Fundamentos de la cromatografía de gases y su aplicación en la determinación de impurezas en el etileno.

in #stem-espanol3 years ago (edited)
Hola amigos de Steemit y de la comunidad científica de #stem-espanol, me es grato saludarlos nuevamente. En esta oportunidad vengo a hablarles sobre una importante técnica de análisis instrumental, la cual cada día es más empleada en la determinación cualitativa y cuantitativa de sustancias, esta técnica a la que me refiero es la cromatografía de gases.

Cromatógrafo de gases

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Imagen de elaboración propia

Para ahondar un poco en los fundamentos teóricos de esta herramienta analítica, empezaremos definiendo lo que es cromatografía.

Cromatografía.

Se refiere a un técnica empleada para la separación de los componentes de una mezcla por medios físicos, para aislar cada uno de estos y proceder a su identificación y cuantificación.

Se fundamenta en hacer pasar la mezcla a través de un lecho o fase fija semipermeable, cada componente dependiendo de su naturaleza y de la afinidad que tengan con la fase fija, se desplazaran con mayor o menor velocidad a través de esta, por lo cual a cada componente de la mezcla inicial le corresponderá un tiempo específico atravesarla, a estos tiempos se les conoce como tiempos de retención.

Debido a este diferencial en las velocidades de desplazamiento, pueden separarse los compuestos constitutivos de una mezcla si se hacen pasar por una fase fija lo suficientemente larga, obteniéndose primeramente los compuestos que ofrecen menos resistencia al desplazamiento, así sucesivamente hasta llegar al que ofrece mayor resistencia a fluir en la fase fija seleccionada para la realización del ensayo.


Separación de los componentes de una mezcla por técnicas cromatográficas

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Fuente

Esta técnica aparte de ser utilizada analíticamente, puede ser empleada en la purificación de algunas sustancias, debido a esto tiene múltiples usos en la química, biología y en el área de farmacología. La cromatografía se clasifica en varios tipos dependiendo su método de aplicación.

Tipos de cromatografía.

  • Cromatografía líquida.
  • Cromatografía plana (En papel y de capa fina).
  • Cromatografía de fluidos supercríticos.
  • Cromatografía de gases.
Esta última es la que se describirá en este artículo.

Cromatografía de gases.

En este tipo de cromatografía como su nombre lo indica es necesario que la muestra a evaluar se encuentre en estado gaseoso, es por ello que para la evaluación de sólidos o líquidos por este método la muestra debe ser diluida en un solvente determinado, y se procede a vaporizarla una vez ha sido inyectada al cromatógrafo, el equipo viene provisto con un vaporizador para estos casos.

Debido a que la muestra debe ser sometida a altas temperaturas para su vaporización, esta técnica cromatográfica presenta ciertas restricciones para muestras de interés biológico ya que muchas de estas se degradan por efecto de la temperatura.

Cámara de inyección y vaporización de la muestra


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Fuente

Una vez que la muestra ha sido inyectada al cromatógrafo, es necesario mantener la velocidad de flujo y garantizar su desplazamiento o movilidad a través de toda la columna o fase fija, y a su vez debe mantenerse una presión constante durante la realización del ensayo para esto se utiliza un gas portador que debe reunir unas características específicas.

Características que que debe tener el gas portador en la cromatografía de gases.

  • Debe ser inerte, esto con la finalidad de evitar que reaccione químicamente con la muestra o con los componentes de la columna cromatográfica.

  • El gas portador debe tener una buena capacidad para minimizar el efecto de difusión gaseosa.

  • Poseer un alto grado de pureza, para evitar cualquier tipo de interferencias en la determinación.

  • Otro factor importante es que sea económico.

  • Debe ser acorde al tipo de detector empleado por el cromatógrafo.

Por lo general los gases empleados para esta función son el Nitrógeno, Argón, Helio o hidrógeno, en algunos casos puede utilizarse Dióxido de carbono pero esto estará sujeto al tipo de detector que utilice el equipo.

