Desalcalinización - Dealkalization

La desalcalinización es un proceso de modificación de la superficie aplicable a los vidrios que contienen iones alcalinos , en el que se crea una capa superficial delgada que tiene una concentración más baja de iones alcalinos que la presente en el vidrio a granel subyacente. Este cambio en la composición de la superficie altera comúnmente las propiedades observadas de la superficie, mejorando más notablemente la resistencia a la corrosión .

Muchos productos comerciales de vidrio, como los envases, están hechos de vidrio de cal sodada y, por lo tanto, tienen un porcentaje sustancial de iones de sodio en su estructura interna. Dado que el sodio es un elemento alcalino, su eliminación selectiva de la superficie da como resultado una superficie desalcalinizada. Un ejemplo clásico de desalcalinización es el tratamiento de los envases de vidrio , donde se utiliza un proceso especial para crear una superficie interior desalcalinizada que es más resistente a las interacciones con los productos líquidos introducidos en el interior del envase. Sin embargo, el término desalcalinización también se puede aplicar generalmente a cualquier proceso en el que una superficie de vidrio forme una capa superficial delgada que esté desprovista de iones alcalinos con respecto a la masa. Un ejemplo común son las etapas iniciales de corrosión o intemperismo del vidrio , donde los iones alcalinos se lixivian de la región de la superficie por interacciones con el agua, formando una capa superficial desalcalinizada.

Una superficie desalcalinizada puede no tener álcali restante o puede tener menos que el volumen. En los vidrios de silicato , las superficies desalcalinizadas también se consideran a menudo "ricas en sílice", ya que se puede pensar que la eliminación selectiva de iones alcalinos deja una superficie compuesta principalmente de sílice (SiO 2 ). Para ser precisos, la desalcalinización generalmente no implica la eliminación total del álcali del vidrio, sino su reemplazo por protones (H + ) o iones hidronio (H 3 O + ) en la estructura a través del proceso de intercambio iónico .

Tratamiento de envases de vidrio

Motivación

En el caso de los envases de vidrio, el objetivo de la desalcalinización de la superficie es hacer que la superficie interior del envase sea más resistente a las interacciones con los productos líquidos que se colocan posteriormente en su interior. Dado que el tratamiento está dirigido principalmente a cambiar las propiedades de la superficie interior en contacto con el producto, también se denomina "tratamiento interno".

El ejemplo más común de su uso con contenedores es en botellas destinadas a contener bebidas alcohólicas . La razón de esto es que algunas bebidas alcohólicas como el vodka y la ginebra tienen un pH aproximadamente neutro y un alto contenido de alcohol, pero no están amortiguados de ninguna manera contra los cambios de pH. Si se lixivia álcali del vidrio al producto, el pH comenzará a subir (es decir, se volverá más alcalino), eventualmente puede alcanzar un pH lo suficientemente alto como para que la solución comience a atacar el vidrio con bastante eficacia. Mediante este mecanismo, los productos alcohólicos inicialmente neutros pueden alcanzar un pH en el que el propio recipiente de vidrio comienza a disolverse lentamente, dejando escamas o partículas de vidrio silíceas delgadas en el líquido. El tratamiento de desalcalinización dificulta este proceso al eliminar el álcali de la superficie interior. Esto no solo significa menos álcali extraíble en la superficie del vidrio que entra en contacto directo con el producto, sino que también crea una barrera para la difusión de álcali desde el vidrio a granel subyacente al producto.

La misma lógica se aplica a los artículos farmacéuticos de vidrio, como los viales destinados a contener medicamentos. Si bien muchos de estos artículos están compuestos de vidrio de borosilicato más duradero , en ocasiones también se desalcalinizan para minimizar la posibilidad de que el álcali se filtre del vidrio al producto. Esta acción ayuda a evitar cambios no deseados en el pH o la fuerza iónica de la solución, que no solo inhibe el eventual ataque del vidrio como se describió anteriormente, sino que también puede ser importante para mantener la eficacia o estabilidad de formulaciones de productos sensibles.

Métodos de desalcalinización

La desalinización de los envases de vidrio se logra exponiendo la superficie del vidrio a compuestos reactivos que contienen azufre o flúor durante el proceso de fabricación. Se produce una rápida reacción de intercambio iónico que agota el álcali de la superficie interior y se lleva a cabo cuando el vidrio está a alta temperatura, generalmente del orden de 500 a 650 ° C o más.

