La calidad del aire que respiramos es un factor crítico para la salud pública y el medio ambiente, pero también un elemento clave en la gestión operativa y el cumplimiento normativo de numerosas actividades.
Uno de los contaminantes más vigilados por sus efectos adversos son las partículas en suspensión PM (por sus siglas en inglés “Particulate Matter”), especialmente las respirables (PM10), las finas (PM2.5) y las ultrafinas (UFP), sobre las que se ha puesto el foco en los últimos años gracias a las investigaciones más recientes.
En este artículo te ofrecemos una guía completa para saber cómo medir y controlar el material particulado, las tecnologías y normativas de aplicación y algunos casos prácticos en los que queda patente la importancia de estas mediciones.
En las siguientes secciones te guiaremos a través de:
- Origen y clasificación de las partículas PM
- ¿Por qué medir y controlar las partículas en suspensión?
- ¿Qué dice la legislación acerca de las partículas suspendidas en el aire?
- ¿Cómo se miden las partículas en el aire? Las tecnologías de monitorización más relevantes
- Medición de partículas en emisión
- Monitorización de material particulado en aire ambiente
- Medición de partículas en ambientes interiores
- ¿Dónde es importante medir las partículas PM? Ejemplo gráfico
- Conclusión y resumen de las mejores técnicas para medir partículas en emisión, inmisión y aire interior
¿Cómo se clasifican las partículas contaminantes del aire?
La atmósfera terrestre, además de oxígeno, nitrógeno, CO2 o vapor de agua, muestra en su composición otras sustancias que pueden dar origen a determinadas partículas contaminantes del aire.
La clasificación y efectos negativos de las partículas suspendidas varían en función de:
- Su naturaleza
- Su origen
- Su tamaño, siendo esta última la característica más importante.
La naturaleza y composición química de las partículas contaminantes del aire es muy variable y heterogénea: pueden ser sólidas o líquidas y estar compuestas por una mezcla compleja de sustancias de origen tanto orgánico como inorgánico.
La composición química del material particulado está condicionada, en gran medida, por las fuentes de emisión y las transformaciones que sufren durante su transporte atmosférico.
Básicamente y como exponen Li, Jin & Kan en su artículo de investigación son una “mezcla de sustancias químicas (hidrocarburos, sales y otros compuestos emitidos por vehículos, cocinas y la industria) y otros componentes naturales como el polvo y los microorganismos cuya toxicidad varía dependiendo del lugar y el tiempo”.
Si por el contrario nos fijamos en su origen, las partículas en suspensión pueden originarse tanto por causas naturales -como el polvo sahariano o los incendios forestales- como por actividades antropogénicas.
Las fuentes primarias liberan partículas directamente a la atmósfera, incluyendo emisiones de vehículos, actividades industriales o procesos agrícolas entre otros.
Por otro lado, las fuentes secundarias forman partículas indirectamente en la atmósfera a través de reacciones químicas entre los compuestos precursores gaseosos como el dióxido de azufre (SO2), los óxidos de nitrógeno (NOx), el amoníaco (NH3) y los compuestos orgánicos volátiles (COV).
Toda esta información la ampliamos en nuestro artículo “Contaminantes primarios y secundarios: estos son los más peligrosos”.
Las partículas en suspensión, comúnmente denominadas material particulado (PM), constituyen un grupo heterogéneo de elementos microscópicos que flotan en el aire. Estas partículas pueden ser sólidas o líquidas y están compuestas por una mezcla compleja de sustancias de origen tanto orgánico como inorgánico.
La última clasificación -y la más habitual- es catalogar las partículas en base a su tamaño o diámetro aerodinámico, un aspecto clave que determinará en gran medida su dispersión en la atmósfera y los efectos sobre el sistema respiratorio humano.
El tamaño de las partículas es un factor crítico en su peligrosidad: cuanto menor es su diámetro, más tiempo permanecen suspendidas en la atmósfera y mayor es el riesgo que representan.
