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AbstractLa separación eficiente del aceite de aguas residuales industriales complejas, particularmente del flujo de retorno de fracturación hidráulica, sigue siendo un desafío ambiental crítico. Este estudio presenta un enfoque innovador para utilizar poliacrilamida catiónica (CPAM) modificada sinérgicamente con nano sílice hidrofóbica (SiO2) y 3-(metacrilato de oxipropilo)trimetoxisilano (KH570) para mejorar la eficiencia de separación aceite/agua. La evaluación comparativa de CPAM no modificada frente a compuestos CPAM-SiO2-KH570 con diferentes cargas de SiO2 (10 %, 13 % y 16 %) reveló mejoras significativas en el rendimiento. La CPAM no modificada alcanzó una transmitancia máxima del 89 % a pH 7 (0.4 g/L), con claridad reducida en condiciones ácidas y alcalinas. En contraste, los compuestos nano-modificados demostraron una floculación superior y más robusta. El compuesto de 10 % SiO2 exhibió una excelente claridad (90–94 % a pH 7) y la mayor tolerancia a dosis (0.3–0.4 g/L), ofreciendo alta flexibilidad operativa. El compuesto de 13 % SiO2 logró la claridad más alta y robusta (95–98 % a pH 7) en una amplia ventana de dosificación (0.25–0.4 g/L), manteniendo un rendimiento sólido en diferentes pH, lo que lo hace ideal para pulido de alta especificación. Mientras que el compuesto de 16 % SiO2 proporcionó clarificación (∼99 %) a dosis más bajas (0.1–0.2 g/L), mostró una ventana óptima estrecha y alta sensibilidad al pH. Estas mejoras son el resultado del aumento del diámetro hidrodinámico del floculante híbrido de 16–25 μm frente a ∼7 μm para CPAM y una carga positiva sostenida. Además, un anclaje electrostático y hidrofóbico más fuerte a través de la capa alquilo de KH570, combinado con una capacidad de puenteo mejorada debido a nodos de sílice rígidos, conduce a flóculos más estables. Esta investigación demuestra que la CPAM modificada con nano sílice hidrofóbica ofrece una solución altamente eficiente, de cinética rápida y estructuralmente robusta para el tratamiento de aguas residuales de campos petroleros, permitiendo una alta eficiencia de separación con un consumo químico reducido y promoviendo prácticas sostenibles de gestión del agua.

El rápido crecimiento de la industrialización y el aumento de los vertidos de petróleo y productos petroquímicos amenazan la salud humana y el medio ambiente. La contaminación por petróleo en el agua producida resulta principalmente de aceite emulsionado o libre [3]. El aceite libre se puede eliminar mediante separación gravimétrica y procesos mecánicos, pero el aceite emulsionado es difícil de separar debido a su estabilidad en el agua y los riesgos ambientales. Los fluidos de fracturación hidráulica, que consisten en aproximadamente 94 % de agua, 5 % de agentes de soporte y 1 % de aditivos, son esenciales para la extracción de petróleo y gas no convencionales [8,9]. La estabilidad del agua de retorno de fracturación hidráulica (HFW) está influenciada por varios factores, especialmente los efectos de alta salinidad y pH. Los avances recientes en el tratamiento de HFW se centran en la coagulación/floculación, que desestabiliza las partículas coloidales y mejora la agregación para una separación eficiente, y técnicas de adsorción. Las cargas negativas en las gotas de aceite son cruciales para la estabilidad de las emulsiones de aceite-agua. Crean repulsión electrostática que previene la coalescencia y mantiene el estado disperso del aceite en el agua. En este contexto, los mecanismos fundamentales que rigen las interacciones floculante-emulsión han sido ampliamente explorados en la literatura reciente. Dey et al. destacaron el papel de la neutralización de carga y el puenteo de polímeros como mecanismos de desestabilización dominantes en sistemas coloidales, que siguen siendo centrales tanto para aplicaciones de floculantes naturales como sintéticos. Estos conocimientos proporcionan un marco teórico para el diseño de floculantes poliméricos de alta eficiencia en entornos acuosos complejos.

