desenvolvimento de sistemas de dispersão e polímeros · mido foi testada a adição do polímero...

Setembro 2016

José Diogo Botas de Jesus

[Nome completo do autor]







Licenciado em Ciências da Engenharia Química e Bioquímica

[Habilitações Académicas]







Desenvolvimento de sistemas de dispersão e

hidratação super rápida de polímeros

[Título da Tese]

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Química e Bioquímica

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

[Engenharia Informática]

Orientadora: Telma Godinho Barroso, Doutora, GEO-Ground Engineering Oper-

ations

Coorientadora: Ana Isabel Nobre Martins Aguiar de Oliveira Ricardo, Professora

Catedrática, FCT-UNL

:

Presidente: Doutora Isabel Figueiredo Ligeiro da Fonseca, Professor

Associado, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova

de Lisboa

Vogal: Doutor Mário Fernando José Eusébio, Professor Auxiliar da Fa-

culdade de Ciências e Tecnologias da Universidade Nova de Lisboa

Vogal: Doutora Telma Godinho Barroso, RD Manager, Departamento

de Investigação e Desenvolvimento, Ground Engineering Operations

José Jesus Sistemas de dispersão e hidratação super rápida de polímeros


Copyright © José Diogo Botas de Jesus, Faculdade de Ciências e Tecnologia,

Universidade Nova de Lisboa.

A Faculdade de Ciências e Tecnologia e a Universidade Nova de Lisboa têm o

direito, perpétuo e sem limites geográficos, de arquivar e publicar esta disserta-

ção através de exemplares impressos reproduzidos em papel ou de forma digital,

ou por qualquer outro meio conhecido ou que venha a ser inventado, e de a

divulgar através de repositórios científicos e de admitir a sua cópia e distribuição

com objetivos educacionais ou de investigação, não comerciais, desde que seja

dado crédito ao autor e editor.


”Acredita em ti próprio e chegará um dia em que os outros não terão

outra escolha senão acreditar contigo”

Cynthia Kersey


vii

Agradecimentos

Em primeiro lugar gostaria de começar por agradecer a todos os que me apoiaram e interviram

no desenvolvimento deste trabalho. Um enorme obrigado à Dra.Telma Barroso pela sua orienta-

ção, paciência, compreensão e por me ter ajudado a superar todas as dificuldades que tive ao

longo desta tese, tendo mesmo em alguns períodos desesperado e pensado em desistir, um

grande obrigado por me ter mostrado que com trabalho tudo é possível.

Agradeço também à Prof. Ana Aguiar Ricardo pela disponibilidade, acompanhamento, e apoio

facultado em todo o trabalho.

Um grande agradecimento à empresa GEO por me ter disponibilizado todos os recursos neces-

sários à realização deste trabalho, bem como a toda a equipa que constitui a empresa, foram

incansáveis para que o sucesso deste projecto fosse conseguido. Um agradecimento ao director

da GEO Jorge Capitão-Mor por sempre estar disposto a ajudar e a dar ideias para o desenvolvi-

mento do trabalho, ao André Praça por toda a ajuda, desde a disponibilidade para fazer equipa-

mentos e imprimir peças, a todo o apoio e motivação que deu para que eu me focasse no que

queria atingir, um agradecimento ainda à Carla Almeida e ao Leandro Parada por estarem sem-

pre dispostos a ajudar em qualquer altura e qualquer hora dentro das suas áreas de especiali-

dade. Um agradecimento sentido às minhas companheiras de guerra Diana Lopes e Clarinda

Costa, pelo apoio, amizade, e por fazerem com que esta experiência fosse ainda melhor.

Agradeço agora e especialmente aos meus pais e ao meu padrinho que sempre foi como um

pai para mim, por me possibilitarem vivenciar esta experiência e me ajudarem com tudo o que

necessito para atingir os meus objetivos de vida. Quero agradecer ainda à minha irmã pelo apoio

e ânimo dado constantemente, bem como à minha namorada Cynthia Santos por me aturar,

ajudar e incentivar a nunca desistir.

Por ultimo um agradecimento muito especial aos meus avós por todos os valores que me tras-

mitiram até hoje, por serem as pessoas espectaculares que são e por felizmente poder vivenciar

este período da minha vida com eles.


viii


ix

Resumo

O estudo realizado no âmbito desta tese de mestrado centra-se no desenvolvimento de um sis-

tema/método de dispersão e hidratação de polímeros em meio aquoso de forma super rápida,

para posterior aplicação em cenários de obra para estabilização de solos. A meta proposta neste

trabalho passa pelo desenvolvimento de um sistema capaz de produzir soluções poliméricas

100% dispersas e hidratadas, com viscosidade superior a 90 s/quarto em 45 minutos, válido no

intervalo de pH´s entre [7,12] e utilizando um rácio de 1g polímero/L água. O polímero utilizado

foi o polyGEO, propriedade da empresa GEO.

De forma a atingir os objetivos propostos, foram estudadas duas vertentes na preparação do

sistema, a vertente química e a vertente mecânica. Na vertente química foi testada a utilização

e influência de hidróxido de sódio e hexametafosfato de sódio, aplicados singularmente ou em

conjunto, na viscosidade e dissolução da solução polimérica. Na vertente mecânica foram testa-

dos os dois principais métodos para promover misturas em fluidos de perfuração para estabili-

zação de solos, agitação através de agitadores mecânicos e agitação com ar comprimido. Dentro

dos agitadores mecânicos foram impressos e testados diferentes tipos de agitador: (i) agitador

de pás planas com 60 % do diâmetro do tanque, (ii) agitador de pás planas com 95 % de dia-

metro do tanque, (iii) agitador tipo âncora com 95% de diâmetro do tanque e (iv) agitador tipo

contra fluxo com 95% do diâmetro do tanque. O tanque de mistura foi simulado através de um

balde de fundo redondo com 20 cm de diâmetro. No que diz respeito à agitação por ar compri-

mido foi testada a adição do polímero de diferentes formas: (i) de forma instantânea, por polvi-

lhamento, bem como, (ii) adição do polímero em fluxo contínuo à água em regime turbulento e

regime laminar, sendo a adição em regime turbulento o método utilizado pela GEO. Foi ainda

testada a aplicação de efervescentes em conjunto com ar comprimido, bem como a elaboração

de um engenho de ar comprimido a 2 níveis.

A realização de ensaios de controlo permitiu estabelecer que um desvio padrão entre 0 e 0,3

mL/s correspondia a uma solução polimérica totalmente dispersa e hidratada. A utilização de

agitador contra fluxo a 70 rpm, juntamente com hidróxido de sódio e hexametafosfato de sódio

como dispersantes químicos, permitiu obter os melhores resultados desta tese, possibilitando

assim atingir os objetivos desta tese a pH 7 e pH 12. A pH 7 nas condições anteriormente refe-

ridas foi possível obter 104 s/quarto de viscosidade e 0,148 ml/s de desvio padrão dos caudais

de escoamento da solução polimérica, enquanto que a pH 12 foi obtido 91 s/quarto de viscosi-

dade e 0,250 ml/s de desvio padrão dos caudais de escoamento da solução polimérica.

Palavras chave: polímero; fluidos altamente viscosos; fluidos de perfuração; dispersão; hidra-

tação; aglomerados poliméricos..


x


xi

Abstract

The study carried out in the framework of this master thesis focuses on the development of a

super fast system/method for dispersion and hydration of polymers in an aqueous medium, for

further application in site work scenarios of soil stabilization. The goal of this work consists in the

development of a system able to produce polymer solutions 100% dispersed and hydrated, with

a viscosity superior to 90 s/quart, in 45 minutes, valid in the range of pH [7, 12] and using a ratio

of 1g polymer/1L water .The polymer used was the polyGEO, property of the GEO company.

In order to achieve the proposed objectives, two points of view were considered and evaluated:

one chemical and other mechanical. According to a chemical perspective, it was tested the use

and the influence of the sodium hydroxide and sodium hexametaphosphate, applied singularly or

combined on the viscosity and dissolution of the polymer solution. In the other hand, considering

the mechanical point of view, two main methods to promote mixtures in drilling fluids to soil sta-

bilisation, were tested: mixing through mechanical blades and, through compressed air. Regard-

ing the mechanical blades different types were printed and tested: (i) impeller flate blades with 60

% of the diameter of the tank, (ii) impeller flat blades with 95 % of the tank, (iii) the anchor impeller

with 95% of the diameter of the tank, and (iv) counter-flow impeller with 95% of the diameter of

the tank. The mixing tank was simulated through a bucket round bottom with 20 cm of diameter.

Regarding the agitation assisted by compressed air, the polymer addition was performed in dif-

ferent ways: (i) instantly by powdering, and (ii) the addition of polymer in continuous flow to the

water in turbulent (used by GEO at work) and laminar flows. It was also tested the application of

effervescents together with compressed air, as well as with an apparatus at two levels also con-

structed in this thesis.

The execution of control tests established that a standard deviation between 0 and 0,3mL/s cor-

responded to a fully dispersed and hydrated polymer solution. The use of the counter-flow blade

at 70 rpm, with sodium hydroxide and sodium hexametaphosphate as chemical dispersants, al-

lowed to obtain the best results of this thesis, fulfilling the objectives of this thesis at pH 7 and ph

12. At pH 7, under the conditions mentioned above, it was possible to obtain 104 s/quart of vis-

cosity and 0,148 ml/s of standard deviation of the polymer solution flowrates, while at pH 12 was

obtained 91 s/quart of viscosity and 0,250 ml/s of standard deviation of the polymer solution

flowrates, both within 45 minutes.

Keywords: polymer; high viscous fluids; drilling fluids; dispersion; hydration; “fish-eyes”


xii


xiii

Índice

Agradecimentos ....................................................................................................................... vii

Resumo ........................................................................................................................................ ix

Abstract........................................................................................................................................ xi

Índice ......................................................................................................................................... xiii

Lista de Figuras ........................................................................................................................ xv

Lista de Tabelas .................................................................................................................... xvii

Abreviaturas ............................................................................................................................ xxi

1. Introdução ....................................................................................................................... 1

1.1-FLUIDOS DE PERFURAÇÃO ............................................................................................................ 1

1.2-PROPRIEDADES REOLÓGICAS ...................................................................................................... 5

1.3-POLÍMEROS DE ALTO PESO MOLECULAR SOLÚVEIS EM ÁGUA............................................... 7

1.3.1- Poliacrilamida....................................................................................................................... 9

1.3.2- Dissolução de polímeros de alto peso molecular solúveis em

água ....................................................................................................................................................................... 11

1.3.2.1- Molhagem ......................................................................................................................... 12

1.3.2.2- Dispersão e hidratação .......................................................................................... 13

1.4-SISTEMAS DE DISPERSÃO ............................................................................................................ 15

1.4.1- Sistemas de dispersão mecânica ........................................................................ 15

1.4.2- Sistemas de dispersão química ............................................................................ 19

1.4-SISTEMAS DE HIDRATAÇÃO ........................................................................................................ 21

1.5.1- Sistemas de hidratação mecânica ...................................................................... 21

1.5.2- Sistemas de hidratação química .......................................................................... 22

2. Objetivos ........................................................................................................................25

3. Materiais e Métodos ..................................................................................................27

3.1- MATERIAIS .................................................................................................................................... 27

3.2- MÉTODOS ...................................................................................................................................... 27

3.2.1- Agitação com pás ............................................................................................................ 27

3.2.2- Agitação por ar comprimido.................................................................................... 35

3.2.3- Adição de Ureia aos sistemas poliméricos .................................................. 44

3.2.4- Sistemas poliméricos aquosos com água do mar e água

destilada............................................................................................................................................................. 45


xiv

3.2.5- Teste de 2 novos polímeros em agitação contra fluxo ....................... 46

3.2.6- Análise de sais presentes na água..................................................................... 47

3.2.7- Determinação do peso molecular- Viscosímetro Ubbelohde......... 47

3.2.8- Medição da viscosidade ............................................................................................. 49

3.2.9- Avaliação da capacidade de dispersão e hidratação da solução

polimérica.......................................................................................................................................................... 49

4. Discussão de Resultados ..........................................................................................51

4.1- AGITADORES MECÂNICOS ........................................................................................................ 51

4.1.1 – Agitador de pás planas ............................................................................................. 51

4.1.2- Agitador tipo Âncora ................................................................................................... 62

4.1.3- Agitador de contra fluxo ........................................................................................... 65

4.1.4- Resumo da Secção ......................................................................................................... 67

4.2- AGITAÇÃO COM AR COMPRIMIDO ........................................................................................... 68

4.2.1- Regime de adição – Avaliação da etapa de molhagem ..................... 68

4.3- UTILIZAÇÃO DE UREIA- OTIMIZAÇÃO DO MELHOR SISTEMA ............................................ 86

4.4- VARIÁVEIS COM POSSÍVEL IMPACTO- COMPONENTE CRITICA .......................................... 89

4.4.1- Água ........................................................................................................................................... 89

4.4.2- Polímero .................................................................................................................................. 91

5.Conclusão ...............................................................................................................................93

6.Referências ............................................................................................................................95

7.Anexos .................................................................................................................................. 107


xv

Lista de Figuras

FIGURA 1.1- IMPULSORES UTILIZADOS PARA MISTURA EM FLUIDOS ALTAMENTE VISCOSOS. A) IMPULSOR

TIPO ÂNCORA; B) IMPULSOR TIPO HÉLICE; C) IMPULSOR DE PÁS PLANAS .................................... 4

FIGURA 1.2- COMPORTAMENTO DA VISCOSIDADE EM FUNÇÃO DA TAXA DE CISALHAMENTO PARA CADA

TIPO DE FLUIDO (NEWTONIANOS E NÃO NEWTONIANOS)[164]. ................................................... 7

FIGURA 1.3- MONÓMERO DE ÁCIDO ACRÍLICO E ACRILAMIDA A DAR ORIGEM A POLIACRILAMIDA. ......... 10

FIGURA 1.4- HIDRÓLISE DE POLIACRILAMIDA UTILIZANDO HIDRÓXIDO DE SÓDIO A UM COPOLÍMERO

CONTENDO UNIDADES DE ACRILAMIDA E ACRILATO DE SÓDIO. .................................................. 10

FIGURA 1.5-MÁ MOLHAGEM DO POLÍMERO, PARTÍCULAS NÃO CONTACTARAM COM A ÁGUA

INDIVIDUALMENTE .................................................................................................................. 13

FIGURA 1.6- FORMAÇÃO DE AGLOMERADOS DE POLÍMERO NÃO HIDRATADO. ..................................... 15

FIGURA 1.7- APARELHO PROPOSTO POR BRAZELTON ET. AL (IMAGEM EDITADA DE [117]). (1)-CÂMARA

DE MISTURA; (2)- IMPULSOR; (3)-ENTRADA DA EMULSÃO; (4)-ENTRADA DE ÁGUA; (5)- CANAIS

INTERNOS DO IMPULSOR; (6)- OLHO DO IMPULSOR. ................................................................. 17

FIGURA 1.8- MÉTODO PROPOSTO POR LARWICK ET. AL (IMAGEM EDITADA DE [127]). (1)-CAIXA DE

ADIÇÃO DO POLÍMERO; (2)-CÂMARA DE VORTÉX; (3)-ALIMENTAÇÃO DE ÁGUA; (4)-EDUTOR; (5)-

BOMBA CENTRIFUGA; (6)-TANQUE DE AGITAÇÃO. ................................................................... 18

FIGURA 1.9- MÉTODO PROPOSTO POR STEPHEN WILSON (IMAGEM EDITADA DE[128]). (1)- ENTRADA

SUPERIOR; (2)-ENTRADA INFERIOR; (3)-DEFLECTORES HORIZONTAIS; (4)-HASTE DE AGITAÇÃO;

(5)-ORIFICIO; (6)-FUNIL; (7)-DISPOSITIVO DE ALIMENTAÇÃO; (8)- EDUTOR. .............................. 19

FIGURA 1.10- MÉTODO PROPOSTO POR EL-KHOLY (IMAGEM EDITADA DE [138]). (1)-EDUTOR; (2)-

APARELHO DE PRÉ MISTURA; (3)-CÂMARA DE MISTURA; (4)-TANQUE DE HIDRATAÇÃO. .............. 22

FIGURA 3.1- A -CARRO DE AGITAÇÃO UTILIZADO; B- BALDE UTILIZADO PARA SIMULAR TANQUE DE

MISTURA. .............................................................................................................................. 27

FIGURA 3.2- AGITADOR DE PÁS PLANAS GEO ................................................................................. 28

FIGURA 3.3- AGITADOR DE PÁS PLANAS COM 18 CM DE DIÂMETRO ................................................... 32

FIGURA 3.4- ENGENHO DE AR COMPRIMIDO (17 CM DE DIÂMETRO). .................................................. 35

FIGURA 3.5- ADIÇÃO DO POLÍMERO À CORRENTE DE ÁGUA ............................................................... 37

FIGURA 3.6- CONSTRUÇÃO DE CAIXA PARA TRANSFORMAR REGIME TURBULENTO EM REGIME LAMINAR.

A-DESENHO DAS DIMENSÕES DA CAIXA; B-COLOCAÇÃO DE PALHINHAS COMPACTADAS EM TODO O

VOLUME DA CAIXA. ................................................................................................................ 38

FIGURA 3.7- ALIMENTAÇÃO EM REGIME LAMINAR DA ÁGUA DE ÁGUA AO SISTEMA. A MOLHAGEM DO

POLÍMERO É FEITA EM 1. ........................................................................................................ 39

FIGURA 3.8- A- AGITAÇÃO COM 2 NÍVEIS NO FUNDO DO TANQUE/BALDE; B- LIGAÇÃO CENTRAL

EFETUADA COM MANGUEIRA, DE MODO A CONSEGUIR 3 ALTURAS DISTINTAS. ............................ 40

FIGURA 3.9- APLICAÇÃO DE COMPOSIÇÃO EFERVESCENTE COM AR COMPRIMIDO .............................. 42

FIGURA 3.10- FITAS DE CLORO E MEDIDOR DE IÕES CÁLCIO ............................................................. 47

FIGURA 3.11- LIOFILIZADOR ........................................................................................................... 47

FIGURA 3.12- MEDIÇÃO DE VISCOSIDADE ATRAVÉS DE FUNIL E COPO MARSH.................................... 49

FIGURA 3.13- SEPARAÇÃO EM FRAÇÕES DE 500 ML ........................................................................ 49


xvi

FIGURA 4.1- INFLUÊNCIA DA VELOCIDADE DE ROTAÇÃO NA VISCOSIDADE DA SOLUÇÃO POLIMÉRICA. A-

ÁGUA DA REDE PÚBLICA + POLYGEO (PH 6,6); B- ÁGUA DA REDE PÚBLICA + HEXAMETAFOSFATO

DE SÓDIO + POLYGEO (PH 6,8); C- ÁGUA DA REDE PÚBLICA + HIDRÓXIDO DE SÓDIO + POLYGEO

(PH 7); D- ÁGUA DA REDE PÚBLICA + HIDRÓXIDO DE SÓDIO + HEXAMETAFOSFATO DE SÓDIO +

POLYGEO (PH 7); E- ÁGUA DA REDE PÚBLICA + HIDRÓXIDO DE SÓDIO + POLYGEO (PH 12); F-

ÁGUA DA REDE PÚBLICA + HIDRÓXIDO DE SÓDIO + HEXAMETAFOSFATO DE SÓDIO + POLYGEO (PH

12) ....................................................................................................................................... 59

FIGURA 4.2- AGITADOR TIPO ÂNCORA IMPRESSO NA GEO. .............................................................. 62

FIGURA 4.3- INTERAÇÃO ENTRE HEXAMETAFOSFATO DE SÓDIO E POLYGEO ..................................... 64

FIGURA 4.4- AGITADOR CONTRA FLUXO IMPRESSO NA GEO............................................................. 65

FIGURA 4.5- COMPARAÇÃO DE RESULTADOS ENTRE OS TRÊS TIPOS DE PÁS UTILIZADAS, A 70 RPM

PARA OS SISTEMAS POLIMÉRICOS TIPO C, D, E E F. C- ÁGUA DA REDE PÚBLICA + HIDRÓXIDO DE

SÓDIO +POLYGEO (PH 7); D- ÁGUA DA REDE PÚBLICA + HIDRÓXIDO DE SÓDIO +

HEXAMETAFOSFATO DE SÓDIO + POLYGEO (PH 7); E- ÁGUA DA REDE PÚBLICA + HIDRÓXIDO DE

SÓDIO + POLYGEO (PH 12); F- ÁGUA DA REDE PÚBLICA + HIDRÓXIDO DE SÓDIO +

HEXAMETAFOSFATO DE SÓDIO + POLYGEO (PH 12). .............................................................. 67

FIGURA 4.6- TIPOS DE REGIME DE ADIÇÃO DE POLÍMERO AO MEIO .................................................... 69

FIGURA 4.7- TIPOS DE ALIMENTAÇÃO DA ÁGUA AO BALDE: A- ALIMENTAÇÃO DE ÁGUA EM REGIME

TURBULENTO; B- ALIMENTAÇÃO DE ÁGUA EM REGIME LAMINAR ................................................ 75

FIGURA 4.8- COMPARAÇÃO DOS VALORES DE VISCOSIDADE DOS SISTEMAS POLIMÉRICOS ESTUDADOS

DE ACORDO COM OS DIFERENTES REGIMES DE ADIÇÃO. ND- SOLUÇÃO POLIMÉRICA NÃO ESTÁ

TOTALMENTE DISPERSA E HIDRATADA, OU SEJA, FORA DO INTERVALO [0;0,3 ML/S]. .................. 77

FIGURA 4.9- DOIS NÍVEIS DE AGITAÇÃO SEPARADOS POR UNIÃO CENTRAL COM 10 CM DE ALTURA ...... 78

FIGURA 4.10- AGITADOR COM 2 NÍVEIS COLOCADOS PERTO DO FUNDO DO BALDE (TANQUE). ............. 80

FIGURA 4.11- COMPARAÇÃO DE RESULTADOS DE AGITAÇÃO POR AR COMPRIMIDO. ND- SOLUÇÃO

POLIMÉRICA NÃO ESTÁ COMPLETAMENTE DISPERSA E HIDRATADA, OU SEJA, FORA DO INTERVALO

[0; 0,3 S/QUART] ................................................................................................................... 85

FIGURA 4.12- INTERAÇÃO ENTRE UREIA E POLIACRILAMIDA PARCIALMENTE (PHPA) HIDROLISADA EM

MEIO AQUOSO. IMAGEM EDITADA A PARTIR DE [163]. ............................................................... 86

FIGURA 4.13- COMPARAÇÃO DE SISTEMAS DE DISPERSÃO COM E SEM UREIA; I) SISTEMAS DE

DISPERSÃO TIPO C (ÁGUA DA REDE PÚBLICA + HIDRÓXIDO DE SÓDIO + POLYGEO (PH 7)); II)

ÁGUA DA REDE PÚBLICA + HIDRÓXIDO DE SÓDIO + HEXAMETAFOSFATO DE SÓDIO + POLYGEO

(PH 7); III) ÁGUA DA REDE PÚBLICA + HIDRÓXIDO DE SÓDIO + POLYGEO (PH 12); IV) ÁGUA DA

REDE PÚBLICA + HIDRÓXIDO DE SÓDIO + HEXAMETAFOSFATO DE SÓDIO + POLYGEO (PH 12);

ND- NÃO DISPERSOU E HIDRATOU TOTALMENTE. ..................................................................... 88


xvii

Lista de Tabelas

TABELA 3.1- ENSAIOS DE CONTROLO REALIZADOS COM AGITAÇÃO POR PÁS PLANAS, VARIANDO A

VELOCIDADE DE ROTAÇÃO, PH DO MEIO E DISPERSANTES QUÍMICOS UTILIZADOS. ..................... 30

TABELA 3.2- ENSAIOS REALIZADOS COM AGITAÇÃO POR PÁS, VARIANDO A VELOCIDADE DE ROTAÇÃO,

PH DO MEIO E DISPERSANTES QUÍMICOS UTILIZADOS ............................................................... 31

TABELA 3.3- ENSAIOS REALIZADOS COM AGITADOR DE PÁS PLANAS COM 18 CM DE DIÂMETRO,

VARIANDO A VELOCIDADE DE ROTAÇÃO, PH DO MEIO E DISPERSANTES QUÍMICOS UTILIZADOS. ... 33

TABELA 3.4- ENSAIOS REALIZADOS COM AGITADORES PARA FLUIDOS ALTAMENTE VISCOSOS, A 60 E 70

RPM, VARIANDO O PH DO MEIO E OS DISPERSANTES QUÍMICOS UTILIZADOS. .............................. 34

TABELA 3.5- ENSAIOS REALIZADOS COM AGITAÇÃO POR AR COMPRIMIDO, COM ADIÇÃO DO POLÍMERO

POR POLVILHAMENTO, VARIANDO A PRESSÃO FORNECIDA AO SISTEMA, PH DO MEIO E

DISPERSANTES QUÍMICOS UTILIZADOS. ................................................................................... 36

TABELA 3.6- ENSAIOS REALIZADOS COM AGITAÇÃO POR AR COMPRIMIDO COM ADIÇÃO DO POLÍMERO Á

CORRENTE DE ÁGUA, COM A PRESSÃO FORNECIDA PELO COMPRESSOR FIXA EM 5 BAR E VARIANDO

O PH DO MEIO E DISPERSANTES QUÍMICOS UTILIZADOS ............................................................ 37

TABELA 3.7- ENSAIOS REALIZADOS COM AGITAÇÃO POR AR COMPRIMIDO COM ADIÇÃO DO POLÍMERO À

CORRENTE DE ÁGUA EM REGIME LAMINAR, VARIANDO O PH DO MEIO E OS DISPERSANTES

QUÍMICOS UTILIZADOS ........................................................................................................... 39

TABELA 3.8- ENSAIOS REALIZADOS COM AGITAÇÃO POR AR COMPRIMIDO A 2 NÍVEIS, VARIANDO A

POSIÇÃO DO SEGUNDO FOCO DE AGITAÇÃO, O PH DO MEIO E OS DISPERSANTES QUÍMICOS

UTILIZADOS. .......................................................................................................................... 41

TABELA 3.9- COMPOSIÇÕES EFERVESCENTES UTILIZADAS ............................................................... 42

TABELA 3.10- ENSAIOS REALIZADOS COM DIFERENTES COMPOSIÇÕES EFERVESCENTES SEM PRESENÇA

DE DISPERSANTE ................................................................................................................... 43

TABELA 3.11- ENSAIOS REALIZADOS COM AS COMPOSIÇÕES 2 E 3, VARIANDO O PH DO MEIO E OS

DISPERSANTES UTILIZADOS .................................................................................................... 43

TABELA 3.12- ENSAIOS REALIZADOS COM ADIÇÃO DE UREIA, VARIANDO A O RÁCIO G UREIA/ G POLYGEO,

O PH DO MEIO E O TIPO DE DISPERSANTES UTILIZADOS. ........................................................... 44

TABELA 3.13- ENSAIOS UTILIZANDO DIFERENTES TIPOS DE ÁGUA EM CONTRA FLUXO. ........................ 45

TABELA 3.14- TESTES EFETUADOS A NOVOS POLÍMEROS, VARIANDO O RÁCIO G POLÍMERO /L ÁGUA, O

PH DO MEIO E OS DISPERSANTES QUÍMICOS UTILIZADOS. ......................................................... 46

TABELA 4.1- ENSAIOS DE CONTROLO DE VISCOSIDADE E CAUDAL DE ESCOAMENTO. .......................... 52

TABELA 4.2- TESTES EFETUADOS COM AGITADOR DE PÁS PLANAS SEM PRESENÇA DE DISPERSANTE, PH

6,6, DURANTE 45 MINUTOS. ................................................................................................... 53

TABELA 4.3- TESTES COM AGITADOR DE PÁS PLANAS NA PRESENÇA DE SISTEMAS POLIMÉRICOS DO TIPO

B (HEXAMETAFOSFATO DE SÓDIO) A PH 6,8, DURANTE 45 MINUTOS. ........................................ 54


C (HIDRÓXIDO DE SÓDIO) A PH 7, DURANTE 45 MINUTOS ......................................................... 55


D (HIDRÓXIDO DE SÓDIO E HEXAMETAFOSFATO DE SÓDIO) A PH 7, DURANTE 45 MIN. ................ 56


xviii


E (HIDRÓXIDO DE SÓDIO) A PH 12, DURANTE 45 MINUTOS. ...................................................... 57


E (HIDRÓXIDO DE SÓDIO E HEXAMETAFOSFATO DE SÓDIO) A PH 12, DURANTE 45 MINUTOS. ...... 58

TABELA 4.8- TESTES COM AGITADOR DE PÁS PLANAS COM 18 CM DE DIÂMETRO, NA PRESENÇA DE

SISTEMAS POLIMÉRICOS DO TIPO C, D, E, F, DURANTE 45 MINUTOS. ........................................ 60

TABELA 4.9- TESTES COM AGITADOR TIPO ÂNCORA, NA PRESENÇA DE SISTEMAS POLIMÉRICOS DO TIPO

A,C, D, E, F, DURANTE 45 MINUTOS. ..................................................................................... 63

TABELA 4.10- TESTES COM AGITADOR DE CONTRA FLUXO, NA PRESENÇA DE SISTEMAS POLIMÉRICOS

DO TIPO A,C, D, E, F, DURANTE 45 MIN. ................................................................................. 66

TABELA 4.11- TESTES EFETUADOS COM AGITAÇÃO COM AR COMPRIMIDO SEM PRESENÇA DE

DISPERSANTE, PH 6,6, DURANTE 45 MINUTOS ........................................................................ 69

TABELA 4.12- TESTES EFETUADOS COM AGITAÇÃO COM AR COMPRIMIDO NA PRESENÇA DE

DISPERSANTE, TIPO B (HEXAMETAFOSFATO DE SÓDIO) PH 6,8, DURANTE 45 MINUTOS .............. 70


DISPERSANTE TIPO C (HIDRÓXIDO DE SÓDIO) PH 7, DURANTE 45 MINUTOS .............................. 71


DISPERSANTE TIPO D (HIDRÓXIDO DE SÓDIO E HEXAMETAFOSFATO DE SÓDIO) PH 7, DURANTE 45

MINUTOS. .............................................................................................................................. 71


DISPERSANTE TIPO E (HIDRÓXIDO DE SÓDIO) PH 12, DURANTE 45 MINUTOS ............................ 72


DISPERSANTE TIPO F (HIDRÓXIDO DE SÓDIO E HEXAMETAFOSFATO DE SÓDIO) PH 12, DURANTE 45

MINUTOS. .............................................................................................................................. 73

TABELA 4.17- ENSAIOS REALIZADOS COM ADIÇÃO DO POLÍMERO À CORRENTE DE ALIMENTAÇÃO DE

ÁGUA EM REGIME TURBULENTO, AGITADO POR AR COMPRIMIDO A 5 BAR, DURANTE 45 MINUTOS. 74

TABELA 4.18- ENSAIOS EM REGIME LAMINAR COM A MISTURA DO SISTEMA ASSISTIDA POR AR

COMPRIDO, A 5 BAR DURANTE 45 MINUTOS. ............................................................................ 75

TABELA 4.19- ENSAIOS REALIZADOS COM AGITAÇÃO POR DOIS NÍVEIS: FUNDO E TOPO DO TANQUE.

