08
NH4+ 12 1.23 1.67 0.63 0.25 6.28
K+ 12 0.73 0.29 0.56 0.49 1.34
Ca2+ 12 1.49 0.51 1.45 0.95 2.57
Mg2+ 12 0.18 0.05 0.16 0.14 0.29
∑ Aniones 12 9.21 5.18 7.00 4.65 22.82
∑ Cationes 12 4.79 2.85 3.62 2.65 12.56
PM2.5 12 28.81 7.25 29.33 17.96 44.69
  ppm  
SO2 12 0.03 0.02 0.03 0.01 0.05
O3 12 0.05 0.02 0.04 0.01 0.08
NO2 12 0.03 0.01 0.03 0.005 0.05
HT-No metano 12 0.01 0.002 0.01 0.004 0.01
H2S 12 0.001 0.0004 0.002 0.001 0.002
CO 12 0.77 0.38 0.64 0.28 1.45

Temperatura (° C) 12 23.03 1.85 22.64 20.14 26.02
HR (%) 12 30.27 2.19 30.73 26.83 33.83
MVV (m/s) 12 2.55 -- --- 1.30 4.00

D.E.-Desviación Estándar; HT No metano- Hidrocarburos Totales distintos al metano; HR-Humedad relativa; MVV-Máxima Velocidad del Viento.

Tabla 1.

Una comparación considerando el total de datos indica niveles más altos de las PM10 respecto a PM2.5 (p < 0.000001, figura 3a ). Esto sugiere una contribución mayor de las fuentes de emisión de las PM10 en el POFA. Para dimensionar estas diferencias se estimó la relación PM10-2.5/PM2.5, resultando en casi 4 y 10 veces más partículas gruesas en los días de muestreo (Figura 3b). Esta relación fue homogénea entre sitios (p=0.33). Dichos resultados sugieren el predominio de fuentes de emisión de partículas gruesas. Además, un valor bajo de r=0.27 (p>0.05) entre ambas partículas sugiere que no derivan de las mismas fuentes de emisión. Las PM10 tampoco mostraron correlaciones altas con SO2, NO2 y CO, todos ellos gases primarios provenientes de procesos de combustión26. En tanto las PM2.5 con SO2 y CO (r=0.76 con p < 0.5, en ambos casos) parecen compartir un origen común, los procesos de combustión; es decir, partículas finas y gruesas derivan de fuentes distintas. Los resultados de los análisis de correlación entre las variables pueden consultarse en la Tabla 2.

Figura 3 a.-Comparación de las concentraciones más altas de las partículas gruesas respecto de las partículas finas considerando el conjunto total de datos del periodo de muestreo

Figura 3a. Comparación de las concentraciones más altas de las partículas gruesas respecto de las partículas finas considerando el conjunto total de datos del periodo de muestreo.

b.-Relación diaria entre el contenido de partículas gruesas (PM10-2.5) y partículas finas (PM2.5), donde se estimaron casi de 4 a 10 veces más concentración de partículas gruesas. Para ello a las PM10-2.5 se restó las concentraciones de las partículas finas por día y enseguida se estableció el cociente

Figura 3b. Relación diaria entre el contenido de partículas gruesas (PM10-2.5) y partículas finas (PM2.5), donde se estimaron casi de 4 a 10 veces más concentración de partículas gruesas. Para ello a las PM10-2.5 se restó las concentraciones de las partículas finas por día y enseguida se estableció el cociente.

Variación de las concentraciones diarias de las PM10 y las PM2.5  respecto al Límite Máximo Permisible (LMP) establecido por la norma vigente en la materia.

Figura 3c. Variación de las concentraciones diarias de las PM10 y las PM2.5  respecto al Límite Máximo Permisible (LMP) establecido por la norma vigente en la materia.


HT-No metano- Hidrocarburos Totales distintos al metano; HR-Humedad relativa; MVV-Máxima Velocidad del Viento. En negritas valores con p<0.05.

