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Articulo de referencia

Muestreador de partículas

Un muestreador de material particulado es un instrumento para medir partículas (sólidas y líquidas) suspendidas en el aire. El material particulado (PM) contiene una mezcla de p...

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Un muestreador de material particulado es un instrumento para medir partículas (sólidas y líquidas) suspendidas en el aire. El material particulado (PM) contiene una mezcla de partículas sólidas y gotas líquidas. Puede incluir tanto materiales inorgánicos (por ejemplo, carbono, metales y otros productos químicos procedentes de polvo, humo, hollín, sal marina o sulfatos) [ 1 ] como materiales orgánicos (por ejemplo, bioaerosoles de origen microbiano, fúngico, animal o vegetal). [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]

La calidad del aire se monitorea en todo el mundo en estaciones reguladoras. Científicos, médicos, industrias y el público en general están interesados ​​en utilizar sensores de partículas de bajo costo para detectar la calidad del aire localmente y en tiempo real. [ 5 ] Algunos muestreadores de partículas pueden medir e informar continuamente las propiedades de las partículas, mientras que otros recolectan muestras para su posterior análisis en un laboratorio. [ 6 ] Diferentes tipos de muestreadores de PM pueden medir las partículas en términos de tamaño, masa, número , distribución del tamaño y área superficial. [ 7 ] Se pueden utilizar separadores inerciales para eliminar las partículas fuera del rango de tamaño que se desea medir. [ 8 ]

Tipos de medición

Micrografías de partículas en suspensión en el aire

Las partículas en suspensión (PM) son una mezcla compleja que puede incluir pequeñas gotas líquidas, sólidos secos y recubrimientos líquidos alrededor de centros sólidos. Las partículas varían ampliamente en tamaño, forma y composición química. [ 9 ] Cada fuente tiene su propio perfil o firma de emisión particular en términos de tamaño y composición química de las partículas. [ 5 ] La distribución de partículas de diferentes tamaños dentro de una muestra de aire es importante para comprender cómo se comportarán las partículas en la atmósfera y en el sistema respiratorio. [ 10 ] [ 4 ]

La penetración de material particulado en el aire en los pulmones depende del tamaño [ 1 ] [ 4 ]

Para la regulación de la calidad del aire, las mediciones suelen definirse en términos del diámetro máximo de las partículas medidas. Las partículas gruesas con un diámetro de 10 micras o menos (PM10) son motivo de preocupación porque pueden ser inhaladas y causar daños. Las partículas finas son más pequeñas, con un diámetro de 2,5 micrómetros o menos (PM2,5), y pueden penetrar más profundamente en los pulmones. [ 9 ] El término ultrafino (UF) se utiliza a veces para las partículas más pequeñas, de menos de 0,1 micrómetros. [ 11 ] Los términos PM10 y PM2,5 definen los límites comunes para el tamaño de las partículas que se utilizan al tomar mediciones. Los valores numéricos informados para cada categoría dan la cantidad de partículas en el rango de tamaño que se está midiendo. [ 9 ] Varios países han establecido estándares de exposición para PM10 y PM2,5. [ 5 ] Sin embargo, la investigación médica sugiere que ningún nivel de exposición a partículas es seguro. [ 1 ]

La concentración de masa de partículas (PMC) es un indicador clave de la calidad del aire que se utiliza para medir los niveles de contaminación y evaluar los posibles riesgos para la salud. [ 11 ] La concentración de masa de partículas es la masa total de partículas presentes en un volumen de aire determinado. Estas mediciones suelen describir la materia particulada en términos de unidades de masa por volumen, [ 12 ] p. ej.microgramos por metro cúbico(μg/m³ ) . [ 13 ] La PMC generalmente se determina filtrando, muestreando y pesando partículas recolectadas del aire. Los filtros pueden diseñarse para detectar un rango de tamaño particular (por ejemplo, PM10 o PM2.5) o un tipo de partícula. [ 9 ] Las mediciones pueden realizarse utilizando técnicas como el análisis gravimétrico , el monitoreo de atenuación beta y las microbalanzas oscilantes de elemento cónico . [ 7 ] La ​​concentración de masa de partículas se usa a menudo en el monitoreo de cumplimiento para el aseguramiento de la calidad, la recopilación de datos para el análisis de tendencias y las mediciones de alta resolución espacial. [ 7 ] Sin embargo, los métodos de PMC pueden tender a ignorar las partículas ultrafinas, porque la masa total puede estar dominada por una pequeña cantidad de partículas grandes. [ 12 ] [ 5 ] [ 14 ]

