Eliminación de hidrocarburos y metales pesados del agua petrolera mediante métodos modernos de nanotecnología verde

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 5637 (2023) Citar este artículo

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Metales pesados considerados, como As(III), Bi(II), Cd(II), Cr(VI), Mn(II), Mo(II), Ni(II), Pb(II), Sb(III). , Se(-II), Zn(II) y compuestos químicos contaminantes (hidrocarburos aromáticos monocíclicos como derivados fenólicos o policíclicos) en aguas residuales (industrias petroquímicas: plantas de producción de petróleo y gas) son actualmente una gran preocupación en toxicología ambiental debido a su efectos tóxicos sobre la vida acuática y terrestre. Para mantener la biodiversidad, los ecosistemas de la hidrosfera y las personas, es fundamental eliminar estos metales pesados y compuestos químicos contaminantes del medio acuático. En este estudio, se sintetizaron diferentes nanopartículas (α-Fe2O3, CuO y ZnO) mediante el método de síntesis verde utilizando extracto de hoja de Portulaca oleracea y se caracterizaron mediante espectrofotómetros UV-Vis, espectroscopía FTIR, difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de barrido ( SEM), técnicas de espectroscopía de dispersión de energía (EDS) para investigar la morfología, composición y estructura cristalina de las NP, que luego se utilizaron como adsorbentes para la eliminación de As(III), Bi(II), Cd(II), Cr. (VI), Mn(II), Mo(II), Ni(II), Pb(II), Sb(III), Se(-II) y Zn(II) de aguas residuales, y se obtuvieron eficiencias de eliminación de 100 % en condiciones óptimas.

La enorme cantidad de agua residual que se produce durante la extracción de petróleo crudo se conoce como agua producida. Consiste en agua de inyección de pozo petrolero mezclada con agua de formación que ya está presente en el pozo. El agua producida disuelve sólidos y sólidos suspendidos y contiene una alta concentración de aceite. Esta investigación está interesada en tratar el agua resultante de la petrolera del Sur de ARGELIA1.

En la industria petrolera, la creciente demanda de crudo provoca vertidos muy importantes que causan daños irreversibles e irreparables a la naturaleza y al medio ambiente. Entre estos vertidos se pueden citar las aguas de yacimiento acompañadas de petróleo crudo que se obtienen al nivel del separador a la salida de los pozos petroleros, caracterizados esencialmente por altos niveles de hidrocarburos así como por altos niveles de sólidos en suspensión y metales pesados2. Estos metales son resistentes a la degradación ambiental, difíciles de metabolizar y tienen el potencial de acumularse en las cadenas alimentarias de los seres humanos o de los ecosistemas mediante la ingestión3.

Para luchar eficazmente contra estos problemas de contaminación, cuyas consecuencias son diversas, los investigadores han propuesto varias soluciones, pero requieren medios colosales de los que deben hacerse cargo las empresas petroleras. Entre las soluciones está caracterizar, tratar y valorizar el agua de este depósito eliminando los metales pesados y evitando la formación de lodos, fuente de contaminación de las aguas subterráneas4.

Actualmente existen formas de tratar el agua procedente de las industrias del petróleo y el gas con materias primas costosas, con un coste enorme de producir agua tratada para su posible reutilización5. A modo indicativo, estos procesos presentan ciertas limitaciones como la imposibilidad de eliminar determinados elementos y la producción de residuos secundarios que requieren un tratamiento adicional. El objetivo de este proyecto es fabricar compuestos de tamaño nanométrico, localmente a un menor coste y con un alto rendimiento para eliminar residuos de diferentes tipos y tamaños.

