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Diseñodeunsensorelectroquímico
paraladeteccióncuantitativade
CompuestosOrgánicosVolátiles
LorenaGómezOrtiz
UniversidadNacionaldeColombia
FacultaddeMinas,EscueladeProcesosyEnergía
Medellín,Colombia
2016
Diseñodeunsensorelectroquímico
paraladeteccióncuantitativade
CompuestosOrgánicosVolátiles
LorenaGómezOrtiz
Tesispresentadacomorequisitoparcialparaoptaraltítulode:
MagisterenIngenieríaQuímica
Director:
Msc.CarlosIgnacioSánchezSáenz
LíneadeInvestigación:
Electroquímica
GrupodeInvestigación:
GrupodeInvestigaciónenIngenieríaElectroquímicaGRIEQUI
UniversidadNacionaldeColombia
FacultaddeMinas,EscueladeProcesosyEnergía
Medellín,Colombia
2016
Me gusta la gente que vibra, que no hay que
empujarla, que no hay que decirle que haga las
cosas,sinoquesabeloquehayquehaceryquelo
hace. Lagenteque cultiva sus sueñoshastaque
esossueñosseapoderandesupropiarealidad
MarioBenedetti
AgradecimientosA Sebastián por su apoyo incondicional, a Carlos Sánchez por su confianza, ami familia y
amigosporacompañarmeenmicamino.
Resumen y Abstract IX
Resumen
Se propone el diseño de sensores de potencial mixto para la detección cuantitativa de
CompuestosOrgánicosVolátiles y elmodelamiento en el softwareComsolmultiphysics®,
mediante el diseño, construcción, evaluación y modelamiento de un dispositivo para la
determinacióndeetanolenmezclasgaseosas.Apartirdeestemodeloseobtienelabasepara
realizarlaoptimizacióndeotrossensoresdepotencialmixtoqueserequieranemplearpara
detectarcompuestosorgánicosvolátilesdeinterésendiferentesprocesos.
Palabrasclave:Sensorelectroquímico,compuestoorgánicovolátil.
Abstract
It is proposed the design ofmixed potential sensors for quantitative detection of Volatile
Organic Compounds and themodelling in software Comsol ®multiphysics. By designing,
constructing,evaluatingandmodellingadeviceforthedeterminationofethanolingaseous
mixtures. This model is obtained as a further optimisation tool for othermixed potential
sensorstodetectvolatileorganiccompoundsofinterestindifferentprocesses.
Keywords:Electrochemicalsensor,volatileorganiccompound.
Contenido XI
Contenido
PÁG.
1. SENSORESDEGASES......................................................................................................171.1 GENERALIDADES..................................................................................................................171.2 MODELAMIENTODESENSORES..............................................................................................191.3 SENSORESDEPOTENCIALMIXTO..........................................................................................22
2. MODELO..........................................................................................................................27
3. PROCEDIMIENTOEXPERIMENTAL...............................................................................313.1 PREPARACIÓNDEELECTRODOS.............................................................................................313.2 PREPARACIÓNDELMONTAJE.................................................................................................323.3 RESULTADOSEXPERIMENTALES............................................................................................333.4 APLICACIÓNDELMODELO.....................................................................................................34
4. CONCLUSIONESYRECOMENDACIONES.......................................................................43
Contenido XII
Listadefiguras
PÁG.
Figura1-1:Esquemageneraldelsensor ............................................................................ 23Figura1-2:Curvasdepolarizacióndelestablecimientodepotencialesmixtos(Fergus2007) .......................................................................................................................................... 24Figura1-3:Curvadepolarizacióndelestablecimientodepotencialesmixtosenreaccioneslimitadasporladifusión(Fergus2007) ............................................................................. 25Figura3-1:Piezasuperiordeldispositivo .......................................................................... 32Figura3-2:Piezainferiordeldispositivo ........................................................................... 32Figura3-3:Piezaintermediadeldispositivo ...................................................................... 32Figura3-4:Ensambledeldispositivo ................................................................................. 33Figura3-5:Lecturadelsensor ........................................................................................... 34Figura3-6:Geometríaymalla. .......................................................................................... 36Figura3-7:Potencialmixtovsfracciónmolardelcompuestoenelgasdeanálisis. ............. 36
Contenido XIII
Listadetablas
PÁG.
Tabla1-1: SensoresdepotencialmixtoparaladeteccióndeCOV. ................................... 26Tabla3-1:Lecturadelsensor ............................................................................................ 34Tabla3-2: Parámetrosempleadosenelmodelo(Hoyos,González,andSánchez2004;Fredy2012;Iwasita2002;Milesetal.1978) ...................................................................... 34Tabla3-3:Composicióngasdeanálisis .............................................................................. 35Tabla3-4:Resultadospotencialmixtoparasolución100%etanol. .................................... 37Tabla3-5:Resultadospotencialmixtoparasolución80%etanol. ...................................... 38Tabla3-6:Resultadospotencialmixtoparasolución60%etanol. ...................................... 39Tabla3-7:Resultadospotencialmixtoparasolución40%etanol. ...................................... 40Tabla3-8:Resultadospotencialmixtoparasolución20%etanol. ...................................... 41
Introducción 15
Introducción
En laactualidad, laconcienciaen la importanciadelcuidadodelmedioambientey lasalud
humana,ademásdelageneracióndeprocesossosteniblesyresponsablesconlasociedady
suentorno,hangeneradolanecesidaddecontarconsensoresdealtodesempeñoysistemas
demonitoreoquepermitanladetecciónensitiodecompuestosorgánicosvolátiles(Seoetal.
2011).
Loscompuestosorgánicosvolátiles,COV (oVOCsporsussiglaseninglés),comprendenuna
amplia gama de sustancias entre las que figuran los hidrocarburos (alcanos, alquenos y
aromáticos), los halocarburos (por ejemplo, el tricloroetileno) y los oxigenatos (alcoholes,
aldehídosycetonas).Todosellossoncomponentesorgánicossuficientementevolátilescomo
paraexistirenformadevaporesenlaatmósferaencondicionesnormales.
LosCOV,constituyenunodeloscontaminantesdelairemássignificativos.Sutoxicidadestá
determinadanosoloporsuspropiedadescarcinogénicasymutagénicassinotambiénporsu
capacidad de participar en reacciones fotoquímicas (Shaobin Wang, Ang, and Tade 2007;
Gebicki, Kloskowski, and Chrzanowski 2013). Las reacciones heterogéneas de estos
compuestos tienen un papel significativo en la química y física atmosférica, el cambio
climático y en la salud humana (Shen et al. 2013). Los hidrocarburos contribuyen a la
formacióndecontaminantessecundarios,comoelozonoaniveldelsuelo,alagotamientodel
ozonoestratosféricoe,indirectamente,alaformacióndeacidezatmosférica.
