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DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN DISPOSITIVO PROTOTIPO PARA LA CAPTURA DE
MATERIAL PARTICULADO PRODUCIDO EN LA EMISIÓN DE UN MOTOR DIESEL
CHRISTIAN CAMILO ORTEGA BOCANEGRA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS
FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACION
PROYECTO LICENCIATURA EN FISICA
BOGOTA 2020
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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN DISPOSITIVO PROTOTIPO PARA LA CAPTURA DE
MATERIAL PARTICULADO PRODUCIDO EN LA EMISION DE MOTOR DIESEL
Trabajo de grado para optar al título de licenciado en física
Presentado por:
CHRISTIAN CAMILO ORTEGA BOCANEGRA
Director externo:
LUIS CAMILO JIMENEZ BORREGO
Director interno:
JOSE MANUEL FLOREZ PEREZ
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS
FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACION
PROYECTO LICENCIATURA EN FISICA
BOGOTA 2020
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AGRADECIMIENTOS
Este logro y primer paso en mi carrera profesional se lo agradezco a personas muy importantes
y especiales en mi vida, empezando por mi familia y su incondicional e inagotable apoyo y
comprensión, ya que si ella no hubiese sido posible alcanzar esta meta, con mención especial y
desde lo más profundo de mi corazón a mis padres; Eduardo Ortega Y María Enith Bocanegra
que son y serán las personas más importantes en mi vida porque gracias a ellos y a la
educación y formación ética y moral qué me inculcaron, he podido realizarme como una
persona íntegra. A mis hermanos y sobrinos que de una u otra forma han aportado un granito
de arena en este logro, así como a mis abuelas en especial a una que es mi estrella, me guía y
alumbra mi camino desde su paso a la eternidad “Margarita”.
A mi alma mater, mi universidad por permitirme soñar y crecer como persona profesional, por
abrir mi mente al conocimiento, por brindarme la enseñanza y herramientas fundamentales
para el ejercicio como futuro docente de ciencia, por ese gran componente humano que en
ningún otro lugar he encontrado y por cambiar mi vida, así como a mis profesores y amigos
Luis Camilo Jiménez y Fabio Roa gracias muchas gracias.
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CONTENIDO
1. INTRODUCCION ................................................................................................................. 8
2. JUSTIFICACION ............................................................................................................... 11
3. OBJETIVOS ...................................................................................................................... 13
3.1 Objetivo general ................................................................................................................................ 13
3.2 Objetivos específicos......................................................................................................................... 13
4. MARCO TEÓRICO ............................................................................................................ 14
4.1 Material particulado ......................................................................................................................... 14
4.1.1 Definición y fuentes principales ............................................................................................... 14
4.1.2 Valores fijados en las Directrices por la OMS .......................................................................... 16
4.1.3 Contaminación atmosférica (Colombia) .................................................................................. 17
4.2 Motores diésel .................................................................................................................................. 19
4.2.1 Principio de funcionamiento .................................................................................................... 19
4.2.2 Tipos de motores diésel y aplicaciones .................................................................................... 20
4.2.3 Emisión de aerosoles de partículas y gases en motores de diésel ........................................... 21
4.3 Microscopia óptica ............................................................................................................................ 24
4.4 Microscopia electrónica de barrido (SEM) ........................................................................................ 27
4.4.1 Principios .................................................................................................................................. 28
4.4.2 Procedimiento .......................................................................................................................... 30
4.5 Espectroscopia Raman ...................................................................................................................... 33
4.5.1 Breve descripción del efecto Raman.......................................................................................... 33
5. DESCRIPCIÓN DE LAS LABORES Y/O ACTIVIDADES DESARROLLADAS DURANTE
LAS PASANTIAS ..................................................................................................................... 41
5.1 cronograma de actividades ............................................................................................................... 41
5.2 Revisión bibliográfica y elaboración conceptual del tema ............................................................... 42
5.3 Familiarización con el laboratorio o área de investigación en la Pontificia ...................................... 42
5.4 Asistir a exposiciones, ponencias y avances de tesis de estudiantes de maestría y pregrado
relacionados con el tema. ....................................................................................................................... 43
5.5 Diseño de dispositivo ........................................................................................................................ 43
5
5.6 Construcción de prototipo de dispositivo ......................................................................................... 45
5.7 Prueba de colección de partículas .................................................................................................... 47
5.8 Retroalimentación y Ajustes del diseño para la construcción del dispositivo .................................. 49
5.9 Construcción del dispositivo final ..................................................................................................... 49
5.10 Colección de material particulado .................................................................................................. 53
5.11 Medición de tamaño de material partícula mediante microscopia óptica de luz y electrónica .... 57
5.12 Análisis de los resultados obtenidos ............................................................................................... 57
6. Conclusiones ................................................................................................................... 57
7. Bibliografía ....................................................................................................................... 58
6
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Ciclos de los contaminantes en el aire .......................................................................15
Figura 2. Composición de los gases de escape ........................................................................21
Figura 3. Composición de la materia particulada de diésel .......................................................23
Figura 4. El microscopio compuesto .........................................................................................25
Figura 5. Esquema del SEM .....................................................................................................29
Figura 6.....................................................................................................................................35
Figura 7.....................................................................................................................................38
Figura 8.....................................................................................................................................39
Figura 9.....................................................................................................................................40
Figura 10. Planos de la trampa prototipo...................................................................................44
Figura 11. Tapa inferior y barreras ............................................................................................44
Figura 12. Vista en 3D del interior del primer prototipo de la trampa .........................................46
Figura 13. Primera prueba 1 .....................................................................................................47
Figura 14. Primera prueba 2 .....................................................................................................48
Figura 15. Primera prueba 3 .....................................................................................................48
Figura 16. Primera prueba 4 .....................................................................................................48
Figura 17. Cortes de las piezas .................................................................................................50
Figura 18. Doblaje de las láminas cortadas ...............................................................................51
Figura 19. Pulido de las piezas .................................................................................................52
Figura 20. Perforado y atornillado de las piezas ........................................................................53
Figura 21. Motor escogido para la colecta .................................................................................55
Figura 22. Colecta de material particulado ................................................................................56
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Escala de clasificación de las PM................................................................................ 15
Tabla 2. Valores fijados en las Directrices................................................................................. 16
Tabla 3. Cronograma de actividades......................................................................................... 41
Tabla 4. Principales características del motor diésel ................................................................. 54
Tabla 5. Descripción de los filtros ............................................................................................. 55
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1. INTRODUCCION
En el presente trabajo de investigación se realizó un prototipo de un dispositivo, cuya
finalidad es realizar pruebas para atrapar partículas o material particulado, en este caso
en especial de un motor especifico (aclarando que el dispositivo se puede utilizar para
diferentes motores), teniendo en cuenta que es creado para la implementación de
motores los cuales para su funcionamiento necesitan combustibles fósiles, así se llegó a
la implementación de un motor diésel, debido a sus altas emisiones de material
particulado y sus múltiples usos en diferentes campos. La construcción del dispositivo así
como su uso en diferentes pruebas siempre se realizó bajo la supervisión de profesores
e investigadores de diferentes áreas de trabajo, con el fin de garantizar que la
investigación tenga diferentes puntos de vista y requiera habilidades en áreas extrínsecas
a las vistas durante la carrera universitaria, como lo son: el manejo de materiales, el
manejo del motor, el uso y manipulación herramientas propias de un laboratorio, etc. Todo
esto con el propósito de un interés académico, buscando que la experiencia fuera lo más
enriquecedora y completa posible y así concluir más satisfactoriamente la formación
académica y profesional.
