2. at ecedet es 2.1. el petróleo crudo 2.2.1....

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5 2. ATECEDETES 2.1. El petróleo crudo 2.2.1. Composición El petróleo crudo es una mezcla compleja de hidrocarburos que incluyen en sus moléculas pequeñas proporciones de azufre, oxígeno y nitrógeno, y algunos metales como vanadio, níquel, fierro y cobre. Estos hidrocarburos, coexisten en fases sólida, líquida y gas. Parafinas, isoparafinas, olefinas, naftenos y aromáticos son las diferentes familias de hidrocarburos, las cuales se diferencian entre sí, por su tamaño y estructura. Dentro de los hidrocarburos aromáticos, se encuentran compuestos particularmente complejos, denominados asfaltenos, los cuales constituyen un aspecto importante en la producción y el procesamiento del petróleo crudo [19]. La cantidad de asfaltenos en el crudo puede variar desde menos de 1% en petróleo crudo muy ligero hasta 25% en petróleo crudo pesado, lo cual genera variaciones en las propiedades del aceite [1]. El contenido de carbón normalmente está en el intervalo de 83 a 87%, y el contenido de hidrógeno de 10 a 14%. También, existen variaciones pequeñas en las cantidades de nitrógeno, oxígeno, azufre y metales presentes [20]. Debido a la composición compleja del petróleo crudo, la caracterización molecular de los componentes individuales aún no es posible, y el análisis elemental no proporciona información suficiente acerca de la constitución de sus fracciones. Sin embargo, la caracterización de los hidrocarburos principales presentes en el petróleo crudo se requiere en ámbitos diversos de la industria petrolera. La separación SARA representa una alternativa para fraccionar el petróleo crudo en cuatro grupos de compuestos. Este método se basa en las diferencias de solubilidad y polaridad. Las fracciones obtenidas son: saturados, S, aromáticos, A, resinas, R, y asfaltenos, A, (SARA). Los asfaltenos se separan por precipitación en un solvente parafinico, y el petróleo crudo libre de asfaltenos se separa en saturados, aromáticos y resinas por cromatografía [20].

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5

2. A�TECEDE�TES

2.1. El petróleo crudo

2.2.1. Composición

El petróleo crudo es una mezcla compleja de hidrocarburos que incluyen en sus

moléculas pequeñas proporciones de azufre, oxígeno y nitrógeno, y algunos metales como

vanadio, níquel, fierro y cobre. Estos hidrocarburos, coexisten en fases sólida, líquida y gas.

Parafinas, isoparafinas, olefinas, naftenos y aromáticos son las diferentes familias de

hidrocarburos, las cuales se diferencian entre sí, por su tamaño y estructura. Dentro de los

hidrocarburos aromáticos, se encuentran compuestos particularmente complejos,

denominados asfaltenos, los cuales constituyen un aspecto importante en la producción y el

procesamiento del petróleo crudo [19]. La cantidad de asfaltenos en el crudo puede variar

desde menos de 1% en petróleo crudo muy ligero hasta 25% en petróleo crudo pesado, lo

cual genera variaciones en las propiedades del aceite [1]. El contenido de carbón

normalmente está en el intervalo de 83 a 87%, y el contenido de hidrógeno de 10 a 14%.

También, existen variaciones pequeñas en las cantidades de nitrógeno, oxígeno, azufre y

metales presentes [20].

Debido a la composición compleja del petróleo crudo, la caracterización molecular

de los componentes individuales aún no es posible, y el análisis elemental no proporciona

información suficiente acerca de la constitución de sus fracciones. Sin embargo, la

caracterización de los hidrocarburos principales presentes en el petróleo crudo se requiere

en ámbitos diversos de la industria petrolera.

La separación SARA representa una alternativa para fraccionar el petróleo crudo en

cuatro grupos de compuestos. Este método se basa en las diferencias de solubilidad y

polaridad. Las fracciones obtenidas son: saturados, S, aromáticos, A, resinas, R, y

asfaltenos, A, (SARA). Los asfaltenos se separan por precipitación en un solvente

parafinico, y el petróleo crudo libre de asfaltenos se separa en saturados, aromáticos y

resinas por cromatografía [20].

6

2.1.2. Modelo coloidal del petróleo crudo e importancia de los asfaltenos

El petróleo crudo es considerado una dispersión coloidal de asfaltenos y resinas

dispersos en un medio continuo de componentes no polares. En la Figura 1 se presenta el

modelo coloidal del petróleo crudo [19, 21-22]. Los asfaltenos no son solubles en el resto

de los componentes del petróleo crudo, se integran formando una suspensión coloidal

estable al rodearse de moléculas de tamaño ligeramente inferior, conocidas como resinas,

las que a su vez y en forma sucesiva se rodean de otras moléculas presentes en el petróleo

crudo para constituir un todo continuo.

Los asfaltenos y resinas son las fracciones más pesadas y polares del petróleo crudo.

Tienen estructura poliaromática con cadenas alquilo, heteroátomos y trazas de algunos

metales. Los asfaltenos son la fracción de mayor polaridad y peso molecular, y contienen el

mayor porcentaje de heteroátomos (O, S, N) y metales (Fe, Ni, V). Actualmente, la

distinción entre asfaltenos y resinas se basa en sus características de solubilidad en

n-alcanos. Los asfaltenos son operacionalmente definidos como la fracción del petróleo

crudo soluble en solventes aromáticos como tolueno o benceno, pero insoluble en n-alcanos

como n-heptano o n-pentano, mientras que las resinas si son solubles en estos alcanos [1,

19-23].