CADA ENSAIO TEVE A DURAÇÃO DE 45 MINUTOS. .................................................................... 79

TABELA 4.20- ENSAIOS REALIZADOS COM AGITAÇÃO POR DOIS NÍVEIS: FUNDO E MEIO DO TANQUE.


TABELA 4.21- ENSAIOS REALIZADOS COM AGITAÇÃO POR DOIS NÍVEIS NO FUNDO DO TANQUE,

SEPARADOS POR 2 CM. CADA ENSAIO TEVE A DURAÇÃO DE 45 MINUTOS. ................................. 80

TABELA 4.22- ENSAIOS DE SELEÇÃO DA COMPOSIÇÃO EFERVESCENTE (AGITAÇÃO EM AR COMPRIMIDO).


TABELA 4.23- AGITAÇÃO COM AR COMPRIMIDO E COMPOSIÇÕES EFERVESCENTES COMO AUXÍLIO DA

DISPERSÃO. CADA ENSAIO TEVE A DURAÇÃO DE 45 MINUTOS. .................................................. 83

TABELA 4.24- ENSAIOS REALIZADOS COM ADIÇÃO DE UREIA COMO INCREMENTADOR DE VISCOSIDADE

EM AGITAÇÃO CONTRA FLUXO A 70 RPM. TODOS OS ENSAIOS FORAM EFETUADOS EM 45 MINUTOS.

............................................................................................................................................ 87

TABELA 4.25- ANALISE ÁGUA DA REDE PÚBLICA ............................................................................... 89

TABELA 4.26- ANÁLISE A ÁGUA DESTILADA ...................................................................................... 89

TABELA 4.27- ANÁLISE A ÁGUA DO MAR .......................................................................................... 90


xix

TABELA 4.28- ENSAIOS REALIZADOS EM AGITADOR CONTRA FLUXO, DURANTE 45 MIN, EM ÁGUA

DESTILADA E ÁGUA DO MAR. ................................................................................................... 90

TABELA 4.29- ENSAIOS REALIZADOS NAS MELHORES CONDIÇÕES, UTILIZANDO POLÍMERO X (ENSAIO

136 A 139) E POLÍMERO Y (ENSAIO 140 A 143) ...................................................................... 91

TABELA 4.30- DADOS FORNECIDOS PELA GEO COM AGITAÇÃO MAGNÉTICA DURANTE 24 HORAS,

USANDO O POLÍMERO X ( ENSAIO 144 A 147 ) E POLÍMERO Y ( ENSAIO 148 A 151).................... 92


xx


xxi

Abreviaturas

kg – Kilogramas

g - gramas

s - segundos

s/quarto - segundos por quarto de galão

L - litros

MW - Massa molecular

CD - Densidade de carga

w/w - massa/massa

PHPA - Poliacrilamida parcialmente hidrolisada

rpm - Rotações por minuto

OH- - Hidróxilo

Mhz – Megahertz


xxii


1

1. Introdução

Hoje em dia a utilização de sistemas poliméricos na área dos fluidos de perfuração para a pre-

paração de fundações, como sistema alternativo à bentonite, é cada vez mais aceite. No entanto,

estes sistemas ainda apresentam alguns desafios inerentes à sua preparação. As perdas de

polímero associadas a um processo de mistura deficiente, bem como os longos ciclos de mistura

do polímero, levam à necessidade de desenvolver novos métodos por forma a melhorar quer a

dispersão, quer a mistura do polímero e assim otimizar os processos em obra a nível económico

e operacional.

1.1-Fluidos de perfuração

Os fluidos de perfuração são misturas de sólidos, líquidos, aditivos químicos e/ou gases, que

podem ser classificados como fluidos à base de água [1], de óleo [2] e de gás [3], sendo o foco

deste trabalho apenas sistemas à base de água [4]. Na área das fundações, os sistemas de

perfuração mais utlizados são soluções aquosas, sendo que em apenas 5 a 10% dos casos são

usados fluidos à base de óleo ou ar [5].

O uso de fluidos de perfuração em estabilização de solos têm os seguintes objetivos [6]:

-Lubrificar e arrefecer a broca de perfuração;

-Limpar o fundo da escavação;

-Manter o diâmetro da escavação para estabilização das paredes da mesma;

-Formação de um reboco de baixa permeabilidade nas paredes da escavação;

O controlo da viscosidade é muito importante nos fluidos de perfuração. A viscosidade na indus-

tria de fluidos de perfuração é medida em s/quarto utilizando um funil de Marsh, baseado num

método proposto por H.N. Marsh em 1931 [7], no qual sugeriu que a viscosidade poderia ser

medida através do tempo que o fluido demora a escoar do funil de Marsh para encher um volume

de um quarto de galão. O fluido suspende e trás até à superfície os detritos resultantes da ação

da broca giratória sobre o solo, sendo que essa ação é efetuada com maior eficiência por fluidos

viscosos. Os principais produtos utilizados ao dia de hoje para aumentar a viscosidade de fluidos

de perfuração são: bentonite [8][9], goma xantana [10][11][12], poliacrilamida parcialmente hidro-

lisada [11][13][14] ou bentonite aditivada com polímero [15]. A bentonite sempre foi o produto de

eleição, no entanto a crescente restrição ao uso de lamas bentoníticas por órgãos ambientais,

gerou a necessidade de encontrar uma alternativa mais viável a nível ambiental, para a estabili-

zação de solos. Assim os polímeros começaram a ser usados em fluidos de perfuração desde

1930, após começarem a ser introduzidos como aditivos para controlo de filtrações. Desde então,


2

vêm-se tornando cada vez mais especializados, e a sua aceitação tem aumentado bastante.

Atualmente os polímeros compõem grande parte dos sistemas á base de água, sendo alguns

sistemas totalmente dependentes dos polímeros e denominados apropriadamente de sistemas

poliméricos, e serão estes o foco deste trabalho.

O desenvolvimento de polímeros de alto peso molecular com capacidade de conferir viscosida-

des necessárias para segurar as paredes do poço (35 a 60 s/quarto) [16][17], aliado ao facto de

ter sido observado que 1 kg de polímero teria o mesmo efeito que utilizar 50 kg de bentonite [18],

sugeriu que a utilização de polímeros em fluidos de perfuração poderia ser a melhor opção. As

moléculas de polímero têm ainda a vantagem de que quando ativadas, possuírem uma grande

quantidade de cargas capazes de atrair sólidos suspensos de carga oposta [19], bem como uma

elevada capacidade de hidratação. Embora geralmente o custo dos polímeros por quilo seja mais

elevado que o da bentonite, o facto de os primeiros serem biodegradáveis, reutilizáveis e usados

em baixas quantidades faz com que o custo da totalidade do processo possa resultar mais ren-

tável e atrativo [20][21][22]. Um estudo efetuado na Universidade Nove de Julho, em 2013, rea-

lizado por João Paschoalin Filho, António Guerner Dias e Eric de Lima Duarte [20] apresentou

a avaliação do custo de um processo em que foi utilizado polímero como fluido estabilizante na

escavação de paredes de diafragma, ao invés de lama bentonitica. No estudo referido anterior-

mente, comparando os dois processos numa escavação de igual volume, foram necessários 2

toneladas no caso de uso de polímero e cerca de 36 toneladas utilizando bentonite.Todos os

custos referente ao processo utilizando polímero rondaram os 45,5 euro/m3, valor efetivamente

mais reduzido que o valor associado ao uso de bentonite para um processo similar, que rondou

os 49,6 euro/m3.

Em contexto de obra o processo de preparação de fluidos de perfuração é realizado num ou mais

tanques de mistura de volumes variados (tipicamente entre 30 a 50 m3), normalmente conecta-

dos e acompanhados de agitação (através de agitação mecânica ou ar comprimido), sendo a

circulação de fluido gerada através de bombas [23]. O fluido depois de avaliado através de todas

as medições de aprovação pelos responsáveis em obra (medida de viscosidade, densidade, pH

e teor de areia), é enviado para as estacas que estão a ser perfuradas ou guardado em tanques

de armazenamento até à sua próxima utilização. Os tanques de armazenamento podem ser

desde tanques metálicos [24], tanques insufláveis [25], silos [26], escavações [27] (mais utilizado

para fluidos á base de óleo) ou qualquer tanque que não comprometa a integridade da mistura

polimérica. Depois de utilizados, os fluidos são muitas vezes limpos de sólidos para ser reutiliza-

dos, tendo para isso que passar num tanque de sedimentação, onde vai ocorrer a remoção de

sólidos suspensos oriundos da escavação, evitando contaminações antes de seguir novamente

para o tanque de mistura. No entanto em alguns casos não há tanques diferenciados para a

mistura e sedimentação, optando-se apenas pelo uso de um tanque com equipamento de agita-

ção adequado para suspender sólidos na superfície, e manter o fluido de perfuração homogéneo.

Para que este último requisito seja cumprido, os equipamentos de agitação devem criar uma


3

velocidade ascendente dentro do tanque que é maior do que a velocidade de sedimentação. No

entanto é de referir, que a GEO utiliza distintamente tanques de sedimentação e de mistura.

Existem diferentes tipos de tanques de mistura e sistemas de agitação para preparação de flui-

dos de perfuração e estabilização. O dimensionamento do tanque e instalação da agitação ade-

quada irá permitir a mistura de aditivos e produtos químicos no fluido em velocidade máxima

[28]. Como referenciado anteriormente, na indústria existem dois métodos principais para pro-

mover a mistura no tanque:

i) Agitação através de ar comprimido normalmente proveniente de compressores de ar

ii) Agitadores Mecânicos

A utilização de ar comprimido é a via utilizada pela GEO na fase de mistura do fluido, através de

mangueiras colocadas dentro do tanque e ligadas a um compressor para proceder a contínua

agitação da mistura. No entanto existem equipamentos de agitação mecânica capazes de de-

senvolver a mesma tarefa. Segundo o que está descrito na literatura [28] esses equipamentos

são constituídos por: um motor de acionamento, redutor de engrenagens (também chamado de

caixa de velocidades), um veio de saída da caixa de velocidades, e um impulsor. O impulsor é

determinante para uma mistura eficiente. O processo de escolha do tamanho e tipo de impulsor

é efetuado pelos fabricantes através de testes exaustivos dependentes do tipo de fluido a operar.

Os impulsores promovem a mistura aplicando forças de corte, no entanto, a aplicação de forças

de corte excessivas podem levar à rutura das cadeias poliméricas [29]. Discutir a tensão de corte

ideal é uma tarefa difícil, uma vez que, quando aplicada a fluidos não newtonianos como os

fluidos de perfuração e estabilização, a velocidade de corte depende de muitas variáveis, inclu-

indo o design do impulsor, distância para paredes do compartimento, existência de defletores,

concentração das partículas, distribuição granulométrica, densidade do fluido, viscosidade plás-

tica, força do gel e limite de elasticidade [28]. Portanto, a maioria dos fabricantes tem o conheci-

mento necessário para saber qual o impulsor adequado para condições específicas, sendo que

a configuração do impulsor vai depender do tipo de serviço e geometria do tanque a utilizar. Os

tipos de impulsores utilizados em tanques de mistura podem ser classificados segundo o fluxo

que provocam [30][31][28]. Os 3 principais tipos de impulsores são: impulsores de fluxo radial

[32], impulsores de fluxo axial [33], e impulsores de fluxo tangencial [34]. Os impulsores possuem

duas ou mais lâminas que podem ser apresentadas de duas formas, soldadas a um disco central

ou aparafusadas a uma placa que por sua vez possui um disco. As lâminas podem ser planas,

inclinadas ou “Swept Face” [28]. Um impulsor é chamado de impulsor de fluxo radial quando gera

linhas de fluxo perpendiculares ao eixo do agitador, ou seja, impulsiona a grande massa liquida

contra as paredes do tanque, já o impulsor axial gera linhas de fluxo paralelas ao eixo do agitador

impulsionando a massa liquida contra o fundo do tanque. Por último, os impulsores de fluxo

tangencial, geram linhas de fluxo circulares em regime de fluxo laminar, principalmente recomen-

dados para misturar fluidos com certas viscosidades ( serve para viscosidades ≥100 s/quarto


4

incluído) e impulsionam a massa líquida ao longo da parede do tanque. Os principais tipos de

impulsores são [31] :

- Hélices (ex: hélice marinha, impulsor chemshear )

- Turbinas (ex: turbina de pás planas, turbinas de pás e disco, turbina Smith, turbina pás inclina-

das)

- Pás (ex: âncora, impulsor de parafuso, impulsor helicoidal)

Os tipos de impulsores geralmente utilizados para a mistura de fluidos de perfuração de entre os

referidos são as pás (figura 1.1) [28] .

Figura 1.1- Impulsores utilizados para mistura em fluidos altamente viscosos. A) Impulsor

tipo âncora; B) Impulsor tipo Hélice; C) Impulsor de pás planas

Também de extrema importância na preparação de fluidos de perfuração é a adição do polí-

mero à água, na alimentação aos tanques de mistura. Geralmente em contexto de obra, o polí-

mero é colocado diretamente do saco em direção à corrente de água de entrada no tanque. Uma

vez que o contato inicial do polímero com a água origina uma pelicula de solução concentrada

que se acumula ao redor das partículas de polímero, é importante molhar cada partícula indivi-

dualmente, de modo a evitar a formação de aglomerados, normalmente chamados “olhos de

peixe” pela indústria. A formação de aglomerações fará com que nem todo o polímero colocado

consiga desenvolver as propriedades para o qual foi produzido, neste contexto, gerar viscosida-

des iguais ou superiores a 55 s/quarto [35]. Quando não é possível eliminar estes problemas no

inicio do processo de mistura é comum aplicar diferentes estratégias para promover a eliminação

de aglomerados à posteriori, tais como: aumentar os tempos de mistura (de várias horas a dias)

ou as velocidades de agitação (800 -1500 rpm) [23][24].

O grande desafio proposto nesta tese é conseguir desenvolver um novo sistema polimérico aqu-

oso, de raiz ou adaptado com uso de métodos químicos e/ou mecânicos que seja capaz de

promover elevadas viscosidades ao fluido (>90 s/quarto) usando uma rácio de polímero/água de

1:1) em apenas 45 minutos, sem qualquer formação de aglomerados em meios com ph [7,12] e

densidades de 1-1.18 g/cm^3 .


5

1.2-Propriedades reológicas

As propriedades reológicas estão relacionadas com a forma como os materiais reagem ao cisa-

lhamento. Newton relaciona a tensão de cisalhamento, que é a força exercida por unidade

deárea, e a taxa de cisalhamento, que é definida observando um escoamento laminar, e não é

mais que a razão entre a diferença de velocidade de duas lâminas e a distância entre elas [36].

Newton indicou ainda uma constante de proporcionalidade entre elas, denominando-a de visco-

sidade. Essas relação está representada através da Equação 1.1.

= ∗

(1.1)

Em que é a tensão de cisalhamento (Pa), μ é a viscosidade (Pa.s) e é a taxa de cisalha-

mento (s-1).

Na obra “Reologia e Escoamento de Fluidos - Ênfase na Indústria do Petróleo”, Machado (2002)

demonstra como a tensão de cisalhamento varia em função da taxa de cisalhamento e como

esta define o comportamento reológico dos fluidos viscosos. Os fluidos viscosos podem ser ca-

racterizados, também, através da relação entre a viscosidade e a taxa de cisalhamento. Esta

relação é traduzida na curva de viscosidade.

Os fluidos viscosos podem ser classificados em fluidos Newtonianos e não Newtonianos, sendo

os fluidos de interesse deste trabalho os fluidos de perfuração e estabilização à base de água,

aditivados com polímeros com ação viscosificante, que se caracterizam por fluidos não newtoni-

anos. Os fluidos não Newtonianos não apresentam viscosidade constante pois esta varia com a

magnitude da taxa de cisalhamento, e deve vir acompanhada da taxa de cisalhamento corres-

pondente, sendo chamada de viscosidade aparente [37]. Estes fluidos são então classificados

consoante o perfil da curva de fluxo e a viscosidade desses mesmos fluidos, que varia com a

taxa de cisalhamento. Desta forma, estes fluidos podem ser classificados como:

- Fluido plástico ideal (Plástico de Bingham);

- Fluido pseudoplástico;;

- Fluido dilatante;

Existem vários modelos para descrever o comportamento deste tipo de fluidos [38].

O modelo de Bingham, mostrado na Equação 1.2, inclui como novo parâmetro o limite de esco-

amento, que é uma tensão mínima necessária para o escoamento do fluido e viscosidade plás-

tica.


6

= 0 + ∗

(1.2)

Onde é a tensão de cisalhamento (Pa), 0 é o limite de escoamento (Pa), μ é a viscosidade

(Pa.s) e é a taxa de cisalhamento (s-1).

Já o modelo de Ostwald de Waale, mostrado na Equação 1.3, inclui parâmetros como n e k, que

designam índice de fluxo e índice de consistência, respetivamente. O índice de fluxo para o fluido

newtoniano é igual a 1. Se o valor de n for entre 0 e 1 o fluido é pseudoplástico, se n for maior

do que 1 o comportamento é dilatante. Neste ultimo caso, a viscosidade aumenta com o aumento

do cisalhamento a um tempo constante.

= ∗ n

(1.3)

Onde é a tensão de cisalhamento (Pa), é o índice de consistência (Pa.sn ), n é o índice de

fluxo (adimensional) e é a taxa de cisalhamento (s−1).

Por fim, o modelo de Hershel-Bulkley (Equação 1.4), que tem os mesmos parâmetros que o de

Ostwald de Waale, acrescentando o limite de escoamento (Pa).

= 0 + ∗ 𝑛

(1.4)

Onde é a tensão de cisalhamento (Pa), 0 é o limite de escoamento, é o índice de consistência

(Pa.sn ), n é o índice de fluxo (adimensional) e é a taxa de cisalhamento (s-1).

Na figura 1.2 é possível verificar o comportamento da viscosidade em função taxa de cisalha-

mento, a partir da qual é possível distinguir o tipo de fluido.


7

1.3-Polímeros de alto peso molecular solúveis em água

Hoje em dia são estudadas 3 principais categorias de polímeros de alto peso molecular (MW >

10 000 Daltons) [39]: (i) polímeros solúveis em água (o foco deste trabalho), (ii) polímeros inso-

lúveis em água (não absorventes) e (iii) polímeros absorventes de água [39].

A velocidade de solubilização dos polímeros solúveis em água depende diretamente da massa

molecular, uma vez que quanto maior for a molécula, maiores serão as forças que mantêm as

suas cadeias unidas e consequentemente, maior será a energia necessária para obrigar as ca-

deias a separarem-se na água [40].

O peso molecular de um polímero determina de maneira direta tanto o tamanho das cadeias do

polímero como as suas propriedades químicas e mecânicas (viscosidade, resistência à fluência

e à abrasão) [41], sendo uma das principais características dos polímeros de alto peso molecular

a sua elevada viscosidade [42], sendo que quando dissolvido em solução aquosa, pode atingir

mais de 100 s/quarto [43][44].

Um polímero solúvel em água é um polímero que pode ser diluído em água, com ou sem a ajuda

de co solventes (etanol, propilenoglicol, etc..)[45] e agentes neutralizantes (hidróxido de sódio,

hidróxido de potássio, etc..)[46] formando soluções transparentes [47]. Os polímeros solúveis em

água cobrem uma ampla gama de famílias de produtos de origem natural ou sintética, e têm

numerosos usos. Os polímeros solúveis em água de origem sintética, são utilizados em aplica-

ções desde embalagem de alimentos [48], tratamento de água [49], têxteis [50], produtos de

construção [51] e detergentes [52][53]. Os polímeros naturais solúveis em água são principal-

mente destinados a usos em aplicações farmacêuticas [54].

Figura 1.2- Comportamento da viscosidade em função da taxa de cisalha-mento para cada tipo de fluido (Newtonianos e Não Newtonianos)[164].


8

Estes polímeros, quer sintéticos quer naturais, são conhecidos por não serem inflamáveis, pos-

suírem um odor suave e não são prejudiciais para o ambiente [47], podendo apresentar-se em

diferentes formas físicas, desde soluções aquosas [55], pó [56], emulsões [57] e ainda em forma

de dispersões [58][59].

Os polímeros de alto peso molecular solúveis em água, sendo estes naturais ou sintéticos, estão

presentes num elevado número de aplicações, devido a possuírem ótimas propriedades de flo-

culação e espessamento. A sua utilização insere-se no tratamento de resíduos industriais e

águas residuais [60][61], no fabrico de papel [62][63], clarificação aquosa de sais de urânio [64],

na recuperação secundária de petróleo [65][66] e ainda em fluidos de perfuração e estabilização

de solos [67]. Na estabilização de solos, enquanto envolvidos em fluidos de perfuração, os polí-

meros naturais preferencialmente usados, são as gomas [68], a carboximetilcelulose (CMC) [69]

e polímeros à base de amido [70][71]. Estes últimos polímeros são polissacarídeos produzidos

a partir da fermentação bacteriana cujas moléculas estruturais apresentam um caráter ligeira-

mente aniônico, sendo, desde logo considerados polímeros hidrofílicos, característica essa que

os torna capazes de absorver grande quantidade de água. No que diz respeito a polímeros sin-

téticos, destaca-se a utilização da poliacrilamida no seu estado hidrolisado [72] entre outros sais

de acrilatos [73], que ajudam a reduzir as perdas por filtração e produzem rebocos capazes de

impedir o escoamento do fluido através das formações geológicas que estão sendo perfura-

das[74]. Os polímeros sintéticos solúveis em água são substâncias que se dissolvem, dispersam

ou incham em água e assim modificam as propriedades físicas de sistemas aquosos devido ao

facto de possuírem na sua cadeia polimérica, grupos hidrófilos. Estes grupos hidrofílicos podem

ser não iónicos, aniónicos, catiónicos ou anfotéricos [75].

O polímero mais utilizado e de eleição na indústria de fluidos de estabilização é sintético e diz

respeito à poliacrilamida que em operações de espessamento possui a vantagem de não serem

necessárias grandes quantidades de polímero (0,1 a 3 % wt em solução aquosa)[76] [77].

Até meio do seculo XX os polímeros solúveis (sintéticos e naturais) em água eram fornecidos

como soluções aquosas diluídas. Com o avanço da tecnologia foi desenvolvida a capacidade de

sintetizar polímeros com massas moleculares cada vez maiores (até MW na ordem de 10^7 Dal-

ton) e consequentemente maiores viscosidades. O transporte deste tipo de soluções altamente

viscosas mostrou-se bastante difícil mesmo em concentrações relativamente baixas (0,5 a 1 %)

[59] .Face ao problema anterior a alternativa encontrada foi fornecer aos destinatários o polímero

na forma de sólidos, que poderiam no destino ser dissolvidos em água por auxílio de meios

mecânicos [59].


9

1.3.1- Poliacrilamida

A poliacrilamida é um polímero sintetizado a partir do monómero de acrilamida. É um polímero

solúvel em água a quaisquer concentrações, temperaturas e valores de pH, possuindo pesos

moleculares na gama de 2 x103 a 15 x106 g/mol [78]. Este polímero é utilizado em estabilização

de solos devido às propriedades mencionadas em cima, aliado ao facto que pode interagir com

o solo de diferentes formas, dependendo do seu caracter iónico e do tipo de solo.

O aumento do peso molecular provoca um aumento do comprimento da cadeia polimérica e

consequente aumento da viscosidade da poliacrilamida em solução aquosa [79]. Em 1995 atra-

vés de um estudo realizado por Levy e Agassi [80],foi comprovado que a poliacrilamida de alto

peso molecular, é mais eficaz do que a poliacrilamida de baixo peso molecular em estabilização

de solos, reduzindo assim, as perdas no solo e mantendo a taxa de infiltração [81].

O peso molecular da poliacrilamida pode ser prejudicado por alguns fatores, como o aumento da

temperatura [82] e a tensão de corte [78].

Em 1976 Hasegawa et al.[83] relatou um método capaz de promover a hidrólise da poliacrilamida

através de hidróxido de sódio e ácido bórico, e fornecer consequentemente caracter aniónico ao

polímero, formando poliacrilamida parcialmente hidrolisada (PHPA),aplicável como floculante. A

pesquisa na área de estabilização de solos, passou então a focar-se em polímeros com caracter

aniónico [84]. Em 1995 Goodhue Jr. Et al. [85] desenvolveu um polímero à base de acrilamida

para utilização em fluidos de estabilização de solo, de modo a estabilizar a formação a ser esca-

vada e melhorar o carregamento e a remoção de solo por ferramentas de escavação. Este fluido,

segundo o autor, podia ser usado na perfuração de poços num furo vertical, inclinado ou hori-

zontal, em tuneis ou outro tipo de escavação. Mediante variação da concentração elevada (10

% (w / w)) até baixa concentração (0,1 % (w / w )) é capaz de atingir , medido em funil de Marsh

, viscosidades entre 55 e 100 s/quarto. A anionicidade do copolímero, pode ser obtida a partir da

hidrólise da acrilamida durante a polimerização ou por copolimerização de acrilamida com outros

monómeros aniónicos, compreendendo ácido acrílico (figura 1.3), ácido metacrílico, ácido ma-

leico, anidrido maleico, ácido fumárico, ácido itacónico, ácido estireno sulfónico e sais solúveis

em água [86][85]. A composição de cada polímero e o grau de hidrólise deve ser otimizado para

as condições particulares de cada tipo de solo e água [79][87][88].

Em 2010, foi a vez de A. Rabiee [89] referir, que a poliacrilamida parcialmente hidrolisada era

um copolímero linear de elevado peso molecular contendo dois tipos de monómeros diferentes,

monómeros de acrilamida e de acrilato (figura 1.4). Os monómeros de acrilato fornecem cargas

negativas ao polímero, permitindo-lhe ser aplicado como aditivo para lamas ou fluidos de perfu-

ração. Fluidos estes que posteriormente, são empregues em operações de perfuração como

agentes de controlo da viscosidade de modo a reforçar a estabilidade do furo. A. Rabiee afirmou

ainda que a poliacrilamida parcialmente hidrolisada de alto peso molecular (10 a 30 de % de

hidrólise) pode ser usada como um aditivo de controlo de xisto para fluidos de perfuração, porque


10

este copolímero pode selar micro fraturas e revestir as superfícies de xisto, com uma película

capaz de retardar a desintegração e dispersão.

Figura 1.3- Monómero de ácido acrílico e acrilamida a dar origem a poliacrilamida.

A quantidade de carga presente na poliacrilamida é referida como densidade de carga (CD) ou

percentagem de hidrólise, que não é nada mais que a percentagem molar de co-monómeros

carregados presentes na poliacrilamida aniónica. A percentagem de hidrólise varia entre 2 a

40% para a poliacrilamida aniónica geralmente comercializada [84]. Do ponto de vista prático, a

CD traduz a percentagem de grupos de acrilamida que foram substituídos por grupos hidróxilo,

OH- [90]. As propriedades reológicas de uma solução polimérica aquosa são afetados pelo grau

de hidrólise do polímero e é um facto importante para manter a viscosidade do fluido.

Figura 1.4- Hidrólise de poliacrilamida utilizando hidróxido de sódio a um copolímero

contendo unidades de acrilamida e acrilato de sódio.

A maneira como o polímero adsorve ao solo é fulcral para a sua função de estabilização. A PHPA

sendo carregada anionicamente tal como a superfície da argila, vai levar a que tenda a existir

repulsão electroestática entre o polímero e os sítios ativos da argila. Logo é necessária a intera-

ção de catiões no meio, chamados catiões de ponte. A presença de catiões bivalentes no meio

é capaz de superar a repulsão provocada pelas duas espécies negativas, facilitando assim a

estabilização do solo.

Pode então ser referido que uma interação eficaz entre o solo e a PHPA depende de vários

fatores como: textura e tipo de argila, tipo de iões presentes no solo e fluido, bem como a massa

molecular do polímero e a sua CD [90].


11

1.3.2- Dissolução de polímeros de alto peso molecular solúveis em água

Billmeyer Jr. afirmou que existem duas etapas envolvidas no processo de dissolução de políme-

ros em água: (1) as moléculas de água difundem-se lentamente para dentro do polímero, in-

chando as moléculas de polímero e formando gel, e (2) o gel vai gradualmente desintegrar-se

em solução, sendo que é apenas nesta fase que a dissolução pode ser materialmente acelerada

por agitação. No entanto, o mesmo refere que este processo pode ser muito lento para polímeros

de alto peso molecular (dias a semanas) [91].

