Analizador de gas de Orsat

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Un analizador de gas de Orsat es un equipo de laboratorio que se utiliza para analizar una muestra de gas (típicamente gas de combustión de combustible fósil) para determinar su contenido de oxígeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono. Aunque ha sido sustituido en gran medida por técnicas instrumentales, el analizador de gas de Orsat sigue siendo un método de medición fiable y relativamente sencillo de utilizar.

Fue patentado antes de 1873 por el Sr. H. Orsat como el aparato Ellison Orsat.

Historia

Louis Orsat nació en París el 14 de agosto de 1837. Su padre fue el director de la primera fábrica de pigmento blanco de cérus en Clichy, a las afueras de la ciudad. El pigmento se utilizaba en pinturas y cosméticos, a pesar de su desagradable reputación de causar «saturnismo» (envenenamiento por plomo) en los trabajadores de las fábricas.

Después de estudiar ingeniería en la prestigiosa École Polytechnique y en la École des Mines, Orsat se estableció como consultor independiente en París. Trabajó con una amplia gama de empresas en cuestiones de combustible y combustión, mientras que aparentemente también dirigía la planta de su padre en Clichy.

Al estallar la guerra franco-prusiana, Orsat se convirtió en oficial de artillería. La guerra fue un desastre para Francia. Los franceses se negaron a rendirse, incluso cuando todo el ejército fue capturado por los alemanes después de la batalla de Sédan. Otto von Bismarck, el «Canciller de Hierro» de Alemania, ordenó a su ejército que sitiara París. Fue una época terrible – cada circo y zoológico fue saqueado en una búsqueda desesperada de suministros. Deseoso de mantener los estándares, un restaurante de París anunció el consomé de elefante, la civeta de canguro y el optimista «gato flanqueado por ratas». Cuando la ciudad finalmente se rindió, Bismarck ordenó un salvaje bombardeo de su centro antes de que los suministros fueran traídos. A medida que la ciudad se recuperaba, Orsat, que fue galardonado con la Legión de Honor por su servicio, volvió del combate a cuestiones de combustión.


La necesidad de una combustión eficaz

El problema era la eficiencia del combustible. En el caso de las fundiciones, mantener la proporción óptima de CO a CO2 es crítico. Pero monitorear esto en tiempo real era imposible a menos que, como Orsat señaló drásticamente, fueras un químico entrenado con acceso a «frascos de mercurio, termómetros, barómetros, catetómetros, eudiómetros, higrómetros…».

Así que Orsat examinó la literatura. En 1849, Henri Regnault y Jules Reiset habían publicado un monumental artículo de 221 páginas, describiendo experimentos para establecer el balance de masa preciso de un animal vivo y respirante. Confinando perros, palomas, conejos, gallinas, incluso marmotas a un frasco de campana, utilizaron la absorción selectiva secuencial y luego la explosión con hidrógeno para determinar la cantidad de cada gas.

Rápidamente se hicieron modificaciones para permitir todo tipo de análisis de gases


Orsat diseña su analizador de gases

Orsat adaptó este enfoque volumétrico sustractivo, encogiéndose para caber en una robusta caja de madera. El aparato consistía en tres tubos reactivos que contenían potasa (hidróxido de potasio), pirogallol alcalino y una solución de cloruro de cobre amoniacal. Éstos estaban conectados por un lado a través de un colector de vidrio delgado a una bureta de gas invertida, con camisa de agua, que podía cargarse levantando una botella llena de agua unida a ella por un tubo de goma. En el otro extremo, el colector recibía los gases de combustión a través de un tubo en el que Orsat colocaba un algodón para mantener el sistema limpio. Un pequeño aspirador de agua permitía que el colector se limpiara de aire residual.

Dibujo del analizador de gas de Orsat
Dibujo del analizador de gas de Orsat

Para operar el analizador, la botella se elevaba, llenando la bureta con agua. Al bajar la botella, se introduce una alícuota de gas en la bureta y se sella el sistema. Se abre el grifo que se encontraba en la parte superior del tubo de potasa y, al subir y bajar la botella de agua varias veces, el gas se limpiaba de CO2. El grifo se cierra de nuevo y se anota el volumen de gas restante. Se repetía el procedimiento con el tubo con pirogalol y se anotaba para el volumen del oxígeno, y el cobre determina el CO. Se suponía que el resto es nitrógeno.

Validacion del analizador de gas de Orsat

Orsat dejó varios prototipos en fábricas de Francia y pasó tres meses viajando por los ferrocarriles franceses midiendo los gases de combustión de las locomotoras. En el trayecto de 147 Km. de París a Tergnier realizó 57 análisis consecutivos. Su punto fue que, aunque menos riguroso que un análisis formal de laboratorio, su método permitió hacer rápidamente múltiples determinaciones, que pudieron ser promediadas. Y se podía hacer en cualquier lugar.