El poliacrilamida catiónica (CPAM) es un polímero soluble en agua sintetizado a través de métodos como la polimerización en solución, la polimerización en emulsión inversa/microemulsión y la polimerización en dispersión acuosa. La polimerización en dispersión acuosa es una técnica fascinante utilizada para sintetizar polímeros. A diferencia de la polimerización en solución, donde el polímero permanece disuelto, o la polimerización en emulsión/microemulsión que a menudo utiliza disolventes orgánicos, la polimerización en dispersión acuosa crea una dispersión de partículas de polímero directamente en un medio acuoso. CPAM se utiliza ampliamente como agente de deshidratación de lodos debido a su alta densidad de carga positiva, viscosidad intrínseca y peso molecular ajustable. Su carga positiva atrae gotas de aceite cargadas negativamente, formando flóculos. CPAM se produce típicamente mediante la copolimerización de acrilamida (AM) con monómeros catiónicos como cloruro de acryloyloxyethyltrimethyl amonio (DAC), cloruro de 2-methacryloxyethyltrimethyl amonio (DMC), cloruro de dialil dimetil amonio (DMDAAC) y monómeros de amonio cuaternario. Mientras que la copolimerización de DMDAAC con AM enfrenta desafíos para lograr altos pesos moleculares debido a la hinderncia estérica, DAC y DMC exhiben mejor reactividad, lo que permite la producción de polímeros de alto peso molecular. Un copolímero CPAM fuerte, PAMA, fue sintetizado al reaccionar AM con cloruro de metacrilamido propil trimetil amonio (MAPTAC) bajo radiación UV. Sin embargo, estos polímeros son propensos a encogerse, hidrolizarse y flocular, con compatibilidad limitada en entornos de pH alto. Los copolímeros de CPAM enfrentan limitaciones en entornos de alta salinidad y alto pH donde el enrollamiento de la cadena del polímero o la hidrolisis reducen la eficiencia de floculación. Este desafío también se ha observado en aplicaciones de eliminación de metales. Por ejemplo, Ageenko et al. investigaron la influencia de los floculantes a base de poliacrilamida en la cementación de cadmio a partir de soluciones acuosas y encontraron que los aditivos poliméricos afectaban significativamente la cinética de reacción, la morfología y el comportamiento de separación, particularmente bajo alta fuerza iónica. Sus hallazgos subrayan la importancia de diseñar sistemas a base de CPAM que permanezcan efectivos en condiciones de alta salinidad similares a las del agua residual de fracturación hidráulica. La nanotecnología ofrece soluciones innovadoras para el tratamiento de agua, incluyendo funcionalidades de membrana y procesos de filtración para la desalinización de agua dulce y de mar. Se han utilizado nanopartículas para mejorar la separación aceite-agua con CPAM. Las nanopartículas de Fe3O4, con propiedades magnéticas, permiten la separación a través de campos magnéticos y simplifican el tratamiento. La modificación de la superficie de Fe3O4 con KH570 mejora tanto la separación magnética como la eficiencia de adsorción de aceite. El nano-SiO2 modificado, con su alta área de superficie y propiedades ajustables, puede ser funcionalizado con compuestos orgánicos como el silano 3-(methacryloyloxy) propyltrimethoxy (KH570) para la adsorción dirigida de contaminantes, proporcionando una eliminación adicional de aceite más allá de la floculación inducida por CPAM. El monómero catiónico DMC tiene un centro cargado positivamente más allá de su doble enlace, lo que permite la producción de copolímeros de alto peso molecular. Cheng et al. sintetizaron el copolímero catiónico P(AM-DMC) utilizando AM y DMC a través de la polimerización en emulsión inversa. Según la literatura, nuestro trabajo de investigación es particularmente significativo porque introduce un innovador sistema de poliacrilamida catiónica (CPAM), sintetizado por acrilamida (AM) y cloruro de 2-methacryloxyethyltrimethyl amonio (DMC), modificado con nano-SiO2 con agentes de silano KH570, ofreciendo un enfoque avanzado y eficiente para la separación de aceite/agua a base de caolín. La incorporación de materiales nano mejora las capacidades de adsorción y neutralización de carga, mientras que KH570 mejora la interacción del polímero con partículas suspendidas, lo que lleva a una floculación más efectiva con dosis reducidas. Al optimizar la composición y concentración del polímero, este estudio presenta una solución escalable para el tratamiento de aguas residuales de campos petroleros, mitigando así la huella ambiental.f operaciones de fracturación hidráulica. La capacidad de lograr una alta eficiencia de separación mientras se minimiza el consumo de productos químicos hace que este estudio sea altamente relevante para aplicaciones industriales, asegurando un vertido de agua más limpio y promoviendo prácticas sostenibles de gestión del agua en el sector del petróleo y gas.