WO2007104822A1 - Sistema y método de extracción automático de contaminantes atmosféricos gaseosos con propiedades tóxicas, los cuales están retenidos en filtros de espuma de poliuretano (puf). - Google Patents

Sistema y método de extracción automático de contaminantes atmosféricos gaseosos con propiedades tóxicas, los cuales están retenidos en filtros de espuma de poliuretano (puf). Download PDF

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puf
extraction
allows
piston
glass
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Francisco Cereceda Balic
Gabriel Cereceda Balic
Mario Dorochesi Fernandois
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Universidad Técnica Federico Santa María
Barlocci Pennati, Anna
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Definitions

  • the invention relates to an extraction system and method for organic chemical compounds with toxic properties, which are retained in polyurethane foam (PUF) filters, wherein the analytes of interest are gaseous atmospheric pollutants present in ambient air. More specifically, it is described how to extract said chemical compounds, in a mechanical and automatic manner from these filters, in addition to increasing the quality of this analytical procedure.
  • PAF polyurethane foam
  • the problem to be solved is to develop an extraction system for organic chemical compounds with toxic properties such as Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) and Polychlorinated Biphenyls (PCBs), pollutants present in atmospheric gas samples (ambient air).
  • the air samples are composed of a mixture of solid phase, consisting of particulate material (MP) and a gas phase.
  • MP particulate material
  • the air sampling systems collect the samples on different types of filters, being used to retain the gas phase, polyurethane foam (PUF) filters which must be extracted through the use of organic solvents.
  • PAF polyurethane foam
  • the invention is focused on solving the problem of how to extract these filters mechanically and automatically, in addition to increasing the efficiency of extraction of the analytes, as well as the reproducibility and repeatability of the analytical procedure; using a lower volume of solvents and extraction time (cost reduction).
  • the first is an extraction device, which allows the extraction of chemical compounds of interest, using a sequence of organic solvents in which the PUF must be immersed.
  • the extraction process is based on compression and decompression cycles of the PUF using a mechanical-pneumatic piston, assisted by oil-free valves and compressors, regulated by a PLC that allows the desired sequence to be programmed automatically to achieve the highest extraction efficiency .
  • the design of the device includes safety, acoustic and light signals, to indicate the end of the process, as well as filters and eliminators of possible residues that could contaminate the extraction process.
  • This device serves both to prepare the sampling material (PUF) for gases present in atmospheric aerosols, as a process of cleaning the PUFs before being used in the sampling, as well as after this, in order to extract the compounds of interest retained in the filter.
  • the second device complementary to the previous one, consists of an airtight container provided with inlet and outlet valves that allows the clean PUFs to be dried, from the previous process, by dragging the solvent with N 2 ultra pure gas and hot, eliminating the solvent until achieving dryness of the PUF.
  • the cleaning and drying process of the PUF is chromatographically certified and stored in an airtight container, to prevent subsequent contamination.
  • An automatic extraction device which allows to extract the chemical compounds of interest, using a sequence of organic solvents in which the PUF must be immersed, by means of an extraction process that is based on cycles of compression and decompression of the PUF;
  • a drying device that allows the dry PUFs to be dried, from the previous process, by dragging the solvent with ultra pure gas and hot N 2 , removing the solvent until the PUF is dry.
  • the automatic extraction device is composed of: - A mechanical-pneumatic piston;
  • An electrovalve control unit which allows to control the movement of the piston
  • the mechanical-pneumatic piston allows the compression and decompression process to be carried out, this is achieved by means of the compression of ambient air that is carried out by an oil-free Teflon membrane pressure pump, which sends this compressed air through hoses to the quick connection of the piston inlet valve;
  • the lubrication of the piston is achieved with a tiny film of oil that is formed in the piston rod, which comes from an oil tank that allows an air spray to be formed containing small droplets of oil in suspension and to avoid any possible contamination with the oil of the system, two provisions have been implemented, the first is that the teflon fastener that is at the lower end of the piston rod, has a small sealed taper on the upper part, which prevents if a very small drop from the oil film it would detach from the piston rod, it would inevitably be trapped in this taper, thus avoiding contaminating the lower part of the teflon fastening system, however, the two parts that make up the teflon fastener are independent ,
  • the control unit controls a plurality of solenoid valves, which allow the movement of the piston by means of a PLC
  • this digital microprocessor has an LCD screen and allows programming different ways of extracting the PUF by increasing the compression, based on a greater or lesser pressure of the piston controlling the amount of air that is compressed
  • the control unit has a series of electronic elements, such as differentials, acoustic and luminous alarms that indicate the end of an operating sequence, and then allows , determine the pressure times versus pauses, and the total extraction time; allows to use PUF's of different thickness and / or density; It allows additionally compressing the PUF to make it as free as possible of the extraction solvent, among others.
  • the metal support is composed of a cylindrical duralumin support that is screwed to an iron base inserted in a plastic platform, which allows the mechanical-pneumatic piston to be fixed to the cylindrical clamping of the extraction system; in its upper part the cylinder has a clamping screw, which allows to regulate the height where the clamping support of the mechanical-pneumatic piston will finally be; on a metal plate the mechanical-pneumatic piston is screwed and fixed to the cylindrical support, regulation screws allow to regulate the stroke of the piston rod; plastic clamps allow to support the glass container for extraction of PUF, both for its upper part and for its lower part;
  • the plastic clamps are constituted of two parts, the first hugs the cylindrical, with its respective threading butterfly for its fixing and securing and the second hugs the glass container for extracting
  • the glass container for extraction of PUF is constructed of borosilicate glass and has a mouth, through which the PUF is introduced into the extraction system, this mouth is a conical frosted female, which has an upper part, which corresponds to a conical, frosted male, which allows the extraction vessel to be sealed to avoid splashing of the solvent during the extraction; in the same way and to avoid over pressures produced by solvent that has evaporated during the process of compression and expansion of the PUF, the upper part is provided with a Teflon key that can be opened at will during the process; in addition, to incorporate new solvent portions or to change the extraction solvent, the same upper part is provided with a frosted conical female, which has a frosted male conical glass lid, which allows the extraction vessel to be sealed again once the solvent in question has been introduced;
  • a male glass mouth with outer thread allows joining the Teflon piece that serves as a guide to the rod of the compression vane so that it is inserted and moved correctly and vertically through the inside of the body of the glass container for
  • the drying device consists of a PUF drying vessel and an ultra pure hot nitrogen (N 2 ) supply line.
  • the PUF drying container consists of a lid that has an upper part, provided with a fit for coupling with the lower part and a groove to accommodate a silicone o-ring.
  • This o-ring serves to hermetically press a transparent glass that is fitted within the fit of the lid between its upper and lower part and which serves as a window to observe the drying process;
  • the lower part also has a groove to accommodate a silicone o-ring similar to the previous one in form and function;
  • the glass window has in its center a metallic male with inner thread and with "sweglook" outer wire to connect through a "sweglook” nut the hot N 2 line, this allows the N 2 to enter the PUF drying vessel;
  • This N 2 inlet connection is sealed tightly against the glass by means of a locknut which has an outer wire that allows the metal male to be screwed, both pieces are also sealed against the glass by using o-rings of appropriate diameters;
  • the PUF's are placed for their drying process, in a support for PUF, which is
  • the ultra pure hot nitrogen (N 2 ) supply line is composed of a N 2 cylinder that has a predetermined pressure, which is reduced by a 400 kPa (4 bar) secondary pressure gauge, a 400 kPa N 2 pipe (4 bars), reaches an extraction hood and connects to it by means of a thick flow regulation needle valve, which in turn is connected to a fine flow regulation needle valve;
  • the hot N 2 nitrogen supply line is in turn connected and regulated by the valve, the thermostatting of this line is achieved thanks to a blanket provided with electric resistors regulated and controlled by a thermostat, which maintains the temperature of this line about 70 0 C;
  • the support for PUF consists of a first support for PUF of a first diameter which is supported on a metal grid with perforations of 1 cm; the first support is supported on cylindrical legs to separate it from the second support of the same dimensions as the previous one, for PUFs of a second diameter, smaller than the first diameter; This second support is also supported on cylindrical legs to separate it from the bottom of the PUF drying vessel.
  • Another main objective of this invention is to provide an automatic extraction method of gaseous air pollutants (HAPs and PCBs) with toxic properties, which are retained in polyurethane foam (PUF) filters, comprising the steps of:
  • Said mechanical-pneumatic piston allows the compression and decompression process to be performed, this is achieved by means of the compression of ambient air carried out by an oil-free Teflon membrane pressure pump, which sends this compressed air through hoses to the quick connection of the piston inlet valve;
  • the lubrication of the piston is achieved with a tiny film of oil that is formed in the piston rod, which comes from an oil tank that allows an air spray to be formed containing small droplets of oil in suspension and to avoid any possible contamination with the oil of the system, two provisions have been implemented, the first is that the teflon fastener that is at the lower end of the piston rod, has a small sealed taper on the upper part, which prevents if a very small drop of the oil film would come off the piston rod, it would inevitably be trapped in this taper, thus avoiding contaminating the lower part of the Teflon fastening system, however, the two parts that make up the Teflon fastener are independent , so that the impossibility of contamination
  • the control unit controls a plurality of solenoid valves, which allow the movement of the piston by means of a PLC
  • this digital microprocessor has an LCD screen and allows programming different ways of extracting the PUF by increasing the compression, based on a compression greater or lesser pressure of the piston controlling the amount of air that is compressed
  • the control unit has a series of electronic elements, such as differentials, acoustic and light alarms that indicate the end of an operation sequence, and then allows to determine the pressure times versus pauses, and total extraction time; allows to use PUF's of different thickness and / or density; It allows additionally compressing the PUF to make it as free as possible of the extraction solvent, among others.
  • the metal support is composed of a duralumin support cylindrical that is screwed to an iron base inserted in a plastic platform, which allows the mechanical-pneumatic piston to be fixed to the cylindrical clamping of the extraction system; in its upper part the cylinder has a clamping screw, which allows to regulate the height where the clamping support of the mechanical-pneumatic piston will finally be; on a metal plate the mechanical-pneumatic piston is screwed and fixed to the cylindrical support, regulation screws allow to regulate the stroke of the piston rod; plastic clamps allow to support the glass container for extraction of PUF, both for its upper part and for its lower part;
  • the plastic clamps are constituted of two parts, the first hugs the cylindrical, with its respective threading butterfly for its fixing and securing and the second hugs the glass container for extraction of PUF.
  • the glass container for extraction of PUF is constructed of borosilicate glass and has a mouth, through which the PUF is introduced into the extraction system, this mouth is a conical frosted female, which has an upper part, which corresponds to a conical, frosted male, which allows the extraction vessel to be sealed to avoid splashing of the solvent during the extraction; in the same way and to avoid over pressures produced by solvent that has evaporated during the process of compression and expansion of the PUF, the upper part is provided with a Teflon key that can be opened at will during the process; In addition, to incorporate new portions of solvent or to change the extraction solvent, the same upper part is provided with a frosted conical female, which has a frosted male conical glass lid, which allows the extraction vessel to be closed again.
  • a male glass mouth with outer thread allows joining the Teflon piece that serves as a guide to the rod of the compression vane so that it is inserted and moved correctly and vertically through the inside of the body of the glass container for extraction of PUF;
  • the extraction solvent must be removed from the extraction vessel, for which a Teflon wrench is attached to a frosted conical glass male, which allows direct connection to the extraction vessel, of this way when opening the Teflon key, the liquid is poured directly into a balloon Distillation that has a mouth compatible with the measurements of the frosted conical glass male, this glass male, also has an open olive, which allows equalizing pressures during the removal of the extraction solvent from the extraction vessel, thus facilitating the fall of the liquid to the distillation flask.
  • the step to dry the clean PUFs by dragging the solvent with ultra-pure gas and hot N 2 , removing the solvent until the PUF is dry; it is done by a PUF drying vessel; and an ultra pure hot nitrogen (N 2 ) supply line.
  • the PUF drying container consists of a lid that has an upper part, provided with a fit for coupling with the lower part and a groove to accommodate a silicone o-ring.
  • This o-ring serves to hermetically press a transparent glass that is fitted within the fit of the lid between its upper and lower part and which serves as a window to observe the drying process;
  • the lower part also has a groove to accommodate a silicone o-ring similar to the previous one in form and function;
  • the glass window has in its center a metallic male with inner thread and with "sweglook" outer wire to connect through a "sweglook” nut the hot N 2 line, this allows the N 2 to enter the PUF drying vessel;
  • This N 2 inlet connection is sealed tightly against the glass by means of a locknut which has an outer wire that allows the metal male to be screwed, both pieces are also sealed against the glass by using o-rings of appropriate diameters;
  • the PUF's are placed for their drying process, in a support for PUF, which is
  • the supply line of nitrogen (N 2) ultra pure hot comprises a cylinder of N 2 having a predetermined pressure, Ia which is reduced using a secondary manometer at 400 kPa (4 bars), a pipe of N 2 of 400 kPa (4 bars), reaches an extraction hood and connects to it by means of a thick flow regulation needle valve, Ia which in turn is connected to a fine flow regulation needle valve;
  • the hot N 2 nitrogen supply line is in turn connected and regulated by the valve, the thermostatting of this line is achieved thanks to a blanket provided with electric resistors regulated and controlled by a thermostat, which maintains the temperature of this line about 70 0 C;
  • the support for PUF consists of a first support, for PUF of a first diameter which is supported on a metal grid with perforations of 1 cm; the first support is supported on cylindrical legs to separate it from the second support of the same dimensions as the previous one, for PUFs of a second diameter, smaller than the first diameter; This second support is also supported on cylindrical legs to separate it from the bottom of the PUF drying vessel.
  • Automatic extraction equipment can be used interchangeably to extract a PUF from an ambient air sampling, as well as to clean a PUF with traces of contamination from its manufacturing process before using it in a field sampling, such as One way to ensure that the PUF is clean at the time of taking the atmospheric sample.
  • Figure 1A shows a schematic diagram of the automatic extraction system of gaseous atmospheric samples.
  • Figure 1 B shows the automatic extraction system of atmospheric gaseous samples of the invention.
  • Figure 2 shows the clamping system of the glass rod of the compression blade of the automatic extraction system of the invention.
  • Figure 3 shows the duralumin support that allows fixing the mechanical-pneumatic piston to the clamping cylinder of the extraction system of the invention.
  • Figures 4A and 4B show the support system of the arm and support of the pneumatic piston of the extraction system of the invention.
  • Figures 5A and 5B show the clamp for securing the glass body of the extraction system of the invention, in its bottom view and top view, respectively.
  • Figure 6 shows a three-dimensional view of the automatic gaseous atmospheric sample extraction system of the invention.
  • Figure 7 shows a complete three-dimensional view of the glass body of the automatic extraction system of gaseous atmospheric samples of the invention.
  • Figure 8 shows an arrangement of the components of the PUF drying system to be used in the collection of gaseous atmospheric samples of the invention.
  • Figure 9 shows the PUF drying system armed with all its components.
  • Figure 10 shows a cross section of the extraction vessel for PUF's.
  • Figure 11 shows schematically the drying system of the PUF.
  • Figure 12 shows schematically the exploded view of the PUF drying vessel.
  • Figure 13 shows a cross section of the exploded view of the PUF drying vessel.
  • Figure 14A and 14B shows the exploded view of the support for PUF.
  • Figure 15A and 15B show respectively, the drying vessel for PUF in an isometric view and the same closed container.
  • the automatic extraction system of gaseous atmospheric pollutants (PAHs and PCBs) retained on PUF consists in the development of a system comprising two devices with complementary functions.
