UNIVERSIDAD DE COLIMA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS

ESTUDIO DEL IMPACTO AMBIENTAL EN LA CIUDAD DE COLIMA DE PARTÍCULAS (FRACCIÓN RESPIRABLE) GENERADAS POR LA INDUSTRIA MINERA DEL ESTADO DE COLIMA.

TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: MAESTRÍA EN METALURGIA

PRESENTA: ING. FRANCISCO ALBERTO ZEPEDA GONZÁLEZ

ASESORES: DR. IGNACIO GALINDO ESTRADA DR. JAVIER MIRANDA MARTÍN DEL CAMPO M.C. DANIEL JARAMILLO CANO. COQUIMATLÁN, COL. JULIO DEL 2002.

UNIVERSIDAD DE COLIMA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS

OFICIO No.217/02 FAC.CS.QUIM.

IQM. FRANCISCO ZEPEDA GONZÁLEZ CANDIDATO A MAESTRO EN METALURGIA P R E S E N T E.

Por este conducto me permito informarle que se le autoriza la impresión de la Tesis, titulada "ESTUDIO DEL IMPACTO AMBIENTAL EN LA CIUDAD

DE

COLIMA,

DE

PARTÍCULAS

(FRACCIÓN

RESPIRABLE)

GENERADAS POR LA INDUSTRIA MINERA DEL ESTADO DE COLIMA.", con la cual obtendrá el grado de la MAESTRÍA EN METALURGIA.

Sin otro particular, por el momento le envío un atento y afectuoso saludo.

C.C.P. ARCHIVO.C.C.P. MINUTARIO.LVMA/lenl**

Kilómetro 9, carretera Colima-Coquimatlán, Coquimatlán, Colima, México, Cp 28400 Tel. 01 (3) 316 1163 Ext. 51402 Fax 51401

M.C. Laura Virginia Madrigal Ambriz Directora de la Facultad de Ciencias Químicas De la U niversidad de Colima

P R E S E N T E.

Por medio de la presente le informo que el trabajo de titulación del I.Q.M. Francisco Alberto Zepeda González, denominado; ESTUDIO DEL IMPACTO AMBIENTAL EN LA CIUDAD DE COLIMA DE PARTÍCULAS (FRACCIÓN RESPIRABLE) GENERADAS POR LA INDUSTRIA MINERA DEL ESTADO DE COLIMA, con el cual podrá obtener el grado de Maestro en Metalurgia, ha concluido de manera satisfactoria.

Sin más por el momento me es grato despedirme de sus finas atenciones.

Coquimatlán Colima, a los veinticinco días del mes de mayo del dos mil dos.

C.c.p. Interesado. C.c.p. Archivo

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AGRADECIMIENTOS:

A la Universidad de Colima por haberme brindado el espacio para cumplir con una de mis metas académicas.

Al Centro Universitario de Ciencias del Ambiente (CUICA), por brindarme las facilidades para el trabajo técnico y de campo así como los datos de registro de viento durante el muestreo.

Al Departamento de Física Experimental del Instituto de Física de la Universidad Nacional Autónoma de México por brindarme las facilidades con el equipo de muestreo y el personal técnico del laboratorio para el uso del Acelerador Peletrón para la realización de la parte analítica (El Sr. Karim López y el Sr. Francisco Jaimes).

A la Facultad de Ciencias Químicas por haberme dado la oportunidad de consumar una etapa profesional más.

Al Lic. Fernando Moreno Peña por apoyarme como becarios cuando era Rector de la Universidad de Colima.

Al Dr. Carlos Salazar, Rector de la Universidad de Colima por haberme apoyado para la realización de este proyecto.

Al Dr. Ignacio Galindo Estrada Director del Centro de Investigación en Ciencias del Ambiente de la Universidad de Colima por su atinada asesoría durante la realización de esta investigación.

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Al Dr. Javier Miranda Martín del Campo Investigador Titular del Departamento de Física Experimental del Instituto de Física de la Universidad Nacional Autónoma de México por su invaluable asesoría en el proyecto.

AL M.C. Daniel Jaramillo Cano Profesor Investigador de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad de Colima, por su apoyo en la realización del documento de la tesis.

Al M.C. Laura Madrigal Ambriz Directora de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad de Colima, por su apoyo en los tramites administrativos.

Al Ing. Alejandro Elizalde y al Ing. Javier Fonseca del área de Instrumentación del Centro de Investigación de Ciencias del Ambiente por su apoyo en el trabajo de campo y de análisis de los vientos.

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DEDICATORIA

A mis padres por su apoyo incondicional.

A mis Hermanos por su respaldo.

A mi esposa Mayli por su apoyo y comprensión.

A mi hija Valeria por prestarme su tiempo.

A Sara por su enorme apoyo en el manejo de los sistemas informáticos.

A Magdalena por su colaboración en la captura de información.

A mis amigos Sara, Claudia, Nayeli, Edgar, Trillo, Nora, Adrián, Sergio, Carlos, Peregrina, Ramón, Pepe, Hugo por sus impulsos de aliento.

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RESUMEN

El medio ambiente de la ciudad de Colima se encuentra dentro del entorno y zona de influencia de la industria Minera, en consecuencia, el efecto de las partículas de origen antropogénicas en la zona urbana ha sido poco estudiada, por ello reviste importancia el realizar dicha investigación.

En este trabajo se presenta un estudio sobre la determinación elemental de partículas en la atmósfera de la Ciudad de Colima. Las partículas con diámetro aerodinámico promedio por debajo de 15 µm (PM15) el cual fue realizado usando emisión de partículas inducidas de rayos X (PIXE).

De junio a septiembre de 1999, se colectaron muestras en dos sitios: una rural, localizado en el municipio de Comala y otro en la zona urbana de la ciudad de Colima. Las muestras fueron obtenidas simultáneamente en ambos sitios, cada cuatro días, por periodos de 12 horas. Se usó el dispositivo Unidad de Filtros Apilados para colectar las muestras (SFU) del diseño de Davis, con una separación de PM 15 (conocida como la fracción gruesa), y PM2.5 (fracción fina).

Los elementos encontrados en las muestras son Si, S, Cl, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn. Los resultados obtenidos permiten identificar la contribución antropogénica provenientes de la industria situada en la parte Noreste de la ciudad de Colima, entre ellas una industria minera y fuentes "naturales". Los elementos Cu y Zn son probablemente de origen volcánico (natural), mientras que el azufre (S) asociado con Vanadio y Níquel son antropogénicas, mientras que los elementos K, Ca, Ti, Mn y Fe provienen probablemente de suelos erosionados,

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aunque no se conoce el origen del cromo encontrado, posiblemente sea generado por los talleres de fundición, de laminación y pintura. Las concentraciones estimadas se encuentran por debajo de los niveles permisibles del índice Mexicano de Calidad del Aire (IMECA) y de la Agency Protection Envyroment (EPA).

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ÍNDICE TABLAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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FIGURAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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GRAFICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 I.- INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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II.- ANTECEDENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 III.- JUSTIFICACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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IV.- OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 V.- HIPÓTESIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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VI.- MATERIALES Y MÉTODOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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6.1. Estaciones de muestreo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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6.2 Equipo de muestreo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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6.3 Ubicación de las unidades de muestreo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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6.4 Tamaño de la muestra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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6.5 Selección y preparación de los filtros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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6.5.1 Medición de las masas de los filtros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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6.5.2 Almacenamiento y transporte de los portafiltros . . . . . . . . . . . . . . . . .

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6.5.3 Colección de la muestra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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6.5.4 Devolución del porta filtro expuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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6.5.5 Descarga de los porta muestra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 6.6. Emisión de rayos X inducida por partículas (PIXE) . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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6.6.1. Principios físicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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6.7 Análisis elemental de los filtros expuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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6.7.1 Montaje de las muestras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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6.7.2 Dispositivo experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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6.7.3 Calibración del sistema de detección de rayos X . . . . . . . . . . . . . . . .

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6.7.3.1 Curva de calibración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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6.7.4 Análisis de los filtros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 6.7.5 Cálculo de concentraciones elementales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 6.7.6 Incertidumbres experimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 6.8 Modelos de receptor para aerosoles atmosféricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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6.8.1. Balance químico de masa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 6.8.2. Modelos multivariados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 6.8.3. Análisis por componentes principales (PCA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 6.8.4. Dendogramas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6.9 Análisis estadístico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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VII.- RESULTADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 7.1 Viento (velocidad y dirección) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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7.2 Concentraciones promedio estación "CUICA / GRANJA (Fracciones fina/gruesa) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 7.3 Concentraciones promedio estación "CUICA" Fracción fina/gruesa por tiempo de muestreo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 7.4 Concentraciones promedio estación "GRANJA" Fracción fina/gruesa por tiempo de muestreo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 7.5 Factor de Enriquecimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 7.6 Análisis de Cúmulos estación "CUICA", fracción "FINA y GRUESA”. . . . . . 90 7.7 Análisis de Cúmulos estación "GRANJA", fracción "FINA Y GRUESA" . . . 93 7.8 Análisis por componente principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 VIII.- DISCUSIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 IX.- CONCLUSIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 X.- BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 XI.- APÉNDICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

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TABLAS

Tabla 1 "A".- Emisiones de aerosoles volcánicos de otros volcanes (J.P. Quiseft. 1987. P. Buat-Ménard. 1978, M. Darzi. 1981, J.R. Morales. J. Radional. 1993) Tabla 1 "B".- Fuentes y elementos encontrados en aerosoles urbanos (Miranda J. 1996)

Tabla 1 "C".- Normas de calidad del aire vigentes a partir de enero de 1995, (Secretaría del Medio Ambiente, Compendio Estadístico de la calidad del aire. 2000). La Tabla 1 "D".- Muestra las propiedades de los filtros utilizados en la colección de las partículas atmosféricos (Miranda J. 1999).

Tabla 1 "E".- Concentraciones medidas en la ciudad de México para PM10. (Informe Anual de Calidad del Aire en el Valle de México 1999). Tabla 1 "F".- Concentraciones de partículas suspendidas en la atmósfera de la Ciudad de México, zona industrial del norte (Vallejo): mediante la técnica de PIXE y PESA para partículas con tamaños menores a 15 µm (comprende la fracción respirable): (Miranda et al, 1994). Tabla 2.- Velocidad promedio del viento, durante el tiempo de muestreo. (Diurno 8:00 a 20:00 horas y nocturno de 20:00 a 8:00 horas). (CUICA. Universidad de Colima. 1999). Tabla 3.- Frecuencia de dirección de viento promedio del período diurno (8:0020:00 horas). (CUICA, Universidad de Colima.1999).

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Tabla 4.- Frecuencia de dirección de viento período nocturno (20:00-8:00 horas). (CUICA, Universidad de Colima. 1999). Tabla 5.- Concentración elemental promedio de las estaciones "Cuica" y "Granja"; fracción fina y gruesa, en ng/m3; con su respectiva desviación estándar. Tabla 6.- Factor de Enriquecimiento (Paredes et al, 1997).

Tabla 7.- Análisis por componentes principales Tabla 8.- Estación Cuica: Fracción fina/gruesa, concentración elemental en ng/m3 por tiempo de muestreo (Diurno 8:00 a 20:00 horas y nocturno de 20:00 a 8:00 horas). Tabla 9.- Estación Granja: Fracción fina/gruesa, concentración elemental en ng/m3 por tiempo de muestreo (Diurno 8:00 a 20:00 horas y nocturno de 20:00 a 8:00 horas). Tabla 10.- Comparación de concentración elemental entre la ciudad de Colima y la ciudad de México (Miranda, et al; 1992) en ng/m3 .

Tabla 11.- Comparación de concentración de metales pesados entre la ciudad de Colima (Galindo I. Et al; 1995, Ciudad de México y volcán Monte Etna (en la pluma; P. Buat-Ménard); en ng/m3.

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FIGURAS

Figura 1.- Voladura, yacimiento de mineral de Peña Colorada S.A.

Figura 2.- Proceso de extracción, yacimiento de mineral de Peña Colorada S.A.

Figura 3.-.- Proceso de Molienda y Concentración, yacimiento de mineral de Peña Colorada S.A. Figura 4.- Proceso de Peletizado, yacimiento de mineral de Peña Colorada S.A.

Figura 5.- Sistema de embarque de "Pelet" en góndolas de Peña Colorada S.A.

Figura 6.- Isométrico para la producción del cemento Pórtland, por los procesos seco y húmedo. (T. Austin, G.(1 998); Pórtland Cement Assoc). Figura 7.- Diagrama de flujo para producir cal a partir de la piedra caliza pulverizada. (T. Austin, G.(1998)Dorr-Oliver, Inc.). Figura 8.- Erupción del Volcán de Fuego de Colima (Universidad de Colima, 1999). Figura 9.- (a), localización del Estado de Colima en México, (b), localización del Volcán de Fuego de Colima; (Galindo, 1999). Fig. 10.- Esquema de unidad de filtros apilados SFU (Miranda J, 1999).

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Figura 11. Diagrama del proceso físico en el cual se basa la técnica de PIXE (Miranda J. 2000). Figura 12.- Acelerador peletrón con dispositivo para blanco delgado (Miranda J. 2000). Figura 13. Ejemplo de un espectro obtenido con la técnica de PIXE, (Miranda J, 2000).

Figura 14.- Dirección del viento por periodo de muestreo diurno (8:00-20:00 horas). Proporcionado por el CUICA de la Universidad de Colima. Figura 15.- Dirección del viento por periodo de muestreo (20:00-8:00 horas). Proporcionado por el CUICA de la Universidad de Colima.

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GRAFICAS

Grafica 1.- Curva de calibración. El sistema de detección de rayos X fue calibrado mediante la irradiación con un haz de protones de patrones elementales en forma de película delgada, (Deer Harbor, WA, EUA).

Grafica 2.- Velocidad del viento promedio por horas, (CUICA, Universidad de Colima). Grafica 3.- Concentración elemental promedio de las estaciones "Cuica" y "Granja"; fracción fina y gruesa, en ng/m3; con su barra de desviación estándar para cada elemento.

Grafica 4.- Concentraciones elemental promedio de las estaciones "Cuica" y "Granja"; fracción fina, en ng/m3 ; con su respectiva desviación estándar. Grafica 5.- Concentraciones elementales promedio en ng/m3; fracción gruesa de los sitios "Cuica" y "Granja", con su desviación estándar respectiva. GRAFICA 6.- Concentraciones promedio de la estación "Cuica" fracciones fina y gruesa por tiempo de muestreo (diurno 8:00-20:00 y nocturno de 20:00-8:00). GRÁFICA 7.- Concentraciones promedio de la estación "Granja" fracciones fina y gruesa por tiempo de muestreo (diurno 8:00-20:00 y nocturno de 20:00-8:00). Grafica 8.- Factor de Enriquecimiento.

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Grafica 9.- Análisis de Cúmulos de la estación "Cuica" fracción fina.

Grafica 10.- Análisis de Cúmulos estación "Cuica" fracción gruesa.

Grafica 11.- Análisis de Cúmulos, estación "Granja", fracción fina.

Grafica 12.- Análisis de Cúmulos, estación "Granja", fracción gruesa.

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I.- INTRODUCCIÓN

Después de la Segunda Guerra Mundial, el mundo aparentaba haber entrado a una fase de constante avance de progreso económico. Durante el periodo de la posguerra la población mundial creció de 2.5 a 5.3 miles de millones. La tasa de crecimiento de la población se incrementó de 50 a 84 millones por año; la producción industrial aumentó por un factor de 3.4 (Kondratyev et al, 1997).

Los problemas ecológicos han surgido como resultado del desarrollo natural de nuestra civilización. Los modelos del comportamiento humano, dentro de la sociedad y de la interacción con el medio ambiente que fueron en los primeros tiempos cuando éstos(los modelos) eran capaces de asegurar la sustentabilidad ambiental, han entrado ahora en conflicto con las nuevas condiciones causadas por la Revolución Científica e Industrial. Bajo estas nuevas condiciones, en respuesta al desafío sobre parte del cambio ambiental, se ha vuelto necesario integrar un nuevo modelo de comportamiento y de nuevas preferencias morales, así como una revisión de las ideas anteriores sobre el desarrollo socio-económico; Gore, 1993, Gorshkov, 1990, 1995; Gorshkov et al; 1992, 1994, 1996; Kondratyev et al; 1993, 1994, 1995, 1996 (Kondratyev et al, 1997).

Cada sociedad se provee a sí misma de alimentos, de un refugio adecuado y de un ambiente saludable; cuando estas necesidades elementales están aseguradas, la atención se vuelve hacia la búsqueda de la comodidad y el bienestar. El grado de satisfacción de cada una de estas necesidades determina la calidad de vida; sin embargo, algunas veces será necesario seleccionar las rutas de desarrollo, debido a que una u otra de estas calidades se alcanza con mayor

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facilidad a expensas de las otras. Hoy, nuestros deseos de que haya bienes de consumo más abundantes, mayor energía y movilidad, están en conflicto con el medio ambiente no contaminado. Una de las mayores preocupaciones de nuestros tiempos es la protección del ambiente de cara al incremento poblacional, a la continua concentración de la población urbana, al desarrollo tecnológico y a los eventos naturales (Kondratyev et al, 1997).

La degradación al ambiente —con la consiguiente amenaza a la salud y a los ecosistemas— no es un fenómeno nuevo, pero nuestra sociedad debe asegurarse de contar con una industria sana y de baja contaminación por los crecimientos de las urbes; por ello, se debe descubrir de inmediato el surgimiento de daños ambientales, conocer sus orígenes y buscar las opciones económicas más factibles, y en caso de los riesgos naturales se deben de estudiar de cerca como medida preventiva ante una posible catástrofe humana, ya que existen elementos y compuestos altamente nocivos para los seres vivientes (Kondratyev et al, 1997).

