Surfactantes amigables

Tecnologías para mejorar la vida

Los surfactantes básicamente son compuestos orgánicos que tienen una parte polar -hidrofílica, que tiene afinidad por el agua-, y otra parte no polar -hidrofóbica, que no tiene afinidad por el agua, sino por compuestos no polares como grasas e hidrocarburos-; esta característica permite dos cosas en el agua: abatir la tensión superficial, y atrapar materia grasa que de otro modo sería insoluble.

Al abatir la tensión superficial, favorece el mojado, es decir que el agua opone menos resistencia para entrar en las fibras; también promueve la dispersión del líquido, por lo que puede fluir en espacios muy pequeños para lograr diferentes efectos, por ejemplo, desplazar a gases adsorbidos en superficies, como el shale gas en las minas, o extraer hidrocarburos en depósitos que sin surfactantes son difíciles de sacar. Otro efecto es que propicia la formación de emulsiones, que son un tipo de mezcla homogénea de líquidos inmiscibles, como agua y aceite. Entre otros efectos, también funcionan como espumantes, bactericidas, inhibidores de corrosión, humectantes, ablandadores de agua, antiestáticos y coagulantes.

Al atraer la grasa, permite que ésta se encapsule en el tensoactivo -lo que se llama “micela”-, que con la cara polar, se hace soluble en agua, lo que se conoce como lavado.

El uso extendido de surfactantes en nuestra sociedad, ha causado diferentes problemas ambientales a lo largo de las últimas décadas, principalmente notable en la contaminación acuática. Desde la segunda Guerra Mundial, el aumento en la producción de detergentes se disparó principalmente por la disponibilidad de materias primas provenientes de sub-productos de la refinación del petróleo; así, grandes cantidades de tensoactivos fueron a dar a los ríos y lagos. Estos compuestos -principalmente derivados no lineales de alquil bencen sulfonatos (ABS)- tienen una persistencia muy alta, y no son fácilmente biodegradables, por lo que las aguas empezaron a tener gruesas espumas que evidenciaban contaminación.

El problema

Más allá de las espumas, estos tensoactivos provocan una eutrofización (enriquecimiento de un ecosistema con nutrientes a un ritmo tal que no puede ser compensado por sus formas de eliminación natural) importante de aguas, pues aportan una gran cantidad de compuestos nitrogenados, fosfatados y sulfonados -en conjunto con los fertilizantes-, que ocasionan un crecimiento desmedido de plantas acuáticas superficiales, como el lirio y la lentejuela. Al proliferar las plantas, captan la luz del sol en la superficie, lo que impide que crezcan otras algas que aportan oxígeno al cuerpo del agua; al morir, la materia orgánica es depositada en los fondos, las bacterias que descomponen esta materia consumen oxígeno, lo que reduce la concentración de este elemento; además, en las aguas muy contaminadas, los surfactantes provocan que sea más difícil la absorción de oxígeno -debido a una caída en la tensión superficial-, lo que agrava el problema; por la ausencia de luz, la temperatura del agua desciende.

Todo esto en su conjunto provoca serios trastornos a los cuerpos de agua, como la muerte de peces y otro tipo de fauna; las aves a su vez pierden grasa de la piel y plumas, por lo que se mojan y pueden morir de frío o ahogadas; muchas bacterias indispensables en los ecosistemas sanos se mueren en presencia de surfactantes, igual que cuando nos desinfectamos las manos, la pared celular de estas bacterias se desintegran, y al ser contaminantes persistentes, esto hace que la capacidad de respuesta de los cuerpos acuáticos, descienda. A largo plazo, la concentración de materia orgánica provoca procesos de descomposición anaerobia, lo que hace que el agua se pudra, que se formen pantanos, y que los cuerpos de agua eventualmente se sequen.



Por lo anterior, la legislación de diferentes países está cambiando para evitar la utilización de surfactantes poco amigables. Desde 1965, los países industrializados empezaron a legislar para que los fabricantes de surfactantes hicieran alquil bencen sulfonatos de cadenas lineales (LAS), lo que aumenta su degradabilidad; estos compuestos se utilizan hasta nuestros días.

Si bien los LAS representaron un avance con respecto a los ABS, aún presentan problemas de contaminación de cuerpos de agua, sobre todo por el uso extendido de los detergentes, principalmente a nivel doméstico. La mayoría de los surfactantes vertidos al ambiente proviene de los jabones y detergentes de uso doméstico, que en conjunto aportan un 55% del mercado mundial de surfactantes en volumen.

Nuevas opciones

Para dar solución a este problema, se está abriendo paso una nueva generación de surfactantes más amigables con el ambiente. En general las materias primas provienen de fuentes renovables que sustituyen insumos sintéticos y derivados petroquímicos, por productos de origen vegetal. Estas materias primas suelen tener cadenas de carbonos más lineales que las provenientes del petróleo, lo que aumenta su degradabilidad.

