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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
INSTITUTO DE INVESTIGACION Y POSGRADO
MAESTRÍA EN QUÍMICA ANALÍTICA
“DESARROLLO Y VALIDACIÓN DE UN MÉTODO PARA LA DETERMINACIÓN DE MERCURIO EN AGUAS RESIDUALES, POR
VOLTAMPEROMETRÍA”
TESIS DE INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE
MAGÍSTER EN QUÍMICA ANALÍTICA
AUTORA: Dra. María Esperanza Berrazueta Lanas [email protected]
TUTOR: Dr. Patricio Carrera, M.Sc. [email protected]
Quito, octubre de 2015
Berrazueta Lanas, María Esperanza (2015). Desarrollo y validación de un método para la
determinación de mercurio en aguas residuales, por voltamperometría. Trabajo
de investigación para optar por el titulo de Magister en Química Analítica.
Instituto de Investigacion y Posgrado. Quito: UCE. 127 p.
i
DEDICATORIA
A mi esposo, mi compañero, por su amor y apoyo incondicional.
A mis hijos, mi motivación para culminar este proyecto.
A mis padres, por sus sabios consejos y su estimulo permanente.
A la memoria de mí amado hermano
ii
Agradecimiento
Al Dr. Patricio Carrera, tutor de la presente investigación, por aportar con su guía y sus
valiosos conocimientos a la consecución de esta monografía.
A la Dra. Beatriz Vargas y al Dr. Julio Cesar Aguilar por su gran ayuda en la realización
del Proyecto de Tesis.
A la Dra. Beatriz Vargas y al Dr. Eduardo Mayorga, miembros del Tribunal de Tesis, por
las sugerencias que permitieron enriquecer y optimizar esta monografía.
A la Dra. Lorena Goetschel, Directora del Instituto Superior de Posgrado, por su acertada
gestión y estímulo para poder culminar con este objetivo.
A las Dra Isabel Fierro y al Dra. Blanca Estela Bravo, ex Directoras del Instituto Superior
de Posgrado, quienes en su momento supieron impulsarme para continuar con el trabajo
de tesis.
A mi esposo y mis hijos por su amor, apoyo, sacrificio y paciencia durante la realización de
este trabajo.
A la Facultad de Ciencias Químicas y al Instituto Superior de Posgrado, por darme la
oportunidad de continuar con mi formación académica.
A los Laboratorios HIDROECUADOR por facilitarme las instalaciones y los equipos para
la realización de la presente investigación.
Al CICAM (Centro de Investigación y Control Medio Ambiental) de la Escuela Politécnica
Nacional, en particular a la Ing. Karola Fierro, por permitirme ocupar sus laboratorios.
Al personal de los Laboratorios OSP por el asesoramiento y ayuda brindada.
A todas las personas que de una u otra manera contribuyeron para la realización de este
trabajo.
iii
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
INSTITUTO DE INVESTIGACION Y POSGRADO
MAESTRÍA EN QUÍMICA ANALÍTICA
AUTORIZACIÓN DE LA AUTORA
Yo, MARIA ESPERANZA BERRAZUETA LANAS, en calidad de autora del
trabajo de investigación realizado sobre: Desarrollo y validación de un método para la
determinación de mercurio en aguas residuales por voltamperometría, por la presente
autorizo a la UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR, hacer uso de todos los
contenidos que me pertenecen o de parte que contiene esta obra, con fines estrictamente
académicos o de investigación.
Los derechos que como autora me corresponden, con excepción de la presente
autorización, seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los
artículos 5, 6, 8, 19 y demás pertinentes de la ley de propiedad intelectual y su reglamento.
En la ciudad de Quito, a los 22 días del mes de octubre del 2015
María Esperanza Berrazueta Lanas
C.C. 0501519334
iv
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
INSTITUTO DE INVESTIGACION Y POSGRADO
MAESTRÍA EN QUÍMICA ANALÍTICA
APROBACIÓN DEL TUTOR
Por la presente, dejo constancia de que el Trabajo de Tesis de Maestría, presentado
por la Señora María Esperanza Berrazueta Lanas, para optar por el Titulo de Magister en
Química Analítica, cuyo título es: Desarrollo y validación de un método para la
determinación de mercurio en aguas residuales por voltamperometría, ha sido revisado
y aprobado por mi persona.
En la ciudad de Quito, a los 27 días del mes de julio del 2015.
-----------------------------------------------
Patricio Carrera, M. Sc.
C.C.: 1709774770
v
TABLA DE CONTENIDOS
Pág.
Dedicatoria…………………………………………………………………………… i
Agradecimiento………………………………………………………………………. ii
Autorización de la autora….......…………………………………………………….. iii
Aprobación del tutor…………….…………………………………………………… iv
Resumen……………………………………………………………………………… xviii
Abstract………………………………....……………………………………………. xix
Introducción………………………………….………………………………………. xx
CAPÍTULO I
1. Definición del problema………………………………………………................. 1
2. Objetivos………………………………………………………………………....... 2
2.1. Objetivo General…….……………………………………………………….. 2
2.2. Objetivos específicos.………………………………………………………... 2
3. Hipótesis…………………………………………………………………………… 3
CAPÍTULO II
2. Fundamento teórico………………………………............................................... 4
2.1. El mercurio…………………………………………………………………… 4
vi
2.1.1. Consideraciones generales……………………………………………........... 4
2.1.2. Efectos del mercurio en la salud…………………………………………….. 5
2.1.3. Propiedades físicas y químicas del mercurio………………………….......... 5
2.1.4. Ciclo del mercurio……………………………………………………............ 6
2.1.5. Usos del mercurio……………………………………………………………. 7
2.1.6. El mercurio en el Ecuador…………………………………………………… 7
2.2. Técnicas de cuantificación de mercurio……………………………............. 10
2.2.1. Técnicas voltamétricas……………………………………………………….. 10
2.2.1.1. Electroquímica analítica…………………………………………………….. 11
2.2.1.2. Cinética electroquímica……………………………………......................... 13
2.2.1.3. Elementos de un análisis voltamétrico…………………………................. 15
2.2.1.4. Métodos para la medida de potenciales……………………………………. 22
2.2.1.5. Instrumento para la aplicación de técnicas voltamétricas……................... 24
2.2.1.6. Clasificación de las técnicas electroquímicas……………………………… 24
2.2.1.7. Métodos de cuantificación de análisis voltamétricos……………………… 33
2.3. Fundamentos de validación…………………………………………………… 37
2.3.1. Parámetros de validación………………………………………………............ 38
CAPÍTULO III
3. Metodología……………………………………………………………………….. 40
3.1. Tipo de investigación………………………………………………….............. 40
vii
3.2. Población y muestra……………………………………………………………... 40
3.3. Diseño experimental…………………………………………………………...... 40
3.3.1. Primera parte: Metodología para la Preparación, acondicionamiento y
caracterización de los electrodos………………………………………………………... 44
3.3.1.1. Electrodo impreso con nanopartículas de oro………………………………… 45
3.3.1.2. Electrodo de carbón vítreo modificado con film de oro……………………… 45
3.3.1.3. Electrodo de carbón vítreo modificado con nanopartículas de oro…………. 46
3.3.1.4. Electrodo de fibra de carbón modificado con nanopartículas de oro............. 47
3.3.2. Segunda parte: Comportamiento de los electrodos de oro con el mercurio en
solución de HCl………………………………………………………………................ 48
3.3.2.1. Determinación de potenciales en los que se registra el pico de mercurio con los
diferentes electrodos…………………………………………….............................. 48
3.3.2.2. Análisis de repetitividad y sensibilidad de los electrodos en la deposición y
redisolución del mercurio en ácido clorhídrico a diferentes potenciales y tiempos de
deposición……………………….................................................................................. 49
3.3.3. Tercera parte: Definición de los parámetros de onda cuadrada para una solución
de 100 ppb de mercurio en HCl 0.15m………................................................ 51
3.3.3.1. Influencia de la variación de la amplitud en la respuesta del electrodo en una
solución de 100 ppb de mercurio en HCl 0.15m……………………………………… 51
3.3.3.2. Influencia de la variación de la frecuencia en la respuesta del electrodo en una
solución de 100 ppb de mercurio en HCl 0.15m…………………………………. 52
3.3.3.3. Influencia de la variación de los incrementos en la respuesta del electrodo en
viii
una solución de 100 ppb de mercurio en HCl 0.15m…………………………………. 52
3.3.4. Cuarta parte: Definición de los parámetros de onda cuadrada para
concentraciones menores de 100 ppb de mercurio en HCl 0.15m…………………… 53
3.3.4.1. Definición del protocolo analítico……………………………………………. 53
3.4. Validación del método………………………………………………………….. 54
3.4.1. Selectividad del método………………………………….................................. 54
3.4.2. Límite de detección y límite de cuantificación…………………………........... 55
3.4.3. Linealidad dentro del rango del trabajo…………………………………........... 55
3.4.4. Precisión…………………………………………………………………............ 55
3.4.5. Exactitud.....................…………………………………………………............. 56
3.4.6. Robustez del método….………………………………………………………… 56
3.4.7. Incertidumbre del método.………………………………………………........... 56
3.4.8. Aplicabilidad del método….…………………………………………….……… 56
3.4.9. Fijación de objetivos para la validación del método…………………….......... 57
3.5. Comparación de los resultados obtenidos con el método desarrollado con
los obtenidos por Absorción Atómica………………………………………………..… 58
3.6. Recursos materiales....………………………………………………….............. 58
3.6.1. Reactivos…………...….…………………………………………………........... 58
3.6.2. Material de laboratorio…..………………………………………………........... 59
3.6.3. Equipos…………………….……………………………………………………. 60
3.7. Recursos tecnológicos…………………………………………………………... 60
ix
CAPÍTULO IV
4. Resultados e interpretación de resultados…………………………………………. 61
4.1. Primera parte: Preparación, acondicionamiento y caracterización de los
electrodos……………………………………………………………………................ 61
4.1.1. Electrodo impreso con nanopartículas de oro………………………………… 61
4.1.2. Electrodo de carbón vítreo modificado con film de oro……………..………. 62
4.1.3. Electrodo de carbón vítreo modificado con nanopartículas de oro……......... 63
4.1.4. Electrodo de fibra de carbón modificado con nanopartículas de
oro………………………………………………………….......................................... 64
4.2. Segunda parte: Comportamiento de los electrodos de oro con el mercurio en
solución de HCl…………………………………………………................................. 66
4.2.1. Determinación de potenciales en los que se registra el pico de mercurio con los
diferentes electrodos……………………………………………............................ 66
4.2.1.1. Electrodo impreso con nanopartículas de oro…………….………………… 67
4.2.1.2. Electrodo de carbón vítreo modificado con film de oro……………………. 68
4.2.1.3. Electrodo de carbón vítreo modificado con nanopartículas de oro………… 69
4.2.1.4. Electrodo de fibra de carbón modificado con nanopartículas de oro……… 70
4.2.2. Análisis de repetitividad y sensibilidad de los electrodos en la deposición y
redisolución del mercurio en ácido clorhídrico a diferentes potenciales y tiempos de
deposición………………………............................................................................... 71
4.2.2.1. Análisis estadístico de repetitividad y sensibilidad…………….................... 71
x
4.2.2.2. Determinación del potencial óptimo de deposición…………........................ 75
4.2.2.3. Determinación del tiempo óptimo de deposición……………….…………… 76
4.3. Tercera parte: Definición de los parámetros de onda cuadrada para una
solución de 100 ppb de mercurio en HCl 0.15m………............................................ 78
4.3.1. Influencia de la variación de la amplitud en la respuesta del electrodo en una
solución de 100 ppb de mercurio en HCl 0.15m…………………………………….. 78
4.3.2. Influencia de la variación de la frecuencia en la respuesta del electrodo en una
solución de 100 ppb de mercurio en HCl 0.15m…………….................................... 80
4.3.3. Influencia de la variación de los incrementos en la respuesta del electrodo en
una solución de 100 ppb de mercurio en HCl 0.15m………………………………… 82
4.4. Cuarta parte: Definición de los parámetros de onda cuadrada para
concentraciones menores de 100 ppb de mercurio en HCl 0.15m………………….. 85
4.5. Validación del método…………………………………………………........... 89
4.5.1. Selectividad del método………………………………………........................ 89
4.5.2. Determinación del límite de detección y límite de cuantificación………...... 90
4.5.3. Linealidad dentro del rango del trabajo…………………………………........ 91
4.5.4. Precisión……………………………………………………………………….. 93
4.5.5. Exactitud.....................…………………………………………………........... 95
4.5.6. Robustez del método….………………………………………………………. 96
4.5.7. Incertidumbre del método.……………………………………………………. 96
4.5.8. Aplicabilidad del método….………………………………………………….. 97
4.5.9. Declaración de la validación del método……………………………….......... 98
xi
4.6. Comparación de los resultados obtenidos con el método desarrollado con
los obtenidos por Absorción Atómica……………………………………………… 99
CAPÍTULO V
5.1. Conclusiones……………………………………………………………………. 101
5.2. Recomendaciones………………………………………………………………. 103
5.3. Materiales de referencia………………………………………………………… 103
5.3.1. Referencias Bibliográficas……………………………………………………. 103
5.3.2. Bibliografía……………………………………………………………………. 107
ANEXOS
Anexo I: Datos experimentales……………………………………………………...... 110
I.1. Análisis de repetitividad y sensibilidad de los electrodos en la deposición y
redisolución del mercurio en ácido clorhídrico a diferentes potenciales y tiempos de
deposición………………………………………………………….............................. 110
I.1.1. Gráficos de la determinación del potencial óptimo de deposición………........ 110
I.1.2. Gráficos de la determinación del tiempo óptimo de deposición……………… 113
Anexo II: Validación…………………………………………………………………... 116
II.1. Valores obtenidos para la determinación del límite de cuantificación…………. 116
II.2. Valores obtenidos para la determinación de repetibilidad…………...…………. 117
xii
II.3. Análisis de varianza……..……………………………………………………...... 121
II.4. Valores obtenidos para el análisis de robustez del método……………………... 123
Anexo III: Fotografías del equipo utilizado en la investigación……………………... 126
xiii
LISTA DE GRÁFICOS
Pág.
2.1. Emisión de mercurio por países………………………………………................. 8
2.2. Fuentes de contaminación con mercurio……………………………………….. 9
2.3. Doble capa eléctrica…………………………………………………………….. 14
2.4. Rangos de trabajo máximo según el tipo de electrodo………………………… 17
2.5. Esquema de un electrodo impreso con nanopartículas de oro………............... 19
2.6. Imagen SEM de un microalambre de oro……………………………….……… 20
2.7. Equipo para mediciones voltametrícas…………………………………………. 24
2.8. Voltametría lineal………………………………………………………….......... 26
2.9. Voltametría lineal del proceso reversible Fe2+/Fe3+……………………………. 27
2.10. Voltametría cíclica……………………………………………………................ 27
2.11. Voltametría cíclica: Programa de potencial, voltamograma y perfiles de
concentración…………………………………………………………………................ 29
2.12. Diagrama de perturbación DPV………………………………………............... 30
2.13. Voltametría de onda cuadrada………………………………………………….. 31
2.14. Recta de calibración analítica………………………………………………….. 35
2.15. Adición de estándares………………………………………………………....... 36
2.16. Recta por adición de estándares………………………………………............... 36
3.1. Imagen del electrodo impreso con nanopartículas de oro…………….............. 41
3.2. Imagen SEM del electrodo de trabajo………………………………………….. 41
3.3. Cuadro de dialogo del potenciostato CHI1220B……………………………….. 42
xiv
3.4. Cuadro de dialogo: Hardware test del potenciostato CHI1220B……………. 45
3.5. Imagen SEM de las nanopartículas de oro……………………………............ 47
4.1. Imagen del microscopio electrónico de la fibra de carbón con nanopartículas de
oro ……………………………………………………………................................. 65
4.2. Desviación relativa estándar en función del potencial y el tiempo de deposición
para el electrodo impreso con nanopartículas de oro……………………. 72
4.3. Desviación relativa estándar en función del potencial y el tiempo de deposición
para el electrodo de carbón vítreo modificado con film de oro.……….. 73
4.4. Desviación relativa estándar en función del potencial y el tiempo de deposición
para el electrodo de carbón vítreo modificado con nanopartículas de
oro………………………………………………………………………………………. 74
4.5. Desviación relativa estándar en función del potencial y el tiempo de deposición
para el electrodo de fibra de carbón modificado con nanopartículas de
oro………………………………………………………………………………………. 75
4.6. Corrientes de pico en función del potencial para cada electrodo……………. 76
4.7. Corrientes de pico en función del tiempo para cada electrodo……….……… 77
4.8. Comparación de las desviaciones relativas estándar obtenidas variando la
amplitud…………………………………………………………………………………. 79
4.9. Comparación de las desviaciones relativas estándar obtenidas variando la
frecuencia……………………………………………………………………................. 81
4.10. Comparación de las desviaciones relativas estándar obtenidas variando los
incrementos ……………………………………………………………………….......... 83
xv
LISTADO DE TABLAS
Pág.
Tabla 4.1. Potenciales de oxidación y reducción del oro para cada
electrodo……………………………………………………………………………. 66
Tabla 4.2. Potenciales de detección de mercurio para cada electrodo………….. 71
Tabla 4.3. Desviación relativa estándar para áreas y alturas con las técnicas SLV
y SWV para el electrodo impreso de oro……………………………….…….......... 71
Tabla 4.4. Desviación relativa estándar para áreas y alturas con las técnicas SLV
y SWV para el electrodo de carbón vítreo modificado con film de
oro………………………………………………………………………………….. 72
Tabla 4.5. Desviación relativa estándar para áreas y alturas con las técnicas de
SLV y SWV para electrodo carbón vítreo modificado con nanopartículas de oro… 73
Tabla 4.6. Desviación relativa estándar para áreas y alturas con las técnicas de
SLV y SWV para electrodo de fibra de carbón modificado con nanopartículas de
oro………………………………………………………………………………….. 74
Tabla 4.7. Corrientes de pico (Ip) obtenidas para los 4 electrodos investigados a
distintos potenciales………………………………………………………………... 75
Tabla 4.8. Corrientes de pico (Ip) obtenidas para los 4 electrodos investigados a
distintos tiempos. ……………………………………………………………...…… 77
Tabla 4.9. Parámetros óptimos para la determinación de 100 ppb de Hg por SWV
según cada tipo de electrodo……………………………………………………….. 77
xvi
Tabla 4.10. Valores de desviación relativa estándar del barrido realizado por SWV
variando la amplitud….……………………………………………………..............
79
Tabla 4.11. Valores de desviación relativa estándar del barrido realizado por SWV
variando la frecuencia……………………………………………………………....
81
Tabla 4.12. Valores de desviación relativa estándar del barrido realizado por SWV
variando los incrementos………………………………………………………........ 83
Tabla 4.13. Resumen de los valores obtenidos para la determinación del límite de
cuantificación ……………………………………………………………………… 90
Tabla 4.14. Resumen de las medias de concentración……………………………... 93
Tabla 4.15. Análisis de varianza de un factor para cada nivel de concentración de
mercurio……………………………………………………………………............. 94
Tabla 4.16. Datos de concentración de mercurio obtenidos en 3 días de análisis
con la muestra de referencia y el estándar ………………………………………… 95
Tabla 4.17. Componentes para el cálculo de la incertidumbre…………………….. 96
Tabla 4.18. Resultados obtenidos en el análisis de muestras de aguas naturales y
residuales………………………………………………………………………….... 98
Tabla II.1. Datos experimentales de altura y área obtenidos a diferentes
concentraciones de mercurio..……………………………………………………… 116
Tabla II.2. Datos experimentales de altura obtenidos a diferentes concentraciones
en los 5 días de análisis…………………………………………………………….. 117
Tabla II.3. Datos de concentración de mercurio obtenidos en cada medición
realizada en los 5 días de análisis…………………………………………………... 119
xvii
Tabla II.4. Datos de concentración de mercurio obtenidos en 5 días en el rango de
trabajo……………………………………………………………………………….
121
Tabla II.5. Análisis de varianza de un factor………………………………………. 122
xviii
RESUMEN
La mayoría de las técnicas empleadas en la determinación de mercurio están
basadas en absorción atómica o fluorescencia atómica que requieren de equipos muy caros
y complejos, sin embargo, bajas concentraciones de mercurio pueden determinarse por
métodos electroquímicos, los mismos que son rápidos, de fácil control y económicos.
Al combinar las técnicas de voltametría de redisolución anódica y voltametría de
onda cuadrada se consigue depositar el Hg(0) en la superficie metálica de un electrodo con
el objeto de reoxidarlo posteriormente a Hg(II) y mediante un barrido anódico se obtiene
un pico de corriente que puede correlacionarse con la concentración del analito en la
solución y es representado en un voltamograma.
La presente investigación propone la utilización de un nuevo método utilizando un
electrodo de fibra de carbón de diámetro menor a 20 µ sobre el que se electrodepositan
nanopartículas de oro. Después de optimizar las condiciones voltamétricas se consigue un
límite de detección de 2 ppb y se puede cuantificar Hg(II) a partir de 5 ppb, con un tiempo
de deposición de 30 segundos, sin encontrar ninguna interferencia en las condiciones
empleadas. En muestras de aguas residuales analizadas previa digestión se obtuvo un
porcentaje de recuperación entre 96.0 y 98.75%.
DESCRIPTORES: MERCURIO, ELECTRODO DE FIBRA DE CARBÓN,
NANOPARTÍCULAS DE ORO, VOLTAMETRÍA DE REDISOLUCIÓN ANÓDICA,
VOLTAMETRÍA DE ONDA CUADRADA, BARRIDO ANÓDICO,
VOLTAMOGRAMA.
xix
ABSTRACT
Most techniques used in the determination of mercury are based on atomic
absorption or atomic fluorescence, which require highly expensive and complex equipment.