Tabla 2. Matriz de coeficientes de correlación de Spearman entre partículas gruesas, partículas finas, contaminantes gaseosos, especies de Aniones y Cationes, y parámetros meteorológicos considerando los datos totales del periodo de muestreo en el POFA.

Las partículas gruesas podrían derivar de la trituración mecánica, la resuspensión de partículas del suelo por los vientos y el flujo vehicular intenso27. Los sitios S1 y S2 se ubican rodeados de áreas de tierra sin cobertura vegetal durante la temporada seca cálida, de cultivo de temporal y de sitios de extracción de materiales para la construcción (arena, grava y rocas)2. Es probable que la intensidad de estas actividades y su extensión, así como la ausencia de humedad en el aire, vientos de baja velocidad y la falta de lluvia durante abril, hayan contribuido a las concentraciones altas de las partículas gruesas en el área de estudio.

En el caso de las PM2.5, estas pueden provenir de fuentes de combustión. Las concentraciones de las PM2.5 en el S3 solo fueron mayores respecto al S1 (p < 0.01). La posición del S3 en el área del POFA la ubica a menos de 1.2 Km. de una importante avenida vehicular y a 0.6 Km. de un parque industrial, así como en los alrededores de una zona con un número elevado de fuentes de emisión dedicadas a la fabricación artesanal de ladrillos2.

Niveles de contaminantes en el aire y límites en normas de calidad del aire

Los Límites Máximos Permisibles (LMP) en aire ambiente establecidos en la actual norma nacional para periodos de 24 hrs. son 75 y 45 µg/m3 para PM10 y PM2.5, respectivamente28. En el caso de las partículas gruesas el LMP fue superado el 100 % de los días de muestreo, mientras que el LMP para PM2.5 no fue rebasado en ningún día. En concentración las PM10 fueron 2.1-2.5 veces más altas que lo establecido por la norma vigente en un periodo de 24 hrs. Estos resultados indican que la exposición de la población humana en el POFA pudiera ocasionar probables efectos negativos a la salud, los cuales han sido documentados29. Lo anterior da evidencia de un problema serio de contaminación por partículas gruesas en el aire ambiente del POFA. La Figura 3c muestra la variación diaria de las partículas, respecto de los estándares normados de calidad del aire ya mencionados.

Sobre los demás contaminantes y su relación con los actuales LMP en aire ambiente21,22,23,24, las concentraciones de SO2, O3, NO2 y CO no superaron dichos límites en ninguno de los días. Para H2S y HT- No metano, actualmente no existe una norma nacional que regule sus niveles en el aire ambiente.

Concentraciones de Aniones y Cationes asociados a las PM10

Las concentraciones estimadas para Aniones y Cationes, así como su estadística descriptiva se muestran en la Tabla 1. Se observó que la Ʃ Aniones fue mayor que la Ʃ Cationes, siendo 1.94 veces más abundantes en las partículas (p < 0.001). Especies como SO42-, NO3- y Cl- fueron los Aniones con concentraciones más altas, mientras que entre los Cationes Ca2+, Na+ y NH4+ destacaron. CH3COO-, PO4-, C2O42-, K+ y Mg2+ mostraron concentraciones menores, en tanto que Br-, NO2- y Li+ estuvieron debajo de los límites de detección del equipo.

Individualmente, todas las especies de Aniones y Cationes no tuvieron diferencias estadísticas entre sitios (p >0.05 en todos los casos, excepto Cl-). Estos últimos resultados sugieren concentraciones homogéneas de casi todas las especies individuales de Aniones y Cationes en el área del POFA (Figuras 4 a y b).

Comparación de la variación entre sitios de los Aniones sólo con diferencias para el Cl-. En general estos resultados sugieren homegeneidad en las concentraciones de estas especies químicas en la zona de estudio. Las concentraciones de Cationes y Aniones en el aire ambiente fueron corregidas por los porcentajes de recobro determinados para el tratamiento de muestra y análisis. Estos valores oscilaron entre 90 y 122% para magnesio y potasio, y entre 95 y 139% para cloruro y oxalato.

