Estudo experimental integrado à modelagem matemática e validação numérica aplicado à degradação de ácido benzoico por UVC/H2O2

Abstract

A gestão da água produzida representa um desafio crucial para a indústria de petróleo e gás durante as fases de exploração e refino. Devido aos seus volumes substanciais e complexa composição, o tratamento dessa água requer atenção especial e resulta em custos significativos para as empresas do setor. Os ácidos naftênicos, destacados por sua recalcitrância, acrescentam uma camada adicional de complexidade ao processo de tratamento. O ácido benzoico, um ácido carboxílico aromático simples, tem sido objeto de estudo extensivo devido à sua semelhança estrutural com os ácidos naftênicos, enfatizando sua relevância no desenvolvimento de estratégias de tratamento. Normativas regulamentam o descarte da água produzida, impondo padrões rigorosos em prol da proteção ambiental. Embora os métodos convencionais de remoção de óleo sejam amplamente empregados, muitas vezes não são suficientes para produzir um efluente compatível com os padrões de reutilização benéfica. Nesse contexto, os processos oxidativos avançados (POAs) emergem como alternativas promissoras, oferecendo eficácia na degradação de poluentes orgânicos recalcitrantes. Entre os POAs, o UV/H2O2 se destaca por suas vantagens operacionais e eficiência na geração de radicais hidroxila. Para aprimorar e compreender melhor esse processo, é essencial desenvolver mecanismos cinéticos e modelos matemáticos que permitam simular uma variedade de condições experimentais, proporcionando uma abordagem mais clara e econômica no tratamento da água produzida na indústria de petróleo e gás. Os resultados obtidos neste estudo indicam que a oxidação do ácido benzoico pelo processo UV/H2O2 alcançou remoções entre 12,29 e 91,60% em um reator de batelada em 120 minutos, enquanto no reator tubular com recirculação as remoções atingiram remoções de até 92,50% em 60 minutos de reação. Além disso, os resultados experimentais destacam a influência significativa do pH da solução e da concentração de H2O2 no processo de oxidação, com melhores índices de remoção observados em pH 3. Também foi observado que o coeficiente de extinção molar do ácido benzoico é dependente do pH, indicando uma maior capacidade de absorção de fótons em pH baixo. A partir do modelo matemático proposto para a fotólise direta, foi determinado um rendimento quântico de ácido benzoico de 0,00025 mol/Einstein. Finalmente, o modelo matemático desenvolvido para o processo UV/H2O2 demonstrou elevada precisão na previsão dos dados experimentais, bem como na análise dos efeitos das variáveis de processo, tanto em reator batelada quanto em reator tubular com recirculação, onde técnicas de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) foram aplicadas com eficácia, permitindo descrever com precisão os perfis de velocidade, a distribuição das espécies químicas e do comportamento da radiação no sistema. Por fim, esta pesquisa demonstrou a eficácia do processo UVC/H2O2 na oxidação do ácido benzoico na água produzida e os resultados oferecem percepções valiosas sobre a cinética de reação e os efeitos das condições experimentais. Esse conhecimento é crucial para o desenvolvimento de estratégias eficazes para o tratamento de águas contaminadas.

Abstract: The management of produced water poses a critical challenge for the oil and gas industry during exploration and refining phases. Due to its substantial volumes and complex composition, treating this water requires special attention and results in significant costs for sector companies. Naphthenic acids, noted for their recalcitrance, add an additional layer of complexity to the treatment process. Benzoic acid, a simple aromatic carboxylic acid, has been extensively studied due to its structural similarity to naphthenic acids, underscoring its relevance in treatment strategy development. Regulations govern the disposal of produced water, imposing stringent standards for environmental protection. Although conventional oil removal methods are widely used, they often fall short of producing effluent compatible with beneficial reuse standards. In this context, advanced oxidative processes emerge as promising alternatives, offering efficacy in degrading recalcitrant organic pollutants. Among these processes, UV/H2O2 stands out for its operational advantages and efficiency in generating hydroxyl radicals. To enhance and better understand this process, it is essential to develop kinetic mechanisms and mathematical models that allow for simulating of a variety of experimental conditions, providing a clearer and more economical approach to produced water treatment in the oil and gas industry. The results obtained in this study indicate that the oxidation of benzoic acid by the UV/H2O2 process achieved removals between 12.29 and 91.60% in a batch reactor over 120 minutes, while in the tubular reactor with recirculation, removals reached up to 92.50% within 60 minutes of reaction. Additionally, experimental results highlight the significant influence of solution pH and H2O2 concentration on the oxidation process, with better removal rates observed at pH 3. It was also observed that the molar extinction coefficient of benzoic acid is pH-dependent, indicating a greater photon absorption capacity at low pH. From the proposed mathematical model for direct photolysis, a quantum yield of benzoic acid of 0.00025 mol/Einstein was determined. Finally, the mathematical model developed for the UV/H2O2 process proved to be accurate in predicting the experimental data, as well as in analyzing the effects of the process variables, both in batch reactor and in tubular reactor with recirculation, where Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques were effectively applied, allowing for precise description of velocity profiles, chemical species distribution, and radiation behavior in the system. Ultimately, the research showcased the effectiveness of the UVC/H2O2 process in oxidizing benzoic acid in produced water, and the results offer valuable insights into reaction kinetics and the effects of experimental conditions. This knowledge is crucial for the development of effective strategies for the treatment of contaminated waters.