Após estudos mais intensivos as etapas propostas por Billmeyer Jr foram divididas em fases e

estudadas independentemente. O primeiro contacto do polímero com a água é chamado de mo-

lhagem. Neste contacto não ocorre qualquer dissolução do polímero no meio aquoso, existindo

apenas alguma absorção de água pelo polímero devido ao facto de ser hidrofílico. É de referir

ainda que inúmera literatura [92][93][94][95] defende a ideia que polvilhar o polímero cuidadosa-

mente em partículas discretas ao longo de toda a superfície da água ao mesmo tempo que é

aplicada agitação mecânica é a solução mais utilizada para que todo o polímero usado seja

otimizado para a sua função [92].

A segunda etapa e de extrema importância também, é onde ocorre simultaneamente dispersão

e hidratação do polímero. A dispersão pode ser caracterizada pela capacidade das partículas de

polímero ocuparem todo o volume de solução uniformemente distribuídas. Esta fase deve ser

acompanhada de agitação moderada (200 a 300 rpm) uma vez que velocidades de agitação

acima das referidas levarão a uma dispersão de partículas não solúveis e consequentemente a

uma não otimização do polímero usado.

A etapa de inchaço (swelling) ou hidratação ocorre ao mesmo tempo que a dispersão e é carac-

terizada pela capacidade do polímero absorver água [91]. A dissolução do polímero só ocorre

completamente se as moléculas estiverem completamente hidratadas. No processo de hidrata-

ção o polímero incorpora moléculas de água na sua estrutura, mas não se dissolve. Após a

hidratação do material polimérico deixa de ocorrer a absorção de água e começa a ocorrer a

dissolução. Quando um polímero é adicionado à água, forças de atração, bem como forças de

dispersão ou repulsão vão agir entre os seus segmentos influenciadas pelas suas características

químicas, como a solubilidade e a polaridade [96]. Quando as forças de interação polímero-água

(solvente) são maiores do que as forças de atracão polímero - polímero, o segmento de cadeia

começa a absorver moléculas de água, aumentando o volume da matriz polimérica [96]. Depois

de hidratadas as partículas começam a sua dissolução em água perdendo a sua forma de gel e

originando uma solução viscosa e normalmente transparente. No entanto é comum surgirem

alguns problemas na dissolução de polímeros de alto peso molecular em água, como perdas de

polímero por formação de aglomerados ou formação de fases distintas no meio, levando a que

o processo não seja tão fácil e sejam necessários muitos cuidados durante a realização deste

processo.


12

Uma das principais questões colocadas quando se pretende dissolver partículas sólidas de polí-

mero em água é “como é que pode ser garantida uma eficiente ativação e consequente hidrata-

ção de partículas poliméricas?”.

As aglomerações formadas por um processo de dispersão e hidratação não eficaz, isto é forma-

ção de “olhos de peixe”, dificultam a hidratação, e consecutivamente a ativação das ligações

poliméricas. Na dissolução de polímeros em água é aceite que a agitação deve ser aplicada à

mistura de polímero / água para dispersar de maneira efetiva as partículas de polímero na água.

Sabe-se que sistemas com aglomerações levam a perdas de quantidades significativas (até

50%) [93] de polímero, visto que o polímero contido no interior do volume de uma partícula é

muito maior do que a quantidade de polímero que está na superfície, logo a quantidade não

hidratada é maior do que a que realmente hidrata [97]. Desta forma, é de referir que todas as

fases são fundamentais na dissolução de polímeros em água visto que se a molhagem não for

corretamente efetuada, irá repercutir-se numa dispersão de partículas não uniforme, e conse-

quentemente a não hidratação das partículas de maior tamanho ocorre, o que vai levar á neces-

sidade de aplicação de tempos de dissolução mais elevados bem como a gastos adicionais de

polímero.

1.3.2.1- Molhagem

Durante a molhagem, não há dissolução, o polímero absorve apenas alguma água devido ao

seu carácter hidrofílico, ficando apenas molhado, esta fase do processo baseia-se no principio

de molhabilidade [98], normalmente medido através dos ângulos de contacto do sólido com a

superfície liquida, sendo a molhabilidade tanto melhor quanto menor o ângulo de contacto.

A molhagem do polímero pode ser ajudada através da utilização de substâncias químicas que

possuam a capacidade de baixar a tensão superficial do líquido. Essas substâncias são desig-

nadas por agentes molhantes, mais conhecidos como surfactantes (ex: Brometo de Cetiltrimeti-

lamónio (CTAB), cloreto de cetilpiridínio (CPC))[99][100][101], no entanto esta alternativa é mais

utilizada para promover a molhagem em polímeros hidrofóbicos .

O momento da molhagem é um momento crítico na dissolução de polímeros em água, uma vez

que, caso não seja aplicada a energia suficiente para separar todas as partículas discretas du-

rante esta fase, a água não chegará ao núcleo de cada partícula individualmente durante a hi-

dratação e os aglomerados de polímero vão se formar logo no inicio do processo (como referido

anteriormente). Consequentemente, irão existir partículas hidratadas e não hidratadas no meio

não ficando assegurada a homogeneidade do meio [67][68].

Sistemas em que apenas se coloque o polímero num tanque com água sem qualquer tipo de

agitação não levará a que a água chegue ao núcleo de cada partícula individualmente (figura

1.5), e a gelificação do polímero irá ocorrer instantaneamente, levando à “morte” do sistema. O

mesmo se poderá passar na presença de agitação, caso essa seja insuficiente. O sistema pode


13

formar duas fases distintas, aglomerações como já referido, ou pode levar à deposição de quan-

tidades significativas de polímero que gelifica e não se dissolve completamente no meio, o que

levará à necessidade de estender o tempo de mistura para prevenir o processo de envelheci-

mento [102], geralmente quando ocorre gelificação a performance do polímero não é otimizada

[103][104].

Após vários estudos sobre o fenómeno de ativação polimérica observou-se que era na fase de

molhagem que a fragilidade dos polímeros é menor [97][105], logo seria nesta etapa que o polí-

mero suportaria maior energia ( até 1200 a 1500 rpm) [106] sem que a sua estrutura saísse

afetada. Este facto aponta para que será nesta fase que deverão ser aplicadas maiores tensões

de cisalhamento ao polímero [107], sem qualquer consequência negativa, evitando os indeseja-

dos aglomerados desde o início do processo, bem como a aceleração de todo o processo.

Figura 1.5-Má molhagem do polímero, partículas não contactaram com a água individual-

mente

1.3.2.2- Dispersão e hidratação

A dispersão e hidratação são as fases seguintes da dissolução de polímeros em água, e ocorrem

em simultâneo. A dispersão é a disseminação das partículas de polímero ao longo de todo o

volume de água. O objetivo no desenvolvimento de sistemas poliméricos aquosos é chegar a

uma dispersão de partículas totalmente uniforme na água, uma vez que se as partículas de po-

límero não estiverem totalmente dispersas a sua hidratação será afetada, isto é, as partículas só

conseguem que a água chegue ao seu núcleo se não existirem aglomerados que criem uma

barreira à sua entrada [108][109][110].

Normalmente, a dispersão de polímeros sólidos em água é dificultada pela tendência que as

partículas sólidas de polímero têm para aglutinar, ou para permanecer como aglomerados

quando em contacto com a água. Consequentemente, o potencial de viscosidade da solução é

diminuído [111]. Na indústria esses aglomerados são normalmente dissolvidos por agitação con-


14

tínua, sendo necessário períodos de mistura longos (várias horas a dias) [109] ou, aplicar ten-

sões hidráulicas ou de corte elevadas (>600 rpm) para promover a dispersão das partículas. No

entanto este tipo de sistema poderá fazer com que a solução polimérica perca a sua principal

característica, a viscosidade [111].

Uma vez que o polímero é disperso, a sua capacidade de absorver a água vai ditar a sua hidra-

tação. É conhecido que na sua forma sólida, as cadeias do polímero encontram-se enroladas,

mas quando dissolvido no meio aquoso o processo de hidratação leva a um “desenrolar ” das

cadeias, expondo os centros ativos do polímero otimizando a sua hidratação [97]. A velocidade

a que vai ocorrer a hidratação está diretamente relacionada com o tamanho das partículas, sendo

comprovado que quanto maior a partícula, mais lenta será a sua hidratação, sendo que um aglo-

merado com 10 µm pode demorar 100 minutos a hidratar [109]. Se a agitação aplicada inicial-

mente for a suficiente para dispersar as partículas, elas vão ter tendência a hidratar durante esta

fase e não a aglomerar. A formação de aglomerados vai fazer com que a hidratação não ocorra

na totalidade (figura 1.6) [112],podendo ser necessária a adição de maior quantidade de polímero

para atingir a viscosidade pretendida da solução polimérica. E o que acontece, por exemplo em

obras de fluidos de perfuração quando no terreno a mistura não têm a viscosidade pretendida

após o primeiro contacto com o solo, é a adição de mais polímero na boca da escavação até a

medição da viscosidade dar os resultados pretendidos.

Após vários anos de estudo chegou-se à conclusão que a força hidrodinâmica necessária para

quebrar as ligações carbono-carbono que ligam os monómeros que formam as cadeias polimé-

ricas é muito baixa, ou seja o polímero quando ativado apresenta elevada fragilidade [97], e foi

mesmo comprovado em 1981 após alguns estudos efetuados por Van de Ven, que um milhão

de ligações poliméricas conseguem ser rompidas por uma simples força de 0,01 Newton, o que

equivale a cerca de 1 g de água a cair livremente [113]. Devido á fragilidade do polímero a rota-

ções acima de cerca de 600 rpm durante a sua dissolução os operadores responsáveis pelo

processo são muitas vezes obrigados a proceder a tempos de mistura da solução polimérica que

podem ir de horas a dias, o que vai levar a consequentes processos de hidratação e desidratação

do polímero e consequentemente elevadas perdas de massa [109].

Para conseguir obter sistemas poliméricos aquosos com total capacidade de dispersão e hidra-

tação de partículas, têm sido propostos e desenvolvidos ao longo dos anos vários métodos,

desde métodos químicos[114][112][93], métodos mecânicos [93][115] [116] ou o compilar dos

dois tipos de métodos[117][118].


15

Figura 1.6- Formação de aglomerados de polímero não hidratado.

1.4-Sistemas de dispersão

Desde a segunda metade do século XX têm sido muitas as tentativas de melhorar a dissolução

de polímeros de alto peso molecular solúveis em água. Vários métodos mecânicos, cada vez

mais eficientes para polímeros específicos, têm vindo a ser desenvolvidos, no entanto vários

autores com estudos na área da química têm também apresentando soluções dentro da sua área

de conhecimento.

No entanto a falta de métodos rápidos (< 1 hora) que possam ser aplicados também em contexto

exterior, capazes de promover a total dispersão do polímero em meio aquoso, sem formação de

aglomerados e com a capacidade de obter viscosidades mais altas do que as normalmente con-

seguidas em fluidos de perfuração e estabilização (> 60 s/quarto) seria uma enorme vantagem

a nível de logística das obras e dos custos associados.

1.4.1- Sistemas de dispersão mecânica

A dispersão de partículas de polímero em água é realizada através de métodos mecânicos na

grande maioria dos seus casos, nomeadamente usando equipamentos capazes de criar agitação

no meio aquoso e remover toda a possibilidade de formação de aglomerados [119][120][107][93].

Os métodos mecânicos são geralmente mais utilizados do que os métodos químicos, principal-

mente devido ao facto de serem realizados através de equipamentos mecânicos controlados por

técnicos ou pessoas sem qualquer formação presentes no terreno. Pelo contrário a aplicação de

métodos químicos que necessitam de controlo continuado por parte de pessoas com formação

na área da química e a necessidade de testes prévios em laboratório leva ao dispêndio de muito

mais tempo, não sendo rentável em contexto de trabalhos no exterior. Em geral, a aplicação de

altas velocidades de rotação acelera a dispersão do polímero, no entanto o uso de misturadores

de alto cisalhamento tem o inconveniente de poder quebrar as cadeias poliméricas, podendo

mesmo fazer com que o polímero perca cerca de 50% da sua viscosidade em alguns casos [92].


16

São muitas as alternativas de métodos mecânicos para promover a dispersão de pós em água.

O método mais simples passa pela colocação da mistura água/polímero num tanque sob agita-

ção continua. Outro método bastante simples e geralmente utilizado no terreno em preparação

de fluidos de estabilização é a utilização de ar comprimido [43]. Esta ideia partiu de Edwin.T

Sortwell (1986)[110], quando propôs um método e um aparelho destinado a dispersar rapida-

mente partículas secas de polímero solúvel em água, que consistia em juntar ar, água e as refe-

ridas partículas de polímero numa câmara de contacto, formando uma mistura de dispersão aqu-

osa de polímero com ar arrastado. A mistura era imediatamente submetida a forças de corte para

separar quaisquer partículas aglomeradas em partículas individuais, evitando possíveis aglome-

rações.

A utilização de ar comprimido assumiu um papel de destaque no que diz respeito à dispersão de

polímeros em solução aquosa, uma vez que equipamentos de ar comprimido como compresso-

res, são equipamentos de fácil acesso e fácil utilização, sendo mesmo o método utilizado pela

GEO e outras empresas [43][121]. Existe também o edutor polimérico [122], um equipamento

normalmente utilizado para dispersar polímeros em água através do efeito de venturi. Este efeito

evidencia que um fluido em movimento através de uma conduta fechada, irá aumentar a veloci-

dade ao passar por uma zona de secção menor, levando a uma diminuição de pressão [93].Este

equipamento é normalmente ligado a um tanque ou colocado em cima deste. No segundo caso

é colocado de modo a que no momento em que o tanque estiver cheio, a solução polimérica não

toque na parte inferior do edutor. À parte superior do edutor, normalmente chamada sucção, é

ligada a um funil onde é colocado o polímero sólido. Já na lateral do edutor, é ligada uma man-

gueira para a entrada de água no sistema. Quando a água é ligada, a secção de ventilação do

edutor, vai criar vácuo suficiente para sugar as partículas do polímero através do funil. A mistura

de água e polímero vai sair pelo fundo do edutor diretamente para o tanque, sendo posterior-

mente agitado por curtos períodos de tempo [123]. Esta alternativa, tem a desvantagem de o

edutor ter de ser limpo com elevada regularidade devido a entupimentos e incrustações, causa-

das pela elevada viscosidade da solução polimérica, o que leva a não ser uma alternativa viável

para o tipo de aplicação a que esta tese se dedica. Mais recentemente foi apresentada pela

indústria a utilização de dispersão ultrassónica, através da aplicação de dispositivos que produ-

zem ultrassons [124][125], capazes de gerar cavitação ultrassónica, que ao invadir os aglome-

rados de partículas levam à sua dispersão através de alto cisalhamento. Os dispersores ultras-

sónicos apesar de mais comumente utilizados em laboratório, são de fácil scale up [126]. O único

inconveniente à utilização deste tipo de método é a sua pouca resistência ao ambiente exterior.

Ao longo dos anos vários autores têm proposto vários métodos, alguns utilizam variados apare-

lhos atuando em conjunto para melhorar a dispersão e dissolução de polímeros em água. Em

1991 Carl L. Brazelton e Troy C. Litherland [89] propuseram um aparelho destinado a proceder

à dissolução e ativação de polímeros em água. Este método é utilizável para dissolver polielec-

trólitos sintéticos solúveis em água. Os polímeros devem ser adicionados ao meio em forma de


17

emulsões previamente preparadas. Como é possível observar na figura 1.7, a invenção relata

um aparelho que consiste numa câmara de mistura (1) contendo um impulsor com características

específicas (2). A câmara de mistura possui a singularidade de ter duas entradas e uma saída.

A primeira entrada é destinada à emulsão (3) e a segunda destinada à entrada de água (4),

enquanto o impulsor possui a particularidade de possuir um disco circular com vários canais

internos (5), que se estendem desde o centro do impulsor (chamado “olho do impulsor”) (6) até

à sua extremidade. A agitação provocada pelo impulsor vai dispersar e dissolver o polímero na

água, através de tensões de cisalhamento desde 600 rpm até 3600 rpm.

Figura 1.7- Aparelho proposto por Brazelton et. Al (imagem editada de [117]). (1)-câmara de mistura; (2)- impulsor; (3)-Entrada da emulsão; (4)-Entrada de água; (5)- Canais internos do impulsor; (6)- Olho do impulsor.

Em 1994 Keith L. Lerwick e Kevin A. Demarest [127] patentearam um novo aparelho para o

mesmo objetivo. O aparelho consiste num circuito de equipamentos, onde a solução polimérica

vai ser sujeita a diferentes tratamentos, de modo a promover uma total dispersão e consequente

dissolução do polímero. O aparelho pode ser observado na figura 1.8, onde em primeiro lugar, o

polímero é colocado numa caixa (1) apenas para alimentar uma camara de vórtex (2), sendo

que, ao mesmo tempo que o polímero segue para a câmara, é alimentada água (3) ao sistema


18

para promover a formação da solução polimérica. De seguida, a solução polimérica segue para

um edutor (4), onde irá ocorrer a sua dispersão. Na saída do edutor, está posicionada uma

bomba centrifuga (5), que vai encaminhar a solução polimérica para um tanque com agitação

(6), onde deve ser agitada durante 1 a 2 h para terminar o processo.

Figura 1.8- Método proposto por Larwick et. Al (imagem editada de [127]). (1)-Caixa de adição do polímero; (2)-Câmara de vortéx; (3)-Alimentação de água; (4)-Edutor; (5)-Bomba Centrifuga; (6)-Tanque de agitação.

Já em 2006 Stephen Wilson propôs um método para melhorar a dispersão de partículas de po-

límero previamente humidificado. Este método, ilustrado na figura 1.9, consistia na utilização de

um tanque com duas entradas, uma na sua extremidade superior (1) e outra na extremidade

inferior (2). Na extremidade superior, estava montado um recipiente que compreendia várias câ-

maras internas com deflectores horizontais (3). Cada câmara contêm uma haste de agitação (4)

e um orifício (5). O aparelho compreende, adicionalmente, um funil (6) ligado a um dispositivo de

alimentação (7), que por sua vez está acoplado a um edutor (8) alimentado através de uma

entrada de água, sendo no edutor que ocorre o contacto entre água e polímero para formar a

solução.


19

Figura 1.9- Método proposto por Stephen Wilson (imagem editada de[128]). (1)- Entrada superior; (2)-Entrada inferior; (3)-Deflectores horizontais; (4)-Haste de agitação; (5)-orifi-cio; (6)-Funil; (7)-Dispositivo de alimentação; (8)- Edutor.

Resumidamente a utilização de edutores é um método repetido em algumas das técnicas ante-

riores, método esse que é principalmente aplicado para dispersar polímeros em tratamento de

águas residuais [128] e por exemplo na preparação do polímero carbopol [93] que é utilizado em

cosméticos. Não é aplicável em fluidos de estabilização devido á sua tendência a entupimentos.

1.4.2- Sistemas de dispersão química

Como referenciado anteriormente só a partir de cerca de 1970 é que os polímeros começaram

a ser fornecidos em forma de sólidos, e para isso, era necessário desenvolver técnicas que per-

mitissem otimizar ao máximo o rendimento do polímero e minimizar o tempo da sua dissolução.

No início da década de 70, começaram a aparecer inúmeras patentes que apresentavam uma

nova técnica para promover a rápida dissolução de polímeros em água. Essa técnica consistia

na utilização de emulsões de polímeros de alto peso molecular solúveis em água. Em 1974 [114]

foi proposto a utilização de emulsões de água em óleo para dissolver rapidamente polímeros de

adição vinílicos solúveis em água, colocando as partículas de polímero sólido numa emulsão

previamente preparada. De seguida essa emulsão era invertida através da sua colocação em

água na presença de surfactantes [114] [99], sendo durante a inversão que ocorria a libertação

do polímero para o meio aquoso, e consequente dissolução com ajuda de agitação. Foi verificado

que as emulsões libertavam as partículas de polímero na água num período de tempo muito

curto (< 30 min). Em 1985 Edwin T.Sortwell [129], utilizando o polímero poliacrilamida, voltou a

confirmar que as emulsões utilizando hidrocarbonetos líquidos como veículo transportador, dis-

solviam o polímero em água em cerca de 10 minutos, o que gerou uma grande aceitação por

parte da indústria. No entanto, a utilização de emulsões apresenta a desvantagem de serem


20

utilizadas grandes quantidades de hidrocarbonetos líquidos [130]. Consequentemente a sua in-

serção nas aplicações onde os polímeros solúveis em água são utilizados não é bem aceite do

ponto de vista ambiental [114][131]. No entanto, a dispersão de polímeros utilizando emulsões é

ainda utilizada em alguns sistemas de fluidos de estabilização de base em óleo [131] mas acen-

tua-se mais na indústria de tintas [132][133] e de materiais de construção [132] .

Mais tarde, em 1978 Michael T. Zalzal propôs uma ideia inovadora [118] que se pretendia com

o facto de dispersar polímeros e copolímeros de alto peso molecular, iónicos e não iónicos atra-

vés da adição de uma composição de pó efervescente ao sistema de água e polímero. A ideia

propunha a utilização de um ácido e base fracos ambos em pó, que quando colocados na água,

juntamente com as partículas poliméricas, promove-se a reação de efervescência, e conse-

quente libertação de gás (CO2). Esse gás funcionava como um “agitador químico” de partículas,

promovendo que estas dispersassem de forma eficaz na solução aquosa.

Outra alternativa para promover a dispersão de polímeros de alto peso molecular solúveis em

água, é o uso de dispersantes químicos. Na dispersão química os dispersantes mais utilizados

são compostos como hidróxido de sódio, hexametafosfato de sódio, hidróxido de lítio ou hidró-

xido de potássio. Um exemplo é a aplicação de dispersantes químicos na área de dispersão de

solos [134], com o objetivo de substituir catiões floculantes saturados na argila (Al3+,Cu2+) por

catiões monovalentes de maior raio iônico hidratado (Na+,Li+) [135]. Na indústria de fluidos de

estabilização, a dispersão é feita através de meios mecânicos, no entanto a utilização de hidró-

xido de sódio como controlador de alcalinidade [136] veio também ajudar à dispersão das partí-

culas poliméricas no meio.

Resumindo os métodos anteriormente referidos em relação à aplicação de interesse neste tra-

balho:

-A utilização de emulsões apresenta-se como um método capaz de dispersar o polímero em

meio aquoso em escassos minutos, mas, possui a desvantagem de utilizar hidrocarbonetos lí-

quidos em elevadas quantidades, o que gera receio do ponto de vista ambiental e ecológico.

-A utilização de efervescência não apresenta aparentemente qualquer inconveniente do ponto

de vista ambiental, no entanto, apesar de patenteado como referido anteriormente, não é um

método utilizado ao dia de hoje para a dispersão de polímero em fluidos de estabilização.


21

1.4-Sistemas de hidratação

A hidratação está diretamente relacionada com o tamanho das partículas e com a sua dispersão,

logo a aplicação de métodos de dispersão capazes de evitar que as partículas aglomerem, vai

fazer com que cada partícula hidrate por si só no meio aquoso. A maioria das empresas foca-se

em métodos de dispersão para a preparação da mistura de polímero/água. No entanto, com o

objetivo de hidratação de polímeros em pó, alguns autores já propuseram técnicas a utilizar em

simultâneo com métodos de dissolução.

1.5.1- Sistemas de hidratação mecânica

Em 2004 Ismael El Kholy, Gregoire Jacob e Jean Louis Pessin inventaram um método complexo

[114] para promover a hidratação de polímeros em pó destinado, segundo eles, a melhorar a

hidratação de fluidos poliméricos no âmbito de fluidos de estabilização à base de óleo. O método

ilustrado na figura 1.10 consiste no seguinte: o primeiro passo é dispersar o polímero em água

utilizando um edutor de volume constante (1), podendo ou não, ser inserido um aparelho de pré

mistura (2) em paralelo com o edutor, de modo a ajudar a dispersão do polímero e evitar a en-

trada de ar na mistura. O edutor opera segundo condições de caudal de entrada constante e

pressão constante. Do edutor, a solução polimérica concentrada segue para uma câmara, de-

signada pelo autor de “chaminé de mistura” (3), onde vai ocorrer a diluição da solução através

da entrada de água a alta pressão, bem como nova mistura. De seguida a mistura seguirá para

um tanque de hidratação (4) onde será agitada durante algum tempo para que se garanta a sua

total hidratação. Mais tarde, em 2013 foi divulgado por “Gupta et al” [115] um método que con-

sistia na emissão de ondas rádio à solução polimérica promovendo a agitação das partículas e

consequentemente acelerando a hidratação. Segundo Gupta este método era uma alternativa

aos elevados tempos de residência e tensões de cisalhamento aplicadas comercialmente em

processos de eliminação de “fish-eyes” (aglomerados), bem como aos sofisticados tanques e

equipamentos de agitação necessários aos processos de hidratação. Neste estudo o autor expôs

a solução polimérica a várias gamas de radiações (até 1400 Mhz), conseguindo obter soluções

poliméricas 100% hidratadas em 30 minutos. No entanto apesar de o autor citar como método

de hidratação eficaz nas áreas de fluidos de completação e perfuração, não existe qualquer re-

gisto da sua utilização por parte de qualquer empresa na aplicação em questão.


22

Figura 1.10- Método proposto por El-Kholy (imagem editada de [138]). (1)-Edutor; (2)-Apa-relho de pré mistura; (3)-Câmara de mistura; (4)-Tanque de hidratação.

1.5.2- Sistemas de hidratação química

Uma questão que tem sido motivo de grande estudo é a influência de sais na hidratação polimé-

rica. Alguns estudos evidenciam que a adição de alguns iões (I-, NO3-, SCN-) da série de Hof-

meister a soluções contendo proteínas ou polímeros, origina um aumento da solubilidade destas

macromoléculas [137][138]. Este facto deve-se à adsorção do sal na cadeia polimérica, conver-

tendo-o parcialmente num polielectrólito. Nesta série estão presentes iões hidrofílicos e iões hi-

drofóbicos, no entanto uma das características estudada nos iões da série de Hofmeister, é a

sua capacidade em alterar a estrutura da água. Alguns destes iões tem a capacidade de modifi-

car as pontes de hidrogénio da água. Desta forma, como os iões alteram a formação natural das

pontes de hidrogénio, as moléculas de água ordenam-se de forma diferente ao redor de cada

ião [139][140]. Dando como exemplo o caso da poliacrilamida parcialmente hidrolisada (HPAM),

trata-se de um polímero aniônico com um grande número de cargas ao longo das cadeias po-

liméricas, e devido à repulsão electroestática entre os aniões, as cadeias de HPAM em solução

aquosa tendem a desenrolar-se. No entanto a adição de sal à solução pode causar alterações

conformacionais na HPAM. Para a HPAM, os mecanismos de reação entre diferentes íões me-

tálicos e os grupos de ácido carboxílico da molécula ocorrem de maneira diferente uns dos ou-

tros. Segundo Zhang (2008) [141] a presença de catiões monovalentes pode efetivamente pro-

teger o efeito electróstático, o que resulta num aumento da flexibilidade das cadeias. No entanto,

o mecanismo de reacção entre catiões multivalentes (Ca2+, Al3+) e os grupos carboxílicos é mais

complexa. Os catiões multivalentes podem agir como agentes reticulantes para interligar as ca-

deias de HPAM, prejudicando a hidratação. Sais como o cloreto de sódio quando adicionados à


23

solução polimérica aquosa, vão afastar as cadeias do polímero momentaneamente através de

repulsão electroestática [142], promovendo a entrada de água no interior das cadeias, podendo

no entanto levar a perda de viscosidade quando em elevadas concentrações [143].Concluindo,

copolímeros N-substituídos tendem a manter a mesma viscosidade em água independentemente

do teor de sal, enquanto co polímeros simples, como por exemplo co polímeros de amida podem

tender a colapsar a cadeia e levar a perda de viscosidade [144][145].

No entanto ao longo dos anos alguns autores têm patenteado métodos e técnicas ás quais ape-

lidam de técnicas de hidratação de polímeros de alto peso molecular. Em 2008 foi patenteado

por Thomas A. Jones e Tom Wentzler [112] um método que consistia na hidratação polimérica

utilizando micro emulsões. O método envolvia a formação de uma micro-emulsão por mistura de

água com um componente polar (hidrocarbonetos líquidos) e pelo menos um surfactante, adici-

onado em quantidades eficazes para formar uma micro-emulsão, sendo o polímero hidratado por

contacto com a micro-emulsão [112]. Este método, atualmente, além de ser aplicado na produ-

ção produtos de limpeza e produtos agrícolas é ainda utilizado em fluidos de perfuração à base

de óleo. Em 2015 Kevin W. Smith propôs um método [146], com uma componente química e

mecânica para hidratar polímeros de alto peso molecular, solúveis em água, sintéticos ou natu-

rais. Esses polímeros podiam ser, poliacrilamida, goma guar, goma xantana ou compostos de

celulose modificados, CMC, através do uso de água salgada. O polímero seco é alimentado a

partir de um funil para um edutor, que possui uma fonte de água salgada, ocorrendo a mistura.

Enquanto mistura, o polímero/sal e água são passados diretamente para um dispositivo de cavi-

tação equipado com um sistema com bomba de disco integrada, que garante que a mistura é

impulsionada em direção a um espaço confinado, dentro do dispositivo de cavitação, onde vai

ser aquecido e procedido à ultima mistura. Consequentemente o polímero estará hidratado e o

fluido pronto a utilizar.


