Estudo do impacto da estrutura química da carragenina híbrida sobre as propriedades de fluidos de perfuração e a formação de complexos polieletrólitos com o quitosano

Victor Anderson Veríssimo de Oliveira Fevereiro de 2021 UMinho | 2021 Victor Anderson Veríssimo de Oliveira Victor Anderson Veríssimo de Oliveira Estudo do impacto da estrutura química da carragenina híbrida sobre as propriedades de fluidos de perfuração e a formação de complexos polieletrólitos com o quitosano Tese de Doutoramento Ciência e Engenharia de Polímeros e Compósitos Trabalho efetuado sob a orientação do: Doutor Loïc Hugues Gilles Hilliou Doutora Keila dos Santos Alves Fevereiro de 2021 ii DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros, desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho iii AGRADECIMENTOS Aos meus orientadores Dr. Loïc Hilliou e seus enormes ensinamentos, sua dedicação e a amizade construída, expresso minha profunda admiração e, a Dra. Keila Alves pela sua contribuição. A minha amada esposa Wilka, meu porto seguro. Agradeço as minhas queridas e lindas filhas Letícia e Cecília que me têm como inspiração, orgulho e amor. Ao meu primo Ronnie pelo eterno suporte, a minha amiga Sin Lian Déborah pelo valioso empenho e fé para realização deste grau. Bosco Pereira, companheiro, amigo e fiel por todo amparo. Charlton Jean, meu irmão de alma. Aos meus pais e irmãos que acreditaram e acreditam em mim. Vó ( in memoriam) , deu certo! Agradeço ao Dr. Pedro Nunes pelo apoio e consideração durante minha estada em Portugal, que foi muito essencial a minha árdua batalha. Toda a equipa da secretaria da UMinho, em especial a Sra. Verónica Costa, pela sua competência e subtileza. Ao Instituto Federal do Rio Grande do Norte (IFRN) e a Universidade do Minho junto com seus interlocutores, que firmaram parceria para o desenvolvimento académico de nós servidores, este trabalho é resultado desta. Não podendo esquecer da presteza da secretaria executiva Eliza Nobre do IFRN. Meus amigos e companheiros da UMinho, Tiago Araújo, Carlos Henrique e Elionardo (Pretinha) sempre juntos e apoiando o desenvolvimento deste trabalho; ao amigo vimaranense Filipe Félix por toda a sua gentileza em mostrar a cultura portuguesa. Team Kimura, agradeço a todos vocês por fazerem parte da minha vida, diminuindo meu tensão e contribuindo com a minha felicidade. Ao Laboratório de Petróleo da UFRN, Dra Rosângela Balaban, Msc Liszt Yeltsin pela enorme colaboração; Departamento de Farmácia da UFRN, Dr. Anóbio Silva, Dra Alaine Maria e Dr. Ednaldo Gomes pela ajuda primorosa nos laboratórios do departamento. A Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP), à professora Maria do Pilar Figueroa e toda a sua equipa, por todo amparo e contribuição no desenvolvimento de parte desta tese. Ao professor Dr. José Luís Fonseca (UFRN) que me orientou no mestrado e apoiou no doutoramento, assim como, meu amigo Dr. Wildson Arcanjo. Aos meus companheiros do IFRN, Cláudio, Emanuel (Mano), Chiquinho, Flávio, João Maria, Nelson, Nina, Suély e a Chibério que em poucas e essenciais palavras me conduziu ao doutoramento. iv DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. v LISTA DE PUBLICAÇÕES de Oliveira, V. A. V, & Hilliou, L. (2020). Structure-rheological properties relationships in model drilling fluids formulated in aqueous solutions of carrageenan with varying chemical structures. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers , 111, pages 312-319. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jtice.2020.04.012 de Oliveira, V. A. V, dos Santos Alves, K., da Silva-Junior, A. A., Araújo, R. M., Balaban, R. C., & Hilliou, L. (2020). Testing carrageenans with different chemical structures for water-based drilling fluid application. Journal of Molecular Liquids, 299, 112139. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.112139 vi POSTERS EM CONFERÊNCIAS Victor A. V. Oliveira, Keila dos Santos Alves, Loic Hilliou, Hybrid carrageenans for water based drilling fluids additives: a practical and rheological assessment. 7th Iberian Meeting on Rheology - IBEREO 2019 - September 4-6, 2019. Porto, Portugal. vii RESUMO Este trabalho investiga o impacto da estrutura química das carrageninas híbridas modificadas, um polissacárido extraído de algas vermelhas, em suas interações com duas classes de materiais à base de água: suspensões de partículas coloidais carregadas e soluções de quitosano, um polieletrólito carregado positivamente. A pesquisa proposta nestes dois tipos de materiais se conecta com a aplicação potencial de carrageninas híbridas a formulações de fluidos de perfuração à base de água e de complexos polieletrolíticos, respetivamente Duas carrageninas híbridas com diferentes teores em grupos sulfato (DS) foram extraídas propositalmente de algas cultivadas de forma sustentável, a fim de testar a hipótese de que DS realmente impulsiona propriedades viscoelásticas e de filtração de fluidos de perfuração à base de água (WBF). Para melhor elucidar tais interações, bem como o papel dos conformadores helicoidais, fluidos de perfuração modelo foram preparados pela suspensão de bentonita ativada por sódio em soluções aquosas de carragenina sem sal. Para a segunda linha de investigação, o foco foi nos efeitos da massa molecular do quitosano (Mw) e do conteúdo relativo de sulfato (S) de bobinas de carragenina híbridas sem contra-iões, na formação de complexos de polieletrólitos (PEC). A seleção de quitosanos comerciais com grau de acetilação semelhante e de carragenina híbrida diferindo apenas por seus teores relativos de monômeros de carragenina mais sulfatados, permitiu discriminar os efeitos de Mw e S de outros parâmetros que poluíram os resultados relatados anteriormente na literatura. A caracterização de soluções híbridas de carragenina tituladas com soluções de quitosano, usando turbidimetria, espalhamento dinâmico de luz e potencial zeta, mostrou que i) tanto Mw quanto S impactam a formação de PEC, ii) PEC com diâmetros maiores são formados ao usar Mw e S maiores e iii) a cinética de formação de PEC é mais rápida com carrageninas híbridas contendo maiores quantidades de monômero de carragenina kappa. De modo geral, esses resultados preliminares ajudaram na elaboração de estudos adicionais visando um melhor entendimento da formação de PEC quitosano / carragenina híbrida e uma melhor avaliação desses PEC para potenciais aplicações. Palavras-chave: carragenina-híbrida, quitosano, reologia. xiv FIGURA 4.19 Dependência temporal do módulo de armazenamento de corte (G’, símbolos sólidos) e do módulo de perda de corte (G’’, símbolos vazios) medida com uma varrimento de tempo realizada logo após a cessação do fluxo do pré-corte……………………..……………………………………..…………………….101 FIGURA 4.20 Evolução do tempo do módulo de armazenamento de corte G' registado durante os testes de varrimento de tempo realizados após a pré-corte de uma suspensão de bentonita em solução de K + I…………………………………………………………………………………………….………………………………..……102 FIGURA 4.21 Alças de tixotropia realizadas em duas amostras de suspensão de bentonita……………..103 FIGURA 4.22 LAOSS realizado com duas amostras de suspensão de bentonita em K + I………………..104 FIGURA 4.23 Testes de varrimento de tempo e varrimento de frequência (inserção) realizados com uma suspensão de bentonita em KIMNat estudada com geometria de placa paralela………………………….105 FIGURA 4.24 Rampas LAOSS realizadas em uma suspensão de bentonita em KIMNat usando 2 amostras testadas com geometria de placas paralelas separadas por diferentes folgas……….………………………106 FIGURA 4.25 Curvas de fluxo de 1% em peso de soluções de carragenina em água destilada: KIMNalk (círculos), KIMNat (triângulos) e K + I (losangos)…………………………..…………………………………………107 FIGURA 4.26 Evolução temporal do módulo de armazenamento de corte G’ medido após a cessação do passo de pré-corte para suspensões de bentonita formuladas em água (quadrados), em KIMNalk (círculos), em KIMNat (triângulos) e em K + I (losangos)………….…………………..…………………….…..…109 FIGURA 4.27 Dependência de frequência dos módulos de armazenamento (símbolos G', vazios) e perda (G'', símbolos sólidos) de suspensões de bentonitas em água (quadrados),) e em soluções de KIMNalk (círculos), de KIMNat (triângulos) e de K + I (diamantes )………………………………………………………..111 FIGURA 4.28 Curvas de fluxo (tensão em função da taxa de corte) medidas varrendo para cima as taxas de corte (símbolos sólidos) seguidas por uma varrimento para baixo das taxas de corte (símbolos vazios)…………………………………………………………………………………….…………………………………..112 FIGURA 4.29 Curvas de fluxo medidas durante a redução das taxas de corte para suspensões de bentonita em água (quadrados) e a aceleração das taxas de corte para a suspensão de bentonita em solução de K + I (diamantes)………………………………………………………………………………………..………..…………..114 xv FIGURA 4.30 Dependência do módulo de armazenamento (G', símbolos vazios) e de perda (G'', símbolos sólidos) em função da tensão oscilatória para suspensões de bentonita em água (quadrados), em KIMNalk (círculos), em KIMNat (triângulos) e em K + I (diamantes)………..….……………………………….117 FIGURA 4.31 Imagens de microscopia ótica de suspensões de bentonite gelificadas em KIMNalk (a, b), em água (c, d), em K + I (e, f) e em KIMNat (g, h)…………..……………………………………………………...119 FIGURA 4.32 Imagens binárias calculadas a partir de imagens exibidas na Figura 4.31b (para géis KIMNalk), 4.31d (para géis à base de água em b), 4.31f (para géis K+I em c) e 4.31h (para géis com KIMNat em d)………………………………………………………………………………………………………………….120 FIGURA 4.33 Espectros WAXD de bentonita em pó (quadrados sólidos) e suspensões de bentonita em água (quadrados vazios), em solução de KIMNalk (círculos), em solução de KIMNat (triângulos) e em solução de K + I (losangos)………………………………………………………………………………………………..122 FIGURA 4.34 Espectro WAXD de uma suspensão de bentonita (símbolos) e o ajuste de Lorentz (linha) aos dados experimentais………………………………………………………………………………………….……………..122 FIGURA 4.35 Representação esquemática dos flocs nas suspensões gelificadas de bentonita em presença de KIMNalk (a), (b) K + I, (c) água e KIMNat (d)……………………………………………………..……………….124 FIGURA 4.36 Viscosidade intrínseca [] em função dos pesos moleculares Mw de uma seria de carrageninas kappa obtidas por ultrasonicação e cromatografia preparativa de uma carragenina comercial……………………………………………………………………………………………………………………….128 FIGURA 4.37 Mistura de soluções de KIMNahn com quitosano de baixo peso molecular…………..……..129 FIGURA 4.38 Variação da turbidez com a adição de quitosano de peso medio (QMPM) ou baixo (QBPM) a soluções de KIMN de M. stellatus (KIMNmasto) ou de A. devoniensis (KIMNahn)……….…………………130 FIGURA 4.39 Dependência da turbidez em função do tempo após a adição de quitosano à solução de carragenina para as quais o máximo de turbidimetria foi obtido para cada amostra……………………..133 Figura 4.40 Evolução em função do tempo do diâmetro e respetiva polidispersão dos PECs de quitosano e carragenina híbrida após adição da solução de 0.2 % em peso de quitosano a solução de 0.5 % em peso de carragenina, em razões de volumes que correspondem ao máximo de turbidez apresentado na Figura 4.38…………………………………………………………………………………………………………………….135 FIGURA 4.41 Evolução em função do tempo do potencial Zeta dos PECs formados nas mesmas condições que nas Figuras 4.39 e 4.40……………………………………………………………………………………………….137 xvi FIGURA 4.42 Dependência da turbidez em função do pH após a adição de quitosanos às soluções de carrageninas para as quais o máximo de turbidimetria foi obtido para cada amostra….…….……………139 FIGURA 7.1 (A) Espectro mecânico dos géis KIMN, K e I formados em KCl 0,05 M usando a concentração indicada na caixa. (B) Espectros mecânicos dos mesmos géis de carragenina, mas formados em NaCl 0.1 M usando a concentração utilizada na caixa ………………………………………………...….………………167 FIGURA 7.2 Varrimento de temperatura (arrefecimento) realizado a 1 Hz e uma estirpe de 5% (regime linear) numa solução de água destilada quente de 4% em peso de álcali KIMN extraído de M. stellatus utilizando Na2CO3. Inserção: espectro mecânico registado em equilíbrio (após 24 h) a 5°C……………………..……………………………………………………………………………………………………….169 FIGURA 7.3 Escala de concentração dos módulos elásticos G’ dos géis KIMN (estrelas) de M. stellatus, géis de K (triângulos) e géis de I (quadrados) formados em KCl 0.05 M. As linhas são a lei de potência que se ajusta aos dados e os expoentes computados são informados na Tabela 5.1………………………………………………………………………………………………..……………….……………171 FIGURA 7.4 Classificação reológica dos fluidos ……………………………………………………………………….174 FIGURA 7.5 Tipos de fluidos e seus comportamentos………………………………………………………………..176 FIGURA 7.6 Resposta de um fluido tixotrópico (esquerda) e de um fluido reo péctico (direita) a uma tensão constante 𝜎0 ou a uma taxa de deformação constante Ẏ0 (acima)…………………. ………………….……..177 FIGURA 7.7 Desenhos animados mostrando o CDE em uma partícula carregada negativamente…………182 FIGURA 7.8 Flutuação da Intensidade detetada, I(tD) em função do tempo………………………………..….184 FIGURA 7.9 Intensidades correlacionadas médias do tempo de correlação … ……………………………………… …. 186 FIGURA 7.10 Esquema representando a aparelhagem em um experimento de Espalhamento Dinâmico da Luz……………….………………………………………………………………………………………………………………189 xvii LISTA DE TABELAS TABELA 3.1 Propriedades reológicas obtidas num viscosímetro Fann 35A………..……………………………..60 TABELA 4.1 Características químicas e viscosidades intrínsecas [η] (em NaCl 0.5 mol / L) de carrageninas híbridas e da mistura comercial K + I………………………………………………………………………….………….69 TABELA 4.2 Parâmetros medidos para os fluidos F1, F2, F3 e F4, e calculados com o ajusto da equação (2.5) aos dados reportados na Figura 4.12………………..…………………………………………………………….85 TABELA 4.3 Ensaios de filtração para os fluidos F1, F2 e F3………………………………………………………….86 TABELA 4.4 Parâmetros viscosimétricos para os fluidos formulados com a KIMNat e diferentes valores de NaCl ou CaCl2 (em mg/L), extraídos da análise das curvas apresentadas na Figura 4.13, e valores de tensões inicial Gi e final Gf…………………………………………………………………………………………………….88 TABELA 4.5 Ensaios de volume de filtrado para os fluidos F3.1, F3.2 e F3.3…………..…….…………………89 TABELA 4.6 Ensaios de volume de filtrado para os fluidos F3.4, F3.5 e F3.6…………………....……………..89 TABELA 4.7 Parâmetros extraídos da caracterização reológica de suspensões de bentonita preparadas nos fluidos de suspensão listados. 0 são relatados para experimentos realizados aumentando (0 para cima) ou para baixo (0 para baixo) as taxas de corte………………..……………………………………………..………111 TABELA 4.8 Parâmetros das equações (2.6), (2.8) e (2.10) calculados a partir dos ajustes dos modelos correspondentes aos dados para suspensões de bentonita em água e em soluções de K + I, plotados na Figura 4.29…………………………………………………………………………………………………………………….115 TABELA 4.9 Espaçamento das lâminas d e largura do pico WAXD W, juntamente com o módulo de armazenamento de géis G0 e tensão de cedência ………………………….…………………………………….123 TABELA 4.10 Características das carrageninas híbridas extraídas sem tratamento alcalino da M. stellatus (KIMNmasto) e da A. Devoniensis (KIMNahn)……….……………………….………………………………………127 TABELA 4.11 Turbidez máxima (Tmax), razão molar (KIMN/quitosano) para o máximo de turbidez que corresponde a formação de PECs com tamanho D (com índice de polidispersão em tamanhos pdi) e potencial zeta .…………………………………………………………………………………….………………………….131 xviii TABELA 7.1 Expoentes da lei de potência para o escalonamento de G0 medido com diferentes taxas de arrefecimento e para o escalonamento do módulo de Young aparente Eapp com a concentração de carragenina em KCl 0.05 mol/L………………………………………..……………………………………………….172 xix LISTA DE ACRÓNIMOS E SÍMBOLOS ACRÓNIMOS ANP Agência Nacional do Petróleo CDE Camada dupla elétrica CMC Carboximetilcelulose HY Carragenina híbrida KIMNalk Carragenina híbrida de extração alcalina KIMNat Carragenina híbrida de extração natural PEC Complexos polieletrólitos DRIFT Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform spectroscopy DLS Espalhamento dinâmico de luz (Dynamic Light Scattering) FTRI Espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier ICF Função de correlação de intensidade; GD Grau de desacetilação 1H Hidrogénio-1 I Iota-carragenina KIMN Kappa / iota / mu / nu-carragenina híbrida KI Kappa / iota-híbrida K Kappa-carragenina LE Limite de escoamento Mw Massa molecular ( molecular weight ) M mu-carragenina N nu-carragenina QBPM Quitosano de baixo peso molecular QMPM Quitosano de médio peso molecular ATR Reflectância total atenuada RMN Ressonância Magnética Nuclear rpm Rotações por minuto VA Viscosidade aparente VP Viscosidade plástica xx WBF WAXD Fluido de perfuração a base de água/ water-based drilling fluids Wide Angle X-ray Diffraction SÍMBOLOS A Amplitude do pico θ Ângulo de espalhamento E Campo elétrico; K Coeficiente de consistência de fluxo R2 Coeficiente de correlação ao quadrado D Coeficiente de difusão translacional c Concentração c* Concentração de sobreposição kB Constante de Boltzmann F Constante de Faraday A Constante empírica g Constante gravitacional R Constante universal de gás d Densidade da solução D Diâmetro da partícula  Diferença de densidade g(1) Função de correlação de primeira ordem g(2) Função de correlação de segunda ordem C(t1,t2) Função de correlação entre os tempos t1 e t2 Gf Gel final Gi Gel inicial I0 Intensidade de fundo I Intensidade do campo W Largura do pico 2 θ P Localização angular do pico máximo < >t Média da intensidade no tempo <f(t1). f(t2)> Médias dos valores da função de correlação xxi G’ Módulo de armazenamento de corte G Módulo de elasticidade G’’ Módulo de perda de corte Re Números de Reynolds 2 Qui-quadrado reduzido a Raio de partículas Rh Raio hidrodinâmico; T Temperatura Tempo de correlação Tg Transição vítrea f(t1) Valor da função de correlação no tempo t1; f(t2) Valor da função de correlação no tempo t2 Δ𝑃 Variação de pressão VS,0 Velocidade de sedimentação de partículas Vs Velocidade de sedimentação em regime concentrado q Vetor de espalhamento SÍMBOLOS GREGOS  Coeficiente piezoviscoso ε0 Constante dielétrica do vazio ε m Constante dielétrica relativa do solvente 𝛾󰇗0 Fator de correção da taxa de corte 𝜎 Elasticidade N Índice de comportamento do fluxo Ɵrot Leitura de deflexão Ψ Potencial de superfície Potencial zeta Σ Somatório Taxa de corte xxii Tensão de cedência τ Tensão de corte Viscosidade a velocidade de corte infinita ηa Viscosidade aparente  Viscosidade cinemática spe Viscosidade de corte específica 0 Viscosidade de corte zero Viscosidade plástica ηsp Viscosidade específica ηinh Viscosidade inerente [η] Viscosidade intrínseca ηred Viscosidade reduzida ηr Viscosidade relativa [] Volume hidrodinâmico 23 1. INTRODUÇÃO 1.1 Motivação A carragenina híbrida é uma classe especial de carragenina extraída de algumas algas marinhas vermelhas, e tem aplicação principalmente na área alimentar (Bixler & Porse, 2011; Loic Hilliou, 2014). Só há pouco foi determinado o caráter de copolímero da carragenina híbrida (Guibet et al., 2008; Loic Hilliou, 2014). Uma das temáticas científica desenvolvidas no Instituto de Polímeros e Compósitos é a extração da carragenina híbrida com química específica, a partir das algas vermelhas. Essa temática tem como objetivo compreender a relação entre a estrutura química e as propriedades dos hidrogéis resultantes. Nesse sentido, tendo em conta o seu carácter inovador, e ainda não documentada, explorarse-á duas vertentes/aplicações para as referidas carrageninas. A primeira vertente, refere-se à aplicação das carrageninas extraídas como aditivo natural e biodegradável para fluidos de perfuração de poços de petróleo. Essa temática tem relevância para economia do Brasil, de facto é datado trabalhos científicos relevantes com a kappa carragenina comercial para a referida aplicação (Liszt Yeltsin C.M., 2016). A proposta é verificar a hipótese do grau de sulfatação da carragenina híbrida de ser o parâmetro químico relevante para a aplicação em fluidos de perfuração. A segunda vertente diz respeito à formação de complexos polieletrólitos (PEC) da carragenina híbrida com o quitosano. O quitosano tem sido um assunto de bastante interesse nas últimas décadas visto que já destinou inúmeras aplicações (Bartkowiak & Hunkeler, 2001). Sendo um recurso abundante e de grande consumo na região de Natal/RN, Brasil, o quitosano (derivado da quitina) é extraída das carapaças de crustáceos como o camarão e caranguejo. O quitosano desperta interesse local em dar destinos aos resíduos derivados do consumo destes crustáceos. Métodos da extração da quitina e conversão em quitosano tem sido feito na região de Natal/RN (Sânia , Rasiah L., 2010). O quitosano tem atraído grande interesse em diversos setores (alimentares, farmacêuticos, etc) devido às suas propriedades químicas únicas (Chanphai & Tajmir-Riahi, 2017) e às suas propriedades tais como biocompatibilidade, baixa toxicidade, 30 2.2.1. Química de Algas Marinhas Antes de abordar a estrutura química de KI e KIMN, é imperativo observar a composição química das algas pertencentes às famílias Gigartinaceae, Petrocelidaceae e Phylophoraceae, que são as principais carragenófitas utilizadas para a produção de carragenina híbrida gelificante (ver, por exemplo, a linhagem de Stancioff). A espectroscopia de reflectância difusa por infravermelhos por transformada de Fourier (DRIFT, termo em inglês Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform spectroscopy ) é um método espectroscópico versátil que impulsionou a análise química de algas marinhas, uma vez que não é necessária a preparação de amostras, mas a moagem de algas secas. DRIFT foi aplicado para triagem da composição química de Gigartinales por Chopin, Kerin e Mazerolle (1999). Este extenso estudo realizado em mais de 50 espécies da ordem Gigartinales confirmou que a composição química das algas depende do seu estágio de vida, vegetativo ou reprodutivo e, neste último caso, depende também do sexo do gametófito de algas específicas. As algas vegetativas Gigartinales são feitas de carragenina altamente sulfatada (mu-carragenina (M) e nu-carragenina (N)), enquanto a fase reprodutiva produz essencialmente K e I em frondes e talos de gametófitos femininos e masculinos. As unidades dissacarídicas correspondentes a essas carrageninas são exibidas na Figura 2.3. 