La bibliografía distingue varios tamaños de partículas:
- Partículas gruesas: son aquellas con un diámetro menor o igual a 10 micras – µm.
- Partículas finas, cuyo tamaño inferior o igual a 2,5 micras – µm.
- Partículas ultrafinas, con un diámetro inferior a 0,1 micras – µm.
En el siguiente gráfico se puede observar el tamaño de las partículas gruesas y finas en relación con el diámetro de un cabello humano.
Fuente: United States Environmental Protection Agency / US EPA (traducida)
Clasificación de las partículas PM:
- Por su naturaleza: catalogación muy variable ligada a la composición química que depende de las fuentes de emisión y las transformaciones que sufren las partículas durante el transporte atmosférico.
- Por su origen: se clasifica como fuentes primarias cuando se emiten a la atmósfera de forma directa y secundarias cuando se origina por transformación en la atmósfera.
- Por su tamaño: es la clasificación más habitual al ser un aspecto clave en los efectos sobre la salud humana. Se dividen en:
- Partículas gruesas o PM10: diámetro menor o igual a 10 micras – µm.
- Partículas finas o PM2.5: tamaño inferior o igual a 2,5 micras – µm.
- Partículas ultrafinas o UFP: diámetro inferior a 0,1 micras – µm.
¿Por qué medir y controlar las partículas en suspensión?
El objetivo de medir y controlar las partículas PM en suspensión abarca múltiples razones como:
- Proteger la salud pública
- Proteger el medio ambiente
- Controlar el impacto en la economía
- Asegurar el cumplimiento normativo.
Como mencionábamos anteriormente, una de las razones más críticas son sus efectos sobre la salud humana.
Ya por el año 2012, Kelly & Fussell concluyeron en su investigación que las partículas grandes (hasta 100 µm) quedan retenidas en los conductos nasofaríngeos mientras que las partículas gruesas de hasta 10 µm (PM10), se depositan principalmente en los bronquios primarios; por otra parte, las partículas de menos de unas 2,5 µm (PM2.5) penetran directamente en los alvéolos y los bronquiolos terminales.
De hecho, tanto las PM2,5 como las partículas ultrafinas UFP pueden penetrar profundamente en el sistema respiratorio y llegar al torrente sanguíneo, agravando enfermedades respiratorias, cardiovasculares y neurológicas principalmente en los grupos más vulnerables como son los niños, ancianos, mujeres embarazadas y personas con enfermedades preexistentes.
A todo esto hay que añadirle los costes sociosanitarios asociados a la mala calidad del aire, que en Europa equivalen aproximadamente a 1.250€ por habitante al año según un estudio publicado en 2020.
Los efectos nocivos de las partículas sobre la salud humana y el medio ambiente así como los elevados costes sociosanitarios asociados a la mala calidad del aire llevó a la OMS a manifestar la necesidad de tomar medidas urgentes revisando sus directrices de Calidad del Aire en 2021 y a la Unión Europea a redactar su Directiva UE 2024/2881, la versión más reciente en la que se adoptan valores límite más estrictos para cumplir con el Plan «Contaminación Cero» 2050.
¿Qué dice la legislación acerca de las partículas suspendidas en el aire?
La relación directa entre el tamaño de la partícula y su impacto biológico y la creciente evidencia científica sobre los efectos de la contaminación por partículas en la salud y el medio ambiente ha impulsado un importante cambio en el marco legislativo.
A partir de ahora, la legislación tiene el claro objetivo de minimizar los efectos nocivos mediante las medidas establecidas en el Plan de Acción “Contaminación Cero” para 2050, tal y como queda recogido en la nueva Directiva Europea UE 2024/2881 de Calidad del Aire.
Entre estas medidas se establecen valores límite más estrictos para PM10 y PM2.5 y se incorpora la monitorización de nuevos contaminantes emergentes como las Partículas Ultrafinas (UFP) y el Black Carbon (carbono negro) en los denominados superemplazamientos de control.