24


25

2. Objetivos

Os objetivos desta tese abrangem o desenvolvimento de um sistema de dispersão e hi-

dratação de polímeros, para ser empregue no tanque de mistura onde ocorre a preparação dos

fluidos poliméricos usados na estabilização de solo para a preparação de estacas ou paredes

moldadas.

Este sistema deve possuir as seguintes características:

1. A realização do sistema deve ter uma duração máxima de 45 minutos.

2. Deve ser utilizado sempre um rácio 1 g polímero / 1 L água.

3. As soluções poliméricas devem apresentar-se 100% dispersas e hidratadas.

4. As soluções poliméricas devem apresentar uma viscosidade superior ou igual a

90 s/quarto.

5. O sistema deve ser aplicável em meios com pH no intervalo entre 7 e 12.


26


27

3. Materiais e Métodos

3.1- Materiais

Hidróxido de sódio (pureza ≥ 98%, de Xilong Chemical, Co., Ltd ), hexametafosfato de sódio (

extrapuro , de Scharlau) ureia (pureza≥ 99,6%, de VWR Chemicals), polyGEO (pureza ≥ 99%,

de geosoil), carbonato do sódio (pureza ≥ 99%de Labchem) e ácido cítrico (pureza≥99%, de

Merck kGaA).

Todos os reagentes e solventes utilizados foram obtidos comercialmente e utilizados sem puri-

ficação adicional.

3.2- Métodos

3.2.1- Agitação com pás

Para a realização e avaliação de cada sistema polimérico, foi utilizado um rácio de 1 g de

polyGEO por 1 L de água da rede pública. Para a simulação de um tanque de mistura foi utilizado

um balde de fundo redondo (Figura 3.1-B), apresentando 20 cm de diâmetro. O método de agi-

tação de pás é suportado através de uma estrutura designada por carro de agitação (figura 3.1-

A). O agitador utilizado é um agitador de pás planas colocado no centro do balde e a uma dis-

tância de cerca de 1 cm do fundo. A ordem de ações em todos os ensaios deste capítulo foi a

seguinte: foram colocados 2 L de água dentro do balde e ligou-se a agitação nas rotações esta-

belecidas. Consoante o ensaio, as adições ocorreram na seguinte ordem: (i) dispersante (s) quí-

mico (s) e (ii) 2 g de polygeo polvilhadas. As variáveis manipuladas ao longo dos ensaios foram:

velocidades de rotação, tipo de dispersantes químicos e pH. Todos os ensaios controlo tiveram

a duração de 7 horas, enquanto que os restantes ensaios realizados durante este trabalho, tive-

ram a duração de 45 minutos, tempo estabelecido no objetivo proposto deste trabalho.

Figura 3.1- A -Carro de agitação utilizado; B- Balde utilizado para simular tanque de mistura.


28

3.2.1.1– Agitador de pás planas

Foi testada a utilização de um agitador de pás planas, normalmente utilizada para ensaios de

dissolução em laboratório por parte da GEO. O agitador possui as dimensões referenciadas na

figura seguinte (figura 3.2).

Figura 3.2- Agitador de pás planas GEO

3.2.1.1.1- Variáveis Manipuladas

Ao longo de todos os ensaios realizados foram manipuladas duas variáveis:

-Velocidade de rotação do agitador

-Dispersantes químicos e pH

Foram utilizadas duas estratégias distintas no que diz respeito à manipulação da velocidade de

rotação, de modo a encontrar a que permitisse obter os melhores resultados.

(i)- Aplicação de velocidades de rotação constantes

-60 rpm

-70 rpm

-150 rpm

-200 rpm

-300 rpm


29

(ii)- Aplicação de patamares

-Patamar 1 (200 rpm (10 min), 150 rpm (35 min))

-Patamar 2 (300 rpm (5 min), 200 rpm (25 min), 150 rpm (15 min))

De modo a estudar a influência da utilização dos dispersantes químicos no processo em estudo,

foram realizados ensaios com e sem a utilização de dispersantes químicos. Os sistemas estuda-

dos foram os seguintes:

A- Água da rede pública + polyGEO (pH 6,6)

B- Água da rede pública + hexametafosfato de sódio + polyGEO (pH 6,8)

C- Água da rede pública + hidróxido de sódio +polyGEO (pH 7)

D- Água da rede pública + hidróxido de sódio + hexametafosfato de sódio + polyGEO (pH

7)

E- Água da rede pública + hidróxido de sódio + polyGEO (pH 12)

F- Água da rede pública + hidróxido de sódio + hexametafosfato de sódio + polyGEO (pH

12)


30

Foram realizados como ensaios de controlo, com uma duração de 7 horas, os seguintes ensaios:

Tabela 3.1- Ensaios de controlo realizados com agitação por pás planas, variando a velo-

cidade de rotação, pH do meio e dispersantes químicos utilizados.

Ensaios pH Sistemas

poliméricos

Velocidades

de rotação (rpm)

(rpm) 1 6,6 A 70

2 6,6 A 150

3 6,6 A 200

4 6,6 A 300

5 7 C 70

6 7 C 150

7 7 C 200

8 7 C 300

9 12 E 70

10 12 E 150

11 12 E 200

12 12 E 300

A-Água da rede pública + polyGEO (pH 6,6)

B-Água da rede pública + hexametahosfato de sódio + polyGEO (pH 6,8)

C-Água da rede pública + hidróxido de sódio +polyGEO (pH 7)

D-Água da rede pública + hidróxido de sódio + hexametafosfato de sódio + polyGEO (pH 7)

E-Água da rede pública + hidróxido de sódio + polyGEO (pH 12)

F-Água da rede pública + hidróxido de sódio + hexametafosfato de sódio + polyGEO (pH 12)

No final de cada ensaio de controlo foi medida a viscosidade (3.2.8), bem como os caudais de

escoamento (3.2.9) da solução polimérica.


31

Posteriormente, foram realizados os seguintes ensaios com a duração de 45 minutos.

Tabela 3.2- Ensaios realizados com agitação por pás, variando a velocidade de rotação,

pH do meio e dispersantes químicos utilizados

Ensaios pH Sistemas

poliméricos

Velocidade de

rotação (rpm)

13 6,6 A 70

14 6,6 A 150

15 6,6 A 200

16 6,6 A 300

17 6,6 A Patamar 1

18 6,6 A Patamar 2

19 6,8 B 70

20 6,8 B 150

21 6,8 B 200

22 6,8 B 300

23 6,8 B Patamar 1

24 6,8 B Patamar 2

25 7 C 70

26 7 C 150

27 7 C 200

28 7 C 300

29 7 C Patamar 1

30 7 C Patamar 2

31 7 D 70

32 7 D 150

33 7 D 200

34 7 D 300

35 7 D Patamar 1

36 7 D Patamar 2

37 12 E 70

38 12 E 150

39 12 E 200

40 12 E 300

41 12 E Patamar 1


32

42 12 E Patamar 2

43 12 F 70

44 12 F 150

45 12 F 200

46 12 F 300

47 12 F Patamar 1

48 12 F Patamar 2




D- Água da rede pública + hidróxido de sódio + hexametafosfato de sódio + polyGEO (pH 7)


F- Água da rede pública + hidróxido de sódio + hexametafosfato de sódio + polyGEO (pH 12)

No final de cada ensaio procedeu-se novamente á medição da viscosidade (3.2.8) e caudais de

escoamento da solução polimérica (3.2.9).

3.2.1.1.2- Otimização do diâmetro de pás

Foi desenhada e aplicada uma tentativa de otimização ao agitador, similar ao inicial (3.2.1.1),

mas com alterações no que diz respeito ao seu diâmetro. O agitador utilizado passou a ter diâ-

metro ≈ ao diâmetro do balde (18 cm).

Figura 3.3- Agitador de pás planas com 18 cm de diâmetro


33

Os ensaios realizados para este tipo de agitador foram os seguintes:

Tabela 3.3- Ensaios realizados com agitador de pás planas com 18 cm de diâmetro, variando a velo-cidade de rotação, pH do meio e dispersantes químicos utilizados.

Ensaios pH Sistemas

poliméricos

Velocidade de rotação

(rpm)

49 7 C 60

50 7 D 60

51 12 E 60

52 12 F 60

53 7 C 70

54 7 D 70

55 12 E 70

56 12 F 70

C-Água da rede pública + hidróxido de sódio + polyGEO (pH 7)



F-Água da rede pública + hidróxido de sódio + hexametafosfato de Sódio + polyGEO (pH 12)

No final de cada ensaio procedeu-se novamente à medição da viscosidade (3.2.8) e caudais de

escoamento da solução polimérica (3.2.9).


34

3.2.1.2- Tipos de agitadores

Foram estudados ainda outros dois tipos de agitadores distintos:

-Agitador tipo âncora

-Agitador tipo contra fluxo

As dimensões escolhidas para o diâmetro do agitador foram mantidas em 18 cm.

Em todos estes ensaios foram utilizados 4g polyGEO/ 4L Agua da rede pública.

Tabela 3.4- Ensaios realizados com agitadores para fluidos altamente viscosos, a 60 e 70 rpm, variando o pH do meio e os dispersantes químicos utilizados.

Ensaios pH Sistemas

poliméricos

Velocidade de

agitação (rpm)

Tipo de Agitador

57 7 C 60 Âncora

58 7 D 60 Âncora

59 12 E 60 Âncora

60 12 F 60 Âncora

61 6,6 A 70 Âncora

62 7 C 70 Âncora

63 7 D 70 Âncora

64 12 E 70 Âncora

65 12 F 70 Âncora

66 6,6 A 70 Contra Fluxo

67 7 C 70 Contra Fluxo

68 7 D 70 Contra Fluxo

69 12 E 70 Contra Fluxo

70 12 F 70 Contra Fluxo


B-Água da rede pública + hexametafosfato de sódio + polyGEO (pH 6,8)


D-Água da rede pública + hidróxido de sódio + hexametafosfato de sódio + polyGE0 (pH 7)



No final de cada ensaio seguiram-se os procedimentos de medição de viscosidade (3.2.8) e

medição de caudais de escoamento (3.2.9)


35

3.2.2- Agitação por ar comprimido

Para a realização e avaliação de cada sistema polimérico, foi utilizado um rácio de 1 g de

polyGEO por 1 L de água da rede pública. Para a simulação de um tanque de mistura foi utilizado

um balde de fundo redondo, apresentando 20 cm de diâmetro. Foi feito um engenho (figura 3.4)

capaz de simular a agitação por ar comprimido dentro de um tanque de mistura semelhante ao

cenário de obra, sendo colocado a 1,5 cm do fundo do balde. A ordem de ações na realização

deste tipo de sistemas foi a seguinte: foi colocado o engenho dentro do balde, colocou-se 3 L de

água e ligou-se o compressor na pressão pretendida. Consoante o ensaio, as adições ocorreram

na seguinte ordem: (i) dispersante (s) químico (s) definidos consoante o sistema polimérico a

testar e (ii) adição/polvilhamento de 3 g de polygeo. As variáveis manipuladas ao longo dos en-

saios foram: tipos de dispersantes químicos, ph e pressão. No que diz respeito aos tipos de

dispersante e variação do pH foram utilizados os mesmos sistemas de 3.2.1.1.1 e testadas a 3,5,

5 e 6,5 bar.

Figura 3.4- Engenho de ar comprimido (17 cm de diâmetro).

Este engenho foi realizado com mangueira de jardim, fita vedante e braçadeiras metálicas. O

engenho foi dimensionado de maneira a ocupar cerca de 95% do diâmetro do balde, deixando

1,5 cm de distância das paredes. A mangueira possui vários orifícios do mesmo diâmetro para

saída de ar para o sistema.


36

3.2.2.1- Agitação por ar comprimido – Adição instantânea (Polvilhamento)

Na realização dos ensaios deste tipo de agitação, o polímero foi colocado no meio através de

polvilhamento manual.

Os dispersantes químicos testados foram mantidos, utilizando hidróxido de sódio e hexameta-

fosfato de sódio.

Os ensaios realizados para testar esta técnica foram os seguintes:

Tabela 3.5- Ensaios realizados com agitação por ar comprimido, com adição do polímero por polvilhamento, variando a pressão fornecida ao sistema, pH do meio e dispersantes químicos utilizados.

Ensaios pH

Sistema

poliméricos

Pressão

(bar)

71 6,6 A 3,5

72 6,6 A 5

73 6,6 A 6,5

74 6,8 B 3,5

75 6,8 B 5

76 6,8 B 6,5

77 7 C 3,5

78 7 C 5

79 7 C 6,5

80 7 D 3,5

81 7 D 5

82 7 D 6,5

83 12 E 3,5

84 12 E 5

85 12 E 6,5

86 12 F 3,5

87 12 F 5

88 12 F 6,5



C- Água da rede pública + hidróxido de sódio + polyGEO (pH 7)

D- Água da rede pública + hidróxido de sódio + hexametafosfato de sódio + polyGE0 (pH 7)



No final de cada ensaio foi medida a viscosidade da solução polimérica (3.2.8) bem como os

caudais de escoamento de diferentes frações da solução polimérica (3.2.9).


37

3.2.2.2- Agitação por ar comprimido- Fluxo continuo (Regime Turbulento)

Foi testada outra alternativa de alimentação do polímero ao tanque.

Nestes ensaios o polímero foi adicionado à corrente de água que alimenta o balde (figura 3.5).

Figura 3.5- Adição do polímero à corrente de água

Foi escolhida a pressão que obteve melhores resultados nos ensaios anteriores (5 bar). O polí-

mero foi alimentado através de um funil forrado com rede metálica no seu orifício.

Tabela 3.6- Ensaios realizados com agitação por ar comprimido com adição do polímero á corrente de água, com a pressão fornecida pelo compressor fixa em 5 bar e variando o pH do meio e dispersantes químicos utilizados

Ensaios pH Sistemas

poliméricos

Pressão

(bar)

89 6,6 A 5

90 6,8 B 5

91 7 C 5

92 7 D 5

93 12 E 5

94 12 F 5



C- Água da rede pública + hidróxido de sódio + polyGEO (pH 7)

D- Água da rede pública + hidróxido de sódio + hexametafosfato de sódio + polyGE0 (pH 7)




38

No final de cada ensaio procedeu-se às medições já referidas anteriormente para avaliação do

sistema polimérico, medição de viscosidade e medição de caudais de escoamento (3.2.8 e

3.2.9).

3.2.2.3- Agitação por ar comprimido- Fluxo continuo (Regime Laminar)

Foi testada a hipótese de proceder à molhagem do polímero em regime laminar, ao contrário de

todos os outros métodos anteriores, em que a água é alimentada em regime turbulento através

de uma mangueira, ligada diretamente da rede de abastecimento público.

De forma a transformar regime turbulento em regime laminar foi construído um engenho (Figura

3.6).

Figura 3.6- Construção de caixa para transformar regime turbulento em regime laminar. A-Desenho das dimensões da caixa; B-Colocação de palhinhas compactadas em todo o vo-lume da caixa.

Para a realização do engenho anterior foram necessárias palhinhas, esponja verde, rede metá-

lica e cerca de 1 m2 de placa de poliestireno. Foi ainda feito um descarregador (1 m2 de madeira,

uma placa de esferovite, 1 m2 de placa de PVC e fita cola), de modo a encaminhar a água para

o balde (Figura 3.6).


39

Figura 3.7- Alimentação em regime laminar da água de água ao sistema. A molhagem do polímero é feita em 1.

Tabela 3.7- Ensaios realizados com agitação por ar comprimido com adição do polímero à corrente de água em regime laminar, variando o pH do meio e os dispersantes químicos utilizados

Ensaios pH Sistemas

poliméricos

Pressão

(bar)

95 7 C 5

96 7 D 5

97 12 E 5

98 12 F 5








40

3.2.2.4- Agitação com ar comprimido – Agitação com dois níveis

Foi testada também a hipótese de colocar uma ligação ao engenho preparado anteriormente

(Figura 3.4), de modo a que a libertação de ar no tanque ocorresse em dois locais distintos, foram

testadas 3 hipóteses distintas:

i) Agitador no fundo (1cm de altura) e no topo do balde (10 cm de altura)

ii) Agitador no fundo (1cm de altura) e no meio do balde (5 cm de altura)

iii) Dois Agitadores no fundo do balde (1 e 3 cm de altura)

De modo a que a pressão do ar fornecido ao sistema se mantivesse (5 bar), mas se distribuisse

de forma diferente, foram feitas alterações em função de cada hipótese a testar das referidas em

cima. Foi alterado o eixo central do engenho em função da hipótese de agitação a testar. (Figura

3.8)

Figura 3.8- A- Agitação com 2 níveis no fundo do tanque/balde; B- Ligação central efetuada com mangueira, de modo a conseguir 3 alturas distintas.

O rácio polímero/água foi mantido (1:1). O polímero foi colocado em contacto com a água de

acordo com 3.2.2.2.


41

Tabela 3.8- Ensaios realizados com agitação por ar comprimido a 2 níveis, variando a po-sição do segundo foco de agitação, o pH do meio e os dispersantes químicos utilizados.

Ensaios pH

Sistemas

poliméricos

Colocação da

agitação

(Hipótese)

Pressão

(bar)

99 7 C i) 5

100 7 D i) 5

101 12 E i) 5

102 12 F i) 5

103 7 C ii) 5

104 7 D ii) 5

105 12 E ii) 5

106 12 F ii) 5

107 7 C iii) 5

108 7 D iii) 5

109 12 E iii) 5

110 12 F iii) 5





i)-Agitador no fundo (1cm de altura) e no topo do balde (10 cm de altura)

ii)-Agitador no fundo (1cm de altura) e no meio do balde (5 cm de altura)

iii)-Dois Agitadores no fundo do balde (1 e 3 cm de altura)



3.2.2.5 – Agitação com ar comprimido- Utilização de efervescentes

Foi estudada a utilização de efervescentes para auxílio da dispersão do polímero em meio aqu-

oso.

Foram preparadas composições efervescentes, misturando aleatoriamente o polímero com bi-

carbonato de sódio e ácido cítrico em forma de pó.

A preparação do meio aquoso ocorreu da seguinte forma: adição de 3 L de água da rede de

abastecimentos públicos, colocação do aparelho de agitação por ar comprimido no fundo do


42

balde, e adição de dispersante(s), utilizando o mesmo tipo de dispersantes estudados anterior-

mente. A composição efervescente (ver tabela 3.9) depois de preparada foi polvilhada para o

balde, esperando que a efervescência ocorresse totalmente (aproximadamente 2 min).

Tabela 3.9- Composições efervescentes utilizadas

Composição %PolyGEO

(w/w)

%Carbonato

Sódio (w/w)

%Ácido

cítrico (w/w)

Polymud

(g)

Carbonato

Sódio (g)

Ácido

cítrico

(g)

1 60% 20% 20% 3 1 1

2 50% 25% 25% 3 1,5 1,5

3 30% 35% 35% 3 3,5 3,5

A reação entre o ácido cítrico e o carbonato de sódio dá-se da seguinte forma:

3Na2CO3 + 2C6H8O7 → 2Na3(C6H5O7)2 + 3H2O + 3CO2

Quando já não havia sinais de efervescência a ocorrer, foi ligada a agitação (ver figura 3.9).

Figura 3.9- Aplicação de composição efervescente com ar comprimido

Foi testada a influência da composição de efervescente nos resultados de viscosidade e cau-

dais de escoamento.


43

Tabela 3.10- Ensaios realizados com diferentes composições efervescentes sem presença de dispersante

Ensaios pH

Sistemas

Poliméricos Composição Pressão (bar)

111 6,6 A 1 5

112 6,6 A 2 5

113 6,6 A 3 5


Escolhidas as melhores composições foram efetuados os seguintes testes:

Tabela 3.11- Ensaios realizados com as composições 2 e 3, variando o pH do meio e os dispersantes utilizados

Ensaios pH Sistemas

Poliméricos Composição

Pressão

(bar)

114 7 C 2 5

115 7 C 3 5

116 7 D 2 5

117 7 D 3 5

118 12 E 2 5

119 12 E 3 5

120 12 F 2 5

121 12 F 3 5





No final de cada ensaio de controlo foi medida a viscosidade 3.2.8), bem como os caudais de



44

3.2.3- Adição de Ureia aos sistemas poliméricos

Foram realizados testes com agitadores de pás e ar comprimido de modo a ser testada a influ-

ência da ureia em sistemas de polyGEO.

Foi testada a adição de 0,3g ureia/1g polyGEO, 0,5g ureia/1g de polyGEO e 1g ureia/1g

polyGEO ao sistema polimérico, de modo a não ultrapassar a quantidade de polímero no meio.

Os melhores ensaios dos capítulos anteriores foram repetidos, adicionando a inserção de ureia

a ocorrer mesmo tempo que o polygeo.

Tabela 3.12- Ensaios realizados com adição de ureia, variando a o rácio g ureia/g polyGEO, o pH do meio e o tipo de dispersantes utilizados.

Ensaios pH

Sistemas

poliméricos

Velocidade

de agitação

(rpm)

Quantidade

Ureia(g)/ polyGEO(g) Agitador

122 7 C 70 0,3 Contra Fluxo

123 7 C 70 0,5 Contra Fluxo

124 7 C 70 1 Contra Fluxo

125 7 D 70 0,3 Contra Fluxo

126 7 D 70 0,5 Contra Fluxo

127 7 D 70 1 Contra Fluxo

128

12 E 70 0,3 Contra Fluxo

129 12 E 70 0,5 Contra Fluxo

130 12 E 70 1 Contra Fluxo

131 12 F 70 0,3 Contra Fluxo

132 12 F 70 0,5 Contra Fluxo

133 12 F 70 1 Contra Fluxo




D-Água da rede pública + hidróxido de sódio + hexametafosfato de sódio + polyGE0 (pH 7)






45

3.2.4- Sistemas poliméricos aquosos com água do mar e água destilada.

Foram recolhidas algumas amostras de água do mar, de modo a avaliar alguns sistemas polimé-

ricos ricos com sais.

As condições utilizadas em cada ensaio seguiram os passos utilizados anteriormente na agitação

com pás de contra fluxo.

Para cada ensaio foram colocados 4 L de água do mar, ligada a agitação nas 70 rpm, ou no caso

do compressor, a pressão foi colocada em 5 bar.

Por último foi colocado 4 g de polygeo.

Depois de 45 minutos de agitação, foi analisada a viscosidade bem como avaliados os caudais

de escoamento da solução polimérica em cada ensaio.

Os mesmos estudos foram efetuados com água destilada.

Os ensaios realizados foram os seguintes:

Tabela 3.13- Ensaios utilizando diferentes tipos de água em contra fluxo.

Ensaios Tipo de

água

Sistemas

Poliméricos

Velocidade de

agitação (rpm) Agitador

146 Destilada A 70 Contra Fluxo

147 Mar A 70 Contra fluxo



46

3.2.5- Teste de 2 novos polímeros em agitação contra fluxo

Com o objetivo de analisar a influência da natureza dos polímeros nos sistemas de dispersão e

hidratação estudados nesta tese, dois novos polímeros, (Polimero X e Polimero Y) fornecidos

pela GEO foram testados em condições específicas. Em detalhe, foram testados os rácios 1g/1L

e 0,25 g/1L para ambos os polímeros. Foram mantidas as condições experimentais utilizadas no

subcapítulo 3.2.1.2 e em que 4 L de água da rede publica e 4 g de polímero foram usados por

cada ensaio realizado.

Os ensaios realizados foram os seguintes:

Tabela 3.14- Testes efetuados a novos polímeros, variando o rácio g polímero /L água, o pH do meio e os dispersantes químicos utilizados.

Ensaios pH Sistemas

poliméricos

Velocidade de

agitação (rpm) Polímero

Rácio

(g Polímero/ L água)

134 6,6 A 70 Polímero X 1

135 6,6 A 70 Polímero X 0,25

136 6,6 A 70 Polímero Y 1

137 6,6 A 70 Polímero Y 0,25

138 7 D 70 Polímero X 1

139 7 D 70 Polímero X 0,25

140 7 D 70 Polímero Y 1

141 7 D 70 Polímero Y 0,25

142 12 F 70 Polímero X 1

143 12 F 70 Polímero X 0,25

144 12 F 70 Polímero Y 1

145 12 F 70 Polímero Y 0,25 D-Água da rede pública + hidróxido de sódio + hexametafosfato de sódio + polygGEO (pH 7)



47

3.2.6- Análise de sais presentes na água

Nesta secção, foram efetuadas medições do teor de cloro, cálcio, carbonato de cálcio e cloreto

de sódio nos diferentes tipos de água utilizados (água da rede pública, água do mar e água

destilada).

Os materiais utilizados foram: fitas de cloro, medidor de cálcio, fitas de carbonato de cálcio e

medidor de sais dissolvidos (figura 3.10).

Figura 3.10- Fitas de cloro e medidor de iões cálcio

3.2.7- Determinação do peso molecular- Viscosímetro Ubbelohde

As soluções poliméricas provenientes de alguns ensaios de mistura efectuados nesta tese, foram

congelados (-20 ºC) e liofilizados durante 24 horas, de forma a extrair o polímero de forma seca

para posterior determinação dos eu peso molecular.

Figura 3.11- Liofilizador


48

As soluções poliméricas analisadas:

Agitação por ar comprimido fluxo instantâneo a 3,5 bar (ensaio 71)

Agitação por ar comprimido fluxo instantâneo a 6,5 bar (ensaio 73)

Agitação por agitador de pás planas 70 rpm (ensaio 13)

Agitação por agitador de pás planas 300 rpm (ensaio 16)

Agitador tipo âncora 70 rpm (ensaio 61)

Agitador contra fluxo 70 rpm (ensaio 66)

As determinações de peso molecular foram realizadas num viscosímetro capilar Ubbelohde do

tipo I, com um banho a 25ºc, usando água como solvente para cada polímero. Sete soluções

foram preparadas para cada polímero: (1) 20 mL de solução 0,2 mol / L de nacl; (2) 18 mL de

solução 0,2 mol / L de NaCl e 2 ml de solução de polímero 0,05 g /dL; (3) 16 ml de solução 0,2

mol / L de NaCl e 4 mL de 0,05 g / dL de solução polimérica, (4) 12 mL de solução 0,2 mol /L de

NaCl e 8 mL de 0,05 g / dL de solução polimérica, (5) 8 mL de solução de 0,2 mol/L de NaCl e

12 ml de 0,05 g / dl de solução polimérica, (6) 4 ml de solução 0,2 mol L de NaCl e 16 ml de 0,05

g/dL de solução polimérica, e (7) 20 mL da solução polimérica de 0,05 g / dL. O viscosímetro foi

carregado com uma solução de cada vez. O tempo que o fluido leva par se deslocar de um

determinado ponto para outro é registrado. A experiência é repetida 3 vezes para todas as solu-

ções.


49

3.2.8- Medição da viscosidade

A medição da viscosidade foi realizada sempre depois de cada ensaio. As misturas foram agita-

das durante 45 minutos com diferentes tipos de agitação de modo a avaliar também a dissolução

do polímero. A viscosidade foi medida com um funil de Marsh, observando-se o tempo que um

determinado volume da solução polimérica leva a escoar entre o cone e o copo.

Figura 3.12- Medição de viscosidade através de funil e copo Marsh

3.2.9- Avaliação da capacidade de dispersão e hidratação da solução po-

limérica

As soluções poliméricas que resultaram de cada ensaio realizado, foram posteriormente avalia-

das no que diz respeito à sua total dispersão e hidratação. As soluções poliméricas são retiradas

do balde e separadas em frações de 0,5 L, utilizando para isso uma proveta graduada de vidro

de 1 L.

Figura 3.13- Separação em frações de 500 mL


50

Cada fração de 0.5 L (figura 3.13) é colocada num funil de Marsh, sendo medido e registado o

tempo que demora a escoar do funil. Sendo o volume constante, o caudal da solução polimé-

rica é obtido pela equação 3.1. Posteriormente é calculado o desvio padrão das 4 amostras re-

colhidas em cada ensaio (Equação 3.2).

𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 (𝑚𝐿

𝑠) =

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒(𝑚𝐿)

𝑇𝑒𝑚𝑝𝑜 (𝑠)

(3.1)

O volume utilizado, como já referido foi sempre 0,5 L.

𝑆 (𝑚𝐿

𝑠) = √

(C1−𝐶̅)2 + (C2−𝐶̅)2 + (C3−𝐶̅)2 + (C4−𝐶̅)2

𝑁 − 1

(3.2)

Em que C1, C2, C3 e C4 (ml/s) são os 4 caudais de escoamento medidos para diferentes frações da

solução poliméricas retiradas, N é o número de amostras, e 𝐶̅ é a média dos caudais obtidos. O

valor de N é sempre igual a 4 na realização deste trabalho.


51

4. Discussão de Resultados

Os sistemas poliméricos sob estudo, foram realizados de acordo com diferentes metodologias

de forma a descobrir qual deles conduziria a uma solução polimérica ou fluído polimérico que

apresentasse viscosidade igual ou superior a 90 s/quarto ao fim de 45 minutos garantindo uma

total dispersão e hidratação do polímero.

4.1- Agitadores mecânicos

Com os objetivos já bem definidos, foi decidido testar a utilização de diferentes agitadores me-

cânicos de modo a promover uma eficiente ativação e dissolução do polímero em solução aqu-

osa. Foi efetuada uma pesquisa sobre tipos de agitadores utilizados para fluidos altamente vis-

cosos, e foram seguidas algumas alternativas e sugestões apresentadas pela GEO. Os agitado-

res foram testados variando a velocidade de rotação de mistura e os componentes adicionados

ao meio como auxiliares de dispersão.

4.1.1 – Agitador de pás planas

A agitação por pás, como já referido anteriormente é um dos métodos utilizados para misturar

polímeros em solução aquosa. O primeiro tipo de agitador testado neste trabalho foi um agitador

de pás planas, normalmente utilizado na GEO, para efetuar dissoluções em escala laboratorial

(ver secção 3.2.1).