Durante la realización de la investigación y como es el debido proceso se diseñaron una
serie de pasos a desarrollar, inicialmente se especificó el tema y sus objetivos para tener
una claridad y una visión general de lo que se quería lograr con el trabajo, teniendo esto
claro se procede a crear un cronograma de actividades en donde se determinan los
tiempos de trabajo para cada uno de los componentes de la investigación con su
respectiva revisión bibliográfica, en estos componentes o pasos a seguir encontramos:
una visita guiada al área de trabajo con el fin de familiarizarse con el laboratorio y sus
instrumentos, personal que trabaja en este laboratorio y los diferentes cuidados que se
debe tener al manipular los instrumentos necesarios para la elaboración de la
9
investigación, se acordó la asistencia a una serie de exposiciones, ponencias y avances
sobre algunas investigaciones desarrolladas con estudiantes de pregrado y posgrado
relacionadas con el tema con el fin de tener una visión más general sobre el grupo de
investigación al que se está vinculado.
Se procede a diseñar el dispositivo, en este proceso se realizaron los planos acordes a
una geometría del dispositivo ya prevista, los materiales que se requieren para la
construcción y como se va a construir teniendo presente que el dispositivo tiene que cubrir
con una variedad de necesidades para su uso, ya realizado este paso se procedió a la
primera construcción del dispositivo de manera didáctica con el uso de materiales muy
comunes y de fácil manejo esto con el fin de ver su funcionalidad su viabilidad y posibles
problemas que pueda presentar el diseño.
Teniendo ya el prototipo del dispositivo se dio inicio a las primeras pruebas de recolecta
de material particulado, estas pruebas se ejecutaron varias veces y con filtros de papel
para café para observar el comportamiento del dispositivo, durante y después de cada
prueba, al realizar las respectivas observaciones de su comportamiento, se hizo una
retroalimentación y los ajustes pertinentes del diseño para su construcción final. Para la
construcción final del dispositivo se aplicaron todas las correcciones dadas en los pasos
anteriores, se compraron todos los materiales necesarios para su elaboración y con los
planos ya con sus ajustes se continuó con esta construcción, la cual se realizó en un taller
especializado en el manejo y uso del acero inoxidable que fue el material elegido debido
a sus características: como su durabilidad y dureza.
Hecho ya el dispositivo final se realizan de nuevo las pruebas de la recolecta del material
particulado con los filtros especializados para este tipo de experimentación, este
procedimiento se realiza varias veces para corroborar si el dispositivo si resiste al
someterse al trabajo real y si el dispositivo cumple o no con su propósito, para comprobar
esto al terminar la recolecta, los filtros son llevados a un laboratorio para realizar dos tipos
10
de procesos; que son: microscopia óptica de luz, microscopia electrónica de barrido o
SEM. Las dos primeros procedimientos se realizan con el fin de comprobar si realmente
se recolecto partículas y poder observar su posible morfología.
11
2. JUSTIFICACION
En la actualidad y alrededor del mundo, se realizan grandes esfuerzos para el desarrollo
de estudios e investigación que arrojen soluciones de corto, mediano y largo plazo para
lograr mitigar el cambio climático que se está presenciando y el cual tiene un impacto sin
precedentes en la historia de la humanidad, este impacto que es a nivel mundial se da en
diferentes y diversos ecosistemas y es causado entre otras cosas, por el efecto que
producen los gases de efecto invernadero (GEI) y uno de los GEI esenciales que se
encuentra en la atmosfera terrestre es el óxido de nitrógeno, y una de sus principal fuente
de generación son los motores de combustión que para su funcionamiento emplean el
diésel, estos motores diésel como se conocen no solo generan grandes cantidades de
gas sino que también a su vez emiten material particulado.
“El daño que produce este material particulado se hace bastante evidente en la salud de
las personas, ya que es una de las causas directas en producir enfermedades de tipo
respiratorio en la mayoría de los casos, según estimaciones tomadas de la organización
mundial de la salud la contaminación del aire representa un importante riesgo
medioambiental para la salud. Mediante la disminución de los niveles de contaminación
del aire los países pueden reducir la carga de morbilidad derivada de accidentes
cerebrovasculares, cánceres de pulmón y neumopatías crónicas y agudas, entre ellas el
asma. La contaminación atmosférica en las ciudades y zonas rurales de todo el mundo
provoca cada año 4,2 millones de defunciones prematuras1”.
“En Colombia el panorama no es alentador en cuanto a la contaminación del aire se
refiere, ya que algunos factores como la creciente demanda de materias primas y la
creciente población evidente en las principales ciudades del país, hace que los índices
de contaminación suban cada vez mas de forma exponencial, esto se observa en las
recientes medidas tomadas por la diferentes alcaldías de Bogotá, Medellín, Cali,
12
Bucaramanga y Cúcuta como el pico y placa ambiental para reducir las alertas rojas o
amarillas que arrojan las estaciones de monitoreo de material particulado. En Bogotá con
el objetivo de mejorar la calidad del aire la secretaría realiza permanentes operativos de
monitoreo y control a fuentes fijas y móviles. A través de la red de monitoreo de calidad
del aire de Bogotá, obtiene, procesa y divulga la información para evaluar el cumplimiento
de los estándares de calidad del aire en el distrito capital2”.
Ante tan alarmantes cifras y con la creciente preocupación y conciencia por cuidar el aire
que respiramos y los esfuerzos por mitigar dicho impacto por partes de algunos entes
gubernamentales, parece que no son suficientes dichos esfuerzo por obtener resultados
satisfactorios y que realmente generen un cambio en la calidad del aire, se hace de gran
importancia desde el punto de vista pedagógico y científico aportar como futuro
profesional en estas áreas a realizar e incentivar la investigación sobre estos temas, ya
que es un problema que nos concierne a todos y en especial a las personas que se
encargan de enseñar y practicar la ciencia, a su vez se hace obligación y un deber social
y moral aportar con estos conocimientos a la construcción de nuestro país.
_____________________
1Tomado de “calidad del aire y salud” [2 de mayo de 2018] [en línea]. Disponible en: https://www.who.int/es/news-room/fact-sheets/detail/ambient-(outdoor)-air-quality-and-health. 2Tomado de “recurso aire” / secretaria distrital de ambiente [en línea]. Disponible en: http://www.ambientebogota.gov.co/web/sda/aire.
13
3. OBJETIVOS
3.1 Objetivo general
Diseñar, construir e implementar un dispositivo prototipo para atrapar material
particulado producido en emisiones de motor diésel a partir de la difusión y filtros de
papel cuantitativos.
3.2 Objetivos específicos
• Diseñar y laborar un prototipo de trampa para recolección de material particulado
emitidas por la combustión de motor diésel.
• Medir tamaño de material particulado recolectado con micrografías de microscopio
óptico de luz y electrónico de barrido para clasificación en el rango de los micrómetros.
14
4. MARCO TEÓRICO
4.1 Material particulado
4.1.1 Definición y fuentes principales
Las PM (del inglés Particulate Matter) son un indicador representativo común de la
contaminación del aire. Afectan a más personas que cualquier otro contaminante. Los
principales componentes de las PM son los sulfatos, los nitratos, el amoníaco, el
cloruro de sodio, el hollín, los polvos minerales y el agua. Consisten en una compleja
mezcla de partículas sólidas y líquidas de sustancias orgánicas e inorgánicas
suspendidas en el aire. Si bien las partículas con un diámetro de 10 micrones o menos
(≤ PM10) pueden penetrar y alojarse profundamente dentro de los pulmones, existen
otras partículas aún más dañinas para la salud, que son aquellas con un diámetro de
2,5 micrones o menos (≤ PM2.5). Las PM2.5 pueden atravesar la barrera pulmonar y
entrar en el sistema sanguíneo La exposición crónica a partículas contribuye al riesgo
de desarrollar enfermedades cardiovasculares y respiratorias, así como cáncer de
pulmón.
Generalmente, las mediciones de la calidad del aire se notifican como
concentraciones medias diarias o anuales de partículas PM10 por metro cúbico (m3)
de aire. Las mediciones sistemáticas de la calidad del aire describen esas
concentraciones de PM expresadas en microgramos (μ)/m3. Cuando se dispone de
instrumentos de medición suficientemente sensibles, se notifican también las
concentraciones de partículas finas (PM2.5 o más pequeñas).
