Análisis de elementos - Noria Latín América

El análisis de elementos es probablemente la prueba más básica en la caja de herramientas del análisis de lubricante. Su historia se remonta a los años 1940s y 1950s, cuando se utilizaba en la industria ferrocarrilera para determinar la presencia de metales de desgaste en los aceites de motor diésel. Sin embargo, el análisis de elementos, a veces conocido como espectroscopía de elementos, espectroscopía de emisión atómica (AES) o simplemente como análisis de metales de desgaste, se trata de algo más que sólo medir la concentración de metales de desgaste tales como el hierro, el plomo y el cobre.

En su forma actual, el análisis de elementos se utiliza para determinar las concentraciones de 15 a 25 elementos diferentes que varían desde metales de desgaste y contaminantes hasta aditivos del lubricante. La tabla 1 nos proporciona una visión general de algunos elementos comunes que se miden y su origen habitual.

El análisis de elementos funciona bajo el principio de Espectroscopía de Emisión Atómica (AES). En AES, los átomos individuales dentro de la muestra, como por ejemplo los átomos de hierro provenientes de las partículas de desgaste, los átomos de zinc procedentes de las moléculas de aditivo ZDDP, o el silicio de la contaminación con sílice (tierra), son excitados utilizando una fuente de alta energía. Los átomos absorben energía de la fuente de excitación y son transformados en un estado electrónico de alta energía. Debido a las leyes de la física cuántica, a los átomos no les gusta estar en este estado de excitación y pierden rápidamente la energía que han ganado, principalmente emitiendo energía luminosa. La energía de la luz emitida, la cual es inversamente proporcional a la longitud de onda, depende de la estructura electrónica del átomo, y por lo tanto es diferente para cada tipo de átomo. De esta manera, midiendo la cantidad de luz emitida en la longitud de onda de emisión característica de los átomos tales como el hierro, cobre, zinc y sodio, puede determinarse la concentración de cada átomo.

Tabla 1 – Fuentes más comunes de elementos en el aceite

Influencia del tamaño de la partícula

La principal limitante de AES es que, debido a que este método requiere la excitación de átomos individuales, la muestra debe ser completamente vaporizada para permitir que se midan todos los átomos presentes. Mientras que esto no es un problema para las partículas pequeñas y metales disueltos, la probabilidad de que una partícula pueda ser vaporizada y analizada utilizando AES se reduce considerablemente cuando esta es mayor a 5 micrones. De hecho, el espectrómetro AES es completamente ciego para ver las partículas que exceden los 10 micrones.

Desafortunadamente, dependiendo del mecanismo de desgaste y de la severidad del problema, el desgaste activo de la máquina puede generar partículas que son mayores a 10 micrones en tamaño, y por lo tanto serán invisibles al instrumento de AES. Por esta razón, es importante en cualquier programa de análisis de lubricante no apoyarse únicamente en los datos de AES para determinar el desgaste activo, sino que deben incluirse pruebas tales como el conteo de partículas, el análisis de densidad ferrosa y la microscopía de membrana para medir partículas más grandes.

Unidades de medición

Entonces, exactamente ¿qué es una ppm? En un reporte de análisis de lubricante, los números que generalmente se ven, dependiendo del tipo de componente, tipo de lubricante, aplicación, etc., pueden fluctuar desde unas pocas partes por millón (ppm) a varios cientos de ppm de metales de desgaste y contaminantes, y varios miles de ppm para ciertos aditivos.

Como el nombre mismo lo dice, una ppm es simplemente el número de partes del elemento en cuestión, por un millón de partes de la muestra. Dicho de otra forma, una lectura de 1 ppm de un elemento en particular es equivalente a 1 µg del elemento por cada g de la muestra, lo cual es lo mismo a 1 mg por kg, ¡aproximadamente 30 gramos del elemento por cada 25,000 litros de lubricante!

¿Cómo es que el laboratorio pasa de medir la intensidad de la luz a reportar la concentración en ppm? Para hacer esto, cada instrumento de AES se calibra utilizando soluciones de calibración estándar. Estas soluciones contienen concentraciones conocidas de ciertos elementos de interés. Comúnmente se utilizan sulfonatos metálicos para este propósito. Analizando los estándares de calibración, puede determinarse la cantidad de luz a una longitud de onda específica para los elementos en cuestión, los cuales pueden entonces estar relacionados con la concentración conocida en la solución estándar. De esta manera, puede generarse una curva de calibración, lo que permite que se determine la concentración desconocida del mismo elemento en una muestra de aceite, midiendo la cantidad de luz emitida a una longitud de onda específica, y utilizando la curva de calibración para convertir la intensidad de la luz en una concentración o en ppm.

