17 may. 2012

EQUIPOS DE DETECCIÓN AMBIENTAL


 
EQUIPOS DE DETECCIÓN AMBIENTAL
Jorge Luiz Nobre Gouveia, CETESB
Marcos Tadeu Seriacopi, CETESB
 
A mediados del siglo XIX, en los Estados Unidos, surgió la necesidad de detectar e identificar gases tóxicos o asfixiantes en las minas de carbón. El gas metano generado por la descomposición de la materia orgánica, y el azufre que origina el gas sulfhídrico, causaron serios daños a la salud de los trabajadores y, en algunos casos, la muerte.
Los trabajadores de entonces portaban pequeños animales aprisionados, tales como pájaros, roedores y perros, que se alteraban frente a la mínima señal de presencia de gases, lo que servía como indicador de una probable contaminación del lugar.
El rápido desarrollo industrial y el uso y manejo cada vez más frecuente de productos químicos tóxicos e inflamables en la industria de transformación, así como la creciente preocupación por la seguridad industrial y salud ocupacional por parte de los organismos gubernamentales, han llevado a la creación de una serie de instrumentos para detectar gases y vapores, así como aparatos para el monitoreo de cuerpos hídricos que alertan inmediatamente cuando las concentraciones sobrepasan los parámetros aceptables.
Para determinar la presencia de gases o vapores, se usan analizadores fijos y portátiles de lectura directa. Los analizadores fijos se usan exclusivamente para el interior de las instalaciones industriales que requieren un monitoreo continuo.
El uso de los analizadores portátiles de lectura directa surgió ante la necesidad de realizar análisis rápidos en el campo, debido a accidentes ambientales eventuales o para recolectar información sobre los valores relativos a la salud ocupacional y seguridad industrial.
Cabe resaltar que en este trabajo sólo se abordarán las consideraciones relacionadas con el uso de instrumentos portátiles .
 
Aplicación
La lectura directa de los instrumentos permite determinar rápidamente la concentración de gases y vapores en el aire. Esta lectura se puede definir en aparatos en los que el instrumento toma las muestras y análisis directamente y la información necesaria se puede leer en una pantalla o mostrador o indicador.
Un instrumento de lectura directa ideal deberá ser capaz de muestrear el aire en el lugar de trabajo o de ocurrencia del accidente y definir la concentración de las sustancias muestreadas.
Los aparatos colorimétricos de lectura directa se valen de las propiedades químicas de un contaminante que produce coloración al entrar en contacto con un agente químico. El indicador colorimétrico o tubo detector, cuya principal aplicación es indicar la concentración de gases o vapores a través del cambio de coloración, es una técnica de detección ampliamente usada en las industrias, áreas de seguridad, estudios sobre salud ocupacional y en la atención de accidentes ambientales. Este instrumento se ha hecho muy popular debido a la simplicidad de su operación, el bajo costo inicial y la versatilidad para la detección de innumerables contaminantes. Sin embargo, como todos los instrumentos, también tiene limitaciones de aplicación, especificación y precisión que el usuario debe conocer para evitar eventuales errores de interpretación.
El sistema de tubo detector colorimétrico está compuesto por dos elementos básicos: la bomba detectora de gases y los tubos colorimétricos indicadores (tubos reactivos).
Las bombas detectoras de fuelle o de pistón pueden succionar un volumen fijo de aire (generalmente 100 cm 3 ) con solo una bombeada. El tubo detector es de vidrio herméticamente sellado y contiene materiales sólidos granulados como sílice gel, alúmina o piedra pómez impregnados con una sustancia química que reacciona cuando el aire que atraviesa el tubo contiene un contaminante específico o un grupo de contaminantes.
Principio de operación
Antes de iniciar la medición se debe probar la hermeticidad de la bomba detectora de gases. Para este fin, se deberá seguir la siguiente secuencia de operaciones:
a) comprimir toda la bomba detectora de gases o bomba de fuelle (pliegues);
  1. tapar con el dedo el lugar donde se insertará el tubo reactivo (cabeza de la bomba);