Se ha propuesto que en este sistema coloidal, las resinas se adsorben sobre los

asfaltenos, y forman una capa protectora que mantiene los asfaltenos en suspensión y la

estabilidad coloidal del petróleo crudo. Este complejo asfalteno-resina denominado micela

se presenta en la Figura 2. Si las resinas se separan de los asfaltenos, éstos se agregan y

precipitan, causando la desestabilización coloidal del sistema [19, 21-22]. La estabilidad de

los agregados asfaltenos-resinas está relacionada con la solubilidad y propiedades

interfasiales de los asfaltenos [24]. También interacciones no covalentes tales como fuerzas

de van der Waals entre anillos aromáticos, puentes de hidrógeno entre grupos funcionales

polares, y otras interacciones de transferencia de la carga, son responsables del

reconocimiento molecular entre asfaltenos y resinas; y además, determinan la estructura y

tiempo de vida de los agregados asfaltenos-resinas [25]. Los principales factores

responsables de la agregación de asfaltenos en el petróleo crudo son la polidispersidad,

la composición química, y el arreglo estérico de grupos funcionales presentes en los

asfaltenos [26], así como cambios de presión, temperatura y composición del petróleo

7

Núcleo de la micela de asfalteno

Componente aromático con alto peso molecular

Componente aromático con bajo peso molecular

Componente de carácter aromático y nafténico

Componente de naturaleza alifática y nafténica

Componente de naturaleza alifática

Figura 1. Modelo coloidal del petróleo [22].

8

Figura 2. Representación esquemática del complejo asfalteno-resina denominado micela [19].

Resina

Resina

Resina

Resina

Monómero de Asfalteno

9

crudo, variación en el tipo y concentración de agentes coloidales, así como factores

electrocinéticos [27].

2.1.3. Estructura molecular de asfaltenos

En la Figura 3 y Figura 4 se presentan dos diferentes enfoques del modelo

estructural de la molécula de asfalteno: el modelo “continental” y el modelo “archipiélago”,

respectivamente [28]. De acuerdo con el modelo “continental” (Figura 3), el asfalteno tiene

la forma de una molécula aromática condensada. Está compuesto de uno o dos

hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAPs) que pueden ser sustituidos por alguna cadena

alquilo. En este modelo, se propone que la atracción entre moléculas de asfalteno se

favorece por interacciones poliaromáticas y está limitada por repulsiones estéricas entre

cadenas alifáticas que rodean la coraza aromática. Por otro lado, el modelo “archipiélago”

(Figura 4) representa el asfalteno por medio de varios sistemas de pequeños anillos

fusionados que están interconectados por cadenas alquilo y puentes tioéter. A pesar de que

las interacciones anillo-anillo no son favorecidas debido a consideraciones estéricas se cree

que la agregación de asfaltenos del tipo “archipiélago” se produce por puente de hidrógeno.

No obstante los modelos estructurales propuestos para el asfalteno, la complejidad

de la molécula hace que su estructura molecular sea la menos definida. Además, esta

característica depende del origen del asfalteno y método de recuperación. La precipitación

de asfaltenos con n-alcanos genera una amplia distribución de estructuras moleculares que

pueden variar significativamente de un petróleo crudo a otro [29], y estas diferencias

pueden ser explicadas por cambios en el peso molecular y aromaticidad [30]. Una

implicación importante para asfaltenos con pesos moleculares pequeños (750 g/mole) es la

heterogenicidad molecular muy significativa que presentan. Para estructuras idealizadas de

pesos moleculares grandes, se pueden incluir una gran variedad de grupos funcionales en

una sola molécula tales como porfirina metálica, tiofeno, azufre, pirrol, piridina, varias

cadenas alcano, variedad de aromáticos, etc. Sin embargo, los asfaltenos con pequeños

pesos moleculares imposibilitan acoplamiento covalente de tan elevado número de

especies. Por tanto, la variedad de moléculas de asfalteno es muy grande, algunas con

nitrógeno, otras con azufre, algunas con grandes sistemas de anillos y otras con pequeños

10

Figura 3. Modelo “continental” de estructura molecular de asfalteno [28].

H3C

CH3

H2N

CH3

S

H3C

H3C

H3C

CH3 H3C

N

O

OH

CH3

11

Figura 4. Modelo “archipiélago” de estructura molecular de asfalteno [28].

H3C

H3C

CH3 CH3

CH3

CH3

O

CH3

H3C

CH3

CH3

S O

OH

O

N

S

12

sistemas de anillos [31]. De tal manera que, por la amplia variedad de estructuras

moleculares que pueden presentar los asfaltenos, es común caracterizar estos materiales

por la relación atómica H/C, así como por el contenido de nitrógeno, azufre y oxígeno.

Relaciones atómicas entre 1.0 y 1.2, y bajos contenidos de N, S, y O sugieren que el

asfalteno consiste de carbonos aromáticos unidos e intermezclados con grupos funcionales

que contienen de 5 a 7 heteroátomos por molécula. La orientación específica de los grupos

polares y aromáticos en la estructura interna del asfalteno aún es sujeta a debate [29].

Por otro lado, la auto-asociación de asfaltenos introdujo el concepto de micelas en el

petróleo crudo. La noción de asfaltenos formando agregados coloidales fue originalmente

propuesta por Nellensteyn [32], y después por Pfeiffer and Saal [22]. Según el modelo de

éstos investigadores, los asfaltenos forman el centro de las micelas rodeadas y estabilizadas

por las resinas y otros componentes del petróleo [Figura 1]. Sin embargo, cuando ocurre

una disminución de resinas, ocurre asociación de las micelas, hasta formar una estructura

tipo gel [19, 22, 27, 32]. Además, el concepto original de la micela asfalteno-resina

(complejo asfalteno-resina) sugiere que la asociación asfalteno-asfalteno ocurre en capas

“apiladas” con tendencia a grafitizarse como se muestra en la Figura 5 [19].

