MUESTREADOR POR ASPIRACIÓN PARA PARTÍCULAS ATMOSFÉRICAS MICROMÉTRICAS DEPOSITADAS EN VÍAS DE TRÁFICO.

La presente invención divulga un muestreador por aspiración para partículas atmosféricas micrométricas depositadas en vías de tráfico que comprende un tubo antiestático de muestreo,

una cámara de deposición que por uno de sus dos extremos está conectada al tubo antiestático de muestreo, un sistema de elutriación horizontal que por uno de sus dos extremos está conectado al otro extremo de la cámara de deposición y un portafiltro que por uno de sus dos extremos está conectado al otro extremo del sistema de elutriación horizontal, de manera que la muestra que contiene partículas atmosféricas depositadas en una superficie es aspirada a través del tubo antiestático de muestreo y, finalmente, las partículas atmosféricas con un diámetro aerodinámico medio igual o inferior a valor predeterminado seleccionado entre un valor de 10 μm y un valor de 2.5 μm son recogidas en un filtro para su posterior caracterización gravimétrica y química.

Muestreador por aspiración para partículas atmosfericas micrométricas depositadas en vias de tráfico.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención proporciona un dispositivo que permite cuantificar la carga de contaminantes particulados (masa/m2) , y más concretamente las concentraciones de PM10 y PM2.5, gracias al muestreo directo in situ de las partículas con tamaño aerodinámico medio inferior a los 10 µm (PM10) ó 2.5 µm (PM2.5) . El muestreo se lleva a cabo por aspiración de un metro cuadrado de superficie de vía de tráfico. Las partículas se recogen en filtros, cuyo análisis gravimétrico permite obtener la masa de PM10 ó PM2.5 por metro cuadrado. Después del análisis gravimétrico, el filtro queda disponible para llevar a cabo la caracterización química que se necesite (metales, carbono, HPAs etc.) , así se obtendrá una estimación de la carga de cada contaminante por unidad de superficie.

La presente invención se encuadra dentro del área de la Técnica del sector mecánico aplicado a la medición, y más concretamente a la segregación y muestreo de partículas depositadas con diámetro aerodinámico medio inferior a 10 µm ó 2.5 µm.

El área de aplicación de la presente invención es el sector medioambiental. Las partículas con diámetro aerodinámico medio inferior a 10 µm ó 2.5 µm tienen efectos adversos tanto en la salud como en el medio-ambiente. La aplicación de este instrumento incluye los campos medio-ambiental y toxicológico.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La invención es novedosa porque representa un avance importante en las técnicas de medida y muestreo de las partículas respirables (con diámetro aerodinámico medio inferior a 10 µm) depositadas en superficies. Si bien su aplicación es múltiple, su principal enfoque es el muestreo en superficies asfaltadas. Considerando dicho enfoque se presenta a continuación el estado de la técnica para esta específica aplicación.

Actualmente no existe un instrumento que permita cuantificar la carga contaminante de partículas <10 µm (ó <2.5 µm) y de sus componentes (metales, carbono, HPAs etc.) por unidad de superficie asfaltada (µg/m2) . Estos parámetros son muy importantes si se pretenden considerar los efectos de la re-suspensión inducida por el tráfico o las industrias en la calidad del aire en zonas donde haya exposición a la población.

Por lo tanto los instrumentos o procedimientos que se siguen en estudios rutinarios son incompletos (se aproximan al objetivo, midiendo parámetros alternativos) y en algunos casos muy inciertos.

Existe un sólo instrumento (PI-SWERL) en el mercado que permite cuantificar la carga contaminante de partículas <10 µm por unidad de superficie, mientras que el prototipo (WDS) tiene características y objetivos diferentes.

El PI-SWERL (U.S. Pat. No. 7, 155, 966. Autores: George Nikolich y Vic Etyemezian) ha sido desarrollado en DRI (Nevada) y patentado por la compañía Quant LLC en Julio 2008. Consiste en la re-suspensión in situ de todas las partículas depositadas en una cámara semi-cilíndrica abierta en su parte inferior (en contacto con la superficie de muestreo) . La re-suspensión se efectúa a través de un disco rotante y un fotómetro laser cuenta las partículas del tamaño <10µm. A través de unas asunciones relativas a la densidad de las partículas estima la concentración de masa de partículas <10 µm en volumen de aire y estima así su concentración por unidad de superficie. Este instrumento no incluye un sistema de filtro para recoger las partículas <10µm que permita por tanto su caracterización físico-química. Teóricamente se podría utilizar el filtro de exhaust del contador de partículas (Dust Track 8530) pero no hay estudios publicados que lo demuestren.

