1 Muestreo de Contaminantes con Monitores de PM ContinuosElaborada por: Joey V. Landreneau, Alison E. Ray Sonoma Technology, Inc. Petaluma, California Para el: Curso Regional sobre Aseguramiento de la Calidad de las Mediciones de Inmisiones y Emisiones de Contaminantes de Aire Universidad Nacional, Costa Rica 30 Marzo – 03 Abril 2009

2 Temas Evolución del Muestreo de Material ParticuladoLey de Aire Limpio (Clean Air Act) Establecimiento de los Métodos Equivalentes Federales (Federal Equivalent Methods – FEM) Métodos de Muestreo Control ambiental Monitores de PM Automáticos Monitor de microbalanza coniforme oscilante (tapered element oscillating microbalance – TEOM) Monitor de atenuación beta (beta attenuation monitor – BAM) Criterios de Ubicación Captura de Datos Aseguramiento y Control de Calidad

3 Evolución del Muestreo de Material Particulado (1 de 3)El desarrollo del esquema moderno de medición horaria de material particulado ha sido impulsado por: La normativa vigente Tecnologías modernas El deseo de entender las causas y fuentes del material particulado. El deseo generalizado de emplear los datos en tiempo real para la toma de decisiones relacionadas con la salud pública.

4 Evolución del Muestreo de Material Particulado (2 de 3)Ley de Aire Limpio (1970) Ley de Política Ambiental Nacional que creó la Agencia de Protección Ambiental (EPA) de Estados Unidos (2 de mayo de 1971). Normas Nacionales para la Calidad del Aire Ambiental (National Ambient Air Quality Standards – NAAQS) para TSP, SO2, NO2, CO y O3. 1988: Método de Referencia Federal (FRM) establecido para el PM10 integral. 1990: FEM establecido para el PM10 continuo. 2008: FEM establecido para el PM2.5 continuo.

5 Evolución del Muestreo de Material Particulado (3 de 3)1970 TSP Hi-Vol 1988 PM10 Hi-Vol 1994 FRM: PM10 47 mm 1990 PM10 Continuo 1998 FRM: PM2.5 2002 Muestreador Ciclónico de Corte Agudo (Very Sharp Cut Cyclone – VSCC) 2008 FEM: PM2.5 Continuo

6 Monitores Horarios de PM en Gabinetes PequeñosAn evaluation of the Sample Equilibration System (SES) TEOM was concluded prior to our evaluation of the FDMS and BAM instruments. The evaluation of the SES which incorporated the sample drying technology in the FDMS suggested that the modification was a distinct improvement over a Standard 50 Deg C. TEOM but that additional improvement would be needed to meet FRM equivalency. As you can see in this picture we operate most of our continuous instruments in Outdoor Enclosures These cause some problems with instrument temperature control both in the summer as well as in the winter.

7 Métodos de Muestreo (1 de 5)Para establecer la validez básica de los datos producto del monitoreo del aire ambiental, se debe comprobar que: El método de muestreo propuesto cumpla con la normativa aplicable al monitoreo. Los equipos estén correctamente ubicados. Los equipos fueran correctamente calibrados con métodos de calibración reconocidos. El personal a cargo de la captura de datos haya sido debidamente capacitado y calificado.

8 Métodos de Muestreo (2 de 5)Control del ambiente: diseño de la estación de monitoreo Diseñado pensando en el operario(a) Seguridad Facilidad de acceso a los instrumentos Espacio de trabajo óptimo El objetivo es de optimizar la captura y la calidad de los datos al diseñar el recinto con base en las necesidades y requerimientos del personal. Evitar bodegas o cuartos de conserjería. Es difícil controlar los efectos de la temperatura, humedad, iluminación, vibraciones y químicos sobre los instrumentos.

