Comparación del desempeño de dos técnicas para la medición de material particulado PM 2.5

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(1)COM PARACIÓN DEL DESEMPEÑO DE DOS T ÉCNICAS PARA LA M EDICIÓN DE M ATERIAL PARTICULA DO PM 2.5. FA BIO A NTONIO GONZÁL EZ CASTAÑO. FAC ULTAD DE INGENIERÍA DEPA RTAM ENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AM BIENTAL UNIV ERSIDA D DE LOS A NDES BOGOTÁ D.C. 2010.

(2) IA MB 201010 07. COM PARACIÓN DEL DESEMPEÑO DE DOS T ÉCNICAS PARA LA M EDICIÓN DE M ATERIAL PARTICULA DO PM 2.5. FA BIO A NTONIO GONZÁL EZ CASTAÑO. ASESOR EDUA RDO BEHRENTZ, Ph.D.. FAC ULTAD DE INGENIERÍA DEPA RTAM ENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AM BIENTAL UNIV ERSIDA D DE LOS A NDES BOGOTÁ D.C. 2010. ii.

(3) IA MB 201010 07 TABLA DE CONT ENIDO. 1.. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1. 2.. ESTADO DEL ARTE............................................................................................................. 2. 3.. 4.. 2.1.. DustTrakT M Modelo 8520 ( DT, TSI Inc) ......................................................................... 2. 2.2.. Harvard Impactor (HI, Air Diagnostics and Engineering Inc)........................................ 3. 2.3.. Estudios con DustTrakTM y Harvard Impactor ............................................................... 3. METODOLOGÍA ................................................................................................................... 4 3.1.. Selección de las Zonas de Estudio ............................................................................... 4. 3.2.. Microambientes Caracterizados.................................................................................... 4. 3.3.. Campaña de Medición................................................................................................... 4. 3.4.. Equipos de Medición ..................................................................................................... 6. 3.5.. Validez de la Información y Análisis Estadístico......................................................... 11. RESULTA DOS Y DISCUSIÓN ........................................................................................... 12 4.1.. Resultados Descriptivos .............................................................................................. 12. 4.2.. Comparación de Métodos ........................................................................................... 15. 5.. CONCLUSIONES ............................................................................................................... 19. 6.. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................... 20. iii.

(4) IA MB 201010 07 ÍNDIC E DE TABLAS. Tabla 1 Estudios realizados con DustTrakT M ............................................................................... 2 Tabla 2 Estudios realizados con Harvard Impactor..................................................................... 3 Tabla 3 Tipo de Microambiente Caracterizado............................................................................ 4 Tabla 4 Número de Mediciones ................................................................................................... 6 Tabla 5 Especificaciones DustTrakT M .......................................................................................... 6 Tabla 6 Mediciones Harvard Impactor (Máximos y Mínimos) ................................................... 13 Tabla 7 Resumen Resultados Variables de Entorno ................................................................ 15. iv.

(5) IA MB 201010 07 ÍNDIC E DE FIGURAS. Figura 1 Estación de Monitoreo (SUR, 2010) .............................................................................. 5 Figura 2 DustTrakT M 8520 (TSI Inc) ............................................................................................. 7 Figura 3 Operación DustTrakT M ................................................................................................... 7 Figura 4 Harvard impactor (HI, Air Diagnostics and Engineering) .............................................. 8 Figura 5 Filtros en el Harvard Impactor (Antes y Despues) ........................................................ 8 Figura 6 Balanza Digital de seis dígitos marca Mettler Toledo (SUR, 2010).............................. 8 Figura 7 Ensamble Harvard Impactor .......................................................................................... 9 Figura 8 Equipo Telaire 7001 para la deter minación de la concentración de CO2 ..................... 9 Figura 9 Interfaz gráfica del sistema de adquisición de datos (SUR, 2010) ............................. 10 Figura 10 Diferencia entre episodio real y valor erróneo reportado por equipo de medición (SUR, 2008) ................................................................................................................................ 11 Figura 11 Serie de Tiempo DT en un entidad educativa........................................................... 12 Figura 12 Tasa de Ventilación Institución Educativa................................................................. 13 Figura 13 Serie de Tiempo % HR en Vivienda........................................................................... 14 Figura 14 Serie de Tiempo Temperatura en Vivienda .............................................................. 14 Figura 15 Comparación Métodos Dispersión Lineal ................................................................. 15 Figura 16 Comparación Métodos Dispersión lineal ( C<40 µg/m3) ............................................ 16 Figura 17 Relación Lineal Ciudades .......................................................................................... 17 Figura 18 Relación DT/HI Vs Temperatura ............................................................................... 17 Figura 19 Relación DT/HI Vs %Humedad Relativ a ................................................................... 18. v.

