Nuevas alternativas a los instrumentos DPD en línea para la medición de TRO en BWMS
El sensor amperométrico DPI (inserción directa en tubería) de Halogen Systems ofrece una alternativa sin reactivos ni membranas a los instrumentos DPD en línea para medir oxidante residual total en sistemas de gestión de agua de lastre. Validado por Alliance for Coastal Technologies (ACT) y respaldado por homologación de tipo DNV, con más de 2,000 sensores instalados en buques desde 2014.
Este documento presenta datos de evaluación de terceros, pruebas de independencia del caudal, resultados de robustez frente a turbidez, comparaciones de costos y datos de pruebas de campo que demuestran 1.2 años de funcionamiento a bordo sin mantenimiento.
Aspectos destacados del rendimiento
1. Antecedentes
Halogen Systems, Inc. comenzó en 2012 para comercializar su tecnología de sensores multiparamétricos. Desde el principio buscó eliminar los problemas de los sensores amperométricos existentes y desarrollar una plataforma alternativa y robusta con aplicaciones en numerosas industrias. Su sensor es radicalmente distinto de otros sensores, de ahí su nombre: amperométrico DPI (inserción directa en tubería).
Este nuevo sensor amperométrico fue financiado, en parte, por contratos de Small Business Investment Research (SBIR) de US Office of Naval Research (ONR)[DoD, 2020]. Desde 2014, este sensor ha experimentado mejoras y perfeccionamientos constantes.
2. Resumen ejecutivo
El sensor amperométrico DPI es una nueva alternativa a los instrumentos DPD en línea. Cuando se utiliza en sistemas de gestión de agua de lastre (BWMS), esta alternativa elimina posibles problemas de cumplimiento con características únicas:
Respuesta Rápida
Medición directa de TRO en tubería de lastre para lecturas en menos de 45 segundos.
Operación en puerto con agua lodosa
Funcionamiento robusto y preciso a niveles de TSS 20 veces superiores a los exigidos por ETV (1,000 ppm), sin filtros.
Alta tolerancia al carbono orgánico disuelto (DOC)
Funcionamiento preciso a niveles de carbono orgánico disuelto 6 veces superiores a los niveles de ensayo a los que se someten los BWMS.
Independiente del flujo
Funcionamiento preciso a velocidades de flujo de 0 a 3.73 m/s, sin impacto en la medición.
Salinidad y pH integrados
El sensor de salinidad integrado elimina la necesidad de un instrumento independiente. El sensor de pH soporta 10 bar.
Modelos para áreas peligrosas y no peligrosas
Disponible para áreas peligrosas de la Zona 1 Grupo IIC, cubierta abierta, corriente lateral y tubería de lastre.
Ventajas de instalación y servicio
Amplia validación de terceros
3. Evaluación de terceros (ACT)
Alliance for Coastal Technologies (ACT) realizó una evaluación de instrumentos TRO para agua de lastre con la tecnología disponible actualmente[ACT HF, 2020][ACT HSI, 2020][ACT Xylem, 2020]. Aunque ACT no comparó directamente los sensores, estos informes ponen de manifiesto varios puntos clave:
Resultados de las pruebas de precisión
Los dos instrumentos DPD completamente nuevos, instalados por personal de fábrica, estaban fuera de sus respectivas especificaciones del 5 % (por debajo de 6 ppm). La exactitud de DPD1 durante la prueba de precisión fue de ±15 %, mientras que la de DPD2 fue de ±32 %. El sensor Halogen se mantuvo holgadamente dentro de su especificación, con ±4 %. Su coeficiente de variación (2,5 %) fue mejor que el del método de referencia DPD (2,6 %).
Resultados de la prueba de precisión
Un instrumento DPD no funcionó correctamente durante dos de las pruebas de exactitud, por lo que no se pudieron recopilar datos. En las pruebas de exactitud, el sensor Halogen (HSI) tuvo un rendimiento similar o mejor que los instrumentos DPD en las pruebas en las que había datos disponibles. Los números más cercanos a 1.00 indican una mayor exactitud.