31 Figura 2.3 Estruturas químicas das unidades dissacarídicas que compõem as carrageninas híbridas. Os desvios químicos (seguindo os valores mencionados em (van de Velde, Pereira, & Rollema, 2004) do próton -anomérico de cada dissacárido são destacados (em vermelho), bem como os comprimentos de onda das bandas de absorção de FTIR (seguindo os valores mencionados em (Chopin, Kerin, & Mazerolle, 1999) para os grupos químicos correspondentes (em azul). O conteúdo relativo em K, I, M e N é, no entanto, difícil de avaliar com esta técnica espectroscópica semi-quantitativa e, portanto, dificilmente mostra que a razão entre K e I é específica para cada alga. Isto é ilustrado na Figura 2.4 onde os espectros DRIFT de Mastocarpus stellatus e Chondrus crispus coletados na costa do norte de Portugal são exibidos, juntamente com os espectros de K e I comerciais (SigmaAldrich, Alemanha). Folhas e talos de algas foram arranhados diretamente no acessório de DRIFT de um espectrómetro FTIR (Spectrum 100, PerkinElmer Ltd., UK). Ambos M. stellatus e C. crispus mostram as bandas de diagnóstico para I (805 cm-1) e K (930 e 845 cm-1). Entretanto, avaliar se C. crispus contém mais K que M. stellatus é difícil, já que as razões de K sobre I, calculadas a partir das razões das intensidades das 3 bandas, são 1.4 ± 0.2 para C. crispus contra 1.1 ± 0.3 para M. stellatus , com erros 32 calculados a partir da média de cinco repetições de diferentes folhas. Assim, confia-se na extração do polissacárido das algas e análise por 1H RMN do KI que são solúveis em água para calcular tais proporções. Um bom exemplo de tal exercício pode ser encontrado em van de Velde et al. (2005), onde três espécies de algas marinhas colhidas na costa portuguesa apresentaram proporções de K sobre I variando de 0.02 a 1. Figura 2.4 Espectros DRIFT de Gigartinales e de carragenina comercial (Hilliou, 2014). Na Figura 2.4 temos de baixo para cima: kappa-carragenina, iota-carragenina, Condrus crispus (folha de um gametófito feminino) e Mastocarpus stellatus (folha de um gametófito feminino). Linhas verticais indicam as bandas atribuídas a galactose (975 cm-1), 3,6-anidrogalactose - DA (930 cm-1), o grupo sulfato no quarto carbono da galactose - G4S (845 cm-1) e o sulfato grupo do segundo carbono do 3,6anidrogalactose - DA2S (805 cm-1). A última banda é específica para o iota-carragenina. 33 2.2.2. Isolamento da carragenina híbrida: das algas ao polissacárido extraído As carrageninas gelificantes K e I são solúveis em água quente. Portanto, a extração da carragenina híbrida é muito semelhante à rota de extração empregada para o comércio K e I (McHugh, 2003). Basicamente, o material de algas é suspenso em água quente durante um determinado tempo e a uma temperatura definida. Então, o material sólido de algas é separado da fase sol que é uma solução aquosa de carragenina híbrida, e o polissacárido é eventualmente recuperado por precipitação em álcool. Desta forma, o KIMN é recuperado. A conversão alcalina de M e N em K e I, respetivamente, é realizada diretamente no KIMN isolado. Alternativamente, as algas marinhas são pré-tratadas com álcali antes da extração, que é a via preferida na indústria de carragenina. O processo geral de extração é ilustrado na Figura 2.5. Figura 2.5 Processo de extração a quente de carragenina híbrida a partir de M. stellatus, C. crispus e Ahnfeltiopsis devoniensis (adaptado de Hilliou, 2014). Para a Figura 2.5 os parâmetros que afetam a estrutura química do polissacárido e a massa molecular são agrupados na caixa de texto central (Hilliou, 2014). Depois do tratamento a quente em solução Concentração de álcali, tempo de tratamento alcalino, temperatura e duração da extração Carragenina seca 34 alcalina (foto a esquerda), as algas são separadas da solução de carragenina híbrida por centrifugação. Segue a separação da carragenina híbrida da solução alcalina por precipitação em etanol. Depois de filtrado, o precipitado é secado de forma a poder moer um pó de carragenina híbrida. 2.2.3. Variabilidade sazonal e armazenamento pós-colheita de material de algas Como indicado anteriormente, o ciclo de vida biológico e a alternância de gêneros em Gigartinales levam a uma variação significativa na química das carrageninas extraídas. O crescimento e envelhecimento de algas, que são condicionados por fatores ambientais, também têm um impacto na estrutura química e rendimento da carragenina. M e N são precursores biológicos de K e I, respetivamente. Eles são produzidos na camada mucilaginosa externa das paredes celulares de algas durante o crescimento das algas e são posteriormente transformados em K e I através de vias biossintéticas que ainda precisam ser elucidadas para alguns Gigartinales (Fogg G.E., 1964; McCandless, 1982). A extração de carragenina de algas vegetativas ou reprodutoras, bem como de algas em crescimento ou de algas maduras, deve dar aos polissacáridos uma variação na composição química. Um relatório sobre Kappaphycus striatum mostrou que as algas jovens produzem mais carragenina sulfatada do que plantas maduras, sugerindo que a biossíntese de carragenina está relacionada ao crescimento de algas (Mendoza, Ganzon-Fortes, Villanueva, Romero, & Montaño, 2006). Assim, as razões K sobre I variando de 0.2 a 0.54 em KI extraídas de cinco amostras de Ahnfeltiopsis devoniensis não são nenhuma surpresa (ver Tabela 2.1 em van de Velde et al., 2005), uma vez que essa variabilidade sazonal foi observada em outros Gigartinales (Freile-Pelegrín & Robledo, 2006; Pereira & Mesquita, 2003, 2004; Wakibia, Bolton, Keats, & Raitt, 2006). No entanto, as correlações entre a variação química do KI e a variação das algas em populações de gametófitos femininos e masculinos frutificados ou não, bem como esporófitos ainda são escassas (Amimi, Mouradi, Bennasser, & Givernaud, 2007; Hilliou et al., 2012). Relatórios focando no impacto das variações sazonais no rendimento de carragenina e na qualidade do gel também são escassos (Freile-Pelegrín & Robledo, 2006; Fuller & Mathieson, 1972; Wakibia et al., 2006). Variações sazonais na estrutura química da carragenina híbrida extraída de M. stellatus colhidas 35 na costa norte de Portugal foram recentemente reveladas (Hilliou et al., 2012). A estrutura química da carragenina híbrida avaliada tanto pelo FTIR quanto pelo 1H RMN também foi comparada às populações de gametófitos frutificados e não-frutificados. Note que para M. stellatus , as plantas vegetativas, os esporófitos, formam uma crosta nas rochas que dificilmente podem ser removidas para a colheita. Este estudo abrangente também incluiu a caracterização reológica de géis feitos de KIMN obtido por extração direta em água (KIMN nativo), ou de KIMN extraído após tratamento alcalino da alga. Os resultados mostraram uma variação sazonal no grau de sulfato de KIMN nativo, correlacionado com gametófitos não frutificados. Quanto ao KIMN extraído com álcali, evidenciou-se variação sazonal em N e K, mas não foi encontrada correlação com a biologia de M. stellatus . A população máxima de folhas frutificadas foi encontrada no verão (agosto), quando o crescimento das algas é máximo. Consequentemente, o KIMN nativo mais sulfatado foi extraído em agosto e o conteúdo em N foi o mais alto (Loic Hilliou, 2014). O impacto do armazenamento pós-colheita de algas nas propriedades químicas da carragenina híbrida praticamente não foi estudado, em contraste com o ágar (Romero, Villanueva, & Montaño, 2008). Este tópico foi recentemente revisitado por M. Stellatus . O armazenamento de 36 semanas de algas secas (48 h em estufa com convecção a 60°C para atingir um teor de água inferior a 8% em peso) em sacolas plásticas seladas não afetou significativamente a estrutura química e as propriedades viscoelásticas funcionais dos álcalis extraídos KI (Loic Hilliou, 2014; Loic Hilliou et al., 2012). 2.2.4. Estrutura macromolecular de carragenina híbrida A estrutura química da carragenina híbrida tem sido vividamente debatida entre duas escolas. A questão só foi recentemente resolvida pela publicação de dois artigos críticos (Guibet et al., 2008; van de Velde, Peppelman, Rollema, & Tromp, 2001). Em contraste com os gelificantes K e I ideais, que são essencialmente homopolímeros de unidades dissacarídicas de kappa-carragenina e iota-carragenina, KI são copolímeros feitos de blocos de K e I com vários comprimentos e distribuição aleatória na cadeia, enquanto KIMN possuem blocos de K e I separados por unidades de dissacáridos de mu-carragenina e nu-carragenina (Guibet et al., 2008). As estruturas químicas de K, I, KI e KIMN estão representadas na 36 Figura 2.6. K e I são idealmente (porque a natureza não é perfeita, até algas comerciais produzindo K quase puro irão biossintetizar um KI com 3-10% moles de I, veja por exemplo a Tabela 2.1 em van de Velde, 2008) polímeros lineares que são construídos em um alternado de resíduos β-1,3-ligados Dgalactopiranosil (G) e α-1,4-ligados D-galactopiranosil (D). Diversos tipos de carrageninas são reconhecidos de acordo com a substituição do sulfato (S) do grupo hidroxila/s em várias posições no esqueleto do dissacárido, e ciclização das unidades D para formar um anel anidro (A). Figura 2.6 Estrutura química das carrageninas K e I bem como dos respetivos dissacáridos (Hilliou 2014). Os mecanismos de gelificação para K e I são representados na Figura 2.6 em conjunto com a estrutura de copolímero em bloco de KI e KIMN (Hilliou, 2014). Assim, K é quimicamente G4S-DA, I e G4S-DA2S. Então, M e N são mais sulfatados que K e I, respetivamente, contendo um S adicional no lugar do A. Assim, M é quimicamente G4S-D6S e N é quimicamente G4S-D2S6S. A estrutura do copolímero de KI e KIMN deriva do fato de que um KI comercial livre de qualquer contaminante, como amido florideano ou piruvato, não pode ser separado em K e I por fracionamento em KCl (van de Velde et al., 2001). Resultados semelhantes foram obtidos 37 anteriormente com extratos comerciais tratados com álcali de C. crispus e M. stellatus , embora os autores não tenham concluído a estrutura de um copolímero (Rochas, Rinaudo, & Landry, 1989). Sob certas temperaturas, concentrações de polissacárido e KCl, K formam géis enquanto I não. Assim, numa mistura de K e I, I pode ser separada da fase de gel K por centrifugação. Em um estudo recente, onde os diagramas de fase de um KI extraído de M. stellatus coletado manualmente foram construídos em NaCl e KCl, nenhuma separação de fase entre um gel e uma fase líquida pode ser encontrada com KCl, em contraste com uma mistura equivalente de K e I (Azevedo, Bernardo, & Hilliou, 2014). De facto, as diferenças entre as propriedades físicas de misturas de K mais I e KI relatadas há muito tempo por (Stancioff, 1981) levaram este autor a conjeturar uma estrutura de copolímero para KI ao invés de uma mistura de dois homopolímeros de carragenina, embora a estrutura exata das misturas de géis K e I permanecesse pouco clara. Uma vez que a estrutura do copolímero é estabelecida, pode-se perguntar se a cadeia de polissacáridos é feita de uma distribuição estatística de unidades de dissacáridos K e I, ou um arranjo de blocos de segmentos alternados K e I, e neste caso, qual é o comprimento de cada bloco. Guibet et al. (2008) utilizaram degradação enzimática de KI e analisaram os produtos de degradação. Eles mostraram que KI foram feitos de blocos de unidades de dissacáridos K, de sequências enriquecidas em dissacárido K, e de sequências enriquecidas em unidades de dissacáridos I. Porém, quais são os comprimentos dos blocos de dissacáridos I e K? Podemos nos basear no facto de que o KI forma géis. Para isso, precisamos lembrar aqui o mecanismo atualmente aceito para a formação de gel em carragenina (Morris, Rees, & Robinson, 1980; Viebke, Piculell, & Nilsson, 1994), que é esquematicamente ilustrado na Figura 2.6 A formação de gel é essencialmente impulsionada pela separação de fases entre o polissacáridos e a água. Ao arrefecer uma solução de carragenina quente na presença de sal, as cadeias de polissacáridos sofrem uma transição de pelota para hélice. Com mais tempo e arrefecimento, as hélices agregam e formam domínios que permeiam uma rede tridimensional (Hilliou, 2014). O tipo exato de hélice, o esquema de agregação e o papel do sal ainda são um problema não resolvido (Piculell & Stephen, 1995). No entanto, os géis K mostram uma grande histerese térmica entre o endurecimento do gel e a fusão, sugerindo uma estrutura de gel superhelical (Viebke et al., 1994). Em contraste com isso, os géis I mostram virtualmente nenhuma histerese térmica, indicando menos 38 agregação de hélice ou rede no nível helicoidal; isto é, os links cruzados na rede são na verdade feitos de hélices duplas (Rees, 1972). Como o KI pode formar géis, fica claro que pelo menos um tipo de bloco é longo o suficiente para permitir a transição conformacional entre a pelota e a hélice e a agregação subsequente. Assim, baseando-se no modelo de distribuição de comprimento aleatório ajustado para calorimetria de varrimento diferencial de alta sensibilidade e dados de rotação ótica de KI (van de Velde et al., 2005), foi demonstrado que os blocos K têm um comprimento mínimo entre 14 e 8 unidades dissacarídicas, enquanto que os blocos I mostram comprimentos mínimos entre 5 e 2 unidades dissacarídicas. 2.2.4.1. Pré-tratamento alcalino de algas para ajustar a química de carragenina híbrida A rota química alternativa à via biossintética que converte bioprecursores de carragenina em carragenina menos sulfatada apresenta vários parâmetros que precisam ser otimizados em relação a uma propriedade funcional direcionada para a carragenina híbrida. Uma variação sistemática do tipo e concentração de álcali, do tempo de tratamento alcalino, do pH, temperatura e tempo de extração foi conduzida com algas modelos, a fim de avaliar os efeitos desses parâmetros nas estruturas químicas do KI recuperado bem como nas propriedades finais do gel (Azevedo et al., 2013; Hilliou, Larontonda, Sereno, & Gonçalves, 2006; Hilliou, Larotonda, et al., 2006). A alga escolhida para este estudo foi M. stellatus , pois apenas os gametófitos podem ser coletados manualmente. Assim, e em contraste com, por exemplo, C. crispus , a separação tediosa dos talos vegetativos motivados pelas razões dadas acima e dos gametófitos, não é necessária. KI e KIMN com diferentes proporções de K sobre I e teores relativos em M e N podem ser isolados, dando assim acesso à entrega de uma paleta de hidrocolóides com diferentes propriedades de gel, variando da fraca elasticidade de gel I à elasticidade muito mais rígida de géis K. Os pré-tratamentos prolongados com Na2CO3 ou KOH favorecem a conversão de mais M em K (Azevedo et al., 2013; Hilliou, Larontonda, et al., 2006; Hilliou, Larotonda, et al., 2006), enquanto os tratamentos com NaOH parecem converter eficientemente M e N desde a primeira hora. Para cada tipo de álcali utilizado, uma concentração ótima permite a recuperação de KI ou KIMN (com Na2CO3) com a melhor elasticidade do gel. O estudo com NaOH e KOH também confirmou que, além da concentração 39 e do tempo ótimos, o KI é degradado, resultando em uma perda significativa na massa molecular, mantendo a química. Resultados preliminares com C. crispus e Ahnfeltiopsis devoniensis sugerem que os parâmetros ótimos de tratamento alcalino (duração e concentração de álcali) para minimizar o conteúdo em M e N sem perda de massa molecular (estas são as características de KI que provavelmente permitirão melhor propriedades gelificantes) são específicas para cada alga (Azevedo, Torres, SousaPinto, & Hilliou, 2015). 2.2.5. Relações entre a estrutura química e as propriedades dos géis Como o diagrama de fases de um KI mostra que as propriedades do gel dependem da concentração de KI e do tipo e concentração de sal, é necessário avaliar o efeito da composição química do KI na elasticidade do gel com cautela. Um estudo foi realizado por van de Velde et al. (2005) para um conjunto de KI livres de impurezas (tais como piruvato e amido florideano) e gelificados em condições idênticas, isto é, na presença da mesma mistura de sal (13.4 mM K+ e 6.8 mM Ca2+) e usando 1% em peso de carragenina híbrida. Um aumento da elasticidade do gel com o conteúdo relativo em K na carragenina híbrida foi encontrado, e uma relação quase linear foi estabelecida para os teores de K acima de 50 mol%. Abaixo deste conteúdo crítico, encontraram-se géis fracos apesar das grandes quantidades de I. Isto é claro devido à escolha da mistura de sal usada para avaliar essencialmente o efeito de gelificação de K (Parker, Brigand, Miniou, Trespoey, & Vallée, 1993). Assim, o estudo está dando apenas uma imagem parcial do efeito da composição química do KI na elasticidade do gel. Chegou-se a uma conclusão bastante diferente com o KIMN extraído de uma única alga usando diferentes tratamentos leves de Na2CO3. O módulo de armazenamento G0 dos géis formados com 1.5% em peso de KIMN em KCl 0.05 mol/L a 20°C (Hilliou, Larontonda, et al., 2006; Hilliou, Larotonda, et al., 2006) não se correlaciona com o relativo teor em K, M ou N medido com 1H RMN. Uma correlação negativa foi encontrada entre G0 e o grau de sulfato de KIMN medido com FTIR, o que está de acordo com a correlação similar encontrada com os géis de ágar (Lahaye, 2001). Curiosamente, a massa molecular de KIMN foi encontrada para ter um impacto em G0, pois as cadeias mais longas formam géis com menor G0. Concluiu-se que uma interação complexa entre composição química e estrutura do KIMN e as 46 período de descanso, o fluido não fluirá a menos que a tensão de corte supera a força do gel do fluido (Parizad et al., 2018). É comum que os fluidos de perfuração à base de água exibam tixotropia, que é definida como a mudança da reologia do fluido com o tempo. Esse fenómeno ocorre devido ao formação e decomposição da estrutura de partículas de argila, à medida que a taxa de corte é mantida. A estrutura do fluido de perfuração fornece a capacidade da lama para suspender e transportar os cortes de perfuração durante as operações de perfuração (An et al., 2015). Alguns modelos reológicos podem ser utilizados para ajustar quantitativamente as propriedades do fluido de perfuração com base de água, aos dados experimentais. Tais como os modelos de Binghamplastic , Casson, lei de potência, Herschel-Bulkley, Sisko, Heinz-Casson, Mizhari-Berk e Robertson-Stiff. O modelo Bingham-plástico tem a seguinte forma (Bingham, 1916): 𝜏=𝜏0+ 𝜇𝑝𝛾󰇗 (2.3) onde 𝜏 é a tensão de corte, 𝜏0 é a tensão de cedência, 𝜇𝑝 é a viscosidade plástica e 𝛾󰇗 é a taxa de corte. Este modelo linear com dois parâmetros (𝜇𝑝 e 𝜏0 ) é mais fácil de usar. Entretanto, para a maioria dos fluidos complexos, a relação entre tensão de corte e taxa de corte é não-linear. Portanto, o modelo de Bingham-plástico não é adequado, e seu uso para um sistema de fluido complexo geralmente gera um valor extremamente alto de 𝜏0 (Khalil & Mohamed Jan, 2012b; M.