Monitoreo de NOx

ÓXIDOS DE NITRÓGENO

Conoce el nitrógeno, comúnmente denominado por el símbolo químico N. Cuando dos átomos de nitrógeno se unen, forman gas nitrógeno (N₂), que constituye aproximadamente el 78% del aire en la atmósfera. El nitrógeno y el oxígeno se combinan durante la combustión de combustibles fósiles para formar dióxido de nitrógeno (NO₂), un contaminante del aire significativo. El NO₂ se produce cuando las altas temperaturas en los procesos de combustión hacen que el nitrógeno del aire reaccione con el oxígeno, lo que lleva a impactos perjudiciales en la calidad del aire. El NO₂ se libera principalmente de automóviles, camiones y fuentes de plantas de energía que encontramos diariamente.

El dióxido de nitrógeno (NO₂) empeora significativamente la calidad del aire urbano, afectando especialmente a individuos con asma o problemas respiratorios. También contribuye a la formación de ozono a nivel del suelo y partículas finas, degradando aún más la calidad del aire. El óxido nítrico (NO) se produce naturalmente por los rayos y microbios del suelo, pero las fuentes principales son los procesos de combustión, donde el oxígeno y el nitrógeno atmosféricos se combinan en las llamas. Aunque el NO se produce dentro del cuerpo humano, no es emitido por los humanos.

Los NOx, además de afectar la salud humana y el medio ambiente, tienen el potencial de producir "contaminantes secundarios" como ozono, smog, ácido nítrico y materia particulada, que tienen efectos adversos sobre la salud y el medio ambiente. La monitorización de NOx es una manera eficiente de prevenir la acumulación de altos niveles de NOx, ya que ayuda a detectar la cantidad de NOx que respiramos y nos alerta cuando se supera un cierto nivel. Este artículo cubre los óxidos de nitrógeno en el aire, sus fuentes, niveles permisibles en el aire ambiente, salud, impacto ambiental, posibles medidas correctivas, la necesidad de monitores de óxido de nitrógeno y diferentes métodos de monitorización de NOx. Se trata de entender un factor crítico en la calidad del aire.

En la química atmosférica, NOx se refiere a óxidos de nitrógeno, principalmente refiriéndose a dos gases: NO (óxido nítrico), que es invisible e inodoro, y NO2 (dióxido de nitrógeno), que tiene un color marrón rojizo y un olor penetrante; y ambos son contaminantes clave. N2O (óxido nitroso) es un potente gas de efecto invernadero que también daña la capa de ozono. N2O4 está en equilibrio con NO2, mientras que N2O5 es inestable y se encuentra principalmente de noche, ya que se descompone rápidamente por la luz solar. Los óxidos de nitrógeno (NOx) son un grupo significativo e interesante de compuestos químicos que contaminan el aire. Sin embargo, los contaminantes principales de preocupación son el óxido nítrico (NO) y el dióxido de nitrógeno (NO2), que se explican a continuación.

• La frase "óxidos de nitrógeno" (NOx) se refiere tanto al dióxido de nitrógeno (NO2) como al monóxido de nitrógeno (NO).
• El monóxido de nitrógeno (NO) es un gas incoloro y uno de los óxidos primarios de nitrógeno.
• El dióxido de nitrógeno (NO2) es un gas de color marrón rojizo con un olor ácido único. Es uno de varios óxidos de nitrógeno.

Óxido Nítrico: El monóxido de nitrógeno (NO), a menudo conocido como óxido nítrico, es un gas incoloro e inodoro y un contaminante del aire peligroso. Consiste en un átomo de nitrógeno unido a un átomo de oxígeno. Debido a un electrón desaparejado, es altamente reactivo y por lo tanto se oxida rápidamente (en unos pocos minutos) a NO2.

Dióxido de Nitrógeno: El dióxido de nitrógeno (NO2) es un contaminante del aire crítico destacado por directrices de calidad del aire como las de la Organización Mundial de la Salud. NO2 es un gas ácido de color marrón rojizo con un olor penetrante, se disuelve en agua y actúa como un fuerte oxidante y corrosivo. Se forma cuando el óxido nítrico (NO) se oxida durante la combustión, como en motores diésel y plantas de energía que queman carbón, petróleo, gas, madera o desechos. El gas NO2 en sí no es inflamable. Sin embargo, puede acelerar la combustión de materiales combustibles.