Tabla 1: Comparación de precisión — Tres instrumentos evaluados por ACT
| Muestra | Método de referencia | DPD2 | DPD1 | HSI (Halogen) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 3.55 | 2.3 | 3.02 | 3.45 |
| 2 | 3.56 | 2.41 | 3.1 | 3.45 |
| 3 | 3.48 | 2.39 | 3.01 | 3.4 |
| 4 | 3.53 | 2.39 | 3.01 | 3.34 |
| 5 | 3.49 | 2.29 | 3.05 | 3.34 |
| 6 | 3.5 | 2.3 | 2.93 | 3.35 |
| 7 | 3.47 | 2.31 | 2.92 | 3.33 |
| 8 | 3.41 | 2.33 | 2.91 | 3.28 |
| 9 | 3.38 | 2.32 | 2.85 | 3.27 |
| 10 | 3.45 | 2.3 | 2.83 | 3.24 |
| 11 | 3.33 | 2.32 | 2.79 | 3.22 |
| 12 | 3.27 | 2.27 | 2.68 | 3.2 |
| Promedio | 3.45 | 2.33 | 2.93 | 3.32 |
| Desv. est. | 0.09 | 0.04 | 0.12 | 0.08 |
| CV (%) | 2.60% | 1.90% | 4.20% | 2.50% |
| Exactitud relativa en % | — | -32% | 15% | 4% |
Fuente: informes de evaluación de Alliance for Coastal Technologies (ACT). Informes completos disponibles en act-us.info
Tabla 2: Pendientes de regresión lineal comunicadas por ACT
Resultados de pruebas de precisión en diferentes niveles de salinidad. Los valores más cercanos a 1.00 indican una mayor precisión.
| Salinidad en PSU | HSI (Halogen) | DPD1 | DPD2 |
|---|---|---|---|
| 0.2 | 0.809 | 0.829 | 1.072 |
| 0.2 | 0.962 | 0.879 | 0.728 |
| 0.2 | 0.814 | 0.924 | 0.777 |
| 15 | 0.779 | — | 0.762 |
| 15 | 0.825 | 0.783 | 0.458 |
| 15 | 0.793 | 0.859 | 0.635 |
| 30 | 0.756 | — | 0.746 |
| 30 | 0.818 | 0.747 | 0.456 |
| 30 | 0.717 | 0.787 | 0.603 |
| 15 | No probado | 0.814 | 0.585 |
| 16 | 0.778 | 0.794 | 0.665 |
Fuente: informes de evaluación de Alliance for Coastal Technologies (ACT). Informes completos disponibles en act-us.info
4. Respuesta rápida gracias a la instalación directa en la tubería
Este sensor se instala directamente en la tubería de lastre para obtener lecturas rápidas de TRO (menos de 1 minuto). Los instrumentos DPD en línea alimentados por líneas largas de muestreo de agua introducen posibles contaminaciones de la muestra, así como un retraso —a menudo de 3 a 8 minutos en algunos buques— antes de que el BWMS reciba una lectura actualizada. Un lazo de proceso con retraso suele causar problemas de control preciso, provocando oscilaciones entre sobrecloración e infracloración. Las líneas largas de muestreo también suelen ser responsables de la contaminación de las muestras.
5. Operación robusta en puertos fangosos
Los sistemas BWMS se evalúan con un nivel de ensayo de 50 ppm de sólidos suspendidos totales (TSS)[EPA, 2010]. Sin embargo, algunos puertos presentan concentraciones mucho mayores de sólidos suspendidos, y el agua puede incluso parecer «fangosa». Para demostrar la robustez de este sensor, se evaluó utilizando 40 veces el nivel de TSS requerido (2.000 ppm)[HSI ISO15839, 2020].
Método DPD afectado por la turbidez — Sensor amperométrico no afectado
Los altos niveles de sólidos suspendidos totales (TSS) afectaron negativamente al método DPD (espectrofotómetro), dando lugar a mediciones más bajas. Para obtener lecturas DPD precisas, la muestra requería: (1) reacción con el reactivo, (2) filtración (5 micras) para eliminar los TSS y, después, (3) medición. Las mediciones DPD de muestras filtradas y sin filtrar comenzaron a divergir a 200 ppm de TSS, lo que indica que el agua sucia interfiere con los espectros en el método de medición DPD.
A niveles más bajos de TRO en la descarga, como la concentración máxima admisible de descarga (MADC) crítica de 0.1 ppm, la reducción de la exactitud del DPD es aún más significativa. Estos niveles de turbidez no afectan al sensor amperométrico.
6. Los cambios en el caudal no tienen impacto en la precisión de la medición
Otros sensores amperométricos son extremadamente sensibles a los cambios de caudal. El sensor de Halogen ha demostrado su independencia del caudal. Durante esta prueba, la velocidad de flujo varió de 0 a 1.93 m/s y a 3.73 m/s. La precisión del sensor se comprobó mediante un espectrofotómetro de laboratorio (Hach DPD) para medir el cloro total[HSI 06, 2020].
