Automation of a
process for the determination of chemical-analytical quality parameters in
water samples
Gabriela Crist=
ina
Chango Lescano. [1], =
John
Germán Vera Luzuriaga. [2], Violeta Maricela Dalgo
Flores. [3]
Recibido:
10-04-2019 / Revisado: 15-05-2019 /Aceptado: 29-06-2019/ Publicado: 15-07-2=
019
The knowledge of water quality is fundamental for =
its
evaluation, processing and environmental management. For which there are wi=
dely
detailed processes that allow analysis in laboratories, however, these meth=
ods
established by legal regulations are usually long and tedious. For this rea=
son,
the objective of this research is to propose an alternative to the traditio=
nal
methodology of routine analyzes in the laboratory. To this end, work has be=
en
done on the automation of a system that allows the detection of pH and redox
potential simultaneously in water samples by combining microfluidic techniq=
ues
of chemical processes and microscale automation. The proposed method has be=
en
coupled to potentiometric techniques and has been applied to water samples,=
the
proposed method has also been compared with the use of 3D technology, obtai=
ning
a versatile system with an analysis frequency of 5 samples per hour, decrea=
sing
the analysis time and the waste obtained in half.
Resumen.
El conocimiento de la calidad del agua es fundamen=
tal
para su evaluación, procesamiento y gestión ambiental. Para lo cual existen
procesos ampliamente detallados que permiten el análisis en laboratorios, s=
in
embargo, estos métodos establecidos por las normativas legales suelen ser
largos y tediosos. Por esta razón, el objetivo de esta investigación es pro=
poner
una alternativa a la metodología tradicional de los análisis de rutina en
laboratorio. Para tal fin, se ha trabajado en la automatización de un siste=
ma
que permite la detección de pH y potencial redox
simultáneamente en muestras de agua combinando técnicas microfluídicas
de procesos químicos y automatización a microescala. El método propuesto se=
ha
acoplado a técnicas potenciométricas y ha sido aplicado a muestras de agua,
también se ha comparado el método propuesto con el uso de tecnología 3D obt=
eniendo
un sistema versátil con una frecuencia de análisis de 5 muestras por hora
disminuyendo el tiempo de análisis y los residuos obtenidos a la mitad.
Palabras claves: Automatización, Química, <=
span
lang=3DCA style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:"Times New=
Roman",serif;
mso-ansi-language:CA'>Agua, Potenciometría, pH,
Potencial Redox.
Intro=
ducción.
El deseo de mejorar la calidad de vida ha hecho qu=
e el
control de la calidad y la conservación del medio ambiente sean temas a pri=
orizar
en la ciencia contemporánea. Por otro lado, para evaluar la incidencia de l=
as
distintas sustancias es necesario desarrollar metodologías analíticas
apropiadas que permitan obtener un gran número de datos, con niveles de
selectividad y sensibilidad cada vez más exigentes, en períodos de tiempo c=
ada
vez más cortos y con costos razonablemente bajos, por lo tanto, la
simplificación, automatización y miniaturización son tendencias que están
marcando la evolución de la Química. Este avance conlleva el crecimiento
paralelo de la Química Analítica junto a los nuevos procesos tecnológicos,
extendiendo su campo de aplicación desde la investigación química fundament=
al
hasta los métodos analíticos más sofisticados empleados en la industria
química, farmacéutica, biotecnológica, química medioambiental, entre otros.=
En este sentido la miniaturización es una tendencia
importante en la química analítica, que permite ventajas importantes en
comparación con las estrategias convencionales, como la portabilidad, el ba=
jo
consumo de reactivos y la poca generación de residuos.
Como primeros pasos en el proceso de automatizació=
n a
micro escala tenemos la contribución de Skeggs =
El pH se midió por medio de un electrodo combinado=
de
pH insertado en el flujo portador. La alcalinidad y los iones totales fueron
determinados por medio de valoración. En 1996 Weeks y
Johnson Las características y potencialidades de los siste=
mas
de bombeo múltiple los hacen muy atractivos para la implementación de
procedimientos analíticos automatizados, pues en contraste con otros sistem=
as
de inyección de flujo, donde el volumen muestreado es determinado por el ti=
empo
de muestreo (para un caudal dado), el volumen de muestra en los sistemas
La sencillez, flexibilidad y facilidad de operació=
n de
los sistemas de flujo multibombeo permiten la
implementación de pequeńos sistemas analíticos compactos con bajo consumo de
muestras y reactivos, lo que representa una valiosa alternativa para sistem=
as
de flujo más convencionales que dependen de bombas peristálticas o de jerin=
ga y
unidades de inserción de muestras separadas.
