Monitoreo de emisiones atmosféricas a través de sensores en diversos puntos de la Región Metropolitana

Abstract

Se propone un plan de monitoreo para la Región Metropolitana mediante el uso de sensores de calidad de aire que realizan la medición de la concentración de masa de materiales particulados y concentración de gases. Específicamente, se mide el material particulado 2.5 (MP2.5) y el dióxido de nitrógeno (NO2) ya que son los contaminantes más nocivos para la salud humana. Se realiza un análisis exhaustivo del comportamiento de dichos contaminantes en tres zonas distintas: vivienda urbana, industrial y con baja densidad vehicular, con el fin de estudiar las curvas que se generan durante el día, teniendo como variable el flujo vehicular presente. Inicialmente para el desarrollo del plan de monitoreo es necesario la selección de un sensor de calidad de aire que cumpla con los requisitos preliminares. Para ello se realiza un estudio de los sensores presentes en el mercado que tengan como contaminantes objetivos el MP2.5 y el NO2, independiente si pueden medir otros contaminantes. Durante la búsqueda se selecciona 9 dispositivos como posible opción, siendo estos: Clarity, Airly, QuantAQ, Bettair, KunakAir, AQMesh, Ellona (WT1), Prana Air y ekoNet. Adicionalmente, se propone una solución alternativa: el prototipo USM, el cual es un conjunto de sensores de MP2.5 y NO2, y un contador de vehículos, presentando una estructura de costo menor que los dispositivos anteriores. Para reducir las opciones, se optan por criterios de selección que aseguran un buen funcionamiento operativo del sensor, haciendo mayor hincapié en la calibración de los dispositivos y en el costo de su obtención. Dando como mejor opción el dispositivo Clarity, ya que presenta certificados y gráficos corroborando su calibración de 0,97 para el MP2.5 y 0,83 para NO2 y ser además el que presenta un menor costo en comparación a los otros posibles dispositivos. Después de la selección del dispositivo, se procede a analizar los datos medidos por el sensor Clarity para realizar la propuesta del plan de monitoreo. El análisis consiste en graficar los datos semanalmente de las tres zonas mencionadas anteriormente, para el caso del MP2.5, se grafican los datos horarios, obteniendo su promedio diario e indicando los límites que establecen la OMS (Organización Mundial de la Salud) y la normativa chilena. Además, se realizan tablas donde se muestran en que rangos de tiempo los valores fueron mayor al promedio diario y por último se realizan gráficos del promedio acumulado horario hasta llegar a su promedio diario. Por otra parte, se grafican los datos de 1 hora y de 15 minutos del dióxido de nitrógeno, acompañado de su variación de datos y de las normas de la OMS y chilena. A parte, se realizan los gráficos de promedio acumulado por hora hasta llegar al promedio diario. En la zona de vivienda urbana, los promedios diarios del MP2.5 se mantienen por debajo de 25 [µg/m3 ], mientras que los niveles de NO2 son inferiores a 30 [ppb]. En la zona industrial, el promedio diario de 24 horas de MP2.5 está por debajo de 30 [µg/m3 ] y el de NO2 no supera los 31 [ppb]. A monitoring plan is proposed for the Metropolitan Region using air quality sensors that measure the mass concentration of particulate matter and gas concentrations. Specifically, particulate matter 2.5 (PM2.5) and nitrogen dioxide (NO2) are measured, as they are the most harmful pollutants to human health. An exhaustive analysis of the behavior of these pollutants is conducted in three distinct zones: urban housing, industrial, and low-traffic density, to study the curves generated throughout the day, with vehicle flow as a variable. Initially, to develop the monitoring plan, it is necessary to select an air quality sensor that meets preliminary requirements. For this purpose, a study is conducted on available market sensors that target PM2.5 and NO2, regardless of their ability to measure other pollutants. During the search, nine devices are selected as possible options: Clarity, Airly, QuantAQ, Bettair, KunakAir, AQMesh, Ellona (WT1), Prana Air, and ekoNet. Additionally, an alternative solution is proposed: the USM prototype, which is a combination of PM2.5 and NO2 sensors, along with a vehicle counter, offering a lower-cost structure compared to the other devices. To narrow down the options, selection criteria are used to ensure proper operational performance of the sensors, with greater emphasis on device calibration and acquisition costs. The Clarity device is identified as the best option, as it provides certificates and calibration charts showing coefficients of 0.97 for PM2.5 and 0.83 for NO2, in addition to having a lower cost compared to other options. After selecting the device, data measured by the Clarity sensor is analyzed to propose the monitoring plan. The analysis involves weekly graphing of data from the three aforementioned zones. For PM2.5, hourly data is graphed, with daily averages calculated and the limits established by the WHO (World Health Organization) and Chilean regulations indicated. Tables are created to show time ranges where values exceeded the daily average, and cumulative hourly averages are graphed until reaching the daily average. For NO2, data is graphed in 1-hour and 15-minute intervals, accompanied by data variation and compliance with WHO and Chilean standards. Additionally, cumulative hourly averages are graphed until reaching the daily average. In the urban housing zone, daily averages of PM2.5 remain below 25 [µg/m³], while NO2 levels are under 30 [ppb]. In the industrial zone, the 24-hour daily average of PM2.5 stays below 30 [µg/m³], and NO2 does not exceed 31 [ppb].