Seleccionar el Desecante Adecuado

 

Ingenieros de empaquetado enfrentan distintos variables para seleccionar absorbentes de humedad, en parte porque el control de la humedad es un desafío multifacético.  Hay cuatro fuentes de contaminación de agua en un contenedor o paquete cerrado: 1) vapor de agua en el aire dentro del paquete; 2) vapor de agua absorbida por los materiales dentro del paquete; 3) vapor de agua en las paredes del paquete; y 4) el vapor de agua que entra a través del paquete.

Históricamente, los desecantes se seleccionan a través de probarlos en situaciones en las cuales se van a utilizar (comúnmente conocido como prueba y error).  Pruebas formales pueden ser costosas en tiempo y dinero, y el propósito de este artículo es de proporcionar información básica sobre los desecantes actualmente disponibles y sus propiedades.  Esto ayudará al ingeniero que haga mejores selecciones más informadas y que reduzca el número de variables que tienen que tratarse durante las pruebas.

El Departamento de Defensa de los EEUU ha desarrollado especificaciones para eliminar corrosión y moho a través de la adsorción de humedad en el aire dentro de un espacio cerrado. La especificación más común es MIL-D-3464C, la cual cubre el uso de desecante embolsados para deshumidificación estática y en paquetes. Este documento crea una norma uniforme de comparación en una gran variedad de áreas:  capacidad y rapidez de adsorción, características de desempolvamiento del paquete, resistencia y corrosividad del paquete, y el tamaño de la partícula del desecante.

El Departamento de Defensa también ha publicado la especificación MIL-P-116 para la limpieza, secado, preservación y empaquetamiento de artículos, equipo y materiales para la protección contra corrosión, daño mecánico y físico, y otras formas de deterioro.

Desde hace mucho tiempo, el MIL-D-3464 y el MIL-P-116 han sido la única fuente objetiva para ingenieros de empaquetado.  La fortaleza de estas especificaciones es en el determinar una unidad de capacidad para secar uniforme, permitiéndonos comparar la eficacia del desecante en una escala común.  Sin embargo, las especificaciones no tratan específicamente con variables, como el ambiente y empaquetado del producto y el tipo de desecante que es adecuado para cierta necesidad.  Otros factores importantes son definidos pero no aplicados: forma de empaquetar el desecante, rapidez capacidad de absorción.

Estas especificaciones parecen ser las únicas existentes que comparan los desecantes seleccionados para cumplir con las normas del Departamento de Defensa.  Como resultado, el ingeniero no puede seleccionar con la confianza de escoger el desecante más adecuado para cada aplicación.  Por lo tanto, el ingeniero debe de ir más allá de las especificaciones militares y hacer pruebas más reales del empaquetado considerado:  el ambiente y empaque del producto.

Ambiente
La temperatura, humedad relativa y otras consideraciones constituyen el ambiente del producto, el cual debe ser controlado para igualar las condiciones óptimas para la preservación y rendimiento del producto.  Antes de seleccionar el desecante adecuado, un ingeniero debe saber las condiciones que rodean el transporte y almacenaje del producto: duración, temperaturas extremas y humedades relativas a las cuales el producto estara expuesto. La medida más útil que combina la temperatura y la humedad relativa es el punto de condensación.

El punto de condensación es la temperatura en la cual el contenido del vapor de agua en el aire excede saturación y el exceso de agua se exprime, formando condensación.  El punto de condensación varía con la cantidad de vapor de agua en el aire.  Es bajo con aire seco y alto con aire saturado.  Por ejemplo, a 32°F (0°C), el aire no puede mantener más de 4.84 gm/m3 de vapor de agua; a 104°F (40°C) el aire no puede mantener más de 50.7 g/m3 de vapor de agua.  (Cuadro 1).

Un desecante eficaz absorberá el vapor de agua en el aire, bajando la humedad relativa al punto de que el agua no puede condensarse.

Paquete del Producto
El contenedor en el cual el producto se va a empaquetar, enviar y almacenar es vital en determinar cuanto desecante es necesario y en que forma.  Antes de empezar el proceso de seleccionar un absorbente, un ingeniero debe determinar el tamaño del contenedor basado en la flexibilidad de la estructura de la pared del contenedor.

Proceso de selección
El ingeniero debe, hasta este punto, determinar lo siguiente: condiciones de la integridad máxima del producto; tamaño y tipo de contenedor que se usará; condiciones actuales (temperatura y humedad relativa).  Comparando las propiedades y capacidades de cada producto desecante, el ingeniero puede identificar el desecante adecuado y hacer una elección clara.