However, low concentrations of mercury can be determined by electrochemical methods,
which are fast, easy to control and inexpensive.
By combining anodic stripping voltammetry and squarewave voltammetry, we can
manage to deposit Hg(0) on the metallic surface of an electrode with the goal of re-
oxidizing it later Hg(II); and by performing an anodic sweep, we obtain current peaks that
can be correlated with the concentration of the analyte in the solution and represented in a
voltammogram.
This research proposes applying a new method using a carbon fiber electrode with a
diameter under 20 µ, on which gold nanoparticles are electrodeposited. After optimizing
the voltammetric conditions, we achieve a detection limit of 2 ppb, and Hg(II) can be
quantified as of 5 ppb, with a 30-second deposition period, without there being any
interference on the conditions applied. There was a recovery rate between 96.0 and 98.75%
in wastewater samples analyzed after digestion.
KEYWORDS: MERCURY, CARBON FIBER ELECTRODE, GOLD
NANOPARTICLES, ANODIC STRIPPING VOLTAMMETRY, SQUAREWAVE
VOLTAMMETRY, ANODIC SWEEP, VOLTAMMOGRAM
xx
INTRODUCCIÓN
El mercurio es uno de los metales con mayor impacto sobre los ecosistemas y que
desde hace varias décadas ha sido objeto de innumerables estudios por parte de
investigadores en diversas áreas. Este elemento puede aparecer en el ambiente bien sea por
fenómenos naturales o por actividades humanas, lo cual ha ocasionado su acumulación y
toxicidad, afectando la integridad de los ecosistemas y la salud del hombre (Ministerio del
Ambiente, 2008).
Debido a la peligrosidad del mercurio el Consejo de Administración del Programa
de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA), considera que se deben tomar
acciones a nivel internacional para reducir los riesgos a la salud humana y al ambiente,
asimismo, instó a todos los países a fijar objetivos y adoptar medidas nacionales para
determinar las poblaciones y los ecosistemas expuestos y reducir las liberaciones
antropógenas de mercurio. Para esto fue suscrito el Convenio de Minamata en 2013.
En la actualidad se vuelve prioritario y urgente el tener claramente definidos los
niveles de mercurio existentes en el Ecuador, de ahí la necesidad de contribuir a su rápida y
fácil cuantificación.
El control eficiente de los niveles de mercurio en el medio ambiente en lugares
remotos requiere de métodos de análisis simples, rápidos y confiables (Pinilla Gil et al,
2011). Las técnicas basadas en absorción atómica y fluorescencia son las más empleadas
actualmente, con la dificultad de que la instrumentación necesaria es muy costosa y difícil
de transportar, las muestras necesariamente deben ser llevadas al laboratorio para su
análisis.
Tomando en cuenta que la estrategia analítica ideal para analizar elementos tóxicos
en el medio consiste en hacer su determinación directa in situ y de manera rápida, las
técnicas electroanalíticas se presentan como una alternativa muy atractiva para el monitoreo
medioambiental de mercurio.
xxi
Dentro de las técnicas electroanalíticas existe un grupo de métodos llamados
Voltamperométricos con los cuales se observan los cambios en intensidad de corriente en
un período de tiempo en función del potencial aplicado a la célula electroquímica en donde
el potencial y la intensidad se miden simultáneamente y son muy efectivos para el análisis
de trazas. Para aplicar técnicas voltamétricas se necesita un sistema constituido por tres
partes básicas: una celda, un potenciostato y un registrador (Basil y Galen, 1987). Una de
estas técnicas es la “Voltametría de Redisolución Anódica”, con esta, se consigue la
deposición del mercurio aun en cantidades muy bajas en la superficie de un electrodo; con
un posterior barrido aplicando un potencial anódico que puede ser lineal o de onda
cuadrada, se reoxida o redisuelve nuevamente al mercurio, el mismo que aparece como un
pico de corriente, cuantificable representado en un voltamograma.
Varios tipos de electrodos se pueden emplear en estas técnicas pero se considera que
electrodos de diámetros pequeños son más eficientes que los macroelectrodos, ya que el
espesor de la capa de difusión es mayor que el diámetro de los electrodos por lo que las
especies electroactivas están siempre presentes en la superficie del mismo durante la
deposición sin necesidad de agitación (Oldham et al. 2012). Los últimos avances
electroquímicos están basándose en el uso de electrodos impresos, reemplazando a los
electrodos convencionales: sólidos, de film, etc. (Pinilla Gil et al. 2011).
El método de voltametría de redisolución anódica a más de servir para cuantificar
mercurio de manera segura, sencilla y rápida, también tiene la ventaja de que la cantidad de
reactivos empleados es mínima, así como la cantidad de muestra requerida para el análisis,
reduciendo los niveles de desechos y contaminantes generados por los mismos.
1
CAPÍTULO I
1. EL PROBLEMA
1.1. Definición del problema
Actualmente la Química Analítica se encuentra atravesando un período muy
interesante debido al desarrollo de nuevas y cada vez mejores técnicas analíticas que
permiten la detección de niveles muy bajos de especies químicas, así como incrementar el
número de datos obtenidos; gracias a los bajos límites de detección que alcanzan algunos
instrumentos, ahora se pueden detectar algunos contaminantes que hasta hace poco tiempo
no era posible hacerlo (Manahan, 2007).
En las últimas décadas han tomado popularidad los términos Química
Verde ó Química Sustentable: la química de los productos y procesos químicos no
contaminantes del medio ambiente, que producen un beneficio para la humanidad y que
son económicamente provechosos para el mercado (Mirífico, 2005). Los métodos
electroquímicos son particularmente “verdes”, el reactivo es el electrón y la ausencia de
subproductos convierte a estas técnicas en métodos atractivos tanto para la síntesis de
productos farmacéuticos, agroquímicos, productos naturales complejos, etc., así como para
el análisis de estos y muchos otros productos y elementos químicos, entre ellos el
mercurio.
La presente investigación se centra en la electroquímica analítica, cuyo objeto es
cuantificar cantidades muy bajas de mercurio.
El mercurio y sus compuestos son sumamente tóxicos especialmente para el
sistema nervioso en desarrollo. El nivel de toxicidad en seres humanos y otros organismos
varía según la forma química, la cantidad, la vía de exposición y la vulnerabilidad de la
persona expuesta.
Los seres humanos pueden estar expuestos al mercurio de diversas formas incluido
entre otras a través del consumo de pescado, los usos ocupacionales y domésticos, las
amalgamas dentales y las vacunas que contienen mercurio.
2
UNITAR (Instituto de las Naciones Unidas para la formación y la investigación)
con el apoyo financiero de la EPA (Agencia de Protección Ambiental de los Estados
Unidos) y el Ministerio de Ambiente del Ecuador suscribieron un memorando de
entendimiento para desarrollar el “Proyecto Piloto en Refuerzo de un Inventario y Gestión
de Riesgos en la Toma de Decisión sobre el mercurio: una Contribución hacia la Alianza
Global sobre mercurio” (Ministerio del Ambiente, 2008).
Según el Ministerio de Ambiente en el Ecuador las emisiones de mercurio en el
país al 2005 están en un rango entre 56.75 t Hg/a y 108.70 t Hg/a. Estas emisiones son
producidas por el uso de manómetros y medidores de presión, extracción y procesamiento
de oro, vertederos informales de desechos, rellenos sanitarios, pilas con mercurio,
extracción, refinación y uso de aceite mineral crudo o petróleo, producción de cemento,
entre otras.
Las principales liberaciones e impactos del mercurio hacia el agua en el Ecuador se
relacionan con 9 cuencas hidrográficas correspondientes a los ríos Esmeraldas, Chone,
Portoviejo, Guayas, Siete, Puyango-Tumbes, Nambija, Paute, Pastaza y Coca (Ministerio
de Ambiente, 2008).
1.2. OBJETIVOS
1.2.1. Objetivo General:
Desarrollar un método voltamperométrico para la determinación de mercurio en agua.
1.2.2. Objetivos Específicos:
a) Desarrollar el método.
b) Definir el mejor electrodo para la determinación y cuantificación de mercurio en
agua.
c) Validar el método desarrollado.
d) Determinar si los resultados obtenidos son comparables a los alcanzados por
Absorción atómica.
3
e) Desarrollar nuevos electrodos y aplicar tecnologías de vanguardia como la de
fabricación de nanopartículas.
1.3. HIPÓTESIS
En la presente investigación se formula la siguiente hipótesis de trabajo:
Hipótesis HT: Se puede cuantificar concentraciones menores a 100 ppb (partes por
billón) de mercurio en aguas residuales por voltametría de redisolución anódica.
4
CAPÍTULO II
2. FUNDAMENTO TEÓRICO
2.1. El Mercurio
2.1.1. Consideraciones Generales
El mercurio está presente en el medio ambiente de diversas formas y su
transformación de una forma a otra puede ocurrir en sedimentos, agua y aire siendo
catalizada por variados sistemas biológicos.
Todas las formas químicas del mercurio tienen una gran variedad de aplicaciones
en la industria y en la agricultura, con propiedades tóxicas intrínsecas, esto obliga a valorar
su riesgo ambiental o toxicológico. Los compuestos de mercurio en solución acuosa son
químicamente complejos, dependiendo del pH, alcalinidad, potencial redox y otras
variables, es posible que forme una gran variedad de especies químicas.
Según el PNUMA (Programa de las Naciones Unidas para el medio ambiente) los
niveles de mercurio han aumentado considerablemente desde el inicio de la era industrial
en todo el mundo, en cantidades que afectan desfavorablemente a los seres humanos y la
vida silvestre. La actividad del hombre ha generalizado los casos de exposición, y las
prácticas del pasado han dejado un legado de mercurio en vertederos, los desechos de la
minería y los emplazamientos, suelos y sedimentos industriales contaminados.
Hasta las regiones donde se registran emisiones mínimas de mercurio, como el
Ártico, se han visto adversamente afectadas debido a su transporte transcontinental y
mundial (Maíz, 2008). La fuente más importante de contaminación con mercurio son las
emisiones al aire, pero se producen también emisiones de mercurio de diversas fuentes que
van directamente al agua y a la tierra.
En general, en todo el planeta hay indicios de que las emisiones antropógenas de
mercurio han generado índices de deposición actuales entre 1.5 y 3 veces mayores a los
existentes en la época preindustrial. Dentro de las áreas industriales y en sus
5
inmediaciones los índices de deposición han aumentado de 2 a 10 veces durante los
últimos 200 años (Maíz, 2008).
2.1.2. Efectos del mercurio en la salud
El mercurio elemental y el metilmercurio producen efectos tóxicos en el sistema
nervioso central y periférico. La inhalación de vapores de mercurio puede producir efectos
nocivos sobre el sistema nervioso, el aparato digestivo, el sistema inmunitario, los
pulmones y los riñones (disfunción renal), y puede causar la muerte. Los síntomas neurales
incluyen retraso mental, crisis convulsivas, deficiencias visuales y auditivas, retraso del
desarrollo, trastornos del lenguaje, pérdida de la memoria, cefaleas frecuentes, trastornos
del sueño, fatiga inusual y temblores. Se ha informado de que la exposición crónica al
mercurio en los niños causa un síndrome caracterizado por un enrojecimiento doloroso de
las extremidades (acrodinia) (OMS, 2013).
Un estudio de mineros del oro en Ecuador reveló una asociación entre las
concentraciones sanguíneas y urinarias de mercurio y el aumento de los temblores, el
tiempo de reacción y la inestabilidad postural (OMS, 2013).
2.1.3. Propiedades Físicas y Químicas del Mercurio
El mercurio es el único elemento líquido a temperatura ambiente, su punto de
fusión es el más bajo de todos los metales (- 38,87 ºC) y su punto de ebullición es de
356,58 ºC; tiene una densidad de 13.456 g/mL a 25 °C, por lo que se considera un metal
pesado. Su símbolo químico es Hg, su número atómico es 80 y su peso atómico es 200,59
u.m.a.
A 20 °C la presión de vapor es 0.00212 mm de Hg, de tal forma que un recipiente
abierto con mercurio metálico y expuesto en un ambiente cerrado, puede desprender
suficiente vapor para saturar la atmósfera. Los vapores de mercurio son incoloros e
inodoros.
El mercurio posee el don de la ubicuidad, de manera que cualquier producto, ya sea
natural o artificial, contendrá al menos trazas de mercurio; esto es debido tanto a su
6
capacidad de amalgamación con otros metales como al resto de propiedades físico-
químicas (Jiménez, 2009).
El mercurio puede existir en tres estados de oxidación estables: mercurio elemental
[Hg0 / Hg(0)], ion mercurioso [Hg2
2+ / Hg(I)] e ion mercúrico [Hg
2+ / Hg(II)], además tiene
siete isótopos estables (196, 198, 199, 200, 201, 202, 204) y cuatro isótopos radiactivos
inestables (194, 195, 197, 203) y las formas orgánicas (compuestos organometálicos).
Estas distintas formas poseen propiedades muy diferentes dependiendo del estado
de oxidación que presente, como por ejemplo en cuanto a su solubilidad en agua y en
lípidos, su volatilidad, etc., lo cual va a determinar su distinta presencia en cada uno de los
compartimentos del medio ambiente, así como su toxicidad, siendo las más tóxicas los
compuestos orgánicos, especialmente por su posibilidad de bioacumulación a lo largo de la
cadena trófica (Maíz, 2008).
Entre las propiedades químicas más importantes que caracterizan las especies de
mercurio (II) y las alquilmercúricas (RHg) aparece su alta afinidad para formar enlaces
covalentes con el azufre. Esta propiedad es la que explica la mayor parte de las
propiedades biológicas del metal. Cuando el azufre está en forma de grupos sulfidrilos, el
mercurio divalente reemplaza el átomo de hidrógeno para formar mercaptanos, X-Hg-SR´
y Hg(SR)2. Los mercuriales orgánicos forman mercaptanos del tipo RHg-SR´. Inclusive en
bajas concentraciones, los mercuriales pueden inactivar las enzimas, principalmente
aquellas con grupos sulfidrilos, interfiriendo en el metabolismo y funciones de la célula
(Ministerio de Ambiente, 2008).
2.1.4. Ciclo del mercurio
La dispersión y distribución del mercurio entre los diferentes compartimentos del
medio ambiente, es decir, atmósfera, aguas, suelos y organismos vivos va a depender de
diversos factores, entre ellos se encuentran la acción de los agentes geológicos externos,
que causan erosión, y los efectos climáticos y medioambientales (Jiménez, 2009). El
mercurio es emitido a la atmósfera a partir de fuentes naturales y antropogénicas en forma
de vapor elemental (Hg0), posteriormente precipitado por las lluvias que lo depositan en los
cuerpos de agua y finalmente en el sedimento, donde es metilado y luego bioacumulado
(Downs et al., 1998). Una vez liberado el mercurio tiene una gran movilidad y puede
7
circular entre el aire, el agua, los sedimentos, el suelo y la biota en diversas formas (Maíz,
2008). Las emisiones actuales se añaden al fondo de mercurio existente en el mundo que
sigue movilizándose, depositándose en la tierra y el agua y volviendo a movilizarse.
2.1.5. Usos del mercurio
Una de las aplicaciones más frecuentes del mercurio es como electrodo en la
electrólisis del cloruro de sodio para producir sosa cáustica y cloro gaseoso. Se calcula que
al menos 10 toneladas de mercurio son usadas en cada planta de procesamiento (Ministerio
de Ambiente, 2008).
Ciertos equipos electrónicos y eléctricos como los interruptores o las lámparas
fluorescentes y espectrofotómetros UV también usan el mercurio como materia prima.
También es usado en forma extensa en odontología para elaborar amalgamas dentales. Los
compuestos de mercurio se usan en pinturas para evitar la proliferación de hongos y para el
control de infecciones fúngicas en semillas y en plantas bulbosas. Los usos militares
tampoco se escapan a este elemento ya que el alto poder detonante del fulminato mercúrico
lo convierte en una materia prima útil en este campo (Jiménez, 2008).
Otros usos del mercurio son la fabricación de plásticos; instrumentos de medida
como barómetros, hidrómetros, termómetros; cosméticos, cremas y jabones, detergentes,
recubrimiento de espejos, así como su utilización en investigación y en santería.
Uno de los usos del mercurio metálico, particularmente en Sudamérica, que ha
originado un impacto importante en el medio ambiente y en la salud de muchas
poblaciones, es su utilización en los procesos de extracción del oro de manera artesanal
(Ministerio de ambiente, 2008).
2.1.6. El mercurio en el Ecuador
El Ecuador está en la lista roja en el mapa mundial. Es el cuarto país
latinoamericano que emite más mercurio en el mundo, superado por Colombia, Bolivia y
Perú. En Ecuador al año se dispersan 50 toneladas de este metal solo por la minería
artesanal de oro. Las cifras analizadas en el caso de Ecuador son de los años 2005, 2006 y
2010.
8
En enero de 2013 aproximadamente 130 países realizaron negociaciones para
reducir y eliminar a largo plazo la liberación de mercurio (Diario el Universo, 2013).
Muchos de los gobiernos aceptaron el texto jurídicamente vinculante del Convenio de
Minamata sobre el mercurio. El artículo 7 y el anexo C del Convenio abordan la minería
aurífera artesanal y en pequeña escala (MAAPE), refiriéndose a la preparación de planes
nacionales acerca de la MAAPE, en particular una estrategia de salud pública que incluye
la recopilación de datos de salud, capacitación del personal sanitario y sensibilización de
los establecimientos sanitarios (Organización Mundial de la Salud, 2013).
Gráfico 2.1: Emisión de mercurio por países
(El Universo, 2013)
A escala mundial, la MAAPE genera aproximadamente un 37% de las emisiones de
mercurio y es la mayor fuente de contaminación del aire y el agua con este metal;
aproximadamente 15 millones de personas, incluidos unos 3 millones de mujeres y niños,
participan en el sector de la MAAPE en 70 países, que se encuentran principalmente en
Asia, el África subsahariana y América Latina. Una segunda fuente de polución de este
tóxico es la quema de carbón para la producción de electricidad.
9
Gráfico 2.2: Fuentes de contaminación con mercurio
(ONU, 2010)
Para los mineros pequeños o informales, utilizar el mercurio en sus labores les
resulta barato, rápido y efectivo ya que se logra separar el 99% del oro mientras que con
otros químicos, por ejemplo cianuro, apenas se recupera un 60%. Según el estudio
denominado “La pequeña minería del oro: impactos en el ambiente y en la salud humana
en la cuenca del río Puyango, sur del Ecuador”, realizado entre los años 2000 y 2007, se
comprobó que los ríos presentaban índices elevados de mercurio, manganeso, plomo y
cianuro generados por la minería.
La ONU alerta de la presencia de mercurio en ríos y lagos. Así, se indica que en los
últimos 100 años se duplicó la cantidad de mercurio presente en los 100 primeros metros
de profundidad de los océanos; y que la concentración de este tóxico aumentó un 25% en
las aguas profundas. Esto hace que los peces destinados para el consumo humano estén
más expuestos a la contaminación. Unas 260 toneladas de mercurio fueron a parar a los
ríos y lagos por la deforestación. El acuerdo mundial busca eliminar de los hogares los
productos que usan metal líquido, como termómetros y algunas lámparas fluorescentes
(Organización Mundial de la Salud, 2013). En Ecuador, a septiembre de 2014 se encuentra
elaborado el Reglamento y hasta que se emita la Normativa definitiva existe la disposición
de no adquirir ningún dispositivo medico (termómetros, barómetros y tensiómetros) que
contengan mercurio, los mismos que serán reemplazados con equipos electrónicos y
digitales, adicionalmente está prohibida la producción, exportación e importación de este
metal hasta el año 2020 (Diario El Comercio, 2014).
10
Una de las diferencias fundamentales entre el sector minero a gran escala de oro y
el sector de la MAAPE es que este último no tiene un programa de manejo de residuos o, si
existe, es inadecuado. Algunos países como Ecuador y Mongolia están tratando de
solucionar este problema mediante la creación de un sistema de manejo de residuos
centralizado.
2.2. Técnicas de cuantificación de mercurio
La determinación de mercurio en aguas requiere la utilización de técnicas analíticas
muy sensibles. Las mejoras notables en las técnicas analíticas durante los últimos años han
aumentado la fiabilidad de los datos de manera significativa.
Para determinar los niveles de mercurio en el agua se han utilizado varias técnicas
como la espectroscopia de absorción atómica, la espectroscopia de emisión atómica,
espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente, la espectrometría de
fluorescencia atómica, la cromatografía líquida de alto rendimiento de fase inversa,
técnicas voltamétricas como la voltametría de redisolución anódica y la voltametría
adsortiva de redisolución catódica. También se recomienda el uso de la espectrometría de
absorción atómica de vapor frío (CV-AAS) para el análisis de este elemento en muestras
de agua (Cabrera, 2007).
La presente investigación se centra en el uso de técnicas voltametrícas por lo que es
importante conocer sus fundamentos.
2.2.1. Técnicas Voltamétricas
La Voltametría abarca un grupo de métodos electroanalíticos en los cuales la
información sobre el analito bajo estudio se obtiene a partir de curvas de corriente en
función del voltaje, es decir, del potencial aplicado, realizado bajo condiciones que
favorecen la polarización del electrodo de trabajo. Esta técnica utiliza un juego de
electrodos que se sumergen en una solución electrolítica, que es donde se realiza la
medida de la corriente que circula entre los electrodos mientras se aplica un barrido de
potencial.