Figura 4a. Comparación de la variación entre sitios de los Cationes sin diferencias significativas entre ellos.

b.-Comparación de la variación entre sitios de los Aniones sólo con diferencias para el Cl-. En general estos resultados sugieren homegeneidad en las concentraciones de estas especies químicas en la zona de estudio. Las concentraciones de Cationes y Aniones en el aire ambiente fueron corregidas por los porcentajes de recobro determinados para el tratamiento de muestra y análisis. Estos valores oscilaron entre 90 y 122% para magnesio y potasio, y entre 95 y 139% para cloruro y oxalato.

Figura 4b. Comparación de la variación entre sitios de los Aniones sólo con diferencias para el Cl-. En general estos resultados sugieren homegeneidad en las concentraciones de estas especies químicas en la zona de estudio. Las concentraciones de Cationes y Aniones en el aire ambiente fueron corregidas por los porcentajes de recobro determinados para el tratamiento de muestra y análisis. Estos valores oscilaron entre 90 y 122% para magnesio y potasio, y entre 95 y 139% para cloruro y oxalato.

Al ser sulfato y nitrato dos de las especies químicas más relevantes que componen a las partículas, nos centraremos en una sencilla descripción de la variación de sus concentraciones. Las concentraciones homogéneas de SO42- pueden explicarse parcialmente por derivar predominantemente del precursor SO2 cuya oxidación es lenta, por tanto, los gradientes de sus concentraciones entre sitios a una escala de grandes distancias se espera que sean muy pequeñas30. En el caso del NO3- se esperaban concentraciones no uniformes entre los distintos sitios de muestreo, esto en base a la oxidación más rápida del precursor NO2 y debido a la sensibilidad de las concentraciones del nitrato de amonio (uno de los compuestos más abundantes en las partículas) frente a la presencia de los niveles ambientales de amonio, los cuales favorecen su disociación31. De esta manera, es probable que en los sitios de muestreo la presencia de nitrato de amonio, mantuviera un equilibrio en la atmósfera con sus precursores como el gas amonio y vapores de ácido nítrico32.

Por otra parte, es importante destacar que las concentraciones de Aniones y Cationes (iones totales) determinadas en todo el estudio contribuyeron entre un 7 y 8 % a las PM10. Este resultado sugiere que la proporción restante de las partículas se integra por otros componentes como la materia orgánica, carbón elemental, material mineral como sílice y otros10,12.

Asimismo, la contribución promedio de SO42-, Cl-, NO3- y Ca2+ a las concentraciones de iones totales osciló entre un 12 y 29%, siendo las más altas. En el caso de especies orgánicas como CH3COO- y C2O42- sus contribuciones resultaron inferiores al 3 %. La variación de la contribución porcentual de las especies individuales a los iones totales por día de muestreo puede apreciarse en la Figura 5a. Resalta la contribución elevada del Cl- en los días 14-15 y 17-18 de abril, con un 42 y 32 %, respectivamente. El nivel alto de Cl- los días 14-15 coincide con contribuciones elevadas de Aniones y Cationes totales a las PM10 (16 %).

La abundancia de las especies ya mencionadas en el POFA coincide con trabajos reportados en otras partes del mundo, donde compuestos como sulfato, nitrato, amonio, Na+ y Ca2+ son los más abundantes33.

Fuentes de las partículas gruesas en el POFA

Esta sección considera algunas de las especies que contribuyeron en proporción mayor a la composición de las PM10. Sólo Ca2+ y SO42- mostraron correlaciones positivas con las partículas (r=0.70 y r=0.64, ambos con p < 0.05), lo que sugiere que la variación de las PM10 está relacionada con el contenido de estas especies (y en menor medida con NH4+, K+ y Mg2+). Se sabe que el Ca2+ posee un origen geológico33, mientras que el sulfato y el nitrato forman parte de los aerosoles secundarios que involucran reacciones gas-partícula34. La mayor abundancia de sulfato se explica en parte por el inicio del periodo de radiación solar alta en la CG entre marzo y abril18, esta condición favorece las reacciones fotoquímicas y pueden influenciar la oxidación de SO2 a SO42- vía la producción de H2O227. Otro fenómeno que ha sido reportado con la abundancia de sulfatos en los aerosoles es la presencia de concentraciones altas de PM10, contenido elevado de Ca2+ y pH alto de los aerosoles35; las dos primeras condiciones se observaron en los muestreos en el POFA lo que puede explicar parcialmente su origen.