LosCOVpresentesenlaconcentraciónmásaltaenlaatmósferasonloscompuestosdelgrupo
carbonilo de bajo peso molecular, tanto alifáticos como aromáticos e hidrocarburos
aromáticosquecontenganoxígenoensuestructura(Gebicki,Kloskowski,andChrzanowski
2013;H.L.Wangetal.2013).Loshidrocarburosseformanfundamentalmenteapartirdela
combustión incompleta de combustibles y la evaporación de la gasolina. Los oxigenatos
provienen de los gases de escape de los vehículos automotores y también se forman
16 Diseño de un sensor electroquímico para la detección cuantitativa de
Compuestos Orgánicos Volátiles
mediante reacciones químicas atmosféricas. Los hidrocarburos, los oxigenatos y los
halocarburostambiénseliberanalaatmósferamediantelaevaporacióndesolventescomo
losutilizadosenlaspinturasolosprocesosindustrialesdedesengrase.Lainfluenciadeestas
fuentes de emisión en la concentración de compuestos orgánicos volátiles en las áreas
urbanas,dependeentreotrasdelascondicionesmedioambientalesylascaracterísticasdela
fuente.
Se pueden emplear y diseñar sensores para detectar COV en los procesos de incineración
incompletadecombustiblesfósilesyresiduos,yengeneralprocesosqueempleansolventes
orgánicos o productos que los contengan. Teniendo en cuenta que el uso de sensores
especializados y adecuados para la detección de los compuestos orgánicos volátiles en las
posibles fuentes de emisión, permite el control y mejoramiento de los procesos, de tal
maneraque sus impactos a la salud (efectos carcinogénicosymutagénicos) y al ambiente
(aportesalcambioclimático)puedanserprevenidos.
Enelpresentetrabajo,seproponeeldiseñodesensoresdepotencialmixtoparaladetección
cuantitativa de COV y el modelamiento en el software Comsol multiphysics ® de este
dispositivo.Apartirdeestemodeloseobtienelabasepararealizarlaoptimizacióndeotros
sensoresdepotencialmixtoqueserequieranemplearparadetectarcompuestosorgánicos
volátilesdeinterésendiferentesprocesos.
Lametodologíaempleadaincluyelarevisiónbibliográfica,lapropuestadediseñodelsensor
electroquímicodepotencialmixtoparaladeteccióncuantitativadeunCOV(enestecasoun
solventeevaporado)yelplanteamientodelmodeloenComsolmultiphysics®.
Sensores de gases 17
1. SensoresdeGases
1.1 Generalidades
Un sensor es un transductor que transforma el efecto de una causa física en otro tipo de
señal, normalmente eléctrica adecuada para su posterior procesamiento. Aunque muchos
tipos de sensores han sido bien establecidos en la industria, la agricultura, la medicina y
muchasotrasáreas,eldesarrollodematerialessensoresconmejorcapacidaddedetección
sigueavanzandoaunritmosinprecedentes(ShurongWangetal.2013).Enlaeleccióndeun
sensor para una aplicación en particular hay muchos factores por considerar, como los
ambientales,económicos,ylascaracterísticaspropiasdelsensor.
La mayoría de los factores ambientales determinan la encapsulación y el aislamiento
necesarios para proteger o aislar los componentes del medio ambiente. Los factores
económicos determinan el método de fabricación y el tipo de materiales utilizados para
fabricarelsensoryenciertamedidalacalidaddelosmateriales.
Las características del sensor son las especificaciones de principal preocupación, los
parámetrosmásimportantessonlasensibilidad, laestabilidadyrepetibilidad,unsensores
útilsiestostresparámetrossonbienespecificadosparaundeterminadointervalodevalores
medidosyeltiempodeoperación.Otrascaracterísticasdelsensor,talescomolaselectividad
y la linealidad, pueden ser compensadas mediante el uso de sensores adicionales o de
circuitosdeacondicionamientodeseñal.
Los sensores electroquímicos pueden ser clasificados en tres grupos amperométricos,
basados en medidas de impedancia y potenciométricos (Singh 2007). Los sensores
amperométricos,sonsensoresbasadosencorriente,enloscualesunadiferenciadepotencial
18 Diseño de un sensor electroquímico para la detección cuantitativa de
Compuestos Orgánicos Volátiles
esaplicadaatravésdelelectrolito,estoinduceunflujodeiones.Mientraselvoltajeaplicado
incrementa, lacorrientetambiénhastaquealcanzasuvalor límite debidoalsuministrode
loscomponentes,quefinalmentesetraduceaunamedidadelaconcentracióndelcompuesto
de interés. Cuando los compuestos se encuentran ya caracterizados es posible conocer el
valordevoltajeaplicadoconstanteparaelcualsegarantizaqueelsistemaseencuentraen
corriente límite,por locualnoessiemprenecesariorealizarelbarridocompleto.Elusode
estos sensores para monitorear la calidad del aire en redes densas a bajo costo ha sido
estudiadoenlaliteratura(Meadetal.2013),tambiénhansidoestudiadoscomosensoresde
oxígeno (Renetal.2007),biosensorese inmunosensores (Stefana,vanStaden,andAboul-
Enein 2000), en electroforesis capilar (Trojanowicz 2009), para la detección de trazas de
mercurio (Cabello-Carramolino and Petit-Dominguez 2008), en la detección selectiva de
glucosa(WatanabeandEinaga2009),ladeterminacióndeinsecticidasórganofosforados(L.
ZhangandFang2010)ymuchasotrasaplicaciones.
Los sensores basados enmedidas de impedancia, son dispositivos en los cuales un voltaje
cíclico es aplicado al electrodo y un análisis de la corriente resultante es empleado para
determinar la impedancia del electrodo. Como diferentes procesos tienen diferentes
frecuencias características, la impedancia electroquímica puede ser empleada para
identificar y separar las contribuciones de procesos diferentes, como la transferencia de
electrones en la interfaz. Algunas aplicaciones son la detección de hidrocarburos en aire
(Oelgeklaus and Baltruschat 1997), antígenos (Yang et al. 2013) y solventes orgánicos
(Archer,Christophersen,andFauchet2005).
Los sensores potenciométricos, son dispositivos en los cuales la salida es un potencial de
circuitoabiertomedidocontraunareferencia,puedenserusadosparaidentificarunaamplia
variedad de especies. El voltaje medido puede ser establecido por un equilibrio
termodinámicooporunestadoestacionarioentrelareacciónelectroquímicayelelectrodo.
Algunos ejemplos de sus aplicaciones son la detección de: óxidos de nitrógeno (Zhuiykov
2006), cloro y trazas de cloruro de hidrógeno gaseoso (Pelloux and Gondran 1999),
enantiómeros con electrodos de membrana (Stefana, van Staden, and Aboul-Enein 2000),
análisis de pH en soluciones acuosas, entre otras. Entre los sensores potenciométricos se
encuentranlossensoresdepotencialmixto.
Sensores de gases 19
1.2 Modelamientodesensores
Elpropósitodelmodelamientoesinvestigarconherramientascomputacionaleseconómicas
el efecto de las variaciones de parámetros ajustables como las condiciones de operación y
modelosde contacto con sistemas físico-químicosde interés comounaayudaeneldiseño.
