Adsorción: Una Solución Simple y Costo-Efectiva para Remover Barniz

El barniz ha emergido como uno de los contaminantes del aceite más letales de la industria. Similar a la contaminación con calor, partículas y humedad, el barniz actúa como un también llamado contaminante suave que impacta severamente en la lubricación y confiabilidad de la maquinaria.

Un mayor problema es que se sabe que el tamaño de la partícula de barniz es más pequeño que el poro de la mayoría de los filtros y, por lo tanto, no puede ser removido empleando filtración con el tamaño de poro tradicional. Este artículo se enfoca en la adsorción – una solución práctica, simple y de relativamente bajo costo para la remoción de barniz.

Adsorción es la adhesión de las moléculas a una superficie sólida. La filtración adsortiva es la retención de partículas a un medio filtrante por medio de las fuerzas electrostáticas o por atracción molecular.

Para comprenderlo mejor, es útil hablar de los cuatro mitos más comunes relacionados con la remoción de barniz.

Mito No. 1

La única tecnología disponible para la remoción de barniz es la separación electrostática.
La media adsortiva como la celulosa se ha empleado satisfactoriamente por muchas décadas. Las compañías de clase mundial han empleado este método como un medio simple, poderoso y efectivo para remover e barniz.

Mito No. 2

Los sistemas de remoción de barniz limpian directamente los depósitos de barniz de las superficies de la máquina.
Un sistema de remoción de barniz puede remover sólo partículas solubles e insolubles que pasen por éste. Es el aceite ultra-limpio circulando por la máquina el que remueve los depósitos de barniz. Esos depósitos son arrastrados por la acción solvente del aceite y son entonces transportados vía el aceite al sistema de filtros para su final remoción y recolección.

Mito No. 3

No importa el tamaño de un sistema de remoción de barniz.
Cuando se trata de remoción del barniz, el tamaño realmente importa. Cada molécula ocupa un cierto monto de área en la superficie del sistema. Por lo tanto, un sistema de remoción debe tener una gran área superficial específica para que acomodar el barniz que se ha removido.

El tamaño también es un factor en términos del flujo de la bomba. Lasa de flujo en galones por minuto (gpm) del sistema de remoción de barniz juega un importante rol en la velocidad de remoción de los depósitos de barniz. Una alta tasa de retorno del aceite en la máquina facilitará el proceso de purificación para mantenerse por arriba de la tasa de generación de barniz. El proceso de limpieza de los depósitos de barniz es acelerado de forma similar por una alta tasa de flujo, permitiendo que tenga efecto una mayor solvencia del aceite.

Mito No. 4

El barniz no es una amenaza para todos los aceites.
Todos los aceites son susceptibles al barniz, ya que la oxidación ocurre en todos los sistemas.

Adsorción

Adsorción es la fijación selectiva física y/o química de átomos, moléculas o partículas a una superficie llamada el adsorbente, como carbón activado y sílica gel. No confunda adsorción con absorción. La absorción no es selectiva y retiene a la partícula dentro del material absorbente, como lo hace una esponja con el agua.

Una diferencia mayor entre la adsorción clásica y los sistemas de filtración, como elemento de proceso, es que el desempeño de los adsorbentes típicamente depende fuertemente de la temperatura, tasa de flujo, concentración y otras condiciones de operación, mientras que los filtros son menos sensibles a tales condiciones.

Está claro cómo empleando la adsorción como un mecanismo de captura en combinación con filtración puede ser una manera promisoria para remover partículas de barniz. La clave está en encontrar una media filtrante que también funcione como un efectivo adsorbente. Por lo tanto, es necesario comprender las fuerzas fundamentales físicas y/o químicas que causan la adhesión de las moléculas o partículas a la media filtrante adsorbente.

Algunos filtros de aceite de alta calidad utilizan celulosa, la cual puede usarse como un adsorbente. Esta tiene una gran área superficial y, debido a su naturaleza química, las fibras son muy apropiadas para recolectar moléculas orgánicas oxigenadas como el barniz.

La Adsorción Comparada con la Separación Electrostática

Los aceites y lubricantes que han experimentado oxidación severa y mucho barniz pueden no ser reacondicionados o filtrados adecuadamente para continuar siendo útiles para trabajar. Sin embargo, en la mayoría de los casos, el barniz y otros contaminantes suaves pueden removerse del aceite y éste puede seguirse utilizando.
Dos métodos comunes para remoción del barniz son la separación electrostática y la adsorción. ¿Cómo se diferencian entre sí?

