El plasma a presión atmosférica descontamina la madera

La ventaja de la descontaminación de superficies de madera contaminadas con biocidas organoclorados mediante plasma radica en la evitación del uso de disolventes, un proceso completamente en seco y la evitación de daños mecánicos.

1 Introducción

Fig. 1: Fotografía del "T-Spot "de la APPJEn este contexto, el objetivo principal de las investigaciones aquí realizadas fue desarrollar un proceso para la degradación de conservantes organoclorados de superficies de madera mediante plasma a presión atmosférica. Para la depleción se utilizó un chorro de plasma guiado en forma de meandros sobre las superficies de madera contaminadas. Se realizaron mediciones de temperatura para caracterizar el efecto del tratamiento y se determinó el contenido de Cl mediante análisis de fluorescencia de rayos X. Las investigaciones mostraron que, en general, es posible eliminar los conservantes de la superficie de la madera mediante este proceso, pero que debe alcanzarse una determinada temperatura del material para que sea eficaz. Seleccionando los parámetros de proceso adecuados, fue posible alcanzar niveles de descontaminación superiores al 90 % en la superficie.

Durante décadas, los biocidas organoclorados como el DDT (diclorodifeniltricloroetano), el lindano y el PCP (pentaclorofenol) se utilizaron en todo el mundo en cantidades muy elevadas para el control de insectos y hongos, así como para la protección preventiva de materiales (madera, textiles, cuero) y plantas. En la RFA y la RDA, las combinaciones de DDT y lindano, PCP y lindano y PCP y DDT se utilizaban principalmente como conservantes de la madera. Tanto la producción como el uso comercial de estas sustancias activas se interrumpieron en Alemania a finales de los años ochenta. Sin embargo, las pruebas realizadas en madera contaminada han demostrado que los biocidas siguen presentes en la madera tratada, a veces a niveles muy elevados. El problema es que el DDT y el PCP tienden a migrar del interior de la madera a la superficie, donde se cristalizan y se unen al polvo. Esto puede acarrear inconvenientes estéticos, pero también riesgos para la salud por el contacto con el aire interior [1]. A menudo es necesario tomar medidas o remediar la situación debido a los niveles excesivos de conservante de la madera en el aire interior.

En principio, las opciones de descontaminación existentes son

• Retirada y eliminación de la madera contaminada
• Eliminación de los biocidas de la madera o de las superficies de madera
• Fijación/sellado de los biocidas en la madera y prevención de su liberación.

La madera de las estructuras de los edificios puede limpiarse y sellarse con pinturas especiales, enmascarando así los biocidas. También se puede conseguir lo mismo sellando con películas. Sin embargo, estas opciones no son deseables en muchos casos, ya que la madera debe ser visible en los espacios habitables y de trabajo [2].

Los métodos mecánicos más sencillos y utilizados consisten en eliminar las eflorescencias cristalinas, los depósitos similares al polvo y la limpieza por aspiración. También se incluyen los procesos de chorreado y limpieza criogénica. Sin embargo, esto puede provocar fácilmente un arrastre parcial en las superficies y la incorporación de biocidas a la estructura de la madera. Además, debido a la liberación de polvo, se requiere suficiente protección de la salud y la seguridad laboral para las personas que realizan el trabajo [3]. Otros métodos utilizados con frecuencia para la descontaminación de superficies de madera son el método de lavado al vacío (no abrasivo, normalmente eliminación de sustancias activas del 50-70% desde una profundidad de unos pocos milímetros [4, 5]), los métodos térmicos (eliminación de biocidas volátiles mediante aire caliente o microondas, bastante limitada a biocidas altamente volátiles [2]) o la ablación por láser (absorción láser dirigida de partículas de polvo oscuras, eliminación de la capa de contaminación cerca de la superficie [6]).