Posteriormente, Yen y col. [33] propusieron la macroestructura del asfalteno, en la

que se distinguen cuatro entidades: molécula, partícula, micela y agregado. La estructura

consiste básicamente de regiones aromáticas unidas por cadenas alifáticas. La partícula,

llamada cristalita, se forma “apilando” en el plano partes aromáticas de las moléculas. Las

partículas pueden asociarse en micelas, las micelas pueden formar agregados de varias

micelas y formar supermicelas, y la agregación adicional puede dar lugar a supermicelas

gigantes. Estas entidades diversas se pueden enlazar por diversas clases de interacción. Las

resinas también pueden interactuar con los asfaltenos. Este modelo representa los asfaltenos

en su medio natural, formando micelas inversas, en el cual el centro de la micela está

compuesto de grupos polares asociados por interacciones de transferencia de carga o puente

de hidrógeno.

En los últimos años se ha desarrollado un modelo mucho más específico, el modelo

modificado de Yen, en el cual se consideran los conceptos fundamentales del

13

Figura 5. Autoasociación “apilada” de asfaltenos [28]. Un alto porcentaje de los anillos aromáticos están conectados en la estructura intermolecular, y por esta razón las moléculas de asfáltenos presentan formas aplanadas.

H

CH2

O =

H

= O

O H

H

CH

CH CH

CH CH

S

H

O H

CH2

CH2 CH2

14

modelo original [34]. Este modelo se presenta en la Figura 6. Los tres componentes que

conforman este modelo son moléculas de asfaltenos, nanoagregados de asfaltenos, donde el

exterior del nanoagregado es dominado por sustituyentes alcano, y agregados de

nanoagregados de asfaltenos, que no son mucho más grandes que los nanoagregados de

asfaltenos.

A diferencia del modelo original de Yen, el cual se considera esencialmente

fenomelógico, el modelo modificado de Yen propone la dinámica de las estructuras

jerárgicas del asfalteno en términos de estructura-función. Además, aunque el modelo

modificado de Yen es una propuesta que explica la formación de nanoagregados y

agrupaciones de nanoagregados de asfaltenos, no considera interacciones asfalteno-resina.

Por tanto, la concepción clásica de las resinas como “surfactantes naturales” en la

formación de micelas en el petróleo crudo es incompatible en este modelo [34].

De acuerdo con el modelo modificado de Yen, los asfaltenos son estables en tolueno

en ausencia de resinas, por tanto las resinas no son necesarias para la estabilización de

partículas de asfaltenos en sistemas orgánicos. El papel estabilizador de las resinas se

considera poco probable ya que presentan carga mucho menor que los asfaltenos. Además,

nanoagregados de asfaltenos presentes en el petróleo crudo parecen muy similares a los

presentes en el tolueno [34].

No obstante, en este modelo modificado de Yen se reconocen evidencias

experimentales de interacciones asfalteno-resina. Resultados de mediciones realizadas con

la técnica de dispersión de neutrones a ángulos pequeños (SANS) indican disminución de

tamaños de agregados de asfaltenos en presencia de resinas. Resultados de mediciones de

osmometría de presión de vapor, indican que los asfaltenos absorben de forma diferente en

microbalanzas de cristal de cuarzo en presencia y ausencia de resinas. Sin embargo, según

este modelo las interacciones asfaltenos-resinas no están adecuadamente plasmadas en el

modelo coloidal de micelas [34].

Actualmente, tecnología de DFA (análisis de líquido de fondo de pozo) proporciona

una medición de la coloración del petróleo in situ en los pozos de petróleo. La combinación

del modelo modificado de Yen y DFA ha permitido el análisis del petróleo crudo y

asfaltenos basado en la “coloración”. En la evaluación de yacimientos, los resultados

indican que el color es lineal con el contenido de asfaltenos [34].

15

Figura 6. Representación esquemática del modelo modificado de Yen [34]: (a) Estructura molecular predominante de la molécula de asfalteno, mostrando el sistema de anillos formado por hidrocarburos aromáticos policiclícos (HAPs) con sustituyentes alcano periféricos, (b) Moléculas de asfaltenos forman nanoagregados de HAPs “apilados” desordenadamente, donde el exterior de los nanoagregados está dominado por sustituyentes alcano, y (c) Los nanoagregados de asfaltenos forman agregados de nanoagregados.

(b) (a) (c)

HAPs

Sustituyente alcano a

HAP

Sustituyente alcano a

16

2.1.4. Deposición de asfaltenos durante operaciones de producción del petróleo crudo

En la producción y procesamiento del petróleo crudo, la agregación y precipitación

de asfaltenos impacta negativamente la industria del petróleo. Una vez precipitados los

asfaltenos, estas partículas se pueden depositar o actuar como estabilizadores de la

emulsión agua-aceite y causar problemas de separación [21, 26, 28]. Sin embargo, la

consecuencia clásica de la precipitación de asfaltenos es su deposición sobre las tuberías de

producción del petróleo; situación por la cual los asfaltenos han sido llamados “el colesterol

del petróleo” [35]. La precipitación de asfaltenos también puede ocurrir en el yacimiento,

así como durante el transporte y almacenaje del petróleo. Este proceso de agregación y

precipitación de asfaltenos también se presenta durante el procesamiento, transportación y

aplicación de emulsiones asfálticas, las cuales son ampliamente utilizadas en la

construcción y mantenimiento de carreteras [1-2].