En el mundo actual, los investigadores y científicos están cada vez más interesados en las nanopartículas inorgánicas, especialmente los óxidos, ya que son consideradas un pilar científico gracias a su representación de los logros científicos y tecnológicos modernos6,7. Las nanopartículas de óxido metálico se han empleado ampliamente en una variedad de aplicaciones, como plata, hierro, cobre, oro y nanopartículas de óxido como óxido de hierro (hematita α-Fe2O38, magnetita Fe3O49), óxido de zinc10,11 y óxido de cobre (cuproso). óxido Cu2O12 y óxido cúprico CuO13), se ha utilizado ampliamente en muchas aplicaciones diferentes en ingeniería de materiales, bioquímica y medicina14,15. Estas nanopartículas, hematita (α-Fe2O3), óxido de zinc y óxido cúprico (CuO), han despertado el interés de los investigadores debido a sus inusuales capacidades estructurales, ópticas y catalíticas, su gran superficie y su resistencia a la corrosión, lo que las convierte en una opción prometedora. para catálisis y aplicaciones biológicas16. Se consideró que las nanopartículas (α-Fe2O3, CuO y ZnO) eran eficientes y podían servir como transportadores de fármacos. Además, las nanopartículas (α-Fe2O3, CuO y ZnO) tienen una variedad de aplicaciones médicas, como actividades antibacterianas, antifúngicas, anticancerígenas y antidiabéticas.

Se utilizó la técnica de espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente para demostrar la capacidad de adsorción y eliminación de metales pesados presentes en el agua del yacimiento por los distintos adsorbentes: ZnO, α-Fe2O3 y CuO NP. Además, el agua del campo es una mina de oro que podría contener hasta un 60% de petróleo crudo no explotado y podría utilizarse en diversos campos industriales17,18.

Se estudió la degradación fotocatalítica de agua oleosa (OIW) saturada de hidrocarburos y sólidos suspendidos totales (SST) de aguas residuales asociadas con la producción de petróleo crudo utilizando varias nanopartículas α-Fe2O3, CuO y ZnO, preparadas mediante síntesis verde. Además de eliminar metales pesados. Para la caracterización de nanopartículas se utilizaron difracción de rayos X (XRD), microscopio electrónico de barrido (SEM) y espectroscopia infrarroja por transformadas de Fourier (FTIR). Se ha descubierto que estas nanopartículas son muy eficientes y la fotomineralización total de estos compuestos orgánicos a dióxido de carbono y agua se produce en una solución equilibrada con aire en 1 h.

Las hojas de Portulaca oleracea L. se recolectaron de El Oued, sudeste de Argelia; la investigación experimental realizada en este estudio cumple con las directrices y la legislación institucionales, nacionales e internacionales pertinentes para la investigación sobre material vegetal. El acetato de zinc (Zn (CH3COO)2·2H2O, 98%), el cloruro férrico (FeCl3·6H2O, 98%), el sulfato de cobre (CuSO4.5H2O, 98%) se adquirieron en Sigma-Aldrich, Alemania. En todos los experimentos se utilizó agua destilada.

Primero, se lavaron 250 g de hojas frescas y recolectadas de Portulaca oleracea de granjas locales en la región de El-Oued (sureste de Argelia) con agua del grifo para eliminar la suciedad y los depósitos orgánicos de las hojas y luego se enjuagaron repetidamente con agua desmineralizada y luego se trituraron. y filtrado. Los componentes de las hojas frescas se extraen mezclando 250 g de hojas con 900 ml de agua destilada en un vaso de vidrio de 1000 ml. La mezcla se agitó durante 15 min a temperatura ambiente. Luego filtrarlo por el método de decantación y mantener el extracto fresco almacenándolo a 4 °C para su uso posterior19,20,21.

Se utilizaron protocolos modificados de estudios previos para la síntesis de NP de α-Fe2O3, ZnO y CuO mediante un método verde utilizando extracto de plantas22,23. Para la síntesis de NP α-Fe2O3, ZnO y CuO. Se prepararon diferentes soluciones de sales minerales (cloruro férrico (FeCl3·6H2O), acetato de zinc (Zn(CH3COO)2·2 H2O) y sulfato de cobre (CuSO4.5H2O)) utilizando agua destilada. Se mezclaron aproximadamente 10 ml de cada concentración con 1 ml de extracto de hojas de Portulaca oleracea con agitación continua. Con agitación controlada y continua (600 rpm) a 70 °C durante 2 h, el color de la solución cambia. Luego el precipitado se centrifugó y se lavó varias veces con agua desionizada y se secó a 100 °C en una estufa durante 48 h. Finalmente, las NP α-Fe2O3, ZnO y CuO se trituraron hasta obtener un polvo fino24,25.

