Основные моменты

Аннотация Эффективное отделение нефти от сложных промышленных сточных вод, особенно при обратном потоке гидравлического разрыва, остается критической экологической проблемой. В данном исследовании представлен инновационный подход к использованию катионного полиакриламида (CPAM), синергетически модифицированного гидрофобным нано-силикагелем (SiO2) и 3-(метакрилоксипропилтриметоксисиланом) (KH570), для повышения эффективности разделения нефти и воды. Сравнительная оценка немодифицированного CPAM и композитов CPAM-SiO2-KH570 при различных загрузках SiO2 (10 %, 13 % и 16 %) показала значительные улучшения в производительности. Немодифицированный CPAM достиг пикового коэффициента пропускания 89 % при pH 7 (0,4 г/л), с уменьшенной прозрачностью в кислых и щелочных условиях. В отличие от этого, нано-модифицированные композиты продемонстрировали превосходную и более устойчивую флокуляцию. Композит с 10 % SiO2 показал отличную прозрачность (90–94 % при pH 7) и наибольшую дозовую толерантность (0,3–0,4 г/л), обеспечивая высокую оперативную гибкость. Композит с 13 % SiO2 достиг наивысшей и наиболее устойчивой прозрачности (95–98 % при pH 7) в широком диапазоне дозировок (0,25–0,4 г/л), сохраняя высокую производительность при различных значениях pH, что делает его идеальным для высокоспецификационной доработки. Хотя композит с 16 % SiO2 обеспечивал прояснение (∼99 %) при более низких дозировках (0,1–0,2 г/л), он продемонстрировал узкое оптимальное окно и высокую чувствительность к pH. Эти улучшения являются результатом увеличенного гидродинамического диаметра гибридного флокулянта 16–25 мкм по сравнению с ∼7 мкм для CPAM и устойчивого положительного заряда. Кроме того, более сильное электростатическое и гидрофобное закрепление за счет алкильной оболочки KH570, в сочетании с улучшенной способностью к мостиковому связыванию благодаря жестким силикагелевым узлам, приводит к более стабильным флокам. Это исследование демонстрирует, что гидрофобно модифицированный нано-CPAM предлагает высокоэффективное, быстрое и структурно устойчивое решение для очистки сточных вод нефтяных месторождений, обеспечивая высокую эффективность разделения с уменьшенным потреблением химикатов и способствуя устойчивым практикам управления водными ресурсами.

Быстрый рост индустриализации и увеличение выбросов нефти из нефтяной и нефтехимической промышленности угрожают здоровью человека и окружающей среде. Загрязнение нефтью в производственной воде в первую очередь происходит из-за эмульгированной или свободной нефти [3]. Свободную нефть можно удалить с помощью гравиметрической сепарации и механических процессов, но эмульгированную нефть сложно отделить из-за ее стабильности в воде и экологических рисков. Жидкости для гидравлического разрыва, состоящие примерно из 94 % воды, 5 % проппантов и 1 % добавок, необходимы для нетрадиционной добычи нефти и газа [8,9]. Стабильность воды, возвращающейся после гидравлического разрыва (HFW), зависит от нескольких факторов, особенно от высоких уровней солености и pH. Недавние достижения в обработке HFW сосредоточены на коагуляции/флокуляции, которая дестабилизирует коллоидные частицы и усиливает агрегацию для эффективного разделения, а также на адсорбционных методах. Отрицательные заряды на каплях нефти имеют решающее значение для стабильности нефтяно-водяных эмульсий. Они создают электростатическое отталкивание, которое предотвращает слияние и поддерживает дисперсное состояние нефти в воде. В этом контексте основные механизмы, управляющие взаимодействиями флокулянта и эмульсии, были широко исследованы в недавней литературе. Дей и др. подчеркнули роль нейтрализации заряда и полимерного мостика как основных механизмов дестабилизации в коллоидных системах, которые остаются центральными как для естественных, так и для синтетических приложений флокулянтов. Эти идеи предоставляют теоретическую основу для разработки высокоэффективных полимерных флокулянтов в сложных водных средах.