Los sistemas de plasma, más concretamente los chorros de plasma a presión atmosférica (APPJ), se han utilizado para la descontaminación de madera contaminada con biocidas. La oxidación plasma-química de hidrocarburos con formación de productos de reacción volátiles (p.ej. CO, HCHO) ya es efectiva en condiciones ambientales, siendo los alquenos y los aromáticos los más fácilmente destruidos [7]. Debido al alto contenido energético y a la radiación UV de alta energía de los plasmas, se destruyen todos los enlaces químicos, incluidos los enlaces C-Cl y C-F [8, 9]. Los APPJ utilizados en nuestro trabajo también tienen un efecto térmico, que también se describirá y discutirá en esta publicación.

Fig. 2: Fotografía del APPJ "T-Spot" y mesa de muestras con sustrato de madera (izquierda); representación esquemática del movimiento serpenteante (línea negra) de la mesa de muestras durante el tratamiento con plasma, la zona marrón simboliza la posición de la probeta de madera.

2 Material y métodos

Como madera modelo para la descontaminación se utilizó haya. El haya se puede impregnar con suficiente profundidad y de forma homogénea y no contiene componentes de madera que interfieran. En los ensayos se utilizaron fragmentos de haya de 400 × 80 × 20 ^mm3.

El DDT y el pentaclorofenol se aplicaron a las probetas modelo como solución isopropanólica utilizando una espátula. Se utilizaron cantidades de 1.000 mg de DDT/kg de madera y 1.500 mg de pentaclorofenol/kg de madera. La masa de la madera se relacionó con los 3 primeros mm del respectivo escantillonado.

Para la descontaminación se utilizó el sistema APPJ "T-Spot" de Tigres GmbH. En la figura 1 se muestra una ilustración del APPJ. En el dispositivo se produce una descarga eléctrica entre un electrodo cerámico de alta potencia dispuesto en el centro y la boquilla que sirve de contraelectrodo. El rango de potencia regulable oscila entre 230-500 W; para los ensayos aquí presentados se utilizaron 230 W y 400 W. En el laboratorio, para la descontaminación con el plasma se desplazó la superficie de madera en forma de meandros, para lo cual se movió el material con respecto a la abertura de salida del plasma mediante un sistema de posicionamiento x-y. Una representación esquemática de la trayectoria de desplazamiento se puede encontrar en la Figura 2. Además, el chorro de plasma estaba encerrado en un cilindro de aluminio a través del cual se podían extraer los posibles productos de degradación o conservantes gaseosos de la madera.

La siguiente tabla (Tabla 1) ofrece una visión general de los parámetros de proceso utilizados.

En la descontaminación de la superficie de la madera por PCP y DDT es de esperar una pronunciada dependencia de la temperatura. Para correlacionar los efectos del tratamiento (eliminación del conservante de la madera) con la temperatura superficial alcanzada, se realizaron las correspondientes mediciones de temperatura durante el tratamiento con plasma. Las mediciones de temperatura durante el tratamiento de la mancha T se realizaron utilizando un termopar de tipo K directamente sobre la superficie de la madera y 1 mm por debajo de la misma. Para ello, se taladraron agujeros en el lado largo de la probeta y se colocó allí el cable del termopar.

El efecto de descontaminación se determinó mediante un análisis móvil de fluorescencia de rayos X (XRF). La intensidad de la señal de Cl se utilizó como base para evaluar la descontaminación.

3 Resultados y discusión

3.1 Mediciones de temperatura

En cualquier caso, debe evitarse la formación de decoloraciones indeseables u otros daños en las superficies de madera, lo que fue posible mediante la selección de parámetros de proceso adecuados. Durante el tratamiento, se registraron los perfiles de temperatura-tiempo que se muestran a modo de ejemplo en la figura 3, utilizando un termopar de tipo K.

