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ESTANDARIZACIÓN DE LA TÉCNICA DE CROMATOGRAFÍA DE G ASES
CON DETECTOR DE IONIZACIÓN POR LLAMA PARA LA DETERM INACIÓN
DE BTEX (BENCENO, TOLUENO, ETILBENCENO Y XILENO) EN MATRICES
ACUOSAS
JHON EDGAR ARROYAVE GARCÍA
LINA MARÍA VILLA FLÓREZ
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA
FACULTAD DE TECNOLOGÍA
ESCUELA DE QUÍMICA
QUÍMICA INDUSTRIAL
PEREIRA
2011
2
ESTANDARIZACIÓN DE LA TÉCNICA DE CROMATOGRAFÍA DE G ASES
CON DETECTOR DE IONIZACIÓN POR LLAMA PARA LA DETERM INACIÓN
DE BTEX (BENCENO, TOLUENO, ETILBENCENO Y XILENO) EN MATRICES
ACUOSAS
JHON EDGAR ARROYAVE GARCÍA
LINA MARÍA VILLA FLÓREZ
TRABAJO DE GRADO
Requisito final para optar al título de Químico Ind ustrial
DIRECTOR: JUAN PABLO ARRUBLA VÉLEZ Qco MSc.
ASESOR: CARLOS HUMBERTO MONTOYA N Qco Ind
GRUPO DE ESTUDIO DEL RECURSO HÍDRICO.
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA
FACULTAD DE TECNOLOGÍA
ESCUELA DE QUÍMICA
QUÍMICA INDUSTRIAL
PEREIRA
2011
3
NOTA DE ACEPTACIÓN DE TRABAJO DE GRADO
ESTANDARIZACIÓN DE LA TÉCNICA DE CROMATOGRAFÍA DE G ASES
CON DETECTOR DE IONIZACIÓN POR LLAMA PARA LA DETERM INACIÓN
DE BTEX (BENCENO, TOLUENO, ETILBENCENO Y XILENO) EN MATRICES
ACUOSAS
Presentado por:
JHON EDGAR ARROYAVE GARCÍA
LINA MARÍA VILLA FLÓREZ
Los suscritos director y jurado del presente trabaj o de grado, una vez realizada la
versión escrita y presenciado la sustentación oral, decidimos otorgar:
La nota de ---------------------------------------- --------------------------
Con la connotación: ------------------------------- ----------------------
Para constancia firmamos en la ciudad de Pereira ho y:
Director: JUAN PABLO ARRUBLA VÉLEZ
Firma: -------------------------------------------- -----------------
Asesor: CARLOS HUMBERTO MONTOYA N
Firma: -------------------------------------------- -----------------
Jurado:
Firma: -------------------------------------------- -----------------
4
DEDICATORIA
A Dios por darnos la vida y su amor infinito, por acompañarnos y darnos fortaleza en todo
momento de nuestras vidas y mostrarnos el camino que debemos seguir para alcanzar la
verdadera felicidad.
A la Virgen María por su amor, acompañamiento e intercesión ante su Hijo.
A nuestras familias por su amor, apoyo, comprensión y dedicación en cada momento. Por
inculcar en nosotros valores y principios morales que nos hacen ser mejores personas.
Por estar siempre con nosotros especialmente en los momentos difíciles ayudándonos a
superar las dificultades.
A nuestros amigos por el cariño y apoyo que siempre nos brindaron.
5
AGRADECIMIENTOS
A Dios todopoderoso, por estar siempre con nosotros, cambiando nuestras vidas,
mostrándonos el camino que debemos seguir. Por darnos la fuerza necesaria para
cumplir nuestras metas y sueños a pesar de los obstáculos que se pueden presentar. Por
enseñarnos la felicidad que se alcanza al estar cerca de Él.
A la Virgen María por su compañía en cada instante de nuestras vidas y por interceder en
todo momento y lugar por nosotros ante su Hijo.
A nuestras familias por el cariño, apoyo y amor incondicional que nos han brindado
durante el transcurso de nuestras vidas. Por el ánimo y la motivación en los momentos
difíciles, haciendo posible la superación de las dificultades.
A nuestro director Juan Pablo Arrubla y asesor Carlos Humberto Montoya por el apoyo,
tiempo, dedicación y conocimientos que nos brindaron para la realización de este
proyecto.
A Hugo Fernando Arias, Jaime Alejandro Martínez y Paula Andrea Giraldo que con
paciencia nos enseñaron a operar el cromatógrafo de gases y nos brindaron su
conocimiento y experiencia en el campo de la investigación.
A los profesores de la escuela de química por los conocimientos aportados durante el
transcurso de nuestra carrera.
A María Victoria, Javier y Germán por su colaboración cada que fue necesario.
A nuestros amigos por apoyarnos cuando lo necesitamos. Por hacer más agradable
nuestra estadía en la universidad.
A todas las entidades y personas que de alguna manera hicieron posible cumplir nuestra
meta.
6
TABLA DE CONTENIDO
Pág.
ÍNDICE DE TABLAS 11
ÍNDICE DE FIGURAS 13
ÍNDICE DE ANEXOS 14
GLOSARIO 15
RESUMEN 17
JUSTIFICACIÓN 18
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 21
OBJETIVOS 22
1 MARCO TEÓRICO 23
1.1 ESTANDARIZACIÓN 23
1.1.1 Linealidad y rango 24
1.1.2 Precisión 26
1.1.2.1 Repetibilidad 26
1.1.2.1.1 Repetibilidad del sistema instrumental 26
1.1.2.1.2 Repetibilidad del método 27
1.1.2.2 Precisión intermedia 27
1.1.2.3 Reproducibilidad 27
1.1.3 Exactitud 27
1.1.4 Límite de detección (LD) 28
1.1.5 Límite de cuantificación (LC) 29
7
1.1.5.1 Método basado en la relación señal/ruido 29
1.1.5.2 Método basado en la desviación estándar de la respuesta del blanco y 29
La pendiente de la recta de calibrado
1.1.5.2.1 Métodos instrumentales que corrigen la señal frente a un blanco 30
1.1.5.2.2 Métodos instrumentales que no corrigen la señal frente a un blanco 30
1.1.5.3 Método basado en la extrapolación de la recta de calibrado a 31
concentración cero
1.1.6 Sensibilidad 31
1.2 CROMATOGRAFÍA DE GASES (GC) 31
1.2.1 Ventajas 32
1.2.2 Instrumentación en cromatografía de gases 33
1.2.2.1 Gas portador 35
1.2.2.2 Sistema de inyección 36
1.2.2.3 Configuración de la columna y del horno de la columna 37
1.2.2.4 Sistemas de detección 38
1.2.2.4.1 Detector de ionización por llama (FID) 39
1.2.3 Análisis cualitativo y cuantitavivo 42
1.2.3.1 Análisis cualitativo 42
1.2.3.2 Análisis cuantitativo 42
1.2.3.2.1 Método del patrón interno 43
1.2.3.2.2 Método del estándar externo 43
1.2.3.2.3 Método de la normalización de las áreas 44
8
1.3 EXTRACCIÓN EN FASE SÓLIDA (SPE) 44
1.3.1 Consideraciones teóricas 45
1.3.1.1 Interacciones polares 46
1.3.1.2 Interacciones apolares 47
1.3.1.3 Interacciones iónicas 48
1.3.2 Etapas de la extracción en fase sólida 50
1.3.2.1 Acondicionamiento del adsorbente 50
1.3.2.2 Aplicación de la muestra (adsorción) 51
1.3.2.3 Lavado del adsorbente 51
1.3.2.4 Elución 51
1.3.3 Ventajas 52
1.4 HIDROCARBUROS AROMÁTICOS (BTEX) 52
1.4.1 Estabilidad 52
1.4.2 Propiedades físicas y químicas 53
1.4.2.1 Comportamiento de los BTEX en agua 55
1.4.3 Fuente de hidrocarburos aromáticos 56
1.4.3.1 Petróleo 56
1.4.3.1.1 Aromáticos del reformado catalítico 56
1.4.3.1.2 Aromáticos del craqueo con vapor 58
1.4.3.1.3 Separación de hidrocarburos aromáticos 58
1.4.4 Procesos de transformación de aromáticos 60
1.4.5 Refinación del petróleo y composición de la gasolina en Colombia 60
9
1.4.5.1 Refinación nacional del petróleo 60
1.4.5.2 Composición de la gasolina en Colombia 60
1.4.6 Usos de los BTEX 62
1.4.6.1 Benceno 62
1.4.6.2 Tolueno 63
1.4.6.3 Etilbenceno 63
1.4.6.4 p-Xileno 63
1.4.6.5 o-Xileno 64
1.4.6.6 m-Xileno 64
1.4.7 Toxicidad de los BTEX 64
1.4.7.1 Benceno 65
1.4.7.2 Tolueno 66
1.4.7.3 Etilbenceno 67
1.4.7.4 Xileno 67
1.4.8 Métodos de análisis de los BTEX 69
2 SECCIÓN EXPERIMENTAL 72
2.1 MUESTRA DE ANÁLISIS 72
2.2 MUESTREO 72
2.3 TRANSPORTE, PRESERVACIÓN Y ALMAC ENAMIENTO DE LA 72
MUESTRA
2.4 EXTRACCIÓN EN FASE SÓLIDA 73
2.5 COMPOSICIÓN DEL ESTÁNDAR DE BTEX 74
10
2.6 ANÁLISIS CROMATOGRÁFICO 75
2.6.1 Estándar 75
2.6.2 Patrones 76
2.6.3 Curvas de calibración 77
2.6.4 Análisis de las muestras 77
3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN 78
3.1 ANÁLISIS CROMATOGRÁFICO DEL ESTÁ NDAR 78
3.2 CALIBRACIÓN 80
3.3 TRATAMIENTO ESTADÍSTICO 84
3.3.1 Indicadores de relación lineal 87
3.3.2 Exactitud 89
3.4 ESTANDARIZACIÓN DE LA TÉCNICA DE EXTRACCIÓN EN FASE 90
SÓLIDA (SPE)
3.4.1 Porcentaje de recuperación 90
3.5 ANÁLISIS DE LAS MUESTRAS 92
3.5.1 Resultados de pH y temperatura en las trampas de grasas 92
3.5.2 Análisis cromatográfico 93
3.5.3 Análisis de un humedal 97
3.5.4 Interferencias en el análisis 98
4. CONCLUSIONES 99
5. BIBLIOGRAFÍA 101
6. ANEXOS 107
11
ÍNDICE DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Propiedades de los detectores para cromatografía de gases 40
Tabla 2. Fases estacionarias usadas en extracción en fase sólida 50
Tabla 3. Propiedades fisicoquímicas de los BTEX 54
Tabla 4. Valores más altos de los BTEX encontrados en agua subterránea 55
urbana.
Tabla 5 . Rango de valores de la vida media de los BTEX en días 56
Tabla 6. Composición de gasolinas reformadas. 57
Tabla 7. Composición gasolina procedente de craqueo con vapor. 58
Tabla 8. Puntos de ebullición de los BTEX. 59
Tabla 9. Gasolina corriente. 61
Tabla 10. Gasolina extra 61
Tabla 11. Diesel corriente 62
Tabla 12. Diesel extra o diesel premium 62
Tabla 13. Valores permitidos por la EPA 68
Tabla 14. Clasificación de riesgo carcinógeno de la EPA 69
Tabla 15. Composición del estándar de BTEX marca RESTEK código de 74
Catálogo 30213
Tabla 16. Programación de la temperatura del horno de cromatógrafo 77
Tabla 17. Tiempos de retención y áreas medidas por el equipo de los 79
hidrocarburos aromáticos.
12
Tabla 18. Áreas de la cola del diclorometano medida por el equipo 80
Tabla 19. Datos de las áreas obtenidos de cada patrón para la construcción de 81
las curvas de calibración.
Tabla 20. Datos de las áreas obtenidas para la elaboración de la curva de 82
calibración del benceno
Tabla 21. Datos para determinar la repetibilidad instrumental 84
Tabla 22. Datos para el cálculo de la SD y el % RSD para el benceno 86
Tabla 23. Resultados estadísticos obtenidos de las curvas de calibración 87
Tabla 24. Datos obtenidos para el test de linealidad 88
Tabla 25. Datos obtenidos para calcular la exactitud 89
Tabla 26. Datos obtenidos para el porcentaje de recuperación de cada patrón 90
Tabla 27. Porcentajes de recuperación de los BTEX 91
Tabla 28. Temperatura y pH en las trampas de grasas 93
Tabla 29. Concentraciones de BTEX en las estaciones de servicio 95
Tabla 30. Concentración de BTEX en la salida del humedal 98
13
ÍNDICE DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Diagrama de un sistema de cromatografía gas-líquido 35
Figura 2. Detector de ionización por llama característico 41
Figura 3. Fases estacionarias polares y sus interacciones con los analitos 46
Figura 4. Fases estacionarias apolares y sus interacciones con los analitos 47
Figura 5. Fases estacionarias de intercambio iónico 49
Figura 6. Etapas de la extracción en fase sólida 51
Figura 7. Molécula del benceno 53
Figura 8. Principales reacciones de aromatización 57
Figura 9. Trampa de grasas 72
Figura 10. Cromatógrafo de gases utilizado en el análisis 75
Figura 11. Cromatograma patrón 50ppm 78
Figura 12 . Cromatograma del solvente de elución (Diclorometano) 79
Figura 13. Gráfica de barras de las concentraciones de BTEX 83
Figura 14. Curva de calibración para el benceno 83
Figura 15. Gráfica de barras de los porcentajes de recuperación de los BTEX 91
Figura 16. Cromatograma del extracto obtenido en la muestra tomada de la 94
estación de servicio centro
Figura 17. Cromatograma de la salida del humedal 97
14
ÍNDICE DE ANEXOS
Pág.
Anexo 1 Reacciones de los BTEX para la producción de diferentes productos 107
Anexo 2. Certificado del análisis del estándar 110
Anexo 3. Datos de las áreas obtenidas de cada patrón para la construcción de 111
las curvas de calibración.
Anexo 4. Datos de las áreas obtenidas para la elaboración de la curva de 113
calibración del benceno
Anexo 5. Curvas de calibración de los BTEX 115
Anexo 6. Datos para la determinación de la repetibilidad instrumental. 118
Anexo 7. Distribución de t para diferentes niveles de confianza 119
Anexo 8. Cromatogramas de los extractos obtenidos en las muestras 120
tomadas de las estaciones de servicio
Anexo 9. Cromatogramas de los patrones de BTEX 123
15
GLOSARIO
BTEX: Acrónimo que define la mezcla de benceno, tolueno, etilbenceno y los tres
isómeros del xileno (orto, meta y para).
CROMATOGRAMA: Es un gráfico de la respuesta del detector en función del tiempo.
DETECTOR: Dispositivo que responde a cierta característica del sistema que está sujeto
a observación y convierte esa respuesta en una señal susceptible de medirse.
ESTANDARIZACIÓN: Procedimiento estadístico que consiste en verificar y documentar,
que exista un alto grado de seguridad en la obtención de resultados que deberían ser
precisos y exactos dentro de las especificaciones y los atributos de calidad previamente
establecidos.
EXACTITUD: Expresa la cercanía entre el valor que es aceptado, sea como un valor
convencional verdadero (Material de referencia interno de la firma), sea como un valor de
referencia aceptado (Material de referencia certificado o estándar de una farmacopea) y el
valor encontrado (Valor promedio) obtenido al aplicar el procedimiento de análisis un
cierto número de veces.
FID (FLAME IONIZATION DETECTOR) DETECTOR DE IONIZACIÓN POR LLAMA:
Detector para cromatografía de gases que se basa en la captura de los iones producidos
durante la pirólisis de analitos orgánicos en una flama.
GC (GAS CHROMATOGRAPHY): CROMATOGRAFÍA DE GASES: Es una técnica de
gran sensibilidad y exactitud que se utiliza para separación, identificación y cuantificación
de compuestos volátiles. Se basa en la distribución del analito entre un fase móvil gaseosa y
una fase liquida inmovilizada sobre la superficie. La fase móvil se denomina gas
transportador, ya que es un gas inerte cuya finalidad es transportar las moléculas de la
muestra a través de la columna. Los adsorbentes, tales como gel de sílice, alúmina, sales
inorgánicas, polímeros porosos, tamices moleculares y carbón grafitizado, son las fases
estacionarias.
LÍMITE DE CUANTIFICACIÓN: Cantidad más pequeña del analito en una muestra que
puede ser cuantitativamente determinada con exactitud aceptable. Es un parámetro del
16
análisis cuantitativo para niveles bajos de compuestos en matrices de muestra y se usa
particularmente para impurezas y productos de degradación. Se expresa como
concentración del analito.
LÍMITE DE DETECCIÓN: Cantidad más pequeña de analito en una muestra que puede
ser detectada por una única medición, con un nivel de confianza determinado, pero no
necesariamente cuantificada con un valor exacto. Es comúnmente expresado como
concentración del analito.
LÍNEA BASE: Es la parte del cromatograma que registra la respuesta del detector en
ausencia de soluto o solvente.
PICO: Es la parte del cromatograma que registra la respuesta del detector mientras que
uno o más componentes son eluídos de la columna.
PRECISIÓN: Expresa la cercanía de coincidencia (Grado de dispersión) entre una serie
de mediciones obtenidas de múltiples muestreos de una misma muestra homogénea bajo
condiciones establecidas. Puede considerarse a tres niveles: repetibilidad, precisión
intermedia y reproducibilidad.
SPE (SOLID PHASE EXTRACTION) EXTRACCIÓN EN FASE SÓLIDA: La SPE es una
técnica muy empleada en la preparación de muestras para análisis por cromatografía
líquida, de gases, electroforesis y aún para espectrofotometría. También, se ha convertido
en una de las técnicas para clean-up y concentración de muestras utilizadas por los
químicos analíticos.
SPLIT: Modo de inyección con división de flujo, en el cual rápidamente se vaporiza la
muestra antes de entrar en la columna. Una fracción definida de la muestra de vapor entra
en la columna y el resto sale de la entrada a través de un orificio de ventilación.
SPLITLESS: Modo de inyección sin división de flujo, el cual utiliza una entrada divisora en
donde la abertura de división de flujo se bloquea durante el período de inyección de tal
manera que la mayor parte del vapor de la muestra entra en la columna
USEPA: (United States Environmental Protection Agency) Agencia de Protección
Ambiental de Estados Unidos cuya misión es la de proteger la salud de los humanos y la
del medio ambiente [1,17,25,41].
17
RESUMEN
La cromatografía de gases es una de las técnicas más ampliamente usadas en el análisis
de contaminantes ambientales derivados del petróleo, ya que esta es una técnica analítica
instrumental de alta sensibilidad capaz de identificar cualitativa y cuantitativamente
concentraciones muy bajas de estos componentes.
Se realizó la estandarización de la técnica de Cromatografía de Gases con Detector de
Ionización por Llama (GC/FID) para la determinación de BTEX en matrices acuosas. En el
proceso de estandarización se estimaron los valores para los parámetros que determinan
el rendimiento del método analítico como son: precisión, exactitud, linealidad, límite de
detección, límite de cuantificación y sensibilidad; logrando valores aceptables de estas
medidas.
En la extracción y preconcentración de la matriz, se empleó la extracción en fase sólida
(SPE) utilizando cartuchos C18 y diclorometano como solvente de elución. Este método de
extracción expuso buenos porcentajes de recuperación, entre 69,22 y 80,01%, con
desviaciones estándar inferiores al 10%.
El método fue aplicado para la determinación de BTEX en matrices acuosas, usando
muestras reales procedentes de la trampa de grasas más limpia de tres estaciones de
servicio de la ciudad de Pereira. Se encontraron concentraciones de 0,013ppm, 0,014ppm
y 0,018ppm de etilbenceno, m,p-xileno y o-xileno respectivamente en una de las tres
estaciones de servicio. Aunque en Colombia no existe una ley como tal que limite la
concentración de BTEX en agua, los resultados obtenidos indican que se genera poca
contaminación de agua con estos compuestos en las estaciones de servicio analizadas.
18
JUSTIFICACIÓN
El crecimiento exponencial de la población mundial ha dado como resultado una mayor
demanda de combustibles fósiles (hidrocarburos). Aunque muchos de estos compuestos
se utilizan para generar energía, un alto porcentaje se libera al ambiente en los procesos
de extracción, refinado, transporte y almacenamiento, lo que representa un riesgo
potencial para los ecosistemas; tal es el caso de algunos componentes de la gasolina
denominados BTEX (Benceno, Tolueno, Etilbenceno, orto-, meta-, para-xileno) que
constituyen una de las principales fuentes de contaminación de suelos, aire y agua. Son
usados ampliamente en industrias, tales como de impresión, pinturas, resinas sintéticas,
gomas sintéticas y como intermedios químicos en la síntesis de diversos compuestos.
