Estabilidade das suspensões de microesferas

A estabilidade das suspensões de microesferas preparadas para os ensaios de filtração foram avaliadas pelos valores de potencial zeta e agregação das partículas. Na Figura 31, observa-se o comportamento do potencial zeta das microesferas em suspensão usadas no ensaio de filtração para diferentes valores de pH.

Os valores exibidos não apresentaram concordância com os expostos na literatura para as microesferas de poliestireno, que aumentam de forma linear a expessura da dupla camada elétrica com o aumento do pH, tornando o potencial zeta mais eletronegativo em altos valores de pH, com valores que ultrapassam -60 mV em pH 9,0 e chegam próximos ao ponto isoelétrico em pH 3,0 (MOHANRAM et al., 2012). O perfil apresentado na Figura 31 se assemelha, tanto em valores, quanto em comportamento, aos oocistos de Cryptosporidium (MOHANRAM et al., 2012).

Figura 31. Potencial zeta de microesferas de poliestireno em diferentes condições de pH, temperatura da água 25°C e sem modificações da força iônica. Cada barra de erro representa o desvio padrão de três medidas.

O aumento da força iônica da solução causa um aumento da tendência de agregação das partículas das suspensões por provocar a redução da dupla camada elétrica das partículas (CRITTENDEN et al., 2012), isto é, desloca o valor do potencial zeta em direção ao nulo. De fato, foi observado redução, em módulo, do potencial zeta da suspensão de microesferas com o aumento da força iônica do meio (Figura 32). A redução da dupla camada elétrica das microesferas se manteve constante, chegando o potencial zeta a -5,12 (± 0,63) mV na força iônica de 100 mM KCl. Essa conduta, da redução do valor, em módulo, do potencial zeta das microesferas de poliestireno com o aumento da força iônica da solução foi verificada também por outros autores (KNAPPETT et al., 2008; LEE et al., 2017; PELLEY; TUFENKJI, 2008; QUEVEDO; TUFENKJI, 2012; TUFENKJI et al., 2004). Porém, em nenhum dos estudos citados, o potencial zeta das microesferas de poliestireno atingiu valores tão próximos à zero, como no aqui apresentado.

Figura 32. Potencial zeta de microesferas de poliestireno em diferentes condições de força iônica, temperatura da água 25°C e sem alteração no pH. Cada barra de erro representa o desvio padrão de três medidas. Escala gráfica do eixo das abcissas em logarítmo (base 10).

Fonte: o autor (2019).

Em força iônica de 5 mM, microesferas de poliestireno de diâmetro médio 1,5 µm, apresentaram valor de -44,6 (± 2,7) mV (KNAPPETT et al., 2008), em condições parecidas, Papineau, Tufenkji e Barbeau (2013) obtiveram o valor de -41,4 (±0,7) mV, para microesferas de diâmetro 4,3 µm. Em pH próximo a 8,0 e força iônica 10 mM, as microesferas de

poliestireno apresentaram potencial zeta de -67 (± 4,3) mV e com o aumento da força iônica do meio, para 50 mM, o potencial zeta reduziu para -18 (± 2,1) mV (LEE et al., 2017).

Para microesferas de poliestireno de tamanhos 0,32 a 4,0 µm, e pH inajustado variando de 5,6 a 5,8, o potencial zeta das microesferas em força iônica de 1 mM se manteve em aproximadamente -40 mV e em força iônica de 10 mM o potencial zeta reduziu (em termos de valor absoluto) para, aproximadamente, -25 mV (TUFENKJI et al., 2004). Os mesmos autores apresentaram dados de potencial zeta de oocistos inativados, com valores próximos de -30 mV a -20 mV para as forças iônicas de 1mM e 10 mM, respectivamente.

Oocistos de Cryptosporiduim apresentam potencial zeta menor, em módulo, das microesferas de polistireno. Enquanto em pH 5,0 - 6,0, microesferas de tamanho 1,8 µm apresentaram potencial zeta de -60 mV, os oocistos apresentaram potencial zeta de -15 mV (MOHANRAM et al., 2012). Em força iônica de 10 mM e pH 7,0, o potencial zeta das microesferas de poliestireno de tamanho 5,0 µm foi -18,7 mV, enquanto oocistos de

Cryptosporidium inativados, nessas mesmas condições, apresentaram valor de -3,6 mV

(HARVEY et al., 2008).

Nas condições do ensaio de filtração, com força iônica 10mM e pH da água de 5,9, as microesferas da suspensão formada apresentaram potencial zeta de -10,9 (± 1,68) mV. É conhecido que, as partículas coloidais se mantêm estáveis entre os valores de -30 mV a +30 mV (MALVERN INSTRUMENTS, 2013), propensas à não agregação. Portanto, esse valor de potencial zeta da suspensão de microesferas usadas no estudo é considerado instável, com tendência a gerar flocos.

