Estudio de la posibilidad de sustitución de pinturas asfálticas ...

ESTUDIO DE LA POSIBILIDAD DE
SUSTITUCIÓN...
Alyn Ferro Nieto
Tecnología Química, Vol. XXII, No. 1, 2002
ISSN: 0041-8420

ESTUDIO DE LA POSIBILIDAD DE SUSTITUCIÓN DE
PINTURAS ASFÁLTICAS CONVENCIONALES POR
EMULSIONES DE CRUDO CUBANO COMO EMULGENTE P
(PRIMERA PARTE)
Alyn Ferro Nieto, José Falcón Hernández
Universidad de Oriente
En el trabajo se presenta un estudio sobre las posibilidades de uso de un nuevo agente emulsionante,
obtenido de productos de la pirólisis de materiales lignocelulósicos con petróleo crudo
cubano para la obtención de pinturas emulsionadas. La reducción de viscosidad, el mejoramiento
en el manejo y el uso de las emulsiones obtenidas como sustitutas de las pinturas asfálticas son
informados. Se demuestra que pueden ser obtenidas emulsiones directas con concentraciones de
petróleo crudo cubano de 50-60 % en peso, empleando 3 % en peso de emulgente P (como se
denomina el agente emulsionante) respecto al agua. Las características de estas emulsiones
recomiendan su empleo inmediato o mantenerlas en agitación para prevenir su floculación.
Palabras clave: pinturas asfálticas, emulsiones, crudo nacional.
_____________________
In the paper, a study about the use of possibilities of a new type emulsifyng agent obtained from
pyrolyisis products of lignocellulosic materials, with Cuban crude petroleum for the preparation
of emulsioned paints is presented. The viscosity reduction, the improvement in the handling and
the use of obtained emulsions as substitute of asphaltic paints are informed. It is proved that may
be obtained direct emulsions with Cuban crude petroleum concentrations of 50-60 % wt., using
3 % wt. concentration of emulgent P (here it is called emulsifyng agent) respect to water. The
emulsion characteristics are mantain similar to others prepared with tensioactive agents
commonly used.
Key words: asphaltic paints, emulsions, Cuban crude.
Introducción
Los asfaltos fluidificados (pinturas) son materiales
asfálticos obtenidos como producto de la
mezcla de un asfalto de petróleo con un solvente
también derivado del petróleo. Los principales
usos a que pueden destinarse los mismos son:
fabricación de mezclas asfálticas (mezclas en
frío), tratamiento asfáltico por penetración
(macadam), tratamiento asfáltico por penetración
invertida, riegos de imprimación y riegos de adherencia.
Los asfaltos fluidificados en función del solvente
empleado para su preparación se dividen en
tres tipos: de curado rápido, si el solvente es
gasolina (RC); de curado medio, si el solvente es
keroseno (MC) y de curado lento, si el solvente es
gasoil (SC). /15/
El solvente en este caso tiene la función de
disminuir la viscosidad de esta mezcla, con lo cual
puede penetrar más en los intersticios y/o
esparcirse mejor sobre la superficie en que se
aplique la misma. Sus desventajas están en lo
costoso de estos disolventes, y que al evaporarse
provocan la contaminación del ambiente.
Las emulsiones asfálticas se emplean, por lo
general, en los mismos usos a que se destinan los
asfaltos fluidificados, pero en relación con éstos
tienen como ventajas: reducción de costos por la
no utilización de los solventes, mejoramiento de
las condiciones ambientales al eliminar el disolvente
que va a la atmósfera, y su principal desventaja
es que resulta un producto menos estable. /5/
En Cuba se tienen reservas de petróleo crudo,
como las del yacimiento Varadero /9/, que difieren
sustancialmente de otros tipos de crudos por
su alta viscosidad, elevados contenidos de azufre
y de asfaltenos. Estas características limitan sus
posibilidades de refinación y las de su combustión
por la alta carga contaminante en sus gases. Sin
embargo, estas mismas características les posibilitan
su empleo directo para pinturas.
