3.4.1 Descripción del método
Uno de los métodos experimentales clásicos más usados para determinar el coeficiente de partición K de una gran cantidad de solutos entre dos fases líquidas, es el método directo batch (Berthold, 2004). Este método proporciona resultados seguros y confiables, pero tiene la desventaja que no permite trabajar en condiciones de reservorio, es decir presión y temperatura diferentes a las normales.
Para determinar el K se debe alcanzar el equilibrio entre todos sus componentes en interacción con el sistema bifásico, y se deben determinar las concentraciones de las sustancias disueltas en las dos fases.
Los valores de K determinados por este método, expresados en logaritmos, deben tener un rango de error de (± 0,3) unidades, no recomendándose errores mayores (OECD, 1989).
Este método ha sido utilizado en el caso de solutos débilmente ionizados pero preferentemente se recomienda para especies neutras, ya que la disociación o asociación de las moléculas disueltas producen desviaciones a la ley de Nernst. Dichas desviaciones se deben al hecho que el K se vuelve dependiente de la concentración de la solución debido a que el K está relacionado con la solubilidad del trazador en las dos fases inmiscibles. Debido a los múltiples equilibrios involucrados, este método de ensayo no debe ser utilizado en componentes ionizables sin aplicar una corrección. Hay que tener en cuenta que la mayoría de los ácidos y bases que existen en la naturaleza son débiles. Y en este caso se utilizan como trazadores particionables ésteres que reaccionan con el agua formando una solución amotiguadora. Por este motivo hay que tener en cuenta la importancia de este pH para el sistema y controlar su neutralidad (Atkins y Jones, 2009).
El método es simple, una pequeña cantidad de soluto es disuelto en ambas fases, acuosa y orgánica, donde el equilibrio de partición es alcanzado por agitación, las fases son separadas y se analiza la concentración del soluto en ambas fases o en el caso de analizar una sola fase, se aplica un balance sobre un sistema cerrado, conociendo la concentración inicial del trazador. La temperatura del ensayo debe mantenerse constante (± 1ºC) y en el rango de los 20 a 25ºC, ya que su dependencia con la temperatura tiene que ver con variaciones en la solubilidad del trazador en ambas fases.
Este método requiere de importantes precauciones a tener en cuenta como la pureza de los compuestos químicos, ya que impurezas en el solvente o en las muestras pueden llevar a errores en las mediciones de la concentración del soluto. Se recomienda que las dos fases inmiscibles estén a la temperatura del ensayo antes de agregar el soluto. El uso de solventes pre-saturados evita cualquier error por cambio en el volumen del solvente sobre el equilibrio.
La agitación de los solventes inmiscibles que están en contacto íntimo no debe ser violenta, para evitar la formación de emulsiones. La separación de fases se obtiene por diferencia de densidades y usualmente se utiliza el centrifugado, para acelerar la separación de pequeñas gotas. Si el ensayo es llevado a cabo en ampollas de decantación, se debe contar con un agitador adecuado o agitar a mano. Cuando se usa un tubo de centrifuga, un método recomendado es el de rotar el tubo rápidamente 180º sobre su eje trasversal así no queda aire atrapado entre las dos fases. La experiencia ha mostrado que 50 rotaciones son suficientes para establecer el equilibrio de partición, aunque lo recomendable son 100 rotaciones en 5 min.
Por lo general en este método se analizan las dos fases cuando la fase oleosa es una sustancia pura como octanol (Sangster, 1989). Esto debe ser realizado tomando una alícuota de cada una de las fases en cada tubo, para cada condición del ensayo y analizarlas mediante el procedimiento elegido (espectrofotometría, cromatografía gaseosa o HPLC). La cantidad total de sustancia presente en ambas fases debe ser calculada y comparada con la cantidad de sustancia originalmente introducida. Cuando se analiza solo una de las fases porque la otra es muy compleja, se realiza un balance de masa de trazador entre las fases.
En el caso que la partición se haya llevado a cabo en un tubo de centrifuga o de ensayo, la fase acuosa debe ser muestreada por un procedimiento que minimice el riesgo de incluir trazador de la fase oleosa, ya que la separación se logra por diferencia de densidad de los solventes y en este caso, la fase oleosa queda en la parte superior y la fase acuosa en la parte inferior, dificultando la toma de muestras. Para esto, una jeringa de vidrio con una aguja removible puede ser usada para muestrear la fase acuosa. La jeringa inicialmente debe ser parcialmente llenada con aire y el aire debe ser suavemente expulsado mientras se inyecta la aguja a través de la capa oleosa. Un volumen adecuado de la fase acuosa es retirado con la jeringa para ser analizada.
Para solutos volátiles este método no sería el más apropiado, porque consume mucho tiempo y la elevada presión de vapor del soluto hace que debamos considerar la cantidad de vapor que podría escapar de la ampolla de decantación o del recipiente que estemos utilizando, durante el muestreo previo al análisis de la concentración del trazador volátil. Para evitar pérdidas de material por volatilización la ampolla de decantación debe ser llenada casi por completo con las dos fases. Otros dispositivos fueron propuestos para este caso (Sangster, 1997).
3.4.2 Aplicación del método
Se realizaron ensayos en ampolla de decantación de vidrio de 250 mL y en tubos de vidrio cónicos de centrifuga de 10 mL. La fase oleosa y la fase acuosa con trazador se mezclaron en el recipiente a la temperatura del ensayo, que se mantuvo constante (± 1 °C) y luego se dejó en reposo el tiempo necesario para lograr que las fases se separen y lleguen al estado de saturación o equilibrio. Una vez logrado el equilibrio de partición, se realizaron muestreos por triplicado de la fase acuosa, extrayendo 2 mL en viales headspace de 20 mL para su posterior análisis cromatográfico por HS/GC/FID usando las curvas de calibración correspondientes.
Debido a que la separación de fases en las ampollas de decantación no siempre se logra fácilmente, se realizó el mismo ensayo por ambos métodos a iguales condiciones experimentales utilizando tubos de vidrio que permitieron lograr la separación mediante centrifugación.
En los ensayos realizados en tubos se utilizó un agitador. Para mantener constante la temperatura del ensayo, los tubos fueron colocados en un baño de agua termostatizado, durante una hora antes de la extracción de las muestras. Para lograr la separación de fases, se centrifugó durante 5 min a 1500 rpm, obteniendo dos fases bien separadas (Figura 3.2).
Figura 3.2. Separación de fases en tubos.
En los ensayos realizados en ampollas de decantación el mezclado y agitación fue manual; haciendo 100 rotaciones de 180º del eje transversal durante 5 minutos, dos veces. Luego las ampollas fueron colocadas en un horno a la temperatura de trabajo durante 1 hora para controlar que la temperatura sea constante durante todo el ensayo.
a) b)
a) Petróleo/agua de inyección. b) Gasoil/agua de inyección Figura 3.3. Separación de fases en ampollas de decantación.
Para medir este parámetro durante los ensayos se colocó un termómetro al lado de las ampollas, así como también un manómetro para medir la presión atmosférica del laboratorio. Para la separación de
fases no se utilizó centrifugación, obteniéndose la separación en un tiempo más prolongado pero en general con los mismos resultados (Figura 3.3).
Para asegurar la reproducibilidad de los valores experimentales los ensayos se realizaron por duplicado, en distintos días y se llevaron a cabo bajo diferentes condiciones. A su vez se comprobó la repetitividad de las determinaciones midiendo la concentración del trazador de cada muestra por duplicado bajo iguales condiciones.