-C. Li et al., 2016; M. V. Kok, 2009). Outro modelo comum usado para descrever a relação entre tensão de corte e taxa de corte é o modelo de Casson (Casson, 1959): 𝜏0,5 =𝜏0+𝐾𝛾󰇗0,5 (2.4) 47 onde 𝜏0 é a tensão de cedência, e K é o coeficiente de consistência de fluxo. Em comparação com o modelo de plástico de Bingham, este modelo pode prever com maior precisão o comportamento reológico de um fluido com baixa taxa de corte. Foi relatado que este modelo ajustava bem os dados reológicos para as suspensões de bentonita (Bailey & Weir, 1998; Fordham, Bittleston, & Tehrani, 1991; Li et al., 2016). Para alguns fluidos, os gráficos de tensão de corte versus taxa de corte nas coordenadas logarítmicas duplas são lineares. Portanto, um modelo de lei de potência foi desenvolvido (Govier, G.W, Aziz, 1972): 𝜏=𝐾𝛾󰇗𝑛 (2.5) onde K é o coeficiente de consistência de fluxo, e n é o índice de fluidez. No entanto, devido à ausência de tensão de cedência 𝜏0, este modelo não se ajusta bem às curvas reológicas nas taxas de corte extremamente baixas ou altas. Portanto, para superar essa desvantagem, modelos mais complexos com três ou mais parâmetros foram desenvolvidos. Um dos modelos de três parâmetros mais populares e eficientes é o modelo Herschel-Bulkey, que é uma combinação dos modelos Bingham-plástico e de lei de potência, e tem a seguinte forma (Herschel & Bulkley, 1926): 𝜏=𝜏0+ K𝛾󰇗𝑛 (2.6) onde τ 0 é a tensão de cedência, K é o coeficiente de consistência do fluxo e n é o índice de comportamento do fluxo. Em comparação com o modelo de lei de potência, esse modelo inclui o termo τ 0 e, portanto, pode produzir melhores resultados de ajuste. Foi relatado que os comportamentos reológicos da maioria dos fluidos de perfuração foram bem descritos usando este modelo (Baba Hamed 48 & Belhadri, 2009; Karen Maria William, Ponmani, Samuel, Nagarajan, & Sangwai, 2014; Khalil, Jan, & Raman, 2011; Khalil & Mohamed Jan, 2012a, 2012b; Li et al., 2016; Ziaee, Arabloo, Ghazanfari, & Rashtchian, 2015). A principal desvantagem desse modelo é que vários conjuntos de valores de parâmetro podem fornecer um ajuste equivalente dos dados reológicos (isto é, nenhum ajuste exclusivo para um dado conjunto de dados). Posteriormente, vários modelos melhorados de três parâmetros, ou seja, o Sisko, Heinz-Casson, Robertson-Stiff e Mizhari-Berk, foram desenvolvidos para fluidos mais complexos. O modelo Sisko tem a seguinte forma (Li et al., 2016; Sisko, 1958): 𝜏= 𝜇∞𝛾󰇗+𝐾𝛾󰇗𝑛 (2.7) onde 𝜇∞ é a viscosidade a velocidade de corte infinita, K é o coeficiente de consistência de fluxo, e n é o índice de comportamento do fluxo. Este modelo foi originalmente proposto para descrever as propriedades reológicas das graxas lubrificantes em 1958 (Li et al., 2016; Sisko, 1958). O modelo de Heinz-Casson, uma modificação do modelo de Casson, foi proposto em 1959, como dado abaixo (Heinz, 1959; Li et al., 2016): 𝜏𝑛= 𝛾󰇗0 𝑛+𝐾𝛾󰇗𝑛 (2.8) onde 𝛾󰇗0 é o fator de correção da taxa de corte, K é o coeficiente de consistência de fluxo e n é o índice de comportamento do fluxo. O modelo Mizhari-Berk foi originalmente desenvolvido para caracterizar o comportamento do fluxo de suco de laranja em 1972, e tem a seguinte forma (Li et al., 2016; Mizhari & Berk, 1972): 49 𝜏0,5 = 𝜏0+𝐾𝛾󰇗𝑛 (2.9) onde 𝜏0 é a tensão de cedência, K é o coeficiente de consistência do fluxo e n é o índice de comportamento do fluxo. O modelo Robertson – Stiff foi proposto para relacionar tensão de corte à taxa de corte em fluidos de perfuração e lamas de cimento em 1976 (Li et al., 2016; Robertson & Stiff Jr., 1976): 𝜏=𝐾(𝛾󰇗0+ 𝛾󰇗)𝑛 (2.10) onde 𝛾󰇗0 é o fator de correção da taxa de corte, K é o coeficiente de consistência de fluxo e n é o índice de comportamento do fluxo. As Equações 2.3 - 2.10 descrevem apenas a tensão em função da taxa de corte. Portanto, as equações esquecem o fator tempo, parâmetro fundamental para a caracterização do caráter tixotrópico dos fluidos de perfuração. Contudo, os modelos desenvolvidos para descrever a tixotropia são muito complexos e necessitam de pelo menos duas equações acopladas (Mewis J., 2012): uma equação cinética relacionando a estrutura do fluido com o tempo para uma determinada taxa de corte e tempo, e outra equação que relaciona a tensão com a estrutura do fluido e a taxa de corte. Estes modelos não são ainda utilizados na engenharia de formulação de fluidos de perfuração, devido a complexidade e a necessidade de rever os testes reológicos necessários para caracterizar os fluidos. 2.3.2. Presença de sais nos fluidos O sal é um componente principal da maioria dos fluidos de perfuração à base de água. A presença de sal controla o inchaço de argila e xisto. A concentração e tipo de sal usado depende principalmente da situação e tipo de formações perfuradas. Principalmente o sal usado em fluidos de perfuração à base de água poliméricos é o sal KCl (Parizad et al., 2018). 50 A presença de sais no fluido afeta consideravelmente o tamanho, a área superficial específica e a carga das nanopartículas. Consequentemente, a presença de sais altera as propriedades e efetividade das nanopartículas. Normalmente, a presença de sal diminuiria a carga superficial das nanopartículas e, portanto, causaria aglomeração e incremento no tamanho das nanopartículas. Esta mudança de estrutura implica uma alteração das propriedades reológicas e de filtração dos fluidos de perfuração. Como resultado, os efeitos da presença de sal devem ser investigados (Parizad et al., 2018). 2.3.3. Processo de filtração Na perfuração do poço de petróleo o fluido sai da broca e entra em contato com a rocha e emergindo até a superfície. O fluido deverá exercer pressão hidrostática igual ou maior que da formação para evitar o influxo do fluido de perfuração e assim manter a estabilidade do poço. Devido a pressão hidrostática o fluido penetra a formação rochosa, processo este chamado de filtração, havendo ainda a formação do reboco, que para melhoria do poço deverá ser fina e de baixa permeabilidade, impedindo a perda do fluido para formação rochosa. Parte do fluido que entra na formação rochosa denominamos de “volume de filtrado”, que é um parâmetro crítico que precisa ser controlado (Darley & Gray, 1988; Liszt Yeltsin C.M., 2016; Lummus, J.L.; AZAR, 1986). Os fluidos de perfuração devem possuir partículas de tamanhos um pouco menor que os tamanhos dos poros das rochas de formação para haver a formação do reboco; onde as superfícies dos poros das rochas aprisionem de forma sucessiva as partículas menores e posteriormente, somente o líquido invada a formação rochosa. O volume de filtrado que invada a formação deverá ser mínimo. Para otimizar este processo deve-se utilizar polímeros para aumentar a viscosidade que são conhecidos como controladores de filtrado na indústria do petróleo (Darley & Gray, 1988; Khan, Kuru, Tremblay, & Saasen, 2004; Liszt Yeltsin C.M., 2016). 2.3.4. Aditivos para fluidos de perfuração com base água 51 Além da argila bentonítica, são comumente empregados na composição dos fluidos de perfuração aditivos com o objetivo de melhorar ou controlar suas propriedades reológicas e de filtração. Dentre os aditivos biodegradáveis e de fonte natural mais comuns e rotineiramente utilizados em fluidos como viscosificante e redutor de filtrado, destaca-se o carboximetilcelulose (CMC) (Hughes, 1993). Nas operações de perfuração de poços são frequentes os problemas provocados pela contaminação do fluido de perfuração. A dissolução de iões provenientes das formações geológicas prejudica as propriedades reológicas e de filtração dos fluidos. Esses iões blindam as cargas dos polímeros iónicos, podendo levar a sua precipitação. As soluções poliméricas de kapa - carragenina são menos sensíveis à salinidade e à temperatura que as soluções de carboximetilcelulose, em 25°C e 55°C. De forma semelhante, os fluidos de perfuração à base de kappa - carragenina apresentaram menores variações frente às contaminações de sua formulação-base (Liszt Yeltsin C.M., 2016). Este resultado foi explicado pela conformação em hélice no caso da kappa-carragenina comercial utilizada, ao contrário da conformação mais flexível da carboximetilcelulose. Porém, estudos semelhantes com carragenina híbrida não são encontrados, de acordo com nossas pesquisas. Assim, duas carrageninas híbridas com teor de sulfato diferente e conformação macromolecular diferente (hélice e pelota) serão aqui testadas para avaliar uma possível aplicação em fluidos de perfuração. De seguida, um estudo mais básico da adição de carrageninas a uma suspensão aquosa de bentonita será realizada de forma a perceber melhor a reologia e estrutura destas suspensões e relacionar estas características com a estrutura química das carrageninas. 2.4 PEC DE QUITOSANO E CARRAGENINA O quitosano é um biopolímero que chama a atenção dos pesquisadores devido às suas propriedades especiais. Em meio ácido os grupos amino estão protonados e suas cargas positivas podem interagir com polianiões, tais como alginato, carragenina, ácido hialurónico, etc. Essas interações permitem formar complexos de polieletrólitos (PECs), cada vez mais utilizados na encapsulação de vários biocomponentes. Kappa-carragenina contém 20-22% de sulfato (densidade de carga), e gelifica na presença de iões de metal alcalino (Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+). Ele pode interagir com os complexos de 52 quitosano formando PECs (Dima, Cotârlet, Alexe, & Dima, 2014). Devido aos grupos sulfato, a carragenina é altamente carregada negativamente e tem a capacidade de interagir com as moléculas carregadas positivamente, tais como quitosano (Luo & Wang, 2014). O quitosano tem sido objeto de intenso estudo durante a última década, uma vez que é um dos poucos polissacáridos catiónicos biocompatíveis abundantemente disponíveis e de origem natural. Além disso, o quitosano provou ser eficaz como um intensificador de absorção, dependendo de fatores como grau de desacetilação e peso molecular (Schipper, Vårum, & Artursson, 1996). A mistura das soluções de polímeros de carga oposta, que causam a formação de complexos de polieletrólito ou interpolieletrólito (PECs), é um método simples e conveniente para variar suas propriedades e preparar novas composições (Kabanov, 1994; Shumilina & Shchipunov, 2002). Durante a complexação, os PECs podem precipitar ou permanecer em estado dissolvido, dependendo das condições (Kabanov, 1994; Lennart Piculell & Lindman, 1992; Shumilina & Shchipunov, 2002; Tsuchida & Abe, 1982). Este fenómeno é amplamente utilizado em diversos campos, incluindo a preparação de géis e membranas, microencapsulação e imobilização de enzimas e células (Kabanov, 1994; Morris, 1990; Muzzarelli et al., 1986; Shumilina & Shchipunov, 2002; Tsuchida & Abe, 1982). PECs de carragenina-quitosano podem ser obtidos na forma de filmes, géis, microcápsulas, microesferas para serem usadas como agentes de entrega de droga, revestimentos em nano-camadas, dispersantes e grânulos (Volod’ko et al., 2014). Quitosano e carragenina são polímeros naturais e pertencem a duas famílias de polissacáridos de origem marinha. Ambos são recursos renováveis e encontram-se comercialmente disponível a um custo razoável. As propriedades características dos polieletrólitos, tais como densidade de carga e a variação na conformação de cadeia em resposta a mudanças no pH, temperatura e força iónica, oferecem um grande conjunto de variáveis que podem modular as propriedades dos PECs (Bartkowiak & Hunkeler, 2001). A interação entre um polianião completamente dissociado e um policatião, ambos de densidades de carga comparativamente elevadas, pode ser considerada principalmente como sendo de natureza eletrostática, uma vez que tais interações são fortes, bem como de ordem relativamente longa. A possível influência de, por exemplo, interações hidrofóbicas e forças de Van der Waals na formação de PECs também deve ser considerada, especialmente quando a interação carga-carga é avaliada por um eletrólito de suporte de alta força iónica. Não apenas a interação intermolecular é regida pela natureza e estrutura dos polieletrólitos envolvidos, 53 mas pode de facto ser significativamente afetada pelas condições predominantes de soluto-solvente e solvente-solvente (Hugerth, Caram-Lelham, & Sundelöf, 1997). Vários trabalhos são apresentados na formação de PEC com carrageninas comerciais. A formação de PECs entre os polissacáridos carragenina e quitosano foram relatados em (Hugerth et al., 1997). Foram preparadas soluções de carragenina a uma concentração fixa e misturadas as soluções de quitosano com diferentes concentrações. Quitosanos de diferentes graus de desacetilação e carrageninas comerciais kappa, iota e lâmbda foram testados. Consoante a conformação macromoleculares da carragenina e agregação de hélices, PECs com diferentes cargas eletrostáticas resultantes foram produzidas: de PECs neutros até PECs com carga negativa resultante. Porém, e estrutura química da carragenina lâmbda não foi revelada, nem o grau de pureza das outras carrageninas. Ainda mais, todos os PECs precipitaram devido ao processo de formação e concentrações em polissacáridos utilizados, e nenhum estudo da estrutura dos PECs foi relatado. Um outro estudo investigou PECs formados com quitosano comercial e uma kappa-carragenina extraída de C. armatus , numa gama de concentrações larga conduzindo a formação de suspensões e géis (Volod’ko, Davydova, O. Barabanova, Solov’eva, & Yermak, 2012) ou de PECs solúveis sem presença de quitosano na fase líquida. Mais importante, o estudo apontou pela importância do método de preparação e do peso molecular da quitosano no mecanismo de formação dos PECs e nas propriedades resultantes. Variáveis como teor de sulfato (densidade de carga) nas carrageninas foram o tema de um estudo mais recente (Volod’ko, Davydova, Glazunov, Likhatskaya, & Yermak, 2016). Resultados apontaram pelo facto de carragenina com conformação mais flexível, devido ao mais elevado teor de sulfato, formar mais facilmente um PEC com a quitosano. Porém, o grau de desacetilação dos quitosanos e seus pesos moleculares não foram parâmetros do estudo, e carrageninas carregando o catião K+ foram utilizadas. Este trabalho, além de variar o grau de desacetilação e peso molecular do quitosano, bem como o teor de sulfato da carragenina híbrida, também investiga a formação de complexos de quitosano e carragenina na ausência de catião proveniente da extração da carragenina, estabelecendo relações entre concentrações em polissacáridos, dependência do pH e a cinética de formação dos PECs. 54 3. MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 MATERIAIS Os quitosanos utilizados neste trabalho foram de baixa massa molecular com grau de desacetilação (GD) igual a 88.16%, massa molecular (MM) 4.61x10-5 g.mol-1 e quitosano de média massa molecular (7.15x10-5 g.mol-1) e GD igual a 88.74%, adquiridos da Sigma Aldrich (São Paulo, SP, Brasil). Os GD foram calculados em (Do Nascimento et al., 2017) e descrito no ANEXO III deste trabalho. Carrageninas comerciais do tipo kappa e iota-carragenina (lotes respetivamente 0001432063 e 110M1861V, Sigma Aldrich, Alemanha), forma utilizadas nos estudos dos fluidos. As folhas de especificações para K e I comerciais indicam que essas carrageninas possuem quantidades significativas (12 %) de catiões resultantes do processo de extração alcalina, em particular K+, Na+ e Ca2+. Outros produtos comerciais utilizados forma a bentonita ativada por sódio (Carboflex, Brasil), o sulfato de bário (BaSO4, MI-Swaco, Brasil), a goma xantana (doada pela PETROBRAS, Brasil), o cloreto de sódio (NaCl, Êxodo Científica, 98%), o cloreto de cálcio (MgCl2, Êxodo Científica, 98%), o álcool etílico P.A. (Proquímicos-Rio de Janeiro/RJ). As algas marinhas Mastocarpus stellatus foram cultivadas em IMTA (Aquacultura Multi-Trófica Integrada, em inglês Integrated Multi-Trophic Aquaculture ) ver Figura 3.1, como descrito em (Gabriela Azevedo et al., 2015). Secagem e condicionamento pós-colheita de algas seguiram um protocolo relatado em (Loic Hilliou et al., 2012) para garantir a preservação das propriedades híbridas de carragenina. As folhas de especificações tanto para o K comercial como para o I indicam que essas carrageninas contêm quantidades significativas de catiões resultantes do processo de extração alcalina. 55 Figura 3.1 Esquema do IMTA Integrated Multi-Trophic Aquaculture. Uma outra alga, a Ahnfeltiopsis devoniensis , foi utilizada para extrair uma carragenina híbrida (HY) para o estudo dos PECs. No PEC, temos HY obtidas de duas algas diferentes, pois pretendemos investigar o efeito da estrutura química da HY sobre o PEC, já se sabe que HY extraída das duas algas mostram químicas diferentes, ver (Azevedo et al., 2015, 2013). Esta alga foi colhida na costa Portuguesa, como descrito em (Azevedo et al., 2015, 2013). 3.2 EXTRAÇÃO DAS CARRAGENINAS HÍBRIDAS O processo de extração da carragenina híbrida, a partir da alga M. stellatus , segue de acordo com o protocolo referenciado (Azevedo et al., 2013). A carragenina híbrida (HY) extraída será produzida de modo a se obter 2 produtos: um HY muito sulfatado para obter soluções viscosas (KIMNat) e um HY 62 3.6 ESTUDO DAS SUSPENSÕES DE BENTONITAS 3.6.1. Preparação das suspensões de bentonita As suspensões de bentonita foram preparadas como segue, com o objetivo de racionalizar os resultados de filtração e de viscosimetria dos fluidos de perfuração por dados reológicos e estruturais de fluidos modelos, a saber suspensões de bentonita em soluções aquosas de KI, KIMN e K+I. As seguintes formulações foram otimizadas em estudos preliminares, apresentados no capítulo de resultados, e visando adequar as suspensões de bentonitas a um estudo reológico. 1% em peso de soluções de carragenina em água destilada foram preparadas como mencionado acima para soluções descontínuas. Então, logo após atingir a temperatura ambiente, 5.75% em peso de bentonita foram adicionados à solução de carragenina a 1% e a suspensão resultante foi fortemente agitada por 1 h a 70°C e uma hora adicional à temperatura ambiente. As concentrações de carragenina e bentonita utilizadas nas formulações de fluidos de perfuração à base de água encontram-se na mesma gama de concentrações utilizadas na literatura (Hermoso, Martinez-Boza, & Gallegos, 2014; Li et al., 2016; Menezes et al., 2010). Estas concentrações também permitiram uma medida sensível do efeito do tipo de carragenina na reologia dos fluidos, bem como para uma rápida recuperação estrutural da amostra após o carregamento e pré-corte no reómetro (ver capítulo 4.3). 