En 2014 y 2015, la ciudad de Flint, en el estado de Michigan, enfrentó una crisis de salud pública cuando se encontraron altos niveles de plomo y otros contaminantes en el agua potable municipal. Como consecuencia, un brote de la enfermedad del legionario mató a 12 personas y muchas más se enfermaron gravemente. Si bien las tuberías de plomo provocaron niveles poco seguros de plomo en el agua potable, la detección adecuada de las emisiones podría haber evitado el brote.
Los sensores de emisiones juegan un rol vital en el monitoreo y el control de entornos industriales, médicos y de investigación, así como en la vida diaria. Muchos tipos de emisiones pueden tener impactos negativos, como altos niveles de plomo o radiación en el agua, y el monitoreo de estas emisiones puede proteger la salud humana, preservar el medio ambiente, conservar el rendimiento de los procesos, garantizar el cumplimiento de las normativas y brindar control de calidad. En este artículo se examinan varios tipos de sensores y las emisiones para las que están diseñados.
Emisiones de materia particulada
Entre las emisiones de materia particulada se encuentran compuestos como polvo, humo, contaminantes, compuestos orgánicos volátiles (VOC, por sus siglas en inglés), bacterias, productos químicos y más. Dada la amplia naturaleza de las emisiones de materia particulada, se emplean una variedad de tecnologías de sensores para detectar emisiones de materia particulada en el agua y en el aire. El término más común para esta familia de sensores es “sensores de calidad del aire o del agua”, pero la tecnología que los impulsa puede ser drásticamente diferente, según la aplicación.
Sensores de materia particulada del aire y VOC
Los láseres son una herramienta integral para detectar partículas microscópicas en el aire. Por ejemplo, el sensor de partículas de la serie HPM de Honeywell utiliza una fuente de iluminación láser para iluminar las partículas que pasan por su cámara de detección. A medida que la luz refleja y dispersa las partículas, un detector de fotodiodos analiza la señal láser que se recibe para detectar partículas ultrafinas. Esta serie de sensores detecta materia particulada (PM, por sus siglas en inglés) que va desde partículas PM1.0, PM2.5, PM4.0 y PM10, lo que permite su uso en monitores de calidad del aire para salas limpias, sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado, y dispositivos de purificación de aire. Las partículas PM1.0 a PM10 varían entre 1 y 10 micrones de ancho e incluyen partículas como polvo, polen, rastros, bacterias, virus y humo.
Los VOC pueden provocar problemas de salud importantes, y varían en tamaño y composición. Sensores de VOC como el SGP40-D-R4 de SensirionAG integran un sistema de sensores CMOSens basado en tecnología de sensores de óxido metálico. En presencia de VOC, una película de óxido metálico diseñada específicamente cambia la resistencia de un material semiconductor, que posteriormente envía una señal eléctrica para indicar la detección de VOC en la película. Los sensores de óxido metálico también se pueden ajustar para que detecten otros materiales, los que incluyen gases específicos, al manipular las características del semiconductor y cambiar la temperatura del sensor.
Sensores de detección de calidad del agua
Se emplean dos tecnologías de sensores comunes para detectar materia particulada en el agua. Los sensores electroquímicos detectan minerales, metales y niveles de pH, mientras que los sensores ópticos detectan sólidos dispersos, color y claridad.
Por ejemplo, el sensor CN0428 de Analog Devices emplea detección de reacción electroquímica de oxidación-reducción (redox) al medir la transferencia de electrones de un reactivo a otro mediante sondas de detección. Este método se usa para detectar metales pesados como el plomo, así como otras sustancias químicas, bacterias y partículas biológicas no deseadas en el agua.
El otro tipo común de sensor de calidad del agua utiliza sistemas ópticos de transmisión y recepción para detectar la turbiedad del agua, lo que comúnmente se llama claridad del agua. La turbiedad se puede ver afectada por partículas suspendidas como arcilla, limo, microplásticos, algas, sedimentos u otra materia orgánica. El sensor CN0409 de Analog Devices utiliza emisores infrarrojos y fotodiodos para medir la turbiedad del agua en un rango de 0 a 1000 FTU, con una tolerancia de +/- 0,5 FTU. Como referencia, el límite de la EPA para la turbiedad del agua potable es de 1 FTU.
Sensores de emisión de gases
Las emisiones de gases están más asociadas con los gases de efecto invernadero y las emisiones de automóviles, como CO2, óxido de nitrógeno y monóxido de carbono. Sin embargo, las emisiones de gases pueden provenir de instalaciones industriales, servicios eléctricos, pinturas, solventes, vapores químicos e incluso de fuentes naturales como los volcanes.
El dióxido de carbono, la más famosa de las emisiones de gases de efecto invernadero, es uno de los gases que más se monitorea en una variedad de usos. Por ejemplo, sensores de CO2 como el SCD4X se pueden utilizar para indicadores de semáforos, ventilación controlada por demanda, invernaderos agrícolas y monitoreo de la calidad del aire en interiores. Este sensor utiliza un principio de medición de masa térmica, que integra un sensor calorimétrico MEMS y un microelemento calefactor para generar un perfil de temperatura durante el flujo de gas. A medida que diferentes gases fluyen a través de la membrana, el perfil de calor cambia. Este cambio se usa para indicar la concentración de varios gases presentes en la membrana.
El ozono es un contaminante dañino que puede provocar enfermedades cardíacas y pulmonares. Cuando los óxidos de nitrógeno (el subproducto de la combustión de combustibles fósiles) están en presencia de VOC, calor y luz solar, las reacciones químicas gaseosas pueden crear altas concentraciones de ozono. En altas concentraciones, el ozono puede dañar los tejidos blandos y perjudicar la salud humana, animal y vegetal. Debido a esto, los sensores de ozono son muy comunes en entornos urbanos y se utilizan para alertar a las autoridades cuando hay altos niveles de ozono. Sensores de ozono como el SEN0321 emplean los mismos principios electroquímicos que los sensores de óxido metálico que se mencionan anteriormente y pueden detectar concentraciones de ozono que oscilan entre 0 y 10 ppm.
Por último, las emisiones de gases se pueden medir con una precisión increíblemente alta mediante el uso de detectores de gas infrarrojos. Estos conjuntos de sensores altamente especializados miden la composición del gas al emitir frecuencias específicas de luz infrarroja mediante una muestra de gas. Si hay un gas objetivo en la muestra, se absorben longitudes de onda específicas de la luz infrarroja. Según la tasa de absorción, el detector infrarrojo puede detectar la concentración del gas específico. Los detectores de gas infrarrojos van desde pequeños dispositivos como la serie USEQGSEx de KEMET hasta conjuntos de sensores especializados de gran tamaño que detectan de manera simultánea una amplia gama de gases.
La importancia de los sensores y la detección de emisiones
La detección de emisiones es una herramienta fundamental para monitorear y controlar entornos en los sectores industrial, médico, municipal y de investigación. La crisis del agua en Flint, Michigan, puso de relieve la necesidad de sistemas proactivos de monitoreo y detección para proteger la salud pública.
Los diversos sensores y tecnologías que se mencionan en este artículo pueden detectar una variedad de emisiones. Prácticamente todas las aplicaciones de detección de emisiones tienen una solución. Los gobiernos, las empresas y los investigadores debieran aprovechar los sensores de emisiones para crear un entorno más seguro, saludable y sustentable para todos.
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