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1 / 90!
VIII Jornadas científicas nacionales de la Facultad Experimental de
Ciencias, Universidad del Zulia, Maracaibo, julio 6-10 (1998)!
2 / 90!
Presentación de Jean-Louis Salager, Laboratorio FIRP
Ref S311XL!
3 / 90!
4 / 90!
¿ Que es un Surfactante ?!
SURFACTANTE!
Dodecil benceno sulfonato de sodio!
SO3- Na
  en
+
inglés SURFACE ACTIVE AGENT!
de superficie o tensioactivo!
  agente
otros usos -> otros nombres!
Grupo Lipofílico!
o hidrófobo (apolar)!
Grupo Hidrofílico!
(polar)!
TENSIOACTIVO, JABON, DETERGENTE,
DISPERSANTE, HUMECTANTE, (DES)
EMULSIONANTE, (ANTI)ESPUMANTE,
INHIBIDOR de CORROSION, BACTERICIDA,
representación usual!
5 / 90!
DESINFECTANTE, etc.!
6 / 90!
CLASSIFICACION de Surfactantes!
ü  no por su uso!
ü sino de acuerdo a su...!
... ionización en solución acuosa!
ejemplos!
O
-S-O - Na+
C 12 H 25
ANIONICOS!
O
dodecil benceno sulfonato
de sodio (detergente)!
H3 C
COO- Na +
O
C12 H 25 O S
  iónicos (aniónicos, catiónicos, anfóteros)!
  noiónicos (no producen iones)!
  otros (polímeros, fluorados, siliconados)!
O Na
O
abietato de ! CH 3
sodio!
(resina de pino)!
dodecil (ester) sulfato!
de sodio (espumante)!
CH(CH 3 )
2
7 / 90!
8 / 90!
ejemplos!
ejemplos!
+Cl
N
H3 C O
CATIONICO!
C12H25
P-C14 H29
H3 C O
cloruro de n-dodecil !
piridinio (desinfectante)!
NONIONICOS!
O
Dimetil eter del ácido
tetradecil fosfónico
(emulsiones pesticidas)!
C12
H
25
pH 8!
CH 3
-N-CH
3
+
CH 2
-CH 2
-COO
-
ANFOTERO!
C 8 H 17
Octil fenol polietoxilado
(lava plato)!
n-dodecil betaina
(jabon cosmético)!
ejemplos!
O CH 2-CH2 -O H
n
9 / 90!
10 / 90!
H
O
 
cola
Esteres de Sorbitan
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
R
S
NTE
CTA S
A
F
E
SUR URAL
NAT
O!
O!
O
O
O!
OH
O
O
O
sorbitan
TWEEN 85
sorbitan
+ 20 EO
trioleato
cola
cola
O
O
O
O
O
O
D- α,β!-galactopiranosa
O
H
sorbitol -------------> sorbitan
O
O
O
O
O
H
reducción
glucosa ------------> sorbitol
ciclización
poli-EO
O
NOIONICOS
O
H
SURFACTANTES NOIONICOS
11 / 90!
!!!!
HO
HO
Estearil lauril α-lecitina O!
!! !
O!
OH
!H!O!n!O!! O! Alquil poli-glucósido
HO
!! O!H!O!
OH
O!
O! P! O!
N!
O!H!
12 / 90!
puente alifático
isla
aromática
Asfaltenos
Differentes Grupos Hidrofóbicos
= surfactantes naturales!
CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2 -
HS
Según P. Kilpatrick!
grupo
polar
COOH
Hidrocarbono
H = Grupo Hidrofílico
CF3-CF2-CF2-CF2-CF2-CF2-
¿ Polímero o Micela ?!
Hidrocarbono Perfluorado
Usados con aceite de silicona
o CO2 supercrítico
Polidimetilsilicona
(dimeticona)
H!
H!
H!
CH2
CH2
CH3
CH3
CH3
CH2
CH3
CH3-Si-O-Si-O-Si-O-Si-O-Si-CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
13 / 90!
14 / 90!
Todos los surfactantes tienen
2 propiedades fundamentales :!
 