  • the first is an extraction device, which allows the extraction of chemical compounds of interest, using a sequence of organic solvents in which the PUF must be immersed.
  • This consists of an automatic extraction system for chemical compounds at trace level, contaminants present in atmospheric gas samples (ambient air).
  • the second device complementary to the previous one is a drying device of the PUF, which consists of an airtight container provided with inlet and outlet valves that allows to dry the clean PUFs, from the previous process, by dragging the solvent with ultra-pure N 2 gas and heat, removing the solvent until the PUF is dry.
  • the cleaning and drying process of the PUF is chromatographically certified and stored in an airtight container, to prevent subsequent contamination.
  • the extraction system (100) is based on the action of a mechanical-pneumatic piston (105) that uses compressed air for its operation, for which an outlet hose (001) conducts pressurized air to a piston (105) entering through an inlet valve (302). The return of the air, exits through an outlet valve (303) and is directed by means of a hose to the inlet (002) in a control unit (003).
  • the compressed air is mixed by an oil-free Teflon membrane pressure pump (005), with a minimum part of oil, in a device (004).
  • the air thus prepared is transported to a solenoid valve (which is not shown), which is connected to the outlet hose (001) in the direction of the piston (105).
  • the control unit (003) of the solenoid valves, which allow the Piston movement, is carried out by means of the help of a PLC (which is not shown), this digital microprocessor has an LCD screen and allows programming different ways of extracting the PUF by increasing the compression, based on a greater or lesser pressure of the piston controlling the amount of air that is compressed.
  • the control unit (003) has a series of electronic elements, such as differentials, acoustic and light alarms that indicate the end of an operating sequence, etc.
  • the residual air that is discarded once it has passed through the piston (105) leaves the control unit (003) through a hose (006) and reaches an oil trap (007).
  • This removable and washable trap (007) is connected to an outlet hose (008), so as to finally and definitively remove the compressed residual air from the system to the outside, thus avoiding that contaminated air remains inside the laboratory where the PUF extraction system is used.
  • Figure 1 B shows an exploded view of the extraction device (100), which is composed of a duralumin vertical cylindrical support (101) that is screwed to an iron base (115) inserted in a plastic platform (which is not it shows).
  • the cylindrical support (101) has a clamping screw (102), which allows regulating the height where a clamping support (103) of the mechanical-pneumatic piston (105) will finally be.
  • a clamping screw (103) On a metal plate (104) the mechanical-pneumatic piston (105) is screwed and fixed to the cylindrical support (101), some adjustment screws (302, 303) allow regulating the stroke of the piston rod (106) of the piston (105).
  • a glass container for the extraction of PUF (111) has a male glass element with thread, in which a Teflon adapter (109) is connected, which serves as a guide for the correct and vertical entry of the compression paddle of glass (108) inside the extraction vessel (111).
  • the glass container for extraction of PUF (111) is attached to the duralumin cylindrical support (101) by means of two plastic clamps (110, 112) covered inside with cork sheets and provided with butterflies with thread for fixing and securing .
  • the extraction vessel (111) has a male glass element at its end Frosted conical (908) (see figure 8), NS29 / 32, which allows to connect, directly to the extraction vessel, a distillation balloon (114) that has a frosted female conical glass mouth (113), NS29 / 32.
  • FIG. 2A shows that the teflon fastener (107) is composed of two parts, the upper part (107A) having a female thread in the upper cylindrical part, where the rod end (106) of the piston (105) is screwed , and a male thread in the lower part, which ends at a conical end with small flexible openings that can be closed when the lower part (107B) is screwed.
  • the latter has a female thread in the cylindrical part, the rest of the cylinder houses the conical end of the upper part (107A).
  • the rod of the glass compression blade (108) (see figure 10) is pressed by this clamping system, preventing it from slipping during the mechanical actuation of the pneumatic piston (105).
  • the Teflon adapter (109) serves as a guide to allow the rod of the compression vane (108) to be inserted correctly and vertically into the glass container for extraction of PUF (111) (see figures 6, 7, 8 and 10).
  • Figure 2B shows the teflon clamp (107) closed and the rod (106) of the piston (105) connected in the upper part of the teflon clamp (107).
  • FIG 3 the pneumatic piston (105) is shown in detail.
  • the metal support (104) supports an aluminum plate (301) that allows the piston (105) to be fastened by means of a screw (304).
  • the action of the pneumatic piston (105) allows to perform the compression and decompression procedure on which the developed extraction method is based, this is achieved by means of the compression of ambient air that a Teflon membrane pressure pump performs, free of oil (005), which sends this compressed air through Tygon hoses of diameters of 1 cm (001, 002) to the quick connection of the inlet valve in the piston (302).
  • the lubrication of the piston is achieved with a tiny film of oil that forms in the piston rod, which comes from an oil tank (004) that allows an air spray to be formed containing small droplets of suspended oil, this allows the lubrication of the piston.
  • the teflon clamp (107) that is at the lower end of the rod (106) of the piston (105), has, in the upper part (107A), a small sealed taper, which would prevent that if a tiny drop of the oil film is detached from the piston rod (106), it would inevitably become trapped in this taper, thus avoiding contaminating the lower part of the Teflon clamping system (107B).
  • the two parts that make up the teflon fastener (107), are independent, so that the impossibility of contamination by this route is ensured, preventing the rod of the glass compression blade (108) acting on the PUF's could get contaminated in some accidental way; and the second consists of an oil trap (007) that is at the end of the hose (006) that joins the quick connection of the compressed air outlet valve (303) of the piston (105), with the trap (007) .
  • This removable and washable oil trap (007) is connected to an outlet to which a hose (008) can be connected to finally and definitively remove the compressed residual air from the system to the outside.
  • the entire control system (003) of the solenoid valves (not shown) that allow the movement of the piston is carried out by means of the help of a PLC
  • this digital microprocessor has an LCD screen and allows programming different ways of extracting the PUF by increasing the compression, based on a greater or lesser pressure of the piston controlling the amount of air that is compressed.
  • the pneumatic piston has a regulation screw at the inlet (305) and at the outlet (306) of the pressurized air, with these screws the stroke of the piston rod (106) can be mechanically regulated and in this way to adapt the container glass for extraction of PUF (111) to different characteristics of PUF (different sizes and densities); at different volumes of extraction solvents, as well as at different extraction procedures.
  • the control system allows to determine the pressure times versus pauses, and the total extraction time; allows to use PUF's of different thickness and / or density; allows additional compression of the PUF to make it more free possible solvent extraction, among others. All this set of automated actions allows, among other things, to significantly increase the possibility of optimizing the extraction procedure, taking into account parameters such as compression and decompression frequency, extraction program, reproducibility, repeatability, quantity and sequence of solvents and polarities, in a systematic and friendly way.
  • Figure 4A shows a top view of the metal support (104) that allows fixing the mechanical-pneumatic piston (105) to the cylindrical support (101) of the extraction system (100).
  • Figure 4B shows a bottom view of the metal support (104) that allows fixing the mechanical-pneumatic piston (105) to the cylindrical support (101) of the extraction system (100) assembling in this way.
  • Figure 5A shows a bottom view of the plastic clamps (110,112) for supporting the glass container for extraction of PUF (111), both at its top and bottom;
  • the plastic clamps (110,112) are constituted of two parts, the first hugs the cylindrical (101), with its respective threading butterfly for its fixing and securing and the second hugs the glass container for extraction of PUF (111).
  • Figure 5B shows a top view of the plastic clamps (110,112), where you can also identify the metal coating that has the first clamp that is used for fastening to the cylindrical support (101).
  • FIG 8 and 9 describe the glass container for extraction of PUF (111) which is constructed of borosilicate glass and has a mouth (905), whereby the PUF is introduced into the extraction system, this mouth (905) is a frosted conical female NS64 / 46, which has an upper part (904), which corresponds to a conical, frosted male NS64 / 46, which allows the extraction vessel (111) to be closed tightly to avoid solvent spattering during the extraction.
  • the upper part (904) is provided with a 2NS14 Teflon wrench (902) that can be opened at will during the process, thus avoiding this problem.
  • the same upper part (904) is provided with a frosted conical female (903A), NS14 / 23, which has a frosted male conical glass lid (903B) , NS 14/23, which allows the extraction vessel (111) to be closed again once the solvent in question has been introduced.
  • the male glass mouth with outer thread (901) allows joining the Teflon piece (109) that serves as a guide to the rod of the compression vane (108) so that it is inserted and moves correctly and vertically through the inside of the body (906) of the glass container for extraction of PUF (111).
  • the extraction solvent must be removed from the extraction vessel, for which a 2NS14 Teflon wrench (907) attached to a frosted conical glass male (908), NS29 / 32 is available , which allows a distillation balloon (114) to be connected directly to the extraction vessel, which has a frosted female conical glass mouth (113), NS29 / 32.
  • a 2NS14 Teflon wrench (907) attached to a frosted conical glass male (908), NS29 / 32 is available , which allows a distillation balloon (114) to be connected directly to the extraction vessel, which has a frosted female conical glass mouth (113), NS29 / 32.
  • the Teflon key (907) the liquid is poured directly into the distillation balloon (114), without having to transfer it to another different container, allowing said distillation balloon (114) to be used. directly in a rotary evaporator (not shown) for the consequent removal of the solvent until almost dryness.
  • the distillation balls usually occupied in this process are of different volumes (100, 250 or 500 ml), depending on the volume of final extraction, the only restriction is that all have a mouth compatible with the measurements of the ground glass conical glass (908 ).
  • the glass male (908) also has an open olive (911), which allows equalizing pressures during the removal of the extraction solvent from the extraction vessel (111), thus facilitating the drop of the liquid into the distillation balloon (909).
  • an oil-free vacuum pump (911) can be connected to the open olive (911) Empty for a few minutes.
  • Figure 10 shows a cross-section of the extraction vessel (111), where the piston rod (106A) is shown as fixed by its upper part (107A) and by its lower part (107B) the rod of the compression paddle (108). It can also be seen, the Teflon adapter (109) that serves as a guide for the correct and vertical entry of the Teflon compression paddle (108) into the extraction vessel (111).
  • This figure also shows the position of the PUF (1001) and the compression vane (108), whose bottom part has a flat compression surface (1002), circular in shape, 5 cm in diameter and made of glass Borosilicate
  • This vane (108) has a series of perforations that allow, on the one hand to compress the PUF (1001) and on the other hand to allow the extraction solvent to drain each time said PUF (1001) is compressed.
  • the extraction solvent is placed, which must flood the PUF (1001) completely, so that the polyurethane foam of the PUF (1001) is completely soaked in the selected solvent.
  • the vane (108) will be pressing the PUF strongly, by means of the regulation of the piston stroke, as described in Figure 2, so that the time necessary for remaining in this position remains in this position. that the maximum of the extraction solvent was removed, leaving the PUF (1001) without solvent residues.
  • FIG 11 shows schematically the drying system of the PUF.
  • the drying container of the PUF (1101) must be connected to a nitrogen line (N 2) hot (1102) whose quality is ultra pure grade.
  • the gas supply arrives from a cylinder of N 2 (1109) that has a predetermined pressure, which is reduced by means of a secondary pressure gauge to 4 bars (not shown).
  • the 4-bar N 2 pipe reaches an extraction hood (1103) and is connected to it by a thick flow regulation needle valve (1106), which in turn is connected to a regulation needle valve fine flow (1105).
  • the hot N 2 line (1102) is in turn connected and regulated by the valve (1105), the thermostatting of this line is achieved thanks to a blanket provided with electrical resistances regulated and controlled by a thermostat (not shown) , which maintains the temperature of this line at approximately 7O 0 C.
  • the drying of the PUF (1001) is achieved by the process of dragging by N 2 of the residual solvent that has been retained in the PUF, the heating of the N 2 helps The evaporation of the solvent reducing the drying time significantly.
  • the N 2 that has passed through the PUF (1001) is eliminated by a regulating valve (1107) through a hose (1108) inside the extraction hood (1103).
  • FIG 12A schematically shows the exploded view of the PUF drying vessel (1101).
  • This drying container consists of a lid that has an upper part (1201), provided with a fit for coupling with the lower part (1206) and a groove to accommodate a silicone o-ring (1202).
  • This o-ring (1202) serves to hermetically press a transparent glass of 5 mm (1204) that is fitted within the cover of the lid between its upper part (1201) and lower (1206) and which serves as a window to observe the process drying
  • the lower part (1206) also has a groove to accommodate a silicone o-ring (1205) similar to the previous one in form and function.
  • the glass window (1204) has in its center a metallic male (1203A) with inner wire and with "sweglook” outer wire to connect through a "sweglook” nut the hot N 2 line (1102), this allows the N 2 Enter the PUF drying vessel (1101).
  • This N 2 inlet connection is sealed tightly against the glass (1204) by means of a locknut (1203B) which has an outer wire that allows the metallic male (1203A) to be screwed.
  • Both pieces (1203A and 1203B) are also sealed against the glass by using o-rings of appropriate diameters (1210A and 1210B).
  • the PUF's are placed for their drying procedure, in a support for PUF (1207), the description of which is detailed in Figure 13.
  • This support is placed inside the lower part (1208) of the PUF drying container (1101), called container body.
  • the lid and the body of the container are joined together by metal clips (1209), which can be adjusted to achieve maximum tightening, so as to achieve the tightness of the PUF drying container (1101).
  • N 2 In the lower part of the body of the container (1208) there is an exit of N 2 that consists of a set of pieces similar to those described above for the female and male parts 1203A and 1203B, both are again sealed by the use of o-rings of appropriate diameters (1210A and 1210B) identical to each other.
  • FIG. 13 shows a cross section of the exploded view of the PUF drying vessel (1101).
  • the upper and lower part of the lid of the PUF drying container (1101) can be seen in detail, which has an upper part (1201), provided with a fitting for coupling with the lower part (1206) and a groove to house a silicone o-ring (1202).
  • This o-ring (1202) serves to tightly press a transparent glass of 5 mm (1204) that is fitted within the fit of the lid between its upper part (1201) and lower (1206) and that serves as a window to observe the process drying
  • the lower part (1206) also has a groove to accommodate a silicone o-ring (1205) similar to the previous one in form and function.
  • Figure 13 also shows the details of the connection system of the drying vessel (1101) to the hot N 2 , which is achieved by means of a metal male (1203A) and its respective locknut (1203B), as well as the tight fitting to The glass window (1204) through the use of silicone o-rings (1210A and 1210B) placed in the upper and lower part of the N 2 inlet (1203A and 1203B).
  • the support for PUF (1207), where the PUF's are placed for their drying process consists of a first support (1301), for 15 cm diameter PUF (1302) which is supported on a metal grid with perforations of 1 cm (1302).
  • the support (1301) is supported on cylindrical legs of 2 cm (1305) to separate it from the second support of the same dimensions as the previous one (1301), for PUFs of 5 cm in diameter (1304).
  • This second support (1301) is also supported on 2 cm cylindrical legs (1305) to separate it from the bottom of the PUF drying vessel (1208).
  • the bottom of the container (1208) has an N 2 outlet that consists exactly of the same set of parts (1203A and 1203B) and o-rings (1210A and 1210B), described above.
  • the container (1208) is left airtight and with the possibility of connecting a needle valve (120 not shown) on the bottom of the lock nut (1203B) that allows to regulate the outflow of N 2 , towards the outside of the PUF drying vessel (1101).
  • Figure 14A and 14B show the exploded view of the support for PUF (1207), where the PUF's are placed for drying, in the figure the first support (1301) can be seen, for PUF 15 cm in diameter (1303 ) and the second support for 5 cm diameter PUF (1301).