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Por otra parte, entre los agentes tensioactivos
desarrollados en Cuba para la preparación de
emulsiones combustibles, se encuentran los obtenidos
a partir de la pirólisis de materiales
lignocelulósicos. El emulgente P resulta de una
mezcla de alquitranes alcalizados, ácidos
piroleñosos y alcohol etílico, que ha sido registrado
y utilizado para la preparación de diferentes
emulsiones inversas de fracciones combustibles
del petróleo /9/. Las principales ventajas de este
producto están en su bajo costo, posibilidades
ilimitadas de producción a partir de diferentes
residuales y la utilización de productos de producción
nacional en su preparación. Sus desventajas:
mayor variabilidad en características que los
tensioactivos registrados, lo que trae aparejado
mayor dificultad para lograr estabilidad de las
emulsiones preparadas con él. El emulgente P
resulta un producto con mayor posibilidad de
lograr emulsiones inversas por su pH y cadenas
hidrocarbonadas cortas de las sustancias
tensioactivas que lo componen.
El presente trabajo muestra resultados del
trabajo experimental que se ha venido realizando
con vistas a obtener pinturas asfálticas empleando
como componentes de la misma petróleo crudo
cubano y emulgente P.
Materiales y equipamiento
Para los ensayos a nivel de laboratorio se
utilizó:
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- Termostato.
- Viscosímetro Saybolt.
- Viscosímetro Rheotest II.
- Balanza de dos platos.
- Agitador marca Mechanick Prufgerate
Medinger: propela de diámetro de 4 cm,
velocidad de rotación regulable entre 300 y
3 400 r/min.
- Utensilios y cristalería variadas.
Para los ensayos a nivel de banco se utilizó una
instalación compuesta de una bomba de engrane,
trabajando en circuito cerrado con un tanque
recipiente (véase esquema anexo). La potencia
del motor de 2,25 kW, la velocidad de rotación de
1 730 r/min y la capacidad de la bomba de engrane
de 0,12 L/s.
Los materiales utilizados en los ensayos fueron
el emulgente P, dos muestras de emulgente P,
una envejecida con tensión superficial de 36 kN/
m, pH = 5,12 y otra preparada con productos
frescos con tensión superficial de 33,5 (1) kN/m,
pH = 4,84.
Se utilizó petróleo del yacimiento Varadero
con una composición aproximada como la
mostrada en la tabla 1. Para los ensayos se
tomaron dos muestras, una de petróleo fresco y
otra envejecida, las que diferían en viscosidad
como se puede apreciar de sus curvas de flujo
que se muestran en la figura 1.
Tabla 1
Características generales del petróleo crudo empleado
Análisis Varadero pesado
API 60/60 9,60
Viscosidad cP 50 ºC 2 530
Viscosidad cP 60 ºC 201
Contenido de azufre (% en masa) 7,84
Contenido de asfaltenos (% en masa) 25,1
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1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Fig. 1 Curvas de flujo para el crudo 1 (nuevo ) y 2 (envejecido) a 80 ºC.
Técnica de medición y metodología
experimental
La viscosidad fue una propiedad física controlada
en las emulsiones y para ello se utilizó, tanto
el viscosímetro rotacional de cilindros concéntricos
Rheotest II, como el de Saybolt. Para la realización
de los ensayos en ambos viscosímetros, la
muestra se calentó hasta alcanzar la temperatura
elegida, y en el caso del viscosímetro rotacional
las mediciones se realizaron con ascenso y descenso
de la velocidad angular fijada mediante el
selector del equipo.
Las determinaciones de la calidad de las
emulsiones se realizaron según las normas ASTM
establecidas en los laboratorios (de asfalto) del
país. En el caso de la estabilidad, ésta se determinó
de manera visual, por la aparición del agua
separada o con ayuda del microscopio para observar
las gotas dispersas.
- La metodología general para la preparación
de emulsiones en el laboratorio fue la
siguiente:
Crudos (1 y 2) a 80C
0 20 40 60 80 100
Gradiente (s-1)
Crudo (2)
Crudo (1)
Se preparan 100 mL de emulsión. Para esto se
mide el crudo en un recipiente aparte, se prepara
la mezcla de agua con tensioactivo disolviendo
este último directamente en el agua con las cantidades
requeridas. En todos los casos se emplea
el método de agente en agua. A esta mezcla se
le añade lentamente el crudo, mientras se le aplica
una agitación manual, evitando así que al añadir el
crudo a esta mezcla éste se adhiera al eje del
agitador, lo que impediría la preparación de la
emulsión; luego de esta leve agitación, el sistema
crudo-agua-emulgente es sometido a una agitación
mecánica intensa por un tiempo aproximado
de 15 min. Las proporciones de crudo, agua y
emulgente P fueron establecidas por pesada o
medición volumétrica en el caso de agua y
emulgente P.
