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UNIVERSIDAD DE COSTA RICA
Facultad de Ciencias Básicas
Escuela de Química
“DESARROLLO, OPTIMIZACIÓN Y VALIDACIÓN DE UN
MÉTODO DE ANÁLISIS PARA LA DETERMINACIÓN DE
ETANOTIOL EN GAS LICUADO DE PETRÓLEO (GLP)
MEDIANTE CROMATOGRAFÍA DE GASES ACOPLADO A UN
DETECTOR DE MASAS (GC-MS)”
Trabajo final de graduación para optar al grado de
Licenciatura en Química
Juan Pablo Ramírez Duarte
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio
2016
R E S U M E N
Se desarrolló, implementó y validó un método de análisis para la determinación de
etanotiol presente en Gas Licuado de Petróleo (GLP), distribuido por la Refinadora Costarricense
de Petróleo (RECOPE). Este proyecto se realizó con la finalidad de implementar este análisis en el
Laboratorio de Hidrocarburos del Centro de Electroquímica y Energía Química (CELEQ) de la
Universidad de Costa Rica, como parte de los servicios que se brindan a la Autoridad Reguladora
de los Servicios Públicos (ARESEP) dentro del convenio ARESEP-UCR. El análisis se llevó a cabo
mediante la técnica de Cromatografía de Gases, acoplado a un detector de Masas (CG-MS). La
precisión del método desarrollado fue menor a 5%, la reproducibilidad obtenida fue de 12,7%, el
límite de detección fue de 4,64 mg/L, el límite de cuantificación fue de 8,83 mg/L, la recuperación
fue de 104% con una desviación estándar relativa de 0,053. El valor medio de control fue de 31,0
mg/L.
Los valores obtenidos se consideran adecuados para la determinación de etanotiol en
muestras de GLP para el mercado costarricense.
T R I B U N A L E X A M I N A D O R
Este proyecto de graduación, ha sido aceptado por la Escuela de Química de la
Facultad de Ciencias Básicas de la Universidad de Costa Rica, como requisito parcial para
optar por el grado de Licenciatura en Química.
___________________________
Ph.D. Cristian Campos Fernández
Director de la Escuela de Química
___________________________
Dra. Miriam Barquero Quirós
Directora del Proyecto
___________________________
Dr. Carlos León Rojas
Asesor del Proyecto
___________________________
Licda. María Elena Sibaja García
Asesora del Proyecto
___________________________
Juan Pablo Ramírez Duarte
Postulante
“Más vale tarde, que nunca…”
“El que persevera, alcanza…”
A G R A D E C I M I E N T O S
Quiero agradecer a todas las personas que me han apoyado en la realización de
este proyecto. A la profesora Miriam Barquero por su valiosa dirección, por los consejos y
su sincera amistad.
A la profesora Ana Lorena Alvarado, María Elena Sibaja y Graciela Delgado, por la
motivación, el apoyo y los consejos brindados.
A mi amigo el Dr. Julio Bastos por su gran amistad, sus valiosos consejos y
motivación.
Al Doctor Carlos León y a todos los compañeros del Centro de Electroquímica y
Energía Química por las facilidades brindadas para la realización de esta investigación y
por las buenas experiencias vividas allí.
A la Escuela de Química, al señor director Cristian Campos, a la profesora Patricia
Guzmán por la confianza que han depositado en mí y a mis colegas de la sección de
Química General, con quienes he compartido y aprendo cada día.
A mis padres, a Mariela, a Mariángel, a mi querida abuela Teo (q.p.d.) y en general,
a mi familia, quienes han estado a mi lado y han ayudado a forjar mi carácter, haciéndome
una mejor persona.
Ante todo, agradezco a Dios por darme vida, salud y fuerzas para concluir este
proyecto y seguir creciendo cada día.
Muchas gracias a todos, que Dios les bendiga.
Í N D I C E G E N E R A L
INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................................... 10
ANTECEDENTES ................................................................................................................................................... 1
PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DEL GLP................................................................................................................. 4
MERCAPTANOS ................................................................................................................................................... 5
METODOLOGÍAS DE ANÁLISIS ................................................................................................................................. 7
OBJETIVOS ................................................................................................................................................. 13
OBJETIVO GENERAL ........................................................................................................................................... 14
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..................................................................................................................................... 14
SECCIÓN EXPERIMENTAL ........................................................................................................................... 15
EQUIPO ........................................................................................................................................................... 16
REACTIVOS ...................................................................................................................................................... 16
MUESTRAS ...................................................................................................................................................... 16
CONDICIONES CROMATOGRÁFICAS Y DE DETECCIÓN ................................................................................................. 18
PARÁMETROS DE DETECCIÓN ............................................................................................................................... 18
TRATAMIENTO DE DATOS .................................................................................................................................... 18
DISCUSIÓN Y RESULTADOS ........................................................................................................................ 19
PARÁMETROS CROMATOGRÁFICOS ....................................................................................................................... 24
PRECISIÓN ....................................................................................................................................................... 28
SELECTIVIDAD ................................................................................................................................................... 30
LINEALIDAD ...................................................................................................................................................... 31
EXACTITUD ...................................................................................................................................................... 32
DETERMINACIÓN DE LÍMITES DE DETECCIÓN Y CUANTIFICACIÓN .................................................................................. 33
ANÁLISIS DE MUESTRAS ...................................................................................................................................... 34
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ..................................................................................................... 37
CONCLUSIONES ................................................................................................................................................. 38
RECOMENDACIONES .......................................................................................................................................... 39
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................................................. 40
APÉNDICE .................................................................................................................................................. 44
LISTA DE CURVAS DE CALIBRACIÓN ....................................................................................................................... 45
Í N D I C E D E C U A D R O S
CUADRO I. ALGUNAS PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DEL GLP DE VENTA EN COSTA RICA. .................. 3
CUADRO II. COMPARACIÓN DE PODER CALÓRICO Y PRECIO DE ALGUNOS COMBUSTIBLES DERIVADOS DEL
PETRÓLEO .................................................................................................................................................... 4
CUADRO III. PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DEL ETANOTIOL. ............................................................... 5
CUADRO IV. RESUMEN DE MÉTODOS PARA LA DETERMINACIÓN DE COMPUESTOS AZUFRADOS. ............ 12
CUADRO V. CONDICIONES CROMATOGRÁFICAS DE ANÁLISIS. ................................................................... 18
CUADRO VI. CONDICIONES INSTRUMENTALES DEL DETECTOR. ................................................................. 18
CUADRO VII. CONDICIONES CROMATOGRÁFICAS DEL MÉTODO DE REFERENCIA. ...................................... 20
CUADRO VIII. PARÁMETROS CROMATOGRÁFICOS CALCULADOS PARA LA COLUMNA. .............................. 25
CUADRO IX. VALORES DE CONCENTRACIÓN, ÁREA Y COEFICIENTES DE VARIACIÓN PARA LA DETERMINAR
LA PRECISIÓN INSTRUMENTAL. .................................................................................................................. 29
CUADRO X. CUADRO COMPARATIVO ENTRE PATRONES CERTIFICADOS Y VALORES OBTENIDOS POR
INTERPOLACIÓN. ....................................................................................................................................... 33
CUADRO XI. RESUMEN DE RESULTADOS DE LAS CURVAS DE CALIBRACIÓN. .............................................. 34
CUADRO XII. CUADRO PARA CÁLCULO DE LÍMITES DE DETECCIÓN Y CUANTIFICACIÓN. ............................ 34
CUADRO XIII. RESUMEN DE RESULTADOS DE LAS MUESTRAS DE GLP ANALIZADAS. .................................. 35
Í N D I C E D E F I G U R A S
FIGURA 1. DISTRIBUCIÓN DEL CONSUMO DE COMBUSTIBLES A NIVEL NACIONAL. ...................................... 1
FIGURA 2. DISTRIBUCIÓN DEL CONSUMO DE GLP EN DIFERENTES SECTORES ECONÓMICOS NACIONALES… 2
FIGURA 3. RESUMEN DE REACCIONES DE MERCAPTANOS. .......................................................................... 6
FIGURA 4. ESQUEMA GENERAL DEL SISTEMA DE INYECCIÓN DE GASES. .................................................... 16
FIGURA 5. BALA DE ALMACENAMIENTO DE LA MUESTRA Y CROMATÓGRAFO DE GASES CON DETECTOR DE
MASAS. ...................................................................................................................................................... 17
FIGURA 6. SISTEMA DE INYECCIÓN DE VOLÁTILES DEL EQUIPO CROMATOGRÁFICO. ................................. 17
FIGURA 7. ESPECTRO DE MASAS DEL PATRÓN DE ETANOTIOL. .................................................................. 21
FIGURA 8. CROMATOGRAMA DE MUESTRA DE GLP ANALIZADA CON PARÁMETROS DEL MÉTODO DE
REFERENCIA. .............................................................................................................................................. 22
FIGURA 9. CROMATOGRAMA DE GLP CON NUEVAS CONDICIONES INSTRUMENTALES. ............................. 23
FIGURA 10. ACERCAMIENTO DEL CROMATOGRAMA DE GLP DE LA FIGURA 9. ........................................... 23
FIGURA 11. ESPECTRO DE MASAS DEL ETANOTIOL; A) MUESTRA DE DE GLP; B) ETANOTIOL DE BASE DE
DATOS. ...................................................................................................................................................... 24
FIGURA 12. CROMATOGRAMA DE PATRÓN DE ETANOTIOL A 73 MG/L USADO PARA CALCULAR K´ Y Α. ... 26
FIGURA 13. CROMATOGRAMA DE MUESTRA DE GLP USADO PARA CALCULAR RS. .................................... 27
FIGURA 14. ACERCAMIENTO DE UN CROMATOGRAMA UTILIZADO PARA DETERMINACIÓN DEL FACTOR DE
ASIMETRÍA. ................................................................................................................................................ 28
FIGURA 15. MUESTRA DE CURVA DE CALIBRACIÓN PARA DETERMINAR LA PRECISIÓN DEL MÉTODO. ...... 29
FIGURA 16. CROMATOGRAMA DE UN PATRÓN DE ETANOTIOL. ................................................................ 30
FIGURA 17. CURVA DE CALIBRACIÓN PARA DEFINIR LINEALIDAD Y ÁMBITO LINEAL EN LA DETERMINACIÓN
DE ETANOTIOL. .......................................................................................................................................... 31
FIGURA 18. GRÁFICO DE RESIDUOS PARA EL DIAGNÓSTICO DE LA LINEALIDAD DE LA REGRESIÓN. ........... 32
FIGURA 19. CARTA DE CONTROL DE MUESTRAS DE GLP PARA EL ANÁLISIS DE ETANOTIOL. ...................... 36
Lista de acrónimos
ARESEP: Autoridad Reguladora de los Servicios Públicos.
