Publicación Cuatrimestral. Vol. 8, No 2, Mayo/Agosto, 2023, Ecuador (p. 49-67) 49
Publicación Cuatrimestral. Vol. 8, No 2, Mayo/Agosto, 2023, Ecuador (p. 49-67). Edición continua
https://revistas.utm.edu.ec/index.php/Basedelaciencia/index
revista.bdlaciencia@utm.edu.ec
Universidad Técnica de Manabí
DOI: https://doi.org/10.33936/revbasdelaciencia.v8i2.5851
INCRUSTACIONES EN LOS SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA
POTABLE. FORMACIÓN Y MÉTODOS DE INHIBICCIÓN
Jesús Miguel Contreras-Ramírez
1*
, Jesús Javier Nieves-Rivas
2
1
Universidad de Los Andes, Mérida-Venezuela. Facultad de Ciencias. Departamento de Química E-mail.
jecoraster@gmail.com.
2
Grupo J&P, C.A, El Tigre, Anzoátegui, Venezuela. Email. Serviproyecnr@gmail.com
*Autor para correspondencia: jecoraster@gmail.com
Recibido: 7-6-2023 / Aceptado: 16-8-2023 / Publicación: 31-8-2023
Editor Académico: Jean Carlos Pérez Parra
RESUMEN
La cal u otras sales se encuentran en su forma disuelta en casi todas las aguas. En el lenguaje común, los carbonatos de
calcio y de magnesio le confieren dureza al agua. Técnicamente hablando, dependiendo de la temperatura del agua, los
minerales/sales disueltas comienzan a precipitar, formando incrustaciones en las superficies. La incrustación puede ser
causada por muchas sales diferentes, pero una de las sales que forman escamas más comunes es el carbonato de calcio.
La incrustación causa muchos problemas, tales como taponamiento del equipo, transferencia de calor limitada y caudales
reducidos en muchos procesos industriales que utilizan grandes cantidades de agua. La inhibición de la incrustación se
puede conseguir con aditivos químicos a los que se suele denominar inhibidores de incrustaciones. Los compuestos
antiincrustacion más comunes son inhibidores a base de fosfato, fosfonato y policarboxilato. En este artículo de revisión
se resumió el concepto de incrustaciones, varios inhibidores de incrustaciones, mecanismos, rendimiento comparativo,
conceptos que podrían ser de útilidad para los profesionales que trabajan en la industria petrolera e industrias del gas.
Palabras clave: incrustación, inhibición, polifosfatos, fosfonatos, policarboxilato.
SCALE IN DRINKING WATER SUPPLY SYSTEMS. TRAINING AND
INHIBITION METHODS
ABSTRACT
Lime or other salts are found in their dissolved form in almost all waters. In common parlance, calcium and magnesium
carbonates make water hard. Technically speaking, depending on the water temperature, the dissolved minerals/salts start
to precipitate, forming scale on the surfaces. Scale can be caused by many different salts, but one of the most common
scaling salts is calcium carbonate. Scale causes many problems, such as equipment plugging, limited heat transfer, and
Jesús Miguel Contreras-Ramírez, Jesús Javier Nieves-Rivas
50
reduced flow rates in many industrial processes that use large amounts of water. Scale inhibition can be achieved with
chemical additives often referred to as scale inhibitors. The most common antifouling compounds are phosphate,
phosphonate and polycarboxylate based inhibitors. This review article summarized the concept of scale, various scale
inhibitors, mechanisms, comparative performance, concepts that might be of use to professionals working in the oil and
gas industries.
Keywords: scale, inhibition, polyphosphates, phosphonates, polycarboxylate.
INCRUSTAÇÕES EM SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA POTÁVEL. COMO
SE FORMA E MÉTODOS DE INIBIÇÃO
RESUMO
A cal ou outros sais são encontrados na sua forma dissolvida em quase toda as águas. Na linguagem comum, os carbonatos
de cálcio e magnésio tornam a água dura. Tecnicamente falando, dependendo da temperatura da água, os minerais/sais
dissolvidos começam a precipitar, formando incrustações nas superfícies. A incrustação pode ser causada por muitos sais
diferentes, mas um dos sais de incrustação mais comuns é o carbonato de cálcio. A incrustação causa muitos problemas,
como entupimento de equipamentos, transferência limitada de calor e taxas de fluxo reduzidas em muitos processos
industriais que utilizam grandes quantidades de água. A inibição de incrustações pode ser alcançada com aditivos
químicos frequentemente chamados de inibidores de incrustações. Os compostos anti-incrustantes mais comuns são os
inibidores à base de fosfato, fosfonato e policarboxilato. Este artigo de revisão resumiu o conceito de incrustações, vários
inibidores de incrustações, mecanismos, desempenho comparativo, conceitos que podem ser úteis para profissionais que
trabalham nas indústrias de petróleo e gás.