Os testes de controlo foram realizados, de modo a encontrar o valor de viscosidade máximo

capaz de ser atingido pelo polímero após a sua total dissolução e hidratação. Nestes ensaios de

controlo usou-se apenas hidróxido de sódio, um dispersante químico, como agente alcalinizante.

Foi assumido, devido ao conhecimento já adquirido pela empresa, que um período de 7 horas

sob agitação seria suficiente para que o polímero completasse o seu processo de dispersão e

hidratação. Estes ensaios foram realizados num volume total de 2 L usando um rácio de polí-

mero/água de 1:1.


52

Tabela 4.1- Ensaios de controlo de viscosidade e caudal de escoamento.

Ensaio Sistemas

poliméricos Velocidade de rotação (rpm)

Viscosidade (s/quarto)

Desvio padrão (mL/s)

1 A 70 68±4 0,053

2 A 150 70±4 0,188

3 A 200 73±4 0,098

4 A 300 70±4 0,083

5 C 70 81±4 0,086

6 C 150 70±4 0,238

7 C 200 72±4 0,110

8 C 300 57±4 0,226

9 E 70 73±4 0,257

10 E 150 56±4 0,172

11 E 200 56±4 0,590

12 E 300 54±4 0,091




Na tabela 4.1 estão representados os dados obtidos face aos ensaios de controlo.

As soluções poliméricas foram estudadas durante períodos de 7 horas para que o polímero fi-

casse completamente dissolvido, sendo mantidas constantes quer a velocidade de rotação quer

o ph durante todo o ensaio. Foram realizados ensaios sem dispersante, e também utilizando

hidróxido de sódio como dispersante, a pH 7 e pH 12. As velocidades de rotação testadas vari-

aram entre 70 e 300 rpm.

Através dos valores de viscosidade e desvio padrão apresentados na tabela 4.1 é possível ob-

servar que apenas o ensaio 11 surge algo afastado dos restantes valores no que diz respeito ao

desvio padrão dos caudais de escoamento da solução, apresentado um valor de 0,590 ml/s.

Estes resultados permitiram definir um intervalo de desvio padrão, que permitisse definir se a

solução se encontrava totalmente dispersa e hidratada. Uma vez que na presença de aglomera-

dos ou qualquer polímero não dissolvido em solução, o caudal de escoamento da fração medida

aumenta drasticamente em relação às frações sem qualquer polímero aglomerado ou mal dis-

solvido, foi definido como critério para a elaboração deste trabalho, que para além da solução

polimérica ter de possuir no mínimo 90 s/quarto de viscosidade, o seu desvio padrão dos caudais

de escoamento da solução terá de estar contido entre [0;0,3 mL/s]. Desta forma é possível as-

segurar que não existem frações mal dispersas e hidratadas que poderão levar a valores errados


53

de viscosidade. Desta forma, é considerada como uma solução polimérica aquosa 100% dis-

persa e 100% hidratada soluções poliméricas que ao fim de 45 minutos apresentem um desvio

padrão dos caudais de escoamento entre [0;0,3 mL/s]. É importante realçar, que a viscosidade

quando medida em cone marsh, é diretamente influenciada pela total dissolução do polímero.

Ao longo desta tese a viscosidade da solução só e verdadeiramente de interesse quando a dis-

solução do polímero ocorrer na totalidade.

No que diz respeito ao impacto da velocidade de rotação, foi possível observar que na ausência

de qualquer dispersante, a velocidade de rotação não apresentou impacto significativo na visco-

sidade da solução polimérica. No entanto, na presença de dispersante químico, foi possível ob-

servar que a viscosidade da solução polimérica apresenta valores de viscosidade a decair com

o aumento da velocidade de rotação (ensaios 5 a 12 tanto a pH 7 como a pH 12).

Após a definição das condições já referidas, foram efetuados ensaios de 45 min com agitador de

pás planas, utilizando um rácio de 1g/L de polyGEO/água. Nestes ensaios foi testada a variação

do pH do meio, o tipo de dispersantes químicos utilizados, e a velocidade de rotação das pás.

Foram realizados alguns ensaios aplicando patamares de velocidades de rotação, estratégia

esta baseada na literatura onde é também sugerido que os polímeros podem suportar maiores

energias no início do processo de dissolução [147][148].

Tabela 4.2- Testes efetuados com agitador de pás planas sem presença de dispersante, pH 6,6, durante 45 minutos.

Ensaio Sistemas

poliméricos

Velocidade

de rotação

(rpm)

Viscosidade

(s/quarto)

Desvio

padrão

(mL/s)

Viscosidade ≥ 90

(s/quarto) e

Desvio padrão ≤ 0,3

(mL/s)

13 A 70 97±4 1,300 ✘

14 A 150 69±4 0,064 ✘

15 A 200 67±4 0,671 ✘

16 A 300 64±4 0,573 ✘

17 A Patamar 1 61±4 0,595 ✘

18 A Patamar 2 65±4 0,246 ✘


Patamar 1 -(200 rpm (10 min), 150 rpm (35 min))

Patamar 2 -(300 rpm (5 min), 200 rpm (25 min), 150 rpm (15 min))

✘- Ensaio não cumpre os objetivos

Os ensaios apresentados na tabela 4.2 indicam que a viscosidade diminui com o aumento da

velocidade de rotação aplicada à solução polimérica. No que diz respeito a valores de viscosi-

dade, o ensaio 13 destaca-se de todos os outros, o que se deve principalmente ao polímero não

hidratado que provocou aglomerados na solução polimérica, retardando o seu caudal de escoa-

mento no funil de Marsh e consequentemente originou uma elevada viscosidade (97±4 s/quarto)

e um desvio padrão de 1,3 mL/s. A aplicação de patamares, aplicando maiores energias no início


54

do processo não se mostrou relevante em relação aos restantes resultados. Assim, nenhum dos

ensaios referidos se encontra dentro dos objetivos pretendidos.

Tabela 4.3- Testes com agitador de pás planas na presença de sistemas poliméricos do tipo B (hexametafosfato de sódio) a pH 6,8, durante 45 minutos.

Ensaio Sistemas

poliméricos


(rpm)



Viscosidade ≥ 90 (s/quarto) e

Desvio padrão ≤ 0,3 (mL/s)

19 B 70 77±4 0,082 ✘

20 B 150 75±4 0,418 ✘

21 B 200 69±4 0,803 ✘

22 B 300 65±4 0,130 ✘

23 B Patamar 1 69±4 0,679 ✘

24 B Patamar 2 82±4 0,993 ✘

A-Água da rede pública + hexametafosfato de sódio + polyGEO (pH 6,8)




Os ensaios apresentados na tabela 4.3 foram realizados usando diferentes valores de velocidade

de rotação e patamares de agitação mas na presença de hexametafosfato de sódio. Os resulta-

dos obtidos voltaram a indicar que a viscosidade diminui com o aumento da velocidade de rota-

ção aplicada à solução polimérica, mesmo na presença de um dispersante químico, como o

hexametafosfato de sódio. É possível observar que nos ensaios 19 e 22 a solução polimérica se

apresenta completamente dispersa e hidratada, visto que se encontra dentro do intervalo de

desvio padrão pretendido, no entanto, as suas viscosidades apresentaram valores abaixo dos

90 s/quarto. A aplicação de patamares voltou a não ser reveladora de resultados de interesse,

continuando a originar soluções poliméricas mal dissolvidas. Desta forma, novamente nenhum

dos ensaios referidos se encontra dentro dos objetivos pretendidos.


55

Tabela 4.4- Testes com agitador de pás planas na presença de sistemas poliméricos do tipo C (hidróxido de sódio) a pH 7, durante 45 minutos

Ensaio Sistemas

poliméricos


(rpm) Viscosidade

(s/quarto)



Desvio padrão ≥ 0,3 (mL/s)

25 C 70 87±4 0,425 ✘

26 C 150 91±4 0,458 ✘

27 C 200 75±4 0,589 ✘

28 C 300 71±4 0,129 ✘

29 C Patamar 1 75±4 0,223 ✘

30 C Patamar 2 86±4 0,579 ✘

A-Água da rede pública + hidróxido de sódio +polyGEO (pH 7)




Os resultados apresentados na tabela 4.4, dizem respeito aos ensaios realizados recorrendo

ainda a diferentes velocidades de rotação e patamares mas usando como dispersante químico,

o hidróxido de sódio. Através dos resultados obtidos é possível verificar novamente que a visco-

sidade diminui com o aumento da velocidade de rotação aplicada à solução polimérica, no en-

tanto para velocidades de rotação de 70 e 150 rpm (ensaios 25 e 26), os valores de viscosidade

e de desvio padrão associados aos caudais medidos são semelhantes, o que sugere que este

sistema apenas sofre influência negativa da velocidade de rotação na viscosidade para veloci-

dades superiores a 150 rpm. No entanto, é apenas a 300 rpm que a solução se encontra com-

pletamente dissolvida, velocidade para a qual o desvio padrão associado aos caudais medidos

se encontra dentro do intervalo definido como aceitável neste trabalho. Contudo, 300 rpm é uma

velocidade elevada, que embora tenha permitido total dissolução e hidratação do polímero, pode

também ter quebrado algumas cadeias poliméricas visto que apenas 71 s/quarto de viscosidade

foram conseguidos. A aplicação de patamares voltou a não permitir tirar qualquer conclusão,

apresentando soluções mal dissolvidas e hidratadas. É possível observar novamente que ne-

nhum dos ensaios referidos se encontra dentro dos objetivos pretendidos.


56

Tabela 4.5- Testes com agitador de pás planas na presença de sistemas poliméricos do tipo D (hidróxido de sódio e hexametafosfato de sódio) a pH 7, durante 45 min.

Ensaio Sistemas

poliméricos


(rpm) Viscosidade

(s/quarto)




31 D 70 95±4 0,389 ✘

32 D 150 88±4 0,442 ✘

33 D 200 83±4 0,269 ✘

34 D 300 81±4 0,308 ✘

35 D Patamar 1 89±4 0,674 ✘

36 D Patamar 2 78±4 0,161 ✘

A-Água da rede pública + hidróxido de sódio + hexametafosfato de sódio + polyGEO (pH 7)




Os ensaios e resultados apresentados na tabela 4.5 voltam a indicar que a viscosidade diminui

com o aumento da velocidade de rotação aplicada à solução polimérica combinando hidróxido

de sódio e hexametafosfato de sódio a pH 7. No entanto é de realçar que a viscosidade tende a

aumentar ligeiramente, para as mesmas velocidades de rotação, com a combinação de dois

dispersantes químicos, hexametafosfato de sódio e hidróxido de sódio em solução, comparati-

vamente aos valores de viscosidade obtidos na tabela 4.4, onde foi apenas inserido hidróxido de

sódio no meio aquoso (25 a 28). No entanto tendo em conta a margem de 4 s/quarto assumida

como erro associado á medição de viscosidade em funil de marsh, pode-se assumir que as vis-

cosidades caem aproximadamente em valores similares (ensaios de 25 a 28 e 31 a 34 situam-

se entre 80 e 90 s/quarto. É possível ainda observar que para baixas velocidades de rotação (

70 a 150 rpm) a solução polimérica continua a não se apresentar totalmente dispersa e hidratada.

A aplicação de patamares voltou a não ser reveladora de resultados relevantes, apresentando

soluções que não cumprem ambos os objetivos. É possível observar novamente que nenhum

dos ensaios referidos se encontra dentro dos objetivos pretendidos.


57

Tabela 4.6- Testes com agitador de pás planas na presença de sistemas poliméricos do tipo E (hidróxido de sódio) a pH 12, durante 45 minutos.

Ensaio Sistemas

poliméricos

Veloci-dade de rotação (rpm)





37 E 70 74±4 0,474 ✘

38 E 150 71±4 0,425 ✘

39 E 200 64±4 0,231 ✘

40 E 300 62±4 0,331 ✘

41 E Patamar 1 71±4 0,814 ✘

42 E Patamar 2 72±4 0,251 ✘

A-Água da rede pública + hidróxido de sódio + polyGEO (pH 12)




Nos ensaios representados na tabela 4.6 o objetivo foi avaliar o impacto do pH. Para isso foi

usado o hidróxido de sódio como dispersante mas com o meio a pH 12. Todas as outras variáveis

se mantiveram de acordo com os testes anteriores. Como pode ser observado na tabela 4.6 a

tendência da viscosidade diminuir com o aumento da velocidade de rotação mantêm-se, no en-

tanto, é possível observar que nestas condições (pH 12), utilizando apenas hidróxido de sódio,

a viscosidade apresenta valores mais baixos do que a pH 7 em condições similares (10 a 15

s/quarto), usando hidróxido de sódio e as mesmas estratégias de agitação. Os resultados suge-

rem que o aumento da alcalinidade do meio prejudica a viscosidade da solução, o que vem de

encontro com o referido na literatura [149]. Adicionando grupos OH- ao meio, o polyGEO vai ter

tendência a desprotonar, cedendo iões H+ ao meio. O elevado grau de desprotonação, leva à

blindagem dos grupos iónicos por parte dos iões sódio, favorecendo a redução das repulsões

eletrostáticas e causando a redução do volume hidrodinâmico da cadeia polimérica (enrola-

mento)[149][141].

A aplicação de patamares voltou a não apresentar resultados próximos dos objetivos, podendo

ser observado desde logo, através dos seus valores de viscosidade a rondar os 70 s/quarto.


58

Tabela 4.7- Testes com agitador de pás planas na presença de sistemas poliméricos do tipo E (hidróxido de sódio e hexametafosfato de sódio) a pH 12, durante 45 minutos.

Ensaio Sistemas

poliméricos


(rpm) Viscosidade

(s/quarto)




43 F 70 81±4 0,739 ✘

44 F 150 73±4 0,941 ✘

45 F 200 67±4 0,881 ✘

46 F 300 62±4 0,282 ✘

47 F Patamar 1 80±4 0,560 ✘

48 F Patamar 2 74±4 0,765 ✘

A-Água da rede pública + hidróxido de sódio + hexametafosfato de sódio + polyGEO (pH 12)




Na tabela 4.7 estão representados os resultados obtidos nos ensaios realizados na presença de

hexametafosfato de sódio e hidróxido de sódio a pH 12. Os resultados presentes na tabela 4.7,

não permitiram tirar conclusões definitivas sobre esta combinação de dispersantes. É possível

observar realmente que a viscosidade das soluções poliméricas aumentou em relação á tabela

anterior, no entanto estes resultados podem dever-se principalmente à dispersão deficiente do

polímero em solução, o que se deve principalmente a ineficiência deste tipo de agitador. A pre-

sença constante de polímero mal disperso e hidratado provoca medições de viscosidade bas-

tante inflacionadas do seu valor real. A aplicação de patamares de velocidade de rotação voltou

a não apresentar quaisquer resultados significativos quer a nível de viscosidade quer a nível de

desvio padrão associado aos caudais medidos.


59

Figura 4.1- Influência da velocidade de rotação na viscosidade da solução polimérica. A-

Água da rede pública + polyGEO (pH 6,6); B- Água da rede pública + hexametafosfato de

sódio + polyGEO (pH 6,8); C- Água da rede pública + hidróxido de sódio + polyGEO (pH

7); D- Água da rede pública + hidróxido de sódio + hexametafosfato de sódio + polyGEO

(pH 7); E- Água da rede pública + hidróxido de sódio + polyGEO (pH 12); F-Água da rede

pública + hidróxido de sódio + hexametafosfato de sódio + polyGEO (pH 12)

Na figura 4.1 estão representados os perfis de viscosidade, de cada sistema polimérico estu-

dado, para diferentes velocidades de rotação.

Assim, é possível observar que aumentos de velocidade de rotação na ordem das 50 rpm são

significativos para um decréscimo da viscosidade da solução polimérica. É possível observar

também que entre 200 e 300 rpm o decréscimo não é tão acentuado como a rotações mais

baixas. Assim, esta observação sugere que existe possivelmente quebra das cadeias do polí-

mero à medida que a velocidades de agitação se torna mais vigorosa. No entanto é de referir

que os resultados referentes à curva do sistema polimérico D, sugerem que a viscosidade da

solução polimérica apresenta um comportamento mais resistente à velocidade de rotação, visto

que também este sistema está em condições de pH (7) e de dispersantes (hexametafosfato de

sódio combinado com hidróxido de sódio) mais favorável para se atingir maiores valores de vis-

cosidade, tal como observado e discutido anteriormente.

Os perfis de viscosidade apresentados na figura 4.1, apresentam um comportamento já esperado

neste tipo de fluidos, comportamento de fluido pseudoplástico, isto é, a diminuição de viscosi-

dade com o aumento do cisalhamento aplicado [150][151][152]. O comportamento pseudoplás-

tico pode ser explicado por três razões: (1) o sistema é composto por partículas assimétricas,

em repouso, as quais estão orientadas de forma aleatória e bem próximas umas das outras -

quando estas partículas são forçadas a se deslocarem (fluírem) numa direção, elas assumem


60

uma orientação preferencial na direção do escoamento; (2) existência de moléculas que em re-

pouso se encontram altamente solvatadas - nesta situação as moléculas têm as camadas de

solvatação destruídas pela ação do cisalhamento; (3) determinados sistemas poliméricos no es-

tado liquido passam de uma estrutura altamente enovelada (enrolada) em repouso, para uma

altamente orientada na direção do escoamento, assumindo a forma linear.

Visto que nenhum ensaio revelou valores de viscosidade e de desvio padrão face ao caudal

medido, dentro dos objetivos estabelecidos nesta tese, foi decidido utilizar um agitador com maior

diâmetro. Esta tentativa de otimização partiu do referenciado em bibliografia [7] relativamente ao

tipos de agitadores considerado adequado para fluidos altamente viscosos. Para estes casos, o

diâmetro do agitador deve ser aproximadamente 95% do diâmetro do tanque. Desta forma foi

construída uma pá, feita de teflon com um diâmetro de 18 cm (Nota: O balde, que mimetizou um

tanque de mistura, onde os ensaios foram realizados exibia um diâmetro de 20 cm).

Tabela 4.8- Testes com agitador de pás planas com 18 cm de diâmetro, na presença de sistemas poliméricos do tipo C, D, E, F, durante 45 minutos.

Ensaio Sistemas

poliméricos


(rpm) Viscosidade

(s/quarto)




49 C 60 80±4 0,236 ✘

50 D 60 85±4 0,154 ✘

51 E 60 76±4 0,809 ✘

52 F 60 77±4 0,343 ✘

53 C 70 83±4 0,197 ✘

54 D 70 90±4 0,213 ✓

55 E 70 65±4 0,196 ✘

56 F 70 65±4 0,175 ✘







✘-Ensaio não cumpre os objetivos

✓-Ensaio cumpre objetivos

Devido aos resultados obtidos anteriormente, foi decidido aplicar velocidades de rotação mais

reduzidas (60 e 70 rpm), de modo a precaver a possível quebra de cadeias do polímero, sem

qualquer estratégia de patamares de velocidade de rotação. Sendo assim, de acordo com a

tabela 4.8 é possível observar que com o aumento do diâmetro do agitador para 18 cm, todos as

soluções poliméricas se apresentaram totalmente dispersas e hidratadas a 70 rpm (valores


61

de desvio padrão associados aos caudais medidos estão entre 0-0,3). É de destacar também

que as soluções poliméricas onde foi inserido dispersantes químicos do tipo D, isto é, quando se

usa hidróxido de sódio e hexametafosfato de sódio as viscosidades geradas voltaram a tender a

ser mais elevadas, o que sugere que a presença de hexametafosfato juntamente com hidróxido

de sódio a pH 7, provoca um incremento na viscosidade da solução polimérica, comparativa-

mente aquando da utilização de hidróxido de sódio singularmente. Pode ser observado também

que o ensaio 54 respeita ambos os critérios definidos como sendo os objetivos deste trabalho,

ou seja, terem-se viscosidades superiores a 90 s/quarto e desvio padrão dos caudais igual ou

inferior a 0,3 mL/s. Comparando este ensaio com o ensaio 31 (realizado nas mesmas condições

com agitador de pás de menor diâmetro) é possível observar que este agitador melhorou a ativi-

dade do polímero, mantendo a viscosidade na gama dos 90 s/quarto, mas conseguindo isso com

uma mistura totalmente dispersa e hidratada, o que não se verificou anteriormente. Os resultados

sugerem também que o aumento do diâmetro do agitador melhorou os resultados no que diz

respeito à dispersão e hidratação da solução polimérica (mais ensaios com valores de desvio

padrão associados aos caudais medidos estão entre 0-0.3), uma vez que usando uma pá de

diâmetro inferior, como se viu anteriormente, de todos os ensaios realizados a 70 rpm, apenas o

uso do sistema tipo B (hexametafosfato de sódio) promoveu uma dispersão e hidratação eficaz,

o que acontece em todos os sistemas poliméricos agora aqui testados com uma pá de diâmetro

superior. No entanto, este método de agitação não se mostra eficaz no parâmetro de viscosidade

para soluções poliméricas a pH 12, apresentando viscosidades ainda abaixo do desejado (dis-

tanciados 25 s/quarto de 90 s/quarto).


62

4.1.2- Agitador tipo Âncora

Após alguma pesquisa a nível comercial e troca de ideias com engenheiros mecânicos da GEO

sobre agitadores utilizados para promover a mistura de fluidos não newtonianos [153][34][154],

foi decidido testar também o agitador tipo âncora, o qual foi impresso numa impressora 3D (pro-

priedade da empresa), feito de PLA com 18 cm de diâmetro, como pode ser observado na figura

4.2.

Figura 4.2- Agitador tipo âncora impresso na GEO.

O agitador tipo âncora é um agitador de fluxo radial com uma conformação especial. Reco-

menda-se o seu uso onde se proceda à utilização de soluções altamente viscosas, e /ou forma-

ção de sólidos aderentes durante o processo. Devido à sua conformação, este tipo de agitador

não é adequado para utilização a altas velocidades de rotação (intervalo recomendado de 20 a

60 rpm) [155] o que se enquadra nas condições que anteriormente se notou serem também as

mais adequadas para operar com os sistemas poliméricos em estudo. A mistura de fluidos alta-

mente viscosos é normalmente associada a regime laminar, onde como já referido, as dimensões

devem ser aproximadamente as dimensões do tanque [155][31]. A maioria das soluções de po-

límeros são fluidos pseudoplásticos, e muitos são operados em vasos agitados com este equi-

pamento [156]. Este tipo de agitador possui ainda as vantagens de promover maior transmissão

de calor nas operações de aquecimento ou resfriamento em reatores e minimizar a formação de

depósitos [157].


63

Tabela 4.9- Testes com agitador tipo âncora, na presença de sistemas poliméricos do tipo A,C, D, E, F, durante 45 minutos.

Ensaio Sistemas

poliméricos


(rpm)




Desvio padrão ≤ (0,3 mL/s)

57 C 60 80±4 0,741 ✘

58 D 60 89±4 0,322 ✘

59 E 60 75±4 0,503 ✘

60 F 60 79±4 0,582 ✘

61 A 70 100±4 0,8 ✘

62 C 70 82±4 0,123 ✘

63 D 70 94±4 0,136 ✓

64 E 70 75±4 0,224 ✘

65 F 70 76±4 0,155 ✘









Na tabela 4.9 estão apresentados os dados obtidos utilizando o agitador tipo âncora testado para

os diferentes sistemas poliméricos em estudo. Através dos resultados obtidos é possível desta-

car que a dispersão e hidratação do polímero melhorou com o aumento de 60 para 70 rpm, visto

que a 60 rpm nenhum dos sistemas poliméricos desenvolvidos se apresentou dentro do intervalo

de desvio padrão pretendido. No entanto, aumentando a velocidade de rotação para 70 rpm,

todos os sistemas contendo dispersantes, ensaios 62, 63, 64 e 65 respeitam a condição referida

[desvio padrão [0; 0,3 mL/s]. No que diz respeito a viscosidades é possível observar que os

sistemas desenvolvidos a pH 7, ensaios 62 e 63, apresentam viscosidades mais elevadas do

que a pH 12, ensaios 64 e 65, e o mesmo também se verifica nos sistemas poliméricos onde é

incluído o hexametafosfato de sódio, ensaios 63 e 65, levando a um incremento de viscosidade

em relação a soluções contendo apenas hidróxido de sódio, ensaios 62 e 64, sendo melhor ve-

rificado a pH 7, uma vez que a pH 12 as viscosidades dos ensaios 64 e 65 são praticamente

idênticas (74 e 75 s/quarto). Com esta nova pá foi possível atingir um ensaio dentro dos objetivos

pretendidos (ensaio 63) a pH 7, 94 s/quarto de viscosidade e 0,136 mL/s de desvio padrão dos

caudais de escoamento da solução polimérica, no entanto, a pH 12 as viscosidades continuaram

significativamente longe dos 90 s/quarto pretendidos.


64

Uma hipótese para as viscosidades serem inferiores a pH 12 em relação a pH 7 já foi referida

anteriormente, estando relacionado com a desprotonação do polyGEO. No entanto voltou-se a

observar que o aumento de viscosidade, mesmo que ligeiro (1 s/quarto), é facilitado pela pre-

sença de hexametafosfato de sódio e hidróxido de sódio no mesmo sistema. A justificação para

este fenómeno pode residir nas interações apresentadas na figura seguinte:

Figura 4.3- Interação entre hexametafosfato de sódio e polyGEO

A imagem anterior (figura 4.3) mostra esquematicamente que as moléculas de hexametafosfato

estão totalmente desprotonadas a pH 12, o que não acontece a pH 7 onde teoricamente a mo-

lécula deve encontrar-se em parte protonada e desprotonada (pode ocorrer em todos os átomos

de oxigénio que fazem uma ligação simples com o fósforo). O hexametafosfato pode interagir de

duas maneiras com o polyGEO, através de interações electroestáticas (O e N), ou através de

pontes de hidrogénio entre (O e H). Uma molécula de hexametafosfato pode igualmente fazer

pontes de hidrogénio com a água, podendo ligar-se simultaneamente á água e ao polímero, o

que poderá auxiliar a sua hidratação, sugerindo que esta é uma hipótese viável para a incremen-

tação de viscosidade ocorrida na presença de hexametafosfato de sódio.

O rácio utilizado entre hexametafosfato de sódio e hidróxido de sódio foi mantido de 1:8 em

ambos os pH´s em estudo, o que pode justificar os valores de viscosidade superiores nos meios

onde é inserido hexametafosfato de sódio. A pH 7, a massa de hidróxido de sódio colocada no

meio é muito baixa, comparativamente com a de hexametafosfato de sódio, o que vai fazer com

que as interações do hexametafosfato de sódio com água e polyGEO sejam expectáveis com o

explicado, esticando a cadeia polimérica e consequentemente, aumentando a viscosidade.


65

A pH 12 o rácio anterior mantem-se, no entanto, a massa de hidróxido de sódio é aumentada em

cerca de 20 vezes, o que indica que no meio haverá a presença de maiores concentrações de

Na+ e OH-. A presença de maior [Na+] pode criar dificuldades na criação de pontes de hidrogénio

entre a água e o hexametafosfato sódio, criando dificuldades na formação do complexo entre

hexametafosfato de sódio, água e polygeo.

Em relação à interação entre hexametafosfato de sódio e hidróxido de sódio, é presumível que

seja mínima devido ao facto de possuírem a mesma carga, no entanto, ambos apresentam rele-

vante importância pela função que desempenham na solução polimérica aquosa como agentes

dispersantes que são.

4.1.3- Agitador de contra fluxo

O terceiro agitador que foi decidido testar foi o agitador de contra fluxo, impresso numa impres-

sora 3D (propriedade da empresa), feito de PLA com 18 cm de diâmetro.

Figura 4.4- Agitador contra fluxo impresso na GEO

O agitador de contra fluxo [154], destinado a fluidos altamente viscosos é distinto de todos os

outros, e como o próprio nome indica, é uma mistura de dois fluxos, fluxo radial e fluxo axial,

funcionando como se promovesse continuadamente no fluido, um efeito de bombeamento para


66

cima e para baixo, enquanto ajuda a evitar o efeito de Heisenberg [158]. Este efeito é frequente-

mente observado em soluções de polímeros líquidos. Estes tipos de fluidos (fluidos não-newto-

nianos) em vez de rodarem longe do eixo de rotação, têm tendência a colar-se à vara, porque a

haste rotativa alonga os polímeros quando eles a contactam, gerando força normal positiva

(agindo como força centrípeta). Segundo W. Wyczalkowski (2004) a invenção deste tipo de agi-

tadores provocou uma melhoria da eficiência de mistura. Tipicamente reduz o uso de energia

e/ou leva a tempos de ciclo mais curtos, enquanto isso, permite ao usuário a eliminação de re-

tenção de ar, espuma, e " olhos de peixe ", melhorando a qualidade geral do produto [159]. Uma

das razões para promover elevadas viscosidades, pode ser o facto de este agitador proteger

grande parte da integridade do polímero devido aos fluxos que provoca.

Tabela 4.10- Testes com agitador de contra fluxo, na presença de sistemas poliméricos do tipo A,C, D, E, F, durante 45 min.

Ensaio Sistemas

poliméricos Velocidade de rotação (rpm)





66 A 70 128±4 0,375 ✘

67 C 70 94±4 0,162 ✓

68 D 70 104±4 0,148 ✓

69 E 70 80±4 0,105 ✘

70 F 70 91±4 0,250 ✓






F- Água da rede pública + hidróxido de sódio + hexametafosfato de Sódio + polyGEO (pH 12)



A aplicação do agitador de contra fluxo apresentou resultados bastante surpreendentes (tabela

4.10) que podem comprovar alguns factos referidos anteriormente. É possível observar através

da análise da tabela 4.10 que o objetivo proposto para este trabalho foi alcançado agora emam-

bos os pH´s. A pH 7 foram dois os sistemas poliméricos que permitiram alcançar o objetivo, o

sistema polimérico contendo apenas hidróxido de sódio (ensaio 67) permitiu obter 94 s/quarto de

viscosidade bem como um desvio padrão de 0,162 mL/s, já o sistema polimérico contendo he-

xametafosfato de sódio e hidróxido de sódio (ensaio 68) permitiu alcançar 104 s/quarto, bem

como uma mistura completamente dispersa e hidratada, com um valor de desvio padrão situado

nos 0,148 mL/s. A pH 12, um sistema igualmente composto por hidróxido de sódio e hexameta-

fosfato de sódio (ensaio 70) permitiu obter uma viscosidade inédita (91 s/quarto) em comparação


67

com todos os testes realizados com outros agitadores, onde foi possível obter, nas mesmas

condições (65 s/quarto com pás planas e 76 s/quarto com agitador tipo âncora).