9 Métodos de Muestreo (3 de 5)Control del ambiente: diseño de la estación de monitoreo (cont.) Se recomienda un recinto independiente y fuerte que sea protegido contra intrusos y vándalos. Ubicado en una área encercada o segura con portones cerrados con llave y pasillos seguros. Sujetado al cimiento y protegido contra daños en caso de desastres naturales. Revestido con aislamiento (R-19 como mínimo) para prevenir extremos de temperatura dentro del recinto. Previsto de suficientes circuitos eléctricos para abastecer a los equipos existentes más los que se podrían instalar en el futuro o bien algún equipo de prueba.

10 Métodos de Muestreo (4 de 5)Parámetros para un Ambiente Controlado Parámetro Fuente de Especificaciones Método de Control Vibración de los instrumentos Fabricante del equipo Diseño de los gabinetes de los equipos y diseño de los bancos, etc., de acuerdo con las especificaciones de los fabricantes. Iluminación Descripción del método o especificaciones del fabricante. Tapar los químicos o instrumentos que pueden ser afectados por la luz natural o artificial. Voltaje eléctrico Transformadores o reguladores de voltaje constante; líneas de abastecimiento independientes; aislar los equipos de alto amperaje como hi-vols, baños de calentamiento, o bombas para separarlos de los circuitos regulados. Temperatura Sistema regulado de aire acondicionado; termógrafo. Utilizar sólo equipos eléctricos para calefacción y enfriamiento. Humedad Sistema regulado de aire acondicionado; termógrafo.

11 Métodos de Muestreo (5 de 5)Ejemplo del Diseño de un Recinto Conduit para Cables Eléctricos Colector Impresora DAS Unidad A/C Mesa Pared Bastidor para Instrumentos Sensor de Temperatura Puertas

12 Monitores Automáticos de PM (1 de 4)Esquema Típico de un Sistema PM de Flujo Integral Toma con Separador Canasta del Filtro Flujómetro Controlador del Flujo Bomba

13 Monitores Automáticos de PM (2 de 4)Un sistema integrado para la medición de PM requiere: La equilibración del filtro previamente pesado. La instalación del filtro y su retiro del muestreador. Se requiere saber el volumen de aire que pasó por el filtro. La posterior equilibración y pesado del filtro, seguido por el cálculo de la concentración.

14 Monitores Automáticos de PM (3 de 4)El sistema de datos registra el volumen del flujo, la temperatura del filtro y del ambiente, la presión barométrica, y datos meteorológicos (velocidad y dirección del viento) para alertar al usuario cuando hay datos inválidos. La ventaja se da por la automatización del sistema de medición y la simplificación del sistema de datos y del sistema de flujo. Permite el reporte casi en tiempo real de las concentraciones de PM al público en general y a la comunidad científica.

15 Monitores Automáticos de PM (4 de 4)Métodos de Referencia / Métodos Equivalentes Los métodos de referencia o equivalentes ayudan a asegurar la confiabilidad de las mediciones de la calidad del aire, incluyendo: Facilidad de especificación Desempeño mínimo garantizado Mejores manuales instructivos Flexibilidad de aplicación Comparabilidad con otros datos Mayor credibilidad de las mediciones

16 Monitor de PM Tipo TEOM (1 de 7)Monitor de microbalanza coniforme oscilante (tapered element oscillating microbalance) Designado como FEM PM10 en 1990. Es un monitor de medición directa que pasa un flujo constante de aire ambiental por un filtro mientras pesa el filtro continuamente y calcula las concentraciones casi en tiempo real.

17 Monitor de PM Tipo TEOM (2 de 7)Toma Divisor del Flujo Tripié Techo TEOM 1405-F

18 Monitor de PM Tipo TEOM (3 de 7)Sistema de hardware TEOM para la medición de masa Toma para PM10 (se puede agregar una toma para PM2.5) Contraladores de flujo Flujo principal – 3.0 Lpm Flujo total – 16.7 Lpm Unidad sensora con Sistema de Medición Filter Dynamics (FDMS™) Divisor del flujo Enfriador del aire con filtro Secador Válvulas conmutadoras para dirigir los flujos por el sistema La unidad FDMS™ automáticamente genera mediciones de concentración (en µg/m3) que detectan los compo-nentes del PM no volátiles y volátiles.