3.6.2. Reologia das suspensões de bentonita Experimentos reológicos foram realizados logo após a preparação dos fluidos de perfuração. Dada a complexidade da reometria de suspensões (Mewis J., 2012) e, em particular, dos fluidos de perfuração à base de água (Busch, et al., 2018; Gui Wang, 2018; Plog, Kulicke, 2005), seguiu-se um protocolo experimental específico, ilustrado na seção que apresenta os resultados correspondentes. Todas as medidas foram realizadas a 25°C. Após o carregamento da amostra na geometria Couette (gap de 0.5 63 mm) de um reómetro rotacional controlado por tensão (MCR300, Anton Paar), uma taxa de corte constante de 5 s-1 foi aplicada durante 1 minuto para induzir uma estrutura reproduzível em os fluidos de perfuração à base de água (ver transientes correspondentes na Figura 4.17). Após a cessação do corte, a cinética da formação estrutural foi medida usando um teste de varrimento de tempo em que o corte oscilatório de pequena amplitude a uma frequência de 1 Hz e uma deformação de 0.1% é aplicado durante 1.5 horas. A duração desta experiência cinética foi suficiente para atingir o equilíbrio estrutural (ver Figura 4.18a), justificando assim a escolha da concentração de bentonita nos fluidos testados. Em seguida, o espectro mecânico do fluido (consulte a Figura 4.18b) foi medido varrendo a frequência de 100 Hz para 0.1 Hz e aplicando uma tensão de 0.1% (experimento de varrimento de frequência). Finalmente, tanto a tensão de escoamento quanto a tixotropia da amostra foram medidos usando um laço de tixotropia, isto é, elevando logaritmicamente as taxas de corte de 1 s-1 a 500 s-1 em 38 etapas de 15 segundos de duração, e imediatamente reduzindo o taxas de corte de maneira semelhante (ver Figura 4.18c). Adicionalmente, amostras de fluidos foram testadas com a geometria da placa paralela (placas serrilhadas de 40 mm de diâmetro) de um reómetro rotacional controlado por tensão (ARG2, instrumento TA) para avaliar a importância do deslizamento nas propriedades viscoelásticas lineares da perfuração com fluidos à base de água. O protocolo experimental usado com a geometria Couette foi reproduzido usando diferentes espessuras de amostra. No entanto, o loop de tixotropia foi substituído por uma rampa de grande amplitude de oscilação oscilatória (LAOSS) de 0.05 Pa até 100 Pa, realizada a uma frequência de 1 Hz, e usando 3 ciclos a cada valor de tensão antes para medir a resposta de deformação oscilatória, como ilustrado na Figura 4.18d. 3.6.3. Caracterização estrutural das suspensões de bentonita A microscopia ótica foi realizada utilizando um microscópio ótico de transmissão BH2 Olympus acoplado a uma câmera digital LEICA DFC 280. As amostras foram pipetadas suavemente a partir de frascos contendo suspensões de bentonita em NaCl com agitação recente. Gotas foram depositadas em placas de microscópio e espremidas com uma tampa de vidro antes da imagem microscópica. Suspensões de gel em soluções de água ou carragenina foram também fotografadas por amostragem 64 de peças de gel com uma espátula e colocação de amostras em placas de microscopia. Amostras de gel foram então suavemente espremidas com uma cobertura de vidro. Difração de Raios-X de Grande Angular (WAXD) foi realizada com um difratómetro Bruker D8 Discover (fonte com  = 0. 154 nm). Amostras de suspensões gelificadas foram escaneadas de 2θ = 1.5° para 5°, com passos de 0.04°. O pó de bentonita foi adicionalmente examinado sob a mesma condição. 3.7 ESTUDO DOS PECS 3.7.1. Turbidimetria dos PECs A turbidez (dispersão ótica) das soluções contendo diferentes quitosanos e carrageninas foi medida utilizando um espectrofotómetro de UV-visível (Jasco, V630Bio espectrofotómetro) num comprimento de onda de 600-400 nm usando uma célula de amostra de quartzo (HELMA) com percurso ótico de 10 mm, inserida num bloco termostatizado a 25ºC por meio de um banho de água. O tampão acetato (6.44x102mol.dm-3) foi usado como branco. Fizeram-se análises em triplicado e os valores obtidos representam a média de três leituras consecutivas Três diferentes abordagens experimentais foram utilizadas para monitorar a formação de coacervatos de quitosano / carragenina i) Para estudar o efeito da concentração de quitosano na formação de coacervatos com a carragenina, e verificar a faixa de formação dos coacervatos, um protocolo de titração (Bastos et al., 2010) foi utilizado devido a rapidez desta abordagem relativamente a outras metodologias (Volod’ko 2012). Num Eppendorf de 2mL, uma solução de 0.9 mL de carragenina com 0.05% em peso foi preparada num tampão acetato (pH 5), e volumes crescentes de uma solução estoque de quitosano (com 0.2% em peso em tampão de acetato) foram adicionados. Para cada adição, as misturas foram agitadas 10 minutos a 25ºC durante a medição da turbidez e dos valores de pH, determinados com um pHmetro (Thermo scientific ORION STAR A211). 65 ii) O efeito que do pH na formação do complexo foi estudado. Para tal, utilizou-se a mistura que deu o valor máximo de turbidez detetado no item i) e posteriormente adicionou-se a solução contendo o complexo, alíquotas de ácido acético glacial até a solução atingir pH 2. Tanto o pH como a turbidez da solução foram medidos após cada adição de ácido acético. iii) Finalmente, estudos cinéticos sobre a formação de coacervatos foram realizados com as diferentes amostras de carragenina e quitosano pela adição de alíquotas de quitosano em 900 µlitros de carragenina. A alíquota de quitosano adicionada depende do máximo de formação verificado no item i). 3.7.2. DLS dos PEC O diâmetro médio e a distribuição de tamanho dos coacervatos quitosano/carragenina foram determinados por espalhamento dinâmico de luz (DLS, termo em inglês, dynamic light scattering ) em um Nanotrac NPA252 (Montgomeryville, PA, EUA) com o software Flex 10.4.3. Estes estudos foram realizados com as amostras determinadas relativas em 3.7.1. i). Com base dos estudos cinéticos em 3.7.1. iii), as análises do tamanho da partícula permite concluir uma possível precipitação ou solubilização do coacervato. A turbidez depende do tamanho do coacervato e da sua concentração. Portanto para perceber resultados do decaimento da turbidez realizada nos estudos cinéticos em 3.7.1.iii. verificamos os tamanhos dos coacervatos por DLS. 3.7.3 Potencial Zeta (𝜁) O potencial zeta (𝜁) foi utilizado para quantificar a distribuição de carga que envolve as partículas, com isso podemos verificar a estabilidade das dispersões (Bhattacharjee, 2016; Guo, Zhao, Wang, Jiang, 66 & Zhang, 2018). As análises do potencial zeta foram atribuídas durante as medições das soluções em DLS. No ANEXO IV detalhamos, de forma resumida, o funcionamento e algumas análises extraídas da técnica do potencial zeta. 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES 4.1 CARACTERIZAÇÃO DAS CARRAGENINAS HÍBRIDAS EXTRAÍDAS 4.1.1 Estrutura química das carrageninas híbridas extraídas Os espectros de ATR-FTIR dos duas carrageninas híbridas extraídos são exibidos na Figura 4.1, juntamente com o espectro de uma mistura de kappa carragenina com iota carragenina (K + I). Observe que a qualidade do espectro KIMNalk não corresponde à definição de sinal satisfatória do KIMNat e do K + I. A diferença na qualidade do espectro se deve ao caráter acastanhado e translúcido do filme KIMNalk produzido, que contrasta com o aspeto ótico transparente dos dois filmes restantes. As bandas compiladas por Chopin et al. para todas as carrageninas (Chopin et al., 1999) são referidos aqui para apoiar a atribuição de cada absorbância na Figura 4.1 aos grupos químicos e carragenina correspondente. As bandas e os grupos químicos foram introduzidos no estado da arte na Figura 2.3. 67 Figura 4.1 Espectros ATR-FTIR de KIMNat (em cima), KIMNalk (em meio) e uma mistura de carragenina comercial (K + I, em baixo). Linhas verticais indicam as faixas de absorção que aparecem nos números de onda rotulados. Inserção: curva de calibração para o cálculo do DS a partir das razões A1370 / 2920. A linha é um ajuste linear para as proporções. A banda larga centrada em 1240 cm-1 refere-se aos grupos éster sulfato na 3-ligação β-Dgalactopiranose (G) e na 4-ligação α-D-anidrogalactopiranose (DA). A banda em 924 cm-1 corresponde à absorção documentada em 930 cm-1, que sinaliza as ligações C - O de DA e, portanto, é sintomática de K e I. A absorbância do grupo C - O - SO3 no quarto carbono de G (G4S) aparece a 845 cm-1 e, portanto, está presente nos espectros de FTIR de kappa-, iota-, mue nu-carrageninas. Finalmente, a banda em 805 cm-1 é específica para a iota carragenina, pois é atribuída ao grupo C - O - SO3 no segundo carbono do DA (DA2S). Também presente nos espectros de KIMNalk e K + I está uma banda de 970 cm-1, que foi atribuída a G na carragenina iota modificada com alcalino. Para I não modificado, um ressalto é visto no lugar de uma banda. Esse ressalto é realmente evidenciado no espectro do KIMNat, que é indicativo 68 de nu-carragenina, ou seja, o precursor não-alcalino modificado de I. Uma banda adicional está presente a 950 cm-1 no espectro do KIMNalk, que é indicado por uma seta vertical na Figura 4.1. Esta banda já foi referenciada no primeiro relatório de análise de FTIR, realizado diretamente em algas marinhas usando reflectância difusa (Chopin et al., 1999). A banda foi atribuída a carrageninas contendo um grupo sulfato no segundo carbono de α-Dgalactopyranose (D2S). No geral, as estruturas químicas emergentes dos espectros mostrados na Figura 4.1 são as dos dissacáridos de K e I para as amostras KIMNalk e K + I, com a adição de dissacáridos mais sulfatados de mue nu-carrageninas (ver ombro a 970 cm -1) para o KIMNat. A presença de mue nu-carragenina no KIMNat era esperada, já que esse é um extrato natural das algas marinhas. Um relatório anterior (Azevedo et al., 2013) confirmou que o tratamento alcalino realizado durante a extração do KI é necessário para converter esses precursores biológicos em kappa e iota-carragenina, respetivamente. Uma análise semi-quantitativa detalhada em outra parte (Villanueva, Sousa, Gonçalves, Nilsson, & Hilliou, 2010) foi realizada para estimar o conteúdo relativo em iotacarragenina e sulfatos, calculando as razões de intensidade de banda A805 / A845 e A930 / A1240, respetivamente. A solidez da última razão foi estabelecida em outros lugares (Azevedo et al., 2013; Hilliou, Larontonda, et al., 2006; Villanueva et al., 2010), enquanto a primeira é comumente usada para uma análise semi-quantitativa do caráter híbrido das carrageninas (Correa-Diaz, Aguilar-Rosas, & AguilarRosas, 1990). As duas proporções de intensidade de banda são relatadas na Tabela 4.1 para as três amostras. A análise semi-quantitativa do FTIR indica que o KIMNat mostra uma proporção menor A930 / A1240 que o KIMNalk e K + I. Essa diferença é explicada pela maior quantidade de dissacáridos I e K convertidos em álcalis no KIMNalk, que reduziu a intensidade da banda de absorção em 1240 cm-1. Além disso, o KIMNat mostra um conteúdo relativo maior em I, pois a proporção A805 / A845 é a maior. Essa diferença é difícil de explicar, pois se espera que o KIMNat tenha no máximo tantos anéis DA2S quanto seu equivalente convertido em álcalis. Pode-se, assim, suspeitar que outras ligações químicas contribuam para as bandas em 805 e 845 cm-1. A quantidade de grupo sulfato para cada extrato foi calculada a partir dos espectros de FTIR seguindo o método descrito por Rochas et al. (Rochas, Lahaye, & Yaphe, 1986). O método baseia-se no cálculo da razão A1370 / 2920 da intensidade da banda em 1370 cm1 (atribuída ao éster sulfato total) sobre a intensidade da banda em 2920 cm-1 (atribuída aos grupos CH) e em uma calibração com misturas de K e I (veja a Figura 4.1, onde as razões A1370 / 2920 medidas com 69 filmes de K, I, mais 2 misturas de K e I foram reportadas para produzir os dados e o ajuste linear retornando uma inclinação de 0.54 ± 0.05 e uma intercetação de 0.79 ± 0.07). A quantidade de grupo sulfato é dada na Tabela 4.1 como um grau de substituição (DS). DS é o número médio de grupos éster sulfato (em mol) por unidade de repetição de dissacáridos. Os valores teóricos de DS para K e I são 1 e 2, respetivamente (ver Figura 4.1). Os valores de DS indicam que o KIMNat é significativamente mais sulfatado do que o KIMNalk, conforme esperado da menor proporção A930 / A1240. O KIMNalk é essencialmente tão sulfatado quanto a mistura comercial K + I dentro do erro experimental para determinação de DS por espectroscopia no infravermelho. Tabela 4.1 Características químicas e viscosidades intrínsecas [ η ] (em NaCl 0.5 mol / L) de carrageninas híbridas e da mistura comercial K + I. A930/A1240a A805/A845a DS (moles) K/Ib [η] (mL/g) KIMNat 1.057 0.637 1.9 ± 0.4 2.26 286 KIMNalk 1.254 0.295 1.1 ± 0.3 2.51 156 K + I 1.223 0.338 1.2 ± 0.3 n.a. n.a. a Razões de intensidade de banda calculadas a partir de espectros de FTIR. b Calculado a partir da razão de intensidades de pico integradas atribuídas a K e I nos espectros de 1H-RMN. Os espectros de 1H-RMN apresentados na Figura 4.2 oferecem uma avaliação complementar das estruturas químicas dos duas carrageninas híbridas. Os picos diagnósticos dos prótons α-anoméricos dos dissacáridos I (5.3 ppm) e K (5.1 ppm) estão presentes (van de Velde et al., 2004). 70 Figura 4.2 Espectros de 1H RMN de soluções KIMNat (A) e KIMNalk (B). Estrelas no espectro KIMNalk indicam picos atribuídos ao ácido pirúvico (a 1.35 ppm) e amido floridiano (a 5.34 e 4.96 ppm). As letras gregas indicam picos atribuídos aos dissacáridos de carragenina correspondentes. Um sinal complexo que aparece entre 5.6 e 5.5 ppm no espectro KIMNat é remanescente dos prótons de D2S, anéis 6S que ocorrem em λ-carragenina e ν-carragenina (Larson, 1992; van de Velde et al., 2004). Observe que, para o KIMNalk, esse sinal reduz para um único pico centrado em 5.54 ppm com um ombro em 5.6 ppm. Isso é indicativo da conversão induzida por álcalis de unidades de dissacárido λ-carragenina, que resulta em uma carragenina híbrida menos sulfatada. Contaminantes e substituintes de carragenina, como amido floridiano e ácido pirúvico, também são detetados em 5.34, 4.96 e 1.35 ppm, respetivamente (Larson, 1992; van de Velde et al., 2004). Estes não foram removidos pelo 71 tratamento com álcalis (ver sinais destacados com estrelas na Figura 4.2) e, como tal, podem afetar as propriedades reológicas de ambos os extratos híbridos de carragenina. Além disso, as contribuições desses contaminantes e substituintes aumentam a complexidade da avaliação quantitativa dos dissacáridos K e I nas duas carrageninas híbridas. No entanto, supondo que as contribuições de amido floridiano sejam as mesmas nos dois extratos, as proporções de intensidade de pico dos sinais em 5.1 ppm sobre os sinais em 5.3 ppm fornecem uma estimativa do conteúdo relativo nos dissacáridos K e I. A análise química resumida na Tabela 4.1 em geral confirma que o KIMNalk é significativamente menos sulfatado que o KIMNat, pois as proporções A930 / A1240 e K / I são maiores. 4.1.2 Reologia das soluções de carragenina em 0.5 M de NaCl Carragenina híbrida natural (KIMNat) A Figura 4.3 mostra as curvas de fluxo das soluções selecionadas da KIMNat. 110 100 1000 0.001 0.01 0.1 1 10 100 C A viscosidade (Pa.s) taxa de cisalhamento (s-1) 2% 1.53% 1.19% 0.91% 0.69% 0.52% 0.4% 0.3% 0.1% B Figura 4.3 Curvas de fluxo de soluções KIMNat selecionadas (concentrações de KIMNat indicadas na legenda) medidas varrendo para cima as taxas de corte (símbolos abertos) e varrendo para baixo as taxas de corte (símbolos sólidos). Linhas são medidas realizadas com réplicas corte 78 com concentração para c > c* (a concentração crítica para o início do regime semidiluído com sobreposição significativa de cadeias polissacarídeas ou hélices) sugere um regime de soluções semidiluídas e não entrelaçadas de polímeros neutros, o que é esperado uma vez que a grande força iónica do solvente deve rastrear qualquer efeito de carga no polissacárido sulfatado. Assim, dentro da faixa de concentração testada e da força iónica utilizada, não se espera que agregados de hélices se formem em soluções novas de KIMNalk. Isso confirma que o tratamento alcalino leve usado para extrair este polissacárido não produzirá carragenina híbrida com propriedades de gelificação significativas, o que está de acordo com estudos anteriores (Azevedo et al., 2013). A este respeito, as cadeias de KIMNalk são mais curtas do que as do extrato natural (compare as viscosidades intrínsecas), o que é esperado considerando a quebra hidrolítica das cadeias de polissacáridos induzida pelo tratamento com solução alcalina quente, como relatado em outros lugares (Azevedo et al., 2013). Soluções a partir de uma mistura comercial de carragenina kappa e iota (K + I) O estudo do diagrama de fases da mistura de carragenina em NaCl mostrou (Azevedo et al., 2013; Torres, Azevedo, & Hilliou, 2016) que este sistema comercial estabelece um gel dentro de 24 horas a 25°C, para concentrações de carragenina tão baixas quanto 1% em peso. Assim, as concentrações relatadas na Figura 4.8 são significativamente menores do que as testadas para KIMNat e KIMNalk. Suspensões, soluções tixotrópicas sem viscosidade de corte zero e eventualmente géis são formados em NaCl 0.5 M. Isto é ilustrado na Figura 4.8 para duas soluções que apresentam uma tixotropia significativa e nenhum regime Newtoniano de viscosidade ao aumentar as taxas de corte. Um forte comportamento pseudoplástico aparece em menores taxas de corte, que é uma reminiscência do desmembramento de um gel fraco. Isto porque a lei de potência limitante de -1, que sinaliza uma instabilidade de fluxo (uma tensão de corte constante é medida quando aumenta a taxa de corte), é violada. O regime Newtoniano de viscosidade é alcançado apenas para soluções mais diluídas quando a taxa de corte é variada de altas para baixas taxas. 79 110 100 1000 0.001 0.01 0.1 1 viscosidade (Pa.s) taxa de cisalhamento (s-1) 0.6% 0.32% 0.32% duplicado Figura 4.8 Curvas de fluxo de soluções K + I com concentrações de 0.006 g / g (quadrados) e 0.0032 g / g (triângulos) submetidas a um varrimento de taxas de corte crescente (símbolos vazios) ou um varrimento de taxas de corte decrescente (símbolos sólidos). Os triângulos superiores (verdes) foram medidos varrendo as taxas de corte com soluções duplicadas preparadas em uma concentração similar (0.0032 g / g). A linha grossa indica um declive -1 indicativo de instabilidade de fluxo. Como lidamos com uma mistura de carrageninas, a Equação 2.1 se torna inútil para extrair qualquer viscosidade intrínseca da análise dos dados relatados na Figura 4.9, a menos que duas populações de carrageninas sejam consideradas. Assim, um ajuste correto exigiria a análise de um mínimo de 9 pontos de dados, que são de fato plotados na Figura 4.9. Entretanto, nenhuma convergência para os oito parâmetros foi encontrada. Ficamos então com uma análise semi-quantitativa dos dados na Figura 4.9. Tomando a mesma estratégia para uma estimativa da viscosidade intrínseca, um valor de 1000 mL / g é calculado (veja a localização da concentração de sobreposição c* ) que sugere que estas carragenina comercial são significativamente maiores, ou mais semelhantes a bastonetes, do que KIMNat e KIMNalk. Muito provavelmente, estes são conformadores helicoidais de K e I, uma vez que estas carrageninas são conhecidas por exibir uma transição de bobinas a hélice a 22°C e 57°C em NaCl (ver referências citadas em (van de Velde et al., 2001) e (van de Velde et al., 2005)). Alternativamente, pode-se concluir que c* é superestimado. Isto porque um regime não diluído com macromoléculas sobrepostas, e caracterizado Taxa de corte (s-1) 80 com um comportamento de lei de potência com expoente 2, é visto para a dependência da concentração específica da viscosidade em toda a gama de concentrações testadas na Figura 4.9. 1E-4 0.001 0.1 1 10 spe (Pa.s) concentração (g/g) c* ~ 1/[] ==> []=1000 mL/g 2 Figura 4.9 Dependência de concentração das viscosidades específicas das soluções K + I. A linha grossa representa uma lei de potência com o expoente 2. Agora, comparamos as curvas de escoamento (obtidas varrendo as taxas de corte de altos para baixos valores) dos três sistemas para uma concentração de polissacárido de 0.4% em peso correspondente à usada na formulação de fluido de perfuração. 