ASTM: American Standard for Testing Materials.
CELEQ: Centro de Electroquímica y Energía Química.
COMEX: Ministerio de Comercio Exterior.
CVGAFS: Espectrometría de Fluorescencia Atómica con Sistema de Generación de Vapor
de Mercurio.
FPD: Flame Photometric Detector (Detector fotométrico de llama).
GC-MS: Cromatografía de Gases acoplado a Detector de Masas.
GLP: Gas Licuado de Petróleo.
IDLH: Immediately Dangerousto Life or Health (Peligrosidad inmediata para la vida y la
salud).
LC: Límite de Cuantificación.
LCL: Low control limit (límite de control inferior).
LD: Límite de Detección.
MEIC: Ministerio de Economía, Industria y Comercio.
MINAE: Ministerio de Ambiente y Energía.
MSD: Mass Detector (Detector de Masas).
NIOSH: National Institute for Occupational Safety and Health (Instituto Nacional para la
seguridad ocupacional y la salud).
OSHA: Occupational Safety and Health Administration (Administración de la seguridad
ocupacional y la salud)
PHMB: Para - Hidroximercuriobenzoato.
RECOPE: Refinadora Costarricense de Petróleo.
SCD: Sulfur Chemioluminescense Detector (Detector de quimioluminiscencia para azufre).
SMAC: Statistical Method for Analytical Chemistry (Método estadístico para Química
Analítica).
UCL: Upper control limit (límite de control superior).
INTRODUCCIÓN
1
Antecedentes
El Gas Licuado de Petróleo (GLP), es un combustible derivado del petróleo que
consiste en una mezcla de componentes gaseosos a temperatura y presión ambientales.
Éste se compone de gases propano y butano de forma mayoritaria y en una menor
cantidad puede contener etano, eteno, propeno, isobutano, buteno, pentano, isopentano
entre otros. Además se le adiciona etilmercaptano para facilitar su detección, ya que es
inodoro.
En Costa Rica, el uso de GLP ha aumentado de manera sostenida desde los años
ochenta, cuando su uso se intensificó debido al crecimiento de zonas urbanas. La
electrificación y urbanización de las zonas rurales dificultó el acceso a la leña, que era la
fuente de calor más utilizada hasta ese momento. Impulsada por esta situación, la
comercialización del GLP creció constantemente hasta la actualidad. Según datos de la
Dirección Sectorial de Energía, entre los años 1986 y 2001, la venta de GLP creció un
10,9% anual. Del año 2002 al 2013, según información del Ministerio de Ambiente y
Energía, MINAE, el crecimiento no ha sido considerable, pero se ha mantenido el
consumo, lo cual representa un 9% de los combustibles utilizados a nivel nacional,
correspondiente a un total de 240 millones de litros. Además, se encontró que para el año
2013, el 37,1% de las familias costarricenses implementaron el GLP en sus hogares para la
cocción de alimentos.1,2,3
Figura 1. Distribución del consumo de combustibles a nivel nacional.3
GLP, 9%
Gasolina Súper, 18%
Gasolina Plus 91, 20%
Diesel 50, 38%
Otros, 1%
Asfalto, 3%
Búnker C, 4%Jet A-1,
7%
VENTAS DE RECOPE POR PRODUCTO A ENERO 2015
2
En el sector industrial también se encuentra una amplia gama de aplicaciones, se
pueden citar algunas como hornos para tratamiento de metales, vidrios, cerámica y
plásticos, planchado y lavandería de ropa, purificación de grasas y pasteurización,
industria alimenticia, entre otros. Además se ha presentado un auge en el uso de GLP
como combustible de automotores, de modo que muchos vehículos han pasado de un
motor convencional de gasolina o diesel, a un motor híbrido, donde se utiliza tanto
gasolina o diesel, como GLP para su funcionamiento. A pesar de ser un recurso
emergente, un dato aproximado en noticias nacionales indica que hay alrededor de
125.000 vehículos con esta adaptación.
Figura 2. Distribución del consumo de GLP en diferentes sectores económicos nacionales.3
La composición química de las sustancias que componen el GLP, permite que sea
un combustible eficiente en cuanto al calor que se obtiene de su combustión; además, en
presencia de suficiente oxígeno, su reacción es completa, dando lugar a productos más
amigables con el ambiente en comparación con otros derivados de petróleo. Debido a su
estado gaseoso en condiciones ambientales normales, el GLP debe ser envasado a altas
presiones y en recipientes muy resistentes. El almacenamiento de este producto se da en
Residencial37%
Industria43%
Comercial y Servicios
14%
Transporte6%
Consumo de GLP por sector en el 2013
3
cilindros metálicos de 25 libras, los cuales resisten más de 3000 kPa de presión, esto con el
fin de mantener el producto líquido para facilitar su transporte y manipulación.2
Desde sus inicios hasta la actualidad, el mercado de los productos derivados del
petróleo ha estado a cargo de la Refinería Costarricense de Petróleo (RECOPE). Esta
institución importa el producto y luego lo vende a las diferentes empresas distribuidoras a
nivel nacional. Las más importantes son Tropigás y TONZA. El gobierno, a través de la
Autoridad Reguladora de Servicios Públicos, (ARESEP) se encarga de establecer las tarifas y
las condiciones bajo las cuales se distribuyen estos productos en el país.2
Dado que se deben cumplir una serie de estándares para asegurar la calidad del
producto, se han establecido algunos parámetros químicos y físicos, los cuales se citan a
continuación.
Cuadro I. Algunas propiedades físicas y químicas del GLP de venta en Costa Rica.4
Porcentaje de Propano Entre 58 – 61%
Porcentaje de Butano Entre 37 – 40%
Presión de vapor a 37,8 oC Entre 828 kPa – 1083 kPa
Densidad a 15 oC 526 kg/m3 – 554 kg/m3
Poder calórico 25,54 TJ/1000 m3
Concentración de etil mercaptano
(odorizante) Entre 12 mg/L – 24 mg/L*
*Nota: El valor promedio de etil mercaptano en las muestras analizadas es 31,0 mg/L como se verá
en la carta de control en la sección de resultados.
