Separación agua-aceite y flotación

Por qué las gotas finas de aceite escapan a la flotación convencional

La flotación convencional pierde las gotas de aceite más pequeñas porque estas siguen el flujo del agua alrededor de las burbujas en lugar de encontrarse con ellas. La flotación por aire disuelto (DAF) libera aire desde agua presurizada en forma de microburbujas, por lo general de 30 a 100 µm de diámetro. La DAF separa bien el aceite libre y los sólidos suspendidos más grandes, pero a menudo tiene dificultades con las gotas emulsionadas menores de 20 µm, que se desplazan por las líneas de corriente que rodean a una microburbuja en ascenso, de modo que la eficiencia de colisión es baja Shen et al., 2022.

Una nanoburbuja mide menos de 1 µm; las que se usan en la flotación de aguas oleosas miden por lo general 150–350 nm. A ese tamaño, la flotabilidad es débil y predomina el movimiento browniano, por lo que las nanoburbujas permanecen en suspensión en la columna de agua durante períodos prolongados. La revisión de Shen et al., 2022 vincula este comportamiento con una probabilidad de colisión mucho mayor con las gotas ultrafinas que la DAF no captura.

Cómo se adhieren las nanoburbujas a las gotas de aceite

Las nanoburbujas se adhieren al aceite porque este es hidrofóbico y, una vez adheridas, facilitan que se fijen burbujas más grandes.

• Nucleación en superficies hidrofóbicas. Las nanoburbujas se forman con preferencia sobre superficies hidrofóbicas, como las gotas de aceite, donde la barrera energética es menor. Una vez adheridas, forman un puente de gas entre gotas o actúan como colector secundario.
• Mayor ángulo de contacto. Las nanoburbujas adheridas aumentan el ángulo de contacto aparente de gotas y partículas y extienden la línea de contacto trifásica (gas, líquido, sólido). El agregado se vuelve más hidrofóbico, y luego las microburbujas portadoras, más grandes, se adhieren a él y lo elevan de forma más estable hasta la superficie.

Esta "siembra" permitió que las nanoburbujas convirtieran impurezas hidrofílicas o débilmente hidrofóbicas en agregados separables Oliveira et al., 2017; Shen et al., 2022.

Ruptura de emulsiones con dosis menores de reactivos

En los estudios, las nanoburbujas actuaron junto con los desemulsionantes y los polímeros, reduciendo las dosis necesarias en lugar de reemplazarlos. Las emulsiones estables de aceite en agua suelen requerir dosis altas de desemulsionantes químicos para vencer la repulsión electrostática entre gotas, que se mide como potencial zeta. Se reportaron tres efectos físicos.

• Flóculos aireados. Las nanoburbujas quedaron atrapadas dentro de las estructuras de aceite floculado, en lugar de solo adherirse por fuera. Redujeron la densidad del flóculo sin necesidad de un puenteo polimérico intenso y produjeron "flóculos aireados" con alta flotabilidad, resistentes al cizallamiento durante el ascenso Etchepare et al., 2017.
• Menor tensión superficial. Las nanoburbujas redujeron la tensión superficial del agua entre un 7 y un 20 % aproximadamente, según el gas. Esto favoreció la coalescencia de las gotas de aceite y la adsorción de tensioactivos o polímeros, de modo que dosis químicas menores lograron la separación de fases English, 2025.
• Potencial zeta. Las burbujas suelen tener carga negativa. Su gran superficie específica y su interacción con los iones del agua salina pueden modular el potencial zeta del sistema, lo que reduce la repulsión entre gotas y favorece su agregación Shen et al., 2022.

Resultados de remoción reportados

En cada uno de los estudios siguientes, agregar nanoburbujas a la flotación dio una remoción de aceite mayor que la de la comparación convencional, también en agua salina.

• Petróleo crudo emulsionado en agua salina. Con concentraciones iniciales de aceite de 334–484 mg/L, las micro y nanoburbujas en conjunto removieron más del 99 % del aceite y dejaron menos de 1 mg/L. Incluso con una presión de saturación menor, de 3,5 bar, el efluente cumplió la norma de descarga costa afuera de menos de 29 mg/L Etchepare et al., 2017.
• Hidrocarburos de petróleo en arena. En arena y fluidos contaminados con petróleo, las nanoburbujas con carga positiva removieron al menos el 94 % de los hidrocarburos totales de petróleo (HTP) con inyección intermitente, más que con inyección por lotes Bui et al., 2022.
• Flotación frente a un control con burbujeo. La remoción de aceite subió del 62 % con burbujeo de aire estándar al 98,5 % con flotación con nanoburbujas de aire y una dosis optimizada de polímero de 0,2 % en peso, y el proceso con nanoburbujas alcanzó su resultado aproximadamente un 20 % más rápido English, 2025.
• Aceites y grasas en efluente municipal. Las nanoburbujas de oxígeno redujeron los aceites y grasas del efluente secundario en un 33 %, de 9 a 6 mg/L, mientras que las burbujas de aire no mostraron un efecto significativo en el mismo período Ahmed et al., 2023.