ADSORCION
en interfases!
 
ASOCIACION
en solución!
algunos son!
 
bactericidas!
15 / 90!
16 / 90!
ADSORCION en las interfases!
Principio de la ADSORCION!
aire/aceite!
  el
surfactante se acomoda para
reducir su energía libre en la interfase!
agua!
sólido!
baja tensión!
aceite!
aire!
agua!
capilaridad!
gradiente de tensión! estabilización
eléctrica
emulsificación!
estérica!
recuperación
mejorada del
inestable!
pétróleo!
EMULSIONES!
aire!
ESPUMAS!
aceite!
SUSPENSIONES!
agua!
lubricación!
flotación!
!
sólido apolar!
agua!
agua!
17 / 90!
mojabilidad!
detergencia!
expansión
adhesión!
18 / 90!
adsorción!
adsorción!
Adsorción
)
)


)
)
  baja tensión!
  emulsificación!
  capilaridad!
  expansión!
  adhesión!
  lágrimas!!
Adsorción
)
interfase líquido-líquido!
interfase sólido-líquido!
)
)
)
)
  hidrofobación!
  lubricación!
  flotación!
  mojabilidad!
  detergencia!
19 / 90!
20 / 90!
Adsorción - Sistemas dispersos!
repulsión eléctrica
repulsión estérica!
gota, burbuja, partícula!
película líquida!
gota, burbuja, partícula!
= mecanismos de estabilización de las
emulsiones, suspensiones y espumas!
21 / 90!
22 / 90!
AUTO-ASOCIACION
en solución!
zona de exclusión!
es espontánea
produce ∆G < 0!
favorece el contacto entre el solvente y
el grupo afín al solvente!
  produce una estructura organizada :!
Formación de
Micelas =
Micelización!
 
 
  micela
normal o inversa!
  cristal
líquido, microemulsión!
  bicapa,
membrana, vesícula, liposomo!
23 / 90!
la micela es como un microprecipitado que
sustrae la cola!del surfactante del agua!
  es un polímero de asociación ± esférico!
  es un objeto dinámico que intercambia
moléculas con la solución permanentemente
(tiempo de relajación
1 µseg)!
 
24 / 90!
Equilibrio entre varias estructuras!
surfactante en solución!
micela !
± esférica!
Un cristal líquido no es ... ... ni un líquido ni un cristal!
No es estequiométrico, y puede incorporar ...!
agua!
aceite!
solido!
!
micela
cilíndrica!
cristal líquido lamelar!
y otras ...!
líquido!
!
agua!
25 / 90!
26 / 90!
Microfotografía en luz polarizada de un gel
LIQUIDO!
microemulsión!
microemulsión!
C.L.
cúbico!
C.L.
hexagonal!
C.L. lamelar!
Estructuras birefringentes producen interferencias!
CRISTALES!
TEMPERATURA!
Diagrama de Fase Agua-Surfactante!
CL lamelar!
CL lamelar!
Líquido + Cristal!
5 µm!
SURFACTANTE!
AGUA!
28 / 90!
Como funde!un cristal líquido!
  por
transición TERMOTROPICA!
(desorden debido al aumento de temperatura)!
  por
transición LIOTROPICA!
(desorden por incorporación de solvente)!
TEMPERATURA!
Un cristal líquido puede fundir!...!
C.L. más
estable!
Termotrópica!
C.L.
menos
estable!
Liotró pica!
CRISTALES!
27 / 90!
!
se obtiene en general
una MICROEMULSION!
Temperatura de Kraft!
SURFACTANTE!
AGUA!
29 / 90!
30 / 90!
Agricultura
aplicación de pesticida!
mojabilidad al agua - ángulo de contacto!
sin surfactante!
las gotas caen!
θ > 90°!
con surfactante!
las gotas !
!
se expanden!
θ < 90°!
CASO FAVORABLE!
31 / 90!
32 / 90!
Agricultura
Flotación de minerales!
acción antievaporación!
separación de partículas hidrófobas (mineral)!
de la ganga hidrofílica (tierra)!
El surfactante adsorbido!
reduce considerablemente
la evaporación!
PRINCIPIO!
CELDA DE FLOTACION!
agua!
suspensión
de mineral
molido!
aire!
partícula
hidrófoba
flota!
burbuja!
espuma +
mineral
enriquecido!
agua!
o! 2!
2!
1 Kg / Km!
45 A / molécula!
33 / 90!
partícula
hidrofílica
se separa!
burbuja!
solución
+ ganga!
34 / 90!
Flotación de minerales!
Flotación de minerales!
 