Esta técnica se ha utilizado para el análisis de a=
guas
La mayoría de las aplicaciones se han limitado a
determinaciones directas siendo la espectrofotometría
Estas mismas características hacen que el bombeo
múltiple sea muy atractivo de usar en mediciones de potenciometría, que a
menudo requieren una mezcla de muestra-reactivo.
El método de análisis potenciométrico se basa en
mediciones del potencial electromotriz del elemento utilizando electrodos
selectivos de iones (ISE), que son capaces de realizar mediciones rápidas y
selectivas de la concentración de analito. Dicho método de detección es no
destructivo, lo que significa que la muestra se puede utilizar para un anál=
isis
adicional. La potenciometría ha sido ampliamente usada para determinar la
calidad en muestras de agua
Además, es el método recomendado por la OMS
El pH óptimo variará de acuerdo con la composición=
del
agua y la naturaleza de los materiales de construcción utilizados en el sis=
tema
de distribución, pero a menudo está en el rango de 6.5-9.5
Por otro lado, las mediciones del potencial de óxi=
do-reducción
reflejan el estado redox del agua en estado líq=
uido
incluidos los gases disueltos, como el oxígeno. Este potencial se puede det=
erminar
utilizando un electrodo de Potencial de Reducción de la Oxidación (ORP). Las
mediciones redox no se realizan ampliamente med=
iante
servicios de agua potable, sin embargo, la OMS afirma que una ORP de 650
Las medidas potenciométricas se basan en el hecho =
de que
existe una relación lineal entre el potencial eléctrico establecido entre el
electrodo de referencia y el logaritmo de actividad de los iones en la
solución. Esta relación se describe mediante la ecuación de Nernst:
Dónde: E es el potencial en m=
V
que existe entre el electrodo sensor y el electrodo de referencia, z es la
carga de iones, log (a) es el logaritmo de la actividad del ion medido. El
factor 2.303 RT/ F tiene un valor teórico de 59 mV a
25 ° C. La actividad es equivalente a la concentración en solución diluida =
pero
se vuelve cada vez más baja a medida que aumenta la fuerza iónica.
La integración de procesos analíticos en sistemas =
miniaturizados
permite varias ventajas, tales como: la medición y mezcla de todas las
soluciones, la sincronización exacta hasta la lectura de los datos y la
protección de la mezcla contra la contaminación externa. El objetivo de este
trabajo fue desarrollar un sistema automático y portátil para la determinac=
ión
simultánea de pH y potencial redox en un proces=
o microfluídico con detección pote=
nciomética.
Metodologia.
Reactivos y estándares
Se utilizó soluciones tampón estándar de pH 4, 7 y=
9 (Scharlau) para la calibración del electrodo de pH y u=
na
solución tampón de ORP 700 mV para el electrodo=
de potencial
redox. Se tomaron muestras de agua de potable y=
de
piscina de la Ciudad de Riobamba, transportándolas al laboratorio y se
insertaron inmediatamente en el sistema miniaturizado sin ningún tratamiento
previo para validar el sistema propuesto.
Aparatos
y software
El
sistema está constituido por un módulo MPFS (Sciware Systems SL, Bunyola, Espa=
ńa) para
impulsar y seleccionar soluciones a través del chip (S=
ciware
Systems SL) constituido por microbom=
bas y válvulas solenoides que vi=
enen
calibradas de fábrica de manera que por cada pulso dispensa un volumen
prefijado de líquido. Como líneas de transmisión se usan =
tubos
de PTFE (0,8 mm i.d.). Para las mediciones potenciométricas se usó un=
multi
potenciómetro EMF 6 (Lawson Labs
Inc., Pennsylvania, EE. UU). La adquisición de datos y el control del siste=
ma
analítico se realizaron a través del software AutoAnal=
ysis
(Sciware Systems S.=
L.). El
pH se midió con un electrodo plano CRISON modelo 52-07, electrodo de vidrio
combinado (Ag / AgCl).
El potencial redox se =
midió
con un electrodo combinado Ingold (Ref. 1050531=
89)
con anillo de platino y referencia (Ag / AgCl) saturado con KCl, este elect=
rodo
tiene un cuerpo esférico. El MPFS y el potenciómetro múltiple se conectaron=
en
serie a través de una RS232C a un computador para el control remoto del
software.