Será el ámbito de la medicina , de los toxicólogos, determinar el grado de peligrosidad a la exposición a estos elementos considerados como tóxicos. Como un ejemplo de la peligrosidad de éstos, podemos citar el plomo; La exposición continua de manera ambiental e industrial al plomo, supone importantes problemas en lo referente a salud pública en niños y adultos. Una presentación aguda a altas concentraciones de plomo puede resultar en un daño proximal tubular con rasgos característicos histológicos, con manifiesto por glicosuria y aminoaciduria. La exposición crónica ocupacional al plomo, se ha relacionado con una alta incidencia de difusión renal que se caracteriza por cambios glomerulares y

tubulointestinales,

resultando

rupturas

renales

crónicas,

hipertensión,

hiperglicemia y gota. (Rivero O. Et a l, 1993).

Hace exactamente cuarenta años tuvo lugar en la ciudad de Londres, una de las más graves tragedias ambientales: murieron más de cuatro mil personas a

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causa de la contaminación atmosférica. Del 4 al 8 de diciembre de 1952 fallecieron especialmente ancianos y niños recién nacidos, por afecciones respiratorias y cardiacas. La primera gran tragedia ambiental en una ciudad de los tiempos modernos se produjo cuando en esos días de intensa niebla el bióxido de azufre y las partículas suspendidas se elevaron a más de 3 mil puntos, en tanto que el índice considerado como normal asciende a 200. La "Niebla Negra" no solamente dejó a decenas de miles de personas seriamente afectadas en su salud si no que cobró vidas.

A raíz de lo ocurrido, pronto se comprobó, que el aire de los grandes centros industriales y urbanos del planeta se encontraba de tal manera deteriorada que constituía un serio peligro para la población y los recursos. En efecto, la causa principal que originó la muerte de miles de personas en Londres, era el carbón quemado de las casas y en las fábricas localizadas en distintas partes de la ciudad, donde años antes ya habían ocurrido cientos de muertes por la combinación del denso humo y la niebla. Cabe agregar cómo en 1939 se registraron en el Valle de Mosa, en Bélgica, varios miles de personas afectadas y más de 60 muertos por la contaminación industrial. También hubo afectados y numerosas víctimas en Donora, Pensylvania, por esa misma causa en 1948. Un hecho que virtualmente se ignora es, que en 1950 en la entonces importante ciudad petrolera de Poza Rica, al norte de Veracruz, cerca de 350 personas sufrieron daños en su salud y más de 30 murieron por contaminación del aire. No existe duda de que miles de personas más han fallecido en distintas partes del mundo como resultado de la contaminación atmosférica. Si sus casos no se registran como dignos de mención en los años de las tragedias se debe, en buena parte, a la falta de estadísticas confiables sobre el tema.

Después de 1952 se registraron nuevas víctimas en la capital inglesa (más de 2 mil muertes hasta 1963) hasta que se generalizó la prohibición de utilizar carbón y las fábricas fueron sacadas de la ciudad. Años después tendrían lugar nuevas tragedias en sitios lejanos a Londres, como Nueva York, donde en 1963

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fallecieron unas 500 personas. El drama que se vivió en esas ciudades no era algo nuevo: con el inicio de la Revolución Industrial muchas áreas de Europa y Estados Unidos se vieron invadidas por el humo y el hollín procedentes de las fábricas que utilizaban carbón y otras sustancias en sus procesos de producción. La literatura de la época documenta muy bien lo que ocurría en las ciudades, en cuyos alrededores se encontraban dichas factorías: las nubes eran de color negro y las enfermedades respiratorias azote común en los días más críticos, causando la muerte en muchos. Como resultado de estas grandes tragedias, las autoridades comenzaron entonces a dictar medidas mucho más radicales con el fin de limpiar la atmósfera de contaminantes, especialmente de bióxido de azufre y de partículas que contenían metales pesados. Buscaron por diversos medios obtener un aire menos impuro, obligando a que las industrias se instalaran fuera de las ciudades, que contaran con los equipos más adecuados y, en lo posible, sustituyeran los combustibles hasta entonces utilizados.

Los

frutos

obtenidos

en

combatir

los

principales

contaminantes

atmosféricos de esa época dieron resultados parciales y no acabaron con el problema. En muchos casos simplemente se trasladó territorialmente la fuente y el contaminante; en otros, el problema continúa. Y si bien no se registran tragedias como la de los años cincuenta, la contaminación por bióxido de azufre y diversas partículas sólidas rebasan las normas internacionales correspondientes. Así ocurre en ciudades como París, Milán, Madrid, El Cairo y Teherán, en casi todas las de China, India y el sudeste asiático y las de la antigua Europa Oriental.

A la contaminación originada en la industria se le agregó poco después la proveniente de los vehículos automotores, que por millones inundaron en unas cuantas décadas las calles grandes de las ciudades. Los combustibles utilizados para poner en marcha camiones de carga y pasajeros, motocicletas, unidades de servicio, etc. genera, entre otras sustancias, monóxido de carbono, óxido de nitrógeno, plomo, benzeno, tolueno, xileno, bromuro de etileno, diversas partículas y ozono. A las anteriores se agrega el bióxido de azufre proveniente de los

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vehículos que utilizan diesel. En unos cuantos años, esos contaminantes se convirtieron en otra seria preocupación para todos por los efectos que causan a la salud de la población. El deterioro se manifestó lo mismo en las ciudades europeas que en las de Estados Unidos, y en las últimas décadas se sumaron también las principales del Tercer Mundo.

Los gobiernos debieron entonces intervenir nuevamente para evitar que las cosas empeoraran. No solamente se buscó controlar más ciertos procesos industriales contaminantes, sino que se obligó a los grandes complejos fabricantes de automotores a que los equiparan con tecnología más adecuada, como los convertidores catalíticos y controles electrónicos de encendido y mezcla airecombustible. A la par se mejoró el combustible utilizado por la planta vehicular, especialmente en cuanto a disminuir el contenido de plomo. En algunos países hoy se utiliza gasolina sin ese metal, con lo cual la salud de millones se ha visto protegida de tan peligroso elemento. Lamentablemente las mejoras técnicas continúan siendo un objetivo a lograrse en la mayoría de los países del mundo, en donde los daños a la salud y el ambiente que se origina en los vehículos automotores siguen siendo una constante. No se trata únicamente de las naciones catalogadas como pobres o en vías de desarrollo, sino también de las más avanzadas industrialmente, como Estados Unidos, Japón y los de la Comunidad Europea (Restrepo I. 1992).

A

los

compuestos

provenientes

de

la actividad

industrial

y

del

funcionamiento vehicular se sumaron, más recientemente, otros de enorme peligrosidad para la salud y el ambiente: los contaminantes químicos tóxicos. Sobre los efectos nocivos que éstos originan existen en algunos casos estudios puntuales, que no dejan ninguna duda sobre su enorme peligrosidad, la cual crece día con día ante la aparición de nuevos procesos tecnológicos para elaborar productos químicos y petroquímicos. Pero en la mayoría de los casos se desconoce esa peligrosidad, pues a la falta de investigación se agrega el hecho de que su impacto puede darse en el mediano y largo plazo. Igualmente se agrega el

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que sus efectos no se circunscriben a un área determinada, como podría ser la que sirve de asiento a la fuente del problema: al igual que ocurre con numerosos contaminantes originados en la industria, el aire se ocupa de trasladarlos a sitios lejanos, donde son fuente de problemas. Es lo que se observa en ciertos países del norte de Europa hasta donde el aire lleva los contaminantes provenientes de, por ejemplo, Alemania y Francia, afectando directamente bosques, corrientes de agua, edificios y la salud de muchas personas. O lo que sucede en varias regiones de Canadá y Estados Unidos, donde no hay actividad industrial pero hasta las cuales llega la denominada lluvia ácida. No existe entonces duda de que la contaminación del aire se ha convertido en un asunto que adquiere carácter internacional, y que para contrarrestarla exige cada vez más esfuerzos conjuntos por parte de los gobiernos y de la sociedad.

La ciudad de Colima pudiera estar en las condiciones similares a los anteriormente citados, ya que se cree, que debido a que en la ciudad (municipio) no se encuentran establecidos grandes complejos industriales esta se encuentra exenta de contaminantes atmosféricos; pero en varios municipios restantes del estado existe este tipo de industrias, que se presume aporten a la atmósfera partículas sólidas pequeñas llamadas aerosoles que pueden ser peligrosas para el entorno y dado que la extensión territorial es pequeña (representa el 0.3 % de la superficie total del país, INEGI, 2000) se sospecha que pudiese existir influencia de

este

tipo

de

partículas

proveniente

de

los

complejos

industriales

(antropogénicas), como es el caso de la industria minera. Conceptos técnicos

Partículas suspendidas totales (PST).

Uno de los contaminantes atmosféricos más importantes, son las partículas suspendidas, estas son causantes de muchos efectos, entre los que destacan la reducción en la visibilidad y los daños en la salud, mismos que a su vez dependen

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en gran medida de la composición de estas partículas. De aquí la importancia que tiene su estudio para conocer apropiadamente su origen y sus características, tanto físicas como químicas (Miranda et al, 1994).

El primer aspecto a considerar es el tamaño de las partículas, seguido de la determinación de la composición química y por último de su fuente. No todas las partículas presentan las mismas dimensiones. Las dimensiones son importantes, debido a que la composición y los efectos de las partículas dependen del tamaño de las mismas. En primer lugar, se tienen las Partículas Suspendidas Totales (PST), que abarcan todos los tamaños de partículas; por otro lado, son de suma importancia las partículas de tamaño respirable (también conocidas como aerosoles o PM10), ya que estas son las que principalmente provocan daños a la salud humana y la visibilidad; las partículas respirables son del orden de 10 µm.

El total de las partículas en suspensión está constituido por una diversidad de materiales que presentan gran variación en sus características fisicoquímicas: tamaño, forma, densidad, composición química, etc. Los tamaños de las partículas van desde los 0.005 micrómetros de los cúmulos moleculares, hasta los 100 micrómetros de las partículas gruesas no sedimentables. Las partículas finas, menores a los 2.5 micrómetros de diámetro, se originan por la condensación de material producto de la combustión; o bien, por reacciones químicas atmosféricas. Las partículas más gruesas, mayores a los 2.5 micrómetros de diámetro, se derivan de procesos mecánicos de molido, erosión y desprendimiento.

Existen diversos métodos de medición de este contaminante (las PST). En Londres, por ejemplo, se ha utilizado un método indirecto para medir las concentraciones del llamado humo británico (British Smoke; BS); consiste en medir la opacidad de los depósitos de partículas. El mencionado humo británico está constituido principalmente por partículas producto de la combustión incompleta del carbón, que tienen diámetros inferiores o iguales a los 4.5 micrómetros. El muestreador de partículas más utilizado, a la vez que es el

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muestreador estándar, es el de altos volúmenes (Hi-vol), que colecta partículas de varios tamaños, con un límite superior entre los 25 y los 50 micrómetros de diámetro. Actualmente se promueve el uso de muestreadores para partículas con diámetros menores o iguales a los 10 micrómetros (PM10). Éstas son las partículas que se depositan con mayor facilidad en las regiones pulmonares más dístales, Unidad de Filtros Apilados (SFU); (Restrepo I. 1992). Efectos en la salud

Con respecto al depósito y evacuación de las partículas inhaladas en el tracto respiratorio, deben considerarse tres regiones:

1. Extratorácica: las vías respiratorias que se extienden desde la nariz hasta la epiglotis, la laringe hasta la entrada de la tráquea. La boca se incluye en esta región durante la respiración oro-nasal.

2. Traqueobronquial: los conductos respiratorios primarios de los pulmones, desde la tráquea hasta los bronquiolos, los ductos alveolares, los sacos alveolares y los alvéolos (la región de intercambio de aire).

3. Pulmonar Las vías parenquimales de los pulmones, incluyendo los bronquiolos, los ductos alveolares, los sacos alveolares y los alvéolos (la región de intercambio de aire).

Los mecanismos de depósito de las partículas en el tracto respiratorio son: impactación, sedimentación, difusión, intercepción y precipitación electrostática. En la mayoría de los casos, solamente son importantes la impactación, la sedimentación y la difusión. Cada uno de los mecanismos para el depósito de las partículas sigue un patrón diferente. La impactación produce durante la inspiración puntos críticos de depósito en la bifurcación de los grandes conductos.

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La sedimentación gravitacional ocasiona un depósito relativamente uniforme en los bronquios pequeños, los bronquiolos y los espacios alveolares, en donde los conductos son pequeños y la velocidad del aire es baja. Mediante este mecanismo se depositan partículas de aproximadamente 0.5 µm de diámetro.

El depósito difusional es importante en los conductos más pequeños y los alvéolos, en donde se depositan las partículas menores de 0.5 µm de diámetro. Estas partículas submicrométricas en el aire, siguen un movimiento al azar, causado por el impacto con las moléculas del aire. Este movimiento browniano se incrementa con la disminución del diámetro de las partículas (Bravo H. 1987).

Efectos de las PST sobre el sistema respiratorio humano.

El tamaño de las partículas (diámetro aerodinámico), es uno de los factores que determinan su acceso y depósito en los diferentes sitios del aparato respiratorio. Del total de partículas suspendidas solamente pueden penetrar en el aparato respiratorio aquéllas con tamaños entre los 10 y los 0.5 micrómetros; éstas constituyen la denominada "fracción respirable".

Las partículas pertenecientes a la fracción respiratoria pueden ser agrupadas de acuerdo con el sitio del aparato respiratorio hasta el que penetran, y en el cual, con mayor probabilidad se depositarán. De esta manera, la fracción respirable se divide en las fracciones extratorácica (ET), traqueobronquial (TB) y pulmonar alveolar (P). La primera de estas fracciones está constituida por las partículas que penetran y se depositan en la nariz, los senos paranasales, la faringe y la laringe; los tamaños de éstas partículas van desde los 5 hasta los 200 micrómetros, y los tamaños de aquellas que se depositan con mayor frecuencia en las regiones mencionadas van de los 15 a los 30 micrómetros. La fracción traqueobronquial comprende partículas menores a 20 micrómetros, con un

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máximo de depósito para los tamaños entre 7 y 10 micrómetros. Por último, la fracción alveolar está constituida por partículas menores a los 10 micrómetros, de las cuales aquéllas con tamaños entre 2.5 y 3.5 micrómetros son las que con mayor facilidad se depositan en los pulmones (Restrepo I. 1992).

La composición de las fracciones mencionadas puede variar por varios factores: la frecuencia respiratoria, la velocidad de los flujos de aire inspirado y espirado, así como el tipo de respiración, que puede ser nasal, oral u oronasal.

Efecto del bióxido de azufre.

Varias especies animales, incluyendo el hombre, responden al SO2 atmosférico sufriendo el efecto de broncoconstricción, la que puede ser evaluada en térmi nos de incrementos a resistencia respiratoria y efectos en el sistema respiratorio. Probablemente es el contaminante atmosférico más conocido, ya que existe una gran cantidad de estudios de efectos sobre el hombre, ecosistemas y materiales, producidos por la exposición a corto y a largo plazos al SO2. El SO2 pasa del aparato respiratorio a la corriente sanguínea y puede entonces difundirse por todo el cuerpo, donde parece ser que se metabolisa y elimina a través de las vías urinarias.

Estudios sobre episodios graves de contaminación atmosférica han encontrado un incremento en el porcentaje de muertes entre las personas con enfermedades del corazón y pulmones cuando concentraciones altas de bióxido de azufre están presentes en combinaciones con altas concentraciones de partículas suspendidas totales. Un incremento notable en enfermedades respiratorias agudas y crónicas puede también ocurrir a niveles más bajos (Bravo H. 1987).

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Las partículas: Fracción fina y fracción gruesa

Se ha establecido que las partículas menores de 2.5 µm de diámetro pueden penetrar hasta lo más profundo del sistema respiratorio humano; y que dependiendo de la composición química es la gravedad del daño que pueden causar. Estas partículas constituyen la fracción fina de todas las partículas atmosféricas. La fracción gruesa está comprendida entre los 2.5 µm y los 15 µm de diámetro.

Generalmente la fracción fina está constituida por metales pesados y carbón elemental en un gran porcentaje, lo que ennegrece el filtro con las partículas colectadas. Por su parte, las partículas gruesas están constituidas por sales inorgánicas, como silicatos y carbonatos de metales alcalinos y alcalinotérreos. Efectos en la visibilidad

El término "visibilidad atmosférica" se refiere a la mayor distancia a la cual un objeto negro puede ser visto contra el horizonte del cielo durante el día. El tipo y grado de los efectos en la visibilidad se determinan por la distribución y las características de las partículas atmosféricas, que dispersan y absorben la luz.

A escala regional, la reducción de la visibilidad se da generalmente por la dispersión de la luz debida a las partículas finas, principalmente de 0.1 -2 µm de diámetro. Los sulfatos y el carbón elemental, dos de los principales componentes de las partículas finas, contribuyen, en diferentes grados, a la degradación de la visibilidad. Otras especies químicas, como los nitratos y los compuestos orgánicos, también pueden ser importantes para estos compuestos.

En condiciones de alta estabilidad atmosférica (inversiones térmicas) o en

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sitios donde se producen partículas gruesas, existe una proporción fija entre la concentración de partículas totales en suspensión (PST) y la de humo (BS); y otra proporción fija entre la concentración de partículas con tamaños iguales o menores a los 10 micrómetros (PM10) y la concentración de las PST. Esta afirmación no es válida en el caso de la ciudad de México, ya que en ella se producen partículas no sedimentables gruesas, que determinan en buena medida la concentración en peso de las PST. Composición química

Existe uniformidad de opiniones en cómo es que el tamaño de las partículas determina su efecto nocivo. Sin embargo, generalmente se pasa por alto el que la composición química de una partícula determina su acción tóxica.