81 110 100 1000 1E-4 0.001 0.01 0.1 1 viscosidade (Pa.s) taxa de cisalhamento (s-1) K+I KIMNat KIMNalk Figura 4.10 Curvas de fluxo a 0.4% em peso de carragenina. Deixando de lado os problemas experimentais associadas a instabilidades de Taylor em maiores taxas de corte (para soluções KIMNat e KIMNalk) ou o formação estrutural devido as hélices agregantes (K + I), com um comportamento pseudoplástico típico de polímeros semirrígidos com agregação em menores taxas de corte (Doi, M., Edwards, 1986; Hilliou, Vlassopoulos, & Rehahn, 2000), a comparação das curvas de fluxo na Figura 4.10 sugere que o sistema K + I engrossará melhor a formulação do fluido de perfuração se negligenciar as interações químicas e físicas entre a carragenina comercial, a bentonita e outros elementos usados na formulação. A maior viscosidade do sistema K+I em 0.5 mol/L de NaCl é devido a presença de agregados de hélices. Tal conformação em hélice não existe para as soluções de KIMNat e KIMNalk. Para 0.4 % em peso de polímero em 0.5 M de NaCl, a KIMNat e a KIMNalk apresentam conformações de bobinas. A solução de KIMNat é mais viscosa porque pertence ao regime semidiluído (com concentração superior a c* , ver Figura 4.4), ao contrário da solução de KIMNalk que pertence ao regime diluído (com concentração inferior a c* , ver Figura 4.7) devido a menor viscosidade intrínseca da KIMNalk. Taxa de corte (s-1) 82 Para os três tipos de soluções de carragenina estudadas aqui, a dependência da viscosidade específica com a concentração em polímero, reportada na Figura 4.11, difere fortemente do regime semidiluído de Fluoss esperado para polieletrólitos em condição sem sal. Como todos os dados reológicos são determinados em NaCl 0.5 M, a ausência de qualquer regime Fluoss não é surpresa. De facto, uma dependência quadrática da viscosidade com a concentração corresponde à previsão de leis de escala para polímeros neutros no solvente theta em regime semidiluído sem entrelaçamentos (Colby, 2010). Ao contrário, a dependência cubica corresponde a soluções semidiluídas de cadeias poliméricas semirrígidas (Berry, D.H., Russle, 1987). Assim, para a faixa de concentração aqui estudada e a força iónica usada para imitar a condição da formulação de fluidos de perfuração, todos os sistemas de carragenina se comportam como polímeros neutros, provavelmente com conformação helicoidal (polímero semirrígido) para a mistura K + I, explicando assim a maior viscosidade observada para este sistema. Assim, mistura K+I deve mostrar uma tendência para separação de fases a longo prazo, e mesmo após 24 horas, como mostrado em outra parte (Azevedo et al., 2014; Torres et al., 2016). 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 3  SPE c (g/g) 2 Figura 4.11 Dependência de concentração das viscosidades específicas das soluções K + I (bolas), KIMNat (triângulos) e KIMNalk (quadrados) em 0.5 M NaCl. As linhas grossas representam as leis de potência com expoentes indicados. 83 4.2. ESTUDO DOS FLUIDOS DE PERFURAÇÃO 4.2.1. Caracterização reológica dos fluidos de perfuração A Figura 4.12 apresenta os resultados obtidos nas análises de reologia viscosimétrica para os fluidos formulados na ausência da carragenina (F1), com a carragenina de extração alcalina (F2), com a carragenina de extração natural (F3) e com a mistura de carrageninas comerciais do tipo kappa e iota, sendo 70% da kappa com 30% da iota, em massa (F4). Todos os ensaios foram feitos em triplicata e os valores médios da viscosidade são reportadas na Figura 4.12 bem como os erros. A tabela 4.2 apresenta os valores dos pH bem como os valores dos parâmetros viscoelásticos definidos pela norma. 10 100 1000 10 100 1000 viscosidade apparente (mPa.s) taxa de cisalhamento (s-1) F1 F2 F3 F4 Figura 4.12 Curvas de fluxo dos fluidos de perfuração F1, F2, F3 e F4, obtidas com viscosímetro Fann 35A. Verifica-se que a presença da carragenina exerce influência no comportamento reológico. Os fluidos ficam mais viscosos e mais reo-fluidificantes, como mostram na tabela 4.2 os valores dos parâmetros K e n obtidos a partir dos ajustes das curvas apresentadas na Figura 4.12 com a Equação 2.5. O nível de viscosidade do fluido formulado com K+I é consistente com o resultado obtido para um fluido de formulação semelhante mas com a utilização de carragenina kappa comercial como aditivo (Liszt Yeltsin Taxa de corte (s-1) 84 C.M., 2016). A mistura de carrageninas comerciais proporciona a maior viscosidade dos fluidos, uma vez que os 3 parâmetros VA, VP e LE são os mais elevados na Tabela 4.2. Não é possível distinguir o efeito de espessamento do fluido pela KIMNalk ou a KIMNat com a análise dos parâmetros LE e VA, embora o parâmetro VP sugere que a KIMNalk proporciona uma maior viscosidade ao fluido de perfuração, em comparação com a KIMNat. Os parâmetros Gi e Gf não permitem distinguir os efeitos da KIMNalk e KIMNat sobre o fluido. O fluido F4 apresenta os valores mais elevados para estes 2 parâmetros, sem prejuízo de uma maior tixotropia. A mesma pode ser quantificada de maneira aproximada pela razão (Gf-Gi)/Gf, que traduz a quantidade de estrutura recuperada num intervalo de tempo fixo. Os ratios calculados na Tabela 4.2 sugerem que os fluidos preparados com KIMNalk e KIMNat levem mais tempo para recuperar uma estrutura viscoelástica quando comparado ao fluido de controle ou ao fluido formulado com a mistura comercial. O aumento da viscosidade de suspensões de bentonita com a adição de polieletrólitos sulfatados é um resultado já bem estabelecido (Luckham & Rossi, 1999). A repulsão eletrostática entre as partículas de bentonita é modulada pela presença do polietrólito e a floculação das partículas leva a um aumento da viscosidade da suspensão. Assim polieletrólitos com maior densidade de cargas negativas produzem um maior efeito sobre a viscosidade do fluido. Sendo o KIMNat o mais sulfatado dos polieletrólitos utilizados na Figura 4.12, as interações eletrostáticas entre polímero e bentonita não podem explicar o comportamento mais viscoelástico encontrado com a mistura comercial K+I menos sulfatada. Uma possível explicação para a maior viscosidade evidenciada pelo fluido F4 é a conformação em hélice das carrageninas kappa e iota. O papel preponderante da conformação macromolecular do polieletrólito sobre as interações eletrostáticas já foi reconhecido em estudos reológicos de suspensões de sódiomontmorilonite formuladas com poliacrilamida aniónica (Heller & Keren, 2002). (Madruga, da Câmara, Marques, & Balaban, 2018) chegaram ao mesmo raciocínio no estudo de fluidos com formulações semelhantes, mas com carragenina comercial kappa no papel de aditivo. 85 Tabela 4.2 Parâmetros medidos para os fluidos F1, F2, F3 e F4, e calculados com o ajusto da Equação 2.5 aos dados reportados na Figura 4.12 parâmetros F1 F2 F3 F4 K (mPa.s) 1368  25 1808  43 1937  208 3062  214 n -0.658  0.007 -0.682  0.009 -0.672  0.017 -0.691  0.014 pH 9 10 10 10 Parâmetros VA (mPa.s) 7.75  0.75 9.5  1.5 9.2  0.3 13.9  0.7 VP (mPa.s) 7.4  0.8 10.2  0.1 8.1 0.6 14.1  0.7 LE (mPa.s) 15.5  1.5 19  3 18.3  0.6 27.8  1.4 Gi (Pa) 2.55  0.13 3.06  0.29 3.4  0.2 5.44  0.34 Gf (Pa) 3.23  0.17 4.42  0.34 4.76  0.17 6.80  0.68 (Gf-Gi)/Gf 0.21  0.11 0.31  0.27 0.28  0.19 0.2  0.17 4.2.2. Ensaios de filtração A tabela 4.3 apresenta os resultados obtidos nos ensaios de filtração para os fluidos formulados na ausência da carragenina (F1), com a KIMNalk (F2) com a KIMNat (F3), e com a mistura de carrageninas comerciais do tipo kappa e iota (K+I), sendo 70% da kappa com 30% da iota, em massa (F4). Todos os ensaios foram feitos em triplicata e lançadas as médias nas tabelas e os erros na Tabela 4.3. Verifica-se que a presença do polímero KIMNalk e KIMNat, ou da mistura comercial K+I, exerce influência no volume de filtrado, o que é determinante para a escolha do aditivo como agente formador do fluido de perfuração. Um menor volume de filtrado foi medido com a carragenina híbrida mais sulfatada (KIMNat), que apresentou uma viscosidade inferior a viscosidade obtida com a mistura comercial em 0.5 M NaCl, como já mostrado nesta tese. É importante notar aqui que o fluido mais viscoelástico F4 não mostrou o menor volume de filtrado. Podemos de facto encontrar na literatura relatos sobre a ausência de relacionamento entre uma maior viscosidade do fluido e um menor volume de filtrado (ver por exemplo Li et al. 2016). 86 O volume de filtrado obtido com o KIMNat é da mesma ordem de grandeza do que o volume medido com uma carragenina kappa comercial num estudo anterior (Liszt Yeltsin C.M., 2016; Madruga et al., 2018). Neste estudo, os autores relacionaram os baixos valores de volume de filtrado com a conformação em forma de hélice da carragenina kappa que proporciona uma maior viscosidade ao fluido de perfuração. No presente caso, o estudo reológico de soluções de KIMNat em 0.5 mol/L NaCl indicou que as cadeias apresentam uma conformação de Pelota/bobina para uma concentração em KIMNat correspondente a concentração da formulação do fluido. Por outro lado, a mistura K+I apresenta uma conformação em hélice, e por isso, as soluções de K+I em 0.5 M NaCl mostram uma tendência para sedimentar após 24 horas (Azevedo et al., 2014). Assim, os resultados na Tabela 4.3 sugerem que, ao contrário do estudo anterior (Madruga et al., 2018), uma conformação de hélice, proporcionando uma maior viscosidade, não parece ser o parâmetro mais relevante para obter menor volume de filtrado. Podemos então invocar diferenças na estrutura química e em particular a quantidade de grupos sulfatados na cadeia polimérica, e as interações entre grupos SO3e cargas da bentonita ou mesmo a goma xantana. De facto, uma separação de fase entre a goma xantana e polieletrólitos com cargas negativas, inclusive carragenina lambda, foi documentada (Boyd et al., 2009). Polieletrólitos com menos cargas negativas não levaram a tal separação de fase, que corresponde a formação de nano fibras resultando da associação de goma xantana e carragenina (Boyd et al., 2009). Sendo o melhor resultado de filtração obtido com a KIMNat, as demais análises de contaminação com catiões foram realizadas com este polissacárido. Tabela 4.3 Ensaios de filtração para os fluidos F1, F2 e F3 Leitura F1 F2 F3 F4 Volume de filtrado 15.9  0.6 mL 14.93  1.6 mL 9.8  0.1 mL 13.1  0.2 mL 87 4.2.3. Resistência a presença de sais A Figura 4.13 apresenta os resultados de viscosimetria realizados com o fluido F3 contaminado com catiões monovalentes (Na+), e catiões bivalentes (Ca++). 10 100 1000 10 100 1000 viscosidade aparente (mPa.s) taxa de cisalhamento (s-1) F3 + NaCl 1000 mg/L fit 500 mg/L fit 250 mg/L fit a) 10 100 1000 10 100 1000 viscosidade aparente (mPa.s) taxa de cisalhamento (s-1) F3 + CaCl2 1000 mg/L fit 500 mg/L fit 250 mg/L fit b) Figura 4.13 Curvas de fluxo do fluido de perfuração F3 contaminado com NaCl (a) ou CaCl2 (b), e obtidas com viscosímetro Fann 35A. Taxa de corte (s-1) Taxa de corte (s-1) 94 onde  é a fração de volume de partículas e k um expoente empírico. A linha pontilhada na Figura 4.15 foi calculada a partir da Equação 4.2 usando VS,0 = 2.5x10-4 m/s e k = 15. Essencialmente, a linha indica que a tendência para suspensões concentradas segue a Equação 4.2. Assim, esta equação pode ser usada para extrapolar VS,0 e, em seguida, calcular um tamanho de partícula. Inserindo VS,0 = 2.5x10-4 m/s na Equação 4.1 retorna um raio de partícula de bentonita a = 370 mícrons. Este valor deve ser considerado como uma média de uma distribuição de tamanho de partícula, uma vez que o sobrenadante contém bentonita com tamanho menor (veja a cor amarelada e a turbidez do sobrenadante na Figura 4.14, enquanto partículas maiores são depositadas na parte inferior do frasco. Em geral, os dados na Figura 4.15 indicam que as partículas de bentonita têm tamanhos da ordem de 300 mícrons para suspensão com concentrações entre 1 e 5% em peso. Este tamanho de partícula é congruente com os tamanhos das partículas representadas na fotografia da Figura 4.15. A microscopia ótica de suspensões de bentonita em 0.4% em peso de KIMNalk em NaCl 0.5 mol/L mostra em primeiro lugar uma grande polidispersividade em tamanhos de partículas que variam aproximadamente do limite de resolução do microscópio (alguns mícrons) até cem mícrons. Partículas tão grandes quanto 100 mícrons são visualizadas, o que é da mesma ordem de grandeza que os tamanhos inferidos das medições de sedimentação. Os resultados apresentados na Figura 4.15 levam à seguinte conclusão para o projeto de experimentos reológicos com suspensões de bentonita em NaCl 0.5 mol/L. Os valores de VS,0 mostram que as partículas de 200 ou 300 mícrons sedimentarão mais de 1 mm de altura em dezenas de segundos, e que partículas podem formar pontes sólidos entre os discos de um reómetro rotacional separados por espessuras de amostra mais finas que 1 mm. Essas suspensões não são, portanto, estáveis o suficiente para permitir uma caracterização reológica. Usando uma geometria de placa paralela com um intervalo da ordem de 1 mm, ou uma geometria de Couette com 20 cm de comprimento, a estrutura da amostra mudará durante o curso do teste reológico. A estrutura evoluirá de uma suspensão homogénea para um sistema separado por fases com diferentes concentrações de bentonita ao longo da espessura ou do comprimento da geometria de medição, como sugerido pelas fotografias relatadas 95 na Figura 4.14. Além disso, a escala de tempo dessa mudança estrutural é mais rápida que a duração da experiência utilizada para avaliar um espectro mecânico ou uma curva de fluxo. A Figura 4.16 compara a estrutura de uma suspensão de bentonita a 5% em peso em água destilada e em 0.4% em peso de KIMNalk com NaCl a 0.5 mol/L. Aniões Cltrazidas pelo sal NaCl desestabilizam as interações eletrostáticas repulsivas entre as partículas de bentonita, promovendo a agregação de partículas em flocos (Mewis J., 2012). Estes flocos são grandes e densos o suficiente para eventualmente sedimentar. A barra de escala nas Figuras 4.16 a) e c) também indica que os flocos de bentonita são maiores que 100 mícrons. Assim, tamanhos extraídos de medidas de sedimentação relacionam-se não apenas com partículas de bentonita simples, mas também com flocos de bentonita feitos de uma coleção de pequenas partículas de bentonita. Flocos semelhantes não estão tanto presentes em suspensões preparadas com água destilada. Em vez disso, são visualizadas estruturas menos floculadas na Figura 4.16 b) conjuntamente com partículas de bentonita simples semelhantes às encontradas com a solução de suspensão de KIMNalk a 0.4% em peso em NaCl 0.5 mol/L. Além disso, a Figura 4.16 d) mostra partes do fluido com uma estrutura espacialmente homogénea que é devida à estabilização catiónica (Na+) de partículas únicas de bentonita em água. 96 Figura 4.16 Imagens de microscópio ótico de suspensão de bentonita 5% em peso em 0.4% em peso de KIMNalk e 0.5 M NaCl ((a) e c)) e em água destilada (b) e d)). As barras vermelhas indicam 100 mícrons. Como conclusão deste estudo preliminar de suspensões de bentonita, suspensões sem NaCl devem ser usadas para caracterização reológica, já que as suspensões em água destilada não mostram sedimentação devido à floculação das partículas (ver Figuras 4.16 b) e d). Todas as suspensões remanescentes foram assim preparadas com soluções de 1% em peso de carragenina em água destilada como fluido de suspensão, ou simplesmente com água destilada para fins de avaliação comparativa. 97 4.3.2. Reprodutibilidade dos resultados reológicos. O protocolo experimental para caracterizar as suspensões de bentonita começa com a aplicação de uma taxa de corte constante ao longo de 60 segundos após o carregamento da amostra no reómetro. As respostas das viscosidades a esta taxa de corte constante estão ilustradas na Figura 4.17 para duas suspensões de bentonita formuladas com KIMNalk e KIMNat. A aplicação de uma taxa de corte constante ao longo de 60 segundos foi projetada para apagar o histórico de corte das amostras induzido pela colocação das mesmas no reómetro. Uma estrutura dinamicamente equilibrada constante é conseguida pela aplicação de uma taxa de corte constante ao longo de um tempo suficiente. O controle da taxa de corte e a obtenção de uma resposta de viscosidade de corte constante ajudam a induzir uma estrutura reproduzível na suspensão. Os dados da Figura 4.17 mostram que uma duração de corte de 60 segundos é suficiente para atingir um equilíbrio dinâmico: um valor constante é alcançado após 60 segundos, apesar das oscilações nos transientes de viscosidade de corte. Os transientes mostram reprodutibilidade satisfatória em tempos mais longos quando uma estrutura equilibrada é induzida por fluxo, pois dois testes com históricos de corte das amostras inerentemente diferentes (devido a impossibilidade de reproduzir a colocação das amostras dentro do reómetro) fornecem uma viscosidade de estado estacionário similar. 98 010 20 30 40 50 60 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10  (Pa.s) tempo (s) 010 20 30 40 50 60 4.98 5.00 5.02 KIMNalk KIMNat taxa de cisalhamento (s-1) tempo (s) Figura 4.17 Evolução temporal da viscosidade de corte após aplicação de uma taxa de corte constante de 5 s-1 para uma suspensão de bentonita a 5.75% em 1% em peso de KIMNalk (quadrados e triângulos para 2 amostras diferentes) e em 1% em peso de KIMNat (linha e círculos verdes para mostrar 2 testes realizados com 2 amostras diferentes). A inserção apresenta a evolução temporal da taxa de corte aplicada (linhas pretas: suspensões com KIMNalk; linhas verdes: suspensão com KIMNat). O significado da resposta periódica da viscosidade de corte não é claro. Tal periodicidade está ausente nos transientes da taxa de corte (ver inserção na Figura 4.17), sugerindo, assim, que as oscilações se originam do sinal de torque. A instabilidade do fluxo inercial também é descartada. Os números de Reynolds Re calculados para os testes plotados na Figura 4.17 são dados pela seguinte equação (Macosko, 1994): 𝑅𝑒=𝜌𝑅𝑑𝛾󰇗 𝜂 (4.3) onde  é a densidade do fluido (aqui tomada como 1 g/cm3 como primeira aproximação para uma amostra à base de água), R é o raio do disco do reómetro (10 mm), d é a espessura da amostra (que variou entre 1 e 1.15 mm para testes relatados na Figura 4.17), 𝛾󰇗 é a taxa de corte e  a viscosidade 99 de corte. Os números de Reynolds calculados para os testes relatados na Figura 4.17 são menores que 0.1, o que está significativamente abaixo do número crítico de Reynolds (da ordem de 2000) relatado para o surgimento de instabilidades de Taylor em diferentes geometrias de fluxo (Macosko, 1994). As imperfeições do reómetro no regime de baixo torque são suspeitas de serem responsáveis pelas oscilações nos transientes de viscosidade exibidos na Figura 4.17, porque ambos os conjuntos de dados medidos com diferentes amostras e espessura d mostram periodicidade similar no transiente de viscosidade. O resultado mais importante dos testes mostrados na Figura 4.17 é a reprodutibilidade dos valores de viscosidade de corte após 60 segundos. Tal reprodutibilidade indica a criação de uma estrutura controlada (e, portanto, reprodutível) nas suspensões, o que é um pré-requisito para alcançar uma melhor reprodutibilidade experimental nas experiências seguintes. O protocolo experimental seguido após o pré corte de 5 s-1 é ilustrado na Figura 4.18. A cinética da formação estrutural na suspensão é capturada na Figura 4.18a e indica que 4000 segundos são necessários para alcançar um equilíbrio estrutural. Sob tais condições, o espectro mecânico da suspensão pode ser medido. A Figura 4.18b indica que a suspensão mostra um comportamento que lembra os géis particulados (Macosko, 1994; Mewis J., 2012), para os quais um módulo de armazenamento de corte G’ quase independente da frequência é significativamente maior que o módulo de perda de corte G’’, para toda a faixa de frequência medida. O comportamento do gel particulado de suspensões concentradas de bentonita está bem documentado, ver por exemplo (Busch et al, 2018; Barnes, 2000; Gui Wang, 2018; Plog, Kulicke, 2005; Mewis J., 2012) e referências neles contidas. Igualmente amplamente divulgada na literatura é a tixotropia exibida por esta classe de materiais e que é espelhada no desajuste entre as curvas de fluxas medidas durante a subida e descida da velocidade de corte. Isso é ilustrado na Figura 4.18c, onde a sobreposição dos valores de tensão medidos durante as duas rampas consecutivas ocorre em taxas de corte maiores. Em contraste com isto, grandes diferenças a taxas de corte mais baixas sublinham o efeito do tempo nas propriedades viscoelásticas da suspensão. A cedência do gel de suspensão concentrada de bentonita, caracterizada por testes de corte oscilatório de grande amplitude, semelhantes aos relatados na Figura 4.18d, também é uma observação marcante em suspensões de partículas concentradas (Mewis J. & Wagner N.J., 2012). O comportamento independente da tensão tanto de G ’quanto de G’’ em tensões mais baixas indica o regime linear de 100 viscoelasticidade. Para tensões acima de 3 Pa, G’ cai significativamente de forma abrupta, enquanto G'' passa por um máximo antes de cair para valores pequenos. A queda concomitante em G' e o máximo em G'' é chamada de efeito Payne (Payne, 1962). A suspensão tipo gel, com elasticidade da ordem de G' = 100 Pa, passa por uma transição de um sólido (G' > G'') para um líquido (G'< G''), pois a tensão de corte desencadeia a cedência (rutura) da estrutura de gel. 10-1 100101102 100 101 102 G' G'' (Pa.s) tensão (Pa) 01000 2000 3000 4000 100 101 102 d) a) G' G'' (Pa.s) tensão (Pa) 10-2 10-1 100101 100 101 102 103 G' G'' (Pa.s) frequência (Hz) b) 101102 100 101c) tensão (Pa)  (s-1) Figura 4.18 Protocolo experimental para a caracterização reológica de uma suspensão de bentonita a 5.75% em 1% em peso de KIMNat a 25°C: a) teste de varrimento de tempo realizado após a aplicação durante 60 segundos de um pré-corte a uma taxa de 5 s-1 ; b) teste de varrimento de frequência realizado logo após atingir o equilíbrio estrutural do gel; c) alça de tixotropia onde as taxas de corte são aumentadas (símbolos abertos) e então desdobradas (símbolos sólidos); d) rampa LAOSS. A aplicação de um pré-corte é conhecida por melhorar a reprodutibilidade de dados reológicos para suspensões de partículas concentradas (Mewis J. & Wagner N.J., 2012). Mas suas limitações também foram estudadas recentemente para o caso peculiar de fluidos de perfuração (RR et al., 2017). Portanto, vamos agora verificar a reprodutibilidade dos dados reológicos para cada etapa do protocolo experimental, ou seja, a varrimento de tempo (medição da cinética de recuperação estrutural de tipo gel da suspensão), a varrimento de frequência (medição do espectro mecânico), a alça de tixotropia e a LAOSS. A satisfatória reprodutibilidade experimental da caracterização reológica linear correspondente Tempo 101 aos ensaios ilustrados nas Figuras 4.18a e 4.18b é demonstrada na Figura 4.19, que apresenta a recuperação estrutural e o espectro mecânico medido com duas suspensões de bentonita testadas na geometria Couette. 