Tabla 3: Prueba de caudal — Hach DPD frente al sensor Halogen
| Caudal | Hach DPD (ppm) | Sensor Halogen (ppm) | Precisión |
|---|---|---|---|
| 0 GPM | 8.98 | 8.96 | 0% |
| 0 GPM | 8.83 | 9.05 | 2% |
| 120 GPM (3.73 m/s) | 9.49 | 9.06 | -4% |
| 120 GPM (3.73 m/s) | 9.48 | 9.04 | -5% |
| 120 GPM (3.73 m/s) | 9.02 | 8.94 | -1% |
| 62 GPM (1.93 m/s) | 8.64 | 8.99 | 4% |
| 62 GPM (1.93 m/s) | 9.06 | 8.89 | -2% |
| 62 GPM (1.93 m/s) | 8.87 | 8.92 | 1% |
| 0 GPM | 9.26 | 8.92 | -4% |
| 0 GPM | 9.23 | 8.82 | -4% |
| 120 GPM (3.73 m/s) | 8.9 | 8.77 | -1% |
| 120 GPM (3.73 m/s) | 9.29 | 8.91 | -4% |
| 120 GPM (3.73 m/s) | 9.04 | 8.77 | -3% |
| 62 GPM (1.93 m/s) | 8.9 | 8.8 | -1% |
| 62 GPM (1.93 m/s) | 9.02 | 8.91 | -1% |
| 62 GPM (1.93 m/s) | 8.78 | 8.84 | 1% |
| 0 GPM | 8.61 | 8.78 | 2% |
| 0 GPM | 9.05 | 8.75 | -3% |
| 120 GPM (3.73 m/s) | 8.77 | 8.7 | -1% |
| 120 GPM (3.73 m/s) | 8.82 | 8.63 | -2% |
| 120 GPM (3.73 m/s) | 9.14 | 8.61 | -6% |
| 62 GPM (1.93 m/s) | 8.96 | 8.67 | -3% |
| 62 GPM (1.93 m/s) | 8.71 | 8.71 | 0% |
| 62 GPM (1.93 m/s) | 9.07 | 8.55 | -6% |
| 0 GPM | 8.8 | 8.63 | -2% |
| 0 GPM | 8.77 | 8.48 | -3% |
Estos datos muestran claramente que las condiciones de flujo tienen un efecto insignificante sobre la exactitud del sensor entre 0 y 3.73 m/s de velocidad de flujo.
7. Bajo costo operativo
No se necesitan reactivos químicos ni membranas, lo que reduce los costos de operación y la mano de obra de mantenimiento de la tripulación del buque. Solo es necesario sustituir el kit de piezas de desgaste cada dos años. Según KRS, los instrumentos DPD también requieren operaciones de mantenimiento adicionales[KRS].
Tabla 4: Comparación de costos — DPI amperométrico frente a DPD
| Servicio | DPI amperométrico | DPD |
|---|---|---|
| Reactivos | Ninguno | Cada 30–60 días de operación |
| Piezas de desgaste | 24 meses | N/A |
| Costo Anual | $120 USD | ~$600 USD |
| Anual | N/A | Revisión general de la bomba (corrosión química/por agua de mar) |
| Mensual | N/A | Revisar y limpiar el filtro en T |
| Trimestral | N/A | Revise y limpie la válvula y el tubo de la bomba |
| Semestralmente | N/A | Limpieza de válvula solenoide de dos vías |
8. Intervalo largo entre ciclos de mantenimiento
Siguiendo la metodología ISO 15839 para una «prueba de campo», los sensores Halogen funcionaron 24 horas al día durante un total de 33 ciclos a lo largo de 80 días, sin requerir mantenimiento ni calibración. Esto corresponde a 66 semanas o 1.2 años de funcionamiento a bordo y más de 792 horas de funcionamiento real del sensor[HSI 04, 2020].
Tabla 5: Supuestos de la prueba de campo — Período habitual de mantenimiento de BWMS
| Parámetro | Valor |
|---|---|
| Viaje típico | 14 días |
| Tiempo de lastrado por viaje | 10 horas |
| Tiempo de lastrado por mes | 21.4 horas |
| Intervalo de verificación de calibración | 60 días |
| Funcionamiento del sensor en 60 días | 42.9 horas |
Durante un viaje típico de dos semanas, se produce un ciclo de lastre/deslastre en el que los sensores funcionan durante aproximadamente 8 horas y permanecen apagados durante el resto del viaje. El sensor se habría recalibrado si en algún momento se desviara de la lectura de DPD en un 15% o más. No fue necesaria ninguna recalibración durante todo el período de prueba.