Hasta la fecha, en España el marco legal en el que se establecen las normativas para la monitorización y control de las partículas PM incluye:
- La Ley 34/2007, de 15 de noviembre, de calidad del aire y protección de la atmósfera, que establece el marco general para la calidad del aire.
- El Real Decreto 102/2011, de 28 de enero, relativo a la mejora de la calidad del aire, define objetivos de calidad del aire para diversos contaminantes, entre ellos las partículas.
- El Real Decreto 1052/2022, de 27 de diciembre, por el que se regulan las zonas de bajas emisiones (ZBE) y que busca mejorar la calidad del aire y mitigar los efectos del tráfico rodado en los entornos urbanos.
¿Cómo se miden las partículas en el aire? Las tecnologías de monitorización más relevantes
Para poder responder a la pregunta de como medir las partículas en el aire, es importante primero distinguir entre emisión e inmisión, pues la instrumentación y métodos de medida variarán en función de ello.
Tal y como explicamos en nuestro artículo “Principales diferencias entre emisión e inmisión”, las emisiones están relacionadas con las fuentes que emiten sustancias contaminantes a la atmósfera (como las industrias y plantas de producción de energía, por ejemplo) mientras que la inmisión se refiere a la concentración de una sustancia contaminante presente en la atmósfera en un momento o periodo determinado.
Puesto que las sustancias contaminantes presentes en las emisiones sufren una serie de transformaciones en la atmósfera, es importante medir y controlar tanto en emisión como en inmisión, diferenciando también entre ambiente exterior y calidad del aire en interiores.
Por tanto, a continuación veremos:
- Medición de partículas en emisión
- Monitorización de material particulado en aire ambiente
- Medición de partículas en ambientes interiores
Medición de partículas en emisión
La monitorización de las emisiones de partículas procedentes de fuentes fijas industriales es crucial para el cumplimiento de las regulaciones ambientales, evitar sanciones administrativas y proteger a la atmósfera.
Para medir las partículas PM en fuentes de emisión se emplean principalmente dos enfoques:
- Método gravimétrico manual por muestreo isocinético.
- Sistemas automáticos de Monitorización en Continuo de Emisiones (CEMS).
El tren de muestreo isocinético es un sistema de equipos que permite tomar muestras de partículas en emisiones de fuentes estacionarias y uno de los aparatos más importantes para la captación de muestras representativas de emisión.
Este sistema manual se basa en la filtración como técnica de muestreo y en la diferencia de presión generada en un tubo Pitot como medidor de velocidad, además de asegurar que la velocidad de la muestra que entra es la misma que la del flujo de gas en la chimenea.
La norma UNE-EN 15259 es la encargada de especificar los requisitos y las comprobaciones necesarias para realizar las tomas de muestras garantizando su fiabilidad y reproducibilidad.
La desventaja de este sistema es que es un proceso manual –no en tiempo real- que requiere de personal especializado y una calibración rigurosa.
Por otro lado, los CEMS o Sistemas de Monitoreo en Continuo de Emisiones, son sistemas integrados que están diseñados para medir de forma continua la concentración del material particulado de fuentes fijas, con el fin de demostrar el cumplimiento normativo.
Como detallamos en el artículo “Sistemas de monitorización de emisiones CEMS: qué son, tipos y características”, podemos diferenciar entre los CEMS Extractivos, que capturan la muestra, la acondicionan y transportan a un analizador, o los CEMS in-situ, en los que el monitor se instala directamente en la chimenea, minimizando pérdidas de contaminantes.
Los principios de funcionamiento específicos para la medición de partículas en CEMS son variados:
- Opacímetros: miden la disminución de la transmisión de luz a través de la chimenea debido a la presencia de materia particulada.
