Métodos de monitoreo de contaminantes del aire: 4 métodos

Los siguientes puntos resaltan los cuatro métodos de monitoreo de contaminantes del aire. Los métodos son: 1. Muestreo 2. Monitoreo de partículas 3. Monitoreo de contaminantes gaseosos y 4. Recolección y análisis de muestras a conveniencia.

Método # 1. Muestreo:

El primer paso hacia el monitoreo de los contaminantes transmitidos por el gas es obtener una muestra representativa.

Una configuración utilizada para la recolección de una muestra y el análisis de los contaminantes presentes en ella generalmente se conoce como un tren de muestreo. Un tren de muestreo normalmente tendría varios componentes.

Los componentes presentes en una configuración real dependerían de la situación y de los objetivos, tales como:

1. Si la fuente es aire ambiente o un conducto, por ejemplo, una pila;

2. Si se desea monitorear solo las partículas o los contaminantes gaseosos;

3. Si se propone estimar los contaminantes gaseosos in situ o analizarlos en un momento conveniente después de la recolección de una muestra.

Las materias particuladas se analizan invariablemente en un momento conveniente después de atraparlas.

Una configuración puede consistir en todos o algunos de los siguientes componentes:

(i) Una variedad de muestreo,

(ii) Un colector / descargador de partículas,

(iii) Un calentador / enfriador / condensador,

(iv) Una bomba de succión (tipo de volumen ajustable),

(v) un caudalímetro,

(vi) Instrumentos de control de contaminantes gaseosos en línea o burbujeadores o un colector de muestras.

La siguiente figura (3.1) muestra esquemáticamente algunas disposiciones alternativas de trenes de muestra:

(a) Colector,

(b) Enfriador / Calentador,

(c) colector de partículas,

(d) Condensador,

(e) Bomba,

(f) Medidor de flujo,

(g) Filtro.

A. Un tren para el monitoreo de partículas y gases contaminantes.

B. Un tren para el monitoreo de contaminantes gaseosos solamente.

C. Un tren para el monitoreo de partículas solamente.

Al recolectar una muestra gaseosa, se debe tener en cuenta que la velocidad de flujo de la corriente de efluente y su composición pueden cambiar con el tiempo y en un momento dado pueden depender de la ubicación del punto de muestreo. Debido a esto, se han recomendado procedimientos estándar para el muestreo, de modo que la muestra recolectada tenga un promedio de tiempo. Cuando se utilizan analizadores en línea, la muestra es instantánea.

1. Tren de muestreo:

Un colector debe ser una parte del tren de muestreo cuando el muestreo se debe realizar desde una pila o una fuente que no sea la atmósfera ambiental. Debe estar hecho de un material no reactivo y no adsorbente, como el teflón o el vidrio o alguna aleación resistente al calor y la corrosión.

Debe ser lo más corto posible y no debe estar torcido, ya que de lo contrario puede haber una acumulación de partículas en su interior. Para evitar daños térmicos en el colector, se puede enfriar, pero se debe tener cuidado para que la temperatura de la muestra no descienda por debajo de su punto de rocío.

Un colector de polvo se utiliza cuando se desea el análisis de partículas en suspensión (SPM). De lo contrario, se debe utilizar un protector contra el polvo.

Se utiliza una bomba mecánica o un dispositivo adecuado para aspirar una muestra.

Un medidor de flujo se usa para medir el volumen total de la muestra que pasa a través de un tren recolector de muestras.

Se puede requerir un enfriador como parte de un tren de muestreo, si la temperatura del gas es tal que los componentes del tren puedan dañarse térmicamente durante el muestreo.

Puede ser necesario un calentador si la temperatura de la muestra es tal que el vapor condensable puede condensarse en los tubos de conexión antes de la recolección de partículas de polvo de una muestra.

Cuando un vapor condensable está presente en una muestra a una alta concentración, se debe usar un condensador para reducir su concentración antes de analizar los componentes gaseosos de la muestra o la recolección de la muestra en un receptor.

