Instrumentación Óptica en Procesos Industriales: Fundamentos y Clasificación de Analizadores

Entrada publicada en Biología y etiquetada Analizadores ópticos espectroscopia FTIR NDIR NIR UV-Vis el por .

Analizadores Ópticos de Proceso: Características Fundamentales

  • Alta sensibilidad, buena selectividad, buena exactitud y precisión (1-3 %).
  • Robustos y fiables, fáciles de calibrar, tecnología madura.
  • Gran aplicabilidad, sencillez, rapidez, asequibles, miniaturizables.

Principios de Interacción: Radiación y Materia

La interacción de la radiación y la materia es el fundamento. La radiación electromagnética está cuantizada y la materia está cuantizada.

Propiedades de la Radiación Electromagnética

  • Es una forma de energía que se transmite por el espacio a gran velocidad.
  • Son ondas consistentes en campos magnéticos y eléctricos que oscilan de forma perpendicular.

Métodos de Medición

  • Cualitativos: Espectros de absorción-emisión, configuraciones electrónicas y moleculares específicas, niveles cuantizados.
  • Cuantitativos: Linealidad interacción – concentración, Ley de Lambert-Beer, pretratamientos, calibraciones. Uso Online e Inline.

Clasificación de los Analizadores Ópticos

  1. En función de la Radiación:
    • Rango Ultravioleta-Visible (UV-Vis)
    • Rango Infrarrojo (IR)
    • Rayos X
    • Ondas de radio
  2. En función del Fenómeno Medido:
    • Absorción:
      • Niveles moleculares: UV-Visible, NIR, MIR, RMN.
      • Niveles atómicos: Absorción Atómica (AA), Rayos X.
    • Emisión:
      • Niveles moleculares: Luminiscencia (fluorescencia, fosforescencia, quimioluminiscencia).
      • Niveles atómicos: Emisión Atómica (EA), fotometría de llama, ICP, FA, fluorescencia de rayos X.
    • Dispersión:
      • Reflexión: Nefelometría, turbidimetría, reflectancia IR, difracción de rayos X.
      • Refracción: Índice de refracción.

Analizadores UV-VIS

1. NDUV: Ultravioleta No Dispersivo

Control de H₂S y SO₂. Aplicación en procesos de deshidrodesulfuración de petróleo: preparación para el proceso Claus. La radiación UV permite hacer control de gases en muestras de aire sin interferencias de O₂, N₂, H₂O o CO₂, ya que no absorben radiación UV. Funcionamiento On-line.

Características del sistema: Resistente a ácidos, extrae el gas, mantiene su integridad, termostatizada, previene la condensación, con punto de retorno.

Configuración Típica para Absorción UV-Vis

Fuente de radiación, selector de longitud de onda (λ), muestra, detector, procesador y lector de señal PLC/Unidad de control.

Fuentes de Radiación

  • Fuentes continuas: Lámpara de deuterio, lámpara halógena, lámpara de xenón.
  • Fuentes discontinuas: Láser (coherente, alta intensidad, monocromático, direccionado), LED.

2. Selectores de Longitudes de Onda

Filtros de absorción y de interferencia (ej. Filtro de interferencia magenta).

3. Porta Muestras

Configuraciones comunes de muestras para sistemas de analizadores de proceso ópticos UV-VIS / IR:

  • Monitorización del fluido en flujo.
  • Monitorización de lámina en movimiento.
  • Monitorización de gas en flujo.
  • Sistema de monitorización por reflectancia.

Se utilizan cubetas y celdas específicas para Espectroscopía UV/Vis.

4. Detectores

Tubo Fotomultiplicador (PMT)
  • Usos: Región UV/Vis (intensidad radiante pequeña).
  • Señal: Corriente eléctrica (se producen 10⁷ e⁻ por cada fotón, debido a la multiplicación de los e⁻ producidos en el cátodo empleando electrodos adicionales o dinodos).
  • Ventajas: Altamente sensible, puede llegar a medir hasta un solo fotón, tiempo de respuesta extremadamente rápido.
  • Desventajas: Uso limitado por la corriente oscura (a menos que se enfríe), se puede dañar si se aplica luz intensa, limitando su uso a radiación de baja intensidad.
Diodos de Silicio (Diodo Array)
  • Usos: Región UV/Vis (190-1100 nm).
  • Señal: La radiación produce una generación de cargas positivas y negativas en la unión pn, incrementando la conducción y permitiendo obtener una corriente proporcional a la intensidad de la radiación.
  • Ventajas: Más sencillo que el fototubo, empleado en detectores multicanal en forma de arreglo de diodos.
  • Desventajas: Sufre de respuesta espectral variable.
Detector de Acoplamiento de Carga (CCD)
Utilizado en diversas aplicaciones ópticas.
Detectores de Transferencia de Carga
  • Usos: Región UV/Vis.
  • Señal: Lectura de las cargas fotogeneradas almacenadas debajo de un área de acumulación.
  • Ventajas: Similares a las de los fotomultiplicadores en cuanto a sensibilidad y relación S/R, además presentan ventajas multicanal y pueden formar arreglos bidimensionales.
  • Desventajas: Requieren de un monocromador muy eficaz y tienen respuesta variable dependiente de λ.

Otros detectores incluyen Fotómetros de filtros Absorción UV-Vis y Fotómetro UV-Vis de doble haz.

2. VIS: Visible

Control de color. Aplicación (inline): control del color de salida de productos y de coloraciones: querosenos, aceites lubricantes, hidrocarburos (HC), alimentos y bebidas, pasta de papel, galvanizados, etc.

Selectores: Monocromador de prisma de Bunsen, Espectrofotómetro con detector CCD, Fibra óptica.

