Gases y Vapores Módulo No. 4 Ing. Cesar Rozo Zorrilla

Módulo No. 4. Química, evaluación, instrumentos de muestreo y técnicas de análisis de los gases y vapores.

Generalidades. La cuantificación de un riesgo químico en un medio laboral implica la medición de las concentraciones de dichos contaminantes. Esta medición puede hacerse de diferentes formas, teniendo en cuenta estos aspectos: 1. 2. 3. 4.

Características de contaminante. Tipo de instrumentación. Duración de la medición. Localización de la medición.

Soporte cualitativo: - Espectrometría de masas para compuestos orgánicos. - Infrarrojo para compuestos orgánicos e inorgánicos. - Fluorescencia de rayos X para metales. - Microscopía electrónica para partículas y fibras. - Microscopía de dispersión para fibras. - Etc.

Soporte cuantitativo: - Cromatografía líquida y/o de gases para compuestos orgánicos. - Absorción atómica para metales. - Colorimetría para gases y plaguicidas. - Fluorimetría para aceites. - Difracción de rayos x para cristales. - Voltametría de redisolución anódica para metales. - Gravimetría para polvo y sólidos suspendidos. - Etc.

Sistemas de lectura directa. - Instrumentos colorimétricos tales como

papeles y líquidos reactivos, y tubos indicadores con reactivos sólidos. - Instrumentos eléctricos, térmicos, electromagnéticos, ópticos, etc.. para medición directa por ejemplo de amoníaco, cloro, mercurio, óxidos de nitrógeno, sulfuro de hidrógeno, ozono, hidrocarburos, etc.

Sistemas de toma de muestras y análisis. - Filtros en portafiltros o casetes. - Soluciones absorbentes en impingers. - Tubos de carbón activado u otros sólidos absorbentes. - Bolsas inertes. - Captadores pasivos específicos. - Captadores pasivos no específicos.

Aerosoles.

En higiene industrial, se denomina aerosol a una mezcla heterogénea de partículas solidas o liquidas suspendidas en un gas. El término aerosol se refiere tanto a las partículas como al gas en el que las partículas están suspendidas. El tamaño de las partículas puede ser desde 0,002 µm a más de 100 µm, esto es, desde unas pocas moléculas hasta el tamaño en el que dichas partículas no pueden permanecer suspendidas en el gas al menos durante unas horas.

Técnicas de análisis de los aerosoles. Material Particulado: Material suspendido en el aire en forma de partículas sólidas o gotas de líquido (aerosoles).

MP10: Partículas con un diámetro aerodinámico menor o igual a 10 micras. Análisis gravimétrico: Determinación de la concentración de partículas basado en la diferencia de peso. Diámetro aerodinámico es una propiedad física de una partícula en un fluido viscoso como el aire. En general, las partículas tienen una forma irregular con un diámetro real geométricas que son difíciles de medir. Diámetro aerodinámico es una expresión del comportamiento aerodinámico de una partícula como si fuese una esfera perfecta con la unidad de densidad y el diámetro igual al diámetro aerodinámico. Este modelo tiene la misma velocidad terminal de sedimentación. Diámetro aerodinámico es comúnmente aplicado a partículas contaminantes y fármacos inhalados para predecir en qué lugar del tracto respiratorio tales partículas se depositarán.

Resumen del método. Los filtros de micro fibra de cuarzo, nylon, etc., son pesados antes y después de muestreados en una balanza electrónica, esta información es ingresada a un sistema de registro en una planilla de calculo para la determinación posterior de la concentración.

El MP10 es recolectado desde el aire ambiente por un periodo determinado de horas en un sustrato de micro fibra de cuarzo (filtro).

Luego del pesaje final la concentración de material particulado MP10 es expresada en mg/m³ o μg/m³.

Los cálculos se basan en el volumen total de aire que ha pasado a través del filtro. Los filtros son debidamente almacenados de acuerdo a su posterior uso. Es importante anotar que estas bombas de muestreo tienen la particularidad de operar a un flujo constante que se regula según el protocolo y la técnica que se esté utilizando.

Gases y vapores. Las técnicas para la determinación de las concentraciones de gases y vapores en los sitios de trabajo son mucho más complejas que las utilizadas para los aerosoles donde casi se generaliza al método gravimétrico. Las propiedades fisicoquímicas de estas sustancias hacen que su captación sea compleja y que su valoración cualitativa y cuantitativa, por los equipos analíticos que se necesitan, dificulten aún mas nuestro trabajo.

Técnicas de análisis de gases y vapores. Se denomina gas al estado de agregación de la materia en el que las sustancias no tienen forma ni volumen propio, adoptando el de los recipientes que las contienen. Las moléculas que constituyen un gas casi no son atraídas unas por otras, por lo que se mueven en el vacío a gran velocidad y muy separadas unas de otras, explicando así las propiedades:

- Las moléculas de un gas se encuentran prácticamente libres, de modo que son capaces de distribuirse por todo el espacio en el cual son contenidos. - Las fuerzas gravitatorias y de atracción entre las moléculas son despreciables, en comparación con la velocidad a que se mueven las moléculas. - Los gases ocupan completamente el volumen del recipiente que los contiene. - Pueden comprimirse fácilmente, debido a que existen enormes espacios vacíos entre unas moléculas y otras.