En el caso del NO3- tuvo una correlación baja con las PM10 (r=0.11, p > 0.05) y una correlación moderada con las concentraciones de NH4+ (r=0.59, p < 0.05). Se sabe que la baja estabilidad térmica del NH4NO3 (nitrato de amonio) en condiciones de calor favorece la formación del HNO3 gaseoso (ácido nítrico), propiciando que durante días o periodos de calor las concentraciones de NO3- sean menores12, esta situación probablemente explica su contribución a la masa de las partículas gruesas. El Cl- fue otra de las especies más abundantes en las PM10 y puede derivar de emisiones de la industria local, de la quema de biomasa (específicamente de carbón), así como de la quema de desechos de agricultura36. Algunos trabajos31 indican que el Cl- se encuentra presente en las partículas por la neutralización entre el amonio y vapores de HCl, el cual es emitido a partir de fuentes como incineradores y estaciones de energía. La correlación positiva entre K+, marcador de la quema de biomasa37, y Cl- (r=0.67, p < 0.05) sugiere que probablemente este componente de las partículas deriva principalmente de la combustión de materia orgánica en la zona (desechos de la agricultura). Existen estudios38 que señalan la presencia del K+ y el Cl- en las emisiones por la quema de biomasa, atribuida al uso de fertilizantes y herbicidas en los campos de cultivo. La relación entre las PM10 y el Mg2+ sugieren que una parte puede tener un origen geológico39.

Asimismo, el NH4+ correlacionó con las PM10 y dicho compuesto puede derivar de procesos químicos atmosféricos donde intervienen especies como HNO3 y NH3 (amoniaco); la especie ácida deriva de precursores como los NOx (originado por fuentes industriales o emisiones vehiculares) e interacciones con compuestos orgánicos volátiles, H2O y radicales OH, entre otros27. En el caso del NH3, este puede provenir de desechos del ganado y fertilizantes, y se cree que una pequeña porción es generada por la actividad industrial y por fuentes naturales40. Ciertos autores37 señalan que el NH4+ también deriva de la agricultura y contribuye de manera importante a la masa de las partículas. El POFA posee grandes áreas de cultivo de temporal, así como las áreas dedicadas a la crianza de ganado como fuentes probables de esta especie. De esta manera sugerimos que las PM10 colectadas en los distintos sitios de muestreo del POFA comparten simultáneamente orígenes distintos, esto en base a la abundancia de algunas de las especies principales de iones que las integran.

Además de las anteriores asociaciones descritas, la Tabla 2 también destaca las correlaciones entre sulfato con amonio, potasio y magnesio, así como entre nitrato con Na+, Ca2+ y Mg2+. El Cl-, otra especie abundante, correlacionó con Na+, NH4+, y Mg2+. Algunas correlaciones significativas entre las especies menos abundantes se presentaron con Mg2+ y K+. Estos resultados de correlaciones significativas y positivas entre algunos de los componentes de las PM10 pueden indicar o bien un origen común, o incluso la existencia de procesos químicos atmosféricos, tal es el caso de las reacciones de neutralización entre algunas de las especies de estudio. Estas reacciones de neutralización permiten sugerir la presencia de distintos compuestos que probablemente forman parte de la muy diversa composición química de las partículas. Los resultados de estos análisis serán mostrados en la sección siguiente.