  2. sin quitar el dedo de la cabeza de la bomba, abrir la mano;
d) si el pliegue regresa, entonces hay fuga de aire en la bomba de fuelle.
Interpretación de resultados
La lectura en los tubos reactivos es relativamente simple y se puede observar directamente a través del cambio de coloración indicado en la escala graduada impresa en el cuerpo del tubo. Por lo general, la unidad de medida está indicada en ppm (partes por millón).
Para algunos tubos reactivos que no poseen escala, se debe aspirar un volumen suficiente de muestra (indicado en las instrucciones de uso) que permita que el color de la capa reactiva logre la coloración patrón indicada en el tubo. En ese caso, el valor de la concentración será inversamente proporcional al número de aspiraciones.
Cuando el cambio de color no es homogéneo, se considera el valor de lectura de mayor extensión obtenida en el tubo.
Limitaciones y consideraciones
Antes de realizar la medición es muy importante leer las instrucciones de uso del tubo reactivo que se usará para poder conocer la coloración final obtenida en el tubo después de la lectura, así como las posibles interferencias con otras sustancias, temperatura y humedad.
La desventaja de los tubos detectores es el bajo nivel de exactitud y precisión. El National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) ha probado y certificado tubos detectores sometidos a sus ensayos. Los valores relativos de precisión fueron de 35% a 50% del límite de exposición.
Las bajas o altas temperaturas retardan o aceleran la reacción química que se produce en el interior del tubo y, en consecuencia, el tiempo de respuesta, lo que influye directamente en la veracidad de los resultados. Para reducir este problema, se recomienda mantener los tubos en lugares ventilados.
Las altas temperaturas aceleran la reacción y pueden causar un problema de decoloración de la capa reactiva sin que el contaminante esté presente. Esto también puede ocurrir en los tubos aún no usados. Por ello, los tubos se deben almacenar a temperaturas moderadas o inclusive refrigerar para prolongar su vida útil.
Algunos tubos reactivos poseen una capa prefiltrante para eliminar la humedad u otras sustancias que pueden interferir en la medición. Las instrucciones de los fabricantes incluyen factores de corrección que se utilizarán cuando la humedad interfiere en las mediciones realizadas.
Las sustancias químicas usadas en los tubos se deterioran con el tiempo. Por lo tanto, se debe observar el periodo de validez indicado en sus embalajes (de uno a tres años).
Cada tubo detector está diseñado para medir un gas específico como el gas sulfhídrico, cloro, vapor de mercurio, entre otros.
Como un tubo detector no se puede aplicar a todas las sustancias, se debe tener mucho cuidado para que las interferencias de las sustancias no invaliden los resultados de las muestras. Muchos vapores y gases comunes reaccionan con los mismos productos químicos o presentan propiedades físicas similares, lo que puede llevar a lecturas falsas, altas o bajas, de la sustancia muestreada.
Los resultados obtenidos por el sistema de tubos colorimétricos no deben, bajo ninguna circunstancia, ser la única evidencia de la presencia o ausencia de un determinado contaminante. Estos se deben usar conjuntamente con otras pruebas o información que confirmen la identidad de una sustancia desconocida en la atmósfera.
Además de las mediciones cuantitativas, el detector también puede realizar mediciones de carácter cualitativo.
Existe un tubo reactivo, denominado POLYTEST, que indica la presencia de ciertos gases en la atmósfera pero no los cuantifica.
El POLYTEST puede indicar la presencia de cualquiera de los siguientes gases:
- Acetileno - Gas licuado de petróleo
- Acetona - Monoestireno
- Arsina - Monóxido de carbono
- Benceno - Percloroetileno
- Disulfuro de carbono - Tolueno
- Gas sulfhídrico - Tricloroetileno
- Gases nitrosos - Xileno
- Gasolina
En las operaciones de emergencia donde se desconoce el gas derramado se puede, a partir del tubo POLYTEST, programar un plan de muestreo que ayudará a identificar el producto.
 