Катионный полиакриламид (CPAM) — это водорастворимый полимер, синтезируемый с помощью таких методов, как полимеризация в растворе, инверсная эмульсия/микроэмульсионная полимеризация и полимеризация в водной дисперсии. Полимеризация в водной дисперсии — это увлекательная техника, используемая для синтеза полимеров. В отличие от полимеризации в растворе, где полимер остается в растворе, или эмульсионной/микроэмульсионной полимеризации, которая часто использует органические растворители, полимеризация в водной дисперсии создает дисперсию полимерных частиц непосредственно в водной среде. CPAM широко используется в качестве агента для обезвоживания осадков благодаря высокой плотности положительного заряда, внутренней вязкости и регулируемому молекулярному весу. Его положительный заряд притягивает отрицательно заряженные капли масла, образуя флоксы. CPAM обычно производится путем сополимеризации акриламида (AM) с катионными мономерами, такими как акриламидоксиэтилтриметиламмоний хлорид (DAC), 2-метакриламидоксиэтилтриметиламмоний хлорид (DMC), диалилдиметиламмоний хлорид (DMDAAC) и четвертичные аммониевые мономеры. Хотя сополимеризация DMDAAC с AM сталкивается с проблемами достижения высоких молекулярных весов из-за стерического затруднения, DAC и DMC демонстрируют лучшую реактивность, что позволяет производить полимеры с высоким молекулярным весом. Сильный сополимер CPAM, PAMA, был синтезирован путем реакции AM с метакриламидами пропилтриметиламмоний хлоридом (MAPTAC) под УФ-излучением. Однако эти полимеры подвержены усадке, гидролизу и флокуляции, с ограниченной совместимостью в условиях высокого pH. Сополимеры CPAM сталкиваются с ограничениями в условиях высокой солености и высокого pH, где сворачивание цепей полимера или гидролиз снижает эффективность флокуляции. Эта проблема также была замечена в приложениях по удалению металлов. Например, Агеенко и др. исследовали влияние флокулянтов на основе полиакриламида на цементацию кадмия из водных растворов и обнаружили, что полимерные добавки значительно влияли на кинетику реакции, морфологию и поведение разделения, особенно при повышенной ионной силе. Их результаты подчеркивают важность разработки систем на основе CPAM, которые остаются эффективными в условиях высокой солености, аналогичных тем, что в сточных водах гидравлического разрыва. Нанотехнологии предлагают инновационные решения для очистки воды, включая мембранные функции и процессы фильтрации для опреснения пресной и морской воды. Наночастицы использовались для улучшения разделения масла и воды с CPAM. Наночастицы Fe3O4 с магнитными свойствами позволяют разделение с помощью магнитных полей и упрощают обработку. Модификация поверхности Fe3O4 с KH570 улучшает как магнитное разделение, так и эффективность адсорбции масла. Модифицированный нано-SiO2 с его высокой площадью поверхности и регулируемыми свойствами может быть функционализирован органическими соединениями, такими как 3-(метакриламидами) пропилтриметоксисилан (KH570) для целевой адсорбции загрязняющих веществ, обеспечивая дополнительное удаление масла помимо флокуляции, вызванной CPAM. Катионный мономер DMC имеет положительно заряженный центр за пределами своей двойной связи, что позволяет производить сополимеры с высоким молекулярным весом. Ченг и др. синтезировали катионный сополимер P(AM-DMC), используя AM и DMC через инверсную эмульсионную полимеризацию. Согласно литературе, наша исследовательская работа особенно значима, поскольку она вводит инновационную систему катионного полиакриламида (CPAM), синтезированную из акриламида (AM) и 2-метакриламидами пропилтриметиламмоний хлоридом (DMC), модифицированную нано-SiO2 с агентами с KH570, предлагая продвинутый и эффективный подход к разделению масла/воды на основе каолина. Включение нано-материалов улучшает способности адсорбции и нейтрализации заряда, в то время как KH570 улучшает взаимодействие полимера с взвешенными частицами, что приводит к более эффективной флокуляции при сниженных дозах. Оптимизируя состав и концентрацию полимера, это исследование представляет собой масштабируемое решение для очистки сточных вод нефтяных месторождений, тем самым уменьшая экологический след.f гидравлические разрывы пласта. Способность достигать высокой эффективности разделения при минимизации потребления химических веществ делает это исследование крайне актуальным для промышленных приложений, обеспечивая более чистый сброс воды и способствуя устойчивым практикам управления водными ресурсами в нефтегазовом секторе.