Este documento muestra los resultados del modelo de receptor Chemical Mass Balance, a las concentraciones de compuestos orgánicos volátiles encontradas en la ciudad de México.
El modelo se alimentó con la información de concentraciones ambientales obtenidas en campañas de muestreo realizadas en diferentes sitios de la ciudad en marzo de 1997 y con los perfiles de emisión de las principales fuentes de compuestos orgánicos volátiles desarrollados por el Instituto Mexicano del Petróleo (IMP). Los resultados del modelo indicaron que las fuentes con mayor contribución fueron: autos de gasolina con 39 por ciento, vehículos de diesel con 17.8 por ciento, el manejo y distribución de Gas Licuado de Petróleo (GLP) con 16.9 por ciento y el proceso de asfaltado de calles con 17.2 por ciento (valores promedio para la ciudad). Cabe destacar que esta información es útil en el diseño de estrategias de control de la contaminación, sin embargo los resultados de este trabajo sólo se aplican al periodo de estudio.
Los Compuestos Orgánicos Volátiles (COV) (definidos como hidrocarburos con 2 a 12 átomos de C), son contaminantes que participan activamente en la formación de contaminantes secundarios como el ozono, y debido a sus características tóxicas o mutagénicas, pueden representar un riesgo a la salud del hombre.
A pesar de su importancia, el estudio de los COV en nuestro país es relativamente reciente. Los principales trabajos han sido realizados por el IMP, con participación de otras instituciones tanto nacionales como extranjeras. Desde los primeros estudios, realizados en 1992 y que estuvieron enfocados a determinar tanto las especies químicas como las concentraciones en la atmósfera, se definieron más de 200 especies cuyas concentraciones dependieron del uso de suelo del sitio. Por ejemplo, en la zona industrial de Xalostoc se han encontrado las concentraciones más altas de tolueno, mientras que en la zona comercial y de servicios de La Merced se han reportado las concentraciones más altas de etileno-acetileno, que representan a las emisiones de vehículos automotores. También se ha observado que las especies más abundantes son el propano, n-butano, tolueno, i-pentano, i-butano, i-hexano, MTBE, benceno, etano y propileno. Con estas especies se puede representar más de la mitad de la concentración total de los COV (figura 1).
Un aspecto que dificulta el estudio y control de los COV es la gran diversidad de fuentes y procesos que los emiten a la atmósfera, entre los que se incluyen los gases de escape y las emisiones de vapor de los automóviles, la evaporación de gasolina, los procesos industriales, la distribución de GLP y el uso de disolventes a escala doméstica e industrial.
Si bien las fuentes de emisión están identificadas y cuantificadas en el Inventario de Emisiones de la ciudad de México, la información que proporciona ese catálogo resulta limitada porque reporta las emisiones en toneladas de contaminante por año y no especifica la composición química de las emisiones. La determinación de la composición química de las fuentes (también llamado perfil de emisión) es importante porque permite identificar las fuentes que emiten compuestos de interés ya sea por su reactividad o toxicidad.
Además, el contar con perfiles de emisión hace posible el uso de modelos de receptor, con los cuales se determina la contribución de cada fuente a la contaminación medida en el ambiente.
Los estudios de distribución de fuentes de COV en México han sido realizados en el IMP mediante el uso del modelo de receptor Chemical Mass Balance (CMB), tarea que ha requerido tanto la determinación de los perfiles de emisión como la medición de las concentraciones ambientales de COV en la ciudad de México. Los resultados del modelo para las concentraciones medidas en marzo 1997 en diferentes sitios de la ciudad son descritos en este documento.
Recolección y análisis de muestras de cov
Las muestras ambientales fueron recolectadas durante la campaña de monitoreo realizada del 11 al 23 de marzo de 1997 por el IMP, en colaboración con el Instituto de Investigaciones del Desierto de Reno (DRI, por sus siglas en inglés), en Nevada, Estados Unidos, como parte de las actividades del proyecto «Investigación sobre la Materia Particulada y Deterioro Atmosférico».
