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AbstractA separação eficiente de óleo de águas residuais industriais complexas, particularmente o retorno de fluxo de fraturamento hidráulico, continua a ser um desafio ambiental crítico. Este estudo apresenta uma abordagem inovadora para a utilização de poliacrilamida catiônica (CPAM) modificada sinergicamente com nano sílica hidrofóbica (SiO2) e 3-(metacrilato de oxipropila)trimetoxisilano (KH570) para aumentar a eficiência de separação óleo/água. A avaliação comparativa de CPAM não modificada em relação aos compósitos CPAM-SiO2-KH570 com diferentes cargas de SiO2 (10 %, 13 % e 16 %) revelou melhorias significativas no desempenho. A CPAM não modificada alcançou uma transmitância máxima de 89 % a pH 7 (0,4 g/L), com clareza reduzida em condições ácidas e alcalinas. Em contraste, os compósitos nano-modificados demonstraram floculação superior e mais robusta. O compósito de 10 % de SiO2 exibiu excelente clareza (90–94 % a pH 7) e a maior tolerância de dose (0,3–0,4 g/L), oferecendo alta flexibilidade operacional. O compósito de 13 % de SiO2 alcançou a clareza mais alta e robusta (95–98 % a pH 7) em uma ampla janela de dosagem (0,25–0,4 g/L), mantendo um desempenho forte em diferentes pH, tornando-o ideal para polimento de alta especificação. Enquanto o compósito de 16 % de SiO2 proporcionou clarificação (∼99 %) em dosagens mais baixas (0,1–0,2 g/L), apresentou uma janela ótima estreita e alta sensibilidade ao pH. Essas melhorias resultam do aumento do diâmetro hidrodinâmico do floculante híbrido de 16–25 μm vs. ∼7 μm para CPAM e carga positiva sustentada. Além disso, um ancoramento eletrostático e hidrofóbico mais forte por meio da camada alquila do KH570, combinado com uma capacidade de ligação aprimorada devido a nós de sílica rígidos, leva a flocos mais estáveis. Esta pesquisa demonstra que a CPAM modificada com nano hidrofóbico oferece uma solução altamente eficiente, de cinética rápida e estruturalmente robusta para o tratamento de águas residuais de campos de petróleo, possibilitando alta eficiência de separação com redução do consumo químico e promovendo práticas sustentáveis de gestão da água.

A rápida expansão da industrialização e o aumento das descargas oleosas das indústrias de petróleo e petroquímica ameaçam a saúde humana e o meio ambiente. A contaminação por óleo na água produzida resulta principalmente de óleo emulsificado ou livre [3]. O óleo livre pode ser removido através de separação gravimétrica e processos mecânicos, mas o óleo emulsificado é desafiador de separar devido à sua estabilidade na água e riscos ambientais. Os fluidos de fraturamento hidráulico, consistindo de aproximadamente 94% de água, 5% de agentes de suporte e 1% de aditivos, são essenciais para a extração de petróleo e gás não convencionais [8,9]. A estabilidade da água de retorno do fraturamento hidráulico (HFW) é influenciada por vários fatores, especialmente os efeitos de alta salinidade e pH. Avanços recentes no tratamento de HFW focam na coagulação/floculação, que desestabiliza partículas coloidais e melhora a agregação para separação eficiente, e técnicas de adsorção. Cargas negativas em gotículas de óleo são cruciais para a estabilidade de emulsões óleo-água. Elas criam repulsão eletrostática que impede a coalescência e mantém o estado disperso do óleo na água. Nesse contexto, os mecanismos fundamentais que governam as interações floculante-emulsão foram amplamente explorados na literatura recente. Dey et al. destacaram o papel da neutralização de carga e da ponte de polímero como mecanismos de desestabilização dominantes em sistemas coloidais, que permanecem centrais tanto para aplicações de floculantes naturais quanto sintéticos. Esses insights fornecem uma estrutura teórica para o design de floculantes poliméricos de alta eficiência em ambientes aquosos complexos.

