Desenvolvimento de sensores de fibra óptica para monitorização de compostos orgânicos voláteis em ambientes industriais

Abstract

O objectivo geral deste trabalho consistiu no desenvolvimento de novos sensores químicos de fibra óptica (OF) para análise de compostos orgânicos voláteis (VOCs) em ambientes industriais. A componente de detecção dos sensores desenvolvidos é constituída por uma pequena secção de fibra óptica revestida com um filme de polímero. A morfologia dos filmes poliméricos foi analisada e caracterizada por microscopia electrónica de varrimento (SEM), sendo a espessura dos filmes determinada por espectroscopia de retrodispersão de Rutherford (RBS, acrónimo do inglês Rutherford backscattering spectrometry). O desempenho analítico dos sensores de OF foi avaliado relativamente a diferentes parâmetros operacionais, tais como, concentração da solução de revestimento, técnica de deposição do filme polimérico, temperatura da célula de injecção, temperatura de cura do material polimérico, caudal do gás de arraste, comprimento de onda e frequência de funcionamento do laser, configurações estruturais da célula de injecção e do tubo analítico. Foram desenvolvidos dois sensores de OF a operar na região do infravermelho para determinação de diferentes classes de VOCs, nomeadamente hidrocarbonetos aromáticos, clorados e alifáticos, além de álcoois. Os sensores de OF desenvolvidos apresentaram adequadas características analíticas em termos de sensibilidade, linearidade, repetitibilidade e reprodutibilidade do sinal analítico, sendo o tempo de resposta de aproximadamente 30 segundos. Foi também desenvolvido um sensor de OF para especiação de benzeno, tolueno e o-xileno a operar na região do visível (635 - 650 nm), tendo sido aplicado à análise de amostras reais de ar de uma indústria de solventes. Relativamente à monitorização de VOCs em ambientes industriais, foi desenvolvido um sensor de OF para monitorização in situ e de forma remota (até uma distância máxima de 60 metros do local de amostragem) de benzeno, tolueno, etilbenzeno, p-xileno, m-xileno e o-xileno (BTEX), utilizando um díodo laser a 1550 nm. O desempenho analítico do sensor desenvolvido foi comparado, para a determinação de BTEX, com a cromatografia gasosa acoplada à detecção com ionização de chama (GC-FID). Foram ainda desenvolvidos dois detectores de fibra óptica acoplados a um cromatógrafo de gás para especiação de álcoois e hidrocarbonetos aromáticos. A metodologia desenvolvida baseada em cromatografia gasosa acoplada a um detector de fibra óptica (GC-OF) foi aplicada à análise de amostras reais de ar de uma indústria de solventes, comparando os respectivos resultados com os obtidos por GC-FID. Por fim foi efectuado um estudo visando a obtenção de um modelo geral para a resposta analítica dos sensores de fibra óptica desenvolvidos.

The main aim of this work was the development of new chemical optical fibre (OF) sensors for analysis of volatile organic compounds (VOCs) in industrial environments. The detection component of the developed sensors consisted on a small section of an optical fibre coated with a polymeric film. The polymeric film morphology was analysed and characterized by scanning electron microscopy (SEM) and the thickness of the film determined by Rutherford backscattering spectrometry (RBS). The analytical performance of the OF sensors was evaluated regarding some operational parameters, such as, concentration of the coating solution, deposition technique of the polymeric film, temperature of the injection cell, temperature of cure of the polymeric film, working wavelength and frequency of the laser, design of the injection cell and analytical tube, and flow rate of the carrier gas. Two OF sensors operating in the infrared spectral region were developed for determination of different classes of VOCs, namely aromatic, chlorinated and aliphatic hydrocarbons and alcohols. The developed sensors showed high analytical sensitivity, linearity, repeatability, reproducibility of the analytical signal and a response time of about 30 seconds. An OF sensor was developed for benzene, toluene and o-xylene speciation operating in the visible region (635 - 650 nm) and applied to the analysis of actual samples of air from a solvent industry. Regarding VOCs monitoring in industrial environments, an OF sensor was developed for in situ and remotely monitoring (at a maximum of 60 metres away from the sampling place) of benzene, toluene, ethylbenzene, p-xylene, mxylene and o-xylene (BTEX) using a laser diode at 1550 nm. The analytical performance of the developed sensor was comparable to the determination of BTEX by gas chromatography - flame ionization detector (GC-FID). Two analytical methods were also developed for speciation of alcohols and aromatic hydrocarbons. The developed methods were based on separation by gas chromatography and detection by an optical fibre detector (GC-OF) and they were applied to the analysis of actual air samples from a solvent industry. Their results were tested and compared to those obtained by GC-FID. Finally, a general model was proposed for describing the analytical response of the developed optical fibre sensors.