Separación Electrostática

Los separadores electrostáticos operan en una instalación de flujo total, fuera de línea o tipo riñón (externa). Operan bajo la premisa de que las partículas cargadas eléctricamente se precipitarán a una media colectora o placas cargadas con carga opuesta. Las desventajas al emplear separadores electrostáticos son:

Altos costos de compra y operación
Baja capacidad de retención de barniz de la media colectora
La eficiencia disminuye con la presencia de agua en el aceite (500 ppm o más)
Bajas tasas de flujo
Complejos sistemas de control

Sistemas de Adsorción

Estos sistemas también se instalan en un arreglo fuera de línea. A diferencia de las unidades electrostáticas, las unidades de adsorción pueden proveer una más alta tasa de flujo, desde bajo flujo (<5 gpm) a alto flujo (>50 gpm). La media adsortiva empleada comúnmente en filtros fuera de línea es de alta densidad, filtro de celulosa de alta profundidad. Con esos filtros, es posible combinar la remoción de partículas, agua y barniz en un solo sistema.
Sin embargo, remover partículas de barniz requiere integrar otras fuerzas además de las fuerzas físicas empleadas en la remoción de partículas (absorción, incrustación, etc.)

Más Allá de los Filtros Clásicos

Aun cuando los filtros de aceite clásicos frecuentemente se utilizan en muchas aplicaciones industriales, éstos están limitados a la remoción de polvo y partículas por debajo de cierto tamaño de partícula, por ejemplo, de 2 a 20 micrones. En contraste, debido a que los lubricantes contienen una diversidad de contaminantes además de polvo y partículas, es importante para la longevidad del equipo que las superficies permanezcan libres de barniz.
Para mantener el metal expuesto libre de tales depósitos, el barniz y contaminantes similares deben ser removidos por filtración que vaya más allá de los filtros clásicos. La adsorción es uno de los medios para lograr esta meta, ya que le proporciona un medio efectivo y potente para remover barniz.

La celulosa es particularmente efectiva en esto; su alta polaridad es muy apropiada para atraer y remover barniz. Las características de adsorción de la celulosa son inherentes. Por lo tanto, a diferencia de los separadores electrostáticos, no requiere de voltaje o sistemas de control. La capacidad es determinada solamente por la superficie disponible. Un solo gramo de celulosa tiene un área superficial de aproximadamente 371 m2. Un cartucho de filtro estándar contiene 3,600 gramos de celulosa, dando por resultado una impresionante área superficial de 300 campos de futbol americano.

Para apreciar el impacto de la adsorción, debemos comprender los principios de la filtración clásica, las características de los barnices y otros contaminantes y los principios básicos que rigen a la adsorción. Esto explica cómo y por qué la celulosa, en particular, es un medio superior para remover barnices del aceite contaminado.

La adsorción y la filtración son básicamente diferentes. La primera depende de un rango de fuerzas que requieren de la física o química para comprenderla, mientras que la última depende sólo de las simples fuerzas físicas, y captura las partículas por incrustación o colado. Combinando la adsorción y filtración, es posible obtener alta eficiencia de remoción de barniz con un dispositivo relativamente simple, económico y compacto.

Las Fuerzas que Rigen a la Adsorción

Se reconocen dos tipos genéricos de adsorción: fisisorción y quimisorción.
La fisisorción depende de débil atracción física de la fase sólida (material adsorbente del filtro) para componentes en la fase fluida (moléculas de barniz). Se caracteriza por el hecho de que la fisisorción es: (a) sensible a la temperatura, (b) relativamente no específica entre los constituyentes en la fase fluida, (c) relativamente rápida puesto que no existe una barrera física de activación, (d) posiblemente ocurra en múltiples capas de la superficie sólida, y (f) la magnitud del calor de adsorción es relativamente pequeña.

Por el contrario, la quimisorción ocurre por enlace químico vía la transferencia de electrones. Se caracteriza por el hecho de que es: (a) específica, (b) relativamente lenta debido a la existencia de una barrera de activación (con la correspondiente cinética química), (c) presenta formación mono-capa en la superficie sólida, y (d) la magnitud del calor de adsorción es relativamente alta.

Aunque ciertos aspectos de la filtración del lubricante implican que la absorción de partículas de barniz podría involucrar quimisorción, es más probable que la fisisorción rija su absorción. Por lo tanto, el resto de esta sección se dedica principalmente a este tema.
Las fuerzas de la fisisorción caen dentro de dos categorías principales: las fuerzas de Van der Waals (o dispersión) y las fuerzas electrostáticas.

