Points forts

RésuméLa séparation efficace de l'huile des eaux usées industrielles complexes, en particulier le retour de flux de fracturation hydraulique, reste un défi environnemental critique. Cette étude présente une approche innovante utilisant du polyacrylamide cationique (CPAM) modifié de manière synergique avec de la nano silice hydrophobe (SiO2) et du 3-(méthacryloyloxy)propyltriméthoxysilane (KH570) pour améliorer l'efficacité de séparation huile/eau. L'évaluation comparative du CPAM non modifié par rapport aux composites CPAM-SiO2-KH570 à différentes charges de SiO2 (10 %, 13 % et 16 %) a révélé des améliorations significatives des performances. Le CPAM non modifié a atteint une transmittance maximale de 89 % à pH 7 (0,4 g/L), avec une clarté réduite dans des conditions acides et alcalines. En revanche, les composites nano-modifiés ont démontré une floculation supérieure et plus robuste. Le composite à 10 % de SiO2 a présenté une excellente clarté (90–94 % à pH 7) et la plus large tolérance de dose (0,3–0,4 g/L), offrant une grande flexibilité opérationnelle. Le composite à 13 % de SiO2 a atteint la clarté la plus élevée et la plus robuste (95–98 % à pH 7) sur une large fenêtre de dosage (0,25–0,4 g/L), maintenant de fortes performances à travers des pH variés, ce qui le rend idéal pour un polissage de haute spécification. Bien que le composite à 16 % de SiO2 ait fourni une clarification (∼99 %) à des dosages plus faibles (0,1–0,2 g/L), il a montré une fenêtre optimale étroite et une sensibilité élevée au pH. Ces améliorations résultent de l'augmentation du diamètre hydrodynamique de l'agglomérant hybride de 16 à 25 μm contre ∼7 μm pour le CPAM et d'une charge positive soutenue. De plus, un ancrage électrostatique et hydrophobe plus fort via la coque alkyle KH570, combiné à une capacité de pontage améliorée grâce à des nœuds de silice rigides, conduit à des flocs plus stables. Cette recherche démontre que le CPAM modifié par nano-hydrophobe offre une solution hautement efficace, à cinétique rapide et structurellement robuste pour le traitement des eaux usées des champs pétrolifères, permettant une haute efficacité de séparation avec une consommation chimique réduite et favorisant des pratiques de gestion durable de l'eau.

La croissance rapide de l'industrialisation et l'augmentation des décharges huileuses des industries pétrolières et pétrochimiques menacent la santé humaine et l'environnement. La contamination par le pétrole dans les eaux produites résulte principalement de l'huile émulsifiée ou libre [3]. L'huile libre peut être éliminée par séparation gravimétrique et processus mécaniques, mais l'huile émulsifiée est difficile à séparer en raison de sa stabilité dans l'eau et des risques environnementaux. Les fluides de fracturation hydraulique, composés d'environ 94 % d'eau, 5 % de proppants et 1 % d'additifs, sont essentiels pour l'extraction de pétrole et de gaz non conventionnels [8,9]. La stabilité de l'eau de retour de fracturation hydraulique (HFW) est influencée par plusieurs facteurs, en particulier les effets de haute salinité et de pH. Les avancées récentes dans le traitement de l'HFW se concentrent sur la coagulation/floculation, qui déstabilise les particules colloïdales et améliore l'agrégation pour une séparation efficace, ainsi que sur les techniques d'adsorption. Les charges négatives sur les gouttelettes d'huile sont cruciales pour la stabilité des émulsions huile-eau. Elles créent une répulsion électrostatique qui empêche la coalescence et maintient l'état dispersé de l'huile dans l'eau. Dans ce contexte, les mécanismes fondamentaux régissant les interactions floculant-émulsion ont été largement explorés dans la littérature récente. Dey et al. ont souligné le rôle de la neutralisation de charge et du pontage polymère comme mécanismes de déstabilisation dominants dans les systèmes colloïdaux, qui restent centraux tant pour les applications de floculants naturels que synthétiques. Ces informations fournissent un cadre théorique pour la conception de floculants polymériques à haute efficacité dans des environnements aqueux complexes.