Los estudios clínico-epidemiológicos de los efectos de las partículas totales en suspensión, indican la importancia de la presencia simultánea de estas partículas y de compuestos derivados del azufre: el bióxido de azufre (SO2) es absorbido por las partículas higroscópicas; además, se transforma en la atmósfera en trióxido de azufre, que en presencia de agua forma partículas submicrónicas de ácido sulfúrico y sulfatos (Galindo I. 1960-1962).

Los daños observados en algunos episodios de contaminación en Londres, han sido atribuidos principalmente a la acción combinada de las partículas inhalables y del ácido sulfúrico y los sulfatos. Experimentalmente, la exposición de corta duración a aerosoles de ácido sulfúrico y de sulfatos, produce broncoconstricción, que provoca un aumento en la resistencia pulmonar e irritación del tracto respiratorio. Por otro lado, la exposición repetida a concentraciones altas en aerosoles de ácido sulfúrico y de sulfatos produce cambios fisiológicos y morfológicos en animales, cambios que pueden estar asociados con la presencia de enfermedades respiratorias crónicas.

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Por otra parte, las partículas de origen carbónico pueden absorber sustancias orgánicas poli cíclicas del grupo de los benzopirenos, que tienen actividad mutagénica y carcinogénica. Se ha encontrado que las partículas en suspensión en el aire de varias ciudades tiene n efectos mutagénicos en cultivos de bacterias, y se especula en torno al papel que estas partículas pudiesen jugar en el desarrollo del cáncer broncogénico en las poblaciones urbanas.

En las zonas cercanas al mar se requiere de pinturas especiales para los automóviles y las viviendas, ya que se dañan rápidamente por el alto contenido de sales presentes en las partículas suspendidas, también los volcanes emiten partículas, que sin duda tienen composiciones diferentes a las producidas por una tolvanera; asimismo, en regiones cercanas a ciertas industrias que trabajan con materiales específicos, como el cromo, (Miranda et al, 1994). La contaminación por partículas suspendidas en la atmósfera.

La contaminación por partículas es la forma más visible de contaminación atmosférica. Las que se encuentran más comúnmente contaminando la atmósfera tienen diámetros que van de 0.001 µm hasta 10 µm, formando lo que puede llamarse aerosol atmosférico, las cuales son sustancias sólidas (humos) o gotitas líquidas (niebla) dispersos en el aire.

Dichas partículas se originan por procesos industriales, por la combustión de combustibles fósiles, en los escapes de los automóviles, etc. También existe la contaminación por partículas en forma natural, como las producidas en las erupciones volcánicas, las tormentas de arena en los desiertos, las tolvaneras en lugares erosionados, los incendios forestales etc.

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Las partículas pueden ser heterogéneas en su estructura, habiéndose formado a partir de una pequeña "semilla" o núcleo de Aitken, por quimioabsorción y absorción física.

Las partículas menores de 1 µm de diámetro se originan en la atmósfera principalmente a través de procesos de combustión y condensación. Las mayores de 10 µm de diámetro resultan de procesos mecánicos tales como erosión por el viento, triturado, molido, pulverizado de materiales, etc. Los productos de combustión y las partículas fotoquímicos constituyen una gran parte de las partículas en la escala de 0.1 µm a 1 µm de diámetro.

Debido a que las partículas suspendidas pueden consistir de una gran variedad de sustancias, sus propiedades son variables también; sin embargo, pueden señalarse tres propiedades importantes: Propiedades de superficie

Se presenta absorción cuando la superficie de la partícula o de agrupamientos de ellas interaccionan con compuestos químicos; esto es, las partículas pueden reaccionar químicamente, o funcionar como soporte o catalizador (absorción) con compuestos químicos. Si la partícula es inhalada cualquiera de los mecanismos indicados podría presentarse en el sistema respiratorio. Propiedad de movimiento

Las partículas con tamaño menor de 0.1 µm tienen movimiento al azar (Browniano) originados por colisiones con moléculas individuales. Partículas mayores a 1 µm tienden a sedimentarse, y sus movimientos pueden variar significativamente con respecto al patrón del movimiento del aire que las acarrea.

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Para partículas entre 0.1 µm y 1 µm, la velocidad de sedimentación en el aire es muy pequeña, comparada con los movimientos naturales del aire. No obstante los tiempos reales de sedimentación en la atmósfera difieren de los calculados aplicando la ley de Stokes, y los movimientos de turbulencia del aire tienden a favorecer la caída por gravedad, las partículas mayores de 5 µm ó 10 µm son removidos en un alto porcentaje por gravedad y otros procesos inerciales en las cercanías de las fuentes emisoras. Propiedades ópticas

Las partículas con diámetro menor a 0.1 µm son lo suficientemente pequeñas para seguir las leyes de dispersión de la luz en la forma en que las moléculas lo hacen. Este efecto de dispersión es conocido como dispersión de Rayleigh.

La reducción en la visibilidad es el resultado de la absorción y dispersión de la luz incidente. Existen suficientes estudios que indican que la reducción de la visibilidad, puede ser proporcional a la concentración de partículas suspendidas. Concepto de aerosol.

Las partículas en suspensión en la atmósfera interactúan físicamente con el vapor de agua atmosférico mediante fuerzas electrostáticas formando una interfase sólido-gas, a la cual se le conoce como aerosol. Tipos de aerosoles

Polvo. Es un aerosol formado por subdivisión mecánica de un material en partículas finas que tienen la misma composición. Esto ocurre en operaciones tales como triturado, molido, excavado y dinamitado. Las partículas sólidas e

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irregulares en su forma, teniendo diámetros mayores que 1 µm. Humo. Es un aerosol de partículas sólidas formadas por condensación de vapores generados a elevadas temperaturas por combustión o sublimación. Las partículas primarias son generalmente muy pequeñas (menores que 0.1 µm) y tiene formas esféricas o cristalinas características. Pueden ser químicamente idénticas al material original o estar compuestas por un producto de oxidación, como un óxido metálico. Al formarse por concentración de un gran número de partículas originales, se coagulan rápidamente, formando agregados de baja densidad. Bruma. Es un aerosol formado por pequeñas gotas de un líquido producidas en forma mecánica: por atomización, nebulación, burbujeo, dispersión o condensación. El tamaño de la gotita de líquido puede cubrir una gran escala, que va desde aproximadamente 2 µm hasta más de 50 µm. Niebla. Es un aerosol acuoso formado por condensación sobre un núcleo atmosférico en humedades relativamente altas. Los tamaños de las gotitas son generalmente mayores que 1 µm. Smog. Un término popular para un aerosol contamina nte derivado de una combinación de humo (smoke) y niebla (fog). Neblina. Un aerosol sub-micrométrico formado de partículas higroscópicas que atrapan el vapor de agua a baja humedad relativa. Núcleo de Aitken o de condensación. Partículas atmosféricas muy pequeñas (generalmente menores de 0.1 µm), formadas por procesos de combustión y por conversión química de sus precursores gaseosos.

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Características físicas y composición de las partículas atmosféricas

Estas partículas existen en diversos tamaños y composiciones, que pueden variar ampliamente por la contribución de las fuentes de emisión y por las condiciones meteorológicas. En general. Las partículas atmosféricas tienden agruparse en dos tipos principales: partículas gruesas, comúnmente mayores de 2-3 µm de diámetro; y partículas finas, comúnmente menores de 2-3 µm de diámetro.

La distribución del volumen (o masa) de las partículas finas puede encontrarse en dos modos. Las partículas en el modo llamado núcleo (que incluye partículas de 0.005-0.05 µm de diámetro) se forman cerca de las fuentes de emisión por condensación de vapores producidos por procesos a altas temperaturas, tales como la quema de combustibles fósiles. Las partículas en el modo acumulación (que incluye partículas de 0.05-2 µm de diámetro), se forman principalmente por coagulación o crecimiento mediante condensación de vapor de las partículas de vida corta del modo llamado núcleo.

Las partículas gruesas se forman por procesos mecánicos como molido, triturado, etc. e incluyen la resuspensión del polvo superficial. Las partículas atmosféricas también pueden clasificarse como los demás contaminantes, en primarias y secundarias.

Las partículas primarias, son descargadas directamente a la atmósfera de las fuentes de contaminación antropogénicas o naturales. Las secundarias se forman por reacciones físicas y químicas en la atmósfera, y la mayoría de los reactantes son emitidos al aire como contaminante gaseosos.

En la atmósfera, el crecimiento de las partículas y la transformación química ocurre a través de interacciones gas-partícula y partícula-partícula. Las

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interacciones gas-partícula incluyen la condensación de moléculas de baja presión de vapor, como ácido sulfúrico (H2SO4) y compuestos orgánicos; estas condensaciones ocurren principalmente en las partículas finas. La única interacción importante partícula-partícula en los procesos atmosféricos es la coagulación entre partículas finas.

Los principales componentes de las partículas atmosféricas finas son los sulfatos, los nitratos, el material carbónico, el amonio, el plomo y otros metales pesados. Las partículas gruesas consisten principalmente de óxidos de silicio, de aluminio, de calcio, magnesio y hierro, así como carbonato de sodio y otras sales, materiales como partículas de llanta y partículas vegetales como polen y esporas.

Los componentes carbonáceos de las partículas finas contienen carbón elemental (grafito y hollín) y compuestos orgánicos (hidrocarburos emitidos de las fuentes de combustión y compuestos orgánicos secundarios formados por reacciones fotoquímicas). En muchas áreas urbanas y no urbanas, estas especies pueden constituir las partículas más abundantes después de las formadas por sulfatos. Las partículas orgánicas secundarias se forman por oxidación de las orgánicas primarias, en un ciclo que involucra también al ozono y los óxidos de nitrógeno. Las reacciones atmosféricas de los óxidos de nitrógeno producen ácido nítrico gaseoso (HNO3) que puede acumularse como partículas de nitrato en los modos fino y grueso. Efecto de las partículas atmosféricas

La abundancia de partículas antropogénicas (de origen no natural) como los ocasionados por quema de llantas (Galindo y Chávez, 1977-1980), es tal, que actualmente la inversión térmica representa un peligro potencial para la población pues los contaminantes se van acumulando en una capa ya de por sí sobrecargada de ellos.

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Efectos en la vegetación y en los ecosistemas

Las emisiones de partículas tienen un mayor impacto en los ecosistemas cercanos a las grandes fuentes de emisión. Si las partículas contienen elementos tóxicos, estos afectarán a los ecosistemas, aun si la disposición no es muy alta. La solubilidad de los componentes de las partículas, es un factor importante en el efecto que se causa a los ecosistemas, ya que esa característica le da movilidad a través de los ecosistemas terrestres y acuático.

Las partículas gruesas, depositadas directamente en la superficie de hojas, pueden reducir el intercambio gaseoso, incrementan la temperatura de la superficie de la hoja, reducen la fotosíntesis y el crecimiento, producen clorosis y, finalmente, causan la necrosis de las hojas. Si las partículas contienen metales pesados, al depositarse en la superficie de las hojas o en el suelo pueden ser tomados por la planta, acumularse en ella y alcanzar concentraciones tóxicas en los tejidos de la misma. Efecto en los materiales

Si las partículas que se depositan sobre los materiales de construcción contienen especies ácidas en su composición química -por ejemplo: Sulfatos y nitratos-, éstos reaccionan con los compuestos inorgánicos de los materiales (piedra caliza, mármol, etc.), propiciando su destrucción. Cuando el material es metálico, esas partículas ácidas promueven la oxidación, la corrosión y, finalmente la destrucción total del material (Restrepo, I. 1992).

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Fuentes emisoras de partículas contaminantes.

Estas fuentes son de dos tipos: naturales y antropogénicas (de origen humano). Las primeras incluyen, entre otras, al polvo proveniente del suelo, el mar, las erupciones volcánicas y los incendios forestales. Entre las antropogénicas se encuentran los vehículos automotores, la industria minera, la siderúrgica, las fundidoras, las plantas termoeléctricas, la quema de bosques y desechos agrícolas, quema de cohetes y carbón para preparar alimentos.

En la tabla 1 "F" (apéndice 1) se aprecia los resultados obtenidos en el estudio realizado a partículas suspendidas en la atmósfera de la Ciudad de México, en una zona industrial del norte (Vallejo), (Miranda et al, 1994).

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II.-ANTECEDENTES

La contaminación atmosférica en México

La primera forma de contaminación antropógena del aire en México, es tan antigua como la población inmigrante que conocía ya el fuego. Si bien el impacto negativo en la calidad del aire ambiental producido por las fogatas en vivienda para la cocción de los alimentos era muy bajo, los asentamientos humanos de gran importancia como los del Valle de México, que en 1519 llegaron a tener 1,500,000 habitantes, deben de haber producido una leve capa de humo que cubría el valle al amanecer.

La primera experiencia de exposición a gases contaminantes en México, tuvo lugar cuando Diego de Ordaz con nueve españoles y varios tlaxcaltecas subieron al volcán Popocatépetl en 1519.

Durante el Virreinato aparecieron las primeras chimeneas que emitían humos y vapores, principalmente de los procesos de metalurgia, fundición y acuñación de metales.

En 1826 el barco "Emma" trajo de Alemania a Veracruz los primeros 235 bultos que constituyeron el principio de la construcción de la fábrica textil "La Purísima", que se ensambló en Valladolid a lo largo del siglo XIX, con el estímulo de Lucas Alemán y el Banco de Avió. Se fueron ampliando el número y la capacidad de las industrias, aunque su emisión a la atmósfera se mante nía muy reducida y el impacto a la atmósfera era sólo local.

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En el año de 1922 en los municipios de Amatlán y Zacamixtle, actualmente dependientes de Naranjos, Ver., se instalaron unos separadores de gases, equipos asociados a la extracción de crudo en un pozo petrolero. Estos gases eran quemados, y frecuentemente el sistema de ignición presentaba fallas y se apagaba la llama. Una mañana fueron hallados muertos niños, mujeres y algunos trabajadores dentro de sus casas.

En la madrugada del 24 de noviembre de 1950 tuvo lugar en Poza Rica, Ver., en la colonia obrera Flores Magón, vecina de la refinería, un episodio de contaminación atmosférica semejante. Se apagó un quemador y durante 20 minutos se emitió ácido sulfhídrico a la atmósfera, (más denso que el aire) el cual se depositó sobre la población que plácidamente dormía. Se registró una intoxicación de 330 personas de las cuales 45 resultaron seriamente afectados y 263 con afecciones leves y 22 murieron. Los síntomas predominantes fueron la afección al sistema nervioso central y al aparato respiratorio.

En la década de los 50's, en el primer estudio sobre la contaminación atmosférica de la Ciudad de México, ya se indica y se prueba la existencia de la contaminación atmosférica, y se plantea que "no debe permitirse por ningún concepto que los niveles de contaminación atmosférica de la Ciudad de México y otras

ciudades

industriales

continúen

aumentando

indefinidamente.

Las

consecuencias en salud pública por falta de medida de control pueden ser dramáticas y diversas, "cuando por desgracia se presenta un caso agudo, por la combinación de parámetros no adecuados, será un desastre más que lamentar y quizás una nota bibliográfica más como la de Poza Rica, Ver." (Bravo, H. 1987).

Con motivo del Año Geofísico Internacional de 1957-1958, se reiniciaron las mediciones de la radiación solar y por primera vez se hicieron estudios sobre la contaminación atmosférica de la Ciudad de México por medio de la extinción de la radiación solar (Galindo, 1960-62).

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En 1961 H. Bravo et al., realizan la primera investigación en México para caracterizar el material orgánico contenido en partículas suspendidas. También reportan los resultados de muestreos del aire de la Ciudad de México. En dichos muestreos se efectúan análisis espectográficos en la Comisión de Fomento Minero y se reporta ya la presencia de manganeso, plomo, fierro, estaño, berilio y aluminio en partículas suspendidas en la atmósfera de la Ciudad de México.

En 1962 Galindo realiza un estudio sobre la radiación solar durante el año y posteriormente demuestra que las variaciones estaciónales, se deben al movimiento propio de la circulación atmosférica, en donde las partículas en suspensión en la atmósfera debidas a invasión de cenizas volcánicas (Galindo, 1962), por la quema de llantas en las calles de la ciudad (Galindo y Chávez, 1979) y a incendios accidentales de tiraderos de basura de bosques aledaños al Distrito Federal, entre otros.

Otro estudio sobre el problema de la contaminación atmosférica en la Ciudad de México, fue el que detectó las concentraciones de plomo, de benzo (a) pireno y benzo (k) fluoranteno (cancerígenos) en muestreos efectuados entre 1966 y 1969. En 1968 en la Ciudad de México (área Tacuba), se midieron 277 microgramos por metro cúbico de partículas sólidas en muestreo de 24 horas, mientras que en Washington, D.C., había 77, en San Francisco 68 y en Chicago 124, (Bravo; H. 1987).

En el año de 1974 se inició la instalación de un sistema de monitoreo automático consistente en 20 estaciones de monitoreo y dos estaciones móviles (con instrumentación Phillips) y se completó en 1976. La operación de este costoso sistema no dio los resultados esperados, ya que para 1978 eran inoperantes y para 1980 fue abandonado.

En 1989 Galindo, Chapela y Selman realizaron un estudio para relacionar el asma bronquial con los factores ambientales, donde encontraron que existe

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relación inversa, especialmente durante el invierno entre decrementos de la temperatura y respuesta asmática.