El paquete de software AutoAn=
alysis
(Sciware Systems SL=
, Bunyola, Espańa) se utilizó para el control instrumen=
tal,
así como para la adquisición y el tratamiento de datos. El protocolo de
software básico es adaptable al ensamblaje instrumental individual mediante=
la
incorporación de bibliotecas de enlaces dinámicos (DLL), que pueden comunic=
arse
con los instrumentos ensamblados individualmente. En la Figura 1 se muestra=
el
esquema del sistema automatizado.
Sistema
automátizado
Elaboración
propia.
Sistema
y procedimiento de flujo
El sistema automático se operó de acuerdo con l procedimiento descrito en la Tabla 1. El sistema
comprende dos micro-bombas solenoide (B1 y B2) que fueron responsables de la
inserción individual de la muestra y el agua destilada, además permitieron =
el
control no solo de los volúmenes de solución, sino también del caudal, el
tiempo y transporte desde la zona de toma de muestra hacia el detector. La
secuencia de inserción de muestra y agua destilada estuvo a cargo de 2 micro
válvulas solenoides que permitieron el paso de agua en posición OFF y de
muestra en posición ON.
Tabla
1. Procedimiento
automatizado para la determinación de pH y ptencial Redox a micro escala.
|
Paso |
Descripción |
Acción |
Dispositivos activados=
|
|
1 |
Limpieza
del sistema |
Impulsar
1mL de agua destilada |
B1,
B2, V1 (OFF), V2 (OFF) |
|
2 |
Adquisición
de datos |
-- |
EMF
6 |
|
3 |
Activación
de válvulas |
-- |
V1
(ON), V2 (ON) |
|
4 |
Determinación
de pH |
Impulsar 3mL of muestra |
B1 |
|
5 |
Determinación
de potencial redox |
Impulsar 3mL of muestra |
B2 |
|
6 |
Detener
adquisición de datos |
-- |
EMF
6 |
|
7 |
Limpieza
del sistema |
Impulsar 1mL agua destilada |
B1,
B2, V1 (OFF), V2 (OFF) |
|
8 |
Acondicionamiento
del electrodo |
Impulsar
3 mL solución tampon 7 y
aire. |
B1,
B2 |
Elaboración
propia.
En primer lugar, se impulsó 1 ml de agua destilada=
a
través del chip por la microbomba 1 y 2 (B1 y B=
2) para
la limpieza del sistema con un caudal de 1 ml min-1 (válvula 1 y=
2
en posición OFF) (paso 1). El software AutoAnalysis
activó el multi-potenciómetro EMF6 para la
adquisición de datos (paso 2). A continuación, se activa las válvulas en
posición ON para el análisis de la muestra (paso 3). Se insertó una alícuot=
a de
3 mL en el chip por B1 y B2 desde la multibomba hacia los electrodos de pH y potencial
El tiempo total de análisis por muestra
(con tres repeticiones) es de 12 minutos para la determinación simultánea d=
e pH
y potencial redox. Sería necesario entre 20 y 30
minutos para analizar ambos parámetros en una muestra manualmente. Esto inc=
luye
la limpieza de electrodos, calibración con soluciones tampón, cambio de mue=
stras
y análisis por triplicado de cada muestra. Es decir, el análisis de 5 muest=
ras
toma entre 2 y 3 horas para un técnico de laboratorio. La versatilidad del
sistema diseńado consiste en utilizar el mismo chip para analizar diferente=
s parámetros
simultáneamente. Además, se pueden analizar otros parámetros con el chip
cambiando diferentes tipos de electrodos. Finalmente, el sistema está diseń=
ado
para analizar todos los tipos de muestras líquidas que no contengan sólidos=
en
suspensión porque podrían bloquear los conductos dentro del sistema. En este
caso, sería necesario enviar la muestra a un proceso de filtrado antes de
ingresarla al sistema.
Re=
sultados.
En el presente trabaj=
o,
la determinación de los parámetros pH y potencial redo=
x
fue definida por la mezcla dentro del reactor (Chip). Los resultados obteni=
dos
con el chip de metacrilato usado en el sistema automático fueron comparados=
con
un sistema sin mezclador incorporado y con un mezclador 3D impreso. Confirm=
ando
la importancia del mezclador dentro del sistema de flujo en cuanto a la mej=
or
sensibilidad y linealidad obtenida (Figura 2).
Figura 2. Curvas de calibración de la comparación entre
mezcladores
Elaboración
propia.