19 Monitor de PM Tipo TEOM (4 de 7)Ventajas Medición directa mediante el principio del pesado de una masa inerte. Estándar para medición de masa rastreable al NIST. Casi en tiempo real. Sensibilidad para detectar variaciones menores a un microgramo. El equipo puede obtener mediciones por unos 21 días (a 50 µg/m3) sin intervención humana. El nuevo sistema (FDMS™) detecta partículas volátiles y no volátiles ambas.

20 Monitor de PM Tipo TEOM (5 de 7)Transductor de masa tipo TEOM Tubo de cristal coniforme con la base sujetada. La parte superior con el filtro TEOM queda libre a oscilar. El flujo de aire a muestrear pasa por el filtro y baja por el tubo. El tubo se oscila con precisión a su frecuencia natural, parecido a un diapasón. Sistema es de frecuencia resorte y masa. El material particulado se acumula en el filtro y la frecuencia de oscilación se reduce de manera proporcional a la concentración de PM.

21 Monitor de PM Tipo TEOM (6 de 7)Transductor de Masa Flujo de Muestreo Cartucho Reemplazable con Filtro TEOM Elemento Coniforme Al Controlador de Flujos Amplificador de Impulso del Elemento Coniforme Frecuencímetro

22 Monitor de PM Tipo TEOM (7 de 7)Cambio del Filtro El filtro nuevo debe estar entre el 15% y el 30% de vida útil. Se cambia el filtro cada ~21 días a 50 µg/m3 de PM10. Cuando el filtro llega al ≥ 90% de vida útil, el equipo avisa para el cambio. Los filtros nuevos deben mantenerse en un ambiente controlado. Filtro TEOM Filtros TEOM Acondicionados

23 Monitor de PM Tipo BAM (1 de 3)Monitor de atenuación beta Se mide el paso de los rayos beta por un filtro cinta limpio. El aire con partículas es muestreado, quedando las partículas depositadas en la cinta. Se mide de nuevo el paso de los rayos beta por el filtro sucio. La diferencia entre las dos lecturas es proporcional a la concentración de masa.

24 Monitor de PM Tipo BAM (2 de 3)Ventajas La tecnología beta prácticamente no se ve afectada por la composición química de las partículas capturadas durante el muestreo. La técnica de atenuación beta es sencilla, fácil de usar, y requiere una menor frecuencia de cambio de filtros. El isótopo 14C (isótopo radioactivo de carbono a 60 mCi) no requiere de permisos especiales. Medición horaria casi en tiempo real.

25 Monitor de PM Tipo BAM (3 de 3)El sistema de flujo del BAM-1020 consiste de unos componentes sencillos: toma/boquilla sensores (temp/HR/PB) filtro preliminar sensor de flujo de masa controlador de flujos (bomba externa)

26 Instalación del Monitor Tipo BAM (1 de 6)Se recomienda montarlo sobre un banco Se requiere un colector de admisión vertical, por lo que no es factible colocar un monitor PM10 y un monitor PM2.5 uno encima del otro. Tampoco conviene instalar dos monitores juntos porque las dos tomas quedan demasiado cerca la una de la otra. El alineamiento perpendicular es indispensable para evitar el desalineamiento entre el tubo de admisión, el soporte de la brida del techo, y la toma en la parte superior del monitor.

27 Instalación del Monitor Tipo BAM (2 de 6)Se recomienda montarlo sobre un banco (cont.) El mal alineamiento permite fugas de agua en la brida del techo. El empaque de hule de la brida debe quedar alineado con escuadra para lograr un buen sello. Lo más importante es tomar en cuenta que el esfuerzo transversal aplicado a los aros tóricos (empaques en O) puede permitir fugas de aire, ocasionando la reprobación de las pruebas de fuga rutinarias. Una vez que las tomas estén correctamente alineadas (todo a nivel y con libre rotación del tubo de admisión ya instalado), se sujeta el monitor con soportes angulares para evitar que los técnicos de campo alteren el alineamiento mediante el desplazamiento involuntario del monitor.

