La floculación es un proceso químico mediante el cual, con la adición de sustancias denominadas floculantes, se aglutinan las sustancias coloidales presentes en el agua, facilitando de esta forma su decantación y posterior filtrado. Es un paso del proceso de potabilización de aguas de origen superficial y del tratamiento de aguas servidasdomésticas, industriales y de la minería.
Los compuestos que pueden estar presentes en el agua pueden ser:
- Sólidos en suspensión;
- Partículas coloidales (menos de 1 micra), gobernadas por el movimiento browniano; y,
- Sustancias disueltas (menos que varios nanómetros).
Proceso[editar]
El proceso de floculación es precedido por la coagulación, por eso se suele hablar de los procesos de coagulación-floculación. Estos facilitan la retirada de las sustancias en suspensión y de las partículas coloidales:
- La coagulación es la desestabilización de las partículas coloidales causadas por la adición de un reactivo químico llamado coagulante el cual, neutralizando sus cargas electrostáticas, hace que las partículas tiendan a unirse entre sí.
- La floculación es la aglomeración de partículas desestabilizadas en microflóculos y después en los flóculos más grandes que tienden a depositarse en el fondo de los recipientes construidos para este fin, denominados sedimentadores.
Los factores que pueden promover la coagulación-floculación son el gradiente de la velocidad, el tiempo y el pH. El tiempo y el gradiente de velocidad son importantes al aumentar la probabilidad de que las partículas se unan y da más tiempo para que las partículas desciendan, por efecto de la gravedad, y así se acumulen en el fondo. Por otra parte el pH es un factor prominente en la acción desestabilizadora de las sustancias coagulantes y floculantes.
La solución floculante más adecuada a la naturaleza de los materiales en suspensión con el fin de conseguir aguas decantadas limpias y la formación de lodos espesos se determina por pruebas, ya sea en laboratorio o en el campo.
En la minería, los floculantes utilizados son polímeros sintéticos de alto peso molecular, cuyas moléculas son de cadena larga y con gran afinidad por las superficies sólidas. Estas macromoléculas se fijan por adsorción a las partículas y provocan así la floculación por formación de puentes interpartículas.
Tipos de floculación[editar]
Floculación iónica[editar]
Mediante la floculación iónica se modifican las moléculas disueltas en un fluido mediante la acción de los llamados floculadores iónicos, que son los elementos materiales compuestos por tubos de acero inoxidable, platao cobre, que conectados en su extremo a polos de corriente directa, positiva o negativa, generan la actividad iónica. Los floculadores iónicos sumergidos en el fluido producen un campo eléctrico de baja intensidad con actividad iónica constante, que incrementa la energía de los electrones de enlace; entonces, los átomos que componen las moléculas diluidas en el medio sufren un cambio en su estructura que las lleva a su forma más elemental, confirmando la teoría electrolítica de la disociación.
fosfatado o fosfatación es una forma de pasivación de una superficie metálica. En el mundo anglosajón se refieren a él como Phosphate Conversion Coating.
Los recubrimientos fosfatados son usados en piezas metálicas, principalmente de acero, para prevenir la corrosión, mejorar la lubricación en procesos de conformado o embutición, o como base para recubrimientos o pintados posteriores. Está basado en una solución de ácido fosfórico (H3PO4) y sales de fosfato que son aplicadas por aspersión o inmersión y que reaccionan químicamente con la superficie del metal para formar una capa o película cristalina de fosfato no soluble.
Los recubrimientos fosfatados pueden ser aplicados también en otros metales, como aluminio, cinc, cadmio y estaño.
Los principales tipos de fosfatos son de manganeso, hierro y zinc. El fosfato de manganeso se usa para prevenir la corrosión y mejorar la lubricación del metal y se aplica solo por inmersión. El fosfato de hierro se usa generalmente como base para recubrimientos posteriores y se aplica por inmersión o aspersión. El fosfato de zinc se usa como protector de oxidación y como capa base lubricante o capa base para recubrimientos posteriores y puede ser también aplicado por aspersión e inmersión.
Química del fosfatado[editar]
La aplicación del proceso de fosfatado en metales emplea el ácido fosfórico y se aprovecha de la baja solubilidad de los fosfatos en soluciones de pH medio-alto, y por tanto de su tendencia a la precipitación.
Se produce una reacción química entre el metal y el ácido fosfórico ( H3PO4 ). Ver Química del Ácido Fosfórico más abajo
Se consigue así la precipitación de las sales de fosfato disueltas, que se depositan en la superficie del metal.