En las mediciones numéricas, se cuenta el número de partículas individuales, independientemente de su tamaño o masa. [ 12 ] [ 14 ] La concentración numérica de partículas se puede medir utilizando contadores de partículas por condensación , [ 7 ] métodos de dispersión de luz [ 13 ] (por ejemplo, contadores de partículas ópticos [ 7 ] ) e instrumentos basados ​​en cargadores de difusión. [ 7 ] Las mediciones de concentración numérica pueden revelar información importante sobre tipos específicos de partículas y su distribución a lo largo del tiempo. Las mediciones numéricas pueden ser particularmente útiles para identificar partículas ultrafinas. Sin embargo, se debe tener cuidado para asegurar que los métodos elegidos no estén sesgados hacia la detección de partículas más grandes. [ 12 ]

Los cargadores de difusión pueden utilizarse para medir el área superficial activa de las partículas. [ 15 ] Las distribuciones de tamaño de partículas pueden medirse utilizando impactadores en cascada (por ejemplo, impactadores gravimétricos), analizadores de movilidad de partículas por escaneo , analizadores aerodinámicos de partículas, analizadores rápidos de movilidad de partículas, [ 7 ] e impactadores eléctricos de baja presión. [ 16 ]

Tipos de instrumentos

Equipos de monitoreo de la calidad del aire en la estación Pennsylvania de Nueva York .

Concentración de masa de partículas (PMC)

determinación gravimétrica de masas

La determinación gravimétrica de la concentración de masa de partículas es un proceso de dos etapas: recolección y análisis. La recolección de la muestra utiliza equipo estandarizado para aspirar un volumen conocido de aire a través de un filtro . El filtro se pesa en una balanza analítica antes y después del muestreo. La recolección puede realizarse durante un período de tiempo fijo, como 24 horas. El filtro se lleva a un laboratorio para su análisis y determinar la concentración de material particulado que contiene. La diferencia de peso dividida por el volumen de aire aspirado a través del filtro proporciona la concentración de masa de las partículas. [ 17 ] [ 5 ]

Para el análisis gravimétrico de la calidad del aire, el agua combinada con un contaminante se considera parte de la materia particulada. Sin embargo, la definición de materia particulada no incluye el agua no combinada , como el vapor puro o el vapor de agua. El agua no combinada en una muestra de partículas debe eliminarse, ya sea calentando la muestra para evaporar el agua antes de pesarla, o colocándola en un ambiente de baja humedad antes de pesarla. [ 18 ]

En Estados Unidos, la Agencia de Protección Ambiental (EPA) establece estándares para los Métodos de Referencia Federales (FRM) basados ​​en filtros y los Métodos de Equivalencia Federales (FEM) continuos para el monitoreo del aire. [ 19 ] Las mediciones gravimétricas de PM 2.5 basadas en filtros FRM se consideran el estándar de oro para la precisión de la medición. [ 19 ]

Monitor de atenuación beta

Se compara la absorción de rayos beta antes (D1) y después (D2) de la recolección de una muestra de aire en una cinta para calcular la masa de partículas.