En las ultima década se han realizado estudios en la ciudad de México por el problema severo de contaminación tanto por las fuentes antropogénicas (asentamientos industriales, crecimiento en vehículos automotores, entre otros) como las naturales (Popocateptl, erosión eólica, entre otras.). Para estos estudios se han utilizado unidades de filtros apilados (SFU), en el cual se separan partículas de tamaño de 2.5 a 15 µm y utilizando el análisis de PIXE. Así también se han hecho estudios de aerosoles para evaluar su composición elemental (Miranda, J, et al, 1992). Se han hecho estudios comparativos de aerosoles atmosféricos en cinco sitios de la zona metropolitana de la Ciudad de México, usando la unidad de filtros apilados y el análisis elemental con PIXE en el cual encontraron que no hay variación importante en la composición de la materia, excepto baja concentración de sólidos derivados del polvo en el centro de la ciudad (Miranda, et al 1998).

Industria minera:

Uno de los elementos que caracterizan el presente ciclo minero, es el uso de técnicas de minería a cielo abierto para la extracción de los minerales. Esta tecnología moderna es altamente nociva al medio ambiente y a las comunidades cercanas a estos proyectos.

La minería moderna, ante el agotamiento de las vetas del siglo pasado, ahora considera el aprovechamiento de grandes montañas para la obtención de pequeñas partículas de diversos metales, por medio de la técnica a cielo abierto. Con esta técnica, son capaces de borrar del mapa enormes montañas en unos cuantos años. Primero remueven la capa superficial o sobrecarga de la tierra para hacer accesibles extensos yacimientos de mineral de baja calidad; los modernos equipos de excavación, las cintas transportadoras, la gran maquinaria, el uso de

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nuevos insumos y las tuberías de distribución permiten en cuestión de horas remover todo para hacer rentable la extracción de menos de un gramo por tonelada de tierra removida.

Por sus características la minería "a cielo abierto", representa la actividad industrial más agresiva en términos ambiental, social, económico y cultural. Su carácter intensivo y de economía, así como su alta composición de capital provocan que la actividad entre en contradicción con las poblaciones locales y termina

en

muchos

casos

desplazando

a

sus

actividades

productivas

tradicionales. Es también una actividad económica insostenible por definición en la medida en que supone el agotamiento del recurso explotable.

Entre los daños al ambiente que eventualmente podría causar esta actividad, podemos identificar como principales los siguientes:

Afectación de la superficie: La minería a gran escala, y en especial la minería a cielo abierto desbasta la superficie, modifica severamente a la morfología del terreno, apila y deja al descubierto material estéril resultante, produce la destrucción de áreas cultivadas y de otros patrimonios superficiales, puede alterar cursos de aguas y formar grandes lagunas para el material de descarte.

Afectación del entorno en general: El entorno se ve totalmente transformado, perdiendo su posible atracción escénica y se ve afectado por el ruido producido en distintas operaciones como la trituración y molienda, la generación de energía, el transporte, carga y descarga de minerales y materiales estéril sobrante de la mina. Estos efectos se incrementan en el caso de las técnicas de cielo abierto.

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Contaminación del aire: El aire puede contaminarse con impurezas sólidas (p.ej. polvos y combustibles tóxicos o inertes, capaces de penetrar hasta los pulmones) provenientes de diversas fases del proceso. También puede contaminarse el aire con vapores o gases de cianuros, mercurio, dióxido de azufre, contenidos en gases residuales, procesos de combustión incompleta o emanaciones de charcos o lagunas de aguas no circulantes con materia orgánica en descomposición.

Afectación de las aguas superficiales: Los residuos sólidos finos provenientes del área de explotación pueden dar lugar a una elevación de la capa sedimentaria de los ríos de la zona. Diques y lagunas de oxidación mal construidas o mal mantenidas o, también, un inadecuado manejo, almacenamiento o transporte de insumos (combustibles, lubricantes, reactivos químicos y residuos líquidos) pueden conducir a una polución de las aguas superficiales.

Afectación de las aguas freáticas (subterráneas): Aguas contaminadas con aceite usado, reactivos, sales minerales provenientes de las pilas o botaderos de productos sólidos residuales de los procesos de tratamiento, así como aguas de lluvia enriquecidas en contaminantes contenidos en dichos botaderos, o aguas provenientes de pilas o diques de colas, o aguas de proceso poluidas, pueden llegar a las aguas freáticas. Puede haber un descenso de ella cuando son fuente de abastecimiento de agua fresca para operaciones de tratamiento de minerales.

Afectación de los suelos: En el caso de la minería a cielo abierto la actividad implica la eliminación del suelo en el área de explotación, un desecamiento del suelo en la zona circundante y una disminución del rendimiento agrícola y agropecuario, suele provocar hundimientos y a formación de pantanos

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en caso en que el nivel freático vuelva a subir, provoca una inhabilitación de suelos por apilamiento del material sobrante.

Impacto sobre la flora: Las operaciones mineras a cielo abierto en particular, y la minería de metales en general, implica la eliminación de la vegetación en el área de las operaciones mineras, así como una destrucción parcial o una modificación de la flora en el área circunvecina, debido a la alteración del nivel freático. Puede provocar una presión sobre los bosques existentes en el área, que pueden verse destruidos por el proceso de explotación o la expectativa de que este tenga lugar.

Impacto sobre la fauna: La fauna se ve perturbada y/o ahuyentada por el ruido y la polución del aire y del agua, la elevación del nivel de sedimentación de los ríos por la erosión de los amontonamientos de residuos estériles, puede afectar particularmente la vida acuática. Puede darse también envenenamiento por reactivos residuales contenidos en aguas provenientes en la zona de explotación.

Cambios en el microclima: La minería puede causar cambios en el microclima y puede provocar la multiplicación de agentes patógenos en charcos y en áreas cubiertas por aguas estancadas.

Impacto escénico posterior a la explotación: La minería a cielo abierto especialmente deja profundos cráteres en el paisaje. Su eliminación puede conllevar costos tan elevados que pueden impedir la explotación misma. Teóricamente es de esperar que la zona de explotación sea reconstruida ecológicamente una vez alcanzada la vida útil del yacimiento.

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En la Declaración de la Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Medio Humano se menciona que para un desarrollo sustentable de la minería, es necesario que se mejore la accesibilidad y la difusión de la información existente sobre las condiciones ambientales del emplazamiento de las minas, las medidas adoptadas con respecto al medio y las repercusiones ambientales positivas y negativas. Igualmente establece la recomendación a los órganos de las Naciones Unidas para que hagan lo posible por ayudar a los países en desarrollo, proporcionándoles información tecnológica adecuada para impedir repercusiones ambientales presentes o futuras y consecuencias nocivas para la salud y la seguridad.

En México, la Ley Mi nera condiciona el aprovechamiento a la autorización de la autoridad competente cuando se trate de obras y trabajos de exploración y de explotación dentro de poblaciones, presas, canales, vías generales de comunicación y otras obras públicas, al igual que dentro de la zona federal marítimo-terrestre y las áreas naturales protegidas.

Problemas de la industria minera y metalúrgica

•

Generación de grandes volúmenes de residuos. (1)

•

Generación de polvos.

•

Contaminación del agua. (2)

•

Contaminación atmosférica por fundiciones.

•

Impacto visual.

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(1) Aproximadamente 1 % del material extraído se convierte en metal y 99% en residuos.

(2) Representa un peligro para la población y medio ambiente por elementos tóxicos en el agua.

Uno de los antecedentes más relevantes en la actualidad con respecto a la contaminación de la industria minera en México es la que recientemente ha llamado la atención de la prensa internacional y nacional del caso del envenenamiento por metales pesados entre la población infantil de Torreón Coahuila. Este problema había sido estudiado y denunciado desde hace 20 años. El problema en la ciudad de Torreón es provocado por el plomo, cadmio y arsénico; tres elementos altamente dañinos para los humanos. Este problema es ocasionado por la cuarta fundadora más importante del mundo la cual es propiedad de la empresa Peñoles (Valdés F. Y Cabrera V. 1999).

Industria Regional

El Estado de Colima cuenta con varias industrias generadoras de partículas finas y polvos entre las que podemos citar el Complejo Termoeléctrico de Manzanillo el cual quema aproximadamente 15,000 toneladas de combustóleo por día para su operación. Existen cuatro yacimientos a cielo abierto, ricos de mineral de hierro (dos en Minatitlán, otro en Coquimatlán y un último en Pihuamo, Jalisco; cerca de Colima), los cuales están siendo explotados. Utilizan explosivos con el fin de realizar la voladura del mineral, además utilizan como métodos de concentración, la trituración y la molienda; en estos procedimientos se utilizan como medios de transporte las bandas. Existen dos plantas peletizadoras (Peña Colorada y las Encinas), las cuales producen aproximadamente 7 millones de

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toneladas al año de pelet; en esta industria queman combustóleo para su proceso de endurecimiento del pelet, en el cual ocurre la desulfuración que es depositada en la atmósfera (Zepeda, F. 1994). El embarque se hace a góndolas o ha camiones y estos a su vez a buques. También existe una Cementera (Apasco), tres Caleras (Perla, Coliman, etc), un Ingenio azucarero, varias trituradoras de piedra para uso en la construcción, bloqueras y varios talleres de fundición, laminado y pintura etc. (INEGI, 2000). Todos estos procesos emiten partículas finas que son peligrosas para la salud; en el caso de la industria minera los tamaños con los cuales trabajan son a menos 400 mallas que equivalen a menos de 37 micrómetros; las partículas más finas que se consideran como fracción respirable están en el orden de 10 a 2.5 micrómetros, de las cuales no se tiene referencia de cuanto es el promedio que esta industria genera; las cuales tienen efecto importante en la salud humana.

Figura 1.- Voladura, yacimiento de mineral de Peña Colorada S.A.

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Por definición los minerales son sustancias inorgánicas naturales que poseen estructuras atómicas y composiciones químicas definidas, frecuentemente se usa el término "mineral" en un sentido más extenso para incluir cualquier cosa de valor económico que se extraiga de la tierra. Una mena se describe como una acumulación de mineral en cantidad suficiente para permitir su extracción económica. En el procesamiento de las menas existen operaciones que son aporte de materiales llamados finos los cuales en tamaños menores a 15 µm pueden ser elementos nocivos para la salud humana; estas operaciones inician con un proceso llamado descapote, sí el yacimientos es explotado a cielo abierto, el cual consiste en remover toneladas de mineral (caso Peña Colorada descapota 17 millones de toneladas de material por cinco millones de toneladas de mine ral, 3.4 a 1).

Figura 2.- Proceso de extracción, yacimiento de mineral de Peña Colorada S.A.

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El proceso de producción de la planta Peña Colorada, utiliza perforadoras rotatorias capaces de realizar orificios de 12 pulgadas, en los cuales se le inyectará dinamita para hacer volar el material superficial y llegar hasta la beta de mineral.

Después del descapote sigue la operación de transporte de mineral, el cual se realiza en algunas planta por medio de yucles (camiones de alta capacidad, 160 toneladas), que son cargados con palas hidráulicas, en otras por teleférico o bandas en los cuales se presentan el aporte de partículas finas a la atmósfera por efecto de erosión eólica y el mismo manejo del mineral.

Normalmente en todos los procesos mineros, el mineral procedente de la mina, es alimentado a una trituradora o quebradora de tipo giratoria de cono, la cual reduce su tamaño a menos de 10 pulgadas, en esta operación también se generan partículas fina, de ahí se transportan a través de bandas a unas preconcentradoras para el caso del proceso de Peña Colorada (mineral de hierro).

Posteriormente sigue la molienda; en esta operación la generación de material fino es imposible, ya que se hace en sistemas cerrados y en húmedo.

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Figura 3.- Proceso de Molienda y Concentración, yacimiento de mineral de Peña Colorada.

Una vez que el mineral concentrado es enviado al puerto de Manzanillo por medio del ferroducto, se inicia el proceso de peletización, en el cual existe aportación de material fino, por el movimiento del mismo material o por la erosión eólica.

Figura 4.- Proceso de Peletizado, yacimiento de mineral de Peña Colorada.

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Una vez que se concluye el proceso de peletizado, el producto es depositado en patios de almacenamiento de pelet, que posteriormente se embarca por medio de góndolas para ser transportadas por vía férrea, o en camiones, para cargarse en barco y transportarse por vía marítima (Zepeda, F. 1994). Durante estos embarques se generan nuevamente partículas finas que impactan en el ambiente.

Figura 5.- Sistema de embarque de "Pelet" en góndolas de Peña Colorada S.A.,

En lo referente a la producción del cemento, se realizan operaciones similares a la industria del mineral de hierro como son: la voladura por medio de la realización de barrenos y la utilización de dinamita para el descapote y la disgregación de mineral del cerro, transporte y embarque, en estas etapas del proceso se generan materiales finos, que se presumen productores de aerosoles atmosféricos.

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Figura 6.- Isométrico para la producción del cemento Pórtland, por los procesos seco y húmedo. (T. Austin, G. (1998); Pórtland Cement Assoc.).

En lo correspondiente a la producción de la cal, se realizan operaciones similares a la industria del mineral de hierro y del cemento, como son: la voladura por medio de la realización de barrenos y la utilización de dinamita para el descapote y la disgregación de mineral del cerro, transporte y embarque, en estas etapas del proceso se generan materiales finos que se presume sean también elementos aportadores de aerosoles atmosféricos.

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Figura 7.- Diagrama de flujo para producir cal a partir de la piedra caliza pulverizada. (T. Austin, G. (1998)Dorr-Oliver, Inc.).

Dado que las partículas finas en la atmósfera pueden estar suspendidas hasta 45 días y pueden ser transportadas por el viento a grandes distancias de su origen; se presume que pueden encontrarse en la atmósfera de la Ciudad de Colima este tipo de partículas finas provenientes de la industria minera.

Volcanes

En virtud de que los volcanes activos son fuente de aerosoles y considerando que en la parte norte del Estado, se encuentra el Volcán de Fuego de Colima abordaremos este generador de partículas.

Los volcanes activos emiten hacia la atmósfera, a través de las fumarolas o por medio de explosiones violentas, partículas sólidas grandes como silicatos y gases (principalmente vapor de agua, dióxido de azufre y dióxido de carbono) en concentraciones variables. Es reconocido que las partículas volcánicos son despreciables por su contribución a la contaminación del aire o son sólo de 50

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carácter local, porque las erupciones volcánicas son sólo eventos cortos; pero ésta información no es universalmente cierta. Los volcanes activos son fuente permanente de dispersión de partículas (diámetro mayor que 2.0 micrómetros) y gases que finalmente son transformados en aerosoles. Por otra parte, el tiempo de vida de estas partículas que forman aerosoles es relativamente larga (10 a 30 días) debido a que las expulsiones son de gran altitud. En este caso del Volcán de Fuego de Colima los efectos de las partículas volcánicos en la atmósfera alcanzan un total de 5-10 km2.

Otros volcanes

En 1978 estudios realizados en el Volcán Monte Etna (tabla 1 "A"; apéndice 1) localizado en Sicilia, Italia, hecho por P. Buat-Ménar del "Centre des Faibles Radioactivités" encontraron elementos como cobre, zinc, selenio, mercurio y plomo en concentraciones mayores; y azufre, cloro, potasio, fierro y calcio en menor concentración, (Buat-Ménard and M. Arnold; 1978).

En 1979 Michael Darzi del departamento de oceanografía de la Universidad del Estado de Florida EU, realizó estudios en el Volcán Kilauea en Hawai, EUA (tabla 1 "A"; apéndice 1), encontrando la presencia de silicio, fósforo, azufre, cloro y fierro; y en concentraciones más bajas potasio, calcio, titanio y zinc. El muestreo de este estudio fue realizado con impactor de cascada, donde los cinco elementos enunciados se detectaron en casi el 90% de las masas de las muestras y los otros fueron encontrados de manera más regular (Darzi; M. 1981).

En 1987 Quisefit y Met realizaron estudios en el volcán Monte Etna ( tabla 1 "A"; apéndice 1) encontrando elementos en mayor concentración como azufre, cloro, sodio, potasio, cobre y zinc y en menor concentración al aluminio, silicio, fierro, calcio y titanio, (Quisefit; 1987).

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En 1993 J.R. Morales, y J Radional efectuaron estudios en el volcán Lonquimay de Chile (tabla 1 "A"; apéndice 1) encontrando como mayor elementos al azufre, y el cloro y en menor concentración al aluminio, silicio, potasio, calcio, titanio y fierro, (Morales J. Y Radional J. 1993).

En un estudio sobre evidencia de influencia volcánica en la ciudad de México por aerosoles, muestra la elevada concentración del SO2 emitido por el volcán en alta concentración de humedad en la niebla (Raga G.B. et al, 1999). Caso Volcán de Colima

Características fisiográficas de la zona del volcán de Colima

El Estado de Colima, está ubicado en la porción media occidental de la República Mexicana, entre los meridianos 103º 29' y 104º 41' de longitud Oeste, y entre los paralelos 18º 41' y 19º 31' de latitud Norte. Colinda al norte y noroeste con el estado de Jalisco; al suroeste, con el de Michoacán, y está limitado al oeste por el Océano Pacífico. Su extensión territorial es de 5,683 km2, y de los cuales 5,542 km2 corresponden a su porción continental y 141 km2 a las islas que forman el archipiélago de Revillagigedo. Políticamente está dividido en diez municipios que son: Armería, Comala, Coquimatlá n, Cuauhtémoc, Manzanillo, Minatitlán, Tecomán y Villa de Álvarez. La entidad esta comprendida en las provincias fisiográficas denominadas Sierra Madre del Sur y Eje Neovolcánico.

El estado de Colima cuenta con 540,679 habitantes. El municipio de Colima se encuentra conurbano con el municipio de Villa de Álvarez, los cuales concentran aproximadamente el 50% de la población del estado (210,000 habitantes, y su actividad económica más importante es el comercio, seguida de la agricultura y la ganadería; (INEGI, 2000).

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Figura 8 Erupción del Volcán de Fuego de Colima (1999).

