Análisis y caracterización del material particulado PM10 y PM2.5 en la ciudad de Manizales

Abstract

This work shows a study of the concentration, and the chemical and morphological composition of the particulate matter (PM10 and PM2.5) in the city of Manizales. For this purpose, concentration data measured between October 2018 to February 2019 in the 5 monitoring stations were analyzed. The chemical composition was determined by analyzing the presence of sulfate and nitrate ions in 46 PM10 samples collected at the Nubia (located near industrial zone in the southeast of the city) and Palogrande (located in the stadium sector on Paralela Avenue in the geographic center of the city) stations. Elemental composition analysis was carried out using the SEM/EDS technique for 18 filters of PM10 and PM2.5 from the Gobernación (located in the historic center of the city in the northwest of the city) and Nubia stations. Finally, the morphology (shape and particle size) of the particles present in the air of the city of Manizales was studied. Additionally, the PM10 concentration data for the years 2016 and 2017 in the 5 monitoring stations were analyzed.

The PM10 concentration results show that the highest levels were obtained at the Liceo station , with values of 35.93 μg/m3 for 2016, 34.39 μg/m3 for 2017 and 29.69 μg/m3 for the period between October 2018 and February 2019, these values were mainly associated with the high vehicular flow at the area; followed by Milan station (32.02 μg/m3, 30.49 μg/m3 and 27.96 μg/m3), Gobernación PM10 (24.34 μg/m3, 26.53 μg/m3 and 20.55 μg/m3), Nubia (23.63 μg/m3, μg/m3 and 19.44 μg/m3) and Palogrande (23.21 μg/m3, 21.03 μg/m3, and 18.22 μg/m3). For the period between October 2018 and February 2019, the average PM2.5 concentration values were 13 μg/m3.

On the other hand, the elemental composition results showed the presence of elements such as Pb, S, Cu, Na, Al, Cl and Fe which were associated with vehicular sources, Pb and Na due to combustion processes in their engines, Pb, S, K, and Cu due to reduce wear of tires and brakes, Fe, Cu and Pb due to wear of moving parts, Pb, Cr, Ge, Cu and Al were associated with road dust. Elements such as Fe, Al, S, Na, Ca and Mg were related to steel industries such as melting and welding. While elements such as P, S, Zn, F, As, Mn, Mg, Ga and Ti are attributed to volcanic sources. The morphological analysis, the first of its kind in the city of Manizales, showed different shapes. These range from spherical particles associated with the combustion of coal, to amorphous particles with sharp edges associated with volcanic emissions. Agglomerations of soot, related to vehicular emissions, especially for the combustion of diesel engines. Another type of particle identified was irregular geometric particles linked to natural sources such as mineral material (Texto tomado de la fuente)

Este trabajo presenta un estudio sobre la concentración, composición química y morfológica del material particulado (PM10 y PM2.5) en la ciudad de Manizales. Para tal propósito se analizaron los datos de concentración de filtros recolectados entre octubre de 2018 a febrero 2019 en las 5 estaciones de monitoreo. En cuanto a la composición se determinó el contenido de los iones sulfatos y nitratos para 46 muestras de PM10 recolectados en las estaciones Nubia (ubicada cerca de la zona industrial en el suroriente de la ciudad) y Palogrande (ubicada en el sector del estadio sobre la Avenida Paralela en el centro geográfico de la ciudad); y se realizó una caracterización elemental mediante la técnica SEM/EDS para 18 filtros de PM10 y PM2.5 de las estaciones Gobernación (ubicada en el centro histórico de la ciudad en el noroccidente de la ciudad) y Nubia. Finalmente se estudió la morfología (forma y tamaño de partícula) de las partículas presentes en algunos de los filtros recolectados. Adicionalmente se analizaron los datos de concentración de PM10 para los años 2016 y 2017 en las 5 estaciones de monitoreo.

Los resultados de concentración de PM10 mostraron que los mayores niveles se dieron en la estación Liceo, con valores de 35.93 μg/m3 para el año 2016, 34.39 μg/m3 para el año 2017 y 29.69 μg/m3 para el periodo de octubre 2018 a febrero de 2019, estos valores fueron asociados principalmente al alto flujo vehicular que presenta la zona; seguida por la estación Milán (32.02 μg/m3, 30.49 μg/m3 y 27.96 μg/m3) , Gobernación PM10 (24.34 μg/m3, 26.53 μg/m3 y 20.55 μg/m3), Nubia (23.63 μg/m3, 21.92 μg/m3 y 19.44 μg/m3) y Palogrande (23.21 μg/m3, 21.03 μg/m3 y 18.22g/m3). Para el periodo entre octubre de 2018 y febrero de 2019 los valores promedio de concentración de PM2.5 fueron de 13 μg/m3.

Por otra parte, los resultados de composición mostraron la presencia de elementos tales como Pb, S, Cu, Na, Al, Cl y Fe que se asociaron a fuentes vehiculares, el Pb y Na a procesos de combustión; Pb, S, K y Cu se vincularon al desgaste de llantas y frenos; Fe, Cu y Pb al desgaste de piezas móviles, y Pb Cr, Ge, Cu y Al se asociaron al polvo de vías. Elementos como Fe, Al, S, Na, Ca y Mg se relacionaron con industrias del acero como fundición y soldadura. Mientras que elementos como P, S, Zn, F, As, Mn, Mg, Ga y Ti son atribuidos a fuentes volcánicas. El análisis morfológico, primero de este tipo en la ciudad de Manizales, arrojó formas variadas que van desde partículas esféricas asociadas a la combustión de carbón, a partículas amorfas con bordes filosos asociadas a emisiones volcánicas. También se encontraron aglomeraciones de hollín, relacionadas con emisiones vehiculares especialmente a la combustión de motores diésel. Otras formas identificadas fueron partículas geométricas irregulares vinculadas a fuentes naturales tales como material mineral.