Indicador de oxígeno
Aplicación
Los indicadores de oxígeno (O 2 ), también conocidos como oxímetros, son equipos que sirven para medir la concentración de oxígeno en la atmósfera, normalmente en el intervalo de 0 a 25%.
Estos equipos se usan para monitorear atmósferas donde:
- se necesite protección respiratoria: el aire generalmente posee un 20,8% de oxígeno. De esta manera, si el oxígeno es inferior al 19,5% en el aire, el lugar se considera con deficiencia de oxígeno, lo que exige el uso de protección respiratoria especial (por ejemplo, el equipo autónomo de respiración).
  • pueda haber un aumento de la concentración de oxígeno, lo que puede causar riesgo de combustión: generalmente las concentraciones de O 2 superiores al 25% se consideran ricas en oxígeno, lo que aumenta el riesgo de combustión.
  • se utilicen otros equipos: algunos instrumentos requieren una cantidad suficiente de oxígeno para su operación. Por ejemplo, los indicadores de gas combustible no presentan resultados cuando la concentración de oxígeno está por debajo del 14%. Además, la seguridad intrínseca de los instrumentos es válida para atmósferas normales y no para atmósferas ricas en oxígeno.
  • haya contaminantes: una disminución en la concentración de oxígeno se puede deber a su consumo (por la reacción de combustión u oxidación) o por el desplazamiento del aire por una sustancia química.
Principio de operación
El indicador de oxígeno posee dos componentes principales para su operación: el sensor de oxígeno y el mostrador de la medición.
En algunas unidades, el aire se aspira hacia el detector de oxígeno a través de una bomba aspiradora; en otras, el aire se aspira por difusión hasta el sensor. El detector de oxígeno se vale de un sensor electroquímico para determinar la concentración de oxígeno en el aire. El sensor es una célula galvánica compuesta de dos electrodos, un cátodo de oro y un ánodo de plomo, ambos insertados en una solución electrolítica básica.
Las moléculas de oxígeno atraviesan la membrana hasta llegar a la solución. Las reacciones entre el oxígeno, las soluciones y los electrodos producen una corriente eléctrica proporcional a la concentración de oxígeno.
La corriente atraviesa el circuito eléctrico e indica una señal resultante amplificada como una deflexión del puntero medidor en la lectura digital; el resultado se expresa en porcentaje del volumen de oxígeno.
Interpretación de resultados
Este equipo es de lectura directa y se debe calibrar sólo en la altitud donde será utilizado. El resultado aparecerá directamente en el mostrador del instrumento.
Limitaciones y consideraciones
Las altas concentraciones de dióxido de carbono (CO 2 ) disminuyen la vida útil del sensor de oxígeno. Por lo general, el equipo se puede usar en atmósferas con más de 0,5% de CO 2 sólo con el reemplazo frecuente del sensor. La vida útil en una atmósfera normal (0,04% de CO 2 ) puede variar desde una semana hasta un año, según el diseño del fabricante.
Las altas temperaturas pueden influir en la respuesta del indicador de oxígeno. El intervalo normal para la operación del equipo varía entre 0º C y 49º C. En intervalos que oscilan entre –32º C y 0º C, la respuesta del equipo es lenta. En intervalos inferiores a –32º C, el sensor se puede dañar debido al congelamiento de la solución. El equipo se deberá calibrar en la misma temperatura en la que será utilizado.
La operación de los medidores de oxígeno depende de la presión atmosférica absoluta. La concentración natural del oxígeno es una función de la presión atmosférica en una determinada altitud. Dado que el porcentaje de oxígeno no varía con la altitud, el peso de la atmósfera en el nivel del mar es mayor y, por lo tanto, si se compara con altitudes mayores, hay una compresión mayor de moléculas de oxígeno y de otros componentes del aire dentro de un determinado volumen.
A medida que la altitud aumenta, esta compresión disminuye, y también disminuye el número de moléculas de aire comprimidas en un determinado volumen. De esta forma, un indicador de oxígeno calibrado en el nivel del mar y operado en una altitud de algunos millares de pies proporcionará medidas incorrectas, indicando una deficiencia de oxígeno en la atmósfera debida a una menor cantidad de esas moléculas que son "empujadas" hacia el sensor. Por consiguiente, es necesario calibrar el equipo en la misma altitud donde será utilizado.
Calibración
Por lo general, la célula sensora se acondiciona en un embalaje especial que contiene una atmósfera inerte. El sensor se deberá retirar de ese embalaje antes de calibrar y usar el instrumento.
La calibración se debe realizar en un lugar ventilado, sin contaminación, con 20,8% de oxígeno, cuando está en el nivel del mar.
Por lo tanto, para la calibración del equipo indicador de oxígeno – marca MSA, modelo 245 – se deberán seguir las siguientes etapas:
a) retirar el sensor del embalaje con atmósfera inerte;
b) conectar el enchufe del sensor en el receptáculo lateral del instrumento;
c) oprimir el botón lateral del instrumento;
d) verificar el valor registrado en el visor.
Observación:
1) Si la lectura indica "cero", se debe verificar:
  • la vida útil del sensor. Puede ser necesario cambiarlo;
  • la carga de la batería alcalina de 9 voltios. Puede ser necesario cambiarla.
2) Si el valor indicado es diferente de cero, para la calibración se deberá usar un destornillador, incluido en el equipo, que se deberá colocar en la ranura del tornillo localizado en la parte superior del equipo.
  • girar el tornillo hasta alcanzar el valor de 20,8% de oxígeno, indicado en el mostrador;
  • realizar las mediciones necesarias.
Especificaciones técnicas (modelo 245 - MSA)
Escala de lectura: 0 - 25%.
Respuesta: 90% en menos de 20 segundos.
Calibración lineal: ? 1% del fondo de escala a temperatura constante.
Error de compensación debido a la influencia de la temperatura: máximo ? 5% del fondo de escala de 0º C a 40º C, cuando la influencia de la temperatura es 20º C.
Límite mínimo de temperatura: -18º C.
Limite máximo de temperatura: 52º C.
Accesorios
Para las mediciones en distancias mayores, se puede conectar al sensor un cable de 15 metros de extensión.
 