Apesar da tendência das microesferas à agregação, nas condições citadas e considerando que as amostras sofreram agitação durante o transporte entre laboratórios, foi observado (Tabela 15) que grande parte das microesferas permaneceram dispersas no meio, sem formar agregados (diâmetros de 1,5 a 3,0 µm). Apenas 1.303 flocos por ml foram contados entre os diâmetros de 4 a 12 µm, contra 95.098 partículas por ml não agregadas. Também, não é possível concluir que houve a efetiva agregação das partículas, uma vez que pode ocorrer a passagem de um conjunto de partículas no sensor do equipamento de contagem de partículas, que ocasionaria na leitura de um conjunto de partículas como um único floco. Estudos mais aprofundados são necessários para melhor entendimento do processo de agregação das partículas nos frascos de armazenamento.

Tabela 15. Perfil de agregação das microesferas afluentes ao filtro em força iônica de 10 mM (potencial zeta -10,9 (± 1,7) mV).

Diâmetro (µm) Partículas (ou flocos) ml -1

correspondentes a cada faixa de diâmetro Branco F1 m0 F2 m0 F3 m0 F4 m0 Média m0 Diferença

1,5 38 55670 64520 64244 53047 59370 59332 2 14 25671 28616 28788 25022 27024 27011 3 17 8280 9186 9774 7848 8772 8755 4 19 1066 996 1345 862 1067 1048 6 7 128 74 135 58 99 91 8 3 76 31 59 28 49 45 10 3 46 19 52 17 34 31 12 7 124 71 136 48 95 88 Total 96510 96401

Branco: água desionizada sem microesferas; F1m0, F2m0, F3m0 e F4m0: coleta inicial a montante dos filtros 1, 2, 3 e 4; média m0: média de partículas por ml das coletas a montante aos filtros; Diferença: média m0 – branco.

Para melhor entendimento da agregação das partículas, admitindo-se que os flocos foram formados na máxima agregação possível entre as partículas, ou seja, partículas lado a lado em todas as dimensões. Os flocos de diâmetro médio 4 µm são constituídos por até 8 partículas, aqueles de diâmetro médio de 6 µm por 27 partículas, os de diâmetro 8 µm por 64 partículas, e assim por diante (Figura 33). Vale salientar, que o autor entende que os flocos formados não seguem um padrão e flocos nas condições abaixo apresentadas são de difícil ocorrência na matriz real. Dessa forma, a Figura 33, é um esquema formado para estimar a quantidade de partículas por tamanho de floco.

Figura 33.Padrão de formação dos flocos com máxima agregação entre as partículas. Cada esfera representa uma microesfera de diâmetro médio 2 µm.

2 x 2 x 2 = 8 partículas 3 x 3 x 3 = 27 partículas 4 x 4 x 4 = 64 partículas

5 x 5 x 5 = 125 partículas 6 x 6 x 6 = 216 partículas Fonte: o autor (2019).

Nessas condições, aproximadamente 36.604 partículas por mililitros formariam agregados, somente cerca de 30% de todas partículas presentes a cada mililitro de amostra (Tabela 16). Enfatizando, que apesar do potencial zeta das microesferas estar na zona de instabildade, que favorece a agregação, menos da metade das microesferas formaram flocos.

Tabela 16. Aproximação do número de partículas agregadas em flocos. Diâmetro (µm) Flocos ml-1 Partículas aproximadas

por floco Total de partículas ml -1 4 1048 8 8384 6 91 27 2457 8 45 64 2880 10 31 125 3875 12 88 216 19008 Total 36604 Fonte: o autor (2019).

Estratégias de modificação da superfície de microesferas estão sendo tomadas por pesquisadores para assemelhar o comportamento elétrico dessas à oocistos de

Cryptosporidium. Microesferas de tamanho 4,5 e 10 µm, em meio aquoso com força iônica de

1 mM, apresentaram valores de -33,9 (± 1,2) mV e -30,7 (± 3,1) mV, respectivamente, e somente após a modificação da superficíe das microesferas com glicoproteína, o potencial zeta atingiu os valores de -19,9 (± 5,6) e -17,5 (± 0,7) mV (ZHANG et al., 2017). Os mesmos resultados foram obtidos em Liu et al. (2019), na condição de força iônica 1 mM e pH 8,0, as microesferas de poliestireno sem modificações apresentaram potencial zeta de -56,5 mV e após a modificação da superfície com glicopolímeros o potencial zeta passou a -17,0 mV. Esses mesmos autores determinaram o potencial zeta de oocistos viáveis, em -10,9 mV.

Atenta-se aos valores do potencial zeta das microesferas desse trabalho, das quais não passaram por processos de modificação da superficie e mesmo nas condições mais desfavoráreis para redução da dupla camada elétrica, tais como baixa força iônica e elevado pH, apresentaram valor que não ultrapassou -20 mV. Nas condições dos ensaios de filtração, isto é, sem modificação do pH da água desionizada e força iônica virtualmente nula e 10 mM, as microesferas em suspensão apresentaram valores de -17,85 (± 1,25) e -10,90 (± 1,68) mV, respectivamente.