(6) IA MB 201010 07 RESUM EN Introducción La exposición a la contaminación por material particulado fracción fina PM2.5 es asociada con aumentos en las tasas de morbilidad y mortalidad. Esto representa una preocupación para autoridades ambientales y de salu d pública que buscan estandarizar métodos de medición de PM2.5 para de esta manera identificar actividades que contribuyen al aumento de la exposición. Objetivos y Metodología El objetivo principal del presente estudio es la comparación del desempeño de dos técnicas para la medición de material particulado fino PM2.5. La primera técnica es la medición en tiempo real de material particulado mediante método óptico con un monitor DustTrakT M Modelo 8520 (DT, TSI Inc) y la segunda técnica es un método gravimétrico que se realiza con el equipo de muestra integrada Harvard Impactor (HI, Air Diagnostics and Engineering Inc). La campaña de medición de este proyecto consistió en el desarrollo de una campaña de campo que se realizó entre los meses de noviembre de 2009 y marzo de 2010 en la que se caracterizaron las condiciones de calidad del aire en 50 microambientes en dos zonas urbanas (Manizales y Santa Marta) y una zona rural (Suesca). En todos los microambientes de las dos ciudades estudiadas las pruebas se realizaron por duplicado y cada una de las viviendas en Suesca se evaluaron por triplicado, el total de experimentos realizados durante la campaña de campo es de 102. Cada experimento consistió en el monitoreo continúo por espacio de 24 horas de la determinación simultánea de las concentraciones de PM2.5, así como de las condiciones de temperatura, tasa de ventilación y humedad relativa al interior de cada uno de los microambientes. Resultados En el presente estudio se presentaron dos tipos de resultados. El primer tipo de resultado relaciona cómo se comporta cada variable estudiada y el segundo, que es el resultado principal, es la comparación entre los dos métodos. En la comparación entre los dos métodos se hallaron dos funciones de transformación que son dependientes de la concentración de PM2.5, además se realizó un breve análisis del desempeño de las dos técnicas. Conclusiones La selección de la técnica de medición depende en la mayoría de los casos del objetivo que se desee evaluar. En el caso de la evaluación de la exposición en periodos de tiempo cortos el DustTrakT M es una excelente alternativ a. En el caso de caracterización del contaminante el Harvard Impactor puede ser una gran alternativa. El uso simultáneo de los dos equipos brinda un alto desempeño.. vi.

(7) IA MB 201010 07 AGRA DECIM IENTOS. El autor expresa sus más sinceros agradecimientos a quienes contribuyeron con sus aportes en la realización de este proyecto. A Eduardo Behrentz por todas las enseñanzas que recibí de él en estos últimos semestres y por la oportunidad de desarrollar este estudio. A Juan Felipe Franco que siempre estuvo dispuesto a solucionar desde la pregunta más trivial hasta mis grandes cuestionamientos, tanto académicos como personales. Y por ser el gran artífice de este proyecto. A Diana Catalina Quintero y Agustín Zamudio, por ser los gestores de la campaña de campo del presente estudio. A los integrantes del Grupo de Estudios en Sostenibilidad Urbana Regional (SUR), en especial a Mónica Espinosa y Jose Pacheco, por su constante apoyo. A mi familia, a Jorge Luis Borges y a Fernando del Castillo. Y a ti Julie por compartir tu vida con la mía.. vii.

(8) IA MB 201010 07 1. INTRODUCCIÓN. La exposición a contaminantes atmosféricos como el material particulado fracción fina (PM2.5) ocurre en cualquier lugar del espacio a cada instante que respiramos. Esta exposición a la contaminación por PM2.5 es asociada con aumentos en las tasas de morbilidad y mortalidad, con cambios en las funciones respiratorias y cardiovasculares (Polichetti, Cocco, Spinali, Trimarco, & Nunziata, 2009; Ott, Cyrs, & Peters, 2008; Dominici, Peng, Bell, Pham, McDer mott, & Zeger, 2006). Es importante evaluar el material particulado fracción fina PM2.5 a niveles de exposición personal en tiempo real ya que se pueden identificar actividades que contribuyen al aumento de la exposición (Abt, Suh, Allen, & Koutrakis, 2000). Esto representa una preocupación para autoridades ambientales y de salu d pública que buscan estandarizar métodos de medición de PM2.5 en tie mpo real con métodos gravimétricos para de esta manera identificar actividades que contribuyen al aumento de la exposición. Técnicas usadas por monitores de tiempo real difieren de los métodos de muestra integrada validados por lo que se requiere garantizar un acercamiento entre los distintos métodos (Yanosky, Williams, & Mac Intosh, 2002). En el caso colombiano se reglamentó el PM2.5 como contaminante criterio a partir del 2010 lo que demuestra el interés creciente de la autoridad ambiental colombiana para evaluar este contaminante. De acuerdo a esto el objetivo principal del presente estudio es la comparación del desempeño de dos técnicas para la medición de material partic ulado fino PM2.5 y el acercamiento de estás. La primera técnica es la medición en tiempo real de material particulado mediante método óptico con un monitor DustTrakTM Modelo 8520 ( DT, TSI Inc) y la segunda técnica es un método gravimétrico que se realiza con el equipo de muestra integrada Harvard Impactor (HI, Air Diagnostics and Engineering Inc).. 1.