Generalmente, sedesarrollaunsistemasimplificadodonde lapropiedad físicaocinéticase
aísla y se complementa construyendo un modelo multifísico que acopla varios tipos de
modelos físicos (Zimmerman 2011). Además delmodelo es posible plantear esquemas de
optimización,para loscualesesaconsejablenobasarseúnicamenteen lassimulacionessin
tener en cuenta el modelo matemático del sensor, ya que esto puede ocasionar errores
debidoalasimplificacióninadecuadaolasobresimplificacióndeladescripciónmatemática
(Zhuiykov2007).
Unejemplodemodelamientodesensoreselectroquímicos,eslaprediccióndeladistribución
de temperatura y el estrés térmico asociado de los sensores amperométricos de oxígeno
durante la etapa de calentamiento, mediante el análisis de la transferencia de calor en el
trasciente, en esta simulación la resistencia eléctrica y propiedades del material son
consideradas dependientes de la temperatura, los resultados de la simulación permite
evidenciar la velocidadde respuestadel sensor, el comportamientode la temperatura y el
comportamientoanteelestréstérmico,concluyendoquelastécnicasdemodelamientoylos
acercamientos computacionales pueden ser empleados en el desarrollo de productos
similares(Renetal.2007).
En (Fong, Berini, and Tait 2012) se describe el diseño de un sensor para la detección de
hidrógenoconbuenasensibilidadteórica,elespaciodediseñofuecaracterizadoydiscutido
paradosconfiguracionesdel sensor investigadasmedianteelmétododediferencias finitas
endosdimensiones, la selecciónde la configuracióndependedemaximizar la sensibilidad
normalizada.En(S.Zhangetal.2009)sepresentaunmodelodereacciónparasensoresde
gases metal-óxido para simular los patrones de respuesta del sensor, se calculan seis
parámetrosdelmodelodecadasensorrespondiendoacadafuentedegas,deestamanerase
establecelaposibilidaddeconstruirunabasededatosdelcomportamientodelossensores,y
seproponeunmétododeevaluacióndecoincidenciade lospatronesbasadoen labasede
datosdedesempeñodelsensorparalaclasificacióndelosgasesdealimentación.
20 Diseño de un sensor electroquímico para la detección cuantitativa de
Compuestos Orgánicos Volátiles
(Cole et al. 2003) presenta un modelo que simula la respuesta química de un sensor
poliméricoaungasomezcladegases,estemodelotomaencuentalatemperatura,humedad
y los efectos de ruido en el sensor, cambiando valores de los parámetros es posible
implementar sensores polimétricos con características diferentes. El modelo es
complementadoporeldiseñoqueincluyeparámetrosrealescomoimpedanciadecontactoy
la capacitancia global del material, con la ventaja de que puede ser implementado en
diferentes tecnologías. También se ha realizado elmodelamientode sensores compuestos
catalizador-polímero, combinando dos submodelos: uno conductimétrico y otro
termodinámicoysehademostradoque la respuestade losarreglosdesensorespuedeser
estimadadelaspresionesdevapordelanalito,ymásimportanteaún,laspresionesdevapor
delosanalitospuedenserpredichasapartirdelaresistenciadelsensorenlosarreglos(Lei
etal.2007).
Otro ejemplo delmodelamiento de sensores puede ser estudiado en (López-Gándara et al.
2012), donde se presenta un modelo físico-químico del comportamiento de sensores
electroquímicosparagasesbasadosenelectrolitosconductoresdeionesenestadosólido.El
modelosecentraenelectrodosplanosconunacapaporosaydifusivaquecubreunodelos
electrodos. Suponiendo que en un intervalo de duración suficiente el sistema regresará a
estadosmuysimilaresalosiniciales,queelprocesodedifusiónesnormal,situacióncercana
al equilibrio, alta actividad catalítica y estado estacionario en el sistema
película/electrodo/electrolito/electrodo, el modelo describe las características
corriente/voltaje,ambasenestadoestacionariocomoencondiciones transitorias.Emplean
simulaciones numéricas, incluyendo modelamiento por métodos finitos, para obtener las
prediccionesdelmodelodelasrespuestasdecorrienteconrespectoalvoltaje,corrientecon
respectoaltiempoyvoltajeconrespectoaltiempoparamezclasbinarias𝑂! − 𝑁!ymezclas
multicomponentes. Para el caso de flujo electrocinético, varias aproximaciones de
modelamientohansidousadas,comosimulacionesdedinámicamolecularde ladoblecapa
eléctrica y la continuidad en la escala de longitud de esta capa. La aproximación de
continuidadhasidoempleadatambién,paramodelar ladistribucióndecargadirectamente
en ladoblecapaeléctrica,aunquelagrandiferenciaenescalasde longitudentreel tamaño
delcanalyelanchodeestacapaimplicaquelosrequerimientoscomputacionalessonaltos
Sensores de gases 21
para arreglos complicados de microcanales. En general, el modelo de capa proporciona
ecuacionesgobernantestípicasparaflujoelectrocinéticoqueincluyetransportedeespecies,
temperaturayvariacióndelaspropiedadeseléctricas,variospaquetesdeCFDincluyeneste
modelo como parte de los modos de aplicación predefinidos. El modelo de aproximación
reduccionistaesempleadoenelmodelamientodeflujoelectrocinéticoconelmodelodecapa
resueltoparapropiedadesfísico-químicasfijasparasistemasobjetivo,unadelasplataformas
más comunes para el modelo computacional de flujo electrocinético ha sido Comsol
Multiphysics(Boston,MA)(Zimmerman2011).Otrosoftwareparaelanálisisdeelementos
finitoseselQuickField(TeraAnalysisLtd.,Dinamarca),quehasidoempleadoparasimularla
respuestadedispositivosparaladeteccióndevaporesdecompuestosnitroaromáticoscomo
TNT yDNT, estos sensores elaborados con películas de semiconductores orgánicos fueron
modelados para conocer sus respuestas y para evaluar la sensibilidad cruzada para otros
compuestosorgánicosvolátilesencontradosenlaatmósfera(Blueetal.2013).
Otrométodocomúnmenteempleadoeselmétodoinversodemodelamiento,elcualsebasa
en ajustar desde un principio el modelo empleando la concentración como variable
dependiente y la respuesta instrumental como variable independiente. La fórmula del
método inverso permite el programa experimental y de modelamiento coordinado para
encontrar las condiciones de operación de mayor sensibilidad paramétrica con el fin de
informar demanera óptima el uso delmodelo para la estimación de parámetros físicos y
cinéticos. Talesmétodos inversos son extremadamente importantes cuando solomuestras
muy pequeñas del fluido de prueba están disponibles y no han sido caracterizadas antes
(Zimmerman2011).