9!
 
toneladas por año!
 
Minerales de Cu, Ni, Zn, Mn, As!
Fosfatos, silica, talco, sales ...!
Colectores, acondicionadores, etc ...!
S
RO - C - S
Xantato!
-
RO
S
P-S
-
RO
R
R
Ditiofosfato!
S
N-C-S
-
Ditiocarbamato!
Acidos grasos, aminas grasas, alquil trimetil amonios ...!
35 / 90!
36 / 90!
Destintado del papel recuperado!
Tratamiento de aguas residuales
(emulsiones O/W)!
Papel recuperado 200 $ / ton.!
Solución NaOH! Fibra limpia 800 $ / ton.!
desfibrado!
Papel recuperado!
aire!
flotación de las
partículas de tinta!
Detergente!
destintado!
Espumante + Colector!
diluyente!
Emulsión O/W
d >100µm!
espuma
+ tinta!
Fibras
limpias!
!
fibras
hidrófobas
(polietileno)!
Emulsión O/W d
< 10 µm!
FILTRO !
COALESCEDOR!
37 / 90!
38 / 90!
Tratamiento de aguas residuales
Solubilización micelar!
(emulsiones O/W)!
Agua a
tratar!
 
Emulsión muy fina
O/W d < 2 µm!
 
 
FLOTACION
por
µBURBUJAS!
las micelas pueden ...!
solubilizar moléculas de aceite!
co-solubilizar anfífilos!
aceite!
microburbujas!
alcool!
fenol!
SOLUBILIZACION
alta presión!
39 / 90!
OH!
HO!
Agua
tratada!
CO-SOLUBILIZACION!
40 / 90!
Espumas contra incendios!
Métodos de separación (micelas)!
Ultrafiltración de iones nitratos ...!
... enlazados a micelas catiónicas !
NO3-!
NO3-!
NO3-!
micelas!
 
El agua no permite apagar
incendios de hidrocarburos
(no flota sobre ellos)!
 
Se deben usar espumas
con surfactantes fluorados!
CF2! CF!2!
tensión
superficial!
muy baja!
hidrofóbico y lipofóbico!
(17 mN/m)!
membrana!
solvente!
ATRACCION
ULTRAFILTRACION!
41 / 90!
42 / 90!
Lodos de perforación!
Aplicaciones petroleras!
enfrían y lubrican la barrena!
suspenden los cuttings (ripios)!
ü  efectos de contra-presión, anti-filtración, etc.!
ü 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Lodos de perforación!
Estimulación con ácido!
Control de inyección (espumas/emulsiones)!
Control de parafinas/asfaltenos!
Recuperación mejorada !
Deshidratación de crudos!
Combustibles emulsionados!
Asfaltos emulsionados!
etc ...!
ü 
Lodo!
Barrena!
aceite!
agua!
cutting!
arcilla!
43 / 90!
44 / 90!
Lodos de perforación!
Lodos de perforación!
contienen :!
son a la vez :!
soluciones (electrólitos, polímeros)!
  suspensiones de sólidos!
  emulsiones de aceite en agua !
... o vice-versa!
  a veces espumas!
 
 
agua (enfria, disuelve y suspende cosas )!
arcillas (viscosidad, suspensión)!
  aditivos para aumentar densidad (∆ρ, ρgh)!
  aceite (lubrifica, facilita la perforación)!
  surfactantes (dispersantes, emulsionantes)!
  polímeros (control de filtración, viscosidad)!
  etc!
 