101102103 101 102 G' G'' (Pa) tempo (s) CC10 teste 1 CC10 teste 2 10-1 100101 101 102 103 104 G' G'' (Pa) frequência (Hz) Figura 4.19 Dependência temporal do módulo de armazenamento de corte (G’, símbolos sólidos) e do módulo de perda de corte (G’’, símbolos vazios) medida com um varrimento de tempo realizada logo após a cessação do fluxo do pré-corte. Quadrados e círculos correspondem a dados registados com duas suspensões diferentes de bentonita (5.75% em peso) em água. Inserção: espectros mecânicos medidos no final do varrimento de tempo. A boa sobreposição dos dados medidos com duas amostras diferentes de suspensões de bentonita em água confirma que a aplicação do pré-corte é pertinente para induzir uma estrutura reproduzível nas suspensões. Um nível similar de reprodutibilidade foi alcançado na geometria da placa paralela, como mostrado na Figura 4.20 para duas amostras de suspensão de bentonita formuladas em K + I. Neste caso, ambas as amostras foram testadas com uma espessura de 1.1 mm entre os discos do reómetro. 102 0.0 2.0x1034.0x1036.0x103 102 G' (Pa) tempo (s) teste 1 teste 2 10-2 10-1 100101 101 102 103 G' G'' (Pa) frequência (Hz) CC10 try 1 CC10 try2 Figura 4.20 Evolução do tempo do módulo de armazenamento de corte G' registado durante os testes de varrimento de tempo realizados após a pré-corte de uma suspensão de bentonita em solução de K + I. Quadrados e círculos correspondem a dois testes separados realizados em duas amostras de espessura similar (espessura de 1.1 mm) da mesma suspensão. Inserção: testes de varrimento de frequência (G’, símbolos sólidos; G’’, símbolos vazios) realizados após os testes de varrimento de tempo. A reprodutibilidade das propriedades reológicas não lineares é, no entanto, menos satisfatória. Isto é ilustrado nas Figuras 4.21 e 4.22, para as alças de tixotropia e as rampas de LAOSS, respetivamente. 103 10 100 1000 1 10 tensão (Pa) taxa de cisalhamento (s-1) CC10 teste 1 subida descida CC10 teste 2 subida descida Figura 4.21 Alças de tixotropia realizadas em duas amostras de suspensão de bentonita. Cores e símbolos diferentes indicam amostras diferentes, enquanto símbolos preenchidos e vazios referem-se à subida e descida das taxas de corte, respetivamente. As alças de tixotropia foram realizadas após um pré-corte, um teste de varrimento de tempo e um varrimento de frequência, conforme ilustrado nas figuras 4.17, 4.18a e 4.18b. A sobreposição de dados só é alcançada para grandes valores da taxa de corte (ver valores de tensão na Figura 4.21 para taxas de corte da ordem de 400 s-1) ou tensão (ver valores de G' ou tan para tensões maiores que 20 Pa na Figura 4.22), quando a amostra foi fluidizada pelo corte imposto. Em contraste com isso, há uma falta de reprodutibilidade em taxas de corte e tensões mais baixas. Na alça de tixotropia, o valor do platô de tensão antes do início do fluxo mostra alguma variação. Uma comparação entre símbolos sólidos na Figura 4.21 indica um platô de tensão de 8 Pa e 10 Pa para os testes 1 e 2, respetivamente. A variação é ainda maior se os valores medidos durante a redução das taxas de corte forem considerados: o platô de tensão medido na “tentativa 2” é quase duas vezes maior do que o valor do platô medido na “tentativa 1”. No entanto, as alças tixotrópicas podem ser comparadas a modelos diferentes (veja abaixo). A precisão nos parâmetros do modelo, computada da adequação dos modelos aos dados, será comparada ao erro associado à reprodutibilidade experimental ilustrada na Figura 4.21. Taxa de corte (s-1) 110 carrageninas híbridas. O mesmo ajuste e tratamento estatístico para dados de suspensões de bentonita em água retorna um expoente b = 0.165 ± 0.008 para o comportamento da lei de potência em um tempo maior. b é, portanto, significativamente maior do que para suspensões com carrageninas híbridas, indicando, assim, que os carrageninas híbridas retardam a reconstrução estrutural das suspensões. Uma cinética mais longa para a reconstrução estrutural foi identificada com uma melhor dispersão de partículas em suspensões coloidais modelo de nanopartículas de sílica (Frohlich et al., 2016; GalindoRosales, Moldenaers, & Vermant, 2011). Mais tempo é necessário para o rearranjo de partículas dispersas em agregados fractais crescentes (flocos) que aumentam a elasticidade do material através da formação de uma rede tridimensional (Mewis J. & Wagner N.J., 2012). Portanto, a cinética mais lenta medida com carrageninas híbridas sugere que esses polissacáridos contribuem para a formação de uma suspensão menos floculada das partículas de bentonita. O tempo de varrimento realizado com a suspensão de bentonita na mistura de carrageninas comerciais kappa e iota dá um comportamento qualitativamente diferente, uma vez que dois processos são identificados. A cinética da recuperação estrutural começa lentamente com um expoente de lei de potência b da mesma ordem de grandeza que aqueles encontrados para suspensões em soluções de carrageninas híbridas (compare as inclinações na Figura 4.26). No entanto, uma aceleração da formação estrutural aparece num tempo maior. O valor do parâmetro b para este último processo é de 1.78 ± 0.38. O fato de dois polissacáridos de carragenina com diferentes comportamentos viscoelásticos em água estarem presentes na suspensão de bentonita sugere fortemente que os dois processos cinéticos estão conectados com os dois tipos de carragenina. Em geral, o quadro estrutural transmitido pela comparação dos dados reológicos apresentados na Figura 4.26 com os resultados reportados para o modelo de suspensões coloidais, é que a presença de carragenina híbrida confere uma estrutura mais aberta aos agregados de partículas de bentonita. Elasticidade das suspensões A Figura 4.27 mostra espectros mecânicos representativos medidos para os quatro tipos de suspensões de bentonita. Todos os espectros são qualitativamente similares, uma vez que são característicos de géis particulados, como observado acima. 111 10-1 100101 100 101 102 103 G' G'' (Pa) frequência (Hz) Figura 4.27 Dependência de frequência dos módulos de armazenamento (símbolos G', vazios) e perda (G'', símbolos sólidos) de suspensões de bentonitas em água (quadrados),) e em soluções de KIMNalk (círculos), de KIMNat (triângulos) e de K + I (diamantes). O tipo de carragenina utilizada para suspender as partículas de bentonita desloca essencialmente verticalmente os módulos de corte dos géis resultantes. Uma comparação quantitativa da elasticidade do gel é dada na Tabela 4.7, onde as barras de erro para o parâmetro G0, o módulo de armazenamento medido a 1 Hz, são calculadas a partir de testes triplicados. O KIMNalk é o polissacárido mais eficaz para a obtenção de um gel mais elástico, o que está em harmonia com os resultados encontrados para a cinética. Uma estrutura agregada mais aberta, que leva mais tempo para se acumular, leva a uma maior elasticidade, uma vez que o estado do gel é atingido em uma fração de volume de partícula menor quando comparado a agregados mais densos (Jancar et al., 2010; Mewis J. & Wagner N. J., 2012). O gel mais fraco é formado quando a bentonita é suspensa em solução de KIMNat. Tabela 4.7: parâmetros extraídos da caracterização reológica de suspensões de bentonita preparadas nos fluidos de suspensão listados. 0 são relatados para experimentos realizados aumentando (0 para cima) ou para baixo (0 para baixo) as taxas de corte. Suspensão de fluido b G0 (Pa) 0 para cima 0 para baixo max (Pa)  (Pa) Água 0.165  0.008 277  9 6.51  0.81 2.65  1.02 35.6  4.1 40  4 112 K+I 1.78  0.38 238  31 1.46  0.45 0 16.1  2.2 22  2 KIMNat 0.145  0.005 95  1.5 1.01  0.20 0 6.7  0.8 9.8  4.2 KIMNalk 0.145  0.005 406  78 5.7  1.9 4.9  1.2 37.5  12.5 39  14 Tixotropia e tensão de cedência dinâmica Voltamos agora às propriedades viscoelásticas não-lineares das suspensões equilibradas, ou seja, suspensões submetidas a um pré-corte, depois a um estudo cinético para acompanhar a recuperação estrutural e, finalmente, a um varrimento de frequência para o registo de um espectro mecânico em equilíbrio. A Figura 4.28 mostra alças de tixotropia representativas medidas com os quatro tipos de suspensões. Todas as suspensões mostram diferentes extensões de tixotropia, pois os dados registados em taxas de corte mais baixas durante a varrimento para cima das taxas de corte são diferentes dos dados registados durante a varrimento para baixo. 10 100 0.1 1 10 100 tensão (Pa) taxa de cisalhamento (s-1) água KIMNalk KIMNat K+I 10 100 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 viscosidade (Pa.s) taxa de cisalhamento (s-1) Figura 4.28 curvas de fluxo (tensão em função da taxa de corte) medidas varrendo para cima as taxas de corte (símbolos sólidos) seguidas por um varrimento para baixo das taxas de corte (símbolos vazios). Inserção: dependência da taxa de corte da viscosidade de corte das suspensões de bentonita em KIMNat (triângulos) e K + I (diamantes) medidas durante a varrimento das taxas de corte. Em particular, para amostras formuladas em KIMNat e K + I, a tensão de cedência dinâmica, caracterizada por um patamar nas tensões medidas durante a varrimento para cima das taxas de corte, Taxa de corte (s-1) 113 desaparece quando as taxas de corte são arrastadas para baixo. Em vez disso, as curvas de fluxo correspondentes mostram um patamar de viscosidade em taxas de corte mais baixas (ver inserção na Figura 4.28). Para estas duas suspensões, não restou tempo suficiente para as suspensões construírem uma estrutura com elasticidade mensurável (isto é, com uma tensão de cedência suficientemente alta) durante a varrimento para baixo das taxas de corte. Essas estruturas, cuja elasticidade é caracterizada pelos dados mostrados na Figura 4.27, resistiram a uma faixa de taxas de corte antes de ceder para maiores taxas de corte durante a varrimento para cima. Portanto, dentro da janela de tempo associada as experiências ilustradas na Figura 4.28, as suspensões de bentonita em KIMNat e K + I apresentam maior tixotropia quando comparadas às suspensões em água e em KIMNalk, que apresentam tensões de cedência em todas as curvas de fluxo. Equações constitutivas estão disponíveis para relacionar a estrutura da suspensão com tensões, taxas de corte e o tempo, em materiais mostrando tixotropia e tensão de cedência (Mewis J. & Wagner N.J., 2012). O modelo mais simples para descrever fluidos tixotrópicos com tensão de cedência consiste em duas equações acopladas, uma descrevendo a evolução temporal da estrutura do material sob corte e a outra para relacionar a estrutura com a viscosidade (Møller, Mewis, & Bonn, 2006). No entanto, esta abordagem leva à determinação de 5 parâmetros e a tensão de cedência é uma consequência natural do modelo em vez de um parâmetro a ser ajustado aos dados experimentais. Para propósitos de engenharia que requerem a determinação de um pequeno número de parâmetros quantificáveis sem qualquer suposição sobre a estrutura de material subjacente e tixotropia, vários modelos reológicos foram propostos (ver por exemplo (Barnes, 2000) e referências lá), os quais omitem o tempo característico para recuperar uma estrutura. Contudo, o ajuste destes modelos a dados experimentais é prontamente acessível e produz parâmetros que são convenientes para uma comparação entre suspensões. Um estudo recente de aditivos à base de celulose para fluidos de perfuração de bentonita revisou os vários modelos reológicos que são empregados com mais frequência para fluidos de perfuração Li et al., 2016). Entre esses modelos introduzidos no capítulo 2, deve-se excluir aqueles que não incluem intrinsecamente um platô de tensão a taxas de corte mais baixas, já que o objetivo do presente exercício de ajuste é extrair um valor de tensão de cedência. Assim, os modelos Sisko e lei de potência são aqui excluídos. A equação de Herschel-Bulkley descreve os materiais com tensão de cedência que fluem com um comportamento não-Newtoniano a taxas de corte acima da tensão 114 de cedência. Assim, este modelo de 3 parâmetros (ver Equação 2.6) parece o mais apropriado para reproduzir os dados exibidos na Figura 4.28. Outro modelo de 3 parâmetros que poderia ser adequado para os dados experimentais é o modelo de Heinz-Casson (ver Equação 2.8). Um terceiro modelo também foi testado, a saber, o modelo de Robertson-Stiff (ver Equação 2.10). As Equações 2.6, 2.8 e 2.10 foram testadas para se ajustarem a um conjunto de dados, tendo em vista a seleção do melhor modelo para extração dos valores de tensão de cedência dos ajustes para as curvas de escoamento. A Figura 4.29 apresenta os ajustamentos correspondentes a uma curva de fluxo de suspensão de bentonita em água e a uma curva de fluxo de suspensão de bentonita em solução de K + I. Essas duas curvas de fluxo foram selecionadas devido à maior faixa de taxas de corte disponíveis e ao maior nível de elasticidade. Os valores dos parâmetros dos modelos calculados a partir dos ajustes aos dados experimentais estão listados na Tabela 4.8. O coeficiente de correlação ao quadrado R2 e o qui-quadrado reduzido 2 também são relatados na tabela para uma estimativa quantitativa da qualidade dos ajustes. 10 100 10 water Herschel-Bulkley Heinz-Casson Robertson-Stiff tensão (Pa) taxa de cisalhamento (s-1) K+I Herschel-Bulkley Heinz-Casson Robertson-Stiff Figura 4.29 Curvas de fluxo, medida durante a redução das taxas de corte para suspensões de bentonita em água (quadrados) e a aceleração das taxas de corte para a suspensão de bentonita em solução de K + I (diamantes). As linhas são ajustadas aos dados experimentais usando as Equações 2.6 (linhas sólidas), 2.8 (linhas tracejadas) e 2.10 (linhas pontilhadas). Taxa de corte (s-1) 115 Tabela 4.8: parâmetros das Equações 2.6, 2.8 e 2.10 calculados a partir dos ajustes dos modelos correspondentes aos dados para suspensões de bentonita em água e em soluções de K + I, plotados na Figura 4.27. Modelo Bentonita em água Bentonita em K+I Herschel-Bulkley (Equação 2.6) 0 = 4.389  0.299 Pa 0 = 0.938  0.476 Pa K = 0.331  0.072 Pa.s K = 0.941  0.105 Pa.s n = 0.625  0.033 n = 0.674  0.018 R2 = 0.9952 R2 = 0.9982 2 = 0.113 2 = 0.614 Heinz-Casson (Equação 2.8) 𝛾0 󰇗 = 3.74  0.46 Pa 𝛾0 󰇗 = (0.1  2.1)x10-6 Pa K = 0.133  0.017 Pa.s K = 0.592  0.052 Pa.s n = 0.425  0.054 n = 0.053  0.061 R2 = 0.9944 R2 = 0.998 2 = 0.1279 2 = 0.707 Robertson-Stiff a (Equação 2.10) 𝛾0 󰇗 = 6.935  3.174 s-1 𝛾0 󰇗 = 2.603  1.212 s-1 K = 0.449  0.061 Pa.s K = 1.004  0.074 Pa.s n = 0.601  0.022 n = 0.666  0.012 R2 = 0.996 R2 = 0.998 2 = 0.128 2 = 0.546 a : para este modelo, a tensão de cedência  é dada por 𝜎=𝐾𝛾0 𝑛 󰇗. Para calcular o erro associado a  , podemos começar calculando ln𝜎=𝑙𝑛𝐾+𝑛𝑙𝑛𝛾0 󰇗. Então a derivada de ln  em relação a todos os parâmetros que mostram erros é dada por 𝑑𝜎 𝜎=𝑑𝐾 𝐾+𝑙𝑛𝛾0 󰇗𝑑𝑛 𝑛+ 𝑛 𝛾0 󰇗𝑑𝛾0 󰇗. O rearranjo desta expressão dá o seguinte erro d  para a tensão de cedência: 𝑑𝜎=𝛾0 󰇗𝑛𝑑𝐾+ 𝜎𝑙𝑛𝛾0 󰇗 𝑛𝑑𝑛+𝑛𝐾𝛾0 󰇗𝑛−1𝑑𝛾0 󰇗 onde dK , dn e 𝑑𝛾0 󰇗 são os respectivos erros nos parâmetros K , n e 𝛾0 󰇗. Os dados da Tabela 4.8 indicam que todos os três modelos permitem computar ajustes satisfatórios aos dados à medida que todos os cálculos convergiram, com exceção da equação de Heinz-Casson que não se ajustou corretamente à curva de fluxo da suspensão de bentonita em K + I. Neste caso específico, os parâmetros n e 𝛾0 󰇗 foram computados com erros muito grandes. De facto, a Equação 2.8 retornou o menor R2 entre os 3 ajustes. O modelo de Robertson-Stiff foi o mais eficiente em ajustar as duas curvas experimentais, já que este modelo retornou os menores valores para 2 ou o maior R2 . No entanto, no que diz respeito à determinação da tensão de cedência, a Equação 2.10 retorna uma estimativa indireta, uma vez que a tensão de cedência é dada pelo produto K 𝛾0 󰇗 n . Como resultado, a tensão de cedência 116 computada suporta todos os erros dos três parâmetros correspondentes (ver nota a na Tabela 4.8). Por exemplo, o modelo Robertson-Stiff fornece um valor de tensão de cedência com erro de 45% para bentonita em água. A este respeito, o modelo de Herschel-Bulkley apresenta melhor desempenho, pois a tensão de escoamento é dada diretamente pelo parâmetro do modelo 0 , que é computado com 7% de erro para a bentonita na água (ver Tabela 4.7). Por esse motivo, a Equação 2.6 foi selecionada para ajustar todas as curvas de fluxo mostrando uma tensão de escoamento. Os valores correspondentes 0 são relatados na Tabela 4.7 para os experimentos realizados aumentando e diminuindo as taxas de corte. Como os experimentos foram realizados em triplicatas para todas as amostras, 0 na Tabela 4.7 são relatados com erro estatístico maior do que o erro originado da qualidade dos ajustes aos dados. Os dados relatados na Tabela 4.7 mostram que os fluidos de perfuração formulados com K + I ou KIMNat possuem as menores tensões de cedência. Este resultado deve ser comparado com sua menor elasticidade, como mostrado na Figura 4.27. A adição de KIMNalk à suspensão de bentonita não modifica significativamente a tensão de cedência da solução de bentonita em água, pois o erro originado da reprodutibilidade experimental impede uma clara distinção entre os dois fluidos de perfuração. Por outro lado, a diferença entre os valores de 0 medidos durante a varrimento para cima e para baixo das taxas de corte fornece uma estimativa quantitativa da extensão da tixotropia nessas duas suspensões. Esta análise sugere que o uso de KIMNalk na formulação de perfuração é benéfico na redução da extensão da tixotropia: dentro do erro experimental, não há variação doi parâmetro 0 obtido a partir dos dois varrimentos (ver Tabela 4.7). Tensão de cedência, caracterizada pelos parâmetros G''max e tan A Figura 4.30 exibe rampas representativas LAOSS realizadas em suspensões de bentonita formuladas com os quatro tipos de fluidos testados neste estudo. 