Las sales de fosfato de hierro, cinc o manganeso se disuelven en la solución de ácido fosfórico. Cuando las superficies de hierro o acero son puestas en contacto con el ácido fosfórico, se produce una reacción química entre el ácido y el metal, que reduce localmente los cationes de hidronio H3O+ , incrementando el pH, y causando la precipitación de la sal disuelta sobre la superficie.
La reacción ácido-metal también genera localmente fosfato de hierro, que también es precipitable y susceptible de depositarse sobre la superficie.
En el caso de deposiciones de fosfato de cinc o fosfato de manganeso el fosfato de hierro adicional es generalmente considerado como una deposición no deseable.
La reacción de ácido y metal también genera gas de hidrógeno en forma de pequeñas burbujas que se adhieren a la superficie del metal.
El ácido fosfórico tiene numerosas aplicaciones en la industria. Es poco conocido que el ácido fosfórico es un ingrediente clave en las sodas Coca-Cola y Pepsi que les confiere el "picor" característico de su sabor.
Química del ácido ortofosfórico[editar]
El ácido fosfórico, denominado también como ácido ortofosfórico, es, en estado puro (anhidro), un sólido inorgánico, no tóxico, de color blanco y que funde a 42.35 °C para formar un líquido casi transparente y viscoso.
La molécula de ácido fosfórico es muy polar, por lo que es altamente soluble en agua. El estado de oxidación del fósforo (P) en orto- y otras formas fosfóricas es +5; el estado de oxidación de todos los átomos de oxígeno (O) es −2 y el de todos los átomos de hidrógeno(H) es +1.
Su carácter triprótico significa que una molécula de ácido ortofosfórico puede disociarse hasta tres veces, dando lugar a un átomo de hidrógeno libre, H+, cada vez, que generalmente se recombina con una molécula de agua, H2O, y produce un catión hidronio H3O+, como se muestra en las siguientes reacciones químicas:
- H3PO4(s) + H2O(l)
H3O+(aq) + H2PO4−(aq) Ka1= 7.25×10−3
- H2PO4−(aq)+ H2O(l) H3O+(aq) + HPO42−(aq) Ka2= 6.31×10−8
- HPO42−(aq)+ H2O(l) H3O+(aq) + PO43−(aq) Ka3= 3.98×10−13
El anión después de la primera disociación, H2PO4−, es dihidrógeno fosfato. El anión después de la segunda disociación, HPO42−, es hidrógeno fosfato. El anión después de la tercera disociación, PO43−, es fosfato u ortofosfato.
Por cada reacción de disociación mostrada arriba, existe una constante K, (constante de disociación ácida), llamadas respectivamente, Ka1, Ka2, y Ka3 y referidas a 25 °C.
Tipos de fosfatado[editar]
| Tipo de fosfato | Aplicaciones industriales |
|---|---|
| Fosfato de hierro | Previo pintura en talleres de automóvil, piezas industriales, electrodomésticos. |
| Fosfato de zinc | Líneas de deformación en frío de aceros planos y productos tubulares, trefilado de alambres y varillas. |
| Fosfato de zinc-calcio | Tratamiento previo al pintado industrial. |
| Fosfato de zinc-níquel | Tratamiento previo al pintado de bobinas de acero. |
| Fosfato tricatiónico | Tratamiento previo en líneas de acero plano para automóvil, línea blanca. |
| Fosfato de manganeso | Como tratamiento antifricción en roscas y transmisiones. |
Proceso típico de fosfatado[editar]
- Limpieza de la superficie del metal, mediante un lavado o enjuague con agua
- Activación de la superficie (mejora el propio proceso de fosfatado, no se aplica en todos los casos)
- Fosfatado
- Lavado Final
- Lavado de neutralización (opcional)
- Secado, para eliminar cualquier residuo de agua del lavado anterior.
- Aplicación de recubrimentos complementarios: cromatado, sellado, aceitado, etc.
Subproceso de activación[editar]
Esta etapa produce una activación ácida de la superficie metálica con objeto de predisponerla para una adecuada reactividad química en el subproceso de fosfatado siguiente. Se produce una fina capa de minúsculos cristales de fosfato que actúa como capa embrionaria de la cristalización posterior del verdadero fosfatado.
Este subproceso se puede conseguir tanto por inmersión como por aspersión y es necesario controlar el pH de la disolución y su alcalinidad.
A esta fase también se le suele denominar afinado porque permite la formación de cristales más pequeños (finos), posibilitando una mejor estructuración y compactación de la capa final (formación cristalina más ordenada).
Subproceso de fosfatado[editar]
Esta etapa se consigue básicamente mediante una solución diluida en agua de ácido fosfórico, oxoaniones de fosfato PO43− y de diferentes cationes metálicos como cinc Zn2+, hierro Fe2+ , níquel Ni2+, manganeso Mn2+, según sea el tipo de fosfatado a aplicar.
