Disseny, construcció i avaluació d'analitzadors per a la monitorització mediambiental

Abstract

La tesi té com a objectiu l'obtenció d'una sèrie d'equips automatitzats per a l'anàlisi de paràmetres d'interès mediambiental. Les bases de partida, fonamentades en els coneixements del GSB (UAB), són les tècniques de flux continu (FIA), com manera d'una senzilla automatització, i l'acoblament d'un tipus de sensor com són els àmpliament emprats ESI. L'objectiu final implica l'aplicació final dels equips obtinguts dintre d'un programa de monitorització de la qualitat de l'aigua de riu. L'empresa Adasa Sistemas és la que durà a terme l'aplicació. Per això, els equips desenvolupats han de complir uns requisits de caràcter tècnic i funcional: robustesa, règim autònom d'una setmana, precisió del 10%, exactitud del 20%, mínim manteniment, autocalibració, ...<br/>Visant la primera fita, i en base a estudis anteriors al GSB, l'equip d'amoni (AQUAMONIA®) incorpora un procés de difusió gasosa que permet que l'ESI d'amoni assoleixi un elevat grau de selectivitat i sensibilitat. Una vegada desenvolupat l'equip i realitzada la seva validació en camp (rius Ebre i Llobregat) s'ha instal·lat en diverses estacions del programa SAICA, i posteriorment s'incoporà al programa XACQA. <br/>Per desenvolupar l'analitzador de nitrat, i a fi d'assolir la segona fita marcada, l'estudi s'inicia amb el disseny i l'optimització del sensor potenciomètric (ESI). S'avança amb la seva integració en un sistema de flux. Degut a les característiques de la matriu d'aplicació, l'estudi d'interferències adquireix una especial rellevància. Els resultats d'aquests ens porten a concloure la necessitat d'incorporar en sèrie un sensor de clorur. L'ESI de clorur ens permetrà la senzilla compensació de la mesura interferida del nitrat. La correcció és matemàtica seguint l'equació de Nikolskii-Einseman. L'equip AQUANITRA® determina de forma simultània nitrat i clorur. Superada la seva validació en camp s'integra en les xarxes SAICA i XACQA.<br/>En el disseny del tercer analitzador, s'assoleix la construcció d'un primer prototipus que ha estat validat en condicions de laboratori amb mostres reals. L'equip integra l'anterior determinació dels ions amoni, nitrat-clorur, i la determinació de fosfat mitjançant un ESI. Però, presenta un elevat límit de detecció respecte aquesta última espècie, per tant, en un futur es planteja la incorporació d'un sistema de preconcentració.<br/>Dintre de la mateixa filosofia però donant un pas endavant cap a la miniaturització, s'estudia l'escalat (reducció) dels diferents equips. Això s'assoleix amb els microsistemes. Les condicions hidrodinàmiques de funcionament no mostren cap influencia de l'escalat a aquest nivell. Les millores respecte a la integració del sistema desbombollador i l'elèctrode de terra són evidents, però resta per superar la integració dels diferents sensors.

The objective of this thesis is the development of various automatic analysers for the determination of relevant environmental parameters. The scientific bases, coming from GSB's (UAB) knowledge, are the continuous flow techniques (FIA) as an easy automation procedure, and potentiometric sensor (ISE) as detection system. Adasa Sistemas, S.A enterprise, will apply in real world all the analysers developed at the final step to the monitoring of river water quality. So, the technical and operative requirements for this application are: robustness, unattended operation, 10% of accuracy, 20% of precision, minimum maintenance, autocalibration, .<br/>Some preliminary studies carried out in our laboratories allows the fast design and construction of ammonium analyser (AQUAMONIA®) with an ammonium electrode (flow-through configuration) and gaseous diffusion cell to attain a great sensibility and selectivity. After its validation in field conditions (Ebro and Llobregat Rivers) it was installed inside automatic alert stations belonging SAICA (national) and XACQA (regional) monitoring networks.<br/>At the first stage of nitrate analyser development, AQUANITRA®, we design and optimise the potentiometric sensor (ISE). Due to the high content of chloride ion in river water it has an important interference in nitrate determination. So it is necessary to incorporate a second serial ISE (chloride electrode) to determine its concentration and correct mathematically nitrate concentration by means of Nikolskii-Einseman's equation: the analyser carry out the simultaneous determination of nitrate and chloride ions. It was also installed in SAICA and XACQA networks.<br/>The third automatic analyser integrates previously described systems for the monitoring of ammonium and nitrate-chloride ions, plus the potentiometric determination of phosphate. And it has been validated in laboratory conditions with real samples. Owing to the high detection limit of phosphate electrode for a real application will be necessary a preliminary preconcentration step.<br/>An other objective is the miniaturisation of all analyser developed, mainly the third one. The first studies show no influence on the hidrodynamic conditions of the mircroflow system designed. A debubbling system and the grounding electrode have been successfully and easily implemented, but it must be greatly improved the sensor's integration.