La composición porcentual del GLP es variable dependiendo de las aplicaciones
que se le vaya a dar, sin embargo, el porcentaje mostrado en el cuadro anterior
corresponde al de principal venta a nivel nacional. Además, en el decreto COMEX-MINAE-
MEIC No. 32921, está definido que el gas butano no debe estar presente en más de un
40%.4
4
Propiedades físico-químicas del GLP
La presión de vapor es la presión ejercida por las partículas capaces de pasar a fase
gaseosa cuando se alcanza el equilibrio dinámico gas–líquido en un recipiente cerrado.5
Para el año 2013, en la esfera de almacenamiento del plantel de RECOPE en Moín, alcanzó
un promedio de 925 kPa. 4 Como se observa en la cuadro I, la presión de vapor de esta
mezcla de sustancias es bastante alta, por lo que su manipulación, almacenamiento y
transporte están regulados por el Reglamento de Seguridad para las Instalaciones y
Transporte de Gas Licuado de Petróleo.6
La densidad es una propiedad importante, ya que su valor permite determinar los
porcentajes de composición de la mezcla de gases. Además es un parámetro utilizado
también para el almacenamiento y transporte del producto. La densidad del GLP es mayor
que la del aire en condiciones ambientales normales, por lo que tiende a acumularse en
zonas bajas y dispersarse de esta forma en el lugar donde se encuentre. En el año 2013 los
resultados de la densidad del GLP arrojaron un promedio de 536 kg/m3. 4
Otra propiedad importante y que ha servido como parámetro para incrementar el
consumo de este producto es su poder calórico. Se define poder calórico como la energía
potencialmente liberada por kilogramo de gas en un proceso de combustión completa. Es
un concepto similar a la entalpía de combustión de un compuesto.5 El poder calórico del
gas es apenas menor que los combustibles más comunes como la gasolina y el diesel, sin
embargo, a pesar de tener un valor menor, su costo es mucho más bajo que los otros
combustibles, lo cual lo hace una opción atractiva al bolsillo del consumidor.4
Cuadro II. Comparación de poder calórico y precio de algunos combustibles derivados del
petróleo al 11 de diciembre del 2016 .8
Gasolina Plus 91 Diesel GLP
Poder calórico (TJ/1000 m3) 32,65 36,30 25,54
Precio (₡/L) 525 427 253
5
Mercaptanos
Por su naturaleza, el GLP no posee olor perceptible por los seres humanos, además
es un gas altamente inflamable por lo que su manipulación, almacenamiento y transporte
implica muchos riesgos, debido a lo anterior, en la actualidad se ha optado por la adición
de mercaptanos como odorizantes, que permitan la fácil detección del gas en caso de
fugas. Estos compuestos azufrados también se encuentran en el gas natural, y se
producen en los procesos de descomposición de materia orgánica.4
Según los estándares establecidos por el Reglamento Técnico Centroamericano
2005, es obligatorio que la concentración adicionada de etil mercaptano o etanotiol
(según nomenclatura IUPAC), debe estar entre 12 mg/L y 24 mg/L.4
Los mercaptanos son compuestos orgánicos que poseen uno o más grupos–SH.
También se le conoce como tioles, ya que son muy similares en estructura a los alcoholes.
Los tioles, a diferencia de los alcoholes, tienen un enlace más débil con el hidrógeno, pues
el azufre es más grande y menos electronegativo que el oxígeno. Esto provoca que los
tioles sean compuestos más reactivos que sus homólogos, a la vez son más fácilmente
ionizables y por consiguiente más ácidos.
El etanotiol es uno de los mercaptanos más importantes en la industria del GLP, ya
que se añade como odorizante para poder detectar fugas o presencia del gas.
Cuadro III. Propiedades físicas y químicas del etanotiol.
CAS 75-08-1
Fórmula Molecular C2H5SH
Masa molar 62,13 g/mol
Estructura molecular HS
Olor y apariencia Acre, incoloro
Punto de inflamación -48 oC
Presión de vapor a 20oC 589 kPa
𝐃𝐞𝐧𝐬𝐢𝐝𝐚𝐝 𝟒𝟐𝟎 0,8491
Solubilidad en agua a 20oC 6,76 g/L
Punto de Fusión -147,9 oC
Punto de Ebullición 35,0 oC
6
A continuación se presentan algunos patrones de reactividad de los mercaptanos.
(a) R SH
R1
OH
O
+R
1S
O
R + OH2
Tioésteres
(1)
(b) R SH
R1
H
O
+R
1S
R
SR
+ OH2
Mercaptales
(2)
(c) R SH
R1
R2
O
+R
1
S
RS
R
R2
+ OH2
Mercaptoles
(3)
(d) R SH + + OH2O O R
SS
R
Disulfuros
(4)
(e)
R SH
+ +
OH2R S-
Na+
OH-
Na+
R SH
+ +
R S-
M+
M+
X-
X-
H+
R SH
+ +
OH2R S-
O2-
M+
M+
2
Mercáptidos
(5)
(6)
(7)
M= Hg, Cu, Cr, Ag, Pb, Au, Pt, Zn, Cd, Mg, Ca, Bi, Fe, Ni, Co, Sn o Pd.
(f) R
SS
RO R
SS
R
O
OR
SSR
O
O Tiosulfinato Tiosulfonato
(8)
(g)
R
SSR
O
O
O OR
SSR
O
O O
RSSR
O
O
O
O Sulfóxido Sulfona Disulfona
(9)
O = Agente oxidante como H2O2, HClO o perácidos.
Figura 3. Resumen de reacciones de mercaptanos. (a) Formación de Tioésteres; (b) Formación de
mercaptales; (c) Formación de mercaptoles; (d) Oxidación a disulfuros; (e) Diferentes formaciones
de mercáptidos; (f) y (g) Oxidaciones sucesivas de mercaptanos.7
2
2
2 2
2
7
Organizaciones como la OSHA (Occupational Safety and Health Administration)
indican que la exposición a altas concentraciones de etilmercaptano (C2H5SH) puede
provocar problemas de irritación de las membranas mucosas, dolor de cabezas, nauseas,
daños severos en los riñones e hígado, además de cianosis y narcosis. El límite inmediato
de peligro para la vida y la salud (IDLH) es de 500 mg/L o 1270 mg/m3. 6
Metodologías de análisis
Debido a los riesgos que presentan los mercaptanos y los compuestos de azufre a
la salud, se han desarrollado muchas metodologías para controlar los niveles permitidos
en matrices como gases, combustibles y disolventes. La ASTM posee varios métodos: el
4952 llamado Doctor Test es un análisis cualitativo para verificar la presencia de
mercaptanos y H2S. La prueba consiste en poner a reaccionar la muestra con una pequeña
cantidad de plumbito de sodio (NaHPbO2: disolución acuosa de NaOH 10% masa y PbO 5%
masa) y una pequeña cantidad de azufre en polvo, la prueba es positiva cuando se da la
decoloración de la capa amarilla de azufre.8
El método ASTM 5305 es para determinar etilmercaptano en vapor de GLP en el
orden de 0,5 a 120 partes por millón en volumen (mg/L), para ello se utiliza una bomba de
vacío y un tubo detector específico para mercaptanos; la muestra se hace pasar a través
del tubo y se obtiene un cambio de color, el tamaño de la mancha es convertido a
concentración de analito por comparación con una escala que provee el fabricante de los
tubos detectores. Este es un método rápido y que utiliza equipo fácilmente portátil para
pruebas en cualquier sitio.9
La norma ASTM D1265-05 brinda los procedimientos y equipos necesarios para
obtener una muestra representativa de GLP y gas natural tal y como se especifica en la
norma D1835. Para ello se requiere de un contenedor o cilindro a presión adecuado para
el almacenamiento y transporte de la muestra. La muestra líquida se transfiere de la
fuente al contenedor purgándolo y llenándolo con el líquido. El contenedor se llena hasta
el 80% de su capacidad y el restante 20% permite la descompresión del líquido.10
8
El método estándar ASTM 1988 es similar al descrito anteriormente, pero la matriz
es gas natural y no GLP, además se determina metil, etil y butilmercaptano en el orden de
(0,5 a 120) mg/L. También se da la presencia de reactivos inorgánicos como sulfato de
paladio y cloruro de mercurio en el tubo detector, estos compuestos reaccionan con los
compuestos azufrados del gas natural formando sales insolubles. La presencia de H2S
puede afectar significativamente los resultados. 11
El método de la Lámpara (ASTM 1266) consiste en cuantificar la cantidad de azufre
total en productos de petróleo en concentraciones de 0,01 a 0,4 % masa. Para ello la
muestra es quemada en un sistema cerrado con atmósfera de dióxido de carbono (CO2)
70% y oxígeno (O2) 30%. Los óxidos de azufre son tratados con peróxido de hidrógeno
(H2O2) para oxidarlos a ácido sulfúrico (H2SO4); el contenido de azufre se determina por
medio de una valoración ácido-base o gravimétricamente, precipitando el azufre como
sulfato de bario (BaSO4).11 La norma ASTM 2784 describe una metodología similar a la
anterior para azufre en concentraciones mayores a 1 mg/L en GLP, la única diferencia es
que la determinación de azufre es por medio de turbidimetría.13
Los métodos electroquímicos también se han utilizado para estas determinaciones.
La norma ASTM 3227 describe una metodología para Mercaptanos en gasolina, keroseno
y combustible para aviones mediante un método potenciométrico; el ámbito de
concentración debe ser de (0,0003 a 0,1) % masa. El H2S debe ser previamente removido.
