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Agente espumante de saponina

En vísperas del desarrollo de la tecnología del hormigón de espuma, unos 60 años antes, no existía tanta variedad de agentes espumantes sintéticos y de alta eficacia que se aplica hoy día. Pero ,no obstante, el hormigón de espuma producido por nuestros abuelos no sólo equivale al moderno en varias características, sino aventaja a los productos de nietos. El secreto principal es el alto nivel profesional de los ascendientes. Además es considerable que se elija la fórmula correcta para la producción de la masa del hormigón de espuma. Sin duda, son cruciales la naturaleza y composición del agente espumante. Hace poco tiempo se emplearon como los agentes espumantes sólo dos tipos de sustancias, siendo estos los de colofonia con pegamento (los hemos descrito antes) y los de saponina.

Una gran ventaja de los agentes espumantes de saponina, sobre todo, en las remotas zonas rurales, es su precio bajo y su amplia disponibilidad. Un kilo de castañas, después de un simple tratamiento, da 1,5 metro cúbico de la espuma fina y de alta calidad. Y un par de castaños puede resolver íntegramente el problema de agentes espumantes locales para una pequeña fábrica de koljós.

Las saponinas es el nombre de las sustancias de origen vegetal las que pueden generar la espuma al disolverlas en agua como un jabón (Sapo significa el jabón en latín). Se conocen las saponinas desde hace mucho tiempo, por primera vez se mencionan como sustancias jabonosas alrededor del año 1575. Gracias a su capacidad de producir la espuma intensiva desde los tiempos inmemoriales se emplean como detergentes. Son los mejores para lavar telas delicadas y pintadas que no pueden lavarse con el jabón. Muchos de los limpiadores de ropa y quitamanchas contienen las saponinas. Se emplean, además, para producir diferentes emulsiones, cremas de afeitado, champú, etc.. Las saponinas son muy importantes para la medicina. En consecuencia la información sobre las saponinas se encuentra con más frecuencia en la literatura médica y farmacéutica que en la técnica.

Para sacar las saponinas puras se han propuesto numerosas metodologías. Pero todas de ellas se basen en tratamiento de los extractos acuosos y alcohólicos, obtenidos por hervor del material vegetal con diferentes reactivos. Sin embargo, para generar la espuma industrial durante la producción de hormigón de espuma no se requiren las saponinas puras, el proceso de generación de estas se facilita notablemente.

Es muy fácil obtener los agentes espumantes de saponina, sólo hay que extraer la saponina natural de las plantas que la contienen. Se puede lograrlo por medio de maceramiento duradero del material en el agua. Y al elevar la temperatura, y aun más al hervir el material, el proceso se acelera notablemente.

La concentración de equilibrio de las saponinas entre el material y el agua nunca se cambia. Con otras palabras, no se puede extraer toda la saponina por un sólo ciclo. Hay que primeramente colocar el agua con el extracto de una cierta cantidad de la saponina en un vaso,   verter el material con una nueva porción del agua. Lo mismo se repite varias veces.

Las soluciónes acuosas producidas las cuales con cada vez contienen menos saponina hay que mezclarlas entre sí. La solución resultante tendrá una concentración promedia y será apta para el empleo directo.

 Pregunta: ¿Cuáles son las plantas que contienen las saponinas?

Las saponinas son comunes en el mundo vegetal. Ya están detectadas en las plantas que pertenecen aproximadamante a unas 70 familias y unas 400 especies, vegetando en las zonas climáticas muy diversas, desde el trópico hasta la zona templada. Pero, desde le punto de vista del sentido práctico la importancia la tienen sólo las plantas con una alta concentración de la saponina, que se detallan:

1. Lychnis Chalcedonica o Silene chalcedonica (hierba de jabón tártara) vegeta en la zona de estepa de la parte europea de Rusia  en Ucrania, Cáucaso, Siberia occidental y oriental. Se encuentra en los herbazales húmedos alrededor de los fuentes de agua. La mayor concentración de las saponinas, hasta los 23%, está en sus hojas.

2. Sapindus Saponaria o árbol de jabón vegeta en los países de trópico. Aquí crece en el Transcáucaso. Para extraer las saponinas los más útiles son los frutos, hasta los 38% de saponinas.