 
45 / 90!
¡ sistemas extremadamente complejos !!
46 / 90!
Problemas de inyectividad
por caminos preferenciales!
Estimulación con ácido!
se inyecta una emulsión W/O de
ácido (HF + HCl) en kerosén!
zona
inalcanzable!
inyección
de agua!
medio poroso!
caminos
preferenciales
kerosén!
Emulsión de
ácido en kerosén!
poco permeable
grano!
ácido!
muy permeable
ataque!
47 / 90!
zona
inalcanzable!
48 / 90!
Problemas de inyectividad
por segregación gravitacional!
inyección
de vapor!
Inyector!
baja saturación!
alta !
saturación!
Inyección de espuma
para taponar las grietas!
Líquido !
espumante!
Gas!
zona
inalcanzable!
Espuma de !
taponamiento!
The image
cannot be
displayed.
The
Your
computer
may not
have enough
Burbujas !
Roca !
porosa!
Grieta!
Tapón!
de !
Espuma !
Gas N!2!
o!
vapor!
Grano!
49 / 90!
50 / 90!
Producción por inyección!
Recuperación mejorada del petróleo!
Recuperación mejorada con surfactantes!
  Control de inyección (espuma / emulsión)!
 
1 Pozo
inyector!
Actualmente 70 a 75% del
petróleo originalmente en
sitio no se produce ...!
!
!
porque está atrapado por
fuerzas capilares!
4 Pozos
productores!
banco de aceite!
51 / 90!
52 / 90!
Recuperación mejorada
= un problema de formulación!
Producción de Petróleo + Agua!
Hay que separar este agua !
(que está en forma de emulsión)!
para vencer fuerzas capilares!
tensión interfacial baja -> surfactantes!
  drenaje eficiente -> polímeros!
 
 
agua!
roca!
Petróleo!
roca!
roca!
Deshidratación!
roca!
53 / 90!
54 / 90!
válvula!
tubo,
codo!
emulsión requiere!
O + W + S!
+ agitación!
¿ Surfactantes naturales ?!
 
Resinas, asfaltenos porfirinas, etc...!
CH 2
bomba!
CH 3
CH
gas!
fuga!
¿Donde se producen
las emulsiones W/O ?!
sustancias
extrañas!
N
N
Mg
N
bomba
defectuosa!
HS
CH 2 CH 3
H 3C
N
H 3C
CH 3
CH 2
H 2C
O
CO 2 CH 3
CO 2 C20 H 39
pristano!
clorofila!
COOH
55 / 90!
56 / 90!
Surfactantes naturales
estabilizan emulsiones W/O!
¿ Surfactantes naturales ?!
grupo polar!
  macromoléculas
 
 
 
!
(muy) lipofílicas!
algo plano tipo cucaracha !
agregados apilados ...!
... con pocas moléculas!
patas !
gota
de
agua!
gota
de
agua!
gota
de
agua!
micela !
CRUDO!
57 / 90!
58 / 90!
En la Faja Petrolífera del Orinoco
Crudos extrapesados o bitúmenes!
Deshidratación!
GAS!
GAS!
  Reservas
considerables!
poca profundidad (300 m)!
  Arenas no consolidadas!
  A
CRUDO!
Desde!
POZO!
gun barrel!
EMULSION
W/O!
AGUA!
!
  Producción
"QUIMICA"!
separador!
gas-líquido!
separador!
líquido-líquido!
59 / 90!
!!
posible por!
-> inyección de vapor!
-> inyección de solvente!
-> crudo espumante !
60 / 90!
y también ... Orimulsion®!
Orimulsion®!
 
presencia de agua en un combustible!
  reduce la temperatura de llama!
 