Se utiliza un electrodo de vidrio como referencia y un electrodo de plata/sulfuro de plata
como indicador, el agente valorante es una disolución de nitrato de plata; bajo estas
condiciones los mercaptanos son precipitados como mercapturos de plata y el punto final
de la valoración se da con un gran cambio del potencial de celda.14 El método UOP 212
también describe el mismo procedimiento para mercaptanos y sulfuro de carbonilo en
hidrocarburos gaseosos. 15
Con la espectrometría de masas se ha logrado determinar mercaptanos en
concentraciones de 10 mg/L en disolventes orgánicos como hexano, ciclohexano,
benceno, gasolina entre otros.16 La técnica ICP-MS (Plasma inductivamente acoplado con
detector de masas) con detector multielemental para azufre ha logrado obtener límites de
9
detección de 10 µg/L en azufre total en matrices de hidrocarburos.17Otro método
instrumental se describe en ASTM 2622; es un procedimiento rápido para cuantificar
azufre total en petróleo y cualquier derivado mediante Espectrometría de Fluorescencia
de Rayos X. El rango de concentración es de 3 µg/L a 46000 mg/L; la máxima intensidad
del pico del azufre es a 0,5373 nm.18
Las compañías fabricantes de cromatógrafos son las que han iniciado la
investigación en la búsqueda de aplicaciones analíticas para sus equipos y de soluciones a
los problemas típicos de este tipo de análisis, como por ejemplo: interferencia de
hidrocarburos a la respuesta del azufre y absorción de los compuestos en superficies
reactivas del sistema analítico. Agilent Technologies, Inc. desarrolló varios métodos para
determinar compuestos volátiles de azufre. Utilizando un cromatógrafo de gases modelo
6890 con detector de masas modelo 5973 y columna de metil silicona, determinaron las
condiciones óptimas para el análisis de una mezcla de etil, metil y t-butilmercaptano junto
con otros compuestos de azufre como sulfuro de dimetilo y sulfuro de carbonilo en helio
como gas de mezcla, obteniendo niveles de cuantificación de pocas partes por billón
(µg/L).19 También utilizando un Detector Fotométrico de Llama (FPD) se obtuvieron menos
de 100 µg/L de sulfuros volátiles en GLP y gas natural.20, 21,22
Los detectores de quimioluminiscencia para azufre (SCD) también han funcionado
para estas determinaciones, pues proveen una medida rápida para identificar y cuantificar
compuestos de azufre en gas natural, GLP, y otros derivados del petróleo en rangos de
detección de 0,01 a 1000 mg/m3. Este tipo de detectores son menos selectivos y se
requiere de corridas con señales bien separadas, además se necesitan patrones para
realizar el análisis.23, 24,25
En la cuarta edición del manual de métodos analíticos de la National Institute of
Occupational Safety and Health (NIOSH), se describe detalladamente un método
cromatográfico para la determinación de metil, etil y n-butil mercaptanos, el cual utiliza
filtros de fibra de vidrio impregnados en acetato de mercurio como sistema de muestreo.
Luego se extraen los analitos con ácido clorhídrico al 25% masa y posteriormente se
concentran los mismos en 1,2-dicloroetano. Se utiliza un estándar de cada mercaptano
10
para preparar la curva de calibración. Estos estándares se preparan a partir de los gases
puros, tomando alícuotas (a 25 oC y 1 atm) y diluyendo con diclorometano. Se trabaja en
los rangos de 1,0 a 10 mg/m3 para metil mercaptano, de 1,3 a 5,6 mg/m3 para el etil
mercaptano y de 1,8 a 7,4 mg/m3 para el n-butil mercaptano. El análisis usa un detector
Fotométrico de llama (FPD) a 250 oC, una columna 30 m x 0,25 mm ID, 1 µm de
recubrimiento DB-1, con rampa de temperatura que se mantiene a 30 oC por 2 minutos y
aumenta hasta los 200 oC con una taza de 15 oC/min, un flujo de Helio de 1,0 mL/min, el
inyector a 250 oC y un volumen de inyección de 1 µL.26
Se ha estudiado también la concentración de mercaptanos en aire Knarr describe
la determinación de metanotiol en aire empleando cromatografía de gases con detector
fotométrico de llama. El dispositivo de muestreo es un vidrio de 37 mm impregnado en
acetato de mercurio, el metanotiol se regenera como mercáptido de mercurio Hg(SCH3)
formado en el filtro durante el muestreo. Luego se da un tratamiento con ácido clorhídrico
para la posterior disolución del compuesto en diclorometano, por último la inyección en el
cromatógrafo de gases. Obtuvieron límites de detección de 17 µg/m3.[27] De manera
similar, Stein propone la determinación de etil, tert-butil, propil, sec-butil y n-butil
mercaptanos en aire utilizando detector de fotoionización. Las muestras fueron tomadas
en cartuchos con metanol como absorbente. Las determinaciones se realizaron con
isoterma a 65 oC, flujo de 30 mL/min y detector a 200 oC, modo Split 40:1. Los límites de
detección fueron 0,06 ng para n-butil mercaptano y 0,02 ng para los restantes.28
Un estudio cromatográfico importante es descrito por Bramanti, quien desarrolla y
optimiza un método para la determinación de sulfuro de hidrógeno y tioles en aire por
cromatografía líquida. El proceso de muestreo se basa en la captura y preconcentración
de los analitos en una disolución alcalina la cual contiene mercurio orgánico, p-
hidroximercuriobezoato (PHMB), donde se derivatizan formando complejos Hg-S de
enlace covalente (RS-PHMB), la reacción se realiza durante cinco minutos a 20 oC. Estos
complejos se analizan mediante fase reversa con columna C18 de 150mm x 4,6 mm con
tamaño de partícula de 5 µm y poro de 300 A, y con detectores UV-vis y espectrometría de
fluorescencia atómica con sistema de generación de vapor de mercurio (CVGAFS), ambos
en línea. La longitud de onda utilizada fue de 254 nm. Las muestras fueron eluidas por 3
11
minutos con elución isocrática en 90% de disolución A (buffer de fosfatos 19 mmol/L,
pH 7, y 0,5 mmol/L NaCl) y 10% de disolución B (95% metanol, 5% disolución A), seguido
de 15 minutos con gradiente lineal en disolución hasta 90% de disolución B. Las mejores
figuras de mérito fueron obtenidas con el sistema de detección CVGAFS, con límites de
detección de 9,7 µg/L para H2S, 13,7 µg/L para CH3SH, 17,7 µg/L para C2H5SH y 21,7 µg/L
para C3H7SH. La desviación estándar relativa (RSD) fue de 1,0 a 1,5% y el rango dinámico
lineal entre 10 y 9700 µg/L. Se determinó la recuperación para H2S con una muestra de
gas certificada, se obtuvo un (99,8 ± 7) %. Este método se ha aplicado para muestras
reales de gas, biogás y aire de plantas de destilación de petróleo.29
En otras aplicaciones también se han desarrollado métodos para la determinación
de gases azufrados. Este es el caso del estudio de Hanaba, donde se desarrolló un
dispositivo portátil para la determinación de compuestos volátiles de azufre en la boca.
Este sistema se utiliza para el tratamiento y diagnóstico de enfermedades bucales como
periodontitis o halitosis. Se trata de un equipo de tan solo 5,5 kg que funciona bajo el
principio de un cromatógrafo de gases. Utiliza aire del ambiente como gas de arrastre
suplido por una bomba y limpiada con filtros de sílica gel y carbón vegetal. Una columna
de Teflón TM empacada con 25% ODPN y un sensor conectado a la salida de la misma. El
sistema de detección consta de un sensor electroquímico gaseoso (un sensor
semiconductor gaseoso), que generalmente es un óxido metálico como óxido de zinc,
estaño o indio, también dopados con otros metales como oro, platino y paladio. Se
encontró que el In2O3 dopado con Au es el sensor que brindó mayor sensibilidad y buena
velocidad de respuesta. El grupo tiol se adhiere fuertemente a la superficie del oro
formando un complejo de transferencia de carga de electrones. Se probó linealidad en el
rango de 50 a 1000 µg/L para los compuestos sulfuro de hidrógeno (H2S), metanotiol
(CH3SH) y sulfuro de dimetilo ((CH3)2S). Se probaron interferencias como otros gases que
pueden estar presentes en la respiración humana tales como etanol, acetaldehído,
isopreno, además de la influencia del cigarro y bebidas como café, té o jugos.30 En el
cuadro IV se presenta resumen de las técnicas para determinación de mercaptanos.
12
Cuadro IV. Resumen de métodos para la determinación de compuestos azufrados.
