Histéresis es la diferencia entre sorción y desorción

Histéresis es un concepto importante a tener en cuenta. Pocos materiales absorben y liberan agua del mismo modo o a la misma velocidad. La diferencia entre la sorción y la desorción se denomina histéresis. La sorción se refiere a la unión de una muestra con la humedad, extrayéndola de un entorno húmedo. La desorción se produce cuando la muestra libera humedad en un entorno seco o desecado.

Es importante conocer la diferencia entre sorción y desorción tanto en la cinética de sorción de vapor como en las isotermas. Cada ciclo de adsorción/desorción por el que pasa un material cambia los efectos de futuros ciclos de adsorción/desorción. Si un producto ha superado un punto de transición, su estructura podría tener un cambio irreversible que no puede ser revertido simplemente secándolo de nuevo.

La histéresis se utiliza sobre todo para entender el comportamiento los productos, pero también para evaluar la capacidad de retención de agua de un producto, como en el caso de recubrimientos, humectantes o nuevas formulaciones.

Interpretación de la isoterma DVS – un ejemplo

La interpretación de isotermas varía según la aplicación, pero el desglose de un método puede ayudar a conceptualizar otros: en este caso, un análisis de los cambios de fase inducidos por el vapor en leche en polvo secada por atomización.
Para ver más ejemplos de cómo se pueden interpretar las isotermas (para estimar la histéresis, vida útil, averiguar la eficacia de películas y revestimientos que repelen la humedad, etc.), puedes ver o leer la transcripción del seminario web de AQUALAB, Understanding Isotherms.
El primer paso en la interpretación de esta isoterma para estudiar los cambios de textura es encontrar los límites críticos de actividad de agua (aw), es decir, el punto en el que empiezan a producirse cambios indeseables en la textura.
El uso de la segunda derivada de esta isoterma de sorción ayuda a resaltar los picos en esta curva. Los picos se correlacionan con los valores de aw en los que el contenido de humedad aumenta más rápidamente.

En este caso, es a 0,67 aw. Esto significa que 0,67 aw o 67% de humedad relativa es un punto de transición crítico para este polvo, en el que su textura cambiará.
A niveles bajos de aw, hay un número limitado de sitios de unión del agua. Pero una vez que alcanza 0,67, el número de sitios aumenta y puede unirse más agua. A medida que aumenta, empiezan a formarse grumos y apelmazarse (en este producto concreto).
La isoterma muestra exactamente dónde ocurren estos cambios.

Sorción de vapor de agua vs sorción de vapor orgánico

La mayoría de los instrumentos DVS están diseñados para estudiar las propiedades de sorción del agua; algunos dispositivos también analizan cómo interactúan las muestras con vapores orgánicos.
Los objetivos y principios del proceso son los mismos: aprender cómo una muestra adsorbe y desorbe vapor. En estos dispositivos, la cámara de medida se llena con un vapor orgánico, no con vapor de agua, a un nivel de humedad predeterminado.
La DVS con vapores orgánicos es la más utilizada en la investigación de materiales que desarrollan métodos de control de procesos químicos. También ha resultado útil para ayudar a la industria farmacéutica a desarrollar principios activos estables y biodisponibles.

Instrumentos DVS

Un dispositivo DVS debe ser capaz de medir la masa de la muestra y exponerla a aire húmedo o seco. A partir de aquí los medidores DVS varían en diseño, tamaño, forma y capacidad. Al comprar un equipo DVS, hay que tener en cuenta lo siguiente:

• Tamaño del dispositivo. Algunos dispositivos de sobremesa son muy compactos (aproximadamente 30 cm3), mientras que otros dispositivos pueden ocupar una gran mesa de laboratorio, o incluso ser tan grandes como un armario independiente.
• Tiempos de lectura. Algunos dispositivos tardan días en crear una isoterma. Otros tardan semanas. Hay que pensar en las necesidades de medida antes de comprarlos.
• Resolución de datos. Sin una isoterma con una resolución de lo suficientemente elevada, es imposible identificar los puntos de transición críticos. Qué necesitamos ¿Una cinética de sorción de baja resolución o isotermas de alta resolución?
• Tamaño de la muestra. Algunos dispositivos DVS pueden analizar con precisión muestras tan pequeñas como 10 mg. Otros requieren más muestra para un análisis preciso.

Otros métodos de análisis de sorción de vapor

El análisis de sorción de vapor tradicional, que se realiza dejando que las muestras se equilibren en desecadores, todavía se realiza en algunos laboratorios y universidades, a pesar de la mano de obra y el equipo que implica.

Quienes optan por este método necesitan varias cámaras climáticas, soluciones salinas saturadas y espacio para almacenarlas durante bastante tiempo. Tras preparar los materiales y comenzar la prueba, un técnico tendrá que sacar las muestras de las cámaras, pesarlas regularmente y registrar los cambios de masa hasta conseguir el conjunto de datos deseado.
Este método requiere un esfuerzo constante a lo largo del tiempo y puede que no proporcione la información detallada que pueden ofrecer otros métodos.

Otra alternativa es el método de la isoterma dinámica del punto de rocío (DDI), una mejora relativamente reciente y poco conocida del método DVS. Mientras que los dispositivos DVS imitan el método de la cámara climática utilizando el peso para juzgar cuándo una muestra se ha equilibrado a un nivel de humedad específico, el método DDI se equilibra mediante la actividad de agua de la muestra.

Los dispositivos DDI utilizan aire humidificado o desecado para cambiar la humedad relativa de la muestra en un intervalo determinado (0,01 aw ó 1% RH), permiten que la cámara se equilibre con el nuevo estado de las muestras y, a continuación, registran tanto la aw como el peso de la muestra. Este proceso, repetido muchas veces a lo largo de un par de días, da lugar a isotermas con 100 – 150 o más puntos de datos que las 5 – 10 del método DVS, resaltando los puntos de transición e imitando las condiciones reales del fluido.