Ayuda para la agitación en el laboratorio

El universo de muestras en un laboratorio es tan grande como la gran gama de aplicaciones encontradas en la industria: mezclas o soluciones líquido-líquido, sólido-líquido, o líquidos viscosos y fluidos no newtonianos. Para cada caso existe un diseño de agitador específico, pero para usar un agitador magnético en el laboratorio se requiere hacer uso de ciertas funciones que ayudan a obtener mejores resultados en la agitación.

Todos hemos experimentado la formación de vórtices en un recipiente cuando agitamos el agua o el café, al hacer una disolución con una cuchara. Este vórtice llamado no estacionario se forma de manera forzada en el líquido, para hacer que un soluto, el café o el chocolate en polvo, se disuelva en agua o en leche. Cuando un fluido se somete a un movimiento de rotación alrededor de eje, las fuerzas que aparecen causan un hundimiento de la masa del fluido en la zona central, estando esta zona más baja que la parte más alejada del eje de rotación. Una de las características del vórtice estacionario es esta altura de la superficie del líquido mantenida mientras se ejerza la acción de agitación. Si se deja de agitar con la cuchara, el líquido va perdiendo velocidad debido a las fuerzas de fricción y pérdida de energía, lo cual también es una característica de los vórtices no estacionarios. Otro caso de vórtices generados en líquidos en rotación es el vórtice libre estacionario o también llamado vórtice de Rankine. Dicho vórtice se forma cuando el líquido o fluido se vacía de un recipiente (lavabo, tina de baño o tanque) a un desagüe que se encuentre en su parte inferior, formándose un remolino. También este tipo de vórtice se puede generar por la rotación a velocidad angular constante de un cuerpo cilíndrico de cierto radio dentro de un recipiente. En el laboratorio esto puede obtenerse simplemente usando un imán encima de un agitador magnético, que hace rotar al imán con velocidad constante alrededor del eje del vaso cilíndrico.

Este dispositivo ha sido ampliamente usado en los laboratorios desde hace mucho tiempo, pero la investigación ha llevado a introducir mejoras en estos agitadores para obtener mejores resultados. Los beneficios obtenidos también se han estudiado desde hace tiempo.

Investigadores han realizado estudios detallados para determinar el efecto de la agitación en la medición del pH. La agitación durante el proceso de calibración también juega un papel muy importante: la velocidad durante esta operación debe ser la misma que la empleada durante la medición del pH. En caso de que la agitación no se pueda realizar por la naturaleza de la muestra a medir, como en el caso de muestras demasiado viscosas o de consistencia semisólida y que se requiera de electrodos de penetración, la calibración también se debe realizar sin dicha agitación. De esta forma se tendrán las mismas condiciones de operación durante la medición y la calibración, incluyendo la dinámica e interacciones que se presentan entre el electrodo de pH y la muestra en cada caso. Las variaciones en las mediciones de pH usando un electrodo de vidrio y un agitador se han estudiado de manera detallada (Cheng et al.). El potencial generado que se acompaña por una agitación está relacionado con los movimientos de la densidad de carga en la película de hidratación que rodea al bulbo de vidrio del electrodo. El potencial observado en una medición con agitación (potencial con disturbios) es la diferencia de potencial entre el potencial sin disturbios y el potencial de agitación que puede ser más positivo o negativo que el potencial sin disturbios dependiendo de las condiciones de operación. El potencial en la unión del electrodo también varía de acuerdo a las condiciones de agitación, lo cual refleja los cambios en la densidad de la carga que se encuentra en la interface o superficie de contacto del electrodo con la muestra. Para las titulaciones potenciométricas esto también tiene un efecto importante. Usando un electrodo de vidrio de pH como indicador del punto de equivalencia se notará que la agitación propia de esta operación (necesaria por la adición de un titulante) tendrá un efecto favorable al doble. El agitador magnético ha sido por mucho tiempo la forma más popular en los laboratorios de obtener esa agitación. Los agitadores magnéticos usan un par de magnetos sujetos a un motor que los hace girar. La fuerza o campo magnético giratorio es suficiente para mover barras magnéticas que se colocan dentro de los recipientes con muestra. Estas barras pueden estar recubiertas con PTFE para mayor resistencia química y resistencia a la abrasión. Están disponibles en diferentes tamaños y formas dependiendo del volumen y la viscosidad del líquido. Aunque las barras magnéticas se pueden obtener con diferentes materiales de recubrimiento, solo las cubiertas de PTFE se han usado casi de manera universal.