Esta figura muestra un ejemplo de la curva de temperatura directamente sobre la superficie de la madera con una potencia de plasma de 400 W. Además, las zonas marcadas con un círculo rojo resaltan la temperatura máxima del ciclo de tratamiento correspondiente (DL). En el diagrama también se comparan dos velocidades de desplazamiento diferentes de 100 mm/s y 300 mm/s, en las que se alcanzan temperaturas significativamente más altas a las velocidades más lentas (v = 100 mm/s, 1 pasada: _Tmáx = 130 °C) que a las velocidades rápidas (v = 300 mm/s, 1 pasada: _Tmáx = 70 °C). Cabe señalar que se trata de una exposición a temperaturas de muy corta duración y que no causa ningún daño óptico al material. Para una evaluación más detallada, se consideraron las temperaturas máximas alcanzadas en cada pasada.

La figura 4 muestra la dependencia de la temperatura con la velocidad del sustrato a una potencia de plasma de 230 W. A medida que aumenta la velocidad del sustrato, disminuye la temperatura máxima de la superficie. La elección de velocidades de sustrato bajas (por ejemplo, 50 mm/s) puede provocar daños en el material al alcanzar temperaturas excesivamente altas.

La figura 5 también muestra la dependencia de la temperatura alcanzada con el punto de medición (proximidad a la superficie tratada). Es evidente que las temperaturas directamente sobre la superficie son significativamente más altas que las temperaturas por debajo (1 mm) de la superficie del sustrato. Por tanto, con un proceso fuertemente dependiente de la temperatura, cabe suponer que el efecto de descontaminación será mayor en las zonas superiores de la madera. En general, la elección de la velocidad del sustrato, el número de pasadas de tratamiento y también la potencia del plasma ofrecieron la forma más eficaz de regular la temperatura del sustrato.

3.2 Descontaminación

Fig. 5: Temperatura máxima (Tmax) en función del número de pasadas de tratamiento (DL) para velocidades de sustrato de 100 mm/s y 300 mm/s, variación de la posición de medición en el material: directamente sobre o 1 mm por debajo de la superficieEl objetivode las investigaciones era determinar la tasa de degradación del Cl en función de diversos parámetros del proceso de plasma. En particular, se analizó la influencia de la velocidad de desplazamiento/mesa y el número de pasadas de tratamiento. Ambos parámetros del proceso también influyen en la temperatura de la superficie durante el tratamiento. La potencia del plasma se mantuvo constante en un valor de 400 W. El efecto de descontaminación se analizó mediante XRF, utilizándose la intensidad de la señal de Cl como base para evaluar este efecto. Una reducción de la intensidad de esta señal de Cl describe una degradación de los conservantes de madera clorados. En la tabla 2 se muestra una selección de los resultados.

Inicialmente, se seleccionaron velocidades de tratamiento elevadas de 300 mm/s. Si se aplican 2 DL, sólo se puede determinar un pequeño efecto del tratamiento (degradación de Cl aprox. 21 %). Incluso cuando se aumentó el número de DL a 4, la degradación del Cl no fue muy pronunciada (aprox. 35 %). Si se utilizan 10 DL consecutivos, se produce un claro efecto de tratamiento y una reducción de Cl de aprox. el 73 %. Sin embargo, 10 DL con un tiempo total de tratamiento de aprox. 10 min en la superficie considerada parece ser muy largo y poco práctico para una aplicación.

Si la velocidad de desplazamiento del sustrato se reduce a 100 mm/s, se puede conseguir una reducción significativa del Cl de alrededor del 80 % tras sólo 1 DL. Si se utilizan 2 DL, se consigue un aumento adicional y una reducción de Cl del 93 %.

El tiempo de tratamiento entre los parámetros 2 DL a 300 mm/s (140 s) y 1 DL 100 mm/s (165 s) son aproximadamente comparables, pero se consigue una reducción de Cl significativamente diferente. Esto significa que el tiempo de tratamiento o el tiempo de interacción plasma/madera no es el único factor influyente. Más bien, la temperatura de la superficie y de las regiones más profundas de la madera durante el tratamiento con plasma parece ser un factor de influencia decisivo. Por ejemplo, sólo se midieron 85 °C en la superficie con 2 DL a 300 mm/s, mientras que 1 DL a 100 mm/s generó temperaturas de hasta 130 °C. Sólo pudo determinarse un efecto claro con la velocidad de desplazamiento de 300 mm/s después de 10 DL sucesivos, con lo que este régimen dio lugar a temperaturas superficiales de 130 °C. Además, a 100 mm/s a 1 mm por debajo de la superficie ya se alcanzan temperaturas de aproximadamente 80 °C después de 1 DL, mientras que en el régimen de 300 mm/s sólo se alcanzan 80 °C después de 10 DL.