2. Muestreo de pila:

El muestreo de una pila se realiza introduciendo un colector en él a través de un puerto. En general, un puerto es un tubo con brida estándar de 75 mm instalado en una pila empotrada en el interior y que se extiende de 50 a 200 mm en el exterior. Cuando no se realiza el muestreo se cierra con una persiana. Para pilas de mayor diámetro, el diámetro del puerto puede ser más de 75 mm. Los puertos están ubicados a una distancia de entre 0, 6 y 1, 8 m sobre el piso o una plataforma. Una pila con un diámetro de 3 m o menos debe tener dos puertos ubicados en ángulo recto entre sí. Para una pila con un diámetro superior a 3 m, el número de puertos debe ser cuatro, situado a intervalos de 90 °.

Normalmente, los puertos deben ubicarse al menos ocho diámetros corriente abajo y dos diámetros corriente arriba de una fuente de perturbación del flujo. Para pilas rectangulares de sección transversal, la dimensión más grande o el diámetro equivalente deben tomarse como el diámetro para la ubicación de los puertos.

El número mínimo de puntos de muestreo recomendados en un diámetro (travesaños) y sus ubicaciones dependen de la posición de un puerto de muestreo con respecto a las fuentes de perturbaciones del flujo ascendente y descendente. Antes del muestreo, la boca del colector debe estar perfectamente alineada con la dirección del flujo en la pila y dirigida hacia arriba.

Para un análisis completo de una muestra de una pila, se debe usar un tren de muestreo isocinético que consiste en una boquilla, una sonda envuelta en un calentador y un portafiltro calentado seguido por algunos absorbentes de impacto conectados en serie y sumergidos en un baño de hielo. El tren de absorción debe ir seguido de un tubo de secado de gas (que contiene gel de sílice), una bomba (bomba de diafragma de carrera variable), un medidor de gas seco y un medidor de orificio calibrado.

Después de colocar el tren en una pila, la bomba se conecta y el caudal se ajusta para obtener una muestra en condiciones isocinéticas. Cuando las muestras se analizan a intervalos regulares, se puede utilizar una unidad de analizador en línea en lugar de un tren de absorción de impacto.

3. Muestreo de aire ambiente:

Para tomar muestras del aire ambiente, la unidad básica que se usa normalmente se conoce como "muestreador de alto volumen", particularmente cuando se desea analizar la materia particulada.

Los componentes principales de tal unidad son:

(un filtro,

(b) Un soplador y

(c) Un caudalímetro.

Cuando se desea estimar los contaminantes gaseosos, también se utilizan instrumentos en línea o un colector de muestras o un tren de burbujeadores junto con los componentes ya mencionados.

Método # 2. Monitoreo de partículas:

El propósito del monitoreo de partículas puede ser estimar la concentración de masa de partículas, la distribución del tamaño de partículas y la composición química de partículas. Cuando se desea estimar la concentración de masa de partículas, solo se puede usar un filtro adecuado. El medio de filtro puede estar hecho de fibra de celulosa / fibra polimérica / fibra de vidrio / membrana sintética. La elección dependerá de la temperatura del gas. La masa de partículas detenidas en un filtro se estima a partir de la diferencia en el peso del filtro antes y después de la filtración.

El filtro debe secarse en el horno antes de pesar para evitar cualquier error debido a la absorción de humedad o cualquier otro vapor, durante o antes de la filtración. Un filtro no sería un dispositivo adecuado cuando se trata de estimar la distribución del tamaño de partícula y / o el análisis químico de las partículas, ya que la recuperación cuantitativa de las partículas detenidas de un filtro es casi imposible.

Para determinar la distribución de tamaño y el análisis químico de partículas en suspensión, se utiliza un impactador o una serie de impactadores. Las partículas recolectadas en el (los) impactador (es) junto con el vapor condensado, si existe, se recuperan cuantitativamente y se analizan después del secado.

