BRPI0710097A2 - sistemas e processos para tratamento através do fluxo dos fluidos contaminados - Google Patents
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Abstract
<B>SISTEMAS E PROCESSOS PARA TRATAMENTO ATRAVéS DO FLUXO DOS FLUIDOS CONTAMINADOS<D>A presente invenção refere-se a um sistema para uso no tratamento de fluido contaminado é provido. O sistema inclui uma fonte da qual um fluido contaminado pode ser introduzido para o sistema e um reservatório para um material adsorvente projetado para remover os contaminantes do fluido. O sistema também inclui um reator dentro do qual o material adsorvente e o fluido contaminado podem ser acomodados para o tratamento. Um dispositivo de separação pode ainda ser incluído para remover os mate- riais adsorventes gastos do sistema. Um processo para tratamento do fluido contaminado é também provido.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMAS EPROCESSOS PARA TRATAMENTO ATRAVÉS DO FLUXO DOS FLUI-DOS CONTAMINADOS".
Campo Técnico
A presente invenção refere-se aos sistemas e aos processospara tratamento de fluidos contaminados e, mais particularmente, à remoçãode metais pesados dos fluidos através do uso de monocamadas automonta-das nos suportes mesoporosos (SAMMS) em um protocolo através do fluxo.
Antecedentes da Invenção
O fluido produzido tal como água, proveniente das plataformasde petróleo do mar, pode conter metais pesados tóxicos, por exemplo, mer-cúrio. No Golfo do México, os níveis de mercúrio raramente excedem 100partes por bilhão (ppb). Todavia, no Golfo da Tailândia, a concentração mé-dia de mercúrio na água produzida pode variar de cerca de 200 ppb a cercade 2.000 ppb.
A descarga de mercúrio no ambiente marinho nas águas territo-riais de U.S. é normalmente regulada pela Agência de Proteção Ambientaldos Estados Unidos (EPA) sob a Lei de Água Limpa através do processo depermissão do Sistema de Eliminação de Descarga de Poluente Nacional. Deacordo com os padrões ambientais sob 40 CFR § 131.36 para ambiente ma-rinho, limites incluem cerca de 1800ppb para exposição aguda e cerca de 25ppb para exposição crônica. Os padrões internacionais para descargas demercúrio em água produzida, por outro lado, varia de cerca de 5ppb na Tai-lândia a cerca de 300 ppb no Mar do Norte.
Água produzida freqüentemente contém óleo que foi removidocom água durante o processo de separação de óleo a granel/água. Comoum exemplo, a água produzida nos campos do Mar do Norte contém cercade 15-30 partes por milhão (ppm) de óleo disperso com benzeno, tolueno,etilbenzeno e xileno (BTEX); naftaleno, fenantreno, dibenzotiofeno (NPD)hidrocarboneto aromático policíclico (PAH), fenol e concentrações de ácidoorgânico variando de cerca de 0,06 ppm a cerca de 760ppm. Adicionalmen-te, estas águas produzidas contém metais pesados tóxicos tais como mercú-rio, cádmio, chumbo e cobre nas concentrações que variam de menos quecerca de 0,1 ppb a cerca de 82 ppb. A presença de uma mistura complexade constituintes acoplados com uma alta concentração de sais dissolvidospodem apresentar um desafio para remoção de metal pesado usando tecno-logias convencionais comumente disponíveis.
Em particular, as tecnologias existentes para remoção de metale mercúrio d'água residual diluído incluem adsorção de carbono ativado,carbono ativado de enxofre impregnado, membranas líquidas de microemul-são, troca de íon e flutuação de precipitado coloidal. Estas tecnologias po-dem não ser apropriadas para o tratamento de água por causa do pobre car-regamento de metal (por exemplo, elevação de metal menos que 20% damassa do material adsorvedor) e seletividade, (interferência dos outros íonsabundantes na água do solo). Em adição, o mercúrio pode estar presentenas espécies que não sejam elementares. Assim, o processo deve ser capazde remover estas outras espécies tais como mercúrio de metila,etc. Além domais, elas perdem em estabilidade para os produtos carregados de metal ,de modo que elas não são despojáveis diretamente como uma forma residu-al permanente. Como um resultado, o tratamento secundário é requeridopara despojar ou estabilizar o mercúrio separado ou os produtos carregadosde mercúrio. A remoção de mercúrio do lodo não-aquoso, líquidos adsorvi-dos ou Iodos parcialmente ou inteiramente estabilizados e solo contaminadode mercúrio é difícil porque (1) a natureza não-aquosa de alguns resíduosprevine o fácil acesso de agentes lixiviantes, (2) algumas correntes residuaiscom grandes volumes tornam o processo de dessorção térmico caro e (3) otratamento de algumas correntes residuais são tecnicamente difíceis porcausa da natureza dos resíduos.