Patentó su idea y fue inmediatamente reportada en el Chemical News y en el Dinglers Polytechnisches Journal. Se hicieron rápidamente modificaciones para permitir todo tipo de análisis de gases. En 1912, el catálogo de equipos de Arthur Thomas enumeraba las variaciones de Lunge, Muencke y Fischer. En el siglo XXI, más de 140 años después de su invención, el analizador de gas de Orsat sigue siendo usado para monitorear la pureza del cloro por el Támesis.

El analizador de gas de Orsat aún se sigue comercializando y empleando en laboratorios alrededor del mundo
El analizador de gas de Orsat aún se sigue comercializando y empleando en laboratorios alrededor del mundo

Descripción del analizador de gas de Orsat

El aparato consiste en una válvula de entrada que alimenta una bureta de gas enchaquetada de agua o glicerina calibrada, esta bureta se conecta entonces por medio de un tubo a dos o más pipetas de absorción que contienen soluciones químicas que absorben los gases que está siendo utilizada para medir. La entrada y cada una de las pipetas de absorción están valvuladas con llaves de paso para permitir que el movimiento del gas a través del aparato sea controlado con precisión. Por seguridad y portabilidad, el aparato suele estar encerrado en una caja de madera con un asa.

Los absorbentes más comunes son:


  • Hidróxido de Potasio (Potasa cáustica) para el dióxido de carbono
  • Pyrogallol (Ácido Pirogálico) para el oxígeno
  • Cloruro de cobre (I) (cloruro cuproso amoniacal) para el monóxido de carbono

Se supone que todo gas sobrante es nitrógeno, aunque se pueden utilizar otros absorbentes o recipientes para aislar gases adicionales. El platino en el amianto, por ejemplo, puede utilizarse para determinar el contenido de hidrógeno de una muestra, y el analizador de gas Orsat de tipo Fischer, por ejemplo, utiliza un electrodo de platino para hacer explotar los gases restantes con hidrógeno.

La base de la bureta de gas está conectada a una botella niveladora que suele contener agua ligeramente acidulada con un rastro de indicador químico (típicamente naranja de metilo) para la coloración. La pequeña cantidad de ácido que se añade al agua reduce la solubilidad del dióxido de carbono. La botella niveladora puede levantarse y bajarse para permitir que se tomen lecturas a presión constante y para transferir el gas hacia y desde las pipetas que contienen los diferentes medios de absorción. El movimiento del gas a través del aparato está totalmente controlado por medio de la botella niveladora y las diferentes llaves de paso.

Técnica de análisis

Por medio de un arreglo de tubos de goma, el gas a ser analizado es atraído hacia la bureta y es expulsado varias veces. Utilizando las llaves de paso para aislar las pipetas de absorción 100ml se retira típicamente en la bureta principal para facilitar el cálculo y el matraz de nivelación se eleva hasta que el agua esté nivelada entre ella y la bureta. Esto asegura que la muestra es de un volumen conocido y está en equilibrio con la presión de la sala. La camisa de agua o glicerina asegura además que la muestra se mantenga a temperatura ambiente.


Aparato de gas de Orsat con tres pipetas de gas para determinar el contenido de dióxido de carbono en el gas de horno de cal (utilizado en la producción de azúcar de remolacha); Museo del Azúcar de Berlín
Aparato de gas de Orsat con tres pipetas de gas para determinar el contenido de dióxido de carbono en el gas de horno de cal (utilizado en la producción de azúcar de remolacha); Museo del Azúcar de Berlín

A continuación, el gas pasa a la bureta de hidróxido de potasio (potasa cáustica) abriendo la llave de paso y levantando el matraz de nivelación. Este sifón introduce agua en la bureta que empuja el gas hacia el recipiente de absorción. El gas se deja reposar durante unos dos minutos y luego se retira, aislando el gas restante mediante la disposición de la llave de paso. El proceso se repite entonces para asegurar la absorción completa. Después se ajusta el matraz de nivelación una vez más hasta que el nivel de fluido es igual entre ambos vasos y se toma una medida del nuevo volumen de gas. Si inicialmente había 100 ml de gas, el nuevo volumen indica el porcentaje de dióxido de carbono absorbido. Si una muestra después de la absorción contenía 88ml de gas, entonces se registraría como 12% de dióxido de carbono.

La misma técnica se repite para el oxígeno, utilizando el pirogalol, y el monóxido de carbono utilizando el cloruro cuproso amoniacal, aunque dependiendo de cualquier medio de absorción adicional el proceso puede ser diferente. El hidróxido de potasio, por ejemplo, también absorberá el dióxido de azufre, por lo que el paso para medir el SO2 tendría que ser el primero.

Para más información Orsat’s gas analyser


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