(9) IA MB 201010 07 2. ESTADO DEL A RT E. Como se mencionó anterior mente existen numerosos estudios publicados en la literatura científica internacional que muestran la necesidad de medir el particulado fracción fina (PM2.5). En esta sección se muestra una breve descripción de los estudios a nivel mundial que han involucrado las dos técnicas en estudio. 2.1.. DustTrakT M Modelo 8520 ( DT, TSI Inc). Los avances en el estudio de la exposición a la contaminación atmosférica se han visto en la implementación de nuevas técnic as de medición que tengan mayores rangos de operación. Desarrollo reciente ha permitido medir concentraciones de material particulado fracción fina en cortos periodos de tiempo (tiempo real) con buenos desempeños y varios tipos de monitores (Liu, Slaughter, & Larson, 2002). Entre ellos se encuentra la primera técnica de estudio que es la medición en tiempo real de material particulado mediante método óptico con un monitor DustTrakT M Modelo 8520 ( DT, TSI Inc). Chang et al. (2001) evaluó el DustTrakT M con respecto al método de referencia dado por la EPA (U.S. Environmental Protection Agency). Para PM2.5 las concentraciones del DustTrakT M fueron superiores que las del método de referencia por un factor cercano a 2. En este caso se estableció un factor de corrección de 2,07 en época de verano y de 2,02 en época de invierno. Lo que muestra una relación directa con la temperatura. Las dos mediciones muestran buenos coeficientes de correlación lineal; R2 = 0,81 (n = 70) en invierno y R2 = 0,87 en verano (n = 84). Además de este estudio, el DT se ha utilizado ampliamente en investigaciones a nivel mundial reconocidas por la comunidad científica, algunas de ellas se relacionan a continuación en la Tabla 1. TM. Tabla 1 Estudios realizados con DustTrak. REFERENCIA Chao and Tung (2001) Hong Kong. DESCRIPCIÓN DEL ESTUDIO. RESULTADOS. Medición de contaminación exterior Desarrollo de un modelo para la e interior en cinco casas infiltración de PM en ausencia de desocupadas para modelar fuentes antropogénicas intercambio de aire 3. Houseman et al. (2002) Boston; MA. Medición de contaminación exterior e interior en restaurantes. Interior: 14-278 µg/m. Levy et al (2002) Boston; MA. Medición arbitraria en Hospitales, Bi bliotecas, Cafeterías, etc.. Medi das diezminutales de concentración de PM. Houseman et al. (2002) Boston, MA. Medición en ambientes interiores y exteriores relacionados con vehículos de transporte. Medidas de concentración en cada uno de los ambientes estudiados. 2. 3. Exterior: 7-281 µg/m.

(10) IA MB 201010 07 La Tabla 1 muestra la versatilidad que tiene el DustTrakTM ya que los microambientes caracterizados son claramente dif erentes (vehículo y casa). 2.2.. Harvard Impactor (HI, Air Diagnostics and Engineering Inc). La segunda técnic a es un método gravimétrico que se realiza con el equipo de muestra integrada Harvard Impactor (HI, Air Diagnostics and Engineer ing Inc) que fue desarrollado por la Escuela de Salud Pública de Harvard (Harvard School of Public Health) a la cual le debe su nombre. Este equipo ha sido utiliz ado ampliamente en estudios de exposición para microambientes interiores y exteriores (Liu, Slaughter, & Larson, 2002). Babich, Davey, Allen, & Koutrakis, (2000) reportaron que el Harvard Impactor muestra un excelente desempeño (R2 = 0.99) con respecto al método de referencia dado por la EPA (U.S. Environmental Protection Agency) para PM2.5. Los estudios donde ha sido utilizado y son reconocidos a nivel mundial por la comunidad científica se relacionan en la Tabla 2: Tabla 2 Estudios realizados con Harvard Impactor. REFERENCIA. DESCRIPCIÓN DEL ESTUDIO. Quintana et al. (2000) San Medición de PM en casas de niños Diego CA asmáticos. RESULTADOS Se compararon resultados de técnicas de medición. Fischer et al. (2000) Amsterdam, NL. Medición de PM en casas cercanas a vías de tráfico. 15-20% Aumenta el PM promedio en casas cercanas a una vía con al to tráfico. Sarnat et al. (2002). Medidas de PM para análisis de sulfato. Concentración de sulfato es función de la velocidad de intercambio de aire. Roorda-Knape et al. (1998) Netherl ands. Medición del Gradiente de distancia desde una vía. Mediciones a 50, 100 y 150 m de una vía por periodos semanales. 2.3.. Estudios con DustTrakT M y Harvard Impactor. El estudio más relevante que relaciona las dos técnicas de medición fue realiza por Branis & Hovorka (2008), los resultados de este estudio muestran una sobreestimación de los valores del DustTrak por un cierto valor. Esta sobreestimación fue dada en periodos frios y cuando la concentración de PM2.5 era baja. Estos resultados también muestran que cuando el DustTrak se coloca simultáneamente con el monitor Harvard Impactor el factor de sobreestimación no es fácil de calcular ya que en algunos casos puede variar en rangos menores a 2 o superiores a 4. Como una fuerte conclusión se da que el DustTrak no se puede utiliz ar como único elemento para determinar una concentración, sino que este debe estar acompañado de otro equipo de medición.. 3.

(11) IA MB 201010 07 3. M ETODOLOGÍA. La metodología del presente estudio se dividió en cuatro partes principales, las cuales son: selección de las zonas de estudio, selección de microambientes, campaña de medición y análisis de resultados. 3.1.. Selección de las Zonas de Estudio. Se seleccionaron para el presente estudio dos zonas urbanas y una zona rural. Las zonas urbanas fueron ciudades colombianas con características intermedias de tamaño y población; estas ciudades fueron Manizales y Santa Marta. La zona rural seleccionada fue el municipio de Suesca que hace parte de Cundinamarca, este municipio presenta un clima frio. Las dos ciudades seleccionadas presentan marcadas diferencias climáticas y geográficas. Manizales es una ciudad ubicada a más de 2000 metros de altura sobre el nivel del mar y tiene un clima relativamente frio. Santa Marta es una ciudad ubicada a nivel del mar que presenta un clima cálido. 3.2.. Microambientes Caracterizados. Los microambientes interiores caracterizados se diferencian entre sí por las actividades realizadas en ellos. Se seleccionaron viviendas, oficinas y entidades educativas. El número de microambientes por zona se encuentra dado en la Tabla 3 que se muestra a continuación. Tabla 3 Tipo de Microambiente Caracterizado. 3.3.. Ciudad. Vivienda. Oficina. Institución Educativa. Total Microambientes. Manizales. 13. 5. 5. 23. Santa Marta. 11. 6. 4. 21. Suesca. 6. -. -. 6. Total. 30. 11. 9. 50. Campaña de Medición. La campaña de medición de este proyecto consistió en el desarrollo de una campaña de campo que se realizó entre los meses de noviembre de 2009 y marzo de 2010 en la que se caracterizaron las condiciones de calidad del aire en los 50 mic roambientes. Dicha campaña de campo incluyó la deter minación simultánea de las concentraciones de PM2.5, así como de las condiciones de temperatura, tasa de ventilación y humedad relativa al interior de cada uno de los microambientes. Dado que en todos los microambientes de las dos ciudades estudiadas las pruebas se realiz aron por duplicado y que cada una de las viviendas en Suesca se evaluó por triplicado, el total de experimentos realizados durante la campaña de campo es de 102. 4.

