Aplicação de ultrafiltração por melhoramento micelar na remoção de compostos orgânicos solúveis presentes em água produzida de plataformas de extração de óleo e gás

Abstract

A água produzida (AP), que é a maior corrente de subproduto do processamento de petróleo, possui uma composição complexa, fazendo com que seu tratamento e descarte sejam considerados um grande desafio da indústria petroquímica. Um grupo de substâncias apresentadas na AP são os ácidos naftênicos (AN), que são solúveis em água, de manipulação e podem contaminar ecossistemas aquáticos difíceis de serem descartados sem tratamento adequado. A presença desses ácidos dificulta a eficácia do tratamento convencional da AP, que normalmente visa remover óleos e graxas dispersos. Portanto, o desenvolvimento de tecnologias que removem de forma eficiente os compostos orgânicos orgânicos é altamente necessário. O processo de ultrafiltração por melhoramento micelar (MEUF) é um método de separação por membranas que utiliza surfactantes para formar estruturas de auto agregação (micelas) na solução a ser filtrada. Essas micelas incorporam substâncias poluentes, aumentando seu tamanho, permitindo que sejam retidos pelas membranas de ultrafiltração. Neste trabalho, pela primeira vez, realizou-se um estudo em escala laboratorial da utilização da técnica de MEUF para a retenção de AN em água produzida sintética (APS) com alta concentração de sal, sendo o ácido ciclohexanocarboxílico (AC) utilizado como composto modelo na solução monocomponente. Foi avaliada a eficiência da aplicação de três surfactantes, dodecil sulfato de sódio (SDS), cloreto de cetilpiridínio e Triton X-100, na remoção de AC. Além disso, foram avaliados os efeitos dos fatores de concentração de surfactante, pH e pressão de operação na retenção de AC e no fluxo de permeado. O tamanho da micela, como e sem contaminante, foi determinado pela técnica de propagação de luz dinâmica em diferentes valores de pH. A concentração micelar crítica (CMC) dos surfactantes em APS foi determinada por tensão superficial. A quantificação de AN foi realizada por espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier após a remoção da amostra em diclorometano. Com a avaliação dos parâmetros influentes no processo, foram realizados experimentos com outros dois modelos de ANs e as misturas binárias e ternárias deles. A aplicação do MEUF na redução do teor de óleos de graxas (TOG) de uma amostra de AP real também foi avaliada. Os resultados obtidos demonstraram que o CMC dos surfactantes é prejudicial em cerca de 85% para a APS em relação à água pura. Dentre os surfactantes avaliados, a FDS foi o que apresentou maior eficiência de retenção de AC. Para a remoção com SDS em APS, a concentração de surfactante não se mostrou estatisticamente significativa nos períodos treinados, sendo que somente a pressão de operação influencia no fluxo de permeado. Micelas de SDS e AC foram identificadas apenas em pH 2. Retenções de 44% foram alcançadas com SDS em experimentos realizados em 24 °C, 200 kPa, pH 2 e 100 vezes a CMC, sendo o fluxo de permeado de 81 L/m²h. O aumento do pH diminui a eficiência de retenção, uma vez que os ácidos graxos são desprotonados e interagem menos com o interior micelar. As retenções de outros ANs atingiram um máximo de 37%. Utilizando a matriz real de AP, a técnica de MEUF prejudicada 83% do TOG nos experimentos realizados em 24 °C, 866 mg/L de SDS e 300 kPa, porém, sob baixo fluxo de permeado, de aproximadamente 13 L/m²h. Com os resultados obtidos, foi possível afirmar que a técnica de MEUF tem potencial para a redução do teor de óleos e graxas presentes no AP real.

Abstract: The produced water (PW), which is the largest byproduct stream of petroleum processing, has a complex composition, making its treatment and disposal a major challenge in the petrochemical industry. A group of substances present in PW is naphthenic acids (NA), which are water-soluble, resistant to degradation, and can contaminate aquatic ecosystems if discharged without proper treatment. The presence of these acids complicates the effectiveness of conventional PW treatment, which typically aims to remove dispersed oils and greases. Therefore, the development of technologies that efficiently remove dissolved organic compounds is highly demanded. The micellar-enhanced ultrafiltration (MEUF) process is a membrane separation method that uses surfactants to form self-aggregating structures (micelles) in the solution to be filtered. These micelles incorporate pollutants, increasing their size, allowing them to be retained by ultrafiltration membranes. In this work, a laboratory-scale study was conducted for the first time on the use of the MEUF technique for the retention of NA in synthetic produced water (SPW) with a high salt concentration, with cyclohexanecarboxylic acid (CA) used as a model compound in the single-component solution. The efficiency of three surfactants, sodium dodecyl sulfate (SDS), cetylpyridinium chloride, and Triton X-100, in CA removal was evaluated. Additionally, the effects of surfactant concentration, pH, and operating pressure on CA retention and permeate flux were assessed. Micelle size, with and without contaminants, was determined by dynamic light scattering at different pH values. The critical micelle concentration (CMC) of surfactants in SPW was determined by surface tension. NA quantification was performed by Fourier-transform infrared spectroscopy after sample extraction in dichloromethane. With the evaluation of influential parameters in the process, experiments were conducted with two other NA models and their binary and ternary mixtures. The application of MEUF in reducing total oil and grease (TOG) content from a real PW sample was also assessed. The results showed that the CMC of surfactants decreased by about 85% for SPW compared to pure water. Among the evaluated surfactants, SDS showed the highest efficiency in CA retention. For removal with SDS in SPW, the surfactant concentration was not statistically significant in the studied parameters, with only the operating pressure influencing the permeate flux. SDS and CA micelles were identified only at pH 2, and 44% retentions were achieved in experiments conducted at 24 °C, 200 kPa, pH 2, and 100 times the CMC, with a permeate flux of 81 L/m²h. Increasing the pH reduced the retention efficiency, as acids are deprotonated and interact less with the micellar interior. Retentions of other NAs reached a maximum of 37%. Using the real PW matrix, the MEUF technique reduced 83% of TOG in experiments conducted at 24 °C, 866 mg/L SDS, and 300 kPa, but under low permeate flux, approximately 13 L/m²h. With the results obtained, it was possible to affirm that the MEUF technique has the potential to reduce the oil and grease content present in real PW.