Caracterización de la calidad del aire por material particulado respirable y su distribución de tamaños en la comuna de Maipú de la Región Metropolitana

Abstract

En la ciudad de Santiago, las concentraciones de material particulado a menudo superan los límites establecidos por las normas chilenas de calidad del aire y los estándares de la Organización Mundial de la Salud (OMS). Actualmente existen 11 estaciones de monitoreo de la calidad del aire de la red SINCA (Sistema de Información Nacional de Calidad de Aire) en la Región Metropolitana, ubicadas en las comunas Cerrillos, Cerro Navia, El Bosque, Independencia, La Florida, La Pintana, Las Condes, Pudahuel, Puente Alto, Quilicura y Parque O’Higgins. En este Seminario de Título se propone analizar y caracterizar la calidad del aire en la comuna de Maipú, Región Metropolitana, centrándose en el material particulado respirable y su distribución de tamaños empleando un espectrómetro de aerosoles marca GRIMM y modelo 11-C. A pesar de ser la segunda comuna más grande de Chile, con una población de 500.000 personas, Maipú carece de una estación de monitoreo de la calidad del aire, lo que ha generado una situación actual desconocida en términos de la calidad del aire en la zona. En primera instancia, se construyó un gabinete exterior con una unidad de toma de muestras integrada para proteger el equipo de monitoreo de las condiciones meteorológicas. Luego, se llevó a cabo una campaña de monitoreo desde el 15 de diciembre de 2023 hasta el 25 de enero de 2024, utilizando el espectrómetro de aerosoles GRIMM para la medición de partículas. Posteriormente, se procesó la información obtenida y se compararon los niveles de concentración de material particulado MP10 y MP2.5 con los correspondientes obtenidos en el mismo período de monitoreo en los sitios de la red oficial SINCA. Los resultados permitieron identificar dos modos en la distribución de tamaños, un modo de acumulación (diámetro (Dp) entre 0.08 y 1 μm) y un modo grueso (1 μm < Dp < 10 μm), cada uno con tres submodos, completando un total de seis grupos con diferentes tamaños de partículas, y se seleccionaron las fracciones más representativas de cada grupo para su análisis, resultados que concuerdan con estudios previos realizados en Santiago. Dentro del modo de acumulación, la fracción MP1 contribuyó con un 99,48% a la concentración total del número de partículas respirables y un 26,14% a la concentración total de masa de partículas respirables. En el modo grueso, la concentración másica de partículas más elevada se encontró específicamente en partículas con Dp = 3.0 μm. La variabilidad diurna de concentración de las fracciones 0.45, 0.65 y 1.60 μm mostró concentraciones máximas durante la madrugada y mínimas en la tarde, mientras que las fracciones 4.00 y 7.50 μm tuvieron un comportamiento diferente, alcanzando su máximo al mediodía y manteniéndose durante la tarde. La fracción 0.28 μm destacó por su baja variabilidad diurna de concentración. Además, la campaña de monitoreo evidenció que Maipú posee los niveles más altos de concentración de MP2.5 en comparación con los otros sitios de la red SINCA en la temporada de verano de 2024, con valores que oscilaron entre los 11.4 y 32.5 μg m-3, y una mediana de 22.8 μg m-3. Su variabilidad diurna de concentración muestra niveles más altos, alcanzando los 28 μg m-3 en la madrugada y un mínimo de 15 μg m-3 durante la tarde. Para MP10, Maipú mostró uno de los niveles de concentración más bajos en comparación con la red SINCA, con valores que oscilaron entre los 30.5 y 69.1 μg m-3, y una mediana de 46.8 μg m-3. Su variabilidad diurna de concentración mostró niveles más altos en la madrugada, alcanzando los 50 μg m-3 y manteniéndose durante la tarde en torno a los 40 μgm-3. Además, se observó que la concentración de MP2.5 de Maipú posee una mayor correlación con Cerrillos, Pudahuel y Parque O'Higgins, mientras que la mayor correlación de concentración de MP10 fue con Pudahuel y Cerro Navia indicando que Maipú posee cierta similitud de concentración de MP con estas comunas del sector poniente y con Parque O’Higgins. Durante la campaña de monitoreo, se registró un evento en el cual se utilizó leña como combustible para el encendido de una parrilla. Los resultados mostraron que la quema de leña incrementa significativamente la generación de partículas ultrafinas (Dp < 1 μm), alcanzando valores de concentración másica de partículas entre 13.5 y 146.4 μg m-3 . Considerando los hallazgos de este Seminario de Título, se propone instalar una estación de monitoreo en Maipú como parte de la red oficial de calidad del aire de Santiago, debido a la alta concentración de MP2.5 en comparación con otros sitios de la red SINCA. Esta instalación no solo proporcionaría información crucial para los residentes locales, sino que también mejoraría la comprensión de la calidad del aire en esta área específica, lo que permitiría la implementación de medidas de control de la contaminación de manera más efectiva. Además, se recomienda incorporar un calefactor al gabinete para evitar la condensación y coagulación de partículas en condiciones de baja temperatura, así como instalar un ventilador para prevenir el sobrecalentamiento. Esto aseguraría una mayor precisión en las mediciones de calidad del aire a lo largo del año, independientemente de las condiciones climáticas.