El producto sólido final se recogió mediante centrifugación y se lavó bien varias veces con agua destilada. El producto se secó durante la noche a 100 °C y luego se calentó en un horno a 500 °C durante 3 h. Los polvos resultantes se almacenaron en contenedores para diferentes caracterizaciones26,27,28.

Se utiliza un método de caracterización multiuso llamado espectroscopia UV-Vis para verificar las características ópticas, incluida la transparencia y la banda prohibida. El instrumento es el espectrofotómetro Shimadzu UV-Vis modelo 1800, que opera en el rango de longitud de onda de 200 a 900 nm. Se empleó agua destilada como disolvente de referencia durante todo el análisis de las muestras en una celda de cuarzo. La existencia de grupos funcionales en el extracto químico de las hojas se determinó primero mediante espectroscopía de transformada de Fourier, y luego se estudió la composición de los enlaces NP de α-Fe2O3, ZnO y CuO después de la calcinación a 500 °C. El instrumento ATR se utilizó en el rango de 4000 a 400 cm-1. Utilizando un difractómetro de rayos X (Rigaku Miniflex 600) con Cu-K (= 1,5406) en el rango 2 de 10 a 90°, mientras que los rayos X se produjeron con 30 kilovoltios y a 20 mA, la estructura y el tamaño de grano Se estudiaron los compuestos de α-Fe2O3, ZnO y CuO. Se utilizó microscopía electrónica de barrido (SEM) con espectroscopía de rayos X de dispersión de energía para analizar la morfología y forma de las nanopartículas (EDAX).

ICP-MS (espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente) es el método más sensible para determinar la proporción de metales. Permite la identificación simultánea de diferentes iones en una misma solución.

Producto ICP-MS HTDS, Modelo NexION 2000, consta esencialmente de cámara de nebulización refrigerada por agua, regulador de flujo másico de gas (gas nebulizador, gas plasma y gases auxiliares), nebulizador con bomba peristáltica de velocidad variable, sistema de válvulas y circuito de inyección de 0,5 mL. extractor para evacuar impurezas, muestreador automático equipado con un sistema de inyección, software operativo syngetix, tubos cónicos de polipropileno de 20 ml con tapas de polipropileno, cilindros de suministro de gas argón y helio con una pureza del 99,9999% cada uno, agua ultrapura, solución estándar madre de elementos múltiples, cada elemento en una concentración de 1000 mg/litro, Soluciones estándar monoelementales, Soluciones del elemento de referencia (patrón interno) o solución de optimización para el modo estándar y para el modo KED (discriminación de energía cinética).

Adsorbentes Partículas de óxido de hierro (α-Fe2O3), óxido de cobre (CuO) y óxido de zinc (ZnO) sintetizadas por el método verde.

Medidor de aceite en agua TD-500D, el analizador (Revisión: C, P/N 100,668) de los Estados Unidos de América utiliza fluorescencia UV para determinar el contenido de aceite de agua aceitosa que comprende petróleo crudo o condensados de gas.

Se utilizó un analizador de aceite en agua (TD-500, Turner Designs Hydrocarbon Instruments, EE. UU.) para determinar la cantidad de aceite o OIW en el agua generada o separada.

Espectrofotómetro UV-Visible Los sólidos en suspensión (SS) representan todos los residuos insolubles visibles a simple vista y suspendidos en el agua. Estos materiales se pueden analizar mediante un espectrofotómetro UV-Visible (marca mat-lib DR6000): una muestra de prueba de 10 ml de agua petrolera.

Aguas oleosas vertidas por las unidades de separación de crudo extraído de los yacimientos petrolíferos de la zona de HASSI MESSAOUD situada en el sur de Argelia (31.201183,5.740473).