3.Aesculus Hippocastanum o castaño de Indias se cultiva con fines decorativos y vegeta muy bien en el clima moderado de Rusia y Ucrania. Los más ricos con las saponinas son sus frutos. Las cáscaras contienen  hasta los 11%, y las pulpas hasta los 6 % de saponinas.

4. Acantophyllum Glandulosum o jabonera norteamericana es una planta silvestre vivaz herbácea que vegeta en Asia Central  y Transcáucaso. Sus raíces contienen hasta los 32% de saponina.

5. Cyclamen Lbericum o ciclamen. Vegeta  en las zonas premontañosas del Cáucaso y Transcáucaso. La saponina, hasta los 25%, la continen los raíces de las plantas que forman los tubérculos.

6. Saponaria Officinalis o jabonera es una planta silvestre vivaz que vegeta en las zonas centrales de Rusia y Ucrania. Los raíces de la jabonera son entre 2 y 3 cm de anchura y contienen hasta los 36% de saponina.

7. Melandrium Album o colleja es una planta silvestre muy extendida en Ucrania, Cáucaso, Siberia y parte europea de Rusia hasta la provincia de Moscú. Los raíces de colleja contienen hasta los 28% de la saponina de alta calidad. Por eso de cultiva esta planta como materia prima de la industria farmacéutica.

 Pregunta: ¿Cuáles son efectos de las saponinas respecto a seres humanos y medio ambiente?

La toxicidad de las saponinas respecto al organismo humano depende de la naturaleza de tales saponinas. Las saponinas más activas (y al mismo tiempo más tóxicas) se llaman sapotoxinas. Estas últimas se contienen en el veneno de serpientes.

Las saponinas contenidas en las plantas son prácticamente inocuos para los seres humanos, y sólo las inyecciones pueden tener repercusión en la salud. En forma de polvo las saponinas pueden ocasionar rubefacción de las mucosas de los órganos respiratorios, produciendo un estornudo grave y picazón en la garganta. Las saponinas tienen el sabor mordaz, muchas veces, con amargor punzante que persiste.

Para todas las especies de peces son tóxicas, aunque se presenten en una dosis insignificante. Este factor es uno de los métodos cualitativos de detectar la presencia de las saponinas.

Pregunta: ¿Cuál es el plazo de empleo de los agentes espumantes basados en el extracto acuoso de las plantas que contienen la saponina?

Los extractos acuosos producidos de las plantas que contienen la saponina son un buen caldo de cultivo para las bacterias diferentes. Y, al mismo tiempo, la solución se contamina con unos fermentos que degradan las saponinas. Si no se tomen las medidas especiales, las saponinas se desagregan afectadas por las bacterias y fermentos, aún se preservan a lo largo de un plazo duradero. Mientras tanto se observa la empañadura de la solución y la separación del precipitado. La capacidad del agente espumante decae drásticamente, lo cual es la razón esencial de producción del hormigón de espuma de baja calidad.

Para que se aumente el grado de conservación de las soluciones acuosas de saponinas, estas se someten al hervor durante 1 ó 2 horas. En el proceso de hervor o inmediatamente después del mismo se añade a la solución de conservante. Los experimentos revelaron que los mejores conservantes para las soluciones de los extractos acuosos de saponinas son el fenol o formol, siendo la dosis entre 0.2 y  0.3% de la masa de la saponina (en materia seca).

Pregunta: ¿Cuál es la concentración óptima de la saponina en el agente espumante para producir el hormigón de espuma?

La relación entre la generación de la espuma y la concentración de la saponina en la solución se presenta en la ficha posterior, siendo constatada de acuerdo con la metodología de Shtipel aprobada en la Sucursal de Moscú del Instituto Ruso de Investigación Científica de Materias Grasas, la que consiste en agitación mecánica de los 10 ml de la solución en el embudo separador graduado:

Ficha 1

Solución

Volumen de espuma

(cm3)

tras  1 min.

tras 3 min.

Agua pura

0

0

Solución de saponina con la concentración de 0.01%

150

150

— // — — // — concentración de 0.05%

250

225

— // — — // — concentración de 0.10%

256

225

— // — — // — concentración de 0.50%

275

250

— // — — // — concentración de 1.00%

375

375

— // — — // — concentración de 2.00%

300

300

Jabón sólido con la concentración de 0.125% (con motivo de comparación)

275

250

De la ficha anterior se puede concluir que la capacidad espumante  de las soluciones de saponina sube de manera no lineal al aumentar la concentración hasta 1%. El aumento posterior sólo hace caer la capacidad del agente .