A remoção do mercúrio fora de gás nos vitrificadores e nos pro-cessos de dessorção térmicos de mercúrio é usualmente realizada atravésde adsorção de carbono ativo. Todavia, os adsorventes a base de carbonosão apenas eficazes o suficiente para remover 75 a 99,9% do mercúrio comuma capacidade de carga equivalente a 1 - 20% da massa do material ad-sorvedor. Uma última etapa, amalgamação de mercúrio usando ouro caro,usualmente é requerida para conseguir o padrão de liberação de ar da EPA.
Um leito de carbono usualmente é usado mais tarde no sistema fora de gás,em que a temperatura é geralmente mais baixa do que 1210C (250eF). Noprocesso de carbono impregnado de enxofre, o mercúrio é adsorvido no car-bono, que é muito mais fraco do que a ligação covalente formada com, porexemplo, o material mesoproroso de superfície funcionalizada. Como umresultado, o mercúrio adsorvido necessita de uma estabilização secundáriaporque o carbono carregado de mercúrio não tem a durabilidade química delongo termo desejada devido à fraca ligação ente o mercúrio e o carbonoativo. Em adição, uma porção grande dos poros no carbono ativado é gran-de o suficiente para a entrada de micróbios para solubilizar os compostos demercúrio-enxofre adsorvidos. O carregamento de mercúrio é limitado a cercade 0,2 g/g dos materiais.
A técnica de membrana líquida de microemulsão utiliza umamembrana líquida de microemulsão de ácido oléico contendo um ácido sul-fúrico como fase interna para reduzir a concentração de mercúrio da águaresidual de cerca de 460 ppm para cerca de 0,84 ppm. Todavia,isto envolvemúltiplas etapas de extrações, separações, desemulsificação e recuperaçãode mercúrio pela eletrólise e utiliza grandes volumes de solventes orgânicos.A membrana líquida que se expande possui um impacto negativo na eficiên-cia de extração.
As cinéticas lentas da reação trocadora de íon de metal requerlongos tempos de contato. Este processo também gera grandes volumes deresíduos secundários orgânicos. Um processo de troca de íon utiliza resinaorgânica trocadora de íon Duolite® GT-73 para reduzir o nível de mercúrio naágua residual de cerca de 2 ppm a abaixo de cerca de 10ppb. A oxidação daresina resulta em substancialmente reduzida vida útil da resina e uma inca-pacidade para reduzir o nivel de mercúrio para abaixo do nível permitido demenos que cerca de 0,l ppb. A carga de mercúrio é também limitada porquea alta capacidade de ligação da maioria dos solos a cátions de mercúrio tor-na o processo de troca de íon ineficaz, especialmente quando grandes quan-tidades de Ca2+ do solo saturam a capacidade de cátion do trocador de íon.Em adição, a resina orgânica carregada de mercúrio não tem a capacidadede resistir ao ataque do micróbio. Assim, o mercúrio pode ser liberado para omeio ambiente se estiver disposto de forma residual. Em adição à interferên-cia de outros cátions na solução além dos íons contendo mercúrio, o proces-so de troca de íon simplesmente não é eficaz na remoção de compostos demercúrio neutro tais como HgCl2, Hg(OH)2, e espécies de mercúrio orgânicotais como metilmercúrio, que é a forma mais tóxica de mercúrio. Este pro-cesso de troca de íon também não é eficaz na remoção de mercúrio das so-luções não-aquosas e líquidos adsorventes.
A reportada remoção de metal d'água pela flutuação do precipi-tado coloidal reduz a concentração de mercúrio de cerca de 160 ppb paracerca de 1,6 ppb. Este processo envolve a adição de HCI para ajustar a á-gua residual para pH 1, adição de soluções de Na2S e ácido oléico à águaresidual e remoção de colóides da água residual. Neste processo, a águaresidual tratada é contaminada potencialmente com Na2S, ácido oléico e H-Cl. O mercúrio separado necessita de mais tratamento para ser estabilizadocomo uma forma residual permanente.
A lixiviação da solução de haleto acídico e extrações oxidativaspodem também ser usadas na mobilização de mercúrio em solos. Por e-xemplo, as soluções de Kl/I2 aumentam a dissolução de mercúrio pela oxi-dação e complexação. Outros extratores oxidativos com base nas soluçõesde hipoclorito têm também sido usados na mobilização de mercúrio a partirdos resíduos sólidos. Entrementes, nenhuma tecnologia de tratamento eficaztem sido desenvolvida para remoção do mercúrio contido nestes resíduos.
Uma vez que as tecnologias de lixiviação contam com um processo de solu-bilização em que o alvo solubilizado (por exemplo, mercúrio) atinge um equi-líbrio de dissolução/ precipitação entre a solução e os resíduos sólidos, maisdissolução dos contaminantes dos resíduos sólidos é prevenida uma vezque o equilíbrio é alcançado. Em adição, os solos são usualmente um bomabsorvedor de íon-alvo que inibe a transferência do íon-alvo dos solos paraa solução.