2.2. Asfaltenos en fase sólida

La tendencia de los asfaltenos a agregarse y precipitar en el petróleo crudo ha hecho

que sean los compuestos más estudiados de este fluido [36]. En 1837 Boussingault definió

el término “asfalteno” como el sólido obtenido del residuo de la destilación, el cual es

insoluble en alcohol, y soluble en trementina [35]. Actualmente, son operacionalmente

definidos como los compuestos precipitados del petróleo crudo o bitumen por la adición de

un exceso de un hidrocarburo parafínico [19].

2.2.1. Separación de asfaltenos del petróleo crudo o bitumen

La cantidad de asfalteno separado del petróleo crudo está en función de diversos

parámetros como la naturaleza hidrocarbonada del agente precipitante, la relación de

volumen del agente precipitante/fuente de asfalteno, el tiempo de contacto y la temperatura

a la cual ocurre la precipitación, entre otros [19, 25, 29]. Además, cualquier variación en

estos parámetros puede causar variaciones importantes en la naturaleza del asfalteno

separado, el cual puede variar desde un sólido amorfo de color marrón oscuro a negro [19].

En la Figura 7, Figura 8 y Figura 9, se presenta la cantidad de asfalteno separado (% en

peso) de un bitumen Canadiense en función de estos parámetros [19].

17

Figura 7. Asfalteno precipitado (% peso) en función del número de átomos de carbono del agente precipitante [19].

n-C5

n-C6 n-C7

Asf

alte

no P

reci

pita

do, %

Pes

o

0

10

20

30

40

50

Número de Átomos de Carbono de n-Alcano

10 8 2 6 4

18

0

5

10

15

20

25

Volumen de Precipitante/Volumen de Bitumen

50 40 10 30 20

Asf

alte

no R

ecup

erad

o, %

Pes

o

Figura 8. Asfalteno recuperado (% peso) en función de la relación de volumen de n-pentano/bitumen [19].

19

0

20

40

60

80

100

Inso

lubl

es, %

Pes

o

Tiempo, H

20 8 2 6 4

Figura 9. Cantidad (% en peso) de material insoluble del bitumen en n-pentano (asfalteno) en función del tiempo de contacto entre n-pentano-bitumen [19].

20

La Figura 7 presenta la precipitación de asfalteno en función del número átomos de

carbonos del agente precipitante. La cantidad de asfalteno precipitado (% en peso)

disminuye a medida que aumenta el número de átomos de carbono del agente precipitante.

Por ejemplo, con n-C3 se obtiene el máximo de precipitación de asfalteno (48%), y este

disminuye bruscamente a 28% con n-C4. En presencia de n-alcanos con 5 o más átomos de

carbono, la cantidad de asfalteno precipitado disminuye gradualmente hasta que permanece

prácticamente constante con n-C7 (10%). Estos resultados podrían indicar que sólo los

componentes más polares, por tanto, más insolubles, precipitan en n-heptano. El peso

molecular, polaridad y aromaticidad del asfalteno precipitado generalmente se incrementa

cuando el número de carbonos del agente precipitante aumenta [30].

La Figura 8 presenta la cantidad de asfalteno precipitado en función de la relación

de volumen del agente precipitante y fuente de asfalteno (n-pentano/bitumen). La cantidad

de asfalteno precipitado aumenta a medida que aumenta la relación de volumen

n-pentano/bitumen, hasta obtener un valor de precipitación máxima (17%) para una

relación de volumen de 24, aproximadamente. Para una relación volumétrica mayor, la

cantidad de asfalteno precipitado permanece sin cambios significativos.

La Figura 9 presenta la cantidad (% en peso) de material insoluble del bitumen en

n-pentano (asfalteno) en función del tiempo de contacto entre n-pentano-bitumen. La

cantidad de material insoluble, asfalteno, disminuye gradualmente al aumentar el tiempo de

contacto entre n-pentano-bitumen hasta llegar a un valor límite. Para un tiempo de 2 h, el

material insoluble es de 30% aproximadamente, es decir precipita el 30% de asfalteno

aproximadamente. A partir de 6 h de contacto entre n-pentano-bitumen el material

insoluble disminuye a 20%, es decir precipita el 20% de asfalteno. No se observan

variaciones significativas en la cantidad de material insoluble a tiempos de contacto

mayores.

2.2. 2. Composición

Aunque la composición del asfalteno no está totalmente definida, es conocido que

estos materiales están constituidos por una compleja mezcla de componentes

poliaromáticos de alto peso molecular, 700 a 2000 g/mole, rodeados por cadenas alifáticas,

21

donde el 90% o más de la masa está compuesta de carbón e hidrógeno; azufre, oxígeno y

nitrógeno están presentes en el asfalteno en aproximadamente 5%, 2% y 1% (% en peso)

respectivamente, así como cantidades traza de algunos metales, como fierro, níquel y

vanadio. Los átomos de nitrógeno y oxígeno están incorporados en varios grupos

funcionales, ácidos y básicos, tales como ácido carboxílico, éter, éster, aldehído, cetona,

amina y amida. Estos átomos también están presentes en estructuras aromáticas análogas a

piridina, pirazina, pirrol, carbazol o ácido benzoico [8, 28, 37-39]. El átomo de azufre está

esencialmente presente en dos formas, tiofeno y azufre orgánico [39]. El vanadio y el

níquel son los metales más abundantes y con frecuencia se presentan como complejos

quelados porfirina [28].