117 10-1 100101102 100 101 102 103  G'' (Pa) tensão (Pa) água KIMNalk KIMNat K+I  max Figura 4.30 Dependência do módulo de armazenamento (G', símbolos vazios) e de perda (G'', símbolos sólidos) em função da tensão oscilatória para suspensões de bentonita em água (quadrados), em KIMNalk (círculos), em KIMNat (triângulos) e em K + I (diamantes). Como mencionado anteriormente, todos os dados na Figura 4.30 mostram o efeito Payne, em que o regime não linear é caracterizado por um máximo local em G’’ que é concomitante com a queda repentina em G’. Várias análises de dados similares àquele plotados na Figura 4.30 foram sugeridas para extrair o valor da tensão de cedência a partir de experimentos LAOSS (Mewis J. & Wagner N.J., 2012). Uma análise de dados mais versátil é considerar o cruzamento entre G’ e G’’ como o critério para a cedência/rutura do sólido (Shih, Shih, & Aksay, 1999). A tensão  onde G’= G’’ é identificada por um valor específico do ângulo de fase, ou seja, tan = 1, como tan = G’’/ G’. Ao longo da transição sólidolíquido,  sinaliza o ponto específico onde a suspensão é tão líquida quanto sólida na frequência testada. Assim, indica a rutura da estrutura elástica da suspensão que é então fluidizada pela tensão imposta. O máximo local em G’’ também foi associado ao derretimento irreversível da gaiola formada em torno de uma partícula por partículas vizinhas em teorias de acoplamento de modo para materiais vítreos (Sollich, 1998). Como tal, a tensão max , onde o máximo em G’’ está localizado, foi sugerida como o limite da 118 cedência. Os valores para  e max extraídos de todas as rampas LAOSS realizadas com cada suspensão de bentonita estão reunidos na Tabela 4.7. Os erros nas tensões de cedência relatados na tabela são calculados a partir da estatística de experimentos triplicados. Os resultados da Tabela 4.7 indicam que as suspensões preparadas em água e KIMNalk são mais resistentes às tensões de corte impostas do que as outras suspensões. Esses resultados estão em harmonia com as estimativas de tensão de cedência obtidas com as alças tixotrópicas. O início do fluxo sinalizado pela tensão de cedência foi visto como sendo transferido para tensões maiores para melhores dispersões de nano sílica em dispersões modelo (Galindo-Rosales et al., 2011). A maior sensibilidade a tensão de suspensões mais floculadas também é amplamente relatada (Mewis J. & Wagner N.J., 2012). Portanto, levando em conta a grande literatura sobre as suspensões coloidais idealizadas, pode-se racionalizar os maiores valores da tensão de cedência nas suspensões de água e KIMNalk por uma estrutura menos agregada das partículas de bentonita. Esta conclusão está em harmonia com o quadro estrutural que emergiu dos espectros mecânicos e a comparação da elasticidade G0 das suspensões. Uma última nota aqui é sobre o desbaste de tensão (diminuir em G’ com tensão) ilustrado na Figura 4.28, que é também uma característica de suspensões coloidais fracamente floculadas (de Rooij, van den Ende, Duits, & Mellema, 1994). Tal pseudoplasticidade não é relatado para géis coloidais fractais com fortes ligações entre os agregados. Em vez disso, esses sistemas fornecem um comportamento de endurecimento de tensão (aumento de G’ com tensão) (Gisler, Ball, & Weitz, 1999). Este endurecimento é visível nas curvas em amostras com água e em KIMNat: o G’ passa por um máximo antes da queda. Esta diferença reológica não linear entre água e KIMNat por um lado, e KIMNalk e K+I por outro lado, indica 2 regimes de elasticidade dos flocos de bentonita nestas suspensões. Em água e KIMNat, os flocos de bentonita são elasticamente mais fracos que as ligações entre flocos. Isto corresponde ao regime desenhado por “strong links” ou “weak floc” nas teorias de suspensões coloidais de estrutura fractal (Mewis J. & Wagner N.J., 2012) (Gisler et al., 1999). Ao contrário, em K+I e KIMNalk, os flocos de bentonita são elasticamente mais fortes que as ligações entre flocos. Isto corresponde ao regime desenhado por “weak links” ou “strong floc”. 119 4.3.4. Estrutura das suspensões de bentonita. Imagens de microscopia ótica de géis de bentonita em água e soluções de carragenina são relatadas na Figura 4.31, onde diferentes ampliações foram usadas. Figura 4.31 Imagens de microscopia ótica de suspensões de bentonita gelificadas em KIMNalk (a, b), em água (c, d), em K + I (e, f) e em KIMNat (g, h). As amostras fotografadas são aquelas estudadas com reometria. Barras de escalas correspondem a 1 mm (linha superior) e 100 mícrones (linha inferior). As imagens da Figura 4.31 revelam que os géis de bentonita na água exibem uma textura que é espacialmente mais homogénea à microescala. Em contraste, a textura dos géis formulados em K + I e KIMNat mostram regiões mais escuras e mais claras. A quebra de gel que ocorre durante a compressão destas amostras mecanicamente mais fracas (preparação de amostra para placa microscópica) explica os domínios brancos representados nas imagens 4.31e e 4.31g: a passagem de luz através dos vazios criados nas amostras contrasta com partes inteiras mais escuras. As subáreas de géis baseados em K+I e KIMNat, onde a quebra induzida por compressão não ocorreu, são visualizadas nas imagens 4.31f e 126 4.4. FORMAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE PEC 4.4.1 Seleção das carrageninas híbridas e do plano experimental A revisão da literatura sobre a formação de PECs de quitosano e carragenina mostrou os seguintes factos: 1) Todos os estudos foram efetuados em presença de pelo menos 1 catião introduzido pela carragenina utilizada, sendo ela comercial (Hugerth et al., 1997; Shumilina & Shchipunov, 2002) ou extraída de algas da família Gigartinaceae (Volod’ko et al., 2012, 2014, 2016). Assim, a formação não é só dependente do solvente utilizado (com pH, força iónica e natureza do catião utilizado para monitorar a mesma), mas também é afetada pelo tipo de catião levado pela carragenina. 2) Carragenina em conformação de pelota, ou de hélice ou de agregados de hélices (e logo com possibilidade de gelificar) foram utilizadas para discutir o efeito da estrutura química da carragenina sobre os PECs. Assim, o efeito da estrutura química da carragenina híbrida (em particular o grau de sulfatação e a distribuição dos grupos de sulfato na cadeia polimérica) com a mesma conformação e sem agregação, nunca foi sujeito de estudo. 3) Carragenina híbrida de tipo KIMN nunca foi testada. 4) Os efeitos do peso macromolecular e do grau de acetilação do quitosano sobre a formação dos PECs não foram separados, uma vez que quitosanos com variação simultânea nestes dois parâmetros foram utilizada em estudos publicados (Hugerth et al., 1997; Volod’ko et al., 2012). Seguindo ainda a literatura sobre PEC de quitosano com kappa-, iota-, ou lambda-carragenina , sabemos que muitos parâmetros podem influenciar a formação, estrutura e solubilidade do PEC (Volod’ko et al., 2014, 2016). Para manter um plano de estudo exequível no tempo dedicado a tese e focando sobre o efeito da estrutura química da carragenina híbrida KIMN sobre a formação dos PECs com quitosano, proponhamos testar dois quitosanos de peso molecular diferente, mas com o mesmo grau de acetilação, assim como 2 KIMN com quantidade em Kappa-carragenina (parâmetro K em % moles) e conteúdo relativo em sulfatos (parâmetro S ) diferentes, ver Tabela 4.10. Mas, ambos 127 apresentam uma conformação de pelota nesse estudo, devido as concentrações em KIMN e força iónica utilizadas para a formação do PEC (tampão acetato, 6.44x10-2 mol.dm-3). Para podermos excluir efeitos de catiões levados pela KIMN (counter-íon) sobre o pH e a força iónica das soluções, escolhamos carrageninas híbridas obtidas por extração de algas não tratadas com um alcalino. Assim, não sendo possível mudar K e S com tratamentos alcalinos das algas, a estratégia apresentada aqui é utilizar algas diferentes que produzem carrageninas híbridas com composição química diferentes. Optou-se por 2 extratos de 2 algas obtidos em trabalhos anteriores ( Azevedo et al., 2013; Azevedo, Torres, Sousa-Pinto, & Hilliou, 2015): um KIMN da M. stellatus (KIMNmasto) e outro da A. Devoniensis (KIMNahn). As características físico-químicas das duas KIMN são apresentadas na Tabela 4.10. Tabela 4.10 Características das carrageninas híbridas extraídas sem tratamento alcalino da M. stellatus (KIMNmasto) e da A. Devoniensis (KIMNahn). As frações molares (%mole) em kappa-carragenina ( K ), nu-carragenina ( nu ) e em iotae mu-carragenina ( iota+mu ) são calculadas a partir dos espectros de 1H-RMN. O parâmetro S é obtido a partir da razão A930/1240 das intensidades das bandas de absorção a 930 cm-1 e 1240 cm-1 dos espectros de FTIR. A viscosidade intrínseca [  ] é medida em 0.1 M de NaCl aos 25ºC. Carragenina K nu iota+mu S [  ] (dL/g) Mw (g/mol) KIMNahn 46.6  2.5b 11.3  1.4b 42.1  1.1b 0.88  0.02 5.5  0.4b 3.54x105 KIMNmasto 65.6  1.4a 8.8  1.1a 25.6  1.5a 1.35  0.5a 7.0  1.1a 4.68x105 a: dados publicados em (Azevedo et al., 2013) b: dados publicados em (Azevedo et al., 2015). Os pesos macromoleculares Mw correspondentes foram calculados com a equação de Mark-HouwinkSakurada [𝜂]=𝐾𝑀𝑤 𝑎, utilizando os parâmetros K e a calculados a partir do ajuste da equação aos dados publicados em (Rochas, Rinaudo, & Landry, 1990) para uma série de carrageninas kappa em 0.1 mol/L NaCl e 25ºC. Os dados bem como os resultados do ajuste são ilustrados na Figura 4.36. De notar que os valores de K e a reportados na Figura 4.36 são diferentes dos valores reportados na publicação, o que justifica o novo ajusto apresentado. 128 Figura 4.36 Viscosidade intrínseca [  ] em função dos pesos moleculares Mw de uma série de carrageninas kappa obtidas por ultrassonicação e cromatografia preparativa de uma carragenina comercial (Rochas, Rinaudo, Landry 1990). A linha é o ajuste da equação de Mark-HouwinkSakurada ao dados com K = (2.32  0.8)x10-4 e a = 0.79  0.02. Num estudo preliminar, foram preparadas soluções de KIMNmasto e KIMNahn a 0.1% em peso. Estas soluções foram adicionadas as soluções de 0.4% em peso de quitosano de baixo e médio peso molecular, respetivamente notados QBPM e QMPM. As misturas nessas concentrações provocam a formação de precipitado visível a olho nu logo após realizar a mistura (ver figura 4.37). Então, novas concentrações foram preparadas com a metade das iniciais, sendo 0.05% em peso para as KIMN e 0.2% em peso para os quitosanos, não percebendo visualmente a formação do precipitado. Essas novas misturas foram levadas para a espectrofotometria a fim de estudar a formação dos PECs. 129 ; Figura 4.37 Mistura de soluções de KIMNahn com quitosano de baixo peso molecular. Ao lado da linha em vermelho percebe-se o precipitado formado. Um protocolo de titração detalhado no capítulo experimental foi preferido a um simples estudo de misturas, porque a titração permite uma determinação rápida dos regimes de concentração onde um PEC e formado em solução antes de uma possível precipitação (Bastos et al., 2010). A presença de PEC nas amostras titradas é detetada pela turbidez associada a formação de partículas de KIMN e quitosano. 4.4.2 Determinação da formação de PEC com experiências de titração A razão ótima de quitosano relativamente ao KIMN para formação de complexos entre os diferentes polieletrólitos foi verificada por turbidimetria (ou dispersão ótica medida a 600 nm). Para tal considerouse a razão ótima aquela onde os valores da turbidez das amostras atingiram seu ponto máximo. A Figura 4.38 mostra as curvas de turbidez para soluções contendo uma quantidade constante (0.05% em peso) de carragenina híbrida e uma quantidade crescente de quitosano a pH = 5 em tampão acetato, de todos os sistemas estudados. Nesse pH, a adição de quitosano às soluções tamponadas de carrageninas 130 híbridas induz um rápido aumento na turbidez da solução, que atinge um máximo local. Com a adição de mais quitosano, a turbidez diminui. Figura 4.38 Variação da turbidez com a adição de quitosano de peso medio (QMPM) ou baixo (QBPM) a soluções de KIMN de M. stellatus (KIMNmasto) ou de A. devoniensis (KIMNahn). No geral, as curvas de turbidez na Figura 4.38 são semelhantes às relatadas por (Volod’ko et al., 2016), embora máximos locais tenham sido obtidos com misturas de carragenina e quitosano em vez de um protocolo de tritação e sem controle de pH ou força iónica com tampão. Observe também que (Bastos et al., 2010) encontraram curvas de turbidez semelhantes para misturas de quitosano com isolados de proteína de soro de leite, com a ocorrência do máximo dependendo do pH e da força iónica das soluções, o que é esperado para esses coacervados (Espinosa-Andrews, Báez-González, Cruz-Sosa, & Vernon-Carter, 2007). Na Figura 4.38, o máximo em turbidez está localizado em diferentes proporções de polissacáridos para as diferentes carrageninas híbridas. A turbidez máxima mostra-se em 0.31% em peso / peso para o KIMNmasto, enquanto é deslocada para proporções maiores em torno de 0.71% em 131 peso / peso para o KIMNahn. Esse resultado indica que a estrutura química da carragenina híbrida (especificamente o teor de sulfato, devido às frações moleculares dos kappa, iota e mu-carragenina) afeta a formação de PEC. Quando mais grupos sulfato estão presentes na carragenina híbrida, mais quitosano é necessário para atingir a turbidez máxima. Um resultado semelhante foi apresentado na Figura 1 do relatório de (Hugerth et al., 1997), onde foram necessários mais quitosano para consumir a carragenina lambda para a formação de PEC, quando comparada com a kappa ou a iota carragenina. Mas, essa dependência química foi obscurecida pela presença de agregados de conformadores helicoidais de carragenina. O efeito da química da carragenina não foi observado por (Volod’ko et al., 2016), provavelmente porque as diferenças químicas entre as três carrageninas híbridas estudadas foram rastreadas pela presença de uma quantidade significativa de catiões (trazidos pelos polissacáridos) que afetaram a formação de PECs. As razões molares de KIMN sobre quitosano correspondentes à turbidez máxima medida na Figura 4.38 são relatadas na Tabela 4.11. Tabela 4.11 Turbidez máxima ( Tmax ), razão molar (KIMN/quitosano) para o máximo de turbidez que corresponde a formação de PECs com tamanho D (com índice de polidispersão em tamanhos pdi ) e potencial zeta Z . sistema Tmax Razão molar D (nm) pdi Z (mV) KIMNmasto/QMPM 0.32 5.31 579  3 0.24  0.06 -21.0  0.9 KIMNmasto/QBPM 0.26 3.42 453  13 0.26  0.06 -22.2  2.5 KIMNahn/QMPM 0.28 1.77 732.6  4.5 0.3  0.1 -56.4  1.9 KIMNahn/QBPM 0.33 2.06-5.5a 642  165 0.44  0.14 18.0  4.5 a: uma faixa de razões molares é dada devido à ampla turbidez máxima exibida na Figura 4.38 b: medido a 600 s durante a cinética mostrada nas figuras 4.39 e 4.40. No geral, essas proporções molares estão em concordância quantitativa com as proporções molares relatadas em (Volod’ko et al., 2016) para diferentes carrageninas. As proporções molares para o 132 KIMNmasto são significativamente maiores do que para o KIMNahn, o que confirma que são necessários mais KIMN para formar um PEC quando menos grupos de sulfato estão disponíveis na cadeia híbrida de carragenina. Este resultado é atribuído exclusivamente ao conteúdo do grupo sulfato e não à capacidade das cadeias de carragenina de se agregarem a partir de conformes helicoidais (Hugerth et al., 1997), porque todos os KIMN utilizados permanecem no estado de bobina pelo pH e força iónica utilizados nos experimentos conducentes aos resultados apresentados na Figura 4.38. Este último também indica que a massa molecular da quitosano não tem impacto na proporção em que a máxima turbidez aparece para o KIMNmasto menos sulfatado. Em contraste, para o KIMNahn mais sulfatado, o máximo de turbidez é mais amplo quando um quitosano com uma massa molecular menor é adicionado. Isso sugere que uma quantidade menor de QBPM é necessária para formar PECs quando comparada com o QMPM. (Volod’ko et al., 2012) observaram um efeito da massa molecular da quitosano na formação de PEC com kappa carragenina. A ligação completa com kappa carragenina às PECs foi alcançada com a menor massa molecular testada, enquanto o processo de ligação foi menos eficiente para a maior massa molecular. No entanto, como observado acima, um efeito adicional do grau de acetilação não pôde ser descartado, o que impediu uma conclusão clara sobre o efeito da massa molecular da quitosano. (Volod’ko et al., 2016) afirmaram que pequenos valores de turbidez com menores e maiores teores de quitosano realmente sinalizavam a formação de PECs solúveis, enquanto grandes PECs insolúveis eram formadas no máximo de turbidez. A diminuição da turbidez quando a concentração de quitosano aumenta implica que a neutralização de carga entre os dois tipos de macromoléculas ocorre (EspinosaAndrews et al., 2007). A diminuição pode ser interpretada como a redissolução dos complexos de polieletrólitos visto que o número de moléculas de quitosano por moléculas de carragenina diminui para concentrações do polissacárido carregado positivamente superiores às necessárias para a saturação das carrageninas. É importante salientar que apesar de alguns sistemas possuírem valores semelhantes de razão em peso de quitosano e KIMN para o máximo de turbidez, os mesmos apresentam curvas de turbidez distintas o que é um indicativo de que diferentes tipos de coacervatos são formados e os mesmos dependem da concentração total de biopolímeros nos sistemas. Nesse sentido, além da estrutura química da KIMN, a massa molecular dos quitosanos parece desempenhar também um papel significativo na sua capacidade de formar coacervatos (Overbeek & Voorn, 1957). 133 Com o objetivo de avaliar melhor os fenómenos de complexação entre os polissacáridos, e avaliar melhor as características dos PECs na origem do máximo em turbidez, estudou-se a cinética de formação dos coacervatos. A Figura 4.39 apresenta as variações de turbidez produzidas em função de tempo para os complexos formados no seu máximo rendimento (valores máximos de turbidez na Figura 4.38). Figura 4.39 Dependência da turbidez em função do tempo após a adição de quitosano à solução de carragenina para as quais o máximo de turbidimetria foi obtido para cada amostra. As proporções utlizadas de quitosano e KIMN são reportadas (em razão molar) na Tabela 4.11. Similarmente com o observado para a titulação dos quitosanos nas diferentes carrageninas (Figura 4.38), diferentes perfis foram obtidos. A mistura formada pelo QMPM e a KIMNahn apresenta uma cinética de formação do complexo entre estes dois polímeros que está concluída em aproximadamente 500 segundos, não havendo qualquer alteração do perfil da curva de turbidez após este tempo. O aumento parece mais lento com a QBPM adicionada a KIMNahn. São necessários 10 minutos para que a turbidez atinja o máximo antes de uma deterioração fraca por mais tempo. Observe que um decaimento lento semelhante é medido com o mesmo quitosano, mas adicionado ao KIMNmasto. Este resultado sugere que o decaimento está relacionado com a massa molecular da quitosano, pois na Figura 4.39 são relatadas leituras constantes de turbidez para o quitosano com maior massa molecular, ambas com 134 KIMNmasto ou KIMNahn. Enquanto o decaimento lento parece estar relacionado à massa molecular do quitosano, a cinética mais rápida da formação de PEC parece estar relacionada à estrutura química do KIMN. A formação completa de PEC é alcançada após 300 segundos com o KIMNmasto menos sulfatado, o que parece simplesmente devido ao menor número de aniões disponíveis para os catiões trazidos pelo quitosano. O aumento inicial da turbidez pode estar associado à formação de PECs maiores ou à formação de mais PECs de tamanho semelhante. Da mesma forma, a lenta diminuição da turbidez em períodos mais longos pode ser devida à sedimentação de PECs que atingiram tamanhos muito maiores ou à turbidez aprimorada do meio de suspensão rico em quitosano não-ligante. Caracterização adicional das soluções de PECs em diferentes momentos foi realizada para separar as contribuições do tamanho (diâmetro) D e número N de PECs para a turbidez. De facto, sabe-se que este último é proporcional ao produto ND sob a aproximação de Rayleigh-Debye-Gans para suspensões de partículas com raio D variando de 100 nm a 10 mícrones com índice de refração quase igual ao índice de refração do meio de suspensão e iluminado com luz visível (Heck, Kawai, & Strobl, 2006)(Kerker, 1969) Assim, o tamanho de PEC D foi medido com DLS em diferentes momentos durante a cinética apresentada na Figura 4.39. O diâmetro D e o índice de polidispersão são mostrados na Figura 4.40 para os quatro sistemas estudados, formulados com as razões de peso que deram o máximo na turbidez. Observe que uma suspensão monodispersa de partículas mostra um índice de polidispersão inferior a 0.05 (Drogoz, David, Rochas, Domard, & Delair, 2007). Para todos os sistemas, os PECs atingem seu tamanho final após 300 segundos. 