Introducción

Las propiedades de los polvos secos y húmedos pueden ser tan distintas como las de la tiza y el queso. La absorción de incluso pequeñas cantidades de humedad puede transformar las propiedades del polvo, por lo que la humedad y su impacto son un problema crítico para los procesadores de polvo. Aunque se pueden tomar medidas para controlar el nivel de humedad, por ejemplo secando el material antes de procesarlo o almacenándolo en condiciones bien definidas, la aplicación rentable de tales medidas depende de que se identifique cuándo son realmente necesarias. Un control inadecuado de la humedad puede ser una fuente importante de ineficacia del proceso, pero un control innecesario simplemente añade gastos.

Está muy extendida la idea errónea de que cualquier humedad empeora las propiedades del polvo, pero en la práctica todos los materiales responden de forma diferente. Este artículo examina métodos eficaces para cuantificar el impacto de la humedad y presenta datos ilustrativos de la piedra caliza y la celulosa microcristalina, dos polvos muy diferentes de gran importancia industrial. Los resultados demuestran que la caracterización multifacética del polvo ofrece una visión completa del efecto de la absorción de humedad, lo que proporciona una base sólida sobre la que desarrollar estrategias eficaces para el control de la humedad.

Herramientas para la caracterización de polvos

Un primer paso para evaluar el impacto de la humedad en el rendimiento del procesamiento del polvo es identificar las técnicas analíticas que generan datos relevantes y apropiados. Existen muchos métodos de análisis de polvo en uso, pero para los estudios de optimización de procesos es más productivo centrarse en aquellos métodos capaces de generar datos sensibles y reproducibles que se correlacionen de forma fiable con el rendimiento del proceso.

El perfeccionamiento de ciertas técnicas tradicionales de ensayo de polvos, como la medición del cizallamiento y de las propiedades del granel, mediante el uso de instrumentación y metodologías modernas, las ha hecho más fiables y reproducibles y, en consecuencia, más informativas para este tipo de estudios. Sin embargo, más recientemente, el desarrollo de los ensayos dinámicos del polvo ha traído consigo la posibilidad de realizar una serie de ensayos complementarios que proporcionan información más detallada sobre el comportamiento del polvo.

La caracterización dinámica consiste en medir las fuerzas axiales y rotacionales que actúan sobre una cuchilla cuando atraviesa una muestra siguiendo una trayectoria helicoidal fija. Los valores de energía de flujo resultantes son una cuantificación directa de la fluidez del polvo. La caracterización dinámica de alta sensibilidad tiene la clara ventaja de permitir la medición de polvos en estados consolidados, acondicionados y aireados, o incluso fluidificados, lo que permite la investigación directa del impacto del aire.

El siguiente estudio experimental ilustra cómo la medición de una serie de propiedades del polvo ayuda a comprender en detalle las respuestas tan diferentes a la humedad que presentan la piedra caliza [BCR116, Comisión Europea] y la celulosa microcristalina (MCC) [PH200, FMC].

Comparación del impacto de la humedad en la MCC y la caliza

La cantidad de humedad absorbida y adsorbida por los polvos varía enormemente. Sin embargo, para los procesadores de polvo, la forma en que esa humedad afecta al comportamiento del polvo suele ser lo más crítico. En las pruebas realizadas para comparar el impacto de la humedad en el MCC y la piedra caliza, se observó que las propiedades de sorción de los dos materiales eran muy diferentes: el MCC absorbía un orden de magnitud más de agua que la piedra caliza cuando se dejaba equilibrar en entornos de humedad relativa controlada. Sin embargo, como demostraron pruebas posteriores, el comportamiento de ambos materiales se vio alterado significativamente por su exposición a la humedad.

La figura 1 muestra una colección de datos dinámicos y a granel que ilustran cómo varía el comportamiento de la piedra caliza y el MCC en función de la humedad. Todos estos datos se adquirieron utilizando un reómetro de polvos FT4 Powder Rheometer® (Freeman Technology, Tewkesbury, Reino Unido), un comprobador de polvos altamente automatizado que incorpora metodologías de ensayo dinámico, de cizallamiento y de granel. [1,2]. La referencia 1 ofrece una descripción completa de las metodologías aplicadas. En conjunto, estos datos cuantifican el impacto de la humedad de una forma relevante para el proceso. Además, apoyan el desarrollo de una justificación para el comportamiento observado.