Para el monitoreo de partículas desde una pila, el muestreo se debe realizar en condiciones isocinéticas, es decir, la velocidad del gas a través del colector de muestreo debe ser la misma que la de la pila en el punto de muestreo. Si el muestreo se realiza en condiciones superisocinéticas, las partículas recolectadas tendrían una mayor proporción de partículas más finas y ligeras que las reales.

Mientras que cuando se toman muestras en condiciones sub-isocinéticas, las partículas recolectadas contendrían más partículas más grandes y más pesadas. Dado que en la práctica es difícil mantener una condición estrictamente isocinética, la desviación de la condición isocinética no debe ser superior a ± 10%.

Para mantener la condición de muestreo isocinético, es necesario medir la velocidad del gas de chimenea en el punto de muestreo. La velocidad se mide con un conjunto de manómetro y tubo de pitot tipo S (Stauscheibe o tipo inverso). La figura 3.2 muestra tal ensamblaje.

Método # 3. Monitoreo de contaminantes gaseosos:

Los contaminantes gaseosos se pueden controlar in situ o en un momento conveniente después de la recolección de una muestra. Antes de analizar una muestra, debe liberarse de partículas y vapor condensable. Se prefiere el análisis in situ, ya que proporciona datos rápidamente. Sin embargo, cuando un punto de muestreo se ubica en una ubicación remota o cuando no se requieren datos inmediatamente, se puede recolectar una muestra y se puede estimar la concentración de los contaminantes en la muestra en un momento conveniente.

1. Análisis in situ:

Cuando se requiere monitorear una muestra tan pronto como se recolecta, el análisis in situ se realiza con la ayuda de un instrumento analítico / instrumentos colocados en línea con un tren de muestreo. Tal configuración se puede usar para el monitoreo continuo de emisiones (CEM). Muy a menudo, esto requiere proporcionar una carcasa adecuada para los instrumentos, ya que son sensibles al polvo, la humedad y la temperatura. Para el análisis en línea de un gas, un volumen medido de él (libre de polvo) se introduce en un instrumento (unidad), que mediría, mostraría o registraría la concentración de uno o más constituyentes en la muestra.

Métodos instrumentales:

Los instrumentos (analizadores CEM) están disponibles para monitorear contaminantes gaseosos como SO 2, NO, NO 2, O 3, CO e hidrocarburos. Estos instrumentos emplean diversas técnicas y pueden utilizarse para el análisis de gas de chimenea y aire ambiente. De las diferentes técnicas, la cromatografía de gases (GC) es versátil, ya que puede usarse para la estimación de varios contaminantes, como SO 2, NO x, CO e hidrocarburos.

El componente vital de una cromatografía de gases es su detector, que identifica y detecta la concentración de los diferentes componentes de una muestra. Un detector puede ser constitutivo específico. En la Tabla 3.1 se enumeran algunos detectores específicos de contaminantes.

También hay instrumentos disponibles que emplean una técnica específica para controlar únicamente un contaminante específico. Algunos de estos se enumeran en la Tabla 3.2.

Los principios básicos de las técnicas mencionadas anteriormente se discuten brevemente a continuación.

Cromatografía de gases

Los componentes básicos de una cromatografía de gases son:

(i) Una columna empaquetada (un tubo enrollado) que contiene algunas partículas granulares (a veces impregnadas con un líquido). La columna sirve como lecho absorbente / absorbente,

(ii) Un alojamiento de columna con control de temperatura,

(iii) Disposiciones adecuadas para introducir una muestra de gas y un gas portador en la base de la columna (entrada), y

(iv) Un detector ubicado inmediatamente después de la columna.

El procedimiento para el análisis es inyectar un volumen predeterminado de una muestra de gas en la base de la columna. La columna contiene un adsorbente preseleccionado, que dependería de los componentes presentes en la muestra a analizar. Los componentes se adsorben en el lecho adsorbente y se desorben por una corriente de gas portador preseleccionado que fluye a través de la columna.