Cuando la aplicación requiere la disolución de un soluto relativamente fácil de incorporarse en el seno del solvente, una simple agitación a velocidad constante será suficiente. Tal vez se requiera variar la velocidad de agitación ocasionalmente, o aplicar calentamiento al mismo tiempo para aumentar la solubilidad. Existirán fluidos viscosos, no newtonianos o polvos difíciles de disolver aun aplicando los recursos o técnicas mencionadas anteriormente. Cuando se tiene un soluto difícil de incorporar, la acción común de agitación a velocidad constante puede no ser suficiente. El perfil de flujo sin ningún cambio a través del tiempo puede conservar los aglomerados del soluto en el seno del solvente sin llegar a disolverse totalmente. Un flujo laminar dentro del recipiente puede contribuir a esta persistencia, por lo que la sola variación de velocidad de agitación podría ser insuficiente. Si repentinamente es posible parar y reiniciar la agitación, las diferentes fuerzas angulares pueden ayudar a desintegrar esos aglomerados de soluto. El perfil y la velocidad de la agitación también ayudan a esta tarea. Si esto se realiza de manera programada y sistemática, repitiendo los ciclos de inversión de la agitación, se tendrá una verdadera ayuda a la disolución del sólido en el líquido.

Los agitadores con control electrónico de la velocidad ofrecen una mayor exactitud, pero desarrollando un avance mayor en la tecnología de la agitación, HANNA® instruments diseña y fabrica el agitador magnético HI324N que incluye control de la velocidad y función de reversibilidad de la agitación por períodos controlados y definidos por el usuario. También viene equipado con un dispositivo detector de la velocidad (sensor óptico) acoplado con un convertidor de frecuencia que mide la velocidad. A medida que se alcanza un valor máximo de velocidad, el limitador apaga el oscilador de voltaje controlado para disminuir la velocidad del motor. Esto asegura que cuando la carga se retira repentinamente del agitador, el motor no acelerará de forma que la operación continuará siendo segura tanto para el usuario como para el equipo. Esta característica no es común encontrarla en los agitadores del mercado. Las partes se diseñan y fabrican con estrictas especificaciones para asegurar una absoluta confiabilidad. Todos los componentes se montan en una carcasa con cubierta de acero inoxidable, que es a prueba de salpicaduras y de una alta resistencia química a los compuestos más agresivos y corrosivos. Todas las características anteriores dan una versatilidad y flexibilidad únicas al agitador HI324N. Siguiendo las observaciones para cada tipo de soluto y solvente, el usuario puede determinar por experiencia directa cuál es la velocidad de agitación óptima a través de la pantalla de tacómetro integrado, así como el periodo de reversibilidad de la agitación, el cual es seleccionable por el usuario desde 30 segundos hasta 3 minutos. El agitador HI324N está equipado con temporizador para arrancar y detener automáticamente el proceso de agitación después de un período seleccionado por el usuario (de 5 minutos a 2 horas). Son los agitadores ideales para aplicaciones de rutina donde se debe proporcionar un tiempo de agitación definido y para fluidos no Newtonianos cuyas viscosidades cambien durante la agitación.

A menudo en el laboratorio se retira una muestra del agitador antes de que la velocidad se reduzca adecuadamente. Normalmente esto causaría que el motor interno acelerara hasta que se dañara. Para controlar la velocidad a partir de cambios en la viscosidad o la eliminación de la carga, el agitador magnético HI324N incorpora el mecanismo Speedsafe™. Con Speedsafe™ un sensor de velocidad óptico se integra con un convertidor de tensión de frecuencia (FVC) para controlar la velocidad de agitación. Cuando la velocidad alcanza un nivel máximo preestablecido, el limitador de velocidad apaga el VCO (oscilador controlado por voltaje) para disminuir la velocidad del motor. Esto asegura que cuando la carga se retire repentinamente del agitador, el motor no acelerará a una velocidad tan alta que sea peligrosa tanto para el usuario como para el agitador. Esta es una característica que no se encuentra comúnmente en los agitadores convencionales.

Agitador magnético con función reversible, tacómetro y temporizador HI324N

Referencias

Manjón, F. Villalba, J. Arribas. E., Vórtices no estacionarios en un vaso de agua. Revista Brasileira de Ensino de Física, 2013. Recuperado de https://www.scielo.br/pdf/rbef/v35n3/a04v35n3.pdf

Sliepcevich, A., Gelosa D., Chemical Laboratory Techniques. Politecnico di Milano, Italy, 1999. Recuperado de https://www.eolss.net/sample-chapters/c06/e6-11-02-01.pdf

Rouessac F., Rouessac A., Chemical Analysis, Modern Instrumentation Methods and Techniques, John Wiley & Sons, 2007 pp. 455-457.