Celulosa microcristalina

En la figura 1, las dos curvas que muestran los datos dinámicos del HCM -la de la energía básica de fluidez (EBC) y la de la energía de aireación (EA)-, aunque bastante diferentes, se hacen eco una de otra en cuanto a la exhibición de una energía mínima de fluidez. Ambas indican, por tanto, que la humedad mejora las propiedades de fluidez del HCM hasta cierto punto, a partir del cual se produce un deterioro de la fluidez.

Durante el estudio, se observó que la muestra de MCC cubría la pared interior del recipiente de almacenamiento de vidrio antes de la prueba, lo que sugiere una tendencia a la carga electrostática, y proporciona una idea de por qué el polvo podría mostrar el comportamiento que tiene. Si el elevado valor de BFE de la muestra más seca se debe a la interacción electrostática entre las partículas, el aumento del nivel de humedad podría provocar una reducción del BFE por descarga de la muestra.

El aumento constante del BFE a partir de un cierto nivel de humedad es un patrón más comúnmente observado y es atribuible a que el material adsorbe suficiente humedad como para empezar a aglomerarse debido al aumento de la adhesión y de las fuerzas capilares entre las partículas. Las partículas grandes, o aglomerados, pueden presentar una resistencia significativa al tipo de patrón de flujo de compactación aplicado en las pruebas de BFE y, por lo tanto, suelen asociarse a valores de BFE elevados en comparación con polvos más finos y cohesivos cuyas estructuras contienen más espacios vacíos (véase la figura 2).

Durante las pruebas de aireación, la capacidad del aire para separar las partículas y reducir la energía de flujo depende de nuevo tanto de las fuerzas electrostáticas como de las fuerzas adhesivas mecánicas que actúan entre ellas. Sin embargo, en este caso es evidente que la aglomeración influye más en el comportamiento, debido a la mayor masa y tamaño del aglomerado y al aumento de las fuerzas adhesivas. Las diferentes formas de las dos curvas dinámicas se explican, por tanto, por la idea de descarga de la muestra y posterior aglomeración.

Esta formación de aglomerados da lugar a grandes espacios vacíos dentro del lecho de polvo, una tendencia que se refleja en el aumento constante de la permeabilidad observado en las pruebas de propiedades a granel. Los lechos con partículas grandes y espacios vacíos considerables, aunque son difíciles de fluidificar, presentan una resistencia relativamente baja al flujo de aire y, por tanto, se asocian a una permeabilidad más elevada.

Por otra parte, la compresibilidad, y de hecho la densidad aparente (datos no mostrados), cambiaron muy poco en toda la gama de contenidos de humedad estudiados, lo que sugiere que, con este polvo, el comportamiento de empaquetamiento no es un factor importante con respecto a los cambios inducidos por la humedad. Esto pone de manifiesto una limitación del uso de las mediciones de densidad aparente para inferir información sobre los cambios en el comportamiento de flujo, ya que estos dos parámetros pueden, o como en este caso, pueden no estar directamente correlacionados. Los datos del ensayo de cizallamiento (no mostrados) para este material fueron igualmente insensibles a los cambios inducidos por el aumento del contenido de humedad, lo que subraya aún más la necesidad de elegir estrategias de ensayo óptimas para cualquier investigación dada.

Una última observación importante que hacer sobre el MCC es que presenta estos cambios en la fluidez y otros parámetros en una gama de condiciones que son industrialmente relevantes, a través de la gama del 25-50% de humedad relativa que podría representar fácilmente las condiciones ambientales. Esto sugiere que el MCC podría presentar fácilmente características de fluidez variables cuando se manipula en un entorno industrial.

Piedra caliza

Con un tamaño de partícula de sólo 4 micras, la muestra de piedra caliza es un polvo mucho más fino y cohesivo que el MCC, más grueso (180 micras). En el caso de la piedra caliza, los dos conjuntos de datos dinámicos son a primera vista incoherentes, una tendencia constante al alza en la BFE y variabilidad en las pruebas de aireación. Sin embargo, un vistazo a la escala del gráfico de permeabilidad de la caliza indica por qué las pruebas de aireación pueden haber producido esos datos.

