Estudos de geração, caracterização e uso de nanobolhas na flotação de águas oleosas

Abstract

A presente dissertação consiste na apresentação de 3 artigos, envolvendo estudos básicos de geração e caracterização de micro e nanobolhas, e aplicação na flotação de óleo emulsificado em solução aquosa (salina). Nanobolhas (D32 = 150 - 250 nm) foram geradas por uma bomba centrífuga multifásica (Nikuni KTMD20N) e válvula agulha em uma coluna de reciclo, em pressões de operação variadas e diferentes tensões interfaciais ar/líquido. As nanobolhas foram resistentes ao cisalhamento causado no rotor da bomba e a altas pressões de operação, atingindo a maior concentração numérica (4,1 x 109 nanobolhas mL-1) na pressão de operação de 5 bar e tensão interfacial de 49 mN m-1 (holdup de ar = 6,8%). Em escala de bancada, emulsões oleosas (petróleo cru) em água salina foram floculadas utilizando uma poliacrilamida catiônica em pH 7. As melhores remoções de óleo foram obtidas na flotação com micro e nanobolhas utilizando uma pressão de saturação de 5 bar e 5 mg L-1 de Dismulgan. A flotação seguiu um modelo cinético de primeira ordem, com k de 1,3 e 1,8 min-1 para Psat de 3,5 e 5 bar, respectivamente. A injeção de nanobolhas em uma etapa de condicionamento após a floculação aumentou a eficiência geral da separação em até 11%. A separação com nanobolhas isoladas mostrou uma eficiência de remoção de óleo de 75 e 90%, com e sem NaCl (30 g L-1). Foi estudado o processo de floculação em linha e flotação em coluna para o tratamento de emulsões oleosas contendo 70-400 mg L-1 (turbidez = 70-226 NTU) de óleo (petróleo cru) e salinidade (30 e 100 g L-1 NaCl). A floculação foi realizada com uma poliacrilamida catiônica, em dois Reatores Geradores de Flocos (RGF®), com estágios de mistura rápida e lenta (perda de carga = 0,9 a 3,5 bar). A flotação foi realizada em duas colunas (1,5 e 2,5 m), com microbolhas (5-80 μm) e nanobolhas (50-300 nm de diâmetro, 108 nanobolhas mL-1) geradas por uma bomba centrífuga multifásica e uma válvula agulha. A maior eficiência foi obtida com a coluna mais alta, em uma taxa de aplicação de 10 m h-1, reduzindo o teor de óleo residual para 4 mg L-1 e turbidez para 7 NTU. Em alta taxa de aplicação superficial (27,5 m h-1), as concentrações de óleo residuais ficaram abaixo do padrão de emissão para plataformas marítimas (EPA - 29 mg L-1), atingindo 18 mg L-1.

The present dissertation consists in the presentation of 3 articles, involving basic studies on the generation and characterization of micro and nanobubbles, and application in flotation of emulsified oil in aqueous solution (saline). Nanobubbles (D32 = 150-250 nm) were generated by a centrifugal multiphase pump (Nikuni KTMD20N) and a needle valve in a recycle column, at various operating pressures and different air/liquid interfacial tensions. The nanobubbles were resistant to shear caused in the pump impellers and to high operating pressures, reaching the highest numerical concentration (4.1 x 109 nanobubbles mL-1) at the operating pressure of 5 bar and interfacial tension of 49 mN m-1 (air holdup = 6.8%). On the bench scale, oily emulsions (crude oil) in saline water were flocculated using a cationic polyacrylamide at pH 7. The best oil removals were obtained in flotation with micro and nanobubbles using a saturation pressure of 5 bar and 5 mg L-1 of Dismulgan. The flotation followed a first-order kinetic model, with k of 1.3 and 1.8 min-1 for Psat of 3.5 and 5 bar, respectively. Injection of nanobubbles in a conditioning stage after the flocculation increased the overall separation efficiency by up to 11%. Separation with isolated nanobubbles showed an oil removal efficiency of 75 and 90%, with and without NaCl (30 g L-1). The in-line flocculation and column flotation process for the treatment of oily emulsions containing 70-400 mg L-1 (turbidity = 70-226 NTU) of oil (crude oil) and salinity (30 and 100 g L- NaCl) was studied. The flocculation was performed with a cationic polyacrylamide in two Flocs Generator Reactors (FGR®), with fast and slow mixing stages (load loss = 0.9 to 3.5 bar). The flotation was carried out in two columns (1.5 and 2.5 m), with microbubbles (5-80 μm) and nanobubbles (50-300 nm in diameter, 108 nanobubbles mL-1) generated by a centrifugal multiphase pump and a needle valve. The highest efficiency was obtained with the highest column, with a hydraulic loading of 10 m h-1, reducing the residual oil content to 4 mg L-1 and turbidity to 7 NTU. At high hydraulic loading (27.5 m h -1), the residual oil concentrations were below the emission standard for offshore platforms (EPA - 29 mg L-1), reaching 18 mg L-1.