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ESTUDIO DE LA TÉCNICA DE EXTRACCIÓN
ASISTIDA POR MICROONDAS
PARA SU APLICACIÓN EN LA
DETERMINACIÓN DE HIDROCARBUROS
TOTALES DE PETRÓLEO EN SUELOS
STUDY OF THE MICROWAVE-ASSISTED EXTRACTION TECHNIQUE
FOR ITS APPLICATION TO THE DETERMINATION
OF TOTAL PETROLEUM HYDROCARBONS IN SOILS
Carlos Rodríguez P.
1
& Wendy Heredia R.
1
Palabras clave: Extracción asistida por microondas, Hidrocarburos
totales de petróleo, TPH’s, Espectrofotometría de Infrarrojo, suelo.
Key words: Microwave-Assisted Extraction (MAE), TPH,
Total Petroleum Hydrocarbons, Infrared Spectroscopy, Soil.
RESUMEN
En el presente trabajo se desarrolló un método analítico eficiente para la ex-
tracción de Hidrocarburos Totales de Petróleo (TPH’s por sus siglas en inglés)
en suelos, usando extracción asistida por microondas (MAE por sus siglas en
inglés) y se cuantificó por espectrofotometría de infrarrojo. Este artículo recalca
la importancia de la etapa de tratamiento de la muestra por lo que se evaluaron
y optimizaron las condiciones de extracción usando un equipo microondas
1Centro de Servicios Ambientales y Químicos CESAQ-PUCE, Quito-Ecuador, (cerodriguez@puce.edu.ec,
wherediar@puce.edu.ec)
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programable. Además se realizó un estudio de validación que permitió avalar
y satisfacer la necesidad analítica del método propuesto. Los principales resul-
tados obtenidos para las condiciones de extracción fueron: cantidad de muestra
2 g; volumen de solvente 10 mL; temperatura de extracción 40 °C; tiempo de
extracción 10 minutos y remoción de interferencias 1 g de sílica gel. Los resul-
tados de los parámetros de validación fueron: linealidad de las curvas de cali-
bración R
2
> 0.99; rango de trabajo 100-7500 mg/kg; límite de detección 25
mg/kg; límite de cuantificación 100 mg/kg; precisión de repetibilidad C.V. <
10% y precisión de reproducibilidad C.V. < 10%. Se realizó un análisis com-
parativo final de un material de referencia certificado usando extracción asistida
por microondas frente a una técnica ya establecida, con lo cual se evaluó la
aplicabilidad del método.
ABSTRACT
This research develops an efficient analytical method for the extraction of Total
Petroleum Hydrocarbons (TPH’s) in soils using Microwave-Assisted Extraction
(MAE) and performing the quantification by infrared spectroscopy. The research
recalls the importance of the extraction step within the analytical procedure for
the analysis of TPH’s. Different extraction conditions in the microwave-assisted
extraction system were evaluated to optimize the analytical technique. The mid-
dle section of this work presents the main results obtained and noted the final
extraction conditions: amount of sample 2 g; solvent volume 10 mL; extraction
temperature 40 °C; extraction time 10 minutes and amount of silica to remove
interferences 1 g. To satisfy the analytical method requirement, some validation
parameters were evaluated enabling the proposed procedure to be executed,
the following results are shown: linearity of the calibration curves R
2
> 0.99;
working range 100-7500 mg/kg; limit of detection 25 mg/kg; limit of quantifi-
cation 100 mg/kg; repeatability C.V. < 10% and reproducibility precision C.V.
< 10%. One additional analysis which involved a certified reference material
was performed by microwave-assisted extraction and a conventional technique
to make an accuracy comparison. Finally, advantages of the proposed method
are discussed.
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ESTUDIO DE LA TÉCNICA DE EXTRACCIÓN ASISTIDA POR MICROONDAS
PARA SU APLICACIÓN EN LA DETERMINACIÓN DE HIDROCARBUROS
TOTALES DE PETRÓLEO EN SUELOS
El creciente desarrollo de las activida-
des hidrocarburíferas como la explo-
tación, transporte, manejo y produc-
ción de derivados del petróleo han
generado un aumento de la contami-
nación ambiental, provocando que el
cuidado y remediación del medio
ambiente sea una preocupación la-
tente a nivel mundial. La continua re-
alización de estas actividades repre-
senta una inevitable exposición de los
hidrocarburos totales de petróleo al
medio ambiente; la mayoría de estos
compuestos ingresan al ambiente a
manera de desechos o liberaciones
industriales, accidentes o derrames de
petróleo, o como subproducto de uso
comercial, por lo que se ha requerido
llevar un control de la contamina-
ción. Una vez en el ambiente, estos
productos representan un peligro para
la vida marina, terrestre y son perju-
diciales para la salud humana, por lo
cual es importante llevar un segui-
miento de la contaminación y evaluar
las áreas afectadas para impulsar las
remediaciones pertinentes, tanto en
agua como en suelo.