Método de análisis
Detección Matriz Analito LD
ASTM-5305
Tubo detector con escala de color
Vapor de GLP Etanotiol 0,5 mg/L
ASTM-1988
Tubo detector con Pd(SO4)2 y HgCl2
Gas Natural Metil, Etil y Butil
mercaptanos 0,5 mg/L
ASTM-1266
Titulación (H2SO4) o Gravimetría (BaSO4)
Productos de Petróleto
Azufre total 0,01 % masa
ASTM-2784
Turbidimetría Productos de Petróleo Azufre total 1 mg/L
ASTM-3227
Potenciometría (mercapturos de
plata)
Gasolina, Queroseno y Combustible para
aviones
Mercaptanos en general
0,0003 % masa
ICP Masas Hexano, ciclohexano, benceno y gasolina
Mercaptanos en general
10 mg/L
ICP Masas con detector multielemental para
azufre Hidrocarburos Azufre total 10 µg/L
ASTM-2522
Espectrometría de fluorescencia de
rayos X Petróleo Azufre total 3 µg/L
GC Masas Compuestos
azufrados en balance de He
Mercaptanos y Sulfuros
10 µg/L
CG Detector de
quimioluminiscencia para azufre
GLP y gas natural Mercaptanos en
general 0,01 mg/m3
CG FPD GLP y gas natural Mercaptanos y
Sulfuros 100 µg/L
CG FPD Aire Etil, metil y butil
Mercaptanos -
CG FPD Aire Metanotiol 17 µg/m3
CG Detector de
fotoionización Aire
Etil, terbutil, propil, secbutil y n-butil
mercaptanos. 0,06 ng/L
HPLC Detector UV-Visible y
CVGAFS Aire
Sulfuro de hidrógeno y
mercaptanos 9,7 µg/L
CG portátil Detección
electroquímica Aire exhalado en
humanos Sulfuros Volátiles < 50 µg/L
Método propuesto
Detección de masas GLP Etanotiol 4,6 mg/L
13
OBJETIVOS
14
Objetivo General
Desarrollar una metodología más directa y limpia, en la cual no se utilice química
líquida para el tratamiento de muestras y que además brinde resultados confiables
en un menor tiempo de análisis.
Objetivos Específicos
Obtener las figuras de mérito (linealidad, ámbito lineal, precisión, veracidad,
selectividad, exactitud, límites de detección y cuantificación) para la validación del
método desarrollado.
Implementar el método en el laboratorio de Hidrocarburos del CELEQ para control
del contenido de etanotiol en muestras de GLP para el mercado costarricense.
15
SECCIÓN
EXPERIMENTAL
16
Equipo
El cromatógrafo utilizado es de marca Agilent, modelo 7890A con detector de
masas de cuadrupolo sencillo modelo 5975C. El mismo tiene una inyección Split/splitless
en interfase de muestras volátiles. Además los cromatogramas y espectros de masas
obtenidos fueron generados por el programa ChemStation y su base de datos, propia del
equipo.
Figura 4. Esquema general del sistema de inyección de gases.
Reactivos
Se utilizaron patrones certificados marca Matheson Trigas en fase gaseosa de
etilmercaptano en balance de Helio, envasados en cilindros de aluminio de 0,84L y con las
siguientes concentraciones: 3,9; 8,4; 11,3; 20,1; 30,4; 54,1 y 73,8 mg/L.
Muestras
Las muestras de GLP analizadas fueron recolectadas por la Unidad de Verificación y
Muestreo del CELEQ, en los planteles de Moín en Limón. La muestra se inyecta
directamente de un cilindro de acero inoxidable conocido como bala, de
17
aproximadamente 2,5 L a través de una interfase de volátiles como se muestra en el
esquema de la figura 4. Se conecta la bala del gas con una tubería de acero de 0,32 cm de
diámetro y se hace pasar por un baño de agua a 37,5 oC para asegurar que solo se inyecta
la fracción gaseosa del GLP. En las fotos de las figuras 5 y 6 se muestra el equipo de
cromatrografía de gases y el sistema de inyección de patrones y muestras.
Figura 5. Bala de almacenamiento de la muestra y Cromatógrafo de gases con detector de masas.
Figura 6. Sistema de inyección de volátiles del equipo cromatográfico.
18
Condiciones cromatográficas y de detección
Para el análisis de las muestras y patrones se utilizaron las condiciones mostradas
en el cuadro V.
Cuadro V. Condiciones cromatográficas de análisis.
Puerto de inyección Interface de volátiles
Temperatura 150 oC Razón de Split 50:1
Gas de arrastre Helio Flujo constante 0,9 mL/min
Loop 0,50mL
Columna 60m x 0,320mm x 5,0 µm DB-1 Temperatura inicial 40 oC
Tiempo inicial 5 min Rampa de temperatura 25 oC/min
Temperatura final 200 oC Tiempo final 6 min
Parámetros de detección
Las condiciones del detector de masas utilizado, se presentan a continuación:
Cuadro VI. Condiciones instrumentales del detector.
Detector de Masas 5975C
Rango de masas 33 a 100, 12 a 100 (32,47 y 62) Escaneos 13,1/s y 15,9/ s
Muestreos 2 Umbral 150
Voltage EM BFB.u voltaje de sintonía Tiempo de espera del
solvente 3 min
Temperatura de la fuente 230 oC Temperatura del cuadrupolo 150 oC Temperatura de la interfase 280 oC
Tratamiento de datos
Para el tratamiento de datos de este proyecto, se usó el programa Statistical
Method for Analytical Chemistry (SMAC) edición 2000.
19
DISCUSIÓN Y
RESULTADOS
20
Para la determinación de etanotiol en GLP se utilizó como referencia una aplicación
de la casa Agilent Technologies19, donde se emplea el uso de la cromatografía de gases
para la determinación de compuestos volátiles azufrados presentes en celdas
combustibles de gas natural y otros sistemas gaseosos utilizando un detector acoplado de
masas. Las condiciones generales de este análisis se muestran en el cuadro VII. Sin
embargo, algunas de estas condiciones se modificaron como se muestra en (Cuadro V),
como el Flujo en el puerto de inyección, la temperatura y el tiempo final en la columna,
con el fin de obtener una mejor separación de los componentes de la muestra analizada.
Cuadro VII. Condiciones cromatográficas del método de referencia.
Puerto de inyección Interface de volátiles
Temperatura 150 °C Relación Split 1:1 hasta 50:1 Gas de arrastre Helio Flujo 1,9 mL/min Loop 0,5 mL Columna 60 m x 0,320 mm x 5,0 µm DB-1 Temperatura inicial 40 °C Tiempo inicial 5 min Rampa de temperatura 25 °C/min Temperatura final 270 °C Tiempo final 2 min Detector de Masas Modelo 5973 Rango de masas 12 a 100 g/mol Escaneos 13,1/s y 15,9/s Umbral 150 Voltaje EM BFB.u tune voltaje Temperatura de la fuente 230 °C Temperatura de cuadrupolo 150 °C
En la identificación del pico del etanotiol se utilizó el espectro de masas de
referencia que brinda el programa ChemStation y su base de datos. Para ello se inyectó un
patrón gaseoso de etanotiol de 54 mg/L en balance de helio y se obtuvo el espectro de
masas de la figura 7, con un 95% de concordancia con la base de datos. En el espectro se
observa un pico a 62 m/Z que corresponde a la masa del etanotiol, luego otro a 47 m/Z
que representa la pérdida del grupo metilo CH3, a 29 m/Z representa el fragmento del
CH3CH2. A partir de esta información se utiliza el ión de razón m/z igual a 47 como el ión
21
calificador para el etanotiol, pues es un fragmento bien conocido y de gran abundancia,
empleando como referencia las masas.
Figura 7. Espectro de masas del patrón de etanotiol.
Una vez reconocidos los valores para el etanotiol, se analizó la muestra usando las
condiciones del método de referencia, donde se observó que el etanotiol sale en
aproximadamente 14 minutos después de iniciada la corrida, pero, de acuerdo a la
heterogeneidad de las muestras, algunas veces el pico de este mercaptano no se distingue
pues se traslapa con el de un hidrocarburo de mayor concentración: el isopentano, cuya
masa es de 72,17 g/mol.
Ión calificador
22
Figura 8. Cromatograma de muestra de GLP analizada con parámetros del método de referencia.
El método de referencia se modificó bajando el flujo del gas en la columna y con
una temperatura final menor. Con esto se logró una mejor separación de los picos, tanto
de los componentes mayoritarios como del etanotiol, evitando el traslape con el
isopentano, cuando este se encuentra presente. Se observa en las figuras 9 y 10 el pico
correspondiente al etanotiol en 14,074 minutos y el isopentano a 14,353 minutos.
Además del espectro de masas de dicho compuesto en la figura 11.
23
Figura 9. Cromatograma de GLP con nuevas condiciones instrumentales.
Figura 10. Acercamiento del cromatograma de GLP de la figura 9.
24
Figura 11. Espectro de masas del etanotiol; a) muestra de de GLP; b) etanotiol de base de datos.
Una vez definidas y verificadas las muestras reales con estas condiciones
instrumentales, se inició el proceso de trabajo con patrones de etanotiol para la
determinación de los parámetros cromatográficos y posteriormente los parámetros de
desempeño del método analítico.