135 Figura 4.40 Evolução em função do tempo do diâmetro e respetiva polidispersão dos PECs de quitosano e carragenina híbrida após adição da solução de 0.2 % em peso de quitosano a solução de 0.05 % em peso de carragenina, em razões de volumes que correspondem ao máximo de turbidez apresentado na Figura 4.38. Este resultado explica o nivelamento da turbidez medida para PECs preparadas com o KIMNmasto após esse período. Em contraste, o aumento mais longo da turbidez para os sistemas fabricados com KIMNahn está relacionado a um lento aumento no número de PECs com um diâmetro constante de aproximadamente 700 nm para QMPM e 600 nm para QBPM. Observe que um diâmetro máximo significativo de 700 nm é visto após 200 segundos para o QBPM adicionado ao KIMNmasto, que coincide com o máximo de turbidez, veja a Figura 4.39. Em tempos mais longos, esses PECs são muito menores, com um diâmetro de 450 nm, que não muda após 400 segundos. Assim, a queda correspondente na turbidez iniciada após 300 segundos é explicada pela redução nos tamanhos de PECs. Infelizmente, para os PECs formados com QBPM e KIMNahn, o decaimento lento (após 600 segundos) no sinal de turbidez não pode ser racionalizado pelo tamanho dos PECs, pois as medidas D estão ausentes após 600 142 5.1.1 Caracterização das carrageninas Dentre os trabalhos realizados desta tese, está a produção de carrageninas a partir das algas secas; o mecanismo de extração seguiu os protocolos de trabalhos anteriores, sequencialmente análises para sua caracterização foram realizadas, sendo: a) Caracterização da estrutura química das carrageninas: i. Espectros de ATR-FTIR para os dois tipos de carrageninas híbridas (KIMNat e KIMNalk) extraídas por processos semelhantes, porém diferentes; além de espectros das misturas das carrageninas do tipo kappa e iota (K + I). A quantidade de grupo sulfato para cada extrato foi calculada a partir dos espectros de FTIR seguindo o método descrito por Rochas et al. (Rochas et al., 1986). Os resultados indicaram que o KIMNat é significativamente mais sulfatado do que o KIMNalk. O KIMNalk é essencialmente tão sulfatado quanto a mistura comercial K + I dentro do erro experimental para determinação detetado por espectroscopia no infravermelho. ii. Os espectros de 1H-RMN que estão reportados na Figura 4.2, no capítulo 4, ofereceram uma avaliação complementar das estruturas químicas dos duas carrageninas híbridas. A análise química resumida foi postada na Tabela 4.1; de forma geral confirmou que o KIMNalk é significativamente menos sulfatado que o KIMNat. b) Caracterização reológica para as soluções de carragenina a 0.5 mol/L de NaCl i. Para carragenina KIMNat quando em concentrações maiores, as cadeias de KIMNat estão na conformação helicoidal, enquanto estão essencialmente na conformação da bobina em concentrações menores, uma vez que não há sal de NaCl suficiente para induzir a transição conformacional neste tipo de carragenina híbrida para temperaturas testadas, que foi entre 80°C e 25°C. Na literatura em (L. Piculell, 2006), há uma temperatura em que ocorre a 143 transição entre as conformações de bobina e de hélice e é conhecida por depender da concentração em carragenina, porém não ocorreu na faixa de temperatura analisadas. Assim, a maioria das soluções testadas se encontram nas informações dos confórmeros helicoidais de KIMNat 0.5 M de NaCl. ii. Para a carragenina KIMNalk a viscosidade de corte dessas soluções é muito menor do que a viscosidade de corte das soluções KIMNat preparadas em concentrações semelhantes. Para concentrações maiores, soluções de hélices foram sondadas por reometria, e mostram as temperaturas na qual há o início da formação de bobina a hélice. Quando em concentrações mais baixas, as bobinas de KIMNalk sobrepostas foram responsáveis pela resposta viscoelástica. Dentro da faixa de concentração testada e da força iónica utilizada, não se espera que agregados de hélices se formem em soluções novas de KIMNalk. Temos que o tratamento alcalino no processo de extração da carragenina não produz um polissacárido com propriedades de gelificação significativas, o que está em concordância com estudos em Azevedo et al., 2013) que mostrou que as cadeias de KIMNalk são mais curtas que a do KIMNat devido as quebras hidrolíticas. iii. Para as carrageninas comerciais os resultados dos estudos reológicos sugerem que estes polissacáridos são significativamente maiores, ou mais semelhantes a bastonetes, do que KIMNat e KIMNalk. c) Aplicação em fluidos de perfuração de poços de petróleo. i. Com base, agora nos conhecimentos sobre as propriedades das carrageninas estudadas, verificamos a sua influência na aplicação na formulação em fluidos de perfuração de poços de petróleo, a carragenina KIMNat mostrou resultados promissores no controle da perda de filtrado para fluidos de perfuração, esta conclusão foi mostrada através das análises de reologia do fluido, os ensaios de filtração e a resistência que eles apresentaram na presença de sais. 144 ii. Com os resultados de filtração não foram de encontro aos resultados de viscosimetria, estudos da interação com a bentonita foi analisada nesta tese recorendo as suspensões modelos de bentonita. Salientando que o critério de menor volume de filtrado foi utilizado para o melhor candidato na formulação do fluido. Para os estudos das suspensões de bentonita temos que as carrageninas afetam a estrutura do gel de bentonita tanto na microescala quanto na nanoescala. A floculação da bentonita em presença de KIMNat ou KIMNalk são menores do que em presença de água ou K+I. 5.1.2 Para a formação dos PECs. Nos estudos realizados com a formação dos PECs, os resultados das análises deixam claro que a variação da estrutura das carrageninas, bem como a mudança de massa molecular do quitosano leva a mudanças de características dos PECs. O quitosano com maior massa molecular associado a carragenina híbrida mais sulfatada, leva a formação de PEC maiores. 145 6. REFERÊNCIAS A Schneider, C., S Rasband, W., & Eliceiri, K. (2012). NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. In Nature Methods (Vol. 9). https://doi.org/10.1038/nmeth.2089 Agwu, O. E., Akpabio, J. U., Alabi, S. B., & Dosunmu, A. (2018). Artificial intelligence techniques and their applications in drilling fluid engineering: A review. Journal of Petroleum Science and Engineering , 167 , 300–315. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.petrol.2018.04.019 Alatorre-Meda, M., Taboada, P., Sabín, J., Krajewska, B., Varela, L. M., & Rodríguez, J. R. (2009). DNA– chitosan complexation: A dynamic light scattering study. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects , 339 (1), 145–152. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2009.02.014 Alexander Busch, Velaug Myrseth, Paal Skjetne, Milad Khatibi, S. T. J. (2018). Rheological characterization of polyanionic cellulose solutions with application to drilling fluids and cuttings transport modeling. Applied Rheology , 28:2 . https://doi.org/10.3933/ApplRheol-28-25154 Amimi, A., Mouradi, A., Bennasser, L., & Givernaud, T. (2007). Seasonal variations in thalli and carrageenan composition of Gigartina pistillata (Gmelin) Stackhouse (Rhodophyta, Gigartinales) harvested along the Atlantic coast of Morocco. Phycological Research , 55 (2), 143–149. https://doi.org/10.1111/j.1440-1835.2007.00457.x Amorim, L. V, Farias, K. V, Viana, J. D., Barbosa, M. I. R., Pereira, E., França, K. B., … Ferreira, H. C. (2005). Fluidos de perfuração à base de água. Parte I: efeitos de aditivações poliméricas nas propriedades reológicas . Cerâmica , Vol. 51, pp. 128–138. scielo . https://doi.org/10.1590/S036669132005000200010 An, Y., Jiang, G., Ren, Y., Zhang, L., Qi, Y., & Ge, Q. (2015). An environmental friendly and biodegradable shale inhibitor based on chitosan quaternary ammonium salt. Journal of Petroleum Science and Engineering , 135 , 253–260. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.petrol.2015.09.005 API. (2003). American Petroleum Institute. Norma API: Recommended Practice 13B-1. Washington: API; 146 2003. Ariza, L. M. (2004). Planning for Prestige: hope for getting the oil out of a sunken tanker. Scientific American , (1), 290. Attri, A. K., Fernández, C., & Minton, A. P. (2010). Self-association of Zn-insulin at neutral pH: Investigation by concentration gradient-static and dynamic light scattering. Biophysical Chemistry , 148 (1), 23– 27. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.bpc.2010.02.001 Azevedo, G, Torres, M. D., Sousa-Pinto, I., & Hilliou, L. (2015). Effect of pre-extraction alkali treatment on the chemical structure and gelling properties of extracted hybrid carrageenan from Chondrus crispus and Ahnfeltiopsis devoniensis. Food Hydrocolloids , 50 , 150–158. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2015.03.029 Azevedo, Gabriela, Bernardo, G., & Hilliou, L. (2014). NaCl and KCl phase diagrams of kappa/iota-hybrid carrageenans extracted from Mastocarpus stellatus. Food Hydrocolloids , 37 , 116–123. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2013.10.029 Azevedo, Gabriela, Domingues, B., Abreu, H., Sousa-Pinto, I., Feio, G., & Hilliou, L. (2015). Impact of cultivation of Mastocarpus stellatus in IMTA on the seaweeds chemistry and hybrid carrageenan properties. Carbohydrate Polymers , 116 , 140–148. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2014.04.069 Azevedo, Gabriela, Hilliou, L., Bernardo, G., Sousa-Pinto, I., Adams, R. W., Nilsson, M., & Villanueva, R. D. (2013). Tailoring kappa/iota-hybrid carrageenan from Mastocarpus stellatus with desired gel quality through pre-extraction alkali treatment. Food Hydrocolloids , 31 (1), 94–102. https://doi.org/http://dx.doi.org/10.1016/j.foodhyd.2012.10.010 Baba Hamed, S., & Belhadri, M. (2009). Rheological properties of biopolymers drilling fluids. Journal of Petroleum Science and Engineering , 67 (3), 84–90. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.petrol.2009.04.001 Babick, F., Gropp, S., Kätzel, U., & Vorbau, M. (2012). Dynamic light scattering of dispersed fumed silica 147 aggregates. Powder Technology , 217 , 39–45. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.powtec.2011.10.064 Bailey, W., & Weir, I. (1998). Investigation of methods for direct rheological model parameter estimation. In Journal of Petroleum Science and Engineering (Vol. 21). https://doi.org/10.1016/S09204105(98)00040-0 Barnes, H.A., Hutton, J.J. and Walters, K. (1989). An introduction to rheology. (E. Science, Ed.). Amsterdan: Elsevier Science. Barnes, H. A. (2000). A Handbook of Elementary Rheology. Wales: Ab-erystwyth. Barnes, H. A., Hutton, J. F., & Walters, K. (1989). Preface. In H. A. Barnes, J. F. Hutton, & K. B. T.-R. S. Walters (Eds.), An Introduction to Rheology (Vol. 3, pp. v–vi). https://doi.org/https://doi.org/10.1016/B978-0-444-87469-6.50004-4 Bartkowiak, A., & Hunkeler, D. (2001). Carrageenan–oligochitosan microcapsules: optimization of the formation process1. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces , 21 (4), 285–298. https://doi.org/http://dx.doi.org/10.1016/S0927-7765(00)00211-3 Bastos, D. S., Barreto, B. N., Souza, H. K. S., Bastos, M., Rocha-Leão, M. H. M., Andrade, C. T., & Gonçalves, M. P. (2010). Characterization of a chitosan sample extracted from Brazilian shrimps and its application to obtain insoluble complexes with a commercial whey protein isolate. Food Hydrocolloids , 24 (8), 709–718. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2010.03.008 Berry, D.H., Russle, W. B. (1987). The rheology of dilute suspensions of slender rods in weak flows. Journal of Fluid Mechanics , 180, 475–494. Bhattacharjee, S. (2016). DLS and zeta potential – What they are and what they are not? Journal of Controlled Release , 235 , 337–351. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2016.06.017 Bingham, E. C. (1916). An investigation of the laws of plastic flow Bur. (13th ed.). https://doi.org/10.6028/bulletin.304 148 BIRD, R.B.S., W. E. LIGHTFOOT, E. N. (1960). Transport phenomena . New York. Bixler, H. J. (1996). Recent developments in manufacturing and marketing carrageenan. Hydrobiologia , 326 (1), 35–57. https://doi.org/10.1007/BF00047785 Bixler, H. J., & Porse, H. (2011). A decade of change in the seaweed hydrocolloids industry. Journal of Applied Phycology , 23 (3), 321–335. https://doi.org/10.1007/s10811-010-9529-3 Boyd, M., C. Hampson, F., Jolliffe, I., Dettmar, P., Mitchell, J., & D. Melia, C. (2009). Strand-like phase separation in mixtures of xanthan gum with anionic polyelectrolytes. In Food Hydrocolloids (Vol. 23). https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2009.07.008 Casson, N. (1959). A flow equation for pigment oil suspensions of the printing ink type. In Rheology of disperse systems; Mill, C. C., . Oxford, U. K.: Pergamon. Chanphai, P., & Tajmir-Riahi, H. A. (2017). Encapsulation of testosterone by chitosan nanoparticles. International Journal of Biological Macromolecules , 98 , 535–541. https://doi.org/http://dx.doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2017.02.007 Chanvrier, H., Durand, S., Garnier, C., Sworn, G., Bourriot, S., & Doublier, J. L. (2004). Gelation behavior and rheological properties of κ/ι hybrid carrageenans. Gums and Stabilisers for the Food Industry , 12 , 139–145. Chopin, T., Kerin, B. F., & Mazerolle, R. (1999). Phycocolloid chemistry as a taxonomic indicator of phylogeny in the Gigartinales, Rhodophyceae: A review and current developments using Fourier transform infrared diffuse reflectance spectroscopy. Phycological Research , 47 (3), 167–188. https://doi.org/10.1046/j.1440-1835.1999.00170.x Clasen, C., & Kulicke, W.-M. (2001). Determination of viscoelastic and rheo-optical material functions of water-soluble cellulose derivatives. Progress in Polymer Science , 26 (9), 1839–1919. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/S0079-6700(01)00024-7 Colby, R. H. (2010). Structure and linear viscoelasticity of flexible polymer solutions: comparison of polyelectrolyte and neutral polymer solutions. In Rheologica Acta (pp. 49, 425–442). 149 Correa-Diaz, F., Aguilar-Rosas, R., & Aguilar-Rosas, L. E. (1990). Infrared analysis of eleven carrageenophytes from Baja California, Mexico. Hydrobiologia , 204 (1), 609–614. https://doi.org/10.1007/BF00040295 D. Brunton, G. (1988). Density and Compressibility of Wyoming Bentonite Particles. In Clays and Clay Minerals - CLAYS CLAY MINER (Vol. 36). https://doi.org/10.1346/CCMN.1988.0360112 Dalgleish, D. G., & Hallett, F. R. (1995). Dynamic light scattering: applications to food systems. Food Research International , 28 (3), 181–193. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/09639969(94)00053-B Darley, H. C. H., & Gray, G. R. (1988). CHAPTER 1 - INTRODUCTION TO DRILLING FLUIDS (H. C. H. Darley & G. R. B. T.-C. and P. of D. and C. F. (Fifth E. Gray, Eds.). https://doi.org/https://doi.org/10.1016/B978-0-08-050241-0.50005-9 Dash, M., Chiellini, F., Ottenbrite, R. M., & Chiellini, E. (2011). Chitosan—A versatile semi-synthetic polymer in biomedical applications. Progress in Polymer Science , 36 (8), 981–1014. https://doi.org/http://dx.doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2011.02.001 de Morais, W. A., Pereira, M. R., & Fonseca, J. L. C. (2012). Characterization of gelification of chitosan solutions by dynamic light scattering. Carbohydrate Polymers , 87 (4), 2376–2380. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2011.11.002 de Rooij, R., van den Ende, D., Duits, M. H. G., & Mellema, J. (1994). Elasticity of weakly aggregating polystyrene latex dispersions. Physical Review E , 49 (4), 3038–3049. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.49.3038 DeGroot, J. V, & Macosko, C. W. (1992). DYNAMIC PROPERTIES OF MODEL FILLED POLYMER MELTS IN THE LINEAR VISCOELASTIC REGION (P. Moldenaers & R. B. T.-T. and A. R. Keunings, Eds.). https://doi.org/https://doi.org/10.1016/B978-0-444-89007-8.50138-6 Di Mario, F., Rapanà, P., Tomati, U., & Galli, E. (2008). Chitin and chitosan from Basidiomycetes. International Journal of Biological Macromolecules , 43 (1), 8–12. 150 https://doi.org/http://dx.doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2007.10.005 Dima, C., Cotârlet, M., Alexe, P., & Dima, S. (2014). Reprint of “Microencapsulation of essential oil of pimento [Pimenta dioica (L) Merr.] by chitosan/k-carrageenan complex coacervation method.” Innovative Food Science & Emerging Technologies , 25 , 97–105. https://doi.org/http://dx.doi.org/10.1016/j.ifset.2014.07.008 Do Nascimento, E. G., De Caland, L. B., De Medeiros, A. S. A., Fernandes-Pedrosa, M. F., SoaresSobrinho, J. L., Dos Santos, K. S. C. R., & Da Silva-Júnior, A. A. (2017). Tailoring Drug Release Properties by Gradual Changes in the Particle Engineering of Polysaccharide Chitosan Based Powders. Polymers , 9 (7), 253. https://doi.org/10.3390/polym9070253 Doi, M., Edwards, S. F. (1986). The theory of polymer dynamics. In Clarendon Press : Vol. cap 5 . Oxfod. Drogoz, A., David, L., Rochas, C., Domard, A., & Delair, T. (2007). Polyelectrolyte Complexes from Polysaccharides: Formation and Stoichiometry Monitoring. Langmuir , 23 (22), 10950–10958. https://doi.org/10.1021/la7008545 Espinosa-Andrews, H., Báez-González, J., Cruz-Sosa, F., & Vernon-Carter, E. J. (2007). Gum Arabic−Chitosan Complex Coacervation. Biomacromolecules , 8 , 1313–1318. https://doi.org/10.1021/bm0611634 Ferry, J. D. (1979). VISCOELASTIC PROPERTIES OF DILUTE POLYMER SOLUTIONS (A. B. T.-M. C. Nakajima, Ed.). https://doi.org/https://doi.org/10.1016/B978-0-08-022039-0.50009-6 Filella, M., Zhang, J., Newman, M. E., & Buffle, J. (1997). Analytical applications of photon correlation spectroscopy for size distribution measurements of natural colloidal suspensions: capabilities and limitations. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects , 120 (1), 27–46. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/S0927-7757(96)03677-1 Fogg G.E. (1964). Environmental Conditions and the Pattern of Metabolism in Algae. In Algae and Man (pp. 77–85). https://doi.org/https://doi.org/10.1007/978-1-4684-1719-7_5 Fordham, E. J., Bittleston, S. H., & Tehrani, M. A. (1991). Viscoplastic flow in centered annuli, pipes, and 151 slots. Industrial & Engineering Chemistry Research , 30 (3), 517–524. https://doi.org/10.1021/ie00051a012 Freile-Pelegrín, Y., & Robledo, D. (2006). Carrageenan of Eucheuma isiforme (Solieriaceae, Rhodophyta) from Yucatán, Mexico. II. Seasonal variations in carrageenan and biochemical characteristics. Botanica Marina , 49 (1), 72–78. https://doi.org/10.1515/BOT.2006.009 Frohlich, K. A., Mitrentsis, E., Clemens, F., Hoffmann, B., Michaud, V., & Graule, T. (2016). Assessment Of The Dispersion Quality Of Refractive Index-Matched Nanodispersions. Applied Rheology , Vol. 26, p. 65050. https://doi.org/10.3933/ApplRheol-26-65050 Fuller, S. W., & Mathieson, A. C. (1972). Ecological studies of economic red algae. IV. Variations of carrageenan concentration and properties in Chondrus crispus Stackhouse. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology , 10 (1), 49–58. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/00220981(72)90092-5 Galindo-Rosales, F. J., Moldenaers, P., & Vermant, J. (2011). Assessment of the Dispersion Quality in Polymer Nanocomposites by Rheological Methods. Macromolecular Materials and Engineering , 296 (3‐4), 331–340. https://doi.org/10.1002/mame.201000345 Gallani, J. L., Hilliou, L., Martinoty, P., & Keller, P. (1994). Abnormal viscoelastic behavior of side-chain liquid-crystal polymers. Physical Review Letters , 72 (13), 2109–2112. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.72.2109 Gisler, T., Ball, R. C., & Weitz, D. A. (1999). Strain Hardening of Fractal Colloidal Gels. Physical Review Letters , 82 (5), 1064–1067. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.82.1064 Govier, G.W, Aziz, K. (1972). The Flow of Complex Mixtures in Pipes . New York: Van Nostrand Reinhold Company. Growcock, F., & Harvey, T. (2005). Chapter 2 - Drilling Fluids (B. T.-D. F. P. H. ASME, Ed.). https://doi.org/https://doi.org/10.1016/B978-075067775-2/50003-2 Gui Wang, H. Du. (2018). Rheological Properties of Kcl/Polymer Type Drilling Fluids Containing