El método de monitorización de la atenuación beta se introdujo en la década de 1970. [ 20 ] Cuando los rayos beta atraviesan un material, los electrones de alta velocidad (partículas beta) chocan contra él y pierden energía. Esta reducción de intensidad, o atenuación, puede medirse. Cuanta más masa tenga un material, más partículas absorberá. Por lo tanto, si una muestra de aire contiene más material particulado, más partículas beta perderán energía y serán absorbidas. [ 21 ] [ 20 ]

Un monitor de atenuación beta (BAM) o medidor beta utiliza la técnica de absorción o atenuación de rayos beta para medir la masa de materia particulada. Una cinta filtrante de carrete a carrete pasa a través de una celda de atenuación beta . Se hace pasar aire a través de la cinta filtrante durante un período de tiempo determinado, por ejemplo, de 42 a 50 minutos, para recoger una muestra de aire. Se dirigen rayos beta a la cinta antes y después de tomar la muestra de aire para calcular la masa. Las mediciones previas y posteriores se comparan para determinar la cantidad de materia particulada en la muestra. [ 21 ] [ 20 ]

Los monitores electrónicos de atenuación beta pueden utilizarse para medir la masa de partículas en el campo. [ 21 ] [ 20 ] Si bien pueden utilizarse para realizar una serie de mediciones, estos dispositivos son fijos, voluminosos y costosos. [ 22 ] Las mediciones pueden verse afectadas por factores ambientales fluctuantes, como la alta humedad relativa y la composición de las partículas. Por lo tanto, este método tiene menor precisión que el método gravimétrico, que mide la masa directamente. [ 21 ] [ 20 ]

Microbalanza oscilante de elemento cónico

Diagrama esquemático de una microbalanza oscilante de elemento cónico (TEOM).
Sensor de partículas en tiempo real (TEOM)

Las microbalanzas oscilantes cónicas se introdujeron en la década de 1990. [ 20 ] Una microbalanza oscilante de elemento cónico (TEOM) puede utilizarse para la detección continua y en tiempo real de material particulado mediante la medición de la concentración de masa. [ 5 ] Sin embargo, al igual que las BAM, las TEOM son estacionarias, voluminosas y costosas. [ 22 ]

Un cartucho de filtro TEOM se monta en la punta de un tubo de vidrio hueco, que vibra libremente al pasar el aire a través de él. Un circuito eléctrico provoca la vibración del tubo. A medida que las partículas del aire se acumulan en este filtro, la frecuencia de oscilación del tubo disminuye. La frecuencia de resonancia del tubo, o la velocidad a la que vibra, es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la masa que se acumula en el filtro. El cambio de frecuencia se utiliza para calcular la masa de las partículas. Se puede utilizar un sistema de medición dinámica de filtros (FDMS) para asegurar que el filtro se active y se restablezca periódicamente a su frecuencia natural. Factores como el ruido mecánico y las fluctuaciones de temperatura pueden interferir con las vibraciones del sensor y afectar la precisión de sus resultados. [ 5 ]

Estimación de partículas basada en ruido

Un sonómetro (izquierda) y una aplicación para smartphone

El tráfico urbano es una importante fuente de contaminación. Se han utilizado instrumentos basados ​​en micrófonos para monitorizar los niveles de ruido y predecir la concentración de partículas (PNC) relacionada con el tráfico cerca de las carreteras. Bandas de frecuencia específicas (p. ej., 40 Hz, 500 Hz, 800 Hz) se asocian con el funcionamiento de diferentes motores y combustibles. Los sistemas informáticos pueden entrenarse para identificar patrones de ruido y predecir concentraciones de contaminantes a partir de datos de entrenamiento. Dispositivos como sonómetros y teléfonos inteligentes, que son pequeños y portátiles, pueden utilizarse para predecir los niveles de partículas basándose en el modelo informático. Condiciones como el viento, la humedad, las características de los edificios y las condiciones específicas del tráfico pueden influir tanto en el modelo como en los resultados predichos. [ 23 ] [ 24 ]

Concentración numérica de partículas

contadores de partículas ópticos

Un contador óptico de partículas envía un haz de luz a través de una muestra de aire y mide la dispersión de la luz.