Volviendo a la descripción del ensayo. La muestra previamente vaporizada se hace pasar a través de la fase fija compuesta por la columna cromatográfica, que en este caso es un capilar el cual por lo general es selectivo al tipo de analito que se desee determinar y a su vez posee características propias de diámetro y longitud, esta columna se encuentra dispuesta en una especie de horno que garantiza las condiciones de temperaturas predefinidas al método de ensayo empleado.

Durante el recorrido por el capilar ocurrirá la separación de los componentes de la muestra, quedando rezagados los que presentan mayor afinidad con la fase fija o estacionaria, aquellos que presentan menos afinidad recorrerán la columna en menos tiempo por lo cual sus tiempos de retención serán menores al los demás componentes, cada sustancias presente en la muestra tiene un tiempo de retención característico a su naturaleza fisicoquímica.

Al terminar el recorrido por la columna, cada componente de la muestra pasará por un detector el cual en cual emitirá una señal que será procesado por un computador, información con la cual se puede identificar y cuantificar dicha sustancia dependiendo de la intensidad de la señal emitida y del tiempo de retención respectivo.

Esquema operacional de un cromatógrafo de gases

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Fuente

La señal es procesada y reflejada en un cromatograma como el que se muestra a continuación:


Cromatograma

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Imagen editada por el autor

Fuente de imagen original

La aparición de cada pico cromatográfico como se muestra en la imagen anterior, está asociada a un tiempo de retención el cual a la vez se relaciona con el analito a determinar, cada componente de la mezcla tiene un tiempo de retención característico o huella.

La intensidad de la señal define la altura del pico en el cromatograma y se asocia con la concentración del o de los analitos presentes en la muestra, cada cromatógrafo de gases en su software tiene preconfigurado un banco de datos con los registros correspondientes a las condiciones de operación, curvas de calibración y tiempos de retención de las sustancias que esperan encontrar en las determinaciones que se realizarán. En base a todo esto podemos obtener información precisa sobre las sustancias presentes en una muestra y las concentraciones de estas en la misma, ya que el equipo se encargara interpretar estas señales haciendo su conversión a resultados directos de concentración.

La señal reflejada en el cromatograma será expresada de acuerdo al tipo de detector utilizado, por lo general los detectores más comunes son los de ionización por llama y los de conductividad térmica, sin embargo pueden encontrarse otros tipos de detectores como el de captura de electrones y el de emisión atómica.

En el siguiente vídeo se muestra esquemáticamente el funcionamiento de un cromatógrafo de gases.

Fuente

Aplicación de la cromatografía de gases en el análisis de monómeros para el proceso de polimerización.

Hace algunos años tuve la oportunidad de trabajar en la industria petroquímica venezolana, específicamente en el complejo petroquímico Ana María Campos ( El Tablazo) en este complejo se sintetizan la mayoría de los polímeros para la industria del plástico.


Entrada principal al complejo

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Imagen de elaboración propia

El etileno se produce mediante un proceso de deshidrogenación del etano, y es utilizado para la elaboración del polietileno uno de los principales plásticos usados a nivel mundial.

Para garantizar que el proceso de síntesis o polimerización del polietileno se efectúe de manera adecuada, es necesario que el etileno para dicho proceso presenté un alto grado de pureza, compuestos como el dióxido y monóxido de carbono, el metano, etano y butano afectan la reacción de polimerización.

Por tal motivo es de vital importancia controlar presencia de estos en el etileno que alimenta a los reactores previamente a la polimerización, para evitar complicaciones consecuentes. En este punto es donde la cromatografía de gases juega un papel importante como herramienta analítica, ya que no solo permite la identificación de estas sustancias sino también su cuantificación, y que con ello se tomen la acciones respectivas de corrección en el proceso.

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Imagen de elaboración propia

Queda reflejado con este ejemplo la importancia del empleo de esta herramienta de análisis en los procesos industriales.

Espero que esta publicación les haya sido útil, estoy a la orden para responder sus dudas y comentarios.

Saludos!!!