En la Tabla 1 se presenta la composición elemental, contenido de metales y la

relación atómica H/C para asfalteno procedente de diferentes muestras de petróleo crudo.

La composición elemental de los asfaltenos varía notablemente en las proporciones de

heteroelementos, en particular en las proporciones de azufre y oxígeno. Por el contrario, el

contenido de nitrógeno de los asfaltenos tiene un menor grado de variación. Esto puede ser

relacionado con la exposición del asfalteno al oxígeno atmosférico, lo cual puede alterar

sustancialmente el contenido de oxígeno, y la exposición del petróleo crudo a azufre

elemental, o incluso a minerales que contienen azufre, puede resultar en la captación de

azufre [19]. No se presentan cambios significativos en las relaciones atómicas H/C.

2.2.3. Características químicas y físicas

La polaridad de la molécula de asfalteno debida a la presencia de azufre, oxígeno y

nitrógeno es determinante en las reacciones de puente de hidrógeno, ácido-base o de

aceptación-donación electrónica [27]. Los asfaltenos poseen características anfifilicas o de

surfactantes naturales debido a su carácter polar y no polar. Esta es la razón por la cual son

materiales con alta actividad superficial y se pueden adsorber en superficies sólidas, y

líquidas. Además, la polaridad de los asfaltenos influye significativamente en su capacidad

de autoasociación (micelas), tanto en solventes orgánicos no polares, como en el petróleo

crudo [28, 42]. Generalmente, las micelas tienen tamaños de 2.5 a 15 nm,

aproximadamente, dependiendo de la fuente del asfalteno y el solvente [33].

22

Tabla 1. Composición elemental, contenido de metales y relación atómica H/C para asfalteno

procedente de diferentes muestras de petróleo crudo.

ASFALTENO

COMPOSICIÓN ELEMENTAL,

% EN PESO

METALES,

PPM

H/C

C H S N O Ni V

Arabia [26] 81.25 7.77 8.32 1.02 1.64 - - 1.14

Argentina [26] 88.21 8.22 0.52 1.32 1.73 - - 1.11

Venezuela [30] 83.80 7.50 4.80 1.30 1.70 - - -

México* [40] 82.30 7.50 7.90 1.40 0.90 260 1500 1.09

Kuwait [41] 79.65 8.31 7.48 0.768 3.79 - - -

*Maya

23

2.2.4. Fisicoquímica de la interfase asfalteno-solución

2.2.4.1. La doble capa eléctrica

La doble capa eléctrica se considera una consecuencia general del contacto entre dos

fases en un límite, y generalmente se utiliza para describir el arreglo u ordenación de cargas

y dipolos orientados que constituyen la región interfasial [43]. Se cree que en suspensiones

acuosas o no acuosas las partículas coloidales, como los asfaltenos, poseen un exceso de

carga superficial, adquirida mediante procesos de ionización de grupos funcionales o de

adsorción de otros iones presentes en el medio de dispersión. Este exceso de carga

superficial afecta a la distribución de los iones del entorno, de tal manera que los iones de

distinto signo (contra-iones) son atraídos hacia la superficie sólida, mientras que los de

mismo signo (co-iones) son repelidos. La concentración de co-iones se incrementa

gradualmente al alejarse del coloide, mientras que las fuerzas repulsivas del coloide son

compensadas por los contra-iones, hasta alcanzar el equilibrio. Este fenómeno, da lugar a

una distribución de carga alrededor de la partícula cuya estructura adopta la forma de doble

capa eléctrica [17, 44]. Este concepto se ilustra en la Figura 10.

El modelo físico de doble capa eléctrica se basa en la existencia de dos capas o

regiones con propiedades claramente diferenciadas. La capa interna o más próxima a la

superficie sólida, que puede incluir iones adsorbidos, se denomina capa rígida o capa de

Stern. Esta capa rígida se considera con una carga fija debido a que los contra-iones son

inmóviles a causa de fuerte atracción electrostática. La otra capa más alejada de la

superficie, distribuida más o menos difusamente en el líquido en contacto con la superficie

sólida se denomina capa difusa o capa de Gouy, y se considera con carga móvil. Esta capa

contiene un exceso de iones contrarios, opuestos en signo a la carga fija (contra-iones), y

generalmente un déficit de iones iguales ó del mismo signo que la carga fija (co-iones), por

lo que en realidad constituye la atmosfera iónica de la partícula. Las dos capas de la doble

capa están separadas entre sí por un plano, el plano de Stern, aproximadamente a una

distancia de un radio de ion hidratado de la superficie: de este modo, los contra-iones

pueden mantenerse en la superficie por atracción electrostática y el centro de estos iones

hidratados forma el plano de Stern [17, 44].

24

Figura 10. Doble capa eléctrica alrededor de la partícula de asfalteno inmersa en solución acuosa: (a) Capa de iones de signo contrario a los presentes en la superficie sólida, y (b) Capa con predominio de iones de igual signo a los de la superficie sólida.