Los contadores ópticos de partículas (OPC) utilizan la dispersión de la luz para medir la materia particulada al hacer pasar un haz de luz a través de una muestra de aire. Los tipos de fuentes de luz incluyen lámparas incandescentes focalizadas , láseres y diodos emisores de luz infrarroja (LED IR). [ 5 ] [ 21 ] Los OPC se introdujeron en la década de 1940 [ 25 ] y su uso se incrementó tras la invención de los láseres en la década de 1960. [ 5 ] Los láseres, que tienen una luz más intensa que los LED IR, pueden utilizarse para clasificar tanto el número como el tamaño de las partículas. [ 5 ]

Los contadores ópticos de partículas contienen una fuente de luz, un sistema de entrada de aire, un área donde se proyecta un haz de luz a través de la muestra de aire y sensores de fotodetección para medir la luz dispersada. [ 25 ] Un haz de luz se dispersa al impactar contra partículas individuales, cambiando la intensidad, el ángulo y el patrón de la luz. La dispersión se puede describir con precisión según la teoría de Mie . La tasa de detección se puede usar para contar la cantidad de partículas presentes, mientras que la intensidad de la luz dispersada puede indicar el tamaño de las partículas. [ 5 ]

Basándose en supuestos previos sobre el tamaño y la distribución de las partículas, los contadores ópticos de partículas pueden utilizarse para estimar la concentración de masa. Las partículas pueden clasificarse por tamaño y se pueden utilizar algoritmos para estimar la masa en función de la cantidad de partículas de diferentes tamaños presentes. Una calibración adecuada es esencial para garantizar que las condiciones supuestas se cumplan realmente. [ 5 ] [ 21 ] Algunos contadores ópticos de partículas pueden realizar mediciones de materia particulada en tiempo real con una precisión y exactitud comparables a las de un instrumento FEM. [ 5 ]

Sensor Plume Flow 2 (derecha), que utiliza la dispersión de la luz, y aplicación para teléfono inteligente.

Los sensores de partículas de bajo costo (LCPMS) son OPC miniaturizados y simplificados. [ 25 ] Si bien los LCPMS aún utilizan técnicas de dispersión de luz, tienden a ser menos precisos. [ 5 ] Sus ventajas son que generalmente son más baratos, más pequeños, portátiles y pueden usarse para mediciones en tiempo real. [ 21 ] [ 5 ] Los LCPMS se utilizan en equipos como purificadores de aire , dispositivos IoT y dispositivos portátiles de monitoreo de la calidad del aire. Los LCPMS generalmente requieren calibración y son altamente vulnerables a factores externos como la temperatura y la humedad. [ 21 ] [ 5 ]

Contadores de partículas de condensación

En un CPC, las partículas se saturan hasta un tamaño detectable antes de ser medidas ópticamente.

Un contador de partículas por condensación (CPC) o contador de núcleos de condensación (CNC) es un contador de partículas óptico modificado. Amplía el rango del OPC, permitiéndole detectar y contar partículas mucho más pequeñas. Las partículas ultrafinas se hacen pasar a través de un vapor para que gotas más grandes se condensen alrededor de la partícula pequeña. Estas gotas más grandes pueden detectarse. Con las técnicas ópticas convencionales, las partículas de menos de 50 nm generalmente son indetectables. [ 15 ] Dependiendo del vapor y la técnica de condensación utilizada, los CPC pueden detectar partículas de tan solo 2 nm. El tamaño mínimo de partícula detectable por un CPC se define comúnmente como el diámetro en el que el CPC detecta el 50 % de las partículas. [ 26 ]

Los contadores de partículas de condensación se utilizan para la medición de emisiones de vehículos tanto en laboratorio como en carretera. [ 27 ] [ 13 ] [ 28 ] Se han establecido límites para las concentraciones de partículas de escape de vehículos (PN) como parte de las normas de la Unión Europea para emisiones de vehículos ligeros. [ 29 ] [ 28 ] Para medir las PN de los vehículos, se requieren contadores de partículas de condensación con una eficiencia de conteo (CE) del 50 % a 23 nm. [ 30 ] Los CPC también se utilizan en algunos lugares de trabajo para evaluar la seguridad laboral. Se debe tener cuidado para garantizar que las mediciones ambientales no excedan el rango del CPC. [ 15 ]

Monitores de superficie de partículas

cargadores de difusión

Las nanopartículas pueden tener formas no esféricas con diferentes áreas superficiales (por ejemplo, dióxido de titanio ).