Parámetros Cromatográficos
La determinación de los parámetros cromatográficos se realiza con el fin de
corroborar la eficacia de la columna en la separación cromatográfica. Esto permite un
adecuado análisis cuantitativo del analito. Dentro de los parámetros calculados están el
número de platos teóricos, factor de capacidad, retención relativa, resolución y factor de
asimetría como se muestra en el cuadro VIII. La columna utilizada en este método es de
a
b
25
tipo DB-1, conformada al 100% por dimetilpolisiloxano, por lo tanto es de carácter no
polar. Se utiliza ampliamente en aplicaciones de hidrocarburos aromáticos, fármacos y
esteroides.
Cuadro VIII. Parámetros cromatográficos calculados para la columna.
Número de platos 9833
Factor de capacidad k´ 0,613 Retención relativa (α) 1,18 Resolución (R) 1,22 Factor de asimetría 1,04
El número de platos teóricos N, es un parámetro que indica la eficacia de la
columna cromatográfica. Éste se calcula con la ecuación:
𝑁 = 16 𝑡𝑅
𝑊
2 [1]
DondetR es el tiempo de retención del analito en la columna y W es el ancho de la señal.
Un valor de 9833 platos como el observado en el cuadro VIII, indica una alta eficiencia de
la columna para la separación de los analitos. Para este tipo de columnas, se han
reportado valores de N cercanos a los 3000 según el fabricante.31
Otro indicador importante es el factor de retención k’, cuyo valor describe la
velocidad de migración de los solutos en la columna. Éste se obtiene aplicando la siguiente
ecuación:
𝑘′ = 𝑡𝑅− 𝑡𝑚
𝑡𝑚 [2]
Donde tm es el tiempo muerto correspondiente a la primera señal obtenida en el
cromatograma, la cual se asigna a una sustancia que no fue retenida en la columna. El
valor obtenido para este parámetro es de 0,613. El valor esperado para k’ está entre 2 y
10.32 Si bien es cierto, el valor calculado no se encuentra entre los esperados, esto se da
porque, como se observa en la ecuación [2], el factor de retención depende del tiempo
muerto. En este análisis, todos los componentes de la muestra son retenidos en la
columna, y la primera señal se da en un tiempo de entre 8 y 9 minutos, siendo estos
26
valores muy altos para un tiempo muerto. Estos valores justifican el bajo valor de k’
obtenido. A pesar de esto, no fue un problema identificar y cuantificar el analito, hecho
que se demuestra con los otros parámetros calculados que poseen excelentes valores de
α, R y factor de asimetría, que debe ser menor a 1,5.
La retención relativa α o factor de selectividad, como también se le llama, es la
relación entre dos señales adyacentes. Con este parámetro se describe la posición relativa
de los picos, uno con respecto del otro. Su valor se calcula según la ecuación [3] a partir
del factor de retención de cada señal, pues depende de la interacción de cada
componente con la columna. El valor de α siempre es mayor a 1 y cuanto mayor es su
valor, más separados están los picos de los analitos.33 Para este método, α es de 1,18.
Según la literatura, este es un valor aceptado para la columna. 32 Sin embargo, este factor
no es una indicación de la eficiencia de la columna, ya que no toma en cuenta la anchura
de las señales. En la figura 12 se muestra el cromatograma utilizado para calcular N, k’ y α.
𝛼 = 𝑘𝐴′
𝑘𝐵′ [3]
Figura 12. Cromatograma de patrón de etanotiol a 73 mg/L usado para calcular k´ y α.
27
Por su parte, el parámetro de resolución Rs sí toma en cuenta la anchura de los
picos, por lo cual, su valor sí es un indicativo de la eficiencia de la columna.34 La resolución
se calcula de la siguiente forma:
𝑅𝑠 = 2 𝑡𝑅 𝐵− 𝑡𝑅 𝐴
𝑊𝐴− 𝑊𝐵 [4]
Según el cuadro VIII, la resolución calculada a partir de un cromatograma de una
muestra de GLP es de 1,22. Teóricamente se espera que la resolución entre las señales
adyacentes al pico del analito sea 1,5 o mayor. Los valores menores a 1,5 indican que hay
un porcentaje de coelución de dos compuestos. Desde el inicio se evidenció que la mayor
interferencia en este análisis era la presencia del isopentano, cuya señal se encuentra muy
cercana a la del analito. El valor de 1,22 en la resolución indica que hay un solapamiento
del 1,6% entre estos dos compuestos.35 Este porcentaje es bajo y no genera mayor
problema a la hora de realizar la identificación y cuantificación del analito.
Figura 13. Cromatograma de muestra de GLP usado para calcular Rs.
14,04
1
28
La asimetría en las señales es un factor de define si el tamaño de la muestra es
adecuado. Cuando el pico es simétrico la muestra es correcta para la columna, mientras
que si existe un factor de asimetría T muy alto, se puede observar un coleo en la señal, y
es un indicativo de que debe variarse el tamaño de la muestra. Se calcula como se
muestra a continuación:
𝑇 = 𝑊
2𝑓 [5]
En este caso, W es el ancho de pico calculado a un 5% de la altura total de la señal,
y f se refiere al ancho desde el inicio de la señal hasta el valor máximo del pico. El valor
óptimo de asimetría es 1, ya que esto significa que la señal es simétrica. 33 Según el cuadro
VIII, el valor calculado para una señal de etanotiol en una muestra de GLP es de 1,04. Este
valor se calculó a partir de la figura 14 y se considera que es un valor óptimo de asimetría
para la señal del etanotiol.
Figura 14. Acercamiento de un cromatograma utilizado para determinación del factor de
asimetría.
Precisión
Para determinar la precisión del método propuesto, se evaluó la relación existente entre
la desviación estándar de las áreas de los picos y la concentración del analito.
Experimentalmente, se realizaron tres inyecciones de cada patrón con diferentes niveles
de concentración. Se encontró que los coeficientes de variación de las áreas de los picos,
para cada nivel de concentración, realizando inyecciones sucesivas, es menor del 5%. Esto
se observa en el cuadro IX y en la figura 15.
29
Cuadro IX. Valores de concentración, área y coeficientes de variación para la determinar
la precisión instrumental.
Concentración Área Coeficiente de Variación
8,3 16055
3,69% 8,3 17180
8,3 17067
11,3 18039
2,76% 11,3 18886
11,3 18496
11,3 17741
20,1 27058
4,62%
20,1 27510
20,1 29308
20,1 30299
20,1 28521
30,4 34871
1,60%
30,4 34370
30,4 35314
30,4 35840
30,4 35735
30,4 34929
54,1 49508
1,96%
54,1 48938
54,1 49088
54,1 49432
54,1 47804
54,1 50775
Figura 15. Muestra de curva de calibración para determinar la precisión del método.
y = 7795,4x + 31600R² = 0,9974
0
100000
200000
300000
400000
500000
600000
700000
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0
Áre
a (u
.a)
Concentración Etanotiol (mg/L)
30
Selectividad
La selectividad se refiere a la capacidad del método de producir una señal medible
que corresponda inequívocamente al analito, sin que los otros compuestos de la matriz
interfieran en con esta señal. 36
En las figuras 9 y 10 se muestran los cromatogramas del analito y los demás
componentes presentes en la muestra. En la figura 16 se muestra el cromatograma de un
patrón de 73 mg/L. Se observa que las señales del etanotiol, tanto en la muestra como en
el patrón se encuentran muy cercanas a 14 minutos, demostrando que la selectividad del
método es apropiada para la determinación de etanotiol en GLP. Aunque los tiempos no
sean exactamente iguales, debido a que la matriz en la que se encuentra el etanotiol es
diferente, el análisis de espectrometría de masas corrobora que ambas señales se deben
al etanotiol en GLP.
Figura 16. Cromatograma de un patrón de etanotiol.
9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
11000
12000
13000
14000
15000
16000
Time-->
Abundance
TIC: 73 PPM .D\ data.ms 8.946 14.428
15.439
16.450
31
Linealidad
La linealidad se determinó al estudiar la relación proporcional entre la
concentración de etanotiol y las áreas de pico obtenidas para patrones de diferentes
concentraciones. También se determinó el ámbito de concentraciones dentro de las
cuales el método se mantiene lineal. Esto con el fin de hacer interpolaciones de muestras
reales de GLP para determinar su concentración de analito. Se inyectaron directamente
patrones de 3,9; 8,4; 11,3; 20,1; 30,4; 54,1 y 73,8 mg/L y con las áreas obtenidas se graficó
el valor del área versus la concentración del patrón, obteniendo regresiones lineales con
valores de índices de correlación, R, mayores a 0,99 en las curvas realizadas. En la figura
17 se observa el gráfico mencionado para la determinación de linealidad y ámbito lineal.
Las demás curvas se encuentran en la sección de apéndices.
Figura 17. Curva de calibración para definir linealidad y ámbito lineal en la determinación de
etanotiol.