El Volcán de Colima (19.51º Norte, 103.61º Este, 3,900 m sobre el nivel del mar) es el más joven y único cono activo formado por una cantera de una larga y compleja cadena volcánica cuaternaria, localizado en la parte occidental del Cinturón Volcánico Transversal Mexicano, en un arco continental relacionado con la convergencia Norte Sur de la placa norteamericana y las placas de Cocos y Rivera. Algunos domos de lava han aumentado desde 1930 y ahora, después de las erupciones de 1991 y 1994, se formó un tapón de lava humeante, con un pequeño llano de cráteres explosivos.

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Localización del volcán de Colima

Figura 9.- (a), localización del Estado de Colima en México, (b), localización del Volcán de Fuego de Colima; (Galindo, 1999).

Basados en estudios anteriores (Galindo, et al. 1995), realizados con referencia al Volcán de Fuego de Colima, muestran que la atmósfera de Colima contiene fundamentalmente dos tipos de partículas: finas (menores que 2.5 µm) de sulfatos, ácido sulfúrico y ácido sulfhídrico y, gruesas (mayores que 10 µm) de silicatos. Estos materiales son emitidos por el volcán de Fuego de Colima a través de la fumarola (durante periodos de baja actividad) y por explosiones súbitas de baja intensidad (periodos de reactivación). Adicionalmente considera que hay aportaciones antropogénicas (15-20%, particularmente de sulfatos).

El estudio de Tarán, Bernard en 1998 sobre el Volcán de Fuego de Colima documenta las concentraciones de elementos químicos condensados en el gas volcánico y combinaciones de minerales a altas temperaturas precipitados en el tubo de sílice y las mezclas de gas magmático y aire altamente oxidado. El modelo termoquímico es usado para interpretar las restricciones redox y el transporte de algunas especies de metales.

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En relación a las partículas contaminantes encontradas en el centro de la ciudad de Colima, se muestra la existencia de plomo, mercurio, cromo, cobre, cadmio, arsénico, aluminio, potasio, calcio, titanio, silicio, cloro, azufre entre otros, pero sin establecer relación con la fuente (Galindo, 1997 y Tarán, 1998).

Las tierras en la región de Colima son muy ricas agrícolamente, y se cree que esto es debido al principio de regulación biótica, lo cual permite mediante las aportaciones de los diferentes elementos y compuestos emitidos por el volcán mantener el equilibrio en la tierra, ya que esta produce un efecto de transformación biológica debido a microorganismos que permiten mantener la tierra de Colima en forma básica, ya que degradan el ácido sulfúrico, ácido sulfhídrico, etc. Este mecanismo potencializa la producción en las áreas agrícolas, (Gorshkov, 1997).

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III.- JUSTIFICACIÓN

Las partículas sólidas y polvos en suspensión en la atmósfera, ocasionalmente contienen metales pesados entre otros elementos. Sus impactos se detectan desafortunadamente cuando hay ya manifestaciones evidentes en la salud humana, en vegetales, animales o en materiales, pues sus efectos se presentan a ciertos niveles de concentración; y por lo general, la reversibilidad en los daños es casi inútil, de allí la necesidad de investigar y monitorear las zonas de influencia de contaminación antropogénicas generadas por la industria minera, con la finalidad de conocer las variaciones espacios temporales de los mismos y tomar medidas preventivas cuando los casos lo ameriten, ya que la degradación al ambiente es una amenaza a la salud y a los ecosistemas. Por consiguiente, nuestra sociedad debe asegurarse, descubriendo de inmediato el surgimiento de daños ambientales.

El objeto de este estudio estriba, en que la ciudad de colima tiene como fuente económica el comercio, pero en las zonas aledañas a la ciudad, en un radio no mayor a 50 kilómetros de distancia, existen varias industrias mineras que son fuentes generadoras de finas partículas sólidas o polvos llamados aerosoles los cuales pueden contener diversos elementos (Al, Si, K, Ca, Ti, Sr, Cr, Br, Pb, V, Ni, S, Mn, Te, Cu, Zn, As, Se, Na, CI, etc) que a ciertas concentraciones, pueden ocasionar problemas severos a la salud y al ecosistema; estos contaminantes pueden ser, tanto de tipo antropogénicas como naturales. En consecuencia se presume que la ciudad de Colima posiblemente se encuentre afectada por estos elementos contaminantes, por ello se hace necesario investigar la posible influencia de este tipo de partículas, determinar sus fuentes, sus niveles de concentración y evaluar su posible impacto.

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IV.- OBJETIVO

Determinar y estudiar las concentraciones de partículas finas sólidas (aerosoles) colectadas en el aire del entorno de la Ciudad de Colima; así como identificar sus fuentes, evaluar la contribución de la industria minera y sus posibles impactos al ambiente.

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V.- HIPÓTESIS

Debido al crecimiento y desarrollo de la industria minera en el estado de Colima, se plantea la hipótesis de que existan partículas en la fracción respirable, generadas por la industria minera en la ciudad de Colima.

Preguntas

¿Que elementos químicos se encuentran en las partículas sólidas finas o polvos en la ciudad de Colima?

¿Hay influencia de partículas de origen minero?

¿En qué concentraciones se encuentran los metales pesados en las partículas de la ciudad de Colima?

¿Hay influencia de partículas de otras fuentes?

¿Cuál es el papel del viento durante el proceso de dispersión de las partículas?

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VI.- MATERIALES Y MÉTODOS

6.1. Estaciones de muestreo

Se definieron dos estaciones de muestreo:

Una en el municipio de Comala, en la granja "La Teresita", localizada entre la cabecera municipal y la comunidad de Suchitlán, a la cual se le denominó la "Granja" y se le asignó el color rojo. A los filtros se les identificó con un número de filtro; seguido del color de la estación y para los filtros de la fracción gruesa se les agregó la letra "G".

La segunda, en la parte superior del edificio que alberga al Centro Universitario de Investigaciones de Ciencias del Ambiente de la Universidad de Colima, localizada en la parte noreste de la ciudad de Colima. A este sitio se le denominó "CUICA", la cual se le asignó el color blanco, a los filtros se les identifico con el número del filtro, seguido del color de la estación y para los filtros de la fracción gruesa se le agregó la letra "G".

6.2. Equipos de muestreo

El equipo para la colección de muestras de aerosoles atmosféricos es la llamada Unidad de Filtros Apilados (o SFU, por las siglas en ingles de Stacked Filter Unit) del diseño de Davis. Un diagrama del dispositivo se aprecia en la figura 10. Ahí se observa que el aire (bombeado a un flujo de 10 L/min), pasa a través de un portafiltros, construido a su vez de tres portafiltros de policarbonato (modelos 420200 de 25 mm y 420400 de 47 mm, marca Nuclepore de Costar Corp., Pleasanton, CA, E.U.A.). Dicho portafiltros se conecta a una boquilla que

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selecciona el tamaño de las partículas para que sólo penetren aquéllas cuyo Diámetro Aerodinámico Medio (DAM) sea menor a 15 µm (PM15). El tamaño del poro del primer filtro permite que sólo lo atraviesen, al flujo ya mencionado, las partículas con DAM menor a 2.5 µm (PM2.5). Estas últimas se depositan en el segundo filtro. A la fracción de las partículas depositadas en el primer filtro se le llama gruesa, y a la segunda, fina.

Figura 10. Esquema Unidad de Filtros Apilados (SFU). (Miranda

El flujo del aire bombeado se mide con un rotámetro, mientras que el tiempo de operación se conoce mediante un reloj que indica el tiempo durante el cual estuvo funcionando la unidad. Así, es posible calcular el volumen total del aire que atravesó los filtros. 6.3 Ubicación de las unidades de muestreo

La Unidad de Filtros Apilados (SFU) está diseñada para colectar la muestra a una altura sobre el suelo entre 2 m y 15 m. Debe, de preferencia, protegerse de la exposición directa a la luz solar y de la lluvia. No debe haber árboles a una distancia menor a 5 m, ni paredes en una distancia de al menos 1.5 m. Para esto

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pueden utilizarse mangueras que no reduzcan demasiado el flujo de aire. Las SFU funcionan

con

corriente

alterna,

120

V/60

Hz.;

se

atendieron

estas

recomendaciones en la ubicación de las unidades de muestreo. 6.4. Tamaño de la muestra

La muestra se determinó de manera no probabilística, por recomendación de expertos en el monitoreo de partículas del Instituto de Investigación en Ciencias de la Atmósfera de la UNAM. (Bravo; H. 1998); en la que se determinó que se monitoreara cada 4 días por periodos de 12 horas cada uno, debido a la predicción en la cantidad de fuentes y volumen de contaminantes antropogénicas localizadas en la zona de influencia.

Para darle sustento estadístico se presentan las condiciones para hacer que la muestra sea de tipo probabilística: El año tiene 365 días, el día tiene 24 horas y los muestreos serán cada 12 horas; por lo tanto la población "N" es igual a 730, y requiriendo un error estándar menor o igual a 0.05, se obtuvo una muestra de 40 corridas. Se utilizaron las siguientes ecuaciones (Kreyszig, P. 1995).

S2 n' = -----V

(1).

Donde:

n' = tamaño de la muestra S2 = varianza de la muestra V = varianza de la población

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Por lo tanto: V = (Se) 2 , (0.05)2= 0.0025 S2 = p(1-p)= 0.88(1-0.88)=0.1056

n'= 0.1056/0.0025 = 42.24

Donde: V = Varianza de la población. Su definición (Se)2 el cuadrado del error estándar. S2 = Varianza de la muestra expresada como la probabilidad de ocurrencia. P = La probabilidad de ocur rencia. (Se) = Error estándar.

Por lo tanto:

n’ =42.24

Si: N = Población = 730 n’ 42.24 Y ajustando tenemos: n'= --------- = -------------- 39.9 ≈ 40 1+ n’ 1 + 42.24 N 730 Por lo tanto el tamaño de la muestra es 40.

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6.5. Selección y preparación de filtros

Los filtros se seleccionaron en función de que tienen poca contaminación con metales pesados, y son muy delgados, del orden de 2.5 µm. Así, el haz de protones los puede atravesar fácilmente. Además, las partículas se depositan sobre ellos por ser membranas, y no deben hacerse correcciones por atenuaciones de rayos X durante el análisis con PIXE.

La Tabla 1 "D". Muestra las propiedades de los filtros utilizados en la colección de las partículas atmosféricos. Propiedades de los filtros utilizados. Características

Fracción gruesa

Fracción fina

Material del filtro

Policarbonato

Policarbonato

Diámetro

47mm

25mm

Tamaño de poro

8µm

0.4µm

Espesor

2.5µm

2.5µm

Marca y modelo

Nucleopore 111114

Nucleoporel 10607

6.5.1. Medición de la masa de los filtros.

Para esta etapa se empleó una electro-balanza Ohaus, modelo 2000D, con resolución de 10 µg. La balanza se encendió una hora antes de comenzar a medir las masas. Se calibró la balanza, según el método propuesto por el fabricante. Para ello se utilizaron dos pesas clase 1 de 10 g y 30 g. Los filtros se extraen de la caja en la cual vienen empacados por el fabricante utilizando pinzas metálicas, con la cara brillante del filtro hacia arriba, que es donde se depositarán las partículas. Cada filtro, antes de introducirse en la balanza, se expone a una 63

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irradiación con partículas alfa emitidas por una fuente de polonio, (cuya intensidad es de 1.5 µCi), con una rejilla de policarbonato entre el filtro y la fuente. Esto se hace para eliminar la carga electrostática en los filtros. Después se introduce el filtro en la electro-balanza, se cierran las puertas de ésta, y se aguarda alrededor de 1 minuto hasta que se estabiliza la lectura. Una vez medida la masa del filtro, se anota en la bitácora y se coloca el filtro dentro del portamuestra, que es una caja petri desechable de 50 mm de diámetro. Esta operación se realizó en el laboratorio de preparación de muestras del Instituto de Física, Departamento de Física Experimental, de la Universidad Nacional Autónoma de México. En el Centro Universitario de Ciencias del Ambiente de la Universidad de Colima se colocó un soporte de polipropileno (25 mm de diámetro) debajo del filtro que contendrá la fracción fina, para lograr que el depósito sobre él sea uniforme en los portafiltros. A cada uno de los portafiltros se les anotó una clave que los identifica (número de filtro, nombre de la estación y fecha). 6.5.2. Almacenamiento y transporte de los portafiltros.

El portafiltros tiene una tapa que impide la exposición directa del filtro al exterior. Los portafiltros cargados se guardan en cajas de plástico selladas herméticamente. Al guardar el filtro, se incluye la hoja de registro de los filtros. En la hoja se escribe también el nombre del sitio donde se expondrán los filtros, incluyendo su clave. 6.5.3. Colección de la muestra.

Se extrae el portafiltros, se retira cuidadosamente la tapa, y se conecta a la parte inferior de la boquilla, sujetándolo con una banda de hule. Se anota la hora de inicio del muestreo en la hoja de registro y se escribe también la lectura inicial del reloj del SFU. Entonces, se enciende la unidad y se ajusta el flujo mediante la válvula del rotámetro, hasta que se tenga la lectura de 10 L/min. Este flujo se escribe en la hoja de registro. Además, se toma nota de la situación meteorológica

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del inicio, así como de cualquier situación peculiar. Al terminarse el periodo de muestreo, se verifica cuál es el flujo en el rotámetro y se anota en la hoja de registro. Después, se apaga la unidad, se retira el portafiltros, colocando su tapa e introduciéndolo en su caja protectora. Se anota la hora final del muestreo y cualquier situación anómala.

6.5.4 Devolución del porta filtro expuesto.

Una vez que se han expuestos los filtros, se llevan al "CUICA" y se colocan en su caja petri respectiva; una vez hechas las corridas de muestreo se trasladaron al Instituto de Física, con la hoja de registro correspondiente.

6.5.4. Descarga de los portamuestras.

Se extraen del portamuestras (caja petri), comenzando por la fracción fina, cuya masa se mide en la electrobalanza sin exponerlo a la radiación alfa de la fuente de polonio. Después de medir su masa se almacena el filtro en la caja de Petri , que está debidamente etiquetada (con el número del filtro y la etiqueta del color correspondiente al sitio de muestreo). A continuación se retira el filtro con la fracción gruesa y se mide su masa, sin exponerlo a la radiación alfa de la fuente de polonio. Igualmente, se guarda en su caja de Petri, con su etiqueta. Las cajas con los filtros se almacenan con una gaveta limpia, para proceder a su análisis en el acelerador de partículas.

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6.6 Emisión de rayos X inducida por partículas (PIXE).

Una de las técnicas que ha tenido más éxito para el análisis elemental, basada en aceleradores de partículas, es la Emisión de Rayos X Inducida por partículas (PIXE). La razón principal es su capacidad de análisis multi-elemental, la gran sensibilidad y rapidez en el análisis.

6.6.1 Principios físicos.

El fenómeno físico en el cual se basa PIXE es la ionización de las capas internas de un átomo blanco por la incidencia de un ión positivo, y la subsecuente desexcitación del átomo por el decaimiento de un electrón desde una capa superior para cubrir la vacante, con la emisión de un fotón de rayos X para eliminar el exceso de energía en el átomo. La energía del fotón emitido es característica del elemento en cuestión, por lo cual es posible, mediante la medición de dicha energía, la identificación del elemento.

Figura 11. - Diagrama del proceso físico en el cual se basa la técnica de PIXE.

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6.7 Análisis elemental de los filtros expuestos

El análisis elemental de los filtros se realiza utilizando la técnica PIXE. Esta técnica requiere de un acelerador de partículas (iones positivos), normalmente del tipo electrostático, siendo el más común el Van de Graaff (Miranda J., 2000).

El acelerador peletrón, es otro tipo de acelerador electrostático, que posee la ventaja de producir haces de mayor energía con el mismo potencial en la terminal. Este acelerador es un caso especial de los Tándem, que funciona con un proceso de doble aceleración de los iones. En el peletrón se carga la terminal mediante uno o más cinturones, formados por barras metálicas alternadas. Por otro lado, en el peletrón se tiene una fuente de iones negativos, externa al tanque acelerador. La terminal atrae a estos iones negativos, proporcionándole una energía eV, donde e es la carga del electrón y V es el potencial en la terminal. En el centro del tanque (dentro de la terminal) existe un convertidor de iones negativos en positivos (que puede ser un gas a baja presión o una laminilla de carbono, llamado stripper), produciéndose iones con diversos estados de carga, dependiendo de factores como el átomo que forma el haz, la energía inicial, la densidad del gas, etc. Estos iones positivos ahora se ven empujados por la terminal, por lo cual se suma una energía nev al haz de iones, donde n es el estado de carga del ión, es decir, el número de electrones que perdió. Así pues, la energía final e de los iones es:

E=(n+1 )eV

(2)

La ausencia de la banda que utiliza un acelerador Van de Graaff hace, además, que la estabilidad de la energía sea mayor.

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El acelerador peletrón cuenta con una fuente de iones conocida como SNICS, en la que el elemento del cual se desean producir iones se encuentra como sólido en un cátodo, formado fundamentalmente de cobre, el cual se bombardea con un haz de iones de cesio. Esto produce una erosión en el cátodo, y los átomos expulsados interactúan con los vapores de cesio, produciendo un haz de iones negativos mediante la captura electrónica. Estos iones negativos se encaminan al acelerador mediante el electroimán inyector.

Con la finalidad de hacer el análisis elemental, se siguen los siguientes procedimientos: 6.7.1. Montaje de las muestras.

Los filtros a analizar, se montan en marcos de transparencia plásticos (marca Geppe, Amsterdam, Holanda), los cuales constan de dos partes, una negra y una blanca. La cara del filtro con el depósito se instala hacia la parte negra del marco. Después se coloca en el marco una etiqueta con el mismo número de identificación del filtro, con el color del sitio. Los marcos preparados se almacenan en carros portatransparencias, para conducirlos al laboratorio donde se hacen los análisis.

