Copolímeros catiónicos a base de nitrógeno como inhibidores de corrosión para acero al carbono P110 en ácido sulfúrico al 20% investigados mediante estudios experimentales y teóricos

Por qué importa proteger el acero en ácidos agresivos

En lo profundo del subsuelo, las tuberías de acero que mantienen estables los pozos de petróleo y gas están sometidas a un ataque químico constante. Ácidos potentes se inyectan rutinariamente en estos pozos para despejar obstrucciones y aumentar la producción, pero esos mismos ácidos pueden corroer rápidamente las carcasas metálicas. Este estudio explora nuevas moléculas diseñadas a medida que actúan como guardianes microscópicos, formando un escudo sobre las superficies de acero para que la infraestructura crítica dure más, falle con menos frecuencia y funcione con mayor seguridad.

El acero bajo ataque en la industria energética

El acero al carbono P110 se usa ampliamente en pozos de petróleo y gas porque es resistente y puede soportar altas presiones en profundidad. Sin embargo, al exponerse a ácidos muy agresivos como el ácido sulfúrico al 20%, una concentración similar a la empleada en limpieza industrial y en tratamientos de “acidificación” de pozos, este acero puede corroerse con rapidez. La corrosión provoca adelgazamiento de paredes, grietas y fugas que pueden liberar fluidos peligrosos, forzar paradas costosas e incluso aumentar el riesgo de explosiones. Por ello, la industria depende de inhibidores de corrosión: aditivos disueltos en el ácido que recubren el metal y ralentizan el daño.

Moléculas tipo jabón como guardianes protectores

Los investigadores se centraron en tres moléculas relacionadas llamadas copolímeros surfactantes catiónicos, denominadas AMC‑1, AMC‑2 y AMC‑3. Los surfactantes son compuestos tipo jabón con una “cabeza” hidrofílica y una “cola” hidrofóbica. En este caso, las cabezas llevan una carga positiva basada en nitrógeno, lo que les ayuda a adherirse a la superficie de acero, cargada negativamente en ácido. Los tres AMC se diseñaron de modo que AMC‑1 no tiene cola larga, AMC‑2 tiene una cola aceitosa larga y AMC‑3 tiene dos colas largas. Este cambio gradual en la «grasitud», o carácter hidrofóbico, permitió al equipo probar cómo la longitud y el número de colas afectan la capacidad de proteger el acero en condiciones extremadamente ácidas.

Medir la eficacia del escudo

Para evaluar cuánto ralentizaban los inhibidores la corrosión, el equipo sumergió muestras de acero en ácido sulfúrico al 20% con y sin distintas concentraciones de cada AMC. Emplearon ensayos electroquímicos sensibles a la facilidad con que se mueve la carga eléctrica durante las reacciones que forman óxido en la superficie. Cuando estaban presentes los AMC, las señales eléctricas asociadas tanto a la disolución del metal como a la formación de gas hidrógeno disminuyeron de forma marcada, lo que indica que los inhibidores frenaron ambos frentes clave del proceso de corrosión—un comportamiento conocido como inhibición de tipo mixto. A una dosis moderada de 100 partes por millón, la corrosión se redujo alrededor de un 90% con AMC‑1, más del 93% con AMC‑2 y por encima del 96% con AMC‑3. Imágenes por microscopía respaldaron estos datos: el acero sin protección se veía áspero y picado, mientras que las muestras inhibidas—especialmente con AMC‑3—se mostraron lisas y en gran medida intactas.

Cómo se forma y mantiene el escudo molecular

Un análisis más detallado mostró que los AMC actúan adsorbiéndose sobre el acero y formando una fina película protectora. En ácido, la superficie del acero está rodeada por especies cargadas negativamente que atraen las cabezas cargadas positivamente de los surfactantes, acercándolas al metal. Una vez cerca, partes de las moléculas pueden compartir pares de electrones con átomos de hierro, creando un enlace mixto físico y químico. A medida que más moléculas se adhieren, sus colas aceitosas se juntan y se extienden como cerdas, formando una capa compacta y resistente al agua que mantiene a raya a los iones ácidos agresivos. Se observó que las moléculas siguen un patrón de adsorción similar al modelo clásico de Langmuir, lo que indica que forman mayoritariamente una sola capa saturante. Simulaciones informáticas de su estructura electrónica apoyaron esta imagen y confirmaron que las colas más largas mejoran la solidez y la integridad de la película protectora.

Límites con el calor y la importancia del diseño

El equipo también investigó cómo afecta el aumento de temperatura a la protección, ya que las condiciones a profundidad pueden ser cálidas. Al calentar el ácido, la corrosión se aceleró naturalmente y algunas moléculas inhibidoras se desorbiron o degradaron, reduciendo la cobertura sobre el acero. Aun así, la presencia de AMC aumentó la barrera energética para la corrosión, lo que significa que la oxidación fue más difícil que en el ácido sin protección. Entre los tres, AMC‑3—la molécula con dos colas largas—proporcionó de manera consistente la película más robusta a lo largo de las temperaturas, lo que confirma que un mayor carácter hidrofóbico ayuda a que el escudo permanezca más compacto y eficaz en condiciones exigentes.

Qué significa esto para pozos reales

En términos sencillos, este trabajo muestra que surfactantes nitrogenados cuidadosamente diseñados pueden ralentizar de forma dramática la destrucción del acero en ácido sulfúrico muy concentrado al autoensamblarse en un recubrimiento ultrafino y repelente al agua. Ajustando la longitud y el número de sus colas aceitosas, los químicos pueden mejorar la adhesión de estas moléculas al metal y la completitud de su cobertura, siendo AMC‑3 de doble cola la que ofreció la mejor protección. Para la industria del petróleo y gas, estos conocimientos pueden guiar el diseño de inhibidores de corrosión más eficientes y duraderos que protejan carcasas y tuberías durante tratamientos ácidos agresivos, reduciendo fugas, costes de mantenimiento y riesgos medioambientales.

Cita: Mubarak, G., Verma, C., Mazumder, M.A.J. et al. Nitrogen-based cationic copolymers as corrosion inhibitors for P110 carbon steel in 20% sulfuric acid investigated through experimental and theoretical studies. Sci Rep 16, 13366 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42251-2

Palabras clave: inhibidores de corrosión, pozos de petróleo y gas, acero al carbono, copolímeros surfactantes, ácido sulfúrico