-> reduce la corrosión y formación de NOx!
aumenta la densidad y Cp de los gases!
-> favorece transferencia de calor!
-> reduce depósitos!
 
 
¡ un combustible emulsionado !
de bitumen en agua !!
 
pre-atomización facilita la combustión!
fácil control de derrame en mar o rio!
algunos problemas (metales, azufre, cenizas)!
61 / 90!
62 / 90!
Coloides en medio apolar
(asfaltenos)!
Detergencia en medio apolar
(aceite lubricante, combustible)!
acción dispersante!
aceite!
+ surfactante!
macromoléculas !
levemente polares!
susceptibles de !
HS
COOH
!
-> agregarse en micelas!
(colóide estable)!
!
-> formar depósitos!
sucio
polar!
sólido!
PROBLEMA
acción detergente!
63 / 90!
64 / 90!
Coloides en medio apolar
(asfaltenos)!
 
las micelas!de asfaltenos están
estabilizadas por resinas surfactantes!,
aún menos polares que los asfaltenos!
Inhibición de la corrosión (ácida)!
-!
HS + H +!
H 2!S
H!+!
H!+!
Me Me Me!
H!+!
adsorción
X
de
surfactante
catiónico!
Me Me Me!
asfalteno!
65 / 90!
S - -! + H!+!
agua!
adsorción
de H!+
crudo!
resina!
-!
HS
++!
reacción
Me! H!
electroquímica
2!
de corrosión!
Me
Me!
hidrofobación!
Me Me Me!
protección
contra la
corrosión!
66 / 90!
Emulsiones asfálticas
para carreteras!
  Asfaltos
fluidizados!mediante!
Heterofloculación estable en el pipote
roca -> se rompe!
3
Repulsión
electrostática!
floculación!
1
! !-> mezclado con solvente!
! !-> calentamiento!
! !-> emulsionación!
ruptura!
2
3
hidrofobación!
equilibrios!
4
2
adsorción sobre la roca !
4
adhesión!
67 / 90!
68 / 90!
Utilizaciones domésticas!
 
 
 
 
 
 
 
jabones, detergentes, limpiadores!
suavizadores, lubricantes!
espumantes!
humectantes!
hidrofobantes!
inhibidores!
tensioactivos!
Detergencia!
despegue de una partícula sólida!
  adsorción del
surfactante entre el
sucio y el sustrato!
  despegue
por agitación
mecánica!
  reducción
de la atracción!
sucio!
sustrato!
69 / 90!
70 / 90!
Detergencia!
Detergencia!
otros mecanismos !
despegue de una gota (líquida)!
  el surfactante
  estado inicial:
agua sin
surfactante!
agua!
! aceite!
produce un
cambio de
mojabilidad!
  despegue
Emulsionación
ESCALA
10 -3
por agitación
mecánica
--> (rolling)!
m
ESCALA
10 -5
m
Ruptura
!
ESCALA
10 -8
Solubilización
micelar
sustrato!
71 / 90!
72 / 90!
Detergente en polvo para máquina!
15 % Dodecilbenceno sulfonato de Na detergente!
Biología - el ojo!
 
