Análisis comparativo de la adsorción de surfactantes naturales y sintéticos en minerales de cuarzo: un estudio experimental

Por qué esto importa para la energía cotidiana

Gran parte del petróleo del mundo sigue atrapado bajo tierra, incluso después de la perforación y el bombeo modernos. Una forma prometedora de extraer más de ese petróleo es usar moléculas parecidas al jabón llamadas surfactantes que ayudan a mezclar el aceite y el agua. Pero si estos surfactantes se adhieren demasiado a la roca en lugar de situarse en la interfaz aceite‑agua donde se necesitan, el proceso resulta ineficiente y caro. Este estudio compara cómo se comporta un surfactante sintético común y una alternativa de origen vegetal sobre arenisca rica en cuarzo, la roca que alberga muchos yacimientos, para evaluar si las opciones más ecológicas pueden competir de forma realista.

Ayudantes parecidos al jabón en los campos petrolíferos

Los surfactantes actúan un poco como el jabón para platos en una sartén grasa: reducen la tensión entre el aceite y el agua para que las gotas atrapadas puedan moverse. En la recuperación mejorada de petróleo, se impulsa agua mezclada con surfactante a través de la roca para arrastrar más petróleo. Sin embargo, las superficies minerales del yacimiento pueden “robar” moléculas de surfactante al adsorberlas, reduciendo la cantidad disponible en el agua en flujo. Los autores se centraron en el cuarzo, el componente principal de la arenisca, y estudiaron dos surfactantes. Uno es dodecilsulfato de sodio (SDS), un agente de limpieza sintético ampliamente utilizado. El otro es un extracto de las hojas del árbol Ziziphus spina‑christi (ZSC), rico en compuestos naturales parecidos al jabón llamados saponinas. ZSC resulta atractivo porque es barato, localmente disponible en muchas regiones y más respetuoso con el medio ambiente.

Cómo se probaron la roca y los surfactantes

El equipo preparó primero cuarzo en polvo a partir de arenisca, lavándolo, tamizándolo y secándolo cuidadosamente para eliminar arcillas y otros minerales y así medir únicamente el comportamiento del cuarzo. Caracterizaron el área superficial y los poros de las partículas y determinaron que la superficie del cuarzo tiene carga eléctrica negativa en agua. Se mezclaron soluciones de SDS y ZSC a distintas concentraciones con el cuarzo. Tras periodos controlados de agitación y reposo, se separó el líquido y se analizó. Mediciones de conductividad eléctrica y espectroscopía ultravioleta‑visible revelaron cuánto surfactante permanecía en solución y, por tanto, cuánto se había adherido a la roca. Los investigadores también emplearon espectroscopía infrarroja para ver qué grupos químicos estaban presentes en la superficie del cuarzo antes y después del contacto con los surfactantes, confirmando que las moléculas efectivamente se estaban fijando.

Cuánto se adhiere y por qué

Las mediciones muestran un claro contraste entre los dos surfactantes. En las mismas condiciones, SDS alcanzó una adsorción máxima de alrededor de 3 miligramos por gramo de cuarzo, mientras que ZSC llegó a unos 25 miligramos por gramo, aproximadamente ocho veces más. En ambos casos, la adsorción aumentó con la concentración hasta un punto característico en el que las moléculas comienzan a formar pequeños agregados en el agua (la concentración micelar crítica) y luego se estabilizó. La superficie del cuarzo es negativamente cargada, y SDS también lo es, por lo que su adsorción está limitada por la repulsión electrostática y depende principalmente de fuerzas más débiles como las interacciones de van der Waals y la tendencia de sus colas oleosas a asociarse con la superficie. ZSC, en cambio, está formada por moléculas mayores y más complejas con numerosos grupos que contienen oxígeno y nitrógeno que pueden formar múltiples puentes de hidrógeno con los grupos silanol del cuarzo. Estos “puntos adhesivos” adicionales ayudan a que ZSC se empaquete densamente en la superficie, aunque la unión siga siendo mayoritariamente física y no implique la formación de nuevos enlaces químicos.

Ajuste de los patrones con modelos simples

Para describir estos comportamientos de forma útil para los ingenieros, los autores compararon sus datos con curvas matemáticas estándar conocidas como isotermas de adsorción. Probaron tres de ellas: Langmuir, Freundlich y Temkin. Para ambos surfactantes, el modelo de Langmuir, que asume una sola capa uniforme de moléculas sobre una superficie relativamente homogénea, proporcionó el mejor ajuste global, con coeficientes de correlación muy altos para SDS y ZSC. Los otros dos modelos también ajustaron razonablemente bien y sugirieron que la superficie real del cuarzo todavía presenta cierta heterogeneidad y puede albergar adsorción en multilayer, especialmente a concentraciones mayores. El análisis de los parámetros del modelo de Temkin apuntó a energías de adsorción relativamente bajas, lo que apoya la idea de que los surfactantes están retenidos por fuerzas físicas más que por enlaces químicos fuertes.

Qué significa esto para una producción de petróleo más ecológica

Para la recuperación práctica de petróleo, una adsorción muy alta es un arma de doble filo. La fuerte tendencia de ZSC a adherirse al cuarzo implica que se pierde más surfactante en la roca y queda menos disponible donde resulta más eficaz, en la interfaz aceite‑agua. SDS, en contraste, se desperdicia menos de esta manera en rocas ricas en cuarzo. Por tanto, el estudio concluye que, en sistemas simples de cuarzo, ZSC se adsorbe con mucha más intensidad que SDS, y ambos siguen mayoritariamente una adsorción monomolecular y física descrita con buen ajuste por el modelo de Langmuir. Aunque esto puede limitar el uso directo de ZSC por sí solo, trabajos anteriores sugieren que añadir álcalis o nanopartículas puede reducir la adsorción tanto de surfactantes naturales como sintéticos. Los resultados actuales proporcionan una base sólida para diseñar formulaciones mejoradas y más respetuosas con el medio ambiente y ayudarán a guiar futuras pruebas en areniscas más realistas que también contengan arcillas.

Cita: Shirali, A., Ebrahimi, M., Hemmati-Sarapardeh, A. et al. Comparative analysis of natural and synthetic surfactant adsorption by quartz minerals: an experimental study. Sci Rep 16, 7852 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39608-y

Palabras clave: recuperación mejorada de petróleo, adsorción de surfactantes, surfactante natural, yacimiento en arenisca, minerales de cuarzo