Analisi comparativa dell’adsorbimento di tensioattivi naturali e sintetici su minerali di quarzo: uno studio sperimentale

Perché questo è importante per l’energia di tutti i giorni

Gran parte del petrolio mondiale è ancora intrappolata nel sottosuolo, nonostante le moderne tecniche di perforazione e pompaggio. Un approccio promettente per spingere fuori una maggiore quantità di petrolio è usare molecole simili al sapone, chiamate tensioattivi, che facilitano la miscelazione di olio e acqua. Ma se questi tensioattivi si fissano troppo saldamente alla roccia invece di andare alla superficie olio–acqua dove servono, il processo diventa inefficiente e costoso. Questo studio confronta il comportamento di un comune tensioattivo sintetico e di un’alternativa vegetale su arenaria ricca di quarzo, la roccia che ospita molti giacimenti, per valutare se le opzioni più ecologiche possano competere realisticamente.

Aiutanti simili al sapone nei campi petroliferi

I tensioattivi agiscono un po’ come il detersivo in una padella unta: riducono la tensione tra olio e acqua permettendo alle goccioline intrappolate di muoversi. Nel recupero assistito del petrolio, acqua miscelata con tensioattivo viene spinta attraverso la roccia per asportare più olio. Tuttavia, le superfici minerali nel serbatoio possono “rubare” le molecole di tensioattivo adsorbendole, riducendo la quantità rimasta nella fase fluida. Gli autori si sono concentrati sul quarzo, il principale costituente dell’arenaria, e hanno studiato due tensioattivi. Uno è il dodecilsolfato di sodio (SDS), un agente pulente sintetico ampiamente usato. L’altro è un estratto dalle foglie dell’albero Ziziphus spina-christi (ZSC), ricco di composti naturali simili al sapone chiamati saponine. ZSC è interessante perché è economico, disponibile localmente in molte regioni e più compatibile con l’ambiente.

Come sono stati testati la roccia e i tensioattivi

Il gruppo ha prima preparato quarzo in polvere ricavato dall’arenaria, lavandolo, setacciandolo e asciugandolo con cura per rimuovere argille e altri minerali in modo da misurare solo il comportamento del quarzo. Hanno caratterizzato l’area superficiale e i pori delle particelle e hanno determinato che la superficie del quarzo porta una carica elettrica negativa in acqua. Soluzioni di SDS e ZSC a diverse concentrazioni sono state quindi mescolate con il quarzo. Dopo periodi controllati di agitazione e riposo, il liquido è stato separato e analizzato. Misure di conduttività elettrica e di assorbimento nell’ultravioletto–visibile hanno rivelato quanta frazione di tensioattivo è rimasta in soluzione e dunque quanto si era attaccato alla roccia. I ricercatori hanno inoltre usato spettroscopia infrarossa per identificare i gruppi chimici presenti sulla superficie del quarzo prima e dopo il contatto con i tensioattivi, confermando che le molecole si erano effettivamente legate alla superficie.

Quanto si attacca e perché

Le misure mostrano un chiaro contrasto tra i due tensioattivi. Alle stesse condizioni, l’SDS ha raggiunto un adsorbimento massimo di circa 3 milligrammi per grammo di quarzo, mentre lo ZSC ha raggiunto circa 25 milligrammi per grammo—circa otto volte di più. In entrambi i casi l’adsorbimento aumenta con la concentrazione fino a un punto caratteristico in cui le molecole iniziano a formare piccoli aggregati in acqua (la concentrazione micellare critica) e poi si stabilizza. La superficie del quarzo è carica negativamente, e l’SDS è anch’esso carico negativamente, quindi il suo adsorbimento è limitato dalla repulsione elettrostatica e si basa principalmente su forze più deboli come le interazioni di van der Waals e la tendenza delle code oleofile ad associarsi con la superficie. Lo ZSC, invece, è costituito da molecole più grandi e complesse con molti gruppi contenenti ossigeno e azoto che possono formare numerosi legami a idrogeno con i gruppi silanolici sul quarzo. Questi ulteriori “punti appiccicosi” aiutano lo ZSC a disporsi densamente sulla superficie, anche se il legame rimane prevalentemente fisico e non implica la formazione di nuovi legami chimici forti.

Adattare i modelli ai comportamenti osservati

Per descrivere questi comportamenti in modo utile per gli ingegneri, gli autori hanno confrontato i loro dati con curve matematiche standard note come isoterme di adsorbimento. Hanno testato tre modelli—Langmuir, Freundlich e Temkin. Per entrambi i tensioattivi il modello di Langmuir, che assume uno strato singolo e uniforme di molecole su una superficie relativamente omogenea, ha fornito il miglior adattamento complessivo, con coefficienti di correlazione molto elevati per SDS e ZSC. Anche gli altri due modelli hanno dato un buon fit e hanno suggerito che la superficie reale del quarzo presenta ancora qualche variabilità e può ospitare adsorbimento multilivello, specialmente a concentrazioni più alte. L’analisi dei parametri del modello di Temkin ha indicato energie di adsorbimento relativamente basse, a supporto dell’idea che i tensioattivi siano trattenuti da forze fisiche piuttosto che da forti legami chimici.

Cosa significa per una produzione di petrolio più verde

Per il recupero pratico del petrolio, un adsorbimento molto elevato è un’arma a doppio taglio. La forte tendenza dello ZSC ad aderire al quarzo implica che più tensioattivo viene perso nella roccia e meno ne rimane dove è più utile, al confine olio–acqua. L’SDS, al contrario, si disperde meno in questo modo su rocce ricche di quarzo. Lo studio conclude quindi che, in sistemi semplici a base di quarzo, lo ZSC è molto più adsorbito dell’SDS, e che entrambi seguono principalmente un adsorbimento monostrato di tipo fisico descritto bene dal modello di Langmuir. Sebbene ciò possa limitare l’uso diretto dello ZSC da solo, lavori precedenti suggeriscono che l’aggiunta di alcali o nanoparticelle può ridurre l’adsorbimento sia per tensioattivi naturali sia sintetici. I risultati presenti forniscono una base solida per progettare formulazioni migliorate e più ecocompatibili e aiuteranno a orientare test futuri su arenarie più realistiche che contengano anche argille.

Citazione: 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

Parole chiave: recupero assistito di petrolio, adsorbimento di tensioattivi, tensioattivo naturale, serbatoio in arenaria, minerali di quarzo