La estructura cristalina formada sobre la superficie del metal depende de las sales empleadas y su concentración, del tipo de instalación de aplicación , del tiempo de la reacción química, de la temperatura, etc.
El fosfatado es un tratamiento químico que se realiza por contacto de las piezas de hierro, acero, aluminio, etc. desengrasadas, en una solución de fosfatos ácidos de zinc, hierro o manganeso. Durante el fosfatado la superficie de las piezas se recubre de una película de fosfatos que posee elevada resistencia a la corrosión. La formación de esta película dependerá de los siguientes factores:
a) Composición y características físicas del metal a tratar.
b) Preparación de la superficie.
c) Composición y concentración de la solución fosfatante.
d) Temperatura de trabajo.
Entre los diferentes acabados orgánicos que se aplican sobre las piezas fosfatadas, la pintura es generalmente el que más se emplea, debido a que es también el que da una mayor protección contra la corrosión.
Por otra parte, la fosfatación es a su vez el mejor pretratamiento para todos los tipos de pinturas, esmaltes y barnices, ya que les proporciona una base más adherente y prolonga su duración casi indefinidamente, al mismo tiempo que es el más económico.
Las soluciones compuestas principalmente por ácido fosfórico se emplean para preparar las piezas de hierro y acero que han de ser pintadas. Su acción es principalmente decapante, si bien depositan al mismo tiempo, a expensas del hierro y óxidos disueltos, una finísima película cristalina de fosfato ferroso insoluble, que sirve de base adherente para las pinturas y barnices.
Este proceso ha representado y sigue representando un papel importante en la evolución de las atmósferas planetarias. Una importante parte del oxígeno del aire proviene de las plantas (a través de la fotosíntesis), pero el resto es el resultado de la disociación del vapor de agua atmosférico, cuya molécula H2O, al ser herida por los fotones de la luz solar, da OH más un H (hidrógeno libre); posteriormente dos OH reconstituyen una molécula de agua H2O y dejan un átomo de O sobrante.
El ataque químico húmedo también conocido como fresado químico es una técnica de remoción de material, la cual se fundamenta en la eliminación de material no deseado por ataque de una sustancia química activa, como puede ser una solución acuosa ácida o alcalina. Las partes que no se desee que sean atacadas han de ser protegidas con recubrimientos aislantes. Modificando dichos aislamientos entre ataques se pueden conseguir diferentes geometrías, así como mayores profundidades si se hace en varios pasos.
Historia[editar]
El ataque químico húmedo puede que sea uno de los más antiguos métodos de grabado no convencional, puesto que los egipcios, en el año 2300 AC ya lo utilizaban para conformar cobre mediante el uso de ácido cítrico. Desde entonces, es un proceso que ha evolucionado constantemente, llegando hasta el siglo XIX para su uso en grabados decorativos. Posteriormente, una de las mayores aportaciones constructivas al proceso se produjo gracias a la fotolitografia, disciplina en la que se empezaron a utilizar materiales fotosensibles para grabar sobre aleaciones de estaño-plomo. La principal aplicación en nuestros días es en la industria electrónica, así como en aeronáutica y microelectromecánica.
Descripción[editar]
La eliminación de material puede llevarse a cabo mediante la inmersión en la sustancia atacante, o bien por simple proyección de la misma. Es un proceso adecuado para grandes superficies, como recubrimientos de ala, ya que el ataque se produce en función del tiempo, independientemente de la extensión de la pieza. Si bien las velocidades de mecanizado que se consiguen no son muy elevadas, se cuenta con la ventaja de poder atacar toda la pieza de una vez. Por esta razón se tardaría el mismo tiempo en mecanizar una pieza pequeña, como un circuito impreso, que una grande como podría ser un panel de satélite. El tiempo que la pieza está sumergida en la solución corrosiva es, por tanto, el factor a controlar puesto que de él depende la cantidad de materialeliminado. Se observa sin embargo que la actividad de dicha sustancia va disminuyendo conforme avanza el tiempo, lo cual se trata de paliar en parte mediante la agitación de la misma con el fin de renovar la sustancia activa en las zonas de ataque. Además, para conseguir una mejor evacuación de los residuos de materialeliminado se suelen disponer las piezas en posición vertical, ya que por gravedad se depositarán dichos restos en el fondo de la cubeta de inmersión.
Proceso[editar]
El proceso a seguir puede verse resumido según las siguientes fases:
- Eliminación de tensiones residuales en la pieza previa al fresado químico para prevenir alabeos tras el proceso.