A remoção do mercúrio dos líquidos não-aquosos, líquidos ad-sorvidos, solos ou lodo parcial ou inteiramente estabilizados nas taxas deprocesso prototípico tem sido deficiente. Isto principalmente é por causa doscontaminantes de mercúrio nos resíduos reais serem muito mais complica-dos do que os sistemas de mercúrio tratados por muitos testes de escala delaboratório que são usualmente desenvolvidos à base de alguns sais demercúrio simples. Os contaminantes de mercúrio reais em quaisquer resí-duos reais quase sempre contêm mercúrio inorgânico (por exemplo, cátionHg2+ divalente, Hg22+ monovalente e compostos neutros tais como HgCI2,Hg[OH]2); mercúrio orgânico tal como metilmercúrio (por exemplo,CH3HgCH3 ou CH3 Hg+) como um resultado de reação enzimática no lodo; emercúrio metálico, por causa da redução. Uma vez que muitas tecnologiasde laboratório são desenvolvidas para apenas uma forma de mercúrio, asdemonstrações usando os resíduos reais não têm tido sucesso.
Outros metais que são de interesse para correção e separaçõesindustriais incluem, porém não estão limitados a, prata, chumbo, urânio, plu-tônio, netúnio, amerício, cádmio e suas combinações. Os presentes proces-sos de separação incluem porém não estão limitados aos trocadores de íon,precipitação, separações de membrana e suas combinações. Estes proces-sos usualmente têm as desvantagens de baixas eficiências, procedimentoscomplexos e custos de operação altos.
Consequentemente, seria vantajoso prover um sistema e umprocesso que podem ser usados para remover metais pesados tais comomercúrio, cádmio e chumbo dos fluidos residuais complexos tais como águaproduzida em uma significativa quantidade e em uma maneira eficaz de cus-to.
Sumário da Invenção
A presente invenção, em uma concretização, provê um sistemapara tratamento de fluido contaminado. O sistema, em uma concretização,inclui uma fonte da qual o fluido contaminado pode ser introduzido ao siste-ma e um reservatório para um nanomaterial adsorvente projetado para re-mover contaminantes do fluido. Em uma concretização, o nanomaterial ad-sorvente pode incluir uma partícula porosa feita de monocamadas automon-tadas sobre suportes mesoporosos (SAMMS). O nanomaterial adsorventepode ser usado para remover metais pesados tais como mercúrio, arsênico,cádmio, chumbo, prata, urânio.plutônio, netúnio, amerício, outros metais pe-sados ou sua combinação. O sistema também inclui um recipiente dentro doqual o nanomaterial adsorvente e o fluido contaminado podem ser acomo-dados para tratamento do fluido. O sistema ainda inclui uma saída no reatoratravés do que o fluido tratado pode sair do reator e um dispositivo de sepa-ração para remover o nanomaterial adsorvente gasto do sistema.
A presente invenção, em uma outra concretização, provê umprocesso para tratamento de fluido contaminado. O processo inclui inicial-mente a provisão de um ambiente dentro do que o fluido contaminado podeser tratado. Em seguida, o fluido contaminado junto com uma quantidade deum nanomaterial pode ser introduzido no ambiente. A seguir, o nanomaterialadsorvente pode ser permitido a interagir com o fluido contaminado duranteum período de tempo, de modo que o nanomaterial adsorvente pode atrair eremover contaminantes do fluido. Uma vez que os contaminantes tenhamsido removidos e o fluido tenha sido tratado, o fluido tratado pode ser des-carregado do meio ambiente. À extensão desejada, o nanomaterial adsor-vente pode ser removido e regenerado para subseqüente uso.
Breve Descrição dos Desenhos
A Figura 1 ilustra um sistema para uso no tratamento de fluidoscontaminados.
Descrição das Concretizações Específicas
Com referência à Figura 1, a presente invenção proporciona, emuma concretização, um sistema 10 para tratamento do fluido contaminadopela remoção de contaminantes que existem dentro do fluido. Os fluidos quepodem ser tratados em conexão com a presente invenção podem ser visco-sos no estado natural tais como óleo ou não-viscosos no estado natural talcomo líquido ou um gás. Os contaminantes que podem ser removidos pelosistema 10 da presente invenção incluem metais pesados tais como mercú-rio, arsênico, cádmio e chumbo dos fluidos residuais complexos tais comoágua produzida e mercúrio de uma variedade de soluções residuais e óleosresiduais contaminados. Outros contaminantes que podem ser removidospelo sistema 10 da presente invenção incluem prata, urânio, plutônio, netú-nio, amerício ou uma sua combinação.
O sistema 10, como ilustrado na Figura 1, inclui, em uma concre-tização, um reservatório 11 dentro do qual um material adsorvente de resí-duo, capaz de remover contaminantes de um fluido, pode ser armazenado.O material adsorvente, em uma concretização, pode ser um material nano-adsorvente (isto é, nanomaterial adsorvente) fabricado de nanocamadas au-tomontadas nos suportes mesoporosos (SAMMS). Deverá ser apreciado quea referência ao termo "material adsorvente" a seguir inclui material nanoad-sorvente ou nanomaterial adsorvente, que pode ser utilizado de modo inter-trocável um com outro. O suporte mesoporoso, em uma concretização, podeser feito de vários materiais porosos, incluindo sílica. Um exemplo de ummaterial SAMMS que pode ser usado em conexão com o sistema 10 da pre-sente invenção inclui tiol-SAMMS, tal como aquele relatado na Patente nor-te-americana n9 6.326.326,cuja patente é aqui incorporada por referência.
