Análisis de la composición química del agua de lluvia: Un estudio utilizando fluorescencia de rayos X por reflexión total y radiación sincrotrón como fuente

Abstract

La composición atmosférica en los niveles más cercanos a la superficie terrestre está controlada por las emisiones naturales y antropogénicas de gases y partículas, sus posteriores procesos de transporte y su eliminación mediante el depósito en la superficie terrestre. El vertiginoso desarrollo tecnológico que se inició con la Revolución Industrial modificó el modo de producción y las costumbres de la sociedad. Con el advenimiento de la sociedad moderna se modificó el patrón de asentamiento de los habitantes incrementando la población urbana. Este incremento introdujo nuevos contaminantes que provocaron la aparición de nuevos riesgos para la salud humana y el medio ambiente en general. En los últimos años, de esta manera, la actividad humana ha contribuido a incrementar las emisiones antropogénicas de gases y partículas y también a modificar las emisiones naturales.El hecho de que los niveles de contaminación hayan aumentado drásticamente no implica aceptar que la contaminacion es consecuencia inevitable de las actividades humanas, sino que indica la necesidad de adoptar con urgencia medidas de prevención y de control. En cuanto a las medidas de prevención, requieren del conocimiento técnico de los agentes contaminantes y de la previsión de sus emisiones. En lo que se refiere a las medidas de control, conllevan la identificación de la fuente que libera contaminantes y la implementación de regulaciones que controlen las emisiones y determinen el modo de remediación. Es en este contexto en el cual el conocimiento de la composición química de la atmósfera y la elucidación de los procesos que afectan la química atmosférica cobra importancia a los fines de resolver problemas relacionados a la calidad del aire, el clima, la salud y los ecosistemas en general.La depuración de los gases y las partículas de la atmósfera implica su depósito en la superficie terrestre. Dentro de los mecanismos de eliminación más importantes que controlan la distribución, concentración y el tiempo de vida de las partículas y los gases en la atmósfera se encuentra la deposición húmeda. La misma se refiere a la disolución o arrastre de los gases y las partículas suspendidas en el aire por acción de la lluvia, las nubes, la niebla, la nieve, u otro tipo de fenómeno que utilice partículas formada por agua que, en la generalidad, se conocen con el nombre de hidrometeoros.De todos los elementos que constituyen la deposición húmeda la lluvia es el agente más importante a escala mundial. Por medio de este fenómeno, además de incorporarse nutrientes a los ecosistemas acuáticos y terrestres, se depositan también sustancias contaminantes que contribuyen al deterioro de los mismos. Por este motivo el conocimiento de la composición química del agua de lluvia constituye una herramiento indirecta para abordar el estudio de la química de la atmósfera y de los procesos que afectan la química atmosférica. El estudio del agua de lluvia permite así estudiar la problemática relacionada con la calidad del agua, del aire, el clima y la presevación de los ecosistemas.Uno de los interrogantes al momento de estudiar la composición química de una muestra de agua es qué metodología utilizar no sólo para identificar los elementos que contiene, sino también para cuantificarlos. Es importante utilizar un método de detección adecuado especialmente para el monitoreo rutinario de múltiples muestras y para la evaluación continua de la calidad del agua. Entre los métodos más utilizados pueden mencionarse: plasma de acoplamiento inductivo acoplado a un espectrómetro de emisión atómica, plasma de acoplamiento inductivo acoplado a un espectrómetro de masas, espectroscopía de absorción y de emisión atómicas, fluorescencia convencional de rayos X, fluorescencia de rayos X por reflexión total, cromatografía gaseosa, entre las más utilizadas. La elección de una u otra técnica dependerá fundamentalmente de los elementos que se desee identificar y cuantificar, de la cantidad de muestras a analizar y de los límites de detección que se desee alcanzar.El análisis químico del agua de lluvia conlleva una complicación adicional con respecto a otras muestras de agua de mayor concentración elemental, tales como agua subterránea o agua de mar. La revisión bibliográfica de los análisis de la composición elemental del agua de lluvia muestra que la concentración inicial de los contaminantes arrastrados se reduce rápidamente a medida que la cantidad e intensidad de la precipitación se incrementan. Esto se debe a que el tipo de arrastre o barrido varía de acuerdo a la etapa de precipitación considerada. Durante las etapas iniciales de la precipitación predomina el barrido producido debajo de la nube, por el cual los contaminantes ubicados debajo de la nube son arrastrados por las gotas de lluvia al impactar contra ellas durante su caída. A medida que