11
Estas técnicas se inician con el descubrimiento de la Polarografía por 1920, técnica
que utiliza básicamente un microelectrodo de goteo de mercurio (EGM). Posteriormente, a
partir de 1960 empiezan a aparecer aparatos comerciales de bajo costo, lo que ha permitido
el creciente interés por éstas técnicas para el análisis cualitativo y cuantitativo de una gran
cantidad de especies orgánicas e inorgánicas (Skoog y West, 1984).
Antes de hacer referencia a estas técnicas es necesario comprender algunos
conceptos y fundamentos de la electroquímica analítica.
2.2.1.1. Electroquímica Analítica
El fundamento de una reacción REDOX es el intercambio de electrones entre dos o
más especies, generando especies oxidadas y reducidas, según se aprecia en las siguientes
ecuaciones:
OX1 + ne- RED1
RED2 OX2 + ne-
OX1 + RED2 OX2 + RED1
Este proceso puede darse utilizando un par de electrodos conectados por medio de
un conjunto de circuitos externos, en este caso uno de los electrodos actuará como ánodo o
reductor y transfiere uno o más electrones al electrodo metálico, pero para que se mantenga
equilibrio eléctrico, el mismo número de electrones debe salir del electrodo y pasar por el
circuito externo. Al mismo tiempo el cátodo deberá ceder igual cantidad de electrones al
oxidante, constituyéndose un circuito eléctrico completo; el alcance de este proceso
REDOX se puede controlar o comprobar desde la parte externa del circuito por medio de
operaciones electrónicas.
Esta capacidad de controlar el alcance y dirección de una reacción por medios
eléctricos, es lo que constituye la importancia de la electroquímica (Basil y Galen, 1987).
La electroquímica analítica, entonces, se ocupa de medir pequeñas corrientes a bajos
12
voltajes (de miliamperios hasta máximo 2 voltios), que se controlan fácilmente gracias a la
moderna electrónica de circuitos integrados.
El electrodo donde ocurre la reducción se conoce como cátodo mientras que en el
que ocurre la oxidación se denomina ánodo. Si se considera el siguiente ejemplo:
Cu / Zn2+
(aq) // Cu2+
(aq) / Zn
donde se grafican dos medias celdas y el símbolo // representa la unión entre dos líquidos
miscibles; según la IUPAC, a la izquierda se representa la reacción de oxidación, o sea el
ánodo y a la derecha la reacción de reducción, o el cátodo. El potencial de una celda
electroquímica se calcula de los potenciales de reducción de cada media celda, por
convención se tiene que:
E celda = E cátodo – E ánodo
Estos potenciales se obtienen de la Ecuación de Nernst, la misma que relaciona las
actividades de las especies involucradas con el potencial de electrodo “E”, o de la media
celda y el potencial estándar de electrodo E°:
Donde:
E° = potencial estándar
T = temperatura absoluta 298 °K
R = constante de los gases: 8,31 J/°K.mol
n = número de electrones transferidos
F = constante de Faraday: 96.485 C/mol
aox = actividad de la especie oxidante
ared = actividad de la especie reductora
13
A menudo es útil emplear concentraciones en vez de actividades y la ecuación se
representa como:
El potencial de una celda electroquímica se considera siempre positivo, y representa
la diferencia de potencial que se puede medir físicamente entre los electrodos (Skoog,
2001).
Dependiendo de la naturaleza del instrumento externo empleado se definirá cual
electrodo actúa como cátodo y cual como ánodo, así como la dirección de la reacción.
Estos instrumentos pueden ser pasivos, cuando sólo permiten o impiden el paso de
electrones, es decir, son espontáneos o pueden ser activos cuando controlan el flujo de
electrones, se puede forzar este movimiento en la dirección espontánea o a la inversa,
incluso en ambas direcciones produciéndose un intercambio periódico entre ánodo y
cátodo. Según Basil y Galen (1987): “Si la celda se deja sin un instrumento externo de
control, esta mostrará una diferencia de potencial, E, entre sus electrodos, indicando la
tendencia de los electrones a circular fuera de la celda” (pág. 15).
Es importante conocer las variables de las que dependen las reacciones
electroquímicas, que resultan de la interacción de la energía (Intensidad o potencial) con la
materia (especie electroactiva) y son cuatro:
1. Intensidad que circula por el electrodo de trabajo (I)
2. Potencial adquirido por dicho electrodo (P)
3. Concentración de la especie electroactiva en disolución (C)
4. Tiempo (t)
2.2.1.2. Cinética electroquímica
Es fundamental conocer la relación existente entre las propiedades de la interfase
metal-solución y la medición del voltaje, corriente e impedancia. El potencial se puede
definir como el trabajo necesario para traer una unidad de carga desde una gran distancia
14
(el infinito) hasta el interior de la fase. La composición de la solución no es igual en el
seno de la misma que en la interfase.
Gráfico 2.3: Doble capa eléctrica
(Bastos & Tatsuo, 2001)
La existencia de cargas acumuladas a ambos lados de la interfase de las soluciones
de los electrodos se conoce como la “doble capa eléctrica”, si se asume que el electrodo
tiene exceso de cargas sean positivas o negativas, es necesario compensar electrónicamente
este exceso formando 3 zonas iónicas en la solución: una capa de iones que tocan la
superficie del electrodo, que es el plano de mayor aproximación y pasa por el centro de los
iones, se conoce como plano interior de Helmholtz (IHP); la siguiente capa de iones se
denomina capa exterior de Helmholtz (OHP), que es donde se encuentran la mayoría de
cationes y algunos aniones y finalmente existe una capa difusa de cargas mixtas que se
extienden en el cuerpo de la solución (Basil y Galen, 1987), la misma que depende de la
cantidad del soluto y varía su espesor según la concentración. El IHP y el OHP forman la
llamada capa compacta de cargas, ésta es sujetada con fuerza por el electrodo y es
independiente de la concentración.
La capacitancia de la doble capa se determina por la combinación de la capacitancia
de la capa compacta en serie con la de la capa difusa.
15
2.2.1.3 Elementos de un análisis voltamétrico
En un análisis voltamétrico encontramos 3 elementos: electrodos, electrolito de
soporte y barrido de potencial.
I. Electrodos
En las mediciones electroanalíticas un elemento fundamental son los electrodos,
estos son de 3 tipos:
I.I. Electrodo de referencia. Su potencial debe ser constante y no debe sufrir
cambios entre los experimentos. “Debe ser estable con respecto al tiempo y
temperatura. Su potencial no debe experimentar cambios cuando la corriente
necesaria para efectuar una medición pasa por el electrodo. Los electrodos de
referencia se pueden obtener comercialmente en una unidad de construcción que
incluya la membrana porosa”. (Basil y Galen, 1987). Entre los más comunes se
pueden citar:
Electrodo de hidrógeno. Consiste en una barra de aluminio platino
sumergida en una solución acuosa de iones H+ de actividad fija a la cual se
le burbujea hidrógeno puro a presión constante.
Electrodo de calomel. Compuesto por mercurio elemental y Hg2Cl2 en
contacto a través de una membrana porosa con una solución de KCl. La
reacción del electrodo está dada por la ecuación:
Hg2Cl2(s) + 2e- 2Hg(l) + 2Cl
-
El potencial de esta celda varía de acuerdo a la concentración de cloruro.
Comúnmente se emplea una solución saturada de KCl y en estas
condiciones su potencial es constante y equivalente a 0,241 V (Skoog y
West, 1984).
16
Electrodo de Ag/AgCl. Formado por un alambre de plata en contacto por
medio de una membrana porosa con una solución de AgCl en
concentración de 1M a 3M. En estas condiciones su potencial es constante
y equivalente a 0,2224 V. La reacción del electrodo está dada por la
ecuación:
AgCl(s) + e- Ag(s) + Cl
-
I.II. Electrodo indicador o de trabajo. Es donde ocurre la oxidación o
reducción, puede actuar como ánodo o como cátodo. Es el que determina el
rango y la técnica voltamétrica a ser aplicada; está constituido por una
superficie sólida que puede ser de oro, platino, carbón vítreo o mercurio, entre
otras. Si la superficie es pequeña se facilita la medición del potencial.
Debe ser un conductor electrónico y electroquímicamente inerte (no generar
corriente en respuesta al potencial aplicado) en un amplio rango de potencial
(ventana de potencial).
Escoger el material dependerá de la ventana de potencial que se requiera
(por ejemplo, el mercurio puede ser usado solo para potenciales negativos
debido a la oxidación de este a potenciales positivos), así como también de la
velocidad de transferencia de electrones (una transferencia lenta puede afectar
la reversibilidad de la reacción), esta velocidad puede variar considerablemente
de un material a otro aun para el mismo analito, debido por ejemplo, a
interacciones catalíticas entre el analito y especies electroactivas en la
superficie del electrodo.
Según sea el elemento que conforma el electrodo se determinara el rango de
potencial a aplicar.
17
Gráfico 2.4: Rangos de trabajo máximo según el tipo de electrodo
(Garrido, 2011)
También, se pueden considerar los siguientes grupos de electrodos de trabajo:
Tipo 0. Dentro de estos están los constituidos por metales inertes y pares
redox ajenos al metal del electrodo, como por ejemplo: Pt / Fe2+
, Fe3+
//;
Pt/H2(g), H+(ac)//.
Tipo 1. Metales en disolución de sus iones, como por ejemplo:
Cu/CuSO4(ac) //; Ag/Ag+//; Ag/AgNO3//.
Tipo 2. Metales en contacto con una sal insoluble del ion del metal en una
disolución de alguno de los iones de la sal, por ejemplo: Ag/AgCl(s)/Ag+ //;
Ag/AgCl(s)/Cl//; Pt/Hg(l)/Hg2Cl2(s)/KCl(ac)//.
Tipo 3. Metales en contacto con una sal insoluble formando complejos, se
usan para titulaciones complexométricas, por ejemplo:
Cu/Pb/PbC2O4(s)/Ca2+
//; Pt/Hg/HgEDTA2-
/Cu2+
, EDTA//.
Tipo 4. En este grupo están aquellos que emplean cualquier otro material,
pueden ser de vidrio, de ion selectivo, etc.
18
En voltametría los electrodos de trabajo tienen una superficie muy pequeña
(generalmente pocos milímetros cuadrados) lo que favorece su polarización y se los conoce
como microelectrodos.
Actualmente es posible construir electrodos de trabajo de radio del orden de 10
micras. Estos electrodos pueden ser construidos a partir de fibras de carbón, alambres de
platino, oro, entre otros elementos. Dado el pequeño tamaño estos electrodos poseen
propiedades diferentes de los empleados convencionalmente. La corriente que circula es
del orden de los nanoamperios (1x10-9
A) lo que permite que los experimentos se realicen
en condiciones especiales, por ejemplo en sistemas que presentan alta resistencia, o incluso
sin la presencia de electrolito soporte. La disminución del área activa trae también como
consecuencia una menor influencia de la doble capa eléctrica, además el espesor de la capa
de difusión es mayor que el diámetro de los electrodos por lo que las especies
electroactivas están siempre presentes en la superficie del electrodo durante la deposición
sin necesidad de agitación.
Este tipo de electrodos son especialmente aptos para determinaciones in-vivo dado
el carácter prácticamente no destructivo de los mismos.
El principal inconveniente que tienen estos electrodos es la necesidad de medir
corrientes continuas tan pequeñas que es necesario aislar el sistema de cualquier
interferencia eléctrica ("ruido"). Para este propósito se debe realizar los experimentos en
una "caja de Faraday", esto es, dentro de una caja metálica que actúa como escudo para el
ruido eléctrico.
Dentro de los microelectrodos encontramos a los electrodos impresos, los que aun
siendo desechables ofrecen la posibilidad de re-utilizarlos obteniendo medidas en la misma
muestra o en diferentes muestras. De esta manera el tiempo de vida del mismo se
incrementa y los costos de análisis pueden ser reducidos. La tinta es una de las principales
variables que influye en la conducta de este electrodo y es de crucial importancia porque la
misma se escoge de acuerdo al sustrato y al procedimiento para depositarla (temperatura,
tiempo, etc.); en electrodos impresos de oro la base de cerámica es la más ampliamente
utilizada como sustrato, pero materiales poliméricos son también usados debido a su
flexibilidad y bajo costo.
19
Los electrodos impresos de oro están siendo muy utilizados actualmente aunque el
uso de estos en los análisis por redisolución es limitado principalmente porque debido a
sobrevoltajes más bien bajos de hidrógeno hay formación de capas de óxido o se disuelve
el oro a potenciales más positivos de +0,9/+1 V vs Ag/AgCl.
Gráfico 2.5: Esquema de un electrodo impreso con nanopartículas de oro
(Palchetti et al., 2005)
Si estos electrodos se aplican para la detección de mercurio, se debe tener cuidado
al escoger los potenciales de acondicionamiento, especialmente en medio de cloruros
donde la oxidación del oro comienza a potenciales bajos, puede haber formación de
complejos, es algunos casos las especies de cloruros de oro pueden precipitar, cubriendo
parcial o totalmente al electrodo.
Estudios previos han demostrado que los aniones de cloruro y otros se absorben
fuertemente a las superficie del electrodo de oro, al incrementar la concentración de estos
aniones sobre valores óptimos, la altura de los picos de mercurio decrece, es decir,
disminuye la sensibilidad del electrodo de oro hacia el mercurio. Los estudios realizados
han demostrado que los electrodos impresos de oro son muy adecuados para la detección
de metales pesados.
Los electrodos impresos de carbón son usualmente activados para mejorar la
cinética de transferencia de electrones por aplicación de potenciales anódicos en diferentes
20
medios ácidos o básicos. En algunos estudios se recomienda que cada sensor sea tratado
previamente antes de ser usado por primera vez, mediante la aplicación de cinco ciclos de
voltametría cíclica entre un rango de potencial de 0 a 0,7V, con una velocidad de barrido
de 50 mV/s y un paso de potencial de 2,44 mV. Este proceso es necesario para obtener una
línea base estable.
Otra muy buena alternativa que está en desarrollo es el uso de microelectrodos de
alambre, estos presentan las siguientes ventajas:
La sensibilidad permanece constante sin necesidad de agitación debido a que la
capa de difusión se expande esféricamente.
La superficie del electrodo puede ser activada electroquímicamente y servir para
muchas mediciones.
La posibilidad de medir en medios de baja conductividad como agua dulce debido a
la resistividad reducida por unidad de área.
Se requieren pequeños volúmenes de muestras.
Los microelectrodos se pueden construir fácilmente a partir de un alambre metálico
de pequeña longitud (oro, platino, plata o iridio) o de filamentos de carbón, sellado en un
capilar de vidrio o polietileno, y cuidadosamente pulido. Su longitud es de pocos
milímetros.
Grafico 2.6: Imagen SEM de un micro alambre de oro de 25 µm antes del uso (izquierda) y después del
uso por una semana de trabajo intensivo con altos potenciales de oxidacion a 0.9 V in 0.6 M NaCl
(derecha)
(Van den Berg & Salaun, 2006)
21
I.III. Electrodo auxiliar o contraelectrodo. Su función es cerrar el circuito
eléctrico dentro de la celda electroquímica. Se emplea para hacer conexión
eléctrica al electrolito, para de esta manera poder aplicar una corriente al
electrodo de trabajo; para su construcción suele emplearse un material inerte
(metal noble o grafito) para evitar su disolución. Generalmente actúa como
ánodo cuando la celda se polariza (Garrido, 2011).
II. Electrolito de Soporte
Para evitar que el espesor de la capa difusa afecte a la capacitancia y a la medida de
la caída de potencial es necesario emplear un electrolito de soporte, el mismo que
contribuye al transporte de electricidad a través de la solución; debe cumplir con las
siguientes características:
Debe ser un electrolito inerte
Debe ser farádicamente inactivo
Debe tener alta pureza
No debe ser químicamente reactivo con el analito o con los productos de su
electrolisis
Debe tener alta conductividad (baja resistencia eléctrica)
Debe tener alta concentración
La necesidad de que este deba disociarse hace que la mayor parte de electrolitos de
soporte sean ácidos inorgánicos fuertes (ácido clorhídrico, sulfúrico o nítrico), sales
inorgánicas u orgánicas (cloruro de potasio, acetato de sodio) ó soluciones buffers de
ácidos orgánicos.
Hay varios fenómenos de transporte para llevar las sustancias hacia el electrodo o
hacia la interfase electrolito-electrodo desde el seno de la disolución, estos son:
Migración
Difusión (según las gradientes de concentración)
Convección (agitación)
En la mayoría de los casos, la electrólisis se efectúa bajo condiciones tales, que la
difusión sea el proceso fundamental en el transporte de la especie electroactiva; la
22
migración y la convección se minimizan por la adición de un exceso de electrolito soporte
y evitando el movimiento de agitación y gradientes de temperatura.
III. Barrido de Potencial
Es un proceso en el que al aplicar un potencial durante un determinado tiempo, el
potenciostato explora sistemáticamente las variaciones de ese potencial, reconociéndolas
punto por punto. “El proceso de barrido de potencial se explica por la ley de Nernst
considerando que la solución analizada actúa como un sistema redox reversible y sin
presencia de sobrepotencial. Para ello el intercambio de electrones entre el electrodo de
trabajo y la solución debe producirse manera rápida de modo que la migración de los iones
se produzca por difusión a través de una capa que se mantiene constante. Además, será
necesario omitir los posibles procesos de adsorción y reacciones colaterales” (Garrido,
2011).
2.2.1.4 Métodos para la medida de potenciales
Para poder realizar estas mediciones se pueden utilizar tres tipos de ensayos:
potenciométricos, galvanoestáticos y potencioestáticos.
I. Potenciométricos. El voltaje puede ser medido con un 1) “Potenciómetro, un
instrumento que utiliza un voltaje igual y opuesto para compensar el voltaje de la
celda y 2) Seguidor de voltaje, que reproduce simplemente el voltaje de la celda
por medios electrónicos” (Basil y Galen, 1987). Para mediciones de alta precisión
se utiliza el potenciómetro.
El fundamento del método consiste en extraer de la celda una mínima cantidad de
corriente, equivalente a 10-9
A, necesaria para activar al galvanómetro en el caso
del potenciómetro o para activar el circuito electrónico en el caso del seguidor de
voltaje, cantidad que no afecta las concentraciones obteniendo el potencial de
equilibrio con mucha precisión.
Para estos métodos se necesitan dos electrodos, uno de referencia y uno de trabajo,
ya que el electrodo de referencia mantiene su potencial constante, cualquier
variación registrada se debe a la contribución del electrodo de trabajo.
23
II. Galvanoestáticos. Permite el flujo de mayor cantidad de corriente la misma que
permanece constante y puede ser programada y lo que se mide es el voltaje. Se
necesitan los 3 electrodos en la celda, mientras se realiza la electrolisis hay
variación del potencial en el electrodo de trabajo, este cambio puede ser medido
potenciométricamente entre el electrodo de trabajo y el de referencia, el resto de
corriente circula entre el electrodo de referencia y el electrodo auxiliar. Los
resultados obtenidos se expresan en forma de una curva de voltaje contra corriente
o contra tiempo.
III. Potencioestáticos. En estos métodos el potencial permanece constante y se mide la
variación de corriente. Por este motivo estos equipos tienen límite de
funcionamiento ya que la corriente está restringida por la capacidad del suministro
de energía, esto se conoce como “el desplazamiento de la corriente”; un
potenciostato puede tener un desplazamiento de corriente de 1A, que es suficiente
para trabajos analíticos, si se necesitarían mayores corrientes el sistema se saturaría
lo que generaría errores. Los resultados se expresan como una curva de corriente
en función del voltaje o del tiempo, a partir de la curva de pueden calcular las
concentraciones.
2.2.1.5. Instrumento para aplicación de técnicas voltamétricas
Para la aplicación de técnicas voltamétricas se requiere un sistema constituido por
tres partes básicas: una celda, un potenciostato y el instrumento de interpretación de
respuesta.
Potenciostato. Es el dispositivo electrónico que define el potencial a ser aplicado
al sistema y a su vez mide la corriente producida entre el electrodo de trabajo y el
auxiliar.
Celda. Puede construirse de vidrio o teflón, debe contener al sistema de electrodos.
Debe tener alta conductividad, debe permitir reducir la resistencia y mantener una
densidad de corriente uniforme.
Instrumento de interpretación de respuesta. Generalmente es un ordenador por
medio del que se definen los parámetros con los que trabaja el potenciostato,
24
también permite registrar los valores de corriente obtenidos en el análisis y los
resultados se pueden ver como un gráfico de interpretación analítica (Garrido,
2011).
Gráfico 2.7: Equipo para mediciones voltamétricas
(Bard & Faulkner, 2012)
2.2.1.6. Clasificación de las técnicas electroquímicas
Estas se pueden clasificar según:
a) La naturaleza de la medida
b) El porcentaje de transformación electrolítica de la sustancia a determinar
c) El régimen de difusión del proceso
d) El régimen de la señal eléctrica empleada
Según el régimen de la señal eléctrica empleada se distinguen cuatro tipos de
técnicas:
Técnicas eléctricas en equilibrio. En las cuales no fluye corriente (I=0), en este grupo
están las técnicas potenciométricas.
Técnicas eléctricas estacionarias. Agitar la solución tiene un efecto significativo en
la corriente de respuesta debido a que influye en la velocidad a la que las moléculas
electroactivas son transportadas desde el seno de la disolución hasta la superficie del
electrodo (transporte de masa). En muchos experimentos voltamétricos no hay
agitación y la única forma de transporte de masa es por difusión, éstas se conocen
como técnicas en “solución estacionaria”.