15
Tabla 1
Escala de clasificación de las PM
Nombre Tamaño
PM10 ≤ 10 μm
PM2.5 ≤ 2,5 μm
PM1 ≤ 1 μm
Ultra finas (UFP o UP) ≤ 0,1 μm
Figura 1
Ciclos de los contaminantes en el aire.
Nota. El grafico representa el ciclo completo de los contaminantes que se producen y
son expulsados al aire y como llegan a las personas, plantas y animales. Copyright
2020 Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible.
16
4.1.2 Valores fijados en las Directrices por la OMS
Tabla 2
Valores fijados en las Directrices
Partículas media anual media en 24h
PM10 20 μg/m3 50 μg/m3
PM2.5 10 μg/m3 25 μg/m3
Además de los valores, las Directrices sobre la Calidad del Aire establecen metas
intermedias para concentraciones de PM10 y PM2.5 destinadas a promover una
reducción gradual, de concentraciones altas a otras más bajas.
Si se alcanzaran esas metas intermedias se podrían esperar reducciones importantes
de los riesgos de enfermedades agudas y crónicas derivadas de la contaminación del
aire. No obstante, los valores establecidos en las Directrices deberían ser el objetivo
final.
Los efectos sanitarios de las partículas provienen de la exposición que actualmente
experimentan muchas personas, tanto en las zonas urbanas como rurales, bien sea
en los países desarrollados o en los países en desarrollo, aun cuando la exposición
en muchas ciudades en rápido desarrollo suele ser actualmente muchísimo más alta
que en ciudades desarrolladas de tamaño comparable.
En las Directrices de la OMS sobre la Calidad del Aire se estima que una reducción
media anual de las concentraciones de partículas (PM10) de 35 microgramos/m3,
común en muchas ciudades en desarrollo, a 10 microgramos/m3, permitiría reducir el
número de defunciones relacionadas con la contaminación en aproximadamente un
15%. Sin embargo, incluso en la Unión Europea, donde las concentraciones de PM
de muchas ciudades cumplen los niveles fijados en las Directrices, se estima que la
17
exposición a partículas de origen antropogénico reduce la esperanza media de vida
en 8,6 meses.
En los países de bajos y medianos ingresos, la exposición a contaminantes en el
interior y alrededor de las viviendas como consecuencia del uso de combustibles en
estufas abiertas o cocinas tradicionales incrementa el riesgo de infecciones agudas
de las vías respiratorias inferiores, así como el riesgo de cardiopatías, neumopatías
obstructiva crónica y cáncer de pulmón en los adultos.
Existen graves riesgos sanitarios no solo por exposición a las partículas, sino también
al ozono (O3), el dióxido de nitrógeno (NO2) y el dióxido de azufre (SO2). Como en el
caso de las partículas, las concentraciones más elevadas suelen encontrarse en las
zonas urbanas de los países de ingresos bajos y medianos. El ozono es un importante
factor de mortalidad y morbilidad por asma, mientras que el dióxido de nitrógeno y el
dióxido de azufre pueden tener influencia en el asma, los síntomas bronquiales, las
alveolitis y la insuficiencia respiratoria.
4.1.3 Contaminación atmosférica (Colombia)
El MinAmbiente estableció con la Resolución 610 de 2010 los niveles máximos
permisibles de los siguientes contaminantes criterio: Material Particulado (PM10 y
PM2.5), dióxido de azufre (SO2), dióxido de nitrógeno (NO2), ozono troposférico (O3) y
monóxido de carbono (CO), así como los niveles máximos permisibles para seis (6)
contaminantes no convencionales con efectos carcinogénicos.
Estos contaminantes en el aire son monitoreados por las Autoridades Ambientales
(Corporaciones Autónomas Regionales, Corporaciones de Desarrollo Sostenible y
Autoridades Ambientales Urbanas) mediante Sistemas de Vigilancia de la Calidad del
18
Aire – SVCA, diseñados y operados conforme a los criterios que el Ministerio de
Ambiente y Desarrollo Sostenible ha definido.
Actualmente (información actualizada a diciembre 2014) el país cuenta con un total
de 132 estaciones, que conforman 19 SVCA, los cuales son operados por 16
Corporaciones Autónomas Regionales y 3 Autoridades Ambientales Urbanas,
ubicadas principalmente en las ciudades de Bogotá, Medellín, Cali, Cartagena,
Bucaramanga y en áreas con objetivos específicos como las Zonas de explotación
minera de carbón del Cesar y de la Guajira, entre otros. El contaminante prioritario
monitoreado en estos SVCA es el material particulado en sus fracciones PM10 y PM2.5.
Este monitoreo se ha realizado en el 46.9% de los departamentos del país (15 de 32)
y en 57 municipios y centros urbanos de los 1122 que existen en el país, lo que
representa aproximadamente una cobertura de 21.102.041 de habitantes en todo el
territorio nacional. Frente al cumplimiento normativo del estándar anual establecido
por la Norma Nacional de Calidad del Aire para Material Particulado –PM10 (50µg/m3),
a diciembre de 2013, el 74% del total de equipos que midieron este contaminante en
las diferentes estaciones reportaron cumplimiento. Así mismo, el 64% del total de
equipos que midieron Material Particulado PM2.5 reportaron cumplimiento del estándar
anual definido para este contaminante (25µg/m3).
En general la normativa colombiana en materia de calidad del aire y emisiones se ha
planteado en función de la protección de la salud humana y el medio ambiente,
desarrollada a través de un proceso de gradualidad que involucra la capacidad
técnica, tecnológica y económica de una sociedad, ya que estos factores deben hacer
parte de la construcción normativa de carácter técnico. Además del desarrollo
normativo y de Política, el Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible trabaja
19
desde diferentes frentes en la formulación de estrategias coordinadas, eficientes y
equitativas dirigidas a prevenir y controlar la Contaminación del Aire en el país.
4.2 Motores diésel
El motor Diésel es un motor térmico de combustión interna alternativo en el cual el
encendido del combustible se logra por la temperatura elevada que produce la
compresión del aire en el interior del cilindro, según el principio del ciclo del diésel.
Fue inventado y patentado por Rudolf Diésel en 1892, del cual deriva su nombre. Fue
diseñado inicialmente y presentado en la feria internacional de 1900 en París como el
primer motor para "biocombustible", como aceite puro de palma o de coco. Diésel
también reivindicó en su patente el uso de polvo de carbón como combustible, aunque
no se utiliza por lo abrasivo que es. El motor diésel existe tanto en el ciclo de 4 tiempos
(4T - aplicaciones de vehículos terrestres por carretera como automóviles, camiones
y autobuses) como de 2 tiempos (2T - grandes motores de tracción ferroviaria, de
propulsión naval, y algunos camiones y autobuses).
4.2.1 Principio de funcionamiento
Un motor diésel funciona mediante la ignición (encendido) del combustible al ser
inyectado muy pulverizado y con alta presión en una cámara (o precámara, en el caso
de inyección indirecta) de combustión que contiene aire a una temperatura superior a
la temperatura de autocombustión, sin necesidad de chispa como en los motores de
gasolina. Ésta es la llamada autoinflamación.
20
La temperatura que inicia la combustión procede de la elevación de la presión que se
produce en el segundo tiempo del motor, la compresión. El combustible se inyecta en
la parte superior de la cámara de combustión a gran presión desde unos orificios muy
pequeños que presenta el Inyector de Combustible de forma que se atomiza y se
mezcla con el aire a alta temperatura y presión (entre 700 y 900 °C). Como resultado,
la mezcla se inflama muy rápidamente. Esta combustión ocasiona que el gas
contenido en la cámara se expanda, impulsando el pistón hacia abajo.
Esta expansión, al revés de lo que ocurre con el motor de gasolina, se hace a presión
constante ya que continúa durante la carrera de trabajo o de expansión. La biela
transmite este movimiento al cigüeñal, al que hace girar, transformando el movimiento
rectilíneo alternativo del pistón en un movimiento de rotación.
Para que se produzca la autoinflamación es necesario alcanzar la temperatura de
inflamación espontánea del gasóleo. En frío es necesario pre-calentar el gasóleo o
emplear combustibles más pesados que los empleados en el motor de gasolina,
empleándose la fracción de destilación del petróleo fluctuando entre los 220 °C y 350
°C, que recibe la denominación de gasóleo o gasoil en inglés.
