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Publicado em 17/06/2016
Detecção de Gases: Sensores por fotoionização e  combustão catalítica.

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? 

  • Radiação. 
  • 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. 

 

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: 

  • Seguir as recomendações do fabricante. 
  • 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. 

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