28 Instalación del Monitor Tipo BAM (3 de 6)Esquema típico para la instalación de un Monitor BAM-1020

29 Instalación del Monitor Tipo BAM (4 de 6)Filtro Cinta y Boquilla

30 Instalación del Monitor Tipo BAM (5 de 6)Filtro Cinta y Boquilla Boquilla en posición superior Tranca Area de Muestreo y Medición Rodillo Prensor Rodillo Izquierdo Rodillo Derecho Cabrestante Rodillo Tensor Rodillo Tensor Filtro Cinta Núcleo Receptor Carrete Receptor Carrete de Abastecimiento Tapas Transparentes con Perilla

31 Instalación del Monitor Tipo BAM (6 de 6)Ejemplo de un Monitor Automático Tipo BAM Montado en un Banco

32 Mantenimiento de la BoquillaLimpieza de la Boquilla Nozzle components Aplicador de Algodón Boquilla Tapa

33 Lineamientos Generales para la Ubicación de la TomaLa toma no debe ubicarse cerca de una salida de aire (p.ej., un extractor). La toma no debe ubicarse cerca de obstáculos físicos como chimeneas que podrían afectar el flujo de aire alrededor de la toma. La altura de la toma sobre el suelo depende del contaminante objeto de la medición.

34 Captura de Datas Alternativas para el sistema de captura de datos (DAS) Sistema con microprocesador capaz de registrar las lecturas PM en formato análogo o digital. Descarga de datos manual por personal que visita cada punto de monitoreo o bien en forma remota vía telemetría. Modem Conectividad por Ethernet Servicio de Internet inalámbrico

35 Captura de Datos: Registro de Concentraciones PM y Flujo

36 Captura de Datos: Despliegue Dinámico de Datos Numéricos

37 Aseguramiento y Control de Calidad (1 de 4)El objetivo de un sistema de aseguramiento de calidad es que: Los programas ambientales y decisiones tengan el respaldo con datos del tipo y calidad necesarios para la aplicación proyectada. Las decisiones y aplicaciones relacionadas con las tecnologías ambientales sean respaldadas por estándares y prácticas ingenieriles de calidad debida- mente asegurada.

38 Aseguramiento y Control de Calidad (2 de 4)Ciclo de Vida de un Proyecto Los resultados sirven de in-sumo para futuras investi-gaciones Planificación Documentos de planifica-ción, criterios de desem-peño, procedimientos estandarizados de operación Producto o Decisión Implementación y Seguimiento Análisis estadístico y conclusiones científicas Capturar datos con la correspondiente información sobre la calidad de los datos Evaluación y Mejoramiento

39 Aseguramiento y Control de Calidad (3 de 4)Aseguramiento de Calidad Sistema integral de actividades administrativas Incluye la planificación, implementación, evaluación, reporteo y mejoramiento Asegura que los datos sean del tipo requerido y del nivel de calidad requerido. Proceso generalmente aplicado por el personal administrativo o técnico. Ejemplos: Evaluación del desempeño de equipos técnicos Evaluación de la administración de un proyecto

40 Aseguramiento y Control de Calidad (4 de 4)Sistema general de actividades técnicas Mide el desempeño de un proceso o instrumento contra estándares definidos. Verifica que el desempeño cumpla con requerimientos establecidos. Proceso generalmente aplicado por personal técnico. Ejemplos: Pruebas de desempeño para instrumentos de campo Revisión de datos

41 Ejemplo de Control de Calidad: Monitor TEOMPasos esenciales para el funcionamiento correcto de un monitor tipo TEOM: Chequeo mensual Verificación del flujo total y de los flujos muestreados Flujo total (16.03 ≤ 16.7 ≥ Lpm) Flujo principal (2.88 ≤ 3.0 ≥ 3.12 Lpm) Prueba de fugas Flujo total ≤ 0.6 Lpm Flujo principal ≤ 0.15 Lpm Verificación de la temperatura ambiental (± 2ºC) Verificación de la presión ambiental (± 10 mmHg) Limpiar la toma y el impactor virtual Cambiar el filtro TEOM y el filtro de 47 mm