4.2.2 Tipos de motores diésel y aplicaciones
Existen motores diésel tanto de 4 tiempos (los más usuales en vehículos terrestres
por carretera) como de 2 tiempos (grandes motores marinos y de tracción ferroviaria).
En la década de los 30 la casa Junkers desarrolló y produjo en serie un motor
aeronáutico de 6 cilindros con pistones opuestos, es decir doce pistones y dos
cigüeñales opuestos (ver figura) montado en su bimotor Junkers Ju 86.
Maquinaria agrícola 2T (pequeña) y 4T (tractores, cosechadoras)
21
Propulsión ferroviaria 2T
Propulsión marina 4T hasta una cierta potencia, a partir de ahí 2T
Vehículos de propulsión a oruga
Automóviles y camiones (4T)
Grupos generadores de energía eléctrica (centrales eléctricas y de
emergencia)
Accionamiento industrial (bombas, compresores, etc., especialmente de
emergencia)
Propulsión aérea
4.2.3 Emisión de aerosoles de partículas y gases en motores de diésel
Figura 2
Composición de los gases de escape.
22
Nota: se refleja la composición de los gases de escape y muestra que el nitrógeno del
aire no sufre modificación, salvo una pequeña cantidad que se transforma en NOx.
Además, se emite CO, hidrocarburos y partículas de hollín en una fracción muy
pequeña del total de los gases emitidos. Tomado de “Emisión de aerosoles de
partículas y gases en motores de diésel” (p. 17), por Bernaola M. (2013). Seguridad y
salud en el trabajo.
Los gases del escape que descarga el motor contienen componentes que son nocivos
para la salud humana y el medio ambiente. Monóxido de carbono (CO), hidrocarburos
(HC) y aldehídos se generan por una combustión incompleta del combustible, cierta
cantidad de hidrocarburos proceden del lubricante del motor. Cuando la maquinaria y
los equipos trabajan en recintos cerrados (minas subterráneas, edificios en
construcción, túneles o talleres), el monóxido de carbono puede acumularse en el
ambiente aunque los aldehídos e hidrocarburos son los que contribuyen al olor
característico del diésel.
Los óxidos de nitrógeno (NOx) se generan al reaccionar el oxígeno y el nitrógeno del
aire, por la presión y temperatura alcanzadas en el interior del cilindro del motor, y
contienen óxido de nitrógeno (NO) y algo de dióxido de nitrógeno (NO2).
El dióxido de azufre (SO2) se genera a partir del azufre presente en el combustible.
La oxidación del SO2 produce trióxido de azufre, percusor del ácido sulfúrico,
responsable de las partículas de sulfato en las emisiones diésel. La emisión del
escape del motor diésel es una mezcla compleja de gases, vapores y de materia
particulada del diésel (DPM en inglés) como agregado de material sólido y líquido
cuyo origen son partículas de carbono generadas durante la combustión en el cilindro
del motor y está compuesta de:
• Solidos o partículas de carbón seco (PM0.1), conocido como hollín.
23
• Hidrocarburos pesados absorbidos y condensados en las partículas de carbón,
como fracción orgánica soluble (FOS).
• Sulfatos (SO4-2), ácido sulfúrico hidratado.
En esta situación, se ha empezado a prestar especial atención a las partículas sólidas
de carbono no quemado, que atraen y absorbe en su superficie los hidrocarburos de
mayor peso molecular y al tiempo sirven de vehículo para otros en fase liquida e
incluso para los sulfatos que pudieran formase. Estas pequeña partículas, que se
aglomeran entre si forman otras de mayor tamaño (0,04 y 1 µ), permanecen en
suspensión en los gases de escape y constituyen un aerosol que puede alcanzar los
alveolos pulmonares. El pequeño tamaño de estas partículas no facilita su
sedimentación por lo que, de no capturarlas en el origen, se extenderán a otras zonas
de trabajo.
Figura 3
Composición de la materia particulada de diésel.
Nota: tomado de “Emisión de aerosoles de partículas y gases en motores de diésel”
(p. 17), por Bernaola M. (2013). Seguridad y salud en el trabajo.
24
La composición dependerá del motor, la carga y la velocidad. Las partículas
“húmedas” pueden contener hasta un 60% de hidrocarburos (FOS) y las partículas
“secas” son en su mayoría carbón seco. La partícula principal del carbono (núcleo)
tiene un diámetro de 0,01 – 0,08 µ y aglomeradas están en el rango respirable de 0,08
– 1 µ. Los hidrocarburos aromáticos polinucleares (PAH), muchos reconocidos como
cancerígenos para el hombre, están presentes tanto en la fase gaseosa como en la
particulada y los más pesados, en la fracción orgánica soluble (FOS).
Las emisiones de los motores de combustión interna pueden contener, además,
metales pesados y sus compuestos (arsénico, cadmio, cromo, selenio y cinc),
formaldehido, benceno, sulfuro de hidrogeno, 1,3 butadieno, además de los ya
mencionados SOx, NOx, CO y CO2.
La reacción teórica de combustión de un gasóleo en un motor de combustión interna
implica una estequiometria teórica aire/diésel de 14,7/1. En la práctica, si un motor
trabajase en estas condiciones, una mezcla de combustible / carburante que dista de
ser perfecta aumentaría mucho el contenido de monóxido de carbono (CO), hollín y,
en general, los inquemados de los gases de escape. Así, los motores térmicos
trabajan con relaciones 20/1 0 25/1 con el motor en carga y de 100/1 en vacío. Un
exceso de aire puede ser la causa de la generación de otros productos de oxidación
en los humos de escape, también tóxicos, como son los óxidos de nitrógeno (NO y
NO2), de azufre (SO2 y SO3) y los aldehídos.
4.3 Microscopia óptica
Un microscopio compuesto da más aumento que el que se consigue con una sola
lente o microscopio simple. Un microscopio compuesto básico consiste en un par de
25
lentes convergentes, cada una de las cuales contribuye al aumento (ver figura 4). La
lente convergente con distancia focal relativamente corta (𝑓0 < 1 cm) se llama objetivo.
Produce una imagen real, invertida y agrandada de un objeto colocado un poco más
allá de su foco. La otra lente, llamada ocular, tiene mayor distancia focal (𝑓0 de algunos
centímetros) y se coloca de modo que la imagen que forma el objetivo cae justo dentro
de su foco, es decir, un poco más cerca de su foco. Esta lente forma una imagen
virtual, aumentada e invertida, que ve el observador. En esencia, el objetivo produce
una imagen real, y el ocular no es más que una lupa.
Figura 4
El microscopio compuesto
Nota: en el sistema óptico de un microscopio compuesto, la imagen real formada por
el objetivo está justo atrás del foco del ocular (𝑓𝑒) y funciona como objeto para esta
lente. Un observador que vea por el ocular vera una imagen ampliada. Tomado de
Física (p. 824), Wilson, J. D., & Buffa, A. J. (2002). Pearson Educación.
26
El aumento total (𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙) de una combinación de lentes es igual producto de los
aumentos que producen cada una. La imagen formada por el objeto es mayor que su
objeto en un factor 𝑀0 igual al aumento lateral (𝑀0 = −𝑑𝑖/𝑑0). Nótese que en la figura
4 la distancia a la imagen, para la lente objetivo, es aproximadamente igual a 𝐿, la
distancia entre las lentes; esto es, que 𝑑𝑖 ≈ 𝐿. (El objetivo forma la imagen 𝐼0 justo
dentro del foco del ocular, que tiene una distancia focal corta.) También, como el
objeto es muy cercano al foco de objetivo 𝑑0 ≈ 𝑓0. Con estas aproximaciones
𝑀0 ≈ −𝐿
𝑓0
Se define el aumento angular de un ocular para una imagen en el infinito como
𝑚𝑒 =25𝑐𝑚
𝑓𝑒
Como el objeto del ocular (que es la imagen formada por el objetivo) está muy cerca
del foco del ocular, una buena aproximación es
𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑀0𝑚𝑒 = − (𝐿
𝑓0) (
25𝑐𝑚
𝑓𝑒)
O sea
𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = −(25𝑐𝑚)𝐿
𝑓0𝑓𝑒 aumento angular del microscopio compuesto
27
Donde 𝑓0, 𝑓𝑒 y 𝐿 se expresan en centímetros.