Con respecto a los diferentes arreglos de sensores, dadas las múltiples respuestas de un
arreglo de sensores a varios analitos de interés, las muestras pueden ser clasificadas,
identificadas y cuantificadas empleando métodos estadísticos, como análisis discriminado
lineal,principiodeanálisisdecomponentes,mínimoscuadradosparciales,redesneuronales
yotros(Leietal.2007).Enlaactualidad,entrelosmétodosdeoptimizacióndearreglosseha
empleado uno que incluye el uso de criterios axiomáticos para el diseño, un algoritmo de
búsqueda multiobjetivo adaptado para buscar un conjunto óptimo de
configuraciones/soluciones, es decir genera un conjunto de posibles diseños, los cuales
22 Diseño de un sensor electroquímico para la detección cuantitativa de
Compuestos Orgánicos Volátiles
permitenunaposteriorevaluacióny selecciónbasadosen laexperimentación,y/o factores
económicos.Adicionalmenteempleantécnicasdediseñodeexperimentosparallevaracabo
lassimulacionesyelmétodopuedeseraplicadoenlaoptimizacióndearregloslinearesyno
lineares(Geng,Yang,andWu2011).
1.3 SensoresdePotencialMixto
Sidosreaccioneselectroquímicastienenlugarsimultáneamenteenunelectrodo,elpotencial
de electrodo es determinado por las velocidades de las reacciones electroquímicas
involucradas, a esto se le denomina potencial mixto. Los sensores de potencial mixto en
estadosólido,detectangasesempleandoladiferenciadeactividadcatalíticaenlosmateriales
de electrodos. Estos dispositivos, si son diseñados apropiadamente pueden presentar alta
sensibilidad y selectividad a gases Redox en atmosferas que contienen oxígeno incluso a
temperaturas elevadas (Miura, Lu, and Yamazoe 2000; Garzon, Mukundan, and Brosha
2000).
Paraobtenerunadiferenciadepotencialmedibleentrelosdoselectrodos debeexistiruna
asimetríaentrelascondicionesalasqueestánexpuestos,estapuedeserlaseparaciónfísica
en atmosferas diferentes o estar expuestos a la misma atmosfera pero con diferentes
condiciones estructurales que pueden afectar la interfaz electrodo, electrolito, gas,
cambiandolaactividadcatalítica,lalongituddedifusiónoelpatróndedifusiónyporendela
señalobservadaenelsensor.Todocambioenlatripleinterfazinfluyeeneldesempeñodel
sensordepotencialmixto(SzaboandDutta2004;LiandKale2007).
La teoríaderespuestaesexpresadaen términosdemodelosbasadosen lacinéticaButler-
Volmerenaltossobrepotenciales(comportamientoTafel).Estemodelonoesadecuadopara
describir todos los tiposderespuestadeestossensoresyaqueparabajasconcentraciones
del gas de análisis, las limitaciones debidas a la transferencia de masa deben ser
consideradas. Un mejor entendimiento experimental y teórico de los procesos que rigen
Sensores de gases 23
estos sensores puede facilitar la transición de prototipos de laboratorio a sensores
empleadoscomoherramientasenlosprocesos(Garzon,Mukundan,andBrosha2000).
UnatípicarepresentacióndeundispositivodepotencialmixtoseencuentraenlaFigura1-1,
Una celda de estado sólido conformada por el electrodo 1/electrolito/electrodo 2. Ambos
electrodossonexpuestosalgasdeanálisis,usualmenteunamezclaquecontieneoxígenoy
un gas oxidable o reducible. Se desarrolla potencialmixto de diferentes voltajes en ambos
electrodos debido a las diferencias electrocinéticas de las reacciones Redox en cada
electrodo. El voltaje de respuesta del dispositivo es la diferencia en el potencial mixto
alcanzado por cada electrodo. La respuesta del sensor puede variar de una respuesta
logarítmicadel potencialmixto a la concentracióndel gashastaunadependencia lineal. El
comportamientode la respuestadependede si es tipoTafel, limitadopor transferenciade
masa y/o si se observa cinética Butler Volmer para las reacciones electroquímicas que
determinanelpotencialmixto(Garzon,Mukundan,andBrosha2000).
Las medidas electrocinéticas y de catálisis heterogénea son necesarias para describir
completamente el comportamiento del sensor (Garzon, Mukundan, and Brosha 2000), la
verificacióncuantitativadelmecanismodepotencialmixto,puedeserestimadaapartirdela
interseccióndelacurvadepolarización(Miura,Lu,andYamazoe2000).
Figura1-1:Esquemageneraldelsensor
Es posible entender elmecanismo de potencialmixto para un sensor de electrolito sólido
tomando como ejemplo el sensor para monóxido de carbono, CO y O2, los cuales pueden
reaccionarsegúnsuspresionesparcialessiguiendolaReacción1-1hastaquelostresgases
se encuentren en equilibrio. Sin embargo, antes que la concentración de equilibrio sea
24 Diseño de un sensor electroquímico para la detección cuantitativa de
Compuestos Orgánicos Volátiles
alcanzada,elO2yelCOpuedenestablecerunpotencialmixtomediante lareduccióndelO2
siguiendo la Reacción 1-2 y la oxidación de CO mediante la Reacción 1-3 en la interfaz
electrolito-electrodo(Fergus2007).
𝐶𝑂 + 12𝑂! = 𝐶𝑂! Reacción1-1
12𝑂! + 2𝑒! = 𝑂!! Reacción1-2
𝐶𝑂 + 𝑂!! = 𝐶𝑂! + 2𝑒! Reacción1-3
Loselectronesnecesariospara laReacción1-2sonproporcionadospor laReacción1-3,así
que en la ausencia de otras reacciones electroquímicas, la corriente de ambas reacciones
debe ser igual. En la Figura 1-2 se observa un esquema de curvas de polarización que
ejemplifica tres conjuntos de curvas, con dos metales diferentes (Pt y Au) y dos
concentracionesdeCOdiferentes(Fergus2007).
Figura1-2:Curvasdepolarizacióndelestablecimientodepotencialesmixtos(Fergus2007)
Enalgunoscasos,particularmenteabajasconcentraciones,lacorrientepuedeestarlimitada
porotrosprocesos,comoladifusión.LaFigura1-3ilustraelcasoenelcuallacorrientedela
reacción de oxidación es limitada por la difusión de CO a la superficie del electrodo
alcanzandounacorrientelimitedifusional, lacualesproporcionala laconcentracióndeCO
enelgas.Porlotantolasreaccionesdeoxidaciónyreducciónenamboselectrodos,asícomo
Sensores de gases 25
los factoresgeométricos,quepuedenafectar lascorrientes límitespuedenserusadosenel
diseñodesensoresquímicosbasadosenpotencialmixto(Fergus2007).
Figura1-3:Curvadepolarizacióndelestablecimientodepotencialesmixtosen
reaccioneslimitadasporladifusión(Fergus2007)
Paraestetipodesensoresdegases,variascombinacionesdeelectrolitosólidoyelectrodos
hansidoprobadas.Elmaterialdeloselectrodos,lageometría,morfologíaytipodeelectrolito
sólido influyen en la respuestade este grupode sensores (Garzon,Mukundan, andBrosha
2000; Miura, Lu, and Yamazoe 2000). La diferencia entre electrolitos depende más de la
cinéticadelareacciónenlasuperficiedeloselectrodosquedelaspropiedadesconductoras
delelectrolito(Fergus2007).
