Figura 1. Las 4 fracciones del crudo: saturados, atomáticos, resinas y asfaltenos: conjunto SARA.
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Un saludo a toda la comunidad de #steemstem, en especial a los colegas científicos de #stem-espanol. Hoy escribiré acerca de uno de los grandes problemas que enfrenta la industria petrolera, sobre todo aquella como la nuestra, la venezolana, que requiere procesar mayormente crudos pesados y extrapesados. Me refiero a los asfaltenos, una de las fracciones del crudo.

Comencemos definiendo al petróleo. Como país petrolero, estamos bien informados acerca de los beneficios que nos ha generado, sin entrar en polémicas; pero ¿qué es técnicamente? Este es uno de los recursos más importantes que consumimos como sociedad moderna para satisfacer muchas de nuestras necesidades cotidianas, nos brinda la materia prima para la industria del plástico y otros productos derivados, y además nos aporta los combustibles para la generación de energía eléctrica, calefacción y varios medios de transporte.

Figura 2. Balancín en campo petrolero.
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Fisicoquímicamente, es una mezcla muy compleja de hidrocarburos, producto del acumulamiento a través de millones de años de materia orgánica (la cual se encuentra de manera amplia en las llamadas rocas sedimentarias o rocas madre), en forma de gases, líquidos, semisólidos y sólidos. Dicha mezcla incluye usualmente pequeñas cantidades de compuestos que contienen nitrógeno, oxígeno y azufre así como pequeñas trazas de compuestos que contienen metales. Mientras más heteróatomos (átomos distintos a C y H) tenga un crudo, más pesado será.

Noten que en el párrafo anterior saqué a relucir la palabra "crudo". Generalmente, solemos usar como sinónimos las palabras "petróleo" y "crudo", pero la realidad es que no lo son. Debemos referirnos a petróleo, cuando este recurso se encuentra dentro del yacimiento, aun sin extraerlo. Una vez que es sacado de allí y pierde sus componentes volátiles (gaseosos), es denominado crudo.

Los componentes del crudo presentan una complejidad a nivel estructural y de masas moleculares. Por esta razón, para analizarlos y procesarlos, se utilizan técnicas acordes a su compleja matriz y dependiendo de lo que se requiera obtener o separar. De manera operacional, se pueden agrupar los constituyentes del crudo en cuatro grupos orgánicos, lo que se conoce como conjunto SARA: saturados, aromáticos, resinas y asfaltenos.

Los asfaltenos y los inconvenientes que generan.

Esta fracción del crudo es aquella capaz de solubilizarse en hidrocarburos aromáticos tales como benceno y tolueno, más no en hidrocarburos alifáticos como el n-pentano o el n-heptano. Su estudio ha sido amplio, debido a los inconvenientes que ocasiona a los procesos de producción y conversión de la industria petrolera. Sus compuestos generalmente tienen un núcleo poliaromático y además son ricos en grupos funcionales polares.

Figura 3. Posible molécula de asfalteno.
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Esta característica les otorga actividad superificial, es decir, sus interfases funcionan como una especie de "carga" que busca unirse a otras especies que también tengan cierta polaridad; fenómeno que se denomina actividad superficial, y trae como consecuencia que los asfaltenos tiendan a a adsorberse fuertemente sobre superficies minerales, como sucede en en las rocas reservorio, donde se generan una especie de depósitos que limitan la recuperación de crudo pesado de los yacimientos. Los asfaltenos también se adsorben y depositan sobre superficies de acero, como las de los oleoductos. Cuando la cantidad es considerable, impiden el flujo constante del crudo y, como si fuese poco, estas estructuras llegan a adsorberse sobre la superficie de los catalizadores empleados en las unidades de mejoramiento (los cuales son costosísimos), llegando incluso a desactivarlos.

)Figura 4. Las resinas y los asfaltenos tienden a adherirse a las superficies de las tuberías.
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Las reservas mundiales de crudo liviano han disminuido a través del tiempo y la tendencia es a ser reemplazadas por materia prima (crudos) más pesada, por lo tanto la remoción selectiva de los asfaltenos es altamente deseable. Sobre este tema, la industria petrolera venezolana debe hacer hincapié y unir esfuerzos, porque como ya mencioné, la mayoría de sus reservas consisten en crudos pesados y extrapesados.

Un pequeño aporte a las investigaciones en este tema.

Los asfaltenos pueden ser eliminados tomando en cuenta la misma propiedad que contribuye a su carácter perjudicial. La alta actividad superficial de los mismos permite su remoción mediante la adsorción sobre superficies metálicas, tales como oro y acero, superficies de óxidos metálicos como los óxidos de hierro, titanio y aluminio; superficies minerales como arcillas, calcita, caolín, y nanopartículas de óxidos metálicos.

En este sentido, realicé un pequeño experimento en el laboratorio de investigaciones en Química Orgánica de la Universidad Simón Bolívar, el cual consistió en evaluar la adsorción de asfaltenos sobre una zeolita comercial y sobre nanopartículas de óxido de níquel II (NiO).