- Desengrase, para asegurar una buena adhesión entre el enmascarante y el material.
- Chorreado.
- Aplicación del producto enmascarante.
- Trazado de la máscara (manual o mediante láser).
- Pelado de la misma.
- Ataque con la sustancia activa.
- Una vez finalizado el mecanizado, se procede a retirar la máscara, y a lavar concienzudamente la pieza a fin de evitar el ataque de posibles agentes residuales.
- La parte fresada químicamente puede ser posteriormente mecanizada mediante otros procesos de acabado.
Materiales[editar]
Para atacar acero con este proceso se utilizan los ácidos, como el clorhídrico (HCl) o el nítrico (HNO3), mientras que para aleaciones ligeras se emplean las bases, como puede ser la sosa (NaOH) o la potasa (KOH). En el caso del titanio se trata de sumergir la pieza en una mezcla de ácido nítrico-fluorhídrico en presencia de un tensoactivo a unos 400°C de temperatura. El aislante usado para las zonas que no se deseen atacar es un compuesto de base de neopreno o copolímero de isobutileno-isopropileno. Se suele enmascarar toda la pieza para después proceder a la eliminación del aislante de las zonas a atacar mediante procesos de corte convencional, o más modernamente con tecnologías láser.
Los siguientes metales y aleaciones son comúnmente mecanizados mediante cloruro férrico:
- Aluminio
- Latón
- Cobre
- Berilio-Cobre
- Níquel
- Níquel-Plata
- Fósforo-Bronce
- Acero al carbono
- Acero Inoxidable - Serie 300, Serie 400, PH15-7, PH17-7
- Acero elástico
- Cinc
- Monel
- Alloy 42
- Kovar
Parámetros[editar]
- Velocidad de ataque de unos 0’02mm/minuto (~1-2mm/hora).
- Acabado superficial Ra~2-15 μm.
- La precisión obtenida no es muy elevada, del orden de 0’1mm, debido a que se trata de disminuir el espesor de una gran superficie más que de un mecanizado de precisión.
- Las piezas sufren de un ataque lateral, aunque éste no es muy acusado, con un factor de ataque D/a>1. El límite para que no se produzca un sobrevuelo del borde está alrededor de 3 o 4mm.
Inhibidores[editar]
Además de la sustancia activa, se incluyen otros compuestos como los inhibidores, que se encargan de:
- Disminuir las reacciones violentas (evitar el burbujeo).
- Que se produzca un desgaste uniforme.
- Evitar la absorción de hidrógeno en el material, especialmente importante en aleaciones de aluminio en las que se produciría enfragilización.
Ventajas e inconvenientes[editar]
Ventajas[editar]
- Disminución uniforme, en tiempo (se produce poco a poco) y espacio, del espesor. Por tanto no produce distorsiones en paredes de sección delgada.
- Disminución progresiva del ataque químico. Esto puede considerarse una ventaja en caso de que la pieza se deje por descuido en el baño, puesto que llegará un momento en el que la solución se pasive y no se perderá todo el material.
- Se pueden conseguir diversas geometrías en el espesor cambiando los recubrimientos entre emersión e inmersión en el baño corrosivo.
- El tiempo de mecanizado no depende de la superficie de la pieza a mecanizar, sino únicamente de la profundidad deseada.
Inconvenientes[editar]
- Espesores limitados: hasta 5mm en Titanio y 12mm en Aluminio.
- La precisión del proceso es baja, ya que no es una de las finalidades de este proceso.
- Los defectos superficiales pueden verse reproducidos sobre la superficie acabada.
- Los cortes angulosos nunca se podrán producir con radio nulo, contarán con un radio de acuerdo, y los bordes de corte resultarán afilados.
Aplicaciones[editar]
- Reducción de espesor en piezas ya mecanizadas previamente.
- Mejora de acabado superficial.
- En piezas fundidas, para la eliminación de irregularidades e imperfecciones en la superficie.
- En fundiciones de Aluminio, para la mejora de la calidad superficial y el control dimensional.
Ejemplos de uso[editar]
Circuitos impresos, sistemas microelectromecánicos (MEMS), paneles de satélites, recubrimientos de ala, etc.
Variantes[editar]
Troquelado fotoquímico[editar]
En esta modificación del fresado químico el material se elimina de piezas planas y delgadas mediante técnicas fotográficas. De esta manera se pueden troquelar de manera sencilla y sin rebabas geometrías complicadas, con bajo costo, puesto que el proceso es automatizable para aplicación en medias o grandes series de producción. Uno de los inconvenientes de este proceso es la eliminación de los residuos generados.
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