Os resultados obtidos com a pá de contra fluxo mantêm a mesma tendência dos obtidos usando

um agitador tipo âncora, no entanto os valores de viscosidade são superiores, o que demonstra

a importância do tipo de agitador (componente mecânica) na ativação do polímero. A nível quí-

mico, os resultados obtidos voltam a sugerir a validade das justificações dadas no capítulo ante-

rior (combinação de hexametafosfato de sódio com hidróxido de sódio).

4.1.4- Resumo da Secção

Os resultados obtidos nesta secção para a melhor velocidade de rotação (70 rpm), utilizando os

3 agitadores que respeitam a condição diâmetro agitador ≈ diâmetro do balde estão expressos

na figura 4.5. É de referir que nestas condições todos os ensaios apresentados no gráfico se

encontram dentro do intervalo de desvio padrão pretendido (0 a 0,3 mL/s), passando então a

comparar apenas os valores de viscosidade.

Figura 4.5- Comparação de resultados entre os três tipos de pás utilizadas, a 70 RPM para

os sistemas poliméricos tipo C, D, E e F. C- Água da rede pública + hidróxido de sódio

+polyGEO (pH 7); D- Água da rede pública + hidróxido de sódio + hexametafosfato de

sódio + polyGEO (pH 7); E- Água da rede pública + hidróxido de sódio + polyGEO (pH 12);

F- Água da rede pública + hidróxido de sódio + hexametafosfato de Sódio + polyGEO (pH

12).

A figura 4.5 permite observar de uma maneira mais clara a influência que o tipo de pá, vertente

mecânica, têm na dispersão e hidratação do polímero, e consequentemente na viscosidade da

solução polimérica a diferentes pH´s, vertente química. O agitador de contra fluxo distinguiu-se

dos outros, pela sua capacidade de desenvolver soluções poliméricas completamente dissolvi-

das, e promover viscosidades bastante elevadas (≥ 90 s/quarto). Analisando o peso molecular


68

do polyGEO após 45 minutos de ensaio com o agitador contra fluxo foi possível observar que o

peso molecular do polímero se encontrava a rondar os 11,2 MDa (Anexo 3), através da determi-

nação por viscosímetro Ubbelohde. Contrariamente o agitador de pás planas foi onde se verificou

piores resultados em termos de dissolução e viscosidade. Como já é conhecido, trata-se de um

agitador de fluxo radial [31][155][28], que funciona empurrando a massa liquida contra as pare-

des do tanque, não sendo dos mais recomendados para agitação de fluidos altamente viscosos,

levando á quebra de cadeias do polímero, como comprovado pela medição de peso molecular

após ensaios de 45 min a 70 e 300 rpm, onde se verificou 8,2 MDa ( Anexo 1) e 7 MDa respec-

tivamente. Estes valores estão fora do intervalo [10 a 14] MDa (peso molecular do polyGEO), e

confirmam a suspeita de quebra de cadeias. O agitador tipo âncora trata-se de um agitador de

fluxo tangencial, e funciona impulsionando a massa líquida ao redor do tanque [155][160], após

um ensaio com ele efetuado durante 45 minutos, o peso molecular da solução polimérica de

polyGEO encontrava-se a rondar os 9 MDa (Anexo 2). Confirma-se então que a razão para o

agitador de contra fluxo levar a soluções poliméricas com viscosidades mais elevadas reside no

facto deste agitador proteger em grande parte a integridade da estrutura polimérica. É de referir

ainda que poderiam ter sido utilizadas baffles para direcionar o fluido em vez de optar pelo au-

mento do diâmetro do agitador, bem como testada a utilização de agitadores descentralizados,

o que provavelmente provocaria resultados semelhantes.

4.2- Agitação com ar comprimido

O estudo da dispersão e hidratação polimérica, utilizando agitação por ar comprimido é o se-

gundo caso de estudo deste trabalho. Uma vez que esta é a via utilizada pela GEO ao dia de

hoje em situação de obra, é importante estudar e otimizar este processo. O objetivo é simular ao

máximo toda a situação em obra, de modo a conseguir manipular as variáveis existentes, e con-

seguir uma otimização do processo em 45 minutos. Normalmente, como já referido anterior-

mente, fluidos preparados com agitação por ar comprimido em contexto de obra seguem para a

escavação com viscosidades perto de 65 segundos/quarto numa mistura de polímero/água de

1:1. Aqui pretende-se que o mesmo fluido preparado, após 45 min de mistura assistida por ar

comprimido, gere uma viscosidade igual ou superior a 90 segundos/quarto. Os sistemas polimé-

ricos estudados foram os mesmos da secção 4.1, variando ainda a pressão de ar comprimido

fornecida á solução polimérica.

4.2.1- Regime de adição – Avaliação da etapa de molhagem

Nesta secção, foi estudada a preparação de soluções poliméricas utilizando agitação por ar com-

primido. A agitação foi testada a 3 valores distintos de pressão (3,5; 5 e 6,5 bar) de modo a

verificar a sua influência na viscosidade e na dispersão e hidratação das soluções poliméricas

em estudo. Foram estudados diferentes tipos de adição do polímero ao meio, influenciando a


69

etapa da molhagem e, verificado o seu efeito nos parâmetros definidos como objetivos (viscosi-

dade superior a 90 s/quarto e desvio padrão dos caudais [0,0.3]). Na figura seguinte podem ser

observados os diferentes regimes de adição testados.

Figura 4.6- Tipos de regime de adição de polímero ao meio

Começou por ser estudada a adição de polímero ao meio de forma instantânea, ou seja, polvi-

lhando o polímero para o balde já contendo água à posteriori. O balde já se encontrava em

agitação no momento de adição do polímero.

Tabela 4.11- Testes efetuados com agitação com ar comprimido sem presença de disper-sante, pH 6,6, durante 45 minutos

Ensaio Sistemas

poliméricos

Pressão

(bar)

Viscosidade

(s/quarto)

Desvio

padrão

(mL/s)

Viscosidade ≥ 90

(s/quarto) e


(mL/s)

71 A 3,5 100±4 0,735 ✘

72 A 5 88±4 0,677 ✘

73 A 6,5 60±4 0,091 ✘


✘-Ensaios não cumpre os objetivos

Na tabela anterior é possível observar que os ensaios 71 e 72, apesar de exibirem valores de

viscosidade já dentro do objetivo desta tese relativamente a viscosidade, apresentam péssima

dispersão e hidratação visto que os valores do desvio padrão associados aos caudais medidos

Regime de adição

Instantâneo Fluxo contínuo

Alimentação da água em regime

laminar

Alimentação da água em regime

turbulento


70

estão completamente fora do intervalo aceitável (0-0,3 mL/s), o que origina valores de viscosida-

des elevadas mas falsas. Estes resultados podem ser justificados maioritariamente pela ausên-

cia de qualquer dispersante no meio. O ensaio 73 apresentou-se totalmente disperso e hidratado,

no entanto a sua viscosidade foi 60 s/quarto. Esta baixa viscosidade pode dever-se à elevada

pressão aplicada ao sistema (6,5 bar), o que pode, apesar de ter dispersado melhor o polímero,

ter danificado as cadeias poliméricas.

Com o objetivo de melhorar estes valores, foram adicionados dispersantes.

Tabela 4.12- Testes efetuados com agitação com ar comprimido na presença de disper-sante, tipo B (hexametafosfato de sódio) pH 6,8, durante 45 minutos

Ensaio Sistemas

poliméricos

Pressão

(bar)

Viscosidade

(s/quarto)

Desvio

padrão

(mL/s)

Viscosidade ≥ 90

(s/quarto) e


(mL/s)

74 B 3,5 87±4 0,737 ✘

75 B 5 70±4 0,449 ✘

76 B 6,5 60±4 0,647 ✘

B- Água da rede pública + hexametafosfato de Sódio + polyGEO (pH 6,8)


Na tabela 4.12 é possível observar, que usando somente hexametafosfato de sódio em nenhum

dos ensaios foi possível obter a completa dispersão do polímero. Em relação aos sistemas po-

liméricos do tipo A, a inserção de hexametafosfato de sódio não se apresentou como suficiente

para auxiliar a dispersão. O ensaio 74 apresentou uma viscosidade próxima de 90 s/quarto, no

entanto foi aquele que apresentou um valor de desvio padrão dos caudais de escoamento mais

elevado (0.737 mL/s), o que pode indiciar que a pressão aplicada em 3,5 bar não é suficiente

para que a dispersão do polímero ocorra, influenciando o restante processo de dissolução. No

caso do ensaio 76 voltou a verificar-se que o ensaio sujeito à pressão de 6,5 bar provoca uma

diminuição brusca na viscosidade da solução polimérica. Estes resultados sugerem que 5 bar

parece ser a pressão mais indicada, no entanto para manter as mesmas condições de pressão

para avaliação dos outros sistemas poliméricos, as 3 pressões continuaram ainda a ser investi-

gadas.


71

Tabela 4.13- Testes efetuados com agitação com ar comprimido na presença de disper-sante tipo C (Hidróxido de Sódio) pH 7, durante 45 minutos

Ensaio Sistemas de

dispersão

Pressão

(bar)

Viscosidade

(s/quarto)

Desvio

padrão

(mL/s)

Viscosidade ≥ 90

(s/quarto) e


(mL/s)

77 C 3,5 86±4 0,872 ✘

78 C 5 76±4 0,450 ✘

79 C 6,5 70±4 0,189 ✘

C-Água da rede pública + hidróxido de Sódio +polyGEO (pH 7)


A colocação de hidróxido de sódio para ajustar o ph do meio aquoso a 7 não apresentou melho-

rias significativas em relação à dissolução do polímero, uma vez que os valores apresentados

exibem aproximadamente a mesma tendência em relação á tabela 4.11, isto é, valores de visco-

sidade abaixo dos 90s/quarto e valores de desvio padrão associados a caudais medidos fora do

intervalo estabelecido neste trabalho como aceitável (0-0.3 mL/s). No entanto é possível observar

através do ensaio 79, que a 6,5 bar, apesar da possível quebra da cadeia polimérica e conse-

quente diminuição da viscosidade, a viscosidade apresenta valores 10 s/quarto superiores aos

dois tipos de sistemas apresentados anteriormente, nas mesmas condições (ensaios 73 e 76).

O que sugere que a presença deste dispersante é bastante importante no sistema. Este resultado

pode sugerir que o hidróxido de sódio desprotona os grupos hidroxilo da cadeia polimérica, au-

mentando assim a interação com a água, aumentando a quantidade de polímero que é ativado

o que consequentemente contribui para um aumento da viscosidade, mesmo quando pressões

capazes de quebrar cadeia poliméricas são empregues (70 s/quarto).

Tabela 4.14- Testes efetuados com agitação com ar comprimido na presença de disper-sante tipo D (hidróxido de sódio e hexametafosfato de sódio) pH 7, durante 45 minutos.

Ensaio Sistemas

poliméricos

Pressão

(bar)

Viscosidade

(s/quarto)

Desvio

padrão

(mL/s)

Viscosidade ≥ 90

(s/quarto) e


(mL/s)

80 D 3,5 92±4 0,606 ✘

81 D 5 75±4 0,426 ✘

82 D 6,5 72±4 0,260 ✘



Os resultados apresentados na Tabela 4.14 dizem respeito aos ensaios onde hexametafosfato

de sódio e hidróxido de sódio foram testados em simultâneo pH 7. Através dos resultados é

possível observar que a combinação de dispersantes, hidróxido de sódio e hexametafosfato de


72

sódio, provocou um ligeiro aumento de viscosidade (5 s/quarto) em relação aos anteriores (en-

saio 77) a 3,5 bar, no entanto os valores de desvio padrão continuaram completamente fora do

definido com aceitável neste trabalho, o que garante uma ineficaz dispersão e hidratação do

polímero no meio. É possível observar que a 3,5 bar e 5 bar a dispersão e hidratação melhoraram

substancialmente, face aos ensaios 77 e 78, no entanto, nenhum dos ensaios se apresenta den-

tro dos limites definidos como objetivos. Estes valores obtidos voltaram a confirmar dados ante-

riores alcançados em sistemas de pás, que sugerem que a presença de hexametafosfato de

sódio na solução polimérica juntamente com o hidróxido de sódio cria um aumento na viscosi-

dade da solução polimérica. Este facto volta a sugerir o já referenciado em 4.1.2, e que diz res-

peito ao facto de que em meio básico, a presença de hexametafosfato em conjunto com o hidró-

xido de sódio facilita a capacidade do polímero hidratar, e desenrolar a sua estrutura, aumen-

tando consequentemente a viscosidade[105][97] produzida pelo polímero ativado.

Tabela 4.15- Testes efetuados com agitação com ar comprimido na presença de disper-sante tipo E (Hidróxido de Sódio) pH 12, durante 45 minutos

Ensaio Sistemas

poliméricos

Pressão

(bar)

Viscosidade

(s/quarto)

Desvio

padrão

(mL/s)

Viscosidade ≥ 90

(s/quarto) e


(mL/s)

83 E 3,5 73±4 0,292 ✘

84 E 5 71±4 0,068 ✘

85 E 6,5 74±4 0,345 ✘



Os resultados na tabela 4.15 foram obtidos de ensaios realizados a pH 12, utilizando hidróxido

de sódio como dispersante. É possível observar, comparando os valores das tabelas 4.13 e 4.15

que o aumento da quantidade de hidróxido de sódio, isto é, aumentando o pH de 7 para 12,

diminuiu a viscosidade das soluções poliméricas (de 86, 76 e 70 s/quarto para 73, 71 e 74,

s/quarto, respetivamente). Estes resultados remetem para a possível justificação já referida em

4.1.2. No que diz respeito à dissolução das soluções poliméricas é possível observar que os

valores do desvio padrão dos caudais de escoamento melhoraram em relação aos ensaios rea-

lizados a pH 7 (de 0,872 e 0,450 mL/s para 0,292 e 0,068 mL/s, a 3,5 bar e 5 bar respectiva-

mente), o que se pode justificar pela maior quantidade de dispersante utilizado. Assim, a vertente

química sem dúvida que melhora o sistema, mas a mecânica, neste caso, mistura com ar com-

primido, ainda não está otimizada como desejado. Os ensaios 77 e 78 encontram-se 100% dis-

persos e hidratados, já o ensaio 79 encontra-se próximo da total dispersão e hidratação, no en-

tanto não respeita o valor definido como objetivo.


73

Tabela 4.16- Testes efetuados com agitação com ar comprimido na presença de disper-sante tipo F (hidróxido de sódio e hexametafosfato de sódio) pH 12, durante 45 minutos.

Ensaio Sistemas

poliméricos

Pressão

(bar)

Viscosidade

(s/quarto)

Desvio

padrão

(mL/s)

Viscosidade ≥ 90

(s/quarto) e


(mL/s)

86 F 3,5 79 ±4 0,203 ✘

87 F 5 72±4 0,234 ✘

88 F 6,5 70±4 0,246 ✘

F- Água da rede pública + hidróxido de Sódio + hexametafosfato de sódio + polyGEO (pH 12)


Na tabela 4.16 estão representados os resultados obtidos das experiências onde são usados os

dois dispersantes químicos agora a pH 12. Os resultados sugerem que a utilização dos dois tipos

de dispersantes em simultâneo a pH 12, apresentam valores similares aos sistemas poliméricos

anteriores (tabela 4.15), apresentando valores de viscosidade dentro da mesma gama [70-80]

s/quarto. Todos os ensaios com este tipo de dispersantes levaram a soluções poliméricas com

100% de capacidade de dispersão e hidratação, no entanto os valores de viscosidade ainda

estão longe dos 90 s/quarto. De 3,5 para 6,5 bar é possível ver que a viscosidade teve tendência

a decair (de 79 para 70 s/quarto), o que se pode justificar pela excessiva tensão exercida nas

cadeias poliméricas em 5 e 6,5 bar, podendo levar à quebra da cadeia polimérica em algumas

zonas.

Dos resultados até agora obtidos de experiências onde a mistura do polímero é assistida por ar

comprimido, é possível concluir que os resultados ainda estão distantes dos objetivos pretendi-

dos. No entanto, é de referir que a componente química, isto é, a melhor combinação de disper-

santes, está encontrada, (F- Água da rede pública + hidróxido de sódio + hexametafosfato de

sódio + polyGEO (pH 12)) faltando melhorar a parte mecânica (sistema de ar comprimido ou

sistema de adição do polímero, isto é, molhagem do polímero). Ainda assim, estes resultados

apontam para a seleção de 5 bar como a pressão óptima a operar.

Uma vez que os resultados obtidos anteriormente, através da utilização de ar comprimido, não

se apresentaram dentro dos objetivos definidos, foi então delineada uma nova estratégia. Em

contexto de obra, a adição do polímero ao tanque de mistura, ocorre junto à alimentação de água

que fornece o tanque de mistura, sendo o polímero adicionado por um operador na direção da

água de alimentação. Na tentativa de aproximar ainda mais este trabalho ao que se pretende

otimizar, ou seja, ao contexto de obra, foi testada a adição de polímero à corrente de entrada de

água no balde (o que simula o tanque, em contexto laboratorial). A finalidade deste método é


74

promover uma molhagem eficiente do material polimérico, promovendo ao máximo que as partí-

culas se molhem individualmente, retirando o máximo possível do potencial do material polimé-

rico no que diz respeito ao incremento da viscosidade.

Assim, foi reduzido o leque de ensaios em relação ao método anterior, substituindo o polvilha-

mento do polímero diretamente para o balde, por adição do polímero à corrente de água que

alimenta o balde em regime turbulento (Re=3639 (Anexo 6)), realizando apenas ensaios a 5 bar.

Tabela 4.17- Ensaios realizados com adição do polímero à corrente de alimentação de água em regime turbulento, agitado por ar comprimido a 5 bar, durante 45 minutos.

Ensaio Sistemas

Poliméricos

Pressão

(bar)

Viscosidade

(s/quarto)

Desvio

padrão

(mL/s)

Viscosidade ≥ 90

(s/quarto) e


(mL/s)

89 A 5 99±4 0,481 ✘

90 B 5 77±4 0,100 ✘

91 C 5 86±4 0,125 ✘

92 D 5 90±4 0,166 ✓

93 E 5 77±4 0,454 ✘

94 F 5 85±4 0,134 ✘








✓-Ensaio cumpre

Através da análise da tabela 4.17 é possível confirmar algumas das tendências já observadas

anteriormente. O valor de viscosidade mais elevado (99±4 s/quarto, ensaio 89), foi observado na

ausência de dispersante, no entanto este valor não se apresenta real, uma vez que se deve á

formação de aglomerados de polímero. O facto anterior é comprovado através do valor dos cau-

dais de escoamento do desvio padrão (0.481 mL/s), situado fora do intervalo [0, 0,3] (mL/s).

A melhor combinação de dispersantes químicos voltou a ser a inserção de hidróxido de sódio e

hexametafosfato de sódio em simultâneo a pH 7 (ensaio 92), apresentando-se dentro dos obje-

tivos definidos para esta tese (90 s/quarto e desvio padrão de 0,166 mL/s). Tal como sugerido

em 4.1.2, voltou a observar-se que os valores de viscosidade diminuem com o aumento da alca-

linidade do sistema e como o hidróxido de sódio e o hexametafosfato de sódio se completam

para atingir misturas completamente dispersas e hidratadas de viscosidades elevadas.


75

Ainda com o objetivo de melhorar o sistema de agitação com ar comprimido anterior, foi testada

uma nova abordagem que consistiu em adicionar o polímero à corrente de água de alimentação,

mas agora em regime laminar (Re=1339 (Anexo 6)). No método anterior, foi testada a adição do

polímero diretamente á saída de água da mangueira que fornece o balde em regime turbulento.

De forma a criar um regime laminar para ser feita a molhagem do polímero, foi criado um dispo-

sitivo capaz de transformar o regime turbulento de saída da mangueira, em regime laminar

(3.2.2.3).

Figura 4.7- Tipos de alimentação da água ao balde: A- Alimentação de água em regime turbulento; B- Alimentação de água em regime laminar

Foram efetuados testes para as mesmas condições do método anterior, sendo fornecido ar ao

sistema a 5 bar, e testados os sistemas poliméricos do tipo C, D, E e F a pH 7 e pH 12.

Tabela 4.18- Ensaios em regime laminar com a mistura do sistema assistida por ar com-prido, a 5 bar durante 45 minutos.

Ensaio Sistemas

poliméricos Pressão

(bar) Viscosidade

(s/quarto)




95 C 5 76±4 0,749 ✘

96 D 5 86±4 0,528 ✘

97 E 5 63±4 0,246 ✘

98 F 5 68±4 0,243 ✘


D-Água da rede pública + hidróxido de sódio + hexametafosfato de sódio + polygeo (pH 7)


Espalhamento de água


76


A análise da tabela anterior demonstra que os resultados mantiveram as tendências já verifica-

das atrás, no entanto os valores de viscosidade foram mais baixos (valores médios na ordem

dos 79 s/quarto). A pH 7 as soluções poliméricas não se apresentaram completamente dissolvi-

das, o que pode ser justificada pela baixa quantidade de dispersantes utilizada, no entanto em

ensaios anteriores com a mesma quantidade de dispersantes foi possível obter soluções total-

mente dispersas e hidratadas (ensaios 91 e 92), o que pode indicar que a dificuldade em disper-

sar o polímero se encontra na componente mecânica. Este método não atingiu os objetivos pre-

tendidos em nenhum dos ensaios realizados.

Como é sabido o regime laminar é o tipo de fluxo onde existe um mínimo de agitação das várias

camadas do fluido. Era então esperado que através da criação do engenho de transformação de

regime turbulento em regime laminar, aumentando a área de espalhamento da água, se conse-

guisse obter uma melhor molhagem das partículas individualmente, e consequentemente um

incremento da viscosidade da solução polimérica em comparação com molhagem em regime

turbulento. O facto anterior não se verificou e a tendência registada foi a formação de aglomera-

dos de partículas mal hidratadas que levou por sua vez a originar soluções poliméricas ineficaz-

mente dispersas. Uma vez não conseguido o objetivo, e já a pensar no futuro, uma possível

solução poderia passar pela construção de um aparelho capaz de peneirar partículas de polímero

controladamente na área de espalhamento da água, facilitando a molhagem individual de cada

partícula, de modo a conseguir tirar todo o proveito possível da capacidade do polímero em gerar

viscosidade.

Face à falta de literatura relativamente a este assunto, não é possível referir se os resultados

obtidos estão de acordo com a literatura, para condições semelhantes.


77

4.2.1.1- Resumo de secção

Nesta secção foram testados três métodos de adição do polímero de modo a tentar maximizar

os valores de viscosidade dos sistemas poliméricos em estudo. Em termos da vertente química

voltou-se a confirmar, tal como se constatou na secção 4.1.1, que a melhor combinação de dis-

persantes foi a utilização de hidróxido de sódio e hexametafosfato de sódio, tanto a pH 7 como

a pH 12. Foi possível observar que a 3,5 bar, após 45 min de agitação, o peso molecular do

polímero estava nos 11 MDa (Anexo 4), no entanto essa pressão não se apresentou como sufi-

ciente para dispersar o material no meio aquoso. Já a 6,5 bar o polímero apresentou um peso

molecular de 6,5 MDa (Anexo 5), longe do peso molecular do polyGEO (entre 10 e 14 MDa)

retirado do saco inicialmente, o que justifica os valores mais reduzidos ao nível da viscosidade

nos ensaios realizados a 6,5 bar. Quanto ao método de adição do polímero, apenas a adição em

fluxo contínuo através de regime turbulento conseguiu um ensaio dentro dos objetivos, sendo

esse ensaio a pH 7 (ensaio 92). Os métodos explorados neste capitulo não se mostraram efica-

zes na totalidade da gama de pH entre 7 e 12. No gráfico seguinte é possível comparar os 3

métodos de adição a pH 7 e a pH 12.

Figura 4.8- Comparação dos valores de viscosidade dos sistemas poliméricos estudados de acordo com os diferentes regimes de adição. ND- Solução polimérica não está total-mente dispersa e hidratada, ou seja, fora do intervalo [0;0,3 mL/s].

Como encerramento desta secção é possível observar que nos ensaios contendo baixa quanti-

dade de dispersante (apenas para colocar a pH 7) apenas a adição do polímero em regime

turbulento consegue obter valores dentro do intervalo de desvio padrão pretendido [0-0,3] mL/s,

o que indica que o contacto do polímero com a água em regime turbulento para além de ajudar

na molhagem do polímero também auxilia na sua dispersão desde o início do processo. A pH 12

apenas o ensaio 94 não está completamente disperso e hidratado, apesar da elevada quantidade

de dispersante, e condições mecânicas já otimizadas. Este resultado sugere que possivelmente


78

a adição do polímero não foi realizada corretamente, podendo ter existido polímero a não con-

tactar com a água de alimentação antes de cair no tanque, tendo levado à sua aglomeração.

4.2.2- Geometria de dispersão (mecânica) e efervescentes (química) –

Avaliação da dispersão e hidratação

Após a discussão de algumas hipóteses com engenheiros mecânicos da GEO, foi avaliada a

hipótese de a agitação por ar comprimido ainda não estar completamente otimizada. É de referir

que a agitação por ar comprimido com adição do polímero à corrente de água em regime turbu-

lento (4.2.1 – tabela 4.17) é uma réplica exata do que se passa em contexto de obra. Apesar da

GEO optar pela colocação do foco de agitação ao longo das paredes no fundo do tanque, tal

como simulado nesta tese, foi proposto pela GEO testar diferentes conformações do engenho

de alimentação de ar comprimido.

Foi então decidido optar pela distribuição de ar em dois níveis, o que levou à construção de um

dispositivo como apresentado na secção 3.2.2.4. Desta forma foram testados três diferentes po-

sições no balde para colocar o dispositivo, sendo a sua posição regulada por uma união central

que vai de 2 a 10 cm de altura (altura da coluna de água).

Uma vez que já foi conseguido obter um método que permitisse obter um ensaio (ensaio 92,

valor de viscosidade 90 s/quarto e valor de desvio padrão face ao caudal medido de 0,166 mL/s)

dentro de todos os objetivos menos na gama de pH através da atuação na molhagem, o foco da

utilização deste método foi atuar ao nível da dispersão do polímero no meio, de modo a promover

uma dispersão mais homogénea ao longo de todo o volume do tanque, de modo a evitar a for-

mação de aglomerados e desaproveitamento de polímero.

Primeiramente foi testada a hipótese de manter um foco de agitação no fundo do balde, mas

acrescentar outro no topo da coluna de água (10 cm), tal como representado na figura 4.9 abaixo

Figura 4.9- Dois níveis de agitação separados por união central com 10 cm de altura


79

Tabela 4.19- Ensaios realizados com agitação por dois níveis: fundo e topo do tanque. Cada ensaio teve a duração de 45 minutos.

Ensaio Sistemas


(bar) Viscosidade

(s/quarto)




99 C 5 78±4 0,419 ✘

100 D 5 88±4 0,612 ✘

101 E 5 65±4 1 ✘

102 F 5 70±4 0,419 ✘






Os resultados expressos na tabela 4.19 demonstram que esta opção de otimização não se apre-

sentou viável. O polímero apresentou a tendência de se aglomerar no centro do tanque, o que

se justifica devido à intersecção das correntes de ar no centro do tanque, fazendo com que o

polímero não disperse aleatoriamente, e se forme uma massa de polímero não dissolvido. O

facto anterior é observável na tabela através dos elevados desvios padrões (> 0,3 mL/s) que os

caudais de escoamento das diferentes frações da solução polimérica apresentaram. O insucesso

deste método é claro quando se compara os resultados obtidos com os ensaios similares com

apenas 1 nível de agitação (ensaios 91 a 94), e observar que todos os ensaios apresentaram

valores de desvio padrão dos caudais de escoamento bastante superiores aos anteriores.

Assim, foi decido mudar o segundo foco de agitação do topo, para o meio do tanque (5 cm de

altura), de modo a avaliar qual a influência.

Tabela 4.20- Ensaios realizados com agitação por dois níveis: fundo e meio do tanque. Cada ensaio teve a duração de 45 minutos.

Ensaio

Sistemas poliméricos

Pressão (bar)





103 C 5 85±4 0,665 ✘

104 D 5 93±4 0,423 ✘

105 E 5 72±4 0,622 ✘

106 F 5 74±4 0,917 ✘







80

Os resultados da tabela 4.20 sugerem que a reposição da altura do dispositivo da saída de ar

comprimido não melhorou os resultados quer de viscosidade quer de desvio padrão associados

aos valores de caudais medidos. O polímero voltou a não dispersar corretamente, sendo forçado,

por parte dos focos de agitação, a dissolver entre os anéis de agitação.

Foi ainda decidido testar dois agitadores no fundo do balde (figura 4.11), separados apenas por

1 cm, e observar os seus resultados comparativamente com os resultados obtidos em 4.2.2,

onde foi utilizada toda a pressão distribuída apenas por um foco de agitação.

Figura 4.10- Agitador com 2 níveis colocados perto do fundo do balde (tanque).