25
Permiten obtener relaciones entre la corriente y el potencial sin que aparezca el
tiempo como variable. Estas respuestas estacionarias pueden obtenerse sea con
microelectrodos o utilizando el electrodo de disco rotatorio (RDE).
Técnicas eléctricas periódicas. Se aplica una corriente o un potencial variable
periódicamente con el tiempo a una cierta frecuencia impuesta, obteniéndose una
respuesta de potencial o corriente también periódica. El más utilizado es el de
impedancia faradaica.
Técnicas eléctricas de transición. Conocidas también como dinámicas, implican la
aplicación de una perturbación eléctrica al electrodo de trabajo con el fin de provocar
una reacción de transferencia de carga en la interfase electrodo–disolución, es decir,
alejan el sistema electroquímico de una situación inicial de equilibrio y estudian su
respuesta a dicho estimulo. Entre ellas se encuentran:
a) Técnicas eléctricas de corriente controlada. La perturbación eléctrica que se
aplica al electrodo consiste en una corriente o secuencia de corrientes constantes o
variables con el tiempo.
La respuesta es la variación del potencial del electrodo de trabajo versus
electrodo de referencia frente al tiempo o cronopotenciograma.
Los más utilizados son cronopotenciometría de corriente programada,
cronopotenciometría con inversión de la corriente y cíclica y la
cronopotenciometría derivativa recíproca. Si se aplica un potencial constante y se
analiza la respuesta corriente–tiempo tenemos la cronoamperometría.
Si se aplican una secuencia de potenciales y en las diferentes respuestas
corriente-tiempo se muestrea la corriente a un tiempo fijo, para diferentes
potenciales, tenemos la voltametría de corriente muestreada.
26
b) Técnicas eléctricas de potencial controlado. La perturbación eléctrica que se
aplica al electrodo consiste en un potencial o secuencia de potenciales constantes o
variables con el tiempo. Entre estas están:
i) Voltametría de barrido lineal (LSV)
Gráfico 2.8: Voltametría Lineal
(Bard & Faulkner, 2012)
El potencial aplicado varía linealmente con el tiempo desde un potencial
inicial Ei hasta un potencial final Eλ a una velocidad de barrido constante que viene
dada por v=dE/dt (Vs-1
). El gráfico resultante se llama voltamograma.
Estos límites de potencial pueden tomar como valor máximo los limites de
estabilidad del agua (en medios acuosos) es decir desprendimiento de hidrógeno y
de oxigeno. Dichos valores dependen del material electródico, del pH de la
disolución, de la temperatura.
En disolventes no acuosos Ei y Eλ vienen impuestos por el potencial de
descarga de los iones del electrolito de soporte. La variación del potencial con el
tiempo se representa en el eje x y la intensidad en el eje y. En el siguiente grafico se
puede ver el voltamograma lineal para un proceso redox Fe3+
+ 1e- → Fe
2+ cuyo
potencial formal es 0.460V.
27
Gráfico 2.9: Voltamograma lineal del proceso reversible Fe2+/
Fe3+
(Bard & Faulkner, 2012)
i) Voltametría cíclica
Esta técnica se basa en aplicar un barrido de potencial al electrodo de
trabajo tanto en el sentido directo como en el inverso, es decir realizando lo que se
denomina barrido triangular de potencial. Este programa de potencial se inicia en
un valor inicial Ei hasta un valor de corte denominado Eλ.
Gráfico 2.10: Voltametría cíclica
(Alves, 2012)
28
Como resultado de esto se produce la oxidación o reducción de las especies
electroactivas presentes en la disolución.
Hay cinco parámetros fundamentales en una ciclovoltamperometría, que
son:
1. El potencial inicial, Ei (V).
2. El potencial de pico E max (V).
3. El potencial mínimo aplicado E min (V).
4. El potencial final Ef (V).
5. La velocidad de barrido n (mV/s).
La intensidad registrada en cada instante se grafica frente al voltaje
aplicado, obteniéndose así las curvas I/V (intensidad/potencial).
La intensidad que pasa a través del electrodo de trabajo se puede
descomponer en:
Corriente farádica, provocada por la reacción que está sucediendo en el
electrodo.
Corriente capacitiva, que se debe a que la celda se comporta como un
condensador.
Esta técnica resulta de gran importancia en el campo de la electroquímica,
especialmente para estudios de procesos redox, mecanismos de reacción,
propiedades electrocatalíticas, estudio de intermediarios de reacción, etc.
No tiene igual relevancia para determinaciones cuantitativas, sin embargo
mediante ensayos relativamente sencillos y rápidos es posible obtener un
importante conjunto de informaciones.
29
Gráfico 2.11: Voltametría cíclica: Programa de potencial, voltamograma
y perfiles de concentración
(Bard & Faulkner, 2012)
ii) Voltametría de pulso normal (NPV)
Esta técnica permite bajar el límite de detección de una medida
voltamperométrica debido al aumento sustancial de la relación entre la corriente
farádica y la no-farádica permitiendo cuantificaciones de concentraciones del
orden de 10-8
mol/L.
iii) Voltametría de pulso diferencial (DPV)
La voltametría de pulso diferencial, es una de las técnicas electroanalíticas
que alcanzó una gran popularidad a partir de 1970. En esta técnica, la forma de la
onda en la señal de excitación, consiste en una serie de pulsos a manera de
escalera, donde el potencial de base aumenta gradualmente en pequeños intervalos
entre 10 y 100 mV; la amplitud de pulso, se mantiene constante con respecto al
potencial de base.
La corriente resultante del proceso electródico se mide justo antes de la
aplicación del pulso y al final de la aplicación del mismo, de esta manera al
30
graficar la diferencia de corrientes obtenidas en función del potencial aplicado, se
obtienen respuestas típicas como la mostrada en la figura 2.11, donde la
intensidad máxima de corriente (Ip) es proporcional a la concentración de especies
reactantes.
Gráfico 2.12: Diagrama de perturbación DPV
(Alves, 2012)
La disminución de la línea base en el voltamperograma se entiende como el
resultado de las diferentes velocidades de respuesta entre la corriente capacitiva y
la farádica con respecto al potencial aplicado.
Cuando un potencial base es mucho menor al requerido para que se lleve a
cabo la reacción electroquímica, la electrólisis presente es despreciable, por lo que
la corriente obtenida es prácticamente debida a la carga de la doble capa. Después
de un tiempo, el potencial es cambiado bruscamente a un valor, mayor al anterior
(en cuanto corresponda a la reacción de interés), lo cual provoca que tanto la
corriente capacitiva como la farádica aumenten; sin embargo, durante el tiempo
que dura el pulso, la corriente no farádica disminuye de forma muy rápida en
comparación con la corriente debida a la reacción electroquímica. Esto provoca
que en las cercanías del fin del pulso la mayor parte de la corriente obtenida sea
casi exclusiva al aporte farádico.
En consecuencia, se hace la diferencia entre la corriente observada justo
antes del pulso y aquella justo antes de que termine el aporte de la corriente
capacitiva (Baeza y García, 2011).
31
iv) Voltametría de onda cuadrada (SWV)
Esta técnica consiste en un barrido de una serie de pulsos al que
adicionalmente se aplica una onda cuadrada de alta frecuencia. La voltametría de
onda cuadrada es la técnica voltamétrica de más reciente desarrollo, supera en
resultados a la voltametría lineal y a la de pulso diferencial en cuanto a definición
del voltamograma. Mientras que en la voltametría de pulso diferencial la
corriente se mide antes y después de la aplicación de cada pulso, la voltametría de
onda cuadrada mide la corriente de respuesta al final de la aplicación de dos
medias ondas, ya que la intensidad de corriente total resulta de la suma de dos
corrientes: anódica (fase positiva del impulso, oxidación) y catódica (fase negativa
del impulso, reducción).
Gráfico 2. 13: Voltametría de onda cuadrada: Se aplican al mismo
tiempo una serie de pulsos y una onda de alta frecuencia
(Bard & Faulkner, 2012)
Esta medida asegura que si la amplitud de la onda es pequeña, durante la
primera media onda, el analito de interés puede ser reducido, mientras que en la
segunda media onda el analito puede ser oxidado. La suma de las dos corrientes
incrementa la sensibilidad de la técnica por lo que las posibles interferencias
creadas por la acción de la corriente capacitiva son reducidas a niveles mínimos, a
tal punto que la aplicación de esta técnica alcanza los 5 microgramos por litro
32
(Garrido, 2011), resultando la sensibilidad de la SWV alrededor de dos a tres
veces superior a de la DPV. Dado que la SWV produce voltamogramas en
tiempos extremamente cortos, la vuelve adecuada para ser utilizada acoplada a
otras técnicas instrumentales como, por ejemplo, a la cromatografía líquida por
detección de las especies que van siendo eluidas.
v) Voltametría de redisolución (ASV)
Esta técnica busca que un analito de interés A presente en una solución se
deposite sobre la superficie de un electrodo, y tras un tiempo de reposo
(preconcentración del analito) se obtenga un elemento P producto de la deposición
(redisolviendo el analito depositado). El objetivo principal de la voltametría de
redisolución es el mejorar la sensibilidad de detección del analito mediante la
preconcentración del mismo.
Pueden existir dos tipos de técnicas de redisolución:
Catódica: El ion se reduce mediante un barrido catódico de potencial.
Anódica: Durante la cual el electrodo de trabajo actúa como cátodo en la
deposición y como ánodo durante la medida de la corriente. El potencial de
reducción normalmente usado es 0,3 a 0,5V más negativo que el potencial
estándar (E°) del ion metálico más fácilmente reducible a ser determinado. El
ion metálico alcanza el electrodo por difusión y convección. La duración de la
deposición depende de la concentración del ion metálico en estudio,
normalmente para una concentración de aproximadamente 10-7
mol/L se tarda
30 segundos. Al término de la deposición la fuerza de convección debe ser
detenida, la etapa siguiente consiste en aplicar un potencial anódico, que puede
ser lineal ó más sensible (de pulso diferencial o de onda cuadrada); el potencial
del pico es usado para identificar el ion metálico en la muestra y la corriente de
pico es usada para cuantificar el analito. Durante la etapa de la redisolución el
analito del microelectrodo se desprende a un potencial característico. En todos
los análisis de redisolución se debe tener un cuidadoso control del tiempo de
deposición, que depende de los niveles de concentración del catión en la
muestra, para obtener resultados reproducibles.
33
De acuerdo a la información bibliográfica revisada se determinó que de las
múltiples técnicas voltamétricas existentes, la de Voltametría de Redisolución Anódica es
una de las más adecuadas para la determinación de mercurio en aguas.
2.2.1.7. Métodos de cuantificación de análisis voltamétricos
Entre los más utilizados están:
Método de la recta de calibración:
La medida de la concentración mediante un método instrumental se basa en la
existencia de una relación proporcional entre dicha concentración y la señal analítica o
respuesta que genera un instrumento.
El modelo de línea recta consiste en encontrar la recta de calibrado que mejor se
ajuste a una serie de n puntos experimentales, donde cada punto se encuentra definido por
una variable x (variable independiente, generalmente la concentración del analito de
interés) y una variable y (variable dependiente, generalmente la respuesta instrumental). La
recta de calibrado se encuentra definida por una ordenada en el origen y una pendiente, a
través de la ecuación:
Y = a + bX
donde: X es la concentración del analito, Y la señal medida, a la ordenada al origen y b la
pendiente de la recta.
La ecuación de la recta se obtiene mediante calibración con disoluciones de
concentración conocida preparadas en las mismas condiciones (disoluciones patrón) a
partir de la medida de la señal analítica proporcionada por éstas. Los pares de valores
concentración-señal se ajustan a una recta, a partir de la cual puede obtenerse la
concentración del analito en muestras desconocidas.
La utilización de curvas de calibración obtenidas a partir de series de patrones es,
posiblemente, el método más utilizado.
34
La curva de calibración se representa siempre con la respuesta del instrumento en el
eje vertical (y) y las concentraciones sobre el eje horizontal (x).
Generalmente se utilizan curvas en las que existe una relación lineal entre la señal
analítica (y) y la concentración (x), tomando precauciones experimentales para asegurar
que la linealidad de la respuesta se conserve en un amplio margen de concentraciones. En
estos casos la forma de proceder consiste en obtener la recta de regresión de y sobre x (esto
es, la "mejor" línea recta a través de los puntos de la gráfica de calibración) y utilizarla
para estimar la concentración de muestras problema por interpolación.
El problema de la calibración analítica se reducirá a encontrar las estimaciones de los
coeficientes de la recta de calibrado (ordenada en el origen y pendiente), y a asegurar que
la recta encontrada se ajusta correctamente a los puntos experimentales. El método más
universalmente empleado para encontrar los coeficientes de la recta de calibrado es el
método de mínimos cuadrados.
Un aspecto importante desde un punto de vista práctico es el del número mínimo de
puntos experimentales que debe poseer la recta de calibrado. Si bien con solamente dos
puntos ya se puede establecer una recta (o incluso reducirse a un solo punto experimental
si también se incluye el punto (0,0), correspondiente al punto teórico de señal instrumental
cero para una concentración cero), el número de puntos a escoger dependerá mucho del
uso que se le dé a la recta de calibrado. Para rectas de calibrado de rutina, correspondientes
a métodos perfectamente establecidos que proporcionan unos resultados muy controlados,
probablemente una recta de calibrado con pocos puntos sea suficiente.
Cuando se desee utilizar la recta de calibrado para efectuar predicciones de muestras
futuras, obteniéndose también sus intervalos de confianza asociados, probablemente será
necesario aumentar el número de puntos hasta un mínimo de 5 ó 6. De lo contrario, la
seguridad en las predicciones y sus intervalos de confianza asociados puede disminuir
considerablemente. Otro aspecto importante es la medida de la señal del blanco, es decir,
de la solución estándar con concentración cero del analito.
Hay métodos analíticos que simplemente no requieren de dicha medida (como los
métodos potenciométricos); en esos casos la recta de calibrado se construye con las
restantes soluciones estándar (Riu & Boqué, 2001).
35
Gráfico 2.14: Recta de calibración analítica
(Riu & Boque, 2010)
Método de adición de estándares:
Los efectos indeseables de la matriz se pueden disminuir e hasta eliminar utilizando
el método de adición de estándares, cuando una porción del patrón se añade a la muestra,
pudiendo prepararse una serie de alícuotas, esto es tomando volúmenes iguales de
disolución problema y añadiendo cantidades conocidas y diferentes de analito a todas las
muestras, excepto a una, diluyendo, finalmente, todas al mismo volumen para que
cualquier interferente en la matriz de la muestra tenga un efecto idéntico en cada solución.
La respuesta del instrumento debe ser función lineal de la concentración del analito,
en el intervalo de concentraciones y también debe tener una ordenada al origen en cero
(señal cero para concentración cero).
Gráfico 2.15: Adición de estándares
(Castañeda, 2011)
36
El método de adiciones estándares es ampliamente utilizado en electroquímica, para
obtener resultados más exactos que los que resultan usando curvas de calibración. Como
las soluciones problema y estándar se miden en idénticas condiciones, las técnicas
voltamperométricas sensibles a la matriz (como la redisolución anódica) dependen casi
exclusivamente de las adiciones estándares para resultados cuantitativos. La absorción
atómica y la espectrofotometría de emisión de flama, usan este método con matrices de
muestras complejas, en donde la viscosidad, la tensión superficial, los efectos de flama y
otras propiedades de la solución muestra no pueden reproducirse con exactitud en las
soluciones de calibración (Miller, 1993). Los resultados de las adiciones estándares
también proporcionan un medio sistemático de identificar fuentes de error en los análisis,
tales como la degradación de los reactivos de prueba, un instrumento defectuoso o
soluciones estándares inexactas.
Una vez obtenidas, la señales instrumentales se grafican versus las cantidades de
analito añadidas. La recta de regresión se calcula de manera usual. Para conocer la
concentración de la muestra incógnita se extrapola la recta al punto sobre el eje x donde
y=0. La intersección negativa sobre el eje x corresponde a la cantidad de analito en la
muestra problema. Este valor viene dado por b/m.
Es importante recalcar que al aplicar este método todas las condiciones se deben
mantener uniformes. En términos estadísticos, el principal inconveniente es que se trata de
un método de extrapolación; por lo tanto, menos preciso que los de interpolación.
Figura 2.16: Gráfico clásico de una recta por adición de estándares
(Castañeda, 2011)
37
2.3. Fundamentos de validación
La validación de un método analítico es un paso fundamental para asegurar que los
resultados obtenidos por la aplicación de un método analítico son confiables. Cuando se
realiza la validación de un método por parte del laboratorio, lo que se busca es poder
determinar con fundamento estadístico que el método es adecuado para los fines previstos.
En otras palabras, validación es la confirmación mediante el suministro de evidencia
objetiva de que se han cumplido los requisitos para una utilización o aplicación específica
prevista (Instituto de Salud Pública de Chile 2010).
Un método debe validarse en los siguientes casos:
Cuando se necesita verificar que sus parámetros de aptitud son adecuados para usar
para un problema analítico particular.
Cuando se desarrolla un método nuevo.
Cuando se revisa un método ya establecido para mejorar o extender a un nuevo
problema.
Cuando el control de calidad indica que el método en uso está cambiando con el
tiempo.
Cuando se usa un método ya establecido en un laboratorio diferente o con diferente
analista o con diferente instrumental.
Para demostrar la equivalencia entre 2 métodos.
Es importante que para el proceso de validación se asigne a un responsable de
realizar dicha tarea, de manera que, la validación se efectué en forma metódica, ordenada,
trazable y confiable. De igual modo se debe contar con equipos calificados, así como con
material y patrones de referencia confiables (EURACHEM/CITAC Guide 2000).
Antes de iniciar la validación es importante tener claro cuáles son los
requerimientos del método para establecer el alcance de la misma. Es esencial, entonces
conocer el método a validar y su aplicabilidad, es decir, el analito, su concentración y la
matriz (o matrices) en las cuales se desea utilizar.
38
2.3.1. Parámetros de validación
Los ensayos o mediciones se realizarán con el fin de obtener los siguientes
parámetros de validación:
Límite de detección: Es la menor cantidad que puede ser distinguida del fondo con
cierto nivel de confianza especificado.
Límite de cuantificación: Es la menor cantidad que puede ser determinada
cuantitativamente con una incertidumbre asociada, para un dado nivel de confianza.
Selectividad: aptitud de un método para determinar exacta y específicamente el
analito de interés en presencia de otros componentes en la matriz de la muestra bajo
las condiciones establecidas del ensayo.
Linealidad: rango de concentraciones de analito para las cuales el método brinda
resultados proporcionales a la concentración.
Sensibilidad: es el cociente entre el cambio en la indicación de un sistema de
medición y el cambio correspondiente en el valor de la cantidad objeto de la
medición. En una regresión lineal la sensibilidad corresponde a la pendiente (m) de
la recta de calibración.
Exactitud: Proximidad entre el resultado de una medición y el valor verdadero del
mesurando.
Precisión: Proximidad entre valores de una magnitud obtenidos por mediciones
replicadas, en condiciones específicas. Las dos medidas de precisión más comunes
son repetibilidad y reproducibilidad.
Robustez: Medida de la capacidad de un procedimiento analítico para no ser
afectado por variaciones pequeñas pero deliberadas en los parámetros del método y
que provee una indicación de su fiabilidad durante su uso habitual.
39
Aplicabilidad: Define cuando un método de análisis puede utilizarse
satisfactoriamente para los analitos, matrices y concentraciones previstas. La
declaración de aplicabilidad (o ámbito de aplicación), además de una declaración
del margen de funcionamiento puede incluir también advertencias acerca de la
interferencia conocida de otros analitos, o de la inaplicabilidad a determinadas
matrices y situaciones.
Incertidumbre: Parámetro asociado al resultado de una medición, que caracteriza
la dispersión de los valores que podrían ser razonablemente atribuidos al
mesurando.
40
CAPÍTULO III
3. METODOLOGÍA
3.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN
La presente investigación es de tipo experimental ya que se trabajará con
parámetros modificables y controlados que facilitan la aplicación en el laboratorio,
adecuado para el efecto. La parte experimental fue desarrollada en los laboratorios de
Hidroecuador, en el CICAM (Centro de investigaciones medio ambientales) de la Escuela
Politécnica Nacional y en los laboratorios OSP (Oferta de Servicios y Productos) de la
Universidad Central del Ecuador.
Las muestras reales fueron obtenidas de los Laboratorios OSP y del CICAM.
3.2. POBLACIÓN Y MUESTRA
El Universo de estudio es el agua, la población es agua natural y residual
contaminada con mercurio.
3.3. DISEÑO EXPERIMENTAL
El presente trabajo presenta los siguientes procesos secuenciales basados en el
“ESTUDIO COMPARATIVO DE ELECTRODOS”.
El trabajo se dividió en cuatro partes, en la primera parte se realizó un análisis
exploratorio en el que se probaron cuatro tipos de electrodos:
1. Electrodo impreso con nanopartículas de oro.
41
Gráfico 3.1. Imagen del electrodo impreso con
nanopartículas de oro
Gráfico 3.2. Imagen SEM del electrodo de trabajo
2. Electrodo de carbón vítreo modificado con film de oro.
3. Electrodo de carbón vítreo modificado con nanopartículas de oro.
4. Electrodo de fibra de carbón modificado con nanopartículas de oro.
Las condiciones de trabajo se definieron en base a las referencias bibliográficas
(Pinilla Gil et all), las mismas que señalan que el mercurio se puede determinar en un
rango de 10 a 1500 ppb (aunque algunos estudios han logrado cuantificar niveles más
bajos) a través de la voltametría de redisolución anódica. Se escogieron 3 potenciales y 3
tiempos de deposición y se hicieron 3 repeticiones para cada combinación. Para el barrido
de potencial se probaron las técnicas de Voltametría de barrido lineal (LSV) y Voltametría
de onda cuadrada (SWV) para definir con cuál de las dos se obtienen mejores picos.
