Diseño e implementación de un sistema de adquisición remota de concentración de plomo mediante voltametría por redisolución anódica

Abstract

El agua es la fuente vital más importante del ser humano, por ello conocer cuál es la calidad de esta es primordial. Un gran sector de la población que reside en zonas urbanas puede tener la certeza que el agua potable tiene las condiciones necesarias para su consumo sin incluso conocer la calidad exacta, ya que proviene de una empresa que brinda servicios certificados. Sin embargo, no es el mismo caso para el otro sector de la población, la cual reside en zonas rurales y donde no llega ninguna entidad ya sea privada o gubernamental que brinda prestaciones de agua potable y alcantarillado, además de la explotación geográfica y eventos naturales que pueden contaminar las fuentes hídricas a muy altas concentraciones de metales pesados. El difícil acceso y la falta de cobertura de red son circunstancias que empeoran la situación de los pobladores y puede pasar un largo periodo de tiempo de espera hasta que un experto pueda dar su veredicto y dar a conocer si el agua es bebible o no. Por ello, en esta tesis se propone el diseño y la implementación de un sistema de adquisición remota a tiempo real que mida altas concentraciones de plomo para fuentes hídricas muy contaminadas. La presente tesis no propone determinar concentraciones a niveles de partes por billón debido a las limitaciones del hardware y solo se enfoca en hallar concentraciones a partir de 1 ppm hasta 40 ppm, la determinación del consumo de agua solo es validada si la concentración de plomo encontrada se halla en partes por millón. El sistema puede ser manipulado por cualquier persona sin conocimientos previos en la materia y la información puede ser compartida en internet incluso si no hay cobertura de red en la zona donde se realiza la medición. Este sistema se basa en el diseño de la placa potenciostato con bases en un hardware libre llamado CheapStat utilizando el microcontrolador ATXmega32A4-U, la periferia para el circuito de control y transmisión de datos. Se implementa una interface local para activar y reiniciar el sistema, además de una pantalla visual para mostrar los datos de la calidad del agua en ppm que se está leyendo. Se utiliza el método de voltametría por redisolución anódica y se usan dos técnicas diferentes, voltaje constante y voltametría por barrido lineal, debido a limitaciones del hardware en la placa potenciostato. Se diseña e implementa una celda voltaperométrica con electrodos de trabajo con material de microfibra de oro, electrodo de referencia plata cloruro de plata y electrodo auxiliar de platino, adaptada para trabajar a bajas y altas concentraciones, los límites y parámetros de la celda se determinan de manera experimental y bajo un ambiente de laboratorio controlado. La transmisión de los datos se visualiza en una plataforma local llamada Node-Red y se utiliza como base de datos IBM Bluemix, de modo que se enlaza ambas herramientas para poder ver la información a tiempo real en la web.

Water is the most important vital source of the human being, so knowing its quality is essential. A large sector of the population residing in urban areas can be certain that drinking water has the necessary conditions for its consumption without even knowing the exact quality, since it comes from a company that provides certified services. However, it is not the same reality for the other sector of the population, which resides in rural areas and where no entity, whether private or government, provides drinking water and sewerage services, besides to the geographical exploitation and natural events that can pollute water sources. Difficult access and the lack of network coverage are circumstances that worsen the situation of the residents and it may take a long period of time to wait until an expert can give his verdict and make known whether the water is drinkable or not. Therefore, this thesis proposes the design and implementation of a real-time remote acquisition system that measures high concentrations of lead for highly polluted water sources. This thesis does not propose to determine concentrations at parts per billion levels due to hardware limitations and only focuses on finding concentrations from 1 ppm to 44 ppm, the determination of water consumption is only valid if the lead concentration found is in parts per million. The system can be manipulated by anyone without prior knowledge of the matter and the information can be shared on the internet even if there is no network coverage in the area where the measurement is carried out. This system is based on the design of the potentiostat board based on a free hardware called CheapStat using the ATXmega32A4-U microcontroller, the periphery for the control circuit and data transmission. A local interface is implemented to activate the equipment, perform the equipment restart and a visual screen to show the water quality data that is being read. The anodic redissolution voltammetry method is used and two different techniques are used, constant voltage and linear sweep voltammetry, due to hardware limitations on the potentiostat board. A voltaperometric cell is designed and implemented with working electrodes with gold microfiber material, silver chloride silver reference electrode and platinum auxiliary electrode, adapted to work at low and high concentrations, the limits and parameters of the cell are determined from experimentally and under a controlled laboratory environment. The data transmission is visualized on a local platform called Node-Red and it is used as the IBM Bluemix database, so that both tools are linked to be able to see the information in real time on the web.