  • This second support (1301) allows accommodating up to 6 PUFs of 5 cm diameter (1304), thus allowing to optimize the drying process, saving time and reducing the amount of N 2, whichever results in a lower operating cost.
  • an extra support (1301) with the appropriate diameter for 15 cm diameter PUF (1302), can be placed on the second support (1302), whereby the same PUF drying procedure (1304) can be used. , for drying the PUF (1302), in this way the use of the drying container for PUF (1101) is further optimized.
  • Figure 15A and 15B show respectively, the PUF drying container (1101) in an isometric view and the same container (1101) closed. In this way it is used to dry the PUF's either the size corresponding to 5 cm in diameter (1301) and / or those 15 cm in diameter (1303).
  • the automatic extraction equipment can be used interchangeably to extract a PUF from an ambient air sample, as well as to clean a PUF with traces of contamination from its manufacturing process before using it in a field sampling, as a way to ensure that the PUF is clean at the time of taking the atmospheric sample.
  • the result of this procedure is certified by a chromatographic analysis.
  • PUFs are marketed with a large amount of contaminants from their manufacturing process. This contamination is so important that the PUF, thus used (dirty), is not in a position to be used as an adsorbent filter in the sampling of atmospheric aerosols, in particular to retain organic chemical compounds in the gas phase, present in this type of samples. In this way, the PUF must be decontaminated before being used for this purpose, in other words it must be cleaned and its cleaning must be certified by chromatographic techniques that ensure that there are no substances that prevent a good interpretation of the chromatograms of the real samples. once these are extracted to identify and quantify the analytes of interest.
  • the developed invention consists precisely of an automatic system for extracting PUF (100), which can be used interchangeably, for the process of cleaning and / or extracting PUF.
  • PUF For the PUF cleaning procedure prior to its use under monitoring conditions, it is cleaned using a sequence of extraction solvents, for 4 periods of 15 minutes each. Each period consists of 3 cycles of compression and decompression of the PUF lasting 5 minutes each; starting the cleaning in the first period using 80 ml of MiIIi-Q quality water, then in the second period 80 ml of acetone is used, in the third period it is 80 ml of Toluene, to end the last period with 80 ml of n -hexane.
  • the extraction procedure begins with the addition of 80 ml of the first solvent, that is, the most polar: water (MiIIi-Q quality), directly in the glass container for extraction of PUF (111).
  • the PUF is taken with a clamp and carefully placed inside the same container (111).
  • the upper part (904) of the extraction vessel (111) is taken and introduced by the male glass mouth (901) that has the teflon piece (109) attached that serves as a guide to the rod of the vane compression (108) so that it is inserted and moved correctly and vertically through the inside of the body (906) of the glass container for extraction of PUF (111) corresponding to a conical male, frosted NS64 / 46, which allows tightly close the container.
  • the extraction is regulated depending on the cleaning to be performed, where compression and decompression cycles of the PUF submerged in the different solvents allow the impurities described above to be extracted from this solid support (PUF).
  • PUF solid support
  • the process involved in this invention is a procedure for extracting samples from ambient air, where organic chemical contaminants present in the MP are considered as in the gas phase, grouped under the category of semi-volatile organic compounds (COSVs).
  • COSVs semi-volatile organic compounds
  • the objective is to extract from a filter called PUF, where the gaseous phase of the air sample is retained, compounds with toxic properties such as Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) and Polychlorinated Biphenyls (PCBs) and is applicable to other families of COSVs.
  • PUF Polycyclic Aromatic Hydrocarbons
  • PCBs Polychlorinated Biphenyls
  • the PUF is removed from the PUF compartment with a clamp and carefully placed in the extraction container of the PUF (111), to which the first solvents have previously been added of extraction and an internal standard solution to control losses in this procedure and thus be able to calculate exactly the concentration of the analytes of interest.
  • the PUF is subjected to an extraction with organic solvents of different polarity, where compression and decompression cycles of the PUF submerged in the different solvents allow the analytes of interest to be extracted from this solid support (PUF), for 4 periods of 15 minutes each.
  • Each period consists of 3 cycles of compression and decompression of the PUF lasting 5 minutes each; starting the extraction using 80 ml of Toluene in the first three periods, and ending the extraction with the last period using 80 ml of n-hexane.
  • the solvent is evacuated from the extraction vessel of the PUF (111), by means of the opening of a Teflon wrench attached to a male of frosted conical glass, which allows a distillation balloon to be connected directly to the extraction vessel , in this way when opening the Teflon key, the solvent is poured directly into a distillation balloon that has a mouth compatible with the measurements of the frosted conical glass male, this glass male, also has an open olive, which allows to match pressures during the removal of the extraction solvent from the extraction vessel, thus facilitating the drop of the liquid into the distillation balloon.
  • 320 ml of solvents will be accumulated in the distillation balloon, containing the analytes extracted from the PUF.
  • the volume of solvent contained in the distillation balloon is reduced by evaporating it in a rotary evaporator at 3O 0 C temperature and using vacuum, to a final volume of 1-2 ml.
  • the extract obtained at this stage is transferred to a 5 ml conical vial quantitatively and the excess volume is reduced again this time under a stream of nitrogen to practically dryness. Subsequently, it is redissolved in 100 ⁇ l of solvent and is subjected to a purification process on packed chromatographic columns, to eliminate undesirable compounds and select only those families of compounds of interest.
  • the excess volume is reduced again under a stream of nitrogen until practically dry
  • the extract is redissolved with 30-50 ⁇ l of solvent, according to concentration level and 1 ⁇ l of the extract is injected into a capillary gas chromatography equipment, using a suitable chromatographic detector, according to the nature of the contaminants (FID, ECD, MS ), to perform the identification and quantification of the analytes of interest.
  • the PUF Once a clean and dry PUF is obtained, it is necessary to store it so that it is not contaminated before arriving at the sampling site. For this it is necessary that the PUF be stored wrapped in previously treated aluminum foil.
  • the aluminum foil cleaning treatment consists of a washing of the material with acetone on both sides and a drying time under hood under conditions of absolute cleaning.
  • the PUF should be stored in a glass container with a tight lid. For greater security, the glass container is also wrapped with clean aluminum foil and stored in the dark. Only in this way can safe and pollution-free storage of PUFs be ensured before final use in atmospheric monitoring.

Landscapes

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Abstract

La presente invención provee un sistema de extracción automático de contaminantes atmosféricos gaseosos (HAP's y PCB's) con propiedades tóxicas, los cuales están retenidos en filtros de espuma de poliuretano (PUF), que comprende: - un dispositivo de extracción automático, que permite extraer los compuestos químicos de interés, utilizando una secuencia de solventes orgánicos en las cuales debe estar sumergido el PUF, mediante un proceso de extracción que se basa en ciclos de compresión y descompresión del PUF; y un dispositivo de secado que permite secar los PUF limpios, del proceso anterior, mediante arrastre del solvente con N2 ultra puro gaseoso y caliente, eliminando el solvente hasta lograr la sequedad del PUF.

Description

SISTEMA Y MÉTODO DE EXTRACCIÓN AUTOMÁTICO DE CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS GASEOSOS CON PROPIEDADES TÓXICAS, LOS CUALES ESTÁN RETENIDOS EN FILTROS DE ESPUMA DE POLIURETANO (PUF).
CAMPO DE APLICACIÓN
La invención se refiere a un sistema y método de extracción para compuestos químicos orgánicos con propiedades tóxicas, los cuales están retenidos en filtros de espuma de poliuretano (PUF), en donde los analitos de interés son contaminantes atmosféricos gaseosos presentes en el aire ambiente. Más específicamente se describe cómo extraer dichos compuestos químicos, de una manera mecánica y automática desde estos filtros, de forma además de aumentar Ia calidad de este procedimiento analítico.
DESCRIPCIÓN DEL ARTE PREVIO
Actualmente, en el mercado no existe un equipo con estas características y los procedimientos recomendados en Ia literatura o por las agencias ambientales internacionales, utilizan procedimientos y equipamiento clásicos, típicamente usados en química analítica para lograr Ia extracción de materiales y/o matrices sólidas como los PUF como equipos soxhlet (por Ej.: método EPA-3540). Estos equipos utilizan grandes cantidades de solventes (del orden de litros), largos tiempos de extracción (12 horas o días) y gastos importantes de energía, además no son automatizables, necesitando de Ia presencia de un operador por razones de seguridad. La otra alternativa que existe, es hacer el mismo procedimiento de extracción en forma manual, Io que también implica Ia presencia de un operador y Ia repetición de movimientos mecánicos que pueden conducir a problemas de salud laboral (tendinitis). Todos los procedimientos antes nombrados tienen bajos niveles de eficiencia, reproducibilidad y repetitividad y poseen porcentajes de eficiencia bajos en Ia extracción de los contaminantes de interés.
En el documento de R. Niehaus, B. Scheulen, H. W. Dürbeck. (1990), Sci. Total Environ, 99:163-172. "Determination of airbome polycyclic aromatic hydrocarbons using a filter/adsorber combination", se describen un aparato de vidrio cuya finalidad es Ia extracción de un PUF, mediante el uso de Ia compresión y descompresión manual de un PUF sumergido en solvente orgánico. El aparato de vidrio tiene forma cilindrica, rodeado por una doble camisa concéntrica con el cilindro anterior, con una entrada superior y una inferior, destinada a hacer circular agua caliente dentro de esta camisa, de modo de calentar el cilindro para facilitar Ia extracción del PUF. En Ia investigación se compara Ia eficiencia del procedimiento tradicional con este nuevo concepto de extracción con solvente, mediante el uso de de Ia compresión y descompresión manual de un PUF. El trabajo no menciona ninguna etapa del proceso que se haya automatizado de forma alguna, ni menos optimizado desde el punto de vista del procedimiento de extracción, tomando en cuenta parámetros, como frecuencia de compresión y descompresión, programa de extracción (tiempos de presión v/s pausas, y tiempo total de extracción), reproducibilidad, repetitividad, cantidad y secuencia de solventes, así como Ia consideración de utilizar barridos de solventes de distintas polaridades, entre otros.
Por Io tanto, es necesario automatizar el procedimiento de extracción, permitiendo reducir los volúmenes de solventes a unos cuantos mililitros, tiempos a minutos y obtener eficiencias de extracción muy superiores, mejorando notablemente Ia reproducibilidad y Ia seguridad de operación, todos factores que también inciden en una notable disminución de costos.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El problema que se busca resolver es desarrollar un sistema de extracción para compuestos químicos orgánicos con propiedades tóxicas como los Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos (HAPs) y los Bifenilos Policlorados (PCBs), contaminantes presentes en muestras atmosféricas gaseosa (aire ambiente). Las muestras de aire están compuestas por una mezcla de fase sólida, consistente en material particulado (MP) y una fase gaseosa. Los sistemas de toma de muestras de aire, recolectan las muestras sobre distintos tipos de filtros, utilizándose para retener Ia fase gaseosa, filtros de espuma de poliuretano (PUF) el cual debe ser extraído mediante el uso de solventes orgánicos. La invención, está focalizada en resolver el problema de cómo extraer de una manera mecánica y automática estos filtros, de forma además de aumentar Ia eficiencia de extracción de los analitos, así como Ia reproducibilidad y repetitividad del procedimiento analítico; utilizando un menor volumen de solventes y tiempo de extracción (disminución de costos).
El sistema de extracción automático de contaminantes atmosféricos gaseosa (HAPs y PCBs) retenidos sobre PUF, consiste en el desarrollo de un sistema que comprende dos dispositivos con funciones complementarias:
El primero es un dispositivo de extracción, que permite extraer compuestos químicos de interés, utilizando una secuencia de solventes orgánicos en las cuales debe estar sumergido el PUF. El proceso de extracción se basa en ciclos de compresión y descompresión del PUF utilizando un pistón mecánico-neumático, asistido por válvulas y compresores libres de aceite, regulados por un PLC que permite programar en forma automática Ia secuencia deseada para lograr Ia mayor eficiencia de extracción. El diseño del dispositivo contempla señales de seguridad, acústicas y luminosas, para indicar el término del proceso, así como filtros y eliminadores de posibles residuos que pudieran contaminar el proceso de extracción. Este dispositivo sirve tanto para preparar el material de muestreo (PUF) para gases presentes en los aerosoles atmosféricos, a modo de proceso de limpieza de los PUF antes de usarse en el muestreo, así como después de este, con Ia finalidad de extraer los compuestos de interés retenidos en el filtro. El segundo dispositivo complementario al anterior, consiste en un recipiente hermético provisto de válvulas de entrada y salida que permite secar los PUF limpios, del proceso anterior, mediante arrastre del solvente con N2 ultra puro gaseoso y caliente, eliminando el solvente hasta lograr Ia sequedad del PUF. El proceso de limpieza y secado del PUF se certifica cromatográficamente y se almacena en un recipiente hermético, para evitar su contaminación posterior.
Ninguno de estos equipos existe hoy en día en el mercado, Ia forma original y automatizada de extracción de estos filtros PUF permite superar muchas de las deficiencias típicas de los sistemas tradicionales y da un paso adelante en el estado del arte de los sistemas de extracción para muestras sólidas, en especial para el uso antes señalado. Por lo tanto, es un objetivo principal de Ia presente invención es proveer un sistema de extracción automático de contaminantes atmosféricos gaseosos (HAP's y PCB's) con propiedades tóxicas, los cuales están retenidos en filtros de espuma de poliuretano (PUF), que comprende:
- Un dispositivo de extracción automático, que permite extraer los compuestos químicos de interés, utilizando una secuencia de solventes orgánicos en las cuales debe estar sumergido el PUF, mediante un proceso de extracción que se basa en ciclos de compresión y descompresión del PUF; y
- Un dispositivo de secado que permite secar los PUF limpios, del proceso anterior, mediante arrastre del solvente con N2 ultra puro gaseoso y caliente, eliminando el solvente hasta lograr Ia sequedad del PUF.
En donde el dispositivo de extracción automático está compuesto por: - Un pistón mecánico-neumático;
- Una unidad de control de electroválvulas, que permiten controlar el movimiento del pistón;
- Un soporte metálico; y
- Un recipiente de vidrio para extracción de PUF sujeto a dicho soporte metálico.