el aire debajo de la nube se limpia de aerosoles y gases se produce la disminución gradual de la concentración de contaminantes en el agua de lluvia, hasta que en las etapas finales del evento de precipitación es mínima. Es en esta etapa cuando la composición química del agua es consecuencia del denominado barrido por nucleación. Mediante este tipo de barrido las partículas actúan como agentes nucleantes que contribuyen a la formación de las gotas de nube. Analizar la composición química del agua de lluvia en los procesos de barrido por nucleación y debajo de la nube implica la utilización de una técnica extremadamente sensible. De la revisión de la bibliografía publicada recientemente se encontró que muchos estudios recurren a la técnica de fluorescencia de rayos X utilizando como fuente de excitación la radiación sincrotrón para el análisis de muestras de agua de elevada pureza. Pero si en vez de la fluorescencia de rayos X convencional se aplica la técnica de reflexión total se alcanzan límites de detección aún menores. Esto se debe a que la combinación de la reflexión total con la fuente de radiación sincrotrón potencia las ventajas de utilizar ambas estrategias: se incrementa la intensidad del haz incidente sobre la muestra a analizar, se excita doblemente la muestra a causa de los haces incidente y reflejado, se disminuye la intensidad de fondo, entre otras.En todo este contexto, considerando la importancia del proceso de deposición en la composición elemental del agua de lluvia y su influencia sobre la calidad del aire y del medioambiente en general, en el presente trabajo se plantea como objetivo determinar y analizar la composición química del agua de lluvia colectada en la ciudad de Córdoba, República Argentina. Córdoba es la segunda ciudad más grande del país. Se ubica en la región central de Argentina, en una región en la cual las aguas superficiales son ampliamente utilizadas para el consumo humano, incluido no sólo el uso recreativo, agrícola e industrial, sino también como agua de bebida. Para cumplir este objetivo se colectaron muestras de agua de lluvia en el período comprendido entre octubre de 2009 y julio de 2012. La colección se llevó a cabo de dos formas bien diferenciadas. Por un lado, se colectó agua de lluvia desde el inicio hasta la finalización del evento de precipitación; y por otro lado, durante un mismo evento de lluvia se colectó el agua de manera secuencial a los fines de estudiar la evolución de la composición química del agua.Sobre ambos tipos de muestreo se realizó un tratamiento de acidificación y filtración a los fines de estudiar la composición de la fracción soluble del agua de lluvia y también la composición de las partículas que, sin llegar a solubilizarse, es arrastrado hacia la superficie terrestre. Sobre las muestras se realizaron determinaciones de la conductividad eléctrica, el pH y la concentración elemental de S, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Sr, y Pb. En el análisis químico se utilizó la técnica de fluorescencia de rayos X por reflexión total utilizando como fuente radiación sincrotrón. Se utilizó el sincrotrón del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón ubicado en la ciudad de Campinas, Brasil.Los resultados obtenidos fueron analizados en relación a diferentes criterios. Se analizó la variación temporal de los valores de pH, conductividad eléctrica y concentración elemental. Se estableció una relación entre la composición elemental y el origen de las masas de aire, este último mediante un modelo de trayectorias de masas de aire. Se analizaron además, la evolución de la concentración elemental en relación a la evolución de la lluvia caída, la relación entre la conductividad eléctrica y la frecuencia de días lluviosos. A los fines de identificar las fuentes que contribuyen a la presencia de elementos contaminantes en el agua de lluvia, se realizó un análisis de correlaciones múltiples entre los valores de concentración de los distintos elementos cuantificados en la fracción soluble del agua de lluvia. Se identificaron fuentes antropogénicas y naturales: las primeras se atribuyeron al tráfico y emisiones vehiculares mayormente, y en menor medida a las industrias metalúrgicas; las segundas se relacionaron a derivados de la corteza terrestre.Este trabajo representa uno de los primeros que analiza la composición química del agua de lluvia mediante la técnica de fluorescencia de rayos X por reflexión total utilizando radiación sincrotrón. Asimismo, es uno de los pocos trabajos que determina la concentración de elementos traza en el agua de lluvia, para el Hemisferio Sur. Los resultados presentados en este trabajo muestran la necesidad de controlar las emisiones atmosféricas con el objeto de preservar la calidad del agua de lluvia en la ciudad. Esto es particularmente importante considerando que Córdoba es uno de los centros industriales más importantes del país y que el agua con la que se abastece la población proviene de recursos hídricos superficiales.