42
Gráfico 3.3. Cuadro de dialogo del potenciostato CHI1220B donde se
escoge la técnica analítica
Para la técnica de LSV las condiciones son las siguientes:
Parámetros de Barrido
Potencial Inicial (Init E V) 0
Potencial Final (Final E V) 0.7
Scan Rate (V/s) 0.1
Sample Interval (V) 0.005
*Quiet Time (QT sec) 5
Sensibilidad (Sensitivity A/V) 1e-005
*El quiet time define el tiempo en segundos que la celda permanece en el potencial inicial
antes de iniciar el barrido.
43
Parámetros de Preacondicionamiento
Primera etapa
Potencial (V) 0.7
Tempo (sec) 15
Segunda etapa
Potencial (V) 0.3
Tempo (sec) 60
Para la técnica de SWV las condiciones son las siguientes:
Parámetros de Barrido
Potencial Inicial (Init E V) 0
Potencial Final (Final E V) 0.7
Incremento (Incr E V) 0.006
Amplitud (Amplitude V) 0.04
Frecuencia (Frecuency hz) 20
Quiet Time (QT sec) 5
Sensibilidad (Sensitivity A/V) 1e-005
Parámetros de Preacondicionamiento
Primera etapa
Potencial (V) 0.7
44
Tempo (sec) 15
Segunda etapa
Potencial (V) 0.3
Tempo (sec) 60
Como electrolito de soporte se utilizó ácido clorhídrico 0.15m (HCl 0.15m), ya que
el HCl es el electrolito de soporte más ampliamente utilizado en la determinación
electroquímica de mercurio y además asegura una concentración constante de iones cloruro
en el medio, necesario para la estabilidad del electrodo de referencia de Ag/AgCl. La
caracterización de los electrodos se realizó en ácido sulfúrico 0.05M (H2SO4 0.05M).
En una segunda parte se realizaron los estudios exploratorios para observar el
comportamiento de los electrodos con el mercurio, para lo cual se utilizaron soluciones de
10 ppm y 100 pbb de Hg.
Una vez definido el mejor electrodo y la mejor técnica para el barrido de potencial,
en una tercera parte se definieron los mejores parámetros para la aplicación de la misma,
en relación a frecuencia, amplitud y variación de incrementos.
Como el objetivo del presente trabajo es determinar si el método desarrollado
servirá para cuantificar concentraciones de mercurio menores a 100 ppb, por último, en
una cuarta parte se definieron los parámetros adecuados para la determinación de las
mismas.
3.3.1. PRIMERA PARTE. Metodología para la preparación, acondicionamiento y
caracterización de los electrodos.
Antes de iniciar los análisis se debe verificar el correcto funcionamiento del
software,
para lo cual se realizara el Hardware Test para comprobar que la conexión del circuito
cerrado formado por el conjunto de electrodos y que el analizador funcione correctamente.
El sistema pondrá a prueba los circuitos digitales y analógicos. En caso de no existir
ningún inconveniente se abrirá una ventana indicando que el equipo se encuentra listo.
45
Gráfico 3.4. Cuadro de dialogo del potenciostato CHI1220B para acceder
al Hardware Test
(Programa CHI1220B)
3.3.1.1. Electrodo impreso con nanopartículas de oro. Sumergir el electrodo en la
solución de H2SO4 0.05M, determinar el potencial de circuito abierto (potencial de
equilibrio) para asegurar que no circula ninguna corriente en el sistema, si está estable,
proceder a realizar los barridos de caracterización, obtener los gráficos respectivos y
analizar los resultados. Lavar el juego de electrodos con agua destilada y repetir el
procedimiento en la solución de HCl 0.15m.
3.3.1.2. Electrodo de Carbón Vítreo Modificado con film de oro
Preparación del electrodo
La modificación del electrodo de carbón vítreo se la realizó sumergiendo al
electrodo pulido y limpio en una solución de 50 ppm de oro previamente desoxigenada
mediante el burbujeo de nitrógeno por 5 minutos, seguido de una cronoamperometría con
los siguientes parámetros (Garrido, 2011):
Parámetros de la Cronoamperometría
Potencial Inicial (Init E V) 0
Potencial alto (High E V) 0
Potencial bajo (Low E V) -0.8
46
Número de pasos 1
Ancho del pulso (Pulse Width sec) 360
Intervalo de muestreo (Sample Interval V) 0.001
Sensibilidad (A/V) 1.0E-03
3.3.1.3. Electrodo de Carbón Vítreo Modificado con nanopartículas de oro
Preparación del electrodo
La modificación del electrodo de carbón vítreo se la realizó sumergiendo al
electrodo pulido y limpio en una solución de 20 ppm de oro en H2S04 0.5M previamente
desoxigenada mediante el burbujeo de nitrógeno por 5 minutos y haciendo un barrido por
Cronoamperometría (Compton et al, 2004) con los siguientes parámetros:
Parámetros del Barrido
Potencial Inicial (Init E V) 1.055
Potencial alto (High E V) 1.055
Potencial bajo (Low E V) -0.045
Número de pasos 1
Ancho del pulso (Pulse Width sec) 20
Intervalo de muestreo (Sample Interval V) 0.01
Quiet time (sec) 2
Sensibilidad (A/V) 1.0E-04
Estas condiciones fueron cuidadosamente seleccionadas para evitar la formación de
un film continuo de oro y permitir que se depositen como nanopartículas.
47
Gráfico 3.5 Imagen del microscopio de fuerza atómica a escala de 500 nm
de las nanopartículas de oro electrodepositadas a partir de una solución de
10 ppm de Au en H2SO4 0.5M a un potencial de 1.055 a -0.045 V
(Compton et al, 2004)
3.3.1.4. Electrodo de Fibra de Carbón Modificado con Nanopartículas de Oro
Preparación del electrodo
La modificación del electrodo de fibra de carbón se la realizó sumergiendo al
electrodo en una solución de 10 ppm de oro en H2S04 0.5M previamente desoxigenada
mediante el burbujeo de nitrógeno por 5 minutos y haciendo un barrido por
Cronoamperometría con los siguientes parámetros:
Parámetros del Barrido
Potencial Inicial (Init E V) 0.6
Potencial alto (High E V) 0.6
Potencial bajo (Low E V) -0.8
Init P/N N
Número de pasos 30
Ancho del pulso (Pulse Width sec) 1
Intervalo de muestreo (Sample Interval V) 0.1
Quiet time (sec) 2
Sensibilidad (A/V) 1.0E-04
48
3.3.2. SEGUNDA PARTE. Comportamiento de los electrodos de oro con el
mercurio en solución de ácido clorhídrico
Se prueba el comportamiento de los electrodos con soluciones de 10 ppm y 100 ppb
de mercurio empleando la técnica de voltametría cíclica.
3.3.2.1. Determinación de potenciales en los que se registra el pico del mercurio
con los diferentes electrodos
Se realizan los barridos en las soluciones de 10 ppm y 100 ppb en HCl 0.15m para
cada electrodo con las siguientes condiciones:
Parámetros del Barrido
Potencial Inicial (Init E V) 0.1
Potencial alto (High E V) 0.7
Potencial bajo (Low E V) 0
Init P/N P
Velocidad (Scan Rate V/s) 0.05
Segmentos 3
Intervalo de muestreo (Sample Interval V) 0.005
Quiet time (sec) 0
Sensibilidad (A/V) 1.0E-05
Registrar los resultados y hacer el análisis respectivo para determinar el potencial
en el que se observa el pico de mercurio.
49
3.3.2.2. Análisis de repetitividad y sensibilidad de los electrodos en la
deposición y redisolución del mercurio en ácido clorhídrico a diferentes potenciales y
tiempos de deposición
Se realizan 3 barridos de la solución de 100 ppb de mercurio para cada técnica y
para cada condición a probar con cada electrodo, empleando las mismas condiciones de
barrido señaladas en el punto 3.3.; con los resultados obtenidos se realiza un análisis
estadístico de repetibilidad y sensibilidad expresado en función de la desviación relativa
estándar calculada con el promedio de las tres lecturas, se define con que parámetro se
realizaran las pruebas siguientes (área o altura de pico). Se determina el mejor potencial y
el mejor tiempo de deposición.
I. Determinación del potencial óptimo de deposición
En un primer análisis se decidió tomar el tiempo de deposición de 60 segundos, en
base a revisión bibliográfica (Pinilla Gil et all, 2011) para determinar el mejor potencial
de deposición en cada electrodo. Se utilizaron dos técnicas de análisis: voltametría lineal
(SVL) y voltametría de onda cuadrada (SWV). Se seleccionaron 3 potenciales: 0, 0.1 y
0.3V; como ejemplo se pueden observar a continuación los gráficos obtenidos con el
electrodo de fibra de carbón modificado con nanopartículas de oro.
Figura 3.1. Barrido por voltametría lineal de una solución de 100 ppb
de mercurio a 0.3V (rojo), 0.1V (azul) y 0V (morado) a 60 segundos
con electrodo de fibra de carbón modificado con nanopartículas de oro
50
Figura 3.2. Barrido por voltametría de onda cuadrada de una
solución de 100 ppb de mercurio a 0.3V (rojo), 0,1V (azul) y
0V (morado) a 60 segundos con electrodo de fibra de carbón
modificado con nanopartículas de oro
II. Determinación del tiempo óptimo de deposición
Cómo el pico que está mejor definido se lo observa a 0.3V, se procede a
probar este potencial a distintos tiempos: 30, 60 y 90 segundos. Como ejemplo se
pueden observar los gráficos obtenidos con el electrodo de fibra de carbón
modificado con nanopartículas de oro, tanto para voltametría lineal como para
voltametría de onda cuadrada.
Figura 3.3. Barrido por voltametría lineal de una solución de
100 ppb de mercurio a 0.3V a 30 (rojo), 60 (azul) y 90
(morado) segundos con electrodo de fibra de carbón modificado
con film de oro
51
Figura 3.4. Barrido por voltametría de onda cuadrada de una
solución de 100 ppb de mercurio a 0.3V a 30 (rojo), 60 (azul)
y 90 (morado) segundos con electrodo de fibra de carbón
modificado con nanopartículas de oro
3.3.3. TERCERA PARTE. Definición de los parámetros de onda cuadrada
para una solución de 100 ppb de mercurio en HCl 0.15m
De los análisis previos se define al electrodo de fibra de carbón modificado
con nanopartículas de oro como el más adecuado para continuar con la
investigación, empleando la técnica de voltametría de onda cuadrada, 0.3V y 90
segundos como potencial y tiempo de deposición óptimos. Se procede a definir las
mejores condiciones de amplitud, frecuencia y número de incrementos. Se
mantiene el HCl 0.15m como electrolito de soporte ya que hay amplias referencias
bibliográficas que lo señalan como el más apropiado para este tipo de analisis,
además de la concentración para la solución de análisis de 100 ppb de mercurio en
HCl 0.15m.
3.3.3.1. Influencia de la variación de la amplitud en la respuesta del electrodo
en una solución de 100 ppb de mercurio en HCl 0,15m
Se realizan las pruebas con 3 valores de amplitud: 10, 40 y 80 mV y un
Quiet time de 0 segundos. Se hacen los barridos con el blanco HCl 0.15m y con la
solución de 100 ppb de mercurio, con las siguientes condiciones:
52
Parámetros de Barrido
Potencial Inicial (Init E V) 0
Potencial Final (Final E V) 0.7
Incremento (Incr E V) 0.006
Amplitud (Amplitude V) 0.01
Frecuencia (Frecuency Hz) 20
Quiet Time (QT sec) 0
Sensibilidad (Sensitivity A/V) 1e-007
Parámetros de Preacondicionamiento
Primera etapa
Potencial (V) 0.7
Tempo (sec) 15
Segunda etapa
Potencial (V) 0.3
Tempo (sec) 90
3.3.3.2. Influencia de la variación de la frecuencia en la respuesta del electrodo
en una solución de 100 ppb de mercurio en HCl 0.15m
Se realizan las pruebas con 3 valores de frecuencia: 3, 20 y 60 Hz con una
amplitud de 40 mV. Se hacen primero los barridos con el blanco HCl 0.15m y
luego con la solución de 100 ppb de mercurio. El resto de condiciones se mantienen
similares a las señaladas en el punto 3.3.3.1.
53
3.3.3.3. Influencia de la variación de los incrementos en la respuesta del
electrodo en una solución de 100 ppb de mercurio en HCl 0.15m
Se realizan las pruebas con 3 valores de incrementos: 2, 6 y 10 mV con una
amplitud de 40 mV y una frecuencia de 60 Hz. Se realizan primero los barridos con
el blanco HCl 0.15m y luego con la solución de 100 ppb de mercurio. El resto de
condiciones se mantienen similares a las señaladas en el punto 3.3.3.1.
3.3.4. CUARTA PARTE. Definición de los parámetros de onda cuadrada para
concentraciones menores de 100 ppb de mercurio en HCl 0.15m
3.3.4.1. Definición del protocolo analítico
Una vez definidas las mejores condiciones para determinar mercurio a una
concentración de 100 ppb por voltametría de onda cuadrada, se establece el
protocolo analítico y se prueba con soluciones de concentraciones menores a 100
ppb de mercurio. Los pasos a seguir son los siguientes:
I. Realizar el Hardware test.
II. Determinar el potencial de circuito abierto.
III. Caracterizar el electrodo de fibra de carbón modificado con nanopartículas
de oro en H2S04 0.05M.
IV. Activar el electrodo de fibra de carbón modificado con nanopartículas de
oro en HCl 0.15m, con 3 ciclos de voltametría cíclica. Previo a cualquier medida
electroquímica es necesaria la activación del electrodo para obtener una superficie
limpia en una disolución sin impurezas.
V. Realizar el barrido por SWV del blanco HCl 0.15m.
VI. Realizar el barrido por SWV de las soluciones de mercurio de
concentraciones menores a 100 ppb de mercurio.
VII. Caracterización final electrodo de fibra de carbón modificado con
nanopartículas de oro en H2S04 0.05M, para determinar el desgaste del electrodo.
VIII. Lavar el electrodo con agua, metanol y acetona.
54
Las condiciones empleadas para la deposición y el barrido son las
siguientes:
Parámetros de Barrido
Potencial Inicial (Init E V) 0.2
Potencial Final (Final E V) 0.7
Incremento (Incr E V) 0.010
Amplitud (Amplitude V) 0.04
Frecuencia (Frecuency hz) 60
Quiet Time (QT sec) 0
Sensibilidad (Sensitivity A/V) 1e-007
Parámetros de Preacondicionamiento
Primera etapa
Potencial (V) 0.7
Tempo (sec) 15
Segunda etapa
Potencial (V) 0.3
Tempo (sec) 90
Registrar los resultados, hacer el análisis respectivo para definir si los
parámetros escogidos son los adecuados, sino se realizaran variaciones al método
hasta definir las condiciones más adecuadas para proceder a la validación.
55
3.4. Validación del método
3.4.1. Selectividad del método
I. Preparar tres blancos y tres estándares de concentración conocida.
II. Realizar las lecturas de acuerdo al procedimiento analítico definido.
III. Comparar las respuestas obtenidas.
IV. Identificar si existen diferencias significativas y determinar si el pico
obtenido corresponde a mercurio.
V. Realizar los barridos con cada electrodo.
3.4.2. Límite de detección y límite de cuantificación
I. Tanto el límite de detección como el de cuantificación se determinarán de
forma experimental.
II. Para determinar el límite de cuantificación se evaluará la recuperación
obtenida con estándares de 3, 5, 7.5 y 10 ppb de mercurio, las lecturas se
realizarán de acuerdo al procedimiento analítico definido.
III. De acuerdo a los valores obtenidos el menor coeficiente de variación que se
obtenga con los valores de altura de pico se tomará como límite de
cuantificación.
3.4.3. Linealidad dentro del rango de trabajo
I. Preparar soluciones de mercurio de concentración conocida dentro de los
siguientes rangos de trabajo y realizar tres lecturas de cada una:
5 – 100 ppb de Hg
Rango de 5 – 40 ppb Hg
II. Realizar las lecturas de acuerdo al procedimiento analítico definido.
III. Registrar los datos y realizar el análisis estadístico respectivo.
56
3.4.4. Precisión: establecer la variabilidad entre determinaciones repetidas
haciendo referencia al grado de repetibilidad y reproducibilidad del método
analítico en condiciones normales de operación.
I. Repetibilidad del método: se corre por seis veces una misma muestra
repetida y sucesivamente en un corto período de tiempo, con el mismo
electrodo de trabajo, según el procedimiento analítico definido.
II. Reproducibilidad del método, se hacen tres lecturas de una misma muestra
en diferentes períodos de tiempo (días de análisis 1, 2 y 3), según el
procedimiento analítico definido.
III. Registrar los datos y realizar el análisis de varianza correspondiente.
3.4.5. Exactitud:
I. Preparar la curva de calibración con estándares de 5, 10 y 20 ppb de Hg a
partir de agua destilada contaminada con mercurio. Se prefiere estándares
de baja concentración para no saturar al electrodo con concentraciones más
altas de mercurio y así mantenerlo mas estable.
II. Preparar la muestra de referencia que en el presente caso será agua potable
contaminada con mercurio en la misma concentración del estándar y por
interpolación hallar la concentración de la muestra.
III. Realizar 5 lecturas de la muestra de acuerdo al procedimiento analítico
definido.
IV. Repetir el procedimiento por tres días.
V. Determinar el grado de coincidencia existente entre el valor medio obtenido
de las lecturas del estándar y muestra de referencia.
3.4.6. Robustez del método
I. De las rectas obtenidas en los 5 días se obtienen las regresiones lineales.
II. Se determina el valor de la pendiente y de la ordenada de cada recta de
regresión.
57
III. Se halla el promedio de las pendientes y ordenadas y se realiza la prueba t de
student.
IV. Hallar los valores de: a max, a min, b max y b min. Establecer los criterios
de aceptación y rechazo de las curvas de calibración.
3.4.7. Incertidumbre del método:
I. Determinar que variables influyen en todo el proceso
II. Determinar las incertidumbres asociadas a cada variable y la incertidumbre
expandida.
3.4.8. Aplicabilidad del método:
I. Digestar las muestras reales en Acido Sulfúrico concentrado y por
Microondas
Para la digestión en acido sulfúrico se realiza el siguiente procedimiento
analítico: se toman 25 mL de la muestra, se añaden 4 mL de H2SO4 ©, se
coloca en el digestor Hach aproximadamente por 1hora, a una temperatura
de 440˚C, hasta la evaporación casi total del agua, luego se agregan
lentamente 10 mL de peróxido de hidrogeno (H2O2) al 50% y se continua la
digestión por unos minutos más. Se enfría y afora a 100 mL con agua
destilada.
Para la digestión en microondas se realiza el siguiente procedimiento
analítico: se toman 30 mL de la muestra en un vaso apropiado para el
método, se añaden 5 mL de acido nítrico (HNO3) al 65% (libre de metales) y
2 mL de H2O2 al 30%, se mezcla cuidadosamente y se deja en reposo un
mínimo de 20 minutos, se cierra el vaso y se coloca en el equipo (Berghof
microwave digestión system, tipo speedwave four DAP-100+), se digesta
según el programa preestablecido para el tipo de muestra y el numero de
vasos. Una vez terminado el proceso, se enfría y afora a 100 mL con agua
destilada.
58
II. Preparar la curva de calibración y por interpolación hallar la concentración
de 3 muestras distintas procedentes de distintas fuentes.
III. Registrar los datos y hacer el análisis respectivo.
3.4.9. Fijación de objetivos para la validación del método:
Los objetivos de la validación del método quedan establecidos en la
siguiente tabla:
PARAMETRO OBJETIVO FIJADO
Selectividad / Especificidad Aplicable en aguas claras y residuales
Linealidad / Función respuesta R2 ≥ 0.99
Limite de detección Se determinará experimentalmente
Limite de cuantificación Se determinará experimentalmente
*Precisión (repetibilidad/
reproducibilidad)
CVr ≤ 15%
CVR ≤ 20%
Porcentaje de recuperación 80 -120%
Exactitud Z-score ≤ 2%
Intervalo de trabajo Se definirá una vez establecido el
método analítico
Incertidumbre expandida
asociada U
y U
Los criterios de aceptación para CVr y CVR se establecieron tomando
como referencia la tabla de Horwitz y para los porcentajes de recuperación
el Codex Alimentarius (Anexo II.3).
59
4.5. Comparación de los resultados obtenidos con el método desarrollado
con los conseguidos por Absorción Atómica
Solicitar muestras previamente analizadas con la técnica de Absorción
Atómica en los Laboratorios OSP de la Facultad de Ciencias Químicas y analizarlas
según el método desarrollado.