Publicaciones relacionadas:

1. User’s Guide for the Miniature Portable In-Situ Wind ERosion Lab (PI-SWERL) DUST-QUANT LLC Las Vegas, Nevada, U.S.A.

2. Sweeney, M., Etyemezian, V., Macpherson, T., Nickling, W.G., Gillies, J.A., Nikolich, G. and McDonald, E. (2008) . Comparison of PI-SWERL with dust emission measurements from a single-line field wind tunnel. Journal of Geophysical Research, doi:10.1029/2007JF000830.

3. Etyemezian, V., Nikolich, G., Ahonen, S., Pitchford, M., Sweeney, M., Purcell, R., Gillies, J.A., Kuhns, H. (2007) . The Portable In-Situ Wind ERosion Laborator y (PI-SWERL) : A new method to measure PM10 windblown dust properties and potential for emissions. Atmospheric Environment 41, 3789-3796.

El WDS (Wet dust sampler) es un prototipo desarrollado por VTI (Suecia) y no está patentado. Este prototipo permite muestrear las partículas totales (sin ninguna segregación por tamaño de partículas) depositadas en el firme de rodadura a través de un muestreo en solución acuosa. La solución puede ser tratada en laboratorio según dos diferentes procedimientos alternativos:

a) filtración para dividir las especies solubles de las no solubles. Así es posible cuantificar la carga contaminante total (sin segregación de las partículas <10µm) de especies solubles y no solubles; para determinar la carga de las especies solubles se necesitaría un análisis de Cromatografía Iónica; o,

b) si no se efectúa filtración, la muestra líquida puede ser utilizada para conocer la distribución de tamaño de las partículas a través de técnicas laser. Se puede así estimar la carga contaminante del componente particulado insoluble <10µm, pero no de las partículas solubles y sobre todo no de cada componente (metales, carbono, HPAs etc.) , fundamental para un estudio completo.

Por lo tanto, dada la general ausencia de instrumentación en el mercado, los procedimientos que se siguen normalmente consisten en metodologías rudimentales que se llevan a cabo entre el lugar de muestreo y el laboratorio. Estos procedimientos permiten la caracterización química de la materia particulada total depositada pero no la segregación ni la cuantificación por unidad de superficie.

Las técnicas más rudimentales consisten en un simple barrido de los sedimentos totales (con un cepillo) y posterior caracterización química. En otros casos, posteriormente al barrido manual in situ, se han llevado a cabo extracciones de la fracción <10 µm en laboratorio (Han et al., 2007; Manno et al., 2006; Ho et al., 2003, Zhao et al., 2006; Chow et al., 2004) . Sin embargo estas medidas son muy inciertas, debido al hecho que la gran mayoría de las partículas más finas se ha perdido entre las operaciones de muestreo y transporte en bolsas de plástico.

En este sentido cabe destacar las siguientes publicaciones:

• Han L., Zhuang G., Cheng S., Wang Y., Li J., 2007. Characteristics of re-suspended road dust and its impact on the atmospheric environment in Beijing. Atmospheric Environment, 41 (35) , 7485-7499

• Ho K.F., Lee S.C., Chow J.C., Watson J.G., 2003. Characterization of PM10 and PM2.5 source profiles for fugitive dust in Hong Kong. Atmospheric Environment, 37, 1023–1032

• Manno E., Varrica D., Dongarra G., 2006. Metal distribution in road dust samples collected in an urban area close to a petrochemical plant at Gela, Sicily. Atmospheric Environment 40, 5929–5941

• Zhao P., Feng Y., Zhu T., Wu J., 2006. Characterizations of resuspended dust in six cities of North China. Atmospheric Environment, 40, 5807–5814.

