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AG
GU
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A
Introducción
Se ha prestado considerable atención en la inhibición de formación de
cristales así como en la modificación de los cristales en sistemas acuosos
debido a los cambios que permanentemente existen en tratamientos de
aguas industriales para bajar los costos operativos.
Históricamente, se ha trabajado con una determinada concentración de
sales para evitar así la precipitación de ellas de manera que la purga de
agua y el agua de reposición en los sistemas sean mínimos.
Una forma es alterando las cinéticas de precipitación y otra es
modificando la estructura de los cristales de las sales minerales agregando
polímeros sintéticos solubles en agua. El agregado de estos polielectrolitos
debe cumplir con el cuidado responsable del medio ambiente.
Desde la década del sesenta, ha ido creciendo el uso de este tipo de
polímeros sintéticos, desarrollándose en los últimos años una nueva
generación de polielectrolitos. Hemos encontrado que los polielectrolitos
que contienen en su molécula ácido maleico y ácido acrílico son efectivos
para inhibir las incrustaciones de carbonato de calcio.
Necesidad de Desarrollar Nuevos Polímeros
Para que un nuevo polímero tenga éxito comercial en el Mercado Actual de
Tratamiento de Aguas debe tener un bajo costo operativo. En general,
donde haya carbonato de calcio, el polielectrolito tradicionalmente
utilizado es el ácido poliacrílico o su sal, debido a su bajo costo.
Pero últimamente ha aumentado su costo debido a la crisis mundial del
petróleo, es así que los investigadores han buscado distintas alternativas
incorporando nuevos monómeros en la copolimerización del ácido acrílico
para abaratar el costo sin descuidar la efectividad.
También se ha buscado, en especial, en tratamiento de aguas de circuitos
de enfriamiento y calderas utilizar polielectrolitos que sean estables en
formulaciones con otros compuestos que cumplen distintas funciones,
como ser aditivos anticorrosivos, sustancias que ajustan el pH y
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secuestrantes de oxígeno debiendo el producto obtenido ser estable
durante varios meses.
Mecanismos de Inhibición de Incrustación
El mecanismo de inhibición de incrustación se determina por la relación
entre las velocidades de las etapas intermedias de nucleación y el
crecimiento nuclear de partículas.
El término nucleación se refiere a la formación espontánea de partículas
microcristales) de iones disueltos tales como pequeños
microscópicas (m
cristales de carbonato de calcio que están presentes como iones carbonato
y calcio.
Estos pequeños cristales pueden desintegrarse o bien pueden reagruparse
en nuevos nucleamientos e ir aumentando de tamaño y así sucesivamente
hasta alcanzar un tamaño crítico conocido como macrocristales que son
estables, no se desintegran y continúan creciendo formando estructuras
cada vez mayores formando las incrustaciones.
El mecanismo de inhibición de incrustaciones se describe a través de los
siguientes términos:
Efecto Umbral
Inhibición – Ruptura de la Estructura Cristalina – Estabilización
Dispersión
Los productos comercialmente disponibles juegan a través de estos
efectos en mayor o en menor medida, sin embargo el factor
preponderante es la naturaleza química del producto.
1. Los productos a base del ácido poliacrílico o de sus sales poseen
propiedades de estabilización promedio con un buen efecto dispersivo.
2. Los productos basado en fosfonatos tienen un buen efecto de
estabilización pero bajo poder de dispersión.
3. Los terpolímeros variando la proporción de los distintos monómeros
alcanzan un muy alto poder de dispersión y de estabilización así como
también permiten con alta concentración de sales.
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Efecto Umbral
El efecto umbral se refiere a la sobresaturación de una solución, por
ejemplo, el carbonato de calcio permanece estable por un largo tiempo sin
mostrar precipitación visible cuando se agrega la cantidad necesaria de
polielectrolito.
Hay una solución sobresaturada de carbonato de calcio presente con una
cantidad suficiente de antiincrustante. Tanto los iones carbonatos como
los iones calcio forman carbonato de calcio microcristalino insoluble que se
cubre inmediatamente de las moléculas de antiincrustante por adsorción
sobre la superficie.
Estas partículas muy pequeñas e insolubles son dispersadas por el
antiincrustante y previene su posterior crecimiento. La cantidad disuelta
de carbonato de calcio puede ser inferior a la concentración de saturación
con el consiguiente resultado que no se forman más partículas.
Inhibición
El efecto de un inhibidor de incrustación se basa en la ruptura de la
estructura, modifica las cinéticas de crecimiento y el posterior crecimiento
nuclear previniendo la incrustación. La tendencia a aglomerarse de los
cristales disminuye. Tradicionalmente se utilizan los poliacrilatos y los
fosfonatos para cumplir esta función.
Como se explica este fenómeno. La dureza de las incrustaciones depende
pura y exclusivamente de la extensión y el grado de extensión de la
estructura cristalina. En el grado de microcristalización, los inhibidores de
incrustación (antiincrustantes) son capaces de modificar el crecimiento de
los cristales ya que cubren la superficie de los cristales en una
determinada posición de la estructura impidiendo el crecimiento de los
cristales formando cristales que no tienen forma puntiforme sino
redondeada impidiendo así la formación de nuevas capas de cristales
sobre los ya formados. La estructura formada es quebradiza, fácilmente
removible ya que no se adhiere a las paredes.
