Determination of Anions and Cations in Produced Water from Hydraulic Fracturing

Význam tématu

Hydraulické štěpení (fracking) generuje velké objemy odpadních vod bohatých na anionty a kationty, které představují výzvu při jejich ekologické likvidaci a opakovaném využití. Přesná analýza iontového složení je klíčová pro návrh úpravy vody, prevenci vzniku vodního kamene a zajištění efektivity dalších frakčních operací.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie bylo kvantifikovat hlavní anionty (fluorid, acetát, formiát, chlorid, bromid, síran, dusičnan) a kationty (lithium, sodík, amonium, draslík, hořčík, vápník, stroncium, barium) v produkční vodě z hydraulického štěpení na lokalitách v Texasu, Kalifornii a Severní Dakotě pomocí iontové chromatografie.

Použitá metodika a instrumentace

Analýza aniontů:

• Systém Thermo Scientific Dionex ICS-5000+ HPIC s kapilárním IonPac CS16 (0,5×250 mm)
• EGC III KOH generátor eluenta, CR-ATC vysílač, detekce potlačenou vodivostí (AERS 500, 18 mA)
• Gradient KOH: 15 mM (0–3 min), 15–29 mM (3–4 min), 29 mM (4–12 min), 15 mM (12–17 min); průtok 0,25 mL/min, teplota 30 °C

Analýza kationtů:

• Systém Thermo Scientific Dionex ICS-2100 RFIC s kapilárním IonPac AS18 microbore (2×250 mm) nebo CS16 (0,5×250 mm)
• EGC-MSA generátor eluenta, CR-CTC II vysílač, detekce potlačenou vodivostí (CCES 300, 11 mA)
• Gradient MSA: 20–30 mM (0–10 min), 30–55 mM (10–18 min), 55 mM (18–34 min), 20 mM (34–40 min); průtok 0,010 mL/min, teplota kolony 40 °C

Příprava vzorků zahrnovala filtraci na 0,2 µm PES filtrech a vhodné ředění deionizovanou vodou (50× až 1000×). Pro kalibraci byly připraveny pracovní standardy v rozsahu 0,02–400 mg/L pro anionty a 0,005–500 mg/L pro kationty.

Hlavní výsledky a diskuse

Metody dosáhly rozlišení všech iontů (Rs USP >1,5) během 11 min (anionty) a 35 min (kationty) s koeficienty determinace r2 ≥0,999. Koncentrace v produkční vodě:

• Severní Dakota: Cl 190 000 mg/L, Br 850 mg/L, SO4 180 mg/L; Na 92 000 mg/L, Ca 21 000 mg/L, Mg 1 600 mg/L, K 6 200 mg/L, NH4 3 700 mg/L
• Kalifornie: Cl 52 000 mg/L, Br 26 mg/L, SO4 110 mg/L; Na 28 000 mg/L, Ca 2 200 mg/L, Mg 540 mg/L, K 130 mg/L, NH4 18 mg/L
• Texas: Cl 8 000 mg/L, Br 33 mg/L, SO4 20 mg/L; Na 4 300 mg/L, Ca 500 mg/L, Mg 24 mg/L, K 65 mg/L, NH4 50 mg/L

Produkční voda vykazuje výrazně vyšší obsah chloridů a vápníku než Marcellus flowback water, což odráží geologické odlišnosti ložisek a vysoký podíl solanky.

Přínosy a praktické využití metody

Rychlá a citlivá kvantifikace iontů usnadňuje návrh technologií úpravy odpadních vod, předcházení usazování solí a optimalizaci složení štěpící kapaliny při opakovaném použití vody.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se rozšíření automatizovaných systémů s on-line vzorkovači, miniaturizovaných kapilárních a microbore řešení, integrace s LC-MS pro organické doplňky, real-time monitoring kvality a využití pokročilých potlačovacích technologií a umělé inteligence pro prediktivní údržbu a řízení procesu.

Závěr

Předložené metody pro analýzu aniontů a kationtů v produkční vodě z frackingu prokázaly vysokou přesnost, linearitu, rychlost a nižší spotřebu eluenta. Poskytují robustní nástroj pro environmentální monitoring a optimalizaci vodohospodářských postupů v těžbě břidlicových plynů.

Reference

• 1. Spegele B.; Scheck J. Energy-Hungry China Struggles to Join Shale-Gas Revolution. Wall Street Journal, 5. září 2013, A1.
• 2. Trotman A. UK Needs 40 Fracking Wells to see if Shale Gas is Viable, Says Lord Browne. The Telegraph, 31. ledna 2014.
• 3. Bomgardner M. Cleaner Fracking. Chemical & Engineering News, 2012, 90(142), 13–16.
• 4. FracFocus Chemical Disclosure Registry. What Chemicals are Used Page, přístup 29. května 2014.
• 5. Thermo Fisher Scientific. Technical Note 139, Determination of Anions in Fracking Flowback Water From the Marcellus Shale Using Automated Dilution and Ion Chromatography, 2013.
• 6. Thermo Fisher Scientific. Application Note 1094, Determination of Cations in Hydraulic Fracturing Flowback Water From the Marcellus Shale, 2014.
• 7. Barbot E.; Vidic N.S.; Gregory K.B.; Vidic R.D. Spatial and Temporal Correlation of Water Quality Parameters of Produced Waters from Devonian-Age Shale Following Hydraulic Fracturing. Environmental Science & Technology, 2013, 47, 2562–2569.
• 8. Vengosh A.; Jackson R.B.; Warner N.; Darrah T.H.; Kondash A. A Critical Review of the Risks to Water Resources from Unconventional Shale Gas Development and Hydraulic Fracturing in the United States. Environmental Science & Technology, 2014, epub ahead of print.