Superficie sólida de asfaltenos

+

+

+

+

+

+ +

+

+

+

+

+

+ __

__ __

__

__

__

__

__ __

__ __

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

__

b a

Carga superficial

Contra-ión Co-ión

__

__

25

El potencial cambia linealmente entre: �� (potencial de superficie) y �� (potencial

de Stern), situado en el plano de Stern, y decae exponencialmente entre �� y cero en la capa

difusa de la doble capa eléctrica [17, 44]. En la Figura 11 se presenta esquemáticamente el

modelo físico de doble capa eléctrica, en el cual se muestra la capa de Stern, la capa difusa

de contra-iones, y las variaciones en el potencial con la distancia a la superficie de la

partícula, también se presenta un plano de deslizamiento. Además, de los iones presentes en

la capa de Stern, una determinada cantidad de disolvente se unirá a los iones y a la

superficie cargada. Esta capa solvatante, conocida como superficie o plano de

deslizamiento (ζ), se mantiene junto a la superficie y el borde de la capa y representa el

límite del movimiento relativo entre el sólido (y el material adherido) y el líquido [17].

2.2.4.2. Generación de carga superficial

Cuando las partículas de asfalteno se introducen en una solución acuosa u orgánica

se produce una región de inhomogeneidad eléctrica en la interfase sólido-solución, y el

sólido adquiere una carga eléctrica superficial con respecto a la fase líquida. Los

mecanismos de formación de carga eléctrica en partículas sólidas de asfaltenos suspendidas

en el líquido dependen de las características del líquido. En soluciones acuosas con

electrolitos simples el origen de la carga eléctrica puede ser por disociación de grupos

superficiales presentes en la superficie del asfalteno [1-2, 14-15, 45-46].

Aunque el origen de la carga eléctrica es conocido para dispersiones acuosas de

asfaltenos, los mecanismos que operan en medios no acuosos no están claramente

establecidos. La baja constante dieléctrica de la mayoría de líquidos orgánicos, limita la

disociación de grupos superficiales y los mecanismos de formación de carga superficial

pueden modificarse. Los líquidos orgánicos varían química y estructuralmente, y un solo

mecanismo no puede explicar la generación de carga superficial en la mayoría de los casos.

Se ha sugerido que en medios no acuosos también son importantes la disociación de grupos

superficiales y adsorción de iones surfactantes o polielectrolitos [47-48], y se han propuesto

otros mecanismos como reacciones ácido-base que involucran transferencia del protón e

interacciones aceptor-donor involucrando transferencia electrónica [49].

26

Figura 11. (a) Modelo físico de doble capa eléctrica, y (b) Variaciones en el potencial con la distancia a la superficie de la partícula [17].

(a)

(b)

Sólid

o

__

__

__

__

__

__ __

__

__

__

__

__

+

+

+

+

+

+

+

+ + __

__

+

Carga superficial Capa difusa de contra-iones

Plano de Stern Plano de deslizamento

Capa de Stern

Pote

ncia

l

0

ζ

�0

��

Distancia

27

Como consecuencia del desarrollo de carga eléctrica superficial, la superficie sólida

también adquiere un potencial eléctrico con respecto a la solución. La carga eléctrica y el

potencial eléctrico en la superficie son compensados por una distribución igual de carga

eléctrica en la fase líquida. La carga en la solución junto con el potencial y la carga en la

superficie sólida son denominadas doble capa eléctrica.

En presencia de una interfase entre agua pura-asfalteno, el carácter dipolar de

molécula del agua puede modificar el ambiente eléctrico cerca de la interfase, y modificar

la distribución iónica en la fase líquida. La carga eléctrica también puede deberse a la

adsorción en la interfase de iones inicialmente presentes en la fase líquida. Estos pueden ser

iones de tipo surfactante, pero también aniones o cationes inorgánicos [17, 43-44].

De tal manera que, la carga existente en la superficie del sólido es compensada por la

carga de los iones u orientación de dipolos que se acumulan bajo su influencia en el líquido

alrededor de su superficie. Por este efecto, los iones de la solución adyacente a la superficie

que tienen una carga opuesta (contra-iones) son atraídos electrostáticamente.

Contrariamente, los iones que tienen la misma carga (co-iones) que la superficie son

repelidos.

2.2.4.3. Clasificación de iones

Los iones que tienen la particularidad de pasar entre las dos fases, y por lo tanto

influir o definir la carga de superficie y controlar el potencial de superficie se llaman iones

determinantes de potencial. Entre estos iones se encuentran los iones hidrógeno, hidroxilo,

iones capaces de formar complejos con especies de superficie e iones surfactantes, entre

otros. Los iones indiferentes, sin actividad superficial, son aquellos iones que existen como

contra-iones y mantienen la interfase eléctricamente neutra. Estos iones no tienen afinidad

por la superficie, y se adsorben solamente por atracción electrostática [17, 43-44].

28

2.2.4.4. Adsorción en la interfase sólido-líquido

La naturaleza anfifilica del asfalteno es responsable de que este tipo de compuestos

tengan la habilidad para situarse en interfases. Además de gran movilidad interfasial, los

asfaltenos tienen la propiedad de estabilizar emulsiones agua-aceite mediante formación de

películas interfasiales [50]. El proceso mediante el cual el asfalteno se dirige a la interfase

se denomina adsorción.

A continuación se definen los siguientes términos según la Unión Internacional de

Química Pura y Aplicada, IUPAC [51]. Se denomina superficie o interfase al límite entre

dos fases. Adsorción es el incremento en la concentración de sustancias disueltas en la

interfase formada por una fase condensada y un líquido debido a interacción de fuerzas

superficiales. Cuando la adsorción ocurre en la interfase formada por una fase sólida y un

líquido, el sólido es llamado adsorbente. El material acumulado en la superficie de un

adsorbente mediante el proceso de adsorción es llamado adsorbato.