De acordo com uma concretização da presente invenção, o ma-terial adsorvente pode incluir partículas porosas, variando de cerca de 5 mí-crons a cerca de 200 mícrons em tamanho. Em uma concretização, as partí-cuias, em média, variam de cerca de 50 mícrons a cerca de 80 mícrons emtamanho, incluem um tamanho de poro variando de cerca de 2 nanometros(nm) a cerca de 7 nm e podem ser providas com uma densidade aparentevariando de cerca de 0,2 grama/mililitro a cerca de 0,4 grama/mililitro. Parapermitir a facilidade de introdução no sistema 10 e facilidade de fluxo ao Ion-go do mesmo, o material adsorvente pode ser provido como uma mistura depasta fluida. Em particular, o material adsorvente de resíduo pode ser mistu-rado com um líquido tal como água para prover a necessária mistura empasta fluida. Esta mistura de pasta fluida pode, em uma concretização, sermantida em uma forma mista dentro do reservatório 11 por processos co-nhecidos na técnica, por exemplo, por quaisquer dispositivos mecânicos oumecanismos de injeção de fluido capazes de criar uma turbulência necessá-ria. Alternativamente,deverá ser apreciado que quando a mistura de pastafluida é introduzida no sistema 10, a turbulência natural da corrente de mistu-ra de pasta fluida pode ser suficiente para gerar uma mistura apropriada.Deverá ser necessário ou para ainda aumentar a mistura da pasta fluida, ummisturador (não-mostrado) tal como misturador estático comercialmente dis-ponível através de muitas saídas na indústria, pode ser provido imediata-mente a jusante do reservatório II. A presença deste misturador estático po-de ainda otimizar a mistura da pasta fluida quando se flui ao longo do siste-ma 10.
Para controlar a introdução de material adsorvente de resíduo nosistema 10, uma bomba medidora 111 pode ser provida para permitir umcontrole manual ou automático de uma quantidade de material adsorventede resíduo que pode ser introduzido no sistema 10. A quantidade de materialadsorvente de resíduo introduzido pode ser crítico, como será notado abai-xo, uma vez que uma quantidade apropriada deve ser determinada a fim deprover uma ótima capacidade de remoção de resíduo.
Ainda, olhando na Figura 1, o sistema 10 pode também incluiruma fonte 12 da qual o fluido contaminado pode ser introduzido para o sis-tema 10. De acordo com uma concretização, o fluido contaminado pode serfluido residual tal como água produzida gerada em conexão com a perfura-ção de óleo ou gás. O fluido contaminado, em uma concretização, pode serintroduzido no sistema 10 a uma taxa controlada, de modo que uma quanti-dade apropriada do material adsorvente de resíduo possa ser determinadapara introdução no sistema 10. Em particular, a quantidade de material ad-sorvente que pode ser requerida pode ser proporcional a taxa de fluxo dofluido contaminado e a quantidade de contaminante dentro do fluxo de fluido.Geralmente, a quantidade de contaminante será constante, de modo que ataxa de fluxo do fluido possa ser um parâmetro que necessita ser controlado.
Para controlar a taxa de fluxo do fluido, uma válvula de controlede fluxo 121 pode ser provida a jusante da fonte 12. Em adição, o fluxômetro122 pode ser provido entre a fonte 12 e a válvula de controle 121 para auxi-liar na determinação da taxa de fluxo antes da válvula de controle 121 serajustada a um nível apropriado. Deverá ser notado que embora o sistema IOseja mostrado como tendo uma válvula de controle 121, tal válvula pode nãoser necessária desde que a taxa de fluxo seja capaz de ser ajustada a partirda fonte 11 com base na leitura do fluxômetro 122.
O sistema 10 pode também incluir uma passagem 13 ao longoda qual o material adsorvente e o fluido contaminado podem se misturar("mistura de fluido/adsorvente") e deslocar para um reator 14. Naturalmente,se isto for desejado, o sistema 10 pode ser projetado para permitir que o ma-terial adsorvente e o fluido contaminado sejam introduzidos independente-mente no reator 14 sem primeiro misturar um com outro. Além disso, se omaterial adsorvente for adicionado diretamente no reator 14, uma pasta flui-da do material adsorvente de resíduo pode não ser necessária. Ainda, o ma-terial adsorvente pode ser adicionado seco no reator 14.