En la instalación de banco, la emulsión se
preparó añadiendo el agua con el emulgente P en
el recipiente; posteriormente se agrega el petróleo
a ésta agitando lentamente la mezcla y por
último, se pone en funcionamiento la bomba de
engrane, recirculando el producto por un tiempo
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determinado. Se fueron obteniendo muestras a
intervalos de tiempo para establecer características
de la emulsión formada y realizar pruebas de
riego.
- La metodología para determinar la penetración
de la pintura consistió en:
Elegir un área de 1 m 2 aproximadamente, la
Resultados y discusión
Los primeros ensayos realizados con petróleo
y emulgentes nuevos mostraron que resultaba
posible obtener emulsiones directas y estables
con concentración de emulgente mayores de 3 %
con respecto al agua, consiguiéndose un alto nivel
68
Tabla 2
Influencia de la concentración de emulgente en la estabilidad de la emulsión
En los ensayos se confirmó, que a mayor
concentración de emulgente la emulsión se hace
más viscosa, por lo que no es recomendable
alejarse de la concentración del 3 %.
cual se barrió con el objetivo de eliminar la mayor
cantidad de impurezas. Antes de regar la pintura
se emplearon dos variantes: con y sin humectación
previa de la superficie. Posteriormente, se
aplicó la pintura (riego o brocha) y el grado de
penetración se determinó después de transcurrir
24 h.
de estabilidad para las emulsiones puesto que al
realizar pruebas de envejecimiento mantuvieron
el mismo aspecto al cabo de los 30 d de
realizados. Los resulta dos obtenidos se muestran
en la tabla 2.
Experimento % emulgente % crudo Observaciones
1 10 50 Directas y estables
2 8 50 Directas y estables
3 7 50 Directas y estables
4 6 50 Directas y estables
5 5 50 Directas y estables
6 4 50 Directas y estables
7 3 50 Directas y estables
8 2 50 Inestables con rotura de emulsión
Una vez hecho este análisis se comprobó si
con esta concentración era posible preparar
emulsiones con diferentes concentraciones de
crudo. Los resultados aparecen en la tabla 3.
Tabla 3
Efecto de la concentración de petróleo crudo sobre la estabilidad de la emulsión
Experimento % emulgente % crudo Observaciones
1 3 50 Emulsiones directas y estables
2 3 60 Emulsiones directas y estables
3 3 70 Emulsiones directas y estables
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Todas las emulsiones logradas resultaron
directas y estables. En la tabla 4 se comprueba el
El análisis del efecto que provoca el aumento
de la temperatura sobre la formación de la emulsión
manifiesta que alrededor de 60 °C la emulsión
se invierte, provocando un aumento en la
viscosidad de la emulsión. Sin embargo, ello no
resulta estable para todas las condiciones, pues se
prepararon emulsiones a temperatura ambiente,
50 y 82 ºC, variando los por cientos de crudo y
emulgente, y se les determinó su viscosidad
(ver tabla 5).
efecto de la temperatura sobre las emulsiones
obtenidas.
Tabla 4
Influencia de la temperatura en la inversión de la emulsión
Experimento % crudo % emulgente Temperatura (°C) Tipo de emulsión
1 50 3 80 Inversa
2 60 3 80 Inversa
3 70 3 80 Inversa
4 50 3 60 Directa
5 60 3 60 Directa
6 70 3 60 Directa
La viscosidad de las emulsiones preparadas
se incrementó con el aumento de la
concentración del emulgente en el agua y con
el incremento de la concentración de crudo, y
decrece con el incremento de la temperatura.
Un valor de la viscosidad muy bajo se observa
a temperatura ambiente, lo que se encuentra
ligado a la inversión de la emulsión que en
estas emulsiones se obtuvó por debajo de
los 50 ºC.
Tabla 5
Mediciones de viscosidad Saybolt a diferentes temperaturas y concentraciones de crudo y emulgente.
Experimentos % Emulgente emulgente % crudo Temperatura (°C) Viscosidad cSt
1 3 50 28 218,28
2 3 50 50 1 425,24
3 3 60 50 11 893,9
4 6 50 50 2 475,98
5 6 60 50 3 107,28
6 3 50 82 575,66
7 3 60 82 999,38
8 6 50 82 1 061,44
9 6 60 82 1 874,66
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A las emulsiones preparadas se les determinaron las propiedades que aparecen en la tabla 6.
Estas emulsiones se caracterizaron por un fraguado
más rápido que en el caso de emulsiones asfálticas.
Referente a la demulsibilidad, las emulsiones de
petróleo crudo presentaron un por ciento mucho más
bajo que en el caso de las emulsiones asfálticas cuyo
valor corresponde a un 47,7 %. El ensayo de mezcla
con cemento arroja por cientos muy elevados. Esto es
debido a la presencia de una alta coagulación.