El pistón mecánico-neumático permite realizar el procedimiento de compresión y descompresión, esto se logra mediante Ia compresión de aire ambiente que realiza una bomba de presión de membrana de teflón, libre de aceite, Ia cual envía este aire comprimido a través de mangueras hasta Ia conexión rápida de Ia válvula de entrada en el pistón; Ia lubricación del pistón se logra con una minúscula película de aceite que se forma en el vastago del pistón, Ia cual proviene de un depósito de aceite que permite que se forme un aerosol de aire conteniendo pequeñas gotitas de aceite en suspensión y para evitar cualquier posible contaminación con el aceite del sistema, se han implementado dos disposiciones, Ia primera consiste en que Ia sujeción de teflón que está en el extremo inferior del vastago del pistón, posee en Ia pieza superior una pequeña conicidad sellada, que evita que si alguna ínfima gota de la película de aceite se desprendiera del vastago del pistón, esta quedaría inevitablemente atrapada en esta conicidad, evitando así, contaminar Ia parte inferior del sistema de sujeción de teflón, de todas manera, las dos partes que conforman Ia sujeción de teflón, son independientes, por Io que está asegurada Ia imposibilidad de contaminación por esta vía, evitando que el vastago de Ia paleta de compresión de vidrio que actúa sobre los PUF's, pudiera llegar a contaminarse de alguna forma accidental; y Ia segunda consiste en una trampa de aceite que está al final de Ia manguera que une Ia conexión rápida de Ia válvula de salida del aire comprimido del pistón, con Ia trampa; esta trampa de aceite desarmable y lavable, está conectada a una salida para eliminar finalmente y en forma definitiva el aire residual comprimido del sistema hacia el exterior, adicionalmente el pistón neumático posee un tornillo de regulación a Ia entrada y a Ia salida del aire a presión, con estos tornillos se puede regular mecánicamente Ia carrera del vastago del pistón y de esta forma lograr adaptar el recipiente de vidrio para extracción de PUF a diferentes características del PUF (distintos tamaños y densidades); a diferentes volúmenes de solventes de extracción, así como a distintos procedimiento de extracción; con esta regulación también se puede modificar Ia intensidad con que se presionará el PUF durante las etapas de compresión y expansión, de forma de optimizar Ia eficiencia de Ia extracción; Ia acción del pistón mecánico-neumático utiliza aire comprimido para su funcionamiento, para esto una manguera de salida conduce el aire a presión hasta el pistón entrando por Ia válvula, el retorno del aire, sale por Ia válvula y es dirigido por medio de una manguera a Ia entrada en Ia unidad de control; para lubricar el pistón se mezcla el aire, comprimido por Ia bomba de presión de membrana de teflón libre de aceite, con una mínima parte de aceite, en un dispositivo, el aire así preparado se transporta a una electroválvula, Ia cual está conectada a Ia manguera de salida en dirección al pistón, el aire residual que se desecha una vez que este ha pasado por el pistón, sale de Ia unidad de control por una manguera y llega a Ia trampa de aceite.
La unidad de control controla una pluralidad de electroválvulas, que permiten realizar el movimiento del pistón mediante Ia ayuda de un PLC, este microprocesador digital posee una pantalla de LCD y permite programar distintas formas de extracción del PUF mediante aumento de Ia compresión, basado en una mayor o menor presión del pistón controlando Ia cantidad de aire que se comprime, además Ia unidad de control posee una serie de elementos electrónicos, como diferenciales, alarmas acústicas y luminosas que indican el término de una secuencia de operación, y permite entonces, determinar los tiempos de presión versus pausas, y el tiempo total de extracción; permite utilizar PUF's de distinto espesor y/o densidad; permite comprimir adicionalmente el PUF para dejarlo Io más libre posible del solvente de extracción, entre otros.
El soporte metálico está compuesto de un soporte de duraluminio cilindrico que está atornillado a una base de fierro inserto en una plataforma de plástico, que permite fijar el pistón mecánico-neumático al cilindrico de sujeción del sistema de extracción; en su parte superior el cilindro posee un tornillo de sujeción, que permite regular Ia altura donde quedará finalmente el soporte de sujeción del pistón mecánico-neumático; sobre una pletina metálica se atornilla y fija el pistón mecánico-neumático al soporte cilindrico, tornillos de regulación permite regular Ia carrera del vastago del pistón; unas abrazaderas plásticas permiten soportar al recipiente de vidrio para extracción de PUF, tanto por su parte superior como por su parte inferior; las abrazaderas plásticas están constituidas de dos partes, Ia primera abraza al cilindrico, con su respectiva mariposa con rosca para su fijación y aseguramiento y Ia segunda abraza al recipiente de vidrio para extracción de
PUF.
El recipiente de vidrio para extracción de PUF está construido en vidrio de borosilicato y posee una boca, mediante Ia cual el PUF se introduce en el sistema de extracción, esta boca es una hembra cónica esmerilada, Ia cual posee una parte superior, que corresponde a un macho cónico, esmerilado, que permite cerrar herméticamente el recipiente de extracción para evitar salpicaduras del solvente durante Ia extracción; de Ia misma forma y para evitar sobre presiones producidas por solvente que se ha evaporado durante el proceso de compresión y expansión del PUF, Ia parte superior está provista con una llave de teflón que se puede abrir a voluntad durante el proceso; además, para incorporar nuevas porciones de solvente o para cambiar el solvente de extracción, Ia misma parte superior, está provista con una hembra cónica esmerilada, Ia cual posee una tapa de vidrio cónica macho esmerilada, que permite cerrar herméticamente nuevamente el recipiente de extracción una vez que se ha introducido el solvente en cuestión; una boca de vidrio macho con hilo exterior permite unir Ia pieza de teflón que sirve de guía al vastago de Ia paleta de compresión para que esta se introduzca y se mueva en forma correcta y vertical por el interior del cuerpo del recipiente de vidrio para extracción de PUF; una vez que se ha extraído el PUF, el solvente de extracción debe ser retirado del recipiente de extracción, para Io cual se dispone de una llave de teflón unida a un macho de vidrio cónico esmerilado, que permite conectar directamente al recipiente de extracción, de esta forma al abrir Ia llave de teflón, el líquido es vertido directamente a un balón de destilación que posee una boca compatible con las medidas del macho de vidrio cónico esmerilado, este macho de vidrio, posee además una oliva abierta, que permite igualar presiones durante Ia eliminación del solvente de extracción del recipiente de extracción, facilitando así Ia caída del líquido al balón de destilación.
El dispositivo de secado está compuesto por un recipiente de secado de PUF y una línea de suministro de nitrógeno (N2) caliente ultra puro.
El recipiente de secado de PUF consta de una tapa que posee una parte superior, provista de un calce para el acople con Ia parte inferior y un surco para alojar un o-ring de silicona. Este o-ring sirve para presionar herméticamente un vidrio transparente que queda ajustado dentro del calce de Ia tapa entre su parte superior e inferior y que sirve como ventana para observar el proceso de secado; Ia parte inferior, también pose un surco para alojar un o-ring de silicona similar al anterior en forma y función; Ia ventana de vidrio posee en su centro un macho metálico con hilo interior y con hilo exterior "sweglook" para conectar mediante una tuerca "sweglook" Ia línea de N2 caliente, esta permite que el N2 ingrese al recipiente de secado de PUF; esta conexión de entrada de N2 se sella herméticamente contra el vidrio mediante una contratuerca Ia cual posee un hilo exterior que permite atornillarse al macho metálico, ambas piezas, se sellan además contra el vidrio mediante Ia utilización de o-rings de diámetros apropiados; los PUF's se colocan para su procedimiento de secado, en un soporte para PUF, que se coloca dentro de Ia parte inferior del recipiente de secado de PUF, o cuerpo del recipiente; Ia tapa y el cuerpo del recipiente se unen entre si mediante presillas metálicas, las cuales se pueden ajustar para lograr el máximo de apriete, de forma tal de lograr Ia hermeticidad del recipiente de secado de PUF.
La línea de suministro de nitrógeno (N2) caliente ultra puro está compuesto un cilindro de N2 que posee una presión predeterminada, Ia cual es reducida mediante en manómetro secundario a 400 kPa (4 bares), una cañería de N2 de 400 kPa (4 bares), llega a una campana de extracción y se conecta a ella mediante una válvula de aguja de regulación gruesa de flujo, Ia que a su vez está conectada a una válvula de aguja de regulación fina de flujo; Ia línea de suministro de nitrógeno N2 caliente esta a su vez conectada y regulada por Ia válvula, Ia termostatización de esta línea se logra gracias a una manta provista de resistencias eléctricas reguladas y controladas por un termostato, el cual mantiene Ia temperatura de esta línea en aproximadamente 70 0C; así el secado del PUF se logra mediante el proceso de arrastre por N2 del solvente residual que ha quedado retenido en el PUF, el calentamiento del N2 ayuda a Ia evaporación del solvente reduciendo el tiempo de secado notablemente y el N2 que ha pasado por el PUF es eliminado por una válvula de regulación a través de una manguera al interior de Ia campana de extracción.
El soporte para PUF, consta de un primer soporte para PUF de un primer diámetro el cual está apoyado sobre una rejilla metálica con perforaciones de 1 cm; el primer soporte está apoyado sobre unas patas cilindricas para separarlo del segundo soporte de iguales dimensiones que el anterior, para los PUF de un segundo diámetro, menor que el primer diámetro; este segundo soporte, está igualmente apoyado sobre unas patas cilindricas para separarlo del fondo del recipiente de secado de PUF.
Otro objetivo principal de esta invención es proveer un método de extracción automático de contaminantes atmosféricos gaseosos (HAPs y PCBs) con propiedades tóxicas, los cuales están retenidos en filtros de espuma de poliuretano (PUF), que comprende las etapas de:
- Extraer los compuestos químicos de interés, utilizando una secuencia de solventes orgánicos en las cuales debe estar sumergido el PUF, mediante un proceso de extracción que se basa en ciclos de compresión y descompresión del PUF;
- Secar los PUF limpios, de Ia etapa anterior, mediante arrastre del solvente con N2 ultra puro gaseoso y caliente, eliminando el solvente hasta lograr Ia sequedad del PUF; y
- Certificar cromatográficamente Ia limpieza del PUF.
La etapa de extraer los compuestos químicos de interés utilizando una secuencia de solventes orgánicos en los cuales debe estar sumergido el PUF, mediante un proceso de extracción que se basa en ciclos de compresión y descompresión del PUF; se realiza mediante un pistón mecánico-neumático; una unidad de control de electroválvulas, que permiten controlar el movimiento del pistón; un soporte metálico; y un recipiente de vidrio para extracción de PUF sujeto a dicho soporte metálico. Dicho pistón mecánico-neumático permite realizar el procedimiento de compresión y descompresión, esto se logra mediante Ia compresión de aire ambiente que realiza una bomba de presión de membrana de teflón, libre de aceite, Ia cual envía este aire comprimido a través de mangueras hasta Ia conexión rápida de Ia válvula de entrada en el pistón; Ia lubricación del pistón se logra con una minúscula película de aceite que se forma en el vastago del pistón, Ia cual proviene de un depósito de aceite que permite que se forme un aerosol de aire conteniendo pequeñas gotitas de aceite en suspensión y para evitar cualquier posible contaminación con el aceite del sistema, se han implementado dos disposiciones, Ia primera consiste en que Ia sujeción de teflón que está en el extremo inferior del vastago del pistón, posee en Ia pieza superior una pequeña conicidad sellada, que evita que si alguna ínfima gota de Ia película de aceite se desprendiera del vastago del pistón, esta quedaría inevitablemente atrapada en esta conicidad, evitando así, contaminar Ia parte inferior del sistema de sujeción de teflón, de todas manera, las dos partes que conforman Ia sujeción de teflón, son independientes, por Io que está asegurada Ia imposibilidad de contaminación por esta vía, evitando que el vastago de Ia paleta de compresión de vidrio que actúa sobre los PUF's, pudiera llegar a contaminarse de alguna forma accidental; y Ia segunda consiste en una trampa de aceite que está al final de Ia manguera que une Ia conexión rápida de Ia válvula de salida del aire comprimido del pistón, con Ia trampa; esta trampa de aceite desarmable y lavable, está conectada a una salida para eliminar finalmente y en forma definitiva el aire residual comprimido del sistema hacia el exterior, adicionalmente el pistón neumático posee un tornillo de regulación a Ia entrada y a Ia salida del aire a presión, con estos tornillos se puede regular mecánicamente Ia carrera del vastago del pistón y de esta forma lograr adaptar el recipiente de vidrio para extracción de PUF a diferentes características del PUF (distintos tamaños y densidades); a diferentes volúmenes de solventes de extracción, así como a distintos procedimiento de extracción; con esta regulación también se puede modificar Ia intensidad con que se presionará el PUF durante las etapas de compresión y expansión, de forma de optimizar Ia eficiencia de Ia extracción; Ia acción del pistón mecánico-neumático utiliza aire comprimido para su funcionamiento, para esto una manguera de salida conduce el aire a presión hasta el pistón entrando por Ia válvula, el retorno del aire, sale por Ia válvula y es dirigido por medio de una manguera a Ia entrada en Ia unidad de control; para lubricar el pistón se mezcla el aire, comprimido por Ia bomba de presión de membrana de teflón libre de aceite con una mínima parte de aceite, en un dispositivo, el aire así preparado se transporta a una electroválvula, Ia cual está conectada a Ia manguera de salida en dirección al pistón, el aire residual que se desecha una vez que este ha pasado por el pistón, sale de Ia unidad de control por una manguera y llega a Ia trampa de aceite.
La unidad de control controla una pluralidad de electroválvulas, que permiten realizar el movimiento del pistón mediante Ia ayuda de un PLC, este microprocesador digital posee una pantalla de LCD y permite programar distintas formas de extracción del PUF mediante aumento de Ia compresión, basado en una mayor o menor presión del pistón controlando Ia cantidad de aire que se comprime, además Ia unidad de control posee una serie de elementos electrónicos, como diferenciales, alarmas acústicas y luminosas que indican el término de una secuencia de operación, y permite entonces, determinar los tiempos de presión versus pausas, y el tiempo total de extracción; permite utilizar PUF's de distinto espesor y/o densidad; permite comprimir adicionalmente el PUF para dejarlo Io más libre posible del solvente de extracción, entre otros.
El soporte metálico está compuesto de un soporte de duraluminio cilindrico que está atornillado a una base de fierro inserto en una plataforma de plástico, que permite fijar el pistón mecánico-neumático al cilindrico de sujeción del sistema de extracción; en su parte superior el cilindro posee un tornillo de sujeción, que permite regular Ia altura donde quedará finalmente el soporte de sujeción del pistón mecánico-neumático; sobre una pletina metálica se atornilla y fija el pistón mecánico-neumático al soporte cilindrico, tornillos de regulación permite regular Ia carrera del vastago del pistón; unas abrazaderas plásticas permiten soportar al recipiente de vidrio para extracción de PUF, tanto por su parte superior como por su parte inferior; las abrazaderas plásticas están constituidas de dos partes, Ia primera abraza al cilindrico, con su respectiva mariposa con rosca para su fijación y aseguramiento y Ia segunda abraza al recipiente de vidrio para extracción de PUF.
El recipiente de vidrio para extracción de PUF está construido en vidrio de borosilicato y posee una boca, mediante Ia cual el PUF se introduce en el sistema de extracción, esta boca es una hembra cónica esmerilada, Ia cual posee una parte superior, que corresponde a un macho cónico, esmerilado, que permite cerrar herméticamente el recipiente de extracción para evitar salpicaduras del solvente durante Ia extracción; de Ia misma forma y para evitar sobre presiones producidas por solvente que se ha evaporado durante el proceso de compresión y expansión del PUF, Ia parte superior está provista con una llave de teflón que se puede abrir a voluntad durante el proceso; además, para incorporar nuevas porciones de solvente o para cambiar el solvente de extracción, Ia misma parte superior, está provista con una hembra cónica esmerilada, Ia cual posee una tapa de vidrio cónica macho esmerilada, que permite cerrar herméticamente nuevamente el recipiente de extracción una vez que se ha introducido el solvente en cuestión; una boca de vidrio macho con hilo exterior permite unir Ia pieza de teflón que sirve de guía al vastago de Ia paleta de compresión para que esta se introduzca y se mueva en forma correcta y vertical por el interior del cuerpo del recipiente de vidrio para extracción de PUF; una vez que se ha extraído el PUF, el solvente de extracción debe ser retirado del recipiente de extracción, para Io cual se dispone de una llave de teflón unida a un macho de vidrio cónico esmerilado, que permite conectar directamente al recipiente de extracción, de esta forma al abrir Ia llave de teflón, el líquido es vertido directamente a un balón de destilación que posee una boca compatible con las medidas del macho de vidrio cónico esmerilado, este macho de vidrio, posee además una oliva abierta, que permite igualar presiones durante Ia eliminación del solvente de extracción del recipiente de extracción, facilitando así Ia caída del líquido al balón de destilación.