En principio, los efectos del tratamiento con plasma y la dependencia de la velocidad de desplazamiento pueden trasladarse a la madera cargada con PCP. Sin embargo, a diferencia del DDT, se observó una degradación significativa del Cl (aprox. 81 %) tras sólo 4 DL a 300 mm/s y, por tanto, a temperaturas más bajas. Una razón de este efecto podrían ser las diferentes presiones de vapor entre el DDT y el PCP. La presión de vapor del DDT es de 0,025 mPa (20 °C) [10] y la del PCP es significativamente mayor, de 8 mPa (20 °C) [11]. En consecuencia, el PCP se convierte más fácilmente en fase vapor cuando se expone a la temperatura.

Para conseguir una alta degradación del Cl con un tiempo de tratamiento corto/orientado a la aplicación (alta tasa de degradación), debe alcanzarse ya una alta temperatura superficial en el 1 DL. Esto sólo se consiguió en los ensayos utilizando una velocidad de desplazamiento de 100 mm/s. Sin embargo, hay que tener en cuenta que los valores de Cl medidos en las superficies de madera pueden variar mucho. Por tanto, los valores absolutos de la degradación del Cl deben entenderse como una tendencia (Tab. 3).

4 Resumen y perspectivas

Las investigaciones aquí presentadas han demostrado que, en general, es posible reducir la carga de conservantes de la madera en las probetas modelo de haya mediante el tratamiento APPJ. Para fabricar las probetas de ensayo se contaminaron deliberadamente fragmentos de haya con los biocidas organoclorados DDT y PCP.

Al descontaminar la superficie de la madera de PCP y DDT con plasma, era de esperar una fuerte dependencia de la temperatura. Por ello se registraron curvas de temperatura durante el tratamiento. Se comprobó que la potencia del plasma, la velocidad de desplazamiento y el número de ciclos de tratamiento influyen especialmente en las temperaturas del material. Esto hace que los parámetros de proceso mencionados sean factores importantes para la descontaminación deseada. Además, se pudo observar que el aporte de temperatura se produce principalmente en los milímetros superiores del material; la temperatura del núcleo sólo se vio ligeramente influida por el tratamiento con plasma.

El agotamiento del conservante de la madera y la reducción de la señal de Cl como consecuencia del tratamiento con plasma pudieron detectarse mediante el análisis de fluorescencia de rayos X móvil. Como se sospechaba, existía una fuerte dependencia de la temperatura, de modo que sólo se podía conseguir un pequeño efecto descontaminante si las temperaturas superficiales eran demasiado bajas. Si, por el contrario, se seleccionaban parámetros que daban lugar a temperaturas superficiales más elevadas, se podía alcanzar un nivel de descontaminación superior al 90 % incluso en poco tiempo. La dependencia de la temperatura también se refleja en los conservantes de la madera utilizados. En las pruebas, el pentaclorofenol fue más fácil de eliminar de la madera que el DDT incluso a temperaturas más bajas, lo que posiblemente se deba a la presión de vapor significativamente más alta del pentaclorofenol.

En futuras investigaciones, se registrarán y analizarán los productos gaseosos de degradación de los conservantes de la madera producidos durante el proceso de tratamiento, con el fin de obtener una comprensión más detallada del modo de acción mecanicista del proceso de descontaminación mediante plasma. Además, está previsto realizar ensayos en objetos reales instalados. Además, se probará el efecto del sellado tras el proceso de descontaminación.

Agradecimientos

Parte del trabajo aquí presentado ha sido financiado por el BMWi como proyecto IGF nº 20309BR.

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