Analisador Industrial por Absorção de Infravermelho - Monitoramento de Emissão de Gases

Imaginem uma indústria emitindo gases na atmosfera 24 horas por dia. O controle da  emissão de poluentes é um dos mais importantes em qualquer tipo de indústria, pois, além de multas pesadas dos órgãos fiscalizadores, o meio ambiente - não esqueçam que estamos inseridos - deve ser preservado, visando a sustentabilidade ambiental para nossas próximas gerações, assim como, a imagem da empresa também deve ser preservada em função dos processos normativos de qualidade.

Então, como a indústria monitora, controla e atua para melhorar suas emissões de efluentes líquidos e gasosos?

Além de investir na modernização de seu parque industrial, as empresas utilizam analisadores industriais que atuam diretamente nas variáveis analíticas de uma planta industrial. Hoje, vamos conversar sobre um tipo de analisador que é comum nas indústrias.

O analisador por absorção de radiação infravermelho (IV) é um instrumento que permite determinar, de forma contínua, em linha, a concentração de um componente em uma mistura de gases. A detecção da concentração do gás é específica, baseada na propriedade que possuem os gases de absorver, de forma seletiva, a energia de um feixe de radiação infravermelho. Desta forma, para um determinado tipo de gás puro, somente certas faixas do comprimento de onda de radiação IV são absorvidas. Como disse, a interação da radiação infravermelha com a matéria depende do comprimento de onda. A Fig. 1 mostra a divisão do espectro da radiação infravermelha.

Fig. 1: Faixa do Espectro da Radiação Infravermelha

O espectro da radiação IV divide-se em :

• IV Próximo: comprimento de onda de 0,8 a 1,5 µm. Seu o comportamento é igual ao da luz visível;
• IV Intermediário: está situado na faixa de 1,5 a 15 µm. Apresenta propriedades específicas, por isso, é a faixa que a operam os analisadores usuais; e
• IV Longínquo: está situado na faixa de 15 até 1 000 µm e tem aplicação muito especializada.

Como se dá a vibração das moléculas?

Para um melhor entendimento, vou representar aqui as moléculas como esferas, com massa proporcional à massa atômica e as ligações moleculares como molas. É um modelo mecânico que melhor representa a vibração molecular. Na Fig. 2, podemos ver o modelo mecânico do gás carbônico (CO₂).

Fig. 2: Modelo Mecânico da Vibração Molecular do Dióxido de Carbono

Assim, massa atômica de cada átomo (massa atômica do carbono é 12 e do oxigênio é 16) está representada por esferas de massa proporcional. A força da ligação química entre os átomos está representada pela mola que une as esferas. Ao deslocarmos axialmente as esferas de oxigênio, mantendo a esfera de carbono fixa, o modelo entra em oscilação obedecendo a um movimento harmônico simples, como visto na Fig. 2 A. No segundo movimento, Fig. 2 B, a esfera de carbono vai ao encontro das esferas de oxigênio, ainda no sentido axial (eixo x) e, por fim, o terceiro movimento, Fig. 2 C, as esferas se movimentam no sentido do eixo y, para cima e para baixo. Vale lembrar que a frequência da vibração molecular depende da massa dos átomos, assim como da magnitude da força de ligação química. Desta forma, quanto maiores as massas e menor a força, menor a frequência de oscilação. Para uma molécula diatômica, por exemplo, só é possível um tipo de vibração: na direção do eixo x, ou seja, na direção da linha que une os dois átomos. Entretanto, para moléculas com maior número de átomos, são possíveis outros tipos de vibrações simultâneas, como mostradas na Fig. 2.

Após a explicação acima, é possível afirmar que a molécula de dióxido de carbono (CO₂) possui três padrões de vibração, que podemos ver na Fig. 3. Mas, e os movimentos translacional e rotacional? Toda molécula de um gás apresenta, pelo menos, estes dois movimentos, além do movimento vibracional. No entanto, apenas o movimento vibracional está relacionado com a absorção de radiação IV nos analisadores, porque a frequência de emissão de IV intermediário entrará em ressonância com o padrão de vibração de cada gás, dentro do comprimento de onda IV.

Fig. 3: Gráfico do Espectro de Absorção de IV do Dióxido de Carbono

E como ocorre a absorção de radiação infravermelha pelos gases?