Em uma concretização, o reator 14 provê um ambiente dentro doqual a mistura de fluido/adsorvente pode ser acomodada durante um períodode tempo. Durante este período de tempo, os contaminantes do fluido po-dem ser adsorvidos pelo material adsorvente de resíduo e removidos do flui-do até que uma concentração aceitável de contaminantes dentro do fluidotenha sido alcançada. O período de tempo, em uma concretização, pode serdeterminado pela cinética da adsorção dos contaminantes no material ad-sorvente de resíduo, bem como pelo tempo de difusão dos contaminantesdentro do fluxo do fluido para o material adsorvente de resíduo e pode gastarde cerca de menos que dois minutos a cerca de dez minutos. Deverá sernotado que a introdução da mistura de fluido/adsorvente no reator 14 podeprover uma turbulência suficiente a fim de conseguir a necessária ação demistura entre o fluido contaminado e o material adsorvente de resíduo. Naextensão requerida, um mecanismo de mistura pode ser provido dentro doreator 14.
De acordo com uma concretização da presente invenção, o rea-tor 14 pode ser provido com uma entrada 141 e uma saída 142. Como mos-trado na Figura 1, a entrada 141 pode ser controlada pela válvula de entrada143 e a saída 142 pode ser controlada pela válvula de saída 144. As válvu-las 143 e 144, em uma concretização, podem ser automaticamente atuadasou eletronicamente controladas por meio conhecido na técnica. Alternativa-mente, estas válvulas podem ser projetadas para serem manualmente atua-das. O reator 14 pode também incluir um transmissor ou sensor de nível 145para indicar quando o reator 14 está cheio e quando está vazio. Na concreti-zação mostrada na Figura 1, o sensor 145 inclui um sensor de tipo 1451 pa-ra determinar e indicar quando o reator 14 está substancialmente cheio e umsensor de fundo 1452 para determinar e indicar quando o reator 14 estásubstancialmente vazio. O reator 14 pode também incluir uma bomba (não-mostrada) para auxiliar na remoção ou dreno do fluido tratado do reator 14.
Em uma concretização alternada, mais do que uma bomba, oreator 14 pode incluir uma segunda entrada 146 acoplada a, por exemplo,duas linhas de gás natural 147 e 148 para auxiliar na remoção do fluido tra-tado do reator 14. Em particular, a linha 147 pode ser uma linha "dentro dogás" que pode ser regulada por uma válvula no gás 1471 para uma pressãorelativamente um pouco mais alta do que aquela de uma pressão de opera-ção do fluido contaminado. Nesta maneira, a pressão mais alta pode atuarpara subseqüentemente impulsionar o fluido tratado do reator 14. A linha148, por outro lado, pode ser uma linha "fora do gás" que pode ser reguladapor uma válvula fora de gás 1481 para manter uma pressão substancialmen-te similar àquela da pressão de fluido contaminado. A operação destas li-nhas de gás em conexão com o esvaziamento do fluido tratado do reator 14será discutida a seguir em detalhes. Além disso, embora descrita em cone-xão com o gás natural, deverá ser apreciado que outros gases podem serusados.
Ainda, olhando na Figura 1, mais do que ter um reator 14, o sis-tema 10 pode ser provido com pelo menos dois ou mais substancialmentesimilares reatores tais como reatores 15 e 16, ilustrados na Figura 1, parapermitir que um processo de tratamento contínuo seja implementado. Emoutras palavras, com pelo menos dois reatores, um reator, por exemplo, rea-tor 14, pode ser drenado do fluido tratado que é substancialmente livre decontaminantes, enquanto o outro reator, por exemplo, o reator 15 pode serenchido com a mistura de fluido/adsorvente. Este ciclo pode ser repetidocontinuamente quando um reator é esvaziado enquanto o outro reator é en-chido.
O sistema 10 pode ainda ser provido com um dispositivo de se-paração 17 para a remoção de material adsorvente gasto. Em uma concreti-zação, o dispositivo de separação 17 pode ser um dispositivo de separaçãodo tipo centrífugo. Tal dispositivo 17, em uma concretização, utiliza a forçacentrífuga para concentrar o material adsorvente gasto no fundo do disposi-tivo 17. Um coletor 18 pode também ser provido, de modo que o materialadsorvente gasto concentrado no fundo do dispositivo 17 pode ser dirigidopara dentro e removido do sistema 10. Alternativamente, o dispositivo deseparação 17 possa ser um filtro projetado com poros e aberturas de malhacapazes de prevenir as partículas tais como material adsorvente, variandode cerca de 5 mícrons a cerca de 200 mícrons em tamanho, de se desloca-rem através do mesmo. O dispositivo de separação 17, em uma concretiza-ção, pode ser localizado a jusante do reator 14, como ilustrado na Figura 1ou abaixo da corrente de todos os reatores quando múltiplos reatores sãousados. Alternativamente, o dispositivo de separação 17 pode ser localizado,por exemplo, em torno da saída 142 para remover o nanomaterial adsorven-te gasto quando ele sai do reator 14 através da saída 142.
O sistema 10 pode também incluir uma válvula de descarga 19 eum fluxômetro 20 para uso em conexão com a descarga do fluido limpo outratado do sistema 10. O fluxômetro 20, em uma concretização, pode serusado para auxiliar na determinação da taxa de fluxo do fluido limpo ou tra-tado enquanto a válvula de descarga 19 pode ser usada para controlar ataxa de descarga relativa à taxa de fluxo.