3.5. Recursos Materiales
3.6.1. Reactivos
Solución estándar de mercurio: 1000 µg/ml AccuTraceTM
Reference
Standard
Solución estándar de oro: 1000 µg/ml AccuTraceTM
Reference Standard
Acido sulfúrico concentrado
Acido nítrico concentrado
Acido clorhídrico concentrado
Agua destilada
Nitrógeno
3.6.2. Material de Laboratorio
Pipeteador automático marca MRC 10 – 100 µl
Pipeta volumétrica de 5 mL: ± 0.015 mL Ex + 15s 20˚C
Pipeta graduada 2 mL ± 0.006 mL As 20˚C
Balón de 250 mL ± 0.15 ISCO ln 20˚C A
Balón de 100 mL ± 0.08 ln 20˚C A
Balón de 25 mL ± 0.04 ln 20˚C A
60
Balón aforado 50 mL ± 0.06 ISO ln 20˚C A
Celdas de vidrio de 10 mL
3.6.3. Equipos
Potenciostato chi1220B
Balanza analítica marca Sartorius A2005
Equipo de digestión por microondas marca Berghof
Equipo de digestión acida marca Digesdahl
Campana de extracción
Agitador eléctrico
Destilador
Electrodo de referencia de Ag/AgCl
Electrodo de carbón vítreo de 4 mm modificado con film de oro
Electrodo de carbón vítreo de 4 mm modificado con nanopartículas de
oro
Microelectrodo de fibra de carbón modificado con nanopartículas de oro
Electrodo auxiliar de platino
Electrodo impreso con nanopartículas de oro marca Zenzor
3.7. Recursos Tecnológicos
Computadora portátil
Programa para potenciostato chi1220B
61
CAPÍTULO IV
IV. RESULTADOS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
4.1. Primera parte. Preparación, acondicionamiento y caracterización de los
electrodos
4.1.1. Electrodo impreso con nanopartículas de oro
En las siguientes figuras se muestran los voltamogramas cíclicos de caracterización
del electrodo impreso de oro en H2SO4 0.05M y HCl 0.15m, antes de los barridos en la
solución de mercurio.
Se puede observar que en HCl 0.15m el electrodo está limpio ya que no hay ningún
pico interferente, en H2SO4 0.05M se observa el pico de oxidación del mercurio a 1.0 V y
el de reducción a 0.5V.
El potencial empleado en el barrido en HCl va de 0 a 0.8V, no se puede extender
más por el riesgo de oxidar al oro.
Figura 4.1. Caracterización inicial por Voltametría Cíclica del Electrodo
Impreso de Oro en H2SO4 0.05M, el rango de potencial va de 0 a 1.5V,
se puede observar el pico de oxidación del oro a 1.0V y el de reducción
del oro a 0.5V, con un área de 4.9µC
62
Figura 4.2. Caracterización inicial por Voltametría Cíclica del Electrodo
Impreso de Oro en HCl 0.15m, el rango de potencial va de 0 a 0.7V
4.1.2. Electrodo de carbón vítreo modificado con film de oro
En las siguientes figuras se muestran los voltamogramas cíclicos de caracterización
del electrodo de carbón vítreo en H2SO4 0.05M y HCl 0.15m, antes de la modificación y
después de la deposición del oro. Se concluye que se electrodepositó el film de oro sobre
el electrodo ya que se pueden observar los picos de oxidación y reducción del oro en el
barrido en H2SO4 0.05M a 1.25V y 0.93V respectivamente, en el rango de potencial
empleado.
Figura 4.3. Caracterización inicial del electrodo de carbón vítreo en H2SO4
0.05M antes de la modificación (rojo) y después de la deposición del film de
oro (azul). El área del film de oro es de 1.523e-7C (152.3 nC)
63
Figura 4.4. Caracterización del electrodo de carbón vítreo en HCl 0.15m
antes de la modificación (rojo) y después de la deposición del film de oro
(azul)
4.1.3. Electrodo de carbón vítreo modificado con nanopartículas de oro
En las siguientes figuras se muestran los voltamogramas cíclicos de caracterización
del electrodo de carbón vítreo en H2SO4 0.05M y HCl 0.15m, antes de la modificación y
después de la deposición de las nanopartículas de oro. Se concluye que se
electrodepositaron las nanopartículas de oro sobre el electrodo ya que se observan los picos
de oxidación y reducción del oro en el barrido en H2SO4 0.05M a 1.25V y 0.93V
respectivamente, en el rango de potencial empleado.
Figura 4.5. Caracterización inicial del electrodo de carbón vítreo en H2SO4
0.05M antes de la modificación (rojo) y después de la deposición (azul) de
las nanopartículas de oro, el área de las nanopartículas de oro es de 2.95 e-6
C (2950 nC)
64
Figura 4.6. Caracterización del electrodo de carbón vítreo en HCl 0.15m
antes de la modificación (rojo) y después de la deposición (azul) de las
nanopartículas de oro
4.1.4. Electrodo de fibra de carbón modificado con nanopartículas de oro
En las siguientes figuras se muestran los voltamogramas cíclicos de
caracterización del electrodo de fibra de carbón en H2SO4 0.05M y HCl 0.15m,
antes de la modificación y después de la deposición del oro. Se concluye que se
electrodepositaron las nanopartículas de oro sobre la fibra de carbón ya que se
observan los picos de oxidación y reducción del oro en el barrido en H2SO4 0.05M
a 1.25V y 0.93V respectivamente, en el rango de potencial empleado.
Figura 4.7. Caracterización inicial del electrodo de fibra de carbón en
H2SO4 0.05M antes de la modificación (rojo) y después de la deposición del
oro (azul). El área del pico de reducción del oro es de 2.008 e-8 C (20.08 nC)
65
Figura 4.8. Caracterización del electrodo de fibra de carbón en HCl 0.15m
antes de la modificación (rojo) y después de la deposición (azul) de las
nanopartículas de oro
En el siguiente gráfico se observa la imagen obtenida con microscopio electrónico
del electrodo de fibra de carbón modificado con nanopartículas de oro:
Gráfico 4.1. Imagen del microscopio electrónico de la fibra de carbón con
nanopartículas de oro electrodepositadas en su superficie, el diámetro de las fibras
de carbón varía de 9 a 11 micras (A) y (B) microscopia en acercamiento mostrando
en diámetro de las nanopartículas y sus aglomeraciones (el diámetro promedio de las
nanopartículas es de 114 nm)
A B
(Laboratorios Hidroecuador, 2015)
En resumen, los potenciales de oxidación y reducción del oro encontrados para los
4 tipos de electrodos en el barrido realizado en H2SO4 0.05M son:
66
Tabla 4.1. Potenciales de oxidación y reducción del oro para cada electrodo
Electrodo
Potencial de
oxidación del oro
(V)
Potencial de
reducción del oro
(V)
Área del pico de
reducción del oro
(µC)
Electrodo impreso con
nanopartículas de oro 1.0 0.5 4.9
Electrodo de carbón
vítreo modificado con
film de oro
1.25 0.93 0,15
Electrodo de carbón
vítreo modificado con
nanopartículas de oro
1.25 0.93 2,95
Electrodo de fibra de
carbón modificado con
nanopartículas de oro
1.25 0.93 0.02
Con esto se demuestra que hay deposición de las partículas de oro sobre los
electrodos. Adicionalmente los barridos en HCl 0.15m antes y después de la deposición
indican que los electrodos están limpios, sin interferencias y que únicamente se deposito
oro sobre los mismos.
4.2. Segunda parte. Comportamiento de los electrodos de oro con el mercurio en
solución de ácido clorhídrico
4.2.1 Determinación de potenciales en los que se registra el pico del mercurio con los
diferentes electrodos en HCl 0.15m
Una vez preparados los electrodos y después de comprobar la deposición del oro, se
procedió a determinar el comportamiento de los mismos con soluciones de mercurio de
concentraciones altas (10 ppm) y diluidas (100 ppb), tal como se puede apreciar en los
siguientes gráficos:
67
4.2.1.1. Electrodo impreso con nanopartículas de oro:
Figura 4.9. Superposición del barrido por voltametría cíclica del electrodo
impreso de oro en HCl 0.15m y de una solución de 10 ppm de Hg en HCl
0.15m de 0V a 0.7V
Figura 4.10. Superposición del barrido por voltametría cíclica del electrodo
impreso de oro en HCl 0.15m (azul) y de una solución de 100 ppb de Hg en
HCl 0.15m (rojo)
68
4.2.1.2. Electrodo de carbón vítreo modificado con film de oro
Figura 4.11. Superposición del barrido por voltametría cíclica del electrodo de
carbón vítreo modificado con film de oro en HCl 0.15m (azul) y de una
solución de 10 ppm de Hg en HCl 0.15m (rojo) de 0V a 0.7V
Figura 4.12. Superposición del barrido por voltametría cíclica del electrodo de
carbón vítreo modificado con film de oro en HCl 0.15m (azul) y de una
solución de 100 ppb de Hg en HCl 0.15m (rojo) de 0V a 0.7V
69
4.2.1.3. Electrodo de carbón vítreo modificado con nanopartículas de oro
Figura 4.13. Superposición del barrido por voltametría cíclica del electrodo de
carbón vítreo modificado con nanopartículas de oro en HCl 0.15m (rojo) y de
una solución de 10 ppm de Hg en HCl 0,15m (azul) de 0V a 0.7V. El pico que
aparece a 0.35V corresponde a cobre, contaminante del HCl
Figura 4.14. Superposición del barrido por voltametría cíclica del electrodo de
carbón vítreo modificado con nanopartículas de oro en HCl 0.15m (rojo) y de una
solución de 100 ppb de Hg en HCl 0.15m (azul) de 0V a 0.7V. El pico que
aparece a 0.35V corresponde a cobre, contaminante del HCl y el del mercurio a
0.55V
70
4.2.1.4 . Electrodo de fibra de carbón modificado con nanopartículas de oro
Figura 4.15. Superposición del barrido por voltametría cíclica del electrodo de
fibra de carbón modificado con nanopartículas de oro en HCl 0.15m (azul) y
de una solución de 10 ppm de Hg en HCl 0.15m (rojo)
Figura 4.16. Superposición del barrido por voltametría cíclica del electrodo de
fibra de carbón modificado con nanopartículas de oro en HCl 0.15m (azul) y de
una solución de 100 ppb de Hg en HCl 0.15m (rojo)
Con el electrodo de carbón vítreo no se puede observar el pico de mercurio en
concentraciones de 10 ppm, mientras que para 100 ppb ya está bien definido. En resumen,
los potenciales en los que se registra el pico del mercurio para los 4 tipos de electrodos en
el barrido realizado en H2SO4 0.05M son:
71
Tabla 4.2. Potenciales de detección de mercurio para cada electrodo
Electrodo Potencial de detección
de Hg 10 ppm (V)
Potencial de detección
de Hg 100 ppb (V)
Electrodo impreso con nanopartículas
de oro 0.21 0.38
Electrodo de carbón vítreo
modificado con film de oro - 0.55
Electrodo de carbón vítreo
modificado con nanopartículas de oro - 0.53
Electrodo de fibra de carbón
modificado con nanopartículas de oro 0.45 0.55
4.2.2. Análisis de repetitividad y sensibilidad de los electrodos en la deposición y
redisolución del mercurio en ácido clorhídrico a diferentes potenciales y tiempos de
deposición.
4.2.2.1. Análisis estadístico de repetibilidad y sensibilidad
Los resultados obtenidos con cada técnica, expresados en función de la desviación
relativa estándar calculada con el promedio de las tres lecturas son los siguientes:
I. Electrodo impreso con nanopartículas de oro
De los resultados obtenidos se puede observar que la menor desviación estándar se
obtiene con Voltametría de Onda Cuadrada tanto para área como para altura a 0.3V por 30
segundos, siendo 4.37% y 5.83% respectivamente.
Tabla 4.3. Desviación relativa estándar para áreas y alturas con las técnicas SLV y SWV
CONDICIONES SLV SWV
ALTURA % AREA % ALTURA % AREA %
0,3V/60s 19.69 19.95 20.36 12.95
0,1V/60s 26.46 32.06 18.78 23.60
0V/60s 6.97 9.10 12.89 27.23
0,3V/30s 8.93 7.61 5.83 4.37
0,3V/90s 6.61 8.14 9.5 21.5
En los siguientes gráficos comparativos se pueden observar las desviaciones relativas
estándar para cada condición probada:
72
Gráfico 4.2. Desviación relativa estándar en función del potencial y el tiempo de deposición para el
electrodo impreso con nanopartículas de oro
II. Electrodo carbón vítreo modificado con film de oro
De los resultados obtenidos se puede observar que la menor desviación estándar se
obtiene con Voltametría de Onda Cuadrada tanto para altura como para área a 0.3V por 60
segundos, siendo 4.77% y 5.13% respectivamente.
Tabla 4.4. Desviación relativa estándar para áreas y alturas con las técnicas SLV y SWV
CONDICIONES SLV SWV
ALTURA % AREA % ALTURA % AREA %
0,3V/60s 18.20 24.99 4.77 5.13
0,1V/60s 10.24 4.81 6.68 10.06
0V/60s 16.39 9.04 80.31 50.15
0,3V/30s 14.76 14.81 28.41 25.51
0,3V/90s 6.13 6.25 12.34 11.15
En los siguientes gráficos comparativos se pueden observar las desviaciones
relativas estándar para cada condición probada:
73
Grafico 4.3. Desviación relativa estándar en función del potencial y el tiempo de deposición para
el electrodo de carbón vítreo con film de oro
III. Electrodo carbón vítreo modificado con nanopartículas de oro
De los resultados obtenidos se puede observar que la menor desviación estándar se
obtiene con Voltametría de Onda Cuadrada tanto para área 3.08% a 0.3V por 30 segundos
como para altura 2.29% a 0.3V 90 segundos.
Tabla 4.5. Desviación relativa estándar para áreas y alturas con las técnicas SLV y SWV
CONDICIONES
VOLTAMETRÍA LINEAL SWV
ALTURA % AREA % ALTURA % AREA %
0,3V/60s 4.98 5.21 3.57 3.24
0,1V/60s 11.30 7.79 9.7 6.60
0V/60s 7.56 13.76 7.12 5.28
0,3V/30s 18.16 18.50 4.58 3.08
0,3V/90s 20.16 17.38 2.29 5.10
En los siguientes gráficos comparativos se pueden observar las desviaciones
relativas estándar para cada condición probada:
74
Grafico 4.4. Desviación relativa estándar en función del potencial y el tiempo de deposición para el
electrodo de carbón vítreo con nanopartículas de oro
IV. Electrodo de fibra de carbón modificado con nanopartículas de oro
De los resultados obtenidos se puede observar que la menor desviación estándar se
obtiene tanto para Voltametría de Onda Cuadrada como para Voltametría Lineal con los
valores de altura de pico con un valor de 0.19% y 1.78% respectivamente a 0.3V y 90
segundos.
Tabla 4.6. Desviación relativa estándar para áreas y alturas con las técnicas SLV y SWV
CONDICIONES VOLTAMETRÍA LINEAL SWV
ALTURA % AREA % ALTURA % AREA %
0,3V/60s 10.06 5.51 1.49 7.11
0,1V/60s 26.66 25.20 18.42 13.01
0V/60s 10.68 14.59 9.13 11.23
0,3V/30s 9.22 5.02 27.26 18.68
0,3V/90s 1.78 3.51 0.19 2.89
En los siguientes gráficos comparativos se pueden observar las desviaciones
relativas estándar para cada condición probada:
75
Gráfico 4.5. Desviación relativa estándar en función del potencial y el tiempo de deposición para
el electrodo de fibra de carbón con nanopartículas de oro
4.2.2.2. Determinación del potencial óptimo de deposición
El mejor potencial de determinación de mercurio para cada electrodo y la mejor
técnica de análisis es la que produce el pico de mayor tamaño y mejor definición (los
gráficos de los barridos se pueden ver en el anexo I.1.1.), los resultados se resumen en la
siguiente tabla, empleando los valores de altura de pico (corrientes de pico) ya que con
estos se obtuvo la menor desviación relativa estándar:
Tabla 4.7. Corrientes de pico (Ip) obtenidas para los cuatro electrodos investigados a distintos potenciales,
con las técnicas de Voltametría Lineal (SVL) y Voltametría de Onda Cuadrada (SWV) con 60 segundos de
deposición
POTENCIAL
(voltios)
ELECTRODO 1
Corriente de pico
(µA)
ELECTRODO 2
Corriente de pico
(µA)
ELECTRODO 3
Corriente de pico
(µA)
ELECTRODO 4
Corriente de pico
(µA)
SVL SWV SVL SWV SVL SWV SVL SWV
0,3V 0.53 2.67 0.12 0.65 0.08 1.07 0.01 0.04
0,1V 0.35 2.01 0.08 0.45 0.04 0.19 0.01 0.03
0V 0.33 1.7 0.07 0.31 0.11 0.27 0.004 0.01
76
En los siguientes gráficos comparativos se puede observar las diferencias de
corrientes con entre los electrodos, con las dos técnicas empleadas a los distintos
potenciales:
Gráfico 4.6. Corrientes de pico en función del potencial para cada electrodo
4.2.2.3. Determinación del tiempo óptimo de deposición
El mejor tiempo de deposición de mercurio para cada electrodo y la mejor técnica
de análisis es la que produce el pico de mayor tamaño y mejor definición (los gráficos de
los barridos se pueden ver en el anexo I.1.2.).
En la siguiente tabla se resumen los resultados obtenidos:
77
Tabla 4.8. Corrientes de pico (Ip) obtenidas para los cuatro electrodos investigados a distintos tiempos de
deposición, con las técnicas de Voltametría Lineal (SVL) y Voltametría de Onda Cuadrada (SWV) a 0.3V
como potencial de deposición
TIEMPO
(segundos)
ELECTRODO 1
Corriente de pico
(µA)
ELECTRODO 2
Corriente de pico
(µA)
ELECTRODO 3
Corriente de pico
(µA)
ELECTRODO 4
Corriente de
pico
(µA)
SVL SWV SVL SWV SVL SWV SVL SWV
30 0.097 1.81 0.07 0.28 0.05 0.41 0.005 0.015
60 0.53 2.67 0.12 0.65 0.08 1.07 0.004 0.010
90 0.29 1.73 0.12 0.51 0.10 0.58 0.013 0.050
En los siguientes gráficos comparativos se puede observar las diferencias de
corrientes con entre los electrodos, con las dos técnicas empleadas a los distintos
potenciales:
Gráfico 4.7. Corrientes de pico en función del tiempo para cada electrodo
78
En conclusión luego de estos análisis se determina que para cada electrodo los
mejores tiempos, potenciales y técnica de deposición son:
Tabla 4.9. Parámetros óptimos para la determinación de 100 ppb de mercurio por SWV según cada tipo
de electrodo
Electrodo Técnica Parámetro Potencial
(V)
Tiempo
(seg)
Impreso de Oro SWV Área 0.3 60
Carbón vítreo con film de oro SWV Altura 0.3 60
Carbón vítreo con nanopartículas
de oro SWV Altura 0.3 60
Fibra de carbón con
nanopartículas de oro SWV Altura 0.3 90
Adicionalmente se determina que el mejor electrodo es el de fibra de carbon
modificado con nanoparticulas de oro ya que con este se obtuvo la mejor repetibilidad y
trabaja a corrientes muy bajas con una alta sensibilidad, por lo tanto las siguientes pruebas
se realizaran con este electrodo.
4.3. Tercera parte. Definición de los parámetros de onda cuadrada para una
solución de 100 ppb de mercurio en HCl 0.15m
4.3.1. Influencia de la variación de la amplitud en la respuesta del electrodo en una
solución de 100 ppb de mercurio en HCl 0,15m
Los mejores resultados se obtienen con una amplitud de 40 mV, tomando en cuenta
los valores de alturas de pico, según los valores de desviación estándar obtenidos.
