Controlando la Degradación de los Lubricantes con Materiales Nanoporosos

Los antioxidantes de los lubricantes tradicionalmente funcionan deteniendo los mecanismos que originan las reacciones de oxidación por medio de dos objetivos claves – atrapando los radicales y descomponiendo los peróxidos. Con la creciente exigencia de mejor desempeño, reducción de costos y estrictas demandas medioambientales, ha incrementado el interés por formulaciones de aceites amigables con el medio ambiente. Si bien es cierto que los aditivos antioxidantes tradicionales llevan a un mejor desempeño general de los lubricantes, esto ocurre a expensas de mayores costos y preocupaciones ambientales.

Los materiales basados en tamices moleculares se conciben como alternativas efectivas, ecológicas, económicas y reusables de los aditivos antioxidantes tradicionales. Estos materiales nanoporosos pueden ser diseñados para capturar subproductos de la oxidación y residuos de humedad, generados durante las etapas inicial y final de la degradación del lubricante. Estos materiales tienen una porosidad uniforme con una morfología variable, de ahí que pueden considerarse como un sistema de captura durante la oxidación del lubricante mediante un mecanismo de adsorción física, lo que detiene eficientemente reacción en cadena de la degradación del lubricante.

En este caso de estudio, se monitoreo la cinética de adsorción de materiales microporosos a dos tipos formulaciones de aceites comerciales VDL-46 en dos diferentes etapas de oxidación, estableciendo así las condiciones de operación más favorables para adsorber los productos de la degradación del lubricante.

Depuración y Caracterización del Aceite

Dos muestras de aceites comerciales VDL 46, utilizados en compresores de tornillo a diferentes horas de operación, fueron tratadas con cuatro tipos de materiales adsorbentes nanoporosos, dos hidrofóbicos (C1 y C2) y dos hidrofílicos (W1 y W2). Los adsorbentes fueron usados tanto en forma de polvo como aglutinados. Los materiales nanoporosos fueron activados por una hora a 150°C y luego se introdujeron dentro de las muestras de aceite. Estás fueron tratadas con diferentes técnicas, incluyendo el uso de un tipo de adsorbente nanoporoso, un tratamiento de una etapa con una combinación de adsorbentes hidrofílicos/hidrofóbicos, y un tratamiento de dos etapas (hidrofílico/hidrofóbico y viceversa).

El tamaño de partícula, el grado de cristalinidad, la composición química y la porosidad de todos los adsorbentes nanoporosos fueron caracterizados antes de la preparación de los compuestos activos de adsorción. Se determinó la porosidad de los compuestos con base en la adsorción de agua y de nitrógeno y se comparó con la muestra patrón del adsorbente nanoporoso en polvo. Luego de la separación del lubricante y del material poroso, ambos fueron analizados utilizando ensayos estandarizados ASTM para determinar las moléculas atrapadas, antioxidante, contenido de agua y color. Para determinar la cantidad de agua, se combinó espectroscopía por FTIR con medición de agua por Karl Fischer.

Monitoreo de la Depuración de las Muestras

Con la finalidad de depurar las muestras de aceite, se utilizaron cuatro tipos de materiales nanoporosos con estructuras variables y diferentes grados de hidrofobicidad e hidrofilicidad. Los cambios más obvios después de la depuración fueron viscosidad y color (Figura 1). Se realizaron pruebas de FTIR y colorimetría a las muestras de aceite antes y después del tratamiento con los materiales porosos. Se observó una notable disminución en la intensidad de la absorción en la longitud de onda del grupo carbonil (C=O) alrededor de 1770-1700 cm-1 en el espectro FTIR correspondiente a la concentración de productos de oxidación del aceite (Figura 2). Esto corresponde a la cantidad de productos de oxidación adsorbidos, que fue de un 56 a un 72 por ciento luego de tratamientos sucesivos.

Figura 1. Fotografías del aceite 1(izquierda) y del aceite 2 (derecha) antes y después del tratamiento con los materiales nanoporosos y e cálculo de la cantidad de productos de oxidación adsorbidos por medio de colorimetría (y verificado por espectrometría FTIR)

Un comportamiento similar fue observado en el espectro IR en la vibración del grupo OH a 3350 cm-1 originado por la vibración del enlace O-H del agua de los aceites tratados con las muestras de materiales hidrofílicos. Adicionalmente, se determinó por medio de Karl Fisher el contenido de agua de las muestras de los lubricantes antes y después de la depuración con los materiales nanoporosos. Se obtuvo como resultado que contenidos de agua de hasta 67 por ciento pueden ser fácilmente removidos usando las técnicas por adsorción. No se presentaron cambios significativos en la intensidad de los picos en otras regiones del espectro IR. La pérdida del contenido de aditivos fue casi imperceptible después de la eliminación de la humedad.