Los análisis de hidrocarburos totales
de petróleo (TPH’s) son usados fre-
cuentemente con el fin de encontrar
áreas de contaminación y resulta un
indicador medioambiental necesario;
la determinación de TPH’s provee in-
formación acerca del conjunto de
compuestos químicos provenientes
del petróleo que han sido evaluados
por una técnica analítica determi-
nada (U.S. Department of Health and
Human Services, 1999; Pons, 2010).
El campo de la química analítica
ofrece varias alternativas para la ex-
tracción, determinación y cuantifica-
ción del conjunto de hidrocarburos
de petróleo. En la actualidad se trata
de desarrollar, establecer y optimizar
procesos analíticos cada vez más efi-
cientes que permitan una detección
de este tipo de analitos en forma rá-
pida, confiable, segura, aminorando
los costos e incrementando la efi-
ciencia del número de análisis.
La extracción por microondas ha sido
usada por muchos años para extraer
compuestos de diferentes matrices:
biológicas, alimentos, agua contami-
nada y muchos otros tipos de mues-
tras; además actualmente tiene un
amplio uso en la digestión de mues-
tras para el análisis de metales. Las
INTRODUCCIÓN
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técnicas microondas empezaron a
desarrollarse en base a la necesidad
de encontrar e implementar métodos
más rápidos, seguros, eficientes y re-
lativamente más baratos (Budzinski &
Letellier, 1999).
La radiación microondas es capaz de
ejercer una acción directa sobre el
material que absorbe una parte de la
energía electromagnética y la trans-
forma en calor. Esta energía alcanza
para provocar rotación y movimien-
tos desorganizados de las moléculas
afectadas por este tipo de radiación
electromagnética. Durante un pro-
ceso de extracción, sucede una ali-
neación de moléculas dipolares de la
mezcla solvente-muestra debido a la
exposición al componente eléctrico
de las microondas, lo que produce
migración de iones y rotación de mo-
léculas con momentos dipolares ge-
nerando consecuentemente energía
en forma de calor. (Budzinski & Lete-
llier, 1999; California Environmental
Protection Agency, 2000).
De esta manera, el presente estudio
propone como objetivo principal, op-
timizar y establecer una técnica de
extracción de hidrocarburos totales
de petróleo en suelo usando extrac-
ción asistida por microondas y reali-
zando la detección de los analitos
por espectrofotometría de infrarrojo
con Transformada de Fourier. El estu-
dio se dividió en dos etapas: en la
primera etapa se establecieron las
condiciones óptimas de extracción
que permitieron obtener los más altos
porcentajes de recuperación en sue-
los limpios fortificados; en la segunda
etapa se evaluaron los requerimien-
tos analíticos que permitieron califi-
car a la técnica como confiable y
aplicable, para lo cual se realizaron
fortificaciones en suelos limpios y
blancos de suelos. Además se recopi-
laron los porcentajes de recuperación
de materiales de referencia certifica-
dos para evaluar la exactitud del mé-
todo y se compararon con las recu-
peraciones obtenidas empleando un
método alterno como la extracción
por ultrasonido.
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TOTALES DE PETRÓLEO EN SUELOS
Reactivos
• Solvente S-316 p.a. Horiba
• Sílica gel de 100 a 200 mesh.
Merck.
• Agua destilada de conductividad
menor a 0.1 µS/cm.
Estándares y materiales de referencia
• Estándar de Hidrocarburos Totales
de Petróleo, marca Chemservice,
Catálogo: M-TPH4181-10ML, Mez-
cla GRO-DRO-418, lote: 410000.
• Blanco de suelo, DataPackTM, ca-
tálogo N° 056, lote N° 56013.
• Material de Referencia Certificado
marca ERA, catálogo 570, lote
D069-632 (MRC-1).
• Material de Referencia Certificado
marca ERA, Catálogo 570, lote
D071-632 (MRC-2).
Metodología
El suelo obtenido para los ensayos de
optimización de las condiciones de
extracción fue una mezcla de suelos
de tipo arenoso, tomados de manera
puntual en varias zonas de los valles
interandinos del Parque Nacional Co-
topaxi, localizado en la sierra central
del Ecuador; este tipo de suelo pre-
senta una baja retención de hume-
dad, un alto grado de erosión y muy
baja contaminación (ECOLAP y
MAE, 2007); ensayos previos al estu-
dio fueron realizados y no se encon-
tró contaminación por hidrocarburos.
