2.3 Espectroscopia Óptica de Absorción Diferencial (DOAS)

Transcripción

1 Reporte Final Resumen. No se ha desarrollado un sistema con las características que éste presenta, sin embargo, es posible establecer antecedentes sobre trabajos relativos a cada uno de los bloques del sistema, los cuales se presentan a continuación Introducción. Sistema a implementar Se construirá un sistema para la medición remota de contaminantes, empleado la técnica DOAS, este sistema tendrá un software de calidad, capaz de interpretar la información para saber la cantidad de contaminantes en la atmósfera. Una de las razones principales para implementarlo, es que se trata de un sistema innovador y con una técnica nueva ya que no se encuentra actualmente algún producto parecido, además de ser no invasivo 1 y relativamente barato. Esta técnica se basa en la medición del espectro de absorción ultravioleta (UV) de las especies químicas tales como: CO, SO 2, O3, NO 2, HN0 2, HCHO, CH 3 CHO, benceno, tolueno, p-, m-xileno, utilizando la radiación solar como fuente de luz. Los contaminantes están colocados de acuerdo a su existencia en la atmósfera. El sistema constará de un telescopio, fibra óptica, un analizador espectral (espectrómetro), una Laptop, el software de procesamiento de la información. 2.3 Espectroscopia Óptica de Absorción Diferencial (DOAS) Antes de conocer que es la espectroscopia óptica de absorción diferencial empezaremos por conocer que significa cada uno de sus términos Espectroscopia La espectroscopia es una técnica analítica experimental, muy usada en química y en física. Se basa en detectar la absorción de radiación electromagnética de ciertas energías, y relacionar estas energías con los niveles de energía implicados en la transición cuántica. De esta forma, se pueden hacer análisis cuantitativos o cualitativos de una enorme variedad de sustancias. 1 Significa que la luz utilizada no modifica las propiedades de los componentes contaminantes del aire

2 Métodos de medición Espectroscopia Óptica de Absorción Diferencial La Espectroscopia Óptica de Absorción diferencial (DOAS) es una técnica óptica para medir la concentración de la especie atmosférica del gas del rastro. Estudiamos el procedimiento de la evaluación y discuta las dificultades implicadas con estimar concentraciones con este método. En este método nos hemos concentrado en el procedimiento de filtración para obtener espectros diferenciados, es decir la pieza de la intensidad de luz recibida que explica la absorción ligera rápidamente que varía. DOAS también es una técnica para medir contaminantes en forma remota pasiva, aunque no puntual, en ella se usa una fuente luminosa de banda ancha (luz solar) en conjunto con un medidor espectral de alta resolución sintonizado a intervalos de absorción de un ancho de banda del contaminante a ser medido. La idea principal de la técnica DOAS, es la de separar la sección transversal de absorción del contaminante σ en dos partes, una que varía lentamente con la longitud de onda σ 1 y otra que lo hace rápidamente σ 0. Ésta última puede relacionarse con líneas o bandas de absorción. Si se hace lo mismo con el espectro de absorción de la atmósfera, las bandas angostas de absorción pueden usarse para calcular la concentración del contaminante. La técnica DOAS está basada únicamente en el fenómeno de absorción molecular de los rangos ultravioleta y visible, para determinar la concentración de gas. Un instrumento típico de DOAS consiste en una fuente de luz continua y una disposición óptica para enviar y para recibir la luz a través de la atmósfera. También es posible utilizar el sol o la luz dispersada del sol como fuente de luz. La longitud típica de la trayectoria ligera en la atmósfera se extiende de vario cientos metros a muchos kilómetros. 2.4 Ley de Beer En la atmósfera la luz de la lámpara (I 0 ), experimenta procesos de la extinción por las moléculas del aire (σ Ray (λ )) y los aerosoles (σ Mie (λ )), turbulencia (T(λ )), y absorción por muchos gases del rastro con las concentraciones C i y las secciones transversales de la absorción σ i (λ ). La trayectoria de la intensidad de luz de la longitud L se puede describir por medio de la siguiente ecuación: I o (λ) = Intensidad luminosa emitida por la fuente de luz a la longitud de onda I(λ) = Intensidad de radiación después de recorrer una distancia L a la longitud de onda λ C i = Concentración del contaminante i