Las fuentes más comunes de contaminación por BTEX en el agua son: pérdidas
producidas en los tanques subterráneos de almacenamiento de productos derivados del
petróleo o vertidos ocurridos durante el transporte de dichos productos, efluentes de
estaciones de gasolina y de las industrias químicas, lixiviación de tanques de
almacenamiento de gasolina y de los vertederos. El uso de agua contaminada ocasiona
un montón de problemas para la salud humana y las vidas acuáticas [2,3,4,5].
Los efectos potenciales en la salud humana por exposición a los BTEX por encima del
máximo nivel contaminante (MCL, por sus siglas en inglés) permitido en agua potable;
son: anemia, disminución de plaquetas en la sangre, mayor riesgo de cáncer, daños en el
sistema nervioso y problemas en el hígado y el riñón. Por ende, la presencia de estas
sustancias químicas en el agua, son un enorme peligro para la salud humana [6].
Para el caso de Colombia, aunque no existe una ley como tal que limite la concentración
de estos compuestos en el agua, los BTEX son foco de atención dentro de los aspectos
de salud y de conservación del medio ambiente; por lo que se han incluido como
sustancias de interés sanitario en el Decreto 3930 de 2010 para usos de agua y residuos
líquidos [7].
19
El benceno es una sustancia cancerígena, razón por la cual el Ministerio de Trabajo, por
medio del Decreto 1214 del 6 de Julio de 1999, restringió el uso de éste en las industrias
de Colombia [8].
A nivel internacional: el benceno, el tolueno y el etilbenceno son compuestos designados
como “contaminantes prioritarios” por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados
Unidos (USEPA, por sus siglas en inglés). Y La acción y niveles de riesgo del benceno,
tolueno, etilbenceno y xilenos son descritos en las normas de calidad del gobierno
Holandés para la evaluación de la contaminación del suelo y el agua [9].
La USEPA establece los siguientes límites máximos permisibles en agua potable en mg/L
para BTEX: benceno, 0.005; tolueno, 1.0; etilbenceno, 0.7 y mezcla de xilenos, 10 [10].
Los límites máximos permisibles establecidos por la Secretaría de Salud de México
permisible en agua potable para BTEX en mg/L son: benceno, 0.01; tolueno, 0.3;
etilbenceno, 0.7 y mezcla de xilenos, 0.5 [11]. La unión europea (EU) establece el máximo
nivel contaminante de 0,001 mg/L para el benceno en agua potable [12].
Las consecuencias de la contaminación con BTEX de las aguas sobre el abastecimiento
público, su uso agrícola e industrial, así como sus efectos ambientales pueden llegar a
tener influencias negativas de gran magnitud, es por esto que se necesita verificar la
concentración de estos compuestos en las fuentes de captación de plantas
potabilizadoras y efluentes de empresas como el de las estaciones de servicio.
Con este trabajo se pretende estandarizar por Cromatografía de Gases utilizando un
Detector de Ionización por Llama (GC/FID) el análisis de BTEX en matrices acuosas, ya
que esta es una técnica analítica instrumental de alta sensibilidad capaz de identificar
cualitativa y cuantitativamente concentraciones muy bajas de constituyentes volátiles y
semivolátiles del petróleo. El análisis de estos compuestos con este método analítico
requiere de una extracción y preconcentración previa, para lo cual se han utilizado
técnicas como el método de purga y trampa con cromatografía de gases, extracción en
fase sólida (SPE), y la microextracción en fase sólida (SPME). Para el desarrollo de este
proyecto se busca la estandarización de la SPE [13].
Atendiendo a la demanda del sector industrial, organismos de control y a la comunidad en
general, el grupo de estudio del recurso hídrico implementó un método analítico
20
estandarizado para el análisis de BTEX, como aporte de la universidad en el soporte
técnico a la comunidad regional.
21
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Las consecuencias de la contaminación de aguas con BTEX sobre el abastecimiento
público, su uso agrícola e industrial, así como sus efectos ambientales, pueden llegar a
tener influencias negativas. Corporaciones como la Corporación Autónoma Regional de
Risaralda (CARDER) y la Secretaría de Salud de Risaralda son las encargadas de velar
por el cuidado del medio ambiente en la región; es por esto que se requiere de una
técnica analítica instrumental de alta sensibilidad para determinar de manera confiable el
grado de contaminación y poder tomar así las medidas respectivas.
Teniendo en cuenta la gran demanda del sector industrial y comunidad en general para la
determinación de BTEX en el agua, y ante la ausencia de un método analítico
estandarizado para el análisis de estos compuestos en el Laboratorio de Aguas y
Alimentos de la Universidad Tecnológica de Pereira, es fundamental contar con una
técnica analítica estandarizada como la cromatografía de gases con detector de
ionización por llama que permita implementar el método analítico y sobre todo arrojar
datos con adecuado y comprobable grado de confianza. Igualmente esto ayudaría a
estudios posteriores del Grupo de Investigación del Recurso Hídrico, brindándole más
herramientas para profundizar en el estudio sobre BTEX.
¿Puede el Laboratorio de Aguas y Alimentos de la Universidad Tecnológica de Pereira
suplir la necesidad regional para analizar BTEX en matrices acuosas a concentraciones
bajas por medio de la estandarización de una técnica cromatográfica de alta resolución?
22
OBJETIVOS
1.1 OBJETIVO GENERAL
• Estandarizar la técnica de cromatografía de gases con detector de ionización por
llama (CG/FID) para la identificación y cuantificación de BTEX en matrices acuosas.
1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
• Estandarizar la técnica de extracción en fase sólida determinando los parámetros de:
porcentaje de recuperación y precisión.
• Obtener en forma experimental los parámetros de: precisión, exactitud, límite de
detección y cuantificación, linealidad y sensibilidad para la técnica cromatográfica.
• Analizar el contenido de BTEX en los efluentes (trampas de grasas) de tres estaciones
de servicio de la ciudad de Pereira para determinar su grado de contaminación.
23
1. MARCO TEÓRICO
1.1 ESTANDARIZACIÓN
La necesidad de contar con mediciones exactas en la actualidad es una premisa
fundamental del desarrollo industrial y por ende, económico y comercial de la sociedad.
Las mediciones en general, y particularmente las analíticas, se utilizan para tomar
decisiones en diferentes campos: uno de ellos es la relación compra/venta o aceptación y
rechazo, como puede ser la aceptación de un producto en otro país o de un lote de
producto en una empresa; la elección de un proveedor o la evaluación de la conformidad
de un producto; en ciertos casos el establecimiento de multas si no se cumple con la
normatividad, etc. Claramente es importante determinar el resultado correcto y ser capaz
de demostrar que lo es, para que cualquier decisión basada en él pueda tomarse con
confianza; es allí donde se hace importante la estandarización de métodos de análisis que
permite demostrar que un método analítico cumple con los requisitos particulares para un
uso específico en el laboratorio mediante el examen y provisión de evidencias objetivas
[14,15].
La estandarización de un método analítico es un proceso riguroso que dependiendo de la
técnica analítica a la que pertenezca el método, la matriz, el analito, la cantidad de
parámetros de estandarización, y de la logística empleada para su desarrollo, puede
requerir de un tiempo más o menos considerable (en algunos casos puede superar los
seis meses) [15].
Muchos analistas consideran que un método estándar o de referencia, que ha sido
estandarizado por algún organismo que posee una cierta reputación, puede aplicarse
directamente al laboratorio. Siguiendo un método previamente estandarizado se puede
alcanzar buenos resultados, pero hace falta demostrar que funcionan en nuestro ámbito
de trabajo.
Por tanto, un método siempre debe estandarizarse cuando es necesario verificar que sus
parámetros de calidad se adecuan al problema analítico particular que se debe resolver
en el laboratorio [16].
24
Siguiendo un método previamente estandarizado se puede alcanzar buenos resultados
pero hace falta demostrar que funcionan en nuestro ámbito de trabajo. Por tanto, un
método siempre debe estandarizarse cuando es necesario verificar que sus parámetros
de calidad se adecuan al problema analítico particular que se debe resolver en el
laboratorio [16].
De acuerdo al método de ensayo que se esté estandarizando; volumétrico, gravimétrico,
instrumental, se debe establecer una metodología específica para encontrar los
parámetros que se quieran como son:
1.1.1 LINEALIDAD Y RANGO
La linealidad es la capacidad del método para proporcionar resultados que son
directamente (o por medio de transformaciones matemáticas) proporcionales a la
concentración del analito en la muestra dentro de un rango establecido.
Siempre que sea posible se buscará una respuesta de tipo lineal que facilitará su trazado,
interpolación e interpretación. En el caso que la respuesta del método no sea lineal pero si
proporcional a la concentración son válidos otros ajustes matemáticos.
El rango se define como el intervalo comprendido entre la concentración mínima y
máxima de analito para el cual se ha demostrado su correcta precisión, exactitud y
linealidad del método descrito.
Para evaluar la linealidad se recomienda que dentro del rango establecido se estudien al
menos 5 niveles de concentración las cuales se analicen por triplicado (K=5, n° de
replicas=3); estadísticamente lo correcto sería analizar las muestras de forma aleatoria,
pero para minimizar posibles efectos de memoria en el equipo es conveniente analizarlas
en sentido creciente de concentración. Otro aspecto importante es realizar pesadas
independientes, ya que así se elimina el posible error sistemático que se podría arrastrar
partiendo de una sola pesada y realizando diluciones; no obstante, para evaluar la
linealidad en las impurezas se suelen utilizar sucesivas diluciones ya que normalmente se
trabaja a niveles de concentración muy bajos y esto dificultaría las pesadas.
25
Con los resultados de estudio de la linealidad se hace una relación entre las cantidades o
concentraciones “X” (variable independiente o predictiva) y la respuesta “y” (variable
dependiente, por ejemplo áreas, alturas, absorbancias, etc.). La relación entre ambas
variables se expresa matemáticamente como una recta de regresión del tipo y = bx + a ,
donde b es el valor de la pendiente y a el término independiente. Esta regresión es
obtenida por un método de ajuste (por lo general mínimos cuadrados); en algunos casos
podría ser necesaria alguna transformación matemática previa (uso de logaritmos,
recíprocos de las variables, etc.) para obtener funciones lineales.
La pendiente b se encuentra relacionada con la sensibilidad del método analítico de forma
que a mayor pendiente mayor sensibilidad (respuesta del método frente a los cambios de
la concentración del analito).
El término independiente a, u ordenada en el origen, es la intersección de la recta con el
eje de ordenadas y es indicativo del error sistemático. La representación gráfica de la
recta de regresión en un sistema de coordenadas junto con los valores experimentales,
permite visualizar la bondad del ajuste. Si la recta no pasa cerca del origen de
coordenadas significa que el método a evaluar está afectado por un error sistemático por
defecto o exceso en el intervalo estudiado. Si existen diferencias apreciables entre los
valores experimentales y los puntos de la recta significa que la linealidad no es buena.
Independiente de la apariencia de la recta, resulta conveniente evaluar el coeficiente de
correlación (r) y el coeficiente de determinación (r2). El coeficiente de correlación nos
indica el grado de relación entre la variable x (concentración), y la variable y (respuesta).
Su valor máximo es 1. Si r es cercano a la unidad significa que existe correlación con una
probabilidad elevada. Un valor nulo indica ausencia de relación lineal entre las variables.
El valor recomendable para el coeficiente de correlación es ≥ 0,999, aunque en el caso de
impurezas se admite ≥ 0,990.
La información obtenida mediante el cálculo de r es limitada y no justifica por sí sola la
linealidad, siendo r2 coeficiente de determinación el que aporta una mayor significación
estadística ya que representa la proporción de la variación total de y explicada por el
modelo [17].
26
1.1.2 PRECISIÓN
La precisión está relacionada con la dispersión de las medidas alrededor de su valor
medio o central y corresponde al grado de concordancia entre ensayos individuales
cuando el método se aplica repetidamente a múltiples alícuotas de una muestra
homogénea.
La precisión se expresa matemáticamente como la desviación estándar (SD), o más
comúnmente como la desviación estándar relativa (RSD) o coeficiente de variación (CV)
[18].
El objetivo del estudio de la precisión es conocer la variabilidad o el más-menos del
método de ensayo. Esta variabilidad es debida a errores aleatorios inherentes a todo
método de ensayo. Como consecuencia de la existencia de estos errores, los análisis
efectuados sobre muestras idénticas, en las mismas circunstancias, no conducen
generalmente a resultados idénticos. Los factores susceptibles que influirán sobre los
resultados de un ensayo no pueden ser siempre controlados (analista, equipo,
instrumental, reactivos, tiempo, etc.) de aquí la importancia del estudio de la precisión.
La precisión diferentes tipos de estudios:
1.1.2.1 Repetibilidad: se expresa matemáticamente por el coeficiente de variación
(desviación estándar relativa) de una serie de medidas. Esta estudia la variabilidad del
método efectuando una serie de análisis sobre la misma muestra en las mismas
condiciones operativas (por un mismo analista, con los mismos aparatos y reactivos, etc.),
en un mismo laboratorio y en un periodo de tiempo corto.
Uno de los factores que más puede influir en la Repetibilidad del método de análisis es la
concentración del analito, ya que la desviación estándar de las respuestas obtenidas
aumenta al disminuir la concentración del analito.
1.1.2.1.1 Repetibilidad del sistema instrumental
Este parámetro estudia la variabilidad debida únicamente al instrumento, y se determina
analizando repetidamente una misma muestra de forma consecutiva de 6 a 10 veces. La
estimación de esta se realiza con el cálculo del coeficiente de variación de las respuestas
obtenidas.
27
Los resultados obtenidos en la repetibilidad instrumental dependen del instrumento, por
ejemplo no se puede obtener el mismo coeficiente de variación en un equipo con
inyección automática que con inyección manual.
1.1.2.1.2 Repetibilidad del método
El ensayo de Repetibilidad del método se efectúa sobre una serie de alícuotas de una
muestra homogénea que se analiza independientemente desde el principio (preparación
de muestra) hasta el final (lectura de resultados) por el mismo instrumento y el mismo
analista.
La Repetibilidad del método depende generalmente del proceso de preparación de la
muestra. Es decir, cuanto mayor sea la manipulación de la muestra más probable es que
la variabilidad del método aumente.
1.1.2.2 Precisión intermedia: Estudia la variabilidad del método efectuando una serie de
análisis sobre la misma muestra pero en condiciones operativas diferentes (diferentes
analistas, aparatos, días, etc.) y en un mismo laboratorio.
1.1.2.3 Reproducibilidad: Estudia la variabilidad del método bajo condiciones operativas
diferentes y en distintos laboratorios [17].
1.1.3 EXACTITUD
La exactitud de un procedimiento analítico expresa la proximidad entre el valor que es
aceptado convencionalmente como valor verdadero o un valor de referencia y el valor
experimentalmente encontrado.
De esta definición surge el problema de saber cuál es el valor verdadero. No obstante,
cuando se dispone de patrones de referencia certificados, el valor de dicho patrón es el
que se acepta como valor verdadero y la exactitud puede evaluarse aplicando el método
sobre dicho patrón, o bien analizando muestras de placebo o de problema a las que se ha
añadido una cantidad conocida de dicho patrón. También se acepta la comparación de los
resultados con un método de referencia validado del que se ha demostrado su exactitud;
entonces el valor verdadero es el que se obtiene con dicho método de referencia.
28
La exactitud debe determinarse en todo el rango especificado para el método analítico. Se
recomiendan un mínimo de 9 determinaciones sobre 3 niveles de concentración del
analito que cubran el rango especificado (por ejemplo 3 determinaciones por 3 niveles de
concentración, que podría ser la concentración central y las concentraciones en los
extremos del rango).
La exactitud se expresará como porcentaje de recuperación en la valoración de una
cantidad conocida de analito añadida sobre la muestra o como la diferencia entre la media
obtenida y el valor aceptado como verdadero junto a los intervalos de confianza.
No siempre se obtienen valores de recuperación cercanos al 100%, ya que ésta depende
de la matriz de la muestra, de la efectividad de método de preparación y extracción y de la
concentración del analito. Aunque es deseable alcanzar valores de recuperación cercanos
al 100%, en algunas muestras de matrices complejas solo se obtienen valores del 50, 80
o 90%. En estos casos es importante que aunque la recuperación sea baja, la precisión
del método sea alta ya que entonces puede intentar aplicarse un factor de corrección.
La desviación de la exactitud por exceso se produce cuando existen interferencias y la
selectividad del método no es la adecuada, entonces se obtienen resultados superiores al
valor verdadero. En este caso, si es posible, se debería modificar las condiciones del
método para optimizar la selectividad o bien cambiar a otro alternativo que sea selectivo.
La desviación de la exactitud por defecto suele producirse cuando la matriz de la muestra
es compleja y la extracción del analito requiere varios pasos obteniéndose recuperaciones
más bajas. Cuando esto ocurre sería conveniente intentar optimizar la preparación de la
muestra para mejorar el factor de recuperación. Si esto es muy costoso o no es posible,
cuando la exactitud obtenida es repetible, es decir, tienen una precisión elevada y además
es homogénea en todos los niveles de concentración estudiados, puede aplicarse un
factor de corrección en el cálculo final para compensar las pérdidas del analito debidas al
método de extracción [17].
1.1.4 LÍMITE DE DETECCIÓN (LD):
El límite de detección (LD) corresponde a la mínima cantidad de analito en la muestra que
se puede detectar aunque no necesariamente cuantificar en las condiciones establecidas
29
y se expresa en unidades de concentración (%, ppm, ppb, etc.). Su determinación puede
efectuarse mediante la relación entre el ruido y la señal debida al analito.
1.1.5 LÍMITE DE CUANTIFICACIÓN (LC):
Dado un método analítico determinado, se entiende por límite de cuantificación (LC) de
dicho método, la mínima cantidad de analito presente en la muestra que se puede
cuantificar, bajo las condiciones experimentales descritas, con una adecuada precisión y
exactitud; también se expresa en unidades de concentración [17,18].
Existen diversos procedimientos de análisis y sistemas instrumentales que dependiendo
de sus características definen en muchos casos cuál es el método óptimo para determinar
tanto el límite de detección como el de cuantificación. Entre los métodos más comunes se
tienen los siguientes:
1.1.5.1 Método basado en la relación señal/ruido
Este método, uno de los más conocidos y empleados, requiere que el procedimiento de
análisis sea instrumental y que proporcione una señal blanco, un ruido de fondo o una
línea de base, es decir una señal residual a concentración cero de analito
(espectrofotometría UV-visible o la cromatografía de gases o líquida).
Este procedimiento presenta la desventaja de que en numerosas ocasiones al llevar a
cabo la comprobación experimental del LC calculado, se observa que es posible obtener
resultados igualmente precisos y exactos aún cuando se desciende más en la
concentración límite
1.1.5.2 Método basado en la desviación estándar de la respuesta del blanco y la
pendiente de la recta de calibrado
De acuerdo a la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), puede
calcularse el LD Y LC de un método analítico a partir del conocimiento de la desviación
atribuible a la respuesta de una muestra de placebo y la pendiente de la recta de
calibrado del analito.
La expresión a aplicar para este cálculo varía en función de si el método instrumental
empleado corrige la señal frente a un blanco o no.
30
1.1.5.2.1 Métodos instrumentales que corrigen la se ñal frente a un blanco
Este primer caso correspondería a un método espectrofotométrico en el que se podría
calcular el LD y el LC teóricos mediante la expresión:
�� � � � ��
Donde:
CL= Concentración de analito en el límite de cuantificación o detección.
K= Constante que usualmente se considera igual a 10 para el LC e igual a 3 para el LD.
Sbl= desviación estándar correspondiente a la señal del blanco o placebo.
b= pendiente de la curva de calibración obtenida al representar la respuesta del método
frente a la concentración de analito. Evidentemente el rango de esta recta tiene que ser
cercano en concentraciones a los niveles límite de cuantificación [17].
Si el método analítico realiza la lectura final por duplicado o triplicado, mejorando con ello
la precisión, se ha de introducir en la fórmula el término correspondiente a las réplicas (n)
en la siguiente forma:
�� � � � �� � √�
1.1.5.2.2 Métodos instrumentales que no corrigen la señal frente a un blanco
El caso en que no se realiza corrección frente a un blanco es típicamente el de métodos
cromatográficos GC o HPLC. En éstos se ha de tener en cuenta también la señal media
obtenida del análisis correspondiente al placebo, es decir, el ruido de fondo o background
del sistema (Ybl) con lo que la expresión final será entonces:
�� � �� ���� ����� � �� � �� ���� ����
�� √�
31
1.1.5.3 Método basado en la extrapolación de la recta de ca librado a concentración
cero
Se trata de un procedimiento aplicable también a métodos analíticos instrumentales que
proporcionan resultados numéricos y dirigido a evitar el cálculo, en ocasiones costoso en
tiempo, como se ha podido observar, de la señal media del blanco y su desviación
estándar. El método utiliza la pendiente de una recta de calibrado realizada a niveles de
concentración cercanos a los límites esperados, pero sustituye el valor real de la señal del
blanco por el resultante de la extrapolación de dicha recta. La intersección con el eje “Y”
corresponderá teóricamente al valor de la respuesta a concentración cero de analito [17].
