Dispersante de petróleo

En 1967, el superpetrolero Torrey Canyon derramó petróleo en la costa inglesa. ^{[ 5 ]} Se utilizaron principalmente surfactantes de alquilfenol para disolver el petróleo, pero resultaron muy tóxicos en el medio marino; muchas especies de vida marina murieron. Esto llevó a una reformulación de los dispersantes para que fueran más respetuosos con el medio ambiente. Después del derrame del Torrey Canyon , se desarrollaron nuevos sistemas de rociado desde embarcaciones. ^{[ 5 ]} Las reformulaciones posteriores permitieron contener más dispersante (a una concentración más alta) para aerosolizarlo .

Alaska disponía de menos de 4000 galones de dispersantes en el momento del derrame de petróleo del Exxon Valdez , y no contaba con aeronaves para su distribución. Los dispersantes introducidos resultaron relativamente ineficaces debido a la escasa acción de las olas para mezclar el petróleo y el agua, por lo que su uso se abandonó poco después. ^{[ 6 ]}

Un informe de David Kirby para TakePart encontró que el componente principal de la formulación Corexit 9527 utilizada durante la limpieza del Exxon Valdez, el 2-butoxietanol , fue identificado como "uno de los agentes que causaron trastornos hepáticos , renales, pulmonares, del sistema nervioso y sanguíneos entre los equipos de limpieza en Alaska después del derrame del Exxon Valdez en 1989 ". ^{[ 7 ]}

Se aplicaron dispersantes a varios derrames de petróleo entre los años 1967 y 1989. ^{[ 8 ]}

Durante el derrame de petróleo de Deepwater Horizon, se utilizaron aproximadamente 1,84 millones de galones de Corexit en un intento de aumentar la cantidad de petróleo en la superficie y mitigar el daño al hábitat costero. BP compró todo el suministro mundial de Corexit poco después de que comenzara el derrame. ^{[ 10 ]} Casi la mitad (771 000 galones) de los dispersantes se aplicaron directamente en la cabeza del pozo . ^{[ 11 ]} Los principales dispersantes utilizados fueron Corexit 9527 y 9500 , que fueron controvertidos debido a su toxicidad .

En 2012, un estudio reveló que Corexit hacía que el petróleo fuera hasta 52 veces más tóxico que el petróleo solo, ^{[ 12 ]} y que el efecto emulsionante del dispersante aumenta la biodisponibilidad de las gotas de petróleo para el plancton . ^{[ 13 ]} El Instituto Tecnológico de Georgia descubrió que "Mezclar petróleo con dispersante aumentó la toxicidad para los ecosistemas " y empeoró el derrame de petróleo en el Golfo. ^{[ 14 ]}

En 2013, en respuesta al creciente volumen de datos de toxicidad derivados de laboratorio, algunos investigadores abordaron el escrutinio que debería aplicarse al evaluar los resultados de pruebas de laboratorio extrapolados mediante procedimientos que no son totalmente fiables para las evaluaciones ambientales. ^{[ 15 ] [ 16 ]} Desde entonces, se han publicado directrices que mejoran la comparabilidad y la relevancia de las pruebas de toxicidad del petróleo. ^{[ 17 ]}

Maritime New Zealand utilizó el dispersante de petróleo Corexit 9500 para ayudar en el proceso de limpieza. ^{[ 18 ]} El dispersante se aplicó solo durante una semana, luego de que los resultados resultaran inconclusos. ^{[ 19 ]}

Los tensioactivos reducen la tensión interfacial aceite-agua , lo que ayuda a que las olas rompan el aceite en pequeñas gotitas. Una mezcla de aceite y agua es normalmente inestable, pero puede estabilizarse con la adición de tensioactivos; estos tensioactivos pueden prevenir la coalescencia de las gotitas de aceite dispersas. La eficacia del dispersante depende de la meteorización del aceite, la energía del mar (olas), la salinidad del agua, la temperatura y el tipo de aceite. ^{[ 20 ]} Es improbable que se produzca la dispersión si el aceite se extiende en una capa delgada, porque el dispersante requiere un espesor particular para funcionar; de lo contrario, el dispersante interactuará tanto con el agua como con el aceite. Puede ser necesario más dispersante si la energía del mar es baja. La salinidad del agua es más importante para los dispersantes de tensioactivos iónicos, ya que la sal apantalla las interacciones electrostáticas entre las moléculas. La viscosidad del aceite es otro factor importante; la viscosidad puede retardar la migración del dispersante a la interfaz aceite-agua y también aumentar la energía necesaria para cortar una gota de la mancha. Las viscosidades inferiores a 2000 centipoises son óptimas para los dispersantes. Si la viscosidad supera los 10 000 centipoises, no es posible la dispersión. ^{[ 21 ]}

Existen cinco requisitos para que los surfactantes dispersen el aceite con éxito: ^{[ 5 ]}

• El dispersante debe estar en la superficie del aceite en la concentración adecuada.
• El dispersante debe penetrar (mezclarse con) el aceite.
• Las moléculas de surfactante deben orientarse en la interfaz aceite-agua (hidrofóbicas en aceite e hidrofílicas en agua).
• Es necesario reducir la tensión interfacial entre el aceite y el agua (para que el aceite pueda disolverse).
• Se debe aplicar energía a la mezcla (por ejemplo, mediante ondas).

