3.1.6
Fotoionización
(P.I.D.)
La detección de gases por
fotoionización (Photo Ionization Detection) se utiliza para detección y medición
de bajas concentraciones de sustancias químicas ionizables tales como
Compuestos Orgánicos Volátiles (V.O.C.s) y otros gases tóxicos.
Un Photo Ionization Detector (PID) utiliza una fuente Ultravioleta (UV) ("Photo")
para "Ionizar" una muestra
o corriente de gas y "Detectar"
su concentración. La ionización ocurre cuando las moléculas de gas al pasar
delante de la lámpara absorben la alta energía de la luz UV, que excitan las
moléculas y se forman electrones con carga negativa y iones con carga positiva.
Estas partículas cargadas eléctricamente producen una corriente que se puede
medir fácilmente. Los iones se recombinan al descargarse en los electrodos para
volver a forma la molécula original. Por ello, este es un sistema no
destructivo y las muestras pueden guardarse para hacer otros análisis.
Todos los elementos
y sustancias químicas pueden ionizarse, pero difieren de la cantidad de energía
que precisan. La energía necesaria para separar un electrón y ionizar un
compuesto es su Potencial de Ionización
(P.I.), medido en electrón volts (eV).
Los Potenciales de Ionización están descritos en el apéndice 2.
La energía de luz
emitida por una lámpara UV se mide también en eV. Si el P.I. de una muestra de gas es menor que la emisión eV de la lámpara,
entonces la muestra se ionizará. El Benceno tiene un P.I. de 9,24 eV y
puede verse con una lámpara de 10,6 eV. El Ácido Acético tiene un P.I.
de10,66 eV puede verse solamente con una lámpara de 11,7 eV. El monóxido de
carbono tiene un P.I. de 14,01 eV y no puede ser ionizado con una lámpara P.I.D.
Compuestos
que se pueden detectar y medir:
Orgánicos:
Aromáticos: - BTEX: benceno, etil benceno, tolueno, xileno...
Ketonas y Aldehídos: - Compuestos con
enlace C=O : MEK, Acetaldehido...
Hidrocarburos clorados: - Tricloroetileno
(TCE) ...
Compuestos de azufre: - Mercaptanos ...
Aminas y Amidas: - Hidrocarburos
conteniendo nitrógeno: Dietil amina, DMF ...
Hidrocarburos no saturados: - Compuestos
C = C y
C º
C : Butadieno ...
Hidrocarburos saturados (alifáticos): -
Butano, Hexano ...
Alcoholes: - Etanol, Isopropanol ...
Inorgánicos:
Amoníaco, cloro ...
Gases para semiconductores:
Arsina ...
Un detector PID no puede
medir:
Radiación,
Aire
(N2, O2, CO2, H2O) ...
Gases
tóxicos comunes: (CO, HCN, SO2 ...)
Gas
Natural
Gases
Ácidos
Factores de Corrección
·
Son coeficientes que nos indican la sensibilidad de un detector PID
respecto a un gas determinado.
·
Permite calibrar el detector con un gas y ver directamente la concentración
de otro gas eliminando la necesidad de múltiples gases de calibración.
A.-
Los Factores de Corrección (FC) miden la sensibilidad, tal como se ha
mencionado. Cuanto menor sea el Factor de Corrección (FC)
mayor será la sensibilidad del PID a este gas. En general los compuestos aromáticos
se ionizan más eficientemente que
los hidrocarburos saturados tales como los alifáticos. Las ketonas se ionizan más
eficientemente que los aldehídos y éstos mejor que los alcoholes. En la tabla
inferior, el Benceno tiene un FC de 0,53. El PID es 18 veces más sensible al
Benceno que al Etileno que tiene un FC de 9,9. En general es aceptable utilizar
un PIDs para detectar gases con FC
de hasta 10.
B.- Los FC son
factores escalados utilizados para ajustar la sensibilidad de un PID para medir
directamente un gas en particular comparándolo con el gas de calibración. Por
ejemplo un PID es unas dos veces más sensible al Benceno (FC=0,53) si está
calibrado para Isobutileno (FC=1,00). Por ello si estamos midiendo 1 ppm de
Benceno después de haber calibrado con Isobutileno, tenemos dos opciones:
·
Leeremos aproximadamente 2 ppm en el display del PID. Si multiplicamos
esta lectura por 0,53 tendremos la lectura correcta del Benceno.
·
Podemos aplicar el FC de 0,53 durante la calibración con lo que el
display mostrará directamente la concentración de Benceno.
C.-
Medida de mezclas de gases.
