AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO DE POLÍMEROS FLOCULANTES EM MEIO AQUOSO NA PRESENÇA DE DIFERENTES CONCENTRAÇÕES DE ELETRÓLITO

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Ambiental

Autores

Machado da Luz, L. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL) ; Bergel, B.F. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL) ; de Carvalho Osório, D. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL) ; Oliveira Rodrigues, C. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE CIÊNCIAS DA SAÚDE DE PORTO) ; Campomanes Santana, R.M. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL)

Resumo

A caracterização de polímeros floculantes é necessária, pois através desta, é possível obter informações quanto a fatores que podem influenciar na sua eficiência de floculação. A viscosimetria é uma das técnicas utilizadas para determinação da massa molar. Para tal determinação é imprescindível que somente ocorram interações entre o polímero e o solvente. A presença de carga nas poliacrilamidas causa interações intra e intermoleculares entre os grupos iônicos em solução. O presente trabalho visou avaliar o comportamento de três diferentes poliacrilamidas em solução na presença de diferentes concentrações de eletrólito. Os resultados da viscosidade das soluções indicaram que a presença de 0,5 M de cloreto de sódio (NaCl) é suficiente para inibir as interações intra e intermoleculares.

Palavras chaves

Poliacrilamida; Viscosidade; Blindagem

Introdução

Dentre as principais aplicações das poliacrilamidas hidrossolúveis pode-se destacar o uso no tratamento de águas e efluentes líquidos (FINK, 2011). A caracterização prévia das poliacrilamidas deve ser realizada visando obter informações pertinentes quanto ao comportamento desses polímeros floculantes em solução para floculação. De acordo com suas características, estes podem vir a obter diferentes eficiências de floculação em determinado meio. A massa molar das poliacrilamidas é uma característica de grande influência na floculação de partículas. Poliacrilamidas de alta massa molar são frequentemente relatadas como de maior eficiência de remoção de determinadas partículas quando comparados a poliacrilamidas de mesma composição química, mas massas molares menores, devido facilitar a agregação das partículas por mecanismo de pontes poliméricas (NASSER; JAMES, 2006). A determinação de massa molar em polímeros pode ser realizada por diferentes metodologias obtendo-se diferentes tipos de massas molares médias. A viscosimetria, técnica simples e de baixo custo, é frequentemente utilizada para determinar a massa molar viscosimétrica média de polímeros (DAVIS, 2004). Através dos tempos de escoamento das soluções no teste de viscosimetria é determinada a viscosidade intrínseca que será utilizada na equação de Mark-Houwink-Sakurada para determinação da massa molar viscosimétrica média (KULICKE; CLASEN, 2004; MANO; MENDES, 2004; CANEVAROLO JR., 2006). A determinação da viscosidade intrínseca ocorre a partir de ensaios viscosimétricos em soluções diluídas de polímeros, onde se deve minimizar qualquer tipo de interação entre as moléculas em solução, para que assim, as interações sejam exclusivamente entre soluto e solvente (KULICKE; CLASEN, 2004). No caso das poliacrilamidas hidrossolúveis que produzem carga iônica em meio aquoso (sendo esta catiônica, aniônica ou ambas), interações intra e intermoleculares entre as cargas iônicas irão ocorrer, dificultando assim a obtenção da viscosidade intrínseca pelas equações de Huggins e Kraemer devido a alta viscosidade da solução (GHIMICI; POPESCU, 1998; RATTANAKAWIN; HOGG, 2007). Sendo assim, ou se faz a utilização de outras equações empíricas para determinação da viscosidade intrínseca ou se faz a adição de eletrólitos para fazer a triagem das cargas iônicas, permitindo a determinação por Huggins e Kraemer (GHIMICI; POPESCU, 1998). A adição de eletrólitos visa blindar as cargas presentes nas cadeias poliméricas o que irá reduzir as interações intra e intermoleculares e, consequentemente, causará a diminuição do volume hidrodinâmico das macromoléculas levando a redução da viscosidade (GHIMICI; POPESCU, 1998). Quanto menor o volume hidrodinâmico das macromoléculas, mais facilmente estas irão escoar pelo capilar do viscosímetro levando a menor viscosidade(MANO; MENDES, 2004). Com isto, o presente trabalho visou avaliar a quantidade de eletrólitos necessária para blindar as cargas iônicas presentes em três diferentes poliacrilamidas para que assim seja possível a determinação da viscosidade intrínseca pelas equações de Huggins e Kraemer em trabalhos futuros (GHIMICI; POPESCU, 1998).