El reparto de los constituyentes de la muestra entre el lecho y el gas portador se produce repetidamente a medida que el gas portador transporta los constituyentes hacia la salida de la columna. Cada constituyente viajará a su propia velocidad a través de la columna y finalmente saldrá de la columna y alcanzará el detector en forma de banda.

El intervalo de tiempo entre dos bandas y el ancho de cada banda dependen de la relación del coeficiente de partición de los componentes bajo los parámetros del sistema dados. El detector emite una señal que indica el tiempo de aparición de una banda.

La señal se prolonga siempre y cuando un constituyente específico continúe saliendo de la columna. La magnitud de la señal dependerá de la concentración del constituyente en el gas portador, que a su vez dependerá de su concentración en la muestra. Los datos se registran como una gráfica de tiempo frente a la concentración de los componentes específicos en el gas portador.

Sobre la base del área debajo de la parcela, se estima la concentración del componente específico en la muestra. En la actualidad, se dispone de cromatógrafos de gases basados ​​en microprocesadores, que producen una impresión que enumera los constituyentes específicos presentes y su concentración en una muestra analizada.

Fotometría infrarroja no dispersiva (NDIR) :

El principio involucrado en esta técnica es la absorción preferencial de radiación infrarroja por un componente, por ejemplo, monóxido de carbono (CO) presente en una muestra de gas.

Una unidad tendría los siguientes componentes:

(i) una fuente de infrarrojos,

(ii) un helicóptero,

(iii) Una celda de muestra (tipo de flujo)

(iv) Un detector de infrarrojos, y

(v) Una celda de referencia (llena de un gas absorbente no infrarrojo).

Una unidad de 'infrarrojo no dispersivo' funciona como se detalla a continuación:

El helicóptero expondría intermitentemente la celda de muestra y la celda de referencia a la radiación infrarroja. La radiación incidente pasaría a través de la celda de referencia virtualmente sin ser absorbida y alcanzaría el detector. La intensidad de la radiación transmitida a través de la celda de muestra se reduciría debido a la absorción por el CO presente en la muestra que fluye a través de la celda.

La diferencia entre las cantidades de energía que llegan al detector a través de la celda de referencia y la de la celda de muestra sería proporcional a la concentración de CO en la muestra. Algunos constituyentes, como el vapor de agua presente en una muestra, interfieren con la estimación cuantitativa de CO.

Técnica de quimioluminiscencia:

Esta técnica se basa en el hecho de que cuando un contaminante reacciona con un reactivo específico (en gran cantidad) las moléculas de producto formadas se encontrarían en un estado de excitación más alto. A medida que las moléculas del producto vuelven del estado superior de excitación a su estado normal (suelo), la energía se libera en forma de luz.

La intensidad de la luz emitida sería directamente proporcional a la concentración del contaminante presente en una muestra. La intensidad de luz emitida se mide normalmente con la ayuda de un foto-multiplicador. Para la estimación de la concentración de ozono (O 3 ) en una muestra, el reactivo utilizado es etileno. En el caso de NO, el reactivo debe ser O 3 . Para la estimación de NO 2, primero se reduce cuantitativamente a NO y luego se estima como NO.

Técnica conductométrica :

La idea básica detrás de esta técnica es el hecho de que cuando un contaminante específico se absorbe en un líquido adecuado, la conductividad eléctrica de la solución resultante sería diferente de la del absorbente. El cambio en la conductividad sería proporcional a la concentración del contaminante presente en una muestra. El líquido (absorbente) debe elegirse de modo que absorba solo uno de los contaminantes presentes en una muestra. Generalmente, el agua destilada o una solución acuosa se usa como un absorbente.

Técnica coulométrica :

El análisis coulométrico se lleva a cabo haciendo reaccionar un contaminante específico presente en una muestra gaseosa con una solución acuosa de KI o KBr en una celda electrolítica mediante la cual se libera yodo o bromo. El haluro liberado se reduce en el cátodo de la célula.