Los distintos tipos de partículas pueden tener formas no esféricas y diferentes áreas superficiales. [ 15 ] Estudios de partículas dentro del tracto respiratorio humano, desde la década de 1980 hasta la de 1990, han demostrado que el área superficial y el diámetro aerodinámico de las partículas están relacionados con la probabilidad de que una partícula permanezca dentro del sistema respiratorio y cause daño. [ 31 ]

Los cargadores de difusión (CD) son instrumentos de lectura directa que utilizan la descarga de corona de un electrodo para medir el área superficial activa de las partículas. [ 15 ] Los cargadores de difusión miden la materia particulada (MP) mediante una corriente eléctrica que genera una descarga de corona. Una corriente fluye desde un electrodo con alto potencial hacia un área circundante neutra, como el aire, y genera iones que pueden difundirse hacia las partículas en la corriente de aire. Una vez que los iones libres se eliminan del sistema, se mide la cantidad de carga transferida a las partículas restantes. La corriente eléctrica resultante se correlaciona con el área superficial activa de las partículas. [ 15 ] [ 28 ] Los cargadores de difusión pueden utilizarse solos como monitores de superficie de partículas o con otros instrumentos para examinar propiedades adicionales de las partículas. [ 32 ]

Los cargadores de difusión son especialmente eficaces para detectar nanopartículas, generalmente en el rango de 10 a 300 nm, y para medir el área de superficie depositada en los pulmones (LDSA) [ 33 ] . Los DC pueden medir concentraciones de partículas más altas que los CPC. Los cargadores de difusión no utilizan fluidos de trabajo y pueden operar a temperaturas más elevadas [ 28 ] .

Separadores de partículas

Las partículas de diferentes tamaños tienen diferentes efectos en la salud . [ 4 ] Los separadores de partículas se utilizan para recolectar partículas dentro de un rango de tamaño específico. Esto puede ser particularmente útil al examinar partículas finas y tipos de bioaerosoles de tamaño específico . [ 8 ] Los muestreadores de partículas pueden utilizar una variedad de mecanismos de recolección, incluyendo impacto de placa sólida, impacto centrífugo, filtración e impacto de líquido. [ 8 ]

Los impactadores inerciales funcionan mediante una técnica denominada impacto de placa sólida. Una corriente de aire que contiene partículas de diferentes tamaños se dirige a lo largo de un tubo hacia una placa metálica lubricada . El tubo presenta una esquina afilada que provoca que la corriente de aire salga en dirección opuesta a la placa. Debido a la inercia , las partículas más grandes continúan moviéndose en línea recta y chocan contra la placa, separándose de las partículas más pequeñas, que continúan su trayectoria a través de la curva como parte de la corriente de aire. [ 8 ] [ 4 ] La velocidad horizontal del aire tiene un efecto significativo en la separación, al igual que la gravedad. Se puede utilizar un sistema de control de flujo de aire para enviar aire a través del separador de partículas a la velocidad necesaria para separar las partículas en tamaños deseados. [ 34 ] Posteriormente, las partículas se pueden recolectar y retirar. Los impactadores inerciales se utilizan ampliamente para el muestreo de bioaerosoles. [ 8 ]

Un ciclón para la separación de polvo

Los separadores ciclónicos utilizan la impactación centrífuga , haciendo girar la corriente de gas para provocar colisiones de las partículas más pesadas contra la pared del ciclón. Los ciclones se utilizan a menudo como premuestreadores para eliminar selectivamente las partículas grandes. Se pueden conectar varias etapas para recolectar partículas de diferentes tamaños, pero esto conlleva el riesgo de pérdidas durante el transporte. [ 8 ]

Los mecanismos de filtración recolectan aerosoles mediante intercepción, impacto inercial, difusión, gravedad y atracción electrostática. La filtración puede aplicarse y especializarse a una amplia gama de tamaños de partículas, y se utiliza frecuentemente para el muestreo de bioaerosoles de partículas menores de 1 μm. Los muestreadores que utilizan filtración suelen diseñarse en tamaños pequeños. [ 35 ]