1.1.6 SENSIBILIDAD
La sensibilidad de un método analítico corresponde a la mínima cantidad de analito que
puede producir un resultado significativo [18]. En contraste con el límite de detección, la
sensibilidad de un método está definida como la habilidad para distinguir entre diferentes
concentraciones, y se calcula así:
� � ���� �� � ���
����
Para métodos donde la respuesta con respecto a la concentración es una función lineal, la
sensibilidad es constante con respecto a la concentración y es igual a la pendiente de la
curva de calibración. Contrariamente a las funciones lineales, la sensibilidad de métodos
cuando su respuesta es no-lineal cambia con la concentración del analito [19].
1.2 CROMATOGRAFÍA DE GASES
Desde sus inicios en los años cincuenta, la cromatografía de gases (GC) se ha convertido
en la técnica principal para la separación y análisis de compuestos volátiles. A partir de
entonces, las aplicaciones de ésta técnica han ido aumentado a medida que se han
mejorado los instrumentos de cromatografía; siendo factible la separación, caracterización
y cuantificación de una gran variedad de compuestos tanto en muestras ambientales,
biológicas y médicas, como en comidas, sabores y fragancias. En la actualidad es usada
32
rutinariamente en multitud de laboratorios universitarios, de investigación e industriales,
debido a su alta resolución, sensibilidad y selectividad. Además de las aplicaciones
típicamente analíticas, la GC puede utilizarse a escala preparativa para la obtención de
compuestos de elevada pureza [20,25].
En cromatografía de gases los analitos (siempre en estado gaseoso) se distribuyen entre
una fase móvil gaseosa y una fase estacionaria que puede ser un sólido o una delgada
película líquida que recubre al sólido; dependiendo de la fase estacionaria que se utilice
(sólida o líquida) la cromatografía en fase gaseosa se clasifica en: cromatografía gas-
sólido (CGS) y cromatografía gas-líquido (CGL). De las dos modalidades, la CGL es la
forma más selectiva de la cromatografía y la que se presta a mayores usos.
En cromatografía de gases, la fase móvil se denomina gas transportador, ya que es un
gas inerte cuya finalidad es transportar las moléculas de la muestra a través de la
columna. Los adsorbentes, tales como gel de sílice, alúmina, sales inorgánicas, polímeros
porosos, tamices moleculares y carbón grafitizado, son las fases estacionarias en la CGS.
Esta se utiliza principalmente para la separación de gases permanentes y compuestos
orgánicos muy volátiles. Los líquidos orgánicos de alto punto de ebullición constituyen la
fase estacionaria de la CGL. La fase liquida se extiende como una película delgada sobre
un sólido inerte llamado soporte sólido. La base para la separación es la partición de la
muestra dentro o fuera de esta película líquida. Si se puede encontrar una fase líquida
que tenga solubilidad selectiva para dos compuestos, entonces estos dos pueden
separarse mediante cromatografía de gases.
1.2.1 VENTAJAS
Las siguientes son algunas ventajas generales de GC que cabe destacar:
• Alta Resolución: La eficiencia puede ser expresada en números de platos, y las
columnas capilares suelen tener números de platos de cientos de miles. Los isómeros
con puntos de ebullición muy próximos que no pueden separarse por destilación se
separan fácilmente mediante la cromatografía de gases. Además, el hecho de que las
concentraciones de soluto son muy diluidas, en las columnas de GC se elimina la
posibilidad de azeótropos, que a menudo plaga las separaciones por destilación.
33
La CG se presta a usos más variados que la mejor columna de destilación, ya que la
columna cromatográfica puede sustituirse fácilmente. Esto permite la separación
selectiva debido a solubilidades diferentes, aun cuando los puntos de ebullición estén
muy cercanos. Como hay numerosas columnas, se puede escoger entre ellas, lo que
confiere variedad a la gama de muestras que pueden manejarse [20].
• Sensibilidad: Esta característica del sistema de cromatografía de gases explica en
gran medida su uso extensivo. El más simple detector de conductividad térmica
puede medir fácilmente microgramos. El detector de ionización por llama fácilmente
mide nanogramos (10-9g), y los detectores más selectivos como el de captura de
electrones y el detector fotométrico de llama alcanzan los picogramos (10−12 g). Este
nivel de sensibilidad es más impresionante si se tiene en cuenta que el tamaño de la
muestra utilizada es del orden de 1µL o menos.
• Tiempo de análisis: La separación de todos los componentes de una muestra puede
tardar desde varios segundos hasta 30 minutos. Análisis que rutinariamente tardan
una hora o más se pueden reducir a una cuestión de minutos, debido a la alta tasa de
difusión en fase gaseosa y el rápido equilibrio entre las fases móvil y estacionaria
[23].
• Resultados cuantitativos: La GC permite obtener muy buenos resultados
cuantitativos. Sin embargo, la exactitud es función de muchos factores. Se puede
obtener buena exactitud en una amplia gama de concentraciones de la muestra,
desde miligramos hasta nanogramos [22].
• Comodidad: El funcionamiento del GC es un procedimiento relativamente sencillo.
No es difícil para capacitar al personal no técnico para llevar a cabo separaciones de
rutina [23].
• Costos: En comparación con muchos instrumentos de análisis disponibles en la
actualidad, los cromatógrafos de gases representan un valor excelente [23].
1.2.2 INSTRUMENTACIÓN EN CROMATOGRAFÍA DE GASES
34
En 1954 se introdujo en el mercado el primer cromatógrafo de gases comercial.
Rápidamente fue aceptado como un importante instrumento para el análisis químico tanto
en la investigación como en la industria. Con igual rapidez se han ideado y desarrollado
perfeccionamientos, accesorios, complementos y variantes, que no han cesado de
aparecer hasta la fecha. En los años sesenta, se hicieron habituales los integradores
electrónicos y los equipos para el procesamiento de datos basados en una computadora.
Los años ochenta introdujeron la utilización de las computadoras para el control
automático de la mayoría de los parámetros instrumentales, tales como la temperatura de
la columna, caudales y la inyección de la muestra; el desarrollo de instrumentos de alto
rendimiento a un coste moderado; y tal vez lo más importante, el desarrollo de las
columnas abiertas que son capaces de separar una multitud de analitos en un tiempo
relativamente corto [22,25].
Un cromatógrafo de gases funciona de la siguiente manera. Un gas portador inerte (como
el helio) fluye continuamente desde un cilindro de gas de gran tamaño mediante el puerto
de inyección, la columna, y el detector. La tasa de flujo del gas portador es
cuidadosamente controlada para garantizar tiempos de retención reproducibles y reducir
al mínimo el ruido y la deriva del detector. La muestra se inyecta (normalmente con una
microjeringa) en el puerto de inyección con calefacción donde se vaporiza y es llevada a
la columna; por lo general una columna capilar de 15 a 30 m de largo recubierta en su
interior con una delgada (0,2 µm) película de un líquido de alto punto de ebullición (fase
estacionaria). Se da la partición de la muestra entre las fases móvil y estacionaria,
ocasionando la separación en componentes individuales basados en la solubilidad relativa
en la fase líquida y presión de vapor relativa.
Después de la columna, el gas portador y la muestra pasan por un detector. Este
dispositivo mide la cantidad de la muestra, y genera una señal eléctrica. Esta señal va a
un sistema de datos integrador que genera un cromatograma (el acta de análisis). En la
mayoría de los casos el sistema informático de gestión integra automáticamente el área
del pico, calcula el rendimiento e imprime un informe con los resultados cuantitativos y
tiempos de retención. Cada uno de estos siete componentes se muestran en la figura 1.
35
Figura 1. Diagrama de un sistema de cromatografía gas-líquido.
1.2.2.1 GAS PORTADOR
El gas portador es la fase móvil en GC. Su objetivo principal es la de llevar la mezcla de
los solutos desde que se introduce en el sistema cromatográfico hasta la salida del
detector, pasando a través de la columna donde se produce la separación. Debe ser
químicamente inerte y no interaccionar ni con la columna ni con los componentes de la
mezcla, es decir, no debe afectar a los procesos de partición o de adsorción. Un objetivo
secundario es proporcionar una matriz adecuada para el detector que permita medir los
componentes de la muestra [22].
Los gases más utilizados son: nitrógeno, hidrógeno y helio. La elección de uno de ellos va
a depender de: la fase estacionaria, y el tipo de detector utilizado. Otros aspectos a
considerar serían costo, pureza y seguridad en su uso [22,24].
36
El Helio es el gas portador más popular debido a que presenta mayor eficiencia a ratas de
flujo rápidas, se utiliza para los detectores de conductividad térmica y de ionización por
llama. El Hidrógeno también es comúnmente usado, aunque no se recomienda por su
potencial de explosión. El nitrógeno proporciona una sensibilidad un poco mayor, pero un
análisis más lento que el helio; se utiliza tanto para el detector de captura de electrones
como el detector de ionización por llama [20,22].
Es importante que el gas portador sea de alta pureza. Las impurezas (en especial oxigeno
y agua) pueden alterar químicamente la fase líquida y, por ende, modificar los tiempos de
retención. Las columnas de poliésteres, poliglicoles y poliamidas son susceptibles de ser
degradadas por el oxigeno y el agua. Trazas de agua pueden des-adsorber otros
contaminantes en la columna y producir numerosas señales en el detector o hasta “picos
fantasma” [22].
1.2.2.2 SISTEMA DE INYECCIÓN
Las muestras para GC pueden ser gases, líquidos o sólidos. La cantidad de muestra que
se debe introducir depende del tamaño de la columna; pero, generalmente en
cromatografía de gases se utilizan muestras pequeñas (entre 0,01 y 20 µL) [22,25].
La eficacia de la columna requiere que la muestra sea de un tamaño adecuado y que sea
introducida como un “tapón” de vapor; la inyección lenta de muestras demasiado grandes
provoca un ensanchamiento de las bandas y una pobre resolución. El método más común
de inyección de muestra implica el uso de una microjeringa para inyectar una muestra
liquida o gaseosa a través de un “septum” de goma de silicona, en una cámara de
vaporización instantánea situada en la cabeza de la columna (esta cámara normalmente
está unos 50 °C por encima del punto de ebullición del componente menos volátil de la
muestra); el émbolo de la jeringa puede manejarse a mano (inyección manual) o mediante
un dispositivo electrónico o neumático (inyección automática). Para columnas capilares el
tamaño de la muestra es de aproximadamente 10−3µL; por lo cual, para mantener la
cantidad de muestra en el intervalo correcto, existe un inyector especial que reduce la
cantidad de muestra que llega a la cabeza de la columna capilar: el inyector split/splitless.
En el modo split la muestra se divide permitiendo pasar a la columna solamente una
pequeña fracción de la muestra, desechando el resto; mientras que en el modo splitless
toda la muestra se inyecta en la columna [25,27].
37
Para el caso de muestras sólidas, estas se disuelven en un solvente apropiado y se
introducen de forma análoga a los líquidos normales [22].
1.2.2.3 CONFIGURACIÓN DE LA COLUMNA Y DEL HORNO DE LA COLUMNA
La columna constituye la parte esencial del sistema cromatográfico y de la que depende el
éxito o el fracaso de los análisis. En ella está contenida la fase estacionaria, que
determina la selectividad y la eficacia de las separaciones.
Hasta hace poco tiempo, la mayor parte de las cromatografías de gases se realizaban con
columnas empaquetadas o de relleno, mientras que actualmente se utilizan más
extensamente las columnas tubulares abiertas o capilares porque ellas presentan mejor
eficacia en la separación ya que proporciona un número mayor de platos teóricos. Las
primeras suelen tener una longitud comprensible entre 1 y 6 m, con un diámetro interno
que oscila entre 2 y 6 mm, mientras que las columnas capilares tienen longitudes entre 10
y 100 m y diámetros comprendidos entre 0,1 y 0,6 mm. En cuanto a los materiales de que
están fabricadas, suelen ser acero inoxidable o vidrio para columnas empaquetadas, y
sílice para las capilares, si bien se han utilizado también otros metales como aluminio o
cobre, e incluso teflón [21].
La temperatura es una variable importante en cromatografía, siendo necesario su control
preciso en orden a obtener resultados reproducibles. Por ello, las columnas
cromatográficas suelen disponerse en rollos de 10 a 30 cm de diámetro, con el fin de
poder colocarlas en el interior de un horno termostatizado que permita operar entre unos
10 °C por encima de la temperatura ambiente y unos 450 °C, con una precisión de 0,1 °C.
La temperatura óptima de la columna depende del punto de ebullición de la muestra y del
grado de separación requerido. En la práctica con temperaturas de la columna iguales o
ligeramente superiores a la temperatura de ebullición promedio de la muestra, se obtienen
tiempos de elución razonables (2 a 30) minutos. Para muestras cuyos componentes
presentan un amplio intervalo de temperaturas de ebullición, a menudo es conveniente
emplear una programación de la temperatura, con lo que se aumenta la temperatura de la
columna bien de forma continua o bien por etapas, al mismo tiempo que tiene lugar la
separación [21,25].
38
En general, la resolución óptima se asocia con una temperatura mínima; en contrapartida
la reducción de temperatura produce un aumento en el tiempo de elusión, y por lo tanto
del tiempo que se necesita para completar el análisis [25].
1.2.2.4 SISTEMAS DE DETECCIÓN
En el cromatógrafo de gases uno de los elementos más importantes es el detector; este
es un dispositivo que indica y mide los solutos en la corriente del gas portador,
convirtiendo una señal no medible directamente en una señal elaborable de una
propiedad física. Esta señal es elaborada por una comparación entre el gas portador puro
y el mismo gas llevando cada uno de los componentes previamente separados en la
columna, esto es traducido en una señal eléctrica que es amplificada y registrada al
momento de salir de la columna [29].
Varias son las características generales que debe reunir un detector para ser utilizado en
cromatografía, y que se pondrán de manifiesto en la generación y calidad de la señal del
mismo. Estas características son las siguientes:
• Sensibilidad adecuada: La sensibilidad del detector indica la respuesta del mismo
ante un cambio de la propiedad física que mide; a su vez, este cambio de
propiedad física se deberá a la presencia de una menor o mayor cantidad de
componente en el detector. Debe ser lo más alta posible.
• Buena estabilidad y reproducibilidad: La línea base de un cromatograma está
sometida a fluctuaciones fortuitas, conocidas como ruido de fondo, el cual se
puede producir en los distintos componentes del cromatógrafo. Originar una señal
estable (línea de base) y reproducible (pico) [21,25].
• Respuesta lineal: la linealidad del detector considera que la respuesta del mismo,
señal, sea proporcional a la variación en la cantidad de componente que en un
momento dado se encuentre en el detector. Esta debe extenderse a varios
órdenes de magnitud.
• Intervalo de temperaturas de trabajo comprendido desde la temperatura ambiente
hasta al menos 400 °C.
• Tiempo de respuesta corto que sea independiente del caudal.
• Respuesta semejante para todos los solutos o, por el contrario, una respuesta
selectiva y altamente predecible para uno o más tipos de solutos [25].
39
Además de las características indicadas, es deseable que el detector posea también:
tiempo de respuesta corto, resistencia mecánica y química, sencillez de manejo y
mantenimiento.
Algunos detectores son universales, es decir que son sensibles a prácticamente todos los
compuestos que eluyen de la columna. Por otro lado, hay detectores discriminativos
(selectivos) que son sensibles solo a compuestos específicos, dando un cromatograma
muy sencillo. También pueden ser clasificados como destructivos o no de los analitos.
Los detectores se clasifican en dos grupos dependiendo de si sólo conducen a una
información única, como el tiempo de retención y los que producen, además de tiempo de
retención, la información estructural del analito en cuestión. Por esta razón, algunos
cromatógrafos de gases están equipados con dos o tres detectores vinculados en serie.
Sin embargo, la respuesta de todos los detectores depende de la concentración molar o
de la masa de analito en la compañía de gas de arrastre [28].
En la tabla 1 puede observarse los detectores más utilizados, con un breve resumen de
sus ventajas.
1.2.2.4.1 DETECTOR DE IONIZACIÓN POR LLAMA (FID)
El FID es el más usado de los detectores, posee una alta sensibilidad y es de respuesta
universal, lo que significa que responde casi de la misma manera por unidad de masa de
analito sin que influya su estructura química mientras tenga carbonos orgánicos. Es
insensible a los gases no combustibles como H2O, CO2, SO2, y NOX.
El FID se basa en la conductividad eléctrica de los gases. A temperatura y presión
normales, los gases se comportan como aislantes, pero si en su interior existen átomos o
moléculas cargadas eléctricamente, o electrones libres, se produce un incremento en la
conductividad. Las moléculas de la muestra, que están presentes en el gas de arrastre,
llegan al detector y son quemadas por la llama producida por la combustión de aire e
hidrógeno, dando como resultado la formación de iones los cuales son reunidos en un
electrodo colector que genera una corriente, que es convertida en voltaje, y
posteriormente amplificada para ser captada por el registrador [21]. Un detector de
ionización por llama característico se observa en la figura 2.
40
TIPO LÍMITE DE DETECCIÓN
APROXIMADO (g s -1)
INTERVALO LINEAL
APROXIMADO
CARACTERISTICAS
Conductividad térmica (TCD)
10- 5 – 10-6 103 - 104 Detector universal. Mide cambios en la conducción de calor
Ionización por llama (FID)
10-12 106 - 107 Detector universal. Mide corrientes iónicas de pirolisis
Captura electrónica (ECD)
10-14 102 - 103 Detector selectivo para compuestos que contienen átomos con elevada afinidad electrónica
Fotométrico de llama (FPD)
10-13 102 Detector selectivo para compuestos que contienen S o P
Nitrógeno-Fósforo 10-8 – 10-14 105 - 107 Selectivo para compuestos que contienen N o P
Fotoionización (PID)
0-8 – 10-12 105 Detector universal (alguna selectividad debida al gas de la lámpara)
Detectot Hall 10-11 105 Detector especifico para compuestos que contienen un halógeno, S o N
Espectómetro de masas (MS)
10-12 Varía dependiendo del tipo de espectómetro de masas así como de los tipos de compuestos analizados
Detector universal
Espectrómetro infrarrojo de transformada de Fourier (FTIR)
10-10 102 Moléculas polares
Tabla 1. Propiedades de los detectores para cromatografía de gases.
El FID es tal vez el detector más ampliamente utilizado para la cromatografía de gases
debido a varias ventajas: (a) responde a prácticamente todos los compuestos orgánicos
41
que contienen carbono con alta sensibilidad (aproximadamente 10-13g/mL); (b) no
responde a las impurezas comunes del gas portador como agua y dióxido de carbono; (c)
cuenta con un amplio rango de respuesta lineal (aproximadamente 107) y una excelente
estabilidad de la línea base; (d) es relativamente insensible a pequeños cambios de
flujo/rata en la columna durante la programación de la temperatura; (e) es altamente
seguro, duradero, y fácil de usar; y (f) tiene detector bajo de volumen muerto y rápida
respuesta. Sus limitaciones son: (a) se da poca o ninguna respuesta a los gases no
combustibles y todos los gases nobles; y (b) es un detector destructivo que modifica las
propiedades físicas y químicas de la muestra de forma irreversible [13].
Figura 2. Detector de ionización por llama característico [22].
El FID responde a compuestos que en la combustión ceden especies con carga eléctrica
en una llama hidrógeno/aire, la reacción de los radicales libres que se da es:
42
Estas especies cargadas, bajo la influencia de un campo eléctrico, son capturadas en un
electrodo colector y medidas por un electrómetro, cuya salida es amplificada. El campo de
aplicación del FID es muy grande, ya que responde a casi todos los compuestos
orgánicos. Una desventaja es que a menudo es demasiado inespecífico y poco sensible
para el análisis medioambiental y el análisis de residuos [26].
1.2.3 ANÁLISIS CUALITATIVO Y CUANTITATIVO:
La cromatografía ha llegado a ser el principal método para la separación de especies
químicas estrechamente relacionadas entre sí. Además, se puede emplear para la
identificación cualitativa y cuantitativa de las especies separadas [25].
1.2.3.1 Análisis cualitativo:
El tiempo de retención o el volumen de retención para un soluto dado se pueden utilizar
para su identificación si se mantienen constantes las siguientes variables de la columna:
longitud, espesor, temperatura y presión (rata del flujo del gas portador). Sin embargo,
cuando se parte de una muestra desconocida, se hace difícil identificar sus componentes
por este procedimiento, ya que los miles de compuestos conocidos hacen que existan
demasiadas posibilidades entre las que elegir [22].