Históricamente, los compuestos que contienen azufre fueron los primeros materiales utilizados para desalcalinizar los envases de vidrio. La desalcalización procede a través de la interdifusión / intercambio iónico de Na + fuera del vidrio y H + / H 3 O + en el vidrio, junto con la posterior reacción de las especies de sulfato con el sodio disponible en la superficie para formar sulfato de sodio (Na 2 SO 4 ). Este último queda como depósitos cristalinos solubles en agua, o floración , en la superficie del vidrio que debe enjuagarse antes del llenado. En las líneas de fabricación, una forma en que se realizó este proceso fue inundando el horno de recocido con gases de dióxido de azufre (SO 2 ) o trióxido de azufre (SO 3 ), especialmente en presencia de agua, lo que mejora la reacción. Sin embargo, esta práctica cayó en desuso debido a preocupaciones ambientales y de salud con respecto a los gases de tipo SO x . Un método alternativo para el tratamiento con sulfato es con sal de sulfato de amonio sólida o soluciones acuosas de la misma. Estos materiales se introducen en el interior del recipiente después de su formación y se descomponen en gases en el horno de recocido, donde la mezcla de gas que contiene azufre resultante lleva a cabo la reacción de desalcalinización. Este método es supuestamente más seguro que inundar el horno de recocido, ya que los componentes que no han reaccionado en la mezcla de gases tenderán a no escapar a la atmósfera, sino que reaccionarán entre sí y recrearán la sal original en el recipiente que luego se puede enjuagar.

El tratamiento con compuestos que contienen flúor se logra típicamente mediante la inyección de una mezcla de gas fluorado (por ejemplo, 1,1-difluoroetano mezclado con aire) en botellas a altas temperaturas. El gas puede ser entregado al contenedor ya sea en el aire usado en el proceso de formación (es decir, durante el soplado final del contenedor en su forma deseada), o con una boquilla que dirige una corriente de gas hacia la boca de la botella como pasa por una cinta transportadora después de la formación pero antes del recocido. La mezcla se quema suavemente dentro de la botella, creando una dosis extremadamente pequeña de ácido fluorhídrico que reacciona con la superficie del vidrio y sirve para descalinizarlo. La superficie resultante está prácticamente libre de residuos del proceso. Este tratamiento también se conoce como el proceso Ball IT (IT significa tratamiento interno), ya que Ball Corporation poseía la patente y desarrolló el primer sistema disponible comercialmente que implementa este proceso.

Prueba de desalcalinización

Las pruebas de rutina para la desalcalinización de superficies en la industria de los envases de vidrio generalmente tienen como objetivo evaluar la cantidad de álcali extraído del vidrio cuando se enjuaga o se expone a agua purificada. Por ejemplo, la desalcalinización se puede comprobar rápidamente introduciendo un pequeño volumen de agua destilada en una botella recién hecha y haciendo rodar la botella suavemente para que el agua pase completamente por su superficie interior. Luego se mide el pH del agua de enjuague; Los recipientes sin tratar tenderán a producir un pH ligeramente alcalino en el rango de 8-9 debido al álcali extraído, mientras que los recipientes desalcalinizados tienden a producir un pH que permanece aproximadamente neutro.

Una versión mucho más completa de esta prueba se describe en varios estándares de prueba nacionales e internacionales para envases de vidrio, todos con metodologías comparables. Estas pruebas evalúan la estabilidad hidrolítica de los contenedores en condiciones más severas, en las que los contenedores, llenos cerca de su capacidad con agua purificada, se cubren y luego se someten a un ciclo de calor en un autoclave a 121 ° C durante 1 hora. Después de enfriar a temperatura ambiente, el agua se titula con ácido para evaluar el pH del agua y, por lo tanto, la cantidad equivalente de álcali extraído durante el ciclo de calor. El contenido de álcali del agua de enjuague también puede evaluarse más directamente mediante análisis químico del agua de enjuague, como se describe en versiones más recientes de la Farmacopea Europea. De acuerdo con las normas de la Farmacopea, los envases de vidrio de cal sodada con tratamiento interno o desalcalinizado se denominan envases " Tipo II ", lo que los distingue de sus homólogos no tratados debido a su resistencia mejorada a las interacciones del producto (a diferencia del "Tipo III", es vidrio sodocálcico estándar, sin tratar, o "Tipo I", que está reservado para vidrio de borosilicato de alta resistencia).

Aunque no es una rutina, la desalcalinización también se puede medir de varias otras formas. Dado que las superficies desalcalinizadas son químicamente más duraderas, también son más resistentes a las reacciones de intemperismo, y la evaluación adecuada de este parámetro puede dar evidencia indirecta de una superficie previamente desalcalinizada. También es posible evaluar la desalcalinización mediante el uso de técnicas avanzadas de análisis de superficies, como SIMS o XPS , que proporcionan mediciones directas de la composición de la superficie del vidrio.

Ver también

Referencias