Muchosdispositivosdepotencialmixtohansidofabricadosbasadosenelectrodosdeoroy
platino depositados en superficies de circonia. Desafortunadamente la rápida velocidad de
recristalización de los electrodos de oro a temperaturas elevadas han hecho a estos
dispositivosinestablesenprocesosatiemposprolongadosyconaltastemperaturas(Garzon,
Mukundan,andBrosha2000).Elplatinohasidoampliamenteusadocomoelectrodosensor
en los sensores de potencial mixto para gases, sin embargo, los sensores que emplean
electrodosdeplatino,presentanpequeñasFEM(EMF,por sus siglasen inglés)agasescon
temperaturassuperioresa500ºCypocaselectividaddelosgasesatemperaturasinferioresa
400ºC a menos que se encuentre cubierto por una capa catalítica. El aumento de la
26 Diseño de un sensor electroquímico para la detección cuantitativa de
Compuestos Orgánicos Volátiles
sensibilidaddelossensoresconaleacionesseconsideradebidoalareducciónenlaactividad
catalíticadelaoxidaciónenfasegaseosamediantealeacionesdePtconAu,Ag,Cu,NiyRh.
En algunos sensores se emplea unamalla de Pt para trabajar como colector de electrones
(Miura,Lu,andYamazoe2000).Losmaterialesdelelectrodosensorhansidoestudiadospara
incluir óxidos metálicos como 𝑍𝑛𝑂, 𝑆𝑛𝑂!, 𝐼𝑛!𝑂!,𝑇𝑖𝑂! para sensores basado en zirconio y
𝐶𝑟!𝑂! para sensores basados en NASICON (𝑁𝑎!𝑍𝑟!𝑆𝑖!𝑃𝑂!"). óxidos semiconductores con
actividad catalitica moderada, también tienden a funcionar bien como electrodo sensor
(Miura, Lu, and Yamazoe 2000). Los principios de la selección del material de electrodo
deben ser establecidos para obtener mejores propiedades de detección. Además, como el
papeldeloselectrodosdeóxidotodavíanoestáclaro,esnecesarioestudiosbásicossobrela
actividadcatalíticadelosóxidosparalasreaccionesquímicasyelectroquímicas.Lasolución
deestosproblemasdaríaunabaseparaconsolidar la fabricaciónde sensoresviablesen la
práctica(Miura,Lu,andYamazoe2000).
En laTabla1-1 sepresentaun resumende las configuraciones empleadas eneste tipode
sensoresparaladeteccióndecompuestosorgánicosvolátiles(Miura,Lu,andYamazoe2000).
Tabla1-1: SensoresdepotencialmixtoparaladeteccióndeCOV.
Gas
Estructuradelsensor:
aire,(catalizador),electrodoreferencia/electrolito/
electrodosensor,(catalizador),gasobjetivo
Propiedadessensoras
Temperatura
deoperación
Concentración
delgas
CxHy Aire,Pt/YSZ/SnO2,Au,CxHy(+aire) 380ºC 0-1000ppm
Aire,Pt/CaZr0.9In0.1O3/Au,CxHy(+aire) 700ºC 0-1%
Aire,Pt/YSZ/Au,CxHy(+aire) 600ºC 0-500ppm
CO Aire,Pt/YSZ/Pt(Pd),CO(+aire) 500-700ºC 0-1.5%
CO(+aire),(Pt-Al2O3),Pt/YSZ/Pt,CO(+aire) 260-350ºC 0-100ppm
CO(+aire),(Pt-Al2O3),Pt/YSZ/Pt,(SnO2+KCl),CO(+aire) 360ºC 100-3000ppm
CO(+aire),WO3(+Pt)/Sb2O5.4H2O/SnO2(+Pt),CO(+aire) Ambiente 0-1000ppm
Aire,Pt/YSZ/Pt,(CuO-ZnO/Al2O3),CO(+aire) 450ºC 0-10000ppm
CO(+aire),Au/β-alumina/Pt,CO(+aire) 500ºC 75-600ppm
Aire,Pt/YSZ/Pt,CO(+aire) 500ºC 32-800ppm
CO(+aire),LaMnO3/YSZ/LaMnO3,(Pt-Al2O3),CO(+aire) 350-450ºC 0-7000ppm
CO(+aire),Pt,SnO2/YSZ/CdO,Pt,CO(+aire) 600ºC 20-4000ppm
Sensores de gases 27
2. Modelo
Cuandoseestudialaelectroquímicadeunsistemasedebetenerencuentaelpotencialyla
densidad de corriente en los electrodos y el electrolito, además de la contribución de la
concentracióndelasespecies.LoselectrodosenelsensorobedecenlaleydeOhm:
𝑖! = −𝜎!∇𝜙! 𝑐𝑜𝑛 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑒𝑟𝑣𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 ∇ ∙ 𝑖! = 𝑄! Ecuación2-1
Donde𝑖!denotaelvectordedensidaddecorriente(A/m2)enelelectrodo,𝜎!hacereferencia
alaconductividad(S/m),𝜙!elpotencialeléctricoenelelectrodo(V),y𝑄!eltérminogeneral
paralafuentedecorriente(A/m3).
Enelelectrolitoladensidaddecorrientenetapuededescribirsecomolasumadelflujodelos
iones:
𝑖! = 𝐹 𝑧!𝑁!!
Ecuación2-2
Donde 𝑖! es el vector densidad de corriente (A/m2) en el electrolito,𝐹 es la constante de
Faraday(C/mol),y𝑁! elflujodeespecies𝑖(mol/(m2.s))connúmerodecarga𝑧! .Elflujode
un ion en una solución ideal de electrolito es descrito por la ecuación de Nernst-Planck y
expresaelflujodelasespeciesdesolutopordifusión,migraciónyconvección.
𝑁! = −𝐷!∇𝑐! − 𝑧!𝑢!,!𝐹𝑐!∇𝜙! + 𝑐!𝑢 Ecuación2-3
28 Diseño de un sensor electroquímico para la detección cuantitativa de
Compuestos Orgánicos Volátiles
Donde𝑐! representalaconcentracióndelion𝑖(mol/m3),𝐷! elcoeficientededifusión(m2/s),
𝑢!,! es lamovilidad(s.mol/kg),𝜙! elpotencialdelelectrolitoy𝑢elvectorvelocidad(m/s).
SustituyendoNernst-Planckenlaexpresióndeladensidaddecorrientesetiene:
𝑖! = −𝐹 ∇ 𝑧!𝐷!!
𝑐! − 𝐹!∇𝜙! 𝑧!!𝑢!,!𝑐! + 𝑢𝐹 𝑧!𝑐!!!
Ecuación2-4
Conlaconservacióndecorrienteexpresadadelasiguientemanera:
∇ ∙ 𝑖! = 𝑄! Ecuación2-5
También se considera que en la interfaz entre el electrodo y el electrolito se conserva la
corriente.LaEcuación2-4puedesimplificarseylinealizarse,suponiendoquealgunodesus
términossondespreciables.
Para este modelo se supone que la migración iónica de las especies que reaccionan es
despreciable,ladistribucióndepotencialesuniformeenlasuperficiedeloselectrodosylas
reaccioneselectroquímicaspuedenserdescritasporlaecuacióndeButler-Volmer.