El analista no siempre se enfrenta con muestras totalmente desconocidas, por lo que, en
muchos casos, el problema puede resolverse cromatográficamente. El procedimiento más
simple de análisis cualitativo se realiza con ayuda de patrones: los tiempos de retención
de los picos desconocidos se comparan con los tiempos de retención de compuestos
conocidos, separados en la misma columna y en las mismas condiciones experimentales.
Como alternativa, cuando se sospecha que un componente ya identificado corresponde a
un pico dado se añade a la muestra problema algo de componente puro, y se realiza un
cromatograma. En el registro obtenido debe aparece el pico del componente aumentado
en su dimensión [21,30].
1.2.3.2 Análisis cuantitativo:
En cromatografía de gases los parámetros cuantitativos son la altura, o el área, del pico
del analito, las cuales son comparadas con la de uno o más patrones.
43
• Análisis basados en la altura del pico:
El uso de la altura del pico presenta como ventaja la comodidad de medida, pero
solamente proporciona una exactitud aceptable en el caso de muestras sencillas de pocos
componentes que den lugar a picos agudos, estrechos y claramente separados. Además
la altura del pico es muy sensible a variaciones en las condiciones de operación, por lo
que el uso de este parámetro exige un control cuidadosísimo de dichas condiciones. Las
medidas de altura de pico son interesantes para los análisis de rutina, en los que se
puede sacrificar algo de la exactitud a favor de la sencillez y rapidez de las
determinaciones [20,25].
• Análisis basados en las áreas de los picos:
El uso, como parámetro, del área del pico es más acertado cuando se requiere mayor
exactitud en las determinaciones cuantitativas. Como se sabe, el área del pico es función
de la cantidad de componente o de la concentración del mismo [21,25].
Los resultados de las áreas o alturas de los picos de los analitos, se utilizan para
determinar las concentraciones exactas de cada una de las especies mediante los
siguientes métodos:
1.2.3.2.1 Método del patrón interno:
En cromatografía cuantitativa la mayor precisión se consigue por el uso de patrones
internos debido a que se evitan las incertidumbres asociadas a la inyección de la muestra.
En este procedimiento, se introduce en cada estándar y en la muestra una cantidad
exactamente medida del patrón interno, y la relación de las áreas (o alturas) del analito y
del patrón interno sirve como parámetro analítico [25].
1.2.3.2.2 Método del estándar externo:
Un estándar externo es el que se analiza separadamente de la réplica desconocida que
se está ensayando. Los estándares, que contienen distintas concentraciones conocidas
de analito junto a la matriz que es similar o idéntica a la de la muestra, son inyectados. A
continuación se obtienen los cromatogramas de los patrones y se representan las alturas
o áreas de pico en función de la concentración. La representación gráfica de los datos
44
debería originar una línea recta que pasara por el origen de coordenadas; los análisis se
basan en esta gráfica. [27].
1.2.3.2.3 Método de la normalización de las áreas:
Este método de la normalización de las áreas evita las incertidumbres asociadas con la
inyección de la muestra. En éste método, se determinan las áreas de todos los picos
eluídos; tras corregir esas áreas debido a las diferencias en la respuesta del detector a los
distintos compuestos, la concentración del analito se calcula por la relación de su área
con el área total de los picos [25].
1.3 EXTRACCIÓN EN FASE SÓLIDA (SPE)
Normalmente las muestras a analizar que se reciben en un laboratorio no están en la
forma apropiada para realizar directamente el análisis. A veces la muestra no está en el
disolvente apropiado. La técnica de Cromatografía de Gases (GC) requiere que el analito
esté en un disolvente volátil [31]. Es por esto que se procede por una técnica de
extracción, en la cual se transfiere el soluto de cierto disolvente a otro que sea adecuado.
En este caso, se utiliza la extracción en fase sólida (SPE, por sus siglas en inglés).
La (SPE) es muy empleada en la preparación de muestras para análisis por cromatografía
líquida, de gases, electroforesis y aún para espectrofotometría [33]. La (SPE) se ha
convertido en una de las técnicas para clean-up y concentración de muestras utilizadas
por los químicos analíticos.
Con los años, la SPE ha experimentado un crecimiento constante por las necesidades de
los analistas a encontrar los procedimientos de preparación de muestras que sea sencillo
y relativamente económico, que proporcione una buena recuperación del analito y
adecuada selectividad, que reduzca el uso de disolventes orgánicos, y que pueda ser
automatizado, cuando la necesidad surja [34].
Los usos más importantes de la SPE en matrices acuosas son: plaguicidas, hidrocarburos
alifáticos, benceno y los bencenos alquílicos, contaminantes prioritarios, materiales
aromáticos policíclicos, fenoles clorinados, bifenilos policlorinados (PCBs), cloroanilinas y
cloruro de tributilestaño [35].
45
Los principales objetivos de la SPE son: a) eliminación de componentes que interfieren
con la matriz, b) concentración selectiva y aislamiento de los analitos, y c) cambio de la
matriz del analito según sea necesario para su posterior análisis. El enriquecimiento
puede aumentar la sensibilidad de detección; a menudo este paso es necesario para
alcanzar el límite de detección de la concentración de analitos de interés para los análisis
cualitativos y cuantitativos, sin enriquecimiento a menudo un análisis fiable a nivel de
trazas no es posible [36].
Es esencialmente una técnica de separación basada en los mismos principios de la
cromatografía líquida, con un poder de resolución menor, pero con buena selectividad. En
SPE se hace pasar una disolución que contiene los analitos sobre una fase sólida (o fase
estacionaria) que los absorbe específicamente, la cual suele estar compactada en el
fondo de una pequeña columna de plástico. Después de la adsorción, los analitos se
eluyen con una pequeña cantidad de otro disolvente extractor, con el que interaccionan
más fuertemente que con la fase estacionaria. Por tanto, la SPE no solo consigue un
cambio de matriz del analito, sino que reduce el volumen de la muestra [31,33].
1.3.1 CONSIDERACIONES TEÓRICAS
En cualquier sistema de extracción en fase sólida se cuentan tres componentes a saber:
1) la muestra problema que contiene los analitos en una matriz compleja, 2) la fase
estacionaria o soporte sólido (cartucho) y 3) los solventes de acondicionamiento, lavado y
elución.
Los componentes de la muestra se separan por migración diferencial desde la fase
estacionaria hacia los solventes de lavado y elución, atendiendo a las diferencias en
cuanto a propiedades físicas y químicas, las cuales favorecen las fuerzas de retención
para algunos compuestos y las fuerzas de elución para otros [33].
Las diferentes fases estacionarias se clasifican según el tipo de interacción que tengan
con el analito. Las interacciones son consecuencias de sus propiedades químicas y
básicamente son de tres tipos: interacciones polares, interacciones no polares e
interacciones de intercambio iónico. Esta última clase se subdivide en intercambio
aniónico e intercambio catiónico.
46
Figura 3. Fases estacionarias polares y sus interacciones con los analitos [38].
1.3.1.1 Interacciones polares:
Las interacciones polares que se dan en la SPE incluyen puentes de hidrógeno,
interacciones dipolo-dipolo y otras interacciones entre átomos del analito y los grupos
polares de la fase estacionaria. La retención de analitos por interacciones polares se
facilita mediante disolventes no polares. Por otra parte, la elución de analitos desde
adsorbentes polares se facilita mediante disolventes polares con alta fuerza iónica. Este
mecanismo de interacción se denomina partición en fase normal [31].
Los adsorbentes polares más comúnmente utilizados para fase normal en SPE son sílica
(SiO2)x, alúmina (Al2O3), silicato de magnesio (MgSiO3 o Florisil), y los adsorbentes de
sílice enlazada en los que la sílice reacciona con grupos funcionales altamente polares
para producir aminopropil [(SiO2)x-(CH2)3NH2]-, cianopropil [(SiO2)x-(CH2)3CN]-, y diol
47
[(SiO2)x-(CH2)3OCH2CH(OH)CH2(OH)]-. La figura 3 muestra ejemplos de fases
estacionarias polares junto con las interacciones que se dan con los analitos [38].
Figura 4. Fases estacionarias apolares y sus interacciones con los analitos [38].
1.3.1.2 Interacciones apolares:
Las interacciones no polares son aquellas que ocurren entre los enlaces carbono-
hidrógeno del absorbente y los enlaces carbono-hidrógeno de los analitos. La retención
de analitos por interacciones no polares se facilita por disolventes polares. La elución de
analitos desde adsorbentes no polares se facilita con disolventes con suficiente carácter
apolar como para romper las interacciones no polares entre analito y adsorbente. Este
mecanismo de retención se denomina partición en fase reversa [31].
Las fases enlazadas comunes producidas para aplicaciones en fase reversa incluyen
grupos hidrofóbicos y alquilo alifáticos como octadecil (C18), Octil (C8), etil (C2), o
48
ciclohexil, unidos covalentemente a la columna vertebral de la sílica gel (Figura 4). Grupos
fenil aromáticos también se pueden unir [38].
1.3.1.3 Interacciones iónicas:
Las interacciones iónicas ocurren entre moléculas de analito con cargas opuestas a las
del adsorbente. Para que se dé el intercambio iónico se deben cumplir dos condiciones:
• La matriz y el disolvente deben estar a un pH donde el analito y el adsorbente
estén cargados.
• La matriz y el disolvente no deben contener altas concentraciones de iones de la
misma carga que el analito [31].
Los grupos iónicos pueden estar cargados (positiva o negativamente) o no dependiendo
del pH. Cuando el adsorbente contiene grupos funcionales cargados positivamente y el
contraión intercambiable del analito en la matriz de la muestra líquida está cargado
negativamente, el proceso de acumulación se llama intercambio aniónico. Por el contrario,
si el grupo funcional en la superficie del adsorbente está cargado negativamente y el
contraión intercambiable del analito en la matriz de la muestra líquida está cargado
positivamente, el proceso de acumulación se llama intercambio catiónico [31,38].
Los adsorbentes de intercambio iónico contienen grupos funcionales ionizados (aminas
cuaternarias o ácidos sulfónicos), o grupos funcionales ionizables (aminas
primarias/secundarias o ácidos carboxílicos). En el caso de los adsorbentes de
intercambio iónico por lo general contienen grupos funcionales débilmente básicos como
las aminas primarias o secundarias (se cargan a condiciones de pH bajos) o grupos de
amonio cuaternario muy básicos (se cargan a todos los pH). Los adsorbentes de
intercambio catiónico contienen grupos funcionales débilmente ácidos como los ácidos
carboxílicos (se cargan a condiciones de pH alto), aromáticos muy ácidos o ácidos
sulfónicos alifáticos (se cargan a todos los niveles de pH) [38].
La fuerza iónica también juega un papel importante en las separaciones SPE de
intercambio iónico. La fuerza iónica es una medida de la concentración total de iones
presentes en el medio. La retención del analito en la fase estacionaria será función del
número de otras especies iónicas presentes en la matriz y disolvente capaces de competir
49
por los grupos cargados del adsorbente. Así, bajas fuerzas iónicas promueven la
retención del analito, mientras que altas fuerzas iónicas facilitan la elución [31].
En la figura 5 se observan algunas fases estacionarios de intercambio iónico.
Figura 5. Fases estacionarias de intercambio iónico.
La mayoría de las fases estacionarias utilizadas para SPE son de sílica gel o
modificaciones de ésta con tamaños y partículas en promedio de 40 µm y tamaños de
poro por lo general de 60 Å, exceptuando aquellas usadas en las separaciones por
tamaño molecular [33]. Las columnas para extracción en fase sólida tienen capacidad de
depósito de 1mL, 3mL, y 6mL, pero pueden ser adaptados depósitos de 15 ó 75mL
cuando el volumen de la muestra es muy grande [39].
Algunas de las características estructurales de las fases estacionarias con su respectivo
mecanismo de separación se resumen en la tabla 2.
50
Cod. Estructura Mecanismo retención -
elución
Si Sílicagel (Polar) Fase Normal
Florisil Silicato de Magnesio (Polar) Fase Normal
Diol -(CH2)3-O-CHOHCH2OH Fase Normal
NH2 -(CH2)3-NH2 Aminopropil Fase Normal
Al-A Alúmina ácida Fase Normal
Al-B Alúmina básia Fase Normal
Al-N Alúmina neutra Fase Normal
CN -(CH2)3-CN Cianopropil Fase Normal/Reversa
C-8 -(CH2)7-CH3 Octil Fase Reversa
C-18 -(CH2)17-CH3 Octadecil Fase Reversa
Ph -(CH2)3-Phe Fenilpropil Fase Reversa
NH/NH2 -(CH2)3-NHCH2CH2NH2
Diamino (WAX)
Intercambio Aniónico (Débil)
SAX -(CH2)3-N+(CH3)3Cl- Intercambio Aniónico
(Fuerte)
SCX C6H4-SO2OH (Fuerte) Intercambio catiónico
WCX -(CH2)3-COOH (Débil) Intercambio catiónico
G-25 Sephadex G-25 Exclusión
LC-PCN Cianopropilsilil Exclusión
Tabla 2. Fases estacionarias usadas en extracción en fase sólida.
1.3.2 ETAPAS DE LA EXTRACCIÓN EN FASE SÓLIDA
1.3.2.1. Acondicionamiento del adsorbente
Acondicionamiento del adsorbente es necesario a fin de garantizar una interacción
reproducible con el analito. Acondicionado, también llamada la solvatación, se traduce en
una humectación de los grupos funcionales del adsorbente y por lo tanto produce un
ambiente que es adecuado para la adsorción del analito. Adsorbentes polares suelen
estar acondicionados con 2-3 volúmenes de columna de un disolvente, que es miscible
con agua (MeOH, THF, isopropanol, etc.), seguido por el disolvente en el que se disuelve
51
la sustancia analizada (matriz polar). Adsorbentes polares están acondicionados con
solventes no polares.
Luego del acondicionamiento el adsorbente no debe funcionar en seco, porque de lo
contrario se destruye la solvatación.
1.3.2.2 Aplicación de la muestra (adsorción)
Aplicación de la muestra se puede realizar con presión positiva o negativa con un caudal
de ~3 mL/min.
1.3.2.3 Lavado del adsorbente
Lavado del absorbente se consigue normalmente con una solución de lavado especial
que selectivamente eluye las impurezas, pero deja el analito en la columna. Sin embargo,
en algunos casos puede que no sea necesario. Si la diferencia de polaridad entre la
solución de lavado y eluyente es muy grande, o si ambos no son miscibles, el secado del
adsorbente después del lavado es recomendable.
1.3.2.4. Elución
El analito purificado se eluye finalmente con un solvente fuerte, suficiente para desplazar
el analito del absorbente. La elución no debe ser demasiada rápida, la velocidad de la
elución depende de la columna o la dimensión del cartucho y de la cantidad de
adsorbente [31,36]. La figura 6 muestra las etapas de la extracción en fase sólida
Figura 6. Etapas de la extracción en fase sólida.
52
1.3.3 VENTAJAS
• Bajo consumo de disolvente.
• Tamaño de muestra puede ser grande o pequeño
• En algunos casos enorme ahorro de tiempo.
• Posibilidades de automatización.
• A menudo una preparación de la muestra se puede resolver más concretamente
mediante el uso de SPE, ya que es posible diferentes interacciones del analito con
la fase sólida (absorbente), y los métodos pueden ser optimizados mediante el
ajuste de las condiciones cromatográficas. La SPE ofrece una multitud de
adsorbentes polares, hidrofóbicos y o interacciones iónicas, mientras que la
extracción líquido-líquido se limita a la partición de equilibrios en la fase líquida
[36].
1.4 HIDROCARBUROS AROMÁTICOS (BTEX)
El acrónimo BTEX define la mezcla de benceno, tolueno, etilbenceno y los tres isómeros
del xileno (orto, meta y para) [41].
1.4.1 ESTABILIDAD
Los compuestos orgánicos volátiles (VOCs) son compuestos químicos que tienen una
presión de vapor alta en condiciones normales para evaporarse significativamente y entrar
en la atmósfera. Los hidrocarburos aromáticos como el benceno, tolueno, etilbenceno, y
los xilenos son algunos de estos compuestos los cuales se obtienen del carbón y del
petróleo.
Los hidrocarburos aromáticos forman una gran familia de compuestos que tienen un
núcleo común, el núcleo bencénico. El benceno contiene 92.3 por ciento de carbono y 7,7
por ciento de hidrógeno con la fórmula química C6H6. La molécula de benceno se
representa mediante un hexágono formado por los seis conjuntos de átomos de carbono e
hidrógeno unidos con alternancia de enlaces simples y dobles (figura 7). La molécula de
53
benceno es la piedra angular de compuestos aromáticos, la mayoría de los cuales
contienen uno o más anillos de benceno.
Figura 7. Molécula del benceno.
Los BTEX se caracterizan por poseer una gran energía de resonancia que desemboca en
una gran estabilidad termodinámica. Se trata de hidrocarburos orgánicos monoaromáticos
de bajo peso molecular, poco solubles en agua [3].
El núcleo aromático tiene una gran estabilidad (energía de resonancia); sin embargo, por
su acumulación de electrones, reacciona fácilmente con varios tipos de agentes y tanto
mejor cuando no se pierde el carácter aromático. Las reacciones de adición ocurren con
dificultad y necesitan un gran aporte de energía, mientras que las de sustitución son
fáciles [42].
En las reacciones de sustitución electrofílica aromática un electrófilo (E+) reacciona con
un anillo aromático y sustituye uno de los hidrógenos. Se puede introducir en el anillo
aromático muchos sustituyentes diferentes por reacciones de sustitución electrofílica; si se
seleccionan los reactivos adecuados es posible halogenar el anillo aromático, nitrarlo,
sulfonarlo, alquilarlo o acilarlo. La estructura del compuesto aromático determina su
reactividad y la regioselectividad de la reacción [44].
1.4.2 PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS
La planaridad de las moléculas de los hidrocarburos aromáticos influye mucho en sus
propiedades físicas: sus densidades son mayores que las de los alifáticos y su punto de
ebullición (Peb) y punto de fusión (Pf) son más altos. Los Peb aumentan regularmente con
el peso molecular, pero los Pf dependen de la simetría de la molécula (Tabla 3).
54
Compuesto
Fórmula
Estructura
Apariencia y olor
Peso
molecular (g/mol)
Peb. (°C)
Pf. (°C)
Densi-
dad (20°C)
Presión de
vapor a 25°C
(mmHg)
Solubili- dad en agua a
25°C(g/L)
Benceno
C6H6
Líquido incoloro/olor aromático
78,12
80,1
5,5
0,8780
12,64
1,79
Tolueno
C6H5CH3
CH3
Líquido incoloro/olor aromático
92,1
111
-95
0,8662
3,79
0,53
Etilbenceno
C2H5C6H5
Líquido incoloro/olor aromático
106
136
-95
0,8669
1,28
0,17
o-Xileno
C6H4(CH3)2
CH3
CH3
Líquido incoloro/olor aromático
106,2
144,4
-25
0,8968
0,88
0,18
m-Xileno
C6H4(CH3)2
CH3
CH3
Líquido incoloro/olor aromático
106,2
138,9
-48
0,8811
1,11
0,16
p-Xileno
C6H4(CH3)2
CH3
CH3
Líquido incoloro/olor aromático
(Es un sólido por debajo de 12,7°C)
106,2
138,3
13
0,8541
1,18
0,16
Tabla 3. Propiedades fisicoquímicas de los BTEX.
El benceno es muy volátil y sus vapores son inflamables y tóxicos (con acción
cancerígena) por lo que hay que manejarlo con gran cuidado. Se observa que la
temperatura de fusión del benceno es 100°C más alta que la del tolueno, o la del
55
etilbenceno; esto se debe al perfecto empaquetamiento del benceno y a la disimetría que
introducen las cadenas laterales. Entre los isómeros se observa que el p-xileno funde a
una temperatura mayor, porque es el más simétrico.
Los hidrocarburos aromáticos flotan sobre el agua y son muy poco solubles en ella pero
algo más que los alcanos. La solubilidad de los hidrocarburos aromáticos es de 3 a 5
veces mayor que la de los hidrocarburos alifáticos. Por su fuerte densidad electrónica, los
hidrocarburos aromáticos son menos hidrófobos que los alcanos; el benceno es miscible
en todas las proporciones con productos de una amplia gama de polaridades: gasolina,
éteres, alcoholes y ácidos carboxílicos, y, por ello, es un buen disolvente para reacciones
industriales [42,43].
1.4.2.1 COMPORTAMIENTO DE LOS BTEX EN AGUA
Las emisiones de BTEX al medio ambiente se acumulan principalmente en el aire debido
a su naturaleza volátil, y en menor proporción en agua y suelo. Los niveles en agua
provienen principalmente de derrames de gasolina y otros productos del petróleo y de su
uso como disolventes. Los que son vertidos al agua superficial pasan rápidamente al aire
por volatilización. Cuando se vierten al terreno, son adsorbidos por el suelo y migran con
facilidad hacia el agua subterránea, donde permanecen estables durante largo tiempo.