(12) IA MB 201010 07 Cada experimento consistió en el monitoreo continúo por espacio de 24 horas de las variables antes mencionadas. En cada uno de los microambientes se instaló una estación de monitoreo que consistía de una plataforma fija de 1,5 metros de altura en donde fueron instalados los equipos deter minantes de parámetros de calidad del aire en tiempo real acoplados a un sistema de adquisición de datos (compuesto por un computador portátil y una tarjeta electrónica) (Figura 1).. Figura 1 Estación de Monitoreo (SUR, 2010). En cada microambiente se instaló además un Impactador tipo Harvard (HI) sobre un tr ípode a una altura de 1,6 metros. La ubicación espec ífica de la estación de monitoreo al interior de los microambientes evaluados fue determinada por el espacio disponible en los mismos de tal manera que no obstruyese el nor mal desarrollo de las actividades por parte de sus ocupantes. Cada medición llevada a cabo durante la campaña de campo correspondió a la operación continua y simultánea de la estación de monitoreo en tiempo real (resolución temporal de un minuto) por un período de 24 horas. Adicionalmente se recolectaron muestras integradas de mater ial particulado para ser analizadas de manera gravimétrica (éstas corresponden a una muestra por experimento). Para todos los casos estudiados en Manizales y Santa Marta se hicieron dos experimentos en cada microambiente. Para los seis casos evaluados en la zona rural de Suesca las pruebas se llevaron a cabo por triplicado. Estas repeticiones se hicieron con el objetivo de darle mayor representatividad a los resultados en cada microambiente, cuantificando además la variabilidad de las condiciones de contaminación en cada microambiente. La Tabla 4 presenta la distribución de las pruebas y experimentos realizados durante la campaña de campo de este estudio. En total se llevaron a cabo 102 mediciones en los 50 espacios interiores que hic ieron parte de la muestra de microambientes evaluados.. 5.

(13) IA MB 201010 07 Tabla 4 Número de Mediciones. 3.4.. Ciudad. Vivienda. Oficina. Institución Educativa. Total Microambientes. Manizales. 26. 10. 6. 42. Santa Marta. 22. 12. 8. 42. Suesca. 18. -. -. 18. Total. 66. 22. 14. 102. Equipos de Medición. En esta sección se presenta una descripción de los equipos y materiales de laboratorio que fueron utilizados en los experimentos encaminados a determinar las concentraciones de PM2.5 y las variables de temperatura, tasa de ventilación y humedad relativa. 3.4.1. Deter minación de las Concentraciones de PM2.5 DustTrakTM. Las concentraciones de PM2.5 fueron determinadas tanto en tiempo real como a partir de muestras integradas. El equipo utilizado para el monitoreo en tiempo real fue un fotómetro portátil conocido como DustTrakTM modelo 8520 (DT, TSI Inc., St. Paul, MN, USA) (ver Figura 2). Las características principales de este equipo se muestran en la Tabla 5. TM. Tabla 5 Especificaciones DustTrak Especificaciones Sensor Tipo. 90º Dispersión de Luz. Rango Resolución. 0,001 a 100 mg/m 3 ±0,001 mg/m 3. Tamaño de Partículas Velocidad de Flujo. 0,1 a 10 micrómetros Ajustable 1,4 a 24 l/min (1.7 nominalmente). Coeficiente de Temperatura Temperatura de Operación Humedad de Operación. (+) 0,001 mg/m por ºC 0º a 50ºC 0 a 95% Humedad Relativa. Constante de Tiempo. Ajustable de 1 a segundos. Memoria Dimensiones. 31000 Datos 221 mm x 150 mm x 87 mm. Peso. 1,5 Kg con baterías. 3. Este equipo opera a un flujo de 1,7 l/min, tiene una resolución temporal ajustable hasta de 1 seg. y un límite de detección inferior a 2 µg/m3 como se muestra en la Tabla 5. Este es un monitor que por principio de operación y sus dimensiones es especialmente adecuado para monitoreo en espacios inter iores o entre muros. El funcionamiento consiste en una bomba que arrastra el material particulado de la muestra a través de una cámara óptica de detección en un flujo continuo. Una sección del flujo de mater ial particulado es iluminado con un haz de luz láser. Las partículas en el flujo del mater ial particulado dispersan la luz en todas las direcciones. Un lente ubicado a 90° del flujo de material particulado y del rayo láser recibe algunos de los rayos de luz y fotones 6.

