3.1.1 La detección catalítica
Una reacción de combustión del tipo:
(1) CnH2n+2 + (3n+1) O2 ® n CO2 + (n+1) H2O + Q
2
precisa:
· un combustible: el vapor o el gas que se desea medir;
· un comburente: normalmente el oxígeno del aire;
· una energía de activación: normalmente más débil que la temperatura de la reacción, conseguida por la utilización de catalizadores apropiados (generalmente mezclas de metales nobles como platino o paladio)
· los productos de la combustión: normalmente CO2 y H2O en forma de vapor.
ATENCIÓN:
En ciertos casos la reacción de combustión desprende productos corrosivos (HCl,
Cl2).
Caso: de la combustión de compuestos halogenados o de metales (por ejemplo plomo);
de elementos organo-metálicos (ejemplo: tetraetilo de plomo susceptible de corroer el sensor o de envenenar los poros catalíticos).
La reacción libera energía (calor de combustión Q).
La energía de activación, el calor de combustión y la cantidad de oxígeno necesario son características del combustible
Ejemplo:
CH4 + 2 O2
® 2 H2O
+ CO2 +
Q
Vemos que son necesarias dos moléculas de oxígeno para oxidar una molécula de metano.
Sabiendo que el aire contiene 21% de oxígeno, se puede deducir el volumen máximo de metano que se puede oxidar en el aire. Este máximo se llama valor estequiométrico, que es del 10,5 % para el metano. En este caso, la reacción es la más exotérmica.
La oxidación de los gases inflamables se puede facilitar con catalizadores. Entre estos materiales podemos citar el platino (Pt), el níquel (Ni), el paladio (Pd). Se pueden obtener excelentes catalizadores con productos porosos cargados con partículas de estos metales. Este es el caso de la alúmina cargada de paladio corrientemente utilizados en los detectores “pellistors”.
La detección catalítica con “Pellistors”
Principio:
La detección se realiza mediante un filamento detector, normalmente abreviado S (sensible) y un filamento compensador normalmente abreviado R (referencia). Ambos montados en un soporte y fijados en el interior de un cabezal en general de construcción antideflagrante.
El filamento detector está
constituido por un hilo de platino montado en espiral y recubierto con sulfato
de alúmina formando una diminuta perla cerámica porosa impregnada a continuación
con diferentes capas de catalizadores. La alúmina tiene como finalidad
aumentar la superficie de catalización (figura 6).
En el elemento compensador, la alúmina está tratada para evitar cualquier oxidación catalítica. Este filamento compensa las variaciones que pudieran existir por cambios de temperatura, presión y humedad ambiente.
Estos dos elementos se montan en un puente de Wheatstone (figura 7).
Recordemos que la resistencia de un conductor depende de su longitud ( L ), de su sección ( S ), de la resistividad del material ( r ) y también de su temperatura ( T ):
R = R0 (1 + KT)
donde R0 = r
L
S
La temperatura de un conductor es mayor cuanto mayores son la intensidad y la resistencia.
T
= f(RI2)
Los dos filamentos detector y compensador se alimentan normalmente a corriente constante para mantener la temperatura de catalización. A esta temperatura todo gas presente en la atmósfera se oxida en contacto con el catalizador.
También es posible que los filamentos sean alimentados a tensión constante en lugar de corriente constante. Es más raro que la detección se haga a resistencia constante.
El calor producido en la oxidación o combustión catalítica aumenta la temperatura del filamento de platino, provocando un aumento de su resistencia. Dicho aumento desequilibra la señal de salida del puente de Wheatstone cuya indicación es proporcional a la concentración de gas.
Con este principio pueden ser detectados todos los vapores y gases inflamables, estando desaconsejado su uso con sustancias contaminantes como siliconas, compuestos de azufre, tetraetilo de plomo y compuestos halogenados, que en unos casos (siliconas y compuestos de azufre) al obstruir los poros del soporte de alúmina impiden el acceso al filamento catalizador y por lo tanto no se produce la combustión catalítica. En otros casos los compuestos halogenados, al descomponerse en la combustión, desprenden productos corrosivos que deterioran rápidamente el filamento.
Para solventar este problema se emplea recientemente un filamento de platino o paladio desnudo de menor diámetro que el anterior (sin el soporte de alúmina) en lugar del filamento sensible y una resistencia fija en lugar del filamento de compensación del puente de Wheatstone. El puente se alimenta a intervalos periódicos (en lugar de hacerlo de forma constante como en el caso precedente) y a un voltaje superior de forma que el filamento trabaja a intervalos a mayor temperatura. Con este sistema se consigue evaporar los contaminantes de azufre o siliconas que se hayan podido depositar en la superficie del filamento, manteniendo de esta forma su sensibilidad. La vida del filamento, sin embargo, queda reducida prácticamente a la mitad debido a las mayores temperaturas de trabajo.