Los resultados se pueden observar en la siguiente tabla:
79
Tabla 4.10. Valores de desviación relativa estándar del barrido realizado a una solución
de 100 ppb de mercurio en HCl 0.15m utilizando Voltametría de Onda Cuadrada a
diferente amplitud: 10, 40 y 80 mV
Amplitud
(mV)
Desviación relativa estándar Altura
(%)
10 11.0
40 5.0
80 6.0
En los siguientes gráficos se pueden observar los valores de alturas de pico
obtenidas en los barridos de la solución de 100 ppb:
Gráfico 4.8. Comparación de las desviaciones relativas estandar obtenidas
con los valores de altura de pico de tres barridos realizados a una solución
de 100 ppb de mercurio en HCl 0.15m utilizando Voltametría de Onda
Cuadrada, variando la amplitud: 10, 40 y 80 mV
En los siguientes gráficos se pueden observar los barridos realizados al blanco y a la
solución de 100 ppb de Hg con una amplitud de 40 mV:
80
Figura 4.17. Barrido por Voltametría de Onda Cuadrada de 3 blancos de HCl
0.15m a 40 mV de amplitud previo lavado del electrodo con agua y posterior
activación con 3 ciclos de Voltametría Cíclica en HCl 0.15m
Figura 4.18. Barrido por Voltametría de Onda Cuadrada de una solución de
100 ppb de mercurio en HCl 0.15m a 40 mV de Amplitud previo lavado del
electrodo con agua y posterior activación con 3 ciclos de Voltametría Cíclica
en HCl 0.15m
4.3.2. Influencia de la variación de la frecuencia en la respuesta del electrodo en una
solución de 100 ppb de mercurio en HCl 0.15m
Los mejores resultados se obtienen con una frecuencia de 60 Hz, tomando en
cuenta los valores de altura de pico, según los valores de desviación estándar obtenidos,
los mismos que se pueden apreciar en la siguiente tabla:
81
Tabla 4.11. Valores de desviación relativa estándar del barrido realizado a
una solución de 100 ppb de mercurio en HCl 0.15m utilizando Voltametría de
Onda Cuadrada a diferente frecuencia: 3, 20 y 60 Hz
Frecuencia
(Hz)
Desviación relativa estándar Altura
(%)
3 5.0
20 13.0
60 3.0
En los siguientes gráficos se pueden observar los valores de altura de pico
obtenidas en los barridos de la solución de 100 ppb:
Gráfico 4.9. Comparación de las desviaciones relativas estandar obtenidas
con los valores de altura de pico de tres barridos realizados a una solución de
100 ppb de mercurio en HCl 0.15m utilizando Voltametría de Onda
Cuadrada, variando la frecuencia: 3, 20 y 60 Hz
En los siguientes gráficos se pueden observar los barridos realizados al blanco y a
la solución de 100 ppb de Hg con una amplitud de 40 mV y una frecuencia de 60 Hz:
82
Figura 4.19. Barridos por Voltametría de Onda Cuadrada de blanco HCl
0.15m a 60 Hz de frecuencia
Figura 4.20 Barrido por Voltametría de Onda Cuadrada de una solución de
100 ppb de mercurio en HCl 0.15m a 60 Hz de frecuencia previo lavado del
electrodo con agua y posterior activación con 3 ciclos de Voltametría Cíclica
en HCl 0.15m
4.3.3. Influencia de la variación de los incrementos en la respuesta del electrodo en
una solución de 100 ppb de mercurio en HCl 0.15m
Los mejores resultados se obtienen con incrementos de 10 mV, tomando en cuenta
que con este valor hay una mejor definición del pico y menor desviación relativa estándar,
los mismos que se pueden apreciar en la siguiente tabla:
83
Tabla 4.12. Valores de desviación relativa estándar del barrido de realizados
a una solución de 100 ppb de mercurio en HCl 0.15m utilizando Voltametría
de Onda Cuadrada con variación de incrementos: 2, 6 y 10 mV
Incrementos
(mV)
Desviación relativa estándar Altura
(%)
2 9.0
6 11.0
10 8.0
En los siguientes gráficos se pueden observar los valores de altura de pico
obtenidas en los barridos de la solución de 100 ppb:
Gráfico 4.10. Comparación de las desviaciones relativas estandar obtenidas
con los valores de altura de pico de tres barridos realizados a una solución de
100 ppb de mercurio en HCl 0.15m utilizando Voltametría de Onda
Cuadrada, variando los incrementos: 2, 6 y 10 mV
En los siguientes gráficos se pueden observar los barridos realizados al blanco y a la
solución de 100 ppb de Hg con una amplitud de 40 mV y una frecuencia de 60 Hz e
incrementos de 10mV:
84
Figura 4.21. Barridos por Voltametría de Onda Cuadrada de blanco HCl
0.15m a 60 Hz de frecuencia, 40 mV de amplitud e incrementos de 10 mV
Figura 4.22. Barrido por Voltametría de Onda Cuadrada de una solución de
100 ppb de mercurio en HCl 0.15m a 60 Hz de Frecuencia, 40 mV de
amplitud e incrementos de 10 mV previo lavado del electrodo con agua y
posterior activación con 3 ciclos de Voltametría Cíclica en HCl 0.15m
85
4.4. Cuarta parte. Definición de los parámetros de onda cuadrada para
concentraciones menores de 100 ppb de mercurio en HCl 0.15m
Para concentraciones menores a 100 ppb fue necesario modificar las condiciones de
los barridos debido a que después de realizar más de 5 repeticiones se observa que el
electrodo se empieza a desactivar y ya no se obtienen picos bien definidos. Esta rápida
desactivación puede deberse a la saturación del electrodo debido al elevado tiempo de
deposición que se está aplicando (90 segundos) sobre el microelectrodo, adicionalmente se
empieza a observar mayor interferencia del blanco en el pico de mercurio, según se aprecia
en las siguiente figura:
Figura 4.23. Barrido por Voltametría de Onda Cuadrada de una solución de
5.2 ppb de Hg en HCl 0.15m a 60 Hz de Frecuencia, 40 mV de amplitud e
incrementos de 10 mV
Se baja el tiempo de deposición de 90 segundos a 30 segundos y los incrementos a
6 mV y el resto de condiciones se mantiene. El barrido se lo hace desde 0.35V hasta 0.7V.
Las pruebas se hacen con una solución de 5 ppb de Hg en HCl 0.15m.
86
Figura 4.24. Barrido por Voltametría de Onda Cuadrada de una solución
del blanco HCl 0.15m (rojo) y de una solución de 5 ppb de Hg en HCl 0.15m
con 30 segundos de deposición (rojo), barrido de 0.35 a 0.7V, incrementos 6
mV
Posteriormente se baja la frecuencia a 30 Hz y se elimina la activación del electrodo
en HCl 0.15m ya que el exceso de iones cloruro disminuye la superficie activa del oro por
la formación de amalgamas y se reemplaza por una activación de 5 ciclos de voltametría
cíclica en H2S04 0.05M. Sin embargo, a pesar de que los picos están bien definidos, el
objetivo es conseguir que el blanco se asemeje a una línea recta, para evitar la interferencia
del mismo en la determinación del límite de detección, para esto se hacen pruebas bajando
nuevamente la frecuencia a 15 y 10 Hz y luego bajando los incrementos a 4 mV.
Figura 4.25. Barrido por Voltametría de Onda Cuadrada de una solución del
blanco HCl 0.15m a distintas frecuencias: 30 Hz (rojo), 15 Hz (azul) y 10 Hz
(café)
87
Los mejores resultados se obtienen con una frecuencia de 10 Hz y si se bajan los
incrementos a 4 mV, el blanco ya se asemeja a una línea recta.
Figura 4.26. Barrido por Voltametría de Onda Cuadrada de una solución
del blanco HCl 0.15m a 10 Hz de frecuencia e incrementos de 4 mV,
amplitud 40 mV
Se prepara una curva de calibración de 5, 10, 20, 30, 40 y 50 ppb de Hg en HCl
0.15m, para ver la estabilidad del electrodo en las condiciones definidas.
Figura 4.27. Barrido por Voltametría de Onda Cuadrada de una solución
del blanco HCl 0.15m (rojo) y de una solución de 5 ppb de Hg (azul), 10
ppb de Hg (purpura), 20 ppb de Hg (verde), 30 ppb de Hg (morado), 40
ppb de Hg (verde) y 50 ppb de Hg (rosado) en HCl 0.15m
Se concluye que máximo se deben hacer 6 medidas, posteriormente se deberá
reactivar el electrodo realizando una cronoamperometría de limpieza y posterior lavado
con agua y metanol. Finalmente queda definido el procedimiento analítico a seguir para
soluciones de mercurio de concentraciones menores a 100 ppb de la siguiente manera:
88
I. Realizar el Hardware test.
II. Determinar el potencial de circuito abierto.
III. Caracterizar el electrodo de fibra de carbón modificado con nanopartículas de oro
por voltametría cíclica en H2S04 0.05M.
IV. Activar el electrodo con 5 ciclos de voltametría cíclica en H2S04 0.05M.
V. Realizar el barrido por SWV del blanco en HCl 0.15m.
VI. Realizar el barrido por SWV de las soluciones problema.
VII. Caracterización final del electrodo por voltametría cíclica en H2S04 0.05M.
VIII. Realizar una cronoamperometría de limpieza del electrodo.
IX. Lavar el electrodo con agua, metanol y acetona.
Los parámetros a emplear para concentraciones menores a 100 ppb de Hg son:
Parámetros de Barrido
Potencial Inicial (Init E V) 0.35
Potencial Final (Final E V) 0.7
Incremento (Incr E V) 0.004
Amplitud (Amplitude V) 0.04
Frecuencia (Frecuency hz) 10
Quiet Time (QT sec) 0
Sensibilidad (Sensitivity A/V) 1e-007
Parámetros de Preacondicionamiento
Primera etapa
Potencial (V) 0.7
Tempo (sec) 15
Segunda etapa
Potencial (V) 0.3
Tempo (sec) 30
89
4.5. Validación del método
Se procede a la validación del método analítico tomando como base al electrodo de
fibra de carbón modificado con nanopartículas de oro con concentraciones menores a 100
ppb de mercurio, empleando la técnica de Voltametría de Onda Cuadrada y con los valores
de altura de pico. Las concentraciones escogidas para trazar las curvas de calibración son:
5, 10, 20, 30 y 40 ppb de Hg en HCl 0.15m; el procedimiento analítico a seguir así como
los parámetros de barrido y preacondicionamiento son los establecidos en el punto 4.4.
4.5.1. Selectividad del método
En las condiciones empleadas el método determina exclusivamente mercurio, no hay
interferencias. El pico de mercurio se puede observar a un potencial de 0.45V. Como
ejemplo se adjunta el grafico correspondiente al barrido con el electrodo de fibra de carbón
modificado con nanopartículas de oro del blanco y una solución de 10 ppb de Hg en HCl
0.15m, utilizando la técnica de voltametría de onda cuadrada en las condiciones definidas y
siguiendo el procedimiento analítico establecido en el punto 4.4.
Figura 4.28. Superposición de los gráficos de barrido por SWV con el
electrodo de carbón de fibra de carbón modificado con nanopartículas de
oro, de las soluciones del blanco HCl 0.15m (rojo) y 10 ppb de Hg (azul).
Se observa el pico de mercurio a 0.45V
90
4.5.2. Determinación del Límite de Detección y Límite de Cuantificación
Ya que el blanco no puede ser medido, la mínima respuesta verificable de mercurio
se tomó como límite de detección.
I. El límite de detección fue establecido en 2 ppb (0.002 mg/L), ya que 1 ppb
es prácticamente igual al blanco.
Figura 4.29. Superposición de los gráficos de barrido de las soluciones con
Hg: blanco (rojo), 1 ppb de Hg (azul), 2 ppb de Hg (café), 3 ppb de Hg
(verde)
II. El límite de cuantificación se fija en 5 ppb (0.005 mg/L), con un porcentaje
de recuperación de 97.66%. Se toma este valor como límite de cuantificación ya que el de
3 ppb a pesar de tener un buen porcentaje de recuperación está muy cercano al límite de
detección. Los valores obtenidos en los barridos realizados con cada concentración se
encuentran en el anexo II.1. Los resultados correspondientes al porcentaje de recuperación
se resumen en el siguiente cuadro:
Tabla 4.13. Resumen de valores obtenidos para la determinación del L.C.
Medida
3 ppb 5 ppb 7.5 ppb 10 ppb
Conc.
ppb
Recup.
%
Conc.
ppb
Recup.
%
Conc.
ppb
Recup.
%
Conc.
ppb
Recup.
%
1 2.82 93.92 4.48 89.50 7.38 98.43 10.02 100.25
2 3.15 105.12 5.44 108.82 7.62 101.56 10.29 102.89
3 3.40 113.39 4.73 94.66 7.17 95.60 10.00 100.02
Promedio 3.12 104.14 4.88 97.66 7.39 98.53 10.11 101.05
91
En el siguiente grafico se observan los barridos realizados con cada concentración:
Figura 4.30. Superposición de los gráficos de barrido de las soluciones con
Hg: blanco (rojo), 3 ppb de Hg (azul), 5 ppb de Hg (café), 7.5 ppb de Hg
(verde), 10 ppb de Hg (morado)
Finalmente los límites quedan fijados con los siguientes valores:
Limite de detección (L.D.) 2 ppb
Limite de cuantificación (L.C.) 5 ppb
4.5.3. Linealidad dentro del rango de trabajo
El método mantiene linealidad desde 5 hasta 100 ppb de Hg, pero se define como
rango de trabajo desde 5 ppb hasta 40 ppb, debido a que el interés de la investigación es el
análisis de rangos bajos, como el electrodo se desactiva rápidamente ya se había definido
que lo conveniente es realizar un máximo 5 lecturas, por lo que estos valores se toman
como limites para la validación del método.
Los resultados obtenidos con las curvas trazadas para los rangos establecidos son:
92
CONCENTRACIÓN
Ppb
ALTURA
nA
5 1.433
10 3.744
20 7.804
30 12.840
40 17.000
50 19.300
80 29.220
100 36.530
Figura 4.31. Curva de calibración rango lineal 5-100 ppb de Hg
Rango de 5 a 40 ppb de Hg:
CONCENTRACION
Ppb
ALTURA
nA
5 2.303
10 4.101
20 7.579
30 11.202
40 14.998
93
Figura 4.32. Curva de calibración rango lineal 5-40 ppb de Hg
4.5.4. Precisión
Para los 5 niveles de concentración: 5, 10, 20, 30 y 40 ppb de mercurio, re
realizaron 6 determinaciones diarias para cada nivel por 5 días. Se toman los valores
obtenidos con las alturas de pico.
En el siguiente cuadro se resumen los valores promedios hallados para cada nivel
de concentración establecido, por cada día de análisis.
Tabla 4.14. Resumen de las medias de concentración
CONCENTRACION
ppb
CONCENTRACION REAL
DIA 1 DIA 2 DIA 3 DIA 4 DIA 5
5 4.84 5.01 4.80 4.91 4.96
10 10.38 10.03 10.39 10.50 10.57
20 19.91 20.19 19.62 19.64 19.45
30 29.83 29.60 30.38 29.57 29.58
40 40.24 40.27 39.88 40.41 40.48
El análisis de varianza para los 5 grupos arroja los siguientes resultados:
94
Tabla 4.15. Análisis de varianza de un factor para cada nivel de concentración de mercurio
Concentración 5 ppb 10 ppb 20 ppb 30 ppb 40 ppb
Promedio 4.907 10.378 19.772 29.808 40.278
SCT 0.660 12.067 11.292 89.455 102.194
GL 29 29 29 29 29
F 2.396 0.620 1.296 0.193 0.096
F critico 2.759 2.759 2.759 2.759 2.759
Sr 0.138 0.663 0.612 1.863 2.007
SR 0.156 0.650 0.616 1.838 1.976
% recuperación 98.147 103.780 98.860 99.360 100.696
% CVr 2.764 6.627 3.058 6.210 5.016
% CVR 3.126 6.500 3.081 6.126 4.940
Lr 0.383 1.837 1.695 5.164 5.562
LR 0.433 1.802 1.708 5.094 5.477
Como objetivo de validación se estableció un CVr ≤ 15% y un CVR ≤ 20%, así
como un porcentaje de recuperación de 80 – 120%. En todos los casos los valores
encontrados están dentro de estos rangos, por lo que se puede concluir que los grupos son
homogéneos.
En ninguno de los grupos el valor de F calculado (α = 0.05) es mayor que el F
crítico por lo que se concluye que no hay diferencias significativas entre los mismos.
Los datos experimentales de alturas y ppb de Hg para cada nivel de concentración y
para cada día de análisis se pueden ver en el anexo No. II.2.
95
4.5.5. Exactitud
Los valores encontrados en los 3 días de análisis para la muestra de referencia y
para el estándar son:
Tabla 4.16. Datos de concentración de mercurio obtenidos en 3 días con la muestra de
referencia y el estándar de 10 ppb de Hg
DIA 1
ppb Hg
DIA 2
ppb Hg
DIA 3
ppb Hg
Estándar
ppb Hg
10.61 10.13 10.77 9.6
10.22 9.96 9.90 9.4
10.30 9.97 9.37 9.97
10.09 10.45 9.90 10.68
10.02 10.68 9.01 9.64
Los resultados estadísticos obtenidos son:
Parámetro Muestra de Referencia Estándar
X 10.092 9.858
S 0.452 0450
U 0.131 0.201
Urecuperación = 0.240
Adicionalmente se calcula el sesgo obteniendo un t calculado de 0.133; el t critico
para un 95% (α = 0.025) es 2.145, por lo tanto t calc < t crit, ya que 0,133 < 2.145, por lo
tanto no existen diferencias significativas y su veracidad es aceptable.
96
4.5.6. Robustez del método
Para la determinación de la función de respuesta se consideran las curvas de
calibración obtenidas para cada día de análisis, las mismas que se muestran en el anexo
No. II.4. Los resultados obtenidos son:
Parámetro curva 1 curva 2 curva 3 curva 4 curva 5 X
a máx. 0.322 0.445 0.656 0.009 0.899 0.466
a min 0.304 -0.046 -0.302 -0.857 -0.404 -0.261
b máx. 0.366 0.357 0.518 0.382 0.494 0.423
b min 0.365 0.337 0.479 0.347 0.441 0.394
R 0.995
A 0.466 entre -0.261
B 0.423 entre 0.394
Los valores para R se encuentran dentro de los objetivos de la validación, esto es un
R2 ≥ 0.99
4.5.7. Incertidumbre del método
En la siguiente tabla se pueden observar todos los componentes relacionados con el
cálculo de la incertidumbre del método desarrollado.
Tabla 4.17. Componentes para el cálculo de la incertidumbre
Componente Unidades Valor u típica u relativa u2 relativa
U ajuste Ppb 40 0.338 0.008 7.146E-05
U patrón % 1000 5.000 0.005 2.500E-05
VOLUMEN AFORO
Balón (calib)50mL mL 50 0.030 0.001 3.600E-07
Micropipeta (calib) µL 100 0.150 0.002 2.250E-06
VOLUMEN MUESTRA
V balón 25mL mL 25 0.02 0.0008 0.000001
97
V pipeta 5mL mL 5 0.0075 0.0015 0.000002
REPRODUCIBILIDAD Ppb 40 1.00 0.0251 0.000629
RECUPERACION Ppb 10 0.240 0.0240 0.000575
∑ = 0.0013
uc = 0.04
Sin unidades multiplico por el nivel más bajo que es 5 y me queda:
uc = 0,04*5
uc = 0.2 ppb
U = 2*0,2
U = 0,4ppb
El resultado obtenido es U = Valor leído +/- 0.4
La incertidumbre expandida de medida se obtuvo multiplicando la incertidumbre
típica “uc” por el factor de cobertura k = 2 que, para una distribución normal, corresponde
a una probabilidad de cobertura de aproximadamente el 95%.
4.5.8. Aplicabilidad del método
Las muestras analizadas son las siguientes:
1. Agua entubada procedente de la parroquia de San Marcos, Cantón Alaquez,
Provincia de Cotopaxi (muestra con alta coloración amarillenta, posiblemente por alto
contenido de hierro).
2. Agua de origen textil (Jersey “salida” 43230B) facilitada por los laboratorios OSP,
de alta coloración azul, previamente digestada en microondas.
3. Agua de origen textil (Jersey “salida” 43230B) facilitada por los laboratorios OSP,
de alta coloración azul, previamente digestada en H2SO4.
Los valores obtenidos son los siguientes:
98
Tabla 4.18. Resultados obtenidos en el análisis de muestras de aguas naturales y residuales
Muestra Valor esperado
ppb Hg
Valor observado
ppb Hg
Porcentaje de
recuperación (%)
Agua entubada 10 9.60 96.00
Agua de origen textil
digestada en Microondas
12 11.85 98.75
Agua de origen textil
digestada en H2SO4
12 11.74 97.83
Muestra de referencia 10 9.67 96.70
El método se considera aplicable en aguas claras y residuales previa digestión, ya
que los porcentajes de recuperación están dentro del rango esperando entre 80% – 120%.
No se observan interferencias.
4.5.9. Declaración de validación del método
INFORME FINAL Y DECLARACIÓN DEL MÉTODO VALIDADO
Cuantitativo: x Analito: Mercurio
Cualitativo: - Unidades: mg/L
De identificación: - Matriz: Aguas claras y residuales
PRUEBAS CRITERIO CUMPLE / NO CUMPLE
Repetibilidad %SDr ≤ 15% Cumple
Reproducibilidad %SDR ≤ 20% Cumple
Exactitud Z-score ≤ 2% Cumple
Incertidumbre Valor leído ± 0.4 Cumple
Recuperabilidad 80 – 120% Cumple
Linealidad
Limite de confianza pendiente
0.466 / -0.261
Cumple
99
Limite de confianza b
R2
0.423 / 0.394
≥ 0.99
Cumple
Cumple
Selectividad/Especificidad: El método es selectivo para mercurio
Interferencias conocidas: El análisis no reporta ninguna interferencia en el rango de
trabajo validado.
Limite de detección (l.d.) 0.002 mg/l
Limite de cuantificación (l.c.) 0.005 mg/l
Intervalo de trabajo validado: 0.005 – 0.040 mg/l
DECLARACIÓN DE LA VALIDACIÓN:
El método de análisis de mercurio en aguas ha cumplido con todos los criterios de
aceptación por lo que el método se considera como validado.
4.6. Comparación de los resultados obtenidos con el método desarrollado con los
conseguidos por Absorción Atómica
Se analizaron dos muestras que fueron solicitadas a los Laboratorios OSP y se
obtuvieron los siguientes resultados:
Muestra
Concentración obtenida
por absorción atómica
ppb Hg
Concentración obtenida
por Voltametría
ppb Hg
*Efluente de origen minero
(ref. 40200 e) 1986 2100
*Muestra de origen textil
(ref. 40178 A) 2.1 2.06
100
*Muestras disponibles en el OSP al momento del análisis.
Resultados muy aproximados se obtienen con la muestra de concentración baja de
mercurio (2.1 ppb), con un 1.9% de diferencia, mientras que con la muestra de
concentración de mercurio alta (1986 ppb), se obtiene un 5.74% de diferencia,
posiblemente por las altas diluciones que se deben realizar para al análisis.
101
CAPÍTULO V
5.1. CONCLUSIONES
5.1.1. El mercurio puede ser cuantificado tanto en aguas claras como en residuales
por voltametría de redisolución anódica, se emplearon 4 electrodos: electrodo impreso con
nanopartículas de oro, electrodo de carbón vítreo modificado con film de oro, electrodo de
carbón vítreo modificado con nanopartículas de oro y electrodo de fibra de carbón
modificado con nanopartículas de oro. Los mejores resultados se obtuvieron con el
electrodo de fibra de carbón modificado con nanopartículas de oro.
5.1.2. La deposición electroquímica del oro se constituye en una técnica sencilla y
rápida para la preparación de electrodos de carbón modificados con nanopartículas de oro.