La conjuntiva está protegida por una
película líquida
2 surfactantes!
5 % Tridecanol + 8 EO noiónico tolera Ca!++!
3 % Jabón antiespumante!
50 % Tripolifosfato de Na
++!
sequestrante Ca!
20 % Silicato (alcalino) y Sulfato de Na ( relleno )!
... Carboximetilcelulosa CMC (antiredeposición)!
... Mejorador óptico, perfume, enzimas ... !
surfactante!
anti-evaporación!
película líquida!
surfactante
polimérico
(humectante)!
conjuntiva!
ojo!
m
73 / 90!
74 / 90!
Asociación en bicapa!
Biología - Los pulmones!
CH3
H2C-O-CO-C11H23
H3C
  El
surfactante
pulmonar
reduce la
tensión y facilita
la respiración!
H2C
H2C
N
---
OH
HC-O-CO-C17H35
O - P - O - CH2
O!
lecitina!
algunas
moléculas
se asocian
en bicapa!
fosfolípido!
75 / 90!
76 / 90!
Bicapa = membrana!
Micela = nanocápsula!
protección y transporte!
Membrana
natural!
enzima!
intercambio!
CO!2
y O!2
proteina!
vitamina!
protegida!
Vesícula!
Liposomo!
77 / 90!
micela de !
surfactante fluorado!
78 / 90!
Acondicionamiento en emulsión
Acondicionamiento en emulsión
Suministro controlado (emulsión múltiple)!
Emulsión de Scott (protección del sabor)!
Se esconde!el sabor
desagradable del
aceite de hígado !
de bacalao.!
!
¡ Es la fase externa
(perfumada) que está
en contacto con la
lengua !!
agua saborizada (fresa)!
aceite de
hígado de
bacalao!
transferencia a
Una sustancia puede
través del aceite! transferirse lentamente
desde el agua interior!
agua!
.!
hasta el agua exterior!
agua!
!
p acondicionamiento
llamado PATCH!
!
Aceite!
79 / 90!
80 / 90!
Remoción controlada de FENOL Polimerización en emulsión!
(emulsión múltiple)!
Fenol más soluble en agua a pH 10 que a pH 7!
  Soluciones
Emulsión W/O
con agua a pH 10!
Emulsión múltiple!
transferencia fenol!
Separación fase
aceite con gotas
de agua a pH 10
cargadas de fenol!
Fenol en
agua a
pH 7!
(en solventes) de polímeros
son muy viscosas (inconveniente mayor)!
  Latexes
(emulsiones) no lo son ...!
  ... permiten hacer finas películas y fibras!
  ... no son inflamables!
Agua a pH
7 sin fenol!
81 / 90!
82 / 90!
Polimerización en emulsión!
 
Polimerización en emulsión!
Polimerización se inicia en las micelas!
 
El catalizador entra
en la micela!
Partícula de
polímero
(latex)
1 µm!
micela!
Gota de
monómero!
así se preparan el PVC,
el poliestireno,
los poliésteres,
los latexes de caucho y!
!
 
Reacción se
produce
dentro de la
micela!
83 / 90!
las pinturas emulsionadas!
84 / 90!
Emulsiones alimenticias!
mayonesa!
leche!
  chocolate!
  margarina (W/O)!
  helados!
  bebidas!
  cremas ...!
 
 
Mayonesa!
Emulsión muy concentrada O/W!
(gotas de aceite en agua)!
85 / 90!
86 / 90!
¿ Helado = espuma ?
¡ En realidad es mucho más complejo !
líquido concentrado!
leche + endulzante!
+ surfactante!
burbujas de gas
(100 µm)!
cristales
de hielo
(50 µm)
y grasa
congelada!
Acondicionamiento en Espuma!
  espumas
de
champaña y de
cerveza
estabilizadas
por proteinas!
gotas de
grasa
líquida
(5 µm)!
87 / 90!
88 / 90!
conclusión!
Higiene y Cosméticos!
crema fria (W/O)!
ungüentos (O/W)!
  crema solar (O/W)!
  rojo de labio (suspensión)!
  maquillajes (= pinturas)!
...!
 
 
89 / 90!
es nuestro mundo
de todos los días
90 / 90!
El mundo de los surfactantes!
  Un
fascinante campo ...!
... de investigación y desarrollo!
  Miles de aplicaciones multidisciplinarias!
  Un campo de trabajo para ...!
... el ingeniero químico!
... el químico!
... el físico!
... y otros profesionales!
sitio web Lab. FIRP!
www.firp.ula.ve!