Se realizaron estudios de sorción para once metales diferentes: As, Be, Cd, Cr, Mn, Mo, Ni, Pb, Sb, Se y Zn. Todos los iones metálicos se tomaron en su forma de nitrato para que el efecto del contraión sea el mismo29. Para estudiar la capacidad de carga de estos iones metálicos sobre NP α-Fe2O3 CuO y ZnO, se tomaron 20 mg de NP y 10 ml de agua aceitosa. Se añadió solución de diferentes concentraciones de iones metálicos. La solución se sonicó durante 30 minutos seguido de la separación usando un imán y se analizó la concentración de iones metálicos del sobrenadante usando ICPMS. Un diagrama esquemático del estudio se muestra en la Fig. 8. Los resultados se obtienen directamente utilizando el software integrado en el dispositivo ICP (software operativo Syngetix), se calculan en mg/L mediante una regresión lineal de la respuesta de los estándares. y son corregidos por normas internas. Si es necesario, los datos deben reintegrarse siguiendo el programa de software. Si corresponde, multiplicar por el factor de dilución.

Se utiliza una muestra estándar para calibrar el TD-500 m antes de analizar una muestra. Como primer paso, se preparan muestras estándar de contenido de aceite conocido. Ponemos 100 mL de agua en una botella para analizar y ajustar el pH a un valor < 2 con HCl (4 o 5 gotas). Después de agregar 10 ml de disolvente (hexano) y agitar vigorosamente durante 2 min, se extrajeron los hidrocarburos del agua. Deje reposar durante unos 10 min y llene con una jeringa 3/4 de un recipiente con el alvéolo de prueba extraído de la ampolla y límpielo. Coloque el recipiente en el dispositivo y lea el valor de respuesta. El analizador responde en 5 s. Nótese la concentración de hidrocarburos en ppm30,31.

Se vierte un volumen de 10 ml de agua de petróleo en un tanque transparente para permitir que el haz de luz atraviese la muestra. Luego se coloca la cubeta en el espectrofotómetro UV-VISIBLE. Se inicia el análisis. Después de 10 min se realiza la lectura en la pantalla del dispositivo32,33.

Portulaca oleracea conocida comúnmente como verdolaga vegetal, se la conoce con el nombre árabe “Redjila”. El género Portulaca incluye aproximadamente 40 especies de clima tropical y cálido Portulaca oleracea L.

Las hojas de Portulaca oleracea contienen: ácido alfa-linoleico, alfa-tocoferol y ácido ascórbico en cantidades muy superiores a las de las hojas de espinaca34.

La Fig. 1 muestra patrones típicos de XRD de nanopartículas de α-Fe2O3, CuO y ZnO sintetizadas y recocidas a 500 °C; la muestra de α-Fe2O3 muestra picos muy delgados, lo que indica la naturaleza fina y el pequeño tamaño de los cristalitos de las partículas. En la Fig. 1 se muestra el espectro que indica la presencia de Hematita α-Fe2O3. Como lo representan los picos en valores de 2θ de 24,13°, 33,15°, 35,45°, 40,70°, 49,47°, 54,04°, 62,90° y 63,98° que corresponden a los planos cristalinos de (012), (104), (110). , (113), (024), (116), (214) y (300) de la fase de hematita a-Fe2O335. Todos los picos de reflexión coinciden bien con la estructura romboédrica esperada de α-Fe2O3 (grupo espacial: R- 3c), respectivamente. Esos aviones concuerdan bien con la (Tarjeta JCPDS N°. 01–079-0007).

Patrones de difracción de rayos X de las nanopartículas de α-Fe2O3, CuO y ZnO.

La Figura 1 ilustra el patrón de XRD de las NP de óxido cúprico (CuO) preparadas con extracto de Portulaca oleracea L.. Este difractograma confirma la presencia de cristales de óxido cúprico (CuO). La posición de los picos con valores de 2θ de 32,5°, 35,5°, 38,8°, 48,8°, 58,3°, 61,7°, 66,3° y 68,4° corresponden a los planos cristalinos de (110), (002), (111), (202). ), (202), (113), (311) y (220), que apoyan la creación de la estructura cristalina monoclínica para CuO Card N°. (JCPDS-01–089-5899)36.

Como se puede ver en los patrones XRD en la Fig. 1, la muestra mostró una posición de pico similar con valores de 2θ de 31,8°, 34,46°, 36,29°, 47,59°, 56,65°, 62,93°, 66,45°, 68,02°, 69,14°. , 72,68°, 77,05° que se han acreditado a los planos cristalinos de (100), (002), (101), (012), (110), (013), (200), (112), (201). , (004) y (011) respectivamente, donde NP de ZnO tienen una estructura cristalina hexagonal (grupo espacial P 63 mc (186) y parámetros de red de a = 3,24940 Å c = 5,20380 Å) N° de tarjeta JCDPS. (96–900-4179)37. Los diámetros de los cristalitos en las distintas muestras oscilaron entre 20,12 nm y 25,04 nm (Tabla 1).