La piedra caliza tiene una permeabilidad muy baja debido al tamaño fino de sus partículas. Aunque la permeabilidad parece cambiar con el contenido de humedad, en términos absolutos estos cambios son muy pequeños, siendo la permeabilidad extremadamente baja en todos los niveles de humedad. Esto significa que las muestras de piedra caliza se resistirán sustancialmente a la aireación y que el aire que fluye hacia arriba tenderá a canalizarse a través de la superficie, en lugar de promover una fluidización constante. Por lo tanto, la introducción de aire tiene un impacto limitado y variable en la energía de flujo, y el alcance y la influencia de la canalización varían erráticamente con el contenido de humedad.

Volviendo a los datos de BFE, estos muestran una tendencia constante al alza con la humedad, lo que sugiere que el agua está haciendo que la piedra caliza sea más adhesiva, actuando como aglutinante, formando enlaces líquidos y creando pequeños aglomerados. Volviendo a los datos de compresibilidad, incluso pequeños cambios en el contenido de humedad parecen tener un efecto significativo, la compresibilidad aumenta constantemente con el contenido de humedad, una tendencia que es totalmente coherente con esta propuesta de aumento de la aglomeración.

En general, los polvos más cohesivos tienden a asociarse con valores de compresibilidad elevados. Esto se debe a que las elevadas fuerzas interparticulares entre las partículas cohesivas promueven la formación de aglomerados sueltos que arrastran aire, creando así un lecho que puede comprimirse significativamente. En cambio, en los polvos menos cohesivos, las partículas pueden moverse más fácilmente unas respecto a otras y tienden a empaquetarse estrechamente, lo que dificulta la compresión posterior del lecho. La densidad aparente también se ve influida por el empaquetamiento de las partículas, por lo que el aumento de la cohesividad también suele ir asociado a una reducción de la densidad aparente. En estas pruebas, la densidad aparente (datos no mostrados) de la caliza disminuyó progresivamente con el aumento del contenido de humedad, un resultado que es coherente con un aumento constante de la cantidad de aire atrapado en el lecho y el aumento de la compresibilidad.

Al igual que en el caso del MCC, los datos de cizallamiento recogidos para la caliza (no mostrados) reflejaban esta tendencia general en el comportamiento del flujo. Sin embargo, al igual que en el caso del MCC, otros parámetros cuantificaron de forma más sensible el impacto de la humedad en las propiedades y, por tanto, en este caso, representaron una opción más adecuada para el estudio.

Conclusión

Para gestionar con precisión el impacto de la humedad en el rendimiento del proceso es crucial cuantificar y comprender cómo afecta la humedad adsorbida a las propiedades del polvo. Este estudio experimental del CCM y la piedra caliza ilustra cómo la medición de determinados datos de propiedades dinámicas y a granel puede proporcionar la información necesaria y subraya algunas cuestiones importantes para quienes inviertan en estrategias de ensayo de polvos para investigar esta cuestión.

En primer lugar, los datos muestran que las propiedades de sorción de un material no son un indicador fiable de la magnitud de los cambios asociados en las propiedades del polvo. Incluso si un material absorbe cantidades relativamente pequeñas de humedad, como es el caso de la piedra caliza, pueden transformarse importantes propiedades del polvo, como la compresibilidad y la permeabilidad.

En segundo lugar, los resultados demuestran la eficacia de un enfoque polifacético de la caracterización del polvo, ya que es en combinación como los resultados revelan la historia completa de cómo afecta exactamente la humedad al polvo. Y por último, el estudio presenta algunos datos firmes que desmienten la idea de que toda la humedad es perjudicial para el comportamiento del polvo. Por ejemplo, la fluidez del MCC mejoró al aumentar el contenido de humedad en determinadas condiciones, posiblemente debido a la capacidad del agua para disipar la carga electrostática acumulada.

Lo que está claro es que pequeños cambios en el contenido de humedad pueden tener un efecto significativo en el comportamiento del polvo, incluso con polvos hidrófobos, dando lugar a efectos que no son ni lineales ni predecibles. Por lo tanto, es esencial disponer de estrategias de ensayo adecuadas para comprender realmente el efecto de la humedad en el procesamiento del polvo.

Referencias

1. Freeman R. "Measuring the flow properties of consolidated, conditioned and aerated powders - A comparative study using a powder rheometer and a rotational shear cell", Powder Technology 174 (2007) 25-33.
2. Storage and flow of solids, Boletín 123 de la Estación Experimental de Ingeniería de Utah, noviembre de 1964 (revisado en 1980), A.W.Jenike, Universidad de Utah.