Para la etapa de validación de la téc-
nica, se usaron principalmente blan-
cos de suelos certificados.
El tratamiento de la muestra se inició
con el secado del suelo en una estufa
marca Memmert a 60 °C durante 24
horas; transcurrido ese tiempo, la
muestra se enfrió en un desecador y
se homogenizó empleando un sis-
tema de tamices de número mesh 16,
30 y 40 en orden descendente hasta
alcanzar un tamaño de partícula
menor a 425 µm; se probó pesando
2, 3, 4 y 5 g de suelo en una balanza
analítica marca Mettler-Toledo; la ex-
tracción se realizó en un equipo mi-
croondas marca CEM MARS Xpress
(Figura 1), utilizando viales de teflón
para contener a la muestra, con estu-
ches de kevlar y un carrusel porta
viales; también se emplearon pasti-
llas de calentamiento de Carboflón
que ayudan a absorber energía mi-
croondas adecuadamente.
MATERIALES Y MÉTODOS
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La extracción se realizó probando
tiempos de 5, 10, 15 y 20 minutos a
temperaturas de 40, 50, 60, 70 y 80
°C; el solvente empleado para la ex-
tracción fue el clorotrifluoroetileno
(S-316) y se ensayó con 10 y 25 mL.
Posterior a la extracción se realizó
una remoción de interferencias a tra-
vés de sílica gel usando 0.5, 0.7, 1.0
y 1.5 g. Cada condición fue evaluada
de manera individual manteniendo
constantes el resto de variables con-
sideradas. La detección y cuantifica-
ción de los hidrocarburos totales de
petróleo se realizó en un espectrofo-
tómetro de infrarrojo con transfor-
mada de Fourier marca Perkin Elmer,
modelo Spectrum BX, utilizando cel-
das de cuarzo marca Perkin Elmer
con un camino óptico de 1.00 cm.
Una vez determinadas las condicio-
nes óptimas de extracción, se proce-
dió a evaluar los parámetros de
validación del método en conjunto,
tanto de la extracción como de la
técnica instrumental empleada. Se
comprobó la linealidad de curvas de
calibración en 4 días de validación
mediante coeficientes de correlación;
se determinó el límite de detección
al encontrar la menor concentración
medible utilizando el proceso de ex-
tracción propuesto; así mismo se es-
tableció el límite de cuantificación
midiendo la menor concentración a
la cual se obtuvo una recuperación
de 100±10%; se hizo también un
análisis de la menor y mayor variabi-
Figura 1. Equipo microondas
marca CEM MARS Xpress
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lidad esperada determinando coefi-
cientes de variación en condiciones
de repetibilidad y reproducibilidad
ensayando varias muestras a la vez,
alternando los días de ensayo y a di-
ferentes niveles de concentración.
Finalmente se analizaron materiales
de referencia certificados bajo las
condiciones de extracción estableci-
das con los que se evaluaron la exac-
titud y fiabilidad del proceso de
extracción y cuantificación.
RESULTADOS
Optimización de las condiciones de
extracción:
En los ensayos para la optimización
de la cantidad de sílica gel para eli-
minar interferencias se encontró que
la más apropiada para la limpieza fue
de 1.0 g, con una recuperación de
86% (Tabla 1).
Tabla 1. Valores promedio de recuperación
en los ensayos de optimización de la can-
tidad de sílica gel
Sílica Promedio de recuperación
(g) (%)
0.5 82.3
0.7 84.2
1.0 86.0
1.5 83.0
El volumen de solvente óptimo para
la extracción fue de 10 mL al obte-
nerse un promedio de recuperación
de 98.7%, a comparación de la recu-
peración obtenida con 25 mL que fue
de 95.3%.
Se estableció que 2 g es la cantidad de
suelo apto para obtener los mejores
resultados en la extracción (Tabla 2).
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Las pruebas de condicionamiento de
la temperatura en el equipo microon-
das sugirieron que 40 °C es la tempe-
ratura óptima para el procedimiento
propuesto (Tabla 3).
Tabla 2. Valores promedio de
recuperación en los ensayos
de optimización de la cantidad de suelo
Peso Promedio de recuperación
(g) (%)
2 97.8
3 97.0
4 96.5
5 92.6
Tabla 3. Valores promedio de recupera-
ción en los ensayos de optimización de la
temperatura de extracción
Temperatura Promedio de recuperación
(° C) (%)
40 97.8
50 91.4
60 95.2
70 94.7
80 93.4
Se comprobó experimentalmente
que un tiempo de extracción de 5 a
10 minutos es suficiente para obtener
una buena recuperación (Tabla 4).