Óxidos de nitrógeno en la Atmósfera:

NOX se forma típicamente a partir de la reacción de nitrógeno y oxígeno cuando se queman combustibles fósiles como carbón, petróleo, gas o diésel a altas temperaturas. De los compuestos de nitrógeno liberados durante la combustión, la mayoría se emite típicamente como NO, con una fracción más pequeña como NO2, aunque la proporción exacta varía según la fuente de combustión. Una vez liberado en la atmósfera, el dióxido de nitrógeno puede combinarse con otros productos químicos atmosféricos para generar lluvia ácida, dañando ecosistemas y monumentos, estructuras y sitios culturales construidos por humanos. Los óxidos de nitrógeno, incluidos NO₂, producen partículas de nitrato que causan neblina y reducen la visibilidad. Niveles elevados de NO₂ pueden causar daños ambientales, incluida la contaminación por nutrientes en aguas costeras.

Altos niveles de NOx pueden dañar la vegetación al aumentar su susceptibilidad a enfermedades y daños por heladas. Cuando el NOx se combina con otros contaminantes bajo la luz solar, produce ozono (otro contaminante del aire crítico), que, en altas cantidades, también daña la vegetación. Por lo tanto, durante el día, NO, NO2 y ozono (O3) existen en un casi equilibrio dependiendo de la cantidad de luz solar. Además, los óxidos de nitrógeno son contribuyentes esenciales al smog fotoquímico, responsable de su color marrón amarillento.

La química atmosférica en las áreas donde la emisión vehicular es una fuente predominante generalmente sigue la tendencia dada a continuación:

• A menudo hay una mayor concentración de NO2 durante los momentos pico del tráfico.
• La concentración de O3 aumenta durante el día a medida que la luz solar sube, mientras que la concentración de NO2 disminuye. Esto sucede porque el NO2 reacciona en presencia del sol para formar O3.
• En la tarde-noche, las concentraciones de NO2 se acumulan ya que no hay luz solar que convierta NO2.

El NO2 restante eventualmente reacciona con otras sustancias en el aire para formar materia particulate, ácido nítrico gaseoso (HNO3), y nitratos orgánicos tóxicos como los PANs (nitratos de peroxiacetilo). Sin embargo, el NO2 puede viajar cientos de kilómetros antes de eventualmente convertirse en ácido nítrico o nitratos. Tiene una vida útil relativamente corta (aproximadamente un día) y está concentrado cerca de sus fuentes.

Ahora que has tenido una introducción formal a NOx, NO y NO2, ¿cómo se forman los óxidos de nitrógeno y de dónde provienen? ¿Alguna vez te has preguntado cómo se producen naturalmente los óxidos de nitrógeno? ¡Bueno, sucede durante los rayos! Un solo rayo puede calentar hasta 30,000 kelvins (alrededor de 53,540 grados Fahrenheit). Los rayos golpean la Tierra alrededor de 100 veces por segundo, con 86,400 segundos en un día y 365 días en un año. ¡Puedes imaginar que hay un montón de rayos!

El NO2 es prevalente en el medio ambiente en pequeñas cantidades, pero debido a nuestro uso excesivo de recursos y otras actividades, los niveles de dióxido de nitrógeno están aumentando a un nivel peligroso. Algunas de las fuentes naturales y artificiales comunes de NOx se enumeran a continuación:

• Erupciones volcánicas y lugares volcánicos activos.
• Degradación biológica de materia orgánica, incluyendo el uso de fertilizantes.
• Los rayos aumentan la formación de gas NO2.
• Emisiones de coches, camiones, barcos y aviones.
• Plantas de energía y fertilizantes que emiten amoníaco.
• Maquinaria pesada alimentada por diésel.
• Estufas de queroseno y gas.

A continuación se presentan las concentraciones de punto de quiebre que describen la calidad del aire basadas en las concentraciones de dióxido de nitrógeno para diferentes países. En India, los niveles diarios de NO2 de hasta 80 µg/m3 se consideran satisfactorios. 