Palavras-chave: incrustação, inibição, polifosfatos, fosfonatos, policarboxilato.
Citación sugerida: Contreras, J., Nieves, J. (2023). INCRUSTACIONES EN LOS SISTEMAS DE
ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE. FORMACIÓN Y MÉTODOS DE INHIBICCIÓN. Revista Bases de
la Ciencia, 8(2), 49-67. DOI: https://doi.org/10.33936/revbasdelaciencia.v8i2.5851
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1. INTRODUCCIÓN
Los componentes que se encuentran en las aguas naturales son muy variables porque van a depender
del medio y de la zona geográfica donde provenga la fuente (Canales, 2015). El inconveniente que se
presenta desde el punto de vista del tratamiento de agua es que algunos de los componentes presentes
en estas son impurezas que causan serios problemas durante el uso final o disposición final del agua
(domestica, potable, industrial, reinyección, etc.); generando incrustaciones u óxidos en los sistemas
por donde esta fluye. Al referirse al término “incrustación” es importante recordar que las aguas que
contienen un alto nivel de minerales son conocidas como aguas duras. Con excepción del sodio y del
potasio, todos los cationes, y particularmente el calcio (Ca) y el magnesio (Mg), le proporcionan
dureza, pero generalmente su presencia es tan pequeña que siempre son ignoradas. Bajo condiciones
de altas temperaturas y altos pH, las sales de Ca y Mg son insolubles, motivo por el que sobre la
superficie expuesta en equipos de intercambio de calor son formados depósitos minerales, los cuales
ocasionan resistencia a la transferencia de calor y obstrucción del diámetro interno de tuberías por
donde fluye el líquido caliente, por tanto, dichos depósitos deben ser eliminadas. Estos depósitos
minerales son conocidos como incrustaciones calcáreas (Crabtree et al., 1999).
Normalmente se tiende a asociar las incrustaciones calcáreas únicamente con el calcio presente en el
agua y generalmente todas las incrustaciones están constituidas por sales tanto de Ca como de Mg,
dos metales que en sí mismo son saludables para el cuerpo humano; sin embargo, lo que es
beneficioso para el organismo, se transforma rápidamente en un problema de incrustaciones debido
a los depósitos calcáreos que se sedimentan en las tuberías de aguas potables y en las máquinas y en
las superficies de la casa (Purewater, 2019) (Figura 1).
Figura 1. Depósito calcáreo en una tubería de agua potable. (Fuente: Wikipedia).
Jesús Miguel Contreras-Ramírez, Jesús Javier Nieves-Rivas
52
1. Formación de las incrustaciones: los iones que intervienen en la formación de las incrustaciones
calcáreas son el calcio y el magnesio, así como el ion bicarbonato, los cuales presentan un equilibrio
químico, que en determinadas condiciones puede conducir a la formación de un precipitado, que en
el caso del calcio es carbonato cálcico mientras que en el caso del magnesio es el hidróxido de
magnesio (Iteli, 2019; Pure water, 2019):
Ca
2+
(ac) + 2HCO
3
-
(ac) CaCO
3
(s) + CO
2
(g) + H
2
O (l)
Mg
2+
(ac) +2HCO
3
-
(ac) Mg(OH)
2
(s) + 2CO
2
(g)
Una vez que el agua dura comienza a circular por un tubo (como los de un radiador de vehículo, los
tubos de producción o transporte de petróleo) o sobre alguna superficie (como las paredes de la
ducha), ocurre la perdida de CO
2
con la consiguiente sobresaturación en carbonatos, el exceso de
CaCO
3
y de Mg(OH)
2
puede precipitar. La precipitación ocurre en forma de pequeños aglomerados
fangosos o depositarse en capas duras estratificadas sobre las superficies de las tuberías o paredes,
produciendo la incrustación (CIDTA, 2019).