Los niveles más altos de estos compuestos encontrados en agua subterránea se
muestran en la tabla 4.
COMPUESTO AGUAS SUBTERRÁNE AS (µg/L)
Benceno 80
Tolueno 1,4
Etilbenceno 0,87
Xilenos 2,5
Tabla 4. Valores más altos de BTEX encontrados en agua subterránea urbana.
La persistencia de estos compuestos en agua varía de acuerdo con las condiciones
medioambientales. Así, en aguas superficiales la vida media puede ser muy corta, debido
a la volatilización, sin embargo en aguas subterráneas, donde no hay evaporación, la vida
media es muy larga. En la tabla 5 se indica el rango de valores de la vida media previstos
56
para los BTEX en agua superficial y agua subterránea, basados en la biodegradación
aerobia y biodegradación aerobia-anaerobia, respectivamente.
COMPUESTO AGUA SUPERFICIAL AGUA SUBTERRÁNEA
Benceno 5-16 10-730
Tolueno 4-22 7-28
Etilbenceno 3-10 6-228
o-Xileno 7-28 14-365
p-Xileno 7-28 14-56
m-Xileno 7-28 14-56
Tabla 5 . Rango de valores de la vida media de los BTEX en días [3].
1.4.3 FUENTE DE HIDROCARBUROS AROMÁTICOS
Los hidrocarburos aromáticos, principalmente benceno, tolueno, xilenos y etilbenceno,
tienen una importancia industrial extraordinaria; son materia prima para más del 60% del
tonelaje de plásticos, elastómeros y fibras sintéticas que se fabrican al igual que para
colorantes, insecticidas, medicamentos, etc. La mayor parte de hidrocarburos aromáticos
se obtiene del petróleo (95%), y sólo una pequeña proporción de la hulla (5%).
Aunque el contenido de aromáticos originalmente presente tanto en el petróleo como en el
carbón es bajo, en determinados procesos de tratamiento térmico o catalítico de refinerías
y coquerías se producen en proporciones significativas que hacen económica su
separación, obteniéndose actualmente de la gasolina reformada, de la gasolina de
pirólisis y del alquitrán de la hulla [42].
1.4.3.1 PETRÓLEO
Actualmente, la mayor parte de las mezclas BTEX que se producen en las destilerías de
petróleo se obtienen por los procesos de reformado catalítico y craqueo al vapor:
1.4.3.1.1 AROMÁTICOS DEL REFORMADO CATALÍTICO
El reformado catalítico de las fracciones C6-C8 se realiza con catalizadores de Pt o Pt-Rh
sobre alúmina, a 500 °C y 30 atm, con el fin de aum entar el índice de octano de las
gasolinas y produce gran cantidad de hidrocarburos aromáticos (BTEX), además de
57
alcanos y alquenos. La gasolina vaporizada se diluye con H2 para cortar la formación de
carbón sobre catalizador; el proceso se llama también hydroforming. Las principales
reacciones de aromatización son [42]:
Figura 8. Principales reacciones de aromatización.
La gasolina reformada es la fuente más importante de estos hidrocarburos, ya que
contiene hasta el 55% de ellos (Tabla 6).
COMPOSICIÓN DE GASOLINAS REFORMADAS
Benceno 3-6%
Tolueno 15-20%
Xilenos 19-21%
Etilbenceno 4-5%
Aromáticos superiores 10-15%
No aromáticos 35-45%
Tabla 6. Composición de gasolinas reformadas.
58
1.4.3.1.2 AROMÁTICOS DE CRAQUEO CON VAPOR
La industria petroquímica utiliza el craqueo con vapor de gasolinas para obtener grandes
cantidades de etileno, propileno y otros alquenos, pero en este proceso se producen
tambien cantidades importantes de BTEX [42].
El proceso consiste en pirolizar una mezcla de gasolina y vapor de agua a (800-900) °C,
sin catalizadores, durante 0,1 a 1 segundo. Se obtiene un 50% de etileno+ propileno y un
20% de gasolina craqueada que tiene la composición que se da en la Tabla 7.
COMPOSICIÓN GASOLINA PROCEDENTE DE CRAQUEO CON VAPOR
Benceno 38-40%
Tolueno 20-22%
Xilenos 2-3%
Etilbenceno 4-6%
Aromáticos superiores 2-5%
No aromáticos 30-32%
Tabla 7. Composición gasolina procedente de craqueo con vapor.
1.4.3.1.3 SEPARACIÓN DE HIDROCARBUROS AROMÁTICOS
El primer paso de la separación es normalmente una destilación para separar la fracción
en el intervalo de (80–145) ºC que se va a fraccionar, teniendo en cuenta las temperaturas
de ebullición de los BTEX y eliminando los extremos ligeros y pesados (Tabla 8).
Debido a la formación de mezclas azeotrópicas entre algunos aromáticos, nafténicos y
parafínicos dentro de este intervalo, el paso siguiente es la separación de los aromáticos
de los no aromáticos con el empleo de disolventes por: extracción líquido-líquido,
adecuada para el rango de 20-65 %w en contenido de aromáticos; destilación extractiva
para el rango de 65-90 %w de aromáticos y destilación azeotrópica para contenido alto de
aromáticos, > 90 %w [46].
59
COMPUESTO T (° C)
Benceno 80
Tolueno 110
Etilbenceno 136
p- Xileno 138
m- Xileno 139
o- Xileo 145
Tabla 8. Puntos de ebullición de los BTEX.
La volatilidad relativa del o-xileno es de 1,16 mientras que la del p- y m-xileno es de
alrededor de 1,02. Hacer una separación para p- y m-xileno por destilación está fuera de
toda lógica. El p-xileno es una molécula estrecha con los dos grupos metilo, uno en cada
extremo. El m-xileno es más esférico, debido a la posición de los grupos metilo. El
proceso de separación más dependiente de la forma de la molécula, para un volumen
molecular fijo, es la cristalización. La diferencia en la forma molecular tiene dos efectos.
Primero, las moléculas de p-xileno pueden agruparse juntas en una estructura cristalina
más rápidamente, debido a su forma simétrica; como resultado de esto, el p-xileno tiene
un punto de congelación mucho más alto (13,3 °C) qu e cualquiera de los otros isómeros.
Segundo, la diferencia de forma entre el p-xileno y el m-xileno significa que las moléculas
de m-xileno no pueden ajustarse fácilmente dentro de la estructura cristalina del p-xileno
en la fase sólida. Como resultado, la fase sólida formada por congelación parcial de una
mezcla de los dos isómeros contiene esencialmente p-xileno puro, y el factor de
separación para un proceso de cristalización es realmente muy alto [37].
También hay diferencias en las propiedades de adsorción que se pueden utilizar para
aislar isómeros individuales del xileno. En la adsorción, la estructura porosa del
adsorbente preferentemente retiene el isómero producto de interés. Un tratamiento
posterior con un líquido desorbente (por lo general otro orgánico como el tolueno) disocia
el producto del adsorbente. La separación del isómero producto de xileno puede entonces
ser realizado utilizando una destilación fraccionada simple [47].
60
1.4.4 PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN DE AROMÁTICOS
Dado que la industria química tiene una demanda de hidrocarburos aromáticos que no
puede satisfacerse con la distribución de aromáticos obtenida directamente de las
gasolinas reformadas, de pirólisis y del alquitrán de hulla, se han desarrollado procesos
de transformación de hidrocarburos aromáticos entre sí. De un modo global, el objetivo de
estos procesos es contrarrestar el exceso de oferta de tolueno y la demanda de benceno
y xilenos. Los procesos más significativos son:
• Hidrodesalcohilación de tolueno
• Isomerización del m-xileno
• Desproporcionamiento de tolueno y transalquilación con trimetilbencenos.
1.4.5 REFINACIÓN DEL PETRÓLEO Y COMPOSICIÓN DE LA G ASOLINA EN
COLOMBIA
1.4.5.1 REFINACIÓN NACIONAL DEL PETRÓLEO
En Colombia (2010), Ecopetrol fue capaz de refinar diariamente 315 mil barriles, es decir,
13.2 millones de galones de petróleo cada 24 horas. De esos, resultan unos 71500
barriles por día de gasolina (3.6 millones de galones) y 97330 barriles de ACPM (4
millones de galones). El país se autoabastece de crudo. Exporta e importa, dependiendo
de los requerimientos del mercado local e internacional y se surte fundamentalmente de
los yacimientos de La Cira-Infantas, en Barranca; Chuchupa en La Guajira; Caño Limón
en Arauca y Cusiana-Cupiagua, en Casanare [49].
1.4.5.2 COMPOSICIÓN DE LA GASOLINA EN COLOMBIA
La gasolina está compuesta por una mezcla de hidrocarburos que van desde los que
poseen 4 átomos de carbono hasta los que tienen 10-11 átomos de carbono; éstos
hidrocarburos pueden ser parafínicos, isoparafínicos, olefínicos, nafténicos y aromáticos,
obtenidos de diversos procesos de refinación como destilación, crackeo térmico y
catalítico, reformación catalítica, alquilación, e isomerización.
De las cuatro (4) clases en que se subdividen los hidrocarburos (parafínicos, nafténicos,
aromáticos y olefínicos), la que predomina en el petróleo bruto es la clase de los
61
hidrocarburos parafínicos (parafinas), que pueden ser de cadena lineal (n-parafinas) o
ramificada (isoparafinas).
Los hidrocarburos aromáticos se caracterizan por su elevado peso específico y por un
poder antidetonante bastante elevado. Se encuentran en el petróleo bruto en cantidades
limitadas, salvo algún tipo que los contiene en mayor proporción [50].
La empresa Colombiana de petróleos ECOPETROL sigue la normatividad de la American
Society for Testing and Materials (ASTM) y en las siguientes tablas se muestran las
principales características de las gasolinas distribuidas en Colombia.
Características Unidades Métodos Máximo
Benceno mL/100 mL ASTM D-5580 ó ASTM D-3606 ó ASTM D-6729
1,0
Aromáticos mL/100 mL
ASTM D-5580 ó ASTM D-1319 ó Método PIANO (ASTM D-6729)
28
Tabla 9. Gasolina corriente.
Características Unidades Métodos Máximo
Benceno mL/100 mL ASTM D-5580 ó ASTM D-3606 ó ASTM D-6729
2
Aromáticos mL/100 mL
ASTM D-5580 ó ASTM D-1319 ó Método PIANO (ASTM D-6729)
35
Tabla 10. Gasolina extra.
62
Característica Unidades Métodos Máximo
Aromáticos mL/100 mL ASTM D-1319 ó ASTM D-5186
35
Tabla 11. Diesel corriente.
Característica Unidades Métodos Máximo
Aromáticos mL/100 mL ASTM D-1319 ó ASTM D-5186
35
Tabla 12. Diesel extra o diesel premium [51].
1.4.6 USOS DE LOS BTEX
El benceno y sus derivados se han utilizado en una variedad de productos, algunos de los
cuales incluyen: plaguicidas, detergentes, pinturas, colorantes, lubricantes, gomas, drogas
y explosivos.
1.4.6.1 Benceno
Desde que el benceno fue descubierto en 1825, se ha utilizado para una variedad de usos
industriales y comerciales. Uno de los primeros usos del benceno fue como loción de
afeitar, por el olor agradable distintivo del producto químico. También se empleo para
descafeinar el café y como aditivo antidetonante en la gasolina.
El benceno se puede encontrar en una serie de productos elaborados por algunas de las
empresas más grandes del mundo, como por ejemplo:
• Coca-Cola
• Pepsi
• Cadbury Schweppes (Compañía Británica de Confites)
• Kraft Foods (Bebidas, queso, lácteos, snacks, confitería y cereales.)
• Polar Beverages(Bebidas)
Algunos de los mayores productores de benceno en los Estados Unidos son:
63
• Chevron
• Shell Chemical
• Exxon
• Dow Chemical
• Amoco
El benceno es un componente integral en la producción de polímeros, plásticos, resinas,
adhesivos, nylon, detergentes, colorantes, lubricantes, explosivos y plaguicidas. La
mayoría de los materiales antes mencionados se producen a partir de tres usos derivados
del benceno: estireno, fenol y ciclohexano [52].
1.4.6.2 Tolueno
Más del 50% del tolueno producido se convierte en benceno por hidrodesalquilación. En
mucha menor escala se utiliza un proceso de desproporción catalítica.
Alrededor del 10% de la producción de tolueno se utiliza para obtener “trilita” o TNT
(2,4,6-trinitrotolueno), explosivo militar de gran potencia. Otro tanto se usa para
disolventes y el resto, resinas de poliuretano y diversas síntesis.
Una parte de las fracciones ricas en tolueno se incorporan a gasolinas para alcanzar altos
índices de octano.
1.4.6.3 Etilbenceno
Si bien cerca del 99% del etilbenceno se consume en la producción de estireno, una
pequeña cantidad se utiliza en aplicaciones de solventes, remplazando algunas veces al
xileno.
1.4.6.4 p-Xileno
La mayor demanda en el mercado de los isómeros del xileno es de p-xileno, materia
prima para fibras sintéticas, se utiliza para hacer el ácido tereftálico (TPA) y dimetil
tereftalato (DMT), intermediarios en la fabricación de fibras tereftalato de polietileno (PET),
plásticos moldeados y películas.
64
1.4.6.5 o-Xileno
El o-xileno se utiliza principalmente en la fabricación de anhídrido ftálico que es la materia
prima para la fabricación de plastificantes y resinas para pinturas. Menores usos
adicionales en la fabricación de bactericidas, herbicidas para la soja, aditivos de aceite
lubricante.
1.4.6.6 m-Xileno
El m-xileno tiene menos aplicaciones, aunque el ácido isoftálico se usa para obtener
algunos tipos de resinas de poliéster. Gran parte del excedente de m-xileno y sus mezclas
brutas se reincorporan a las gasolinas para aumentar el índice de octano o se usan como
disolventes [42].
En el anexo 1 se muestras algunas reacciones de los BTEX para la producción de
diferentes productos.
1.4.7 TOXICIDAD DE LOS BTEX
Todos los compuestos orgánicos volátiles son nocivos. Los efectos de la exposición a
estas sustancias incluyen los cambios en el hígado y los efectos dañinos en los riñones, el
corazón, los pulmones y el sistema nervioso [41].
Los BTEX están en todas partes entre las muestras de interés ambiental (agua, aire,
tierra). Debido a que los BTEX son compuestos neutros, solubles en lípidos y de bajo
peso molecular, son absorbidos rápidamente por el organismo una vez inhalados o
ingeridos. La mayor fuente de riesgo de exposición al benceno es por vía aérea. La
exposición humana a estos hidrocarburos aromáticos, también ocurre por ingestión
(consumo de agua o alimentos contaminados). Los BTEX al ser muy solubles en lípidos
tienden a acumularse en los tejidos grasos [3].
Se hace hincapié en el benceno, ya que este es el más tóxico del grupo de los BTEX.
65
1.4.7.1 Benceno
El uso del benceno se ha regulado con el fin de proteger al público de niveles peligrosos
de exposición a la sustancia tóxica. La exposición prolongada al benceno se ha
relacionado con el desarrollo de una serie de enfermedades graves, algunas de la cuales
incluyen leucemia mielógena aguda, leucemia mielógena crónica y anemia aplásica.
El benceno produce efectos hematológicos en los seres humanos y animales. Las etapas
iniciales de la toxicidad del benceno pueden ser caracterizadas por deficiencias en los
elementos específicos de la sangre, dando lugar a anemia, leucopenia o trombocitopenia.
A pesar de que el benceno ha sido reconocido como un compuesto químico
extremadamente tóxico capaz de provocar muchos efectos negativos para la salud, no se
ha prohibido por completo. Todavía se utiliza en toda una variedad de productos
comerciales e industriales, sin embargo, el contenido en benceno de estos productos está
estrictamente regulado por varias entidades internacionales, en particular la Agencia de
Protección Ambiental (EPA) y el Departamento de Salud y Servicios Humanos (DHHS).
[52].
Trabajadores de las industrias que fabrican o usan benceno pueden estar expuestos a
altos niveles de esta sustancia química. Industrias como las del caucho, refinerías de
petróleo, plantas químicas, fábricas de calzado y las industrias relacionadas con la
gasolina.
Fuentes de benceno en el medio ambiente incluyen la gasolina, los gases de escape de
automóviles, el humo del cigarrillo, las emisiones de los hornos de coque y otros procesos
industriales, y las aguas residuales de ciertas industrias.
El benceno se ha identificado en el agua. Algunos productos de consumo de los hogares,
tales como pegamentos, productos de limpieza, detergentes, artículos de arte, y
decapantes, contienen benceno.
La evidencia que vincula el benceno y el cáncer proviene de estudios en su mayor parte a
trabajadores, y se relaciona con la leucemia, sobre todo en dos tipos de llamada leucemia
mieloide aguda y en menor medida, la leucemia linfocítica crónica. La leucemia es un
cáncer de las células formadoras de sangre en la médula ósea.
66
Los datos en seres humanos se apoyan en estudios con animales. Hay pruebas
suficientes de la carcinogenicidad del benceno en animales de experimentación. Estudios
en animales dieron con el hallazgo de un exceso de riesgo de leucemia en los seres
humanos a la exposición al benceno por inhalación y por ingestión.
Se ha demostrado que el benceno induce aberraciones cromosómicas, o cambios, en
células de mamíferos in vitro (fuera de un organismo vivo). In vivo (dentro de un
organismo vivo) los estudios han demostrado que la exposición al benceno conduce a
cambios en los cromosomas en las células de la médula ósea. Estos cambios se
encuentran comúnmente en la las células de la leucemia humana.
El Programa Nacional de Toxicología, de Estados Unidos, la Agencia Internacional de
Investigación sobre el Cáncer (IARC) y la EPA clasifican al benceno como "un
carcinógeno conocido".
El consumo de alimentos o líquidos contaminados con altos niveles de benceno puede
producir vómitos, irritación del estómago, mareos, somnolencia, convulsiones, y la
frecuencia cardíaca rápida. En casos extremos, la muerte puede producirse después de la
ingestión oral o inhalación de concentraciones muy elevadas (aproximadamente 10.000-
20.000 ppm) de benceno.
A largo plazo y/o alto nivel de exposición (un año o más) al benceno, puede interferir con
la producción normal de células sanguíneas por hematopoyético (sangre) en las células
de la médula. Esto puede resultar en anemia (disminución de la capacidad de la sangre
para transportar oxígeno) y bajo recuento de glóbulos blancos (disminución de la
capacidad de la sangre para combatir infecciones), e incluso puede ser mortal. Existe
alguna evidencia de que el benceno también puede ser perjudicial para los órganos
reproductivos.
El benceno es considerado un carcinógeno humano basado en datos experimentales y
epidemiológicos [58].
1.4.7.2 Tolueno
El tolueno puede afectar al sistema nervioso. A niveles moderados puede ocasionar
cansancio, confusión, debilidad, mareos, pérdida de la memoria, náusea, pérdida del
apetito, la audición y la visión a color.
67
Estudios en humanos y animales, indican que el tolueno no produce cáncer [48].
1.4.7.3 Etilbenceno
En animales, la exposición a concentraciones relativamente bajas de etilbenceno durante
varios días o semanas produjo daño potencialmente irreversible del oído interno y de la
audición.
En animales, la exposición a concentraciones relativamente bajas de etilbenceno durante
meses o años produjo daño de los riñones.
La Agencia Internacional de Investigación del Cáncer (IARC) ha determinado que el
etilbenceno es posiblemente carcinogénico en seres humanos [54].
1.4.7.4 Xileno
Los científicos han descubierto que las tres formas de xileno afectan la salud de manera
similar. No se han descrito efectos nocivos causados por los niveles de xileno que ocurren
normalmente en el ambiente. La exposición breve a niveles altos de xileno puede producir
irritación de la piel, los ojos, la nariz y la garganta; dificultad para respirar; alteración de la
función pulmonar; retardo de la reacción a estímulos visuales; alteraciones de la memoria;
malestar estomacal; y posiblemente alteraciones del hígado y los riñones. Tanto las
exposiciones breves como prolongadas a altas concentraciones de xileno pueden producir
numerosos efectos sobre el sistema nervioso, como por ejemplo dolor de cabeza, falta de
coordinación muscular, mareo, confusión y pérdida del sentido del equilibrio. Algunas
personas expuestas brevemente a cantidades de xileno muy altas fallecieron. La mayoría
de la información sobre los efectos observados en personas expuestas al xileno
prolongadamente se deriva de estudios de trabajadores en industrias que manufacturan o
usan xileno.
Los resultados de los estudios en animales indican que la exposición a grandes
cantidades de xileno puede producir alteraciones del hígado, los riñones, los pulmones, el
corazón y el sistema nervioso. La exposición breve de animales a concentraciones de
xileno muy altas produce espasmos musculares, incoordinación, sordera, alteraciones del
comportamiento, alteraciones del peso de algunos órganos y de la actividad de algunas
enzimas y también la muerte.