Las Figuras 1 y 2 muestran la rapidez de absorción (que tan rápido un desecante absorbe vapor de agua dentro del paquete) y la capacidad de absorción (cuanto vapor de agua es absorbido para alcanzar un equilibrio en varias humedades relativas) de los cinco productos desecantes más comunes.  Estos son: arcilla montmorilonita, gel de silicio , tamiz molecular (zeolita sintética), sulfato de calcio y óxido de calcio.
El Cuadro 2 muestra las tendencias absorbentes de cada desecante, incluyendo la eficacia en temperaturas elevadas y concentraciones de vapor de agua extremas.  Un ingeniero puede utilizar estos cuadros para complementar mejor las descripciones de los desecantes principales que están disponibles en el mercado.

Arcilla Montmorilonita
Arcilla montmorilonita es un absorbente que surge en la naturaleza creado cuando se seca el silicato de aluminio de magnesio de tipo subentonita.  Esta arcilla se regenera para uso repetido en temperaturas muy bajas y sin deterioro o hinchazón.  Sin embargo, esta propiedad causa que la arcilla no absorba la humedad de inmediato dentro del contenedor mientras la temperatura suba.  Esta arcilla es barata y altamente eficaz dentro del rango normal de temperatura y humedad relativa (Cuadro 2).

Gel de Silicio (SiO2 * H2O)
Quizás el desecante más común, el gel de silicio es un tipo de silicio amorfo hecho de silicato de sodio y ácido sulfúrico.  Sus poros interconectados forman una superficie vasta que atrae y mantiene agua por absorción y condensación capilaria, permitiendo que el gel de silicio absorba cerca de 40% de su peso en agua.  Gel de silicio es extremadamente eficaz en temperaturas de bajo de 77°F (25°C) (vea Figuras 1 y 2), pero pierde su capacidad de absorción al paso que la temperatura suba, al igual que la arcilla (Cuadro 2). La popularidad del gel de silicio se debe a que no es corrosivo ni tóxico; algunos grados han recibido aprobación del gobierno estadounidense para uso en empaquetado de alimentos y medicinas.

Tamiz Molecular (Zeolita Sintética - Na12Al03SiO2 12XH2O)
El tamiz molecular contiene una red de poros cristalinos y huecos de absorción, los cuales crean una superficie interna de absorción de 700 a 800 gm2 (la mitad del volumen total de los cristales).  Debido a su estructura uniforme, el tamiz molecular no despide la humedad en el paquete tan fácilmente como el gel de silicio or arcilla al paso que la temperatura sube.  Ya que es sintético en vez de una sustancia natural, el tamiz molecular es más caro por unidad, pero como tiene una extremadamente gran variedad de capacidades de absorción, puede tener el mejor valor por el precio.  La falta de aprobación del gobierno ha limitado su uso extendido, presumiblemente debido a que la industria no está dispuesta a financiar investigaciones del gobierno.  Investigaciones independientes sugieren que el tamiz molecular cumple con todos los requisitos del gobierno.

Oxido de Calcio (CaO)
Oxido de calcio es lima calcinada o recalcinada y tiene una capacidad para absorber humedad por lo menos de 28.5% de su peso. Esta característica permite que una gran cantidad de vapor de agua se pueda absorber en humedades relativas bajas, en comparación con otros materiales (Cuadro 2). Es más eficaz cuando es necesario mantener baja la humedad relativa y cuando hay una concentración alta de vapor de agua presente.  Oxido de calcio se utiliza principalmente en el empaquetado de alimentos deshidratados.

Sulfato de Calcio (CaSO4)
Sulfato de calcio (mejor conocido comercialmente como Drierite®) es una alternativa barata de empaquetado dentro de los métodos disponibles. Sulfato de calcio es creado por la deshidratación controlada del yeso, actuando como desecante de uso general que se utiliza en aplicaciones de laboratorio.  Es químicamente estable, no se desintegra, no es tóxico ni corrosivo, y no suelta agua que haya absorbido cuando se encuentra en ambientes con altas temperaturas.

Su bajo costo debe compararse con su igualmente baja capacidad de absorción.  Absorbe solamente el 10% de su peso en vapor de agua Figura 2). El sulfato de calcio también tiene características de regeneración que tienden a limitar su utilidad. Aunque es disponible, normalmente no se vende en forma empaquetada.