- Electrodinámicos: la medición de partículas se basa en la interacción entre la corriente eléctrica y el campo magnético para determinar la concentración o masa de partículas de un medio.
Entre las normativas aplicables en este ámbito encontramos la EN 14181 “Emisiones de fuentes estacionarias – Aseguramiento de la calidad de los sistemas automáticos de medida” que especifica los procedimientos para establecer tres niveles de aseguramiento de la calidad (QALs) y una Prueba de Vigilancia Anual (AST), la norma EN15267-3, que establece los requisitos de rendimiento para la aprobación de tipo y la EN 13284-2, relacionada con la determinación de partículas en emisiones a baja concentración mediante métodos automáticos.
El Título 40 CFR de la EPA también establece métodos de referencia para medir material particulado en emisiones.
La evolución de los CEMS hacia la integración y el aseguramiento de la calidad los ha convertido en sistemas integrados que incluyen la adquisición de datos y software para la validación y generación de informes, proporcionando una monitorización exhaustiva, verificable y auditable.
Monitorización de material particulado en aire ambiente
La monitorización de la calidad del aire ambiente es esencial para evaluar la exposición de la población, juzgar el cumplimiento de las normas y observar las tendencias de la contaminación. Para ello se emplean diversos métodos e instrumentos como, por ejemplo:
Método gravimétrico de referencia
Es el estándar de referencia para la determinación de la concentración másica de PM10 yPM2.5. La concentración de partículas se determina manualmente mediante el registro de peso del filtro antes y después del muestreo y el volumen del aire muestreado. Los instrumentos clave para este método son:
- Captadores de Alto Volumen
- Captadores de Bajo Volumen
Para garantizar la fiabilidad de las mediciones, los captadores deben contar con un certificado de conformidad según la norma UNE-EN 12341:2023. A pesar de su precisión, el método gravimétrico requiere un proceso manual de riguroso que impide la obtención de resultados en tiempo real.
Métodos equivalentes automáticos
Estos métodos determinan la concentración de material particulado en tiempo real, aprovechando las propiedades físicas de las partículas. Algunos de los principales instrumentos son:
- Monitores de Atenuación Beta (BAM): las partículas se recolectan en un filtro de papel y se exponen a rayos beta. La atenuación de los rayos beta es directamente proporcional a la masa de partículas en el filtro. Un ejemplo de este monitor es el equipo BAM 1020 de la marca Met One Instruments.
- Métodos ópticos de dispersión de luz: una fuente de luz (a menudo un láser) ilumina las partículas y un sensor de luz detecta la intensidad de luz dispersada. La intensidad de la luz dispersada es proporcional a la concentración másica de las partículas. El equipo Palas Fidas 200 es un ejemplo de este tipo de instrumentación.
La norma UNE -EN 16450:2017 es crucial en este contexto y especifica qué tecnologías pueden considerarse equivalentes al método de referencia en cuanto a la fiabilidad, homogeneidad y comparabilidad de los datos proporcionados.
Los diferentes instrumentos para medir partículas en suspensión van situados, junto con el resto de los analizadores de gases contaminantes y parámetros meteorológicos, en las estaciones fijas que conforman las Redes de Calidad del Aire.
También pueden configurarse dentro de una estación móvil para realizar campañas de medición específicas o actuar frente a episodios de superación con datos precisos, fiables y válidos para las Administraciones.
Sensores para medir partículas suspendidas
Los sensores de monitorización de partículas que emplean tecnología IoT son adecuados para una amplia gama de aplicaciones a bajo coste. Requieren un mantenimiento mínimo y ofrecen datos históricos y en tiempo real con valores muy próximos a los de los métodos estandarizados.
Un ejemplo es el monitor de partículas Nanoenvi EQPM, cuya tecnología principal es el contador óptico de partículas (OPC) basado en la dispersión de luz, lo que le permite medir múltiples fracciones de PM con una con una correlación muy fuerte en relación con los métodos de referencia y equivalentes.