Para determinar los posibles compuestos fitoquímicos responsables de la síntesis verde de las nanopartículas, se empleó análisis FT-IR en el polvo sintetizado de nanopartículas de α-Fe2O3, CuO y ZnO, así como en el extracto de hoja de Portulaca oleracea L..

En este estudio se detectaron bandas en el espectro IR que son indicativas de los grupos funcionales de biomoléculas involucradas en la creación y estabilidad de nanopartículas.

La Figura 2 presenta el espectro FT-IR de un extracto de hoja de Portulaca oleracea L. junto con los espectros sintetizados de nanopartículas de α-Fe2O3, CuO y ZnO. Los espectros FT-IR del extracto de hoja de Portulaca oleracea L se muestran en la Fig. 2 (a). Este espectro mostró algunos picos a 3300, 2363, 1639 y 636 cm-1. La vibración de estiramiento del grupo O-H es lo que hace que la banda ancha vibre a 3300 cm-1 38. La banda a 2336 cm-1 son los picos de estiramiento típicos de C-C. Los picos a 1639 cm-1 están asociados con las vibraciones de estiramiento de los ciclos aromáticos C=C, CC y CO39. Otra banda a 636 cm-1 se puede atribuir al estiramiento de alcoholes primarios por parte de C-O-H y al estiramiento de C-H fuera de la banda aromática plana40.

(a) Espectros FTIR del extracto de hoja de Portulaca oleracea L., NP α-Fe2O3, CuO y ZnO; (b). Rango de visión ampliado (400 a 700 cm-1) de NP α-Fe2O3, CuO y ZnO sintetizadas.

Al comparar el espectro de las nanopartículas de α-Fe2O3, CuO y ZnO entre sí, la Fig. 2(b) muestra un vistazo a 510, 460 y 440 cm-1, que, correspondientes a Fe-O, Cu- Banda de estiramiento de O y Zn-O de NP α-Fe2O3, CuO y ZnO, respectivamente.

También una desaparición de las bandas de absorbancia 3300, 2363, 1639 y 636 cm-1 asociadas a compuestos fenólicos luego de la síntesis de NPs α-Fe2O3, CuO y ZnO, nos lleva a proclamar que el extracto de hojas de Portulaca oleracea L. contiene fitoquímicos como como alcoholes, aldehídos, alcanos y grupos epoxi o grupos éter que pueden ser responsables del proceso de nucleación para reducir el precursor de M+ a M0.

La formación de NP α-Fe2O3, CuO y ZnO y sus dimensiones morfológicas se investigaron mediante SEM. Las imágenes SEM de las NP α-Fe2O3, CuO y ZnO producidas se muestran en la Fig. 3 (a, c, e). Casi todos ellos tienen forma esférica u ovalada. Con algunas partículas solitarias muy dispersas. Los histogramas de distribución del tamaño de partículas que se muestran en la Fig. 3 (b, d, f) indican que la distribución de tamaño promedio de las NP α-Fe2O3, CuO y ZnO biosintetizadas es en gran medida de alrededor de 80 nm. Podemos determinar que las partículas reunidas son cristales comparando su tamaño con el de los cristales.

Imágenes SEM y distribuciones de tamaño de partículas de NP α-Fe2O3, CuO y ZnO sintetizadas en verde: (a, b) α-Fe2O3, (c, d) CuO y (e, f) pH = ZnO).

El análisis de rayos X de dispersión de energía (EDAX) de nanopartículas de α-Fe2O3, CuO y ZnO se muestra en la Fig. 4. Los espectros EDAX de nanopartículas de α-Fe2O3 se muestran en la Fig. 4 (a), y los picos corresponden a Fe y O. La pasta y la rejilla utilizadas para el análisis EDAX son de donde provienen los componentes Cl en la figura. Figura 4 (b,c) El análisis EDAX mostró solo picos obvios para los elementos Fr, Zn y O; no se pudieron encontrar otros picos, lo que indica que el polvo se fabricó sin impurezas para la muestra de NP de CuO y ZnO.