O poliacrilamida catiônica (CPAM) é um polímero solúvel em água sintetizado através de métodos como polimerização em solução, polimerização por emulsão inversa/microemulsão e polimerização por dispersão em água. A polimerização por dispersão em água é uma técnica fascinante utilizada para sintetizar polímeros. Ao contrário da polimerização em solução, onde o polímero permanece dissolvido, ou da polimerização por emulsão/microemulsão, que frequentemente utiliza solventes orgânicos, a polimerização por dispersão em água cria uma dispersão de partículas de polímero diretamente em um meio aquoso. O CPAM é amplamente utilizado como agente de desidratação de lodo devido à sua alta densidade de carga positiva, viscosidade intrínseca e peso molecular ajustável. Sua carga positiva atrai gotas de óleo carregadas negativamente, formando flocos. O CPAM é tipicamente produzido pela copolimerização de acrilamida (AM) com monômeros catiônicos como cloreto de acryloyloxyethyltrimethyl (DAC), cloreto de 2-methacryloxyethyltrimethyl (DMC), cloreto de dialil dimetil (DMDAAC) e monômeros de amônio quaternário. Embora a copolimerização de DMDAAC com AM enfrente desafios para alcançar altos pesos moleculares devido ao impedimento estérico, DAC e DMC exibem melhor reatividade, permitindo a produção de polímeros de alto peso molecular. Um copolímero CPAM forte, PAMA, foi sintetizado reagindo AM com cloreto de metacrilamido propil trimetil (MAPTAC) sob radiação UV. No entanto, esses polímeros são propensos a encolhimento, hidrólise e floculação, com compatibilidade limitada em ambientes de alto pH. Os copolímeros CPAM enfrentam limitações em ambientes de alta salinidade e alto pH, onde o enrolamento da cadeia do polímero ou a hidrólise reduzem a eficiência da floculação. Esse desafio também foi observado em aplicações de remoção de metais. Por exemplo, Ageenko et al. investigaram a influência de floculantes à base de poliacrilamida na cimentação de cádmio a partir de soluções aquosas e descobriram que aditivos poliméricos afetaram significativamente a cinética da reação, morfologia e comportamento de separação, particularmente sob elevada força iônica. Seus achados ressaltam a importância de projetar sistemas à base de CPAM que permaneçam eficazes em condições de alta salinidade, semelhantes às encontradas em águas residuais de fraturamento hidráulico. A nanotecnologia oferece soluções inovadoras para o tratamento de água, incluindo funcionalidades de membrana e processos de filtração para dessalinização de água doce e água do mar. Nanopartículas têm sido utilizadas para melhorar a separação óleo-água com CPAM. As nanopartículas de Fe3O4, com propriedades magnéticas, permitem a separação via campos magnéticos e simplificam o tratamento. A modificação da superfície de Fe3O4 com KH570 melhora tanto a separação magnética quanto a eficiência de adsorção de óleo. O nano-SiO2 modificado, com sua alta área de superfície e propriedades ajustáveis, pode ser funcionalizado com compostos orgânicos como silano 3-(metacriloyloxy) propiltrimetóxi (KH570) para adsorção direcionada de contaminantes, proporcionando remoção adicional de óleo além da floculação induzida por CPAM. O monômero catiônico DMC possui um centro carregado positivamente além de sua dupla ligação, permitindo a produção de copolímeros de alto peso molecular. Cheng et al. sintetizaram o copolímero catiônico P(AM-DMC) usando AM e DMC através da polimerização por emulsão inversa. De acordo com a literatura, nosso trabalho de pesquisa é particularmente significativo porque introduz um sistema inovador de poliacrilamida catiônica (CPAM), sintetizado por acrilamida (AM) e cloreto de 2-methacryloxyethyltrimethyl (DMC), modificado com nano-SiO2 com agentes de silano KH570, oferecendo uma abordagem avançada e eficiente para separação óleo/água à base de caulim. A incorporação de materiais nano melhora as capacidades de adsorção e neutralização de carga, enquanto KH570 melhorou a interação do polímero com partículas suspensas, levando a uma floculação mais eficaz em dosagens reduzidas. Ao otimizar a composição e concentração do polímero, este estudo apresenta uma solução escalável para o tratamento de águas residuais de campos de petróleo, mitigando assim a pegada ambiental.f operações de fraturamento hidráulico. A capacidade de alcançar alta eficiência de separação enquanto minimiza o consumo de produtos químicos torna este estudo altamente relevante para aplicações industriais, garantindo a descarga de água mais limpa e promovendo práticas sustentáveis de gestão da água no setor de petróleo e gás.