(14) IA MB 201010 07 dis persados sobre un foto detector. El sistema óptico dentro del equipo se mantiene limpio a través del aire filtrado que envuelve el flujo de material particulado. Este aire evita que las partículas circundantes a la cámara óptica interfieran en la medición (Universidad de los Andes, 2007). El circuito de detección convierte la luz en un voltaje. Este voltaje es proporcional a la cantidad de luz dispersada, la cual es proporcional a la concentración total del material particulado, un diagrama del modo de operación se muestra a continuación en la Figura 3.. Figura 2 DustTrak. TM. 8520 (TSI Inc). Figura 3 Operación DustTrak. TM. 3.4.2. Determinación de las Concentraciones de PM2.5 Harvard Impactor (HI) La determinación de las concentraciones de PM2.5 a partir de muestras integradas se realizó haciendo uso de un equipo conocido como Harvard Impactor (HI, Air Diagnostics and Engineering, Inc) (Figura 4).. 7.

(15) IA MB 201010 07. Figura 4 Harvard impactor (HI, Air Diagnostics and Engineering). Este equipo opera a un flujo de 10 l/min. En éste, la muestra de material particulado es recolectada en un filtro de teflón de 37 mm de diámetro y 2 µm de poro (Figura 5).. Figura 5 Filtros en el Harv ard Impactor (Antes y Después). La determinación gravimétr ica de la concentración de PM2.5 se efectuó pesando los filtros antes y después de la medición en una balanza analítica de seis dígitos, ubicada en un cuarto especialmente acondicionado para este tipo de procedimientos (localizado en las instalaciones del Laboratorio de Calidad del Aire de la Universidad de los Andes) (Figura 6).. Figura 6 Balanza Digital de seis dígitos marca Mettler Toledo (SUR, 2010). 8.

(16) IA MB 201010 07 Monitores de muestra integrada como el HI son relativamente baratos, fáciles de usar y mantener, sin embargo su construcción es muy elaborada como se muestra a continuación en la Figura 7, su construcción requiere varias partes completamente sincronizadas.. Figura 7 Ensamble Harvard Impactor. 3.4.3. Deter minación de las Concentraciones de CO2 y la Temperatura El objetivo de la determinación de las concentraciones de CO2 además de indicar la calidad del aire, fue el de utilizar este parámetro como referente de la ventilación del recinto. La Figura 8 muestra el equipo empleado para dicha deter minación. El monitor digital Telaire 7001 (General Electric Co, USA) es capaz de generar información de las concentraciones de CO2 en forma continua y con un límite de detección de 1 ppm haciendo uso de un sensor de absorbancia infrarroja no dispersiva (SUR, 2010).. Figura 8 Equipo Telaire 7001 para la determinación de la concentración de CO2. A pesar de que esta variable fue documentada durante todos los experimentos en forma continua, es importante destacar que la aplicación de esta metodología no es la más precis a para la estimación de la tasa de ventilación. Por este motivo, en los resultados del estudio no se incluirán análisis para esta variable. 9.

(17) IA MB 201010 07 El monitor Telaire 7001 fue además utilizado para el registro continuo de la temperatura. Este equipo cuenta con un sensor integrado que permite documentar además esta variable con la misma resolución temporal que las concentraciones de CO2. 3.4.4. Deter minación de la Humedad Relativa La determinación de la humedad relativa en los microambientes inter iores caracterizados se llevó a cabo mediante el uso de un sensor marca HoneyWell referencia HIH-4000-002. A este compacto instrumento de medida se le diseñó un pequeño compartimiento de tal forma que pudiese quedar acoplado a la estación de monitoreo. La señal emitida por el sensor era registrada por el sistema de adquisición y almacenada en la memoria del computador (SUR, 2010). 3.4.5. Sistema de Adquisición de Datos Con el objetivo de registrar segundo a segundo las variables determinantes de la calidad del aire al interior de los ambientes evaluados, se diseñó un sistema de adquisición de datos. Para la implementación de dicho sistema de adquisición se empleó una tarjeta marca National Instruments referencia USB-6009 de 14 Bits y 48 Ks/s, con una resolución de 16384 bits y una tasa de 48000 registros por segundo. Adic ionalmente se desarrolló una interfaz gráfica en el paquete computacional Labview 8.5 (Figura 9). Dadas las características de este lenguaje de programación visual se pudo crear un entorno gráfico amigable y de fácil entendimiento para la población presente en cada microambiente. Asimis mo, el algoritmo de almacenamiento que se diseñó permite registrar un dato medio de la señal de cada variable por minuto. (SUR, 2010) Estos datos son guardados en la memoria del computador en formato txt de manera que puedan ser importados fácilmente por paquetes estadísticos.. Figura 9 Interfaz gráf ica del sistema de adquisición de datos (SUR, 2010). 10.

