CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ALINE BISI DE SOUZA
ANÁLISE COMPARATIVA DA EFICIÊNCIA DAS ESPÉCIES Aloe arborescens E
Aloe barbadensis COMO REDUTORES DE ARRASTO EM ESCOAMENTOS
TURBULENTOS
SÃO MATEUS-ES 2018
ANÁLISE COMPARATIVA DA EFICIÊNCIA DAS ESPÉCIES Aloe arborescens E
Aloe barbadensis COMO REDUTORES DE ARRASTO EM ESCOAMENTOS
TURBULENTOS
Monografia apresentada à Coordenadoria do Curso de Engenharia Mecânica do Instituto Federal do Espírito Santo, Campus São Mateus, como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica.
Orientador: Prof. Dr. Renato do Nascimento Siqueira.
SÃO MATEUS-ES 2018
Dados internacionais de catalogação na publicação (CIP)
Bibliotecária responsável Rossanna dos Santos Santana Rubim CRB6-ES 403
S729a Souza, Aline Bisi, 1995-
Análise comparativa da eficiência das espécies Aloe arborescens e Aloe barbadensis como redutores de arrasto em escoamentos turbulentos / Aline Bisi de Souza.-- 2018.
56 f. : il. ; 30 cm.
Orientador : Renato do Nascimento Siqueira.
Monografia (graduação) - Instituto Federal do Espírito Santo, Campus São Mateus, Coordenadoria de Curso Superior de Engenharia Mecânica, 2018.
1. Turbulência. 2. Dinâmica dos fluidos – Redução de arrasto. 3. Biopolímeros. 4. Babosa. I. Siqueira, Renato do Nascimento. II. Instituto Federal do Espírito Santo. Campus São Mateus. III. Título.
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, por iluminar os meus caminhos, me concedendo força e coragem ao longo de todos estes anos.
À minha família, em especial aos meus pais, Marcos e Zenaide, por todo amor, incentivo e apoio incondicional nesta jornada. A vocês, sou eternamente grata por todos os esforços que me ajudaram na realização deste sonho. A minha irmã, Livia, por estar sempre ao meu lado durante estes anos.
Ao meu orientador, Renato do Nascimento Siqueira, por todos os ensinamentos, pela compreensão, amizade e confiança que foram primordiais para o meu crescimento intelectual e pessoal.
Aos integrantes do Grupo de Pesquisa em Mecânica dos Fluidos, por toda ajuda e parceria compartilhada durante este trabalho.
Aos amigos que me ajudaram na realização desta pesquisa, em especial a Everton Fanttini, Leandro Motta, Mayara Silva, Walber Santos e Felipe Malheiros.
À Universidade Federal do Espírito Santo pela disponibilização da estrutura para a realização deste trabalho. Ao Instituto Federal do Espírito Santo pela estrutura cedida e pelo auxílio financeiro para com este projeto.
Às minhas amigas, Angélica Bisineli, Francine Figueiredo, Jordana Lyra e Noelma Simões, por todo companheirismo, amizade e momentos de alegria e dificuldades compartilhados.
Aos professores, Edson José Soares e Eduardo Perini, pela ajuda e colaboração com esta pesquisa.
Por fim, a todos aqueles que contribuíram de forma, direta ou indireta, para conclusão desta etapa.
RESUMO
Desde a descoberta de Toms (1948) de que a adição de polímeros de alto peso molecular em escoamentos turbulentos pode reduzir consideravelmente a perda de carga, muitas pesquisas se desenvolveram em torno deste fenômeno, visando tornar processos industriais mais baratos e eficientes. Dentre os polímeros, a mucilagem da babosa apresenta bons resultados na redução de arrasto, além de ser um produto natural, não-tóxico, de fácil obtenção e de baixo custo. A espécie Aloe barbadensis, conhecida como Aloe vera, é a mais utilizada. Entretanto, existem outras espécies que poderiam ser investigadas, pois a composição química das mucilagens pode variar entre as espécies. Neste trabalho, objetiva-se comparar a mucilagem de duas espécies de babosa, Aloe arborescens e Aloe barbadensis, para verificar qual delas alcança melhores resultados na redução de arrasto em escoamentos turbulentos. Para atingir este objetivo, foi necessário o plantio e cultivo destas plantas sob condições semelhantes. Utilizou-se a metodologia de processamento proposta por Barbosa (2017) para obtenção da solução de mucilagem e a técnica de infravermelho para a caracterização química da solução. Os testes de redução de arrasto foram feitos em um reômetro, para determinar o comportamento das duas espécies em relação à capacidade de redução de arrasto. Os resultados obtidos mostraram que o biopolímero proveniente da Aloe arborescens tem capacidade em reduzir arrasto de até 4,8% a mais do que a espécie Aloe barbadensis, podendo este comportamento ser atribuído ao fato das proporções dos constituintes serem diferentes entre as espécies. Dessa forma, este estudo contribui para intensificar o uso do biopolímero Aloe arborescens em diversas áreas, como na medicina e meio ambiente, bem como tornar mais econômico o transporte de fluidos.
Palavras-chave: Redução de Arrasto. Biopolímeros. Turbulência. Aloe barbadensis. Aloe arborescens.