• Chow J.C., Watson J.G, Kuhns H., Etyemezian V., Lowenthal D.H., Crow D., Kohl S.D., Engelbrecht J.P., Green M.C., 2004. Source profiles for industrial, mobile, and area sources in the Big Bend Regional Aerosol Visibility and Observational study. Chemosphere, 54, 185–208.

En el estado de la técnica también se divulgan métodos de filtración de micropartículas como el divulgado en la solicitud de patente con número de publicación US-A-5, 894, 096. En su descripción se menciona un método de filtración de una micropartícula en suspensión a través de una rejilla con agujeros calibrados cuyo diámetro es menor al de las dimensiones de las micropartículas. Aunque este documento podría ser utilizado por un experto en la materia con el U.S. Pat. No. 7, 155, 966, dicha combinación sería descartada puesto que el US-A-5, 894, 096 se refiere a partículas micrométricas de gran tamaño (mayores a 250 µm) y no a partículas micrométricas de pequeño tamaño (menores a 10 µm) que exigen técnicas de corte no divulgadas en dicho documento US-A-5, 894, 096. Ello se deduce de que US-A-5, 894, 096 utiliza tamices, y hasta donde conocen los inventores de la presente invención, no existen tamices que permitan seleccionar partículas inferiores a 10 µm.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Es...

1. Muestreador (1) por aspiración para partículas atmosféricas micrométricas depositadas en vías de tráfico caracterizado porque comprende:

un tubo antiestático de muestreo (2) ; una cámara de deposición (3) que por uno de sus dos extremos está conectada al tubo antiestático de muestreo (2) ;

un sistema de elutriación horizontal (4) que por uno de sus dos extremos está conectado al otro extremo de la cámara de deposición (3) ; y,

un portafiltro (5) que por uno de sus dos extremos está conectado al otro extremo del sistema de elutriación horizontal (4) ; el portafiltro (5) comprende un filtro (5A) ;

de manera que la muestra que contiene partículas atmosféricas depositadas en una superficie es aspirada a través del tubo antiestático de muestreo (2) , el cual transporta dichas partículas atmosféricas hasta la cámara de deposición (3) donde dichas partículas atmosféricas con un diámetro aerodinámico medio superior a un primer valor predeterminado son separadas por sedimentación; las partículas atmosféricas con un diámetro aerodinámico medio igual o inferior al primer valor predeterminado siguen su recorrido hasta el sistema de elutriación horizontal (4) donde las partículas atmosféricas con un diámetro aerodinámico medio superior a un segundo valor predeterminado son depositadas; las partículas atmosféricas con un diámetro aerodinámico medio igual o inferior al segundo valor predeterminado siguen su recorrido hasta quedar atrapadas en el filtro (5A) .

2. Muestreador según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho muestreador adicionalmente comprende una bomba de vacío rotativa (7) conectada al otro extremo del portafiltro (5) que realiza la aspiración de la muestra de partículas atmosféricas.

3. Muestreador según la reivindicación 2, caracterizado porque dicho muestreador adicionalmente comprende una válvula (8) y un caudalímetro (9) situados en un tubo (6) que une la bomba de vacío rotativa (7) y el portafiltro (5) , tal que mediante dicha válvula y dicho caudalímetro el caudal de la bomba de vacío rotativa (7) es controlado.

4. Muestreador según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sistema de elutriación horizontal (4) comprende un conjunto de láminas equidistantes delgadas (4A) sobre las que se depositan las partículas atmosféricas con un diámetro aerodinámico medio superior al segundo valor predeterminado.

5. Muestreador según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el segundo valor predeterminado del diámetro aerodinámico medio de las partículas atmosféricas está seleccionado entre un valor de 10 µm y un valor de 2.5 µm.

6. Muestreador según la reivindicación 5, caracterizado porque la bomba de vacío rotativa (7) tiene un caudal de aire seleccionado entre 20 l/min y 30 l/min y entre 3 l/min y 7 l/min cuando el segundo valor predeterminado del diámetro aerodinámico medio de las partículas atmosféricas es 10 µm y 2.5 µm, respectivamente.

7. Muestreador según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la cámara de deposición (3) está fabricada en metacrilato o PVC.