6.7.2. Dispositivo experimental para el análisis elemental.

El dispositivo experimental para análisis PIXE de blanco delgado. El acelerador de partículas (Peletrón de 3 MV), produce un haz de protones, cuya energía se selecciona mediante el imán analizador. El haz incide sobre el blanco, causando las diferentes interacciones para la emisión de las radiaciones de interés según las técnicas usadas. En particular, para PIXE se utiliza n rayos X característicos, los cuales se captan con un detector del tipo germanio alta pureza (por ejemplo, marca Canberra, con resolución de 150 eV a 5.9 keV). La señal

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eléctrica producida por el detector la procesa su pre-amplificador adjunto, y un amplificador. Éste a su vez envía la señal hacia el analizador multicanal, el cual es una tarjeta Oxford Tennelec que se inserta en una computadora personal. La colección de los espectros de rayos X se logra mediante el programa PCA3, con el cual es posible almacenarlos en el formato SPT para su posterior deconvolución. El haz de protones atraviesa el blanco e incide en una caja de Faraday para medir la corriente de dicho haz, lo cual servirá para determinar el número de iones incidente sobre el blanco. Para ello la corriente se digitaliza y se integra electrónicamente.

La cámara de irradiación está construida en acero inoxidable y se encuentra al alto vacío, hecho mediante una bomba turbo molecular, trabajando a una presión típica de 10-5 torr. Entre el vacío de la cámara y el detector de rayos X hay una ventana de Mylar de (12 ± 2) µm de espesor. Las muestras se montan en una regleta de aluminio, que permite colocar hasta 6 muestras por turno, y desplazable verticalmente. El diámetro del haz puede variar entre 1 mm y 5 mm, según el tipo de estudio deseado (normalmente 5 mm para los filtros obtenidos con el SFU) (Miranda, J. 1996).

Figura 12. - Acelerador peletrón con dispositivo para blanco delgado.

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Los espectros colectados se introducen en la cámara y se analizan mediante el programa de cómputo QXAS del Organismo Internacional de Energía Atómica. Con él se obtiene las áreas de cada pico de rayos X, con sus respectivas incertidumbres.

6.7.3. Calibración del sistema de detección de rayos X.

El sistema de detección de rayos X se calibra mediante la irradiación con un haz de protones (con una energía de 2.2 MeV) de patrones elementales en forma de película delgada marca MicroMatter (Deer Harbor, WA, EUA). Las películas son de un espesor aproximado de (50 ± 5%) µg/cm2, depositadas sobre Mylar de 3.5 µm de espesor. Los compuestos de las películas son: SiO, GaP, CuS X , M, CaF2, ScF3, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Pb Y TICI. Con estos patrones se obtienen curvas de respuesta del sistema de detección (en unidades de número de fotones de rayos X de un pico particular por cada microcoulomb del haz de iones y por cada µg/cm2 del elemento en cuestión, como función de su número atómico). Los últimos se usan para una curva de líneas K.

Nx K = ---------Qt

(3)

Donde: K = respuesta del detector, (Nx /(µc/µg /cm2 )) Nx = área del pico, Nx Q = carga, µc t = espesor, µg/cm2

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6.7.3.1. CURVA DE CALIBRACIÓN

Grafica 1.- Curva de calibración. El sistema de detección de rayos X fue calibrado mediante la irradiación con un haz de protones de patrones elementales en forma de película delgada, (Deer Harbor, WA, EUA).

6.7.4 Análisis de los filtros. Los filtros montados en los marcos pueden entonces analizarse. Se irradian los filtros, se colectan los espectros y se guardan en un disco flexible de 3.5". La energía del haz de protones es la misma que la usada para obtener la curva de respuesta. Debe anotarse en la bitácora el número del filtro y la carga acumulada, así como el nombre del o de los espectros colectados para este filtro. Debe vigilarse que las corrientes de haz no excedan los 5 nA, pues se corre el riesgo de quemar los filtros.

6.7.5 Cálculo de concentraciones elementales. Los espectros colectados se deconvolucionan con el programa QXAS, dando las áreas de los picos de rayos X de todos los elementos encontrados. Las áreas se convierten entonces en contenidos elementales (en µg/cm2 del elemento) usando la carga integrada y la

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curva de respuesta del sistema de detección. Aquí mismo se incluye el volumen bombeado durante la toma de la muestra para calcular el contenido par cada metro cúbico de aire, considerando el área total del filtro. La siguiente expresión relaciona todas estas variables:

NxiA Ci = --------------KiQmV

(4)

Donde: Ci = µg/m 3 Nxi = N xi A = cm 2 Ki = N xi /µc/µg/cm 2 Qm = µc V = m3

Aquí, Ci es la concentración del elemento i, Nx,i, es el número de fotones en el pico de rayos X del elemento i, A es el área del filtro, ki es la respuesta del detector para ese elemento, Q es la carga total incidente y V es el volumen bombeado.

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Figura 13. Ejemplo de un espectro obtenido con la técnica de PIXE, (Miranda J, 2000).

6.7.6

Incertidumbres

experimentales.

Los

factores

que

influyen

principalmente en la incertidumbre final del resultado son:

a) Espesor de los patrones de películas delgadas. b) Carga acumulada. c) Estadística de los picos (raíz cuadrada del número de fotones en el pico). d) Área de los filtros. e) Volumen bombeado para colectar la muestra.

En total, la incertidumbre típica combinada es del orden de 10% para las concentraciones elementales medidas (Miranda J. 1999).

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6.8 Modelos de receptor para aerosoles atmosféricos

Uno de los principales problemas en el estudio de las partículas atmosféricas, es la identificación de sus fuentes emisoras y las posibles contribuciones de cada una de ellas al total de la masa medida. Esto es particularmente

importante

cuando

se

efectúan

análisis

con

técnicas

multielementales, como PIXE. Ésta da, de una manera rápida, información sobre concentraciones elementales en las partículas atmosféricas con una gran sensibilidad. También, es necesario reconocer la influencia de otras variables, como podrían ser las meteorológicas, en las concentraciones medidas.

Por estas razones ha sido necesaria la aplicación de técnicas estadísticas multivariadas, que permitan cuantificar dichas influencias, entre las cuales se encuentran el análisis de cúmulos (CA) y el análisis por componentes principales (PCA).

Para predecir o determinar el impacto de una fuente emisora de contaminantes sobre un sitio específico, se desarrollaron inicialmente los modelos de dispersión. Estos se han convertido en un método tradicional.

De manera general, el modelo de dispersión establece que la contribución de la fuente j al receptor Sj es el producto de una tasa de emisión Ej y un factor de dispersión Dj, de modo que

Sj = D j Ej .

(5)

Las fórmulas de dispersión se clasifican de acuerdo a la fuente emisora, que puede ser puntual, lineal o superficial. Los modelos de dispersión deben tener como parte fundamental las variables meteorológicas.

74

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En contraposición a lo anterior, los modelos de receptor comienzan con las concentraciones de contaminantes observadas en un sitio. A partir de éstas se intenta atribuirlas a diferentes fuentes emisoras, de las cuales se conoce la composición.

Los modelos de receptor se fundamentan en la conservación de masa. Si existe un cierto número p de fuentes y no hay inte racción entre sus emisiones, la masa total C será una suma de las contribuciones individuales de cada fuente, Sj. p

∑

c= Sj j=l

(6)

De forma análoga, la concentración de masa de una cierta propiedad i, Ci, será p

∑

Ci =

aij Sj ,

(7)

j=l en la que a j es la fracción de masa de la contribución j que tiene la propiedad i en el receptor.

6.8.1 Balance químico de masa. Cuando la propiedad i es de naturaleza química, se dice que la ec. (7) es, un balance químico de masa. Si se miden n propiedades químicas de la fuente y el emisor, existen n ecuaciones del tipo (7). Si el número de fuentes, p, es tal que, p < n, las contribuciones Sj se pueden calcular al resolver el sistema de ecuaciones. 6.8.2 Modelos multivariados. Los modelos de balance químico de masa utilizan la información química (o de separación de tamaños) de una sola muestra. No pueden incorporar, por tanto, variaciones espaciales (varios sitios de muestreo) o temporales (períodos de muestreo) o temporales. Para esto se han desarrollado los métodos multivariados.

Estos procedimientos estadísticos emplean una serie de m mediciones de 75

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la componente del aerosol ¡durante el período o el sitio de muestreo k. De la ec. (7): p

Cik =

∑

aij S.jk ,k = 1,K m .

(8)

j=l Así, los modelos multivariados usan C¡k con la finalidad de predecir el número de fuentes, p, y predecir cuál a, se asocia con qué Sj, o hasta estimar aij y Sjk . Uno de los modelos multivariados más populares es el Análisis por componentes principales (PCA), el cual se describe a continuación. 6.8.3 Análisis por componentes principales (PCA)

Número de muestras necesarias para la aplicación de PCA.

Para poder aplicar el análisis por componentes principales (PCA), se requiere un número mínimo de muestras. Este dependerá del número de elementos que pudieron encontrarse mediante el análisis con PIXE o técnicas semejantes.

De acuerdo a Henry et al; si se miden V variables (elementos) en N muestras, el número de grados de libertad es NV. Puesto que la media, la desviación normal y las correlaciones se utilizan en el PCA, reducen el número de grados de libertad. Así, este número (denotado por D) es: V (V + 1 ) D = NV –V - ----------------- , 2

(9)

donde V es el número de medias calculadas y V(V + 1)2 es el número de desviaciones normales y correlaciones. Dividiendo entre el número de variables: D =N- V+3 V 2

(10).

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Si el cociente DN es mayor que 30 (o mejor aún, 50 ó 100), el PCA será apropiado. Entonces, el número de muestras es: V+3 N > 30 + ------------- . 2

(11).

Si, por ejemplo, se analizan 15 elementos, el número mínimo de muestras debe ser 39. Análisis por componentes principales (PCA).

El primer paso para la aplicación de PCA a un conjunto de N muestras en donde se han medido V variables, es la normalización de las concentraciones xij medidas en el conjunto: xij - xi zij = --------------si

,

(12).

donde xij: concentración (nglm3) del elemento i (i = 1, 2,... V) en la muestra j (j = 1, 2,...,N); xi: concentración promedio del elemento i en las N muestras; si: desviación normal de las concentraciones del elemento i; zij: concentración normalizada adimensional. Estas tienen promedio 0 y desviación normal 1.

El modelo PCA se escribe entonces como: p

zij =

∑

bik gkj

(13)

k=1 o en forma matricial Z=BG.

(14).

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Aquí, p es el número de componentes principales, Z es la matriz (VxN) de concentraciones, normalizadas, B es la matriz (Vxp) de cargas de componentes principales, G es la matriz (pxN) de registros de los componentes principales.

Para determinar los elementos de la matriz B, se calcula primero la matriz de correlación R=ZZ' , con Z' la transpuesta de Z. Se calculan los eigenvalores de R, junto con los eigenvectores unitarios correspondientes. Finalmente, se calculan las columnas de B, como versiones escaladas de los eigenvectores, de tal manera que v

∑

bik 2 = λ k , en donde λ k es el eigenvalor k.

i=l El procedimiento anterior da como resultado V eigenvalores, los cuales son necesarios para expresar la varianza total del conjunto. Sin embargo, sólo unos cuantos eigenvalores explican entre 80% y 90% de la varianza total, en una gran cantidad de ocasiones. Así pues, si se retienen sólo las primeras p componentes, que expresen ese 80%-90% de la varianza, se tendrá un espacio vectorial reducido.

Un criterio común para determinar p consiste en tomar todos los eigenvalores mayores o iguales a 1, aunque también es posible fijarse en el porcentaje de la varianza total explicado, en los eigenvalores después de una rotación VARIMAX, o en las comunalidades, que se definen como: p

hi 2 =

∑

bik 2

(15).

k=l Precisamente el empleo de las comunalidades establece la diferencia entre análisis por componentes principales y análisis por factores. En el segundo caso, se usa una matriz de correlación diagonal modificada, que tiene las comunalidades en vez de los eigenvectores como elementos. El resto del proceso es idéntico.

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Una vez que se ha decidido cuál es el número p de componentes principales, se aplica una rotación VARIMAX a la matriz B. La rotación VARIMAX se basa en una maximización de la varianza. Se obtiene como resultado una nueva matriz B*, cuyas columnas se pueden identificar con diversas fuentes emisoras

de

contaminantes,

o

bien

factores

que

influyen

sobre

las

concentraciones en el lugar de muestreo. Los elementos de la matriz B* son coeficientes para expresar las concentraciones elementales en términos de las fuentes emisoras; su estructura justifica la identificación de las columnas de B* como fuentes.

Para determinar los perfiles de las fuentes, se calcula el producto matricial C* = S B * ,

(16).

en donde C* es una matriz cuyas columnas c*k , contienen las concentraciones relativas (en ng/m3 ) de cada elemento en el material particulado de la fuente k. S es una matriz diagonal, cuyos elementos son las desviaciones normales si . Cada uno de los elementos b*i tiene, además, una incertidumbre asociada:

δ b*i . = max

(| | | z+ — 1 -------z+ + 1

z_ —1 ----------z_ + 1

|)

(16)

en la que

lnz± = ln

(

1 + b*i ---------1 - b*i

)

2x1.96 ± ----------√ N-3

(17).

6.8.4 Dendogramas. Un método de análisis multivariado que ofrece facilidad en la identificación de agrupamientos entre los elementos detectados en un estudio de aerosoles atmosféricos (y aplicable a otras áreas, como la arqueología), es el análisis de cúmulos (CA). Existe una diversidad de técnicas

79

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que pueden caer dentro de esta clasificación, aunque una de las más usadas es el cálculo y dibujo de dend-dogramas o árboles jerárquicos, que contienen la información acerca de correlaciones entre elementos o grupos de ellos. Así, de una manera gráfica, es posible agrupar a los elementos de acuerdo a sus orígenes, fuentes emisoras, o asociando factores que influyen en la concentración de determinados elementos en el receptor.

Cálculo de dendogramas.

Para trazar un dendograma que incluya un cierto número de elementos, es necesario partir de una matriz de concentraciones, a partir de la cual se calcula la matriz de correlación R. Estas correlaciones se conocen como las r de Pearson. En dicha matriz deben identificarse los valores más altos, para identificar los grupos presentes en el análisis. Una vez que se han reconocido los grupos, debe utilizarse la siguiente ecuación para calcular la correlación entre dos grupos:

n+m

∑

ri

i=1 hs,t = -------------------------------------------------- , n m

√

n+2

∑ j=l

rj

√

m+2

∑

(18)

rk

k=l

en donde hs,t es la correlación entre los grupos s y t, n (m) es el número de elementos en el grupo s (t), la suma sobre j (k) incluye las correlaciones de todos los elementos en el grupo s (t), mientras que la suma sobre i incluye sólo las correlaciones entre todos los elementos del grupo s con todos los elementos del grupo t. Para efectuar el cálculo debe procederse desde los grupos (o elementos) más correlacionados hasta los menos correlacionados. A este método de cálculo de las correlaciones se le conoce como promedio ponderado entre pares de 80

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grupos. Debe observarse que se ha utilizado el número de elementos en cada grupo como un peso en el cálculo de las distancias. Existen otros métodos para agrupar a los elementos, como son el de ligadura simple (se usa la correlación más alta entre los elementos de cada grupo); la ligadura completa (se utiliza la correlación más pequeña que haya entre los elementos del grupo), y el promedio no ponderado entre pares de grupos (como el método descrito por la ec. (18), pero sin pasar por el número de elementos en el grupo).

Aplicando esta ecuación a la matriz de correlación, es posible dibujar un dendograma de dos maneras: se trazan líneas horizontales a una distancia del origen igual a las correlaciones hst, o bien se toma la diferencia d = 1 - hst, llamada la distancia de ligadura entre dos grupos, trazando la recta horizontal a esta distancia. Más aún, d puede tomarse como un porcentaje, de manera que a una correlación próxima a 0 corresponda una distancia del 100%.

6.9 Análisis estadístico

Se utilizó la hoja de cálculo Excel Microsoft Office 2000, para el cálculo de las concentraciones, así como sus máximos, mínimos, promedios, su desviación estándar.

Para el método del factor de enriquecimiento se usó el Handbook of Physics and Chemistry (Weast; et al, 1980-1981) para obtener las cantidades promedios de los elementos químicos de la corteza terrestre. El Factor de Enriquecimiento se realizó con relación al Fierro y de la composición de la corteza terrestre; este factor nos permite estimar el origen de los elementos. El Fierro es seleccionado como elemento de referencia debido a la baja incertidumbre en la medición, además tiene una alta energía de rayos X (esto reduce la incertidumbre en la eficiencia). Este factor es obtenido por la ecuación:

81

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Cz --------CFe s EF = -------------------Cz --------CFe EC

( (

) )

(19).

Donde CZ es la concentración del elemento Z, del subíndice S de la muestra y EC se refiere a la muestra de la composición promedio de la corteza terrestre, respectivamente (Paredes, et al 1997).

La velocidad y dirección del viento, son datos proporcionados por el Centro de Investigaciones de Ciencias del Ambiente de la Universidad de Colima, usando WMO/EMEP Workshop (ON Advanced Statistical Methods and their Application to Air Quality Data Sets, 1998).

El análisis de Cúmulos y análisis por Componentes Principales se obtuvieron a través del software Statisca/W(StatSoft, Tulsa, OK, EUA).