Material e métodos

As poliacrilamidas utilizadas neste trabalho foram fabricadas pela SNF- Floerger ^® com densidades de carga superficial aniônica de 0%mol (PNI), 0,5%mol (PA1) e 40%mol (PA2). As soluções foram preparadas de acordo com as normas do fabricante, sendo a adição dos eletrólitos realizada previamente a adição de poliacrilamida na solução. Cloreto de sódio (NaCl) foi escolhido como eletrólito comconcentrações de 0,01 M; 0,1M; 0,5M e 1M. As massas molares das poliacrilamidas PNI, PA1 e PA2 são relatadas pelo fabricante como sendo de aproximadamente 7 á 15 milhões de Daltons. As viscosidades das soluções de poliacrilamidas foram determinadas utilizando-se um viscosímetro capilar Ubbelohde (modelo I), em banho de água na temperatura de 25 °C utilizando um cronômetro digital para medição dos tempos de escoamento. As concentrações foram escolhidas visando manter os tempos de escoamento entre 100 e 200 segundos, evitando assim possíveis erros experimentais (MANO; MENDES, 2004). Para a PNI a concentração escolhida foi de 0,0425 g.dL^-1, para a PA1 0,04 g.dL^-1 e para PA2 0,02 g.dL^-1. A viscosidade (ŋ) pode ser expressa de diversas formas, sendo uma delas a viscosidade relativa (ƞ_rel ) determinada a partir da equação de Hagen-Poiseuille (SCHIFINO, 2013) que pode ser visualizada na Eq. 01. Ao se comparar o tempo de escoamento de um determinado volume de solvente puro e da solução polimérica as variáveis que são dependentes do viscosímetro se cancelam R (raio do capilar), g (gravidade), altura (h), L (comprimento do capilar) e V (volume do líquido) (SCHIFINO, 2013). Se as soluções de análise são diluídas, a variação da densidade (δ) será desprezível e também será cancelada, sobrando somente uma relação entre o tempo de escoamento (t) do solvente e da solução como pode ser visualizado na Eq. 02. ƞ=(π.R⁴.∆P)/(8.L.Q)=(π.R⁴.δ.g.h.t)/(8.L.V) Eq.01 ƞ_solvente =t_solução/t_solvente Eq. 02 A partir da determinação da viscosidade relativa, foi possível expressar a viscosidade de outras formas. Viscosidade específica (ƞ_esp..) que é a viscosidade relativa menos 1 (Equação 03) e a viscosidade específica reduzida (ƞ_esp.red.), pela qual os resultados são apresentados neste trabalho, onde temos a relação entre a viscosidade específica pela concentração da solução (c) (Equação 04). ƞ_esp.= ƞ_rel-1 Eq. 03 ƞ_esp.red.= ƞ_esp./c Eq. 04

Resultado e discussão

Os resultados referentes à variação da ƞ_esp.red.. em função da concentração de NaCl presente nas soluções de poliacrilamidas (PNI, PA1 e PA2) podem ser visualizados na Figura 01. É possível perceber que a poliacrilamida PA2 tem sua viscosidade reduzida de 69,61 dL.g^-1 para 21,81 dL.g^-1 com a adição de maiores quantidades de NaCl até atingir a concentração de 0,5M, onde a redução da viscosidade se estabilizou. Este efeito de redução da viscosidade pode ter ocorrido pela presença do eletrólito refletir na redução do volume hidrodinâmico das macromoléculas poliméricas em solução (GHIMICI; POPESCU, 1998). Uma ilustração esquemática deste mecanismo pode ser visualizado na Figura 2. Uma maior densidade de carga superficial leva a uma maior viscosidade devido a maiores repulsões intra e intermoleculares (RATTANAKAWIN; HOGG, 2007). Assim, com a blindagem dos grupos aniônicos pelos eletrólitos, a redução da viscosidade para este polímero é mais acentuada do que para os demais, devido à uma grande redução do volume hidrodinâmico das macromoléculas em solução. O mesmo efeito foi observado na PA1, mas com menor redução da viscosidade devido à sua densidade de carga superficial aniônica ser muito menor a da PA2. Uma menor densidade de carga superficial aniônica reflete em uma menor quantidade de eletrólitos necessária para blindar as cargas negativas presentes na cadeia polimérica. Assim, a redução da viscosidade é mais amena e começa a se estabilizar com a adição e 0,1M de NaCl. A poliacrilamida PNI não necessita de NaCl para se estabilizar em solução devido a ausência de carga aniônica nas suas macromoléculas, mas alterações pouco significativas ainda são visualizadas até 0,5M de NaCl, possivelmente, devido à alguns resquícios de carga aniônica presente na composição da poliacrilamida. O processo de fabricação de poliacrilamidas não-iônicas pode gerar pequenas quantidades de carga aniônica através de reações de hidrólise no grupo amida da cadeia polimérica (KITCHENER, 1972; BOLTO; GREGORY, 2007; RODRIGUES, 2008). Diante de todos resultados obtidos, é possível observar que 0,5M de NaCl é a condição mais indicada para determinação da massa molar das poliacrilamidas estudadas, devido inibir as interações intra e intermoleculares das cargas iônicas presentes nas macromoléculas, possibilitando a obtenção da viscosidade intrínseca onde somente ocorrem as interações entre o polímero e o solvente (KULICKE; CLASEN, 2004).