Para representarlo, se establece en el software Comsol multiphysics® una geometríacaracterística de este tipo de sensores, consta de dos electrodos en contacto con unelectrolito sólido, las dimensiones pueden ser variadas de acuerdo al elemento que serequieraestudiar.
Para calcular los parámetros de corriente y potencial del sensor se emplea el módulo“Secondary CurrentDistribution” acoplado al de “Transport of Concentrated Species” paraamboselectrodos,acontinuaciónsepresentanlasecuacionesempleadasenestemodelo.
Electrodo: 𝑖! = −𝜎!∇𝜙! 𝑐𝑜𝑛 ∇ ∙ 𝑖! = 𝑄! Ecuación2-6
Electrolito: 𝑖! = −𝜎!∇𝜙! 𝑐𝑜𝑛 ∇ ∙ 𝑖! = 𝑄! Ecuación2-7
Electrodo-Electrolito-Interfaz 𝜂! = 𝜙! − 𝜙! − 𝐸!",! Ecuación2-8
Sensores de gases 29
La densidad de corriente de la reacción electroquímica es descrita como función delsobrepotencial,mediantelaecuacióndeButler-Volmer,enlacualparalareacción𝑚,𝑖!"#,!esladensidaddecorrientelocal,𝑖!,! ladensidaddecorrientedeintercambio,𝛼!,!y𝛼!,!sonloscoeficientesdetransferenciadecargaanódicosycatódicos,𝑅eslaconstanteuniversaldelosgases.Estaecuacióndescribelasituaciónenquelatransferenciadecargadeunelectrónes el paso controlante. Los términos anódicos y catódicos de la densidad de corrientedependende las concentraciones localesde lasespecieselectroactivasen la superficiedelelectrodo,describiendoladependenciadelasespeciesoxidadasyreducidasenlareacción.
𝑖!"#,! = 𝑖!,! 𝐶!𝑒!!,!!!!
!" − 𝐶!𝑒!!!,!!!!
!" Ecuación2-9
Enelmódulode“TransportofConcentratedSpecies”seestudianlasmezclasgaseosasdonde
laconcentracióndelasespeciessondelmismoordendemagnitudyningunadelasespecies
puedeseridentificadacomoelsolvente.Enestecaso,laspropiedadesdelamezcladependen
delacomposición,ylasinteraccionesmolecularesoiónicasentretodaslasespeciesqueson
consideradas.Lasecuacionesempleadasenesteestudiosonlascorrespondientesalmodelo
dedifusióndemezclamedia.
El modelo de difusión demezcla media, supone que el flujo demasa relativo debido a la
difusiónmolecularesdescritoporunaexpresión tipoFick (Ecuación2-11)donde𝜌! es la
densidad y 𝑥! la fracción molar de especies 𝑖, el coeficiente de difusión 𝐷!! describe la
difusión de las especies 𝑖 relativa a la mezcla restante y es denominado el coeficiente de
difusión de mezcla media, esta ecuación puede ser expresada también en términos de la
fracción másica (Ecuación 2-11), empleando la definición de densidad y fracción molar,
ademásdesuponercondicionesisobáricaseisotérmicasseobtieneelcoeficientededifusión
de mezcla media (Ecuación 2-12), en esta ecuación los términos 𝐷!" pueden ser
remplazadosporlasdifusividadesbinariasparamezclasdegasesdebajadensidad.
30 Diseño de un sensor electroquímico para la detección cuantitativa de
Compuestos Orgánicos Volátiles
𝑗!",! = −𝜌!𝐷!!
∇𝑥!𝑥! Ecuación2-10
𝑗!",! = − 𝜌𝐷!!∇𝑤! + 𝜌𝑤!𝑀𝐷!!∇𝑀 Ecuación2-11
𝐷!! =1 − 𝑤!
𝑥!𝐷!"!!!
,𝑀! =𝑤!𝑀!!
!!
Ecuación2-12
Cuando se empleaestemodelodedifusión, las ecuacionesde transferenciademasade las
especiesson:
𝜌𝜕𝑤!𝜕𝑡
+ 𝜌 𝑢 ∙ ∇ 𝑤! =
∇ ∙ 𝜌𝐷𝑖𝑚∇𝑤𝑖 + 𝜌𝑤𝑖𝐷𝑖𝑚∇𝑀𝑛𝑀𝑛
+𝐷𝑖𝑇∇𝑇𝑇 + 𝜌𝑤𝑖𝑧𝑖𝑢𝑚,𝑖𝐹∇ϕ + 𝑅𝑖
Ecuación2-13
EnlaEcuación2-13seconsideraademásdeladifusiónmolecular,eltransportedebidoala
difusióntérmicayalamigracióndeespeciescargadasenuncampoeléctrico,𝐷!! (kg/(m.s))
eselcoeficientededifusióntérmica,𝑧! eselnúmerodecargasadimensional,𝑢!,! la
movilidaddelaespecieiyϕ(V)eselpotencialeléctrico.
Experimental 31
3. ProcedimientoExperimental
Paraeldesarrolloexperimentalsediseñaundispositivodondesedisponeelsensorparasuestudio,dichosensorestáconstituidopordoselectrodosfabricadossobreunamembranadenafión®queactuarácomoelectrolito,elcompuestoasensaroanalitodeinteréseselvapordeetanol(C2H5OH).