5.1.3. Los microelectrodos de fibra de carbón pueden ser construidos en el
laboratorio y a bajo costo, esto es, $2.00 (dos dólares) por unidad.
5.1.4. Al tener el electrodo de fibra de carbón pocos milímetros de longitud y un
diámetro de 9 – 11 µ, es necesario manipularlos con mucho cuidado.
5.1.5. Con los microelectrodos de fibra de carbón modificados con nanopartículas
de oro se puede cuantificar Hg(II) a partir de 5 ppb, pero ya puede ser detectado a partir de
2 ppb.
5.1.6. Si bien la producción, exportación e importación de mercurio en el Ecuador
está prohibida hasta el año 2020, los ríos y lagos del país están muy contaminados ya que
se lo sigue utilizando en las actividades mineras para la extracción del oro. Bajo esta
perspectiva el método desarrollado puede ser aplicado “in situ”, evitando el transporte de
la muestra hasta el laboratorio, facilitando la realización del monitoreo medioambiental de
mercurio.
5.1.7. El poder realizar in situ análisis de trazas de elementos y en condiciones
naturales, se constituye en un gran cambio para la química analítica y las ciencias
ambientales.
102
5.1.8. El método desarrollado es simple, rápido y confiable, para su aplicación no
se requieren condiciones especiales en el laboratorio ya que se trabaja a temperatura y
presión ambiental y sin necesidad de agitación.
5.1.9. El método desarrollado es muy poco contaminante, se emplea una mínima
cantidad de reactivos y los volúmenes de muestra requeridos para el análisis son pequeños,
generándose menos desechos.
5.1.10. En las condiciones de trabajo aplicadas los electrodos impresos con
nanopartículas de oro se desactivan muy rápidamente, su estabilidad es muy baja.
5.1.11. La caracterización de los electrodos modificados con oro se la hace en
acido sulfúrico, ya que el oro puede formar una capa monoatómica sobre la superficie del
electrodo con la propiedad de oxidarse y reducirse fácilmente.
5.1.12. Los microelectrodos tienen sensibilidades mucho más bajas que los
electrodos impresos (100 veces menos), esto evita muchos problemas de interferencias por
caídas de potencial, corrientes capacitivas, corrientes reductivas, etc.
5.1.13. El método desarrollado cumplió con los objetivos de validación planteados,
es selectivo para mercurio y no presenta interferencias de ningún otro elemento; se lo
puede aplicar tanto en aguas naturales como en aguas residuales previa digestión; tiene
buena linealidad en el rango de estudio de 5 a 40 ppb de Hg con un R2 de 0.999; los
coeficientes de repetibilidad y reproducibilidad fueron menores al 7% y los porcentajes de
recuperación están entre 98.15 – 103.8% en el rango de trabajo investigado.
5.1.14. Los resultados obtenidos con el método desarrollado por voltametría son
similares a los conseguidos por absorción atómica en muestras con baja concentración de
mercurio, 2.06 ppb y 2.1 ppb de mercurio respectivamente. Se observa mayor diferencia en
los resultados en muestras altamente contaminadas posiblemente por las altas diluciones
que se deben realizar para al análisis.
103
5.2. RECOMENDACIONES
5.2.1. En un próximo estudio es importante encontrar un recubrimiento para
proteger el oro depositado sobre el electrodo para aumentar su estabilidad, también seria
conveniente probar con otras concentraciones de la solución de oro para la
electrodeposición, en el presente estudio se utilizó una solución de 10 ppm de oro.
5.2.2. Es necesario hacer estudios para determinar cuánto influye la longitud del
filamento de carbón en la estabilidad del electrodo.
5.2.3. Una vez que se consiga aumentar la estabilidad de los microelectrodos, se
debería trabajar con tiempos de deposición más largos para poder cuantificar cantidades
más pequeñas de analitos.
5.2.4. Con el mismo método se puede identificar y cuantificar cobre, utilizando la
técnica de voltametría cíclica, se observan los picos tanto de cobre como de mercurio sin
ninguna interferencia entre ambos.
5.2.5. El Ecuador se encuentra en la lista roja mundial de países que más
contaminan con mercurio y es el cuarto país en Latinoamérica que más mercurio emite al
ambiente, si bien, ya se han restringido las importaciones y el uso del mismo
(especialmente en la minería artesanal), es fundamental definir el grado de contaminación
existente y hacer el seguimiento del mismo y que mejor si se cuenta con un método que
pueda ser aplicado in situ y a bajo costo.
5.3. MATERIALES DE REFERENCIA
5.3.1. Referencias Bibliográficas
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109
ANEXOS
110
ANEXO I
DATOS EXPERIMENTALES
I.1. Análisis de repetitividad y sensibilidad de los electrodos en la deposición y
redisolución del mercurio en ácido clorhídrico a diferentes potenciales y tiempos de
deposición
I.1.1. Gráficos de la determinación del potencial óptimo de deposición
Electrodo impreso con nanopartículas de oro
Figura I.1. Barrido por SLV de una solución de 100 ppb de
mercurio a 0.3V (rojo), 0,1V (azul) y 0V (morado) a 60 segundos
con electrodo impreso de oro
Figura I.2. Barrido por SWV de una solución de 100 ppb de
mercurio a 0V (morado), 0.1V (azul) y 0.3V (rojo) a 60 segundos
con electrodo impreso de oro
111
Electrodo de carbón vítreo modificado con film de oro
Figura I.3. Barrido por SLV de una solución de 100 ppb de
mercurio a 0.3V (morado), 0,1V (rojo) y 0V (azul) a 60 segundos
con electrodo de Carbón Vítreo modificado con film de oro
Figura I.4. Barrido por SWV de una solución de 100 ppb de
mercurio a 0.3V (morado), 0,1V (rojo) y 0V (azul) a 60 segundos
con electrodo de Carbón Vítreo modificado con film de oro
Electrodo de carbón vítreo modificado con nanopartículas de oro
Figura I.5. Barrido por SLV de una solución de 100 ppb de mercurio a
0.3V (rojo), 0,1V (azul) y 0V (morado) a 60 segundos con electrodo de
Carbón Vítreo modificado con nanopartículas de oro
112
Figura I.6. Barrido por SWV de una solución de 100 ppb de mercurio
a 0.3V (rojo), 0,1V (morado) y 0V (azul) a 60 segundos con electrodo
de Carbón Vítreo modificado con nanopartículas de oro
Electrodo de fibra de carbón modificado con nanopartículas de oro
Figura I.7. Barrido por SLV de una solución de 100 ppb de mercurio a
0.3V (rojo), 0,1V (azul) y 0V (morado) a 60 segundos con electrodo de
Fibra de Carbón modificado con nanopartículas de oro
Figura I.8. Barrido por SWV de una solución de 100 ppb de mercurio
a 0.3V (rojo), 0,1V (azul) y 0V (morado) a 60 segundos con electrodo
de Fibra de Carbón modificado con nanopartículas de oro
113
I.1.2. Gráficos de la determinación del tiempo óptimo de deposición
Electrodo impreso con nanopartículas de oro
Figura I.9. Barrido por SLV de una solución de 100 ppb de
mercurio a 0.3V a 30 (morado), 60 (rojo) y 90 (azul) segundos
con electrodo impreso de oro
Figura I.10. Barrido por SWV de una solución de 100 ppb de
mercurio a 0.3V a 30 (morado), 60 (rojo) y 90 (azul) segundos
con electrodo impreso de oro
Electrodo de carbón vítreo modificado con film de oro
Figura I.11. Barrido por SLV de una solución de 100 ppb de
mercurio a 0.3V a 30 (azul), 60 (rojo) y 90 (morado) segundos
con electrodo de carbón vítreo modificado con film de oro
114
Figura I.12. Barrido por SWV de una solución de 100 ppb de mercurio
a 0.3V a 30 (azul), 60 (rojo) y 90 (morado) segundos con electrodo de
carbón vítreo modificado con film de oro
Electrodo de carbón vítreo modificado con nanopartículas de oro
Figura I.13. Barrido por SLV de una solución de 100 ppb de mercurio
a 0.3V a 30 (azul), 60 (rojo) y 90 (morado) segundos con electrodo de
carbón vítreo modificado con nanopartículas de oro
Figura I.14. Barrido por SWV de una solución de 100 ppb de mercurio
a 0.3V a 30 (azul), 60 (morado) y 90 (rojo) segundos con electrodo de
carbón vítreo modificado con nanopartículas de oro
115
Electrodo de fibra de carbón modificado con nanopartículas de oro
FiguraI.15. Barrido por SLV de una solución de 100 ppb de mercurio a
0.3V a 30 (rojo), 60 (azul) y 90 (morado) segundos con electrodo de
fibra de carbón modificado con film de oro
Figura I.16. Barrido por SWV de una solución de 100 ppb de
mercurio a 0.3V a 30 (rojo), 60 (azul) y 90 (morado) segundos con
electrodo de fibra de carbón modificado con nanopartículas de oro
116
ANEXO II
VALIDACIÓN
II.1. Valores obtenidos para la determinación del límite de cuantificación
Los valores hallados para las distintas concentraciones se resumen en los siguientes
cuadros:
Tabla II.1. Datos experimentales de altura y área obtenidos a diferentes concentraciones de mercurio
Concentración (ppb) Altura (nA) Área (nC)
3 1.795 0.161
3 1.898 0.191
3 1.974 0.179
Promedio 1.889 0.177
Desviación estándar 0.090 0.015
Coeficiente de variación % 4.764 8.475
Concentración ppb Altura (nA) Área (nC)
5 2.303 0.211
5 2.599 0.219
5 2.382 0.213
Promedio 2.428 0.214
Desviación estándar 0.153 0.004
Coeficiente de variación % 6.301 1.869
Concentración ppb Altura (nA) Área (nC)
7.5 3.194 0.287
7.5 3.266 0.283
7.5 3.129 0.337
Promedio 3.196 0.302
Desviación estándar 0.069 0.030
Coeficiente de variación % 2.159 9.934
Concentración ppb Altura (nA) Área (nC)
10 4.004 0.351
10 4.085 0.374
10 3.997 0.347
Promedio 4.029 0.357
Desviación estándar 0.049 0.015
Coeficiente de variación % 1.216 4.202
117
II.2. Valores obtenidos para repetibilidad
Tabla II.2. Datos experimentales de altura obtenidos a diferentes concentraciones de mercurio en los 5 días
de análisis
Concentración ppb
Día 1 (nA)
Día 2 (nA) Día 3 (nA) Día 4 (nA)
Día 5 (nA)
5 2.105 1.918 2.507 1.365 2.605
5 2.096 1.987 2.491 1.375 2.595
5 2.119 1.927 2.604 1.355 2.502
5 1.988 1.929 2.623 1.366 2.576
5 2.206 1.898 2.591 1.367 2.513
5 1.953 1.975 2.587 1.346 2.589
Promedio 2.078 1.939 2.567 1.362 2.563
Desviación estándar 0.137 0.039 0.020 0.012 0.041
Coeficiente de variación % 6.593 2.011 0.779 0.881 1.600
Concentración ppb
Día 1 (nA)
Día 2 (nA) Día 3 (nA) Día 4 (nA)
Día 5 (nA)
10 4.310 3.315 5.235 3.320 4.582
10 4.164 3.674 5.188 3.743 5.380
10 4.224 3.654 5.566 3.777 5.103
10 3.847 3.886 4.938 3.151 5.398
10 4.303 3.683 5.581 3.079 5.395
10 3.755 3.86 5.588 3.328 5.229
Promedio 4.101 3.679 5.349 3.400 5.181
Desviación estándar 0.293 0.110 0.373 0.128 0.097
Coeficiente de variación % 7.145 2.990 6.973 3.765 1.872
118
Concentración ppb
Día (nA)
Día 2 (nA) Día 3 (nA) Día 4 (nA)
Día 5 (nA)
20 7.964 7.067 9.986 6.654 9.34
20 7.868 7.085 9.865 6.789 9.15
20 6.827 7.46 9.964 6.684 9.45
20 7.948 7.227 9.972 6.855 9.37
20 7.385 7.317 9.958 6.791 9.18
20 7.481 7.074 9.938 6.567 9.5
Promedio 7.579 7.205 9.947 6.723 9.332
Desviación estándar 0.301 0.123 0.017 0.151 0.161
Coeficiente de variación % 3.972 1.707 0.171 2.246 1.725
Concentración ppb
Día 1 (nA)
Día 2 (nA) Día 3 (nA) Día 4 (nA)
Día 5 (nA)
30 12.050 10.960 14.980 10.7 14.361
30 11.730 9.140 15.030 12.07 13.995
30 10.890 10.580 16.034 10.35 14.016
30 10.990 11.360 14.954 10.33 13.865
30 10.600 10.960 15.006 9.109 14.132
30 10.950 9.820 15.820 9.484 13.987
Promedio 11.202 10.470 15.304 10.341 14.059
Desviación estándar 0.215 0.799 0.486 0.625 0.134
Coeficiente de variación % 1.919 7.631 3.176 6.044 0.953
119
Concentración ppb
Día 1(nA)
Día 2 (nA) Día 3 (nA) Día 4 (nA)
Día 5 (nA)
40 15.62 16.47 19.983 13.985 19.546
40 14.97 13.74 20.104 14.890 18.876
40 14.00 14.50 20.302 14.600 19.024
40 14.47 14.00 19.893 13.986 18.134
40 15.89 13.97 20.005 14.360 19.965
40 15.04 12.36 19.943 13.890 19.356
Promedio 14.998 14.173 20.038 14.285 19.150
Desviación estándar 0.715 0.938 0.056 0.248 0.196
Coeficiente de variación % 4.767 6.618 0.279 1.736 1.023
Tabla II.3. Datos de concentración de mercurio obtenidos en cada una de las 6 mediciones realizadas en los
5 días de análisis
Día 1
Medida Concentración
5 ppb 10 ppb 20 ppb 30 ppb 40 ppb
1 4.91 10.95 20.96 32.16 41.94
2 4.89 10.55 20.70 31.28 40.16
3 4.95 10.72 17.85 28.98 37.50
4 4.59 9.68 20.92 29.25 38.79
5 5.19 10.93 19.38 28.19 42.68
6 4.50 9.43 19.64 29.15 40.35
Promedio 4.84 10.38 19.91 29.83 40.24
Desviación estándar 0.23 0.66 1.11 1.53 1.92
Coeficiente de variación % 4.79 6.33 5.56 5.14 4.78
120
Día 2
Medida Concentración
5 ppb 10 ppb 20 ppb 30 ppb 40 ppb
1 4.95 8.98 19.79 31.01 46.89
2 5.15 10.01 19.84 25.77 39.02
3 4.98 9.96 20.93 29.92 41.21
4 4.99 10.63 20.25 32.16 39.77
5 4.90 10.04 20.51 31.01 39.69
6 5.12 10.55 19.81 27.73 35.05
PROMEDIO 5.01 10.03 20.19 29.60 40.27
Desviación estándar 0.10 0.59 0.46 2.40 3.85
Coeficiente de variación % 1.99 5.87 2.29 8.12 9.56
Día 3
Medida Concentración
5 ppb 10 ppb 20 ppb 30 ppb 40 ppb
1 4.68 10.16 19.70 29.73 39.77
2 4.65 10.06 19.46 29.83 40.02
3 4.88 10.82 19.65 31.84 40.41
4 4.91 9.56 19.67 29.67 39.59
5 4.85 10.85 19.64 29.78 39.82
6 4.84 10.87 19.60 31.41 39.69
PROMEDIO 4.80 10.39 19.62 30.38 39.88
Desviación estándar 0.10 0.54 0.09 0.98 0.30
Coeficiente de variación % 2.08 5.23 0.44 3.23 0.74
Día 4
Medida Concentración
5 ppb 10 ppb 20 ppb 30 ppb 40 ppb
1 4.91 10.29 19.45 30.56 39.59
2 4.94 11.45 19.82 34.32 42.07
3 4.89 11.54 19.53 29.60 41.27
4 4.92 9.82 20.00 29.54 39.59
5 4.92 9.62 19.82 26.19 40.62
6 4.86 10.31 19.21 27.22 39.32
PROMEDIO 4.91 10.50 19.64 29.57 40.41
Desviación estándar 0.03 0.81 0.29 2.85 1.10
Coeficiente de variación % 0.57 7.73 1.49 9.63 2.73
121
Día 5
Medida Concentración
5 ppb 10 ppb 20 ppb 30 ppb 40 ppb
1 5.05 9.28 19.47 30.22 41.33
2 5.03 10.99 19.06 29.44 39.89
3 4.83 10.40 19.71 29.48 40.21
4 4.99 11.03 19.54 29.16 40.44
5 4.85 11.02 19.13 29.73 40.08
6 5.01 10.67 19.81 29.42 40.92
PROMEDIO 4.96 10.57 19.45 29.58 40.48
Desviación estándar 0.10 0.68 0.30 0.37 0.55
Coeficiente de variación % 1.92 6.41 1.56 1.23 1.35
II.3. Análisis de varianza
Tabla II.4. Datos de concentración de mercurio obtenidos en 5 días en el rango de trabajo
C ppb Día 1 Día 2 Día 3 Día 4 Día 5
Nivel 1 5.0 4.9 5.0 4.7 4.9 5.1
5.0 4.9 5.2 4.7 5.0 5.0
5.0 5.0 5.0 4.9 4.9 4.8
5.0 4.6 5.0 4.9 4.9 5.0
5.0 5.2 4.9 4.9 4.9 4.9
5.0 4.5 5.1 4.8 4.9 5.0
Nivel 2 10.0 11.0 9.0 10.2 10.3 9.3
10.0 10.6 10.0 10.1 11.5 11.0
10.0 10.7 10.0 10.8 11.6 10.4
10.0 9.7 10.6 9.6 9.9 11.0
10.0 10.9 10.0 10.9 9.7 11.0
10.0 9.4 10.6 10.9 10.3 10.7
Nivel 3 20.0 21.0 19.8 19.7 19.5 19.5
20.0 20.7 19.8 19.5 19.9 19.1
20.0 17.9 20.9 19.7 19.6 19.7
20.0 20.9 20.3 19.7 20.1 19.5
20.0 19.4 20.5 19.6 19.9 19.1
20.0 19.6 19.8 19.6 19.3 19.8
Nivel 4 30.0 32.2 31.0 29.7 30.6 30.2
30.0 31.3 25.8 29.8 34.4 29.4
30.0 29.0 29.9 31.8 29.7 29.5
30.0 29.3 32.2 29.7 29.6 29.2
30.0 28.2 31.0 29.8 26.3 29.7
30.0 29.2 27.7 31.4 27.3 29.4
Nivel 5 40.0 41.94 46.89 39.77 39.69 41.33
40.0 40.16 39.02 40.02 42.19 39.89
40.0 37.50 41.21 40.41 41.39 40.21
40.0 38.79 39.77 39.59 39.7 40.44
40.0 42.68 39.69 39.82 40.73 40.08
40.0 40.35 35.05 39.69 39.43 40.92
122
k = 5
P = 6
n = 30
Ejemplo de cálculo. Concentración 5 ppb:
Tabla II.5. Análisis de varianza de un factor
Resumen
Grupos Cuenta Suma Promedio Varianza
Columna 1 6 29.030 4.838 0.064
Columna 2 6 30.090 5.015 0.010
Columna 3 6 28.810 4.802 0.012
Columna 4 6 29.530 4.922 0.001
Columna 5 6 29.760 4.960 0.009
4.907
Análisis de varianza
Origen de las
variaciones
Suma de
cuadrados
Grados
de
libertad
Promedio
de los
cuadrados F Probabilidad
Valor crítico
para F
Entre grupos 0.183 4 0.046 2.396 0.077 2.759
Dentro de los
grupos 0.477 25 0.019
Total 0.660 29
Sr 0.1382 SR 0.1563
SL2 0.0053 % RECUPERACION 98.1467
%CVr 2.764 R 0.38304
%CVR 3.126 LR 0.43321
123
Los criterios de aceptación según la tabla de Horwitz para concentraciones a nivel
de ppb son:
Concentración %CVr %CVR
1 ppb 22.6 30.2
10 ppb 16.0 21.3
100 ppb 11.3 15.1
Según el Codex Alimentarius los porcentajes de recuperación para concentraciones
a nivel de ppb son:
Concentración % de Recuperación
10 ppb 60 -115
100 ppb 80 -110
II.4. Valores para el análisis de la robustez del método
Curvas de concentración para cada día de análisis:
Figura II.1. Curva de calibracion dia 1
124
Figura II.2. Curva de calibracion dia 2
Figura II.3. Curva de calibracion dia 3
Figura II.4. Curva de calibracion dia 4
125
Figura II.5. Curva de calibracion dia 5
Ejemplo de cálculo:
Curva 1
ESTÀNDAR RESPUESTA (A)
(x-media)^2 x^2
5 2.078
256 25
10 4.101
121 100
20 7.579
1 400
30 11.202
81 900
40 14.998
361 1600
Promedio 21 Sumatoria 820 3025
A 0.313
B 0.366
Sa 0.003
Sb 0.000
Syx 0.106
r^2 1.000
T 2.776
amax = a + t.Sa =
0.322
amin = a - t.Sa =
0.304
bmax =
0.366
bmin =
0.365
126
ANEXO III
FOTOGRAFÍAS DEL EQUIPO UTILIZADO EN LA INVESTIGACIÓN
Imagen V.1. Equipo empleado en la investigación: computador, celda y
electrodos
Imagen V.2. Equipo empleado en la investigación: computador con el
programa, celda y electrodos
127
Imagen V.3. Celda con los electrodos de trabajo (electrodo de fibra
carbón modificado con nanopartículas de oro), referencia y auxiliar
sumergidos en la muestra