La etapa para secar los PUF limpios, mediante arrastre del solvente con N2 ultra puro gaseoso y caliente, eliminando el solvente hasta lograr Ia sequedad del PUF; se realiza mediante un recipiente de secado de PUF; y una línea de suministro de nitrógeno (N2) caliente ultra puro.
El recipiente de secado de PUF consta de una tapa que posee una parte superior, provista de un calce para el acople con Ia parte inferior y un surco para alojar un o-ring de silicona. Este o-ring sirve para presionar herméticamente un vidrio transparente que queda ajustado dentro del calce de Ia tapa entre su parte superior e inferior y que sirve como ventana para observar el proceso de secado; Ia parte inferior, también pose un surco para alojar un o-ring de silicona similar al anterior en forma y función; Ia ventana de vidrio posee en su centro un macho metálico con hilo interior y con hilo exterior "sweglook" para conectar mediante una tuerca "sweglook" Ia línea de N2 caliente, esta permite que el N2 ingrese al recipiente de secado de PUF; esta conexión de entrada de N2 se sella herméticamente contra el vidrio mediante una contratuerca Ia cual posee un hilo exterior que permite atornillarse al macho metálico, ambas piezas, se sellan además contra el vidrio mediante Ia utilización de o-rings de diámetros apropiados; los PUF's se colocan para su procedimiento de secado, en un soporte para PUF, que se coloca dentro de Ia parte inferior del recipiente de secado de PUF, o cuerpo del recipiente; Ia tapa y el cuerpo del recipiente se unen entre si mediante presillas metálicas, las cuales se pueden ajustar para lograr el máximo de apriete, de forma tal de lograr Ia hermeticidad del recipiente de secado de PUF.
La línea de suministro de nitrógeno (N2) caliente ultra puro está compuesto un cilindro de N2 que posee una presión predeterminada, Ia cual es reducida mediante un manómetro secundario a 400 kPa (4 bares), una cañería de N2 de 400 kPa (4 bares), llega a una campana de extracción y se conecta a ella mediante una válvula de aguja de regulación gruesa de flujo, Ia que a su vez está conectada a una válvula de aguja de regulación fina de flujo; Ia línea de suministro de nitrógeno N2 caliente está a su vez conectada y regulada por Ia válvula, Ia termostatización de esta línea se logra gracias a una manta provista de resistencias eléctricas reguladas y controladas por un termostato, el cual mantiene Ia temperatura de esta línea en aproximadamente 70 0C; así el secado del PUF se logra mediante el proceso de arrastre por N2 del solvente residual que ha quedado retenido en el PUF, el calentamiento del N2 ayuda a Ia evaporación del solvente reduciendo el tiempo de secado notablemente y el N2 que ha pasado por el PUF es eliminado por una válvula de regulación a través de una manguera al interior de Ia campana de extracción.
El soporte para PUF, consta de un primer soporte, para PUF de un primer diámetro el cual está apoyado sobre una rejilla metálica con perforaciones de 1 cm; el primer soporte está apoyado sobre unas patas cilindricas para separarlo del segundo soporte de iguales dimensiones que el anterior, para los PUF de un segundo diámetro, menor que el primer diámetro; este segundo soporte, está igualmente apoyado sobre unas patas cilindricas para separarlo del fondo del recipiente de secado de PUF.
Una vez obtenido un PUF limpio y seco, es necesario almacenarlo de modo que no se contamine antes de llegar al lugar de muestreo.
El equipo automático de extracción se puede usar indistintamente para extraer un PUF proveniente de una toma de muestras de aire ambiente, así como también para limpiar un PUF con restos de contaminación provenientes de su proceso de fabricación antes de usarlo en un muestreo de campo, como una forma de asegurarse de que el PUF se encuentre limpio en el momento de tomar Ia muestra atmosférica.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La figura 1A muestra un diagrama esquemático del sistema de extracción automático de muestras atmosféricas gaseosas.
La figura 1 B muestra el sistema de extracción automático de muestras atmosféricas gaseosas de Ia invención. La figura 2 muestra el sistema de sujeción del vastago de vidrio de Ia paleta de compresión del sistema automático de extracción de Ia invención.
La figura 3 muestra el soporte de duraluminio que permite fijar el pistón mecánico-neumático al cilindro de sujeción del sistema de extracción de Ia invención.
Las figuras 4A y 4B muestran el sistema de sujeción del brazo y soporte del pistón neumático del sistema de extracción de Ia invención.
Las figura 5A y 5B muestran Ia pinza de sujeción del cuerpo de vidrio del sistema de extracción de Ia invención, en su vista inferior y vista superior, respectivamente.
La figura 6 muestra una vista tridimensional del sistema de extracción automático de muestras atmosféricas gaseosas de Ia invención.
La figura 7 muestra una vista tridimensional completa del cuerpo de vidrio del sistema de extracción automático de muestras atmosféricas gaseosas de Ia invención.
La figura 8 muestra una disposición de los componentes del sistema de secado de PUF para ser usado en Ia recolección de muestras atmosféricas gaseosas de Ia invención.
La figura 9 muestra el sistema de secado de PUF armado con todos sus componentes.
La figura 10 muestra un corte transversal del recipiente de extracción para PUF's.
La figura 11 muestra en forma esquemática el sistema de secado del PUF.
La figura 12 muestra en forma esquemática el despiece del recipiente de secado de PUF.
La figura 13 muestra un corte transversal del despiece del recipiente de secado de PUF. La figura 14A y 14B muestra el despiece del soporte para PUF.
La figura 15A y 15B muestran respectivamente, el recipiente de secado para PUF en una vista isométrica y el mismo recipiente cerrado.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA
El sistema de extracción automático de contaminantes atmosféricos gaseosa (HAPs y PCBs) retenidos sobre PUF, consiste en el desarrollo de un sistema que comprende dos dispositivos con funciones complementarias.
El primero es un dispositivo de extracción, que permite extraer compuestos químicos de interés, utilizando una secuencia de solventes orgánicos en las cuales debe estar sumergido el PUF. Este consiste en un sistema de extracción automático para compuestos químicos a nivel de trazas, contaminantes presentes en muestras atmosféricas gaseosa (aire ambiente).
El segundo dispositivo complementario al anterior, es un dispositivo de secado del PUF, que consiste en un recipiente hermético provisto de válvulas de entrada y salida que permite secar los PUF limpios, del proceso anterior, mediante arrastre del solvente con N2 ultra puro gaseoso y caliente, eliminando el solvente hasta lograr Ia sequedad del PUF. El proceso de limpieza y secado del PUF se certifica cromatográficamente y se almacena en un recipiente hermético, para evitar su contaminación posterior.
Como se muestra en forma esquemática en Ia figura 1A el sistema de extracción (100) está basado en Ia acción de un pistón mecánico-neumático (105) que utiliza aire comprimido para su funcionamiento, para Io cual una manguera de salida (001 ) conduce el aire a presión hasta un pistón (105) entrando por una Ja válvula de entrada (302). El retorno del aire, sale por una válvula de salida (303) y es dirigido por medio de una manguera a Ia entrada (002) en una unidad de control (003). Para lubricar el pistón, se mezcla el aire comprimido por Ja una bomba de presión de membrana de teflón libre de aceite (005), con una mínima parte de aceite, en un dispositivo (004). El aire así preparado se transporta a una electroválvula (que no se muestra), Ia cual está conectada a Ia manguera de salida (001 ) en dirección al pistón (105). La unidad de control (003), de las electroválvulas, que permiten realizar el movimiento del pistón, se realiza mediante Ia ayuda de un PLC (que no se muestra), este microprocesador digital posee una pantalla de LCD y permite programar distintas formas de extracción del PUF mediante aumento de Ia compresión, basado en una mayor o menor presión del pistón controlando Ia cantidad de aire que se comprime. Además Ia unidad de control (003) posee una serie de elementos electrónicos, como diferenciales, alarmas acústicas y luminosas que indican el término de una secuencia de operación, etc. El aire residual que se desecha una vez que éste ha pasado por el pistón (105), sale de Ia unidad de control (003) por una manguera (006) y llega a una trampa de aceite (007). Esta trampa (007) desarmable y lavable, está conectada a una manguera de salida (008), de forma tal de eliminar finalmente y en forma definitiva el aire residual comprimido del sistema hacia el exterior, evitando de esta forma que aire contaminado quede dentro del laboratorio donde se utiliza el sistema de extracción de PUF.
La figura 1 B, muestra un despiece del dispositivo de extracción (100), el que está compuesto de un soporte cilindrico vertical de duraluminio (101 ) que está atornillado a una base de fierro (115) inserto en una plataforma de plástico (que no se muestra). En su parte superior, el soporte cilindrico (101 ) posee un tornillo de sujeción (102), que permite regular Ia altura donde quedará finalmente un soporte de sujeción (103) del pistón mecánico- neumático (105). Sobre una pletina metálica (104) se atornilla y fija el pistón mecánico-neumático (105) al soporte cilindrico (101 ), unos tornillos de regulación (302, 303) permiten regular Ia carrera del vastago (106) del pistón (105). En el extremo inferior de este vastago se encuentra una sujeción de teflón (107) que posee un mecanismo para fijar el vastago de Ia paleta de compresión de vidrio (108) que actúa sobre los PUF's, como se muestra más adelante. Un recipiente de vidrio para Ia extracción de PUF (111 ), posee un elemento macho de vidrio con hilo, en el cual se conecta un adaptador de teflón (109) que sirve como guía para Ia entrada correcta y vertical de Ia paleta de compresión de vidrio (108) al interior del recipiente de extracción (111 ). El recipiente de vidrio para extracción de PUF (111 ) se encuentra sujeto al soporte cilindrico de duraluminio (101 ) mediante dos abrazaderas plásticas (110, 112) recubiertas en su interior con láminas de corcho y provistas de mariposas con rosca para su fijación y aseguramiento. El recipiente de extracción (111 ) posee en su extremo final un elemento macho de vidrio cónico esmerilado (908) (ver figura 8), NS29/32, que permite conectar, directamente al recipiente de extracción, un balón de destilación (114) que posee una boca de vidrio cónica hembra esmerilada (113), NS29/32.
El detalle de Ia sujeción de teflón (107) se muestra en las figuras 2A y 2B. La figura 2A muestra que Ia sujeción de teflón (107) está compuestas de dos partes, Ia parte superior (107A) que posee un hilo hembra en Ia parte cilindrica superior, donde se atornilla el extremo del vastago (106) del pistón (105), y un hilo macho en Ia parte inferior, que termina en un extremo cónico con pequeñas aberturas flexibles que se pueden cerrar cuando se atornilla Ia parte inferior (107B). Esta última, posee un hilo hembra en Ia parte cilindrica, el resto del cilindro aloja al extremo cónico de Ia parte superior (107A). De esta forma al cerrar las dos partes, el vastago de Ia paleta de compresión de vidrio (108) (ver figura 10) queda presionada por este sistema de sujeción, evitando que resbale durante el accionar mecánico del pistón neumático (105). El adaptador de teflón (109) sirve de guía para permitir que el vastago de Ia paleta de compresión (108) se introduzca en forma correcta y vertical al interior del recipiente de vidrio para extracción de PUF (111 ) (ver figuras 6, 7, 8 y 10). La figura 2B muestra Ia sujeción de teflón (107) cerrada y el vastago (106) del pistón (105) conectado en Ia parte superior de Ia sujeción de teflón (107).
En Ia figura 3 se muestra en detalle el pistón neumático (105). El soporte metálico (104) soporta una pletina de aluminio (301) que permite sujetar al pistón (105) mediante un tornillo (304). La acción del pistón neumático (105), permite realizar el procedimiento de compresión y descompresión en el que se basa el método de extracción desarrollado, esto se logra mediante Ia compresión de aire ambiente que realiza una bomba de presión de membrana de teflón, libre de aceite (005), Ia cual envía este aire comprimido a través de mangueras de Tygon de diámetros de 1 cm (001 , 002) hasta Ia conexión rápida de Ia válvula de entrada en el pistón (302). La lubricación del pistón se logra con una minúscula película de aceite que se forma en el vastago del pistón, Ia cual proviene de un depósito de aceite (004) que permite que se forme un aerosol de aire conteniendo pequeñas gotitas de aceite en suspensión, esto permite Ia lubricación del pistón. Para evitar cualquier posible contaminación del sistema con el aceite, se han implementado dos soluciones: Ia primera consiste en que Ia sujeción de teflón (107) que está en el extremo inferior del vastago (106) del pistón (105), posee, en Ia pieza superior (107A), una pequeña conicidad sellada, que evitaría que si alguna ínfima gota de Ia película de aceite se desprendiera del vastago del pistón (106), esta quedaría inevitablemente atrapada en esta conicidad, evitando así, contaminar Ia parte inferior del sistema de sujeción de teflón (107B). De todas maneras, las dos partes que conforman Ia sujeción de teflón (107), son independientes, por Io que está asegurada Ia imposibilidad de contaminación por esta vía, evitando que el vastago de Ia paleta de compresión de vidrio (108) que actúa sobre los PUF's, pudiera llegar a contaminarse de alguna forma accidental; y Ia segunda consiste en una trampa de aceite (007) que está al final de Ia manguera (006) que une Ia conexión rápida de Ia válvula de salida del aire comprimido (303) del pistón (105), con Ia trampa (007). Esta trampa de aceite (007) desarmable y lavable, está conectada a una salida a Ia que puede conectarse una manguera (008) para eliminar finalmente y en forma definitiva el aire residual comprimido del sistema hacia el exterior.
Todo el sistema de control (003) del las electroválvulas (que no se muestran) que permiten realizar el movimiento del pistón se realiza mediante Ia ayuda de un PLC, este microprocesador digital posee una pantalla de LCD y permite programar distintas formas de extracción del PUF mediante aumento de Ia compresión, basado en una mayor o menor presión del pistón controlando Ia cantidad de aire que se comprime. Adicionalmente el pistón neumático posee un tornillo de regulación a Ia entrada (305) y a Ia salida (306) del aire a presión, con estos tornillos se puede regular mecánicamente Ia carrera del vastago del pistón (106) y de esta forma lograr adaptar el recipiente de vidrio para extracción de PUF (111 ) a diferentes características del PUF (distintos tamaños y densidades); a diferentes volúmenes de solventes de extracción, así como a distintos procedimiento de extracción. Con esta regulación también se puede modificar Ia intensidad con que se presionará el PUF durante las etapas de compresión y expansión, de forma de optimizar Ia eficiencia de Ia extracción. El sistema de control en su conjunto, permite entonces, determinar los tiempos de presión versus pausas, y el tiempo total de extracción; permite utilizar PUF's de distinto espesor y/o densidad; permite comprimir adicionalmente el PUF para dejarlo Io más libre posible del solvente de extracción, entre otros. Todo este conjunto de acciones automatizadas permite entre otras cosas, aumentar significativamente Ia posibilidad de optimizar el procedimiento de extracción, tomando en cuenta parámetros, como frecuencia de compresión y descompresión, programa de extracción, reproducibilidad, repetitividad, cantidad y secuencia de solventes y polaridades, de una manera sistemática y amigable.
La figura 4A muestra una vista superior del soporte metálico (104) que permite fijar el pistón mecánico-neumático (105) al soporte cilindrico (101 ) del sistema de extracción (100). En ella se puede apreciar los dos tornillos (304) que en una modalidad preferida son del tipo alien, que sujetan Ia pletina de aluminio (301 ) al soporte metálico (104) y el tornillo de regulación (302) del pistón neumático (105). La figura 4B muestra una vista inferior del soporte metálico (104) que permite fijar el pistón mecánico-neumático (105) al soporte cilindrico (101 ) del sistema de extracción (100) armando de esta forma.