Tabla: Puntos de quiebre de dióxido de nitrógeno (µg/m3)

[Fuente: Índice Nacional de Calidad del Aire, CPCB (Oct 2014)]

El Organismo Mundial de la Salud (OMS) ha actualizado sus pautas de calidad del aire para proteger mejor la salud pública. La nueva pauta de NO2 se establece en 10 µg/m³ como promedio anual, marcando una reducción significativa de 30 µg/m³ respecto a la pauta anterior establecida en 2005. Esta actualización subraya el compromiso de la OMS de mejorar los estándares globales de calidad del aire para salvaguardar la salud pública.

La tabla a continuación representará las Pautas de Calidad del Aire Interior y Exterior de la OMS para el NO2 

Fuente - Biblioteca Nacional de Medicina

LÍMITES DE EXPOSICIÓN EN EL TRABAJO para NO2 

• OSHA: El límite legal de exposición permisible en el aire (PEL) es 5 ppm, que no debe ser excedido en ningún momento.
• NIOSH: El límite de exposición recomendado en el aire es 1 ppm, que no debe ser excedido en ningún momento.

• ACGIH: El límite de exposición recomendado en el aire es 3 ppm promediado en un turno de trabajo de 8 horas, y 5 ppm como STEL (límite de exposición a corto plazo).

  *El Dióxido de Nitrógeno puede causar mutaciones. Todo contacto con este químico debe reducirse al nivel más bajo posible.

  (Fuente- Hoja de datos sobre sustancias peligrosas)

NO2 interactúa con O2 para producir ácido nítrico, que causa corrosión y contribuye al desarrollo de otros contaminantes como smog, PM y lluvia ácida. Es un acelerador de llama pero no es inflamable.

Impacto en la salud

¿Cómo me afecta la presencia de óxidos de nitrógeno? ¿Hay algún impacto negativo en mi salud y debo preocuparme? A continuación, discutiremos el impacto en la salud de NOx.

• La exposición prolongada al dióxido de nitrógeno puede causar problemas respiratorios severos.
• Al inhalarse, el dióxido de nitrógeno irrita los ojos, la nariz y la garganta, causando falta de aliento y dificultades respiratorias a largo plazo debido a la disminución de la capacidad pulmonar.
• Para las personas con condiciones respiratorias preexistentes como el asma, la exposición al dióxido de nitrógeno puede agravar los síntomas y provocar ataques de asma.
• En concentraciones muy altas, la exposición a NOx puede afectar la capacidad de los pulmones para absorber oxígeno, contribuyendo a sintomas de privación de oxígeno.
• Niveles más altos de dióxido de nitrógeno se han relacionado con un mayor riesgo de desarrollar trastornos respiratorios crónicos como bronquitis y enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC).
• Investigaciones emergentes también han examinado los vínculos entre la exposición al dióxido de nitrógeno y los resultados de salud mental, incluyendo trastornos del sueño, ansiedad y depresión.

Cabe señalar que las concentraciones de dióxido de nitrógeno en el aire interior pueden aumentar debido a actividades humanas como la calefacción y la cocina, ambas emitendo dióxido de nitrógeno. Si el aire interior está mal ventilado, el gas puede acumularse, causando efectos muy perjudiciales a las personas que pasan tiempo en interiores diariamente.

A continuación se presentan estadísticas para los EE. UU., que muestran el impacto económico y en la salud en los EE. UU.

Un estudio que examina específicamente los impactos del dióxido de nitrógeno encontró que en áreas con solo un aumento de 5.9 partes por mil millones en la concentración de contaminantes, hubo

• Un aumento del 22% en los costos de la sala de emergencias
• Un aumento del 5% en los costos ambulatorios,
• Un aumento del 7% en los costos de atención médica directa anuales

Impacto ambiental

La presencia de dióxido de nitrógeno causa una variedad de problemas en los ecosistemas. Puede contribuir a la acidez del suelo y el agua, afectando a las plantas y fauna acuática. Además, altas cantidades de dióxido de nitrógeno en la atmósfera pueden producir estrés oxidativo en las plantas, perjudicando su crecimiento y desarrollo vegetativo. La presencia de niveles significativos de dióxido de nitrógeno en la atmósfera puede interrumpir el equilibrio químico del aire, afectando el clima global.