El aumento angular de un microscopio es negativo, lo que indica que la imagen final
esta invertida, en comparación con la orientación inicial del objeto. Sin embargo, con
frecuencia solo se menciona el aumento (un microscopio de 100x, y no de -100x).
Se consiguen objetivos intercambiables con aumentos desde 5x hasta más de 100x.
Para el trabajo normal en biología o los laboratorios médicos se suele usar objetivos
de 5x y 10x. Con frecuencia los microscopios tienen revólveres para tres objetivos
para distintos aumentos, como por ejemplo 10x, 43x y 93x. Estos objetivos se pueden
usar con oculares de 5x y 10x en diversas combinaciones para obtener aumentos de
50x y 970x. El aumento máximo que se obtiene con un microscopio compuesto es,
aproximadamente, 2000x.
Los objetos opacos se suele iluminar con una fuente colocada sobre ellos. Los
especímenes que son transparentes, como las células o cortes delgados de tejidos
en portaobjetos, se ilumina con la fuente bajo la platina del microscopio, para que la
luz atraviese el espécimen. Un microscopio moderno tiene un condensador de luz
(lente convergente) y un diafragma bajo la platina, con los que se concentra la luz y
se controla su intensidad. Un microscopio puede tener una fuente luminosa interna.
La luz se refleja de un espejo al condensador. Los microscopios antiguos tenían dos
espejos: uno era plano, para reflejar la luz de una fuente externa de gran intensidad,
y el otro cóncavo para iluminación con baja intensidad, como por ejemplo, la de la luz
del cielo.
4.4 Microscopia electrónica de barrido (SEM)
28
Un microscopio electrónico de barrido o SEM, es un potente microscopio que utiliza
electrones para formar una imagen. Permite obtener imágenes de muestras
conductoras con aumentos que no se puede lograr usando los microscopios
tradicionales. Microscopios ópticos modernos pueden alcanzar un aumento de ~ 1,
000 X, mientras que SEM típico puede alcanzar aumentos de más de 30, 000 X.
Porque el SEM no usa luz para crear imágenes, las fotografías resultantes forma son
en blanco y negro.
Muestras conductoras se cargan en la etapa de muestra de la SEM. Una vez que la
cámara de la muestra alcanza el vacío, el usuario procederá a alinear el cañón de
electrones en el sistema para la localización apropiada. El cañón de electrones
dispara un haz de electrones de alta energía, que viajan a través de una combinación
de lentes y aberturas y finalmente golpeó a la muestra. Mientras el cañón de
electrones dispara electrones en una posición precisa en la muestra, los electrones
secundarios rebotarán de la muestra. Estos electrones secundarios se identifican por
el detector. La señal de los electrones secundarios se amplifica y se envía al monitor,
creando una imagen 3D. Este video demuestra capacidades imagen, operación y
preparación de muestras SEM.
4.4.1 Principios
Los electrones se generan por el calentamiento por el cañón de electrones, que actúa
como un cátodo. Estos electrones son impulsados hacia el ánodo, en la misma
dirección que la muestra, debido a un fuerte campo eléctrico. Después se condensa
el haz de electrones, entra en la lente del objetivo, que es calibrada por el usuario
para una posición fija en la muestra. (Figura 5).
29
Una vez que los electrones golpean la muestra conductora, pueden suceder dos
cosas. En primer lugar, los electrones primarios que la muestra se túnel a través de
él a una profundidad que depende del nivel de energía de los electrones. Entonces,
los electrones secundarios y retro-dispersados golpearon la muestra y reflejar hacia
el exterior de él. Estos reflejan electrones son entonces medidos por los electrones
secundarios (SE) o (BS) detector de retro-dispersión. Después señal de
procesamiento toma lugar, se forma una imagen de la muestra en la pantalla.
De SE modo, se sienten atraídos por sesgo positivo en el frente del detector de
electrones secundarios debido a su bajo consumo de energía. La intensidad de la
señal es variada según el ángulo de la muestra. Por lo tanto, SE modo proporciona
imágenes muy topográficas. Por otra parte, en el modo de BS, la dirección de los
electrones es casi directamente enfrente de la dirección de la viga y la intensidad de
la detección es proporcional al número atómico de la muestra. Por lo tanto, es menos
topográfica, pero útil para imágenes composicionales. Modo de BS es también que
menos afectados por el efecto de carga sobre la muestra, que es beneficioso para las
muestras no conductoras.
Figura 5
Esquema del SEM
30
4.4.2 Procedimiento
4.4.2.1 Preparación de la muestra
- Muestra lugar en trozo de muestra. Si es necesario, se puede usar
cinta de carbono unida para la muestra el trozo.
- Coloque la muestra en un sistema de sputtering de oro. Usando
una época sputter, Farfullar oro de 30 s a ~ 70 presión mTorr. Un
espesor de capa de oro diferente puede ser necesario dependiendo
de la geometría de la muestra. Superficie más áspera o porosa
requiere un tiempo largo farfulla.
- Retire el trozo de oro sistema de sputtering.
4.4.2.2 Inserción y SEM puesta en marcha de la muestra
- Ventilación de la cámara SEM, lo que permite la cámara hasta
alcanzar la presión nominal.
31
- Abra el compartimento de muestra del SEM y quitar el escenario
de la muestra.
- Insertar el trozo de muestra que contiene la muestra en el
escenario. Apriete el talón en su lugar.
- Si la distancia z no puede ser controlada por el software,
asegúrese de que el escenario muestra con trozo de muestra tiene
la altura correcta para obtener la mejor imagen.
- Poner la etapa de muestra en cámara de la muestra. Cierre el
compartimento de muestra.
- Encienda las bombas y sistema a vacío. El sistema notificará al
usuario cuando este se haya completado.
- Abra el software de SEM. Seleccione la deseada tensión que van
desde 1 a 30 kV. Voltaje de funcionamiento más alto da mejor
contraste de la imagen, pero puede producir una resolución más
baja si los cargos se acumulan en la muestra.
4.4.2.3 Captura de la imagen de SEM
- Comenzar 'Autofoco' en el software de SEM haciendo clic en el
icono de llave. Esto adquirirá una imagen enfocada de la muestra
a utilizar como punto de partida.
- Asegúrese de que el aumento se establece en el nivel mínimo de
zoom de 50 X.
- Seleccione el modo 'fast scan'.
- Ajuste el enfoque en modo grueso hasta que se adquiere un
enfoque áspero.
32
- Ajustar el escenario manualmente con los botones exteriores para
que la región de interés es visible en la pantalla.
- Aumentar el nivel de ampliación hasta que se observe la
característica deseada. Ajuste la perilla de enfoque gruesa para
más o menos enfocar la imagen en este aumento. Entonces,
mejorar el enfoque con el mando de enfoque fino para obtener una
imagen enfocada en el nivel de ampliación deseado. Este paso se
repetirá cada vez que se aumenta el nivel de ampliación.
- Una vez se haya alcanzado la ampliación deseada, ajuste la
perilla de enfoque fineza para mejorar la claridad.
- Para optimizar la claridad de la imagen, aumentar la magnificación
cerca del nivel máximo y luego enfocar la imagen mediante la
perilla de enfoque fino. Si no puede obtenerse una imagen nítida,
ajuste la stigmation en dirección x e y. Mantener ajustando el
enfoque y stigmations hasta obtener la imagen más clara en el nivel
de ampliación exagerada.
- Después de alcanzar una calidad de imagen de la muestra, volver
al nivel de ampliación deseado. Puede tomar la imagen pulsando
el botón de la foto 'foto lento' o ' rápido ' modo. El modo 'foto lento'
da mejor calidad y alta resolución de la imagen.