3.1 Preparacióndeelectrodos
Dostintascatalíticassonpreparadasparacadaelectrodo.Latintaempleadaparaelelectrodo1,tienecomobaseelpolvocatalíticocomercialE-TEK™,mezclaPt:Ru(1:1)al20%envulcan.Labaseparaelpolvo2consisteenunamezclaPt:Co(1:1)al20%envulcanpreparadaenellaboratorio.Paraelaborarcadatinta,inicialmentesepesaelnafión®aemplear,teniendoencuentaunapureza del 5% y una relación polvo catalítico:nafión de 5:2. Posteriormente se adicionaGlicerolenproporción1:2conelNafiónyTBAOHenproporción1:1conelNafión,teniendoen cuenta que la densidad del TBAOH es 0,83 g/mL. Se adiciona nuevamente glicerol enproporción1:2conelnafión.(lacantidaddeGlicerolnodebeexceder1,2vecesladeNafión)yseagitalatintadurante12h.Teniendolatintalista,seprocedearealizarelpintadodeelectrodos,secortaDecal(teladesilicona recubierta conTeflóno conKapton),del tamañorequeridoy se lavaconalcoholyagua.Posteriormentesesecaa140ºCpor20minutosyseregistraelpeso.SobreelDecalserealiza el pintado de los electrodos con la tinta previamente elaborada y se deja secar a140ºC por 20minutos, una vez seco se registra el peso del decal pintado. Este proceso serealizahastaalcanzarlacargarequeridadecatalizador,teniendoencuentaqueladireccióndelaspintadassucesivasdebeserperpendicularalaanterior.Adicionalmente,esnecesariorealizarlapreparacióndelamembrana,inicialmentesecortalamembranadel tamañorequerido,posteriormentese lavaporunahoraa80ºC inicialmentecon peróxido de hidrógeno (3% v/v), luego con agua, después con solución al 1% w dehidróxido de sodio y por ultimo se repite un lavado con agua. Finalmente se seca lamembranaentreláminasparaevitardeformaciónpor20minutosa40ºC.Unavezlistosloselectrodosylamembrana,ambosdebenserprensadosaestadetalformaquequedenunoalladodelotro.Secalientalaprensaa100ºCyempleandounfilmdeKapton
32 Diseño de un sensor electroquímico para la detección cuantitativa de
Compuestos Orgánicos Volátiles
a ambos lados del ensamble membrana electrodo se aplica una presión de 75 bares alensamble (leída para un área de 11,095 cm2) durante 3 minutos, posteriormente se dejaenfriarpor20minutosysedesprendeelDecalcuidandoquehayatransferenciacompletadelcatalizadoralamembrana.Posteriormente, se realiza la activación del ensamble, dejándolo en una solución 0,5M deácido sulfúrico durante 2 horas a 80ºC, se repite el proceso en agua destilada y se seca elensambleenlaestufaa40ºCdurante20minutosentredosláminasparaevitardeformación.Finalmente,acadaelectrodoseprensaunterminaldecobredurante1minutoa130ºCyunapresiónde50bares(leídaparaunáreade11,095cm2),
3.2 Preparacióndelmontaje
Pararealizarlasmedicionescorrespondientes,sediseñóundispositivodepruebasdondese
ubicaelensambledelsensorysedapasoalgasquecontieneelanalitoadetectar.Constade
unapiezasuperior(Figura3-1),unapiezainferior(Figura3-2)yseempleaunapieza
intermedia,lacualfueadicionadaparagarantizarelcontactodelmaterialconductorconla
superficiedelsensor(Figura3-3),tenerencuentaquealadicionarestaúltimapieza,se
redujoeláreatotaldecadaelectrodoexpuestaalflujodeanalito.La
Figura3-4presentaelensamblecompletodeldispositivo.
Figura3-1:Piezasuperiordeldispositivo
Figura3-2:Piezainferiordeldispositivo
Figura3-3:Piezaintermediadeldispositivo
Modelo 33
Figura3-4:Ensambledeldispositivo
EldispositivoesconectadoaunmultímetroFluke45dualdisplayylosdatossonrecopilados
medianteelsoftwareFlukeview®Formsversión2.2.0016.Sesuministraalsistemaunflujo
de nitrógeno el cual es burbujeado inicialmente en agua para humedecer la membrana,
posteriormente se alterna cada 5 minutos el nitrógeno con nitrógeno burbujeado en una
soluciónetanol-aguaendiferentesproporciones.
3.3 Resultadosexperimentales
Las lecturas obtenidas de sensor se presentan en laFigura 3-5 yTabla 3-1, en todas las
pruebascambiosenlaconcentracióndeetanolenlasoluciónconllevancambiosenlalectura
finaldelsensor.Larepetibilidaddela lecturaentrepruebasindicacambiosenlasuperficie
delsensorquepuedendeberseamoléculasadsorbidasenlasuperficiequenoparticiparon
enlareacción(X.Zhangetal.2014).
34 Diseño de un sensor electroquímico para la detección cuantitativa de
Compuestos Orgánicos Volátiles
Figura3-5:Lecturadelsensor
Tabla3-1:Lecturadelsensor
%Etanolenagua PruebaA(mV)
PruebaB(mV)
PruebaC(mV)
Promedio(mV)
DesviaciónEstándar(mV)
100 227 212 199 212 1480 153 176 195 175 2160 136 151 186 157 2640 134 126 163 141 2020 89 96 139 108 270 55 41 104 67 34
3.4 Aplicacióndelmodelo
ParaaplicarelmodelosetienenencuentalosparámetroenlaTabla3-2.
Tabla3-2: Parámetrosempleadosenelmodelo(Hoyos,González,andSánchez2004;
Fredy2012;Iwasita2002;Milesetal.1978)
Parámetro Valor Unidades
𝑖! 𝑎𝑛ó𝑑𝑖𝑐𝑎 𝑒𝑛 𝑃𝑡!"𝑅𝑢!" 3.24𝑥10!! 𝐴 𝑐𝑚!
𝛼! 𝑒𝑛 𝑃𝑡!"𝑅𝑢!" 0.856 𝑎𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙
𝑖! 𝑐𝑎𝑡ó𝑑𝑖𝑐𝑎 𝑒𝑛 𝑃𝑡!"𝑅𝑢!" 1.8𝑥10!! 𝐴 𝑐𝑚!
y=-27.026x+237.95R²=0.97555
0
50
100
150
200
250
100 80 60 40 20 0
Lecturade
lsen
sor(mV)
%Etanolenagua
Modelo 35
Parámetro Valor Unidades
𝛼! 𝑒𝑛 𝑃𝑡!"𝑅𝑢!" 0.214 𝑎𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙
𝑖! 𝑐𝑎𝑡ó𝑑𝑖𝑐𝑎 𝑒𝑛 𝑃𝑡!"𝐶𝑜!" 1.5𝑥10!! 𝐴 𝑐𝑚!
𝛼! 𝑒𝑛 𝑃𝑡!"𝐶𝑜!" 0.159 𝑎𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙
𝑖! 𝑎𝑛ó𝑑𝑖𝑐𝑎 𝑒𝑛 𝑃𝑡!"𝐶𝑜!" 1.52𝑥10!! 𝐴 𝑐𝑚!
𝛼! 𝑒𝑛 𝑃𝑡!"𝐶𝑜!" 0.203 𝑎𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙
𝐸! 𝑣𝑠. 𝑆𝐻𝐸 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑜𝑥í𝑔𝑒𝑛𝑜 1.23 𝑉
𝐸! 𝑣𝑠. 𝑆𝐻𝐸 𝑜𝑥𝑖𝑑𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 0.085 𝑉
𝜎! 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑙𝑖𝑡𝑜 0.1 𝑆 𝑚
Adicionalmentesecalculalacantidaddeetanolyaguaquealcanzanlasuperficiedelsensor
medianteburbujeodenitrógeno. Para este calculo se emplean las ecuacionesdeburbujeo,
inicialmente se clasifica elproceso comode flujodegasmuy lento según laEcuación3-1.
EmpleandolaEcuación3-2yEcuación3-3secalculaelcoeficientedetransferenciademasa
entre la solución y la corriente de nitrógeno. En laFigura 3-6 se presenta la geometría y
mallaestablecidasparalasolucióndelmodelo.
𝑄! < 𝜎𝑑!𝑔! !/ 𝑔∆𝜌 !𝜌!! !/! Ecuación3-1
𝑑! =6𝑑!𝜎𝑔!𝑔∆𝜌
!/!
Ecuación3-2
𝑆ℎ! =𝐹!𝑑!𝑐𝐷!
= 2 + 0.061𝑅𝑒!!.!!"𝑆𝑐!!.!"#𝑑!𝑔!/!
𝐷!!/!
!.!!"
