Instrumentación Óptica en Procesos Industriales: Fundamentos y Clasificación de Analizadores

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

En función de la Radiación:
- Rango Ultravioleta-Visible (UV-Vis)
- Rango Infrarrojo (IR)
- Rayos X
- Ondas de radio
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

Control de Azufre (S) online: Método de pirofluorescencia. Aplicaciones en Petroquímica, Industria del ácido sulfúrico, SO₂ en vertidos gaseosos y en inmisión.
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 (I_F) 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.