Su tamaño reducido y bajo coste permite obtener información general y control sobre la calidad del aire (control de polvo en obras, monitorización perimetral, mediciones complementarias y estudios previos en las ZBE…), pero es importante señalar que sus datos no son válidos en un contexto reglamentario (envío de datos a las Administraciones).
El principal beneficio de los sensores Low-cost de monitoreo de partículas es que permiten obtener datos precisos y en tiempo real de la concentración de partículas PM a un bajo coste. Su tamaño reducido y escaso mantenimiento los sitúa como la opción preferida para conocer la calidad del aire de manera informativa en numerosas aplicaciones.
Medición de partículas en ambientes interiores
Al igual que hemos visto la preocupación cada vez más creciente por medir y controlar los parámetros contaminantes como las partículas PM en el aire ambiente, las personas pasamos aproximadamente el 90% de nuestro tiempo en ambientes interiores, por lo que es lógico e igualmente importante medir la calidad del aire en el interior.
Aunque los niveles de PM en interiores son similares o inferiores a los exteriores, actividades como cocinar, fumar o limpiar pueden ser fuente de polvo y partículas suspendidas en el aire.
Esto puede agravar patologías cardiovasculares y respiratorias existentes en los ocupantes como alergia y asma y es especialmente crítico en el entorno hospitalario por su influencia directa entre el polvo en suspensión y la propagación de enfermedades nosocomiales.
En el mercado existen numerosos sistemas de monitorización que pueden diferenciarse entre:
- Monitores portátiles, que permiten verificar los niveles de PM en tiempo real en diferentes puntos de un edificio, siendo especialmente útil esta característica para evaluar los sistemas de filtración de un edificio.
- Medidores fijos, generalmente multiparamétricos que permiten medir y controlar la CAI de forma continua.
Entre estos dispositivos destaca Nanoenvi IAQ, un medidor de calidad del aire interior multiparamétrico que integra diferentes sensores IoT y que puede emplearse tanto de forma portátil como fija, proporcionando datos continuos y en tiempo real acerca de los principales parámetros CAI.
Los beneficios de emplear este tipo de monitores para medir la calidad del aire interior nos permitirá evitar problemas de salud, bajadas de productividad en los entornos laborales y facilitar la implementación de estrategias de ventilación adecuadas.
¿Dónde es importante medir las partículas PM? Ejemplo gráfico
Conclusión: guía completa para saber cómo medir las partículas suspendidas en el aire
Las recientes evidencias científicas acerca de los efectos del material particulado en la salud de la población y el medio ambiente apuntan a un creciente interés por medir y controlar las partículas suspendidas en el aire.
La pregunta es entonces, ¿cómo se miden las partículas PM en el aire? Dependiendo del contexto en el que nos encontremos -emisión, inmisión o calidad del aire interior- y la normativa aplicable, tendremos:
- Medir partículas PM en emisiones. Se puede realizar bien por:
- Método gravimétrico manual por muestreo isocinético
- Sistemas automáticos de Monitorización en Continuo de Emisiones (CEMS).
- Monitorizar material particulado en aire ambiente. Existen varias opciones, como:
- Estaciones fijas o móviles de medida que incluyan:
- Métodos gravimétricos manuales de referencia como captadores de alto o bajo volumen.
- Métodos automáticos con equivalencia demostrada como Monitores de Atenuación Beta (BAM) o métodos ópticos de dispersión de luz.
- Sensores de bajo coste para obtener información general de la calidad del aire en múltiples aplicaciones y usos (datos no válidos para las Administraciones).
- Estaciones fijas o móviles de medida que incluyan:
- Medición de partículas en ambientes interiores.
- Medidores portátiles, útiles para evaluar la eficacia de los sistemas de filtración.
- Monitores fijos, que permiten controlar de forma ininterrumpida la calidad del aire de un espacio.
Referencias:
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