Aplicación
Los explosímetros son aparatos para medir las concentraciones de gases y vapores inflamables.
Cuando ciertas proporciones de vapores combustibles se mezclan con el aire y existe una fuente de ignición, se puede producir una explosión. El límite de concentraciones sobre el que esto ocurre, se denomina límite de explosión, e incluye todas las concentraciones en las que se produce una chispa o fuego cuando la mezcla entra en ignición. La menor concentración se conoce como límite inferior de explosión (LIE), y la mayor como límite superior de explosión (LSE).
Las mezclas inferiores al LIE son muy pobres para combustionar y las mezclas superiores al LSE, muy ricas. En los instrumentos más simples (explosímetro), sólo se proporciona una escala, generalmente con lecturas de 0 a 100% de volumen del LIE.
Para representar los gases combustibles o grandes concentraciones de gases, se usa el porcentaje del volumen, en donde 1% de volumen corresponde a 10.000 ppm.
Estos equipos no detectan la presencia de neblinas explosivas, combustibles ni atomizadas como aceites lubricantes y polvos explosivos, debido a que estas mezclas son retenidas en un filtro de algodón. Si estas mezclas entraran en el explosímetro podrían contaminar el catalizador de platino.
Los explosímetros permiten obtener resultados cuantitativos pero no cualitativos. Es decir, es posible detectar la presencia y concentración de un gas o vapor combustible en una composición de gases pero no se pueden distinguir las diferentes sustancias presentes.
Principio de operación
Los indicadores de gas combustible se valen de una cámara interna que contiene un filamento que sufre combustión ante la presencia de un gas inflamable. Para facilitar la combustión, el filamento es calentado o revestido con un agente catalítico (como platino o paladio, o ambos). El filamento forma parte de un circuito resistor balanceado denominado puente de Wheatstone.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1 – Circuito del puente de Wheatstone
Circuito del puente de Wheatstone : En uno de los lados del puente, el aire que se va a muestrear pasa sobre un filamento calentado a una temperatura alta. Si el aire contiene un gas o vapor combustible, el filamento calentado produce combustión y libera un calor adicional que aumenta la resistencia eléctrica del filamento. El otro lado del puente contiene un filamento sellado semejante y calentado de forma idéntica, pero sin corriente eléctrica. Este filamento sellado anula todos los cambios en la corriente eléctrica y la resistencia debido a las variaciones de la temperatura ambiente. El cambio que se produce en la variación de la resistencia de la corriente eléctrica en los filamentos, durante el paso del flujo de muestra, se debe a la presencia de gases combustibles. Estos cambios en la corriente eléctrica están registrados como porcentajes del LIE (límite inferior de explosión) en el mostrador del instrumento.
Limitaciones y consideraciones
La sensibilidad y precisión de los indicadores de gas combustible pueden estar influidas por varios factores. Estos incluyen la presencia de polvo, alta humedad y temperaturas extremas. Por estas razones, la sonda de muestreo de muchos modelos debe disponer de un filtro de polvo y un agente secante. El equipo no se debe usar en ambientes extremadamente fríos ni calientes porque tales temperaturas interfieren en la respuesta del instrumento.
La presencia de siliconas, silicatos y otros compuestos que contienen silicona, pueden perjudicar seriamente la respuesta del instrumento. Algunos de estos materiales contaminan rápidamente el filamento, lo que impide que funcione correctamente.
El plomo tetraetilo, presente en algunos tipos de gasolina, produce un sólido combustible que se deposita en el filamento y causa pérdida de sensibilidad. Si se sospecha la existencia de gasolina en el lugar que se va a monitorear, será necesario verificar el instrumento después de cada uso.
Otro método para prevenir la contaminación por el plomo, es el filtro inhibidor que se coloca en la cavidad del filtro del instrumento patrón. Este filtro produce una reacción química con los vapores de plomo tetraetilo y genera un producto de plomo más volátil para la combustión, lo que previene la contaminación del filamento catalítico de platino.
Los indicadores de gas combustible se deben usar en atmósferas normales de oxígeno. La concentración mínima de oxígeno para permitir el funcionamiento perfecto del explosímetro es del orden de 14%.
Los gases ácidos, como el cloruro de hidrógeno y el fluoruro de hidrógeno, así como el dióxido de azufre, pueden corroer el filamento y provocar bajas lecturas en el medidor, inclusive en presencia de altas concentraciones de combustibles. Es probable que los vestigios de estas interferencias no influyan directamente en las lecturas, pero pueden destruir la sensibilidad de los elementos detectores.
Interpretación de resultados
El usuario del indicador de gas combustible MSA modelo 100 podrá obtener, como resultado de las mediciones en ambientes contaminados con vapores inflamables, las siguientes situaciones:
 
