1 DESCRIPCIÓN GENERAL

Transcripción

1 INFORMACIÓN TÉCNICA DEL ANALIZADOR DE CARBONO ORGÁNICO Y ELEMENTAL

2 1 DESCRIPCIÓN GENERAL El instrumento que se describe a continuación, esta diseñado de acuerdo a los requerimientos del método NIOSH 5040 y utilizado por USEPA En el estudio PM 2.5 y descrito en el artículo: Elemental Carbon-Based Method for Monitoring Occupational Exposure to Particulate Diesel Exhaust; M. E. Birch and R. A. Cary, Aerosol Science and Technology, 25: , October, PRINCIPIO DE MEDIDA El principio de medida consiste en la diferenciación del Carbón Elemental del Carbón Orgánico y análisis de ambas fracciones en partículas atmosféricas captadas en filtros de fibra de cuarzo y la detección del metano producido por ambas fracciones. El equipo se basa en el calentamiento en un ambiente de Helio en Nitrógeno en varias etapas para descomponer los carbonatos inorgánicos y oxidar los compuestos orgánicos a CO2. Posteriormente el CO2 Pág. 2

3 generado se convierte a Metano mediante un Metanizador, el cual se mide por medio de un Detector de Ionización de Llama. El método semi-automático Termo/Óptico esta desarrollado por Sunset Laboratory. Este instrumento es la alternativa al proceso analítico de laboratorio de diferenciación cuantificación del Carbón Orgánico y Elemental de una muestra recogida en campo sobre filtros de fibra de cuarzo. 2.2 TEORIA DE OPERACIÓN El instrumento de Sunset Laboratory para el análisis Termo/óptico para la determinación de OC/CE (Carbón Orgánico / Carbón Elemental) sobre las partículas recogidas en filtros de fibra de cuarzo, es un método reconocido NIOSH. El análisis se realiza mediante un filtro de fibra de cuarzo troquelado a tamaño normalizado, en el cual previamente se ha recogido una muestra, colocando dicho filtro en la cámara de cuarzo. Una vez situado en la cámara, se purga con helio, aumentando gradualmente y por pasos la temperatura de la cámara hasta alcanzar los 870ºC El carbón desprendido se pasa a través de un catalizador, el cual convierte el carbón desprendido a CO 2 reabsorbiendo térmicamente los componentes orgánicos y los productos de la pirolisis dentro de una cámara de oxidación de dióxido de manganeso (MnO 2 ). Pág. 3

4 Los fragmentos de carbón desprendido fluyen a través de la cámara con MnO 2 y cuantitativamente son convertidos a gas CO 2. El CO 2 es barrido de la cámara de oxidación por una corriente de Helio, mezclada con Nitrógeno. Esta mezcla fluye a través de un catalizador de níquel calentado, donde se convierte cuantitaviamente a metano. El Metano se mide posteriormente utilizando un detector de Ionización de Llama (FID). Una vez completada la rampa inicial de subida de temperatura de la cámara de medida, se enfría a 600ºC y el flujo de gas de arrastre se cambia por una mezcla de Helio/Oxigeno. Entonces, se inicia una segunda rampa de temperatura para la oxidación del Carbón Elemental. Tres componentes característicos de este método son importantes a la hora de la valoración del análisis. El primero de estos es la detección óptica y corrección para el carbón elemental. El carbón elemental esta presente en muchas de las muestras de fuentes de combustión, tales como la combustión Pág. 4