En la figura anterior, se observa que el ámbito lineal sigue la ecuación de la recta y = 2595,8 x +
11911, y va desde los 3,9 mg/L hasta los 73,8 mg/L de etanotiol. El coeficiente de correlación de
r2 = 0,9902 demuestra que la metodología analítica que se propone explica el 99,0% de la relación
existente entre la concentración de etanotiol y el área del pico cromatográfico, y además de que
esta metodología es adecuada para el rango de concentraciones estudiado. En la figura 18 se
observa el gráfico de residuales para la regresión, y se aprecia que la distribución de los valores
yi - ŷi es de forma aleatoria, no siguen ninguna tendencia, lo que indica que el método propuesto
es lineal en el ámbito estudiado.
y = 2595,8x + 11911R2 = 0,9902
0
50,000
100,000
150,000
200,000
250,000
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0
Áre
a
Concentración Etanotiol (mg/L)
32
Figura 18. Gráfico de residuos para el diagnóstico de la linealidad de la regresión.
Exactitud
La exactitud es la comparación de un dato conocido con un resultado obtenido
mediante el método que se está implementando. 33 También se refiere a la cercanía de los
resultados obtenidos, comparada con un “valor real” determinado con un método oficial
de referencia o con el análisis de una muestra certificada. 36 En este caso, por la naturaleza
gaseosa de las muestras, no se pueden realizar enriquecimientos ni recuperaciones, por lo
que se analizó, por medio del método desarrollado, un patrón certificado de
concentración conocida, y la respuesta obtenida se interpoló en la curva de calibración.
Aunado al carácter gaseoso de la muestra, el proceso de muestreo y no disponer
de otro método alternativo oficial ni pruebas interlaboratoriales, no se realizó la
verificación de exactitud con un método alternativo oficial, si no con el análisis del
material mencionado. Cabe destacar que es una prueba nueva en el país y no se disponía
de otro método alternativo.
Este análisis se realizó con patrones de concentración baja (11,3 mg/L),
concentración intermedia (30,4 mg/L) y concentración alta (54,1 mg/L). Además, los
análisis se realizaron en días diferentes, lo cual asegura la reproducibilidad del método. Se
obtuvo una recuperación promedio de 104,0 % con una desviación estándar de 0,052. En
el cuadro X se muestran los resultados obtenidos para este parámetro.
-10.00
-8.00
-6.00
-4.00
-2.00
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
0 25 50 75 100 125 150 175 200
y(i)
-ŷ(
X(i
))
Y(x(i))
Gráfico de residuos de la regresión
33
Cuadro X. Cuadro comparativo entre patrones certificados y valores obtenidos por
interpolación.
Número de curva
Fecha de realización
Concentración del Patrón certificado
(mg/L)
Concentración interpolada
(mg/L)
Porcentaje de recuperación
Coeficiente de
Variabilidad (CV)
15 21-07-11 11,3 12,0 106,6% 0,20%
9 05-05-11 11,3 12,4 110,0%
5 13-04-11 20,1 20,7 103,0% 0,00%
6 14-04-11 20,1 20,7 103,0%
4 04-04-11 30,4 32,7 107,5%
3,70% 7 02-05-01 30,4 33,5 110,3%
13 27-06-11 30,4 31,1 102,5%
8 09-05-11 53,6 50,1 96,0%
6,26% 10 23-06-01 54,1 51,4 95,0%
16 08-12-01 53,3 56,6 106,2%
Determinación de límites de detección y cuantificación
El límite de detección de un analito es la mínima concentración que proporciona
una señal en el instrumento, significativamente diferente a la señal de un blanco o ruido
de fondo.36 El límite de cuantificación se refiere a la concentración más baja de analito,
que puede ser determinada con factores de precisión y exactitud aceptables.37 Para la
obtención de estos parámetros se aplica la siguiente fórmula:
𝐿í𝑚𝑖𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑡𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝐿𝐷 = 𝑦𝐵 + 3 𝑠𝐵 [6]
𝐿í𝑚𝑖𝑡𝑒𝑑𝑒𝑐𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐿𝐶 = 𝑦𝐵 + 10 𝑠𝐵 [7]
Donde yB es la señal obtenida a partir del blanco, y SB es la desviación estándar del
blanco.36 De acuerdo con Miller y Miller, se emplea 3Sy/x, que corresponde a la desviación
estándar de la regresión. En el cuadro XI se presentan los límites de detección y
cuantificación obtenidos para algunas curvas de calibración. En el cuadro XII se evalúan
estadísticamente los resultados obtenidos y se encuentra que los coeficientes de variación
son menores al 13%. Los límites de detección se encuentran entre 3,8 y 5,5 mg/L, los
cuales son semejantes a los reportados para la técnica de ICP-Masas aplicado a
mercaptanos en general, la cual reporta un límite de detección de 10 mg/L. Para calcular
LD y LC se utilizan siete curvas en tiempos diferentes.
34
Cuadro XI. Resumen de resultados de las curvas de calibración.
Número de curva
Fecha de realización
Pendiente Intercepto Límite de detección
(mg/L)
Límite de cuantificación
(mg/L)
1 2-2-2011 706,6 12167 3,8 7,4 2 14-3-2011 2765,5 19172 4,7 8,8 3 2-5-2011 2589,4 59478 4,1 8,0 4 9-5-2011 17504 -404 5,5 10,4 5 27-6-2011 905 15953 4,5 8,7 6 30-6-2011 1869 37384 5,2 9,7 7 21-7-2011 968 23437 4,6 8,8
Cuadro XII. Cuadro para cálculo de límites de detección y cuantificación.
Número de curva
Límite de detección
(mg/L) C.V del LD
Límite de cuantificación
(mg/L) C.V del LC
1 3,8 12,7%
7,4 11,3% 2 4,7 8,8
3 4,1 8,0 4 5,5 Promedio LC 10,4 Promedio LD 5 4,5
4,6 mg/L 8,7
8,8 mg/L 6 5,2 9,7 7 4,6 8,8
Análisis de muestras
Una vez definidos todos los parámetros de la validación del método analítico
propuesto, se procedió a utilizar el método de forma rutinaria para analizar las muestras
de GLP que distribuye RECOPE. En el cuadro XIII se encuentran los resultados de todas las
muestras analizadas, medidas durante tres meses.
Basado en la metodología propuesta por Nadkarni 37 se elaboró una carta de
control con las muestras del cuadro XIII. Según Nadkarni, la carta de control se utiliza para
estudiar la variación en un proceso repetitivo y es un método simple que determina
estadísticamente límites de control superior (UCL) e inferior (LCL), tomando en cuenta el
35
valor promedio de las muestras. Mientras las muestras se encuentren dentro de los
límites estadísticos, se dice que el método está “en control”.
En la figura 19 se muestra la carta de control elaborada con las 28 muestras
analizadas en un periodo de aproximadamente 3 meses. Se observa que el contenido de
etanotiol en todas las muestras cuantificadas se encuentra dentro de los límites
estadísticos establecidos en la carta de control, por lo tanto, se puede decir con certeza,
que el método se encuentra en control.
Cuadro XIII. Resumen de resultados de las muestras de GLP analizadas.
Muestra Código Muestra Fecha Pendiente Intercepto Área muestra
Concentración
Etanotiol
(mg/L)
1 GLP0001-12 18/04/2012 7515 -29404 194292 27,8
2 GLP0002-12 18/04/2012 8911 -23931 318331 38,4
3 GLP0003-12 19/04/2012 8064 9553 259015 30,9
4 GLP0004-12 19/04/2012 14804 -50163 477450 35,6
5 GLP0005-12 20/04/2012 22420 -292526 198627 21,9
6 GLP0006-12 23/04/2012 7233 4249 232650 31,6
7 GLP0008-12 25/04/2012 9676 37541 414606 50,7
8 GLP0010-12 25/04/2012 11159 44316 229241 24,5
9 0141-Moín 26/04/2012 7996 6271 147993 19,3
10 GLP0014-12 27/04/2012 6565 11791 177036 25,2
11 GLP0012-12 30/04/2012 6360 17255 213267 30,8
12 GLP0009-12 04/05/2012 5415 2607 141847 26,7
13 GLP0011-12 04/05/2012 5848 20403 178669 27,1
14 GLP0163-Moín 10/05/2012 7264 6384 151579 20,0
15 GLP0015-12 10/05/2012 17503 18596 503059 27,7
16 GLP0016-12 16/05/2012 6943 5168 218510 32,2
17 GLP0017-12 17/05/2012 4426 38631 234382 44,1
18 GLP0018-12 17/05/2012 5376 21970 226328 38,0
19 GLP0019-12 18/05/2012 8898 36477 326430 40,8
20 GLP0020-12 18/05/2012 5711 58392 162252 18,2
21 GLP0021-12 21/05/2012 7264 6384 213221 28,5
22 GLP0023-12 06/06/2012 80660 -205802 2871474 38,2
23 GLP0029-12 13/06/2012 29359 26725 352759 48,7
24 GLP0043-12 18/06/2012 33348 21749 639199 19,8
25 0219-Moín 19/06/2012 41765 349717 1685310 32,0
26 GLP0024-12 20/06/2012 46522 292155 1235047 32,8
27 GLP0035-12 20/06/2012 23906 191243 963519 32,2
28 GLP0036-12 21/06/2012 35220 115146 768750 25,1
36
Figura 19. Carta de control de muestras de GLP para el análisis de etanotiol.