 
 
Cabe resaltar que los resultados obtenidos anteriormente se refieren a una determinada sustancia utilizada también para la calibración del equipo.
Sin embargo, en muchas situaciones, el ambiente que se va a monitorear posee sustancias diferentes de las usadas en la calibración del equipo. Por ello, es necesario usar curvas de conversión, suministradas por el fabricante del equipo, para encontrar el valor real de la sustancia que se va a monitorear, según el ejemplo presentado a continuación.
Sustancia que se va a monitorear: metano
Equipo: indicador de gas combustible
Marca: MSA modelo 100, calibrado para pentano.
Para obtener el valor real del índice de explosión del gas metano, se deberán seguir las siguientes etapas:
1. Anotar el valor encontrado en el mostrador del equipo.
2. Encontrar en el siguiente cuadro, la curva de conversión referente al producto que se va a monitorear (por ejemplo, el metano).
3. Con el valor obtenido en el punto 1, hay que ubicarse en el eje indicado en el cuadro como "lectura del medidor" y a partir de ese punto se sigue hasta la curva del producto mencionado, para obtener el valor real en el eje equivalente al porcentaje del LIE.
 
 
LECTURA
DEL
MEDIDOR
 
 
 
PORCENTUAL DEL LIE
Ejemplo: Para una lectura con este equipo, en una atmósfera que contiene vapores de estireno, se obtiene en el mostrador del aparato el valor correspondiente a 10% del LIE, que equivale a 30% del LIE del estireno, después de la corrección en la curva relativa del estireno.
Dado que el 1% del volumen de un gas corresponde a 10.000 ppm y que el LIE del estireno es el 1,1%, se obtiene:
100% = 1,1 % (11.000 ppm)
30% = 0,33% (3300 ppm)
Calibración del equipo
Por lo general, los fabricantes aconsejan efectuar la calibración periódicamente. Este periodo no debe exceder de un mes. Este procedimiento consiste en someter el instrumento a una concentración de gas conocida, suministrada en el equipo de calibración del fabricante.
Para realizar la calibración, se deben observar los siguientes procedimientos:
1. Conectar el instrumento y esperar el tiempo necesario para calentar el filamento.
  1. Poner el instrumento en cero en una atmósfera libre de gases o vapores combustibles.
  2. Presionar el botón de prueba a fin de verificar el estado de las baterías.
  3. Retirar el asa metálica del instrumento.
5. Retirar la tapa lateral izquierda que está sujeta por cuatro tornillos y empujar el circuito electrónico hacia fuera, lo suficiente para permitir el ajuste de los potenciómetros.
6. Ajustar el botón de cero en el panel del instrumento hasta que la indicación del puntero del mostrador sea 50% del LIE.
7. Ajustar el potenciómetro de control de cero en el circuito hasta que el puntero del medidor indique 0% del LIE.
8. Aplicar el gas de calibración en el sensor hasta que el puntero del medidor logre la lectura correcta. Si esto no sucede, ajuste el potenciómetro de Span hasta corregir la indicación deseada.
Observación: Todos estos procedimientos hacen referencia al modelo 100 – MSA.
Consideraciones generales
Cabe resaltar que actualmente existen en el mercado diversos modelos de indicadores de gas combustible que presentan muchas modificaciones en la construcción, especialmente en lo referente a la forma de captación de la muestra que se va a analizar. Por ejemplo, el modelo 2A-MSA, tiene un bulbo aspirador para succionar la muestra, a diferencia de otros equipos que operan a través de un proceso de difusión para conducir la muestra hasta la cámara de combustión.
Algunos equipos portátiles permiten reunir en un solo aparato los gases combustibles, oxígeno y gases tóxicos (monóxido de carbono, cloro, gas sulfhídrico, etc.).
 