68
La Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC) y la EPA han
determinado que no hay suficiente información para determinar si el xileno es
carcinogénico y lo consideran no clasificable en cuanto a carcinogenicidad en seres
humanos [55]. En la tabla 13 se especifican los valores permitidos por la EPA para los
BTEX.
Compuesto Químico
CASRN Estándares Año
doc
HA
Advertencias de Salud Clasificación
por
grupo
MCLG (mg/L)
MCL (mg/L)
Niños 10 kg
1 día (mg/L)
10 días
(mg/L)
RfD (mg/Kg/L)
DWEL (mg/L)
Tiempo de vida (mg/L)
Riesgo de cáncer mg/L en 10-4
Benceno 71-43-2 cero 0,005 F`87 0,2 0,2 0,004 0,1 - 0,1 A
Tolueno 108-88-3
1 1 D`93 20 2 0,2 7 1 - D
Etilbenceno 100-41-4
0,7 0,7 F`87 30 3 0,1 3 0,7 - D
Xileno 1330-20-7
10 10 D`93 40 40 0,2 7 - - D
Diclorometano 75-09-2 cero 0,005 D`93 10 2 0,06 2 - 0,5 D
Tabla 13. Valores permitidos por la EPA.
Definiciones:
10-4 Cancer Risk: Riesgo de cáncer.
CASRN (Chemical Abstracts Service Registry Number): Es una identificación numérica
única para compuestos químicos, polímeros, secuencias biológicas, preparados y
aleaciones.
DWEL (Drinking Water Equivalent Level): Nivel equivalente de agua potable.
HA: Asesor de Salud. Una estimación de los niveles aceptables de agua potable para una
sustancia química basada en la información sobre los efectos en la salud.
MCL (Maximum Contaminant Level): El MCL es el nivel más alto de un contaminante
permitido en agua potable.
69
MCLG (Maximum Contaminant Level Goal): El MCLG es el objetivo del nivel contaminante
máximo.
RfD (Reference dose): Dosis de referencia.
La EPA tiene evidencias en cuanto a la probabilidad de que una sustancia química puede
ser un carcinógeno para los seres humanos, los BTEX no son una excepción. Cada
producto químico se coloca en una de las siguientes cinco categorías según directrices de
la EPA. En la tabla 14 se da la clasificación basada en las directrices para la evaluación
de riesgo carcinógeno de la EPA.
Grupo Categoría
A Cancerígeno humano
B Probable cancerígeno humano.
B1: Indica limitada evidencia en humanos.
B2: Indica suficiente evidencia en animales (no hay pruebas en
humanos).
C Posible cancerígeno humano
D No clasifica como cancerígeno humano
E No existe evidencia de ser cancerígeno para humanos.
Tabla 14. Clasificación de riesgo carcinógeno de la EPA [63].
1.4.8 MÉTODOS DE ANÁLISIS DE BTEX
La cromatografía de gases es una de las técnicas más ampliamente usadas para
cuantificar mezclas de compuestos orgánicos volátiles. Para el análisis de BTEX en agua,
se suele combinar la cromatografía de gases con espectrometría de masas (MS) o con
detección de ionización por llama (FID), debido a la alta sensibilidad [56].
70
Antes de realizar el análisis, se requiere realizar una extracción y preconcentración previa;
históricamente, la extracción líquido-líquido (LLE) y la extracción en fase sólida (SPE) se
han utilizado para la extracción de compuestos de residuos de matrices acuosas. Sin
embargo, la LLE se utiliza raramente hoy en día debido a la alta demanda de disolventes
orgánicos y por la pobre recuperación de los solutos. En el caso de la SPE, en
comparación con LLE, requiere un menor volumen de disolventes para la desorción del
analito, pero las columnas pequeñas o discos utilizados causan taponamiento si la
muestra acuosa contiene finas partículas sólidas [57,59].
La microextracción en fase sólida también se ha aplicado para separar BTEX de matrices
acuosas ya sea por adsorción directa del líquido o por muestreo headspace. En la
actualidad se recomienda la simplificación y la miniaturización de los métodos de
preparación de muestras que tienen la ventaja de utilizar ninguna o muy poca cantidad
(µL) de solventes orgánicos tóxicos. Entre los métodos más utilizados y adecuados se
tiene: purga y trampa, headspace (HS), solid-phase microextraction (SPME), o la
combinación de estas como headspace solid-phase dynamic extraction (HS-SPDE) y
headspace solid-phase microextraction (HS-SPME).
El método de espacio libre o headspace (HS) es una técnica de muestreo adecuada para
determinar compuestos orgánicos volátiles por GC. En HS, la muestra se coloca
normalmente en un frasco sellado y se calienta en horno hasta que los compuestos
volátiles llegan al equilibrio con la fase gaseosa. Las concentraciones relativas de un
analito en las dos fases se determinan por el coeficiente de partición, que se define como
la relación de la concentración del analito en la fase líquida a la de éste en la fase
gaseosa. Una alícuota de la fase gaseosa es finalmente analizada por GC. HS ofrece
varias ventajas: no requiere de instrumentación complicada, no es necesario el uso de
solventes orgánicos y la sensibilidad para benceno, tolueno, etilbenceno y xilenos (BTEX)
es considerablemente mayor en comparación con las técnicas de inyección directa. Sin
embargo, el equipo requerido no es barato y la sensibilidad puede no ser suficiente para
muestras con muy bajos niveles de BTEX. De hecho, el muestreo de HS es propicio para
el análisis de muestras con alto contenido de compuestos volátiles (Ejemplo: aguas
residuales) [40].
Un avance reciente en el análisis de compuestos volátiles es el uso de la microextracción
en fase sólida (SPME). Usando SPME los analitos pueden ser muestreados a través de
71
inmersión directa en agua o del espacio libre (HS) de la muestra. En el muestreo directo,
se coloca la fibra directamente en la muestra para extraer los compuestos orgánicos, esta
se recomienda para muestras de agua relativamente limpias. Sin embargo, para muestras
sucias tales como aguas residuales o muestras acuosas que contienen grasa y/o aceite
no se recomienda SPME directa; es más adecuado extracción de los analitos de el
espacio libre (HS) por encima de la matriz de la muestra (HS-SPME). Por lo tanto,
muchos problemas de interferencia se eliminan, porque la fibra no está en contacto con la
muestra. HS-SPME es especialmente útil en el caso de analitos muy volátiles [40,59].
Los intentos de superar algunos inconvenientes que participan en SPME han incluido la
aplicación de un recubrimiento inmovilizado en el interior de la pared de una aguja, el uso
de un capilar como fase de extracción, o el embalaje de materiales absorbentes para la
extracción. La extracción dinámica en fase sólida (SPDE) es un desarrollo de SPME, la
ventaja de ésta sobre SPME es el aumento del volumen de material de absorción. En el
uso de SPDE, el material de absorción está cubierto en la aguja de acero de una jeringa.
Una extracción dinámica se realiza desde el espacio libre por encima de una matriz
acuosa mediante la aspiración y la liberación del volumen de la jeringa. La desorción se
lleva a cabo directamente en el inyector del GC [59].
El método de purga y trampa es ampliamente utilizado para la extracción de compuestos
orgánicos volátiles de muestras acuosas seguido por cromatografía de gases.
Los métodos de purga y trampa, HS y SPME para el análisis de BTEX y otros VOCS han
sido aprobados por la EPA en varios protocolos [60,61,62,64,65,]
72
2. SECCIÓN EXPERIMENTAL
2.1 MUESTRAS DE ANÁLISIS
Las muestras analizadas corresponden a los efluentes del tratamiento de aguas
residuales (agua de trampas de grasas) de tres estaciones de servicio de la ciudad de
Pereira; ubicadas en las comunas el jardín, centro y universidad. En la figura 9 se observa
una trampa de grasas de una de las estaciones de servicio.
Figura 9. Trampa de grasas.
2.2 MUESTREO
Las muestras de agua se recolectaron en la salida del sistema de trampa de grasas (es
decir, la que va directo al alcantarillado) de las tres estaciones de servicio. Se realizó un
muestreo puntual siguiendo las recomendaciones del Standard Methods, las muestras se
recolectaron en envases de vidrio de boca ancha con capacidad para 600mL. En cada
trampa de grasas se midió el pH y la temperatura [13].
2.3 TRANSPORTE, PRESERVACIÓN Y ALMACENAMIENTO DE LA MUESTRA
Durante su transporte, las muestras se almacenaron en neveras de icopor que
aproximadamente mantenían las muestras a (4-12) °C. Estas fueron transportadas
rápidamente a uno de los laboratorios de la escuela de química de la Universidad
Tecnológica de Pereira, transcurrido un tiempo no mayor de 30 minutos después de
73
colectadas y se pasaron a una nevera tipo industrial con una temperatura aproximada de
4 °C.
La extracción se llevó a cabo dentro de las 48 horas después de la colección de las
muestras por el método de extracción en fase sólida. Los extractos fueron recogidos,
sellados con papel parafilm y por último se guardaron en la nevera a -20 °C hasta su
posterior corrida por GC, que no demoró más de 4 días en ejecutarse.
En general, entre menor sea el tiempo transcurrido desde la toma de la muestra y su
extracción, más fiables serán los resultados analíticos. Para minimizar el potencial de
volatilización o biodegradación de las muestras, estas se deben mantener lo más frio
posible pero sin congelar (preferiblemente 4 °C).
Evidencia experimental indica que algunos compuestos aromáticos son susceptibles a
degradación biológica rápida bajo ciertas condiciones ambientales; por lo que la
refrigeración por sí sola no es adecuada para preservar estos compuestos en aguas
residuales por más de siete días. Por esta razón es recomendable mantener la muestra a
4 °C y analizarla lo más rápido que se pueda, en ca so de no ser posible se recomienda
adicionar HCl hasta un pH cercano a 2.
2.4 EXTRACCIÓN EN FASE SÓLIDA
Para la extracción de los BTEX de las diferentes muestras se utilizaron cartuchos C18 de
500mg marca Supelco y bombas de aire para generar presión positiva con el fin de
acelerar el proceso.
Antes de iniciar con el proceso de extracción se realizaron filtraciones para remover
sólidos de muestras muy sucias. Todo este proceso se realizó a bajas temperaturas (5 -
8) °C.
La columna fue activada con dos porciones de 3 mL de metanol y preequilibrada con 3 mL
de agua. La muestra de la estación de servicio (50mL) fue cargada en la columna con un
flujo de 3 mL/min. Se realizó un lavado con 2 mL de agua. Finalmente, los analitos fueron
eluídos con 2 alícuotas de 1 mL de diclorometano.
Debido a que el benceno tiene un punto de ebullición relativamente bajo, no se pueden
dejar secar los cartuchos de extracción por un largo periodo de tiempo ni tampoco utilizar
74
métodos con calor; por lo cual después de la elución de los analitos con diclorometano se
hace necesario recoger los extractos en un embudo de separación donde se realiza una
especie de extracción líquido-líquido para remover la pequeña cantidad de agua que
pueda quedar contenida. De igual forma, los extractos fueron tratados con una cantidad
muy pequeña de sulfato de sodio anhidro para obtener eluatos libres de agua, el volumen
final obtenido fue de 1mL. Esta operación se llevó a cabo con rapidez para evitar posibles
pérdidas de todos los compuestos volátiles en el extracto. Todas las muestras fueron
tratadas de la misma manera. Cada componente fue identificado y cuantificado mediante
la comparación de su tiempo de retención y el área del pico con los de concentración
conocida de la solución estándar, la cual también fue inyectada en el GC bajo las mismas
condiciones experimentales.
2.5 COMPOSICIÓN DEL ESTÁNDAR DE BTEX
Se adquirió un estándar comercial de mezcla de BTEX marca RESTEK con una
concentración de 2000µg/mL, código de catálogo 30213 (en el anexo 2, se muestra el
certificado de la muestra). La composición del estándar y la concentración de cada uno de
los compuestos presentes en él, se presentan en la tabla 15.
COMPUESTO CONCENTRACIÓN
Benceno 2000,00 µg/mL
Tolueno 2000,00 µg/mL
Etilbenceno 2000,00 µg/mL
p-Xileno 2000,00 µg/mL
m-Xileno 2000,00 µg/mL
o-Xileno 2000,00 µg/mL
Metanol (Solvente) -
Tabla 15. Composición del estándar de BTEX marca RESTEK código de catálogo 30213.
75
Las condiciones a las que fue eluído el estándar para el certificado del análisis fueron las
siguientes:
Columna: Stabilwax (cat.#10657). 60m x 0,32mm x 1µm.
Gas transportador: Hidrógeno @ 40 cm/seg.
Programación de la temperatura: 50°C durante 4 min. Se lleva a 200 °C a razón de
6 °/min.
Temperatura del inyector: 200 °C.
Temperatura del detector: 200 °C.
Tipo de detector: FID
2.6 ANÁLISIS CROMATOGRÁFICO
2.6.1 ESTÁNDAR
Se utilizó un cromatógrafo de gases con detector de ionización por llama marca Shimadzu
GC-2014 (Figura 10), equipado con autoinyector AOC-20i+s, automuestreador AOC-20s,
inyección Split-splitless, y columna MXT5 serie 508529G1 (30m de longitud x 0.25 mm ID
x 0.50 µm de espesor de película).
Figura 10. Cromatógrafo de gases utilizado en el análisis.
76
A partir del estándar de 2000,00 ppm se preparó un patrón de 50,00 ppm utilizando como
solvente de elución diclorometano. Éste se inyectó en un cromatógrafo de gases donde se
realizaron varias corridas modificando tanto la temperatura de la columna, el volumen de
inyección y el flujo de corrida; esto con el fin de obtener un procedimiento más eficiente,
con tiempos de corridas menores y con una separación confiable entre los analitos
evaluados.
Las condiciones de operación que se lograron establecer para realizar un análisis
cromatográfico óptimo de BTEX son las siguientes
Columna: MTX5.
Longitud: 30m
Diámetro interno: 0.25mm
Espesor de película: 0.5µm
Gas transportador: Helio.
Flujo total: 2.5 mL/min.
Flujo en la columna: 0.75 mL/min
Velocidad lineal: 20 cm/seg.
Temperatura de inyector: 250 °C
Volumen de inyección: 1 µL
Modo de inyección: Split
Radio del Split: 1
Temperatura del detector: 250 °C
Tipo de detector: FID
La programación de la temperatura se muestra la tabla 16.
2.6.2 PATRONES
A partir del estándar 30213 de BTEX de concentración de 2000,00 ppm se realizaron
varias diluciones para obtener patrones que cubren concentraciones que van desde 0,25
hasta 50,00 ppm utilizando como solvente Diclorometano. Esto se realizada mediante el
77
RAZÓN DE CALENTAMIENTO
(°C/min)
TEMPERATURA
(°C)
TIEMPO DE ESPERA (min)
- 40 2
10 100 2
30 190 0
Tabla 16. Programación de la temperatura de horno del cromatógrafo.
método de estándar externo; el cual consiste en la preparación de patrones de
concentración semejante al analito en la muestra, pero que se analizan separadamente
de la muestra desconocida.
2.6.3 CURVAS DE CALIBRACIÓN
Después de preparados los patrones externos, se llevan al cromatógrafo de gases donde
son inyectados siguiendo el método cromatográfico descrito en el apartado 2.6.1. A
continuación se obtienen los cromatogramas de los patrones y se representan las alturas
o áreas de pico en función de la concentración. La representación gráfica de los datos
origina una línea recta que pasara por el origen de coordenadas; los análisis cuantitativos
se basan en esta gráfica.
2.6.4 ANÁLISIS DE LAS MUESTRAS
Después de que la técnica fue estandarizada y las muestras fueron extraídas se hizo su
análisis cromatográfico a las mismas condiciones con las que se analizaron los patrones
externos. La identificación de cada compuesto se realiza mediante comparación de
tiempos de retención de los picos obtenidos en los cromatogramas de la muestra con los
obtenidos en el estándar; y la cuantificación a partir de la curva de calibración obtenida al
graficar el área del pico de cada patrón en función de la concentración.
78
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 ANÁLISIS CROMATOGRÁFICO DEL ESTÁNDAR
Para la identificación de cada uno de los hidrocarburos aromáticos presentes en el
estándar se realizó un análisis cromatográfico de un patrón de 50,00 ppm. En el
cromatograma obtenido (figura 11) se lograron identificar 5 picos, los cuales pertenecen al
benceno, tolueno, etilbenceno, m,p-xileno y o-xileno. Debido a la proximidad de los puntos
de ebullición del p-xileno y m-xileno (pico 4 de la figura 11) que corresponden a 138 y 139
°C respectivamente, no se logró separar estos 2 isó meros (coeluyen quedando unidos en
un solo pico) debido a que la columna utilizada (MTX5) no es específica para separar
isómeros del xileno. En el caso de que se requieran individualmente, es necesario el uso
de otra columna la cual separe m- y p-xileno como lo es la Stabilwax, la cual es utilizada
por el proveedor del estándar (Anexo 2). En varios artículos publicados se presenta este
solapamiento de los picos en el análisis cromatográfico [13,17,18,32,40].
En análisis cromatográfico a nivel de trazas se suele emplear un modo de inyección
splitless para mejorar la precisión del método, esto se puede utilizar cuando los tiempos
de retención de los compuestos de interés son mayores a 10 minutos, debido a que la
presión deforma y ensancha los picos; para el caso del análisis de BTEX no se pudo
realizar debido a que prácticamente todos los compuestos salen antes o en este tiempo.
Para corregir de algún modo este problema se inyectó en modo Split 1µL con un radio de
Split de 1, que se asemeja a una inyección splitless.
Figura 11. Cromatograma patrón 50ppm
79
En la tabla 17 se presenta el nombre de cada hidrocarburo aromático con su respectivo
tiempo de retención y el área medida por el equipo.
PICO NOMBRE TIEMPO DE
RETENCIÓN
(MINUTOS)
PROMEDIO DE
ÁREAS
1 Benceno 6,03 260029,20
2 Tolueno 8,21 266337,10
3 Etilbenceno 10,49 271106,60
4 m,p-xileno 10,67 561352,40
5 o-xileno 11,20 273992,40
Tabla 17. Tiempos de retención y áreas medidas por el equipo de los hidrocarburos aromáticos.
Al realizar el análisis cromatográfico del solvente de dilución (Diclorometano) se observa
un pico pequeño (Figura 12) cerca al tiempo de retención del benceno, por lo cual se hizo
necesario inyectar varias veces el solvente de dilución diferentes días para verificar que el
área medida de éste fuera reproducible y crear un factor de corrección que eliminará
cualquier error generado (Tabla 18).
Figura 12. Cromatograma del solvente de elución (Diclorometano).
80
Cola del diclorometano en un tiempo de
retención (TR: 6,045) cercano al del benceno
(TR: 6,025)
INYECCIÓN ÁREA
1 4931,10
2 4930,20
3 4944,50
4 4932,30
5 4941,50
6 4921,40
7 4920,40
8 4938,00
9 4923,40
10 4929,60
11 4923,70
12 4924,00
PROMEDIO 4930,01
SD 7,97
%RSD 0,16
Tabla 18. Áreas de la cola del diclorometano medida por el equipo.
3.2 CALIBRACIÓN
Para la calibración del método cromatográfico se realizaron diluciones a partir del
estándar. La curva realizada para cada hidrocarburo aromático está comprendida entre
los valores de 0,25 a 50,00 ppm, estos valores se seleccionaron porque eran los que
mejor correlacionaban con una línea recta. Cada patrón se preparó e inyectó en el
cromatógrafo de gases cinco veces, de los cuales se escogieron los tres resultados de
área más próximos para asegurar la confiabilidad y reproducibilidad del método.
Para cada nivel de concentración se determinó la media y el porcentaje de desviación
estándar relativa (RSD), así:
81
[35]
En la tabla 19 se presentan las concentraciones y los promedios de las áreas obtenidas
de cada uno de los patrones que se utilizaron para la elaboración de la curva de
calibración del estándar de BTEX con su repectivo porcentaje de desviación estándar
(%RSD).
En el anexo 3 se encuentran las áreas obtenidas de las tres réplicas de cada patrón, con
su media, desviación estándar (SD) y porcentaje de desviación estándar (%RSD).