EDS de (a) α-Fe2O3, (b) CuO, (c) y nanopartículas de ZnO.

La Tabla 2 muestra los porcentajes en peso, atómico y de error de las nanopartículas de α-Fe2O3, CuO y ZnO. Esto demuestra que las proporciones Fe:O, Cu:O y Zn:O en nanopartículas sintéticas no son estequiométricas ni 1:1. NP de CuO, ZnO y α-Fe2O3.

Los espectros UV-Vis de nanopartículas de α-Fe2O3, CuO y ZnO sintetizadas utilizando un extracto de hoja de Portulaca oleracea L. se muestran en la Fig. 5 (a). Como puede verse en esta figura, se exhibe un pico de absorción máxima para cada nanopartícula. El pico de absorción a 291, 365, 260 nm da una pista de que las nanopartículas de α-Fe2O3, CuO y ZnO, respectivamente. La banda prohibida óptica estimada (Eg) de las nanopartículas de α-Fe2O3, CuO y ZnO se puede calcular extrapolando de la borde de absorción, que es proporcionado por la relación de Tauc41,42:

donde \(h\) es la constante de Planck, \(A\) es una constante, \(hv\) es la energía de la luz, n es un factor igual a 1/2 o 2 para transición directa e indirecta, y α es el coeficiente de absorción. Trazar \(\left( {\alpha h\nu } \right)^{2}\) y \(\left( {\alpha h\nu } \right)^{1/2}\) frente a la energía de los fotones permite uno para determinar la energía de banda prohibida óptica para \({\text{E}}_{{{\text{g}}}1}}^{{{\text{opt}}}}\) e indirecta \(E_ {g2}^{opt}\) transiciones (hv). El valor de \(E_{g}^{opt}\) se calcula extrapolando a \(\left( {\alpha h\nu } \right)^{2} = 0\) para transición directa y \(\ left( {\alpha h\nu } \right)^{1/2} = 0 \) para transición indirecta en NP de α-Fe2O3, CuO y ZnO. La gráfica de \(\left( {\alpha h\nu } \right)^{2} \) y \(\left( {\alpha h\nu } \right)^{1/2}\) versus \ (hv\) 23 se muestra en la Fig. 5 (b – c). La brecha de energía se calculó a partir del punto donde se unían el eje de energía y el borde de la porción lineal de absorción. La energía del fotón es igual a \(E_{g}^{opt}\) cuando \(\left( {\alpha h\nu } \right)^{n}\) es cero. La Tabla 3 muestra las bandas prohibidas ópticas de las muestras.

Propiedades ópticas de las NP α-Fe2O3, CuO y ZnO: espectros UV-vis (a); energía de banda prohibida óptica (b); energía de banda prohibida indirecta (c) transiciones basadas en el método de Tauc; (d) Energía de Urbach.

La energía de la cola de la banda, a veces llamada energía de Urbach \(E_{u}\), se puede observar en los espectros UV-vis. Se ha descubierto que los valores de energía de Urbach \(E_{u}\) disminuyen con el tamaño del cristal en el caso de las formas NP α-Fe2O3, CuO y ZnO, lo que lleva a una disminución de la cristalinidad y al desorden estructural. Utilizando los valores recíprocos de las pendientes del componente lineal de \(\ln (a) \) frente a la energía del fotón \( h\nu\), se calcula la energía de Urbach \(E_{u}\) (Fig. 5d ). Según Urbach (1953)43, el coeficiente de absorción y la energía del fotón tienen una relación exponencial cercana al borde de la banda. La Tabla 3 muestra los valores de energía de Urbach calculados para las muestras.

El recíproco de la pendiente de la sección de ajuste lineal de la energía del fotón de la curva se utilizó para determinar la energía de Urbach \(E_{u}\). Este último se basa en la diferencia de energía entre los extremos de las colas de las bandas de valencia y conducción; cuanto menor es la energía, menos turbulencia; sin embargo, el trastorno puede cambiar dependiendo de la presencia de óxidos modificadores.