Sabemos que as moléculas de qualquer gás, com temperatura acima do zero absoluto, estão em contínuo movimento, seja de translação, rotação ou vibração. A energia interna do gás é exatamente a somatória dessas energias cinéticas, enquanto o nível médio energético de cada molécula está relacionado com a temperatura do gás. Quando o movimento vibracional da molécula é tal que os centros de cargas positiva e negativa dos átomos apresentam uma discordância durante o movimento oscilatório, isto é, quando é formado um momento dipolar, a molécula emite radiação eletromagnética na faixa do infravermelho.

Como exemplo, novamente vejamos a Fig. 2. O modo vibracional da molécula de CO2 em A, não emite radiação, pois o movimento dos átomos não cria nenhum momento dipolar. Já os movimentos B e C emitem radiação infravermelha. As moléculas de gases homo atômicos, tais como O2, H2, N2, entre outras, também não emitem radiação devido à simetria que impede a criação do momento dipolar enquanto vibram. No entanto, as moléculas heteroatômicas, como CO2, H2O, CH4, entre outras, emitem radiação infravermelha, pois a falta de simetria lhes garante a geração do momento dipolar. E pode-se afirmar que o fenômeno de emissão de radiação infravermelha pelas moléculas é perfeitamente reversível, isto é, se um gás, a temperatura ambiente, for atravessado por um feixe de radiação eletromagnético que contenha o espectro infravermelho, absorverá desse feixe àquela parte que corresponde à frequência natural de oscilação de suas moléculas. Lembram-se das aulas de física no ensino médio? Chamamos este fenômeno de ressonância. Como cada molécula possui um padrão único de absorção de radiação infravermelho, essa propriedade funcionará como uma verdadeira "impressão digital", servindo para identificar o gás em questão de formas qualitativa e quantitativa. A redução da energia de um feixe de radiação eletromagnética devido à absorção de radiação infravermelha obedece à lei de Lambert-Beer, como mostra a Fig. 4.

Fig. 4: Equação da lei de Lambert-Beer

Sendo:
I - Intensidade do feixe após atravessar a substância;

I0 - Intensidade do feixe no mesmo ponto, porém sem a substância absorvente;

a - Fator de absorção que depende da substância absorvente e do comprimento de onda
da radiação;

b - Distância percorrida pela radiação na substância;

c - Concentração da substância.

Então, como funciona um analisador de gás por absorção do IV?

Nas Fig. 5 A e B, a seguir, vemos a estrutura básica de funcionamento de um analisador por absorção de IV, que nos permite praticar o que lemos até agora.

Fig. 5 A: Estrutura Típica de um Analisador com Nitrogênio

Na Fig. 5 A, um gás não absorvente de radiação IV, nitrogênio por exemplo, preenche a câmara de análise. Toda radiação emitida pela fonte IV é recebida pelo detector, uma vez que não há absorção de IV pelo gás na câmara de análise.

Já na Fig. 5 B, o gás a ser analisado – por exemplo, o dióxido de carbono, CO₂ – preenche a câmara de análise e absorve parte da energia emitida pela fonte IV. Assim, detector recebe menos radiação do que no caso anterior. O detector gera um sinal elétrico, em mV, proporcional à intensidade do feixe de radiação incidente.

Fig. 5 B: Estrutura Típica de um Analisador com Dióxido de Carbono

Pela lei de Lambert-Beer, pode-se verificar que o sinal do detector é proporcional a "I", variando somente com a relação "c", que é a concentração da substância em análise. As grandezas "I0", "a" e "b" são constantes, pois dependem das características físicas do analisador e da substância a ser analisada.

Certo, mas se a fonte emitisse IV em toda faixa do IV intermediário e o detector detectasse a radiação IV nesta faixa, como saberíamos qual gás o analisador estaria medindo? Como garantir a seletividade dos gases pelo analisador?

Como já foi explicado, cada gás tem seu padrão de absorção de radiação, como se fosse uma impressão digital do gás. Vejamos, na Fig. 6, o gráfico padrão de absorção de IV dos gases CH₄ e C₂H₆. Desta forma, a seletividade de um analisador infravermelho é conseguida limitando-se o espectro de radiação a um intervalo que seja coincidente apenas com o padrão de absorção do gás a ser analisado.