La formación de una incrustación inorgánica puede ocurrir en cualquier punto de un sistema de
producción (ej. formación productora, aparejo de producción, líneas de transporte o tuberías) cuando
ciertas especies químicas en solución alcanzan su límite de saturación, debido a la alteración en su
estado termodinámico o equilibrio químico, ante cambios de presión, temperatura o mezclado de dos
aguas incompatibles. Por lo general, un incremento de la temperatura provoca el aumento de la
solubilidad de un mineral en el agua: más iones se disuelven a temperaturas más elevadas. En forma
similar al descender la presión, la solubilidad tiende a disminuir (Crabtree et al., 1999). Sin embargo,
el carbonato de calcio presenta la tendencia inversa, es decir que la solubilidad en agua aumenta
cuando las temperaturas disminuyen. Las incrustaciones suelen formarse especialmente en lugares
con altas temperaturas, tales como calefactores, calderas y radiadores; la formación de estos cristales
es proporcional al incremento de temperatura (Medina & Zea, 2008).
2. Problemas frecuentes generados por las incrustaciones: las incrustaciones pueden provocar
problemas técnicos, tales como:
• Obstrucción de tuberías (Chaussemier et al., 2015).
• Disminución de la calidad del agua (Chen & Chen, 2022).
• Perdida de presión del agua por la reducción del diámetro interno de la tubería
(Fqechemicals, 2018).
• Desarrollo de bacterias sobre las incrustaciones, sobre todo en las aguas potables (De
Sousa et al., 2010).
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• Incremento de presión hasta llegar a posibles explosiones en calderas de vapor y
calentadores (Doelman, 2014).
• Gastos elevados por mantenimiento (Chemtech International, 2022).
• Reducción de la productividad de algún proceso (Castro & Gamez, 2009).
En el caso de la industria petrolera, las incrustaciones de pozos en producción y los equipos de
superficie constituyen uno de los principales problemas para las operaciones industriales. Los
resultados de depósitos de incrustaciones son: diferimiento de la producción, problemas con la
inyección de agua, disminución de la transferencia de calor, restricciones del flujo (incremento de
presión), corrosión por celdas de concentración, trabajos de reacondicionamiento de pozos debido a
reducción en la producción, reparación y mantenimiento de los equipos de superficie, consumo de
aditivos químicos para la limpieza de los equipos incrustados (León et al., 2014).
3. Métodos utilizados para la remoción e inhibición de las incrustaciones: Crabtree et al., (1.999)
en su trabajo sobre “La lucha contra las incrustaciones”, hace un enfoque particular hacia el sector
petrolero, del cual documenta que en las incrustaciones minerales que se producen en los campos
petroleros, el agua juega un papel fundamental, dado que el problema se presenta sólo cuando existe
producción de agua. Crabtree et al., (1999) también comenta en su trabajo sobre las alternativas de
eliminación de las incrustaciones usadas hasta el momento, entre las cuales se tiene las técnicas
químicas: que es por lo general el primer sistema que se utiliza y el más económico, en especial
cuando las incrustaciones no son de fácil acceso o se encuentran en lugares donde los métodos
mecánicos de limpieza convencionales resultan poco efectivos o es muy costoso transportarlos. Por
otra parte, se tienen los métodos mecánicos convenciones; sin embargo, la mayor parte de los métodos
mecánicos presentan un rango limitado de aplicabilidad, de manera tal que la selección del método
correcto dependerá del pozo y del tipo de incrustación. La vida útil del tratamiento depende
fundamentalmente de la química de la superficie, la temperatura y el pH del líquido que se encuentra
en contacto con la formación, y es inusualmente corta (de 3 a 6 meses), debido a que la absorción de
las rocas de formación es limitada bajo las condiciones del yacimiento. En la Figura 2 se observan
los mecanismos de absorción del inhibidor de incrustación en el sistema (yacimiento).
Jesús Miguel Contreras-Ramírez, Jesús Javier Nieves-Rivas
54
Figura 2. Absorción y precipitación del inhibidor de incrustación en un medio de areniscas en el
pozo. (Fuente: Crabtree et al., 1999).
Existen cuatro métodos químicos de control de incrustaciones comúnmente utilizados:
3.1. Acidificación: la adición de ácidos destruye los iones de carbonato, removiendo uno de los
reactivos necesarios que permiten la precipitación de carbonato de calcio. La acidificación es muy
efectiva para prevenir la precipitación de carbonato de calcio, pero muy ineficaz para prevenir otros
tipos de incrustaciones. La principal desventaja de trabajar con tratamientos de remoción química
basada en ácidos o álcalis es la aparición temprana de corrosión en las tuberías, por lo cual después
de realizar este tipo de tratamientos es necesario inyectar inhibidores de corrosión (Cabrera & Losada,
2010).