82

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VII.- RESULTADOS

7.1 Viento (velocidad, dirección)

El estado de la calidad del aire, además de ser función directa de la concentración

de

contaminantes,

es

también

producto

indirecto

de

las

características meteorológicas, ya que los contaminantes son dispersados por el viento, de ahí la presencia de estos contaminantes a varios kilómetros de su origen (fuente). Para el presente estudio se requirió monitorear el viento para analizar su contribución como medio de transporte de las partículas emitidos por las diversas fuentes. El comportamiento del viento se presentó de manera regular durante el tiempo de muestreo, en el cual durante el período diurno la velocidad

Grafica 2.- Velocidad del viento promedio por horas, (CUICA, Universidad de Colima).

del viento comienza a crecer a las 8:00 horas; reportando un promedio de 0.49 m/s, teniendo una velocidad máxima a las 16:00 horas de 2.53 m/s. A partir de las 18:00 horas comienza a decrecer hasta alcanzar la velocidad mínima a las 00:00 horas; grafica 2 (apéndice 1, tabla 2). En cuanto a la dirección predominante promedio del viento se tiene, para el periodo diurno (8:00 a 20:00) la trayectoria

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del viento es del sursuroeste (SSW) al estenoreste (ENE) y en el periodo nocturno (20:00 a 8:00), la dirección es desde el norte hasta el estenoreste (N-ENE) hacia el sursuroeste (SSW), teniendo la mayor componente la estenoreste (ENE) ; ver figuras 14 y 15 (apéndice 1, tablas 3 y 4).

Figura 14.- Dirección del viento por periodo de muestreo diurno (8:00-20:00 horas). Proporcionado por el CUICA de la Universidad de Colima.

Figura 15.- Dirección del viento por periodo de muestreo (20:00-8:00 horas). Proporcionado por el CUICA de la Universidad de Colima.

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7.2 Concentraciones promedio estaciones Cuica/Granja (fracciones fina y gruesa).

Mediante la técnica analítica elemental de PIXE se obtuvo para las fracciones fina (PM 2.5) y gruesa (PM 10) en las estaciones Cuica y Granja los siguientes elementos: Azufre, Cloro, Potasio, Calcio, Titanio, Vanadio, Cromo, Manganeso, Fierro, Níquel, Cobre y Zinc; el Silicio sólo se encontró en la fracción gruesa. El elemento de mayor concentración en la estación Cuica para la fracción fina es el Azufre con 776.9 ng/m3 y para la fracción gruesa es el Silicio con 753.9 ng/m3 (con incertidumbre alta) y el de menor concentración es el Níquel para ambas fracciones, la fina 1 ng/m3 y la gruesa con 2.6 ng/m3 . Para la estación Granja el elemento de mayor concentración en la fracción fina es el Azufre con 969.5 ng/m3 y en la fracción gruesa es el Silicio con 671.7 ng/m3 (con incertidumbre alta) y el de menor concentración en la fracción fina es el Níquel con 0.9 ng/m3 y en la fracción gruesa el Cobre con 3.1 ng/m3 ; ver grafica 3, 4 y 5, (apéndice 1, tabla 5).

Grafica 3.- Concentración elemental promedio de las estaciones "Cuica" y "Granja"; fracción fina y 3

gruesa, en ng/m ; con su barra de desviación estándar para cada elemento.

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Grafica 4.- Concentraciones elemental promedio de las estaciones "Cuita" y "Granja"; fracción fina, 3

en ng/m ; con su respectiva desviación estándar.

3

Grafica 5.- Concentraciones elementales promedio en ng/m ; fracción gruesa de los sitios "Cuita" y "Granja", con su desviación estándar respectiva.

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7.3 Concentraciones promedio estación Cuica fracciones fina/gruesa por tiempo de muestreo.

En la grafica 6 (apéndice 1, tabla 8) observamos para la estación Cuica en la fracción fina, el elemento de mayor concentración captado para los 2 períodos es el Azufre con 103 ng/m3 en el período diurno (8:00 a 20:00) y en el nocturno (20:00 a 8:00) de 276 ng/m3 , mientras que el elemento con menor concentración es el Níquel con 1 ng/m3 para ambos períodos.

En lo que respecta a la fracción gruesa, en el período diurno el elemento de mayor concentración es el Silicio con 957 ng/m3 y el de menor concentración es el Níquel con 3 ng/m3; en el período nocturno el elemento de mayor concentración es el Cloro con 689 ng/m3, y el de menor repite el Níquel con 2 ng/m3 .

GRAFICA 6.- Concentraciones promedio de la estación “Cuica" fracciones fina y gruesa por tiempo de muestreo (diurno 8:00-20:00 y nocturno de 20:00-8:00).

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7.4 Concentraciones promedio estación Granja fracción fina/gruesa por tiempo de muestreo

En la grafica 7 (apéndice 1, tabla 9) de la estación Granja, en la fracción fina de el período diurno se observa que el elemento de mayor concentración es el Azufre con 1043 ng/m3 y el de menor concentración es el Níquel con 1 ng/m3 ; para el período nocturno el elemento de mayor concentración repite el Azufre con 1141 ng/m3 los de menor concentración son el Níquel y el Zinc con 1 ng/m3 .

Para la fracción gruesa en el período diurno el Calcio es el elemento con mayor concentración con 446 ng/m3 , mientras que los de menor concentración son el Níquel y el Cobre con 3 ng/m3 ; para el período nocturno el elemento de mayor concentración es el Silicio con 648 ng/m3 y el de menor concentración es el Cobre con 2 ng/m3 .

GRÁFICA 7.- Concentraciones promedio de la estación "Granja" fracciones fina y gruesa por tiempo de muestreo (diurno 8:00-20:00 y nocturno de 20:00-8:00).

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7.5. Factor de Enriquecimiento

Debido a la necesidad de predecir la fuente de los elementos encontrados para las estaciones Cuica y Granja en ambas fracciones; se usó el Factor de Enriquecimiento, el cual se realizó con relación al Fierro, usando la composición de la corteza terrestre; este factor nos permite estimar el origen de los elementos (Paredes et al, 1997). En la grafica 8 (apéndice 1, tabla 6) muestra que los elementos: Potasio, Calcio, Titanio y Manganeso y Fierro de ambas estaciones y fracciones son cercanos a 1, por lo tanto sugieren que proviene del suelo. Para el caso del Silicio en las estaciones Cuica y Granja en la fracción gruesa se observa que también es cercana a 1, Sólo que la incertidumbre para este, es alta. En consecuencia los otros elementos: Azufre, cloro, vanadio, Cromo, Níquel, cobre y Zinc se supone que provienen de otras fuentes.

Grafica 8.- Factor de Enriquecimiento.

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7.6. Análisis de Cúmulos estación Cuica fracción fina y gruesa

Uno de los principales problemas en el estudio de las partículas atmosféricas es la identificación de sus fuentes emisoras y las posibles contribuciones de cada una de ellas al total de la masa medida. Esto es particularmente

importante

cuando

se

efectúan

análisis

con

técnicas

multielementales, como la Emisión de Rayos X Inducida por Protones (PIX E). Esta da de una manera rápida información sobre concentraciones elementales en las partículas atmosféricos con una gran sensibilidad. También es necesario reconocer la influencia de otras variables, como podrían ser las meteorológicas, en las concentraciones medidas. Un método de análisis multivariado que ofrece facilidad en la identificación de agrupamientos entre los elementos detectados en un estudio de aerosoles atmosféricos (y aplicable a otras áreas, como la arqueología), es el análisis de cúmulos (CA). Existe una diversidad de técnicas que pueden caer dentro de esta clasificación, aunque una de las más usadas es el cálculo y dibujo de dendogramas o árboles jerárquicos, que contienen la información acerca de correlaciones entre elementos o grupos de ellos. Así, de una manera gráfica, es posible agrupar a los elementos de acuerdo a sus orígenes, fuentes emisoras, o asociando factores que influyen en la concentración de determinados elementos en el receptor.

El análisis de cúmulos muestra para la estación Cuica en la fracción fina (grafica 9), un grupo formado por el Azufre, Vanadio y Níquel, los cuales son asociados a la quema de combustóleo y se consideran de tipo antropogénico (tabla 1 "B"; apéndice 1). En las fracciones tanto fina como gruesa de la estación Cuica (grafica 9 y 10), se observa un grupo formado por: Silicio, Calcio, Titanio, Manganeso y Fierro los cuales provienen del polvo del suelo (factor de enriquecimiento). También se visualiza un grupo formado por el Cloro, Potasio, Cobre y Zinc elementos similares a los encontrados en estudios de partículas volcánicos (Monte Etna, en Sicilia, Italia; tabla 1 "A", apéndice 1); se visualiza al

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cromo en la fracción fina del Cuica sin formar grupo, el cual podemos mencionar que probablemente sea gene rado por los talleres tanto de fundición como de pintura y laminación, el cual se manifiesta en la fracción gruesa del Cuica al estar asociado al Vanadio, Níquel y Titanio.

Grafica 9.- Análisis de Cúmulos de la estación "Cuica" fracción fina.

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Grafica 10.- Análisis de Cúmulos estación "Cuica" fracción gruesa.

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7.7 Análisis de Cúmulos estación Granja, fracciones fina y gruesa.

Para la estación Granja en la fracción fina (grafica 11) tenemos un grupo formado por: Azufre, Vanadio y Níquel, el cua l es de tipo antropogénico (tabla 1 "B", apéndice 1); se presume que su fuente está asociada a quema de combustóleo. También se observa un grupo integrado por: Potasio, Calcio, Titanio, Manganeso y Fierro, del cual su fuente es el polvo del suelo. Existe un grupo formado por el Cloro, Cromo, Cobre y Zinc, del cual se presume su fuente es diferente al polvo del suelo, por lo tanto de origen antropogénico. En lo que respecta a la fracción gruesa de la estación Granja (grafica 12), no presenta grupos bien defi nidos.

Grafica 11.- Análisis de Cúmulos, estación "Granja', fracción fina.

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Grafica 12.- Análisis de Cúmulos, estación "Granja", fracción gruesa.

7.8 Análisis por Componentes Principal

Dentro del trabajo se realizó una correlación por el método de Componentes

Principales

para

identificar

diversas

fuentes

emisoras

de

contaminantes, o bien factores que influyen en las concentraciones en el lugar de muestreo y así poder sustentar si hay influencia de los vientos predominantes para la dispersión de aerosoles y confirmar su presencia en la atmósfera de la ciudad de Colima; los resultados obtenidos muestran (tabla 7), una dependencia del Azufre, Vanadio y Níquel con la componente Y del vector viento en la estación Cuica; mientras que para el Cloro, Potasio, Cobre y Zinc no muestra dependencia con dicha componente del vector; así como también para el grupo de Titanio, Cromo, Manganeso y Fierro, no presenta dependencia con la componente y del viento.

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VIII.- DISCUSIÓN

Los elementos encontrados en el presente estudio son: Silicio, Azufre, Cloro, Potasio, Calcio, Titanio, Vanadio, Cromo, Manganeso, Fierro, Níquel, Cobre, Zinc.

Las concentraciones elementales medidas en la ciudad de Colima son bajas, en comparación con las reportadas por Miranda, et al. (1992); en el estudio de contenido elemental de aerosoles atmosféricos en la ciudad de México en 1990 usando PIXE, son del orden de entre 3-4 a 1 en lo general; por ejemplo para el caso del Azufre en la ciudad de Colima tenemos para la fracción fina 776.9 ng/m3 y para la fracción gruesa 482.4 ng/m3 , mientras que para la ciudad de México tenemos para la fracción fina 4282 ng/m3 y para la fracción gruesa 1424 ng/m3 (apéndice 1, tabla 10); cabe mencionar que Colima se encuentra muy por debajo de las concentraciones de la Ciudad de México y por ende de la norma (tabla 1 "F", apéndice 1). Es importante mencionar que entre la ciudad de Colima y la ciudad de México existe gran diferencia en extensión territorial, en el índice poblacional y en su actividad económica.

Los metales pesados encontrados son el Titanio, Vanadio, Cromo, Manganeso, Fierro, Níquel, Cobre y Zinc. En la tabla 11 (apéndice 1) se presenta una comparación entre las concentraciones obtenidas en la ciudad de Colima, ciudad de México y en el volcán Monte Etna (en la pluma), las dos primeras mediante la técnica de PIXE y la última con fluorescencia de rayos X; se observa que en las concentraciones en la ciudad de Colima se encuentran muy por debajo con respecto a la ciudad de México y al Monte Etna; para el caso de las mediciones realizadas en la pluma del volcán Etna vemos que para el Manganeso, Fierro, Níquel, Cobre y Zinc está muy por arriba de la ciudad de México. Para el Titanio no reportan para el Monte Etna.

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Algunos fenómenos meteorológicos de transporte y difusión se complican por la topografía del área. Para la zona comprendida entre el volcán de Fuego de Colima y la ciudad de Colima, existe un valle con algunos pequeños relieves; en las faldas del volcán algunas barrancas; en la parte sur del municipio se localiza una zona montañosa. Con lo anterior podemos predecir dado que el aire con mayor densidad (frío) tiende a fluir en la dirección general del piso del valle (para los vientos predominantes de lo zona norte-estenoreste(N-ENE) que se presentan por la tarde), estos vientos al chocar con las montañas de la parte sur muy posiblemente cambian de dirección lo que provoca un retraso en la precipitación de las partículas. Por otra parte durante el muestreo los vientos predominantes provenían del sursuroeste (SSW) hacia el NNW, presumimos influencia de aerosoles de origen antropogénico de la parte sur por recirculación que probablemente provengan de la parte norte, de los cuales se presume que podrían ser volcánicos para el caso del Azufre, Cloro, Potasio, Cobre y del Zinc y al igual para el caso del Azufre, Vanadio y Níquel los cuales se presume provengan de las industrias situadas en la parte noreste entre las cuales se encuentra una peletizadora de mineral de hierro (las Encinas), el ingenio de Quesería y la papelera de Atenquique de igual manera por esta razón, no visualizamos diferencia significativa en las concentraciones elementales en los diferentes períodos de muestreo (diurno, nocturno), salvo para el caso del Zinc de la estación Cuica, en las dos fracciones se obtuvo la mayor concentración en el período nocturno.

A pesar de las condiciones descritas en cuanto al desarrollo de la industria minera en el estado, esta no representa un problema en función de la generación de aerosoles con tamaño menor a 15 micrómetros, y además se comprueba que las fracciones a las cuales trituran y muelen el mineral están muy superior a estos tamaños; por lo tanto estas partículas no son capaces de llegar a impactar en el ambiente de la ciudad de Colima por medio de las condiciones metereológicas, específicamente en cuanta a la dirección y velocidad del viento se refiere.

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IX.- CONCLUSIONES

Los elementos encontrados son: Silicio, Azufre, Cloro, Potasio, calcio, Titanio, Vanadio, Cromo, Manganeso, Fierro, Níquel, Cobre, Zinc.

Hay una importante contribución de fuentes antropogénicas (las de origen no natural), como lo demostrado mediante el Factor de Enriquecimiento y el análisis de Cúmulos, en lo referente a la estación CUICA en la fracción fina, en la que hay un grupo formado por Azufre, Vanadio y Níquel, el cual se presume por el resultado del análisis por Componente Principal, que existe correlación entre los elementos arriba citados y el vector Y del viento, lo cual indica que provienen de la parte noreste; en la cual se encuentra el ingenio azucarero de Quesería ubicado en el municipio de Cuauhtémoc, la papelera de Atenquique, Jal. localizada en la parte nornoroeste (NNW) de la ciudad de Colima, así como también una de las plantas peletizadoras (las Encinas), las que se presumen sean sus fuentes, pero cabe aclarar que estos elementos contaminantes no son producto del proceso directo de la voladura, trituración y la molienda.

Con respecto a los metales pesados, no encontramos Plomo, Cadmio, Mercurio y Selenio.

Se presume que tenemos influencia de partículas volcánicas, al observar el análisis de Cúmulos en la fracción gruesa del CUICA, se aprecia un grupo que incluye al Azufre, al Cloro, al Potasio, al Cobre y al Zinc. Dado que se espera que el volcán emita partículas más bien gruesas; éste resultado sugiere que ésta es la contribución volcánica.

No hay evidencia clara de la fuente generadora del cromo, pero debido a que se descarta que su fuente sea el suelo y como no se encontró correlación con

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el vector Y del viento se descarta la posibilidad de que su fuente sea el volcán; así es que es muy probable que la fuente provenga de los talleres de fundición, laminación y pintura que existen en la ciudad, pero debido a que la cantidad de este elemento es despreciable, no es preocupante su presencia.

Las partículas de la fracción gruesa incluyen tamaños desde 15µm a 2.5 µm, por el diseño de los muestreadores SFU; por lo tanto lo relacionamos a la norma PM10 (por estar el mayor número de partículas contenidas en ese rango). La Norma de Salud vigente para partículas PM10, que es de 150µg/m3 por 24 horas (tabla 1 "C"). En Colima se tienen 10.12 µgr /m3 por 24 horas para la zona urbana (Cuica, ciudad de Colima) y la rural (Granja) con 7.6 µgr /m3 por 24 horas; lo que representa un 6.75 % para la zona urbana y un 5.07 % para la zona rural, siempre por debajo de la norma. En consecuencia, se desprende que muy probablemente en la Ciudad de Colima no se llegue al 15% de la norma de calidad del aire a lo largo del año, o como suele acontecer en Ciudad de México, 50.66 % de la norma vigente (tabla 1 "E"), en el invierno debido a la alta frecuencia de inversiones térmicas.

La fracción fina contiene tamaños menores a 2.5 µm. La norma vigente para las partículas PM2.5 en los Estados unidos es de 65 µg/m3 por 24 horas (tabla 1 "C"); por lo tanto, en la zona urbana (Cuica, ciudad de Colima) se encontró 4.49 µg/m3 por 24 horas, lo cual representa el 6.91 % y la zona rural (Granja) presentó 3.37 µg/m3 por 24 horas, lo que representa el 5.18 %; muy por debajo de la norma.

Se encontraron elementos asociados a la quema de combustóleo, por lo cual se recomienda a los organismos reguladores el detectar sus fuentes de manera especifica para que se inicie la búsqueda de alternativas para evitar que se arrojen estos elementos contaminantes, así como fomentar el uso de otro tipo de energético menos contaminante.