Le polyacrylamide cationique (CPAM) est un polymère soluble dans l'eau synthétisé par des méthodes telles que la polymérisation en solution, la polymérisation par émulsion inverse/microémulsion et la polymérisation par dispersion dans l'eau. La polymérisation par dispersion dans l'eau est une technique fascinante utilisée pour synthétiser des polymères. Contrairement à la polymérisation en solution, où le polymère reste dissous, ou à la polymérisation par émulsion/microémulsion qui utilise souvent des solvants organiques, la polymérisation par dispersion dans l'eau crée une dispersion de particules de polymère directement dans un milieu aqueux. Le CPAM est largement utilisé comme agent de déshydratation des boues en raison de sa haute densité de charge positive, de sa viscosité intrinsèque et de son poids moléculaire ajustable. Sa charge positive attire les gouttelettes d'huile chargées négativement, formant des flocs. Le CPAM est généralement produit par copolymérisation de l'acrylamide (AM) avec des monomères cationiques tels que le chlorure d'acryloyloxyéthyltriméthylammonium (DAC), le chlorure de 2-méthacryloxyéthyltriméthylammonium (DMC), le chlorure de diallyldiméthylammonium (DMDAAC) et des monomères d'ammonium quaternaire. Bien que la copolymérisation de DMDAAC avec AM rencontre des défis pour atteindre des poids moléculaires élevés en raison de l'encombrement stérique, DAC et DMC présentent une meilleure réactivité, permettant la production de polymères à haut poids moléculaire. Un copolymère CPAM fort, PAMA, a été synthétisé en réagissant AM avec le chlorure de méthacrylamidopropyltriméthylammonium (MAPTAC) sous irradiation UV. Cependant, ces polymères sont sujets à un rétrécissement, une hydrolyse et une floculation, avec une compatibilité limitée dans des environnements à pH élevé. Les copolymères CPAM rencontrent des limitations dans des environnements à haute salinité et à pH élevé où l'enroulement des chaînes polymériques ou l'hydrolyse réduisent l'efficacité de floculation. Ce défi a également été observé dans des applications d'élimination des métaux. Par exemple, Ageenko et al. ont étudié l'influence des floculants à base de polyacrylamide sur la cimentation du cadmium à partir de solutions aqueuses et ont constaté que les additifs polymériques affectaient considérablement la cinétique de réaction, la morphologie et le comportement de séparation, en particulier sous une force ionique élevée. Leurs résultats soulignent l'importance de concevoir des systèmes à base de CPAM qui restent efficaces dans des conditions de haute salinité similaires à celles des eaux usées de fracturation hydraulique. La nanotechnologie offre des solutions innovantes pour le traitement de l'eau, y compris des fonctionnalités de membrane et des processus de filtration pour la désalinisation de l'eau douce et de l'eau de mer. Des nanoparticules ont été utilisées pour améliorer la séparation huile-eau avec CPAM. Les nanoparticules de Fe3O4, avec des propriétés magnétiques, permettent la séparation via des champs magnétiques et simplifient le traitement. La modification de surface de Fe3O4 avec KH570 améliore à la fois la séparation magnétique et l'efficacité d'adsorption d'huile. Le nano-SiO2 modifié, avec sa grande surface et ses propriétés ajustables, peut être fonctionnalisé avec des composés organiques comme le 3-(méthacryloyloxy) propyltriméthoxysilane (KH570) pour une adsorption ciblée des contaminants, offrant une élimination supplémentaire de l'huile au-delà de la floculation induite par le CPAM. Le monomère cationique DMC a un centre chargé positivement au-delà de sa double liaison, permettant la production de copolymères à haut poids moléculaire. Cheng et al. ont synthétisé le copolymère cationique P(AM-DMC) en utilisant AM et DMC par polymérisation par émulsion inverse. Selon la littérature, notre travail de recherche est particulièrement significatif car il introduit un système innovant de polyacrylamide cationique (CPAM), synthétisé par acrylamide (AM) et chlorure de 2-méthacryloxyéthyltriméthylammonium (DMC), modifié avec du nano-SiO2 avec des agents silane KH570, offrant une approche avancée et efficace pour la séparation huile/eau à base de kaolin. L'incorporation de matériaux nanométriques améliore les capacités d'adsorption et de neutralisation de charge, tandis que KH570 améliore l'interaction du polymère avec les particules en suspension, conduisant à une floculation plus efficace à des dosages réduits. En optimisant la composition et la concentration du polymère, cette étude présente une solution évolutive pour le traitement des eaux usées des champs pétrolifères, atténuant ainsi l'empreinte environnementale.f opérations de fracturation hydraulique. La capacité d'atteindre une haute efficacité de séparation tout en minimisant la consommation de produits chimiques rend cette étude très pertinente pour les applications industrielles, garantissant un rejet d'eau plus propre et promouvant des pratiques de gestion durable de l'eau dans le secteur pétrolier et gazier.