Determination of Cations in Hydraulic Fracturing Flowback Water from the Marcellus Shale

Význam tématu

Hydraulické štěpení (fracking) produkuje velké objemy spodní vody s vysokým obsahem rozpuštěných solí a kovových kationtů. Jejich přesné stanovení je klíčové pro optimalizaci recyklace frakční kapaliny, prevenci usazování solí v potrubích a úpravu léčebných procesů dle měnícího se složení vody.

Cíle a přehled studie / článku

Studie se zaměřuje na vývoj a validaci postupu pro kvantitativní analýzu osmi kationtů (lithium, sodík, amonné ionty, draslík, hořečnaté ionty, vápník, stroncium a baryum) ve vratné (flowback) vodě z Marcellus Shale. Pomocí gradientní iontové chromatografie na systému Thermo Scientific Dionex ICS-5000+ byly porovnány standardní a kapilární kolony.

Použitá metodika a instrumentace

• Systém Dionex ICS-5000+ reagent-free HPIC se standardní (5 mm i.d.) a kapilární (0,5 mm i.d.) Dionex IonPac CS16 kolonkou
• Eluent: metansulfonová kyselina (MSA), gradient 20‒30 mM (0–10 min), 30‒55 mM (10–18 min), 55 mM (18–32 min), návrat na 20 mM
• Detekce: supresovaná vodivost s CERS 500 (standard bore) nebo CCES 300 (kapilární) supresorem v recyklačním režimu
• Autosampler Dionex AS-AP s možností automatické ředicí a měření vodivosti
• Příprava vzorků: odstředění (10 000 × g, 10 min), filtrace 0,2 µm, 100× ředění deionizovanou vodou

Hlavní výsledky a diskuse

• Gradientní eluce umožnila baseline rozlišení všech kationtů do 32 min (Rs > 1,5)
• Kalibrace pro většinu iontů lineární s koeficientem determinace 0,9997–1,000 (ammonný ion je kvadratický)
• Analýza neředěné koncentrace odhalila typické složení flowback: Na ~33 000 mg/L, Ca ~13 000 mg/L, dále Mg, Sr, K, Ba, NH4, Li
• Kapilární a standardní kolona dosáhly 92–109 % vzájemné shody ve stanovených koncentracích
• S rostoucím objemem odebírané vody se koncentrace kationtů zvyšovaly, baryum vykazovalo více než dvojitý nárůst (z ~160 mg/L na ~360 mg/L)

Přínosy a praktické využití metody

• Spolehlivá a citlivá analýza vysoce zasolených vzorků
• Možnost automatizované ředicí, měření vodivosti a rychlé připravenosti kapilární konfigurace
• Nízká spotřeba eluentu a odpadu (14–43 mL/den) u kapilární IC
• Užitečné pro nastavení dávkování inhibitorů tvorby usazenin a pro rozhodování o recyklaci či likvidaci vody

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace on-line ředění a kontinuálního sledování vodivosti
• Rozšíření metodiky o další stopové prvky, anionty a organické složky
• Větší využití kapilární IC v mobilních či terénních laboratořích
• Monitorování a regulace znečištění v průmyslových a environmentálních aplikacích

Závěr

Validated metoda s gradientní iontovou chromatografií na Dionex ICS-5000+ umožňuje rychlé, přesné a opakovatelné stanovení klíčových kationtů v frackingové flowback vodě. Kapilární konfigurace nabízí srovnatelnou výkonnost se standardní kolonou při výrazně nižší spotřebě eluentu a vzorku.

Reference

• The Petrostate of America. The Economist, 2014.
• Spegele B.; Scheck J. WSJ, 2013.
• Trotman A. The Telegraph, 2014.
• McElroy M.; Lu X. Harvard Magazine, 2013.
• FracFocus Chemical Disclosure Registry, 2014.
• Bomgardner M. C&EN, 2012.
• Thermo Fisher Scientific Technical Note 139, 2013.
• Vidic R.D.; et al. Science, 2013.
• Thermo Fisher Scientific Technical Note 138, 2013.