La figura 5A muestra una vista inferior de las abrazaderas plásticas (110,112) para soportar al recipiente de vidrio para extracción de PUF (111), tanto por su parte superior como por su parte inferior; las abrazaderas plásticas (110,112) están constituidas de dos partes, Ia primera abraza al cilindrico (101 ), con su respectiva mariposa con rosca para su fijación y aseguramiento y Ia segunda abraza al recipiente de vidrio para extracción de PUF (111 ). La figura 5B muestra una vista superior de las abrazaderas plásticas (110,112), donde se puede identificar además el recubrimiento metálico que posee Ia primera abrazadera que sirve para Ia sujeción al sopóte cilindrico (101 ).
En Ia figura 8 y 9 se describe el recipiente de vidrio para extracción de PUF (111 ) el cual está construido en vidrio de borosilicato y posee una boca (905), mediante Ia cual el PUF se introduce en el sistema de extracción, esta boca (905) es una hembra cónica esmerilada NS64/46, Ia cual posee una parte superior (904), que corresponde a un macho cónico, esmerilado NS64/46, que permite cerrar herméticamente el recipiente de extracción (111) para evitar salpicaduras del solvente durante Ia extracción. De Ia misma forma y para evitar sobre presiones producidas por solvente que se ha evaporado durante el proceso de compresión y expansión del PUF, Ia parte superior (904) está provista con una llave de teflón 2NS14 (902) que se puede abrir a voluntad durante el proceso, evitando así, este problema. Para incorporar nuevas porciones de solvente o para cambiar el solvente de extracción, Ia misma parte superior (904), está provista con una hembra cónica esmerilada (903A), NS14/23, Ia cual posee una tapa de vidrio cónica macho esmerilada (903B), NS 14/23, que permite cerrar herméticamente nuevamente el recipiente de extracción (111 ) una vez que se ha introducido el solvente en cuestión. La boca de vidrio macho con hilo exterior (901 ) permite unir Ia pieza de teflón (109) que sirve de guía al vastago de Ia paleta de compresión (108) para que esta se introduzca y se mueva en forma correcta y vertical por el interior del cuerpo (906) del recipiente de vidrio para extracción de PUF (111 ). Una vez que se ha extraído el PUF, el solvente de extracción debe ser retirado del recipiente de extracción, para Io cual se dispone de una llave de teflón 2NS14 (907) unida a un macho de vidrio cónico esmerilado (908), NS29/32, que permite conectar directamente al recipiente de extracción, un balón de destilación (114) que posee una boca de vidrio cónica hembra esmerilada (113), NS29/32. De esta forma al abrir Ia llave de teflón (907), el líquido es vertido directamente al balón de destilación (114), sin que se tenga que trasvasijar a otro recipiente distinto, permitiendo que dicho balón de destilación (114), se pueda utilizar directamente en un rotavapor (que no se muestra) para Ia eliminación consiguiente del solvente hasta casi sequedad. Los balones de destilación usualmente ocupados en este proceso son de volúmenes distintos (100, 250 o 500 mi), dependiendo del volumen de extracción final, Ia única restricción es que todos posean una boca compatible con las medidas del macho de vidrio cónico esmerilado (908). El macho de vidrio (908), posee además una oliva abierta (911), que permite igualar presiones durante Ia eliminación del solvente de extracción del recipiente de extracción (111 ), facilitando así Ia caída del líquido al balón de destilación (909). Adicionalmente y para lograr una mayor extracción del solvente final de extracción ya sea para su análisis o para lograr posteriormente una mayor eficiencia en el secado de un PUF, se puede conectar a Ia oliva abierta (911) un bomba de vacío libre de aceite y aplicar vacío por algunos minutos.
En Ia figura 10 se muestra un corte transversal del recipiente de extracción (111 ), donde se muestra como Ia sujeción de teflón fija por su parte superior (107A) el vastago del pistón (106) y por su parte inferior (107B) el vastago de Ia paleta de compresión (108). Se puede apreciar además, el adaptador de teflón (109) que sirve como guía para Ia entrada correcta y vertical de Ia paleta de compresión de teflón (108) al interior del recipiente de extracción (111 ). Esta figura también muestra Ia posición del PUF (1001 ) y de Ia paleta de compresión (108), cuya parte inferior tiene soldada una superficie plana de compresión (1002), con forma circular, de 5 cm de diámetro y que está fabricada en vidrio de borosilicato. Esta paleta (108) posee una serie de perforaciones que permiten, por una parte comprimir el PUF (1001 ) y por otra dejar escurrir el solvente de extracción cada vez que se comprime dicho PUF (1001 ). En el interior del cuerpo (906) del recipiente de vidrio para extracción de PUF (111 ), se coloca el solvente de extracción, el cual debe inundar el PUF (1001 ) en forma completa, de forma tal de que Ia espuma de poliuretano del PUF (1001 ) quede completamente empapada en el solvente seleccionado. Una vez que Ia extracción ha terminado, Ia paleta (108), quedará presionando fuertemente el PUF, mediante Ia regulación de Ia carrera del pistón, tal como se describió en Ia figura 2, de forma tal que permanezca en esta posición el tiempo necesario para que se eliminé el máximo del solvente de extracción, dejando el PUF (1001 ) sin restos de solventes.
La figura 11 muestra en forma esquemática el sistema de secado del PUF. Para esto el recipiente de secado de PUF (1101) se debe conectar a una línea de nitrógeno (N2) caliente (1102) cuya calidad es de grado ultra puro. El suministro de gas llega desde un cilindro de N2 (1109) que posee una presión predeterminada, Ia cual es reducida mediante en manómetro secundario a 4 bares (que no se muestra). La cañería de N2 de 4 bares llega a una campana de extracción (1103) y se conecta a ella mediante una válvula de aguja de regulación gruesa de flujo (1106), Ia que a su vez está conectada a una válvula de aguja de regulación fina de flujo (1105). La línea de N2 caliente (1102) esta a su vez conectada y regulada por Ia válvula (1105), Ia termostatización de esta línea se logra gracias a una manta provista de resistencias eléctricas reguladas y controladas por un termostato (que no se muestra), el cual mantiene Ia temperatura de esta línea en aproximadamente 7O0C. El secado del PUF (1001 ) se logra mediante el proceso de arrastre por N2 del solvente residual que ha quedado retenido en el PUF, el calentamiento del N2 ayuda a Ia evaporación del solvente reduciendo el tiempo de secado notablemente. El N2 que ha pasado por el PUF (1001 ) es eliminado por una válvula de regulación (1107) a través de una manguera (1108) al interior de Ia campana de extracción (1103).
La figura 12A muestra en forma esquemática el despiece del recipiente de secado de PUF (1101 ). Este recipiente de secado consta de una tapa que posee una parte superior (1201 ), provista de un calce para el acople con Ia parte inferior (1206) y un surco para alojar un o-ring de silicona (1202). Este o- ring (1202) sirve para presionar herméticamente un vidrio transparente de 5 mm (1204) que queda ajustado dentro del calce de Ia tapa entre su parte superior (1201 ) e inferior (1206) y que sirve como ventana para observar el proceso de secado. La parte inferior (1206), también pose un surco para alojar un o-ring de silicona (1205) similar al anterior en forma y función. La ventana de vidrio (1204) posee en su centro un macho metálico (1203A) con hilo interior y con hilo exterior "sweglook" para conectar mediante una tuerca "sweglook" Ia línea de N2 caliente (1102), esta permite que el N2 ingrese al recipiente de secado de PUF (1101 ). Esta conexión de entrada de N2 se sella herméticamente contra el vidrio (1204) mediante una contratuerca (1203B) Ia cual posee un hilo exterior que permite atornillarse al macho metálico (1203A). Ambas piezas (1203A y 1203B), se sellan además contra el vidrio mediante Ia utilización de o-rings de diámetros apropiados (1210A y 1210B). Los PUF's se colocan para su procedimiento de secado, en un soporte para PUF (1207), cuya descripción aparece detalla en Ia Figura 13. Este soporte se coloca dentro de Ia parte inferior (1208) del recipiente de secado de PUF (1101 ), denominado cuerpo del recipiente. La tapa y el cuerpo del recipiente se unen entre si mediante presillas metálicas (1209), las cuales se pueden ajustar para lograr el máximo de apriete, de forma tal de lograr Ia hermeticidad del recipiente de secado de PUF (1101 ). En Ia parte inferior del cuerpo del recipiente (1208) existe una salida de N2 que consiste en un conjunto de piezas similares a las descritas anteriormente para las partes hembras y machos 1203A y 1203B, ambos nuevamente se sellan mediante Ia utilización de o-rings de diámetros apropiados (1210A y 1210B) idénticos entre si. De esta forma el recipiente (1208), se deja hermético y con Ia posibilidad de conectar por su parte inferior, en el vastago de Ia contratuerca (1203B) una válvula de aguja (que no se muestra) que permita regular el flujo de salida de N2, hacia el exterior del recipiente de secado de PUF (1101 ). La figura 13 muestra un corte transversal del despiece del recipiente de secado de PUF (1101 ). En esta figura se puede apreciar en detalle Ia parte superior e inferior de Ia tapa del recipiente de secado de PUF (1101 ), Ia cual posee una parte superior (1201 ), provista de un calce para el acople con Ia parte inferior (1206) y un surco para alojar un o-ring de silicona (1202). Este o-ring (1202) sirve para presionar herméticamente un vidrio transparente de 5 mm (1204) que queda ajustado dentro del calce de Ia tapa entre su parte superior (1201) e inferior (1206) y que sirve como ventana para observar el proceso de secado. La parte inferior (1206), también pose un surco para alojar un o-ring de silicona (1205) similar al anterior en forma y función. La figura 13 muestra además los detalles del sistema de conexión del recipiente de secado (1101 ) al N2 caliente, Io cual se logra por medio de un macho metálico (1203A) y su respectiva contratuerca (1203B), así como el ajuste hermético a Ia ventana de vidrio (1204) por medio del uso de o-rings de silicona (1210A y 1210B) colocados en Ia parte superior e inferior de Ia entrada de N2 (1203A y 1203B). El soporte para PUF (1207), lugar donde los PUF's se colocan para su proceso de secado, consta de un primer soporte (1301 ), para PUF de 15 cm de diámetro (1302) el cual está apoyado sobre una rejilla metálica con perforaciones de 1 cm (1302). El soporte (1301 ) está apoyado sobre unas patas cilindricas de 2 cm (1305) para separarlo del segundo soporte de iguales dimensiones que el anterior (1301 ), para los PUF de 5 cm de diámetro (1304). Este segundo soporte (1301), está igualmente apoyado sobre unas patas cilindricas de 2 cm (1305) para separarlo del fondo del recipiente de secado de PUF (1208). El fondo del recipiente (1208) posee una salida de N2 que consiste exactamente en el mismo conjunto de piezas (1203A y 1203B) y o-rings (1210A y 1210B), descritos anteriormente. De esta forma el recipiente (1208), se deja hermético y con Ia posibilidad de conectar por su parte inferior, en el vastago de Ia contratuerca (1203B) una válvula de aguja (que no se muestra) que permita regular el flujo de salida de N2, hacia el exterior del recipiente de secado de PUF (1101 ).
La figura 14A y 14B muestran el despiece del soporte para PUF (1207), lugar donde los PUF's se colocan para su procedo de secado, en Ia figura se puede apreciar el primer soporte (1301 ), para PUF de 15 cm de diámetro (1303) y el segundo soporte para PUF de 5 cm de diámetro (1301 ). Este segundo soporte (1301), permite alojar hasta 6 PUF de 5 cm de diámetro (1304), permitiendo de esta forma optimizar el procedimiento de secado, ahorrando tiempo y disminuyendo Ia cantidad de N2, Io que redunda en un menor costo operativo. Adicionalmente se puede colocar sobre el segundo soporte (1301) un soporte extra (1301 ), con el diámetro apropiado para PUF de 15 cm de diámetro (1302), con Io cual se puede aprovechar el mismo procedimiento de secado de los PUF (1304), para el secado de los PUF (1302), de esta forma se optimiza aún más el uso del recipiente de secado para PUF (1101).
La figura 15A y 15B muestran respectivamente, el recipiente de secado para PUF (1101 ) en una vista isométrica y el mismo recipiente (1101 ) cerrado. En esta forma se utiliza para secar los PUF's ya sean del tamaño correspondiente a 5 cm de diámetro (1301 ) y/o a los de 15 cm de diámetro (1303).
Los procedimientos analíticos asociados a esta invención se derivan de las siguientes actividades:
A) Limpieza del PUF: El equipo automático de extracción se puede usar indistintamente para extraer un PUF proveniente de una toma de muestras de aire ambiente, así como también para limpiar un PUF con restos de contaminación provenientes de su proceso de fabricación antes de usarlo en un muestreo de campo, como una forma de asegurarse de que el PUF se encuentre limpio en el momento de tomar Ia muestra atmosférica. El resultado de este procedimiento se certifica mediante un análisis cromatográfico.
B) Secado del PUF: Otro problema secundario es secar un PUF que ha sido sometido a una extracción con solventes para asegurar su limpieza. Este procedimiento aparentemente obvio, requiere de un sistema de secado automático de PUF mediante el uso de nitrógeno ultra puro y caliente. La importancia de este secado radica en que si quedan restos mínimos de solvente en el PUF este queda muy activo y puede contaminarse fácilmente antes de llegar al lugar de muestreo, arruinando Ia muestra. De esta forma el procedimiento de secado ha asegurado un PUF limpio, seco y preparado para el muestreo de campo, sin los problemas antes mencionado. C) Almacenamiento del PUF: Una vez obtenido un PUF limpio y seco, es necesario almacenarlo de modo que no se contamine antes de llegar al lugar de muestreo.
Procedimiento de Limpieza del PUF:
Los PUF son comercializados con una gran cantidad de contaminantes propios de su proceso de fabricación. Esta contaminación es tan importante que el PUF, así utilizado (sucio), no está en condiciones para ser usado como filtro adsorbente en Ia toma de muestras de aerosoles atmosféricos, en particular para retener compuestos químicos orgánicos en fase gaseosa, presentes en este tipo de muestras. De esta forma el PUF antes de usarse para este fin, debe ser descontaminado, en otras palabras debe ser limpiado y su limpieza debe estar certificada mediante técnicas cromatográficas que aseguren que no han quedado sustancias que impidan una buena interpretación de los cromatogramas de las muestras reales una vez que estos son extraídos para identificar y cuantificar los analitos de interés. La invención desarrollada, consiste justamente en un sistema automático para extraer PUF (100), el cual puede ser usado indistintamente, para el procedimiento de limpieza y/o de extracción de PUF. Para el procedimiento de limpieza del PUF previo a su utilización bajo condiciones de monitoreo, este se limpia utilizando una secuencia de solventes de extracción, durante 4 períodos de 15 minutos cada uno. Cada período está constituido por 3 ciclos de compresión y descompresión del PUF de una duración de 5 minutos cada uno; iniciando Ia limpieza en el primer período utilizando 80 mi de agua calidad MiIIi-Q, a continuación, en el segundo período se utilizan 80 mi de acetona, en el tercero son 80 mi de Tolueno, para finalizar el último período con 80 mi de n-hexano.
