Desarrollo tecnológico y evaluación de un prototipo para el análisis de la contaminación de aguas mediante fluorescencia de matriz de excitación-emisión

Abstract

La contaminación de aguas superficiales y subterráneas por hidrocarburos es uno de los mayores problemas ambientales, particularmente para países productores como Colombia. Las estadísticas de derrames accidentales de petróleo y sus derivados en Colombia son alarmantes (50 mil barriles durante 2015), esto exige la aplicación de procedimientos operacionales y de emergencia encaminados a minimizar y mitigar la contaminación de cuerpos de agua. Siendo necesario el monitoreo in situ en tiempo real de la contaminación por hidrocarburos. Esta investigación presenta los resultados obtenidos al usar la técnica EEMs para determinar contaminantes en agua por medio del desarrollo y evaluación de un prototipo a partir de la visualización de los requerimientos de un futuro instrumento portátil, robusto, automático y con potencial comercial para la medición in situ, en tiempo real y de bajo costo de hidrocarburos en aguas superficiales y subterráneas. Para esto se empezó con la evaluación de la viabilidad de la técnica a nivel laboratorio, usando un fluoróforo estándar de características conocidas (fluoresceína sódica al 10%), la cual fue preparada a diferentes concentraciones. Se verifico la relación existente entre la intensidad de los espectros de emisión con la concentración del fluoróforo en las diferentes muestras, al igual que la dependencia de la intensidad con el pH de la solución. El sistema de detección fue probado con fuentes de luz diferentes, empleando LEDs, lámpara de Xe pulsada (PX-2) y continua (HID-H4); utilizando filtros pasa banda (320, 365, 377, 400, 436 y 568 nm) montados sobre un carrusel de filtros. Estas fuentes de luz comparten un sistema de lentes para la proyección de haz incidente sobre una celda de fluorescencia; y para la captación de luz fluorescente. Los espectros de excitación y emisión son medidos con una fibra óptica unida a un mini-espectrómetro (AvaSpec-3648, Avantes). El prototipo ha sido capaz de detectar hasta 1 ppb para el caso de la fluoresceína, con una señal a ruido (SNR) desde 50 hasta 1000.

Abstract. Contamination of surface and groundwater by hydrocarbons is one of the major environmental problems, particularly for producing countries such as Colombia. The statistics of accidental spills of oil and its by-products in Colombia are alarming (50 thousand barrels during 2015), which requires the application of operational and emergency procedures aimed at minimizing and mitigating pollution of water bodies. In-situ monitoring of oil pollution is necessary. This research presents the results obtained using the EEMs technique to determine contaminants in water by means of the development and evaluation of a prototype from the visualization of the requirements of a future portable instrument, robust, automatic and with commercial potential for the measurement in situ, real-time and low-cost of hydrocarbons in surface and groundwater. For this, we began evaluating the viability of the technique at the laboratory level, using a standard fluorophore of known characteristics (sodium fluorescein 10%), which was prepared at different concentrations. The relationship between the intensity of the emission spectra and the fluorophore concentration in the different samples was verified, as was the intensity dependence with the pH of the solution. The pulsed (PX-2) and continuous (HID-H4) Xe lamp system uses bandpass filters (320, 365, 377, 400, 436 and 568 nm) mounted on a filter carousel. These light sources share a lens system for incident beam projection on a fluorescence cell, and for capturing fluorescent light. Excitation and emission spectra are measured with an optical fiber attached to a mini-spectrometer (AvaSpec-3648, Avantes). The prototype has been able to detect up to 1 ppb for the case of fluorescein, with a signal to noise (SNR) from 50 to 1000.