Para los objetivos técnicos hay que admitir que la concentración óptima es de 0.05%, porque el aumento posterior resulta con la subida insignificativa del volumen.

Pregunta: ¿Cuáles son las metodologías existentes de mejora de los agentes espumantes basados en  las saponinas naturales?

Para investigar los efectos de diferentes modificadores en la capacidad espumante de las soluciones de saponina tomaron unas ciertas materias, que eran representantes típicas de sus grupos, tales como, contacto de Petrov (ácidos sulfónicos de petróleo), óleo de alizarina (ácidos grasos), soda (sales minerales).Se constató que las sales minerales aumentaban la capacidad del espumante de las saponinas por un porcentaje entre 10 a 15 %, los ácidos grasos la bajaban por el mismo porcentaje  y los acidos de petróleo la dejaban sin cambios.

Durante el maceramiento del material vegetal a la solución junto con las saponinas penetra una cantidad abundante de sustancias colorantes y de curtido, que pueden, aun en pocas concentraciones, bajar drásticamente el rango del desarrollo de resistencia por el hormigón de espuma. Para eliminar a estas sustancias hay que añadir a los extractos acuosos de saponina la cal, la que junto con el óxido de calcio presenta poca cantidad del óxido de magnesio que hace juntar y precipitar las sustancias colorantes y de curtido. Después de la decantación el precipitado puede ser filtrado sin dificultad alguna de la masa principal de la solución.

Espumifero protéico

La disolución albuminosa, así como los productos de desagregación de la misma albumina son un buen caldo de cultivo para los microorganismos de todo tipo, y durante el almacenamiento los agentes espumantes pueden alterarse y descomponerse. Por eso a los agentes espumantes añaden los conservantes, tales como, por ejemplo, el fluoruro de sodio, fenol, benzoato de sodio, fosfato de etilmercurio, etc..

A la segunda mitad de los años 60 se llevaron a cabo unas investigaciones dedicadas al aumento de calidad del agente espumante PO-6 (ПО-6). Fueron elaboradas la fórmula y tecnología de producción del agente espumante. Para prepararo hay que empelar por 100 kg de sangre con densidad relativa por lo menos 1,04 unos 4,5 kg de soda cáustica con densidad de 1,45; con 20 kg de la solución de ácido sulfúrico de 10%; con entre 7 y 9 kg de sulfato de hierro con densidad de 1,14 y con 4 kg de fluoruro de sodio.

Se coloca en una caldera la sangre desfibrinada mediante un molino. La proporción formada por la masa de la sangre colocada y la superficie de evaporación es entre  7 y 7,5 kg/dm2. Al colocar la sangre se pone en marcha la mezcladora, tomando en cuenta que la frecuencia de rotaciones de la misma no debe provocar la espumación intensiva. A lo largo del proceso de mezclado se añaden unas pequeñas porciones de la solución de soda cáustica. Después, se pasa el vapor a la camisa del caldero. Al cargar el álcali la sustancia mezclada se transforma hasta que su consistencia parezca a la de gelatina. Calentando a esta sustancia hasta la temperatura entre 70 y 80°С, continúan a mezclarla y añaden un antiséptico (fluoruro de sodio). Siguen calentando la sustancia de reacción hasta que hierva y la mantienen en el mismo estado a lo largo de las 5 horas después, hasta que se finalice la hidrólisis.  La evaporación del agente espumante se procesa simultáneamente. Después, la sustancia de reacción la enfrían y neutralizan con la solución 10% de ácido sulfúrico, continuando a mezclarla sin cesar. Al neutralizar el hidrolizado se añade a él una solución de sulfato de hierro, continuando el mezclado. El agente espumante ya acabado lo bombean al colector con fondo cónico para segregar el precipitado. La constancia de la espuma producida por este agente (es decir, periodo de separación de los 50% del líquido, tomado para hacer la espuma) es entre 20 y 30 minutos.

De tal manera, la calidad del agente espumante PO-6, producido de acuerdo con la tecnología nuevamente comprobada corresponde por su calidad a los mejores análogos extranjeros de los agentes espumante albuminosos.

