Espumas e agentes desestabilizadores de espuma

As espumas podem ser criadas por um súbito aumento da superfície de contato entre o ar e a água. Esse sistema é termodinamicamente instável, pois com o aumento da área, um número maior de moléculas deve ocupar a interface líquido-ar, a qual se trata de uma região onde as interações intermoleculares ocorrem em menor quantidade quando comparadas às moléculas no interior do líquido (DELICATO, 2007; VENTURELLI, 2008; KARAKASHEV; GROZDANOVA, 2012). A estabilização do sistema pode ser alcançada por fatores cinéticos relacionados com a viscosidade do líquido, elasticidade do filme formado, pressão de separação e presença de partículas no filme (ABDOLAHI et al., 2005; VENTURELLI, 2008).

A geometria das espumas pode ser esférica ou poliédrica. No início de sua formação geralmente ela tem forma esférica, geometria que possui menor área superficial acarretando um número menor de moléculas na interface e um sistema com menor energia de superfície. No entanto, as interfaces curvas apresentam uma diferença de pressão interna e externa, que é inversamente proporcional ao seu raio de curvatura, como descrito pela equação de Young-Laplace (ΔP = 2(2γ

/R)). Isso favorece, à medida que as bolhas de ar vão se aproximando e a espuma tende a ficar com suas interfaces paralelas, a geometria poliédrica, pois essa conformação tende a minimizar a diferença de pressão. A evolução no formato das bolhas irá depender do volume de gás existente e também das diferentes pressões existentes entre os filmes planos das bolhas e os canais ou bordas de Plateau (DELICATO, 2007; VENTURELLI, 2008).

A borda de Plateau é a região curva formada pela intersecção de três filmes adjacentes, o que faz com que a pressão no canal seja menor que a pressão interna da bolha. Por esse motivo, o líquido excedente entre as bolhas sempre se acumula naquele local, sendo drenado por meio das bordas, como mostrado na Figura 13 (DELICATO, 2007; FORTUNA, 2010).

Figura 13 – Agrupamento das bolhas e formação das espumas: (a) junção de duas, três e quatro bolhas e (b) formação das bordas de Plateau.

Fonte: HEUSER et al., 2008; BASTOS; PINOTTI, 2014.

As espumas podem ser classificadas em: metaestáveis ou persistentes, quando tem um tempo de vida longo; e transientes, quando tem um tempo de vida curto. Alguns fatores que contribuem para a estabilidade das espumas são a concentração de tensoativos, de eletrólitos e aditivos; e os processos como cinética de adsorção, drenagem do filme, fluxos de difusão, flutuações e forças superficiais.

(a)

Para os filmes de espuma contendo mais de um tensoativo é observada uma maior estabilidade do que para aqueles onde apenas um tensoativo está presente. Este fato é atribuído a uma cinética de adsorção mais rápida para um conjunto de tensoativos (DELICATO, 2007; FORTUNA, 2010; KARAKASHEV; GROZDANOVA, 2012).

A medida da estabilidade das espumas pode ser realizada em condições estáticas ou dinâmicas. Em condições estáticas formam-se filmes individuais sem a necessidade de agitação mecânica. Em condições dinâmicas se utiliza agitação ou aeração para formar a espuma e mede-se a variação de volume, seja de líquido drenado ou de espuma. Os métodos dinâmicos mais utilizados são os de Bartsch, Ross Miles e Bikerman, onde são avaliados o volume de espuma e sua velocidade de drenagem (DELICATO, 2007; VENTURELLI, 2008).

O método de Ross Miles (Figura 14.A) é feito em um tubo cilíndrico graduado acoplado a uma bomba, que faz com que o líquido circule e caia na superfície do líquido formador de espuma com determinada velocidade, vazão e altura. A espuma é gerada pela aeração causada pelo jato de líquido e mede-se a velocidade com que ela é gerada durante a agitação e a velocidade de quebra e drenagem dela depois de cessada a agitação (EXEROWA; KRUGLYAKOV, 1998).

O método de Bikerman (Figura 14.B) consiste em uma coluna cilíndrica contendo na base uma placa porosa ou um capilar para a entrada de ar logo abaixo dessa, de forma que com o auxílio de uma bomba, o líquido passe pela placa porosa e cause uma aeração uniforme do líquido. Nesse método mede-se a velocidade com que a espuma é gerada durante o borbulhamento e a velocidade de quebra e drenagem da espuma depois de cessada a agitação (EXEROWA; KRUGLYAKOV, 1998).

