Desempenho do processo Fenton na redução do teor de óleos e graxas (TOG) em água de produção de petróleo

ISBN 978-85-85905-25-5

Área

Ambiental

Autores

Silva, F.P. (UFRJ) ; Marques, E.G. (UFRJ) ; Fonseca, F.V. (UFRJ)

Resumo

A água de produção (AP) é, atualmente, um grande desafio para a indústria de petróleo. De gerenciamento difícil, seus principais destinos acabam sendo o descarte, o reúso ou a reinjeção, muitas vezes necessitando de um tratamento para se adequarem aos limites exigidos pela legislação. No presente trabalho, estudou-se várias condições experimentais de aplicação do processo Fenton, com variação de pH e concentrações de peróxido de hidrogênio (H₂O₂) e íons ferrosos (Fe(II)), tendo sido possível observar reduções de óleos e graxas de quase 100,0% em pH 6,0 e concentração de 284,87 mg.L^-1 de Fe(II) e variação na concentração de H₂O₂, sugerindo ser vantajoso a investigação da aplicação de um processo nesta faixa de pH.

Palavras chaves

processo Fenton; água de produção de petró; teor de óleos e graxas

Introdução

O petróleo é, atualmente, uma das matéria-primas mais importantes e negociadas a nível mundial, sendo a principal fonte de energia e receita para muitos países (SANTOS E NASCIMENTO, 2016; CASSELLA et al., 2005). Em campo petrolífero, sua produção ocorre de forma associada a gás e água (REYNOLDS, 2003). Aliada ao aumento de sua demanda, água de produção, água produzida ou água de processo (AP) são termos utilizados para se referirao efluente que consiste na mistura da água de formação do poço produtor, bem como nas águas de injeção, a usada para dessalinização do petróleo produzido e a de condensação, alcançando a superfície juntamente com o material extraído do reservatório (AL-GHOUTI et al., 2019; SINGH, 2010; FAKHRU’L-RAZI et al, 2009; VEIL et al, 2004). Por ter composição complexa, contendo íons e gases dissolvidos como ferro, cloreto, sulfeto de hidrogênio, sulfato, e além de bactérias, altos teores de sólidos e óleo e produtos químicos como desemulsificantes, biocidas, antiespumas, antiincrustrantes, entre outros (CURBELO, 2002), a AP possui gerenciamento difícil, sendo sua destinação final passível de ocorrer tanto por descarte, como por reúso e até mesmo reinjeção (MOTTA et al., 2013). Em geral, o maior problema associado a AP é o teor de óleos e graxas (TOG), sendo este um parâmetro fundamental e regulado pela legislação conforme a resolução CONAMA 393/2007, que atribui uma concentração média máxima de 29 mg.L^-1, com valor máximo de 42 mg.L^-1 para descarte no caso de plataformas marítimas,e da resolução CONAMA 430/2011, que atribui valor máximo de 20 mg.L^-1 para óleos minerais para casos de proximidades do litoral. Para adequação aos limites da legislação, vários são os tratamentos a que ela pode ser submetida, como, por exemplo, separação gravitacional, flotação, hidrociclones, processos adsortivos, coagulação, processos biológicos, membranas, processos oxidativos avançados (POA), entre outros (CAPPS et al., 1993; BENSADOK et al. 2007; FERNANDES JUNIOR, 2006; FAKHRU’L-RAZI et al., 2009;RICHER, 2009; IWAKI, 2015, MOTTA et al., 2013; ALATON et al., 2002). Com relação aos POA, estes se baseiam na geração de radicais hidroxila (.OH),responsáveis pela oxidação de poluentes orgânicos,utilizando ou não um catalisador para acelerar a cinética de reação (ALATON et al., 2002). Dentre os oxidantes empregados, o ozônio (O₃) e o peróxido de hidrogênio (H₂O₂) são os mais comuns. No POA conhecido como Fenton, íons ferrosos (Fe(II)) catalisam a degradação do H₂O₂ em ^.OH e causam sua decomposição química posteriormente (TORRES, 2015). Nesse contexto, o presente trabalho objetiva a avaliação do desempenho do processo Fenton na redução do TOG de amostras de AP de petróleo, em condições de pH diferentes e variação da concentração de H₂O₂e Fe(II).