El MIL-D-3464E detalla los métodos generalmente aceptados para determinar la cantidad de desecante embolsado requerido, basado en el tamaño y tipo del contenedor y la unidad básica del desecante como lo define la especificación militar.  Una unidad de desecante es definida como la cantidad de desecante que absorbe por lo menos 3 gramos de vapor de agua a 20% de humedad relativa y por lo menos 6 gramos de vapor de agua a 40% de humedad relativa a 77°F (25°C).  El Cuadro 3 proporciona una guía conveniente para ayudar a determinar cuantas unidades se necesitan.  Esto está basado en la siguiente formula:

Para contenedores flexibles: Unidades de desecante necesarias = 1.6 x A (en pies cuadrados) o 0.001 x A (pulgadas cuadradas) donde A = el área de la barrera en pulgadas o pies cuadrados.

Para contenedores rígidos:  Unidades de desecante requerido = K x V, donde K = 0.161 (en galones) o 0.0007 (pulgadas cúbicas) o 1.2 (pies cúbicos) y V = el volumen dentro del contenedor (en galones, pulgadas3 o pies3).

Cálculo: Para determinar la cantidad de desecante requerido:

(1) Identifique el tipo de contenedor.  ¿Es flexible (papel de aluminio o bolsa) o es rígido (tambo o cubo)?

(2) Calcule el tamaño de las paredes del contenedor en pies o pulgadas cuadradas si el contenedor es flexible;  calcule en galones, pies o pulgadas cúbicas si el contenedor es rígido.

(3) Determine el número de unidades requeridas usando el Cuadro 3 (gráfico 1) para contenedores flexibles o (gráfico 2) para contenedores rígidos.

(4) Escoja el tipo de desecante que cumpla con sus necesidades según las Figuras 1 y 2.

Cuando se calcula en número de unidades de desecante necesario, se deben considerar otros factores, como los materiales interiores para empaquetar y bloquear.

Un factor importante en la eficiencia del desecante elegido es el material de la bolsa del desecante.  Este material debe permitir que el desecante funcione sin dañar el producto.  Esto significa que tiene que mantener un ritmo de absorción aceptable y que cumpla con los requisitos del producto a prueba de polvo.

El ritmo de absorción del desecante elegido es afectado en gran parte por la transmisión del vapor de agua a través del material de la bolsa que contiene el desecante.  Esta es la medida de ganancia o pérdida del vapor de agua a través del paquete del desecante embolsado.

Por naturaleza, ciertos productos requieren una bolsa (la cual lleva desecante) que no suelte polvo para mantener su integridad.  Mientras se consideran los requisitos a prueba del polvo, el ingeniero de empaquetamiento puede encontrarse con otro problema:  el prevenir que el contenedor suelte polvo puede afectar adversamente la transmisión del vapor de agua.

La búsqueda de una solución ha conducido al desarrollo de un material de polietileno de alta densidad conocido comercialmente como Tyvek®.  Creado por DuPont, Tyvek parece papel encerado blanco con fuerza excepcional, manteniendo su forma y tamaño con cambios de humedad.  No permite que pase polvo al contenedor, es resistente a manchas, es a prueba de moho y no reduce la rapidez de absorción del desecante que mantiene dentro.  Debido a sus propiedades especiales, Tyvek es más caro que otros materiales comunes para el empaquetado del desecante.

Cuando Tyvek es sellado con laminación termoplástica (la cual requiere calor y presión), pierde parte de su permeabilidad.  AGM dispone de un proceso el cual sella la bolsa con calor a través de juntar Tyvek directamente con Tyvek sin algún efecto adverso.

Observe que algunos productos desecantes tiene funciones especializadas.  Por ejemplo, alúmina activada (un desecante muy poroso) es extremadamente eficaz en secar gases.  Carbón activado se ha utilizado extensamente por muchos años como absorbente de olores y gases tóxicos (se ha utilizado por mucho tiempo en máscaras militares de gas).  Otros, desde sales de metal a compuestos de fósforo, tienen propiedades específicas que se nos harían imposibles describir individualmente.  Frecuentemente, es el proveedor el que responde a las preguntas específicas de los ingenieros de empaquetado.  Si tiene preguntas o quisiera más información, favor de llamarle a uno de nuestros especialistas al 1-520-881-2130.  También puede contactarnos a través del formulario bajo Contáctenos.