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Con el presente estudio determinamos tajantemente que no existe contribución directa de elementos contaminantes generados de los procesos principales (voladura, trituración, molienda y transportación) de la industria minera en el estado y se comprueba en función de las condiciones de la dirección del viento y con los resultados del análisis de las muestras utilizando los métodos del factor de enriquecimiento, el análisis de grupo y el análisis por componente principal.

Estos métodos utilizados se recomiendan para hacer estudios específicos (en áreas cercanas) de influencia de partículas sólidas generadas por la industria minerametalúrgica y así poder medir su impacto en el entorno.

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XI.- APENDICE

Tabla 1 "A".- Emisiones de aerosoles volcánicos de otros volcanes.

Mt. Etna (Italy) • J.P. Quisefit, Nuci. Instr. and Meth. B22 (1987) 301 • Elementos mayores * S, CI, Na, K, Cu, Zn Elementos menores • Elementos menores * Al, Si, Fe, Ca, Ti Kilauea (Hawaii)

Mt. Etna (Italy) •

P. Buat-Ménard, Geophys. Res. Lett. 5 (1978) 245 • Elementos mayores * Cu, Zn, Se, Hg, Pb • Elementos menores * S, CI, K, Fe, Ca,… Lonquimay (Chile)

• M. Darzi, Nucl. lnstr. and Meth. 181 (1981) • J.R. Morales, J. Radional. Nucl. Chem. 172 359 (1993) 47 • Elementos mayores • Elementos mayores * Si, P, S, CI, Fe * S, Cl • Elementos menores • Elementos menores * K, Ca, Cu, Zn * Al, Si, K, Ca, Ti, Fe

105

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Tabla 1 "B". Fuentes y elementos encontrados en aerosoles urbanos (Miranda J. 1996).

Fuentes Suelo Humo Automóvil(gasolina) Combustóleo Carbón (quemado) Industria (fundidoras, mineras Sales marinas Incineración de basura doméstica Sulfatos

Elementos Al. Si K, Ca, Ti Mn, Fe, Sr K C, Br, Pb V, Ni S Cr, Mn, Fe, Cu, Zn, As, Se, Pb. Na, Cl As, Br, Zn H, N, O,

106

ESTUDIO DEL IMPACTO AMBIENTAL EN LA CIUDAD DE COLIMA DE PARTÍCULAS (FRACCIÓN RESPIRABLE) GENERADAS POR LA INDUSTRIA MINERA DEL ESTADO DE COLIMA

Tabla 1 "c". Normas de calidad del aire vigentes a partir de enero de 1995, (Secretaría del medio ambiente, Compendio Estadístico de la Calidad del Aire, 2000).

Contaminante

Norma 260µg/

m3

Partícula Suspendidas Totales

NOM-024-SSA1-1993

(PST).

como muestreo de 24 horas a partir de enero de 1995

Partícula

Suspendidas

Fracción

Respirable (PM10)

NOM-025-SSA1-1993-

150

µg/m3

como promedio móvil de 24 horas a partir de enero de 1995 y-150 µg/m3 como muestreo de 24 horas hasta diciembre de 1994.

Partícula

Suspendidas

Respirable (PM2.5)

Fracción

Environmental

Protection

Agency

Appendix F, Vol. 40, del Código de Regulaciones Federales de los EUA. 65 µg/m3 como promedio móvil por 24 horas.

107

ESTUDIO DEL IMPACTO AMBIENTAL EN LA CIUDAD DE COLIMA DE PARTÍCULAS (FRACCIÓN RESPIRABLE) GENERADAS POR LA INDUSTRIA MINERA DEL ESTADO DE COLIMA

Tabla 1 "E". Concentraciones medidas en la ciudad de México para PM10. (Informe Anual de Calidad del Aire en el Valle de México 1999).

Año

Monitores para PM10 (Ciudad de México)

1998

76 a 100µg m

1999

50 a 70 1,g/m3

108

ESTUDIO DEL IMPACTO AMBIENTAL EN LA CIUDAD DE COLIMA DE PARTÍCULAS (FRACCIÓN RESPIRABLE) GENERADAS POR LA INDUSTRIA MINERA DEL ESTADO DE COLIMA

Tabla 1 "F".- Concentraciones de partículas suspendidas en la atmósfera de la Ciudad de México, zona industrial del norte (Vallejo); mediante la técnica de PIXE y PESA para partículas con tamaños menores a 15 µm (comprende la fracción respirable); (Miranda et al, 1994).

Origen

Suelo

Elemento Concentraci ón promedio en 6 hr/µg/m3 Aluminio Silicio Potasio

5.28 18 1.97

Calcio, Titanio

6.71 0.382

Manganeso Hierro Estroncio Zirconio

0.111 1.14 0.085 0.014

Norma

10 mg/m3 SP de óxido (en 24 hr) No establecida No establecida

Irrita mucosas No es dañino Irritación Daño al tracto 5 mg/m3 de óxido (en 24 hr) respiratorio superior, tos 15 mg/m3 TSP de óxido Irritación Desórdenes en, aparato' 5 mg/m3 (en 24 hr) reproductor No establecida No es dañino No establecida Irritación 3 5 mg/m Irritación de ojos y piel

Combustible

Fundidoras

Gasolina

Efecto a sobrepasar la norma

Azufre

4.86

Depende del compuesto

Vanadio

0.148

1 mg/m3

Cromo Níquel

0.062 0.007

1 mg/m3 TSP (en 24 hr) 1 mg/m3

Cobre

0.221

100 µg/m3 TSP (en 24 hr)

Zinc

2.37

No especificada

Bromo

0.13

0.1 ppm (en 24 hr)

Irritación de mucosas y tracto respiratorio superior. Hay compuestos muy tóxicos Irritación de ojos y piel Carcinógeno, daño a hígado, riñón y estómago Carcinógeno, irritante Irritación Irritación del pulmón, dolor de pecho y edema pulmonar Fuerte daño a mucosas, tracto respiratorio

109

ESTUDIO DEL IMPACTO AMBIENTAL EN LA CIUDAD DE COLIMA DE PARTÍCULAS (FRACCIÓN RESPIRABLE) GENERADAS POR LA INDUSTRIA MINERA DEL ESTADO DE COLIMA

superior ojos y piel; edema pulmonar, laringe y bronquios Plomo

1.23

1.5 µg/m3 TSP (en 24 hr)

Daño neurológico

110

ESTUDIO DEL IMPACTO AMBIENTAL EN LA CIUDAD DE COLIMA DE PARTÍCULAS (FRACCIÓN RESPIRABLE) GENERADAS POR LA INDUSTRIA MINERA DEL ESTADO DE COLIMA

Tabla 2.- Velocidad promedio del viento, durante el tiempo de muestreo, (Diurno 8:00 a 20:00 horas y nocturno de 20:00 a 8:00 horas).

Tiempo

Velocidad

Tiempo

Velocidad

(Horas)

Promedio(m/s)

(Horas)

Promedio(m/s)

08:00

0.49

20:00

0.88

09:00

0.78

21:00

0.64

10:00

0.84

22:00

0.56

11:00

0.95

23:00

0.44

12:00

1.25

00:00

0.36

13:00

1.66

01:00

0.43

14:00

1.88

02:00

0.36

15:00

2.24

03:00

0.39

16:00

2.53

04:00

0.38

17:00

2.44

05:00

0.45

18:00

2.09

06:00

0.44

19:00

1.67

07:00

0.38

20:00

1.25

08:00

0.49

111

ESTUDIO DEL IMPACTO AMBIENTAL EN LA CIUDAD DE COLIMA DE PARTÍCULAS (FRACCIÓN RESPIRABLE) GENERADAS POR LA INDUSTRIA MINERA DEL ESTADO DE COLIMA

Tabla 3.-frecuencia de dirección de viento promedio del período diurno(8:0020:00 horas)

8:00 am 20.00 pm DIRECCIÓN

FRECUENCIA

N

10

NNE

4

NE

15

ENE

45

E

15

ESE

5

SE

10

SSE

12

S

35

SSW

80

SW

20

WSW

4

W

0

WNW

1

NW

4

NNW

0

112

ESTUDIO DEL IMPACTO AMBIENTAL EN LA CIUDAD DE COLIMA DE PARTÍCULAS (FRACCIÓN RESPIRABLE) GENERADAS POR LA INDUSTRIA MINERA DEL ESTADO DE COLIMA

Tabla 4.-frecuencia de dirección de viento período nocturno (20:00-8:00 horas).

20:00 am 8:00 am DIRECCIÓN

FRECUENCIA

N

42

NNE NE ENE

22 27 50

E ESE SE

10 6 3

SSE S SSW

4 17 34

SW WSW W

15 4 1

WNW NW NNW

4 9 12

113

ESTUDIO DEL IMPACTO AMBIENTAL EN LA CIUDAD DE COLIMA DE PARTÍCULAS (FRACCIÓN RESPIRABLE) GENERADAS POR LA INDUSTRIA MINERA DEL ESTADO DE COLIMA

Tabla 5.- Concentración elemental promedio de las estaciones "Cuica" y "Granja"; fracción fina y gruesa, en ng/m3; con su respectiva desviación estándar.

ELEMENTO

CUICA

GRANJA

FINA

DESVEST

GRUESA DESVEST

FINA DESVEST GRUESA

Si

0.0

0.0

753.9

783.3

0.0

S

776.9

314.4

482.4

157.2

969.5

479.3

437.3

196.2

Cl

86.1

42.3

599.1

330.1

35.0

15.3

359.8

155.54

K

106.1

58.9

234.4

157.5

105.7

62.1

264.4

125.6

Ca

92.8

59.4

656.0

333.1

57.8

35.1

371.3

184.6

Ti

7.8

3.5

31.9

12.5

6.5

2.9

23.2

11.3

V

9.1

3.9

14.9

6.7

9.2

4.2

13.3

7.4

Cr

14.5

4.3

16.2

7.7

6.4

2.7

10.9

9.01

Mn

3.9

1.2

17.6

7.3

3.7

1.5

14.1

6.53

Fe

92.8

59.7

447.0

165.3

51.4

24.6

202.2

199.19

Ni

1.0

0.5

2.6

1.3

0.9

0.4

3.8

1.08

Cu

4.7

2.1

5.8

2.9

3.4

1.2

3.1

1.63

Zn

127.7

62.3

24.0

11.2

2.4

1.3

17.4

8.9

0.0 0.0

671.7 671.7

DESVEST 1555.79 1555.79

DESVEST= Desviación estándar

114

ESTUDIO DEL IMPACTO AMBIENTAL EN LA CIUDAD DE COLIMA DE PARTÍCULAS (FRACCIÓN RESPIRABLE) GENERADAS POR LA INDUSTRIA MINERA DEL ESTADO DE COLIMA

Tabla 6.- Factor de Enriquecimiento.

ELEMENTO

CUICA

GRANJA

FINA

GRUESA

FINA

GRUESA

Si

0.00

0.30

0.00

0.60

S

804.98

103.77

1813.64

207.95

Cl

147.74

213.42

108.43

283.35

K

2.21

1.02

3.97

2.52

Ca

1.38

2.03

1.55

2.53

Ti

0.96

0.81

1.44

1.30

V

32.69

11.11

59.66

21.93

Cr

39.06

90.60

79.77

25.84

Mn

2.10

1.97

3.70

3.49

Fe

1.00

1.00

1.00

1.00

Ni

6.73

3.64

10.94

11.75

Cu

36.18

9.27

47.25

10.95

Zn

521.24

202.10

17.69

32.60

115

ESTUDIO DEL IMPACTO AMBIENTAL EN LA CIUDAD DE COLIMA DE PARTÍCULAS (FRACCIÓN RESPIRABLE) GENERADAS POR LA INDUSTRIA MINERA DEL ESTADO DE COLIMA

Tabla 7.-Análisis por componentes principales

CUICA : Componentes principales Rotación "Varimax" / Fracción fina ELEMENTO FACTOR 1 FACTOR 2 FACTOR3 S 0.74 0.07 0.54 Cl -0.22 0.87 -0.10 K 0.38 0.86 0.21 Ca 0.55 0.54 0.50 Ti 0.38 -0.06 0.67 V 0.74 -0.13 0.49 Cr -0.27 0.02 0.77 Mn 0.34 0.23 0.83 Fe 0.33 -0.03 0.73 Ni 0.72 0.30 0.14 Cu -0.04 0.94 0.09 Zn 0.08 0.95 -0.07 Vy -0.81 0.11 0.02

116

ESTUDIO DEL IMPACTO AMBIENTAL EN LA CIUDAD DE COLIMA DE PARTÍCULAS (FRACCIÓN RESPIRABLE) GENERADAS POR LA INDUSTRIA MINERA DEL ESTADO DE COLIMA

Tabla 8.- Estación Cuica: Fracción fina/gruesa, concentración elemental en ng/m3 por tiempo de muestreo (Diurno 8:00 a 20:00 horas y nocturno de 20:00 a 8:00 horas).

CUICA ELEMENTO FRACCIÓN FINA 8:00-20:00 DESVE

20:00-

FRACCIÓN GRUESA DESVE 8:00-20:00 DESVE

20:00-

DESVE

HORAS

ST

8:00

ST

HORAS 957

ST 783.3

8:00 468

ST 783.3

S

1003

314.4

276

154.0

356

157.2

565

157.2

Cl

26

42.3

71

42.3

433

330.1

689

330.1

K

121

58.9

51

20.0

161

157.5

269

157.5

Ca

128

59.4

53

32.0

731

333.1

556

33.1

Ti

9

3.5

6

3.5

35

12.5

27

12.5

V

12

3.9

6

2.9

18

6.7

11

6.7

Cr

12

4.3

15

4.1

16

7.7

15

7.7

Mn

4

1.2

3

0.8

19

7.3

15

7.3

Fe

113

59.7

66

21.0

422

165.3

436

165.3

Ni

1

0.5

1

0.3

3

1.3

2

1.3

Cu

5

2.1

4

1.1

4

2.9

5

2.9

Zn

9.2

6.2

77

55.3

83

11.2

326

11.2

Si

DESVEST= Desviación estándar

117

ESTUDIO DEL IMPACTO AMBIENTAL EN LA CIUDAD DE COLIMA DE PARTÍCULAS (FRACCIÓN RESPIRABLE) GENERADAS POR LA INDUSTRIA MINERA DEL ESTADO DE COLIMA

Tabla 9.- Estación Granja: Fracción fina/gruesa, concentración elemental en ng/m3 por tiempo de muestreo (Diurno 8:00 a 20:00 horas y nocturno de 20:00 a 8:00 horas).

GRANJA ELEMENTO

FRACCIÓN FINA

FRACCIÓN GRUESA

8:0020:00

DESVES

20:00-8:00

20:00-8:00 DESVES 20:00-8:00

HORAS

T

HORAS

DESVEST

HORAS

T

HORAS

DESVEST

Si S

0 1043

0.0 479.3

0 1141

0.0 489.3

280 368

1555.79 196.2

648 445

2142 206.2

Cl

26

15.3

21

14.3

390

155.54

310

145.6

K

11

6.1

139

62.1

223

125.6

258

132.6

Ca

66

35.1

75

40.1

446

184.6

253

114.6

Ti

5

2.9

5

2.9

19

11.3

17

10.3

V

10

4.3

11

4.4

13

7.4

11

6.3

Cr

17

2.7

16

2.9

23

9.01

15

7.01

Mn

4

1.5

4

1.5

14

6.53

12

5.53

Fe

47

24.6

53

26.8

237

199.19

118

99.4

Ni

1

0.4

1

0.4

3

1.08

4

1.7

Cu

3

1.2

3

1.2

3

1.63

2

1.3

Zn

3

1.3

1

0.5

15

8.9

15

8.9

DESVEST= Desviación estándar.

118

ESTUDIO DEL IMPACTO AMBIENTAL EN LA CIUDAD DE COLIMA DE PARTÍCULAS (FRACCIÓN RESPIRABLE) GENERADAS POR LA INDUSTRIA MINERA DEL ESTADO DE COLIMA

Tabla 10.- Comparación de concentración elemental entre la ciudad de Colima y la ciudad de México (Miranda, et al; 1992) en ng/m3

ELEMENTO

CUICA

CD. MÉXICO (AGOSTO 1990)

FINA

GRUESA

FINA

GRUESA

Si

NO

753.9

543

2907.0

S

776.9

482.4

4282.0

1424.0

Cl

86.1

599.1

NR

NR

K

106.1

234.4

347.0

356.0

Ca

92.8

659.0

332.0

2362.0

Ti

7.8

31.9

16.0

142.0

V

9.1

14.9

85.0

64.0

Cr

14.5

16.2

11.0

56.0

Mn

3.9

17.6

12.0

81.0

Fe

92.8

447.0

240.0

797.0

Ni

1.0

2.6

10.0

24.0

Cu

4.7

5.8

74.0

31.0

Zn

127.7

24.0

491.0

157.0

NR = No reporta. NO = No se observó.

119

ESTUDIO DEL IMPACTO AMBIENTAL EN LA CIUDAD DE COLIMA DE PARTÍCULAS (FRACCIÓN RESPIRABLE) GENERADAS POR LA INDUSTRIA MINERA DEL ESTADO DE COLIMA

Tabla 11.- Comparación de concentración de metales pesados entre la ciudad de Colima (Galindo I. Et al; 1995, Ciudad de México y volcán Monte Etna (en la pluma; P. Buat-Ménard, 1978); en nglm3.

ELEMENTO

COLIMA

CD. MÉXICO

MONTE ETNA (PLUMA)

Ti

39.7

158

NR

V

24

149

79

Cr

30.7

67

67

Mn

21.5

94

1300

Fe

539.8

1037

10000

Ni

3.6

33

330

Cu

10.5

105

3200

Zn

151.7

648

10000

120