La corriente a través del coulómetro sería proporcional a la cantidad de haluro liberado, que a su vez sería proporcional a la concentración del contaminante específico presente en la muestra. Este método no es específico del ozono porque mide los oxidantes totales presentes en una muestra.

Técnica espectrométrica :

Esta técnica es algo similar a la NDIR. La luz (IR / UV) de una fuente se filtra para eliminar la luz de todas las longitudes de onda, excepto una banda estrecha que es absorbida por un contaminante específico presente en una muestra gaseosa.

Dichos rayos de la banda de longitud de onda seleccionada pueden pasar a través de una celda, a través de la cual fluiría una muestra de gas libre condensada y filtrada. La intensidad de la radiación transmitida en relación con la del haz no atenuado sería proporcional a la concentración del contaminante presente en la muestra.

Técnica electroquímica :

Un analizador electroquímico puede consistir en una membrana semipermeable, una película de electrolito, un electrodo sensor y un electrodo de referencia sumergido en el electrolito. Una corriente de gas que contiene el contaminante cuya concentración se debe estimar se pasa sobre la membrana semipermeable.

El contaminante puede migrar selectivamente a través de la membrana y generar una señal (voltaje) en la película de electrolito. La señal (voltaje) sería captada por el electrodo sensor. La diferencia de voltaje entre el electrodo sensor y el electrodo de referencia sería proporcional a la concentración de contaminante en la muestra.

2. Métodos químicos:

Hay dos métodos químicos, a saber:

(1) Método rápido y

(2) Método clásico. Método rápido

El método rápido produce información en poco tiempo. No requiere un operador experto. Para cada contaminante se utiliza un detector específico. Las concentraciones de algunos contaminantes pueden variar desde bajas a bastante altas. Para tal contaminante, se debe elegir un detector que tenga el rango apropiado dependiendo de la situación.

Una configuración para un análisis rápido consiste en un tubo de vidrio sellado (detector) lleno de un reactivo específico para contaminantes adsorbido en algunos gránulos inertes o el propio reactivo en forma granular y una bomba de desplazamiento positivo operada manualmente.

El tubo está equipado con tapones en cada extremo, que actúan como filtros. Estos también mantienen las partículas granulares como un lecho lleno. A lo largo de su longitud se imprime una escala de lectura directa (generalmente en unidades de ppmv) en la superficie exterior del tubo. La marca comienza inmediatamente después del tapón del filtro del extremo anterior. El método es adecuado para controlar los contaminantes presentes en el aire ambiente.

El procedimiento operativo de una unidad de este tipo consiste en romper los extremos sellados de un tubo detector (específico para un contaminante específico) y conectarlos a una bomba de tal manera que se extraiga una muestra de gas a través del extremo delantero del tubo. Al operar la bomba, se debe aspirar a través del tubo un volumen conocido de una muestra (según lo especificado por el fabricante del detector). La reacción instantánea entre el reactivo y el contaminante se produciría como resultado un cambio brusco en el color del lecho granular en el tubo.

La longitud de la porción teñida del lecho granular dependería de la concentración del contaminante presente en una muestra, que puede leerse en la escala impresa en el tubo. Un tubo solo se puede utilizar una vez. Los tubos selectores están disponibles para monitorear contaminantes gaseosos inorgánicos comunes, así como una amplia variedad de contaminantes orgánicos.

Método clásico :

El método clásico también se conoce como método de química húmeda. Este método es relativamente lento y su precisión depende de la habilidad de un analista. En este método, un volumen conocido de una muestra de gas libre de polvo se deja fluir a una velocidad moderada a través de una serie de burbujeadores, cada uno de los cuales contiene un disolvente con o sin algunos reactivos disueltos.