Figura 1:

Variação da ƞesp.red. em função da concentração de NaCl presente na solução das poliacrilamidas PNI, PA1 e PA2.

Figura 2:

Ilustração esquemática do comportamento das cadeias poliméricas aniônicas em solução com e sem a presença de eletrólitos.

Conclusões

A partir do presente trabalho é possível concluir que a quantidade de 0,5 M de eletrólito NaCl é suficiente para blindar todas as cargas presentes nas poliacrilamidas estudadas. Devido à presença de maior densidade de carga, a PA2 tem sua viscosidade reduzida com maior intensidade devido a uma grande redução do volume hidrodinâmico das macromoléculas. Sendo assim, a adição de 0,5 M de NaCl possibilita a determinação da viscosidade intrínseca das poliacrilamidas estudadas pelas equações de Huggins e Kraemer.

Agradecimentos

Agradecimentos a CAPES pela bolsa de fomento à pesquisa. À UFSCPA, ao LAPOL da UFRGS e ao RESAG-SIBRATEC. A SNF-Floerger e ao Prof. Rafael.

Referências

BOLTO, B.; GREGORY, J. Organic polyelectrolytes in water treatment. Water Research, v. 41, n. 11, p. 2301–2324, jun. 2007. Disponível em: <http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0043135407001881>.
CANEVAROLO JR., S. V. Ciência dos Polímeros - Um texto básico para tecnólogos e engenheiros. Ciência dos Polímeros: um texto básico para tecnólogos e engenheiros, p. 139 – 168, 2006.
DAVIS, F. J. Polymer Chemistry -A Practical Approach. New York: Oxford University Press Inc., 2004.
FINK, J. K. Handbook of Engineering and Speciality Thermoplastics. Salem, Massachusetts: Scrivener Publishing LLC, 2011. v. 1
GHIMICI, L.; POPESCU, F. Determination of intrinsic viscosity for some cationic polyelectrolytes by Fedors method. European Polymer Journal, v. 34, n. 1, p. 13–16, jan. 1998. Disponível em: <http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0014305797000724>.
KITCHENER, J. A. Principles of Action of Polymeric Flocculants. v. 4, n. September 1971, p. 217–229, 1972.
KULICKE, W.-M.; CLASEN, C. Viscosimetry of polymers and polyelectrolytes. Verlag Berlin Heidelberg New York: Springer, 2004.
MANO, E. B.; MENDES, L. C. Introdução a Polímeros. 2.ed. ed. São Paulo: Edgard Blucher LTDA, 2004.
NASSER, M. S.; JAMES, A. E. The effect of polyacrylamide charge density and molecular weight on the flocculation and sedimentation behaviour of kaolinite suspensions. Separation and Purification Technology, v. 52, n. 2, p. 241–252, 2006.
RATTANAKAWIN, C.; HOGG, R. Viscosity behavior of polymeric flocculant solutions. Minerals Engineering, v. 20, n. 10, p. 1033–1038, 2007.
RODRIGUES, C. O. Mecanismos De Floculação Com Polímeros Hidrossolúveis, Geração De Flocos Aerados, Floculação Em Núcleos De Bolhas Floculantes E Aplicações Na Separação De Partículas Modelos Por Flotação. 2008. UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL, 2008.
SCHIFINO, J. Tópicos de Físico-química. 1.ed. ed. Porto Alegre: Editora da UFRGS, 2013.