Fig. 6: Gráfico de absorção de IV dos gases metano e etano

Tipos de analisadores

Encontramos, no mercado, duas categorias de analisadores por absorção de radiação IV – os analisadores do tipo dispersivo, também chamados de espectrofotômetros e os analisadores do tipo não dispersivo, também chamados de fotômetros. Os espectrofotômetros são instrumentos de laboratório e fornecem como resultado o espectro de absorção de radiação de uma substância. O termo dispersivo advém do fato de que o feixe de radiação, após atravessar a substância em análise, é disperso por um prisma ou uma grande difração. Um mecanismo faz com que somente uma faixa muito estreita do feixe dispersa atinja o detector, permitindo assim que seja explorado, ao longo de todo espectro, o poder de absorção de radiação da substância em função do comprimento de onda. Já os analisadores do tipo não dispersivos são utilizados universalmente em processos industriais, podendo ser encontrados também em laboratórios. Permitem determinar a concentração de uma única substância ao longo do tempo e de forma contínua.

Vamos estudar os fotômetros?

Os analisadores do tipo não dispersivos que são utilizados em processos industriais podem ser classificados em analisadores de filtragem negativa e em analisadores de filtragem positiva.

Analisador Não Dispersivo – Filtragem Negativa

A Fig. 7 mostra um esquema típico de construção deste tipo de analisador.

Fig. 7: Construção Típica do Analisador Fotômetro - Filtragem Negativa

Neste tipo de analisador, a radiação emitida pela fonte atravessa a câmara de análise, separa-se e atravessa os dois filtros e, finalmente, incide em dois detectores. O filtro 1 é uma câmara selada com o mesmo tipo de gás a ser analisado, por exemplo, CO2. O filtro 2 é preenchido com um gás não absorvente de infravermelho, por exemplo, N2. Se o gás que atravessa a câmara de análise é não absorvente de IV, o detector D2 recebe o máximo de radiação da fonte, ao passo que a radiação incidente no detector D1 é menor em relação ao outro detector, pois o filtro F1, preenchido com o gás a ser analisado, absorve parte do espectro infravermelho. Neste caso, a temperatura do detector 2 é maior do que a temperatura do detector 1. No entanto, quando o gás a ser analisado atravessa a câmara de análise, o detector D2 recebe menos radiação, enquanto o detector D1 permanece com a mesma radiação. A temperatura nos dois detectores será igual. Os detectores, que são termopares, geram uma tensão, em mV, proporcional à sua temperatura. A diferença de potencial entre os detectores, diretamente proporcional à diferença de temperatura dos detectores, será amplificada e tratada na unidade eletrônica do analisador e representará a concentração de gás a ser analisado.

Para melhorar o entendimento, vejamos as Fig. 8 A e B. O analisador foi preparado para analisar o dióxido de carbono (CO₂). A faixa nominal a ser analisada é de 0 a 2% de CO₂, apenas como exemplo da explicação.

Fig. 8 A: Analisador tipo Filtragem Negativa sem Dióxido de Carbono

Na Fig. 8 A, a mistura a ser analisada é composta de 100% de N₂. Não tem dióxido de carbono. O filtro F1 contém o CO₂ numa concentração de 2%. O filtro 2 é preenchido com nitrogênio que não absorve a radiação IV. Ao atravessar a câmara de análise, a mistura gasosa, composta apenas de nitrogênio, não absorverá radiação IV. Os feixes de IV chegarão aos filtros. No filtro 1, haverá absorção de IV, no comprimento de onda correspondente ao CO₂, logo haverá uma incidência menor de radiação no detector 1 que gerará uma tensão, em mV, proporcional à temperatura desta incidência de radiação. Já no filtro 2, não haverá absorção da radiação IV e toda radiação oriunda da fonte de IV incidirá no detector 2, fazendo com que a temperatura seja maior do que a temperatura no D1 e este gerará uma tensão, também em mV, proporcional a esta temperatura. A diferença de potencial elétrico, em mV, é tratada na unidade eletrônica do analisador. No caso em tela, o analisador mostrará 0% de CO₂ na mistura gasosa.

