ハイライト

抽象的な内容 複雑な工業廃水、特に水圧破砕フローバックからの油の効率的な分離は、依然として重要な環境課題です。本研究では、疎水性ナノシリカ（SiO2）および3-(メタクリロイルオキシ)プロピルトリメトキシシラン（KH570）で相乗的に修飾されたカチオン性ポリアクリルアミド（CPAM）を利用して、油/水分離効率を向上させる革新的なアプローチを提示します。異なるSiO2負荷（10%、13%、および16%）でのCPAM-SiO2-KH570複合体と未修飾のCPAMの比較評価により、性能の大幅な改善が明らかになりました。未修飾のCPAMは、pH 7（0.4 g/L）で89%のピーク透過率を達成し、酸性およびアルカリ条件下では透明度が低下しました。対照的に、ナノ修飾複合体は優れた、より強固なフロック形成を示しました。10% SiO2複合体は、優れた透明度（pH 7で90–94%）と最も広い投与耐性（0.3–0.4 g/L）を示し、高い運用柔軟性を提供しました。13% SiO2複合体は、広範な投与ウィンドウ（0.25–0.4 g/L）で最高かつ最も強固な透明度（pH 7で95–98%）を達成し、さまざまなpHでの強力な性能を維持し、高仕様のポリッシングに理想的です。一方、16% SiO2複合体は、低用量（0.1–0.2 g/L）での明確化（∼99%）を提供しましたが、最適ウィンドウが狭く、高pH感度を示しました。これらの改善は、ハイブリッドフロック剤の水力学的直径が16–25 μmでCPAMの∼7 μmに対して増加し、持続的な正の電荷によるものです。さらに、KH570アルキルシェルによるより強力な静電的および疎水的アンカーリングと、剛性シリカノードによるブリッジング能力の向上が、より安定したフロックをもたらします。この研究は、疎水性ナノ修飾CPAMが油田廃水処理のための非常に効率的で、迅速な動力学を持ち、構造的に堅牢な解決策を提供し、高い分離効率を実現し、化学物質の消費を削減し、持続可能な水管理慣行を促進することを示しています。

産業化の急速な成長と石油および石油化学産業からの油分排出の増加は、人間の健康と環境を脅かしています。生成水中の油汚染は主にエマルジョン化された油または自由油に起因します[3]。自由油は重力分離および機械的プロセスを通じて除去できますが、エマルジョン化された油は水中での安定性と環境リスクのために分離が困難です。水分約94％、プロップ剤5％、添加剤1％からなる水圧破砕流体は、非従来型の石油およびガス抽出に不可欠です[8,9]。水圧破砕フローバック水（HFW）の安定性は、特に高い塩分とpHの影響を受けるいくつかの要因によって影響されます。最近のHFW処理の進展は、コアグレーション/フロック形成に焦点を当てており、これはコロイド粒子を不安定化し、効率的な分離のための凝集を促進し、吸着技術を含みます。油滴の負の電荷は、油水エマルジョンの安定性にとって重要です。これらは、合体を防ぎ、水中の油の分散状態を維持する静電的反発を生み出します。この文脈において、フロック剤とエマルジョンの相互作用を支配する基本的なメカニズムは、最近の文献で広く探求されています。Deyらは、コロイド系における主要な不安定化メカニズムとしての電荷中和とポリマー架橋の役割を強調しており、これは自然および合成フロック剤の応用の中心にあります。これらの洞察は、複雑な水環境における高効率ポリマー製フロック剤の設計のための理論的枠組みを提供します。