El transporte de especies a la interfase ocurre principalmente por difusión. La

adsorción representa la primera etapa de todas las reacciones que ocurren en la interfase, y

se clasifica en a) adsorción química, y b) adsorción física. Entre las características de la

adsorción química se tiene que la naturaleza química del material adsorbido puede ser

alterada, mientras que en la adsorción física no ocurre este fenómeno.

La adsorción de la solución difiere de la adsorción de gas o vapor en que tanto el

soluto como las especies del solvente varían ampliamente y se adsorben competitivamente

en la misma interfase.

2.2.5. Fenómenos electrocinéticos

Los fenómenos electrocinéticos tienen en común el movimiento relativo entre la

superficie cargada y la solución que la rodea. En general una superficie con carga

experimenta una fuerza en un campo eléctrico o se induce un campo por el movimiento

relativo de esta superficie. Estos fenómenos son cuatro: electroósmosis, potencial de

sedimentación, potencial de flujo o corriente y electroforesis [17, 44].

29

2.2.5.1. Potencial zeta

El potencial zeta o potencial electrocinético �ζ�, es la caída de potencial a través de

la parte móvil de la doble capa, que es responsable de los fenómenos electrocinéticos.

Cuando se calcula experimentalmente el potencial electrocinético mediante fenómenos

electrocinéticos, se supone que el líquido adherido a la pared sólida y el líquido móvil están

separados por un plano de cizalla. Por lo anterior, el ζ también se define como el potencial

que existe en el plano de cizalla o plano de deslizamiento entre la capa fija y la capa

difusa [17, 44].

La separación de la doble capa eléctrica, provocada por algunas de las formas

indicadas anteriormente, se produce de forma que la capa fija de la doble capa eléctrica

permanece sobre la superficie del sólido en la interfase y la capa difusa es arrastrada. El

gradiente de potencial en este plano de corte de la doble capa eléctrica es el potencial zeta o

potencial electrocinético.

El interés práctico de las mediciones de potencial zeta de asfaltenos radica en que

éstas podrían ser una manera efectiva de controlar el comportamiento de los asfaltenos en el

petróleo crudo. Además, las mediciones de potencial zeta representan una herramienta muy

útil para comprender la naturaleza de los mecanismos de adsorción de reactivos químicos

en la región interfasial asfalteno-solución (físicos o específicos).

En este trabajo de investigación se utilizó la electroforesis para medir el potencial

zeta de asfaltenos. Esta técnica implica el movimiento de la partícula cargada (más los

iones unidos a la misma) en un campo eléctrico a través de una solución estacionaria. Se

utiliza un microscopio de alta resolución para medir la movilidad electroforética de las

partículas que se encuentran dentro de una celda. La movilidad electroforética de las

partículas, se expresa en micrones/segundo por voltios/centímetro (U, µms-1/Vcm-1). El

primer término, micrones por segundo, representa la velocidad electroforética, mientras que

el segundo, voltios por centímetro, es una expresión de la fuerza eléctrica del campo. Es

decir, la movilidad electroforética es la velocidad electroforética por unidad de intensidad

de campo.

Dos electrodos colocados en los extremos de la celda se conectan a una fuente de

potencial, creándose un campo eléctrico que cruza la celda. Las partículas cargadas migran

en el campo y su movimiento y dirección están relacionados con su potencial zeta (ζ).

30

En la electroforesis, la velocidad del coloide se utiliza para calcular la movilidad

electroforética y por tanto el potencial zeta, ya que la velocidad es directamente

proporcional al potencial. El potencial zeta (ζ, mV) de las partículas de asfalteno se calcula

a partir de los datos de movilidad electroforética (U, µms-1/Vcm-1) utilizando la ecuación de

Smoluchoswki [17]:

xUD

πηζ

4= ………………………………………………..…………….……………… (1)

Donde η y D representan la viscosidad (poise) y constante dieléctrica del líquido,

respectivamente.

Cuando la partícula colocada en un campo eléctrico no experimenta movimiento

hacia el cátodo o ánodo, no muestra electroforesis, y se dice que está en su punto

isoeléctrico (PIE), en este caso el potencial zeta es cero, y se interpreta como el punto de

carga cero en el plano de corte. El PIE no necesariamente es el punto de carga cero en la

superficie del sólido [17, 44]. A valores de pH menores al punto isoeléctrico el potencial

zeta es positivo, a valores mayores el potencial zeta es negativo.

El parámetro más importante que describe la naturaleza eléctrica de la interfase

sólido-líquido es el punto de carga cero (PCC). Este parámetro indica la actividad o efecto

del ión (s) determinante (s) del potencial en solución. Una partícula o superficie que no

posee carga fija se dice que está en el punto de carga cero, y está es una importante

característica del sólido. Cuando el PIE del material es independiente de la fuerza iónica,

entonces es igual al PCC, y en este caso el electrólito utilizado se considera un electrólito

indiferente [17, 44].