El procedimiento de extracción comienza con Ia adición de 80 mi del primer solvente, o sea el más polar: agua (calidad MiIIi-Q), directamente en el recipiente de vidrio para extracción de PUF (111 ). Luego de esto el PUF se toma con una pinza y se coloca cuidadosamente en el interior del mismo recipiente (111 ). Después se toma Ia parte superior (904) del recipiente de extracción (111 ) y se introduce por Ia boca de vidrio macho (901 ) que tiene unida Ia pieza de teflón (109) que sirve de guía al vastago de Ia paleta de compresión (108) para que esta se introduzca y se mueva en forma correcta y vertical por el interior del cuerpo (906) del recipiente de vidrio para extracción de PUF (111 ) que corresponde a un macho cónico, esmerilado NS64/46, que permite cerrar herméticamente el recipiente.
Se regula Ia extracción dependiendo de Ia limpieza a realizar, donde ciclos de compresión y descompresión del PUF sumergido en los distintos solventes permiten extraer desde este soporte sólido (PUF) las impurezas antes descritas. Una vez que ha terminado el proceso de extracción, Ia solución extraída se vierte en un balón de destilación y se reduce el solvente, evaporándolo en un rotavapor a 3O0C de temperatura y utilizando vacío, hasta un volumen final de 1-2 mi. El extracto obtenido en esta etapa se trasvasija a un vial cónico de 5 mi en forma cuantitativa y el exceso de volumen se vuelve a reducir esta vez bajo corriente de nitrógeno hasta prácticamente sequedad. Posteriormente se redisuelve en 50 μl de solvente y se inyecta 1 μl de esta solución en un equipo de cromatografía gaseosa capilar (GC), utilizándose algún detector cromatográfico adecuado, según Ia naturaleza de los contaminantes (FID, ECD, MS), para verificar si el procedimiento de limpieza ha sido efectuado con éxito. El criterio para definir si se ha alcanzado este objetivo se define analizando el tamaño (área bajo Ia curva) de los picos cromatográficos obtenidos a partir del extracto inyectado en el GC. El área antes mencionada de ser inferior al valor umbral definido como máximo permitido para alcanzar Ia limpieza del PUF. Este análisis cromatográfico permite certificar cada PUF por separado y acreditarlo para sus uso bajo condiciones de campo en un monitoreo atmosférico, además es usado posteriormente para Ia cuantificación de los analitos de interés adsorbidos en el PUF, después de realizado el monitoreo.
Procedimiento de Extracción del PUF:
El proceso involucrado en esta invención es un procedimiento de extracción de muestras provenientes de aire ambiente, donde se consideran contaminantes químicos orgánicos presentes en el MP como en fase gaseosa, agrupados bajo Ia categoría de compuestos orgánicos semivolátiles (COSVs). En el caso particular del equipo desarrollado en esta invención, el objetivo es extraer desde un filtro denominado PUF, en donde queda retenida Ia fase gaseosa de Ia muestra de aire, compuestos con propiedades tóxicas como los Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos (HAPs) y los Bifenilos Policlorados (PCBs) y es aplicable a otras familias de COSVs. Una vez que el cartridge de muestreo ha llegado al laboratorio, se saca, del compartimiento del PUF, el PUF con un pinza y se coloca cuidadosamente en el recipiente de extracción del PUF (111 ), al cual previamente se Ie han agregado los primeros solventes de extracción y una solución de estándar interno para controlar las pérdidas en este procedimiento y así poder calcular exactamente Ia concentración de los analitos de interés. Para este fin, se somete el PUF a una extracción con solventes orgánicos de diferente polaridad, donde ciclos de compresión y descompresión del PUF sumergido en los diferentes solventes permiten extraer desde este soporte sólido (PUF) los analitos de interés, durante 4 períodos de 15 minutos cada uno. Cada período está constituido por 3 ciclos de compresión y descompresión del PUF de una duración de 5 minutos cada uno; iniciando Ia extracción utilizando 80 mi de Tolueno en los tres primeros períodos, y se finaliza Ia extracción con el último período utilizando 80 mi de n- hexano. Después de cada ciclo, el solvente es evacuado del recipiente de extracción del PUF (111 ), por medio de Ia apertura de una llave de teflón unida a un macho de vidrio cónico esmerilado, que permite conectar un balón de destilación directamente al recipiente de extracción, de esta forma al abrir Ia llave de teflón, el solvente es vertido directamente a un balón de destilación que posee una boca compatible con las medidas del macho de vidrio cónico esmerilado, este macho de vidrio, posee además una oliva abierta, que permite igualar presiones durante Ia eliminación del solvente de extracción del recipiente de extracción, facilitando así Ia caída del líquido al balón de destilación. Al final de Ia extracción se tendrán 320 mi de solventes acumulados en el balón de destilación, conteniendo los analitos extraídos del PUF. El volumen de solvente contenido en el balón de destilación, es reducido evaporándolo en un rotavapor a 3O0C de temperatura y utilizando vacío, hasta un volumen final de 1-2 mi. El extracto obtenido en esta etapa se trasvasija a un vial cónico de 5 mi en forma cuantitativa y el exceso de volumen se vuelve a reducir esta vez bajo corriente de nitrógeno hasta prácticamente sequedad. Posteriormente se redisuelve en 100 μl de solvente y se somete a un proceso de purificación sobre columnas cromatográficas empacadas, para eliminar los compuestos indeseables y seleccionar solamente aquellas familias de compuestos de interés. Una vez obtenidas las fracciones de interés, el exceso de volumen se vuelve a reducir nuevamente bajo corriente de nitrógeno hasta prácticamente sequedad. Posteriormente se redisuelve el extracto con 30-50 μl de solvente, según nivel de concentración y se inyecta 1 μl del extracto en un equipo de cromatografía gaseosa capilar, utilizándose algún detector cromatográfico adecuado, según Ia naturaleza de los contaminantes (FID, ECD, MS), para realizar Ia identificación y cuantificación de los analitos de interés.
Almacenamiento del PUF:
Una vez obtenido un PUF limpio y seco, es necesario almacenarlo de modo que no se contamine antes de llegar al lugar de muestreo. Para esto es necesario que el PUF sea guardado envuelto en papel de aluminio previamente tratado. El tratamiento de limpieza del papel aluminio, consiste en un lavado del material con acetona por sus dos caras y un tiempo de secado bajo campana en condiciones de limpieza absoluta. Una vez envuelto el PUF con el papel de aluminio limpio, el PUF debe almacenarse en un recipiente de vidrio con tapa hermética. Para mayor seguridad se envuelve también el recipiente de vidrio con papel de aluminio limpio y se guarda en Ia oscuridad. Solo de esta forma se puede asegurar un almacenamiento seguro y libre de contaminación de los PUFs antes de su utilización final en un monitoreo atmosférico.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Sistema de extracción automático de contaminantes atmosféricos gaseosos con propiedades tóxicas como los Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos (HAPs) y los Bifenilos Policlorados (PCBs), los cuales están retenidos en filtros de espuma de poliuretano (PUF), porque comprende: un dispositivo de extracción automático, que permite extraer los compuestos químicos de interés del PUF o limpiarlo, utilizando una secuencia de solventes orgánicos en las cuales debe estar sumergido el PUF, mediante un proceso de extracción o de limpieza que se basa en ciclos de compresión y descompresión del PUF; y un dispositivo de secado que permite secar los PUF mediante arrastre del solvente con N2 ultra puro gaseoso y caliente, eliminando el solvente hasta lograr Ia sequedad del PUF.
2. El sistema de extracción automático según Ia reivindicación 1 , porque el dispositivo de extracción automático está compuesto por: un pistón mecánico-neumático; una unidad de control de electroválvulas, que permiten controlar el movimiento del pistón; un soporte metálico; y un recipiente de vidrio para extracción de PUF sujeto a dicho soporte metálico.
3. El sistema de extracción automático según Ia reivindicación 2, porque el pistón mecánico-neumático permite realizar el procedimiento de compresión y descompresión, esto se logra mediante Ia compresión de aire ambiente que realiza una bomba de presión de membrana de teflón, libre de aceite, Ia cual envía este aire comprimido a través de mangueras hasta Ia conexión rápida de Ia válvula de entrada en el pistón; Ia lubricación del pistón se logra con una minúscula película de aceite que se forma en el vastago del pistón, Ia cual proviene de un depósito de aceite que permite que se forme un aerosol de aire conteniendo pequeñas gotitas de aceite en suspensión y para evitar cualquier posible contaminación con el aceite del sistema, se han implementado dos disposiciones, Ia primera consiste en que Ia sujeción de teflón que está en el extremo inferior del vastago del pistón, posee en Ia pieza superior una pequeña conicidad sellada, que evita que si alguna ínfima gota de Ia película de aceite se desprendiera del vastago del pistón, esta quedaría inevitablemente atrapada en esta conicidad, evitando así, contaminar Ia parte inferior del sistema de sujeción de teflón, de todas manera, las dos partes que conforman Ia sujeción de teflón, son independientes, por Io que está asegurada Ia imposibilidad de contaminación por esta vía, evitando que el vastago de Ia paleta de compresión de vidrio que actúa sobre los PUF's, pudiera llegar a contaminarse de alguna forma accidental; y Ia segunda consiste en una trampa de aceite que está al final de Ia manguera que une Ia conexión rápida de Ia válvula de salida del aire comprimido del pistón, con Ia trampa; esta trampa de aceite desarmable y lavable, está conectada a una salida para eliminar finalmente y en forma definitiva el aire residual comprimido del sistema hacia el exterior, adicionalmente el pistón neumático posee un tornillo de regulación a Ia entrada y a Ia salida del aire a presión, con estos tornillos se puede regular mecánicamente Ia carrera del vastago del pistón y de esta forma lograr adaptar el recipiente de vidrio para extracción de PUF a diferentes características del PUF (distintos tamaños y densidades); a diferentes volúmenes de solventes de extracción, así como a distintos procedimiento de extracción; con esta regulación también se puede modificar Ia intensidad con que se presionará el PUF durante las etapas de compresión y expansión, de forma de optimizar Ia eficiencia de Ia extracción; Ia acción del pistón mecánico-neumático utiliza aire comprimido para su funcionamiento, para esto una manguera de salida conduce el aire a presión hasta el pistón entrando por Ia válvula, el retorno del aire, sale por Ia válvula y es dirigido por medio de una manguera a Ia entrada en Ia unidad de control para lubricar el pistón se mezcla el aire, comprimido por Ia bomba de presión de membrana de teflón libre de aceite con una mínima parte de aceite, en un dispositivo, el aire así preparado se transporta a una electroválvula, Ia cual está conectada a Ia manguera de salida en dirección al pistón, el aire residual que se desecha una vez que este ha pasado por el pistón, sale de Ia unidad de control por una manguera y llega a Ia trampa de aceite. Finalmente y para evitar contaminación al interior del laboratorio, este aire residual se elimina al exterior del laboratorio por Ia manguera.
4. El sistema de extracción automático según Ia reivindicación 2, porque Ia unidad de control controla una pluralidad de electroválvulas, que permiten realizar el movimiento del pistón mediante Ia ayuda de un PLC, este microprocesador digital posee una pantalla de LCD y permite programar distintas formas de extracción del PUF mediante aumento de Ia compresión, basado en una mayor o menor presión del pistón controlando Ia cantidad de aire que se comprime, además Ia unidad de control posee una serie de elementos electrónicos, como diferenciales, alarmas acústicas y luminosas que indican el término de una secuencia de operación, y permite entonces, determinar los tiempos de presión versus pausas, y el tiempo total de extracción; permite utilizar PUF's de distinto espesor y/o densidad; permite comprimir adicionalmente el PUF para dejarlo Io más libre posible del solvente de extracción, entre otros.
5. El sistema de extracción automático según Ia reivindicación 2, porque el soporte metálico está compuesto de un soporte de duraluminio cilindrico que está atornillado a una base de fierro inserto en una plataforma de plástico, que permite fijar el pistón mecánico-neumático al cilindrico de sujeción del sistema de extracción; en su parte superior el cilindro posee un tornillo de sujeción, que permite regular Ia altura donde quedará finalmente el soporte de sujeción del pistón mecánico- neumático; sobre una pletina metálica se atornilla y fija el pistón mecánico-neumático al soporte cilindrico, tornillos de regulación permiten regular Ia carrera del vastago del pistón; unas abrazaderas plásticas permiten soportar al recipiente de vidrio para extracción de PUF, tanto por su parte superior como por su parte inferior; las abrazaderas plásticas están constituidas de dos partes, Ia primera abraza al soporte cilindrico, con su respectiva mariposa con rosca para su fijación y aseguramiento y Ia segunda abraza al recipiente de vidrio para extracción de PUF.
6. El sistema de extracción automático según Ia reivindicación 2, porque el recipiente de vidrio para extracción de PUF está construido en vidrio de borosilicato y posee una boca, mediante Ia cual el PUF se introduce en el sistema de extracción, esta boca es una hembra cónica esmerilada, Ia cual posee una parte superior, que corresponde a un macho cónico, esmerilado, que permite cerrar herméticamente el recipiente de extracción para evitar salpicaduras del solvente durante Ia extracción; de Ia misma forma y para evitar sobre presiones producidas por solventes que se ha evaporado durante el proceso de compresión y expansión del PUF, Ia parte superior está provista con una llave de teflón que se puede abrir a voluntad durante el proceso; además, para incorporar nuevas porciones de solvente o para cambiar el solvente de extracción, Ia misma parte superior, está provista con una hembra cónica esmerilada, Ia cual posee una tapa de vidrio cónica macho esmerilada, que permite cerrar herméticamente nuevamente el recipiente de extracción una vez que se ha introducido el solvente en cuestión; una boca de vidrio macho con hilo exterior permite unir Ia pieza de teflón que sirve de guía al vastago de Ia paleta de compresión para que esta se introduzca y se mueva en forma correcta y vertical por el interior del cuerpo del recipiente de vidrio para extracción de PUF; una vez que se ha extraído el PUF, el solvente de extracción debe ser retirado del recipiente de extracción, para Io cual se dispone de una llave de teflón unida a un macho de vidrio cónico esmerilado, que permite conectar un balón de destilación directamente al recipiente de extracción, de esta forma al abrir Ia llave de teflón, el líquido es vertido directamente a un balón de destilación que posee una boca compatible con las medidas del macho de vidrio cónico esmerilado, este macho de vidrio, posee además una oliva abierta, que permite igualar presiones durante Ia eliminación del solvente de extracción del recipiente de extracción, facilitando así Ia caída del líquido al balón de destilación.
7. El sistema de extracción automático según Ia reivindicación 1 , porque el dispositivo de secado está compuesto por:
- un recipiente de secado de PUF; y - una línea de suministro de nitrógeno (N2) caliente ultra puro.
8. El sistema de extracción automático según Ia reivindicación 7, porque el recipiente de secado de PUF consta de una tapa que posee una parte superior, provista de un calce para el acople con Ia parte inferior y un surco para alojar un o-ring de silicona. Este o-ring sirve para presionar herméticamente un vidrio transparente que queda ajustado dentro del calce de Ia tapa entre su parte superior e inferior y que sirve como ventana para observar el proceso de secado; Ia parte inferior, también pose un surco para alojar un o-ring de silicona similar al anterior en forma y función; Ia ventana de vidrio posee en su centro un macho metálico con hilo interior y con hilo exterior "sweglook" para conectar mediante una tuerca "sweglook" Ia línea de N2 caliente, esta permite que el N2 ingrese al recipiente de secado de PUF; esta conexión de entrada de N2 se sella herméticamente contra el vidrio mediante una contratuerca Ia cual posee un hilo exterior que permite atornillarse al macho metálico, ambas piezas, se sellan además contra el vidrio mediante Ia utilización de o-rings de diámetros apropiados; los PUF's se colocan para su procedimiento de secado, en un soporte para PUF, que se coloca dentro de Ia parte inferior del recipiente de secado de
PUF o cuerpo del recipiente; Ia tapa y el cuerpo del recipiente se unen entre si mediante presillas metálicas, las cuales se pueden ajustar para lograr el máximo de apriete, de forma tal de lograr Ia hermeticidad del recipiente de secado de PUF.