(18) IAMB 201010 07 3.5.. Validez de la Información y Análisis Estadístico. La información obtenida en campo fue compilada y estandarizada a un solo formato en una base de datos única. La aplicación utilizada para la creación de dicha base de datos fue MS Access, plataforma compatible con el paquete estadístico (SPSS) utilizado para la realización de los análisis. La base de datos final cuenta con cerca de 130000 registros para cada una de las 65 variables existentes. Esto significa que se cuenta con cerca de nueve millones de entradas en la base de datos. De manera previa a la construcción de la base de datos se llevó a cabo una validación de la información registrada por los equipos automáticos de medición. La información recolectada por los equipos de monitoreo en tiempo real también fue sometida a un proceso de validación. Para esto, se hizo uso de una metodología que ha sido estandarizada por el grupo de estudios que desarrolló este trabajo, mediante el uso de tres herramientas principales de trabajo las cuales son MATLAB, SPSS y TrakProTM (Data Analysis Software, Versión 4.2, 2008) como principal herramienta de trabajo para validar los datos del DustTrakTM. Cuyo objetivo es la eliminación (documentada) de valores fuera de tendencia o que se consideren no plausibles (SUR, 2010). Es común encontrar este tipo de valores cuando se trabaja con equipos que operan en tiempo real, en donde la respuesta electrónica de los sensores que conforman dichos equipos puede reportar algunos registros que no corresponden a información real de concentraciones (Figura 10). Adicionalmente, durante la etapa de validación fueron eliminados de la base de datos todos aquellos valores iguales o inferiores a cero, bajo la premisa de que no es posible sustentar conceptualmente una concentración que corresponda a dichos valores, además de valores que se producen y están fuera del límite de detección el equipo.. Figura 10 Diferencia entre episodio real y valor erróneo reportado por equipo de medición (SUR, 2008). 11.

(19) IAMB 201010 2 07 ADOS Y DIS SCUSIÓN 4. RESULTA 1. 4.1. Resulttados Descrriptivos. Para cada c microa ambiente esstudiado, la a bondad de el sistema de d adquisicción de dato os permitió obtene er series de tiempo que e correlacio onan cada vvariable med dida con un n momento dado. 4.1 1.1. Conce entraciones de PM2.5 DustTrakTM. TM Cada dato que generó g el DustTrak D o se mencionó anterio ormente fue e validado (DT) como nte diferenttes método os, el princiipal fue rea alizado med diante TrakkProTM (Data Analysis median Softwa are, Versión n 4.2); este software, que q fue dise eñado por lo os mismos creadores del DT, en su últim ma versión (2008) logrra eliminar aquellos da atos que esstén por deb bajo o por encima e del límite detección, realizar la a corrección n de tempe eratura si se tiene u un archivo con datos os de temperatura y entregar un u análisis estadístico o descriptivvo de cada a serie de adjunto tiempo o.. Posterrior a la va alidación de e cada exp perimento fu ue posible construir sseries de tiempo que correla acionan cada variable e medida con c un insstante en el e tiempo como se muestra m a continu uación en la a Figura 11.. Figurra 11 Serie de e Tiempo DT e en un entidad educativa. La Figura 11 mue estra un exxperimento realizado e en una entid dad educativa, en esta a figura se entración m media esté en aproxim madamente 10 µg/m3 puede observar que aunque la conce n episodios en periodo os cortos de e tiempo do onde la concentración es mucho mayor m que existen la med dia. Cuand do la medición del DT está e acompañada con un registro de las activvidades diarias (diario de actiividades) ess posible, gracias g a la medición en tiempo re eal del DT, a asociar possitivamente una acctividad con n el aumento o de la expo osición al co ontaminante. Como se muestra a en la Figura 11 los episodios d donde las concentracio c ones de PM M2.5 fueron es a la med dia, se pued den relacion nar positivam mente con actividadess registradas s. mayore 12.

(20) IAMB 201010 2 07 4.1 1.2. Conce entraciones de PM2.5 Harvard Impa actor (HI) La con ncentración másica de PM2.5 fue calculada c m mediante la siguiente e ecuación (U Universidad de los Andes, 200 07):. ⎡ µg ⎤ C⎢ 3 ⎥ = ⎣m ⎦. Maasa final [µg ] − Masa iniciial [µg ] ⎡ m3 ⎤ Flujoo aire ⎢ ⎥ * Tiempo muestro [min ] ⎣ min ⎦. El erro or asociado o a estas medicioness como se e muestra en la ecua ación anterrior se da princip palmente en n la determ minación de e las masass iniciales y finales. L La diferencia entre el peso de d la muestrra inicial y final f puede estar alrede edor de 200 0 a 500 µg para conce entraciones mediass, estos valores son ell error instru umental de la mayoría de las bala anzas analítticas por lo que en n este caso o se necessita balanza as con precisión extendida, com mo la balanza (marca Mettlerr Toledo) con c la que se realizó el presentte estudio que manejja hasta se eis dígitos. Tambié én es de vital importa ancia realiza ar todas lass medicione es con la m mayor riguro osidad que brinda el procedim miento de operación esstándar. eve resume en de las concentrac c adas en el presente e estudio se muestra a Un bre iones halla continu uación en la a Tabla 6. Tabla 6 Mediciones Harvard H Impacctor (Máximoss y Mínimos). Máximo o µg/m3. Santa Marta M 28 41,038 8. Manizales s 42 37,294. Suesca 14 98,967. Mínimo o µg/m3. 9,684 4. 7,587. 3,611. n. El inte ervalo de re esultados fu ue desde aproximadam a mente 5 µg g/m3 hasta aproximada amente 50 3 µg/m con c un solo o caso que se s dio en Suesca con una concen ntración de 98,967 µg/m m3. 4.1 1.3. Variab bles de Ento orno Las variables v de entorno considera adas en el presente estudio, como se mencionó anterio ormente son n tres: tasa de ventilac ción, temperratura y hum medad relattiva.. Fig gura 12 Tasa de d Ventilación n Institución Ed ducativa. 13.