La técnica de impacto líquido recoge directamente los aerosoles en un fluido de recolección. Presenta una alta eficiencia de retención, pero los resultados pueden verse afectados por la evaporación del fluido con el tiempo. Esta técnica generalmente no es apropiada para el muestreo de grandes volúmenes. [ 8 ]

Usos

Los muestreadores de material particulado (PM) se utilizan para evaluar la presencia y las características del material particulado en una amplia variedad de entornos. Esta información puede utilizarse de diversas maneras. [ 36 ]

Monitoreo y evaluación de la contaminación del aire

  • Determinación de la concentración de masa: Se pesan muestras de filtro para evaluar los niveles generales de contaminación por partículas. [ 37 ]
  • Evaluación del cumplimiento de las normas de calidad del aire: Los organismos reguladores como la EPA utilizan muestras de PM para monitorear la calidad del aire y garantizar el cumplimiento de las normas establecidas para los tamaños de partículas (por ejemplo, PM 2.5 , PM 10 ). [ 19 ]
  • Evaluación de las fuentes de contaminación: El análisis químico de muestras de PM ayuda a identificar las fuentes de contaminación, como las actividades industriales, el tráfico, la quema de biomasa y las fuentes naturales como los incendios forestales y las tormentas de polvo. [ 38 ] [ 19 ]
  • Monitorización en tiempo real: Instrumentos como las microbalanzas oscilantes de elemento cónico (TEOM) y los monitores de atenuación beta (BAM) proporcionan mediciones continuas y en tiempo real de la concentración de masa de PM. [ 7 ]

Investigación en salud y evaluación de riesgos

  • Evaluación de los impactos en la salud: Las muestras de PM se utilizan en estudios epidemiológicos para comprender la relación entre la exposición a diferentes tipos de PM y problemas de salud como enfermedades respiratorias y cardiovasculares. [ 39 ] [ 40 ]
  • Estudio de los efectos biológicos: Los investigadores recolectan muestras de PM en experimentos de laboratorio toxicológico para investigar cómo los contaminantes específicos afectan a las células y los tejidos. [ 39 ]
  • Evaluación de riesgos: La comparación de datos de laboratorio con escenarios de exposición en el mundo real ayuda a evaluar los riesgos potenciales para la salud asociados con las PM. [ 39 ] [ 41 ]

Investigación atmosférica y estudios climáticos

  • Caracterización de las condiciones atmosféricas: Las muestras de PM ayudan a comprender los procesos atmosféricos, la calidad del aire y el cambio climático global. [ 42 ] [ 43 ]
  • Seguimiento de procesos atmosféricos: Las composiciones isotópicas [ 44 ] y los radionúclidos como el 210Pb en muestras de PM pueden utilizarse como trazadores para estudiar el transporte atmosférico y los tiempos de residencia. [ 45 ]

Aplicaciones industriales

  • Monitoreo de emisiones industriales: Los muestreadores de aire industriales recolectan muestras de PM para identificar y cuantificar contaminantes, [ 36 ] asegurando el cumplimiento de las regulaciones ambientales [ 19 ] y evaluando la efectividad de los sistemas de recolección de polvo como filtros de mangas, [ 46 ] precipitadores electrostáticos, [ 47 ] separadores inerciales y lavadores húmedos. [ 48 ]
  • Control de calidad del producto: Las pruebas de partículas en los procesos de fabricación ayudan a determinar la limpieza y la estabilidad de las soluciones en los productos farmacéuticos. [ 49 ]

Identificación y caracterización de la contaminación

  • Investigación de la calidad del aire interior : Las muestras de PM ayudan a identificar las fuentes de contaminación del aire interior, incluidos los alérgenos, y orientan las estrategias para mejorar la calidad del aire interior. [ 50 ] [ 51 ]
  • Análisis de contaminantes en materiales: Se utilizan técnicas como la microscopía para identificar y caracterizar contaminantes particulados en diversos materiales, incluidos los productos farmacéuticos, para determinar su tamaño, forma y composición química. [ 49 ]

Véase también

Referencias

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  • Muestreo de polvo respirable de MSHA - En YouTube