3 ε R (λ)= Coeficiente de extinción debido a la dispersión de Rayleigh a la longitud de onda λ ε M (λ)= Coeficiente de extinción debido a la dispersión de Mie a la longitud de onda λ 2.5 El Aire De acuerdo con la altitud, composición, temperatura y otras características, la atmósfera que rodea a la Tierra y comprende las siguientes capas o regiones: Troposfera: Alcanza una altura media de 12 km. (es de 7km. En los polos y de 16km. En los trópicos) y en ella encontramos, junto con el aire, polvo, humo y vapor de agua, entre otros componentes. Estratosfera : Zona bastante mente fría que se extiende de los 12 a los 50km de altura; en su capa superior (entre los 20 y los 50km) contiene gran cantidad de ozono (O 3 ), el cual es de enorme importancia para la vida en la tierra por que absorbe la mayor parte de los rayos ultravioleta del sol. Mesosfera: Zona que se sitúa entre los 50 y los 100km de altitud; su temperatura media es de 10 C; en ella los meteoritos adquieren altas temperaturas y en su gran mayoría se volatilizan y consumen. Ionosfera: Empieza después de los 100km. Y va desapareciendo gradualmente hasta los 500km de altura. En esta región, constituida por oxígeno (0 2 ), la temperatura aumenta hasta los 1000 C; los rayos X y ultravioleta del Sol ionizan el aire enrarecido, produciendo átomos y moléculas cargados eléctricamente (que reciben el nombre de iones) y electrones libres. Exosfera: Comienza a 500km. de altura y extiende más allá de los 1000km; está formada por una capa de helio y otra de hidrogeno. Después de esa capa se halla una enorme banda de radiaciones (conocida como magnetosfera) que se extiende hasta unos 55000km de altura, aunque no constituye propiamente un estrato atmosférico. El aire limpio y puro forma una capa de aproximadamente millones de toneladas que rodea la Tierra, de las su composición es la siguiente: Componente Concentración aproximada 1. Nitrógeno (N) 78.03% en volumen 2. Oxígeno (O) 20.99% en volumen 3. Dióxido de Carbono (CO 2 ) 0.03% en volumen 4. Argón (Ar) 0.94% en volumen 5. Neón (Ne) % en volumen 6. Helio (He) % en volumen 7. Criptón (Kr) % en volumen

4 8. Xenón (Xe) % en volumen 9. Hidrógeno (H) 0.01% en volumen 10.Metano (CH 4 ) % en volumen 11.Óxido nitroso (N 2 O) % en volumen 12.Vapor de Agua (H 2 O) Variable 13.Ozono (O 3 ) Variable 14.Partículas Variable Tabla 2.2 Composición del Aire Contaminación Atmosférica Los principales contaminantes del aire se clasifican en: Primarios: Son los que permanecen en la atmósfera tal y como fueron emitidos por la fuente. Para fines de evaluación de la calidad del aire se consideran: óxidos de azufre, monóxido de carbono, óxido de nitrógeno, hidrocarburos y partículas. Secundarios: Son los que han estado sujetos a cambios químicos, o bien, son el producto de la reacción de dos o más contaminantes primarios en la atmósfera. Entre ellos destacan oxidantes fotoquímicos y algunos radicales de corta existencia como el ozono (O 3 ). A nivel nacional, la contaminación atmosférica se limita a las zonas de alta densidad demográfica o industrial. Las emisiones anuales de contaminantes en el país son superiores a 16 millones de toneladas, el 65% es de origen vehicular. En la ciudad de México se genera 23.6% de dichas emisiones, en Guadalajara el 3.5%, y en Monterrey el 3%. Los otros centros industriales del país generan el 70% restante. Para realizar la medición de las partículas se utilizan las siguientes unidades Partes por Millón (PPM): Para determinar la concentración de una sustancia química en un volumen se utilizan las partes por millón de partes iguales. Cada millonésima parte de este volumen, correspondiente a la sustancia de nuestro interés, se considera una parte por millón de la sustancia. Las PPM se utilizan para determinar concentraciones muy pequeñas de gases en la atmósfera. Partes por Billón (PPB): Para determinar la concentración de sustancia química en un volumen se utilizan las partes por billón. Se divide el volumen en un billón de partes iguales. Cada billonésima parte de este volumen, correspondiente a la substancia de nuestro interés, se considera una parte por billón de la sustancia.