La tasa de extracción de As(III), Be(II), Cd(II), Cr(VI), Mn(II), Mo(II), Ni(II), Pb(II), Sb(III), Se estudió Se (-II) y Zn (II) por α-Fe2O3, CuO y ZnO equilibrando las nanopartículas de 20 g con una serie de soluciones iónicas durante diferentes intervalos de tiempo. La Figura 6 muestra la cantidad de As, Be, Cd, Cr, Mn, Mo, Ni, Pb, Sb, Se y Zn (Tabla 4) adsorbidos en un tiempo de contacto t (min). Los resultados han indicado que ~80% de la adsorción de metales pesados tiene lugar en 5 y 10 min respectivamente, y el tiempo requerido para que ambos iones alcancen un porcentaje de mineralización del 99,99% es inferior a 30 min como se muestra en la Fig. 6.

Efecto del tiempo y tasa de eficiencia de (a, b) α-Fe2O3, (c, d) CuO y (e, f) ZnO para la eliminación de metales pesados de la fase acuosa.

El comportamiento de adsorción descrito anteriormente se puede explicar sobre la base de la carga superficial y la sorción competitiva de protones. El aumento de la desprotonación induce el aumento de sitios cargados negativamente, lo que mejora la interacción electrostática atractiva y el intercambio iónico entre la superficie absorbente de NP y los iones metálicos y, en consecuencia, conduce a una mejora de la capacidad de adsorción. Como se muestra en la Fig. 7,

Esquema del experimento y mecanismo de transferencia de un adsorbato al sitio de adsorción dentro de un grano.

El conocimiento de los parámetros del equilibrio de adsorción permite deducir las capacidades de adsorción de un soporte. La determinación de los parámetros cinéticos debe realizarse además para la predicción de las curvas. La transferencia de un adsorbato desde la fase líquida a un sitio de adsorción, representado por la Fig. 7, implica los siguientes pasos:

1er paso (la difusión externa): la transferencia de moléculas de soluto desde la fase líquida externa a la fase líquida unida al sitio de adsorción a la fase líquida unida a la partícula sólida (por difusión y convección).

2do paso (la difusión interna): la transferencia del soluto a través de la película líquida hacia la superficie externa del adsorbente.

3er paso la difusión del adsorbato dentro de la partícula del adsorbente bajo el efecto del gradiente de concentración. La molécula de adsorbato puede difundir de un sitio de adsorción a otro ya sea en estado libre (después de la desorción) en la fase líquida intrapartícula (migración caracterizada por un coeficiente de difusión Df), o en estado adsorbido, desde un sitio de adsorción hacia un sitio adyacente. (migración de superficie caracterizada por un coeficiente de difusión Ds).

4to paso de adsorción (fijación).

Los resultados obtenidos (Tabla 4) muestran que media hora de agitación conduce a una disminución de la concentración de todos los metales presentes en la muestra. Al pasar de 10 min de agitación a 30 min, tenga en cuenta que al pasar de 5 a 30 min de agitación, logramos eliminar completamente la mayoría de los elementos presentes en el agua de petróleo, porcentajes que varían entre 90 y 100% (ver Fig. 6), gracias a la eficacia de las nanopartículas utilizadas para filtrar esta agua aceitosa. Esto se debe a la alta calidad de la superficie específica del material absorbente.

El proceso fotocatalítico es una técnica alternativa y puntera cada vez más utilizada para tratar el agua producida. En este estudio, se utilizó petróleo como indicador del agua producida.

En la Fig. 8 descubrimos que el 80% de la degradación de hidrocarburos para fotocatalizadores NPS utiliza una fuente de luz solar ultravioleta. El resultado también demuestra que el deterioro de OIW fue más pronunciado cuando se reaccionaron durante 30 minutos bajo luz visible. Eliminando el (TSS) en el agua aceitosa en un 70% como se muestra en la Fig. 8, debido a la calidad de las superficies de las tres nanopartículas estudiadas.

La tasa de fotodegradación de hidrocarburos en agua aceitosa (OIW) y la eliminación de sólidos suspendidos totales (SST).