Em operação, o reator 14 pode inicializar-se estando vazio damistura de fluido/adsorvente. Neste estado vazio, de acordo com uma con-cretização, a válvula de entrada 143 e a válvula de saída 144 do reator 14pode estar na posição fechada. Na extensão que o sistema 10 inclui reatoresmúltiplos, os reatores 15 e 16 podem similarmente ser esvaziados com suasrespectivas válvulas de entrada e saída similarmente na posição fechada.
Embora esvaziado da mistura de fluido/adsorvente, o reator 14, em umaconcretização, pode ser enchido de, por exemplo, gás natural que pode es-tar na pressão de operação do fluido contaminado. Neste estágio inicial, aválvula dentro do gás 1471 do reator 14 pode ser fechada, enquanto a válvu-la fora de gás 1481 pode ser aberta.
A seguir, a válvula de entrada 143 do reator 14 pode ser aberta,de modo que a mistura de fluido /adsorvente (Isto é, fluido contaminado con-tendo o material adsorvente tal como SAMMS) pode ser introduzida no rea-tor 14. Deverá ser notado que em um sistema de multi-reatores, as válvulasde entrada de reatores 15 e 16 permanecem fechados. Quando a mistura defluido/adsorvente enche o reator 14, o gás natural dentro do reator passa aser ventilado do reator 14 através da válvula fora de gás 1481, que estavamantendo o gás dentro do reator 14 a uma contra-pressão substancialmenteigual a pressão de fluxo do fluido contaminante. Em adição, quando as mis-turas de fluido/adsorvente começa a encher o reator 14 e aproxima do localdo sensor do topo 1451, o sensor do topo 1451 pode transmitir, quando areator 14 está cheio, um sinal a um PLC. Ao receber o sinal, o PLC podeatuar para em seguida fechar a válvula de entrada 143 do reator 14. Deveráser notado que durante este processo de enchimento, o material adsorvente,como mencionado acima, pode atuar para remover os contaminantes dofluido contaminado para prover um fluido substancialmente limpo. Em parti-cular, na presença de material adsorvente, que em uma concretização, podeser SAMMS mesoporoso, o fluido pode ser permitido fluir através dos porosdas partículas no material de SAMMS. Dentro destes poros, os contaminan-tes particulares tais como metal pesado (por exemplo, mercúrio) entram emcontacto com uma monocamada de produto químico projetado para atrair eaglutinar as moléculas destes contaminantes, junto com outros constituintesdo fluxo de fluido. Como tais, estes contaminantes particulares podem seraprisionados dentro do material de SAMMS e removidos do fluxo de fluido.
Subseqüentemente, a válvula fora de gás 1481 pode ser fecha-da, a válvula dentro do gás 1471 pode ser aberta e a válvula de saída 144pode ser aberta. Neste estágio, o gás de pressão mais alta proveniente dalinha dentro do gás 147 pode entrar no reator 14 e atuar para forçar o fluidolimpo junto com o material adsorvente gasto através da saída 142 e parafora do reator 14. Este processo de esvaziamento pode continuar até o nívelde líquido limpo atingir o sensor do fundo 1452, em cujo tempo o sensor defundo pode transmitir um sinal a PLC. A seguir, o PLC pode atuar para fe-char a válvula de saída 144. a válvula no gás 1471 pode então ser fechada ea válvula fora do gás 1481 pode retornar para o estado aberto. O reator 14pode, a seguir estar pronto para seguir através de um outro ciclo de enchi-mento.
Em um sistema de multirreatores, tais como aquele ilustrado naFigura 1, quando o sensor do topo 1451 transmite um sinal a PLC para noti-ficar que o reator 14 está cheio, quando a válvula de entrada 143 do reatorfecha, a válvula de entrada para o reator adjacente 15 abre-se para permitirum processo contínuo a ser realizado. Subseqüentemente, quando o reator15 torna-se cheio, sua válvula de entrada pode ser fechada e a válvula deentrada para o reator adjacente 16 pode abrir para permitir o enchimento doreator 16. a seguir, quando o reator 16 torna-se cheio, suas válvula de en-trada pode ser fechada e a válvula de entrada 143 do reator 14 pode abrirpara continuar o processo da presente invenção. Este processo contínuo,naturalmente, pode ser realizado com apenas dois reatores no sistema queseja necessário.
De acordo com uma concretização da presente invenção, antesde descarregar o fluido limpo, o material adsorvente usado ou gasto podeser removido. Em uma abordagem, o fluido limpo e o material adsorventegasto podem ser permitidos a fluir através do filtro (não-mostrado) em que omaterial adsorvente pode ser aprisionado. O filtro, em uma concretiza-ção,pode ser provido com poros que são substancialmente menores do queo material adsorvente enquanto ainda suficientemente grande para permitir ofluido limpo se deslocar através do mesmo. Quando filtro torna-se cheio como material adsorvente gasto, o filtro pode ser isolado e removido junto com o material adsorvente. Um novo filtro pode ser colocado no lugar para subse-qüente remoção do material adsorvente. Para proporcionar uma operaçãocontínua, o sistema 10 pode ser provido com pelo menos dois filtros em pa-ralelo, de modo que o material adsorvente possa continuar a ser filtrado, en-quanto o filtro cheio está sendo substituído.