カチオン性ポリアクリルアミド（CPAM）は、溶液重合、逆エマルジョン/マイクロエマルジョン重合、水分散重合などの方法を通じて合成される水溶性ポリマーです。水分散重合は、ポリマーを合成するために使用される魅力的な技術です。ポリマーが溶解したままである溶液重合や、有機溶媒を使用することが多いエマルジョン/マイクロエマルジョン重合とは異なり、水分散重合は水性媒体内にポリマー粒子の分散を直接生成します。CPAMは、高い正電荷密度、固有粘度、調整可能な分子量により、スラッジ脱水剤として広く使用されています。その正電荷は、負に帯電した油滴を引き寄せ、フロックを形成します。CPAMは、アクリルアミド（AM）とアクリロイルオキシエチルトリメチルアンモニウム塩化物（DAC）、2-メタクリロイルオキシエチルトリメチルアンモニウム塩化物（DMC）、ジアリルジメチルアンモニウム塩化物（DMDAAC）、および四級アンモニウムモノマーと共重合することによって通常生成されます。DMDAACとAMの共重合は、立体障害のために高分子量を達成するのが難しいですが、DACとDMCはより良い反応性を示し、高分子量ポリマーの生成を可能にします。強力なCPAM共重合体であるPAMAは、AMとメタクリルアミドプロピルトリメチルアンモニウム塩化物（MAPTAC）をUV放射下で反応させることによって合成されました。しかし、これらのポリマーは収縮、加水分解、フロック形成に対して脆弱であり、高pH環境での適合性は限られています。CPAM共重合体は、高塩分および高pH環境において、ポリマー鎖の巻きつきや加水分解がフロック形成効率を低下させるという制限に直面しています。この課題は、金属除去アプリケーションでも観察されています。たとえば、Ageenkoらは、ポリアクリルアミドベースのフロック剤が水溶液からのカドミウムセメント化に与える影響を調査し、ポリマー添加剤が反応速度論、形態、および分離挙動に大きく影響することを発見しました。特に、イオン強度が高い条件下での影響が顕著でした。彼らの研究結果は、油圧破砕廃水に類似した高塩分条件下でも効果的なCPAMベースのシステムを設計する重要性を強調しています。ナノテクノロジーは、水処理のための革新的なソリューションを提供しており、淡水および海水の淡水化のための膜機能やろ過プロセスを含みます。ナノ粒子は、CPAMを用いた油水分離を強化するために使用されています。磁気特性を持つFe3O4ナノ粒子は、磁場を介して分離を可能にし、処理を簡素化します。KH570で修飾されたFe3O4の表面は、磁気分離と油吸着効率の両方を向上させます。高い表面積と調整可能な特性を持つ修飾されたナノSiO2は、ターゲット汚染物質の吸着のために3-(メタクリロイルオキシ)プロピルトリメトキシシラン（KH570）などの有機化合物で機能化することができます。これにより、CPAMによるフロック形成を超えた追加の油除去が提供されます。DMCカチオンモノマーは、その二重結合を超えた正に帯電した中心を持ち、高分子量共重合体の生成を可能にします。Chengらは、AMとDMCを用いて逆エマルジョン重合を通じてカチオン共重合体P(AM-DMC)を合成しました。文献によると、私たちの研究は、アクリルアミド（AM）と2-メタクリロイルオキシエチルトリメチルアンモニウム塩化物（DMC）を用いて合成された革新的なカチオン性ポリアクリルアミド（CPAM）システムを導入するため、特に重要です。KH570シラン剤で修飾されたナノSiO2を用いることで、カオリンベースの油/水分離に対する高度で効率的なアプローチを提供します。ナノ材料の導入は、吸着および電荷中和能力を向上させ、KH570はポリマーと懸濁粒子との相互作用を改善し、低用量でのより効果的なフロック形成を促進します。ポリマーの組成と濃度を最適化することにより、この研究は油田廃水処理のためのスケーラブルなソリューションを提示し、環境への影響を軽減します。f 水圧破砕作業。高い分離効率を達成しながら化学物質の消費を最小限に抑える能力は、この研究が産業応用において非常に重要であることを示しており、クリーンな水の排出を確保し、石油およびガス部門における持続可能な水管理の実践を促進します。