Dispersión
Los mecanismos de dispersión dependen del medio ( generalmente agua)
y de las sustancias a dispersar, pero no obstante siempre se basa en la
adsorción del polielectrolito sobre las partículas a dispersar.
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Si las partículas son hidrofílicas tales como el carbonato de calcio o el
óxido de hierro, tienden a dispersarse, la estabilización se basa en la
construcción de una doble capa eléctrica entre la partícula y el
polielectrolito ( ácido poliacrílico o sus sales). Como las partículas tienen la
misma carga, se repelen unas con otras. Así la dispersión es estabilizada
por cargas.
En el caso de dispersión de partículas hidrófobas o no-iónicas, tales como
suciedades, hollín, el efecto se basa en la estabilización histérica.
A través de la adsorción de polímeros de cadena larga sobre la superficie
de partículas disminuyen las fuerzas de atracción entre partículas (Van
Der Waals), estabilizándose así la dispersión.
Terpolímero
El diseño del terpolímero no sólo cumple con los tres términos anteriores
que influyen sobre las incrustación sino también que trabajan en las
siguientes condiciones:
Alto valor de pH
Elevada fuerza iónica
Elevada alcalinidad de carbonatos
Elevada dureza
El terpolímero se obtiene mediante polimerización por radicales libres
variando las proporciones de los tres monómeros que intervienen en la
polimerización dos de los cuales son el ácido acrílico y el ácido maleico con
un tercer monómero entrelazante. Las reacciones se llevan a cabo en
reactores tipo batch hasta alcanzar el peso molecular adecuado al uso en
Tratamiento de Aguas de Circuitos de Enfriamiento y en Calderas.
El terpolímero cumple con las tres funciones siguientes:
Inhibición – Estabilización: debido a la transformación de la
estructura cristalina a otra forma más estable e inhibida.
Efecto Umbral: se aumenta el grado de solubilidad de las sales que
forman las incrustaciones permitiendo trabajar en ciclos de
concentración de sales más altos.
Dispersión: las moléculas del terpolímero envuelven a las partículas
de cristales, previniendo de este modo la aglomeración y convergencia
de nuevos cristales.
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Gráficos Comparativos de Secuestrantes:
Terpolímero versus fosfonato y versus poliacrilato
90%
Terpolímero vs.
Fosfonato
1000 ppm de
dureza cálcica
50 º C pH 11,5
% de secuestramiento
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
0
2
4
6
8
DM 1409
Fosfonato
Dósis en ppm base seca
Terpolímero vs.
Poliacrilato
1000 ppm de
dureza cálcica
50 º C pH 11,5
70%
% de secuestramiento
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
0
2
4
6
8
Dósis en ppm base seca
90%
Terpolímero vs.
Fosfonato
1000 ppm de
dureza cálcica
70 º C pH 11,5
80%
% de secuestramiento
DM 325
DM 1409
70%
60%
50%
40%
30%
20%
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0
2
4
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Dósis en ppm base seca
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DM 1409
Fosfonato
5
Terpolímero vs.
Poliacrilato
1000 ppm de dureza
cálcica
70 º C pH 11,5
80%
% de secuestramiento
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
0
2
4
6
DM 325
DM 1409
8
Dósis en ppm base seca
Curvas de Secuestro para un agua de 1000 ppm de
dureza com o CaCO3 a pH = 11,5
80%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
0
1
2
3
4
5
6
7
70 ºC
50 ºC
8
Dósis en ppm del DM 1224 en base seca
Curvas de Secuestro para un agua de 1000 ppm de
dureza com o CaCO3 a pH = 11,5
80%
70%
% de secuestro
% de secuestro
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
0
1
2
3
4
5
6
7
Dósis en ppm del DM 1224 en base seca
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8
70 ºC
50 ºC
6
Curvas de secuestro para un agua de 1000 ppm de
dureza com o CaCO3 a pH = 11,5
60%
% de secuestro
50%
40%
30%
20%
10%
0%
70 ºC
0
1
2
3
4
Dósis en ppm del DM 1526 en base seca
50 º
Curvas de secuestro para un agua de 1000 ppm de
dureza com o CaCO3 a pH = 11,5
80%
% de secuestro
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
0
1
2
3
4
Dósis del DM 1525 en ppm en base
5
70 º C
50 º C
Curvas de secuestro para un agua de 1000 ppm de
dureza com o CaCO3 a pH = 11,5
80%
% de secuestro
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
0
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5
6
7
Dósis del DM 1409 en ppm base seca
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70 º C
50 º C
7
Curvas de secuestro para un agua de 1000 ppm de
dureza com o CaCO3 a pH = 11,5
90%
% de secuestro
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
0
2
4
6
Dósis de fosfonato en ppm base seca
8
70 º C
50 ºC
Autor: Ing. Alejandro G. Shocrón
CAHESA S.A.
[email protected]
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