Sensores fotoquímicos luminiscentes sobre fibra óptica para la monitorización in situ de la calidad del biometano

Resumen

El biometano se ha convertido en una de las fuentes de energía sostenible con más interés en los últimos años gracias a sus múltiples ventajas económicas y medioambientales. Este gas se obtiene principalmente de la digestión anaerobia de residuos orgánicos y, dada su similar composición al gas natural, puede ser inyectado en la red de distribución de gas natural o emplearse como biocombustible para vehículos. El biometano está fundamentalmente compuesto de metano, además de trazas de otros gases (oxígeno molecular, amoniaco, sulfuro de hidrógeno) que, a partir de ciertos niveles de concentración, pueden originar problemas infraestructurales, de seguridad y/o medioambientales. Con el fin de evitar lo anterior, las normas europeas EN16273-1 y EN16273-2, recogen las especificaciones de calidad (oxígeno molecular 0.01 o 1 por ciento; sulfuro de hidrógeno/mercaptanos 5 mg por metro cúbico; amoniaco 10 mg por metro cúbico, entre otros) que el biometano debe cumplir para su inyección en la red de distribución de gas natural o su uso como biocombustible para vehículos, respectivamente. No obstante, asegurar el cumplimiento de esta normativa requiere un sistema de monitorización del gas robusto y fiable, como el que se ha conseguido en este trabajo. La instrumentación comercial disponible para la monitorización de oxígeno molecular, amoniaco y sulfuro de hidrógeno (dispositivos electroquímicos, quimio-resistivos, ópticos o cromatografía de gases acoplada a un detector) presenta ciertas limitaciones para su aplicación en una planta de producción de biometano. La escasa sensibilidad y/o selectividad que caracterizan a algunos sistemas de medida, la demanda de un sistema específico de pre-acondicionamiento de muestra, de un mantenimiento frecuente y costoso, y/o de personal cualificado por parte de algunos dispositivos, el elevado coste o la imposibilidad de instalación in situ, son algunos de los inconvenientes que hacen a estos dispositivos de medida inapropiados para esta aplicación. En esta tesis, se describe el desarrollo completo de tres nuevos sensores luminiscentes de de oxígeno molecular, amoniaco y sulfuro de hidrógeno, y su exitosa utilización in situ, durante más de cuatro meses, en la planta de producción de biometano a partir de lodos de depuradora de Jerez de la Frontera. Estos sensores constan de una molécula luminiscente indicadora, exclusiva o principalmente sensible al analito diana, inmovilizada en una matriz polimérica. En presencia del analito, la intensidad y tiempo de vida de emisión del indicador inmovilizado experimentan una fuerte disminución, como resultado de la reacción fotoquímica (transferencia de energía, transferencia de electrón o transferencia de protón, respectivamente) indicador-analito. Los complejos de Ru(II) con ligandos poliazaheteroaromáticos ocupan un lugar destacado en el desarrollo de sensores luminiscentes, gracias a su versatilidad y rica fotoquímica. Teniendo en cuenta la naturaleza del analito, se prepararon complejos de Ru(II) con propiedades fotoquímicas a medida, únicamente modificando los ligandos quelatantes coordinados al metal, de tal forma, que la emisión de la molécula indicadora preparada, únicamente se viese desactivada por la presencia del analito de interés (oxígeno molecular, amoniaco o sulfuro de hidrógeno). Los indicadores luminiscentes preparados se inmovilizaron en soportes inorgánicos tipo sílice, obteniendo las correspondientes membranas sensoras, todas ellas interrogadas por la misma instrumentación optoelectrónica, desarrollada en nuestro grupo de investigación. La instrumentación opto-electrónica mostró un óptimo funcionamiento durante los más de cuatro meses de aplicación en la planta de producción de biometano, posicionando estos nuevos sensores luminiscentes como una interesante alternativa a los dispositivos de medida actualmente disponibles.