La efectividad de un dispersante puede analizarse con las siguientes ecuaciones. ^{[ 22 ]} El Área se refiere al área bajo la curva de absorbancia/longitud de onda, que se determina mediante la regla trapezoidal. Las absorbancias se miden a 340, 370 y 400  nm.

Área = 30(Abs ₃₄₀ + Abs ₃₇₀ )/2 + 30(Abs ₃₄₀ + Abs ₄₀₀ )/2 (1)

La efectividad del dispersante se puede calcular utilizando la siguiente ecuación.

Eficacia (%) = Aceite total disperso x 100/(ρ _aceite V _aceite )

• ρ _aceite = densidad del aceite de prueba (g/L)
• V _aceite = volumen de aceite añadido al matraz de ensayo (L)
• Aceite total disperso = masa de aceite x 120 ml / 30 ml
• Masa de aceite = concentración de aceite x V _DCM
• V _DCM = volumen final del extracto de DCM de la muestra de agua (0,020 L)
• Concentración de aceite = área determinada por la ecuación (1) / pendiente de la curva de calibración

El desarrollo de modelos bien construidos (que consideren variables como el tipo de petróleo, la salinidad y el surfactante) es necesario para seleccionar el dispersante adecuado en una situación dada. Existen dos modelos que integran el uso de dispersantes: el modelo de Mackay y el modelo de Johansen. ^{[ 23 ]} Hay varios parámetros que deben considerarse al crear un modelo de dispersión, incluyendo el espesor de la mancha de petróleo, la advección , el resurgido y la acción de las olas. ^{[ 23 ]} Un problema general en el modelado de dispersantes es que modifican varios de estos parámetros; los surfactantes reducen el espesor de la película, aumentan la cantidad de difusión en la columna de agua y aumentan la cantidad de ruptura causada por la acción de las olas. Esto hace que el comportamiento de la mancha de petróleo esté más dominado por la difusión vertical que por la advección horizontal. ^{[ 23 ]}

Una ecuación para modelar derrames de petróleo es: ^{[ 24 ]}

${\displaystyle {\frac {\partial h}{\partial t}}+{\vec {\nabla }}\left(h\left({\vec {U}}+{\frac {\vec {\tau }}{f}}\right)\right)-{\vec {\nabla }}(E{\vec {\nabla }}h)=R}$

dónde

• h es el espesor de la mancha de petróleo
• ${\displaystyle {\vec {U}}}$es la velocidad de las corrientes oceánicas en la capa de mezcla de la columna de agua (donde se mezclan el petróleo y el agua)
• ${\displaystyle {\vec {\tau }}}$es la tensión cortante impulsada por el viento
• f es el coeficiente de fricción aceite-agua
• E es la diferencia relativa de densidades entre el aceite y el agua.
• R es la tasa de propagación del derrame.

El modelo de Mackay predice una tasa de dispersión creciente a medida que la mancha se vuelve más delgada en una dimensión. El modelo predice que las manchas delgadas se dispersarán más rápido que las manchas gruesas por varias razones. Las manchas delgadas son menos efectivas para amortiguar las olas y otras fuentes de turbidez. Además, se espera que las gotas formadas durante la dispersión sean más pequeñas en una mancha delgada y, por lo tanto, más fáciles de dispersar en el agua. El modelo también incluye: ^{[ 23 ]}

• Una expresión para el diámetro de la gota de aceite.
• Dependencia de la temperatura en el movimiento del petróleo
• Una expresión para el resurgimiento del petróleo
• Calibraciones basadas en datos de derrames experimentales.

El modelo presenta varias deficiencias: no tiene en cuenta la evaporación, la topografía del fondo oceánico ni la geografía de la zona de derrame. ^{[ 23 ]}

El modelo de Johansen es más complejo que el modelo de Mackay. Considera que las partículas se encuentran en uno de tres estados: en la superficie, arrastradas en la columna de agua o evaporadas. El modelo empírico utiliza variables probabilísticas para determinar dónde se moverá el dispersante y adónde irá después de romper las manchas de petróleo. La deriva de cada partícula está determinada por el estado de esa partícula; esto significa que una partícula en estado de vapor viajará mucho más lejos que una partícula en la superficie (o bajo la superficie) del océano. ^{[ 23 ]} Este modelo mejora el modelo de Mackay en varias áreas clave, incluyendo términos para: ^{[ 23 ]}

• Probabilidad de arrastre: depende del viento.
• Probabilidad de reaparecer en la superficie: depende de la densidad, el tamaño de las gotas, el tiempo de inmersión y el viento.
• Probabilidad de evaporación – comparada con datos empíricos

Johansen modela los dispersantes de petróleo utilizando un conjunto diferente de parámetros de arrastre y reaparición para el petróleo tratado y el no tratado. Esto permite modelar de forma distinta las áreas de la mancha de petróleo, para comprender mejor cómo se extiende el petróleo sobre la superficie del agua.

El comportamiento de los surfactantes depende en gran medida del valor del equilibrio hidrófilo-lipófilo (HLB). El HLB es una escala de codificación de 0 a 20 para surfactantes no iónicos , y tiene en cuenta la estructura química de la molécula del surfactante. Un valor de cero corresponde al surfactante más lipofílico y un valor de 20 al más hidrófilo. ^{[ 5 ]} En general, los compuestos con un HLB entre uno y cuatro no se mezclan con agua. Los compuestos con un valor de HLB superior a 13 forman una solución transparente en agua. ^{[ 25 ]} Los dispersantes de aceite suelen tener valores de HLB entre 8 y 18. ^{[ 25 ]}