Tendencia de los datos

Cuando se analizan los datos del análisis de elementos, es importante ver no sólo el valor absoluto de cada elemento, sino también ver la línea de tendencia, esto es, el cambio en las concentraciones de elementos en muestras consecutivas. Esto es importante debido a que las tasas de desgaste serán diferentes para las diferentes máquinas, dependiendo de los tipos de componentes, el fabricante y modelo, el tipo de lubricante, la edad, el uso, etc. Este tipo de análisis de tasa de cambio puede ser muy valioso para localizar señales tempranas de desgaste y de contaminación.¹

Al analizar los datos por AES, es importante conocer tanto la metalurgia de la máquina como la composición química de los contaminantes comunes que pueden estar presentes, para que los datos puedan relacionarse con el desgaste activo de un componente específico, o al ingreso de contaminantes específicos. Asimismo, es importante conocer la concentración esperada de los diferentes aditivos metálicos en el lubricante. Para lograr esto, debe determinarse anualmente la línea de base de los lubricantes nuevos, o cuando se sospeche que ha habido un cambio en el tipo de lubricante o en su formulación. Comparando la huella digital de los elementos del aceite nuevo contra la muestra de aceite usado, se pueden diagnosticar con facilidad y rapidez problemas como el agotamiento de aditivos o la adición del aceite erróneo. Sin embargo, se debe tener cuidado al observar los elementos de los aditivos debido a que el agotamiento de aditivos no necesariamente causa una caída en la concentración de los elementos, según lo medido por AES.²

Debido a su capacidad para determinar el desgaste anormal, los contaminantes y los elementos de los aditivos, AES es una herramienta muy valiosa en cualquier programa de análisis de lubricante. Cuando se utiliza adecuadamente, puede determinar todo, desde el desgaste corrosivo a una fuga de refrigerante, del ingreso de agua de mar al agotamiento de aditivos, y debe considerarse la piedra angular de un programa de análisis de lubricante bien diseñado.

Anatomía de un espectrómetro de emisión atómica

Casi todos los laboratorios de análisis de lubricante utilizan uno de estos dos tipos de espectrómetros de emisión atómica, ya sea un instrumento de plasma inductivamente acoplada (ICP), o un instrumento de electrodo y disco rotatorio (RDE). La diferencia básica entre estos dos radica principalmente en la manera en que la muestra es vaporizada y los átomos son excitados por la fuente de alta energía. En un instrumento ICP (vea figura 1), el lubricante se inyecta en un plasma de argón a alta temperatura, donde los átomos se vaporizan, se excitan, y subsecuentemente emiten luz. En un espectrómetro RDE (vea figura 2), en ocasiones conocido también como un instrumento “Arc-Spark”, el lubricante es vaporizado y excitado utilizando una descarga de alto voltaje entre un electrodo y un disco de carbón rotatorio.

El resto del instrumento, ya sea que se trate de espectrómetro ICP o RDE, es básicamente el mismo. La luz emitida por los átomos excitados se colecta y se concentra en las rendijas del espectrómetro. El espectrómetro contiene una rejilla de difracción que es similar a un prisma en el que divide la luz de diferentes longitudes de onda o colores en una longitud de onda discreta, en base a su ángulo de difracción. La intensidad de la luz en cada ángulo, generalmente conocido como canal, se mide utilizando un fotodiodo sensible a la luz y la señal del voltaje resultante se convierte en una concentración en ppm con base en un proceso simple de calibración.

Figura 1 – Espectrómetro por electrodo y disco rotatorio (RDE)

Figura 2 – Espectrómetro por plasma inductivamente acoplada (ICP)

En la práctica, siempre y cuando los instrumentos estén calibrados apropiadamente, hay muy poca diferencia entre la precisión de los datos de ambos tipos de instrumentos. Sin embargo, hay una diferencia de gran importancia entre los instrumentos ICP y RDE. Ambos instrumentos se ven afectados por la limitante del tamaño de la partícula. Este efecto limita el tamaño de las partículas que pueden medirse utilizando AES tradicional. Para el instrumento ICP, sólo pueden medirse las partículas más pequeñas a aproximadamente 3 a 5 micrones. Para los instrumentos RDE, el límite es ligeramente más alto, alrededor de 8 a 10 micrones. Esto implica que si una muestra de lubricante se analiza primero mediante ICP, y después mediante RDE, las concentraciones de ciertos elementos, principalmente los metales de desgaste y los contaminantes, que pueden presentar partículas de 3 a 10 micrones, potencialmente serán diferentes. Si bien esto es poco relevante cuando se lleva la tendencia de los datos de diferentes muestras analizadas por los mismos instrumentos, los datos de las muestras analizadas por los instrumentos RDE e ICP normalmente no se correlacionan.

Referencias

Sowers, J. (2001). “Use Statistical Analysis to Create Wear Debris Alarm Limits.” Revista Practicing Oil Analysis. Noviembre-Diciembre, p. 38-41.
Gustavsen, A.J. (2001). “Assessing Additive Health Using Elemental Spectroscopy and the Stoke’s Procedure.” Revista Practicing Oil Analysis. Mayo-Junio, p. 14-16. Lecturas adicionales:
1. “Guía de procedencia de elementos en el aceite usado” por James C. Fitch

Noria Corporation. Traducido por Lizzette Irazú Trujillo González, Noria Latín América