El tiempo de
estabilización del electrodo de vidrio para la determinación de pH en un
proceso normal es alrededor de 1 minuto, sin embargo, a micro escala este
tiempo incrementa notablemente entre 3 y 4 minutos para obtener curvas de
calibración precisas. Los experimentos preliminares revelaron que la tasa de
flujo óptima es de 2 ml/min. Un valor alto produce un aumento indeseable en=
el
límite inferior de la respuesta lineal, y para valores inferiores a 2 ml/mi=
n se
reduce la tasa de muestreo. Soluciones tampón fueron usadas para la calibra=
ción
del electrodo de pH, los resultados obtenidos en los experimentos mostraron=
una
pendiente de Nernstiana (-53.5 mV/pH)
para un pH de 4 a 9 (Figura 3).
Figura 3. Curvas de calibración de medición de pH
Elaboración
propia.
El electrodo de potencial red=
ox
fue calibrado con una solución tampón de ORP 700 mV,
obteniendo una lectura estable a partir de los 3 minutos con un caudal de 2=
ml/min
(Figura 4).
Figura
2. Resultado de =
la
lectura del electrodo de potencial redox.
Elaboración
propia.
Validación y aplicación a muestras de agua=
.
El sistema automatizado propuesto se ha
validado mediante la comparación entre los resultados obtenidos con este
sistema y el método convencional usado en laboratorio para la determinación=
del
pH y potencial redox, dando resultados similares
entre los métodos (Tabla 2).
Tabla
2. Resultados de=
la
validación del método propuesto en muestras de agua
|
Muestra |
pH<=
/b> |
Potencial
Redox |
|||
|
Procedimiento
normal (mV) |
Sistema (mV) |
Procedimiento
normal (mV) |
Sistema (mV) |
||
|
Muestra
1 |
7,10ą0,11 |
7,40ą0,14 |
377ą5 |
202ą8 |
|
|
Muestra
2 |
7,77ą0,01 |
8,02ą0,06 |
297ą13 |
207ą9 |
|
|
Muestra
3 |
7,85ą0,01 |
8,01ą0,38 |
271ą3 |
213ą7 |
|
|
Muestra
4 |
7,40ą0,29 |
8,12ą0,30 |
213ą3 |
213ą7 |
|
|
Muestra
5 |
7,60ą0,06 |
7,91ą0,10 |
197ą5 |
211ą5 |
|
|
Muestra
de piscina |
7,30ą0,05 |
7,40ą0,37 |
610ą8 |
609ą11 |
|
|
Buffer ORP |
1,53ą0,04 |
1,70ą0,10 |
700ą16 |
712ą10 |
|
.
Elaboración
propia.
Conclusiones.
ˇ &nb=
sp;
En este trabajo se consiguió desarrollar un sistema
automático para la determinación simultánea de pH y potencial redox mediante la combinación de técnicas microfluídicas, química analítica y sistemas de autom=
atización,
acopladas a un detector potenciométrico.
ˇ &nb=
sp;
Con el método propuesto y usando 2ml de muestra en=
un
máximo de 9 minutos por muestra se logró determinar pH y potencial redox en el sistema previamente calibrado con tiempos=
de
determinación menores que en el análisis de laboratorio tradicional.
ˇ =
Los resultados fueron validados en muestra de agua=
s y
piscina, por medio de la comparación de resultados con el método tradiciona=
l,
sin encontrarse diferencias significativas.
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PARA
CITAR EL ARTÍCULO INDEXADO.
Chango Lescano, G., Vera Luzuriaga, J., Dalgo Flores, V., &= Nuńez Zavala, C. (2019). Automatización de un proceso= para la determinación de parámetros químico-analíticos de calidad en muestras de agua. Ciencia Digital, 3(3.1), 176-187. https://doi.org= /10.33262/cienciadigital.v3i3.1.685
El artículo que se publica es de
exclusiva responsabilidad de los autores y no necesariamente reflejan el
pensamiento de la Revista Ciencia
Digital.
El artículo qu=
eda
en propiedad de la revista y, por tanto, su publicación parcial y/o total en
otro medio tiene que ser autorizado por el director de la Revista Ciencia Digital.
[1] Escue=
la
Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Mecánica, Riobamba, Ecuador.
gabriela.chango@espoch.edu.ec
[2] Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Mecáni=
ca,
Riobamba, Ecuador. john.vera@espoch.edu.ec
[3]
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Ciencias,
Riobamba, Ecuador. violeta.dalgo@espoch.edu.ec
[4] = Instituto Superior Tecnológic= o Carlos Cisneros, Riobamba, Ecuador. christiamne@gmail.com<= /p>
www.cienciadigital.org
<=
v:shapetype
id=3D"_x0000_t32" coordsize=3D"21600,21600" o:spt=3D"32" o:oned=3D"t" path=
=3D"m,l21600,21600e"
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