El dióxido de nitrógeno también puede combinarse con otros contaminantes del aire para producir material particulado peligroso. También reacciona con el ozono, produciendo smog fotoquímico. Esta neblina no solo es mala para la salud humana, sino que también puede perjudicar los ecosistemas al limitar la visibilidad y destruir la flora.

Ecosistema terrestre: Altas concentraciones de NOx impactan negativamente en cultivos, vegetación y equilibrio de nutrientes, llevando a pérdidas de rendimiento, eutrofización, acidificación, aumentando la susceptibilidad a sequías, enfermedades, plagas y disminución de la diversidad de especies de plantas.

Ecosistema acuático: La eutrofización es el proceso por el cual un cuerpo de agua se vuelve demasiado rico en nutrientes, resultando en la proliferación abundante de vida vegetal básica. Es causado por óxidos de nitrógeno y amoníaco. El aumento de la absorción de NOx en cuerpos de agua altera el equilibrio químico de los nutrientes, llevando a la disminución de oxígeno.

Los óxidos de nitrógeno pueden llevar a la acidificación de suelos y cuerpos de agua, interrumpiendo ecosistemas y llevando a pérdidas de biodiversidad.En resumen, el dióxido de nitrógeno puede impactar significativamente los ecosistemas, y es importante reducir su presencia en nuestro aire para proteger nuestra salud y la salud de nuestro planeta.

La principal acción preventiva es monitorear los niveles de NOx, para lo cual nuestros monitores de calidad del aire Oizom son muy efectivos. Aparte de eso, ciertos métodos preventivos podrían ayudarnos a mantenernos a salvo de los efectos respiratorios de este gas:

• Los vehículos con bajas tasas de emisión pueden ayudarnos a limitar la producción de NOx.
• Los combustibles alternativos, como las celdas de hidrógeno y los vehículos eléctricos, pueden ayudar a reducir las emisiones de NOx.
• Evitar la congestión de tráfico. Mejorar la eficiencia de los motores. Respirar aire tan contaminado a diario también conlleva efectos en la salud a largo plazo.
• Dar un paseo, usar bicicletas, transporte público o compartir coche siempre que sea posible.
• Respirar aire tan contaminado a diario también conlleva efectos en la salud a largo plazo.
• Además, limitar las actividades al aire libre y cerrar ventanas y respiraderos durante alta contaminación del aire.
• Las industrias pueden usar quemadores de bajo NOx, específicamente calderas industriales y de servicios públicos, para reducir las emisiones de NOx.
• Se utiliza un ambiente confinado para crear fertilizante y procesar los gases producidos dentro de él.
• Un estudio encontró que la planta de la familia Lauraceae, Glutinosa, reduce el NOx en la atmósfera y puede ser plantada cerca de fuentes de emisiones de NOx (autopistas y carreteras).

Fuente -NAQI según CBCB. Promedios horarios de 2 horas

Existen varios métodos de monitoreo bien establecidos para el NO2, algunos de los cuales solo pueden medir NO2, mientras que otros también pueden medir NO y/o NOx. La quimioluminiscencia, la espectroscopía de desplazamiento de fase atenuada por cavidad (CAPS), los semiconductores y la electroquímica son diferentes principios de funcionamiento para el monitoreo de óxidos de nitrógeno en el ambiente.

Quimioluminiscencia para el monitoreo de NOx es el método convencional más utilizado para medir los niveles de NOx en el aire. Se basa en una reacción quimioluminiscente entre el óxido nítrico (NO) y el ozono (O3). En el monitor de NOx, la atmósfera se extrae en dos caminos. En el primer camino, el NO2 en la muestra se reduce cuantitativamente a NO utilizando un convertidor. Este NO2 convertido y el NO en el aire reaccionan con el ozono (producido utilizando un generador de ozono) para generar NO2 activado. Durante la conversión, la energía lumínica a una longitud de onda específica es proporcional a la cantidad de NO+NO2 en la muestra de aire. En el segundo camino, el aire reacciona directamente con O3, es decir, sin pasar por el reactor, y la energía lumínica producida es directamente proporcional al NO presente en el aire. La intensidad de luz se mide y registra fotométricamente desde ambos caminos. La señal del segundo camino es la cantidad de NO presente en la muestra de aire, mientras que la diferencia electrónica de ambos caminos es la cantidad de NO2 presente en la muestra de aire.

