Fabricación de un detector de N2O a base de un polímero conductor

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LUISA YOLANDA QUIÑONES-MONTENEGRO, EDUARDO HERRERA-PERAZA Y LAURA ORTEGA-CHÁVEZ: Fabricación de un detector deN 2 O a base de un polímero conductorIntroducciónLa contaminación atmosférica que producen los procesos de desnitrificación por eluso de agua residual tratada (ART) produce gases peligrosos para la salud humana,como es el caso de los óxidos de nitrógeno (NOx), que ocasionan irritación en lospulmones y predisposición para contraer diferentes infecciones respiratorias, tales como lagripa y la influenza, debido a la disminución de la resistencia del organismo. Además, losóxidos de nitrógeno como el N 2 O son importantes contribuyentes potenciales de fenómenosnocivos como la lluvia ácida y el efecto invernadero.En el estado de Chihuahua, el usosustentable del agua constituye un reto a vencerdadas las características climáticas ehidrológicas que condicionan su escasez enuna gran parte del territorio chihuahuense. Elaprovechamiento de las aguas residualestratadas (ART) constituye una alternativa muyimportante para contribuir a la solución de laproblemática de escasez. Sin embargo, lapráctica de reutilización de las aguas residualestratadas genera impactos ambientales ysociales que es necesario identificar y valorar,con el fin de potenciar los positivos ycontrarrestar los negativos. Por lo anterior, ydesde el punto de vista ambiental y sociocultural,es importante que se lleven a cabo otrasactividades de evaluación y seguimiento delimpacto en los diferentes sitios de utilización,para ello, es necesario desarrollar dispositivosde detección y monitoreo con materialesaccesibles y bajo costo de fabricación y uso.Los sensores son dispositivos quetransforman la información física o química enuna señal útil que pueda ser procesada y, portanto, que facilite información de interés de unamanera rápida y sin necesidad de análisis muycomplejos (Elizalde et al., 2008).Estas características, combinadas con laincorporación de los últimos avances entecnologías de miniaturización en la fabricaciónmasiva de sensores, hacen de estosdispositivos unas herramientas de gran interésen la industria dedicada al monitoreo del medioambiente.Los sensores químicos constan de unconjunto de elementos que se pueden agruparen tres bloques básicos (Figura 1), que son: 1)el elemento de reconocimiento capaz deinteraccionar de forma selectiva con elanalito(s); interacción que no tiene por qué sera través de una reacción química; 2) elementomediante el cual se transforma la informaciónquímica en información física, generalmenteeléctrica; 3) un sistema electrónico para laamplificación y procesado de la señal que nosgenera resultados en las unidades químicas(molaridad, porcentaje) o físicas de interés(Janata et al.,1998).Figura 1. Bloques básicos de un sensor.La determinación de gases tiene granimportancia en diversos campos, comomedicina, medioambiente, biología, agricultura,transporte o industria. Los tipos de sensorespara gases más usados son los de estadosólido, los electroquímicos y los infrarrojos.Dentro de los primeros, los sensores de estadosólido, hay tres tipos de amplio uso: a) los deelectrolito sólido, b) los catalíticos y c) los deóxidos semiconductores.26• Vol. VII, No. 1 • Enero-Abril 2013 •
LUISA YOLANDA QUIÑONES-MONTENEGRO, EDUARDO HERRERA-PERAZA Y LAURA ORTEGA-CHÁVEZ: Fabricación de un detector deN 2 O a base de un polímero conductorTratándose de electrolito sólido, la polianilina(PANI) es uno de los polímeros conductores demayor interés debido a su estabilidad química yalta conductividad; sensores de gas basadosen materiales PANI han atraído una atenciónconsiderable en los últimos años debido a suspropiedades (Natta y Mazzanti, 1960); laconductividad del PANI depende de la capacidadde transporte de portadores de carga a lo largode la espina dorsal del polímero (Natta et al.,1958; Ito et al., 1974). Así, las moléculas PANIfácilmente pueden reaccionar ante la presenciade agentes reductores y oxidantes y cambiarsu conductividad a temperatura ambiente(Fatmanur et al., 2002). La respuesta del sensorpuede deberse a la absorción o adsorción delN 2O en la película de PANI, ambos procesospodrían manifestar un cambio en la resistenciaeléctrica del polímero, sin embargo, lareversibilidad del efecto resulta muy diferentepara cada caso. La adsorción es distinta a laabsorción (Figura 2) y entre ambas debeestablecerse una clara diferencia. En esteúltimo proceso la sustancia no se retiene en lasuperficie, sino que pasando a través penetra yse distribuye por todo el cuerpo de un sólido olíquido. Así sucede con el agua absorbida poruna esponja; mientras que varios gases sonadsorbidos por el negro de humo. Cuando existeduda del proceso que tiene lugar, se emplea eltérmino sorción (Levenspiel, 2002).Figura 2. Diferencia entre absorción y adsorción.Cada estado redox de la polianilina estáasociado con una estructura electrónicaespecífica, y el proceso de absorción dediferentes moléculas puede detectarse por suscambios en la resistencia y/o conductividadeléctricas y debido a la alteración de laestructura química, resulta muy difícil para elPANI volver a su estado original (Elizalde et al.,2008). Sin embargo, si la interacción del gascon el polímero produce únicamente unaadsorción y no una absorción, el enlace puedeser disociado con el aumento de temperaturadel sistema (Yan et al., 2006). Basándose enestas características, se han podido desarrollardispositivos capaces de detectar la presenciade distintos gases, y su reversibilidad dependede las características de los materialesempleados.Materiales y métodosPara la síntesis del PANI se utilizómonómero de anilina al 99%, sulfonato estirenode sodio como agente oxidante, ácido clorhídricocomo ácido protónico y persulfato de amonioutilizado como el iniciador del proceso depolimerización.Las pruebas fueron realizadas en ellaboratorio de celdas del Centro de Investigaciónen Materiales Avanzados (CIMAV), con apoyodel laboratorio de química de polímeros. Parala elaboración del dispositivo se utilizó unapelícula de cobre, compuesta de dos partes enforma de peines, cada uno con una longitud de1 cm y con una separación entre cada dientede 1 mm; el área total del dispositivo es de 1cm 2 . Los peines de cobre fueron consideradosuno como electrodo de trabajo y otro como elcontralectrodo; entre ellos se depositó el PANI,el cual se consideró el electrolito sólido y sobreel cual se realizaron las mediciones de cambiode resistencia eléctrica (Figura 3). Para laspruebas de voltametría se agregó una películade níquel-fósforo con un área de 30 mm 2 sobreuno de los electrodos de cobre, logrando así untercero, el cual se utilizó como electrodo dereferencia.Síntesis de Polianilina. Ésta fue sintetizadaa través de la polimerización oxidativa en elestado de oxidación de la base de esmeraldina.La síntesis se basa en la oxidación química dela anilina mediante el uso de un agenteoxidante.• Vol. VII, No. 1 • Enero-Abril 2013 •27
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