9. Costo de instalación
Los costos de instalación del sensor Halogen son mucho menores que los de los instrumentos DPD, ya que no hay líneas de muestreo, líneas de desecho, válvulas remotas, acondicionamiento de muestras ni bombas. El ahorro estimado supera los $2.200 por instrumento.
Tabla 6: Comparación de costos de instalación
| Artículo | Instrumento DPD | Sensor amperométrico |
|---|---|---|
| Bomba | $909 | $0 |
| Válvulas | $1,763 | $0 |
| Tendido de líneas de agua (a bordo) | (incl.) | $0 |
| Montaje en módulo | (incl.) | $0 |
| Acondicionamiento y filtración de la muestra | (incl.) | $0 |
| Válvula de inserción en carga y extractor | N/A | $450 |
| Costo total adicional de instalación | $2,672 est. | $450 est. |
*Datos de clientes
10. Facilidad de servicio
La válvula Halogen Hot Tap permite montar fácilmente el sensor en una tubería de lastre y puede equiparse con una herramienta de extracción para fijación permanente o mantenimiento intermitente. El proceso de cuatro pasos incluye: (1) cerrar la válvula, (2) retraer el sensor mediante el punto de extracción, (3) deslizar el sensor fuera de la placa extractora y (4) desconectar las abrazaderas del collarín de la caja de conexiones para una sustitución rápida.
11. Modelos para zonas peligrosas y no peligrosas
Hay cuatro modelos de sensores disponibles. Se ofrecen modelos para zonas peligrosas (Zona 1, Grupo IIC) y no peligrosas con tres opciones de montaje: dentro de la tubería (inserción en carga), flujo lateral y cubierta abierta.
En tubería (inserción en carga)
Instalación directa en la tubería de lastre mediante una válvula de inserción en carga. El menor espacio ocupado y la respuesta más rápida.
Flujo lateral
No se requiere regulación de presión ni caudal. Puede utilizar la diferencia de presión para hacer circular agua por la cámara.
Cubierta abierta
Todos los modelos se pueden instalar en cubierta abierta para embarcaciones donde la instalación debajo de la cubierta no es práctica.
El menor tamaño del sensor y su rápida extracción lo hacen adecuado para llevarlo como repuesto a bordo, reduciendo posibles tiempos de inactividad. El sensor se separa fácilmente de la caja de conexiones para una sustitución o mantenimiento rápidos.
12. Autolimpieza
El sensor está protegido por siete patentes estadounidenses y cinco extranjeras. La bomba integrada aumenta la velocidad sobre las superficies de los electrodos del sensor y aumenta la señal, incrementando así la relación señal-ruido (S:N). Esta característica también hace posible la limpieza constante de los electrodos.
Las perlas de limpieza quedan capturadas en una cavidad dentro del sensor; el flujo las mueve para desgastar los electrodos. Esta bomba es accionada por un motor con una vida útil de 20,000 horas. Además de TRO, el sensor mide salinidad, temperatura, ORP y pH. Tres de estos parámetros se utilizan para compensar los cambios de señal en agua dulce y salobre.
13. Sensor de salinidad integrado
Todos los sensores vienen con un sensor de salinidad integrado. Esto puede reducir la necesidad de otro instrumento (ahorros de más de $3,000). Esta función permite la compensación del sensor en puertos de agua dulce.
14. Conclusión
«Los sensores amperométricos no se utilizan habitualmente en BWMS, pero ofrecen algunas ventajas potenciales frente a otros instrumentos. Los sensores amperométricos no requieren reactivos y, si se aplicaran a BWMS, permitirían la inmersión directa del sensor en una entrada de muestreo, eliminando la necesidad de bombas de muestreo y reactivos asociados a los analizadores DPD en línea».
— Tamburri et al., Water Science and Technology, 2014[Tamburri, 2014]
Diseñado específicamente para aplicaciones de tipo BWMS, el sensor amperométrico de Halogen combina de forma única tecnologías que atienden las aplicaciones de agua de lastre de manera rentable y eliminan algunos posibles problemas de cumplimiento.
Referencias
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