Adsorbentes empleados en monitoreo de aire

Se hace una rápida revisión de los adsorbentes sólidos más empleados en el control de contaminantes en aire.

La adsorción del aire en un líquido fue uno de los métodos más populares para el estudio de contaminantes en aire, pero presentaba una serie de inconvenientes. Posteriormente, se desarrollaron sistemas más prácticos y, en la actualidad, los cartuchos para adsorción en sólidos son los más empleados ya sea en muestreos dinámicos [1-6] como pasivos [7].

Cualquier gas, vapor, líquido o soluto se puede adherir a una superficie sólida porosa a temperatura ambiente o menor (30 a 0°C). La estructura del adsorbente es cristalina y las fuerzas de valencia que unen los átomos del enrejado están insatisfechas en su superficie. Las moléculas del adsorbato son así atraídas a la superficie exterior y también a la interior a través de una amplia red de canales extremadamente finos y poros submicroscópicos [1-3,6].
Éstas y la facilidad de manipulación son las características que hacen que estos sólidos sean preferidos para recolectar muestras de aire.
El mismo tipo de fuerzas que causa la condensación está involucrado en la adsorción física.
La cantidad de gas adsorbido en condiciones seleccionadas es directamente proporcional a su facilidad de condensación.
De tal manera que el punto de ebullición es una buena indicación de la facilidad del compuesto para ser adsorbido.
La tendencia del gas a adsorberse aumenta con la presión y disminuye con el aumento de la temperatura a la que esté sometido. Por lo general, la adsorción del gas progresa rápidamente en la primera exposición.
Después, el proceso continúa a un ritmo menor conforme la superficie adsorbente va siendo ocupada por moléculas del gas.
La cantidad de contaminante gaseoso adsorbido por una cantidad determinada de adsorbente [2-4,6] depende de:

a. la concentración de aire sobre la superficie

Altas concentraciones o presiones parciales del gas en el aire conducen a mayores adsorciones. Aunque no es técnicamente posible alcanzar 100% de eficiencia en la recolección, se consigue valores muy altos que permiten que los análisis sean cuantitativos.

b. la superficie total del adsorbente

Los mejores adsorbentes son los gránulos de materiales porosos, como la sílica gel o el carbón activado obtenido de cáscara de coco, cuyas superficies son muy grandes y ocupan pequeños volúmenes, además de no restringir el flujo del gas a través del lecho de gránulos. Un adsorbente granular puede retener hasta 40% de su peso en adsorbato.

c. la temperatura

La temperatura ambiente, o más baja, favorece la adsorción.

d. otros gases competidores por los sitios de adsorción

Algunos sistemas utilizan lechos múltiples de varios adsorbentes en serie para recolectar diferentes compuestos en el aire sin ocasionar problemas de contaminación de la muestra.

e. las propiedades del adsorbato (tamaño, polaridad, etc.)

Las moléculas gaseosas grandes son más fácilmente adsorbidas que las pequeñas, excepto los fluorocarbonos. Los compuestos ligeros son difíciles de ser adsorbidos físicamente. HCHO, NH 3 o HCl pueden adsorberse químicamente, lo cual involucra una reacción química, o ser absorbidos. La eficacia es mayor cuanto mayor es la afinidad del gas contaminante por el sustrato.

En la Tabla 1 se lista algunos de los adsorbentes más empleados [1-6].
Todos difieren en el número y tipo de sustancias que adsorben así como en la cantidad de adsorbato que retienen. Tenax ha sido desarrollado por AKZO Research Laboratories y comercializado por Enka N.V., Amberlite XAD-2 es marca registrada de Rohm & Haas Co, Supelco comercializa Carbotrap, Thermosorb es comercializado por Thermedics Detection Inc. y Anasorb es marca registrada de SKC Inc.
Sílica gel, carbón activado y Tenax son los más utilizados, adsorben una variedad de compuestos orgánicos volátiles (VOC) y tienen excelentes propiedades de almacenamiento previo al análisis.
En raras ocasiones se les usa para recolección y análisis cuantitativos de gases inorgánicos.
La sílica gel es una sustancia altamente polar y adsorbe agua en mayor proporción que gases y vapores orgánicos, lo que debe ser considerado al recolectar muestras en corrientes de gas con alta humedad relativa [1,5]. El carbón activado es el más usado para concentrar y almacenar vapores orgánicos.
Como es no polar, tomar muestras en ambientes con humedad relativa alta no ofrece los problemas que la sílica gel. El Tenax es usado para muestrear bajos niveles de VOC, es no polar y el vapor de agua no afecta el muestreo [1].