5 3.5 Análisis de Datos y Obtención de Resultados Análisis Este consta de dos pasos el primero que ya se hizo que fue ir analizando cada uno de los archivos que nos proporciona el software del analizador espectral, como lo son el hecho de que nos proporciona dentro de cada archivo que como ya se explicó anteriormente, la segunda parte es que una vez que ya se saben como se van a utiliza los datos pasamos al análisis que se realiza por medio del software que se encuentra en desarrollo. Uno de los módulos del software es el de la obtención de la concentración del contaminante a medir esto se realiza por medio de la programación de la ley de Beer Lamber la cual será utilizada de la siguiente manera Diseño El diseño se básicamente esta basado en el análisis de los datos obtenidos y en la programación Obtención de los Resultados En el diseño de esta etapa entra lo que es la programación en Builder C++ la ley de Beer- Lamber con las siguientes características: La Ley de Beer Lamber es un estándar que utiliza la espectroscopia óptica de absorción diferencial debido a que nos permite obtener varias cosas tales como la intensidad de luz, la concentración del contaminante, el coeficiente de absorción del mismo, la longitud por la que pasa, obviamente esto se obtiene de acuerdo al despeje de la ecuación pero esta establecido por la NOM-036-ECOL-1993 (la cual la parte que nos ocupa se anexa al final) para obtener la intensidad de la luz se utiliza la siguiente ecuación: Donde: I o (λ) = Intensidad luminosa emitida por la fuente de luz a la longitud de onda I(λ) = Intensidad de radiación después de recorrer una distancia L a la longitud de onda λ C i = Concentración del contaminante i ε R (λ)= Coeficiente de extinción debido a la dispersión de Rayleigh a la longitud de onda λ ε M (λ)= Coeficiente de extinción debido a la dispersión de Mie a la longitud de onda λ

6 Y para la obtención de la concentración de los contaminantes se utiliza la siguiente ecuación: Donde: 10 4 C = ln αl I I o C = Concentración del contaminante α = Coeficiente de absorción a 254 nm que en este caso el del O 3 es de atm (establecida por la misma norma). L = Longitud de la trayectoria óptica en cm = 10 cm (este dato lo obtenemos de la longitud del soport del lente) I = Intensidad de Salida I o = Intensidad de Entrada Esta última ecuación es la que utilizaremos para la obtención de la concentración del Ozono (O 3 ) en ppm (partícula por millón) ya que este es el contaminante al que nos estamos enfocando. PRUEBAS Y RESULTADOS 4. 1 Muestreo y Adquisición de Datos Adquisición de Datos Como ya se observó y se estudio el la adquisición de los datos se realizan en conjunto con el muestreo de los mismos, para este caso se realizaron pruebas con ozono puro en la Secretaria del Medio Ambiente, esto se realizo por medio de una celda debido a que no se puede soltar el ozono puro al ambiente, al estar realizando estas pruebas obtuvimos los espectros siguiente: Para la obtención del Ozono puro recurrimos a la Secretaria del Medio Ambiente donde por medio de un generador de Ozono puro se obtuvieron los siguientes espectros (Figura 4.3)

