Produced Water is the main by-product of the fossil fuel extraction process, with a production of approximately 50 million cubic meters per day. It has a complex composition, as it is characterized by organic and inorganic substances, some of which are added to facilitate oil extraction. The main components include suspended particulates and colloids, salts, organic matter, heavy metals, and radioactive elements. As a result, Produced Water is associated with health, safety, and environmental hazards, which make it necessary to have adequate treatment systems to enable its reuse, also given the high volumes produced per day. In this study, pretreatment with membrane systems followed by heterogeneous photocatalysis was carried out. The membrane systems considered were Microfiltration and Membrane Distillation, two prototypes available at the Polytechnic University of Turin. For heterogeneous photocatalysis, TiO 2 P25 was used as a semiconductor material, activated by UV radiation. A synthetic solution representative of the composition of actual Produced Water was used, thus I worked with a constant concentration of humic acids and phenol, the latter used as proxy for toxic organic substances in Produced Water, as well as a variable concentration of NaCl to evaluate the effect of chloride. The membrane systems allowed for a significant decrease in TOC content and phenol concentration, compared to untreated solutions. Membrane Distillation can eliminate salts present in the initial solution, while Microfiltration does not remove salts that are thus found in the permeate. Heterogeneous photocatalysis was then applied to the permeates resulting from the two membrane treatment systems, and to the initial solutions. Thus, photocatalytic degradation experiments were conducted by monitoring phenol concentration and TOC mineralization as a function of irradiation time. By comparing the removal of phenol and humic acids in the permeates and in the initial solutions, it can be observed that pretreatment is effective to remove pollutants. About the two membrane systems, Membrane Distillation, due to the removal of NaCl, produces a permeate that allows for more effective photocatalytic degradation of pollutants than Microfiltration, thereby giving a better-quality final solution. In conclusion, the combination of membrane systems as pretreatment with heterogeneous photocatalysis is potentially efficient to remove pollutants from Produced Water.
La Produced Water è il principale sottoprodotto del processo di estrazione dei combustibili fossili, con una produzione di circa 50 milioni di metri cubi al giorno. Presenta una composizione complessa, in quanto caratterizzata da sostanze organiche e inorganiche, alcune delle quali sono aggiunte per facilitare l’estrazione del petrolio. I componenti principali sono particolati e colloidi in sospensione, sali, materia organica, metalli pesanti ed elementi radioattivi. Di conseguenza, la Produced Water è associata a pericoli per la salute, la sicurezza e l'ambiente, fattori che rendono necessari sistemi di trattamento adeguati a consentirne il riuso, considerati anche gli elevati volumi prodotti al giorno. Nel presente lavoro si è previsto un pretrattamento con sistemi a membrana, seguito da fotocatalisi eterogenea. I sistemi a membrana presi in considerazione sono stati la Microfiltrazione e la Distillazione a membrana, due prototipi presenti al Politecnico di Torino. Per la fotocatalisi eterogenea è stato utilizzato il TiO2 P25 come materiale semiconduttore, attivato mediante irradiazione UV. È stata impiegata una soluzione sintetica che fosse rappresentativa della effettiva composizione della Produced Water di origine naturale, pertanto si è lavorato con una concentrazione costante di acidi umici e di fenolo, quest’ultimo considerato come proxy delle altre sostanze organiche tossiche presenti nella Produced Water, e una concentrazione variabile di NaCl, per poter valutare l’effetto dei cloruri. I sistemi a membrana hanno portato ad una riduzione significativa del contenuto di TOC e della concentrazione di fenolo rispetto alle soluzioni di partenza, non soggette al pretrattamento. Utilizzando la Distillazione a membrana è possibile eliminare il contenuto dei sali presenti all’interno della soluzione inziale, mentre con la Microfiltrazione i sali non vengono eliminati ma si ritrovano nel permeato. La fotocatalisi eterogenea è stata applicata ai permeati ricavati dai due sistemi a membrana e alle soluzioni di partenza. Sono così stati condotti esperimenti di degradazione fotocatalitica misurando il valore di fenolo e la mineralizzazione del TOC su diversi campioni a diversi tempi di irradiazione. Confrontando la rimozione del fenolo e degli acidi umici dai permeati rispetto alle soluzioni inziali, si può notare come il pretrattamento risulti essere efficace nell’abbattimento degli inquinanti. Tra i due sistemi a membrana, la Distillazione a Membrana, grazie alla eliminazione di NaCl, consente una degradazione fotocatalitica degli inquinanti nel permeato più efficace rispetto alla Microfiltrazione, producendo così una soluzione finale di qualità migliore. In conclusione, la combinazione dei sistemi a membrana come pretrattamento con la fotocatalisi eterogenea si dimostra essere efficiente nell’abbattimento degli inquinanti.
