Höhepunkte

AbstractDie effiziente Trennung von Öl aus komplexen industriellen Abwässern, insbesondere aus dem Rückfluss von hydraulischem Fracking, bleibt eine kritische umwelttechnische Herausforderung. Diese Studie präsentiert einen innovativen Ansatz zur Nutzung von kationischem Polyacrylamid (CPAM), das synergistisch mit hydrophobem Nano-Silica (SiO2) und 3-(Methacryloyloxy)propyltrimethoxysilan (KH570) modifiziert wurde, um die Effizienz der Öl/Wasser-Trennung zu verbessern. Der vergleichende Vergleich von unmodifiziertem CPAM mit CPAM-SiO2-KH570-Verbundstoffen bei unterschiedlichen SiO2-Ladungen (10 %, 13 % und 16 %) zeigte signifikante Leistungsverbesserungen. Unmodifiziertes CPAM erreichte eine maximale Transmittanz von 89 % bei pH 7 (0,4 g/L), mit reduzierter Klarheit unter sauren und alkalischen Bedingungen. Im Gegensatz dazu zeigten die nano-modifizierten Verbundstoffe eine überlegene und robustere Flockung. Der 10 % SiO2-Verbundstoff wies eine ausgezeichnete Klarheit (90–94 % bei pH 7) und die breiteste Dosistoleranz (0,3–0,4 g/L) auf, was eine hohe betriebliche Flexibilität bietet. Der 13 % SiO2-Verbundstoff erreichte die höchste und robusteste Klarheit (95–98 % bei pH 7) über ein breites Dosierungsfenster (0,25–0,4 g/L) und hielt eine starke Leistung über verschiedene pH-Werte aufrecht, was ihn ideal für hochspezifizierte Polierprozesse macht. Während der 16 % SiO2-Verbundstoff eine Klärung (∼99 %) bei niedrigeren Dosierungen (0,1–0,2 g/L) lieferte, zeigte er ein enges optimales Fenster und eine hohe pH-Empfindlichkeit. Diese Verbesserungen resultieren aus dem erhöhten hydrodynamischen Durchmesser des hybriden Flockungsmittels von 16–25 μm im Vergleich zu ∼7 μm für CPAM und einer anhaltenden positiven Ladung. Darüber hinaus führen stärkere elektrostatistische und hydrophobe Verankerungen über die KH570-Alkylhülle, kombiniert mit einer verbesserten Brückenkapazität aufgrund starrer Silica-Knoten, zu stabileren Flocken. Diese Forschung zeigt, dass hydrophob modifiziertes Nano-CPAM eine hocheffiziente, schnell kinetische und strukturell robuste Lösung für die Behandlung von Abwasser aus Ölfeldern bietet, die eine hohe Trennungseffizienz bei reduziertem Chemikalienverbrauch ermöglicht und nachhaltige Wasserbewirtschaftungspraktiken fördert.

Die rasche Zunahme der Industrialisierung und die erhöhten öligen Abwässer aus der Erdöl- und petrochemischen Industrie bedrohen die menschliche Gesundheit und die Umwelt. Ölverschmutzung in produziertem Wasser resultiert hauptsächlich aus emulgiertem oder freiem Öl [3]. Freies Öl kann durch gravimetrische Trennung und mechanische Prozesse entfernt werden, aber emulgiertes Öl ist aufgrund seiner Stabilität in Wasser und der Umweltrisiken schwierig zu trennen. Hydraulische Frac-Flüssigkeiten, die aus etwa 94 % Wasser, 5 % Stützmitteln und 1 % Additiven bestehen, sind für die unkonventionelle Öl- und Gasförderung unerlässlich [8,9]. Die Stabilität von hydraulischem Frac-Rücklaufwasser (HFW) wird von mehreren Faktoren beeinflusst, insbesondere wirken sich hohe Salinität und pH-Werte aus. Jüngste Fortschritte in der HFW-Behandlung konzentrieren sich auf Koagulation/Flokulation, die kolloidale Partikel destabilisiert und die Aggregation für eine effiziente Trennung verbessert, sowie auf Adsorptionstechniken. Negative Ladungen auf Öltropfen sind entscheidend für die Stabilität von Öl-Wasser-Emulsionen. Sie erzeugen elektrostatische Abstoßung, die die Koaleszenz verhindert und den dispergierten Zustand des Öls im Wasser aufrechterhält. In diesem Zusammenhang wurden die grundlegenden Mechanismen, die die Wechselwirkungen zwischen Flokulanten und Emulsionen steuern, in der jüngsten Literatur umfassend untersucht. Dey et al. hoben die Rolle der Ladungsneutralisation und der Polymerbrückenbildung als dominante Destabilisationsmechanismen in kolloidalen Systemen hervor, die sowohl für natürliche als auch für synthetische Flokulantenanwendungen zentral bleiben. Diese Erkenntnisse bieten einen theoretischen Rahmen für die Entwicklung hochwirksamer polymerer Flokulanten in komplexen wässrigen Umgebungen.