5 diesel. Esta materia negra es un fuerte absorbente de luz, particularmente en la región roja o infrarroja del espectro de luz. A parte de este carbón elemental en la muestra, puede también formarse otro carbón elemental a partir de algún carbón orgánico tostado, tal y como se produce en la pirolisis durante la rampa inicial de temperatura. Este puede empezar a producirse por debajo de los 300ºC, dependiendo de los componentes orgánicos. Una pequeña cantidad de este carbón orgánico tostado, puede traducirse en una medida alta de carbón elemental si no se corrige. El método Termo/Óptico de Sunset Laboratory utiliza la característica de la alta absorción de luz del carbón elemental para corregir el carbón orgánico tostado producido durante la pirolisis. Esto se realiza mediante la incorporación de un Láser de luz roja de He_Ne o un diodo láser tuneado enfocado a la cámara, cuyo haz pasa a través del filtro colocado en dicha cámara. La transmitancia del haz del láser modulado queda registrada. De igual forma que se registra el proceso de la rampa de incremento de temperatura, se registra en continuo la transmitancia del láser mediante el sistema de adquisición de datos del instrumento. Cualquier carbón tostado proveniente del carbón orgánico se manifiesta en un descenso de la trasmitancia del láser. Después de la rampa inicial de temperatura, cuando el Helio se cambia por la mezcla de He/O 2, todo el carbón elemental se oxida y la transmitancia del láser vuelve a los niveles base. Cualquier Carbón elemental detectado antes del punto se dice que ha sido formado piroliticamente por el carbón orgánico tostado. Este carbón es substraído del valor del área de carbón elemental durante la fase de oxidación en el análisis y se asigna al carbón orgánico. Pág. 5

6 Esto se justifica debido a que la partícula de carbón elemental en si misma y la partícula de carbón elemental formada piroliticamente tienen el mismo coeficiente de absorción. El segundo componente del análisis es la utilización de un FID como detector para la medida. Como anteriormente hemos indicado, el carbón es cuantitativamente convertido a CO 2 en la cámara de oxidación. Completada las etapas de calentamiento del Oxígeno_libre, la cámara se enfría y purga con Helio puro, obteniéndose una mezcla del 2% de Oxigeno en Helio. La cámara de muestra se calienta en diferentes pasos hasta los 900 ºC, según indica la figura 2. Durante esta fase, el Carbón elemental original y el producido en la pirolisis durante la primera etapa de calentamiento es quemado en presencia de Oxigeno para forma dióxido de carbono. El dióxido de carbono entonces se convierte a metano y es detectado por el FID. Después de que todo el carbón de la muestra ha sido oxidado, un volumen y concentración de metano conocido se inyecta en la cámara de muestra como Patrón. De ese modo, cada muestra es referenciada al Patrón de metano En teoría, la detección y medida directamente de CO 2 podría realizarse utilizando un detector genérico, pero utilizaremos un detector específico para hidrocarburos (FID) porque tiene una mejor sensibilidad (pg/s) con un amplio rango lineal. El tercer componente del sistema de medida consiste en la incorporación de un bucle de volumen fijo, utilizado para inyectar un Patrón de metano al final de cada análisis. Este Patrón se incorpora en cada uno de los paquetes de datos y se utiliza en todo momento para el cálculo de los resultados del análisis. Cada análisis tiene relacionado una inyección de Patrón, por lo que cualquier pequeña variación en el instrumento es controlada, dando como resultado un sistema muy estable y un método analítico de excelente repetibilidad. Pág. 6

7 Figura 2. Termograma para el contenido de Carbón Orgánico (OC), carbonato (CC), y carbón elemental (EC) en el filtro de muestra. PC es el carbón generado piroliticamente TOSTADO. El pico final corresponde a la calibración con Metano. FUENTES DE CARBÓN: Pulpa de remolacha pulverizada, polvo de roca (carbonato) y partículas diesel. 2.3 Pre-Oxidación del EC La muestra aerosol sobre el filtro puede posiblemente contener óxidos inorgánicos, tales como Oxido de Hierro, que pueden ocasionar la oxidación del carbono elemental antes introducir la mezcla de He/O 2. Esto es más probable cuando captan partículas totales o PM 10, pero puede ocurrir ocasionalmente en PM 2,5 Para realizar una correcta división, el programa de cálculo OCEC comienza a buscar los puntos de transmisión antes de que el oxígeno entre en la cámara de muestra, esto permite que la división sea la apropiada en estos casos. Pág. 7