µg/mL PROMEDIO ÁREA ± %RSD ( n=3)
BENCENO TOLUENO ETILBENCENO m,p-XILENO o-XILENO
0,25 6325,90±0,06 1320,70±0,27 1451,47±0,55 2673,03±0,85 1351,20±1,09
0,50 7511,13± 0,38 2652,23± 1,24 2983,79 ± 0,33 5636,37 ± 0,60 2883,37 ± 0,60
1,00 9990,40 ± 0,75 5128,97 ± 1,11 5855,30 ± 0,87 10973,67±1,26 5415,20 ±0,64
1,25 1120,771±0,52 6448,87±0,99 7013,37±0,64 13075,57±0,25 6662,23±0,64
2,50 17609,03±0,84 13070,47±0,74 13990,56±0,38 27436,83±0,76 13358,07±0,99
5,00 30555,03±0,45 26701,40±1,33 27699,97±0,48 55689,13±0,99 27184,33±1,70
10,00 55596,57±1,40 49129,37±0,95 50239,23±0,08 101530,53±0,81 49450,30±0,49
12,50 69295,53±0,46 66540,63±1,56 67666,44±0,22 142703,10±0,68 68486,53±1,36
25,00 133739,00±1,02 133399,33±0,62 135717,33±1,02 283484,77±0,33 136997,70±0,24
50,00 260137,67±0,26 267334,33±0,34 272988,60±0,89 566991,33±1,45 276315,60±1,08
Tabla 19 . Datos de las áreas obtenidas de cada patrón para la construcción de las curvas de calibración.
Para el benceno en particular, la curva de calibración se elaboró restando del área
obtenida el área del pico adyacente al pico del diclorometano, debido a que el área
registrada por el equipo corresponde a la del benceno más el área del pico adyacente al
diclorometano. Los datos obtenidos entonces se observan en la tabla 20. Los datos de
cada una de las replicas se observan en el anexo 4.
82
(µg/mL) Área – 4930
0,25 1395,89±0,26
0,50 2581,12±1,12
1,00 5060,39±1,48
1,25 6340,76±0,93
2,50 12679,02±1,17
5,00 25625,02±0,54
10,00 50666,56±1,54
12,50 64365,52±0,50
25,00 128808,99±1,06
50,00 255207,66±0,26
Tabla 20 . Datos de las áreas obtenidas para la elaboración de la curva de calibración del benceno.
Los valores de %RSD son menores al 2%, lo que indica la repetibilidad en los resultados
de la metodología utilizada para estandarizar.
En la figura 13 se muestra el promedio de las áreas medidas para cada concentración.
Las barras de error en la figura representa el SD de las tres replicas. Teniendo en cuenta
las barras de error, se puede observar la repetibilidad de los resultados para cada uno de
los niveles de concentración de cada uno de los hidrocarburos aromáticos.
Con el promedio de las áreas y la concentración se construyó una curva de calibración
para cada compuesto. Cada curva se forzó a pasar por cero y se obtuvo la respectiva
ecuación de la recta. En la figura 14 se presenta la curva de calibración para el benceno;
las curvas de los demás compuestos se encuentran en el anexo 5.
83
Concentración (ppm)
Áre
a
0,25p
pm
0,50p
pm
1,00p
pm
1,25p
pm
2,50p
pm
5,00p
pm
10,00
ppm
12,50
ppm
25,00
ppm
50,00
ppm
0
200000
400000
600000
800000BencenoToluenoEtilbencenom,p-Xilenoo-Xileno
. SD
Figura 13. Gráfica de barras de las concentraciones de los BTEX.
Figura 14. Curva de calibración del benceno
La repetibilidad del sistema instrumental estudia la variabilidad debida únicamente al
instrumento. Para evaluar este parámetro se prepararon tres patrones de BTEX de
concentraciones diferentes los cuales se inyectaron por triplicado en el cromatógrafo de
gases. En la tabla 21 se presentan las áreas de cada patrón medidas por el equipo al
inyectarse cada uno, tres veces (Ver anexo 6).
y = 5114,03xR² = 1
SD = 157,72%RSD = 3,06
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
0 10 20 30 40 50 60
Áre
a
Concentración (ppm)
84
[µg/mL] PROMEDIO ÁREA ± %RSD ( n=3)
BENCENO TOLUENO ETILBEN-
CENO
m,p-XILENO o-XILENO
2,50 18054,23±0,093 13079,10±0,16 14012,30±0,45 27829,93±0,26 13427,10±0,17
12,50 70957,43±0,48 66139,43±0,14 67514,87±0,25 142308,37±0,19 68183,33±0,29
25,00 134765,00±0,11 133582,17±0,34 135189,17±0,57 285060,23±0,23 137307,30±0,28
Tabla 21. Datos para la determinación de la repetibilidad instrumental.
Los valores de porcentaje de desviación estándar relativa son menores al 1% en los tres
niveles de concentración estudiados, lo que indica la repetibilidad del sistema
instrumental.
3.3 TRATAMIENTO ESTADÍSTICO
Para cada curva de calibración de los diferentes compuestos se calcularon los parámetros
estadísticos necesarios para realizar la estandarización del método como son:
R2: Coeficiente de correlación.
%RSD: Porcentaje de desviación estándar relativa
LD: Límite de detección.
LC: Límite de cuantificación.
Exactitud
Los valores de R2 y %RSD fueron suministrados por el software GC-Solution con el cual
se maneja el equipo. El software determina %RSD mediante el procedimiento de
coeficientes de variación de los factores de respue sta ( f), en el cual f expresa la
relación entre la lectura o respuesta (área) y la concentración. En una calibración lineal los
factores de respuesta deben ser semejantes entre si y cercanos al valor de la pendiente.
El procedimiento a seguir consiste en:
- Calcular f para cada concentración mediante la siguiente fórmula:
85
� � �!�
Donde, Yi es la Respuesta (área) y Xi la concentración
- Determinar (promedio de los factores de respuesta) y SD (Desviación estándar de
los factores de respuesta).
- Calcular el porcentaje de desviación estándar relativa.
Como las lecturas de las áreas de los patrones del benceno tenían un error debido a que
estas incluían tanto el área del benceno como el área generada por una cola del solvente
de dilución, se hace necesario restar el área de la cola del blanco al área de cada patrón
para calcular el %RSD; ya que de no ser así los f para cada concentración no serían
semejantes entre sí porque a medida que se aumenta la concentración aumenta el área
del benceno más el área de la cola del blanco que permanece constante.
En la tabla 22 se observa los datos para el cálculo del %RSD para el benceno.
Para la determinación del LD y LC se empleo el método basado en la extrapolación de la
recta de calibrado a concentración cero [17,18], el cual es un procedimiento aplicable a
métodos analíticos instrumentales. El método consiste en:
1) Determinar la pendiente de la curva de calibración (concentración vs área)
2) Se obtiene otra curva de calibración, inyectando cada punto por triplicado, pero en este
caso sólo se corren los tres patrones de menor concentración de analito, determinándose
la ecuación de esta nueva curva de calibración y se extrapola la respuesta a
concentración cero, obteniéndose un estimado de la respuesta del blanco Ybl.
3) Se determina la desviación estándar perteneciente a cada concentración del punto 2,
se calcula la recta correspondiente a concentración vs desviación estándar (SD) y se
extrapola como en el caso anterior la desviación estándar a concentración cero,
obteniéndose el estimado SDbl, correspondiente a la desviación estándar del blanco.
Se calcula el límite de detección (3 veces desviación estándar del blanco) y el límite de
cuantificación (10 veces desviación estándar del blanco) aplicando las siguientes
fórmulas:
86
Límite de detección� ���" #���
$√�
Límite de cuantificación � ���$% #���
$√�
X (Concentración)
Y (Área promedio)
F (Factor de respuesta)
0,25 1393,39 5573,56 0,25 1394,29 5577,16 0,25 1399,99 5599,96 0,50 2605,29 5210,58 0,50 2588,99 5017,98 0,50 2549,09 5098,18 1,00 5091,79 5091,79 1,00 5114,39 5114,39 1,00 4974,99 4974,99 1,25 6337,59 5070,07 1,25 6401,19 5120,95 1,25 6283,49 5026,79 2,50 12823,29 5129,32 2,50 12686,69 5074,68 2,50 12527,09 5010,84 5,00 25785,29 5157,06 5,00 25539,89 5107,98 5,00 25549,89 5109,98 10,00 51104,99 5110,50 10,00 51129,09 5112,91 10,00 49765,59 4976,56 12,50 64079,59 5126,37 12,50 64713,99 5126,37 12,50 64302,99 5144,24 25,00 127992,99 5119,72 25,00 128042,19 5121,69 25,00 130391,79 5215,67 50,00 255907,39 5118,15 50,00 255157,59 5103,15 50,00 254557,99 5091,16
PROMEDIO 5147,76 SD 157,72
%RSD 3,06 Tabla22. Datos para el cálculo del % RSD para el benceno.
87
La tabla 23 muestra los resultados estadísticos obtenidos de las curvas de calibración.
NOMBRE R R2 % RSD LD
(ppm)
LC
(ppm)
SENSIBILIDAD
(área/ppm)
Benceno 1 1 3,06 2,25E-2 3,65E-2 5114,03
Tolueno 0,9998 0,9997 2,66 1,18E-2 1,84E-2 5330,54
Etilbenceno 0,9998 0,9997 4,69 5,64E-3 1,5E-2 5440,26
m,p-Xileno 0,9997 0,9995 3,77 4,71E-3 1,54E-2 11305,82
o-Xileno 0,9997 0,9995 3,75 1,17E-2 1,66E-2 5497,53
Tabla 23. Resultados estadísticos obtenidos de las curvas de calibración.
3.3.1 INDICADORES DE RELACIÓN LINEAL
- COEFICIENTE DE CORRELACIÓN (R 2)
Los respectivos valores de R2 (Tabla 23) de cada una de las graficas de los diferentes
hidrocarburos aromáticos muestran que el modelo lineal es suficientemente confiable en
el rango de concentración trabajado, ya que estos valores se acercan a la unidad lo cual
indica que se estableció una correlación altamente significativa (P < 0,01) entre los puntos
analizados.
- CONTRASTE CON UN INDICADOR ESTADÍSTICO (t) DE STUDE NT
Para determinar éste indicador se debe trabajar con dos hipótesis:
H0: Hipótesis nula (Se asume que la correlación es cero; es decir, no existe relación entre
las variables).
H1: Hipótesis alterna (Se asume que existe correlación entre las variables).
Para el desarrollo del test se calcula tr con n-2 grados de libertad para un nivel de
confianza del 95% (probabilidad p=0,05) siendo n el número de niveles de concentración
analizados y se compara con el valor tcrítico que corresponde al t tabulado.
Esto se realiza para cada compuesto, y se calcula mediante:
88
Para un nivel de confianza del 95%; n=10-2=8 grados de libertad, se tiene: tcrítico = 2,31(En
el anexo 7 se presentan los valores de t para diferentes niveles de confianza) [35].
Ahora, si tr > tcrítico se rechaza la hipótesis nula.
Compuesto R r2 tr tcrítico H0
Correlación lineal
Benceno 1 1 ∞ 2,31 Rechazada Significativa
Tolueno 0,9998767 0,9997534 180,09 2,31 Rechazada Significativa
Etilbenceno 0,9998607 0,9997215 169,46 2,31 Rechazada Significativa
m,p-Xileno 0,9997877 0,9995755 137,25 2,31 Rechazada Significativa
o-Xileno 0,9997936 0,9995872 139,18 2,31 Rechazada Significativa
Tabla 24. Datos obtenidos para el test de linealidad.
La aplicación de la prueba t student (correlación significativa) demuestra que la diferencia
entre los puntos experimentales y los puntos de las líneas rectas son mucho más
pequeñas de lo que convencionalmente se acepta como diferencias aceptables para este
tipo de análisis.
La precisión del método es expresada en términos de desviación estándar relativa (RSD);
los resultados obtenidos para este parámetro indican que el método es reproducible
debido que no sobrepasan el 5%.
Los LD y LC son buenos, ya que permiten detectar la presencia de BTEX a nivel de
trazas, dado que de esta forma es que se encontrarían disueltos en las muestras de agua.
Además hay que tener en cuenta que la técnica de extracción empleada (SPE) ayuda a
concentrar los analitos de una forma significativa, con posibles factores de
enriquecimiento hasta 1000. Para el caso de la extracción realizada de los BTEX se
89
alcanza un factor de enriquecimiento de 50, lo que permite aumentar la confiabilidad del
método.
Las sensibilidades se toman como la pendiente de cada curva de calibración para los
diferentes hidrocarburos aromáticos, estas indican que la habilidad para distinguir entre
diferentes concentraciones del analito por parte del método es buena.
3.3.2 EXACTITUD
Para calcular la exactitud se prepararon por triplicado tres niveles de concentración
diferentes. Con los datos obtenidos se realizó el cálculo de la desviación estándar y la
exactitud (expresada como porcentaje de error); esta última mediante la siguiente fórmula:
%' � ()*� '!+,-./,�*)0 1 ()*� �,)0 ()*� �,)0 � 100
En la tabla 25 se muestran los datos obtenidos para calcular la exactitud expresada en
porcentaje de error.
Compuesto Concentración Real (ppm)
Concentración experimental (ppm)
Media (ppm)
%RSD Porcentaje de error
(%E)
Benceno 50 50,03 49,82 49,74 49,86 0,30 0,28 25 25,03 25,04 25,49 25,29 1,03 0,76 5 5,15 4,98 5,13 5,09 1,77 1,80
Tolueno
50 49,96 50,25 50,29 50,17 0,36 0,34 25 25,29 25,19 24,94 25,14 0,72 0,56 5 5,01 4,83 4,91 4,92 1,83 1,60
Etilbenceno
50 49,86 50,98 50,02 50,29 1,21 0,58 25 25,16 24,88 24,61 24,88 1,12 0,48 5 5,19 5,09 5,07 5,12 1,17 2,40
m,p-Xileno
50 49,65 50,58 50,15 50,13 0,92 0,26 25 24,96 25,29 25,18 25,14 0,68 0,56 5 4,95 4,90 4,86 4,90 1,02 2,00
o-Xileno
50 49,87 50,86 50,07 50,27 1,03 0,54 25 24,91 24,73 24,74 24,79 0,40 0,84 5 4,92 4,84 4,83 4,86 1,03 2,80
Tabla 25. Datos obtenidos para calcular la exactitud
La exactitud evaluada del método es buena, ya que los datos de porcentaje de error (%E)
mostrados en la tabla 25 son menores al 5%, lo que indica que el método es bueno y
tiene buena proximidad con los valores reales.
90
3.4 ESTANDARIZACIÓN DE LA TÉCNICA DE EXTRACCIÓN EN FASE SÓLIDA (SPE)
3.4.1 PORCENTAJE DE RECUPERACIÓN
El porcentaje de recuperación de la técnica de extracción se determinó mediante la
contaminación de tres muestras de agua desionizada (50mL) con un patrón RESTEK de
2000ppm de BTEX (realizado por triplicado), de tal manera que se consiguiera cubrir gran
parte del rango especificado del método analítico. Se efectuó el procedimiento de
extracción de las muestras contaminadas simulando el proceso de SPE que debía
realizarse con las muestras reales.
En la tabla 26 se observan las concentraciones y los porcentajes de recuperación
obtenidos para los diferentes hidrocarburos aromáticos.
COMPUESTO CONCENTRACION
(ppm)
PORCENTAJE DE
RECUPERACIÓN (%)
X %RSD
BENCENO
50,00 70,01 71,35 65,92 69,43 4,38
20,00 60,15 62,42 66,28 62,95 4,92
1,00 69,77 74,11 81,96 75,28 8,21
TOLUENO
50,00 75,64 71,01 73,71 73,45 3,17
20,00 72,04 73,04 65,71 70,26 5,66
1,00 77,58 84,86 77,32 79,92 5,35
ETILBENCENO
50,00 75,03 72,49 77,89 75,14 3,59
20,00 76,49 73,68 80,38 76,85 4,38
1,00 68,41 73,45 76,39 72,75 5,55
m,p-XILENO
50,00 76,99 75,39 80,34 77,57 3,26
20,00 80,87 76,91 81,63 79,80 3,17
1,00 67,74 68,47 76,02 70,74 6,48
o-XILENO
50,00 81,64 79,47 82,69 81,27 2,02
20,00 81,69 79,97 85,96 82,54 3,74
1,00 71,98 77,67 78,97 76,21 4,88
Tabla 26 . Datos obtenidos para el porcentaje de recuperación de cada patrón.
91
COMPUESTO PORCENTAJE DE
RECUPERACIÓN (%)
X
(%)
SD
(%)
%RSD
BENCENO 69,43 62,95 75,28 69,22 6,17 8,91
TOLUENO 73,45 70,26 79,92 74,54 4,92 6,60
ETILBENCENO 75,14 76,84 72,75 74,91 2,05 2,74
m,p-XILENO 77,57 79,80 70,74 76,04 4,72 6,21
o-XILENO 81,27 82,54 76,21 80,01 3,35 4,19
Tabla 27. Porcentajes de recuperación de los BTEX
En la figura 15 se muestran los porcentajes de recuperación de los BTEX utilizando la
técnica de SPE, y los %RSD de los resultados obtenidos los cuales están representados
mediante barras de error. Los porcentajes de recuperación van en orden creciente
conforme se incrementa el punto de ebullición de los compuestos; obteniéndose el mayor
porcentaje de recuperación (%RP= 80,01) para el o-Xileno con punto de ebullición de
144,4°C, y el menor porcentaje de recuperación (%RP = 69,22) para el benceno con punto
de ebullición de 80,1°C.
Porcentajes de recuperación de los BTEX
Por
cent
aje
de
re
cupe
raci
ón (
%)
Bence
no
Toluen
o
Etilben
ceno
m,p-Xile
no
o-Xile
no
0
20
40
60
80
100
Figura 15. Grafica de barras de los porcentajes de recuperación de los BTEX
92
La recuperación de los analitos de interés a partir de una matriz dada se utiliza como una
medida de la exactitud del método. Es importante estar seguros que la extracción
recupera la mayor parte de los analitos; métodos aprobados por la EPA aceptan
porcentajes de recuperación entre el 70 y el 120% [19,38].
La extracción en fase sólida (SPE) de los BTEX en general expuso buenos porcentajes de
recuperación (superiores al 70%); excepto para el benceno que se obtuvo un valor un
poco inferior, aunque en realidad éste no se aleja mucho del valor recomendado. Además
considerando la volatilidad de los compuestos analizados estos valores son adecuados.
La magnitud porcentual o la masa relativa del analito y la complejidad de la matriz resulta
de importancia para la determinación del %RSD por lo cual para el análisis de trazas son
apropiados %RSD de 5 a 10% o un poco mayores [18]. Para el caso de los %RSD de los
valores obtenidos de los porcentajes de recuperación de los analitos son inferiores al 10%
lo que indica la precisión del método; esto se puede observar en la figura 15 mediante las
barras de error.
La precisión es especialmente importante en la preparación de muestras, esta
generalmente disminuye con la disminución de la concentración del analito, y además
puede verse afectada dependiendo de los pasos en el proceso de medida. Para el caso
de la SPE la variabilidad puede venir del propio cartucho, el lavado, la extracción, el
secado, o los pasos de redisolución, por lo cual se debe controlar al máximo estas
variables para tratar de reducir la incertidumbre durante la preparación de la muestra [38].
3.5 ANÁLISIS DE LAS MUESTRAS
3.5.1 RESULTADOS DE pH Y TEMPERATURA EN LAS TRAMPAS DE GRASAS
Las estaciones de servicio en las cuales se desarrolló el muestreo están ubicadas en las
comunas: el jardín, universidad y centro, todas ellas en la ciudad de Pereira. Se tomaron
muestras en la última trampa de grasas (es decir, de la que esta antes del desagüe final)
de tres estaciones de servicio. En cada trampa de grasas de las distintas estaciones de
servicio se tomó el pH y la temperatura, mediante un medidor digital de pH, marca
Thermo scientific. La temperatura es una variable importante que influye en el
93
comportamiento de los BTEX en el agua, variando su solubilidad. En la tabla 28 se
muestran los valores de pH y temperatura obtenidos.
ESTACIÓN TEMPERATURA (°C)
pH
Estación el jardín 23,5 6,24
Estación universidad
26,8 6,98
Estación centro 27,3 6,08
Tabla 28. Temperatura y pH en las trampas de grasas.
Los hidrocarburos son generalmente pocos solubles en agua. La solubilidad de éstos
depende sobre todo de su naturaleza química; ya que esta disminuye cuando el peso
molecular aumenta. Los componentes más volátiles resultan ser los más solubles, aunque
la solubilidad es pequeña en comparación con la evaporación [45,53].
La solubilidad crece con la temperatura. Este aumento es, no obstante, menor que la
elevación de la presión de vapor del hidrocarburo.
3.5.2 ANÁLISIS CROMATOGRÁFICO
Con el objetivo de extraer, concentrar y eliminar el mayor número de interferencias, se
realizó una extracción en fase sólida antes del análisis cromatográfico. Se utilizó la técnica
de cromatografía de gases con detector de ionización por llama para la determinación de
BTEX.
Para la identificación de los BTEX se compararon los tiempos de retención de los picos
obtenidos en los cromatogramas de las muestras reales con los tiempos de retención de
cada hidrocarburo aromático del estándar. La cuantificación se realiza mediante el método
del patrón externo; se calcula la concentración a partir de una recta de calibrado donde se
representa el área de los picos de patrones de concentración conocida frente a la
concentración en la fase gaseosa de los mismos.