Kationisches Polyacrylamid (CPAM) ist ein wasserlösliches Polymer, das durch Methoden wie Lösungspolymerisation, inverse Emulsions-/Mikroemulsionspolymerisation und Wasserdispersionspolymerisation synthetisiert wird. Die Wasserdispersionspolymerisation ist eine faszinierende Technik zur Synthese von Polymeren. Im Gegensatz zur Lösungspolymerisation, bei der das Polymer gelöst bleibt, oder der Emulsions-/Mikroemulsionspolymerisation, die häufig organische Lösungsmittel verwendet, erzeugt die Wasserdispersionspolymerisation eine Dispersion von Polymerpartikeln direkt in einem wässrigen Medium. CPAM wird aufgrund seiner hohen positiven Ladungsdichte, intrinsischen Viskosität und einstellbaren Molekulargewichte häufig als Schlammdewateringmittel eingesetzt. Seine positive Ladung zieht negativ geladene Öltropfen an und bildet Flocken. CPAM wird typischerweise durch Copolymerisation von Acrylamid (AM) mit kationischen Monomeren wie Acryloxyethyltrimethylammoniumchlorid (DAC), 2-Methacryloxyethyltrimethylammoniumchlorid (DMC), Diallyldimethylammoniumchlorid (DMDAAC) und quartären Ammoniummonomeren hergestellt. Während die Copolymerisation von DMDAAC mit AM aufgrund sterischer Hinderung Herausforderungen bei der Erreichung hoher Molekulargewichte hat, zeigen DAC und DMC eine bessere Reaktivität, die die Produktion von hochmolekularen Polymeren ermöglicht. Ein starkes CPAM-Copolymer, PAMA, wurde durch Reaktion von AM mit Methacrylamidopropyltrimethylammoniumchlorid (MAPTAC) unter UV-Strahlung synthetisiert. Diese Polymere neigen jedoch zu Schrumpfung, Hydrolyse und Flockung, mit begrenzter Verträglichkeit in hoch-pH-Umgebungen. Die CPAM-Copolymere haben Einschränkungen in hochsalzhaltigen und hoch-pH-Umgebungen, in denen das Aufwickeln der Polymerketten oder Hydrolyse die Flockungseffizienz verringert. Diese Herausforderung wurde auch in Anwendungen zur Metallentfernung beobachtet. Zum Beispiel untersuchten Ageenko et al. den Einfluss von polyacrylamidbasierten Flockungsmitteln auf die Cadmiumzementierung aus wässrigen Lösungen und fanden heraus, dass polymerbasierte Additive die Reaktionskinetik, Morphologie und Trennverhalten erheblich beeinflussten, insbesondere unter erhöhtem Ionenstärke. Ihre Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Entwicklung von CPAM-basierten Systemen, die unter hochsalzhaltigen Bedingungen, ähnlich denen in hydraulischen Fracking-Abwässern, effektiv bleiben. Nanotechnologie bietet innovative Lösungen für die Wasseraufbereitung, einschließlich Membranfunktionen und Filtrationsprozesse zur Entsalzung von Süß- und Meerwasser. Nanopartikel wurden verwendet, um die Öl-Wasser-Trennung mit CPAM zu verbessern. Fe3O4-Nanopartikel mit magnetischen Eigenschaften ermöglichen die Trennung über magnetische Felder und vereinfachen die Behandlung. Die Oberflächenmodifikation von Fe3O4 mit KH570 verbessert sowohl die magnetische Trennung als auch die Öladsorptionseffizienz. Modifiziertes nano-SiO2 mit seiner hohen Oberfläche und anpassbaren Eigenschaften kann mit organischen Verbindungen wie 3-(Methacryloxy)propyltrimethoxysilan (KH570) funktionalisiert werden, um gezielte Schadstoffadsorption zu ermöglichen, was eine zusätzliche Ölentfernung über die durch CPAM induzierte Flockung hinaus bietet. Das kationische Monomer DMC hat ein positiv geladenes Zentrum über seiner Doppelbindung, was die Produktion von hochmolekularen Copolymeren ermöglicht. Cheng et al. synthetisierten das kationische Copolymer P(AM-DMC) unter Verwendung von AM und DMC durch inverse Emulsionspolymerisation. Laut der Literatur ist unsere Forschungsarbeit besonders bedeutend, da sie ein innovatives kationisches Polyacrylamid (CPAM)-System einführt, das durch Acrylamid (AM) und 2-Methacryloxyethyltrimethylammoniumchlorid (DMC) synthetisiert und mit nano-SiO2 mit KH570-Silanagenten modifiziert wurde, was einen fortschrittlichen und effizienten Ansatz zur kaolinbasierten Öl/Wasser-Trennung bietet. Die Einbeziehung von Nanomaterialien verbessert die Adsorptions- und Ladungsneutralisationsfähigkeiten, während KH570 die Wechselwirkung des Polymers mit suspendierten Partikeln verbessert, was zu einer effektiveren Flockung bei reduzierten Dosierungen führt. Durch die Optimierung der Polymerzusammensetzung und -konzentration präsentiert diese Studie eine skalierbare Lösung zur Behandlung von Abwasser aus Ölfeldern und verringert damit den ökologischen Fußabdruck.f hydraulische Fracking-Operationen. Die Fähigkeit, eine hohe Trennungs-effizienz zu erreichen und gleichzeitig den Chemikalienverbrauch zu minimieren, macht diese Studie für industrielle Anwendungen äußerst relevant, da sie eine sauberere Wasserableitung gewährleistet und nachhaltige Wasserbewirtschaftungspraktiken im Öl- und Gassektor fördert.