Otra característica de estos nuevos surfactantes es que se buscan un alto desempeño, de tal manera que con poca cantidad, se tenga un buen resultado en su aplicación, por lo que los detergentes tienden a estar más concentrados. Su aceptación por parte del público depende también de factores culturales; durante el final del siglo pasado, las compañías productoras de detergentes hicieron un esfuerzo publicitario para que el público en México aceptara productos más concentrados, y que no asociaran la detergencia directamente con la capacidad espumante.

Un ejemplo de nuevos surfactantes que cumplen con los requerimientos son los ésteres metílicos sulfonados (MES) obtenibles a partir de aceites vegetales, como el de palma o de coco. Los agentes sulfonados están teniendo un desarrollo importante debido a las restricciones ambientales de los fosfatados. Otros productos con desempeño similar son los alcoholes etoxilados (pueden ser sulfonados o no), obtenidos a partir de ácidos grasos de aceites naturales (coco, palma, olivo, entre otros).

En particular estos nuevos compuestos tienen una detergencia superior a los convencionales, pues con una concentración en solución acuosa de 150 ppm (partes por millón) tienen el mismo efecto que un LAS con una concentración de 400 ppm; es decir que se necesita menos de la mitad de detergente (3/8 partes) para tener el mismo lavado. Además, se desempeñan mejor en aguas duras, las aguas con mucho calcio o magnesio disminuyen el poder surfactante (en particular de los jabones), los MES tienen una detergencia tres veces superior a los detergentes convencionales en aguas duras (350 ppm de carbonato de calcio -CaCO3-).



Al provenir de aceites vegetales, suelen ser lineales, lo que favorece su degradabilidad por medio de bacterias, la cabeza polar no aporta fósforo extra, lo que disminuye el riesgo de eutrofización. Al degradarse “rápido”, no afectan tanto a la concentración de oxígeno en el agua. Los MES pierden su capacidad surfactante luego de dos días, y se degradan totalmente en cinco; en comparación, los LAS requieren de cinco días para perder surfactancia, y tardan mucho en degradarse (luego de 15 días, aún se conserva un 40% de carbono orgánico disuelto).

Estos tensoactivos sirven también como: emulsificantes para polimerización, adhesivos, agentes antiestáticos, baños de burbujas, intermediarios químicos, limpiadores, inhibidores de corrosión, agentes dispersantes, espumado, flotación de minerales, germicidas, lubricantes, limpieza de metales, metalurgia (procesamiento y molienda), recuperación de aceite, pinturas, fabricación de papel, champús, suavizantes, uretanos, agentes humectantes , entre otros.

Si bien son más caros que los derivados del petróleo (debido, sobre todo al costo de materias primas), en el balance global resultarán en soluciones rentables, pues por su desempeño superior, se necesita menos cantidad de surfactante, y no traen otros costos asociados, como la operación de plantas de tratamiento de aguas capaces de resolver el problema de contaminación, o la pérdida de trabajo y recursos al presentarse eutrofización de los cuerpos de agua.

Extracción mejorada

Otra industria que requiere fuertemente de surfactantes es la petrolera, que consume el 4% a nivel mundial. Se utilizan para perforación y terminación de pozos, recuperación mejorada, operaciones de producción y para aditivos en productos de refinación.

En los últimos años, debido a una previsión de baja en la disponibilidad del petróleo, se han desarrollado surfactantes para la recuperación mejorada. La extracción convencional deja entre un 60 y un 80% del crudo en el yacimiento; como este petróleo está atrapado (adsorbido) en los poros de rocas o arenas, debido a la capilaridad es difícil de extraer. Para reducir la capilaridad entre la roca y el petróleo, se inyectan tensoactivos formulados, que abaten hasta en cuatro órdenes de magnitud la tensión interfacial, con lo que se logra recuperar hasta un 70% del crudo atrapado.

Un reto para la industria es producir surfactantes para extracción mejorada que sean, además, amigables con el ambiente. Al respecto se están llevando a cabo investigaciones para obtener tensoactivos provenientes de aceite de higuerilla y de coco, dos especies abundantes en nuestro país, que bien podrían ofrecer una solución conveniente, debido a su bajo impacto ambiental, y a su potencial para generar empleos en diferentes zonas marginadas.

De acuerdo con INEGI, en México se producen alrededor de cuatro millones de toneladas de productos para limpieza, en su mayoría surfactantes que, al final de su ciclo de vida, van a parar al agua; su valor de producción en 2012 fue de 54,836 millones de pesos, por lo que esta industria representa, tanto un reto ambiental, como una importante oportunidad de negocio que hay que capitalizar.