Tabela 4.21- Ensaios realizados com agitação por dois níveis no fundo do tanque, separa-dos por 2 cm. Cada ensaio teve a duração de 45 minutos.

Ensaio Sistemas


(bar) Viscosidade

(s/quarto)




107 C 5 73±4 0,154 ✘

108 D 5 80±4 0,129 ✘

109 E 5 63±4 0,271 ✘

110 F 5 67±4 0,244 ✘






É possível observar na tabela 4.21, que devido ao novo posicionamento dos agitadores, foi pos-

sível dispersar as partículas corretamente (valores de desvio padrão entre 0-0.3 mL/s). No que

diz respeito aos valores de viscosidade, estes apresentaram valores abaixo dos 90 s/quarto, o


81

que indica que este tipo de agitação não permite obter melhores resultados do que os obtidos

nos ensaios 91 a 94 que revelaram valores de viscosidade de 85 e 84s/quarto, respetivamente.

É ainda de salientar novamente, que em todos os ensaios realizados neste capitulo, maiores

viscosidades foram obtidas em ensaios a pH 7 do que a pH básico (12), tal como se voltou a

constatar que a utilização de hidróxido de sódio e hexametafosfato de sódio é o sistema que

permite obter maiores viscosidades, independentemente da vertente mecânica utilizada.

Uma vez que esta hipótese não se apresentou demonstrativa de sucesso, foi decido estudar

outras alternativas.

Partindo de uma ideia proposta em patente por Michael Zalzal em 1978 [118], foi decidido testar

a aplicação de uma composição efervescente em forma de pó, em conjunto com o polímero. O

objetivo deste método, passa por auxiliar a dispersão do polímero, partindo do princípio que a

ocorrência de efervescência auxilia as partículas do polímero a dispersar aleatoriamente ao

longo do meio aquoso, devido à libertação de gás ocorrida.

Primeiramente foram testadas três composições diferentes em termos de percentagem mássica

de polímero em relação ao par ácido/base. Estes testes foram realizados com o objetivo de ava-

liar qual a melhor percentagem a utilizar. As composições utilizadas estão explicitas no subcapí-

tulo 3.2.2.5 dos materiais e métodos. A agitação fornecida através de ar comprimido, manteve-

se em 5 bar, com a utilização de apenas um nível de agitação.

Testaram-se as composições 1 (20% carbonato de sódio, 20% ácido Cítrico), 60% polyGEO), 2

(25% carbonato de sódio, 25% ácido Cítrico, 50% polyGEO) e 3 (35% carbonato de sódio, 35%

ácido Citrico, 30% polyGEO) sem a utilização de qualquer dispersante químico. É importante

relembrar que o rácio polyGEO/água é mantido ao longo de toda a tese, sendo fixado em 1:1.

Tabela 4.22- Ensaios de seleção da composição efervescente (agitação em ar compri-mido). Cada ensaio teve a duração de 45 minutos.

Ensaio Sistemas

poliméricos Composição efervescente





111 A 1 71±4 0,608 ✘

112 A 2 78±4 0,333 ✘

113 A 3 80±4 0,230 ✘



Através da análise da tabela 4.22, pode ser observado que a quantidade de efervescente utili-

zada apresenta influência direta sobre os resultados finais. É possível observar, que apenas no

ensaio onde se utilizou 70% de composição efervescente e 30% (ensaio 113 de polímero, foi

possível obter uma total dispersão e hidratação da solução polimérica (valor de viscosidade de


82

80 s/quarto e de desvio padrão de 0,230 mL/s). É possível observar ainda que a composição

utilizada apresenta influência na viscosidade, o que já era esperado pelos resultados obtidos na

dispersão, uma vez que, quanto melhor for a dispersão do polímero no meio aquoso, maior será

a sua atividade e contribuição para a viscosidade.

Recuando ao ensaio 89 (valor de viscosidade de 99 s/quarto e de desvio padrão de 0,45 mL/s),

utilizando adição do polímero por fluxo contínuo em regime turbulento, foi verificado que o polí-

mero não dispersava e hidratava totalmente sem presença de dispersantes químicos. Utilizando

a composição 3, foi possível obter uma viscosidade de 80s/quarto e uma solução polimérica com

o valor de desvio padrão dos caudais de solução contido no intervalo [0; 0,3] mL/s, o que indica

que este método apresenta potencial para poder melhorar os resultados anteriores em agitação

por ar comprimido.

O próximo passo foi então auxiliar as composições efervescentes com a utilização de dispersan-

tes químicos, testando a pH 7 e pH 12.

Em função dos resultados anteriores, foram então escolhidas as composições 2 e 3 como com-

posições que apresentam maior potencial, para os ensaios seguintes. Apesar de os resultados

da tabela 4.22, sugerirem que o poder efervescente da composição 2 possa não ser suficiente

para dispersar o polímero no meio, foi decidido efetuar testes a esta composição em meios com

o auxílio dos diferentes dispersantes estudados anteriormente nesta tese. O sistema de molha-

gem foi em adição instantânea, uma vez que testada em ensaios que não foram inseridos neste

trabalho a adição em regime turbulento fez com que a efervescência ocorresse instantaneamente

ao contacto com a água de alimentação, não ajudando as partículas de polímero a se dispersa-

rem pelo balde.


83

Tabela 4.23- Agitação com ar comprimido e composições efervescentes como auxílio da

dispersão. Cada ensaio teve a duração de 45 minutos.

Ensaio Sistemas

poliméricos Composição efervescente





114 C 2 67±4 0,372 ✘

115 C 3 74±4 0,213 ✘

116 D 2 75±4 0,315 ✘

117 D 3 77±4 0,200 ✘

118 E 2 67±4 0,220 ✘

119 E 3 71±4 0,254 ✘

120 F 2 63±4 0,589 ✘

121 F 3 74±4 0,274 ✘

C--Água da rede pública + hidróxido de sódio +polyGEO (pH 7)





Perante os resultados presentes na tabela 4.23 é possível observar que a composição 3 apre-

senta-se como a melhor alternativa para se conseguir uma boa dispersão do polímero (ensaios

119 e 121), o que é possível observar através dos valores de desvio padrão, (todos os ensaios

com esta composição apresentam um valor abaixo de 0,3 mL/s). Neste tipo de sistemas, a vis-

cosidade apresentou o mesmo comportamento que o desvio padrão, apresentando valores mais

elevados igualmente comparativamente à composição 2. Os ensaios 117 e 121 (hexametafos-

fato de sódio e hidróxido de sódio) destacam-se dentro dos seus valores de pH, uma vez que

apresentam valores de viscosidade um pouco superiores, no entanto assumindo o intervalo de

erro na medição da viscosidade, pode assumir-se que os valores podem ser interpretados como

semelhantes.


84

4.2.2.1- Resumo da secção

A secção 4.2.2. Concentrou-se na realização de ensaios com agitação por ar comprimido. Foram

delineadas estratégias de modo a atuar nas diferentes fases da dissolução polimérica (molha-

gem, dispersão e hidratação), tendo como principal objetivo otimizá-las de modo a obter soluções

poliméricas completamente dissolvidas que exibissem viscosidades iguais ou superiores a 90

s/quarto.

Foram adotadas e estudadas 3 estratégias distintas de regimes de adição do polímero, foram

elas:

-Adição instantânea

-Fluxo contínuo em regime turbulento

-Fluxo contínuo em regime laminar

Na realização de todos os ensaios referentes a estes métodos, apenas o ensaio 92 (Hidróxido

de sódio e Hexametafosfato de sódio) a pH 7 em que a estratégia foi fluxo contínuo em regime

turbulento permitiu obter uma viscosidade de 90 s/quarto e uma solução polimérica completa-

mente dissolvida (0,166 mL/s).

Foram ainda adotadas 2 estratégias distintas para auxiliar a dispersão e hidratação do polímero

-Agitação a 2 níveis de ar comprimido utilizando adição do polímero em fluxo continuo com re-

gime turbulento.

-Composições efervescentes com adição instantânea de polímero.

No primeiro caso os melhores resultados foram obtidos utilizando dois agitadores no fundo do

balde, conseguindo soluções poliméricas totalmente dissolvidas, no entanto os valores de visco-

sidade apresentaram-se longe dos objetivos pretendidos. No que diz respeito a composições

efervescentes, elas auxiliaram a dispersão do polímero no meio, no entanto a repercussão desse

auxílio não se verificou nos valores de viscosidade como seria de esperar (máximo valor foi atin-

gido no ensaio 117 e foi de 77 s/quarto). No entanto a composição efervescente que permitiu

obter melhores resultados foi a composição 3 (35% carbonato de sódio, 35% ácido Citrico, 30%

polyGEO).

Uma vez que o objetivo final (90 s/quarto de viscosidade e caudais de escoamento da solução

polimérica contidos no intervalo de desvio padrão de [0;0,3] mL/s) é igual para todas as estraté-

gias aqui seguidas, elas podem ser comparadas através do gráfico representado na figura 4.11.


85

Figura 4.11- Comparação de resultados de agitação por ar comprimido. ND- Solução po-limérica não está completamente dispersa e hidratada, ou seja, fora do intervalo [0; 0,3 s/quart]

Pela análise da figura 4.11 podemos observar que os métodos utilizados com o objetivo de me-

lhorar a dispersão do polímero em solução resultaram, uma vez que todos os ensaios realizados

com agitação a 2 níveis a 2 cm do fundo, e a utilização de efervescentes permitiram obter solu-

ções poliméricas totalmente dispersas e hidratadas. No entanto pelos resultados obtidos, esse

parâmetro não foi o suficiente para conseguir obter altas viscosidades. Assim, os resultados su-

gerem que a etapa mais importante para a otimização da viscosidade da solução polimérica é a

etapa da molhagem do polímero, o que vem confirmar o referido em literatura

[105][108][106][104].


86

4.3- Utilização de ureia- Otimização do melhor sistema

Após alguma pesquisa sobre compostos químicos que pudessem aumentar a viscosidade do

polyGEO em solução aquosa, surgiu um artigo que despertou especial interesse [25], sugerindo

que a ureia pode funcionar como agente incrementador de viscosidade em soluções aquosas de

poliacrilamida parcialmente hidrolisada. No entanto é referido, que isso apenas acontece para

concentrações específicas (0,9 g/L).

Segundo o artigo escrito por Shuwei Cai, Xianru He, Kun Liu, Rui Zhang, Long Chen[161], a

interação entre a poliacrilamida parcialmente hidrolisada e a ureia dá-se da seguinte forma:

Figura 4.12- Interação entre ureia e poliacrilamida parcialmente (PHPA) hidrolisada em meio aquoso. Imagem editada a partir de [163].

De acordo com a figura 4.12 a ureia interage com a PHPA através de pontes de hidrogénio

formadas entre o oxigénio do grupo carboxilato da PHPA e um hidrogénio do grupo amina cons-

tituinte da ureia. As interações referidas ajudam a cadeia polimérica a desenrolar, fornecendo

viscosidade à solução aquosa de polímero.

Assim, foi decidido testar 3 rácios diferentes de ureia/polyGEO (0,3 g ureia/ g polyGEO; 0,5 g

ureia/g polyGEO; 1g ureia/g polyGEO).

Os ensaios foram realizados com auxílio de agitação por contra fluxo a 70 rpm, condições do

ensaio 68, onde foram obtidos os melhores valores de viscosidade e de desvio padrão dos cau-

dais medidos, 104 s/quarto e 0,148 mL/s, respetivamente.


87

Tabela 4.24- Ensaios realizados com adição de ureia como incrementador de viscosidade em agitação contra fluxo a 70 rpm. Todos os ensaios foram efetuados em 45 minutos.

Ensaio Sistemas

poliméricos Rácio

(g ureia/ g polygeo) Viscosidade

(s/quarto)




122 C 0,3/1 85±4 0,542 ✘

123 C 0,5/1 85±4 0,242 ✘

124 C 1/1 91±4 0,408 ✘

125 D 0,3/1 92±4 0,456 ✘

126 D 0,5/1 88±4 0,216 ✘

127 D 1/1 97±4 0,367 ✘

128 E 0,3/1 83±4 0,107 ✘

129 E 0,5/1 80±4 0,753 ✘

130 E 1/1 69±4 0,400 ✘

131 F 0,3/1 77±4 0,247 ✘

132 F 0,5/1 75±4 0,431 ✘

133 F 1/1 74±4 0,449 ✘






Na tabela 4.24 é possível verificar alguns comportamentos curiosos causados pela inserção de

ureia no meio de dissolução. Pode ser observado que a viscosidade da solução polimérica con-

tendo ureia, apresenta diferentes comportamentos a pH 7 e pH 12.

A pH 7 os rácios de 0,3:1 e 0,5:1 (g ureia/g polyGEO) apresentam comportamentos similares em

termos de viscosidade da solução polimérica, no entanto é possível observar que aumentando a

quantidade de ureia nessa gama, a dispersão e hidratação do polímero em solução melhora

substancialmente (85 e 88 s/quarto respetivamente nos ensaios 123 e 126). Nos resultados ob-

tidos com igual quantidade de ureia e polyGEO (1g ureia/1g polyGEO) é possível observar que

a viscosidade aumentou em relação aos atrás referidos, no entanto, este aumento de ureia no

sistema criou dificuldades na dispersão e hidratação, o que sugere que a esta concentração a

ureia compromete a hidratação do polyGEO.

A pH 12 os resultados obtidos apresentam uma tendência completamente diferente. Os resulta-

dos demonstram que o aumento do rácio de ureia/polímero tende a baixar a viscosidade em

ambos os sistemas (hidróxido de sódio e hidróxido de sódio /hexametafosfato de sódio).


88

Figura 4.13- Comparação de sistemas de dispersão com e sem ureia; i) Sistemas de dis-

persão tipo C (Água da rede pública + hidróxido de Sódio + polyGEO (pH 7)); ii) Água da

rede pública + hidróxido de Sódio + hexametafosfato de sódio + polyGEO (pH 7); iii) Água

da rede pública + hidróxido de Sódio + polyGEO (pH 12); iv) Água da rede pública + hidró-

xido de Sódio + hexametafosfato de Sódio + polyGEO (pH 12); ND- não dispersou e hidra-

tou totalmente.

A análise dos gráficos representados na figura 4.13 permitem mais facilmente entender o efeito

provocado pela ureia na viscosidade da solução polimérica nos vários sistemas de dispersão

testados. Pelos resultados observados pode ser concluído que a ureia não aumentou a viscosi-

dade das soluções poliméricas., apenas ocorreu a existência de um caso singular (ensaio 152),

onde a inserção de ureia levou a um acréscimo de 3 segundos em relação ao ensaio realizado

sem presença de ureia, no entanto devido à margem de erro associado à medição de viscosidade

os valores podem ser assumidos como iguais.

É notório que em ambos os pH´s a ureia não é uma opção viável para o polygeo uma vez que

vem dificultar a sua dispersão e hidratação, facto contraditório ao reportado no artigo [161]. Estes

resultados sugerem que a presença de ureia no sistema vem dificultar a interação entre cadeia

polimérica com a água e com os restantes constituintes do sistema. Assim este facto pode sugerir

que o hexametafosfato de sódio e o hidróxido de sódio tem tendência a interagir com a ureia por

interações semelhantes ás que efetuam com o polygeo, e devido a essa competição, a ligação

entre polygeo e ureia torna-se ineficaz. Uma vez que a ureia é adicionada ao meio antes do

polímero, é presumível que as interações entre o polímero e o hexametafosfato sejam reduzidas


89

uma vez que parte do hexametafosfato já possui interações estabelecidas com a ureia. É dedu-

tível então que a cadeia não possua a capacidade de desenrolar que normalmente obteria na

presença de hidróxido de sódio e hexametafosfato de sódio sem a presença de ureia.

4.4- Variáveis com possível impacto- Componente critica

4.4.1- Água

O tipo de água varia de zona para zona, podendo possuir diferentes tipos de concentrações de

sais, ou impurezas. Em todos os casos de obra é usada a água da região onde se está a realizar

a operação. Sabendo que os diferentes sais existentes na água bem como as concentrações em

que se encontram podem danificar a estrutura do polímero, tendo grande impacto sobre a visco-

sidade que se pretende obter [149][142][141], é importante avaliar o tipo de água utilizada para

preparar a mistura.

De forma a avaliar o impacto da água foi medida a presença de alguns sais em 3 diferentes tipos

de água.

Água do mar (Fonte da Telha, Portugal)

Água da rede pública (Casal do Marco, Portugal)

Água destilada

Tabela 4.25- Análise da água da rede pública

Água da rede pública Concentrações (mg/L)

Cloro 0

Carbonato de cálcio 180

Cálcio livre 160

Cloreto de sódio 100

Tabela 4.26- Análise à água destilada

Água destilada Concentrações (mg/L)

Cloro 0


Cálcio livre 5

Cloreto de sódio 0


90

Tabela 4.27- Análise à água do mar

Água do mar Concentrações (mg/L)

Cloro 0


Cálcio livre 540

Cloreto de sódio 3300

Como é sabido a água da rede pública foi utilizado ao longo de toda esta tese. Foram então

realizados dois testes utilizando água do mar e água destilada, com duração de 45 min e sob

agitação por agitador contra fluxo.

Tabela 4.28- Ensaios realizados em agitador contra fluxo, durante 45 min, em água desti-lada e água do mar.


Sabe-se que o polyGEO é um polímero aniónico com um grande número de cargas ao longo da

sua estrutura. Devido à repulsão electroestática entre os aniões, as moléculas das cadeias de

polyGEO em solução tendem a se desenrolar. Contudo, a adição de sal à solução, pode fazer

com que o polímero sofra mudanças conformacionais. O polyGEO possui grupos carboxílicos

ácidos e grupos amida. Os grupos de ácido carboxílico ionizam em solução aquosa, e a repulsão

electroestática entre os aniões faz com que a molécula expanda.

Devido à grande concentração de sais presentes na amostra de água do mar, a viscosidade da

solução polimérica apresenta valores extremamente baixos, estando em valores não muito lon-

gínquos da viscosidade da água (27s/quarto). A literatura indica que a presença de iões como o

cálcio ou o sódio têm consequências dramáticas na viscosidade da solução [26][6]. Zhang [3],

refere mesmo que a presença de iões monovalente, como iões Na+ vão proteger o efeito eletros-

tático entre o polímero e a água, reduzindo o raio hidrodinâmico do polímero, diminuindo a sua

capacidade de hidratar e consequentemente diminuir a sua viscosidade. O mesmo autor [3],

indica que a presença de Ca2+ no meio, funciona como agente reticulante entre cadeias, redu-

zindo as interações efetuadas pelas cadeias poliméricas, levando consequentemente a perdas

de viscosidade.

Ensaio Sistemas

Poliméricos Tipo de

água Viscosidade

(s/quarto) Tipo de agitação

134 A Destilada 112±4 Contra fluxo

135 A Mar 44±4 Contra fluxo


91

Assim pelos resultados presentes na Tabela 4.28 os valores de viscosidade mais elevados como

seria de esperar, ocorreram em água destilada (ensaio 134). A ausência de sais em água desti-

lada faz com que as interações entre a água e o polímero sejam maximizadas, o que possivel-

mente levará à ocorrência de maior percentagem de hidratação, e consequentemente maior

quantidade de polímero será ativado, contribuindo para o alcance de viscosidade mais elevadas.

4.4.2- Polímero

O polímero utilizado é outro dos fatores críticos na preparação do fluido poliméricos usados para

a estabilização de solos. Como já referido no início deste trabalho existem vários tipos de polí-

meros normalmente utilizados com o objetivo de fornecer viscosidade a este tipo de fluídos.

O melhor sistema de dispersão e hidratação produzido neste trabalho foi: agitação em contra

fluxo, 70 rpm, usando hexametafosfato de sódio e hidróxido de sódio num rácio de 8:1 (ensaios

68 e 70 ) tanto a pH 7 como a pH 12.

Foi proposto pela GEO, testar o método anterior em dois novos polímeros (polímero X e polímero

Y), medindo as viscosidades conseguidas durante uma hora de agitação (60 min). O objetivo era

comparar valores de viscosidade obtidos com o melhor sistema alcançado nesta tese e os valo-

res de referência da GEO a pH 7 e pH 12, com 24 horas de agitação.

Para comparação foram efetuados ensaios com dois rácios distintos de polímero /água, foram

eles, 1 g polímero/ L água e 0,25 g /L água.

Tabela 4.29- Ensaios realizados nas melhores condições, utilizando polímero X (ensaio

136 a 139) e polímero Y (ensaio 140 a 143)

Ensaio Sistemas

Poliméricos Rácio (g/L)


136 D 1 310±4

137 F 1 266±4

138 D 0,25 80±4

139 F 0,25 63±4

140 D 1 273±4

141 F 1 232±4

142 D 0,25 73±4

143 F 0,25 65±4

D-Água da rede pública + hidróxido de Sódio + hexametafosfato de sódio + polyGEO (pH 7)

F-Água da rede pública + hidróxido de Sódio + hexametafosfato de Sódio + polyGEO (pH 12)


92

Os resultados obtidos pela GEO através de agitação magnética num período de 24 horas a pH

7 e pH 12 utilizando hidróxido de sódio como alcalinizante foram os seguintes:

Tabela 4.30- Dados fornecidos pela GEO com agitação magnética durante 24 horas, usando o polímero X ( ensaio 144 a 147 ) e polímero Y ( ensaio 148 a 151).

Ensaio Sistemas

Poliméricos Rácio (g/L)


144 Hidróxido sódio pH 7

1 247±4


1 213±4


0,25 85±4


0,25 78±4


1 204±4


1 130±4


0,25 70±4


0,25 63±4

Comparando os resultados da tabela 4.29 com os resultados da tabela 4.30 foi possível obser-

var que a implementação de agitação por contra fluxo a 70 rpm, acompanhada com a utilização

dos dois dispersantes químicos já referidos, tanto a pH 7 como a pH 12 permitiu obter viscosi-

dades superiores em 1 hora de agitação comparativamente com agitação magnética durante

24 horas usando apenas hidróxido de sódio como dispersante e alcalinizante. Para rácio de 1g

polímero por L de água foi onde se notou mais o aumento da viscosidade, o que pode ser justi-

ficado pelas características do agitador contra fluxo, que favorecem uma dispersão homogênea

do polímero ao longo do meio, o que não se verifica de forma tão instantânea com um agitador

magnético, uma vez que este cria um vórtice e faz com que grande quantidade de polímero se

aglomere nessa zona não contribuindo totalmente para a viscosidade da solução.


93

5.Conclusão

Neste trabalho foi possível desenvolver sistemas de dispersão e hidratação de polímeros, com

duração de 45 minutos, capaz de gerar soluções poliméricas totalmente dissolvidas e com vis-

cosidades superiores a 90 s/quarto em valores de ph entre (7 e 12), quando dissolvidas num

rácio de 1g:1L (polímero/água), para aplicação em fluídos de perfuração e estabilização de solo.

Do ponto de vista químico, foi descoberto que a melhor combinação de dispersantes para atingir

os objetivos (viscosidade ≥ 90 s/quarto e desvio padrão de caudais de escoamento ≤0,3 mL/s)

diz respeito à utilização de hidróxido de sódio (2M) e hexametafosfato de sódio (2M) (sistemas

poliméricos tipo D e F) num rácio 1:8.

A nível mecânico concluiu-se que a agitação feita por agitadores mecânicos apresentou melho-

res resultados que a agitação por ar comprimido. Dos agitadores utilizados, o agitador de pás

planas com 60% do diâmetro do tanque não permitiu atingir os objetivos a nenhum pH da gama

de interesse, enquanto que o agitador de pás planas e agitador tipo âncora, ambos com 95 %

do diâmetro do tanque, permitiram atingir os objetivos apenas a pH 7, velocidade de rotação a

70 rpm com a melhor combinação de dispersantes químicos (hidróxido de sódio e hexametafos-

fato de sódio. Os resultados obtidos foram 90 s/quarto de viscosidade e um desvio padrão dos

caudais de 0,213 mL/s para o caso do agitador de pás planas (ensaio 54) e 94 s/quarto de vis-

cosidade e um desvio padrão de 0,136 mL/s utilizando o agitador tipo âncora (ensaio 63).

Ainda a nível mecânico, dentro dos testes efetuados com ar comprimido apenas foi possível

atingir os objetivos a pH 7, efetuando a adição de polímero em fluxo continuo, alimentando água

em regime turbulento ao meio contendo hidróxido de sódio e hexametafosfato de sódio (ensaio

92). O ar foi fornecido ao sistema a 5 bar para auxiliar a mistura, onde a viscosidade obtida foi

90 s/quarto de viscosidade e o desvio padrão dos caudais da solução polimérica de 0,166 mL/s.

No que diz respeito á contribuição dos agitadores testados para a manutenção do peso molecular

do polímero, foi possível observar que após 45 minutos sob a agitação de 70 rpm o polyGEO

apresentou 8,2 MDa utilizando agitador de pás planas, 9 MDa utilizando agitador tipo âncora e

11,2 MDa utilizando o agitador contra fluxo, sendo que o peso molecular do polyGEO está situ-

ado entre 12 a 14 MDa.

Pode ser concluído então que o melhor sistema obtido, dentro dos sistemas estudados, que

cumpriram os objetivos deste trabalho, dizem respeito aos ensaios 68 e 70, onde foi usado um

agitador contra fluxo a 70 rpm juntamente com hidróxido de sódio e hexametafosfato de sódio,

como dispersantes químicos, a pH 7 e pH 12 . A pH 7 nas condições atrás referidas foi possível

obter 104 s/quarto e 0,148 mL/s de desvio padrão (ensaio 68), enquanto que a pH 12 foi obtido

91 s/quarto e 0,250 mL/s de desvio padrão (ensaio 70). É de realçar ainda que o sistema de

agitação por pás a 70 rpm auxiliado por hexametafosfato de sódio e hidróxido de sódio após ter


94

sido testado em novos polímeros com estrutura desconhecida ( polímero X e polímero Y) apre-

sentou viscosidades mais elevadas em ensaios de apenas 1 hora de duração do que os obtidos

pelo sistema tradicionais da GEO, onde é utilizada agitação magnética durante 24h.

Como perspetivas futuras, seria de elevado interesse o desenvolvimento de um aparelho/dispo-

sitivo capaz de optimizar a molhagem do polímero, facilitando que cada partícula entre em con-

tacto com a água individualmente de forma rápida e eficaz de forma a obter maiores viscosida-

des. Outra via de possível interesse a abordar no futuro é a aplicação de patamares de energia

fornecida à mistura, uma vez que apesar das tentativas realizadas neste trabalho não mostrarem

relevância em termos de viscosidade, a literatura defende que a aplicação de patamares na agi-

tação pode ser um importante passo para a optimização de polímeros.


95

6.Referências

[1] H. Behnamanhar, S. Shamsollah Noorbakhsh, and H. Maghsoudloojafari, “Environmentally Friendly Water-Based Drilling Fluid for Drilling of Water-Sensitive Formations,” J. Pet. Gas Explor. Res., vol. 4, no. 4, pp. 60–71, 2276.

[2] “Drilling Fluid Systems - Water Based & Oil Based Mud Drilling Fluid System | Newpark Resources.” [Online]. Available: http://www.newpark.com/capabilities/newpark-drilling-fluids/united-states/drilling-fluid-systems. [Accessed: 06-May-2016].

[3] “Petrowiki-Air Drilling.” [Online]. Available: http://petrowiki.org/Air_drilling. [Accessed: 06-May-2016].

[4] B. D. Kirschner, “Avaliação da Estabilidade de Fluidos de Perfuração á Base de água,” Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Departamento de Enngenharia Quimica, 2008.

[5] R. Caenn and G. V. Chillingar, “Drilling fluids: State of the art,” J. Pet. Sci. Eng., vol. 14, no. 3–4, pp. 221–230, May 1996.

[6] R. C. A. M. Nascimento, L. V Amorim, and L. N. L. Santana, “Desenvolvimento de fluidos aquosos com bentonita para perfuração de poços de petróleo onshore,” Campina Grande, 2010.

[7] H. N. Marsh, “Properties and treatment of rotary mud,” Tulsa Meet. LOB Angeles Meet., vol. 92, no. 01, pp. 234–251, 1931.

[8] “BENTONITA - PERFURACAO | Drill Center - A central de abastecimento das empresas de perfuração.” [Online]. Available: http://drillcenter.com.br/produto/257. [Accessed: 06-May-2016].

[9] R. . Silva and A. . Medeiros, “Estudo Reólogico da bentonita como agente viscosificante em fluidos de perfuração á base de água,” Cobeq 2014 - XX Congr. Bras. Eng. Quim., pp. 1–7, 2014.

[10] L. A. Fernandes, R. C. A. M. Nascimento, E. Pereira, and L. V. Amorim, “USO DA GOMA XANTANA EM FLUIDOS DE PERFURAÇÃO SALGADOS PARA POÇOS DE ÁGUA,” XVII CONGRESSO BRASILEIRO DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS, pp. 2–5.

[11] FLODRILL TM, “For the Drilling Industry - Water based mud additives,” St.Etienne, 2012.

[12] C. Borges and C. Vendruscolo, “Comportamento Reológico de Xantana Produzida por Xanthomonas arboricola pv pruni para Aplicação em Fluido de Perfuração de Poços de Petróleo,” Polímeros Ciência e, vol. 19, no. 2, pp. 160–165, 2009.

[13] “POLIACRILAMIDA POLIGEL | Drill Center - A central de abastecimento


96

das empresas de perfuração.” [Online]. Available: http://drillcenter.com.br/produto/624. [Accessed: 06-May-2016].

[14] A. H. Hale and F. K. Mody, “Partially Hydrolyzed Polyacrylamide (PHPA) Mud Systems for Gulf of Mexico Deepwater Prospects,” Proc. SPE Int. Symp. Oilf. Chem., 1993.