Las emulsiones logradas pueden clasificarse
dentro de las de rotura lenta en cuanto a rotura por
contacto con áridos.
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Tabla 6
Ensayos de calidad para emulsiones de 50 % de crudo
Por ciento de crudo 50 %
Tamizado 64,3 %
Demulsibilidad 36,0 %
Fraguado 24 h
Mezclado con cemento 41,8 %
Efecto de envejecimiento de productos y de
otros factores
En la etapa de escalado a nivel de banco de los
resultados anteriores se encontraron serias dificultades
para lograr la estabilidad de las emulsiones
directas.
En la tabla 7 se muestra un resumen de ensayos
realizados con una nueva muestra de petróleo
crudo cubano del yacimiento Varadero y
emulgente P envejecido.
Tabla 7
Ensayos con diferentes condiciones de los parámetros
Exp. % de emulgente pH del emulgente % de crudo Tipo y estabilidad de la emulsión
1 4 5,12/ 7 50 Directa e inestable
2 6 5,12/ 7 50 " "
3 8 5,12/ 7 50 " "
4 4 5,12/ 7 60 " "
5 6 5,12/ 7 60 " "
6 8 5,12/ 7 60 Directa y estable
7 4 5,12/ 7 70 " "
8 6 5,12/ 7 70 " "
9 8 5,12/ 7 70 " "
10 6 7 80 Inversa y estable
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De los resultados de la tabla 7 se infiere que se
requirió mayor concentración de emulgente para
lograr la emulsión, y que no se alcanzó con bajas
concentraciones de crudo (

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Tabla 8
Penetración de las emulsiones preparadas con diferentes proporciones de crudo y agua
Exp. % de crudo % de agua + emulgente % emulgente Penetración
1
30 70 3 Mala
2 40 60 3 Óptima
3 50 50 3 Buena
4 60 40 3 Buena
5 70 30 3 Mala
Fig. 3 Regadora de asfalto.
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Se observa de la tabla anterior que la mejor
condición de preparación de la emulsión para la
penetración se logra cuando se trabaja con proporciones
de crudo: agua de 40; 60 a 60; 40.
La instalación experimental también permitió
demostrar que las emulsiones pueden ser preparadas
con los propios órganos de riego empleados
en las regadoras de asfalto, con aplicación inmediata,
evitando así los problemas asociados con su
estabilidad. El equipo empleado para el riego de
las pinturas asfálticas se muestra en la figura 3.
El estudio de las emulsiones asfálticas ha
incluido además, determinación de las
características reológicas de las emulsiones
preparadas en diferentes condiciones, y sus
resultados serán informados en una próxima
publicación.
Los resultados obtenidos avalan la
posibilidad de introducción de cambios en el equipo
de riego para que puedan realizar tanto la
función de preparación de la emulsión como su
riego.
Conclusiones
Es posible lograr emulsiones del tipo (o/w -
directas) a nivel de laboratorio y de instalación de
banco, con el empleo del emulgente (P), resultando
la concentración mínima aceptable del 3 % con
respecto al agua. Para su utilización como pintura
asfáltica el contenido óptimo de petróleo crudo en
la emulsión oscila entre 40 y 60 %.
La preparación de la emulsión calentando sus
componentes hace que la misma se invierta (de
directa o/w a inversa w/o), cuando la temperatura
sobrepasa los 50 ºC, aunque en esta inversión se
encuentran presentes otros factores que pueden
modificarlo.
El envejecimiento de los productos empleados
en la preparación de la emulsión (crudo y
emulgente) puede influir fuertemente en sus características.
Las emulsiones preparadas con crudo cubano
y emulgente P, pueden ser empleadas como pinturas
asfálticas, que pueden ser preparadas y
aplicadas inmediatamente para riego de imprimación
y otros usos.
Agradecimientos
Los autores del trabajo quieren reconocer el
trabajo desarrollado por las ingenieras Maité Cruz
Aldana, Yanelis Cruz Rodríguez y Dania Téllez,
que en sus trabajos de diploma desarrollaron parte
de los resultados mostrados. Los autores agradecen
a la ECOI-24 y, en particular, a la Planta de
Asfalto del Contingente "José Maceo", en cuyas
instalaciones se realizaron trabajos experimentales.
También el agradecimiento y reconocimiento
a la ingeniera Melania Peillón por su activa participación
y cooperación con el trabajo.
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