En el gráfico anterior las líneas punteadas amarillas representan los límites de alerta. Estos
se calculan tomando el valor promedio y sumando dos veces la desviación estándar para
la alerta superior (X + 2S), y restando la misma cantidad para la alerta inferior (X – 2S). Los
límites de control superior e inferior se establecen de la misma forma que los límites de
alerta, pero en este caso se suman o restan tres desviaciones estándar (X ± 3S). Se
observa que las muestran analizadas tienen una concentración promedio de etanotiol de
31,0 mg/L, por encima del límite superior (24 mg/L) establecido en el Reglamento Técnico
Centroamericano.
UCL
LCL
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Número de Muestra
Carta control Etanotiol en muestras de GLP
56,6 mg/L
48,1 mg/L
Muestras
31,0 mg/L Valor medio
14,0 mg/L
5,50 ppm
37
CONCLUSIONES Y
RECOMENDACIONES
38
Conclusiones
1. El método propuesto de cromatografía de gases con detección de espectrometría
de masas es adecuado para la cuantificación de etanotiol en muestras de GLP
comercial para el mercado costarricense.
2. El ámbito de linealidad para la metodología propuesta va de 4 mg/L a 73 mg/L de
etanotiol y las muestras analizadas que se comercializan en el país contienen una
cantidad del mercaptano dentro de este rango.
3. Al comparar la metodología propuesta con otras, se presentan algunas ventajas
como la escasa manipulación y tratamiento de la muestra y patrones, con lo que
conduce a menos errores experimentales, lo que hace que de manera rutinaria los
análisis se pueden ejecutar en menor tiempo y por lo tanto se reducen algunos
costos.
4. El método propuesto es específico para etanotiol, lo cual representa una ventaja, a
diferencia de los otros métodos (Volumetrías, gravimetría, Rayos X, CG con otros
detectores) en los cuales se determina azufre total o diferentes especies azufradas.
5. La selectividad del método propuesto es adecuada para el análisis de etanotiol en
GLP comercial, pues se demuestra en los cromatogramas una separación óptima
de los picos que permite la identificación del analito y de los otros componentes de
la mezcla.
6. Los parámetros cromatográficos calculados se encuentran dentro de los valores
aceptables, por lo tanto la columna es eficiente en la separación del etanotiol bajo
las condiciones del método propuesto.
7. El límite de detección (LD) del método es 4,6 mg/L y el límite de cuantificación (LC)
es 8,8 mg/L.
8. Con base en lo observado en la carta de control, se demuestra que el método es
reproducible, estable en el tiempo y se mantiene bajo control.
9. La cantidad de etanotiol adicionada al GLP que se distribuye en el mercado
costarricense durante el plazo de muestras analizadas es en promedio de 31,0
mg/L.
39
Recomendaciones
1. Hacer un estudio de un cilindro comercial, y medir cómo varía la concentración del
mercaptano con el tiempo, conforme se vacía el contenido del tanque, ya que la
presión dentro del mismo disminuye con el tiempo, y con ello el líquido se va
enriqueciendo con los componentes con menor presión de vapor.
2. Debido a la apropiada elución de los componentes del GLP lograda con el método
propuesto se puede utilizar la misma corrida de determinación del etanotiol para
la determinación porcentual de los componentes mayoritarios del GLP.
3. Por la versatilidad y configuración del cromatógrafo de gases con el detector
acoplado de masas, se podría utilizar el mismo para evaluar el contenido de
compuestos azufrados de otras matrices como son otros combustibles derivados
de hidrocarburos, pero empleando técnicas previas adecuadas de separación.
40
REFERENCIAS
BIBLIOGRÁFICAS
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2006. San José, Costa Rica: Ministerio del Ambiente y Energía. Dirección Sectorial
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Edición. Prentice Hall. Madrid. 2002.
37. Nadkarni, R. A. The test for cuality control. Analytical Chemistry. 63, (1991).
44
APÉNDICE
45
Lista de Curvas de Calibración
1. Curva de calibración de 2 de febrero del 2011 con valores promedio
Datos obtenidos con el análisis de SMAC
y = 706,5x + 12167R² = 0,9846
0
10,000
20,000
30,000
40,000
50,000
60,000
0 10 20 30 40 50 60
Áre
a
Concentración etanotiol(mg/L)
46
2. Curva de calibración del 23 de febrero del 2011 con repeticiones de cada patrón.
Coeficientes de variación menores a 15%.
Datos obtenidos con el análisis de SMAC
y = 5898.2x + 35005R² = 0.9681
0
100,000
200,000
300,000
400,000
500,000
600,000
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0
Áre
a
Concentración Etanotiol (mg/L)
47
48
3. Curva de calibración de 23 de febrero del 2011 con valores promedio
Datos obtenidos con el análisis de SMAC
y = 5912.3x + 34907R² = 0.9922
050,000
100,000150,000200,000250,000300,000350,000400,000450,000500,000
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0
Áre
a
Concentración Etanotiol (mg/L)
49
4. Curva de calibración del 14 de marzo del 2011.
Datos obtenidos con el análisis de SMAC
y = 2774.3x + 19449R² = 0.9729
0
25000
50000
75000
100000
125000
150000
175000
200000
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0
Áre
a
Concentración Etanotiol (mg/L)
50
51
5. Curva de calibración del 14 de marzo del 2011 con valores promedio.
Datos obtenidos con el análisis de SMAC
y = 2765.5x + 19172R² = 0.9847
025,00050,00075,000
100,000125,000150,000175,000200,000
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0
Áre
a
Concentración Etanotiol (mg/L)
52
6. Curva de calibración del 4 de abril del 2011.
Datos obtenidos con el análisis de SMAC
y = 2548.3x + 12857R² = 0.9773
0
50,000
100,000
150,000
200,000
250,000
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0
Áre
a
Concentración Etanotiol (mg/L)
53
54
7. Curva de calibración de 4 de abril del 2011 con valores promedio.
Datos obtenidos con el análisis de SMAC
y = 2595.8x + 11911R² = 0.9902
0
50,000
100,000
150,000
200,000
250,000
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0
Áre
a
Concentración Etanotiol (mg/L)
55
8. Curva de calibración de 2 de mayo del 2011.
Datos obtenidos con el análisis de SMAC
y = 2589.4x + 59478R² = 0.9862
0
50,000
100,000
150,000
200,000
250,000
300,000
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0
Áre
a
Concentración Etanotiol (mg/L)
56
9. Curva de calibración del 5 de mayo del 2011.
Datos obtenidos con el análisis de SMAC
y = 3726.3x + 40228R² = 0.9669
0
50,000
100,000
150,000
200,000
250,000
300,000
350,000
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0
Áre
a
Concentración Etanotiol (mg/L)
57
10. Curva de calibración del 9 de mayo del 2011.
Datos obtenidos con el análisis de SMAC
y = 17504x - 403.94R² = 0.9944
0
200000
400000
600000
800000
1000000
1200000
1400000
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0
Áre
a
Concentración Etanotiol (mg/L)
58
11. Curva de calibración del 3 de junio del 2011.
Datos obtenidos con el análisis de SMAC
y = 22680x + 257588R² = 0.988
0
200000
400000
600000
800000
1000000
1200000
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0
Áre
a
Concentración Etanotiol (mg/L)
59
12. Curva de calibración del 9 de junio del 2011.
Datos obtenidos con el análisis de SMAC
y = 7795,4x + 31600R² = 0,9974
0
100000
200000
300000
400000
500000
600000
700000
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0
Áre
a
Concentración Etanotiol (mg/L)
60
13. Curva de calibración del 23 de junio del 2011.
Datos obtenidos con el análisis de SMAC
y = 823.98x + 32103R² = 0.9963
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
100000
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0
Áre
a
Concentración Etanotiol (mg/L)
61
14. Curva de calibración del 27 de junio del 2011.
Datos obtenidos con el análisis de SMAC
y = 904.95x + 15953R² = 0.9867
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0
Áre
a
Concentración Etanotiol (mg/L)
62
15. Curva de calibración del 30 de junio del 2011.
Datos obtenidos con el análisis de SMAC
y = 1869x + 37384R² = 0.9942
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
160000
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0
Áre
a
Concentración Etanotiol (mg/L)
63
16. Curva de calibración del 21 de julio del 2011.
Datos obtenidos con el análisis de SMAC
y = 967.72x + 25437R² = 0.9922
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0
Áre
a
Concentración Etanotiol (mg/L)
64
17. Curva de calibración del 12 de agosto del 2011.
Datos obtenidos con el análisis de SMAC
y = 2605.9x + 23563R² = 0.9968
0
50000
100000
150000
200000
250000
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0
Áre
a
Concentración Etanotiol (mg/L)