En el proceso fotocatalítico, las nanopartículas transforman contaminantes orgánicos en CO2, H2O y especies oxidantes reactivas como oxígeno o aire44. Las nanopartículas se utilizan en una amplia gama de industrias45,46,47,48,49,50,51,52. Cuando se absorbe un fotón con energía (hv) igual o mayor que la banda prohibida de las nanopartículas fotocatalíticas semiconductoras, se dice que ha comenzado el mecanismo del proceso fotocatalítico53. Por lo tanto, se crean agujeros positivos (h+) y electrones (e-) en la superficie de la nanofotocatálisis como resultado de la transferencia de electrones por fotoabsorción desde la banda de valencia a la banda de conducción54. Como resultado, las interacciones entre los agujeros positivos en CB y el agua producen radicales hidroxilo (OH) Fig. 9.

ilustra el proceso de reacción previsto para la descomposición fotocatalítica del hidrocarburo del contaminante.

Con base en las discusiones anteriores, la Fig. 10 analiza una posible vía de reacción que utiliza los radicales hidroxilo y superóxido para la posible creación de intermedios. Se cree que el paso de oxidación principal lo inician los radicales hidroxi, que se producen después de que los agujeros fotogenerados atrapados en la superficie de las NP α-Fe2O3, CuO y ZnO oxidan los iones hidroxilo.

Mecanismo de mineralización por fotodegradación de hidrocarburos (agua oleosa) mediante nanopartículas.

Las nanopartículas porosas se utilizaron para la degradación de hidrocarburos en agua aceitosa (OIW) y la eliminación de sólidos suspendidos totales (SST) y la adsorción total de metales pesados (Bi, Cr, Mo, Sb y Se). Además, alrededor del 80% de la degradación de hidrocarburos del fotocatalizador NPS utiliza una fuente de luz solar ultravioleta. Se forman principalmente productos intermedios polihidroxilados y carbonilados, que finalmente se convierten en dióxido de carbono. La cantidad de CO como producto final de mineralización. Y ha demostrado que puede eliminar metales pesados y purificar el agua de todas las impurezas en suspensión, existe potencialidad para la aplicación de métodos fotocatalíticos en la purificación de agua contaminada por hidrocarburos.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

Nanopartículas

Óxido de zinc

óxido cúprico

Hematites

aceitoso en agua

Solidos totalmente suspendidos

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Abderrhmane Bouafia, Souhaila Meneceur, Salah Eddine Laouini, Souheila Legmairi y Hamdi Ali Mohammed Mohammed

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Abderrhmane Bouafia, Souhaila Meneceur, Salah Eddine Laouini, Henda Daoudi, Souheila Legmairi y Hamdi Ali Mohammed Mohammed

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Henda Daoudi

Departamento de Química, Facultad de Ciencias Exactas e Informática, Universidad de Jijel, 18000, Jijel, Argelia

Narimene Aoun

Departamento de Nanomedicina y Tecnologías Avanzadas, CIC-Fluorotronics, Inc., San Diego, CA, 92037, EE. UU.

Farid Menaa

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Conceptualización, AB, SC, SEL, SM, FM y HD; metodología, AB, SC, SM, FM y NA; validación, AB, SC, SEL, SM, FM y NA; investigación, HAMM, NA, FM y SM; recursos, SC, AB y FM; curación de datos, SC, AB, NA, FM y MS; redacción: preparación del borrador original, SEL, SM, HAMM, NA, FM y HAMM; redacción: revisión y edición, HAMM, SM, NA, FM y HD; supervisión, HAMM, SEL, SM, FM y HD Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Abderrhmane Bouafia.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Bouafia, A., Meneceur, S., Chami, S. et al. Eliminación de hidrocarburos y metales pesados del agua petrolera mediante métodos modernos de nanotecnología verde. Informe científico 13, 5637 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32938-1

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Recibido: 23 de enero de 2023

Aceptado: 05 de abril de 2023

Publicado: 06 de abril de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32938-1

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Cinética, mecanismos y catálisis de reacción (2023)

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Eliminación de hidrocarburos y metales pesados ​​del agua petrolera mediante métodos modernos de nanotecnología verde

Eliminación de hidrocarburos y metales pesados del agua petrolera mediante métodos modernos de nanotecnología verde