7 Figura 4.1 Generador de Ozono puro Figura 4.2 Medición del Ozono Los Espectros obtenidos es la Secretaria del Medio Ambiente son los siguientes: Figura 4.3. Espectro de Absorción del O 3 (SMA) Estos fueron los resultados que se obtuvieron pero al estar analizando estos datos nos dimos cuenta de que nos podían servir de mucho porque las condiciones en las que se realizan las mediciones no son las mismas con las que en realidad se deben de contar. Por lo mismo se realizaron pruebas en la zona de Vallejo a una hora pico y un poco mas tarde en la Escuela y en la Zona de Ciudad Azteca al medio día y los espectros que se obtuvieron son los siguientes:

8 Zona de Vallejo Figura 4.5 Espectro de Absorción Figura 4.6 Espectro Continuo

9 A continuación en la Figura 4.11 y 4.12se muestran algunas fotos de la adquisición de las muestras Figura 4.11 Preparación del Software Figura 4.12 Toma de Muestras Software de Usuario Este Software esta realizado en la plataforma de Builder C++ 6.0, se eligió esta plataforma por el ambiente gráfico que nos proporciona para facilitar la realización de ventanas y programación. El Software de usuario nos proporciona la concentración de las partícualas por millón que se encontrarón mediante las mediciones realizadas. A continuación se muestran las principales pantallas con las que cuenta el Software así mismo se dará una breve explicación de que lo que muestra y como fue realizada. Al iniciar la aplicación se muestra una pantalla en donde se da a conocer el nombre del Software y la representación del logotipo con el que se reconoce e mismo. (Figura 4.13)

10 Figura 4.13 Pantalla de Inicio del Software de Usuario Como se puede observar en la Figura 4.14 se tienen 4 menús con los que el usuario puede interactuar tales como lo son: Conclusiones. Debido a que vivimos en una ciudad urbanizada y llena de fabricas, automóviles, basura que afectan al medio ambiente como lo es el Agua, el Suelo y el Aire y a que este último es primordial para la salud del hombre, éste se ha visto en la necesidad de conocer los índices de la calidad del aire, es decir el conocer cuantas partículas de contaminantes puede estar respirando al día para que no le ocasione daños a la salud. En la actualidad en nuestro país existe la red de monitoreo atmosférico de la Secretaria del Medio pero esta se enfoca ciertos puntos ubicados en la ciudad y con ellos nos dan a conocer el Índice Metropolitano de la Calidad de Aire mejor conocido como IMECA; este sistema de detección de contaminantes tiene sus ventajas y desventajas sobre es sistema mini-doas que se a realizado en este trabajo. Una de las ventajas que tiene la red de monitoreo es que se realiza la medición de varios contaminantes y el mini-doas se enfoca a uno solo, pero las ventajas que tiene en sistema mini-doas sobre la red de monitoreo son varias como las que se señalan a continuación: Las dimensiones del mini-doas son pequeñas en comparación con la red de monitoreo. Los resultados son proporcionados casi en tiempo real ya que se tardan alrededor de 5 minutos máximo para obtenerlos Se pueden realizar mediciones en lugares recónditos, es decir, en lugares estrechos y pequeños a los cuales no llega la red de monitoreo

11 En la etapa de procesamiento de los datos obtenidos se utiliza una Red Neuronal Multicapa con algoritmo de aprendizaje Backpropagation la cual por las entradas se puede entrenar para que no solo clasifique los datos del Ozono sino también de otros contaminantes como lo es el Monóxido de Carbono. Mientras se fueron realizando las pruebas y comparando los resultados con los que la Secretaría del Medio Ambiente Publica en Internet nos percatamos que tenemos un margen de diferencia de alrededor de 2 milésimas llegando a la conclusión de que este margen de diferencia se debe a que las mediciones de la red de monitoreo son un área extensa y a que las del mini-doas son realizadas en un área especifica.