42 Ejemplo de Control de Calidad: Monitor BAM (1 de 3)Pasos esenciales para el funcionamiento correcto de un monitor tipo BAM: Chequeo quincenal Verificación del flujo 16.03 ≤ 16.7 ≥ Lpm Optimizar el desempeño de la toma y del VSCC para garantizar la medición correcta del material particulado. Prueba de fugas: ≤ 1.0 Lpm Prueba de fugas después de la limpieza: ≤ 0.5 Lpm Después de la prueba de fugas, el muestreador debe indicar valores de concentración positivos y el volumen de flujo correcto (16.67 lt/m).

43 Ejemplo de Control de Calidad: Monitor BAM (2 de 3)Pasos esenciales para el funcionamiento correcto de un monitor tipo BAM: (cont.) Limpieza de la boquilla Cuando se detecta una falla durante la prueba de fugas Cuando se cambia el filtro cinta Chequeo mensual Verificación de la temperatura ambiental (± 2ºC) Verificación de la presión ambiental (± 10 mmHg) Limpiar la toma y el VSCC

44 Ejemplo de Control de Calidad: Monitor BAM (3 de 3)

45 Resumen del Monitoreo de PMLas tecnologías modernas pueden proporcionar lecturas horarias de las concentraciones de material particulado. Los sistemas modernos de captura de datos reportan datos casi en tiempo real. La idoneidad del sitio y la ubicación correcta del monitor son factores indispensables. El aseguramiento de calidad es un componente importante.

46 Enlaces de Referencia (1 de 2)Descripción general del Sistema de Calidad de la EPA para los Datos y Tecnologías Ambientales Manual de Aseguramiento de Calidad para los Sistemas de Medición de Contaminantes Atmosféricos Manual de Aseguramiento de Calidad para los Sistemas de Medición de Contaminantes Atmosféricos (Vol. II) Manual de Aseguramiento de Calidad para los Sistemas de Medición de Contaminantes Atmosféricos (Vol. IV) * Nota: Todos los sitios de referencia están en inglés.

47 Enlaces de Referencia (2 de 2)Documentos generales de la EPA sobre sistemas de calidad Red de Transferencia Tecnológica del Centro de Información sobre Tecnologías de Monitoreo Ambiental (AMTIC) Memorandos sobre Políticas y Lineamientos Técnicos Calculador Estadístico para la Evaluación de Datos Métodos Equivalentes y de Referencia para Contaminantes Específicos * Nota: Todos los sitios de referencia están en inglés.

48 Fuentes BibliográficasMet One Instruments, Inc. (2008) BAM 1020 Particulate Monitor Operation Manual (Manual del Operario para el Monitor de Material Particulado BAM 1020). BAM , Rev. G. Thermo Fisher Scientific (2008) TEOM® 1405-F Ambient Particulate Monitor with FDMS™ Operating Guide (Manual del Operario para el Monitor del Material Particulado Ambiental TEOM® 1405-F con el Sistema FDMS™) Revisión A.000, febrero 2008. Felton D., Rattigan O., Demerjian K., y Schwab J. (2005) New York State Urban and Rural Measurements of Continuous PM-2.5 Mass by FDMS, TEOM, and BAM: Evaluation and Comparisons with the FRM (Medición Continua de PM2.5 en Zonas Urbanas y Rurales del Estado de Nueva York con Equipos FDMS, TEOM y BAM). Presentado en la Conferencia de la AAAR en Atlanta, Georgia, 7-11 de febrero, y en la Conferencia de NESCAUM MAC en mayo por NYSDEC y SUNYA-ASRC en Albany, Nueva York. Hart D. (2005) Beta Attenuation Mass Monitors: A Discussion of Technology (Monitores de Atenuación Beta: Una Discusión de la Tecnología). Presentado por Met One Instruments, Inc.