9. El sistema de extracción automático según Ia reivindicación 7, porque Ia línea de suministro de nitrógeno (N2) caliente ultra puro está compuesto un cilindro de N2 que posee una presión predeterminada, Ia cual es reducida mediante un manómetro secundario a 400 kPa (4 bares), una cañería de N2 de 400 kPa (4 bares) llega a una campana de extracción y se conecta a ella mediante una válvula de aguja de regulación gruesa de flujo, Ia que a su vez está conectada a una válvula de aguja de regulación fina de flujo; Ia línea de suministro de nitrógeno N2 caliente está a su vez conectada y regulada por Ia válvula, Ia termostatización de esta línea se logra gracias a una manta provista de resistencias eléctricas reguladas y controladas por un termostato, el cual mantiene Ia temperatura de esta línea en aproximadamente 70 0C; así el secado del PUF se logra mediante el proceso de arrastre por N2 del solvente residual que ha quedado retenido en el PUF, el calentamiento del N2 ayuda a Ia evaporación del solvente reduciendo el tiempo de secado notablemente, finalmente el N2 que ha pasado por el PUF es eliminado por una válvula de regulación a través de una manguera al interior de Ia campana de extracción.
10. El sistema de extracción automático según Ia reivindicación 8, porque el soporte para PUF, consta de un primer soporte, para PUF de un primer diámetro el cual está apoyado sobre una rejilla metálica con perforaciones; el primer soporte está apoyado sobre unas patas cilindricas para separarlo del segundo soporte de iguales dimensiones que el anterior, para los PUF de un segundo diámetro, menor que el primer diámetro; este segundo soporte, está igualmente apoyado sobre unas patas cilindricas para separarlo del fondo del recipiente de secado de PUF, y permitir una circulación libre de N2.
11. Método de extracción automático de contaminantes atmosféricos gaseosos (HAP's y PCB's) con propiedades tóxicas, los cuales están retenidos en filtros de espuma de poliuretano (PUF), porque comprende las etapas de:
- extraer los compuestos químicos de interés del PUF o limpiarlo, utilizando una secuencia de solventes orgánicos en las cuales debe estar sumergido el PUF, mediante un proceso de extracción o de limpieza que se basa en ciclos de compresión y descompresión del PUF;
- secar los PUF mediante arrastre del solvente con N2 ultra puro gaseoso y caliente, eliminando el solvente hasta lograr Ia sequedad del PUF; y - certificar cromatográficamente Ia limpieza del PUF.
12. El método de extracción automático según Ia reivindicación 11 , porque Ia etapa de extraer los compuestos químicos de interés utiliza una secuencia de solventes orgánicos en las cuales debe estar sumergido el PUF, mediante un proceso de extracción que se basa en ciclos de compresión y descompresión del PUF; se realiza mediante un pistón mecánico-neumático; una unidad de control de electroválvulas, que permiten controlar el movimiento del pistón; un soporte metálico; y un recipiente de vidrio para extracción de PUF sujeto a dicho soporte metálico.
13. El método de extracción automático según Ia reivindicación 12, porque el pistón mecánico-neumático permite realizar el procedimiento de compresión y descompresión, esto se logra mediante Ia compresión de aire ambiente que realiza una bomba de presión de membrana de teflón, libre de aceite, Ia cual envía este aire comprimido a través de mangueras hasta Ia conexión rápida de Ia válvula de entrada en el pistón; Ia lubricación del pistón se logra con una minúscula película de aceite que se forma en el vastago del pistón, Ia cual proviene de un depósito de aceite que permite que se forme un aerosol de aire conteniendo pequeñas gotitas de aceite en suspensión y para evitar cualquier posible contaminación con el aceite del sistema, se han implementado dos disposiciones, Ia primera consiste en que Ia sujeción de teflón que está en el extremo inferior del vastago del pistón, posee en Ia pieza superior una pequeña conicidad sellada, que evita que si alguna ínfima gota de Ia película de aceite se desprendiera del vastago del pistón, esta quedaría inevitablemente atrapada en esta conicidad, evitando así, contaminar Ia parte inferior del sistema de sujeción de teflón, de todas manera, las dos partes que conforman Ia sujeción de teflón, son independientes, por Io que está asegurada Ia imposibilidad de contaminación por esta vía, evitando que el vastago de Ia paleta de compresión de vidrio que actúa sobre los PUF's, pudiera llegar a contaminarse de alguna forma accidental; y Ia segunda consiste en una trampa de aceite que está al final de Ia manguera que une Ia conexión rápida de Ia válvula de salida del aire comprimido del pistón, con Ia trampa; esta trampa de aceite desarmable y lavable, está conectada a una salida para eliminar finalmente y en forma definitiva el aire residual comprimido del sistema hacia el exterior, adicionalmente el pistón neumático posee un tornillo de regulación a Ia entrada y a Ia salida del aire a presión, con estos tornillos se puede regular mecánicamente Ia carrera del vastago del pistón y de esta forma lograr adaptar el recipiente de vidrio para extracción de PUF a diferentes características del PUF (distintos tamaños y densidades); a diferentes volúmenes de solventes de extracción, así como a distintos procedimiento de extracción; con esta regulación también se puede modificar Ia intensidad con que se presionará el PUF durante las etapas de compresión y expansión, de forma de optimizar Ia eficiencia de Ia extracción; Ia acción del pistón mecánico-neumático utiliza aire comprimido para su funcionamiento, para esto una manguera de salida conduce el aire a presión hasta el pistón entrando por Ia válvula, el retorno del aire, sale por Ia válvula y es dirigido por medio de una manguera a Ia entrada en Ia unidad de control; para lubricar el pistón se mezcla el aire, comprimido por Ia bomba de presión de membrana de teflón libre de aceite, con una mínima parte de aceite, en un dispositivo, el aire así preparado se transporta a una electroválvula, Ia cual está conectada a Ia manguera de salida en dirección al pistón, el aire residual que se desecha una vez que este ha pasado por el pistón, sale de Ia unidad de control por una manguera y llega a Ia trampa de aceite.
14. El método de extracción automático según Ia reivindicación 12, porque Ia unidad de control controla una pluralidad de electroválvulas, que permiten realizar el movimiento del pistón mediante Ia ayuda de un
PLC, este microprocesador digital posee una pantalla de LCD y permite programar distintas formas de extracción del PUF mediante aumento de Ia compresión, basado en una mayor o menor presión del pistón controlando Ia cantidad de aire que se comprime, además Ia unidad de control posee una serie de elementos electrónicos, como diferenciales, alarmas acústicas y luminosas que indican el término de una secuencia de operación, y permite entonces, determinar los tiempos de presión versus pausas, y el tiempo total de extracción; permite utilizar PUF's de distinto espesor y/o densidad; permite comprimir adicionalmente el PUF para dejarlo Io más libre posible del solvente de extracción, entre otros.
15. El método de extracción automático según Ia reivindicación 12, porque el soporte metálico está compuesto de un soporte de duraluminio cilindrico que está atornillado a una base de fierro inserto en una plataforma de plástico, que permite fijar el pistón mecánico-neumático al cilindro de sujeción del sistema de extracción; en su parte superior el cilindro posee un tornillo de sujeción, que permite regular Ia altura donde quedará finalmente el soporte de sujeción del pistón mecánico-neumático; sobre una pletina metálica se atornilla y fija el pistón mecánico-neumático al soporte cilindrico, tornillos de regulación permite regular Ia carrera del vastago del pistón; unas abrazaderas plásticas permiten soportar al recipiente de vidrio para extracción de PUF, tanto por su parte superior como por su parte inferior; las abrazaderas plásticas están constituidas de dos partes, Ia primera abraza al cilindrico con su respectiva mariposa con rosca para su fijación y aseguramiento y Ia segunda abraza al recipiente de vidrio para extracción de PUF.
16. El método de extracción automático según Ia reivindicación 12, porque el recipiente de vidrio para extracción de PUF está construido en vidrio de borosilicato y posee una boca, mediante Ia cual el PUF se introduce en el sistema de extracción, esta boca es una hembra cónica esmerilada, Ia cual posee una parte superior, que corresponde a un macho cónico, esmerilado, que permite cerrar herméticamente el recipiente de extracción para evitar salpicaduras del solvente durante Ia extracción; de Ia misma forma y para evitar sobre presiones producidas por solvente que se ha evaporado durante el proceso de compresión y expansión del PUF, Ia parte superior está provista con una llave de teflón que se puede abrir a voluntad durante el proceso; además, para incorporar nuevas porciones de solvente o para cambiar el solvente de extracción, Ia misma parte superior, está provista con una hembra cónica esmerilada, Ia cual posee una tapa de vidrio cónica macho esmerilada, que permite cerrar herméticamente nuevamente el recipiente de extracción una vez que se ha introducido el solvente en cuestión; una boca de vidrio macho con hilo exterior permite unir Ia pieza de teflón que sirve de guía al vastago de Ia paleta de compresión para que esta se introduzca y se mueva en forma correcta y vertical por el interior del cuerpo del recipiente de vidrio para extracción de PUF; una vez que se ha extraído el PUF, el solvente de extracción debe ser retirado del recipiente de extracción, para Io cual se dispone de una llave de teflón unida a un macho de vidrio cónico esmerilado, que permite conectar directamente al recipiente de extracción, de esta forma al abrir Ia llave de teflón, el líquido es vertido directamente a un balón de destilación que posee una boca compatible con las medidas del macho de vidrio cónico esmerilado, este macho de vidrio, posee además una oliva abierta, que permite igualar presiones durante
Ia eliminación del solvente de extracción del recipiente de extracción, facilitando así Ia caída del líquido al balón de destilación.
17. El método de extracción automático según Ia reivindicación 11 , porque Ia etapa para Secar los PUF limpios, mediante arrastre del solvente con N2 ultra puro gaseoso y caliente, eliminando el solvente hasta lograr Ia sequedad del PUF; se realiza mediante un recipiente de secado de PUF, de acero inoxidable; y una línea de suministro de nitrógeno (N2) caliente ultra puro.
18. El método de extracción automático según Ia reivindicación 17, porque el recipiente de secado de PUF consta de una tapa de acero inoxidable que posee una parte superior, provista de un calce para el acople con Ia parte inferior y un surco para alojar un o-ring de silicona. Este o-ring sirve para presionar herméticamente un vidrio transparente que queda ajustado dentro del calce de Ia tapa entre su parte superior e inferior y que sirve como ventana para observar el proceso de secado; Ia parte inferior, también pose un surco para alojar un o-ring de silicona similar al anterior en forma y función; Ia ventana de vidrio posee en su centro un macho metálico con hilo interior y con hilo exterior "sweglook" para conectar mediante una tuerca "sweglook" Ia línea de N2 caliente, esta permite que el N2 ingrese al recipiente de secado de PUF; esta conexión de entrada de N2 se sella herméticamente contra el vidrio mediante una contratuerca Ia cual posee un hilo exterior que permite atornillarse al macho metálico, ambas piezas se sellan además contra el vidrio mediante Ia utilización de o-rings de diámetros apropiados; los PUF's se colocan para su procedimiento de secado, en un soporte para
PUF, que se coloca dentro de Ia parte inferior del recipiente de secado de PUF o cuerpo del recipiente; Ia tapa y el cuerpo del recipiente se unen entre si mediante presillas metálicas, las cuales se pueden ajustar para lograr el máximo de apriete, de forma tal de lograr Ia hermeticidad del recipiente de secado de PUF.
19. El método de extracción automático según Ia reivindicación 17, porque Ia línea de suministro de nitrógeno (N2) caliente ultra puro está compuesto por un cilindro de N2 que posee una presión predeterminada, Ia cual es reducida mediante un manómetro secundario a 400 kPa (4 bares), una cañería de N2 de 400 kPa (4 bares) llega a una campana de extracción y se conecta a ella mediante una válvula de aguja de regulación gruesa de flujo, Ia que a su vez está conectada a una válvula de aguja de regulación fina de flujo; Ia línea de suministro de nitrógeno N2 caliente está a su vez conectada y regulada por Ia válvula, Ia termostatización de esta línea se logra gracias a una manta provista de resistencias eléctricas reguladas y controladas por un termostato, el cual mantiene Ia temperatura de esta línea en aproximadamente 70 0C; así el secado del PUF se logra mediante el proceso de arrastre por N2 del solvente residual que ha quedado retenido en el PUF, el calentamiento del N2 ayuda a Ia evaporación del solvente reduciendo el tiempo de secado notablemente y el N2 que ha pasado por el PUF es eliminado por una válvula de regulación a través de una manguera al interior de Ia campana de extracción.
20. El método de extracción automático según Ia reivindicación 18, porque el soporte para PUF, consta de un primer soporte, para PUF de un primer diámetro el cual está apoyado sobre una rejilla metálica con perforaciones; el soporte está apoyado sobre unas patas cilindricas para separarlo del segundo soporte de iguales dimensiones que el anterior, para los PUF de un segundo diámetro, menor que el primer diámetro; este segundo soporte, está igualmente apoyado sobre unas patas cilindricas para separarlo del fondo del recipiente de secado de PUF.
21. El método de extracción automático según las reivindicaciones anteriores, porque además comprende Ia etapa de almacenar el PUF limpio y seco obtenido para que no se contamine antes de llegar al lugar de muestreo.
22. El método de extracción automático según las reivindicaciones 11 a 18, porque el equipo automático de extracción se puede usar indistintamente para extraer un PUF proveniente de una toma de muestras de aire ambiente, así como también para limpiar un PUF con restos de contaminación provenientes de su proceso de fabricación antes de usarlo en un muestreo de campo, como una forma de asegurarse de que el PUF se encuentre limpio en el momento de tomar Ia muestra atmosférica.
23. El método de extracción automático según Ia reivindicación 11 , porque Ia secuencia de solventes orgánicos para extraer los compuestos químicos de interés del PUF, son solventes orgánicos de diferente polaridad, y Ia extracción se realiza durante 4 períodos de 15 minutos cada uno, en donde cada período está constituido por 3 ciclos de compresión y descompresión del PUF de una duración de 5 minutos cada uno; iniciando Ia extracción utilizando 80 mi de Tolueno en los tres primeros períodos, y se finaliza Ia extracción con el último período utilizando 80 mi de n-hexano.
24. El método de extracción automático según las reivindicación 11 , porque Ia secuencia de solventes orgánicos para Ia limpieza se inicia utilizando una secuencia de solventes de extracción, durante 4 períodos de 15 minutos cada uno en donde cada período está constituido por 3 ciclos de compresión y descompresión del PUF de una duración de 5 minutos cada uno; iniciando Ia limpieza en el primer período utilizando 80 mi de agua calidad MiIIi-Q, a continuación, en el segundo período se utilizan 80 mi de acetona, en el tercero son 80 mi de Tolueno, para finalizar el último período con 80 mi de n-hexano.
25. El método de extracción automático según Ia reivindicación 21 , porque el almacenamiento se realiza mediante Ia envoltura con papel de aluminio previamente lavado con acetona por sus dos caras y un tiempo de secado bajo campana en condiciones de limpieza absoluta y guardado en un recipiente de vidrio con tapa hermética; luego, se envuelve también el recipiente de vidrio con papel de aluminio limpio y se guarda en Ia oscuridad.
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