4.4.2.4 Realizar mediciones utilizando el Software de SEM
- En la lista desplegable de 'Paneles', seleccione 'Herramientas de
la M.'.
- Las distintas medidas como longitud, área y ángulo pueden
medirse directamente en el software de SEM. Para realizar una de
33
estas medidas, haga clic en el icono deseado en la ventana de M.
herramientas.
- Desplácese hasta el sitio de medición en la imagen SEM. Las
mediciones se realizan haciendo clic en la imagen para crear
puntos de referencia que será analizada por el software. Puntos de
datos medidos pueden insertarse directamente en la imagen si lo
desea el usuario.
- Imágenes luego se guardan en el ordenador.
4.5 Espectroscopia Raman
La Espectroscopía Raman es una técnica fotónica de alta resolución que proporciona
en pocos segundos información química y estructural de casi cualquier material o
compuesto orgánico y/o inorgánico permitiendo así su identificación. El análisis
mediante espectroscopía Raman se basa en el examen de la luz dispersada por un
material al incidir sobre él un haz de luz monocromático. Una pequeña porción de la
luz es dispersada inelásticamente experimentando ligeros cambios de frecuencia que
son característicos del material analizado e independientes de la frecuencia de la luz
incidente. Se trata de una técnica de análisis que se realiza directamente sobre el
material a analizar sin necesitar éste ningún tipo de preparación especial y que no
conlleva ninguna alteración de la superficie sobre la que se realiza el análisis, es decir,
es no-destructiva.
4.5.1 Breve descripción del efecto Raman
34
El fenómeno conocido como efecto Raman fue descrito por el físico indio
Chandrasekhara Venkata Raman en el año 1928, lo que le supuso la obtención del
premio Nobel de física en 1930. Este científico dio nombre al fenómeno inelástico de
dispersión de la luz que permite el estudio de rotaciones y vibraciones moleculares.
Sus estudios sobre este fenómeno se inspiraron en los trabajos realizados
anteriormente por Rayleigh. A diferencia de Rayleigh que afirmaba que el color azul
del mar no es más que el azul del cielo visto en reflexión, Raman realizó un
experimento sencillo mediante el que pudo demostrar que el color azul del agua
procedía de un fenómeno propio, posteriormente explicado como la dispersión de la
luz debido a su interacción con las moléculas del agua. En 1923, mientras estudiaba
la dispersión de la luz en el agua y en alcoholes purificados, uno de sus alumnos
observó un cambio de color en un rayo de luz solar al ser filtrado y atravesar el y su
equipo no fueron capaces de eliminar este efecto y por tanto sospecharon que el
fenómeno era una propiedad característica de la sustancia. Tras realizar diversos
estudios durante los cinco años siguientes, Raman y su discípulo Krishnan, publicaron
el famoso artículo en la revista Nature en 1928, en el que describieron este nuevo tipo
de radiación secundaria.
El análisis mediante espectroscopia Raman se basa en hacer incidir un haz de luz
monocromática de frecuencia 𝑣0 sobre una muestra cuyas características
moleculares se desean determinar, y examinar la luz dispersada por dicha muestra.
La mayor parte de la luz dispersada presenta la misma frecuencia que la luz incidente
pero una fracción muy pequeña presenta un cambio frecuencial, resultado de la
interacción de la luz con la materia. La luz que mantiene la misma frecuencia 𝑣0que
la luz incidente se conoce como dispersión Rayleigh y no aporta ninguna información
sobre la composición de la muestra analizada. La luz dispersada que presenta
frecuencias distintas a la de la radiación incidente, es la que proporciona información
35
sobre la composición molecular de la muestra y es la que se conoce como dispersión
Raman. Las nuevas frecuencias, +𝑣𝑟 y -𝑣𝑟, son las frecuencias Raman, características
de la naturaleza química y el estado físico de la muestra e independientes de la
radiación incidente.
Las variaciones de frecuencia observadas en el fenómeno de dispersión Raman, son
equivalentes a variaciones de energía. Los iones y átomos enlazados químicamente
para formar moléculas y redes cristalinas, están sometidos a constantes movimientos
vibracionales y rotacionales; estas oscilaciones se realizan a frecuencias bien
determinadas en función de la masa de las partículas que intervienen y del
comportamiento dinámico de los enlaces existentes. A cada uno de los movimientos
vibracionales y rotacionales de la molécula le corresponderá un valor determinado de
la energía molecular. Un diagrama energético en el que cada estado de energía se
representa por una línea horizontal se muestra en la figura 6.
Figura 6
Nota: Diagrama energético en el que las líneas horizontales representan distintos
estados vibracionales y en el que se muestran las transiciones entre estados
36
energéticos para diferentes interacciones luz-materia. Tomado de Procesado y
optimización de espectros Raman mediante técnicas de lógica difusa: aplicación a la
identificación de materiales pictóricos. (p. 12). Pérez Pueyo, R., (2005). Universitat
Politècnica de Catalunya.
Cuando los fotones del haz de luz incidente, con energía h𝑣0 (donde h es la constante
de Plank) mucho mayor a la diferencia de energía entre dos niveles vibracionales (o
rotacionales) de la molécula, chocan con ella, la mayor parte la atraviesan pero una
pequeña fracción son dispersados (del orden de 1 fotón dispersado por cada 1011
incidentes). Esta dispersión puede ser interpretada como el proceso siguiente: el fotón
incidente lleva a la molécula transitoriamente a un nivel de energía vibracional (o
rotacional) superior no permitido, el cual abandona rápidamente para pasar a uno de
los niveles de energía permitidos emitiendo un fotón; la frecuencia a la cual es liberado
este fotón dependerá del salto energético realizado por la molécula.
Pueden distinguirse los siguientes casos:
Si el resultado de la interacción fotón-molécula es un fotón dispersado a la misma
frecuencia que el fotón incidente, se dice que el choque es elástico ya que ni el
fotón ni la molécula sufren variaciones en su estado energético; la molécula vuelve
al mismo nivel de energía que tenía antes del choque y el fotón dispersado tiene
la misma frecuencia 𝑣0 que el incidente, dando lugar a la dispersión Rayleigh;
Si el resultado de la interacción fotón-molécula es un fotón dispersado a una
frecuencia distinta de la incidente, se dice que el choque es inelástico (existe
37
transferencia de energía entre la molécula y el fotón); en este caso pueden darse
dos fenómenos:
- si el fotón dispersado tiene una frecuencia menor a la del incidente, se
produce una transferencia de energía del fotón a la molécula que,
después de saltar al estado de energía no permitido, vuelve a uno
permitido mayor al que tenía inicialmente; el fotón es dispersado con
frecuencia 𝑣0-𝑣𝑟 y se produce la dispersión Raman Stokes;
- si el fotón dispersado tiene una frecuencia mayor a la del incidente, se
produce una transferencia de energía de la molécula al fotón; esto significa
que la molécula, inicialmente antes del choque no se encontraba en su
estado vibracional fundamental sino en uno de mayor energía y después
del choque pasa a este estado; el fotón es dispersado con frecuencia 𝑣0+𝑣𝑟
y se produce la dispersión Raman anti-Stokes.
Cada material tendrá un conjunto de valores 𝑣𝑟 característicos de su estructura
poliatómica y de la naturaleza de los enlaces químicos que la forman.
El espectro Raman recoge estos fenómenos representando la intensidad óptica
dispersada en función del número de onda normalizado Ʋ al que se produce. El
número de onda normalizado es una magnitud proporcional a la frecuencia e
inversamente proporcional a la longitud de onda, que se expresa en cm-1:
= / c = 1 / [cm-1]
38
Como se observa en la figura 7, el espectro Raman está formado por una banda
principal o Rayleigh y dos series de bandas secundarias correspondientes a las
bandas Raman Stokes y anti-Stokes, situadas simétricamente a ambos lados de la
banda Rayleigh.