Material e métodos

Amostras formuladas: As amostras formuladas foram preparadas visando a reprodução das características de amostras de água produzida oriundas de uma refinaria anteriormente caracterizada. Todos os reagentes e solventes usados foram, no mínimo, de grau analítico. Já o óleo foi cedido também pela refinaria. O efluente simulado possuía concentração de cloreto de sódio (NaCl) de 100.000 mg.L^-1 e de 100±5 mg.L^-1 de óleo, ambos adicionados a água anteriormente aquecida a 80ºC com auxílio de uma placa de aquecimento e sob agitação de 15000 rpm em equipamento ultraturrax. Condução dos experimentos com oxidação avançada – Reação de Fenton homogênea: Os ensaios foram desenvolvidos em erlenmeyers de 250 mL. Em cada erlenmeyer era adicionado um volume de 200 mL do efluente simulado, de onde eram retiradas alíquotas de volume igual à soma dos demais reagentes que seriam adicionados. Em seguida, o sulfato de ferro heptaidratado (FeSO₄^.7H₂O) era misturado sob agitação, e o pH era ajustado com uma solução de ácido sulfúrico (H₂SO₄) ou hidróxido de sódio (NaOH), conforme necessidade.Como o peróxido de hidrogênio (H₂O₂) não alterava de forma significativa o pH dos testes, assim que este era adicionado, os erlenmeyers eram lacrados com papel alumínio e colocados em uma mesa agitadora a 200 rpm por 2 horas. Os valores de pH escolhidos para a avaliação foram 3,0, por ser o pH descrito na literatura como ótimo para a reação de Fenton (NEYENS E BAYENS, 2003) e 6,0, por ser próximo ao pH natural do efluente (5,8). As concentrações escolhidas levaram em consideração uma demanda química de oxigênio (DQO) teórica de 268 mgO₂.L^-1. Ao final dos ensaios, o teor de óleos e graxas (TOG) era mensurado a partir de metodologia descrita por MORAES (2005).

Resultado e discussão

Os experimentos foram executados conforme apresentado na Tabela 1. Os resultados obtidos para a eficiência do processo Fenton em cada condição experimentada, dado em função da redução de TOG (%), constam na Figura 1. Considerando fixo o pH e variando apenas as concentrações de H₂O₂ e Fe(II) adicionado, percebeu-se que, em pH 3,0, os experimentos 2 e 4 tiveram os melhores resultados (Figura 1 a)), apresentando eficiência em torno de de 94,0% na redução do TOG, o que permite inferir que, para o caso em que a concentração de H₂O₂ estudada era máxima, a concentração de Fe(II) utilizada não teve importância significativa para o objetivo do presente trabalho. Com relação aos experimentos 1 e 3, nos quais a diferença era a variação na concentração de Fe(II), foi percebido que a adição de uma concentração maior de Fe(II) teve pouca influência na eficiência do processo Fenton a pH 3,0. Sabe-se que, quando a concentração de Fe(II) excede a de H₂O₂, o tratamento tende a apresentar predominância de coagulação química (NEYENS E BAYENS, 2003), nesse caso, visto que as concentrações iniciais eram de 1:1 ou 1:2 nos ensaios 1 e 3, a concentração de Fe(III) poderia estar atrapalhando a oxidação química desejada. Quanto aos experimentos nos quais era fixado o pH em 6,0, nas condições em que a concentração de Fe(II) era a máxima estudada (experimentos 3 e 4), as eficiências de remoção de TOG alcançaram quase 100,0%, independente da concentração de H₂O₂. Isso pode ser aplicado por raciocínio parecido ao anterior: a presença de H₂O₂ em concentração maior, pode favorecer a oxidação química (NEYENS E BAYENS, 2003), porém o pH mais alto pode ter favorecido decomposição do H₂O₂ em oxigênio e água em um grau maior (LANGE et al., 2006). Com relação aos ensaios 1 e 2, onde as concentrações de Fe(II) eram mínimas, um aumento na concentração de H₂O₂ levou a um aumento considerável na eficiência do processo, fenômeno esse já explicado anteriormente (NEYENS E BAYENS, 2003). Em linhas gerais, sabendo- se que cada experimento 1, 2, 3 e 4 aqui descrito se referem a condições semelhantes em que ocorre mudança apenas no pH reacional, é possível observar que, para o caso em que se adiciona a mínima concentração de H₂O₂ e Fe(II), a eficiência do processo fica por volta de 80,0% nos dois casos (experimentos 1, Figura 1 a) e b)). Nos experimentos 2, eficiência superior ocorre para o caso em que o pH reacional é menor, o que pode ser explicado pelo fato de que, em pH maior e na presença de concentração mais alta de H₂O₂, o próprio H₂O₂ pode atuar como “sequestrador” de radical hidroxila, formando íons hidroxiperoxila em condições onde Fe(II) está em concentrações menores com relação a de íons férricos (Fe(III)) (NOGUEIRA et al., 2007). Diante dos resultados obtidos, pôde-se constatar que, apesar de a reação de Fenton ocorrer de maneira mais significativa em valores de pH por volta de 3,0, a redução do teor de óleos e graxas das amostras de água de produção utilizadas ocorreu melhor em condições onde o pH era 6,0 o que significa menores gastos com reagentes, uma vez que o pH do efluente bruto era de 5,8.

Condições experimentais utilizadas para avaliação do processo.


Eficiência na redução do TOG (%): a) em pH 3,0; b) em pH 6,0.

Conclusões

No presente trabalho foi possível avaliar a eficiência do processo Fenton na remoção do teor de óleos e graxas em amostras de água de produção formuladas em condições de variação de pH e nas concentrações de H2O2 e Fe(II). Diante do exposto, ficou clara a necessidade de pensar na utilização de uma proposta onde o pH reacional para o tratamento fosse 6,0, uma vez que este pH esta na faixa do efluente bruto utilizado no presente trabalho, sendo vantajoso no ponto de vista de economia no gasto com reagentes.

Agradecimentos

À Escola de Química da Universidade Federal do Rio de Janeiro (EQ/UFRJ) e ao Laboratório de Tratamento de Águas e Reúso de Efluentes (LabTARE).

Referências

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