Fotoionizador
Aplicación
Debido a su capacidad de detectar una gran cantidad de productos químicos, los instrumentos de análisis de vapores totales se usan para la caracterización y reconocimiento de las sustancias presentes en el área monitoreada.
Si bien los fotoionizadores no identifican cuáles son las sustancias químicas presentes en el lugar, indican cuáles son las áreas que presentan concentraciones más elevadas en relación con las demás, lo que permite conocer las áreas de trabajo con mayores niveles de concentración.
Si se conocen los contaminantes, estos instrumentos pueden ser útiles para evaluar el nivel de exposición. Los resultados obtenidos pueden ofrecer una concentración aproximada, la cual permitirá elegir el nivel de protección.
Principio de operación
Los fotoionizadores detectan concentraciones de gases y vapores a través del uso de una fuente de luz ultravioleta que ioniza el contaminante en el aire.
El proceso de fotoionización se puede representar con la siguiente ecuación química:
R + hv ? R+ + e- ? R
donde: R = una molécula orgánica o inorgánica
h v = representa un fotón de luz ultravioleta
R + = molécula de la sustancia ionizada.
Cuando un fotón de radiación ultravioleta alcanza un compuesto químico, este ioniza su molécula, siempre que la energía de radiación sea igual o mayor que el potencial de ionización de tal compuesto.
Al ser partículas cargadas, los iones se pueden recolectar en una placa cargada y producir corriente eléctrica. La corriente medida será directamente proporcional al número de moléculas ionizadas.
La molécula química (R) mencionada en la ecuación anterior, indica que la fotoionización es un proceso no destructor, es decir, la molécula es liberada del instrumento sin sufrir modificaciones en su estructura.
El fotoionizador se vale de una bomba para captar la muestra hacia el interior del instrumento. Una vez allí, los contaminantes están expuestos a una luz ultravioleta, lo que genera partículas cargadas negativamente (iones) que se recolectan y miden.
La siguiente figura representa un diagrama de la lámpara detectora de fotoionización y la unión de electrodos.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2 – Diagrama de la lámpara detectora de fotoionización
La energía necesaria para remover el electrón más externo de una molécula se denomina potencial de ionización (PI) y es específico para cada sustancia química.
La luz ultravioleta utilizada para ionizar las sustancias químicas es emitida por una lámpara de descarga gaseosa. Las lámparas contienen gas a baja presión que permiten el paso de corriente de alta intensidad.
Se produce una gran variedad de lámparas con diferentes energías de ionización y se modifica la composición de los gases contenidos en su interior. Por lo general, la energía de ionización de las lámparas está disponible en los valores de 8,4; 9,5; 10,0; 10,2; 10,6 y 11,7 eV (electrónVolt ).
El siguiente cuadro indica el potencial de ionización para algunas sustancias.
Sustancia química
Potencial de ionización
(eV)
Acetona
9,7
Agua
12,6
Amoníaco
10,1
Benceno
9,2
Cianuro de hidrógeno
13,9
Cloruro de hidrógeno
12,7
Cloro
11,5
Hexano
10,2
Metano
13,0
Monóxido de carbono
14,0
Oxígeno
12,1
Propeno
11,1
Sulfuro de hidrógeno
10,5
Tricloroetileno
9,45
Trietilamina
8,0
Fuente: Separata del curso "Air Monitoring for Hazardous Materials" de la EPA.
Interpretación de los resultados
En algunos casos, las concentraciones elevadas de ciertos productos presentan distorsiones en los resultados (valores bajos), debido a que ciertas concentraciones no son lineales. Como se puede observar en la siguiente figura, a partir de 900 ppm de benceno no se establece una respuesta lineal.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3 - Curva de calibración para el fotoionizador
La curva de calibración es lineal hasta el valor de 500 ppm en volumen. Para concentraciones mayores es preferible utilizar muestras diluidas, a fin de obtener una mejor precisión. Como los fotoionizadores se calibran para un determinado producto químico, la lectura del instrumento para otros productos diferentes del usado en la calibración se deberá corregir a través del uso de cuadros que presenten respuestas aproximadas, como lo indica el cuadro siguiente.
Respuesta relativa para sustancias químicas con el modelo HNU P1 101 con una lámpara de 10,2 eV calibrado para benceno
Sustancia química
Respuesta aproximada
Acetona
0,63
Amoníaco
0,03
Benceno
1,00
Cloruro de vinilo
0,50
Fosfina
0,20
Hexano
0,22
Isobutileno
0,55
m-Xileno
1,12
Fuente: Separata del curso "Air Monitoring For Hazardous Materials"
Para obtener la concentración real de la sustancia en estudio, se usa la siguiente relación:
Limitaciones y consideraciones
Se ionizarán gases con potencial de ionización menor o igual al de la lámpara usada. El potencial de ionización de los principales componentes del aire atmosférico (oxígeno, nitrógeno y gas carbónico) varía entre 12,0 eV a 15,6 eV, sin ser ionizados por las lámparas disponibles, ya que no son importantes durante el monitoreo de contaminantes gaseosos. De esta forma, la lámpara con mayor potencial de ionización normalmente usada es la de 11,7 eV.
La humedad puede causar algunos problemas. Cuando el instrumento todavía no está caliente y se lleva a una atmósfera caliente y húmeda, esa humedad puede condensarse en la lámpara y reducir la luz emitida. La humedad del aire también reduce la ionización de las sustancias que se van a monitorear y provocan una reducción en la medición.
El fotoionizador no responde a determinados hidrocarburos de bajo peso molecular como el metano y etano ni a ciertos gases y vapores tóxicos como el tetracloruro de carbono y gas cianhídrico que tampoco se pueden detectar debido a su alto potencial de ionización.
Algunos modelos de fotoionizadores no son intrínsecamente seguros y para utilizarlos en atmósferas potencialmente inflamables o combustibles, se requiere un indicador de gas combustible. Actualmente se dispone de modelos intrínsecamente seguros.
Las líneas de alta tensión, los transformadores de energía, además de la electricidad estática, pueden interferir durante las mediciones.
Si se usa una lámpara, la intensidad de la luz disminuirá. Esta tendrá la misma energía de ionización pero la respuesta será más lenta. Esto se podrá detectar durante la calibración y ajustes del instrumento.
Algunos equipos tienen conexiones para la interface con una computadora personal (PC) y un registrador de datos para almacenar lecturas de diversos puntos de muestreo de modo que se puedan transferir a una computadora.
Calibración
Los fotoionizadores se calibran para un producto químico específico. La respuesta del instrumento para otras sustancias químicas se podrá obtener del fabricante, quien proveerá cuadros y curvas de corrección.
 