Contribución porcentual individual y diaria que hacen las especies de Aniones  y Cationes a los iones totales

Figura 5a. Contribución porcentual individual y diaria que hacen las especies de Aniones  y Cationes a los iones totales

Regresión lineal entre concentraciones de sulfato y amonio considerando todos los datos de estudio, equivalente a la relación AT/ST. La relación lineal significativa sugiere la existencia de procesos de neutralización entre especies relacionados con la formación de compuestos en las partículas, en este caso (NH4)2SO4. La pendiente de la recta (m=1.38) indica que las partículas son pobres en amonio y por tanto ligeramente ácidas

Figura 5b. Regresión lineal entre concentraciones de sulfato y amonio considerando todos los datos de estudio, equivalente a la relación AT/ST. La relación lineal significativa sugiere la existencia de procesos de neutralización entre especies relacionados con la formación de compuestos en las partículas, en este caso (NH4)2SO4. La pendiente de la recta (m=1.38) indica que las partículas son pobres en amonio y por tanto ligeramente ácidas.

Regresión lineal entre las concentraciones de aniones y cationes totales, el valor de la pendiente (m=0.96)  apoya la naturaleza ligeramente ácida de las partículas gruesas.

Figura 5c. Regresión lineal entre las concentraciones de aniones y cationes totales, el valor de la pendiente (m=0.96) apoya la naturaleza ligeramente ácida de las partículas gruesas.

Procesos atmosféricos relacionados con la formación de compuestos secundarios asociados a las PM10

Uno de los procesos químicos atmosféricos son las reacciones de neutralización entre las principales especies de Aniones y Cationes. Estas reacciones fueron inferidas a través de análisis de regresión lineal (sin outliers) de las concentraciones de los analitos en nanoMoles/m3. Dichos resultados explican el papel que juegan estas especies químicas en la formación de aerosoles secundarios. Algunos de los probables compuestos químicos presentes en las PM10 podrían ser el sulfato de amonio ((NH4)2SO4) (Figura 5 b), nitrato de magnesio (Mg(NO3)2), sulfato de magnesio (MgSO4) y cloruro de magnesio (MgCl2). También es probable que estuviesen presentes compuestos como nitrato de amonio (NH4NO3), cloruro de sodio (NaCl), cloruro de amonio (NH4Cl) y cloruro de potasio (KCl). En el caso de algunas de las reacciones involucradas el NH3 al neutralizar HNO3 forma al nitrato de amonio, mientras que si el amoniaco neutraliza al H2SO4 se puede formar sulfato de amonio ((NH4)2SO4), bisulfato de amonio (NH4HSO4) o hidrogenosulfato de triamonio (letovocita) (NH4)3H(SO4)2, lo cual dependerá de condiciones ambientales como la humedad relativa y la abundancia de los precursores, entre otras27. Cabe mencionar que la participación de algunas de estas especies en los procesos de neutralización en la atmósfera, pueden estar sujetos a factores ambientales o a la disponibilidad de sus precursores químicos. Por ejemplo, a temperaturas altas el nitrato de amonio experimenta una descomposición térmica transformando el nitrato a ácido nítrico27. Asimismo, fenómenos como la altura de la capa de mezcla se relacionan con cambios en la temperatura y esta condición contribuye a variaciones de las especies químicas analizadas41. Es probable que estas últimas condiciones puedan afectar la composición química de los iones asociados a las PM10 del área del POFA.

Determinación del grado de acidez o alcalinidad de las PM10 mediante balance de iones

Para determinar el grado de acidez o alcalinidad de las PM10 colectados en el POFA, se realizó un balance de iones con los datos de composición química de las especies de estudio. Para ello se hizo un análisis de regresión lineal entre la Ʃ Aniones y la Ʃ Cationes en nanoequivalentes por m3. Los resultados de dicho análisis arrojaron una pendiente inferior a la unidad (m=0.96, p < 0.05) lo que sugiere la presencia de H+ (no medido), indicio de la naturaleza ligeramente ácida de las partículas (Figura 5 c).