Las fuerzas de Van der Waals son fuerzas débiles molécula-a-molécula que causan que una partícula pequeña se adhiera a la superficie, por ejemplo, como el polvo se adhiere a los cristales de los anteojos. Las fuerzas electrostáticas pueden subdividirse en fuerzas de polarización, interacciones campo-dipolo, e interacciones campo gradiente-cuadrupolo. Esas fuerzas ocurren sólo si la superficie es polar y están representadas por una función del potencial Coulómbico.

El último tipo de efecto electrostático es llamado ligadura de hidrógeno. Es una forma específica de interacción iónica, la cual es importante para moléculas polares, parcialmente oxidadas, tales como barnices y superficies, tales como celulosa. Debido a las estructuras químicas genéricas del barniz, identificadas anteriormente, es probable que el enlace de hidrógeno sea importante para la remoción de barnices de los lubricantes.

En síntesis, la adsorción de barnices del aceite probablemente ocurre más bien por fisisorción que por quimisorción. El fenómeno que contribuye a la fisisorción son las fuerzas de Van der Waals (o dispersión) y fuerzas electrostáticas. De ellas, las de Van der Waal dependen de la capacidad de polarización de las moléculas de barniz.

Entre las fuerzas electrostáticas que son importantes para el barniz en contacto con celulosa están las fuerzas de polarización, interacciones campo-dipolo, y especialmente el enlace de hidrógeno. Mientras que ellas proveen de un medio para comprender las interacciones y algún día podrían ser la base para simulaciones por computadora, hoy estamos limitados a usar nuestro entendimiento implemente como una base para elegir materiales y subsecuentemente efectuar análisis empíricos.

La Cinética de la Adsorción (Movimiento dentro del Aceite)

A fin de adsorber las moléculas (o partículas) de barniz, estas deben ser expuestas al contacto de la superficie adsorbente. Suena simple, pero hay algunas complicaciones. La más importante, es que hay resistencia al movimiento del aceite a la superficie adsorbente. La tasa de absorción, o la adsorción cinética, depende de esa resistencia. Además, en vez de ser una simple resistencia, es una combinación de resistencias.

Figura 1. Amplificación de un Filtro

Para ilustrarlo visualmente, las figuras 1 y 2 muestran el antes y después de un holgado entrelazado de fibras de celulosa (amarillo pálido) en medio de aceite que contiene partículas de barniz (dorado). La figura 1 muestra el aceite contaminado aproximándose a las fibras en la vida temprana del filtro. La figura 2 muestra el filtro casi completamente cargado produciendo aún aceite limpio, cerca del final de su vida útil, habiendo agotado casi el adsorbente. Una de las características es que las partículas de barniz mostradas son tan pequeñas para ser capturadas por las fuerzas físicas como la incrustación o colado, pero sin embargo son capturadas por adsorción, debido a las fuerzas moleculares mencionas con anterioridad.

Figura 2. Filtro Saturado

Lo que sucede dentro de las fibras puede verse en las figuras 3 y 4 en las cuales se muestra una sección transversal de una fibra óptica, compuesta de docenas o cientos de moléculas de celulosa, que se pueden ver como secciones pequeñas, no precisamente circulares. El espacio entre esas moléculas dentro de la fibra se aprecia en color rosa, pero se pretende sea espacio libre. Al grado en que exista un aglomerante, puede, por supuesto, penetrar el espacio, pero se muestra una piel, junto con una película ficticia (azul).

Figura 3. Visión General

Consideremos lo que le sucede a las moléculas (o partículas) de barniz. Primero, está el transporte del aceite a la frontera del adsorbente (por ejemplo, un tejido de fibras). Frecuentemente se le conoce como una difusión de película debido a que la resistencia es concebida como una película estacionaria imaginaria. Segundo, hay una difusión dentro del adsorbente (algunas veces conocida como una difusión macro-poro).

Figura 4. Al Interior de la Media Filtrante

Esto podría ser visto como entre las fibras. Finalmente, existe una difusión del fluido a los sitios de adsorción de la superficie adsorbente (algunas veces llamada difusión micro-poro). Esta podría ser vista como entre las moléculas. Todas ellas dependen de la geometría, temperatura, propiedades del fluido, etc.

Figura 5. Filtro Removedor de Barniz

Noria Corporation. Traducido por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América.