Evaluación de la nanocelulosa fibrilada obtenida a partir del raquis del plátano para su aplicación en la recuperación mejorada de hidrocarburos

Abstract

La celulosa, biopolímero abundante en la biomasa vegetal, es una materia prima renovable de interés industrial. Esta investigación se centró en optimizar su extracción del raquis de plátano (Musa paradisiaca), un residuo de la industria bananera, mediante un enfoque experimental-estadístico y pretratamiento solvotermal empleando disolvente eutéctico profundo (DEPs). Se investigó la extracción y la modificación de nanocelulosa a partir de raquis de plátano, para su aplicación en la recuperación mejorada de petróleo. Para ello, el raquis de plátano se recolectó, limpió, secó, molió y tamizó. Los componentes de baja masa molecular se extrajeron usando la técnica de extracción Soxhlet. Se optimizó la extracción de nanocelulosa mediante un pretratamiento solvotermal con solvente eutéctico profundo (DEPs), es decir, la biomasa restante se pretrató con un DEPs de cloruro de colina: urea (1:2). Se realizaron 15 experimentos variando la concentración de DEPs, temperatura y tiempo de reacción. Seguidamente, la biomasa pretratada se lavó, se hidrolizó con NaOH y la celulosa resultante se blanqueó, homogenizó, ultrasonicó y liofilizó. La celulosa extraída del raquis del plátano se utilizó para obtener la celulosa fibrilada (CF) y la nanocelulosa fibrilada (NCF), mediante una transformación química/mecánica. Posteriormente, la NCF fue derivatizada para obtener la carboximetilnanocelulosa (CMNC), las muestras de CF, NCF, CMNC y carboximetilcelulosa (CMC) comercial fueron caracterizadas. La CMNC, al ser un biopolímero funcionalizado de bajo costo, ofrece una alternativa sostenible a los polímeros comerciales utilizados en la industria petrolera, para mejorar la recuperación de petróleo residual. En esta investigación, se evaluó el desempeño de la CMNC en la recuperación mejorada de petróleo a escala de laboratorio. Se diseñaron disoluciones de CMNC y se realizaron pruebas de desplazamiento, en un modelo bidimensional para visualizar su interacción con el medio poroso. La viscosidad de las soluciones de CMNC se midió con un viscosímetro rotativo. Los resultados demostraron que la optimización del proceso, alcanzando condiciones de 140°C durante 90 min y un 100% de DEPs, condujo a un rendimiento máximo del 75 ± 0,5%. La caracterización de la celulosa obtenida mediante Espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), microscopía electrónica de barrido (SEM), microscopía electrónica de transmisión (TEM), difracción de rayos X (DRX) y análisis termogravimétrico (TGA), confirmó la naturaleza celulósica de las muestras. El análisis DRX reveló diferencias significativas en el índice de cristalinidad (IC) entre la NCF (81,53 ± 2,91%) y la CMNC (60,13 ± 2,38%), evidenciando el impacto del tratamiento químico en la estructura de la celulosa. Un mayor IC, como en la NCF, implica una estructura más ordenada y compacta, lo que se traduce en una mayor resistencia mecánica pero una menor capacidad de interacción debido a su reducida área superficial disponible. Por otro lado, el menor IC de la CMNC, aunque implica una menor resistencia mecánica, favorece una mayor interacción con otros materiales. Su estructura menos ordenada y mayor superficie específica proporciona más "sitios activos" donde otros materiales pueden adsorberse, adherirse o reaccionar. El análisis TGA determinó que el intervalo óptimo de estabilidad térmica de la CMNC para su uso en yacimientos petroleros se encuentra entre 120 y 215°C, destacando su potencial en aplicaciones específicas. Finalmente, la microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía electrónica de transmisión (TEM) revelaron diferencias morfológicas y dimensionales entre las muestras, corroborando el impacto del tratamiento químico en las propiedades de la celulosa. En la evaluación del derivado de la celulosa sintetizada CMNC, se obtuvo un mayor rendimiento en la recuperación de petróleo con CMNC al 0,1% (11 ± 0,5% de factor de recobro) en comparación con CMC comercial a la misma concentración (4,8 ± 0,5%). Este hallazgo demostró la viabilidad de utilizar subproductos agrícolas para desarrollar materiales sostenibles y de alto valor agregado en la industria energética, destacando el potencial de la CMNC como un agente de recuperación mejorada de petróleo rentable.