Los asfaltenos provenientes del Campo Boscán, Municipio Urdaneta, estado Zulia, Venezuela, fueron pseparados del crudo mediante el método SARA, empleando una parafina lineal n-C7 (heptano). Una vez obtenidos, se preparó una solución madre de asfaltenos en tolueno y a partir de ésta fue realizada una serie de soluciones patrón de concentración menor. Se tomaron 3 réplicas de cada solución y se pusieron en contacto con una cantidad determinada del adsorbente, zeolita natural (para fines comparativos) y zeolita más nanopartículas de óxido de níquel (II), por 24 y 48 horas. El estudio de adsorción fue realizado en recipientes ámbar, cerrados.

Pasado el tiempo respectivo, el comportamiento adsortivo fue determinado a través de la técnica de espectroscopia UV-Visible a una longitud de onda de 530 nm, empleando las respectivas curvas de calibración.

A continuación se muestran los valores de la masa de asfaltenos adsorbida al emplear como absorbente zeolita comercial y zeolita-NiO:

Tabla 1. Masa de soluto adsorbida sobre zeolita natural y zeolita/NiO a 24 y 48 horas de contacto. Todos los valores se expresan en unidades de miligramos (mg).

Como puede verse en la tabla 1, para todas las concentraciones estudiadas y para todos los tiempos de contacto, hubo un incremento en la masa de soluto adsorbida al combinar zeolita-nanopartículas NiO en comparación con únicamente zeolita, hecho que le atribuye a las nanopartículas de óxido de níquel un carácter adsorbente de asfaltenos del crudo Boscán, bajo tolueno como solvente. Esto hace que sean de mucha utilidad en futuros estudios relacionados y en la industria petrolera como una posible solución a los problemas de producción que representa la precipitación de asfaltenos.

Estos resultados podrían deberse a que las nanopartículas de NiO por su tamaño, son estabilizadas mucho mejor por la solución modelo, consecuentemente, una vez dentro del seno de dicha solución, estas partículas pueden en principio mostrar entonces un carácter adsorbente, además que poseen una buena área superficial por su escala nanométrica, llevando a cabo adsorción externa por carecer de estructura porosa. Cabe destacar, como mencioné con anterioridad, que la presencia de heteroátomos en las estructuras asfalténicas y su alta aromaticidad las hace polares, por lo que se esperan interacciones fisicoquímicas entre éstos y los orbitales disponibles del Ni como metal.

Algunas conclusiones respecto al tema.

El problema de los asfaltenos es muy complejo, no solo por lo que representan a nivel de procesamiento y transporte de crudos sino, que inclusive, a nivel químico. Todas las estructuras moleculares que algunas autores en diversas investigaciones han aportado, son simplemente aproximaciones basadas en datas espectroscópicas y computacionales, aunado al hecho que cada crudo en el mundo tiene características distintas. Y así, de la misma forma, es compleja la situación que aun hoy día generan en cualquier industria petrolera. Cada año se pierden millones de dólares solo para tratar con los depósitos que genera esta fracción. Se sigue estudiando, investigando y probando nuevas formas de separación y/o precipitación de los mismos preferiblemente desde el mismo yacimiento.

Lo cierto es que basta con ver un fin de semana un canal educativo como ValeTV o NATGEO, que trate sobre las futuras fuentes de energía, más sanas para el planeta, para darnos cuenta que esos esfuerzos deberían más bien dar un giro y dar apoyo hacia la creación y utilización de fuentes de energías renovables, como la solar, la eólica, la hidráulica, la geotérmica y la marina. Allí es que deberíamos unir esfuerzos como comunidad científica si queremos tener planeta para miles de años más.

Referencias consultadas:

[1]. Speight, J., “The Chemistry and Technology of Petroleum”, 4th Edition, CRC Press, 2006.

[2]. Belal J. Abu Tarboush, Maen M. Husein, “Adsorption of asphaltenes from heavy oil onto in situ prepared NiO nanoparticles”, Journal of Colloid and Interface Science, 378 (2012) 64–69.

[3]. Nassar, N., Hassan, A., Pereira-Almao, P., “Metal Oxide Nanoparticles for Asphaltene Adsorption and Oxidation”, Energy & Fuels, 2011, 25, 1017–1023.

Imágenes

Figura 1. Autor: Hascakir, B. Disponible en WikiCommons. "SARA fractions of Peace River Bitumen from Alberta, Canada." SPE Annual Technical Conference and Exhibition (ATCE), 28-30 September 2015 in Houston, Texas, USA, SPE 175086-MS. Enlace disponible debajo de la imagen.

Figura 2. Autor: Lalalebell68. Disponible en Pixibay. Enlace disponible debajo de la imagen.

Figura 3. Autor: Paginazero. Disponible en WikiCommons. "Possibile struttura di molecola asfaltenica." Fuente: "Bitumi e derivati" - corso di tecnologia chimica, 2011. Enlace disponible debajo de la imagen.

Figura 4. Autor: Dexcel at English Wikipedia. Disponible en WikiCommons. "Removing wax from a wireline tool after it has been run into an oil well". Philbentley 16:28, 21 October 2006 (UTC). Enlace disponible debajo de la imagen.

Agradecimientos al Laboratorio de Química Orgánica de la Universidad Simón Bolívar por sus instalaciones.

Gracias a la comunidad por leer mi publicación y hasta una próxima oportunidad.