Un
PID no puede separar los gases ni identificar los distintos componentes químicos
de una mezcla. Los Factores de Corrección no hacen que el PID sea más específico
a un determinado gas. Los FC ajustan la sensibilidad del detector para medir con
precisión la concentración correcta de un gas en particular.
D.-
¿Porqué se calibra con Isobutileno?
El
Isobutileno se utiliza para calibrar los PIDs porque su respuesta está en el
punto medio de la sensibilidad de los PIDs. Es además relativamente fácil de
obtener y no es tóxico ni inflamable a la concentración utilizada para
calibración. Aunque los PIDs se suelen calibrar con Isobutileno, también
pueden ser calibrados con un gas ionizable. Por ejemplo si un PID se utiliza
para medir solamente Cloruro de Vinilo, el PID se puede calibrar directamente
con una concentración conocida de Cloruro de Vinilo.
E.-
¿Cómo determinar si un gas determinado puede ser medido con un PID?
1.-
Su Potencial de Ionización (P.I.) ¿es menor que la energía eV de la lámpara?
·
Sí:
Pasar al punto 2.
·
No:
En tal caso el PID no puede medir el gas.
·
No se sabe: Contactar con
Sensotran.
2.- Su Factor de
Corrección FC, es inferior a 10?
·
Sí:
el PID es un método apropiado para medir este gas.
·
No: el
PID no es sistema preciso de medida del gas en cuestión, pero puede ser un buen
medio para detectar fugas.
·
No se sabe: Contactar con
Sensotran.
Lámparas PID
Diferentes valores de lámpara disponibles:
Existen tres lámparas de distinto valor energético: 9,6 eV, 10,6 eV y
11,7 eV. La lámpara de 11,7 eV produce la mayor energía de fotones y es capaz
de ionizar más compuestos químicos. Aunque aparentemente es la mejor lámpara,
su vida es más limitada.
Todas las lámparas de 11,7 eV tienen una ventana fabricada con Fluoruro
de Litio para transmitir mayor energía de luz UV. El Fluoruro de Litio es
higroscópico y absorbe humedad del aire incluso cuando no se usa lo cual
produce una disminución de la cantidad de luz emitida a través de la ventana.
Asimismo el Fluoruro de Litio se degrada por la luz UV emitida. Cuanto más
tiempo se usa mayor es el deterioro de la lámpara.
Estos factores contribuyen a reducir la vida de la lámpara de 11,7 eV.
Si las lámparas de 10,6 eV tienen una duración de 12 a 24 meses, las de 11,7
eV suelen durar de 2 a 3 meses solamente. Por este motivo las lámparas de 11,7
eV se deben utilizar únicamente para detectar compuestos con un Potencial de
Ionización superior a 10,6 eV (por ejemplo Cloruro de Metileno, Cloroformo,
Formaldehído, etc.)
El cambio de lámpara es fácil y
económico: nuestros sistemas de lámparas son los más económicos y
simples de manipular del mercado. Las lámparas de nuestros competidores son más
caras y algunos requieren además kits de conversión. Las nuestras solamente
precisan colocarlas en el instrumento, recalibrarlo y ya está listo para medir.
Lámparas de descarga UV
utilizadas por la mayoría de fabricantes:
Se
genera una corriente de alta tensión en una mezcla de gas a través de dos
electrodos. Los electrodos excitan directamente la mezcla de gas y se produce
luz.
Las lámparas
de descarga de electrodos son de un alto
consumo comparadas con las lámparas de descarga sin electrodos. Los
detectores de fotoionización portátiles que utilizan lámparas de descarga de
electrodos precisan pesadas baterías de alimentación que dificultan su manejo
y transporte.
Las
lámparas de descarga de electrodos se
contaminan por la erosión de los
electrodos que se depositan en las paredes de la lámpara y reducen su emisión.
Podemos observar este efecto en los extremos de los tubos fluorescentes se
oscurecen al envejecer. Aunque una disminución del 10% en la emisión de luz UV
no es detectable por el ojo humano, ello puede afectar seriamente la lectura del
instrumento precisando cada vez mayor frecuencia en la calibración y reduciendo
la vida de la lámpara.
Las
uniones metal / lámpara suelen
fallar. Cuantas veces al roscar una bombilla en el portalámparas se nos ha roto
por su base. Este es un buen ejemplo para ilustrar sobre los frecuentes fallos
en las uniones metal/cristal de las lámparas UV clásicas. Es difícil unir
metal y cristal y el interface entre estos elementos es siempre un punto débil
de potenciales fallos.