3. Colorimetría

Control de aniones y metales. Aplicaciones (online): medidas en corrientes líquidas de proceso, tratamientos de aguas residuales y potables, control en torres de refrigeración.

4. FUV: Fluorescencia Ultravioleta

  1. Control de Azufre (S) online: Método de pirofluorescencia. Aplicaciones en Petroquímica, Industria del ácido sulfúrico, SO₂ en vertidos gaseosos y en inmisión.
  2. Control de NOx online: Método de quimioluminiscencia (EPA). Aplicaciones en contaminación: emisión, inmisión.

5. CVAFS: Fluorescencia Atómica Vapor Frío / Generación de Hidruros

Control de Mercurio (Hg) online. Aplicación: aguas residuales de proceso y potables, aguas y gases residuales del proceso cloro-sosa, emisiones de Hg en la producción de clínker.

Analizadores IR (Infrarrojo)

1. NDIR: Infrarrojo No Dispersivo

Control de gases: NO, SO₂, CO₂, CO, CH₄. Aplicación: control de gases en línea, emisión e inmisión, seguridad e higiene.

TOC: Control de Carbono Orgánico Total. Aplicaciones: control de la carga orgánica de corrientes líquidas: Combustión y transformación a CO₂.

Tipos de NDIR:

  • Fotómetro IR no dispersivo: detectores Luft y con filtros.
  • Infrarrojo no dispersivo NDIR: control de gases.
  • Infrarrojo NDIR con filtros: control de gases.
  • Infrarrojo cercano NIR (Combustión): TOC: Control de Carbono Orgánico Total. Online.

2. NIR / FTNIR / MIR / FTMIR: Infrarrojo Cercano y Medio, Transformada de Fourier / Quimiometría

Análisis simultáneo de compuestos. Aplicaciones: Industria farmacéutica, química, petroquímica, etc. Índice de octano y cetano. Seguimiento de reacciones.

Selectores de Longitudes de Onda

Interferómetro: Se basa en el principio de Fourier: cualquier movimiento periódico, sin importar su complejidad, puede ser descrito por la suma de términos simples de funciones seno y coseno.

Interferómetro de Michelson: Rapidez, simultaneidad, precisión.

Detectores para FTIR y FTNIR

DTGS: Detector Piroeléctrico
  • Dieléctricos que mantienen la polarización después de eliminar el campo.
  • Son dependientes de la temperatura (T).
  • Se colocan entre dos electrodos, siendo uno transparente al IR, con lo que se obtiene un condensador dependiente de la T que cambia al incidir el haz.
  • Ventaja: Tiempo de respuesta suficientemente rápido para seguir las variaciones de señal en el dominio de tiempo de los interferómetros.

Espectrómetro FTIR e Infrarrojo FTIR y FTNIR: Análisis simultáneo de compuestos. Aplicaciones: Industria petroquímica, química, farmacéutica, etc. Modelos, Quimiometría, Estadística.

3. FTIR / ATR: Infrarrojo Medio / Reflectancia, Transformada de Fourier

Aplicación: seguimiento de reacciones.

Espectroscopía IR de reflexión: Reflectancia Difusa: La reflectancia es difusa cuando el ángulo de la luz reflejada es independiente del ángulo incidente. El espectro depende de: tamaño de partícula, densidad del material, índice de refracción, grado de cristalinidad, coeficiente de absorción.

Analizadores de Dispersión

1. nD: Índice de Refracción

Control de grados Brix (% en peso). Aplicación: control de sacarosa en la industria alimentaria: mermeladas, zumos, leche, café, refrescos.

2. Turbidimetría y Nefelometría

Medidas de turbidez para control de filtros, opacidad en chimeneas. Procesos de dispersión.

  • Control de turbidez: Aplicación: control de corrientes en Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDAR).
  • Control de sólidos en suspensión: Aplicación: industria papelera.
  • Opacimetría (Control de partículas): Aplicación: control de gases en chimeneas de cementeras.

Resumen de Componentes y Métodos Clave

Selectores de Longitud de Onda

Su función es aislar una banda estrecha de radiación para que el analizador trabaje solo a la longitud de onda característica del analito, aumentando la selectividad y sensibilidad.

Tipos principales:

  • Filtros de absorción e interferencia: Transmiten únicamente la banda deseada, bloqueando el resto.
  • Redes de difracción: Separan la luz policromática por interferencia en una superficie con surcos, generando haces monocromáticos.
  • Monocromadores de prisma: Separan la luz por refracción, desviando cada λ según su índice de refracción.
  • Fibra óptica: Guía la luz entre fuente, selector y detector con baja pérdida y sin interferencias externas.

Colorimetría

Método basado en la absorción de luz por una especie química que genera color. Principio: correlación entre la concentración del analito y la absorbancia medida a una longitud de onda específica.

Fluorescencia UV (FUV) y UV-Visible

Absorción de radiación UV → estado excitado → emisión de luz a λ mayor (fluorescencia). La intensidad de la emisión fluorescente (IF) es proporcional a la concentración de las moléculas fluorescentes.

Fluorescencia Atómica (CVAFS)

Detecta mercurio (Hg) con alta sensibilidad. El Hg se reduce a vapor frío, se excita con UV (254 nm) y emite fluorescencia medida por un detector. La intensidad indica la concentración. Equipos como PA-2 permiten análisis rápido y automático (0,01 μg/L).

Analizadores IR y NIR

Los analizadores basados en infrarrojo (IR) y cercano IR (NIR) permiten el control cualitativo y cuantitativo de gases, líquidos y sólidos en procesos químicos. Se basan en la absorción de radiación IR por vibraciones moleculares.