Estratégias analíticas para determinação de não metais em subprodutos e resíduos da indústria de óleo e gás

Abstract

A indústria de óleo e gás está entre os setores mais relevantes para a economia global. No entanto, as preocupações ecológicas relacionadas à exploração de óleo e gás exigem reflexão cuidadosa devido à produção de resíduos inerente a essa atividade. Os dados sobre as concentrações de não metais em resíduos como cascalho de perfuração (cascalho) e borra de petróleo (borra) bem como em subprodutos como o coque de petróleo (coque), ainda são escassos, principalmente, para o cascalho em poços offshore, em regiões do pós-sal (PS) e pré-sal (PRS). Neste contexto, métodos analíticos que permitam a determinação de não metais em amostras de alta complexidade são importantes para possibilitar a adequada destinação dos resíduos e valorização dos subprodutos. Entretanto, é necessária uma preparação adequada da amostra para permitir a determinação de não metais, especialmente utilizando cromatografia de íons (IC) e espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado (ICP-MS). No entanto, a preparação da amostra para a determinação de não metais é um desafio, pois esses elementos são voláteis e podem ser perdidos durante esta etapa. A piroidrólise e a extração alcalina estão entre as técnicas de preparação de amostras mais utilizados para a determinação de não metais em diferentes amostras. A avaliação das concentrações de Cl, F e S, bem como o perfil de profundidade nos poços PS e PRS de cascalho, foi realizada utilizando IC após preparação da amostra por piroidrólise. Para a determinação de Br e I em cascalho e borra por ICP-MS foi empregado um preparo de amostras utilizando a extração em meio alcalino utilizando hidróxido de tetrametilamônio (TMAH). Para a determinação de S em coque por IC, a piroidrólise foi também a técnica utilizada para o preparo das amostras. Todos os procedimentos de preparo de amostra foram otimizados de forma multivariada. A exatidão dos métodos propostos foi avaliada por meio da análise de materiais de referência certificados (CRMs), e as concentrações de F, Cl, Br, I e S obtidas pelos métodos propostos mostraram boa concordância com as concentrações de referência (85 a 120%). A precisão (RSD < 10%) e os limites de detecção para F, Cl, Br, I e S foram adequados para determinação dos analitos em cascalho, borra e coque pelos métodos propostos. A variação da concentração de analitos em função da profundidade das amostras de cascalho foi correlacionada com a composição mineral das amostras por DRX e por EDXRF. Os métodos propostos mostraram ser simples, precisos e exatos, permitindo a análise de amostras de alta complexidade, como os resíduos da indústria de óleo e gás.

Abstract: The oil and gas industry is among the most relevant sectors for the global economy. However, ecological concerns related to oil and gas exploration require careful consideration due to the inherent waste production associated with this activity. Data on non-metal concentrations in wastes such as drill cuttings (DC) and oily sludge (OS) as well as in by-products like petroleum coke, are still scarce, especially for DC in offshore wells in post-salt (PS) and pre-salt (PRS) regions. In this context, analytical methods allowing the determination of non-metals in highly complex samples are crucial to enable proper waste disposal and by product valorization. However, adequate sample preparation is necessary to facilitate non-metal determination, especially using ion chromatography (IC) and inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). Sample preparation for non-metal determination poses a challenge, as these elements are volatile and may be lost during this step. Pyrolysis and alkaline extraction are among the most commonly used sample preparation techniques for non-metal determination in different samples. Evaluation of Cl, F, and S concentrations, as well as depth profiles in PS and PRS wells of DC, was performed using IC after sample preparation by pyrolysis. For Br and I determination in DC and OS by ICP-MS, alkaline extraction with tetramethylammonium hydroxide (TMAH) was employed. For S determination in petroleum coke by IC, pyrolysis was also the chosen technique for sample preparation. All sample preparation procedures were optimized using multivariate methods. The accuracy of the proposed methods was assessed through the analysis of certified reference materials (CRMs), and the concentrations of F, Cl, Br, I, and S obtained by the proposed methods showed good agreement with reference concentrations (85 to 120%). The precision (RSD < 10%) and detection limits for F, Cl, Br, I, and S were suitable for analyte determination in DC, OS, and petroleum coke by the proposed methods. The variation of analyte concentrations with DC sample depth was correlated with the mineral composition of samples by XRD and EDXRF. The proposed methods proved to be simple, accurate, and precise, enabling the analysis of highly complex samples, such as waste from the oil and gas industry.