Otro
problema son las radiaciones de alta
frecuencia. A menudo podemos oír un zumbido en los aparatos de radio portátiles
cuando están situados próximos a luces fluorescentes. Las lámparas de
descarga de electrodos sufren el mismo problema de radiaciones de alta
frecuencia.
Ventajas
de nuestras nuevas lámparas sin electrodos:
La lámpara
de RAE se coloca dentro del campo RF que excita indirectamente el gas dentro de
la lámpara y la enciende. Esto es parecido a como se usa un horno de microondas
para cocer los alimentos. La lámpara y el alimento se excitan para radiar luz
en la lámpara y calor en el alimento por medio de un campo externo.
Estas
lámparas de descarga sin electrodos tienen un consumo de energía extremadamente bajo lo cual es un factor
esencial para disminuir el tamaño y el peso de los detectores de fotoionización
(PID).
Al
eliminar las uniones metal/cristal, las lámparas sin electrodos son muy robustas.
Esto se ha conseguido totalmente en la lámpara de 10,6 eV. El cristal de
fluoruro de magnesio está soldado con láser al cristal de la lámpara.
Nuestras
lámparas son excitadas por un campo eléctrico de baja frecuencia. Comparadas
con las lámparas de electrodos
este método elimina virtualmente las Interferencias de Radio Frecuencia. Otros
PIDs utilizan un campo electromagnético para energizar sus lámparas de electrodos resultando altas Interferencias
de Radio 4Frecuencia y Electro Magnéticas (RFI y EMI).
Ventajas
del sensor de RAE:
A.- Respuesta rápida
El sensor situado directamente delante de la lámpara minimiza el volumen
de la cámara de muestreo y con el sellado de la junta tórica minimiza casi una
respuesta instantánea en el MiniRAE. Esta respuesta extremadamente rápida
permite una detección de fugas más precisa e inmediata. Para demostrar esta
particularidad del MiniRAE, tomar un rotulador o un marcador de pizarra y trazar
una línea sobre una hoja de papel. El MiniRAE localizará fácilmente esta línea
en pocos segundos.
B. Respuesta rápida
Debido a que la muestra del gas pasa por delante de la ventana de la lámpara
en lugar de circundarla toda ella, la parte superior de la lámpara puede ser
sellada con una junta tórica. Esto ayuda a disminuir los tiempos de respuesta y
de recuperación del cero del instrumento ya que evita de que se acumulen gases
alrededor de la lámpara. Esta disminución
del tiempo de recuperación implica que cuando se toman muestras de
diferentes espacios cerrados, el ciclo total será más corto que el de otros
detectores, por lo que se podrán realizar más análisis en el mismo periodo de
tiempo.
C.
Baja interferencia con la humedad.
Situando
el sensor frente a la ventana de la lámpara maximiza la exposición de la
corriente laminar del gas a la luz UV. Esto reduce drásticamente la
interferencia de la humedad y de otros gases no ionizables en el detector PID.
Las moléculas de humedad absorben la luz UV de forma similar al efecto que
produce la niebla en los faros delanteros de su automóvil por lo que se debe
conducir más lentamente ya que solo puede ver los objetos cercanos iluminados
por los faros del auto.
Al
colocar el sensor y la muestra de gas cerca de la fuente de luz UV, el detector
RAE permite que la luz UV alcance las moléculas de gas antes que las de humedad
puedan absorber o difundir la radiación UV. Esta respuesta tan rápida en el
MiniRAE permite al usuario añadir externamente una membrana de Gore Tex (trampa
de agua) para prevenir condensación en la entrada del MiniRAE. Este filtro
externo es adicional al filtro hidrofobico interno en el detector y se
recomienda en espacios o muestras con humedad alta o cuando se utilice la lámpara
de 11,7 eV. En cualquier caso, con esta membrana adicional, el tiempo de
respuesta del detector es de sólo 5 segundos.
El
detector de RAE no elimina el efecto de la humedad pero en comparación con
otros detectores PID este efecto queda drásticamente minimizado. Este método
de eliminar la humedad en lugar de compensar con un circuito electrónico tiene
mayores ventajas ya que compensando electrónicamente se actúa sobre el
amplificador con lo que se pueden tener falsas alarmas y requiere calibrar con
mayor frecuencia el monitor.
C.
Menor limpieza de la lámpara.
El
caudal laminar de la muestra de gas en los detectores de RAE que pasa frente a
la ventana en lugar de pasar alrededor de la lámpara como en la mayoría de
otros PIDs resulta que se ensucie
mucho
menos la lámpara ya que los vapores de disolventes no se acumulan sino que
pasan por la cara delantera de la lámpara.
Fuente de información: Sensotran,
s.l.