8 2 ESPECIFICACIONES 2.1 Características Técnicas Mínimo cuantificable para el Carbono Orgánico Total: Mínimo Cuantificable para el Carbono elemental: Máxima contribución del instrumento al blanco: 0,3gC 0,3gC 0,1gC (Típico <0,01 0,15 gc) Precisión Típica entre duplicados de muestras: Inferior a 5%. Exactitud absoluta después de calibración: < 3%. Láser con corrección de temperatura de: 6 mw 2.2 Método de medida (configurable por el usuario) a. NIOSH b. Método EPA STN c. IMPROVE, Perfil Térmico: (configurado para reflectancia sobre requerimientos; Consultar con SUNSET Lab). d. Perfiles definidos por el usuario. 2.3 Informe de Datos Los datos se guardan en archivo de Texto delimitados por comas. 1. Resultados Analíticos Básicos a. CARBON ORGÁNICO g/cm 2. b. CARBON ELEMENTAL g/cm 2. c. CARBONATO INORGÁNICO: g/cm 2. Pág. 8

9 2. Parámetros Adicionales a. Picos individuales en g/cm 2. b. Todas las constantes de calibración c. Constantes de corrección de Láser. d. Tamaño de poro del filtro. e. Carbono elemental Óptico en g/cm 2 basado en la absorbancia óptica. 2.4 Calibración. a. Mediante patrón de gas externo. Un volumen de gas constante se inyecta en el instrumento al final de cada análisis. Todos los resultados obtenidos son referenciados con respecto a esta calibración. b. Calibración Primaria es referenciada a soluciones de sacarosa o Gases patrones fáciles de encontrar. 2.5 Corrección Láser Transmisión y reflectancia utilizando un diodo láser de 6mW con temperatura estabilizada. 2.6 Detección por Ionización de llama (FID). EL FID es un Detector especifico para Hidrocarburos que tiene muy buena sensibilidad (rango de pg/sec) con una amplia linealidad en toda respuesta. Pág. 9

10 3 SISTEMA DE ADQUISICIÓN Y ALMACENAMIENTO DE DATOS El sistema de adquisición y almacenamiento de datos del instrumento, consiste en un ordenador PC con microprocesador Pentium IV incluyendo todos aquellos elementos necesarios para realizar los cálculos y funciones necesarios para el instrumento analítico. El software para la operación del instrumento y cálculos resultantes, están diseñados para correr sobre un entorno Windows (Win95/98/NT, Win2000 o WindowsXP). Todos los datos adquiridos y calculados son en formato de Texto, los cuales pueden ser utilizados por cualquier Sistema Operativo y leídos por una gran cantidad de programas de procesamiento de texto. 1. Aplicación de operación del instrumento.- Controla la operación y la adquisición de datos no depurados durante el análisis de la muestra. Guarda estos datos para su posterior tratamiento y calculo. 2. Aplicación de cálculo.- Utiliza los datos no depurados generados por el instrumento y calcula el Carbón Orgánico y Elemental, crea una hoja de cálculo con los datos de los resultados obtenidos y opciones de impresión de informes individuales de los análisis. También nos permite la integración manual de picos de carbonato. 4 ELEMENTOS A SUMINISTRAR POR EL CLIENTE: Para el correcto funcionamiento del instrumento son necesarios los siguientes gases de Operación: Helio (99,999 %) Hidrogeno (99,997%) Helio/10% Oxigeno Pág. 10

11 Helio/5% Metano. Aire (grado 0.1 o equivalente) Manorreductores para los diferentes cilindros de gases de dos etapas de membrana de acero Inoxidable. Presión de salida de 0 a 30 psi Conexiones neumáticas de 1/8 Dependiendo del tipo de instalación y/o cilindros, podrías ser necesaria la instalación de una trampa de Oxigeno en la línea de Helio Ordenador Personal Impresora Color para salida de datos e informes. 5 CONDICIONES DE INSTALACIÓN Y ALIMENTACIÓN Para la correcta conexión del instrumento, es necesaria una línea dedicada de al menos 15 Amp. a 230 VAC 50/Hz. Para la instalación de todos los módulos es necesario un espacio mínimo de un banco de 1 metro de longitud, aunque pueden colocarse uno encima del otro. Será necesario un espacio adicional para la instalación del PC, del monitor y de la impresora. Las condiciones ambientales necesarias para una correcta operación son las siguientes: Temperatura de operación: 18ºC 22ºC Humedad Relativa: 35% - 50%. Pág. 11

12 6 INFORME DE RESULTADOS FINAL Pág. 12

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