(21) IAMB 201010 2 07 La tassa de venttilación, me edida con el monitorr Telaire 7001, fue rregistrada para p cada experim mento en tiempo real como se muestra m en la Figura 12; 1 al igual que el DT T se puede estable ecer relacio ones entre la a serie de tiempo y el diario d de acctividades. En la Figura 12 se s asocia un u evento en e el diario o de campo o con la serrie de tiempo en una mbargo la aplicación a d de esta me etodología n no es la más precisa institucción educattiva. Sin em para la a estimación de la tasa a de ventila ación. Por e este motivo o esta variable no será á tenida en cuenta a para resultados concluyentes. De igu ual manera como c se ob bserva en la a Figura 13 y en la Figura 14 se re egistró en tiempo t real la hum medad relattiva y la temperatura. En la mayyoría de loss casos esstas series de tiempo presen ntaron un ccomportamiento consta ante con re especto al tiempo y a la ciudad donde se realiza aba el estud dio.. Figura 13 Serrie de Tiempo %HR en Vivie enda. Figu ura 14 Serie de d Tiempo Tem mperatura en Vivienda. Un ressumen de la as variabless de entorno o se muestrra en la Tab bla 7 mostra ada a contin nuación:. 14.

(22) IAMB 201010 2 07 Tab bla 7 Resume en Resultados Variables de Entorno Parámetro M Manizales Santa Marta M. Suesca. Promedio. 21. 29. 19. Tempera atura ºC. Tasa a de Ventila ación (L/S//P). % HR H. Míínimo. 19. 23. 17. Má áximo. 24. 32. 23. Promedio. 75. 33. 76. Míínimo. 35. 8. 42. Má áximo. 99. 68. 96. Promedio. 68. 55. 86. Míínimo. 48. 35. 72. Má áximo. 85. 78. 89. uerdo a la Tabla T 7 el promedio p de e temperatu ura más alto o se registra a en Santa Marta y el De acu más bajo b en el municipio de d Suesca con rango os de temp peratura de e ±5ºC. La humedad relativa a es menor en la ciudad de Sa anta Marta y mayor en Suesca. Manizales sería una ciudad d con caraccterísticas in ntermedias de humedad relativa y temperattura para el e presente estudio o. 4.2 2.. Compa aración de Métodos. Esta sección es la a que está directamente relaciona ada con el objetivo o prin ncipal del estudio e que c ón del desempeño de dos técnica as para la medición m de e material particulado p es la comparació fino PM M2.5. 4.2 2.1. Funció ón de Transsformación De acu uerdo al tratamiento esstadístico de esarrollado se obtuvieron pares d de datos vállidos, cada par de e dato válid do consiste en la conccentración validada de el Harvard Impactor (HI) ( con el TM promedio validad do de la co oncentración del DusttTrak (DT T) durante el e mismo periodo p de o, al mismo tiempo y en n el mismo microambie ente. tiempo. Fig gura 15 Comp paración Métod dos Dispersión n Lineal. 15.

(23) IAMB 201010 2 07 La Figura 15 que se daba an nteriormente e muestra la a correlació ón entre los pares de datos. d Para todo el rango en estudio, la correlación lineal entre e los dos parámetros es e aceptable, más no óptima a. Se afirma a que la rela ación es fun nción de la concentraci c ión (Branis & Hovorka,, 2008) por lo tantto al limitarr los valores de conce entración a 40 µg/m3 en este esstudio se ob btiene una mejor correlación c ue la densid dad de los p puntos es mayor. m lineal ya qu. 3. Figura 16 6 Comparación n Métodos Disspersión lineall (C<40 µg/m ). Se esp peraba una a sobreestim mación de la l medida d del DT en un u factor su uperior a 2 (Yanosky, William ms, & MacIntosh, 2002 2) pero en concentracciones men nores a 40 µg/m3 la relación r es 3 muy ce ercana a 1 y en concentraciones mayores a 40 µg/m la a sobreestim mación tiene e un factor de 1,4. Alguno os autores sugieren acercar a la tendencia t e entre las do os medicio ones estable eciendo la interse ección en (0 0,0) ya que e teóricame ente al no haber contaminante la a concentra ación es 0 µg/m3 pero en el presente esstudio no se aplicó ya que la med dida del 0 ((cero) del equipo está relacio onada directtamente con el límite de d detección n de éste. La función de tran nsformación n que mode ela el sistem ma para un rango de cconcentracio ones entre 3 0 µg/m es la siguiente e: 40 y 70. La función de tran nsformación n que mode ela el sistem ma para un rango de cconcentracio ones entre a siguiente: 5 y 40 µg/m3 es la. nes de tran nsformación n señaladass está suje eta a consid deraciones La apllicación de las funcion importa antes entre e ellas validar la inform mación de acuerdo a un n protocolo estadístico o donde se incluya a la supressión de pun ntos flotante es, se apliq que el facto or de correccción de te emperatura. 16.

(24) IAMB 201010 2 07 T siemprre que se e utilice el DustTrakTM y sobre e todo se e siga con n mucha rigidez r los proced dimientos de e operación n estándar para p cada m método.. 4.2 2.2. Compa aración con n Variables de Entorno La prim mera relación que se desea com mparar es el e desempe eño de los d dos equipo os en cada zona de d estudio. De acuerdo o con la Fig gura 17 Man nizales es la ciudad do onde se pre esenta una mayor sobreestim mación. Estta ciudad tiene t caraccterísticas intermediass entre las zonas de o por lo tantto no se pueden generrar relaciones concluye entes al resspecto. estudio. Figura 17 7 Relación Lin neal Ciudadess. Para comparar c la as variabless de entorn no se realizzó el coeficciente entre e los pares s de datos válidoss (DT/HI) y se estable ecieron rela aciones con n las dos variables v de e entorno a estudiar: Tempe eratura y humedad re elativa. Com mo se muesstra en la Figura 18 y Figura 19 9 dadas a continu uación.. Figura 18 Relación DT/HI Vs Temperattura. De acu uerdo a la Figura F 18 el e radio DT//HI tiene un na leve tend dencia a dissminuir a medida m que aumen nta la tempe eratura, perro la correla ación lineall no es esta adísticamen nte significa ativa por lo tanto no n se puede e obtener un na relación concluyentte entre las técnicas evvaluadas. 17.