El objetivo de la campaña fue determinar las concentraciones de COV y de partículas en la atmósfera de 3 sitios de la ciudad de México: Xalostoc (noreste de la ciudad), La Merced (zona centro) y Pedregal (zona suroeste). Cada sitio representa un diferente tipo de uso de suelo, Xalostoc es principalmente industrial, La Merced es comercial y de servicios y Pedregal es zona habitacional. El horario para la toma de muestras de COV fue de las 6:00 a las 9:00 horas, como tradicionalmente se ha hecho en años anteriores por el IMP. Para la recolección de muestras se emplearon recipientes de acero inoxidable, llamados canisteres, siguiendo el protocolo TO-14 establecido por la Agencia de Protección al Ambiente (EPA, por sus siglas en inglés) de EU para el muestreo y análisis de compuestos orgánicos volátiles.
Los canisteres están tratados con un proceso de pulido electroquímico denominado SUMMA, que evita la interacción o reactividad de la mezcla de gases con la superficie interna del contenedor para garantizar la integridad de la muestra. Los canisteres se llenaron con ayuda de equipos portátiles de bombeo automáticos y programables provistos de controladores de flujo másico para dosificar la alimentación de aire al contenedor.
De igual manera, las muestras de emisiones de fuentes han sido recolectadas en canisteres durante diversas campañas de medición. El análisis de las muestras de COV, tanto ambientales como de fuentes, se efectuó en el laboratorio de Química Atmosférica del IMP mediante cromatografía de gases con detección de ionización de flama (CG-DIF).
Preparación de bases de datos
A partir de la información proporcionada por el laboratorio (que determinaron casi 300 especies de COV en cada muestra), se extrajeron 62 compuestos que fueron seleccionados conforme al protocolo del modelo CMB. Con estas especies se representó el 85 por ciento en promedio de la concentración total de COV. Las especies consideradas en el estudio se muestran en la tabla 1.
Determinación de perfiles de emisión
El perfil de emisión es la caracterización química de las emisiones de una fuente determinada, donde cada compuesto es expresado en fracción con respecto al total de la masa. El modelo requiere también del cálculo de la incertidumbre para cada compuesto, que es usada para determinar la contribución de las fuentes, como se menciona más adelante.
El modelo de balance de masa de especies químicas
El objetivo del CMB es utilizar la información sobre la composición química de las fuentes de un sitio determinado y los datos de la composición química del aire ambiente para cuantificar la contribución de cada una de las fuentes a la masa total y a cada especie medida en el ambiente. El CMB determina entonces la contribución de cada fuente y la incertidumbre del cálculo.
Aunque se han propuesto varios métodos de solución para las ecuaciones del CMB, actualmente se emplea el método de mínimos cuadrados ponderados por varianza efectiva propuesto por Watson en 1984. Este método se prefiere, porque teóricamente produce las mejores soluciones a las ecuaciones del modelo, usa todas las mediciones químicas disponibles, no sólo las especies trazadoras, estima la incertidumbre de las contribuciones de las fuentes basando los cálculos en la incertidumbre tanto de los datos ambientales como de los perfiles de emisión y otorga una mayor influencia a las especies químicas con mayor precisión que aquellas con precisiones menores.
El CMB se basa en una serie de suposiciones las cuales se listan a continuación:
1) La composición química de las fuentes de emisión y del ambiente es constante durante el periodo de muestreo.
2) Las especies químicas no reaccionan entre ellas.
3) Todas las fuentes con potencial de contribución en el sitio receptor han sido identificadas y sus emisiones han sido caracterizadas.
4) El número de fuente o categorías de fuentes es menor o igual al número de especies químicas.
5) Los perfiles de fuentes son linealmente independientes entre sí.
6) Las incertidumbres de las concentraciones ambientales y de fuentes son al azar, no correlacionadas y distribuidas normalmente.
El grado en el cual estos supuestos sean cumplidos depende en gran medida de las propiedades de los gases medidos en los sitios receptor y fuente. Si bien las suposiciones son muy estrictas y pueden no cumplirse totalmente en la realidad, el CMB tolera desviaciones ligeras, aunque estas desviaciones incrementan la incertidumbre de las estimaciones de las contribuciones de las fuentes (Fujita, 1994).