Em uma abordagem alternada, o sistema 10, como mostrado naFigura 1, pode utilizar o dispositivo de separação do tipo centrífugo 17. Estedispositivo 17, como referido acima, utiliza a força centrífuga para concentraro material adsorvente gasto no fundo do dispositivo 17. Uma vez que nofundo do dispositivo 17, o material adsorvente pode ser removido e dirigido aum coletor 18, enquanto o fluido tratado limpo pode ser descarregado. Omaterial adsorvente gasto pode a seguir ser disposto ou regenerado parauso subseqüente.
Para regenerar o material adsorvente para uso subseqüente, omaterial adsorvente pode ser tratado com um fluido acídico para remover ocontaminante adsorvido. Após este processo de regeneração, o material ad-sorvente pode ser colocado de volta em serviço para remover novamente oscontaminantes.
Embora a invenção tenha sido descrita em conexão com as suasconcretizações específicas, será entendido que a mesma será passível demodificações. Além do mais, o presente pedido pretende cobrir quaisquervariações, usos ou adaptações da invenção, incluindo inovações a partir dapresente invenção desde que esteja dentro da prática conhecida ou habitualna técnica a qual a invenção pertence.
Claims (45)
1. Sistema para tratamento de fluido contaminado, o sistemacompreendendo:um reservatório de um nanomaterial adsorvente projetado pararemover contaminantes do fluido contaminado;um reator para prover um meio ambiente dentro do qual umamistura de nanomaterial adsorvente e fluido contaminado podem ser aco-modados para tratamento do fluido contaminado;uma saída no reator através da qual o fluido tratado dentro doreator pode sair; eum dispositivo de separação para remoção de um material ad-sorvente gasto.
2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, em que o nanoma-terial adsorvente no reservatório inclui uma partícula porosa feita de mono-camadas automontadas nos suportes mesoporosos (SAMMS).
3. Sistema de acordo com a reivindicação 2, em que a partículaé feita de silica.
4. Sistema de acordo com a reivindicação 2, em que a partículapossui um tamanho de poro que varia de cerca de 2 nanometros (nm) a cer-ca de 7 nm.
5. Sistema de acordo com a reivindicação 1, e que o nanomate-rial adsorvente possui uma densidade aparente variando de cerca de 0,2grama/mililitro a cerca de 0,4 grama/mililitro.
6. Sistema de acordo com a reivindicação 1, em que o nanoma-terial adsorvente é capaz de remover contaminantes de metal pesado dofluido.
7. Sistema de acordo com a reivindicação 6, em que os conta-minantes de metal pesado incluem mercúrio, arsênico, cádmio, chumbo, pra-ta, urânio, plutônio, netúnio, amerício e outros metais pesados ou uma suacombinação.
8. Sistema de acordo com a reivindicação 1, em que o fluidocontaminado é viscoso no estado natural.
9. Sistema de acordo com a reivindicação 8, em que o fluido vis-coso inclui um dentre óleos, óleos residuais, outro fluido viscoso no estadonatural ou uma sua combinação.
10. Sistema de acordo com a reivindicação 1, em que o fluidocontaminado é não viscoso no estado natural.
11. Sistema de acordo com a reivindicação 10, em que o fluidonão viscoso inclui um líquido ou um gás.
12. Sistema de acordo com a reivindicação 10, em que o fluidonão viscoso inclui água produzida.
13. Sistema de acordo com a reivindicação 1, em que o reatorinclui uma entrada para permitir que o fluido contaminado e o nanomaterialadsorvente sejam introduzidos no reator.
14. Sistema de acordo com a reivindicação 1, em que o reatorinclui uma bomba para auxiliar na remoção do fluido tratado do reator.
15. Sistema de acordo com a reivindicação 1, em que o reatorinclui uma segunda entrada para introduzir um volume de alta pressão den-tro do reator para auxiliar na remoção do fluido tratado do reator.
16. Sistema de acordo com a reivindicação 1, em que o disposi-tivo de separação é um dispositivo do tipo força centrífuga capaz de concen-trar o material adsorvente gasto em um fundo do dispositivo.
17. Sistema de acordo com a reivindicação 16, em que o dispo-sitivo de separação inclui um coletor no fundo do dispositivo, de modo que omaterial adsorvente gasto concentrado no fundo do dispositivo pode ser di-recionado para o mesmo e removido.
18. Sistema de acordo com a reivindicação 1, em que o disposi-tivo de separação é um filtro tendo poros ou aberturas de malha capazes decoletar os nanomateriais adsorventes no mesmo para remoção.
19. Sistema de acordo com a reivindicação 1, ainda incluindouma passagem entre o reservatório e o reator para permitir a mistura de na-nomaterial adsorvente e fluido contaminado a deslocar para o reator.