El agente espumante PO-6 es un líquido de color marrón rojizo sin precipitado, ni inclusiones, ni olor de putrefacción, el cual puede presentarse en los casos de no haber añadido el antiséptico o de almacenamiento prolongado del agente espumante en un envase con falta de hermeticidad. La temperatura en el lugar donde se conserva el agente espumante no debe subir sobre el índice máximo de 30°С ni caer bajo el mínimo de 5°С. Se recomienda que no conserve el agente espumante PO-6 ya solucionado durante el periodo prolongado, porque en este caso el proceso de descomposición es más rápido. Si el agente espumante se hiele, hay que colocarlo en un local con calefacción y mezclar después del deshielo. Al seguir las condiciones de almacenamiento el agente espumante preserva sus características iniciales para el plazo durable (de 3 a 5 años y más).

Agente espumante de colofonia  con pegamento

La producción del hormigón celular se inicio ante todas las demás opciones del empleo del agente espumante de colofonia con pegamento. Para preparar el agente espumante de colofonia con pegamento se aplican el pegamento, la colofonia, el hidróxido de sodio y el agua.

El pegamento debe corresponder a las exigencias de GOST 2067 — 47, para el pegamento de hueso, y de GOST 3252 — 46, para el pegamiento de piel, que se detallan:

а) solucionarse lentamente en el agua con la temperatura entre +350 C y +400 C y empaparse en el agua con la temperatura de + 150C;

b) no tener olor de podrecimiento ni moho;

c) no presentar contaminantes de grasa. Una vez solucionado el pegamento en el agua caliente, se puede detectarlos por haber aparecido unos puntos de grasa a la lumbre del agua. O bien, cuando el pegamento se solidifique, aparece una membrana blanca.

La colofonia debe corresponder a las exigencias de  GOST.797 — 41, para la colofonia de pino, que se detallan:

а) tener la temperatura de reblandecimiento por lo menos de 650C;

b) no debe contener aceites de trementina, cuya presencia puede ser detectada al tratar la colofonia con el agua caliente;

c) no presentar pegajosidad ni color rojo turbio.

El hidróxido de sodio debe corresponder a las exigencias de  GOST 2263 — 43, para el hidróxido de sodio técnico (soda cáustica) y debe contener las sustancias siguientes:

а) hidróxido de sodio, por lo menos los 92%;

b) soda, por lo más los 4%;

c) cloruro de sodio, por lo más los 3,75%;

d) óxidos de hierro, aluminio y manganeso (en suma), por lo más 0,03%.

La tecnología de aplicación a la composición del agente espumante de colofonia con pegamento está descrita en el Manual de producción de las losas armadas de hormigón celular autoclavado destinadas para revestir los edificios industriales (И-194 — 54) redactado por el Ministerio de Edificación de Fábricas de las Industrias de Metalurgia y Química (MEFIMQ).

Mientras cumplen todas las condiciones expuestas en el Manual se compone el agente espumante que al solucionarlo en el agua ofrece una espuma sólida con una gran capacidad espumante.

Para producir 1 m3  del hormigón de espuma con peso unitario 600 – 800 kg/m3  se necesitan los componentes siguientes: 0,2 kg de pegamento, 0,14 kg de colofonia, 0,024 kg de hidróxido de sodio técnico.

La producción del agente espumante de colofonia con pegamento comprende las operaciones siguientes: preparación de una solución de pegamento y de una solución acuosa de álcali; hervor del jabón de colofonia; mezclado de la solución de pegamento con el jabón de colofonia.

Para preparar la solución de pegamento,  este último se rompe en las piezas entre 2 y 3 cm de tamaño y se las ponen en un baño de hierro y las sofocan con el agua de la temperatura entre 15 y 200 C, siendo la proporción 1:1 (de peso).

El pegamento está sofocado en el agua durante las 24 horas. En casos de uso del pegamento líquido hay que establecer la cantidad del agua contenida en él por medio de evaporación por calentamiento. Hay que tener en cuenta a esta cantidad preparando la solución de pegamento.

Después de la humectación la solución de pegamento la hierven en los vasos calentados por el agua caliente o vapor, manteniendo la temperatura entre 40 y 500 C, a lo largo de 1,5 ó 2 horas hasta que en pegamento se solucione por completo.

Para hervir el jabón de colofonia primeramente se prepara la solución acuosa del hidróxido de sodio. Se toma la concentración de la solución acuosa del hidróxido de sodio de acuerdo con el peso específoco de la solución, equivalente a  1,16 (166 g hidróxido de sodio para 1 L de la solución). La solución acuosa se calienta hasta el hervido.