Ecuación3-3
Tabla3-3:Composicióngasdeanálisis
Fracciónvolumétricadelcompuestoenlasolución
deburbujeo
Etanol 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00
Agua 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00
Fracciónmolardelcompuestoenelgasde
análisis
Etanol 0.54 0.45 0.36 0.26 0.14 0.00Agua 0.00 0.11 0.24 0.39 0.58 0.80
Nitrógeno 0.46 0.44 0.40 0.35 0.28 0.20
36 Diseño de un sensor electroquímico para la detección cuantitativa de
Compuestos Orgánicos Volátiles
Figura3-6:Geometríaymalla.
Para cada electrodo con cada concentración de etanol se obtiene el potencial mixto, que
según losresultadosrespondeauna tendencia logarítmica(verFigura3-7).LaTabla3-4,
Tabla3-5,Tabla3-6,Tabla3-7yTabla3-8presentanlosresultadosobtenidos.
Figura3-7:Potencialmixtovsfracciónmolardelcompuestoenelgasdeanálisis.
y=11.544ln(x)+388.23R²=0.99982
364
366
368
370
372
374
376
378
380
382
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Potencialm
ixtose
nsor(m
V)
XEtanolenelgasdeanálisis
Modelo 37
Tabla3-4:Resultadospotencialmixtoparasolución100%etanol.
Densidaddecorrientevssobrepotencial Sobrepotencial
360.0mV
-21.0mV
0.00E+00
2.00E-04
4.00E-04
6.00E-04
8.00E-04
1.00E-03
1.20E-03
1.40E-03
0.28 0.29 0.3 0.31 0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37 0.38 0.39 0.4 0.41 0.42Densidad
deCo
rriente(Acm
-2)
Sobrepotencial(V)
Etanolal100%
ilocanodicaelectrodo1 iloccatodicaelectrodo1
0.00E+00
5.00E-07
1.00E-06
1.50E-06
-0.09 -0.08 -0.07 -0.06 -0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
Densidad
deCo
rriente(Acm
-2)
Sobrepotencial(V)
Etanolal100%
ilocanodicaelectrodo2 iloccatodicaelectrodo2
38 Diseño de un sensor electroquímico para la detección cuantitativa de
Compuestos Orgánicos Volátiles
Tabla3-5:Resultadospotencialmixtoparasolución80%etanol.
Densidaddecorrientevssobrepotencial Sobrepotencial
355.1mV
-24.0mV
0.00E+00
5.00E-04
1.00E-03
1.50E-03
0.28 0.29 0.3 0.31 0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37 0.38 0.39 0.4 0.41 0.42
Densidad
deCo
rriente(Acm
-2)
Sobrepotencial(V)
Etanolal80%
ilocanodicaelectrodo1 iloccatodicaelectrodo1
0.00E+00
5.00E-07
1.00E-06
1.50E-06
-0.09 -0.08 -0.07 -0.06 -0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
Densidad
deCo
rriente(Acm
-2)
Sobrepotencial(V)
Etanolal80%
ilocanodicaelectrodo2 iloccatodicaelectrodo2
Modelo 39
Tabla3-6:Resultadospotencialmixtoparasolución60%etanol.
Densidaddecorrientevssobrepotencial Sobrepotencial
349.1mV
-27.4mV
0.00E+00
5.00E-04
1.00E-03
1.50E-03
0.28 0.29 0.3 0.31 0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37 0.38 0.39 0.4 0.41 0.42
Densidad
deCo
rriente(Acm
-2)
Sobrepotencial(V)
Etanolal60%
ilocanodicaelectrodo1 iloccatodicaelectrodo1
0.00E+00
5.00E-07
1.00E-06
1.50E-06
-0.09 -0.08 -0.07 -0.06 -0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
Densidad
deCo
rriente(Acm
-2)
Sobrepotencial(V)
Etanolal60%
ilocanodicaelectrodo2 iloccatodicaelectrodo2
40 Diseño de un sensor electroquímico para la detección cuantitativa de
Compuestos Orgánicos Volátiles
Tabla3-7:Resultadospotencialmixtoparasolución40%etanol.
Densidaddecorrientevssobrepotencial Sobrepotencial
340.3mV
-32.4mV
0.00E+00
5.00E-04
1.00E-03
1.50E-03
0.28 0.29 0.3 0.31 0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37 0.38 0.39 0.4 0.41 0.42
Densidad
deCo
rriente(Acm
-2)
Sobrepotencial(V)
Etanolal40%
ilocanodicaelectrodo1 iloccatodicaelectrodo1
0.00E+00
5.00E-07
1.00E-06
1.50E-06
-0.09 -0.08 -0.07 -0.06 -0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
Densidad
deCo
rriente(Acm
-2)
Sobrepotencial(V)
Etanolal40%
ilocanodicaelectrodo2 iloccatodicaelectrodo2
Modelo 41
Tabla3-8:Resultadospotencialmixtoparasolución20%etanol.
Densidaddecorrientevssobrepotencial Sobrepotencial
323.7mV
-41.8mV
0.00E+005.00E-051.00E-041.50E-042.00E-042.50E-043.00E-04
0.28 0.29 0.3 0.31 0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37
Densidad
deCo
rriente(Acm
-2)
Sobrepotencial(V)
Etanolal20%
ilocanodicaelectrodo1 iloccatodicaelectrodo1
0.00E+00
1.00E-07
2.00E-07
3.00E-07
4.00E-07
-0.09 -0.08 -0.07 -0.06 -0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0
Densidad
deCo
rriente(Acm
-2)
Sobrepotencial(V)
Etanolal20%
ilocanodicaelectrodo2 iloccatodicaelectrodo2
Conclusiones y Recomendaciones 43
4. Conclusionesyrecomendaciones
• Losresultadosobtenidosevidencianlanecesidaddeajustarelmodeloconsiderandolas
limitacionesportransferenciademasadelasespecies.
• Seobtuvounmodelobaseenel softwareComsolMultiphysics®elcualdespuésdeser
ajustado,puedeserempleadocomoherramientapararealizarestudiosyoptimizaciónde
sensores de potencial mixto que se requieran emplear para detectar compuestos
orgánicosvolátilesdeinterésendiferentesprocesos.
• El modelo propuesto y el sensor construido requieren de validación experimental
completa que permitirá determinar su potencial como herramienta para el diseño
especializadodeaplicacionesindustriales.
• Esnecesarialaoptimizacióndelastécnicasparaelaboraryensamblarlossensoresconel
findemejorarloscontactoseneldispositivodetalmaneraquelalecturaseaconfiabley
reducirlaseñalruido.
• Serecomiendaelusodeotrosmaterialescomoelectrolito,yaqueelusodenafión®enel
dispositivonoesconvenienteenprocesosindustriales.Losóxidossemiconductoresson
unabuenaopciónquetambiénpuedeserincluidaenelmodelo.
• Serecomiendaparapróximostrabajostenerunmecanismodeverificaciónycontroldela
cantidad de oxígeno en el sistema para mejorar la lectura, puede ser con un sistema
herméticoyelingresocontroladodemezclasnitrógeno-oxígeno.
• Serecomiendaestablecerunmecanismodecontroldetemperaturaenelsistema.
Conclusiones y Recomendaciones 45
Bibliografía
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