Un detector de ionización de llama (FID) es un instrumento científico que mide analitos en una corriente de gas. Se utiliza con frecuencia como detector en cromatografía de gases . La medición de iones por unidad de tiempo lo convierte en un instrumento sensible a la masa. [1] independiente FID también se puede utilizar en aplicaciones tales como la vigilancia de gas de vertedero , las emisiones fugitivas seguimiento y motor de combustión interna de medición de emisiones [2] en los instrumentos estacionarios o portátiles.
Historia
Los primeros detectores de ionización de llama fueron desarrollados simultánea e independientemente en 1957 por McWilliam y Dewar en Imperial Chemical Industries de Australia y Nueva Zelanda (ICIANZ, ver historia de Orica ) Laboratorio Central de Investigación, Ascot Vale, Melbourne , Australia . [3] [4] [5] y por Harley y Pretorius en la Universidad de Pretoria en Pretoria , Sudáfrica . [6]
En 1959, Perkin Elmer Corp. incluyó un detector de ionización de llama en su Fractómetro de vapor. [7]
Principio de operación
El funcionamiento del FID se basa en la detección de iones formados durante la combustión de compuestos orgánicos en una llama de hidrógeno . La generación de estos iones es proporcional a la concentración de especies orgánicas en la corriente de gas de muestra.
Las mediciones de FID generalmente se informan como "como metano", es decir, como la cantidad de metano que produciría la misma respuesta. Los hidrocarburos generalmente tienen factores de respuesta molar que son iguales al número de átomos de carbono en su molécula, mientras que los oxigenados y otras especies que contienen heteroátomos tienden a tener un factor de respuesta más bajo. El monóxido de carbono y el dióxido de carbono no son detectables por FID.
Las mediciones de FID a menudo se etiquetan como "hidrocarburos totales" [8] o "contenido total de hidrocarburos" (THC), aunque un nombre más exacto sería "contenido total de hidrocarburos volátiles" (TVHC), [9] ya que los hidrocarburos que se han condensado no son detectados, aunque son importantes, por ejemplo, para la seguridad al manipular oxígeno comprimido.
Para detectar estos iones, se utilizan dos electrodos para proporcionar una diferencia de potencial. El electrodo positivo actúa como cabezal de boquilla donde se produce la llama. El otro electrodo negativo se coloca sobre la llama. Cuando se diseñó por primera vez, el electrodo negativo tenía forma de lágrima o una pieza angular de platino. Hoy, el diseño se ha modificado en un electrodo tubular, comúnmente conocido como placa colectora. De este modo, los iones son atraídos hacia la placa colectora y, al chocar contra la placa, inducen una corriente. Esta corriente se mide con un picoamperímetro de alta impedancia y se alimenta a un integrador . La forma en que se muestran los datos finales se basa en la computadora y el software. En general, se muestra un gráfico que tiene el tiempo en el eje xy el ión total en el eje y.
La corriente medida corresponde aproximadamente a la proporción de átomos de carbono reducidos en la llama. Específicamente, no se comprende necesariamente cómo se producen los iones, pero la respuesta del detector está determinada por el número de átomos de carbono (iones) que golpean el detector por unidad de tiempo. Esto hace que el detector sea más sensible a la masa que a la concentración, lo cual es útil porque la respuesta del detector no se ve muy afectada por cambios en el caudal del gas portador.
Descripción
El diseño del detector de ionización de llama varía de un fabricante a otro, pero los principios son los mismos. Por lo general, el FID se adjunta a un sistema de cromatografía de gases.
El eluyente sale de la columna de cromatografía de gases (A) y entra en el horno del detector FID (B). El horno es necesario para asegurarse de que tan pronto como el eluyente salga de la columna, no salga de la fase gaseosa y se deposite en la interfaz entre la columna y el FID. Esta deposición daría como resultado la pérdida de eluyente y errores en la detección. A medida que el eluyente sube por el FID, primero se mezcla con el combustible de hidrógeno (C) y luego con el oxidante (D). La mezcla de eluyente / combustible / oxidante continúa viajando hasta el cabezal de la boquilla donde existe un voltaje de polarización positivo. Este sesgo positivo ayuda a repeler los iones de carbono reducidos creados por la llama (E) que piroliza el eluyente. Los iones (F) son repelidos hacia las placas colectoras (G) que están conectadas a un amperímetro muy sensible, que detecta los iones que golpean las placas y luego alimenta esa señal a un amplificador, integrador y sistema de visualización (H). Los productos de la llama finalmente se ventilan fuera del detector a través del puerto de escape (J).
Ventajas y desventajas
Ventajas
Los detectores de ionización de llama se utilizan mucho en cromatografía de gases debido a una serie de ventajas.
- Costo: Los detectores de ionización de llama son relativamente económicos de adquirir y operar.
- Bajos requisitos de mantenimiento: además de limpiar o reemplazar el inyector FID, estos detectores requieren poco mantenimiento.