Este principio se utiliza para la medición continua de la concentración de óxidos de nitrógeno (NOx: NO + NO2), NO, NO2 y amoníaco (NH3) en gases muestra.

[Fuente: https://www.researchgate.net/figure/Typical-chemiluminescence-analyzer_fig2_10689913]

Figura - Estructura y principio de funcionamiento de un analizador de gases utilizando el método de quimioluminiscencia.

Fuente- https://www.horiba.com/int/process-and-environmental/measuring-principles/chemiluminescence/ 

Espectroscopía de desplazamiento de fase atenuada por cavidad (CAPS) para el monitoreo de NO2 - El monitor de NO2 que trabaja con el principio CAPS opera como un espectrómetro de absorción óptica que mide NO2 directamente. La medición se realiza en una celda óptica controlada por temperatura que contiene espejos altamente reflectantes en ambos lados para proporcionar una longitud de camino óptico extensa, un diodo emisor de luz UV azul (LED) centrado a 450 nm y un detector de fotodiodo al vacío. El NO2 presente en el aire que se introduce en el monitor de NO2 provoca un cambio de fase en la señal recibida por un fotodetector proporcional a la concentración de NO2.

Método electroquímico para el monitoreo de NOx - Los monitores de NOx que funcionan en el principio electroquímico operan en base a la difusión de dióxido de nitrógeno y gas óxido nítrico en el sensor respectivo, produciendo señales eléctricas proporcionales a las concentraciones de NO2 y NO, respectivamente. Permite una medición precisa incluso de bajas concentraciones de NOx, lo cual es esencial en el monitoreo de NO2 y NO para el aire ambiente.

[Fuente: Documentación de Sensores iSCAPE]

[Fuente: https://docs.smartcitizen.me/Components/sensors/Electrochemical%20Sensors/]

Sensores de óxido metálico de estado sólido

Los Sensores de Óxido Metálico son una tecnología de sensor prominente para medir las concentraciones de gas NOx. Los Sensores de Óxido Metálico comprenden elementos sensibles de óxido metálico semiconductores y de calentamiento. El calentador calienta la superficie del elemento sensor a 300°-500°C, permitiéndole detectar gases a través de una reacción química en su superficie. Esta reacción altera la conductividad eléctrica del elemento sensible, que puede medirse utilizando un circuito externo para determinar el nivel de gas observado.

Sistema DOAS (Espectroscopía de Absorción Óptica Diferencial)

El sistema de Espectroscopía de Absorción Óptica Diferencial (DOAS) opera midiendo la absorción de luz a longitudes de onda específicas a medida que pasa a través de una columna de aire. Consiste en un emisor, receptor y analizador. El emisor proyecta luz, incluidos longitudes de onda visibles, ultravioletas e infrarrojas, a través de un camino de varios cientos de metros. La cantidad de luz absorbida se correlaciona con la concentración de contaminantes, según la Ley de Beer-Lambert.

El receptor captura la luz transmitida y la dirige al analizador. El analizador utiliza un espectrómetro para dividir la luz en bandas de longitud de onda estrechas y compara los datos de absorción con espectros de referencia. Este proceso permite la detección y cuantificación simultánea de múltiples gases al analizar sus características de absorción únicas.

Este sistema proporciona mediciones de contaminantes de alta precisión en tiempo real, lo que lo hace eficaz para el monitoreo de la calidad del aire a grandes distancias.

Ilustración de una unidad de emisor de espectroscopía de absorción óptica diferencial

Fuente-(https://www.qld.gov.au/environment/management/monitoring/air/air-monitoring/measuring/measuring-pollutants)

Ilustración de una unidad de receptor de espectroscopía de absorción óptica diferencial

Fuente-(https://www.qld.gov.au/environment/management/monitoring/air/air-monitoring/measuring/measuring-pollutants)

Oizom proporciona una gama de módulos de sensores de dióxido de nitrógeno (NO2) y Óxido Nítrico (NO) para monitorear los niveles variables de NO2 y NO según sus necesidades. Nuestros sensores miden con precisión el NO2 y el NO en condiciones ambientales, detectando concentraciones en ppb/ppm. Este sensor monitorea el dióxido de nitrógeno y el óxido nítrico en tiempo real. Este sensor está integrado en una carcasa de metal y electrónica de soporte de muy bajo ruido, haciéndolo compacto y confiable. Esto permite una detección de gas precisa incluso en concentraciones muy bajas en la atmósfera. Este sensor funciona con el principio de trabajo electroquímico para medir la calidad del aire ambiental.

