1. Introducción
El crudo extraído de los yacimientos contiene algunas impurezas como agua, sales y sedimentos [1]. Aunque el crudo y el agua son dos líquidos inmiscibles, las enormes fuerzas de fricción y agitación durante la producción provocan la formación de una emulsión estable de agua en crudo; donde gotas diminutas de agua se encuentran atrapadas y dispersas dentro del crudo (Fig 1). Esta emulsión presenta una elevada estabilidad debido a la acción de surfactantes naturales presentes en el crudo, tales como asfaltenos, resinas y ceras. Estos compuestos migran hacia la interfase crudo-agua, donde forman una película o barrera protectora alrededor de las gotas dispersas que dificulta su coalescencia [2].
No obstante, el crudo debe ser deshidratado mediante la ruptura de la emulsión y la consecuente eliminación de la fase acuosa, ya que si no se elimina el agua, el crudo puede corroer las tuberías, dañar los equipos de las refinerías y arruinar los catalizadores químicos [3, 4]. Además, el agua reduce la calidad del crudo y tiene un efecto significativo en sus propiedades físicas y térmicas [5, 6].
Los métodos de ruptura de emulsiones se pueden clasificar en cuatro categorías principales: procesos térmicos, eléctricos, mecánicos y químicos. Actualmente, la desemulsificación química es conocida como el método más efectivo, común y económico para romper emulsiones en crudo [7].
Figura 1. Esquema general del problema. Modificado a partir de Saad et al., 2019 [8].
2. La celulosa como demulsificante
En la búsqueda de alternativas sostenibles y biodegradables que sustituyan a los demulsificantes sintéticos tradicionales, la celulosa ha surgido como un candidato ideal por su abundancia, nula toxicidad y naturaleza renovable. Sin embargo, el desempeño de la celulosa como agente de deshidratación está intrínsecamente ligado a su modificación química y a su equilibrio hidrofílico-lipofílico; investigaciones experimentales han demostrado que formas nativas como la α-celulosa y la celulosa microcristalina poseen una capacidad de deshidratación sumamente pobre, con eficiencias inferiores al 19% tras doce horas de tratamiento. Esto se debe a que su carácter predominantemente hidrofílico las hace demasiado solubles en la fase acuosa, limitando, drásticamente, su capacidad para migrar y actuar sobre la película interfacial que protege las gotas de agua [9].
En contraste, la etilcelulosa (EC), derivada de la celulosa vegetal pero modificada químicamente, se ha consolidado como un agente demulsificante altamente superior gracias a su estructura anfifílica, la cual combina una cadena principal de celulosa con sustituciones de etilo que le confieren una afinidad excepcional por la interfaz aceite-agua. Al interactuar con la emulsión, la etilcelulosa desplaza por adsorción competitiva a los emulsificantes naturales del crudo, reduciendo la elasticidad y la viscosidad de la película interfacial y favoreciendo así la fusión de las gotas. Aunque variantes de baja viscosidad como la etilcelulosa 46 mPa.s (EC46) pueden alcanzar una capacidad de deshidratación final cercana al 100%, su aplicación industrial se veía limitada por una velocidad de separación inicialmente lenta [9, 10].
Para optimizar este proceso, se han desarrollado formulaciones sinérgicas que integran la etilcelulosa con amina de coco etoxilada (surfactante no iónico y biodegradable derivado del aceite de coco), logrando romper la emulsión de forma casi instantánea; específicamente, una mezcla optimizada puede alcanzar una eficiencia del 96,8% en solo 15 minutos, lo que representa una mejora radical frente a las tres horas que requeriría el polímero por sí solo. Este rendimiento se ve potenciado, además, por el control de la temperatura, determinándose que operar a 65°C es fundamental para disminuir la viscosidad del crudo y acelerar el choque entre las gotas de agua, garantizando una separación completa y dejando una fase acuosa totalmente clara. Así, el uso de estos derivados de celulosa no solo ofrece una solución técnica de alta velocidad y capacidad, sino que también alinea las operaciones de tratamiento de crudo con las crecientes normativas de protección ambiental [9, 10].
3. Conclusiones
La celulosa nativa (α-celulosa) y la celulosa microcristalina poseen un desempeño sumamente pobre como demulsificantes (menos del 19% de eficiencia) debido a su naturaleza predominantemente hidrofílica, mientras que la etilcelulosa, gracias a su estructura anfifílica, demuestra una alta afinidad por la interfaz agua-crudo, logrando desplazar a los asfaltenos y romper la película protectora de las gotas de agua.
Aunque la etilcelulosa de baja viscosidad (EC46) tiene una alta capacidad de deshidratación, su velocidad de acción es lenta (requiere unas 3 horas para ser efectiva). Sin embargo, al mezclarse con amina de coco etoxilada, se logra un efecto sinérgico radical que eleva la velocidad de deshidratación al 96,8% en solo 15 minutos
El uso de derivados de celulosa representa una alternativa técnica de alto rendimiento que cumple con las crecientes exigencias ambientales de la industria petrolera, al ser un material biodegradable, no tóxico y renovable.
8. Referencias bibliográficas
[1] Manning, F. S., & Thompson, R. E. (1995). Oilfield processing of petroleum: Crude oil. PennWell Books
[2] Sjöblom, J. (Ed.). (2001). Encyclopedic handbook of emulsion technology. CRC Press
[3] Aryafard, E., Farsi, M., & Rahimpour, M. R. (2015). Modeling and simulation of crude oil desalting in an industrial plant considering mixing valve and electrostatic drum. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 95, 383–389
[4] Aryafard, E., Farsi, M., Rahimpour, M. R., & Raeissi, S. (2016). Modeling electrostatic separation for dehydration and desalination of crude oil in an industrial two-stage desalting plant. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 58, 141–147
[5] Bhardwaj, A., & Hartland, S. (1993). Study of demulsification of water-in-crude oil emulsion. Journal of Dispersion Science and Technology, 14(5), 541–557
[6] Fingas, M., Fieldhouse, B., Bobra, M., & Tennyson, E. (1993). The physics and chemistry of emulsions. Environment Canada and Consultchem; US Minerals Management Service
[7] Ali, N., Zhang, B., Zhang, H., Zaman, W., Li, X., Li, W., & Zhang, Q. (2015). Interfacially active and magnetically responsive composite nanoparticles with raspberry like structure: Synthesis and its applications for heavy crude oil/water separation. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 472, 38–49
[8] Saad, M. A., Kamil, M., Abdurahman, N. H., Yunus, R. M., & Awad, O. I. (2019). An overview of recent advances in state-of-the-art techniques in the demulsification of crude oil emulsions. Processes, 7(7), 470
[9] Roostaie, T., Farsi, M., Rahimpour, M. R., & Biniaz, P. (2017). Performance of biodegradable cellulose based agents for demulsification of crude oil: Dehydration capacity and rate. Separation and Purification Technology, 174, 53–61
[10] Feng, X., Mussone, P., Gao, S., Wang, S., Wu, S.-Y., Masliyah, J. H., & Xu, Z. (2009). Mechanistic study on demulsification of water-in-diluted bitumen emulsions by ethylcellulose. Langmuir, 26, 3050–3057
Gabriela Farías
Unidad de Procesos Metalúrgicos
Centro de Tecnología de los Materiales, ctm@fii.gob.ve