Mezclando sin cesar la solución del hidróxido de sodio hervida, se añade a ella poco a poco la colofonia fraccionada y cribada en el tamizador con mallas de 5 mm. Mientras tanto se tome la colofonia (de peso) y solución de hidróxido de sodio (del volumen) en la proporción de 1 : 1.

Después del mezclado de la colofonia con solución del hidróxido de sodio se hierve la composición hasta que la colofonia se solucione por completo ( entre 1,5 ó 2 horas), lo que se caracteriza por el color uniforme de la masa y por la ausencia de los grumos y pepitas. Después, a la composición se añade en agua caliente con temperatura de los 700 C, se lo hacen para obtener el volumen inicial previo al hervido.

El jabón de colofonia obtenido se mezcla con la solución de pegamento siguiendo la proporción de 1:1,4 (de peso). La solución de pegamento debe tener la temperatura de 300 C, y el jabón de colofonia de 600C. Hay que añadir la solución de pegamento en pequeñas porciones al jabón de colofonia siempre mezclándolos  escrupulosamente. La composición obtenida se llama el agente espumante de colofonia con pegamento.

 De tal manera el agente espumante se conserva en las cubas de plástico o contenedores de vidrio o de barra, bien cerrados, manteniendo las temperaturas sobre cero. El periodo de conservación no debe superar a los 20 días en la temporada fría, a los 10 días en la temporada calurosa.

Antes del empleo en la producción del hormigón celular el agente espumante lo solucionan con el agua caliente (500) en la proporción de 1: 5 (de volumen). De tal manera se lo ponen en el generador de espuma (solución 3-4%) o en la revolvedora de concreto de espuma, donde se mezcla con el agua.

En vez del pegamento de hueso o de piel en el proceso de producción del agente espumante se puede utilizar la goma con caseína combinándola con el modo acelerado de hervir el jabón de colofonia.

Para preparar el jabón de colofonia se soluciona previamente el álcali en el agua, logrando la concentración debida de acuerdo con la ficha siguiente

Cuerpo de soluciones de álcalis

Tipo del álcali

Contenido del álcali en 1 L de la solución, g

Cuerpo de acuerdo con Baumé, grados.

peso específico de la solución

Soda cáustica

Soda

Potasa cáustica

Potasa

166

210

226

248

20

22

21

24

1,16

1,18

1,17

1,20

La solución del álcali preparada (por 1 kg de colofonia 1 L de la solución del álcali) la colocan en un baño y calientan hasta el hervido, después de que a la solución se añade la colofonia molida y cribada en el tamizador con mallas de 2,5 — 3,0 mm, mientras sigue el mezclado. La composición se mezcla enérgicamente hasta que se produzca la masa uniforme. La disolución de la colofonia en el álcali hervido dura entre 5 y 7 minutos.

Simultáneamente se prepara la solución de goma con caseína. A tal fin, en un baño de hierro trituran de manera continua la goma de caseína seca, la solucionen con el agua de temperatura ambiental hasta que se prepare la masa uniforme sin grumos. Hay que tomar la cantidad de agua entre  3 y 5 veces mayor que la cantidad de la goma de caseína.

En la solución de la goma de caseína preparada de acuerdo con esta tecnología vierten delicadamente el filete del jabón de colofonia caliente, continuando el mezclado sin cesar, hasta se prepare la masa uniforme sin grumos ni granos. Se realizan los cálculos, de acuerdo con lo que se necesitan 3 kg de la goma de caseína seca por 1 kg de colofonia, pero no del jabón de la misma.

Para que se produzca la espuma, al agente espumante de colofonia con caseína se añade la pasta de cal siguiendo la proporción 1: 0,5: 12 (en volumen) composición de colofonia con caseína: pasta de cal: agua. La composición está acabada y aplicable después del mezclado continuo hasta que se obtenga una masa uniforme. Se puede producir del agente espumante descrito la espuma con capacidad espumante multiplicada por 15 ó 20:

El agente espumante de colofonia con caseína tiene las características iguales, y, a veces, mejores que él de colofonia con pegamento. Pero, debido a lo que la caseína es más escasa y cara que el pegamento de piel, no se puede esperar que se aplique con la misma amplitud en calidad de agente espumante.