- Construcción robusta: los FID son relativamente resistentes al mal uso.
- Rangos de linealidad y detección: los FID pueden medir la concentración de sustancias orgánicas a niveles muy bajos ( 10-13 g / s) y muy altos, con un rango de respuesta lineal de 10 7 g / s. [1]
Desventajas
Los detectores de ionización de llama no pueden detectar sustancias inorgánicas y algunas especies altamente oxigenadas o funcionalizadas como la tecnología infrarroja y láser pueden hacerlo. En algunos sistemas, el CO y el CO 2 se pueden detectar en el FID utilizando un metanizador , que es un lecho de catalizador de Ni que reduce el CO y el CO 2 a metano, que a su vez puede ser detectado por el FID. El metanizador está limitado por su incapacidad para reducir compuestos distintos del CO y el CO 2 y su tendencia a ser envenenado por una serie de productos químicos que se encuentran comúnmente en los efluentes de la cromatografía de gases.
Otra desventaja importante es que la llama FID oxida todos los compuestos oxidables que la atraviesan; todos los hidrocarburos y oxigenados se oxidan a dióxido de carbono y agua y otros heteroátomos se oxidan de acuerdo con la termodinámica. Por esta razón, los FID tienden a ser los últimos en un tren de detectores y tampoco pueden usarse para trabajos preparatorios.
Solución alternativa
Una mejora del metanizador es el reactor Polyarc , que es un reactor secuencial que oxida los compuestos antes de reducirlos a metano. Este método se puede utilizar para mejorar la respuesta del FID y permitir la detección de muchos más compuestos que contienen carbono. [11] La conversión completa de compuestos en metano y la respuesta ahora equivalente en el detector también elimina la necesidad de calibraciones y estándares porque los factores de respuesta son todos equivalentes a los del metano. Esto permite el análisis rápido de mezclas complejas que contienen moléculas donde los estándares no están disponibles.
Ver también
Referencias
- ↑ a b Skoog, Douglas A .; Holler, F. James; Crouch, Stanley R. (27 de enero de 2017). Principios del análisis instrumental . Aprendizaje Cengage. ISBN 9781305577213.
- ^ "Principios del detector de ionización de llama" . www.cambustion.com . Consultado el 3 de diciembre de 2014 .
- ^ Scott, RPW, 1957, Cromatografía en fase de vapor, Ed. DH Desty (Londres: Butterworths), pág. 131.
- ^ McWilliam, IG; Dewar, RA (1958). "Detector de ionización de llama para cromatografía de gases". Naturaleza . 181 (4611): 760. Bibcode : 1958Natur.181..760M . doi : 10.1038 / 181760a0 . S2CID 4175977 .
- ^ Morgan, DJ (1961). "Construcción y funcionamiento de un detector de ionización de llama simple para cromatografía de gases" . J. Sci. Instrum . 38 (12): 501–503. Código bibliográfico : 1961JScI ... 38..501M . doi : 10.1088 / 0950-7671 / 38/12/321 . Consultado el 18 de marzo de 2009 .
- ^ Harley, J .; Nel, W .; Pretorius, V. (1 de diciembre de 1956). "Un nuevo detector para cromatografía en fase vapor". Naturaleza . 178 (4544): 1244. Bibcode : 1956Natur.178.1244H . doi : 10.1038 / 1781244b0 . PMID 13387685 . S2CID 4167882 .
- ^ "Línea de tiempo" . Perkinelmer.com . Consultado el 12 de diciembre de 2014 .
- ^ ASTM D7675-2015: Método de prueba estándar para la determinación de hidrocarburos totales en hidrógeno mediante un analizador de hidrocarburos totales (THC) basado en FID . ASTM . Diciembre de 2015. doi : 10.1520 / D7675-15 .
- ^ "Hidrocarburos Totales" . Químicos Analíticos, Inc . Consultado el 23 de enero de 2017 .
- ^ "Diapositiva 11 sobre la presentación" Cromatografía de gases " . slideplayer.com . Consultado el 8 de marzo de 2016 .
- ^ Dauenhauer, Paul (21 de enero de 2015). "Detector cuantitativo de carbono (QCD) para la caracterización de alta resolución sin calibración de mezclas complejas". Lab Chip . 15 (2): 440–7. doi : 10.1039 / c4lc01180e . PMID 25387003 .
Fuentes
- Skoog, Douglas A., F. James Holler y Stanley R. Crouch. Principios del análisis instrumental. 6ª Edición. Estados Unidos: Thomson Brooks / Cole, 2007.
- Halász, I .; Schneider, W. (1961). "Análisis cromatográfico cuantitativo de gases de hidrocarburos con columna capilar y detector de ionización de llama". Química analítica . 33 (8): 978–982. doi : 10.1021 / ac60176a034 .
- GH JEFFERY, J.BASSET, J.MENDHAM, RCDENNEY, "LIBRO DE TEXTO DE ANÁLISIS QUANTITATIVO QUIMICO CUANTITATIVO DE VOGEL".