Los resultados arrojados por los cromatogramas muestran que en la estación el jardín y la
estación universidad no se detectaron BTEX (Ver anexo 8) En cambio en la estación
centro se logra detectar la presencia de los BTEX (Figura 16).
94
Figura 16 . Cromatograma del extracto obtenido en la muestra tomada de la estación de servicio centro. Donde: 3: etilbenceno, 4: m,p xileno, 5: o-xileno Teniendo en cuenta que la extracción en fase sólida (SPE) de los analitos expuso
porcentajes de recuperación entre el 69,22 y 80,01%, se hace necesario aplicar un factor
de corrección que permita determinar la concentración correcta de los diferentes
compuestos. Este factor de corrección se emplea cuando la recuperación de los analitos
es baja pero la precisión del método es alta; para el caso de la SPE la precisión es buena
ya que el porcentaje de desviación estándar (%RSD) es inferior al 10%.
A continuación se presenta la ecuación utilizada para determinar la concentración de los
BTEX, en la cual se incluye el factor de corrección del porcentaje de recuperación.
�4 �� � 56 7100%
%�� 859
Donde:
Ca: Concentración del analito.
Cl: Concentración medida en el cromatógrafo de gases
Vf: Volumen final
%RC: Porcentaje de recuperación
Vc: Volumen de carga (50mL)
95
En la tabla 29 se encuentran las muestras analizadas, los tiempos de retención, y el
promedio de las concentraciones de BTEX con su respectivo valor de %RSD.
ESTACIÓN BTEX TR Concentración (µg/mL) Promedio %RSD
Estación el jardín
Benceno - ND ND ND - -
Tolueno - ND ND ND - -
Etilbenceno - ND ND ND - -
m,p- Xileno - ND ND ND - -
o-Xileno - ND ND ND - -
Estación universidad
Benceno - ND ND ND - -
Tolueno - ND ND ND - -
Etilbenceno - ND ND ND - -
m,p- Xileno - ND ND ND - -
o-Xileno - ND ND ND - -
Estación centro
Benceno - ND ND ND - -
Tolueno - ND ND ND - -
Etilbenceno 10,54 0,013 0,013 0,012 0,013 4,8
m,p- Xileno 10,69 0,014 0,014 0,013 0,014 4,14
o-Xileno 11,23 0,018 0,018 0,017 0,018 3,22
Tabla 29. Concentraciones de BTEX en las estaciones de servicio. ND: No detectado
En el análisis de BTEX en aguas de salida de las trampas de grasas de tres estaciones de
servicio de la ciudad de Pereira, no se detectó la presencia de ninguno de ellos en dos de
las tres estaciones de servicio analizadas (Estación el jardín y universidad) como se
muestra en la tabla 29. Para el caso de la estación centro, se detectó la presencia de
etilbenceno, m,p-xileno y o-xileno en concentraciones de 0,013 ppm, 0,014 ppm y 0,018
ppm respectivamente (Tabla 29).
96
En el caso de estaciones de servicio, los riesgos de contaminación de agua pueden
incluir: sistemas subterráneos y/o sistemas superficiales. El agua subterránea puede
contaminarse por fugas o pérdidas en sistemas enterrados (tanques y cañerías). En
cambio las aguas superficiales, a partir de drenajes de aguas contaminadas que se
dirigen a las trampas de grasas correspondientes; estas aguas aceitosas y con restos de
combustible son mayormente producidas en el área de dispensadores (islas de despacho)
debido al goteo que se originan al momento del expendio de gasolina, a pequeños
derrames que se producen ocasionalmente y a pérdidas producidas accidentalmente al
momento del trasvase de combustible del auto tanque hacia los tanques de
almacenamiento.
La volatilización afecta las concentraciones iniciales de los BTEX. Cuando ha habido un
derrame de gasolina, lo primero que ocurre en el sitio contaminado es que parte de esta
se volatiliza dado el bajo peso molecular relativo y la alta presión de vapor (En la tabla 3
se puede observar los pesos moleculares y las presiones de vapor de los BTEX). La
cantidad de hidrocarburos presentes suele ser proporcional al espacio existente desde la
última lluvia, período en el que se produce la acumulación de hidrocarburos en el
pavimento; al igual que depende de las condiciones medioambientales. Estas pudieron
ser algunas posibles causas de no haber detectado concentraciones de BTEX en las
estaciones el jardín y universidad; además al realizar el análisis cromatográfico hasta un
tiempo de retención de 17 minutos se observa (anexo 8) poca cantidad de hidrocarburos
de mayor peso molecular, lo que indica que no se produjo gran contaminación en las islas
de despacho.
Sin embargo, cuando los BTEX son vertidos sobre el agua, estos se pueden disolver en
ella, aunque su tiempo de residencia es muy corto. La solubilidad de estos compuestos en
agua es relativamente alta comparada con otros hidrocarburos. En la tabla 3 se encuentra
la solubilidad de los BTEX en agua.
La persistencia de los hidrocarburos aromáticos en agua varía de acuerdo con las
condiciones medioambientales. Así, en aguas superficiales la vida media puede ser muy
corta, debido a la volatilización. Sin embargo, en aguas subterráneas, donde no hay
evaporación, la vida media es muy larga (En la tabla 5 se observa el tiempo de vida media
de los BTEX tanto en aguas superficiales como en aguas subterráneas).
97
En el análisis del agua de la estación centro se detectó la presencia de etilbenceno, m,p-
xileno y o-xileno en bajas concentraciones (0,013, 0,014 y 0,018 ppm respectivamente); lo
que unido con los análisis de las estaciones el jardín y universidad, indican que no se
genera gran contaminación de BTEX en el agua de salida de las trampas de grasas de
estas estaciones, pudiéndose encontrar probablemente en el aire debido a la volatilización
de estos compuestos. En Colombia no existe una ley que limite la concentración de BTEX
en agua, pero con los resultados de los análisis realizados se puede concluir que estas
tres estaciones de servicio vierten aguas residuales industriales al acueducto con bajas
concentraciones en hidrocarburos aromáticos (BTEX).
3.5.3 ANÁLISIS DE UN HUMEDAL
Se realizó un análisis cromatográfico del agua de salida de uno de los humedales de la
planta de tratamiento de aguas residuales de la Universidad Tecnológica de Pereira.
Se contaminó con una mezcla de combustibles: 75% de gasolina diesel y 25% de
gasolina corriente con un flujo de 90 mL/min.
En la figura 17 se observa el cromatograma obtenido en el análisis cromatográfico del
humedal.
Figura 17 . Cromatograma de la salida del humedal. Donde:1: benceno, 2: tolueno, 3: etilbenceno, 4: m,p xileno, 5: o-xileno
En la tabla 30 se encuentran las concentraciones de BTEX encontradas a la salida del humedal.
98
Humedal BTEX TR Concentración (µg/mL)
Salida humedal
Benceno 6,03 0,13
Tolueno 8,21 0,40
Etilbenceno 10,51 0,17
m,p- Xileno 10,67 0,29
o-Xileno 11,21 0,25
Tabla 30 . Concentración de BTEX en la salida del humedal
En el análisis de BTEX en el agua de salida de uno de los humedales de la Universidad
Tecnológica de Pereira, se detectó la presencia de todos los hidrocarburos aromáticos
analizados; siendo la concentración de tolueno (0,40ppm) mayor que la de los otros
compuestos.
3.5.4 INTERFERENCIAS EN EL ANÁLISIS
Los métodos de purificación reducen los compuestos interferentes presentes en el
extracto de los analitos antes del análisis. Las muestras medioambientales son matrices
extremadamente complejas, para alcanzar los límites de detección requeridos es
necesario eliminar la mayor cantidad posible de suciedad de los extractos que se
analizan. La mayoría de los procedimientos de purificación se basan en el uso de la
extracción sólido-líquido en columna, habiéndose recomendado sorbentes sólidos muy
diversos en función de la naturaleza química de las sustancias que se quieren purificar.
Además de las interferencias presentes en el extracto se pueden generar otras en la fase
pre-analitica: al momento de la toma de la muestra; cuando la conservación de la muestra
no se hace a temperaturas adecuadas, al momento de la extracción, o por contaminantes
presentes en los reactivos o cristalería. Para evitar este tipo de interferencias se
recomienda tener cuidado exhaustivo durante el proceso de la toma, conservación y
extracción de la muestra, lavar escrupulosamente el material de vidrio y usar reactivos de
alta pureza.
99
4. CONCLUSIONES
Se estandarizó la técnica de cromatografía de gases (GC), utilizando detector de
ionización por llama (FID) para la identificación y cuantificación de BTEX en matrices
acuosas.
La técnica de cromatografía de gases con detector de ionización por llama (CG/FID), para
el análisis de BTEX expuso muy buenos resultados para los parámetros estadísticos
necesarios para la cuantificación de estos: coeficientes de correlación cercanos a la
unidad, en promedio 0,9996; y valores de porcentaje de desviación estándar (%RSD) que
no sobrepasan el 5%.
Los límites de detección (LD) y cuantificación (LC) obtenidos para la técnica
cromatográfica permiten determinar concentraciones bajas de BTEX, se obtuvieron
valores alrededor de 0,011ppm y 0,020ppm respectivamente considerándose buenos
porque permiten la determinación de los BTEX a nivel de trazas teniendo en cuenta que la
muestras antes de ser analizadas son concentradas mejorando su detección en el equipo.
Los valores de sensibilidades obtenidas, en promedio 6538, indican que la habilidad para
distinguir entre diferentes concentraciones del analito por parte del método es buena.
Se estandarizó la técnica de extracción en fase sólida (SPE), obteniéndose buenos
porcentajes de recuperación (superiores al 69,22%), que unidos a porcentajes de
desviación estándar (%RSD) inferiores al 10% demuestran la exactitud y precisión de la
técnica.
Los análisis realizados a los diferentes extractos de las muestras de agua en las tres
estaciones de servicio de la ciudad de Pereira indican que no hubo presencia de BTEX en
dos de las tres estaciones de servicio analizadas. En dicha estación se detectó la
presencia de etilbenceno, m,p-xileno y o-xileno en concentraciones de 0,013 ppm, 0,014
ppm y 0,018 ppm respectivamente. Aunque en Colombia no exista una ley como tal que
limita la concentración de BTEX en agua, estos resultados indican que no se genera gran
contaminación de BTEX en el agua de salida de las trampas de grasas de estas
estaciones.
100
La estandarización de la técnica de cromatografía de gases con detector de ionización por
llama (GC/FID) aporta una herramienta de análisis con la cual se puede reportar
resultados confiables y repetibles en la universidad Tecnológica de Pereira para realizar
investigaciones y análisis de BTEX en matrices acuosas.
101
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107
6. ANEXOS
Anexo 1. Reacciones de los BTEX para la producción de diferentes productos
Benceno:
El benceno es uno de los productos orgánicos de mayor consumo y sus aplicaciones más
importantes son:
a) Casi el 50% se utiliza para obtener etilbenceno estireno poliestireno
(plástico).
b) Alrededor del 20% para obtener fenol via cumeno.
Figura 14. Reacción para la obtención de fenol.
El fenol se usa para obtener resinas fenólicas y para numerosas síntesis de
plaguicidas, medicamentos, etc.
c) Entre el 15 y el 20% se usa para obtener nylon vía ciclohexeno.
Figura 15. Reacción para la obtención de nylon.
a) Otros usos importantes son:
• Para anilina vía nitrobeneno
Figura 16. Reacción para la obtención de anilina
108
La cual es intermediario para colorantes y numerosas síntesis.
• Para fibras y barnices de poliéster a través de anhídrido maleíco.
Figura 17. Reacción para la obtención de poliésteres.
Y para diversas síntesis.
• Para obtener detergentes vía dodecilbenceno.
Figura 18. Reacción para la obtención de detergentes.
Tolueno
Figura 19. Reacción para la obtención de benceno y mezcla de xilenos.
109
o-xileno
Figura 20. Reacción para la obtención de plastificantes, resinas, barnices.
110
Anexo 2. Certificado del análisis del estándar
111
Anexo 3. Datos de las áreas obtenidas de cada patrón para la construcción de las curvas
de calibración.
[µg/mL] INYECCIÓN ÀREA BENCENO TOLUENO ETILBEN-
CENO m,p-XILENO o-XILENO
0,25
1 6323,40 1316,70 1456,30 2693,50 1338,20 2 6324,30 1322,10 1442,30 2677,20 1348,20 3 6330,00 1323,30 1455,80 2648,40 1367,20
PROMEDIO 6325,90 1320,70 1451,47 2673,03 1351,20 SD 3,58 3,52 7,94 22,84 14,73
%RSD 0,06 0,27 0,55 0,85 1,09
0,50
1 7535,30 2618,10 2995,00 5602,30 2870,,00 2 7519,00 2654,60 2978,00 5670,00 2878,40 3 7479,10 2684,00 2978,10 5636,80 2903,40
PROMEDIO 7511,13 2652,23 2983,70 5636,37 2883,37 SD 28,91 33,01 9,79 33,85 17,28
%RSD 0,38 1,24 0,33 0,60 0,60
1,00
1 10021,80 5170,20 5913,00 10928,80 5423,40 2 10044,40 5153,00 5817,60 11129,00 5445,00 3 9905,00 5063,70 5835,30 10863,20 5377,20
PROMEDIO 9990,40 5128,97 5855,30 10973,67 5415,20 SD 74,82 57,17 50,75 138,46 34,63
%RSD 0,75 1,11 0,87 1,26 0,64
1,25
1 11267,60 6447,00 6972,40 13110,00 6704,70 2 11331,20 6513,60 7061,70 13044,70 6619,00 3 11213,50 6386,00 7006,00 13072,00 6663,00
PROMEDIO 11270,77 6448,87 7013,37 13075,57 6662,23 SD 58,91 63,82 45,10 32,79 42,85
%RSD 0,52 0,99 0,64 0,25 0,64
2,50
1 17753,30 12963,10 13903,40 27196,10 13204,80 2 17616,70 13153,00 14011,60 27566,20 13430,50 3 17457,10 13095,30 14029,70 27548,20 13438,90
PROMEDIO 17609,03 13070,47 13990,56 27436,83 13358,07 SD 148,24 97,35 52,88 208,67 132,80
%RSD 0,84 0,74 0,38 0,76 0,99
112
[µg/mL] INYECCIÓN ÀREA BENCENO TOLUENO ETILBEN-
CENO m,p-XILENO o-XILENO
5,00
1 30715,30 26895,90 27825,90 56326,70 27543,90 2 30469,90 26289,80 27711,90 55390,70 27347,80 3 30479,90 26918,50 27562,10 55350,00 26661,30
PROMEDIO 30555,03 26701,40 27699,97 55689,13 27184,33 SD 138,88 356,63 132,30 552,52 463,45
%RSD 0,45 1,33 0,48 0,99 1,70
10,00
1 56035,00 49273,90 50201,00 100796,00 49167,50 2 56059,10 48607,70 50281,30 102423,70 49596,20 3 54695,60 49506,50 50235,40 101371,90 49587,20
PROMEDIO 55596,57 49129,37 50239,23 101530,53 49450,30 SD 780,35 466,50 40,29 825,36 244,95
%RSD 1,40 0,95 0,080 0,81 0,49
12,50
1 6909,60 65963,70 67528,30 142107,20 67890,70 2 69644,00 65916,70 67647,20 142176,30 68005,80 3 69233,00 67741,50 67823,70 143825,80 69563,10
PROMEDIO 69295,53 66540,63 67666,40 142703,10 68486,53 SD 321,79 1040,25 148,63 972,90 934,11
%RSD 0,46 1,56 0,22 0,68 1,36
25,00
1 132923,00 134239,10 136950,50 282466,30 137367,00 2 132972,30 133363,90 135975,50 283694,20 136749,10 3 135322 132596,00 134226,00 284294,80 136877,00
PROMEDIO 133739,00 133399,33 135717,33 283484,77 136997,70 SD 1370,96 822,15 1380,47 931,58 326,15
%RSD 1,02 0,62 1,02 0,33 0,24
50,00
1 260837,40 266337,10 271106,60 561352,00 273992,60 2 260087,60 267575,50 275730,80 576448,50 279695,10 3 259488,00 268090,40 272128,40 563173,50 275259,20
PROMEDIO 260137,67 267334,33 272988,60 566991,33 276315,60 SD 676,09 901,19 2429,15 8240,63 2994,48
%RSD 0,26 0,34 0,89 1,45 1,08
113
Anexo 4. Datos de las áreas obtenidas para la elaboración de la curva de calibración del
benceno
Concentración (µg/mL) Inyección Área – 4930
0,25
1 1393,39 2 1394,29 3 1399,99
PROMEDIO 1395,89 SD 3,58
%RSD 0,26
0,5
1 2605,29 2 2588,99 3 2549,09
PROMEDIO 2581,12 SD 28,91
%RSD 1,12
1
1 5091,79 2 5114,39 3 4974,99
PROMEDIO 5060,39 SD 74,82
%RSD 1,48
1,25
1 6337,59 2 6401,19 3 6283,49
PROMEDIO 6340,76 SD 58,91
%RSD 0,93
2,5
1 12823,29 2 12686,69 3 12527,09
PROMEDIO 12679,02 SD 148,25
%RSD 1,17
5
1 25785,29 2 25539,89 3 25549,89
PROMEDIO 25625,02 SD 138,88
%RSD 0,54
10
1 51104,99 2 51129,09 3 49765,59
PROMEDIO 50666,56 SD 780,35
%RSD 1,54
114
12,5
1 64079,59 2 64713,99 3 64302,99
PROMEDIO 64365,52 SD 321,79
%RSD 0,5
25
1 127992,99 2 128042,19 3 130391,79
PROMEDIO 128808,99 SD 1370,96
%RSD 1,06
50
1 255907,39 2 255157,59 3 254557,99
PROMEDIO 255207,66 SD 676,09
%RSD 0,26
115
Anexo 5. Curvas de calibración
Curva de calibración para el benceno
Curva de calibración para el tolueno.
y = 5114,027xR² = 1
SD = 157,72%RSD = 3,06
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
0 10 20 30 40 50 60
Áre
a
Concentración (ppm)
y = 5330,537xR² = 0,9997SD = 139,45%RSD = 2,66
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
0 10 20 30 40 50 60
Áre
a
Concentración (ppm)
116
Curva de calibración para el Etilbenceno.
Curva de calibración para el m,p-Xileno.
y = 5440,263xR² = 0,9997SD = 261,45%RSD = 4,69
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
0 10 20 30 40 50 60
Áre
a
Concentración (ppm)
y = 11305,82xR² = 0,9995SD = 414,16%RSD= 3,77
0
100000
200000
300000
400000
500000
600000
0 10 20 30 40 50 60
Áre
a
Concentración (ppm)
117
Curva de calibración para el o-Xileno.
y = 5497,534xR² = 0,9995SD = 202,93%RSD = 3,75
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
0 10 20 30 40 50 60
Áre
a
Concentración (ppm)
118
Anexo 6 Datos para la determinación de la repetibilidad instrumental.
µg/mL INYECCIÓN ÁREA BENCENO TOLUENO ETILBEN
CENO m,p-XILENO o-XILENO
2,50
1 18044,10 13086,30 14065,40 27888,40 13401,20 2 18045,00 13095,10 14029,80 27851,60 13439,10 3 18073,60 13055,90 13941,70 27749,80 13441,00
PROMEDIO 18054,23 13079,10 14012,30 27829,93 13427,10 SD 16,78 20,57 63,68 71,80 22,45
%RSD 0,093 0,16 0,45 0,26 0,17
12,50
1 71213,40 66049,10 67528,80 142107,30 68148,40 2 70567,60 66136,50 67339,60 142205,30 68006,50 3 71091,30 66232,70 67676,20 142612,50 68395,10
PROMEDIO 70957,43 66139,43 67514,87 142308,37 68183,33 SD 343,08 91,83 168,73 267,91 196,64
%RSD 0,48 0,14 0,25 0,19 0,29
25,00
1 134678,60 133887,90 135563,50 285551,60 137616,20 2 134671,40 133065,20 134296,10 284294,40 136877,40 3 134945,00 133793,40 135707,90 285334,70 137428,30
PROMEDIO 134765,00 133582,17 135189,17 285060,23 137307,30 SD 155,93 450,19 776,78 672,04 383,97
%RSD 0,11 0,34 0,57 0,23 0,28
119
Anexo 7. Distribución de t para diferentes niveles de confianza.
[35]
120
Anexo 8. Cromatogramas de los extractos obtenidos en las muestras tomadas de las estaciones de servicio
Figura 31. Cromatograma del extracto obtenido en la muestra tomada de la estación de
servicio el jardín
Figura 32. Cromatograma del extracto obtenido en la muestra tomada de la estación de
servicio universidad
121
Figura 33. Cromatograma del extracto obtenido en la muestra tomada de la estación de
servicio centro
122
Anexo 9. Cromatogramas de los patrones de BTEX
123
124
125