El estado de vapor es la fase gaseosa de una sustancia cuando ésta se encuentra por debajo de su temperatura crítica. El estado de vapor es un estado de agregación de la materia en el que las moléculas interaccionan sólo débilmente entre sí, sin formar enlaces moleculares adoptando la forma y el volumen del recipiente que las contiene y tendiendo a separarse, esto es, expandirse, todo lo posible. Temperatura crítica es aquella sobre la cual un gas no puede ser licuado solo con presión. A esta temperatura, no hay distinción entre líquido y vapor, teniendo ambos la misma densidad y constituyendo un sistema homogéneo.

Resumen del método. El contaminante es recolectado desde el aire ambiente por un periodo determinado de horas en un sustrato reactivo liquido definido por un protocolo específico de la N.I.O.S.H. y contenido en un impinger.

Por estequiometria se calcula la concentración del gas o vapor de interés, expresada en mg/m³ o μg/m³.

Los cálculos se basan en el volumen total de aire que ha pasado a través del impinger. Es importante anotar que estas bombas de muestreo tienen la particularidad de operar a un flujo constante que se regula según el protocolo y la técnica que se esté utilizando. En química, la estequiometria (del griego "stoicheion” (elemento) y "métrón” (medida) es el cálculo de las relaciones cuantitativas entre reactivos y productos en el transcurso de una reacción química.

Estequiometría Un mol es la cantidad de materia que contiene 6.02 x 1023 partículas elementales (ya sea átomos, moléculas, iones, partículas subatómicas, etcétera). Por eso cuando un químico utiliza el término mol, debe dejar en claro si es: 1 1 1 1

mol mol mol mol

de de de de

átomos moléculas iones cualquier partícula elemental.

Mol: Se define como la cantidad de materia que tiene tantos objetos como el número de átomos que hay en exactamente 12 gramos de 12C. Se abrevia como 6.02 x 1023, y se conoce como número de Avogadro.

En otras palabras, un Mol se define como el peso atómico o molecular de la sustancia, expresado en gramos. 1 Mol de carbono = 12 gramos 1 Mol de oxígeno = 16 gramos 1 Mol de CO2 = 12+2(16)= 44 gramos Cada Mol contiene 6.02 x 1023 átomos o moléculas.

Por ejemplo en la ecuación ajustada siguiente: 2H2 + O2 ↔ 2H2O la producción de dos moles de agua requieren el consumo de 2 moles de H2 un mol de O2. Por lo tanto, en esta reacción tenemos que: "2 moles de H2, 1 mol de O2 y 2 moles de H2O" son cantidades estequiométricamente equivalentes.

Estas relaciones estequiométricas, derivadas de las ecuaciones ajustadas, pueden usarse para determinar las cantidades esperadas de productos para una cantidad dada de reactivos.

Ejemplo:

2H2 + O2 ↔ 2H2O Cuantas moles de H2O se producirán en una reacción donde tenemos 1.57 moles de O2?

Ejemplo:

2C4H10 +13O2 ↔ 8CO2 +10H2O Calcular la masa de CO2 que se produce al quemar 1.00 gramo de C4H10 (Butano).

Procedimiento de toma de muestras. 1. Se coloca en el impinger una cantidad determinada del reactivo especificado por uno de los protocolos de la N.I.O.S.H., anotando este valor en la planilla de calculo. 2. Se calibra la bomba de muestreo reglándola en el flujo que indique el protocolo. Ej.: 2.5 litros/min. 3. Se transporta el equipo al sitio de muestreo según lo indique el protocolo, para evitar deterioro de las muestras.

4. Se determina el tiempo de muestreo según el protocolo, iniciando el proceso.

5. Una vez finalizado el muestreo se transporta el equipo al laboratorio y se procesa según lo descrito en el protocolo. 6. Se hacen los cálculos estequiométricos y se colocan los resultados en la planilla de calculo.

Calculo de la concentración. a) La masa de la sustancia resultante es función de la masa del contaminante, expresada en mg. o µg. b) Como la bomba trabajó durante determinado número de horas a un flujo constante podemos conocer el volumen de aire contaminado que pasó por el filtro, expresado en m³. c) Esa masa sobre el volumen de aire manejado se constituyen en la concentración del gas o vapor, expresada generalmente en mg/m³ o µg/m³.

Ejercicio en clase: Deseamos medir la concentración de dióxido de azufre en un sitio de trabajo donde las condiciones ambientales se consideran casi constantes día a día, utilizando para ello uno de los métodos adoptados por la A.C.G.I.H., y donde su T.L.V.-T.W.A. es de 5.2 mg/m³. La bomba de muestreo se calibra para un flujo de 2.5 litros por minuto, y este se realizará durante 8 horas continuas. El Dióxido de azufre es un gas corrosivo que se produce por la quema de combustibles, como el carbón y el petróleo, que contienen azufre. También se produce a partir de las salpicaduras del mar, la descomposición orgánica y las erupciones volcánicas. Cuando se combina con agua en el aire, produce un ácido sulfúrico débil, corrosivo, que es uno de los ingredientes de la lluvia ácida.

Uno de los protocolos de la N.I.O.S.H. establece que para captar SO2 se hace en peróxido de hidrógeno, produciéndose acido sulfúrico. SO2 + H2O2

H2SO4

Si de nuestro muestreo resulta que se produjeron 1.4826 mg. de acido sulfúrico, determinar la concentración del SO2, y si esta es de interés ocupacional al compararla contra el T.L.V.-T.W.A. ya citado para ella. El peróxido de hidrógeno, también conocido como agua oxigenada o dioxidano, es un compuesto químico con características de un líquido altamente polar, fuertemente enlazado con el hidrógeno tal como el agua, que por lo general se presenta como un líquido ligeramente más viscoso que ésta. Es conocido por ser un poderoso oxidante.

Fin del Módulo No. 4