3.2. Ablandamiento por intercambio iónico: este método utiliza el sodio que es intercambiado por
iones de magnesio y calcio, concentrados en el agua de alimentación del sistema de Ósmosis Inversa,
siguiendo las ecuaciones químicas:
Ca
2+
+ 2NaZ 2Na
+
+ CaZ
2
Mg
2+
+ 2NaZ 2Na
+
+ MgZ
2
(NaZ representa la resina de intercambio de sodio).
Cuando todos los iones de sodio han sido reemplazados por calcio y magnesio, la resina debe ser
regenerada con una solución salina. El ablandamiento por intercambio iónico elimina la necesidad de
alimentación continua de ácido y/o inhibidores de incrustación (Dardel, 2021).
3.3. Aplicación de agentes quelantes: La quelación es el proceso por el cual un compuesto químico
forma complejos solubles con iones metálicos. Los agentes quelantes, también conocidos como
antagonistas o secuestradores de metales pesados, son sustancias que promueven formación de
enlaces múltiples con un único ion metálico para formar un complejo (Flora et al., 2015). Cuando el
agente quelante se une con un metal se forma un compuesto, el cual se conoce como quelato. Este
Publicación Cuatrimestral. Vol. 8, No 2, Mayo/Agosto, 2023, Ecuador (p. 49-67) 55
quelato tiene una mayor solubilidad en agua y mayor estabilidad en comparación con el metal libre,
gracias a lo cual se puede eliminar de la fórmula con más facilidad (Bonvin et al., 2017). Las
estructuras usadas comúnmente en la industria petrolera son mostradas en la Figura 3.
Figura 3. Estructura de los agentes quelantes. (Fuente: Canul et al., 2015).
3.4. Adición de inhibidores de incrustación: los inhibidores de incrustaciones son productos
químicos especiales que se agregan en cantidades mínimas (20-200 ppm) a los sistemas de
abastecimiento de agua para retrasar, reducir y/o prevenir la deposición de incrustaciones (Keland,
2014; Bai & Bai, 2019). El proceso de inhibición química involucra la adsorción preferencial de las
moléculas del inhibidor en los lugares de crecimiento de la incrustación. En consecuencia, el cristal
dejará de desarrollarse cuando las moléculas del inhibidor hayan ocupado todas estas zonas activas.
Los inhibidores actúan controlando la deposición de la incrustación mediante la interacción química
con los sitios de nucleación de cristales y reducen de manera sustancial las tasas de desarrollo de
estos, alterando sus superficies, (inhibidores de iniciación). También actúan secuestrando los iones
que precipitan y forman la incrustación (Cabrera & Losada, 2010; Gonzáles, 2012).
Un inhibidor de incrustaciones debe satisfacer varias condiciones para tener una utilidad prolongada,
entre ellas (Gonzáles, 2012):
Ácido
etilendiamintetracético
(EDTA)
Ácido
hidroxietiletilenendiamintriacético
(HEDTA)
Ácido
hidroxietiliiminodiacético
(HEIDA)
Ácido
dietiletilentriaminopentaacético
(DTPA)
Ácido
nitrilotriacético
(NTA)
Ácido
citríco
Jesús Miguel Contreras-Ramírez, Jesús Javier Nieves-Rivas
56
• Ser compatible (no formar productos de reacción con otros químicos del sistema
lo que conduce a su inactivación).
• Ser estable térmicamente (en especial a las condiciones de fondo de pozo) e
hidrolítica para plazos largos.
• Bacteriológicamente no sensible.
• Modificar el tamaño de los cristales (formar tendencia a dispersarse).
• Retrasar o bloquear los procesos de precipitación de escala a una baja
concentración.
• No debe promover emulsiones.
• En los fluidos de retorno debe ser monitoreable.
Por otra parte, atentan contra la eficiencia máxima del inhibidor (Gonzáles, 2012):
• La salinidad y pH del agua que entra en contacto con el inhibidor.
• La composición química del agua, el contenido de magnesio del agua y hierro
disuelto deben ser bajos.
• La presencia y el tipo de sólidos en suspensión (el inhibidor, todavía no es
"inteligente" y actúa en todo insoluble que viaje en el medio).
• La temperatura del sistema.