20. Sistema de acordo com a reivindicação 19, ainda incluindouma válvula de controle na passagem para ajustar uma taxa de fluxo da mis-tura ao longo da passagem.
21. Sistema de acordo com a reivindicação 1, ainda incluindo ummisturador associado com o reator para aumentar a mistura do nanomaterialadsorvente e fluido contaminado.
22. Sistema de acordo com a reivindicação 1, ainda incluindo umsensor para indicar um nível da mistura de nanomaterial adsorvente e fluidocontaminado dentro do reator.
23. Sistema de acordo com a reivindicação 1, ainda incluindouma válvula de descarga para remover o fluido tratado do sistema.
24. Sistema de acordo com a reivindicação 23, ainda incluindoum fluxômetro associado com a válvula de descarga para determinar umataxa de fluxo do fluido tratado sendo removido do sistema.
25. Sistema de acordo com a reivindicação 1, ainda tendo pelomenos um reator adicional para permitir um processo de tratamento contínuoa ser implementado.
26. Processo para tratar o fluido contaminado, o processo com-preendendo:prover um ambiente dentro do qual o fluido contaminado podeser tratado;introduzir uma quantidade de um nanomaterial adsorvente e umfluido contaminado no ambiente;permitir o nanomaterial adsorvente a interagir com o fluido con-taminado durante um período de tempo, de modo que o nanomaterial adsor-vente possa atrair e remover os contaminantes do fluido; edescarregar o fluido tratado do ambiente.
27. Processo de acordo com a reivindicação 26, em que a etapade provisão inclui a provisão de uma fonte de fluido contaminado a ser trata-do e um reservatório do nanomaterial adsorvente.
28. Processo de acordo com a reivindicação 26, em que a etapade introdução inclui a geração de uma pasta fluida de nanomaterial adsor-vente.
29. Processo de acordo com a reivindicação 26, em que a etapade introdução inclui a mistura do nanomaterial adsorvente e o fluido conta-minado antes de direcioná-los ao ambiente.
30. Processo de acordo com a reivindicação 26, em que a etapade introdução inclui direcionar o namomaterial adsorvente e o fluido conta-minado independentemente para o meio ambiente.
31. Processo de acordo com a reivindicação 26 em que, na eta-pa de introdução, o nanomaterial adsorvente inclui partículas porosas feitasde monocamadas auto-montadas nos suportes mesoporosos (SAMMS).
32. Processo de acordo com a reivindicação 31, em que a etapade introdução inclui a provisão de uma pasta fluida de SAMMS tendo umadensidade aparente variando de cerca de 0,2 grama/mililitro a cerca de 0,4grama/mililitro.
33. Processo de acordo com a reivindicação 26, em que a etapade introdução inclui o controle de uma taxa na qual o fluido contaminado po-de ser introduzido, de modo que uma quantidade apropriada do nanomateri-al adsorvente possa ser determinada para introdução.
34. Processo de acordo com a reivindicação 33, em que, na eta-pa de controle, a quantidade de nanomaterial adsorvente pode ser propor-cional a taxa de fluxo do fluido contaminado e à quantidade de contaminantedentro do fluxo de fluido.
35. Processo de acordo com a reivindicação 26, em que, na eta-pa de introdução, o fluido contaminado é viscoso no estado natural.
36. Processo de acordo com a reivindicação 35, em que, na eta-pa de introdução, o fluido viscoso inclui um dentre óleos, óleos residuais,outro fluido viscoso no estado natural ou uma sua combinação.
37. Processo de acordo com a reivindicação 26, em que, na eta-pa de introdução, o fluido contaminado é não-viscoso no estado natural.
38. Processo de acordo com a reivindicação 37 em que, na eta-pa de introdução, o fluido não viscoso inclui um líquido ou um gás.
39. Processo de acordo com a reivindicação 37, em que, na eta-pa de introdução, o fluido não viscoso inclui água produzida.
40. Processo de acordo com a reivindicação 26, em que, na eta-pa de permissão, o período de tempo varia de menos que cerca de 2 min. acerca de 10 min.
41. Processo de acordo com a reivindicação 26, em que a etapade permissão inclui a permissão do nanomaterial adsorvente remover con-taminantes de metal pesado do fluido.
42. Processo de acordo com a reivindicação 41, em que, na eta-pa de permissão, os contaminantes de metal pesado incluem mercúrio, ar-sênico, cádmio, chumbo, prata, urânio, plutônio, netúnio, amerício, outrosmetais pesados ou uma sua combinação.
43. Processo de acordo com a reivindicação 26, em que, a etapade permissão inclui a permissão a nanomaterial adsorvente a aglutinar e a-prisionar os contaminantes dentro do nanomaterial.
44. Processo de acordo com a reivindicação 26, em que a etapade descarga inclui a coleta de namomaterial adsorvente gasto tendo conta-minantes atraídos para o mesmo
45. Processo de acordo com a reivindicação 26, ainda incluindoa provisão de uma pluralidade de meios ambientais similares dentro dosquais o fluido contaminado pode ser tratado, de modo a implementar umprocesso de tratamento substancialmente contínuo.
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