[15] M. Ingrid, R. Barbosa, L. V. Amorim, K. Ranniet, D. A. Barboza, and H. C. Ferreira, “Desenvolvimento de compósitos bentonita / polímeros para aplicação em fluidos de perfuração Bentonite / Polymers composites development to application in drilling fluids,” Rev. Matéria, pp. 367–372, 2007.

[16] VARCO, “Flowline to Disposal Solutions, Solids Control,” 2002.

[17] H. Brasil, “Poços Artesianos - Perfurações - Construção.” [Online]. Available: http://www.stalgesunrise.com.br/conteudo/item/super-mud--fludo-estabilizante-de-solos-e-rochas. [Accessed: 06-May-2016].

[18] “GRANDES CONSTRUÇÕES.” [Online]. Available: http://www.grandesconstrucoes.com.br/br/index.php?option=com_conteudo&task=viewMateria&id=876. [Accessed: 27-Apr-2016].

[19] G. Kriebel, “Alimentacíon Química Alimentação Química  : El Problema con O Problema dos los Polímers Polímeros,” 2002.

[20] J. A. Paschoalin Filho, A. J. Guerner Dias, and E. Brum de Lima Duarte, “The use of polymer slurry as an economic and sustainable way to build diaphragm walls – A case study of a construction work in São Paulo/Brazil,” Exacta, vol. 11, no. 3, Brasil, 2014.

[21] V. T. H. Chu, “A Self-Learning Manual. Mastering Different Fields of Civil Engineering Works (VC-Q & A Method),” p. 406, 2010.

[22] “Polymer Drilling Fluids - Underground Construction.” [Online]. Available: https://ucononline.com/2010/09/17/polymer-drilling-fluids/. [Accessed: 27-Apr-2016].

[23] Halliburton, “Offshore Pumping &Mixing Equipment.” [Online]. Available: http://www.halliburton.com/en-US/ps/cementing/offshore-equipment/offshore-pumping-mixing-equipment.page?node-id=hfqelai3.

[24] D. FIBERGLASS, “Industries  :: Drilling and Completion Fluids | Diamond Fiberglass | ASME RTP-1 Certified Fabricator - Fiberglass Tanks.” [Online]. Available: http://www.diamondfiberglass.com/industries/drilling-and-completion-fluids.html. [Accessed: 03-Jun-2016].

[25] W. Online, “Cintec Announces Portable Inflatable Tank For Use In Hydraulic Fracturing.” [Online]. Available: http://www.wateronline.com/doc/cintec-announces-portable-


97

inflatable-tank-for-use-in-hydraulic-fracturing-0001. [Accessed: 03-Jun-2016].

[26] “Drilling Fluid Equipment - Liquid Mud Plant.” [Online]. Available: http://www.dfepacific.com/liquid-mud-plant.html. [Accessed: 03-Jun-2016].

[27] P. Ramirez, “Reserve Pits,” 2009.

[28] ASME, Drilling Fluids Processing Handbook, vol. 53, no. 9. 2013.

[29] A. K. Bhowmick, “Mechanical Properties of Polymers,” Mater. Sci. Eng. - Vol. 1, vol. I, p. 346, 2009.

[30] “ChE 344 - Mixing in Chemical Reactors.” [Online]. Available: http://www.umich.edu/~elements/01chap/html/reactors/mixing/impeller.htm. [Accessed: 23-May-2016].

[31] F. M. (EEL-U. Pereira, “Operações unitárias - agitação e mistura,” São Paulo, 2014.

[32] “Radial Flow Impellers - Philadelphia Mixing Solutions.” [Online]. Available: http://www.philamixers.com/products/impellers/radial-flow-impellers/. [Accessed: 04-Jun-2016].

[33] “Axial Flow Impellers - Philadelphia Mixing Solutions.” [Online]. Available: http://www.philamixers.com/products/impellers/axial-flow-impellers/. [Accessed: 04-Jun-2016].

[34] “Anchor - Philadelphia Mixing Solutions.” [Online]. Available: http://www.philamixers.com/products/impellers/low-reynolds-number-impellers/anchor/. [Accessed: 04-Jun-2016].

[35] Pollution Engennering, “Aglomerados - Os benefícios de utilizar polímeros líquidos no tratamento de água são muitos, desde que os equipamentos de mistura sejam capazes de se adaptar às suas características únicas,” 2015.

[36] C. S. De Oliveira, K. Carla, and S. De Oliveira, “UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA Katharina,” 2008.

[37] “Propriedades Reológicas do Fluido de Perfuração Utilizado,” PUC-RIO - CERTIFICAÇÃO Digit. No 0210671/CA.

[38] A. Rao, “Rheology of Fluid, Semisolid, and Solid Foods: Principles and Applications,” vol. 19, p. 461, 2013.

[39] O. US EPA, OCSPP, “High Molecular Weight Polymers in the New Chemicals Program.”

[40] D. Attwood, A. T. Florence, and Z. ROTHSCHILD, Princípios Físico-Químicos em Farmácia Vol. 4. EdUSP, 2003.

[41] C. M. Wasilkoski, “Comportamento mecânico dos materiais poliméricos,”


98

Universidade Federal do Paraná, 2016.

[42] W.-F. Su, “Principles of Polymer Design and Synthesis,” Extracts, p. 19, 2013.

[43] M. C. Products, “Construction of Drilled Shafts Information Guide,” 2003.

[44] J. S. Fluids, “J4 Fluid Services Products/Services.” 2014.

[45] P. Pandya, S. Gattani, P. Jain, L. Khirwal, and S. Surana, “Co-solvent evaporation method for enhancement of solubility and dissolution rate of poorly aqueous soluble drug simvastatin: in vitro-in vivo evaluation.,” AAPS PharmSciTech, vol. 9, no. 4, pp. 1247–1252, 2008.

[46] Lubrizol, “Pharmaceutical Bulletin 5: Neutralization Procedures,” 2011.

[47] N. B. of C. & Engineers, The Complete Book on Water Soluble Polymers. ASIA PACIFIC BUSINESS PRESS Inc., 2009.

[48] A. W. Chin, “Polymers for Innovative Food Packaging,” p. 55, 2010.

[49] A. of W. Technologies, “The role of polymers in water treatment applications and criteria for comparing alternatives.” Las vegas, 1993.

[50] G. Akovali, “Advances in Polymer Coated Textiles,” Adv. Polym. Coat. Text., pp. 1–24, 2012.

[51] H. . Fuller, “Polymers for Building and Construction.” [Online]. Available: http://www.hbfuller.com/north-america/products-solutions/markets-and-applications/polymers/polymers-for-building-and-construction?product=yes&sectionid=758009. [Accessed: 04-Jun-2016].

[52] A. M. Carrier and A. Chemical, “Future Directions in Water Soluble Polymers for Detergent Applications.”

[53] IHS, “Water-Soluble Polymers, Synthetic - Chemical Economics Handbook (CEH) | IHS,” 2011. [Online]. Available: https://www.ihs.com/products/synthetic-water-soluble-chemical-economics-handbook.html. [Accessed: 07-May-2016].

[54] V. G. Kadajji and G. V. Betageri, “Water soluble polymers for pharmaceutical applications,” Polymers (Basel)., vol. 3, no. 4, pp. 1972–2009, 2011.

[55] “Polímero acrílico em solução aquosa-Indinor Industrias Quimicas.” [Online]. Available: http://www.indinor.pt/curtumes/polimero-acrilico-em-solucao-aquosa/. [Accessed: 07-May-2016].

[56] “Polímeros em Pó RESINEX | Indústrias - Resinex.” [Online]. Available: http://www.resinex.pt/industrias/polimeros-em-po-resinex.html. [Accessed: 07-May-2016].

[57] “Resiquímica - Resinas Químicas, S.A.” [Online]. Available: http://www.resiquimica.pt/site/?lang=pt&a=produtos-generico. [Accessed: 07-May-2016].


99

[58] A. Chemicals, “Fluon PTFE Polímeros em Dispersão Aquosa,” São Paulo.

[59] R. SELVARAJAN, Radhakrishnan  ; HURLOCK , John, “PROCESS FOR PRODUCING WATER-SOLUBLE ANIONIC DISPERSION POLYMERS,” EP 0 888 387 B1, 2001.

[60] M. O. Ogedengbe, “Polyelectrolytes in the treatment of wastewaters,” 1972.

[61] “Produtos Químicos para Tratamento de Água: Floculantes.” [Online]. Available: http://www.snatural.com.br/Produtos-quimicos-tratamento-agua-Floculantes.html. [Accessed: 07-May-2016].

[62] Y. Wang, “Polymers used in papermaking industry process,” Tempere University of applied sciences, 2014.

[63] M. S. Nasser, F. A. Twaiq, and S. A. Onaizi, “Effect of polyelectrolytes on the degree of flocculation of papermaking suspensions,” Sep. Purif. Technol., vol. 103, pp. 43–52, 2013.

[64] C. on U. M. in Virginia, C. on E. Resources, B. on E. S. and Resources, D. on E. and L. Studies, and N. R. Council, Uranium Mining in Virginia: Scientific, Technical, Environmental, Human Health and Safety, and Regulatory Aspects of Uranium Mining and Processing in Virginia- Page 172. National Academies Press, 2012.

[65] a. Z. Abidin, T. Puspasari, and W. a. Nugroho, “Polymers for Enhanced Oil Recovery Technology,” Procedia Chem., vol. 4, pp. 11–16, 2012.

[66] “Polymer Flooding for Enhanced Oil Recovery.” [Online]. Available: http://large.stanford.edu/courses/2015/ph240/zerkalov1/. [Accessed: 07-May-2016].

[67] J. Harlukowicz, C. T. Us, M. Lewellyn, and C. T. Us, “United States Patent Harlukowicz et al.-DISPERSAL OF POLYACRYLAMIDES,” US 6,642,351 B1, 2003.

[68] a. M. Alsabagh, M. I. Abdou, a. a. Khalil, H. E. Ahmed, and a. a. Aboulrous, “Investigation of some locally water-soluble natural polymers as circulation loss control agents during oil fields drilling,” Egypt. J. Pet., vol. 23, no. 1, pp. 27–34, 2014.

[69] S. Baba Hamed and M. Belhadri, “Rheological properties of biopolymers drilling fluids,” J. Pet. Sci. Eng., vol. 67, no. 3–4, pp. 84–90, 2009.

[70] J. et al. Dickert, “ADDITIVE SYSTEMS FOR CONTROL OF FLUID LOSS IN AQUEOUS DRILLING FLUIDS AT HIGH TEMPERATURES,” 1986.

[71] L. F. S. Rossi and I. B. Guimarães, “Estudo Dos Constituintes Dos Fluidos De Perfuração  : Proposta De Uma Formulação Otimizada E Ambientalmente Correta,” 4o PDPETRO, Campinas, SP, pp. 1–8, 2007.

[72] K. V Rao, “Synthesis and evaluation of partially hydrolysed polyacrylamide as viscosifier in water based drilling fluids,” vol. 4, no.


100

March, pp. 83–88, 1997.

[73] A. M. Alsabagh, A. A. elsalam Khalil, M. I. Abdou, H. E. Ahmed, and A. A. Aboulrous, “Investigation of some copolymers based on acrylic salts as circulation loss control agents,” Egypt. J. Pet., vol. 22, no. 4, pp. 481–491, 2013.

[74] A. Cunha, “POLYMERIC ADDITIVES FOR DRILLING FLUIDS FOR OIL AND GAS WELLS – A STUDY ABOUT ITS THERMAL STABILITY,” Academia EDU. [Online]. Available: https://www.academia.edu/3852319/ADITIVOS_POLIMÉRICOS_PARA_FLUIDOS_DE_PERFURAÇÃO_DE_POÇOS_DE_PETRÓLEO_E_GÁS_UM_ESTUDO_SOBRE_SUA_ESTABILIDADE_TÉRMICAPOLYMERIC_ADDITIVES_FOR_DRILLING_FLUIDS_FOR_OIL_AND_GAS_WELLS_A_STUDY_AB. [Accessed: 07-May-2016].

[75] V. G. Kadajji and G. V Betageri, “Water Soluble Polymers for Pharmaceutical Applications,” pp. 1972–2009, 2011.

[76] Lubrizol, “Viscosity of Carbopol ® * Polymers in Aqueous Systems-Technical data sheet,” 2010.

[77] A. Paul W. Fischer, Whittier, and Julius P. Gallus, “METHOD OF PREPARING AQUEOUS POLYMER SOLUTIONS,” 3,402,137, 1957.

[78] A. Kreiba, “Rheological Properties of Aquoueous Polyacrylamide Solutions,” 2000.

[79] V. Green and D. Stott, “Polyacrylamide: A review of the use, effectiveness, and cost of a soil erosion control amendment,” 10th Int. Soil …, pp. 384–389, 1999.

[80] G. Levy and M. Agassi, “Polymer molecular-weight and degree of drying effects on infiltration and erosion of three different soils,” Aust. J. Soil Res., vol. 33, no. 6, p. 1007, 1995.

[81] A. I. Mamedov, S. Beckmann, C. Huang, and G. J. Levy, “Aggregate Stability as Affected by Polyacrylamide Molecular Weight, Soil Texture, and Water Quality,” Soil Sci. Soc. Am. J., vol. 71, no. 6, p. 1909, 2007.

[82] S. Shin and Y. I. Cho, “Temperature effect on the non-Newtonian viscosity of an aqueous polyacrylamide solution,” Int. Commun. Heat Mass Transf., vol. 20, no. 6, pp. 831–844, Nov. 1993.

[83] M. Hasegawa et al, “PROCESS FOR PRODUCING PARTIALLY IIYDROLYZED POLYACRYLAMIDE IN THE PRESENCE OF ALKALI METAL IIYDROXIDE AND BORIC ACID,” 3,968,093, 1976.

[84] F. BARVENIK, “POLYACRILAMIDE CHARACTERISTICS RELATED TO SOIL APLICATIONS,” Soil Sci., 1994.

[85] G. Jr and M. Holmes, “EARTH SUPPORT FLUID COMPOSITION AND METHOD FOR ITS USE,” 1995.


101

[86] Robert Carpentier and David Johnson, “Method and cement-drilling fluid cement composition for cementing a wellbore,” 1997.

[87] R. D. Nagre, L. Zhao, and P. A. Owusu, “Thermosaline resistant acrylamide-based polyelectrolyte as filtration control additive in aqueous-based mud,” Pet. Coal, vol. 56, no. 3, pp. 222–230, 2014.

[88] S. Crema, C. Kucera, G. Konrad, and H. Harttman, “FLUID LOSS CONTROL ADDITIVES FOR OIL WELL CEMENTING COMPOSITIONS,” 5,025,040, 1991.

[89] A. Rabiee, “Acrylamide-based anionic polyelectrolytes and their applications: A survey,” J. Vinyl Addit. Technol., p. n/a–n/a, 2010.

[90] Green, “Polyacrylamide Molecular Weight and Charge Effects on Infiltration under Simulated Rainfall,” 1786.

[91] F. W. Billmeyer and J. Wiley, Textbook of Polymer Science, Third edit. 1984.

[92] C. Polymers, “How to Prepare Aqueous Dispersions of,” 2002.

[93] Lubrizol Advanced Materials, “Dispersion Techniques for Carbopol® Polymers,” Tech. Data Sheet-103, 2002.

[94] A. P. Systems, “APS 700 Series Silt Stop- Polyacrilamide Erosion Control Powder,” Woodstock.

[95] ATP, “PEBMP | Applied Turf Products.” [Online]. Available: http://www.appliedturf.com/erosion-products/163-2. [Accessed: 08-May-2016].

[96] “DISSOLUTION PROCESS.” [Online]. Available: http://pslc.ws/macrog/property/solpol/ps3.htm. [Accessed: 28-Apr-2016].

[97] EquipSolutions, “Understanding Polymer Activation Principles.” .

[98] MIT, “Wettability, non-wettability and contact angle hysteresis.” [Online]. Available: http://web.mit.edu/nnf/education/wettability/wetting.html. [Accessed: 23-May-2016].

[99] M. da G. Miguel, “Tensioactivos e polímeros solúveis em água - de um entendimento molecular a aplicações técnicas,” Quimica, 2000.

[100] P. S. Niranjan and S. K. Upadhyay, “Structural effects of cationic surfactants in polyacrylamide-surfactant interaction  : Micellisation / adsorption of polyacrylamide,” vol. 53, no. November, pp. 1402–1406, 2014.

[101] D. Fell, M. A. Dadfar, C. Liu, M. Sokuler, E. Bonaccurso, and G. K. Auernhammer, “Influence of Surfactant Concentration on Forced Dynamic Wetting and Dewetting,” vol. 2112, p. 2112, 2011.

[102] A. A. U. Torres, “Efeitos do envelhecimento sobre as propriedades fisicas e químicas dos corpos de prova de PEAD,” pp. 107–138, 2007.


102

[103] “Optimizing Polymer Activation.” [Online]. Available: http://www.psgdover.com/pt/fluiddynamics/technical-info/optimizing-polymer-activation. [Accessed: 28-Apr-2016].

[104] M. Rao, “Taking the mystery of polymer activation,” 1995.

[105] J. Strack, “Advanced Polymer Mixing for Improved Dewatering,” 2015.

[106] Y. Kim, “Maximizing Polymer Value for Improved Sludge Dewatering.”

[107] Aquafy, “Aquafy Dry Polymer Makedown Systems.” .

[108] Hydramax, “Dry Polymer wetting technologies & Hydration Sistems.”

[109] “Sistemas de alimentación de Polímeros PolyBlend® - Ingeniería Química.” [Online]. Available: http://www.iquimica.com/nota.asp?Id=4035. [Accessed: 28-Apr-2016].

[110] I. Edwin T. Sortwell , Wheaton, “Method of Dispersing Dry, Water-Soluble Polymers In Water,” 4,603,156, 1986.

[111] Aqualon, “Guar and Guar Derivatives Oil and Gas Field Applications,” Available at http://www.ashland.com/Ashland/Static/Documents/AAFI/PRO_250-61_Guar.pdf, 2007.

[112] T. A.  ; T. W. Jones, “( 12 ) United States Patent Jones et al - Polymer hydration method using microemulsion,” 2008.

[113] W. W. Magazine, “Polymer Performance: Design Considerations for Liquid Polymer Feed and Control Systems - WaterWorld.”

[114] L. G. Donald R. Anderson, Oswego; Alvin J. Frisque, “United States Patent Anderson et al -PROCESS FOR RAPIDLY DISSOLVING WATER-SOLUBLE POLYMERS,” Re. 28,474, 1974.

[115] Silverson, “Solutions for Your Toughest Mixing Applications.”

[116] I. Edwin T. Sortwell, Wheaton, “METHOD OF RAPIDLY DISSOLVING POLYMERS IN WATER,” 4,499,214, 1994.

[117] T. C., Litherland, and C. L. Brazelton, “United States Patent [19] Brazelton et al -POLYMER DILUTION AND ACTIVATION APPARATUS,” 1991.

[118] O. Michael T. Zalzal , Cincinnati, “COMPOSITION AND METHOD FOR DISPERSING HIGH MOLECULAR WEIGHT POLYMERS IN WATER,” 4,080,351, 1976.

[119] K. Langhorn, C. Banaszek, C. Ross, and S. Company, “Disperse Difficult Solids,” no. July, 2009.

[120] Techspec, “D-1000 dry polymer make up system,” vol. 2777, no. 281, pp. 5–35, 1991.

[121] A. D. Fluids, “About Drilling Fluids | AES Drilling Fluids.” [Online]. Available: http://www.aesfluids.com/operations/about-drilling-fluids/.


103

[Accessed: 08-May-2016].

[122] I. Nova Tech, “Teflon Lined PVC Dry Polymer Eductor,” USA.

[123] Svenmix.D, “Dry polymer mixing system,” 1978.

[124] H. U. S. Technology, “Dispersão ultra-sônica e Deagglomeration.” [Online]. Available: https://www.hielscher.com/pt/disperse.htm. [Accessed: 16-Mar-2016].

[125] J. E.Mark, Physical Properties of Polymers Handbook-Pag 587, Second Edi. Springer Science & Business Media, 2007.

[126] “UIP16000 – Most Powerful Ultrasonic Processor.” [Online]. Available: https://www.hielscher.com/i16000_p.htm. [Accessed: 08-May-2016].

[127] F. Demarest, Keith L. Larwick; Kevin A. Demarest, both of Jacksonville, “APPARATUS FOR DISSOLVING DRY POLYMER,” 5,344,619, 1994.

[128] “Optimizing Polymer Mixing | Dynamix Agitators.” [Online]. Available: http://www.dynamixinc.com/polymer-mixing-in-water-treatment. [Accessed: 24-May-2016].

[129] A. E. M. Dombroske and R. Cited, “United States Patent [19] Sortwell - METHOD OF RAPIDLY DISSOLVING POLYMERS IN WATER,” 1985.

[130] SNF Floerger, “Emulsions Handbook.”

[131] P. K. Jha, V. Mahto, and V. K. Saxena, “Emulison based drilling fluids: An overview,” Int. J. ChemTech Res., vol. 6, no. 4, pp. 2306–2315, 2014.

[132] “Polymer Manufacturer | Emulsion Polymers Products | H.B. Fuller.” [Online]. Available: http://www.hbfuller.com/north-america/products-solutions/markets-and-applications/polymers. [Accessed: 23-May-2016].

[133] J. D. Herron, “Paints and pigments,” J. Chem. Educ., vol. 57, no. 4, pp. 270–271, 1980.

[134] J. Mauri, H. A. Ruiz, R. B. A. Fernandes, J. C. Ker, and L. R. M. Rezende, “Dispersantes químicos na análise granulométrica de latossolos,” Rev. Bras. Cienc. do Solo, vol. 35, no. 4, pp. 1277–1284, 2011.

[135] D. Kirkham and W. L. Powers, Advanced Soil Physics. R.E. Krieger Publishing Company, 1972.

[136] “drilling mud | excavation | Britannica.com.” [Online]. Available: http://www.britannica.com/technology/drilling-mud. [Accessed: 28-Apr-2016].

[137] Y. Zhang and P. S. Cremer, “Interactions between macromolecules and ions: The Hofmeister series.,” Curr. Opin. Chem. Biol., vol. 10, no. 6, pp. 658–63, Dec. 2006.

[138] C. M. G. Duarte, “Caracterização Químico-Física de Novos Polímeros Estabilizantes para Formulações da Indústria de Cosméticos


104

Caracterização Químico-Física de Novos Polímeros Estabilizantes para Formulações da Indústria de Cosméticos,” FCTUC, 2011.

[139] C. D. Cappa, J. D. Smith, K. R. Wilson, B. M. Messer, M. K. Gilles, R. C. Cohen, and R. J. Saykally, “Effects of Alkali metal halide salts on the hydrogen bond network of liquid water,” J. Phys. Chem. B, vol. 109, no. 15, pp. 7046–7052, 2005.

[140] N. V Nucci and J. M. Vanderkooi, “Effects of Salts of the Hofmeister Series on the Hydrogen Bond Network of Water.,” J. Mol. Liq., vol. 143, no. 2–3, pp. 160–170, Oct. 2008.

[141] Q. ZHANG, “Effect of salt solutions on chain structure of partially hydrolyzed polyacrylamide,” 2008.

[142] R. Sadeghi and F. Jahani, “Salting-in and salting-out of water-soluble polymers in aqueous salt solutions,” J. Phys. Chem. B, vol. 116, no. 17, pp. 5234–5241, 2012.

[143] G. A.-S. e A. L. B. Penna, “PROPRIEDADES REOLÓGICAS E EFEITO DA ADIÇÃO DE SAL NA VISCOSIDADE DE EXOPOLISSACARÍDEOS PRODUZIDOS POR BACTÉRIAS DO GÊNERO Rhizobium,” 2010.

[144] G. A. Stahl and D. N. Schulz, Water-Soluble Polymers for Petroleum Recovery Water-Soluble Polymers for Petroleum Recovery. 1988.

[145] L. V. Amorim, M. I. Rocha, H. D. L. Lira, and H. C. Ferreira, “Influence of ionic strength on the viscosities and water loss of bentonite suspensions containing polymers,” Mater. Res., vol. 10, no. 1, pp. 53–56, 2007.

[146] K. Smith, “Hydrating and Dissolving Polymers in Salt Solutions,” 03-Mar-2015.

[147] Y. Kim, “Understanding Fluid Mechanics and Chemistry in Advanced Polymer Mixing for Improved Coagulation and Dewatering.”

[148] UGSI, “THE REAL SCIENCE OF POLYMER ACTIVATION,” © 2015 UGSI Chem. Feed. Inc., 2015.

[149] A. Samanta, A. Bera, K. Ojha, and A. Mandal, “Effects of Alkali, Salts, and Surfactant on Rheological Behavior of Partially Hydrolyzed Polyacrylamide Solutions †,” J. Chem. Eng. Data, vol. 55, no. 10, pp. 4315–4322, Oct. 2010.

[150] N. Flows, “Non-Newtonian Flows,” Specif. Exp. Environ. Tech., pp. 619–743.

[151] A. Franck, “Understanding rheology of structured fluids,” B. TA instruments, pp. 1–11, 2004.

[152] N. Mungan, “Shear Viscosities of Ionic Polyacrylamide Solutions,” Soc. Pet. Eng. J., vol. 12, no. 6, pp. 469–473, 1972.

[153] D. R. Tobergte and S. Curtis, “How to choose the right mixer for high-viscosity mixing applications.,” 2013.


105

[154] Philadelphia Mixing Solutions, “High Viscosity Mixing – CounterFlow Impeller.” [Online]. Available: http://www.philamixers.com/products/impellers/low-reynolds-number-impellers/lowreynolds-counterflow/.

[155] L. (Unicamp) Ortega, “Agitação e Mistura,” pp. 1–15, 2014.

[156] S. M. C. Peixoto, J. R. Nunhez, and C. G. Duarte, “Characterizing the flow of stirred vessels with anchor type impellers,” Brazilian J. Chem. Eng., vol. 17, no. 4–7, pp. 925–936, Dec. 2000.

[157] S. L. Arfelli, “Projeto mecânico e análise térmica de tanques cilíndricos verticais com agitação e superfície de troca de calor Projeto mecânico e análise térmica de tanques cilíndricos verticais com agitação e superfície de troca de calor Silvio Luiz Arfelli,” 2009.

[158] THOMASNET.COM, “Mixer Impeller suits shear-thinning fluid applications.” [Online]. Available: http://news.thomasnet.com/fullstory/mixer-impeller-suits-shear-thinning-fluid-applications-20952.

[159] W. Wyczalkowski, “How fluid properties affect mixer & impeller design: one relatively new impeller design--the counterflow impeller--offers some advantages, particularly, for the mixing of non-Newtonian fluids,” Chem. Eng., vol. 111, no. 6, pp. 43–48, 2004.

[160] P. M. Doran, Reactions and Reactors. 1995.

[161] S. Cai, X. He, K. Liu, R. Zhang, and L. Chen, “Interaction between HPAM and urea in aqueous solution and rheological properties,” Iran. Polym. J., vol. 24, no. 8, pp. 663–670, 2015.


106


107

7.Anexos

Anexo 1- Gráfico da extrapolação de 2 rectas para concentração de polímero=0 (Viscosidade

especifica reduzida x C e Viscosidade inerente x C)

( Agitador de pás planas a 70 rpm)

A- Ln (viscosidade relativa) / Concentração ou Viscosidade especifica/ Concentração



(Agitador tipo Âncora a 70 rpm)


0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06

A

C (g/dl)Ln relative viscosity / Concentration Specific viscosity / Concentration

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06

A



108



(Agitador Contra fluxo a 70 rpm)




(Agitação com ar comprimido a 3,5 bar)

A- Ln (viscosidade relativa) / Concentração ou Viscosidade especifica/Concentração

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06

A


0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06

A



109



(Agitação com ar comprimido a 3,5 bar)

A- Ln (viscosidade relativa) / Concentração ou Viscosidade especifica / Concentração

Anexo 6- Determinação do numero de Reynolds para água da mangueira e água de saída da

caixa.

O primeiro passo é determinar a velocidade média de escoamento na secção transversal.

v =4∗Q

∗𝐷2

Q- vazão volumétrica (m3/s)

D- Diamêtro da secção transversal (m)

Sabendo a velocidade média de escoamento é possível calcular o numero de Reynolds.

𝑅𝑒 = ∗ 𝑣 ∗ 𝐷

v- Velocidade média de escomamento (m/s)

D- Diamêtro da secção transversal (m)

- Densidade água ( Kg/m3)= 1000 Kg/m3

- Viscosidade água (Kg/m.s)=0,001 Kg/m.s

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06

A



110

Para a corrente de água de saída da mangueira foi medido o tempo que demorava a encher

um recipiente de 1L com 0,07 m de diâmetro.

Verificou-se que demorava 5 segundos a encher 1L.

𝑣 =4 ∗

0,001(𝑚3)5 (𝑠)

∗ 0,072(𝑚)= 0,0519 𝑚/𝑠

Calculando então onumero de Reynolds para a água de saída da mangueira:

𝑅𝑒 =1000 (

𝐾𝑔𝑚3) ∗ 0,0519 (

𝑚𝑠

) ∗ 0,07(𝑚)

10−3(𝐾𝑔

𝑚. 𝑠)

= 3639

Foi realizado o mesmo tipo de ensaio utilizando a caixa de mudança de regime, o tempo me-

dido para encheo recipiente de 1L foram 13 segundos

𝑣 =4 ∗

0,001(𝑚3)13 (𝑠)

∗ 0,072(𝑚)= 0,0199 𝑚/𝑠

Calculando então o numero de Reynolds para a água de saída da caixa:

𝑅𝑒 =1000 (

𝐾𝑔𝑚3) ∗ 0,0199 (

𝑚𝑠

) ∗ 0,07(𝑚)

10−3(𝐾𝑔

𝑚. 𝑠)

= 1399