(25) IAMB 201010 2 07. Fig gura 19 Relacción DT/HI Vs %Humedad Relativa R. anera simila ar de acuerd do con la Figura 19 se e puede con ncluir que n no hay una asociación De ma estadíssticamente representa ativa entre la a humedad relativa y los métodoss comparad dos para el caso de d estudio. 4.2 2.3. Versattilidad La sele ección de la a técnica de medición depende en e la mayorría de los casos del ob bjetivo que se dessee evaluarr. En el caso o de la eva aluación de la exposició ón en perio odos de tiem mpo cortos el DusstTrakTM es una excelente alternattiva. En el caso c de carracterización del contaminante el Harvarrd Impactorr puede ser una gran alternativa. a E El uso simultáneo de lo os dos equipos brinda un alto o desempeñ ño. M Las medidas del DustTrakTM son en tie empo real, pero estas son consid deradas pre ecisas más no exa actas, el HI también presenta dessventajas e en cuanto a la exactitu ud del méto odo ya que este esstá sujeto a la suma de errores del d método como c es la medición d de las mues stras antes y después del experimentto. Los do os equipos sacrifican exactitud en benefiicio de la versatiilidad.. 18.

(26) IA MB 201010 07 5. CONCL USIONES. Cuando la medición del DT está acompañada con un registro de las actividades diarias (diario de actividades) es posible, gracias a la medición en tiempo real del DT, asociar positivamente una actividad con el aumento de la exposición al contaminante. Se esperaba una sobreestimación de la medida del DT en un factor superior a 2 (Yanosky, Williams, & Mac Intosh, 2002) pero en concentraciones menores a 40 µg/m3 la relación es muy cercana a 1. La función de transformación que modela el sistema para un rango de concentraciones entre 40 y 70 µg/m3 es la siguiente: 1,381. 5,386. 0,805 3. La función de transformación que modela el sistema para un rango de concentraciones entre 5 y 40 µg/m3 es la siguiente: 1,012. 0,127. 0 ,8538. La selección de la técnica de medición depende en la mayoría de los casos del objetivo que se desee evaluar. En el caso de la evaluación de la exposición en periodos de tiempo cortos el DustTrakT M es una excelente alternativ a. En el caso de caracterización del contaminante el Harvard Impactor puede ser una gran alternativa. El uso simultáneo de los dos equipos brinda un alto desempeño.. 19.

(27) IA MB 201010 07 6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICA S. Abt, E., Suh, H., Allen, G., & Koutrakis, P. (2000). Characterization of Indoor Particle Sources: A Study Conducted in the Metropolitan Boston Area. Environmental Health Perspectives , 3544. Babich, P., Davey, M., Allen, G., & Koutrakis, P. (2000). Method comparisons for particulate nitrate, elemental carbon, and PM2.5 mass in seven U.S. cities. J. Air Waste Manage. Assoc. , 1095-1105. Branis, M., & Hovorka, J. (2008). Performance of a photometer DustTrak in various indoor and outdoor environments. Prague: Institute for Envir onmental Studies - Charles University. Chang, L. T., Suh, H. H., Wolfson, J. M., Misra, K., Allen, G. A., Catalano, P. J., y otros. (2001). Laboratory and field evaluation of measurement methods for one-hour exposures to O3, PM2.5, and CO. J. Air Waste Manage. Assoc , 1414-1422. Dominici, F., Peng, R. D., Bell, M. L., Pham, L., Mc Der mott, A., & Zeger, S. L. (2006). Fine particulate air pollution and hospital admission for cardiovascular and respiratory diseases. JAMA , 1127-1134. Liu, L., Slaughter, J., & Larson, T. V. (2002). Comparison of light scattering devices and impactors for particulate measurements in indoor, outdoor, and personal environments. Environ. Sci. Technol , 2977-2986. Ott, D. K., Cyrs, W., & Peters, T. M. (2008). Passive measurement of coarse particulate matter, PM10-2.5. Aerosol Science , 156-167. Polichetti, G., Cocco, S., Spinali, A., Trimarco, V., & Nunziata, A. (2009). Effects of particulate matter (PM10, PM2.5 and PM1) on the cardiovascular system. Toxicology , 1-8. SUR. (2010). Caracterización de la Exposición a Contaminantes Atmosféric os en Espacios Intramurales. Bogotá. SUR. (2008). Caracterización de la Exposición a Contaminantes Atmosféricos en Ambientes Interiores Relacionados con el Uso de Gasodomésticos. Bogotá. Univ ersidad de los Andes. (2007). Procedimiento de Operación Estándar (SOP) DustTrak. Bogotá. Univ ersidad de los Andes. (2007). Procedimiento de Operación Estándar (SOP) Harvard Impactor. Bogotá. Yanosky, J. D., Williams, P. L., & MacIntosh, D. L. (2002). A compar ison of tw o direct-reading aerosol monitors w ith the federal reference method for PM2.5 in indoor air. Atmospheric Environment , 107-113.. 20.

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