31

2.2.5.1.2. Adsorción de surfactantes iónicos y potencial zeta

El efecto de la adsorción de surfactantes iónicos en el comportamiento

electrocinético del asfalteno puede ser determinado a partir de mediciones electroforéticas y

expresado en términos de potencial zeta. El cambio en la energía libre estándar de

adsorción de surfactantes iónicos de cadena larga de hidrocarburos a partir de soluciones

acuosas sobre sólidos hidrofílicos cargados ha sido explicado en términos de diversas

contribuciones al proceso de adsorción en general [52]:

Δ��� ��� ó�0 = ��� + Δ�� í����

0 + Δ��20 + ΔGsolvatación

0 + ΔGH0 + ⋯ …........................ (2)

Estos términos individuales representan los cambios en la energía libre estándar,

debido a efectos electrostáticos �����, la formación de enlaces químicos *Δ+,í-./01 2, la

asociación de la cadena hidrofóbica *Δ3451 2, los efectos de solvatación �Δ�167080/.ó9

1 �, y

la formación de enlaces de hidrógeno �Δ41�, respectivamente. En el caso de un sólido

hidrofóbico cargado, como el asfalteno, un término adicional puede contribuir al proceso

general de adsorción iónica de surfactante. Este término implica la interacción hidrofóbica

�ΔG:;<=>?ó@;AB�, atractiva, entre las cadenas de hidrocarbono del surfactante y sitios de

superficie hidrofóbica. En este caso, la ecuación (2) quedaría:

Δ��� ��� ó�0 = ��� + Δ�� í����

0 + Δ��20 + ΔGsolvatación

0 + ΔGH0 + ΔGhidrofóbico + ⋯ (3)

Los iones de surfactante se adsorben en la interfase sólido-líquido cuando el sólido

tiene carga contraria al ion surfactante. De lo contrario, son repelidos de la superficie

sólida. Sin embargo, los iones de surfactante con el signo de carga igual a la de la superficie

sólida pueden ser adsorbidos a través de un sitio de interacción de la superficie hidrofóbica

y la cadena hidrocarbono del surfactante. Por tanto, las interacciones electrostáticas e

hidrofóbicas (ambas atractivas), así como las repulsivas controlan la adsorción de

surfactantes iónicos de cadena hidrocarbono larga en la interfase asfalteno-solución.

32

2.2.5.2. Resultados electrocinéticos de asfaltenos

El estudio de las propiedades electrocinéticas de asfaltenos es motivado por su gran

tendencia a agregarse, flocular, precipitar y adsorberse en interfases. Provocando con ello,

serios problemas durante la extracción y procesamiento del petróleo crudo, así como

dificultades en el manejo y aplicación de emulsiones asfálticas utilizadas en la elaboración

y mantenimiento de carreteras.

No obstante, aunque la carga eléctrica y el potencial pueden representar factores

importantes en la estabilidad coloidal del petróleo crudo, no existe suficiente evidencia que

explique cómo la carga o potencial eléctrico de los asfaltenos afecta su dispersión en este

sistema coloidal [14-16].

a) Soluciones acuosas

El asfalteno adquiere su carga eléctrica de superficie a través de la diferente

disociación en función del pH que experimentan esencialmente sus grupos carboxilo y

amina. En consecuencia, a pH bajos el asfalteno adsorbe iones H+ en sus sitios negativos y

se queda con carga eléctrica positiva, y por tanto presenta potencial zeta positivo, mientras

que a pH altos adsorbe iones OH- en los sitios positivos y se queda con carga eléctrica

negativa, y por tanto presenta potencial zeta negativo. Entre estos dos comportamientos

existe un punto de pH en el que el asfalteno tiene una carga cero en el plano de corte, esto

es el punto isoeléctrico (PIE), por tanto el potencial zeta es cero.

En solución acuosa en presencia de un electrolito indiferente, el potencial zeta del

asfalteno típicamente es negativo en el intervalo de pH de 4 a 10, lo cual se debe

fundamentalmente a la existencia del grupo carboxílico disociable. En la Tabla 2 se

presenta el valor del punto isoeléctrico (PIE) de asfalteno de distintas procedencias

dispersos en soluciones acuosas.

33

Tabla 2. Punto isoeléctrico de asfalteno procedente de diferentes fuentes de petróleo crudo

o bitumen.

ASFALTENO

pH DE PUNTO

ISOELÉCTRICO, (PIE)

ELECTROLITO

INDIFERENTE: 1.0 mM

Canadáa [14] 4 NaCl

Venezuelab [18] 3.5 --

Canadáa [45] 4 KCl

Méxicob [53] 3 NaNO3 aBitumen bPetróleo crudo

34

La magnitud y el signo del potencial zeta de asfaltenos dispersos en solución acuosa

pueden ser modificados mediante la adición de surfactantes iónicos. La adsorción de estos

iones puede ser atribuida a las características ácido-base de la superficie del asfalteno, así

como con interacción hidrofóbica entre la cadena hidrocarbono del surfactante y sitios no

polares de la superficie del asfalteno [53].

Asfalteno precipitado de petróleo Mexicano y dispersado en 1.0 mM de nitrato de

sodio presenta potencial zeta negativo en el intervalo de pH de 3 a 10. Con la adición

de 0.1 mM de cloruro de cetil piridinium, el asfalteno cambio el signo del potencial zeta de

negativo a positivo en este intervalo de pH. Cuando se utiliza 1.0 mM de sulfato dodecilico

de sodio, el potencial zeta negativo del asfalteno se hace más negativo en todo intervalo de

pH investigado [53].

En sistemas similares, con emulsiones aceite-agua en 0.1 mM de NaCl y en ausencia

y presencia de 0.001 mM a 0.1 mM de sulfato dodecilico de sodio los resultados

electrocinéticos son congruentes a los obtenidos al sistema asfalteno-agua. En ausencia de

surfactante, las gotas de aceite presentan potencial zeta negativo. En presencia de sulfato

dodecilico de sodio las gotas de aceite exhiben un potencial zeta más negativo que en

ausencia de surfactante [54].

b) Soluciones orgánicas

El comportamiento electrocinético del asfalteno es diferente en medio acuoso y

orgánico. El potencial zeta del asfalteno en dispersión acuosa es negativo a pH 4 [53],

mientras que es positivo en tolueno [15], y en nitrometano [45].