Figura 7
Nota: Bandas Rayleigh, Raman Stokes y Raman anti-Stokes. Tomado de Procesado
y optimización de espectros Raman mediante técnicas de lógica difusa: aplicación a
la identificación de materiales pictóricos. (p. 14). Pérez Pueyo, R., (2005). Universitat
Politècnica de Catalunya.
Es importante resaltar que el desplazamiento de las frecuencias Raman respecto a la
frecuencia incidente 𝑣0 es independiente de esta última (figura 8), y por ello suele
tomarse como abcisa para representar los espectros Raman este desplazamiento,
situando el centro de la banda Rayleigh como origen del eje. Así, en el eje de abcisas
en realidad aparecerá la diferencia entre la frecuencia Raman y la de excitación del
láser, normalizada respecto a la velocidad de la luz:
39
= ( - 0) / c [cm-1]
Figura 8
Nota: Espectros del amarillo ternario obtenidos con láser rojo y láser verde en los que
vemos que las bandas Raman aparecen en las mismas posiciones frecuenciales en
ambos casos. Tomado de Procesado y optimización de espectros Raman mediante
técnicas de lógica difusa: aplicación a la identificación de materiales pictóricos. (p.
14). Pérez Pueyo, R., (2005). Universitat Politècnica de Catalunya.
A temperatura ambiente, según la ley de distribución de energías de Maxwell-
Boltzman, el 99% de las moléculas se encuentra en el estado vibracional de menor
energía, y por tanto, la probabilidad de que ocurran transferencias de energía que den
lugar a la dispersión Raman Stokes es mucho mayor que la de la dispersión Raman
anti-Stokes. Esto se traduce en que la intensidad de la dispersión Raman Stokes
es del orden de 100 veces superior a la de la dispersión Raman anti-Stokes. La
40
diferencia entre la intensidad del efecto Stokes y el anti-Stokes hace que
habitualmente se trabaje midiendo sólo el efecto Stokes y por comodidad se sitúa el
resultado en la parte positiva del eje (figura 9).
Figura 9
Nota: Espectro Raman habitual, compuesto por las bandas Raman Stokes. Tomado
de Procesado y optimización de espectros Raman mediante técnicas de lógica difusa:
aplicación a la identificación de materiales pictóricos. (p. 15). Pérez Pueyo, R., (2005).
Universitat Politècnica de Catalunya.
En ocasiones, debido a la naturaleza química del material que se analiza, unido al
efecto Raman se produce un efecto de fluorescencia (fenómeno de absorción de luz)
que puede llegar a enmascarar las bandas Raman; en estos casos, podría resultar de
interés medir el espectro anti-Stokes ya que a estas frecuencias, aunque el efecto
Raman es más débil, también lo es el efecto de la fluorescencia y pueden aparecer
bandas Raman en la parte anti-Stokes del espectro, que se encuentran
enmascaradas en la parte Stokes.
41
5. DESCRIPCIÓN DE LAS LABORES Y/O ACTIVIDADES DESARROLLADAS DURANTE
LAS PASANTIAS
5.1 cronograma de actividades
Tabla 3
Cronograma de actividades
CRONOGRAMA
Mese / actividad 1 2 3 4 5 6
Revisión bibliográfica y elaboración conceptual del tema x
Familiarización con el laboratorio o área de investigación
en la Pontificia Universidad Javeriana
x
Asistir a exposiciones, ponencias y avances de tesis de
estudiantes de maestría y pregrado relacionados con el
tema.
x
Diseño de dispositivo x
Construcción de prototipo de dispositivo x x
Prueba de colección de partículas x
Retroalimentación y Ajustes del diseño y construcción
del dispositivo
x x
Construcción del dispositivo final
42
Colección de material particulado x
Medición de tamaño de material partícula mediante
microscopia óptica de luz y electrónica
x
Análisis de los resultados obtenidos x x
5.2 Revisión bibliográfica y elaboración conceptual del tema
Para el punto de partida y posterior elaboración del siguiente trabajo, se tuvo en
cuenta la necesidad de realizar una investigación bajo no solo un concepto, sino que
a su vez tuviera un impacto real en investigaciones desarrolladas con el medio
ambiente, involucrando algunas de las más importantes instituciones que desarrollan
este tipo de investigaciones ambientales como lo son: Universidad Pontificia
Javeriana, Minciencias, la CAR (Corporaciones Autónomas Regionales) y el Sena
(servicio nacional de aprendizaje). Así se concretó el tema relacionado con el material
particulado específicamente el que se produce por la quema de combustibles fósiles,
teniendo esto claro se procedió a acotar el tema, los pasos a seguir y revisión de los
materiales necesarios para la investigación, con lo anterior delimitado finalmente se
llegó a la definición del nombre puntual del tema, se direccionó el rumbo de la
investigación de lo que se quería hacer, cómo hacerlo y lo que se quería lograr, con
estos tres ítems se dio inicio a la búsqueda del material bibliográfico necesario.
5.3 Familiarización con el laboratorio o área de investigación en la Pontificia
43
Se realizaron una serie de visitas con la guía y supervisión del profesor antes de
empezar el trabajo esto con el fin de conocer el área de trabajo disponible para esta
investigación, los materiales necesarios que se utilizaran los cuales ya estaban
previsto con anterioridad y finalmente las normas de seguridad tan necesarias para
poder empezar a trabajar y para el uso adecuado del laboratorio, así evitar en lo más
posible cualquier calamidad que se pueda presentar.
5.4 Asistir a exposiciones, ponencias y avances de tesis de estudiantes de maestría
y pregrado relacionados con el tema.
Con el fin de conocer el contexto en el cual se iba a empezar a trabajar y tener una
idea más clara de todo lo que implica una investigación científica colaborativa, se
asistió una serie de exposiciones donde se mostraban los diferentes avances que
tenían compañeros los cuales pertenecían o al mismo grupo de investigación o
realizan investigaciones similares, estos avances mostraban los diferentes proyectos
que se están desarrollando, todos relacionados con el tratamiento de material
particulado, ampliando mucho más el conocimiento y la importancia de la ciencia en
el tratamiento de estos temas.
5.5 Diseño de dispositivo
El diseño del prototipo se basó en un dispositivo ya realizado y publicado en un
artículo de investigación: ”(Todorović y Zdravkovski, 2001, p.97.)”, por lo tanto la
geometría que tiene el prototipo ya ha sido utilizada antes para pruebas similares a
las que se realizaron en este trabajo, así como primera medida se procedió a realizar
44
un prototipo con el mismo diseño y medidas en un material el cual fuera didáctico y
de fácil uso, para esto inicialmente se realizaron los planos (ver planos del dispositivo
– figura 10 y 11) correspondientes del dispositivo con el fin de facilitar su construcción
y concretar su diseño final.
Figura 10
Planos de la trampa prototipo
Nota: planos para la construcción un prototipo de prueba en cartón paja, todas la
medidas están en cm.
Figura 11
Tapa inferior y barreras
45
Nota: en la figura se puede notar las medidas y la forma de lo que es la tapa inferior
del dispositivo (a) y las barreras de contacto (b).
5.6 Construcción de prototipo de dispositivo
Para la realización del dispositivo y su construcción final, primero se construyó un
dispositivo tal como ya se había mencionado en un material de fácil uso, el cual para
este caso específico fue el material conocido como cartón paja, para este primer
prototipo de prueba se siguieron los planos posteriormente realizados, se cortaron las
plantillas, se pintaron con varias capas de tempera de color negro para darle más
dureza y consistencia al material y se procedió a armar el dispositivo. Con el fin de
simular el material con el que se construirá el dispositivo final se cubrió todas las
paredes internas de este primer prototipo de prueba con papel aluminio, ya que son
las superficies que tendrán contacto con el material particulado expulsado por el motor
diésel. Con esto se pretende visualizar con claridad cómo construir el dispositivo final
con el material escogido, como funciona la geometría del dispositivo y disponer este
primer prototipo de prueba a la realización de las primeras pruebas de colección de
material particulado reales.