In the city of Santiago, concentrations of particulate matter often exceed the limits established by the Chilean Air Quality Standards and the World Health Organization (WHO). Currently, there are 11 air quality monitoring stations of the SINCA (National Air Quality Information System) network in the metropolitan area, located in Cerrillos, Cerro Navia, El Bosque, Independencia, La Florida, La Pintana, Las Condes, Pudahuel, Puente Alto, Quilicura and Parque O'Higgins. This thesis proposes to analyze and characterize the air quality in the municipality of Maipu, Metropolitan Region, focusing on respirable particulate matter and its size distribution using a GRIMM aerosol spectrometer (model 11-C). Despite being the second largest municipality in Chile, with a population of 500,000 inhabitants, Maipu lacks an air quality monitoring station, which has led to a lack of knowledge about the current air quality situation in the area. First, an outdoor housing unit with an integrated sampling unit was built to protect the monitoring equipment from meteorological conditions. A monitoring campaign was then carried out from December 15, 2023 to January 25, 2024 using the GRIMM aerosol spectrometer to measure particulate matter. The information obtained was then processed and the concentrations of PM10 and PM2.5 were compared with the corresponding values obtained during the same monitoring period at the sites of the official SINCA network. The results allowed the identification of two modes in the size distribution, an accumulation mode (diameter (Dp) between 0.08 and 1 μm) and a coarse mode (1 μm < Dp < 10 μm), each with three sub-modes, making a total of six groups of different particle sizes, and the most representative fractions of each group were selected for analysis, results that are consistent with previous studies conducted in Santiago. In the accumulation mode, the PM1 fraction contributed 99.48% to the total respirable particle number concentration and 26.14% to the total respirable particle mass concentration. In the coarse mode, the highest particle mass concentration was found specifically in particles with Dp = 3.0 μm. The diurnal variability of the concentration of the 0.45, 0.65 and 1.60 μm fractions showed a maximum in the early morning and a minimum in the afternoon, while the 4.00 and 7.50 μm fractions showed a different behavior, reaching their maximum at noon and remaining in the afternoon. The 0.28 μm fraction stood out for its low diurnal variability of concentration. In addition, the monitoring campaign showed that Maipu has the highest PM2.5 concentration compared to the other SINCA network sites in the 2024 summer season, with values ranging from 11.4 to 32.5 μg m-3, and a median of 22.8 μg m-3. Its diurnal variability shows higher values, reaching 28 μg m-3in the early morning and a minimum of 15 μg m-3 in the afternoon. For PM10, Maipu showed one of the lowest concentration levels compared to the SINCA network, with values ranging from 30.5 to 69.1 μg m-3 and a median of 46.8 μg m-3. Its diurnal variability showed higher values in the early morning, reaching 50 μg m-3 and remaining around 40 μg m-3 in the afternoon. In addition, it was observed that the concentration of PM2.5 in Maipu has a higher correlation with Cerrillos, Pudahuel and Parque O'Higgins, while the highest correlation of PM10 concentration was with Pudahuel and Cerro Navia, indicating that Maipu has some similarity of PM concentration with these municipalities of the western sector and with Parque O'Higgins. During the monitoring campaign, an event was recorded in which firewood was used as fuel to light a grill. The results showed that the burning of firewood significantly increases the generation of ultrafine particles (Dp < 1 μm), reaching particle mass concentration values between 13.5 and 146.4 μg m-3. Considering the results of this thesis, we propose the installation of a monitoring station in Maipú as part of the official air quality network of Santiago, due to the high concentration of PM2.5 compared to other sites of the SINCA network. This installation would not only provide important information to local residents but would also improve the understanding of air quality in this specific area, allowing for more effective implementation of pollution control measures. In addition, we recommend that a heater be installed in the housing unit to prevent condensation and coagulation of particles in low temperature conditions, as well as a fan to prevent overheating. This would ensure more accurate air quality measurements throughout the year, regardless of weather conditions.