Tabla 4. Valores promedio de recuperación
en los ensayos de optimización del tiempo
de extracción
Tiempo Promedio de recuperación
(min) (%)
5 97.8
10 98.4
15 89.9
20 89.6
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Validación del método
Las verificaciones de linealidad de
las curvas de calibración en los 4 días
de validación mostraron coeficientes
de correlación mayores a 0.99.
Se encontró que el límite de detec-
ción empleando el procedimiento de
extracción propuesto fue de 25
mg/kg y el límite de cuantificación
fue de 100 mg/kg (Tabla 5).
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TOTALES DE PETRÓLEO EN SUELOS
Tabla 5. Valores de recuperación en la
determinación del límite de detección y cuantificación
Se obtuvieron coeficientes de varia-
ción menores al 10% para la menor
y mayor precisión esperada en el des-
arrollo de la extracción (Tabla 6).
Punto en el
rango
(mg/kg
Estándar
(mg/L)
Lectura
(mg/L)
Resultado
(mg/kg)
Recuperación
(%)
Blanco 0 -0.5665 0-
25 5 7.4884 37.4 167.0
50 10 15.3475 76.4 160.2
100 20 19.1134 95.1 96.9
250 50 52.8929 258.0 103.3
500 100 102.8732 499.4 99.4
Tabla 6. Valores calculados de porcentaje
de repetibilidad, reproducibilidad y recupe-
ración a diferentes niveles de concentración
Estándar Repetibi. Reproduci- Recupe-
lidad biilidad ración
(mg/kg (%) (%) (%))
250 8.90 8.10 106.89
1000 4.35 4.48 96.20
2500 1.82 3.40 100.41
5000 2.34 4.05 99.16
Promedio 4.35 5.01 100.66
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Los resultados de exactitud en cuanto
a los porcentajes de recuperación en
dos materiales de referencia certifica-
dos fue satisfactorio, obteniéndose
recuperaciones entre 100 ± 10%
(Tabla 7 y 8).
Muestra
Tabla 7. Análisis de MRC-1
en condiciones de repetibilidad
Lectura Resul- Valor Recupe-
muestra tado teórico ración
(mg/L) (mg/kg) (mg/kg) (%)
1 290.2928 1458.8 1570 92.91
2 283.8226 1419.1 1570 90.39
3 360.0545 1722.7 1570 109.73
Tabla 8. Análisis de MRC-2
en condiciones de reproducibilidad
Día Lectura Resul- Valor Recupe-
Muestra tado teórico ración
(mg/L) (mg/kg) (mg/kg) (%)
1 251.5237 1251.4 1220 102.57
2 250.9612 1248.6 1220 102.34
3 227.2284 1124.9 1220 92.20
Finalmente, se compararon los por-
centajes de recuperación de dos ma-
teriales de referencia certificados
empleando la extracción asistida por
microondas y el método alterno de
extracción por ultrasonido. Los resul-
tados reflejaron una mejor extracción
usando microondas ya que se obtuvo
un 98.0% de recuperación frente al
93.4% utilizando extracción por ul-
trasonido.
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Condiciones de extracción
Remoción de interferencias: se sabe
que el proceso de limpieza es muy
importante especialmente cuando se
realiza la identificación por espectro-
fotometría de infrarrojo, puesto que
éste es un método sensible a interfe-
rencias que pueden ser medidas y
confundidas con hidrocarburos de
petróleo; compuestos que no provie-
nen del petróleo como grasas de ori-
gen vegetal o animal en cuya
estructura se encuentren enlaces C-H,
pueden representar interferencia
(TPH Criteria Working Group, 1998).
En el ensayo se pudo apreciar que a
menores cantidades de sílica gel en el
proceso de limpieza, la recuperación
es baja; empleando 1.0 g de sílica,
solo los compuestos interfe ren tes son
removidos, sin embargo algunos
constituyentes polares del petróleo
podrían ser también removidos
cuando se limpia con mayores canti-
dades de sílica, por lo que con 1.5 g
de sílica, la recuperación se redujo.
Volumen de solvente: el condiciona-
miento del volumen de solvente
usado durante la extracción muestra
promedios de recuperación superio-
res al 95% para cada volumen. Expe-
rimentalmente se estima que no
existen variaciones significativas en
cuanto al volumen de solvente utili-
zado, sin embargo se perciben recu-
peraciones mayores al utilizar 10 mL
de solvente, por lo cual se seleccionó
éste como volumen óptimo para el
procedimiento propuesto, tanto por
la recuperación conseguida como
por el ahorro de solvente.