Aplicación
Además de la indicación continua y monitoreo personal, este tipo de instrumentos fue creado para el control e higiene del trabajo, así como durante accidentes que implican la liberación de gases y vapores tóxicos.
Algunos modelos poseen una interface y un software apropiado que facilitan el almacenamiento de datos de largos periodos y la representación gráfica de los resultados en la computadora.
Los monitores más comunes se usan para detectar el monóxido de carbono y gas sulfhídrico, pero también se dispone de monitores para el cianuro de hidrógeno, amoníaco y cloro.
Estos equipos son de alta precisión durante el monitoreo, gracias a compensaciones controladas por un microprocesador interno. También disponen de una alarma sonora y visual que funciona con baterías. Las alarmas se activan cuando la concentración del gas monitoreado en la atmósfera excede el nivel preestablecido.
 
 
Principio de operación
Las moléculas de la muestra se absorben en una célula electroquímica que contiene una solución química y dos o más electrodos. La sustancia en análisis reacciona con la solución o los electrodos. La reacción que se produce en el interior de la célula puede generar una corriente eléctrica o un cambio en la conductividad de la solución.
Esas alteraciones serán directamente proporcionales a la concentración del gas. El cambio en la señal se expresa a través de un movimiento de la aguja o una respuesta digital en el medidor. La selectividad del sensor depende de la elección de la solución química y de los electrodos.
Interpretación de los resultados
Estos equipos ofrecen lecturas directas que se observan en medidores digitales o analógicos. Los resultados de las lecturas de estos instrumentos se expresan en partes por millón (ppm) o porcentaje en volumen (% en volumen).
Limitaciones y consideraciones
Al igual que los sensores de oxígeno, estos sensores electroquímicos se desgastan con el tiempo, principalmente cuando están expuestos a alta humedad y a temperaturas extremas. Actualmente, estos monitores específicos están limitados solo a algunos gases. Las células electroquímicas sufren algunas interferencias. Por ejemplo, los sensores de monóxido de carbono también responden al gas sulfhídrico.
Calibración
Antes de usar estos instrumentos, se deben hacer dos verificaciones: la verificación del cero y la calibración del span (valor de referencia).
Cabe resaltar que estas verificaciones se deben realizar en la misma altitud en la que se usará el instrumento. Si no se hiciera de esta manera, puede haber un error en la lectura.
También se debe recordar que los instrumentos se deben calibrar con los implementos de calibración proporcionados por los fabricantes.
 
