Actividad del Agua (aw) en Aceites: Análisis Técnico para Prevenir Formación de Agua Libre
Introducción
Parámetros de Saturación Hídrica en Aceites Industriales: El Rol de la Actividad del Agua (aw)
En sistemas lubricantes e hidráulicos, la capacidad de un aceite para disolver agua está determinada por su punto de saturación, definido como la concentración máxima de agua que puede mantener en fase disuelta. Superado este umbral, el excedente hídrico se segregará como agua libre, constituyendo una fase independiente que, dada la menor densidad de la mayoría de los aceites, tiende a estratificarse en la zona inferior del sistema.
El punto de saturación de un aceite depende de múltiples factores, como:
- Composición de su base (mineral o sintética).
- Tipo de aditivos presentes.
Además, el punto de saturación varía durante la vida útil del aceite debido a:
- Fluctuaciones de temperatura.
- Cambios en su composición química (por formación de subproductos en reacciones químicas dentro del sistema dinámico).
Definición de Actividad del Agua (aw)
La actividad del agua (aw) es un parámetro termodinámico adimensional que indica la relación entre la presión parcial de vapor de agua en el aceite (p) y la presión de vapor de agua pura (p0) a la misma temperatura:
Interpretación técnica:
aw = 1 Aceite saturado (equilibrio con agua libre).
aw < 1 Aceite subsaturado (capacidad de absorber más agua).
Limitaciones del método ppm como Medida de Humedad
La ppm (partes por millón) es un parámetro absoluto que cuantifica la relación masa/volumen (concentración) de agua en aceite:
- Por volumen: 1 ppm(v)agua = 1 ml de agua / 1 m³ de aceite.
- Por masa: 1 ppm(m)agua = 1 g de agua / 1000 kg de aceite.
Sin embargo, el método que usa ppm tiene una limitación crítica: no considera las variaciones en el punto de saturación del aceite. En sistemas dinámicos, esto impide saber cuán cerca está la humedad del límite de saturación, aumentando el riesgo de formación de agua libre.
Ejemplo Técnico: Impacto de la Temperatura
- Aceite a 70°C:
- Punto de saturación: 5000 ppm.
- Humedad medida: 2000 ppm → Margen de seguridad: 3000 ppm.
- Aceite a 30°C:
- Punto de saturación: 3000 ppm (↓40% por temperatura).
- Humedad medida: 2000 ppm → Margen de seguridad: 1000 ppm.
- ⚠️ Riesgo: Un operador que solo mida ppm no detectaría la reducción del margen, aunque el riesgo de agua libre aumente un 60%.
- Degradación del aceite (1 año después):
- Punto de saturación: 1500 ppm (↓50% por envejecimiento químico).
- Humedad medida: 2000 ppm → Agua libre: 500 ppm.
Solución: Medición de Actividad del Agua (aw)
Ventajas Clave:
- Sensibilidad a cambios en el punto de saturación.
- Detecta variaciones por temperatura, degradación química o entrada/salida de agua.
- Indica el margen real hasta la saturación, incluso en sistemas dinámicos.
Metodología para Calcular Actividad del Agua (aw) en Campo
Paso 1: Medir humedad absoluta (ppm) con sensores capacitivos o FTIR.
- PPM significa “partes por millón”. Es una unidad de medida que se utiliza para expresar la concentración de una sustancia en una mezcla, especialmente en bajas concentraciones. En otras palabras, indica cuántas partes de una sustancia hay por cada millón de partes de la mezcla.
Espectrometría infrarroja por transformada de Fourier (FTIR):
- Este método mide la absorción de luz infrarroja por parte del aceite, lo que permite identificar y cuantificar la presencia de agua.
Paso 2: Determinar saturación actual usando curvas TT- AW del fabricante.
- Saturación de agua (Sw):
- Es el porcentaje de espacio poroso en un material ocupado por agua. Por ejemplo, Sw de 0.5 significa que el 50% del espacio poroso está lleno de agua.
- Curvas TT-AW:
- Estas curvas muestran cómo la permeabilidad relativa del agua (kw/w) y la permeabilidad relativa del aceite (ko/w) cambian a medida que aumenta la saturación de agua (Sw).
- Permeabilidad relativa:
- Es la relación entre la permeabilidad de un fluido (agua o aceite) en un medio poroso en condiciones de saturación parcial y su permeabilidad en condiciones de saturación total.
Paso 3: Calcular margen de seguridad:
Margen = Saturación(T)−Humedad(ppm)
Caso de fallo: Si Actividad del Agua (aw) ≥0.8, riesgo alto de corrosión/contaminación.
Factores Determinantes del Punto de Saturación
La capacidad hidrosolubilizante de un aceite está influenciada por:
- Naturaleza de la Base Lubricante:
- Aceites minerales (parafínicos/nafténicos) vs. sintéticos (PAO, ésteres, siliconas).
- Polaridad molecular y configuración estérica, que afectan la afinidad por moléculas de H₂O.
- Paquete de Aditivos:
- Antioxidantes, detergentes y agentes anti-desgaste modifican la microestructura del fluido.
Variabilidad Dinámica del Punto de Saturación
Durante su ciclo operativo, el aceite experimenta cambios que alteran su capacidad de retención hídrica:
- Oscilaciones Térmicas: La solubilidad del agua en aceite decrece ≈2.5% por cada descenso de 10°C (relación inversamente proporcional a la temperatura).
- Degradación Química Progresiva:
- Oxidación de hidrocarburos → formación de ácidos carboxílicos y cetonas.
- Hidrólisis de aditivos → generación de compuestos polares que alteran la actividad acuosa.
Estos fenómenos transforman progresivamente la matriz fluida, reduciendo su capacidad de mantener agua en solución y aumentando el riesgo de formación de emulsiones o corrosión localizada.
Ventajas de Monitorear Actividad del Agua (aw) en Sistemas Dinámicos
✔ Detección temprana de cambios en saturación (ej.: degradación de aditivos).
✔ Optimización de sistemas de deshidratación:
- Punto de rocío objetivo: aw<0.6
✔ Cumplimiento con normativas: - ISO 4406:2021 (contaminación por agua en aceites hidráulicos).
- ASTM D4378-13 (pruebas de estabilidad hidrolítica).
Implementación Práctica
Equipos Recomendados:
- Higrómetros dieléctricos: Miden Actividad del Agua en tiempo real (rango: 0.1-1.0).
- Sensores híbridos: Combinan ppm y aw para correlacionar datos históricos.
Fórmula de Correlación Empírica (para aceites minerales no degradados):
Tabla de Referencia Rápida
Condición del Aceite | aw | Riesgo | Acción Recomendada |
aw<0.3 |
| Corrosión despreciable | Monitoreo rutinario |
0.3≤aw<0.7 | Medio | Posible emulsificación | Filtrado/Deshidratación |
aw≥0.7 | Alto | Agua libre inminente | Cambio de aceite urgente |
⚡ Conclusión
La Actividad del Agua (aw) supera al método ppm al integrar variables dinámicas (temperatura, degradación química) en la evaluación de riesgo de agua libre. Su implementación en sistemas críticos (turbinas, compresores) reduce fallos por corrosión y emulsificación en un 40-60% (datos basados en estudios de caso de ASTM).
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Enlaces Técnicos
- ISO 4406:2021: Normativa de clasificación de contaminación.
ASTM D4378-13: Métodos para determinar estabilidad hidrolítica.