@joseleogon

Referencias:

  1. C General - Definista (S/F). Definición de cromatografía. Recuperado de: http://conceptodefinicion.de/cromatografia/

  2. Ozores B. Marta I. (S/F). Cromatografía de gases. Recuperado de: http://laboratoriotecnicasinstrumentales.es/analisis-qumicos/cromatografa-de-gases

  3. Castaños Enrique (2015). Instrumentación en la Cromatografía gas - líquido. Recuperado de: https://lidiaconlaquimica.wordpress.com/tag/gas-portador/

  4. Textoscientificos (2005). Obtención de polietileno. Recuperado de: https://www.textoscientificos.com/polimeros/polietileno/obtencion

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Sort:  

Bienvenido de vuelta hermano, gracias por compartir con nosotros como siempre temas de interés científico, siempre al leerte aprendo cosas que ni imaginaba, gracias a tu contenido he visto la importancia que tiene la Cromatografía en los procesos químicos, permitiéndonos purificar una sustancia, separando sus componentes o simplemente identificarlos y cuantificarlos, es muy interesante esta técnica. Saludos, un abrazo y muchas bendiciones para ti y el nuevo integrante de la familia.

Muchas gracias mi estimado amigo @jimhutch me alegra mucho el poder estar de vuelta, mi nueva faceta de padre me demanda tiempo pero sin duda día a día me llena de aprendizajes.
Que grato es el leer tus palabras y la receptividad que siempre has mostrado hacia mis publicaciones, la química sin duda es una ciencia maravillosa que día a día evoluciona, por tal motivo es de gran importancia el empaparnos en el conocimiento de estas herramientas analíticas que son de gran utilidad.

Un abrazo y muchas bendiciones para ti y tu familia. Seguimos en contacto.

Saludos!!!!

Saludos amigo @joseleogon. Esta sin duda es una muy versatil técnica de análisis. Lo mejor, como dices, es que ademas de indentificar la muestra permite cuantificar la composición de la misma.

Saludos colega! Como has estado?

Tal como lo mencionas una de las bondades de la cromatografía de gases es la gran versatilidad que ofrece en el análisis cualitativo y cuantitativo de sustancias, por ello cada día es más utilizada a nivel investigativo e industrial.

Excelente colega, todo bien por acá, que tal tu?

Leer tu post me hizo recrear mi experiencia en el laboratorio del Mejorador en el análisis del gas combustible, de refineria, de reciclo y otros para conocer su calidad y sobretodo, nuestro dolor de cabeza, la concentración de H2S en su composición; claro, siempre y cuando se contara con los patrones (ya conocemos la situacion).

Saludos amiga, en la industria petrolera y petroquímica esta herramienta analítica como bien lo dices tiene mucha utilidad para la determinación de impurezas en las corrientes gaseosas, el H2S es corrosivo y contaminante y su presencia en el gas natural y combustible es un motivo de preocupación ambiental.

Creo que en este contexto en el que estamos en el país, todos los que hemos tenido la oportunidad de trabajar en los laboratorios de este tipo de industria, nos hemos enfrentado a esos dolores de cabeza.

Gracias por leer y comentar!

En que refinería trabajaste amiga?

En el Mejorador de Petropiar en Jose.

Excelente este tema mi estimado amigo. Me ha hecho recordar mis pasantías, que se trataba de realizar la cromatografía de gases a un pozo petrolero. Saludos @joseleogon y besos al pequeño Tobias.

Hola @maurelvys como estas? Que tal tu Bebita?
Me alegra que te gustara el tema, si la cromatografía de gases es muy empleada en la industria petrolera.

Interesante. Gracias por compartir.

José! sólo he utilizado la cromatografía de papel para separar pigmentos fotosintéticos!

Que interesante! Esa cromatografía que mencionas tiene mucha aplicación en el campo biológico.

Antes era muy usada la cromatografía de papel en los liceos para enseñar a los alumnos a separar los pigmentos fotosintéticos. Además, comprobaban que aunque una hoja fuera totalmente verde no solo clorofila (verde) tenía. También verificaban la presencia de carotenos (rojos) y xantofilas (amarillos). Lamentablemente son pocos los profesores que todavía lo hacen. Saludos.