46
Figura 12
Vista en 3D del interior del primer prototipo de la trampa
47
5.7 Prueba de colección de partículas
La realización de la primera prueba para colectar partículas y analizar el
funcionamiento de la geometría de la trampa prototipo hecha en cartón paja, como
segunda medida se dispuso de un motor diésel en un lugar abierto ya que la
combustión de este producía bastante humo, como tercera medida esta prueba se
realizó con un filtro para cafetera para observar el resultado final y como terminaba el
filtro después de esta, y como última medida esta prueba se realizó con un tiempo
determinado que fue de 30 minutos.
Figura 13
Primera prueba 1
En la imagen se observa
la primera prueba de
recolecta de material
particulado, en la cual el
dispositivo se encuentra
en la salida del escape
del motor.
48
Figura 14
Primera prueba 2
En esta imagen se ve con claridad cómo termina
el prototipo después de la primera prueba, se
observa el notable deterioro que sufre el papel
aluminio en el embudo de la entrada y la mancha
de hollín en sus bordes.
Figura 15
Primera prueba 3
Al final de la primera prueba el filtro de
cafetera quedo con un tomo amarillo muy
visible, lo cual nos permite confirmar que
el humo expulsado del motor si llega hasta
el filtro de prueba.
Figura 16
Primera prueba 4
Al realizar una serie de pruebas, el primer
dispositivo prototipo sufrio un deterioro casi
total como se ve en la imagen, la cual lo
dejo inservible para realizar mas pruebas.
49
5.8 Retroalimentación y Ajustes del diseño para la construcción del dispositivo
Después de realizadas las pruebas de recolectar del material particulado con el primer
dispositivo prototipo, hecho de un material didáctico, se procedió a realizar la
respectiva retroalimentación del funcionamiento de este prototipo, sus errores y sus
posibles fallas en el dispositivo final. Posteriormente se revisan los ajustes los cuales
fueron muy evidentes y necesarios para la construcción del dispositivo final, ya que el
material escogido para esto requiere para su manejo herramienta especializada,
algunos de estos ajustes se realizaron en las medidas de las pestañas de las barreras
de contacto y en dos de las caras paralelas a las cuales se les añade dos pestañas
para darle espacio a la tornillería que lleva el dispositivo, el interior y la geometría
quedan igual no sufrieron ninguna modificación ya que en las primeras pruebas
cumplieron con el objetivo.
5.9 Construcción del dispositivo final
Para la elaboración del dispositivo final se escogió en un material inerte y de bastante
resistencia, el material escogido fue el acero inoxidable calibre 22, ya que este
material no presenta ningún daño al ser expuesto a la expulsión de gases y material
particulado de un motor diésel, además de la lámina de acero inoxidable los
materiales utilizados fueron: tornillos autoperforantes, broches zincados, empaque
para ventana.
La construcción básicamente se hace en cuatro procesos; el proceso de corte (ver
figura 17) del dispositivo se llevó acabo en un taller con toda la herramienta necesaria
y bajo la supervisión de una persona especialista en el tema y siguiendo todos los
50
parámetros ya establecidos en la retroalimentación y ajustes del primer diseño, al
igual que el doblado de la lámina, pulido de las piezas cortadas y finalmente perforado
de la lámina y atornillado ( ver figura 18 – 19 - 20), el dispositivo final se diseñó y se
construyó con el propósito de que recogiera la mayor cantidad de material particulado
posible en un intervalo de tiempo, y además que fuera completamente desarmable,
así después de cada prueba se pudiera desarmar y realizarle el respectivo lavado y
secado para que no afectara las siguientes recolectas.
Figura 17
Cortes de las piezas
51
Figura 18
Doblaje de las láminas cortadas
52
Figura 19
Pulido de las piezas
53
Figura 20
Perforado y atornillado de las piezas
5.10 Colección de material particulado
Finalmente para la funcionalidad del prototipo final se tuvo en cuenta varias
consideraciones como: las características del motor diésel que se escogió
específicamente para este trabajo (aclarando que la trampa funciona para cualquier
tipo de motor de combustión interna) y por qué se escogió este motor, las
características de los filtros utilizados y los intervalos de tiempo los cuales fueron de
30 minutos por recolecta.
54
Características del motor diésel
Para la colección de del material particulado se utilizó un motor cummins, el cual está
adaptado sobre un banco simulador, que es utilizado para estudios de motores diésel,
este montaje facilita la toma de partículas y se escogió debido a su gran versatilidad
y su amplia presencia en la industria de vehículos de carga.
Tabla 4
Principales características del motor diésel
años de producción
configuración
1998 - 2007
6 cilindros en línea
desplazamiento
orden de disparo
índice de compresión
inyección
aspiración
juego de válvulas
peso
capacidad de aceite
horsepower
torque
359 pulgadas cubicas, 5.9 L
1-5-3-6-2-4
17.2:1
Inyección directa (Bosch high
pressure common rail injection)
Turbo compressor simple
air to air intercooler
Válvulas de escape 0.020”
Válvulas de admisión 0.010”
Aprox. 1,150 lbs
12 qts w/filter
235 – 325 HP a 2,900 rpm
460 – 610 lb-ft a 1,600 rpm
55
Figura 21
Motor escogido para la colecta
Características de los filtros
Se utilizaron filtros técnico-cualitativos de filtración general de la marca Boeco
Gernany, de Grado 3 hw - filtración moderadamente rápida, alta resistencia en
húmedo, liso, los cuales son utilizados para Tareas rutinarias de laboratorio, como
aclaración, preparación analítica de muestras y análisis de partículas.
Tabla 5
Descripción de los filtros
Gramaje
Velocidad de filtración
65 g/m2
10 ml / 20 segundos
Tamaño nominal del poro 8 - 12 µm
56
Diámetro 110 mm
La colecta del material particulado no presento un gran desafío ya que como se
observa en la figura 22, el escape del motor es de fácil acceso, se consideró dejar la
entrada de la trampa junto a la del escape del motor sin dejar espacios con el propósito
de colectar la mayor cantidad de material particulado por intervalo de tiempo, la
siguiente consideración que se tuvo era dejar el motor a una velocidad crucero de
1300 rpm.
Figura 22
Colecta de material particulado
57
5.11 Medición de tamaño de material partícula mediante microscopia óptica de luz
y electrónica
Estos dos procesos lastimosamente no se pudieron realizar debido a “El Decreto 457, de
siete artículos, firmado por el Presidente Iván Duque y los 18 ministros de su gabinete,
establece el Aislamiento Preventivo Obligatorio o cuarentena “de todas las personas
habitantes de la República de Colombia” durante los 19 días, para enfrentar la pandemia
del COVID-19.” Estas medidas de aislamiento obligatorio se fue extendiendo con una
serie de decretos expendidos por el gobierno nacional, debido a que la curva de contagios
siguió ascendiendo de manera exponencial, impidiendo el acceso a laboratorios de las
universidades, por esta razón no fue posible realizar mediciones y el proyecto se dio por
concluido.
5.12 Análisis de los resultados obtenidos
Debido a las causas anteriormente explicadas no se presentas resultados obtenidos en
los procesos de microscopia óptica de luz y microscopia electrónica de barrido o SEM.
6. Conclusiones
58
La importancia de realizar investigaciones científicas sobre el medio ambiente
relacionado con el impacto negativo que tiene el material particulado en la salud
de las personas, la alta mortandad que se presenta a nivel mundial debido a las
diversas enfermedades que se derivan de estas partículas, estas investigaciones
tienen que formar parte de las agendas principales de los gobiernos, ya que esta
problemática que se va incrementando exponencialmente.
Después de realizar distintas pruebas con el dispositivo final, se observó que el
dispositivo si funciona, la geometría que presenta este prototipo así como el
material en el que fue hecho, es apta para este tipo de tareas, aclarando que es
para una recolecta en la cual no se esperar obtener bastante material particulado.
Para futuras recolectas utilizando este prototipo se recomienda filtros mucho más
especializados en este tipo de procesos, con el fin de obtener mejores resultados
en la recolecta, ya que gran parte de este resultado depende de las
características, material y la calidad de los filtros empleados para dicho fin.
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