Então, podemos concluir que, quando a diferença de temperatura entre os detectores for a maior possível, ou seja, quando TD2 for maior do que TD1, a mistura gasosa não tem o gás a ser analisado, que no nosso caso é o dióxido de carbono. Quando esta diferença de temperatura for diminuindo, significa que a concentração do gás a ser analisado está aumentando na mistura gasosa. Assim, quando a temperatura em cada detector for igual, significa que o gás a ser analisado atingiu o valor da concentração a qual o analisador foi configurado. Vejamos a Fig. 8 B e sua explicação.

Fig. 8 B: Analisador tipo Filtragem Negativa com Dióxido de Carbono

Na Fig. 8 B, a mistura gasosa agora é composta de 2% de CO2 + 98% de N₂. Ao atravessar a câmara de análise, a mistura gasosa, desta vez, absorverá radiação IV, no comprimento de onda do CO₂ presente na mistura. No filtro 1, não haverá absorção de IV, uma vez que isso já ocorreu na câmara de análise, logo haverá mesma incidência de radiação no D1 que não vai alterar a temperatura deste detector. E no filtro 2, não haverá absorção da radiação IV, mas uma incidência menor de radiação IV o atravessará já que ocorreu a absorção na câmara de análise. Daí, a temperatura no detector D2 diminuirá em relação ao caso anterior, até ficar igual à temperatura do D1. Como no caso anterior, haverá um tratamento do sinal elétrico e o analisador indicará 2% de CO₂.

Não é interessante?

É importante destacar que a fonte de IV, assim como qualquer componente eletrônico, diminui sua eficiência ao longo do tempo. Porém, em função da sua construção, os efeitos serão sentidos pelos dois detectores, compensando esta diminuição de incidência de IV.

Caso haja outro gás que absorva IV na mistura a ser analisada e seu espectro de absorção não coincida em nenhum ponto com o gás a ser analisado, também haverá uma compensação dos efeitos uma vez que os dois detectores receberão incidências iguais.

E o Analisador Não Dispersivo – Filtragem Positiva? Quais as diferenças?

A Fig. 9 mostra um esquema típico de construção deste tipo de analisador.

Fig. 9: Construção Típica do Analisador Fotômetro - Filtragem Positiva

A diferença básica construtiva relação ao de filtragem negativa refere-se à divisão da radiação emitida pela fonte IV em dois feixes paralelos: um para a câmara de análise e outro para a câmara de referência, e os filtros e os detectores que estão no mesmo invólucro. Como podemos ver na Fig. 9, o primeiro feixe atravessa a câmara de análise e incide no detector D1, que consiste em uma câmara preenchida com gás idêntico ao que será analisado pelo analisador. A temperatura desse gás é medida e um sinal de saída, em mV, é enviado à unidade eletrônica do analisador. O segundo feixe atravessa uma câmara de referência e incide no detector D2, idêntico ao D1. A câmara de referência é preenchida com um gás que não absorve IV. Quando, na câmara de análise, estiver circulando um gás não absorvente de radiação infravermelha, os dois feixes incidem com espectro integral nos dois detectores, elevando a temperatura do gás contido em seus interiores a um valor máximo e idêntico. A diferença de potencial elétrico entre os sinais de D1 e D2 é amplificada, tratada e o analisador indicará a concentração de 0% do gás a ser analisado. No entanto, se na câmara de análise estiver presente o gás a ser analisado, a temperatura do gás no detector D1 diminuirá, pois, a radiação que nele incide estará sem a parcela parcial ou total da parte do espectro correspondente ao gás a ser analisado presente na mistura gasosa. É importante observar que o aquecimento do gás contido nos detectores (gás a ser analisado) é promovido apenas pela parte do espectro relativo a este gás, enquanto que no analisador de filtragem negativa, o aquecimento é provocado pela totalidade do feixe de radiação do gás em análise.

Para finalizar, as nomenclaturas filtragem negativa e filtragem positiva podem ser interpretadas comparando-se a faixa do espectro absorvida pelos detectores dos dois tipos de analisadores. Assim, no analisador de filtragem negativa, os detectores absorvem radiação integral em toda a faixa do espectro emitido pela fonte, exceto nos comprimentos de onda correspondente ao padrão de absorção do componente analisado. Já no analisador de filtragem positiva, o detector absorve somente radiação correspondente ao padrão de absorção do componente analisado.

É isso por hoje. Agradeço a atenção de quem leu até aqui. Espero que o texto tenha contribuído para aumentar o conhecimento de vocês.

Tudo de bom e até o próximo artigo.