3.4.1- Tipos de inhibidores de incrustaciones: Los inhibidores de incrustaciones pueden clasificarse
como orgánicos e inorgánicos. Los inorgánicos incluyen fosfato condensado, como poli(metafosfato)
o sales de fosfato (Figura 4).
Figura 4. Inhibidores de incrustación inorgánicos. (Fuente: Nieves, 2016).
Estos compuestos sufren hidrólisis y pueden precipitar como fosfatos de calcio debido a la
temperatura, pH, calidad de la solución, concentración, tipo de fosfato y la presencia de algunas
enzimas (Fink, 2015). El fósforo es uno de los elementos responsables de la eutrofización del agua,
por tanto, la creciente conciencia social y preocupación por el medio ambiente, y por el estado de las
P OO
O
O
P O
O
O
P O
O
O
Na
Na
Na Na Na
n
P OO
O
O
P O
O
O
P O
O
O
Na
Na
Na Na Na
P OO
O
O
P O
O
O
Na
Na
Na Na
O
P
O
P
O
P
O O
O
O
O
O
Na
Na
Na
Polifosfato de sodio
Trifosfato de sodio Trimetafosfato de sodio
Pirofosfato de sodio
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aguas naturales han sido la principal fuerza impulsora para buscar aditivos antiincrustantes distintos
de los fosfatos (Zahran et. Al, 2016).
Por otra parte, los inhibidores de incrustaciones orgánicos son:
-Fosfonatos orgánicos: son compuestos orgánicos organofosforados que pueden considerarse
formalmente como las sales o los ésteres del ácido fosforoso (H
3
PO
3
), son ampliamente usados para
inhibir incrustaciones de CaCO
3
(Rojas, 2013; Baraka-Lokmane & Sorbie, 2015). Los fosfonatos son
agentes quelantes efectivos que se unen fuertemente a iones metálicos divalentes y trivalentes,
evitando que formen precipitados insolubles. Cuando se aplican a los sistemas de agua, los fosfonatos
ayudan a reducir la acumulación de incrustaciones en los equipos y las tuberías, reducen los efectos
corrosivos del oxígeno en las superficies de acero inoxidable y previenen las averías de las tuberías
y los equipos debido a la oxidación o la incrustación (Ritasa, 2016). Sin embargo, la mayoría de estos
compuestos presentan varios inconvenientes, como baja biodegradabilidad e intolerancia con el
sistema de producción. A medida que las regulaciones ambientales se vuelven más rígidas, los nuevos
productos químicos de producción deben cumplir con ciertos criterios para calificar para su uso en la
industria del petróleo y el gas, particularmente en áreas con regulaciones estrictas (Mady & Ortega,
2022). Las estructuras de los más usados en la industria petrolera son mostradas en la Figura 5.
Figura 5. Estructuras de los fosfonatos orgánicos más usados con inhibidores de
incrustación en la industria petrolera. (Fuente: propia).
-Polielectrolitos: el efecto de los polielectrolitos en el tratamiento químico industrial para
formulaciones de detergentes, floculantes o dispersantes de arcillas para cerámicas o pasta dental
respectivamente y como inhibidores de incrustación en sistemas de aguas de alta dureza, es conocido
desde hace más de 50 años (Nieves, 2016). Los polielectrolitos son polímeros con grupos ionizables.
En disolventes polares, como el agua, estos grupos se ionizan por:
ácido aminotris(metilenfosfónico)
ATMP
Ácido 1-hidroxietilideno-1,1-difosfónico
HEDP
Ácido etilendiamino tetra(metilenfosfónico)
EDTMP
Ácido dietilentriamino penta(metilenfosfónico)
DTPMP
Jesús Miguel Contreras-Ramírez, Jesús Javier Nieves-Rivas
58
• Disociación (p. ej., carboxilo: -COOH COO
-
+ H
+
)
• Asociación de protones (p. ej., amina: -NH
2
+ H
+
NH
3
+
)
En cualquiera de estos dos procesos, también son producidos contraiones en la solución circundante,
lo cual asegura la neutralidad del producto final (Livney, 2014; Alkahtani et al., 2020). La
característica más importante de este tipo de macromoléculas es su solubilidad en agua, aun cuando
algunos de ellos tengan en su esqueleto grupos hidrófobos (Dautzenberg et al., 1994).