No método de Bartsch (Figura 14.C) uma quantidade de líquido é despejado em uma proveta, sendo agitado manualmente, de forma padronizada, em determinado intervalo de tempo. Em seguida a proveta é deixada em repouso em uma superfície plana, para anotar o volume de líquido e a altura da espuma com o passar do tempo (DENKOV, 2004).

Em diversos ramos industriais a formação de espumas é indesejável como, por exemplo, na fabricação de papel e celulose, têxteis, tintas, alimentos, entre outros. Na indústria têxtil há um grande problema de formação de espumas devido ao processo de aeração e agitação no sistema de tratamento de efluentes (Figura 15).

Figura 14 – Métodos dinâmicos de avalição da estabilidade das espumas: (A) Método de Ross Miles; (B) Método de Bikerman; e (C) Método de Bartsch.

Fonte: DENKOV, 2004; VENTURELLI, 2008.

Figura 15 – Espumas formadas no tratamento de efluentes têxteis.

Fonte: Acervo pessoal.

Para evitar a formação de espumas podem ser utilizados métodos mecânicos ou químicos. Nos métodos químicos são utilizados os agentes desestabilizadores de espumas como os antiespumantes e os quebradores de espumas. Na prática, ambos são utilizados e as suas denominações se confundem (DELICATO, 2007; VENTURELLI, 2008; KARAKASHEV; GROZDANOVA, 2012).

Os antiespumantes são substâncias que são dispersas previamente no meio da solução que vai gerar a espuma e causam a ruptura do filme, acelerando a sua drenagem ou formando filmes com baixa elasticidade. Os antiespumantes mais comuns têm como princípio ativo óleos (minerais, vegetais, silicone), ésteres graxos, siliconas, poliéteres e álcoois. Também podem ser feitos com suspensões de partículas hidrofóbicas (resinas e sílica silanizada) ou com a combinação de emulsões e partículas hidrofóbicas, as quais propiciam um efeito

sinérgico no seu mecanismo de ação e acentuam a desestabilização das espumas. Alguns antiespumantes comerciais são vendidos na forma de emulsões de óleo em água, por serem mais fáceis de dosar durante a aplicação (DENKOV et al., 1999; DENKOV, 2004; DELICATO, 2007; VENTURELLI, 2008).

O mecanismo de ação dos antiespumantes vem sendo estudado por alguns autores, que sugerem que a quebra depende da parte da estrutura da espuma no qual o agente desestabilizador atua: nos filmes ou nas bordas de Plateau. Os agentes antiespumantes que atuam nos filmes finos, rompendo a sua superfície, são chamados de “antiespumantes rápidos”, pois a espuma tende a desaparecer em menos de 10 segundos. Alguns estudos mostram que os antiespumantes contendo uma combinação de óleo e sílica tem esse comportamento típico de destruir os filmes finos (DENKOV, 2004; ABDOLAHI et al., 2005).

Outros estudos envolvendo antiespumantes contendo apenas óleos, denominados “antiespumantes lentos”, sugerem que a sua ação deve acorrer nas bordas de Plateau, uma vez que os glóbulos deixam os filmes finos e caminham em direção às bordas, ficando retidos nessa posição. A drenagem dos filmes ocorre lentamente, levando a um estreitamento das bordas e a compressão dos glóbulos de óleo. Com o passar do tempo, a pressão do glóbulo se intensifica e esse penetra nas paredes das bordas, induzindo a sua destruição e a ruptura de filmes vizinhos (DENKOV et al., 1999; DENKOV, 2004; ABDOLAHI et al., 2005).

Os quebradores de espuma são aqueles introduzidos sobre uma coluna de espuma já formada, com o papel de introduzir o rápido colapso das bolhas. Nesse caso, a barreira de entrada é menos importante, pois o quebrador de espuma é introduzido na fase gasosa e não há barreira para prevenir a imersão na interface ar-água. Contudo, a destruição da espuma por esse agente é acompanhada com a sua dispersão na solução formadora de espuma. Nesse processo, o quebrador de espuma é transformado em antiespumante, e sua atividade posterior dependerá da barreira de entrada dos glóbulos dispersos (DENKOV, 2004).

A atividade dos agentes desestabilizadores de espuma é medida comparando-se o volume de espuma produzido na presença e na ausência do agente, em condições de ensaio fixas, como por exemplo, depois de um certo tempo definido de circulação da solução no teste de Ross Miles, ou após um certo número definido de agitações manuais no

método de Bartsch. O resultado poderá depender das condições experimentais definidas (DENKOV, 2004).