Este sensor pasa por una calibración utilizando gases estándar y herramientas para garantizar una alta sensibilidad y precisión. Cada sensor de gas se calibra con verificaciones de cero y rango en un laboratorio controlado, siguiendo la Sección 12.2 del Manual de Aseguramiento de Calidad de la USEPA para Sistemas de Medición de Contaminación del Aire Volumen II. La calibración se realiza utilizando estándares de gas trazables por NIST para un rendimiento confiable.

El módulo de sensor de NO2 y NO está integrado en sistemas de monitoreo de calidad del aire exterior como Polludrone, AQBot y Odosense. Es ideal para monitoreo de campus, ciudades inteligentes, industrias, plantas de tratamiento de aguas residuales, carreteras, proyectos de investigación y evaluaciones de impacto ambiental. Al utilizar este módulo de sensor, los usuarios pueden asegurarse de recibir datos precisos y en tiempo real sobre los niveles de NO2 y NO, ayudando en el monitoreo y gestión efectivos de la calidad del aire en diversos entornos.

1. Compacto: Nuestros sensores son pequeños y fáciles de instalar, perfectos para su uso en cualquier espacio, lo que los hace ideales para la monitorización portátil de la calidad del aire. Los sensores de NO2 y NO vienen precalibrados y pueden ser reemplazados rápidamente en solo unos minutos al quitar y reemplazar el sensor viejo por uno nuevo. 
2. Duradero: Los sensores de NO2 y NO tienen una larga vida de casi dos años.
3. Eficiencia Energética: No hay necesidad de preocuparse por el consumo de energía porque nuestros sensores no solo son precisos, sino también eficientes en energía. ¡Funciona con solo 3.3 a 5V para un rendimiento eficiente y confiable!
4. Tecnología de sensores en casa: Oizom aplica algoritmos avanzados de procesamiento de datos para compensar los efectos de la temperatura y la humedad en la salida del sensor. El algoritmo está diseñado para actualizarse automáticamente en función de las condiciones climáticas y los cambios estacionales, eliminando su influencia en el rendimiento del sensor. Los algoritmos avanzados también compensan el efecto del gas de sensibilidad cruzada.
5. Electrónica de Ultra-Bajo Ruido: El diseño del módulo del sensor es crucial para mediciones precisas. Cada sensor está alojado en una carcasa de metal con electrónica de ultra-bajo ruido y una PCB base. La carcasa de metal protege al sensor y la electrónica de la interferencia electromagnética, previniendo lecturas falsas.
6. Cumple con RoHS: Nuestros sensores cumplen con los criterios de RoHS para restringir sustancias peligrosas en dispositivos eléctricos y electrónicos.

• El NO2 y el NO son contaminantes principales de las emisiones vehiculares y la producción de energía, lo que resulta en una mala calidad del aire en casi todas las regiones urbanas.
• El NOx, además de afectar la salud humana y el medio ambiente, tiene el potencial de producir “contaminantes secundarios” como el ozono, el smog, el ácido nítrico y las partículas, que tienen efectos adversos en la salud y el medio ambiente. 
• Cuando se inhala, el NOx causa daño al tejido pulmonar y una reducción en el funcionamiento del sistema respiratorio, haciendo que los niños, las personas con enfermedades pulmonares como el asma y las personas que trabajan o hacen ejercicio al aire libre sean más susceptibles a los efectos adversos en la salud.
• El monitoreo de NOx es una manera eficiente de prevenir la acumulación de altos niveles de NOx. Ayuda a detectar la cantidad de NOx que respiramos y nos alerta cuando se excede un cierto nivel.
• El monitoreo en tiempo real de los niveles de NOx ayuda a calcular el índice de calidad del aire, que se utiliza para emitir avisos de salud y formular un plan de acción para cumplir con los estándares.