Approccio combinato di pretrattamento con sistemi a membrana e fotocatalisi eterogenea per l’abbattimento di inquinanti nella Produced Water.
BROCCHETTO, GRETA
2022/2023
Abstract
La Produced Water è il principale sottoprodotto del processo di estrazione dei combustibili fossili, con una produzione di circa 50 milioni di metri cubi al giorno. Presenta una composizione complessa, in quanto caratterizzata da sostanze organiche e inorganiche, alcune delle quali sono aggiunte per facilitare l’estrazione del petrolio. I componenti principali sono particolati e colloidi in sospensione, sali, materia organica, metalli pesanti ed elementi radioattivi. Di conseguenza, la Produced Water è associata a pericoli per la salute, la sicurezza e l'ambiente, fattori che rendono necessari sistemi di trattamento adeguati a consentirne il riuso, considerati anche gli elevati volumi prodotti al giorno. Nel presente lavoro si è previsto un pretrattamento con sistemi a membrana, seguito da fotocatalisi eterogenea. I sistemi a membrana presi in considerazione sono stati la Microfiltrazione e la Distillazione a membrana, due prototipi presenti al Politecnico di Torino. Per la fotocatalisi eterogenea è stato utilizzato il TiO2 P25 come materiale semiconduttore, attivato mediante irradiazione UV. È stata impiegata una soluzione sintetica che fosse rappresentativa della effettiva composizione della Produced Water di origine naturale, pertanto si è lavorato con una concentrazione costante di acidi umici e di fenolo, quest’ultimo considerato come proxy delle altre sostanze organiche tossiche presenti nella Produced Water, e una concentrazione variabile di NaCl, per poter valutare l’effetto dei cloruri. I sistemi a membrana hanno portato ad una riduzione significativa del contenuto di TOC e della concentrazione di fenolo rispetto alle soluzioni di partenza, non soggette al pretrattamento. Utilizzando la Distillazione a membrana è possibile eliminare il contenuto dei sali presenti all’interno della soluzione inziale, mentre con la Microfiltrazione i sali non vengono eliminati ma si ritrovano nel permeato. La fotocatalisi eterogenea è stata applicata ai permeati ricavati dai due sistemi a membrana e alle soluzioni di partenza. Sono così stati condotti esperimenti di degradazione fotocatalitica misurando il valore di fenolo e la mineralizzazione del TOC su diversi campioni a diversi tempi di irradiazione. Confrontando la rimozione del fenolo e degli acidi umici dai permeati rispetto alle soluzioni inziali, si può notare come il pretrattamento risulti essere efficace nell’abbattimento degli inquinanti. Tra i due sistemi a membrana, la Distillazione a Membrana, grazie alla eliminazione di NaCl, consente una degradazione fotocatalitica degli inquinanti nel permeato più efficace rispetto alla Microfiltrazione, producendo così una soluzione finale di qualità migliore. In conclusione, la combinazione dei sistemi a membrana come pretrattamento con la fotocatalisi eterogenea si dimostra essere efficiente nell’abbattimento degli inquinanti.I documenti in UNITESI sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
https://hdl.handle.net/20.500.14240/144557