Cantidad de muestra: se obtuvieron
recuperaciones superiores al 90%
para cada prueba realizada, sin em-
bargo se observa una tendencia a dis-
minuir la recuperación a medida que
se aumenta la cantidad de suelo uti-
lizado, posiblemente por la satura-
ción del solvente (Romero, 2010).
Temperatura de extracción: cada
temperatura probada mostró recupe-
raciones por encima de 90%. Estu-
dios previos han concluido que no
existe una variabilidad considerable
con respecto a la temperatura en la
mayoría de procesos de extracción
(Budzinski & Letellier, 1999; LeBlanc,
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TOTALES DE PETRÓLEO EN SUELOS
DISCUSIÓN
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1999). Para el presente estudio, tam-
bién se observó que no existen varia-
ciones significativas al realizar la
extracción a cada una de estas tem-
peraturas, pero se detecta un ligero
decrecimiento de la recuperación a
temperaturas mayores a 40 °C, por lo
que se podría suponer que existe
algún tipo de pérdida o degradación
de los componentes más livianos de
la mezcla de hidrocarburos.
Tiempo de extracción: se observa que
no existen variaciones considerables
para 5 y 10 minutos; las recuperacio-
nes disminuyeron para 15 y 20 minu-
tos de extracción. Según estudios
publicados por varios autores, el tiem-
po de extracción para hidrocarburos
totales de petróleo en suelos no es un
factor significante en rangos de
tiempo entre 5 y 30 minutos (Bud-
zinski & Letellier, 1999; Lopez-Avila
et al., 1994). Para el propósito de in-
vestigación y optimización del pre-
sente método propuesto, se seleccio-
nó un tiempo de 10 minutos de ex-
tracción como valor óptimo.
Validación del método
El método propuesto satisface la ne-
cesidad analítica de regirse a los
pará metros adecuados para el desa -
rrollo experimental de la técnica. Se
obtuvieron coeficientes de correla-
ción superiores a 0.99, garantizando
la linealidad y proporcionalidad de
los resultados. Se logró un límite de
detección de 25 mg/kg y un límite de
cuantificación de 100 mg/kg por
sobre el cual se pueden esperar recu-
peraciones de 100 ± 10%. El inter-
valo de trabajo adecuado para la
extracción por microondas se estable-
ció entre 100 mg/kg a 7500 mg/kg; se
obtuvieron coeficientes de variación
menores al 10% para la menor y
mayor precisión esperada en el des-
arrollo de la extracción, con lo cual
se garantiza la precisión y robustez
del método propuesto. Finalmente las
pruebas de exactitud en materiales de
referencia certificados produjeron re-
sultados altamente confiables, con
porcentajes de recuperación entre
100 ± 10% en condiciones de repeti-
bilidad, de reproducibilidad y en
comparación con la extracción por
ultrasonido, lo que demuestra una
buena fiabilidad de la extracción por
microondas en combinación con la
cuantificación por espectrofotometría
de infrarrojo.
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La determinación de hidrocarburos
totales de petróleo, empleando la téc-
nica de extracción asistida por micro-
ondas y cuantificación por espec-
trofotometría de infrarrojo, permitió
establecer una técnica eficiente tanto
en la etapa de preparación de la
muestra y extracción de los analitos,
como también en la cuantificación de
los mismos. Esta técnica logró ade-
cuarse a la necesidad de recurrir a
menores tiempos y mayor productivi-
dad en cuanto a análisis realizados.
Con la optimización de las condicio-
nes de extracción se logró un mejor
entendimiento de la relación e in-
fluencia de cada una de las condicio-
nes durante todo el proceso analítico.
La interpretación de la influencia de
estas variables en la extracción me-
diante microondas puede dar paso a
estudios posteriores de mejoramiento
del método o de métodos similares, o
para el estudio de fracciones puntua-
les de hidrocarburos analizados con
distintos métodos de cuantificación.
Fue posible la aplicación del proce-
dimiento propuesto frente a otro mé-
todo convencional, validado, recono-
cido y confiable como es la técnica
de extracción por ultrasonido.
Se obtuvieron resultados analíticos
equivalentes en el análisis de mate-
riales de referencia, lo que sugiere
una alta eficiencia del método de ex-
tracción asistida por microondas.
CONCLUSIONES
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TOTALES DE PETRÓLEO EN SUELOS
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