Los polielectrolitos tienen muchas aplicaciones en campos, tales como en el tratamiento de agua como
agentes de floculación, en lodos cerámicos como agentes dispersantes y en mezclas de hormigón
como superplastificantes. Además, muchos champús, jabones y cosméticos contienen
polielectrolitos. Ciertos polielectrolitos también se agregan a los productos alimenticios, por ejemplo,
como recubrimientos de alimentos y agentes de liberación (Budd, 2019). Los ejemplos de
polielectrolitos incluyen policationes (o polibases), como quitosano (Muzzarelli & Muzzarelli, 2005;
Makhlof et al., 2011); polilisina (Shih et al., 2006; Hiraki et al., 2003); polianfolitos, es decir,
polímeros que llevan cargas tanto positivas como negativas, como la mayoría de las proteínas
(Dobrynin et al., 2004); y polianiones (o poliácidos), como el ADN, policarboxilatos (Dobrynin, &
Rubinstein, 2005).
En el caso de los policarboxilatos, estos son polímeros lineales que como su nombre lo indica
contienen grupos carboxilato, y en sus aplicaciones son usados como la sal sódica de los mismos, lo
que los hace solubles en agua (Xu et al., 2015). La estructura macromolecular lineal simple de estos
materiales, en la cual solamente los grupos carboxílicos son considerados como característicos, en
general, se muestra en la Figura 6.
Figura 6. Estructura general de la unidad monomérica de los policarboxilatos. (Fuente: elaboración
propia).
Siendo la estructura más sencilla, aquella en la que los sustituyentes X, Y y Z son hidrógenos, dando
lugar al ácido poliacrílico (APA, Figura 7), en el cual el monómero correspondiente es el ácido
acrílico (Zahran et al., 2016).
C OOH
X
Y
Z
[
]
m
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Figura 7. Estructura de la unidad monomérica del ácido poliacrílico. (Fuente: elaboración
propia).
El ácido acrílico y sus ésteres son monómeros que se utilizan como unidades estructurales para un
gran número de polímeros. Son líquidos inflamables y volátiles, reactivos, basados en una estructura
de carboxilo alfa, beta-insaturada. La incorporación de proporciones variables de monómeros de
acrilato permite la producción de muchas formulaciones de látex y de copolímeros en solución, resina
de copolímero y polímeros reticulados. Sus propiedades en desempeño, que imparten diversos grados
de pegajosidad, durabilidad, dureza y temperaturas de transición vítrea, promueven el consumo en
muchas aplicaciones de uso final. Los principales mercados para los ésteres incluyen recubrimientos
superficiales, textiles, adhesivos y plásticos. El APA o los copolímeros encuentran aplicaciones en
detergentes, dispersantes, floculantes y espesantes y polímeros superabsorbentes, siendo estos
últimos utilizados principalmente en pañales y toallas sanitarias desechables (Elbendar et al., 2019;
Todo en Polímeros, 2019; S & P Global Commodity Insights, 2020).
La introducción de otras unidades monoméricas dentro de la cadena polimérica del APA, da lugar a
copolímeros con diferentes densidades de carga en la cadena macromolecular. De este modo, un
copolímero de menor densidad de carga es obtenido por copolimerización con etileno, dando lugar a
la estructura mostrada en la Figura 8.
Figura 8. Estructura de las unidades comonoméricas del poli(etileno-co-ácido acrílico).
(Fuente: elaboración propia).
Los copolímeros de etileno-ácido acrílico (EAA) se producen haciendo reaccionar etileno con ácido
acrílico (Rnzi, Frhlich, & Mecking, 2010). Los segmentos de etileno proporcionan propiedades
tales como resistencia al agua, flexibilidad, resistencia química y flexibilidad. La presencia de ácido
acrílico aporta polaridad, adhesión, tenacidad, resistencia a la adherencia en caliente y permite el
C OOH
[
]
m
Jesús Miguel Contreras-Ramírez, Jesús Javier Nieves-Rivas
60
termosellado a baja temperatura. El aumento del contenido de ácido acrílico aumenta la adhesión a
los sustratos polares, reduce las temperaturas de reblandecimiento y fusión, mejora la claridad y
aumenta la resistencia. Los copolímeros de etileno-ácido acrílico se utilizan mucho en envases
flexibles, como tubos laminados, bolsas y sobres de condimentos, envases asépticos, envases de carne
y queso, así como recubrimientos metálicos protectores, alambre y cable y recubrimiento en polvo.
El copolímero de ácido acrílico también ha encontrado uso en dispersiones acuosas, adhesivos de
vidrio y formulaciones de tinta y pintura (Entec Polymers, 2023).