Cada burbujeador atraparía solo un contaminante específico dependiendo del solvente / reactivo presente. Los burbujeadores deben estar correctamente secuenciados. Una vez que se ha permitido que una muestra fluya a través del tren de burbujeadores, se deben separar y analizar su contenido cuantitativamente para estimar los contaminantes atrapados.

Método # 4. Recolección y análisis de muestras a conveniencia:

A veces se prefiere recolectar una muestra de gas y luego analizarla en un laboratorio a una hora conveniente. Para llevar a cabo el análisis de esta manera, es necesario preservar una muestra tal como es o segregar cada componente (contaminante) cuantitativamente y luego preservarlos.

Para lograr este objetivo, se puede adoptar cualquiera de los siguientes pasos:

(i) Recolección de una muestra en un receptor evacuado :

Una muestra de gas libre de polvo se recoge en un contenedor metálico rígido evacuado o en una bolsa flexible hecha de una película de polímero. El material de construcción del contenedor debe elegirse de modo que los contaminantes no interactúen física o químicamente con el contenedor durante el almacenamiento y, por lo tanto, causen un cambio en la composición de la muestra recolectada.

Una muestra debe enfriarse a temperatura ambiente y liberarse de partículas sólidas y vapor condensable antes de la recolección en un recipiente. El contenedor lleno de una muestra debe ser transportado a un laboratorio para su análisis. En el laboratorio, la muestra se puede extraer del recipiente apretando la bolsa de polímero o por medio de una bomba del recipiente rígido. El análisis de la muestra recuperada se puede llevar a cabo con la ayuda de instrumentos adecuados o mediante métodos químicos adecuados.

(ii) Recolección en un medio :

Se puede usar un medio de recolección líquido o sólido para retener cuantitativamente los contaminantes presentes en una muestra de gas como está o en una forma segregada para su posterior estimación.

(a) Medio líquido:

Cuando se utiliza un medio líquido, se hace referencia a la unidad como un 'sistema de burbujeo'. El sistema puede tener varios burbujeadores en serie, cada uno de los cuales contiene un líquido en el que un contaminante específico será absorbido físicamente o reaccionado químicamente. A través de cada burbujeador, se burbujea un volumen conocido de la muestra y posteriormente se estima la cantidad de contaminante atrapado por un método analítico químico adecuado. En la Tabla 3.3 se enumeran la composición química de los líquidos burbujeantes y los métodos analíticos empleados para la estimación de algunos contaminantes comunes.

(b) Medio sólido :

Este método de recolección se basa en el hecho de que cuando una muestra de polvo y gas condensable libre de vapor se pasa sobre un lecho de adsorbente, como el carbón activado / gel de sílice activado, los contaminantes presentes en la muestra se adsorben cuantitativamente.

El procedimiento adoptado para la recolección y conservación de los contaminantes en una muestra de gas es pasar un volumen conocido de un gas portador de contaminantes a través de un recipiente que contiene un lecho adsorbente, por lo que los contaminantes se retienen en los gránulos adsorbentes y la mayor parte del gas portador sale. Después de la recolección, el contenedor se sella y se lleva a un laboratorio para su análisis.

El primer paso hacia el análisis de los constituyentes adsorbidos es desorberlos cuantitativamente calentando el contenedor mientras una corriente de gas inerte fluye a través del contenedor a una velocidad moderada. Los constituyentes desorbidos son llevados a un sistema de medición por la corriente de gas inerte.

Un procedimiento alternativo para la recuperación cuantitativa de los constituyentes adsorbidos es extraer aquellos con un volumen conocido de un líquido (un solvente). Posteriormente, las concentraciones de los constituyentes (contaminantes) presentes en el extracto líquido se estiman químicamente o con la ayuda de instrumentos adecuados.

Sobre la base de la discusión hasta el momento, se puede concluir que los métodos utilizados para el monitoreo de contaminantes gaseosos se pueden clasificar en dos grupos:

(i) Los métodos instrumentales y

(ii) Los métodos químicos.

Los méritos y desventajas de estos métodos se enumeran en la Tabla 3.4.


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