Tabla 1. Adsorbentes sólidos más comunes.

Los adsorbentes son colocados en tubos de vidrio o de polietileno, de pequeño tamaño y muy fácil manipulación. De esta manera, es fácil colocar los trenes de muestreo en lugares representativos de la zona de estudio o efectuar estudios de exposición a contaminantes en ambientes laborales colocando uno de estos cartuchos en la solapa de un trabajador [3,5]. Por lo general, estos dispositivos tienen en su interior varias capas del material adsorbente de diferente tamaño de grano y separadas por espuma plástica o fibra de vidrio [2-3].
Esto permite la separación selectiva de los gases y en algunos casos impide la formación de sustratos contaminantes como, por ejemplo, en los muestreos de nitrosaminas.
También existen tubos colorimétricos basados en la adsorción física y en el mercado se ofrece más de 250 tubos diferentes de acuerdo al analito (NH 3 , C 6 H 6 , CO 2 , CO, Cl 2 , HCHO, H 2 S, CH 3 OH, CH 2 CH 2 , CH 3 Br, NO 2 , O 3 , PH 3 , SO 2 y otros).
Este tipo de tubo está lleno de un material granular que reacciona colorimétricamente con un contaminante y produce un cambio en el interior del tubo. Este cambio puede ser medido en algunos casos comparando la intensidad del color con una escala de colores o la longitud del cambio con una escala graduada [2,4].
La adsorción física es fácilmente revertida por desorción con alta temperatura o por uso de solvente.
Ambas técnicas son empleadas para recuperar el adsorbato y someterlo al análisis químico. La desorción térmica se usa para recuperar VOC y generalmente el muestreador es colocado en línea con un equipo de cromatografía de gases convencional o con detector de masas.
No existe un adsorbente universal; la razón es la amplísima variedad de tipos, tamaños y reactividades de los contaminantes presentes en el aire.
El carbón activado es el soporte más común para vapores orgánicos y la sílica gel es lo mejor para vapores inorgánicos y orgánicos polares. Hay muchos más, pero el criterio principal para aceptarlos es que puedan recoger, atrapar y estabilizar exitosamente los contaminantes de manera que puedan ser apropiadamente analizados luego de un tiempo.
En la literatura científica es posible encontrar reportes sobre nuevos soportes desarrollados

En base a la experiencia, es altamente recomendable el uso de este tipo de adsorbentes para muestreos dinámicos o pasivos debido a la facilidad de manipulación y por la posibilidad de almacenamiento y análisis químico del analito casi sin interferencias.
Sin embargo, se debe resaltar que cualquier muestreo será exitoso en la medida que se respeten la representatividad y la correcta selección del adsorbente.

Nadia Gamboa
Departamento de Ciencias,
Facultad de Ciencias e Ingeniería,
Pontificia Universidad Católica del Perú
Av. Universitaria Cuadra 18 s/n, San Miguel, Lima, Perú.
e-mail: [email protected], FAX 51 1 4611785

1. Lodge, J. (Ed). “Methods of Air Sampling and Analysis”. Lewis Publishers, Inc. USA, 1996.
2. Wight, G. “Fundamentals of Air Sampling”. Lewis Publishers. USA. 1994.
3. Warner, P. “Análisis de los Contaminantes del Aire”. Paraninfo. Madrid. 1980.
4. Martí, A. (Coord.). “Análisis de Contaminantes Químicos en Aire”. Ministerio de Trabajo y Seguridad Social. Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo. Barcelona. 1992.
5. Keith, L. (Ed) “Principles of Environmental Sampling” ACS Professional Reference Book. Washington. 1996.
6. Harper, M. “Methods of Characterizing Sorbents for Air Sampling Purposes”. Fundamentals of Adsorption.
En: Proc. IVth Int. Conf. on Fundamentals of Adsorption. Kyoto, May 17-22 (1992). p.267 – 274 (1993).
7. Begerow, J.,Jermann, E., Keles, T., Ranft, U., Dunemann, L. Fresenius Journal of Analytical Chemistry 35, 549 – 554 (1995).