El resultado antes descrito se complementa con la relación molar entre Amonio Total y Sulfato Total (AT/ST). En base a esta relación podemos sugerir si las partículas son ricas en amonio (ambiente básico) o pobres en amonio (ambiente ácido). Para dicho análisis se recurre a los siguientes supuestos42, si la proporción molar de AT/ST es < 2 entonces las condiciones son definidas como pobres en amonio; en contraparte, si la proporción molar de AT/ST es >2 las condiciones son definidas como abundantes en amonio. En el presente trabajo el valor de la proporción molar AT/ST fue equivalente a la pendiente de la regresión lineal entre SO42- y NH4+ de la figura 5b (m=1.38), lo que sugiere que las partículas son pobres en amonio, es decir que presentan un ambiente ligeramente ácido. No debe olvidarse que para este estudio las concentraciones en fase gas del NH3 no fueron medidas y estamos suponiendo que todo el NH3 fue convertido a NH4+ en la fase particulada.

Parámetros meteorológicos y su relación con las variables de estudio

Los parámetros meteorológicos registrados durante la campaña de estudio fueron la temperatura (° C), la humedad relativa (HR, %), así como la máxima velocidad del viento (MVV, m/s) y su dirección. La Tabla 1 contiene un resumen de la variación de estos parámetros considerando en conjunto de datos para periodos de 24 h (excepto dirección del viento). Estas fueron las condiciones ambientales que caracterizaron a los días con elevadas concentraciones de PM10, principalmente. Dadas las bajas velocidades del viento es probable que este parámetro ambiental contribuyera en poca medida al transporte de contaminantes de sitios distantes. Esta última afirmación es en base a la nula cantidad de correlaciones significativas entre MVV y las variables de estudio (tabla 2). En este sentido, 43 señalan para la ciudad de Beijing el dominio de condiciones de baja velocidad del viento y una HR entre un 30-50 % (en el día) durante los episodios de mayor contaminación; también afirman que la pobre velocidad de los vientos, la baja altura de la capa de mezcla y una estructura atmosférica estable contribuyen a incrementar las concentraciones de las PM10 en la atmósfera, así como su contenido de especies como los SO42-, NO3-, y NH4+.


Conclusiones

Los niveles de las PM10 en el aire ambiente en los tres sitios del POFA son elevados más allá de establecido por las normas vigentes nacionales (en 24 h son 75 y 45 µg/m3 para PM10 y PM2.5, respectivamente) y es probable que la población esté expuesta a concentraciones que pongan en riesgo su salud durante la temporada seca. Las especies de iones más abundantes asociadas a las partículas gruesas fueron SO42-, NO3-, Cl-, Ca2+, Na+ y NH4+, y la presencia de estas y otras especies permitió establecer la naturaleza ácida de las PM10. La acidez de las partículas tuvo su origen por una concentración mayor de especies de Aniones que de Cationes, soportando este resultado con la relación molar estimada entre AT/ST.

El estudio sugiere que las PM10 son originadas en parte por contaminantes secundarios como los sulfato, nitrato y el amonio, derivados de precursores gaseosos directos de procesos de combustión; también las PM10 tuvieron una buena relación con el K+, indicador de la quema de biomasa. Otras fuentes de emisión son la resuspensión del suelo y los procesos mecánicos de trituración, esto debido a la asociación principalmente con el contenido de Ca2+ (y en menor grado con el Mg2+).

Se destaca que son los primeros datos que se publican para el área del POFA sobre la caracterización química de las PM10, en una zona con frecuentes episodios de calidad del aire mala. Esta información podrá ser de utilidad como un punto de partida para estudios más extensos que lleven a proponer posibles acciones para el control de los niveles actuales contaminantes particulados en el aire ambiente.


Agradecimientos

Al COECYTJAL por el financiamiento de los muestreos a través del proyecto No. 2011-04-167010. Al Fondo de Ciencia Básica del CONACYT y al proyecto No.183444 por los recursos para realizar los análisis por Cromatografía de Iones. A la MC. Valeria Ojeda Castillo y a los Drs. Mario Alfonso Murillo Tovar y Jorge del Real Olvera por sus comentarios y recomendaciones durante el estudio y la realización de este escrito.


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Fecha de recepción Fecha de aceptación Fecha de publicación
08/12/2016 17/01/2017 31/01/2017
Año 4, Número 2. Enero - Abril, 2017

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