Modelagem de processo e caracterização de lodo da eletrocoagulação para remoção de emulsões óleo-água e cálcio de águas residuárias de refinaria de petróleo

Por que é importante tratar a água de refinarias

Refinarias de petróleo modernas transformam o petróleo cru em combustíveis e lubrificantes que usamos diariamente, mas também geram grandes volumes de água contaminada carregada de gotas de óleo e minerais dissolvidos, como o cálcio. Se essa água não for tratada adequadamente, pode entupir equipamentos, desperdiçar recursos hídricos valiosos e poluir rios e mares. Este estudo explora um método elétrico promissor que pode enfrentar dois problemas importantes ao mesmo tempo — poluição oleosa e minerais de água dura — mantendo o consumo de energia e os custos sob controle.

Uma forma elétrica de aprisionar sujeira na água

Os pesquisadores focaram em um processo chamado eletrocoagulação, no qual placas metálicas dentro de um reator são conectadas a uma fonte de corrente contínua. Quando a eletricidade passa pela água, pequenas quantidades de alumínio se dissolvem de uma das placas e reagem com a água para formar partículas fofas e pegajosas. Essas partículas podem aderir às gotas de óleo e ao cálcio dissolvido, aglomerando-os em pedaços maiores que flutuam para a superfície como espuma ou afundam como lodo. Ao contrário do tratamento químico tradicional, esse método gera seus próprios “químicos de limpeza” a partir das placas metálicas, reduzindo a necessidade de adicionar reagentes externos.

Projetando a melhor receita para água mais limpa

O desempenho da limpeza depende de muitos parâmetros que os engenheiros podem ajustar: quanto tempo a corrente é aplicada, quão intensa é essa corrente, quão salobra é a água, seu grau de acidez ou alcalinidade e quanto óleo e cálcio ela contém. Em vez de testar por tentativa e erro, a equipe usou uma abordagem estatística estruturada para explorar esse espaço multidimensional. Eles criaram águas residuárias sintéticas de refinaria com quantidades controladas de óleo lubrificante e sais de cálcio e, em seguida, variaram sistematicamente seis condições chave: tempo de tratamento, pH, densidade de corrente, nível de sal (cloreto de sódio) e concentrações iniciais de óleo e cálcio. Software especializado os ajudou a planejar 84 experimentos e ajustar modelos matemáticos que relacionam essas entradas à remoção de óleo e cálcio, além do consumo de energia e custo operacional.

O que os experimentos e modelos revelaram

A análise mostrou que o tempo de tratamento foi o fator único mais importante para remover tanto óleo quanto cálcio: mais tempo geralmente permite que os flocos à base de alumínio se formem melhor e capturem os poluentes. Densidade de corrente e nível de sal também desempenharam papéis fortes, mas de maneiras mais complexas. Correntes mais altas ajudaram depois que tempo suficiente havia sido aplicado, melhorando a remoção ao gerar mais flocos e bolhas de gás, mas em tempos curtos podiam perturbar a formação de flocos. Quantidades moderadas de cálcio e sal melhoraram a condutividade elétrica, porém excesso levou à formação de camadas minerais duras nos eletrodos e a reações secundárias indesejadas que desperdiçaram alumínio e reduziram a eficiência. O pH da água também importou: condições ligeiramente alcalinas, em torno de pH 9, favoreceram a formação de espécies de alumínio particularmente eficazes na quebra de emulsões de óleo e na ligação do cálcio.

Encontrando um ponto de equilíbrio entre desempenho e custo

Ao combinar os dados experimentais com modelagem de superfície de resposta, a equipe identificou um conjunto de condições operacionais que otimizam conjuntamente a remoção de óleo, remoção de cálcio e custo. Nessas condições — pH 9, densidade de corrente de moderada a alta, níveis iniciais específicos de óleo e cálcio, adição moderada de sal e tempo de tratamento de cerca de uma hora e meia — o sistema removeu mais de 91% do óleo e quase 73% do cálcio. Ao mesmo tempo, consumiu cerca de 12 quilowatt-hora de eletricidade por metro cúbico de água e atingiu um custo operacional total de cerca de 0,21 dólares norte-americanos por metro cúbico, inferior ao de alguns estudos anteriores sobre eletrocoagulação. Simulações computacionais usando o software COMSOL confirmaram que, nessas configurações, o campo elétrico dentro do reator cilíndrico fica distribuído de forma mais uniforme, ajudando as reações a ocorrer eficientemente ao longo do volume de água.

O que acontece com os resíduos capturados

Após o tratamento, os poluentes aprisionados aparecem como uma mistura de lodo e espuma flutuante. Os autores examinaram esse material por espectroscopia no infravermelho, análise elementar por raios X e microscopia eletrônica. Encontraram estruturas de hidróxido de alumínio juntamente com carbono de origem oleosa e sais de cálcio e sódio, formando partículas porosas e irregulares com grande área superficial. Essas características sugerem que o lodo pode ser reutilizado em vez de simplesmente descartado — por exemplo, como condicionador de solo, onde seu conteúdo mineral poderia melhorar propriedades do solo, ou como fonte de alumínio que poderia ser recuperada e reciclada em novos químicos de tratamento.

Água mais limpa a partir de um sistema mais simples

No conjunto, o estudo demonstra que um reator de eletrocoagulação relativamente simples, alimentado por correntes elétricas modestes e usando eletrodos de alumínio prontamente disponíveis, pode simultaneamente eliminar óleo emulsificado e cálcio das águas residuárias de refinaria a um custo competitivo. Ao ajustar cuidadosamente as condições operacionais e respaldar os experimentos com modelagem estatística e simulação computacional, os autores mostram que essa tecnologia pode transformar águas industriais fortemente contaminadas em um fluxo muito mais limpo, produzindo um lodo manejável que pode até ter usos secundários. Para comunidades e indústrias que enfrentam escassez hídrica e limites rígidos de lançamento, esse tratamento elétrico otimizado oferece um caminho prático rumo ao reuso de água mais seguro e sustentável.

Citação: Mohamed, Y.E., El-Gayar, D.A., Amin, N.K. et al. Process modeling and sludge characterization of electrocoagulation for the removal of oil-in-water emulsions and calcium from petroleum refinery wastewater. Sci Rep 16, 7954 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37854-8

Palavras-chave: águas residuárias de refinaria de petróleo, eletrocoagulação, emulsão óleo-água, remoção de dureza da água, otimização do tratamento de águas residuárias