Detecção de Gases: Sensores por fotoionização e combustão catalítica. - Ag Solve Monitoramento Ambiental
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Dúvidas freqüentes surgem em relação à eficiência e aplicações corretas de diferentes metodologias de detecção de gases, principalmente relacionadas a Compostos Orgânicos Voláteis (VOCs).
Entre os métodos conhecidos de detecção destacam-se os equipamentos com princípios de funcionamento por fotoionização (PID) e por combustão catalítica (LEL).
O PID é utilizado principalmente em avaliações de gases envolvendo VOCs, sendo essa a tecnologia mais precisa quando tratamos do monitoramento desse tipo de composto. Já o sensor de LEL é ideal para determinação de explosividade e não concentrações tóxicas, pois este não detém a sensibilidade necessária. Esse fato acontece principalmente devido a grande parte dos VOC atingirem o limite mínimo de explosividade em concentrações muito altas.
Ambos os métodos são indicados por órgãos fiscalizadores como tecnologias adequadas para a detecção de gases. Por exemplo, no Sistema de Licenciamento de Postos de Combustíveis (disponível no site www.cetesb.sp.gov.br), a Cetesb aprova a utilização desses métodos para avaliação de gases. Ainda é discorrido que, ao ser iniciada a medição com um determinado equipamento, o mesmo deve ser utilizado em todas as amostras da área investigada.
Nesse contexto, o presente documento objetiva expor as principais características e aplicações dos métodos de detecção de gases utilizando sensores por fotoionização e por combustão catalítica.
Detector por fotoionização (PID)
O que é um sensor de PID?
PID (Photoionization Detector) é um detector de gases que tem como princípio de funcionamento a fotoionização. A determinação de VOCs é precisa desde baixas concentrações, na ordem de ppb (partes por bilhão), até concentrações superiores a 10.000 ppm (partes por milhão). Além disso, essa tecnologia terá utilizada em outras aplicações distintas.
Como o sensor de PID trabalha?
Um detector por fotoionização (PID) utiliza uma lâmpada ultravioleta (UV) para "separar" moléculas em íons positivos e negativos, essa ação faz com que possam ser detectados e assim medidos (figura 01). A ionização acontece quando a molécula absorve a alta quantidade de energia da lâmpada ultravioleta, excitando a mesma, o que resultará na perda temporária de elétron e geração do íon positivo. O gás a partir de então se torna carregado eletricamente. No sensor de PID essas partículas carregadas geram uma corrente, queserá amplificada e a concentração mostrada no display em ppm ou até mesmo em ppb.
Após a passagem dos íons pelos eletrodos do sensor, estes rapidamente se recombinam para formar a molécula original novamente. A tecnologia PID não é destrutiva, ela não queima o gás ou o altera permanentemente, o que permitirá a sua utilização em amostragens de gases.
Figura 01 - Quebra da molécula em íons positivos e negativos.
O que o sensor de PID detecta?
Todos os elementos que podem ser ionizados necessitaram de quantidades diferentes de energia. Essa energia necessária para desassociar um elétron e ionizar um composto, é chamada de Potencial de Ionização (PI) e medida em elétron-Volt (eV), (figura 02). A energia luminosa emitida pela lâmpada UV é sempre medida em eV.
O maior grupo de compostos que podem ser medido pelo PID são os Orgânicos Voláteis, como por exemplo:
Aromáticos: Compostos que contem anéis de benzeno incluindo benzeno, tolueno, etilbenzeno e xileno.
Cetonas e aldeídos: Compostos que contém a ligação C = O incluindo acetona, metil-etilcetona e acetaldeído.
Amidas e aminas: Compostos orgânicos que contem nitrogênio, como a dietilamina.
Hidrocarbonetos clorados: Como o tricloroetileno e o percloroetileno.
Compostos de enxofre: Mercaptanos, Sulfetos.
Hidrocarbonetos insaturados:Como butadieno e isobutileno.
Alcoóis: Como isopropanol e etanol.
Hidrocarbonetos saturados:Como o butano e o octano.
Nota: Se o Potencial de Ionização do gás amostrado é menor que a saída em eV da lâmpada UV, então o gás pode ser ionizado e conseqüentemente medido.
Figura 02 – Potencial de Ionização de Compostos Conhecidos
O que o PID não detecta?
Ar (N2,O2,CO2 ,H2O)
Tóxicos comuns (CO, HCN, SO2)
Gases naturais (metano e etano)
Gases Ácidos (HCl, HF, HNO3)
Outros: Freons, Ozônio, peróxido de hidrogênio.
Não Voláteis: PCBs, graxas.
Simplificando a operação do PID
O funcionamento do sensor pode ser facilmente explicado quando fazemos uma comparação com "potência". Como o sensor PID utiliza uma lâmpada para separar gases e vapores, se a "potência" de um gás ou vapor é menor que a da lâmpada do sensor de PID, então o sensor pode "medir" o gás. Se a "potência" do gás ou vapor é maior que a da lâmpada do sensor de PID então não é possível "medir" o gás.
Combustão Catalítica (LEL)
O que é LEL?
LEL (Lower Explosive Limit) é a concentração mínimaque um gás ou vapor combustível entrará em ignição se uma fonte de ignição estiver presente. Gases diferentes terão intervalos de inflamabilidade distintos.
Como o sensor de LEL funciona?
Existem dois tipos de tecnologias para a medição do limite mínimo de explosividade de gases combustíveis: combustão catalítica e sensores com semicondutores. A tecnologia mais utilizada é a combustão catalítica.
O sensor possui dois elementos de filamentos, um de platina revestido com alumínio poroso e catalisador e outro com alumínio puro e também com catalisador (compensador), ambos aquecidos (figura 03).
Ao entrar em contato com o gás combustível ocorrerá a combustão na superfície, aumentando assim a temperatura do filamento e diminuindo a resistência elétrica. Como o segundo elemento não tem indicação de mudança de resistência, a diferença de corrente amplificada nos indicará a concentração do gás.
Nota: Se a concentração de oxigênio for menor que 10%, o sensor de LEL irá fornecer medições incorretas.
Figura 03 – Sensor de Combustão Catalítica
O que danifica o sensor de LEL?
O sensor de LEL será severamente danificado quandoeste entrar em contado com compostos que contenha silicone, mesmo em baixas concentrações. Esses compostos são encontrados, por exemplo, em lubrificantes, adesivos, cosméticos, etc. Para que a vida útil do sensor seja prolongada, é importante:
Utilizar o filtro recomendado para o sensor e substituí-lo periodicamente ou imediatamente após a exposição a compostos agressivos.
Descontaminar a bomba e substituir filtros e tubos após uma exposição severa a compostos agressivos.
Reduzir o tempo de exposição a compostos agressivos.
Desligar o equipamento quando não estiver sendo utilizado.
Diminuir o fluxo de gases no sensor ou utilizar um equipamento com o principio de difusão quando exposto a ambientes com compostos agressivos.
Limitações do sensor de LEL
O sensor de LEL muitas vezes é utilizado em medições de VOCs, mas com baixos valores de LEL, por exemplo 5%, certamente o limite tóxico de exposição da maioria dos VOCs já foi excedido.
Outras limitações do sensor de LEL será a incapacidade de diferenciar os gases combustíveis que estão sendo medidos e limitação de não detectar vapores de combustíveis com "flashpoints" maiores que 38ºC.