De la gran variedad de compuestos de oxidación presentes en las muestras de aceite usado, previamente identificados por GC/MS y destilación simulada, los de mayor presencia pertenecen a las familias de ácido oleico y ácido octanoico. Estos elevan la viscosidad del aceite, los contenidos de compuestos polimerizados y agua, lo que también incrementa el número ácido (AN), contribuyendo a la corrosión de las aleaciones metálicas.

Figura 2. Espectro IR de la muestra de aceite 1 antes y después del tratamiento con materiales nanoporosos: (a) región del hidroxil (3600-3200 cm-1) y (b) región del carbonil (1600-1800 cm-1).

Como era de esperarse, los aceites tratados con el adsorbente nanoporoso de mayor hidrofobia C2 tuvieron un mejor desempeño en relación al contenido de productos de oxidación, mientras que aquellos tratados con los materiales hidrofílicos H1 y H2 tuvieron un menor contenido de agua. La muestra de aceite 2 mostró casi las mismas características que la muestra de aceite 1 después del tratamiento. Sin embargo, el desempeño del adsorbente nanoporoso fue al contrario, con el C2 desempeñándose mejor en el segundo tipo de aceite en comparación con el adsorbente nanoporoso C1, lo cual probablemente se debió a las diferencias en las composiciones de los aceites.

Figura 3.Resumen de los resultados de la depuración de la muestra de aceite 1 con diferentes materiales nanoporosos: (a) agua y (b) productos de oxidación medidos con IR y Karl Fischer

La variación en el tiempo de tratamiento mostró mínimo o nulo incremento en la remoción de los contaminantes. Tanto para agua como para los productos de oxidación, el pico máximo de remoción se logró después de sólo cinco horas de tratamiento. En cuanto a la temperatura de tratamiento, se notó un desempeño ligeramente mejor de los materiales nanoporosos con temperaturas por encima de los 50°C. El mayor cambio se notó al modificar la carga del adsorbente, lo cual mostró un incremento proporcional en la depuración de las muestras. Con el fin de eliminar simultáneamente los contaminantes del aceite, se investigaron diferentes enfoques para el tratamiento de las muestras. Por ejemplo, un aceite fue tratado sucesivamente con los adsorbentes C1 y W2 en dos etapas o por una combinación de los adsorbentes nanoporosos (C1 y W2). El primer enfoque tuvo uno de los mayores desempeños en la adsorción de los productos de oxidación, mientras que el segundo mostró resultados similares comparado con el resultados de los materiales nanoporosos individuales.

Con el fin de limitar la cantidad de material residual libre en el aceite, se utilizaron diferentes presentaciones sólidas de los adsorbentes para el tratamiento de las muestras. Estas formas se adhieren físicamente al material mediante la ayuda de un aglutinante, lo cual también ayuda a incrementar el tamaño de los posibles residuos para una remoción más efectiva en los filtros normales. El uso de adsorbentes preformados por extrusión y en forma de pellets mostró una elevada estabilidad mecánica durante el tratamiento de las muestras de aceite. Sin embargo, se observó que la remoción de los productos de oxidación y agua fue mucho más eficiente cuando el aceite se trató con los materiales en forma de polvo que con los formados por extrusión, debido a la mayor superficie de contacto.

En resumen, la depuración de agua y de productos de oxidación del aceite con materiales nanoporosos fue llevada a cabo satisfactoriamente. El aceite obtenido mostró características de un alto grado de depuración. El control de la temperatura y el tiempo de tratamiento, conjuntamente con la cantidad de adsorbente utilizado fueron motivo de investigación durante la realización de este trabajo. El ajuste preciso de estos parámetros, así como las propiedades químicas de los adsorbentes, hizo posible las remociones individuales o simultaneas de los productos de oxidación y de agua residual en cualquier estado de oxidación, sin la influencia del contenido de aditivos en las formulaciones de los aceites. Además, fue posible controlar el grado de oxidación durante el proceso de oxidación mismo del aceite.

Todas estas características, junto con la inercia química y la habilidad para regenerarse de los materiales empleados, hacen que la depuración del aceite usando materiales nanoporosos sea un proceso efectivo y amigable con el ambiente.

En la actualidad se está investigando un nuevo sistema de filtración elaborado con dos tipos de compuestos activos, por ejemplo, adsorbentes hidrofóbicos e hidrofílicos, que sean capaces de atrapar moléculas de productos de oxidación y agua al mismo tiempo.

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