Por otra parte, la copolimerización con ácido maleico provoca un aumento en la densidad de carga
del homopolímero de acrilato, obteniéndose los polímeros de poli(ácido acrílico-co-ácido maleico)
con la estructura química que se presenta en la Figura 9:
Figura 9. Estructura de las unidades comonoméricas del poli(ácido acrílico-co-ácido
maleico). (Fuente: elaboración propia).
El copolímero de ácido maleico y ácido acrílico es uno polielectrolito de baja masa molar. Se prepara
por copolimerización de ácido maleico y ácido acrílico (en una determinada proporción) (Liang et
al., 2020). El copolímero de ácido acrílico y ácido maleico (AA-AM) tiene un excelente rendimiento
dispersante de sales, como carbonatos y fosfatos. Cuando se usa con otros agentes de tratamiento de
agua, este copolímero proporciona una excelente resistencia a la formación de incrustaciones
(incluidos los fosfatos). Además, se usa como dispersante quelante en la industria de estampado y
teñido de textiles (irowater, 2002).
También es posible la obtención de copolímeros del ácido acrílico y ácido itacónico, los cuales poseen
estructuras ramificadas en la cadena polimérica con desplazamiento de los grupos carboxílico al
extremo de la ramificación (Huang et al., 2002; Carrillo-Rodríguez et al., 2016; Tamareselvy et al.,
2020; Olvera, 2021). En la Figura 10 se muestra las unidades estructurales de este copolímero:
Figura 10. Estructura de las unidades comonoméricas del poli(ácido acrílico-co-ácido
itacónico). (Fuente: elaboración propia).
C OOH
[
]
m
[ ]
n
C OOH
C OOH
COOH
[
]
m
[ ]
n
R= CH
2
COOH
COOH
R
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Este tipo de materiales han sido usados como cemento de ionómero de vidrio dental (Culbertson,
2006; León & Nizo, 2018; Abbasi et al., 2020; Balilvand et al., 2022), como detergente para
lavavajillas y para el lavado de la ropa y un limpiador de superficies duras (Yang et al.,
2012; Tamareselvy et al., 2020), y además ha sido usado como agente inhibidor de incrustaciones
(Nieves, 2016).
En el caso de los policarboxilatos, la masa molar del polímero es un parámetro clave que determina
la aplicación final del material (QuimiNet, 2012). La Tabla 1, presenta la aplicación que se le da a
estos polímeros en función de su masa molar.
Tabla 1. Efecto de la masa molar de los policarboxilatos sobre la aplicación final de los
mismos.
Masa
molar
(g/mol)
<20000
entre 20000
y 80000
Entre 1.000.000 y
10.000.000
>10.000.000
entre 2000 y 5000
Aplicación
secuestrante
o agente
quelante
agentes de
dispersión
de
pigmentos
agentes para
terminado textil y
como ayudas de
retención para
fabricación de
papel
floculantes o
agentes de
espesamiento
como inhibidores de sarro,
dispersantes de lodos,
dispersantes en sistemas de
enfriamiento, como aditivo en
materiales para pigmentos o
recubrimiento de papel
Fuente: elaboración propia.
Como se puede notar en la Tabla 1, entre las aplicaciones que se le dan a los policarboxilatos de masa
molar relativamente bajas (entre 2000 y 5000 g/mol), está la de inhibidores de sarro o incrustaciones.
En este sentido, en 2002 fue reportada una investigación en la que fue evaluada de manera
comparativa el comportamiento como inhibidores de incrustación de poliacrilatos con fosfonatos,
polifosfonatos y diferentes mezclas de poliacrilatos con fosfonatos y polifosfonatos. Todos los
materiales ensayados como inhibidores de incrustación alcanzan eficiencias de 100%; sin embargo,
cuando se usó el poliacrilato la dosis empleada fue más baja respecto a la de los fosfonatos, lo que
favorece la elección del primero debido a los bajos costos del tratamiento químico (López et al.,
2002). Más adelante, en 2016 se realizó otro trabajo en el que se sintetizaron copolímeros entre ácido
acrílico y ácido itacónico y se llevó a cabo el estudio comparativo de su capacidad como inhibidores
de incrustación de estos copolímeros con el APA homopolímero. Los resultados obtenidos indican
que los poliacrilatos homopolímeros resultan ser mejores inhibidores de incrustación que los
copolímeros sintetizados (Nieves, 2016).