Aplicación
Para medir la acidez o alcalinidad de una solución, se usa una escala denominada escala de pH. Esta escala posee valores comprendidos entre 0 y 14. Las soluciones ácidas presentan valores menores de 7, mientras que las soluciones alcalinas presentan valores superiores a 7. El valor pH igual a 7 indica un medio neutro.
Una solución es "ácida o básica" dependiendo de la presencia de iones H + u OH - .
Generalmente, el pH de las aguas naturales está comprendido entre 4,0 y 9,0, y son ligeramente alcalinas debido a la presencia de carbonatos y bicarbonatos. Los valores diferentes se pueden atribuir a la presencia de residuos industriales ácidos o alcalinos.
El pH se puede determinar colorimétricamente o electrométricamente. Si bien el método colorimétrico requiere menos equipo, está sujeto a muchas interferencias, por lo cual se presta solo para una estimación aproximada. El método electrométrico se considera un método estandarizado.
Principio de operación
El principio básico de la medición electrométrica de pH es la determinación de la actividad de los iones de hidrógeno mediante la verificación potenciométrica con un electrodo patrón de hidrógeno y un electrodo de referencia.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4 - Componentes del electrodo de vidrio
La membrana del electrodo de vidrio separa dos líquidos de diferentes concentraciones de iones H + ; en los lados de la membrana se desarrolla un potencial proporcional a la diferencia de pH entre los dos líquidos, que se mide en relación con un potencial de referencia (indicado por un electrodo de calomel saturado). El electrodo de vidrio y el electrodo de referencia pueden estar combinados en un solo electrodo. La figura 4 indica los componentes del electrodo de vidrio.
En la extremidad del tubo de vidrio hay una fina capa de vidrio especial, sensible a los iones H + . El tubo se llena con una solución de pH constante y se sumerge un conductor en la solución interna.
Si la actividad del ion hidrógeno es mayor o menor en la solución procesada que dentro del electrodo, existirá una d.d.p. (diferencial de potencial) mayor o menor en la extremidad del vidrio.
Interpretación de los resultados
Los resultados se expresan directamente en el aparato, con uno o dos decimales de forma analógica o digital.
Limitaciones y consideraciones
El método electrométrico está prácticamente libre de interferentes como color, turbiedad, material coloidal, cloro libre, oxidantes, reductores o alto contenido de gas. Los aceites y grasas pueden interferir y producir una respuesta lenta. La influencia de la temperatura de la muestra en el potencial del electrodo se compensa en el propio aparato. El "error alcalino", que es el error negativo de determinación de pH, aparece cuando la concentración de iones H + es muy pequeña en relación con las concentraciones de los demás cationes de la muestra, principalmente del catión sodio. Estos cationes se difunden a través de la membrana del electrodo, lo que dificulta la migración de los aniones. De esto resulta la acumulación de un potencial más elevado, lo que indica un pH más bajo. El error alcalino también se conoce como error del sodio. Este error, que produce un pH superior a 10, se puede corregir si se consulta el cuadro o curva proporcionada por el fabricante para ese tipo de electrodo o puede ser un electrodo llamado "de bajo error alcalino".
Calibración
La calibración del aparato consiste básicamente en sumergir los electrodos en una solución amortiguadora de pH 6,86 y colocar el compensador a la temperatura del amortiguador (generalmente a temperatura ambiente). Se debe agitar ligeramente el amortiguador, dejar de agitar, esperar la estabilización y luego colocar el puntero en pH 6,86, de ser el caso. Después se retiran los electrodos de la solución amortiguadora y se desecha la porción usada.
Se repite la operación con otra solución amortiguadora apropiada (pH 4, 01), para que el pH de la muestra que se va a analizar sea intermedia entre los pH de los amortiguadores.
Cuando se realizan las determinaciones de pH, se debe calibrar el aparato antes de cada medida. Se recomienda efectuar la calibración cada dos horas, cuando se realizan varias medidas continuamente.
Para el perfecto funcionamiento de los medidores de pH portátiles, es fundamental observar algunas recomendaciones:
  • verificar siempre si hay alguna grieta o problema mecánico en la parte inferior del tubo de vidrio (electrodo). Si existe algún problema, el electrodo no deberá ser reparado, sino cambiado inmediatamente.
  • observar si hay posibles burbujas de aire en la solución patrón de cloruro de potasio contenido en el interior del electrodo y eliminarlas con agitación en sentido vertical.
Para la limpieza de depósitos de contaminantes formados en las membranas, sumergir el electrodo por 20 segundos en ácido clorhídrico al 50% con agua destilada y dejar en reposo por 24 horas en solución 3,5 M (Molar) de cloruro de potasio.
La contaminación por aceites y grasas que se adhieren a la superficie del electrodo será removida con los solventes suministrados por el fabricante o con acetona.
Consideraciones finales
La concentración de gases y vapores en el aire, así como la presencia de contaminantes en cuerpos de agua o en el suelo, pueden afectar significativamente la composición de esos medios. La lectura directa a través de instrumentos, realizada en campo, puede proporcionar, en la mayoría de los casos, resultados que identificarán y cuantificarán las sustancias químicas para:
  • evaluar los riesgos a la salud pública y los equipos de atención;
  • seleccionar el equipo de protección personal adecuado;
  • delimitar áreas de protección;
  • determinar los efectos potenciales al ambiente;
  • identificar acciones para combatir los riesgos con seguridad y eficacia.
Los instrumentos de lectura se desarrollaron inicialmente para servir como dispositivos de alarma en instalaciones industriales donde se producen fugas o accidentes que liberan una alta concentración de una sustancia química conocida. Actualmente, esos instrumentos pueden detectar bajas concentraciones de algunos productos químicos específicos y proveer información durante el muestreo para permitir una toma de decisión rápida respecto a las acciones subsecuentes al accidente.
Sin embargo, cabe resaltar que los análisis realizados en el laboratorio proveen resultados más precisos que los del campo. Cuando se realiza un análisis en el laboratorio, es necesario realizar una recolección y preservación adecuadas para evitar cualquier alteración en las características originales de la muestra que podría generar un costo adicional.
Debido al gran número de sustancias químicas que están siempre presentes en las diversas situaciones que implican los accidentes ambientales, generalmente es necesario recolectar una sustancia química desconocida para analizarla en el laboratorio debido a las limitaciones relacionadas con los equipos de monitoreo o a la imposibilidad de identificar exactamente el producto implicado.
En la elección del equipo de monitoreo, se deben considerar algunos puntos, como:
  • la resistencia del material;
  • la facilidad de operación;
  • la posibilidad de ser transportados;
  • la seguridad intrínseca;
  • la capacidad de proporcionar resultados confiables.
Al igual que los equipos de monitoreo de lectura directa, existen en el mercado pruebas semicuantitativas de análisis rápido, utilizadas para el monitoreo de cuerpos hídricos, especialmente de parámetros físicos y químicos (cloro, cianuro, amoníaco, etc.), metales pesados y especies orgánicas. La gran ventaja de estas pruebas rápidas es la simplicidad en su ejecución, sin necesidad de capacitación específica para su uso, así como la eliminación de la recolección y envío de las muestras al laboratorio. Sin embargo, las condiciones de la muestra, es decir, la presencia de color y turbiedad, interfieren considerablemente en el análisis, ya que estas pruebas se basan en el desarrollo de una coloración al agregarse un reactivo específico a una porción de la muestra.
Cabe resaltar que, durante la atención de accidentes ambientales con productos peligrosos, se debe realizar un monitoreo constante para evaluar los posibles daños al ambiente y proporcionar la concentración de los contaminantes presentes, lo que permite que los grupos de atención puedan desempeñar sus actividades con seguridad.
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