Jesús Miguel Contreras-Ramírez, Jesús Javier Nieves-Rivas
62
De este modo, el APA y el ácido polimaleico (APM) debido a su excelente solubilidad, estabilidad
térmica y eficiencia de dosificación son los polímeros más comúnmente usados como inhibidores de
incrustación en sistemas de agua (Amjad & Koutsoukos, 2014; Shakkthivel, & Vasudevan, 2006;
Jamar, 2020). Estos compuestos no son biodegradables; sin embargo, a diferencia de los fosfonatos,
no tienen acción eutrofizante (Popov et al., 2016).
3.4.2. Evaluación comparativa del rendimiento de los inhibidores de incrustación: cada año se
desarrollan/sintetizan nuevos inhibidores de incrustaciones y se prueban periódicamente en plantas
piloto y a escala de laboratorio antes de usarlos en plantas operativas reales. Estas sustancias son de
sumo interés, ya que pueden contener la formación de incrustaciones con dosis bajas (generalmente
por debajo de 10 mg L
-1
) y, por lo tanto, se consideran rentables (Matzunder, 2020). Los ingredientes
activos de los antiincrustantes disponibles comercialmente son en su mayoría mezclas patentadas de
varios policarboxilatos, polifosfatos condensados y organofosfonatos (Chaussemier et al., 2015;
Turek et al., 2017). Los inhibidores inorgánicos de incrustaciones, a saber, hexametafosfato,
polifosfato, pirofosfato o ésteres de fosfato, y los compuestos orgánicos de fósforo (fosfonatos), son
extremadamente frágiles en ambientes acuosos. Por lo tanto, generalmente se hidrolizan o reaccionan
con el agua para formar un ortofosfato que resulta ineficiente como antiincrustante (Mady & Ortega,
2022). Por otro lado, existe una preocupación particular acerca de los inhibidores a base de fósforo,
que pueden funcionar como suplementos y provocar dificultades de eutrificación (Lattemann &
Höpner, 2008). Por tal motivo, los polifosfatos han sido, en gran medida, suplantados por diferentes
polímeros basados en ácidos carboxílicos (APA, APM, etc.), los cuales son estables a altas
temperaturas de trabajo y entornos químicos y biológicos rigurosos (Hasson et al., 2011).
4. CONCLUSIONES
Las incrustaciones son las deposiciones que se forman en superficies en contacto con el agua como
resultado de cambios físicos o químicos. Estas incrustaciones están principalmente formadas por sales
de Ca y de Mg, las cuales son insolubles bajo condiciones de altas temperaturas y alto pH. La
formación de incrustaciones crea problemas operativos en la industria de los yacimientos petrolíferos,
como el bloqueo de las líneas de flujo y la reducción del diámetro de los tubos. Gran cantidad de
trabajos han sido propuestos por investigadores que utilizan diferentes métodos para resolver el
problema, de los cuales la inhibición de incrustaciones es uno de ellos. A partir de los resultados
obtenidos, se ha determinado que la inhibición de incrustaciones se puede lograr mediante la adición
de sustancias que reaccionan con sustancias potencialmente formadoras de incrustaciones, de modo
que, desde el punto de vista de la termodinámica se alcanza la región estable o mediante la adición
de sustancias que suprimen el crecimiento de cristales. Los inhibidores de incrustaciones
Publicación Cuatrimestral. Vol. 8, No 2, Mayo/Agosto, 2023, Ecuador (p. 49-67) 63
(polifosfatos, polímeros basados en ácidos carboxílicos, ácido etilendiaminotetraacético (EDTA),
etc.) pueden solucionar eficazmente las incrustaciones de los yacimientos petrolíferos, muchas de las
cuales son tóxicas y expansivas. Los inhibidores de incrustaciones que contienen fósforo son
altamente eficientes en el proceso de inhibición a pesar de su toxicidad. Sin embargo, los inhibidores
a base de fósforo pueden servir como suplementos que provocan dificultades de eutrificación del
agua. Los inhibidores de incrustaciones poliméricos son ampliamente utilizados debido a su
estabilidad térmica mejorada y mejor compatibilidad ambiental.
5. DECLARACIÓN DE CONFLICTO DE INTERÉS DE LOS AUTORES
Los autores declaran no tener conflictos de interés en la presente publicación en ninguna
de sus fases.
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Contribución de autores
Autores
Contribución
Jesús Miguel
Contreras-
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Actualización de la bibliografía, revisión y corrección del manuscrito original.
Jesús Javier
Nieves-Rivas
Escritura del manuscrito original.