ABSTRACT
Since Toms (1948) discovery that the addition of high molecular polymers in turbulent flows can considerably reduce the head loss, many researches have been developed around this phenomenon, to make industrial processes cheaper and more efficient. Among the polymers, Aloe vera mucilage presented good results in drag reduction, besides being a cheap, non-toxic and natural product that can be easily obtained. The species Aloe barbadensis, known as Aloe vera, is the most used. However, there are other species that could be investigated, since the chemical composition of mucilages can vary among species. The objective of this work was to compare the mucilage of two species of Aloe, Aloe arborescens and Aloe barbadensis, to verify the one that shows better results on drag reduction in turbulent flows. To achieve this objective, it was necessary to plant and grow these plants under similar conditions. The processing methodology proposed by Barbosa (2017) was followed to obtain the mucilage solution and the infrared technique was used for the chemical characterization of the solution. The drag reduction tests were carried out on a rheometer to determine the behavior of the two species in relation to the drag reduction capacity. The results obtained showed that the biopolymer extracted from the Aloe arborescens can reduce the drag up to 4,8% more than the Aloe barbadensis species, and this behavior could be due to the fact that the proportions of the constituents are different in each species. This study contributes to intensify the use of biopolymers Aloe arborescens in several areas such as medicine and environment and also to decrease the costs of fluids transportation.
Keywords: Drag reduction. Biopolymer. Turbulence. Aloe barbadensis. Aloe arborescens.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Trajetória da redução por adição de polímeros ... 16
Figura 2 - Processo de cisão molecular ... 18
Figura 3 - Eficiência do polímero em função do tempo ... 18
Figura 4 - Processo de desagregação molecular ... 20
Figura 5 - Geometria rotativa de cilindros concêntricos de dupla folga ... 21
Figura 6 - Etapas do processamento do biopolímero ... 28
Figura 7 - Reômetro e geometria utilizada para os testes ... 30
Figura 8 - Valores de viscosidade da Aloe arborescens ... 33
Figura 9 - Valores de viscosidade da Aloe barbadensis ... 34
Figura 10 - Teste de repetibilidade da solução de Aloe barbadensis no reômetro .... 35
Figura 11 - Efeito da concentração na redução de arrasto para a solução de Aloe arborescens ... 36
Figura 12 - Efeito da concentração na redução de arrasto para a solução de Aloe barbadensis. ... 37
Figura 13 - Comparação da capacidade de redução de arrasto entre as espécies Aloe barbadensis e Aloe arborescens ... 38
Figura 14 - Caracterização química para avaliar o tempo de secagem com a Aloe arborescens ... 40
Figura 15 - Caracterização química para avaliar o tempo de secagem com a Aloe barbadensis ... 41
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Parâmetros utilizados para comparação entre as espécies de babosa .... 27 Tabela 2 - Massas e concentração obtida da espécie Aloe arborescens ... 29 Tabela 3 - Massas e concentração obtida da espécie Aloe barbadensis ... 29 Tabela 4 - Proporção dos constituintes em relação ao pico mais intenso da Aloe
LISTA DE SÍMBOLOS
PEO Óxido de Polietileno
XG Goma Xantana
MDR máxima redução de arrasto DRA agente redutor de arrasto
𝐷𝑅 coeficiente de redução de arrasto
%𝐷𝑅 coeficiente de redução de arrasto em termos percentuais (%) 𝐷𝑅𝑚𝑎𝑥 valor máximo do coeficiente de redução de arrasto (%) 𝐷𝑅𝑎𝑠𝑠𝑛𝑡 valor assintótico do coeficiente de redução de arrasto (%) 𝑓 fator de atrito de Darcy da solução
𝑓0 fator de atrito de Darcy do solvente 𝑓𝐷 fator de atrito de Darcy
𝑅𝑒 número de Reynolds 𝑡𝑎 tempo de assíntota (s)
𝑡𝑑 tempo de desenvolvimento (s) 𝑡𝑟 tempo de resistência (s)
𝜇 viscosidade dinâmica da solução (Pa.s) 𝜌 massa específica (kg/m³)
𝜔 velocidade angular do rotor (rad/s) 𝑢 velocidade linear média (m/s)
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 11 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 13 2.1 TIPOS DE ESCOAMENTO ... 13 2.2 REDUÇÃO DE ARRASTO ... 14 2.3 REOMETRIA ... 20
2.4 CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA PELA TÉCNICA NO INFRAVERMELHO ... 23
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 24
4 METODOLOGIA ... 27
4.1 FORMA DE PLANTIO E CULTIVO DAS ESPÉCIES DE BABOSA ... 27
4.2 EXTRAÇÃO E ARMAZENAMENTO DO POLÍMERO ... 28
4.3 REÔMETRO ... 29
4.3.1 Preparo das soluções para o teste ... 31
4.3.2 Caracterização reológica ... 31
4.3.3 Testes de redução de arrasto ... 32
4.4 CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA DAS SOLUÇÕES ... 32
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 33
5.1 CARACTERIZAÇÃO REOLÓGICA ... 33
5.2 REPETIBILIDADE DOS TESTES ... 35
5.3 DESEMPENHO DAS ESPÉCIES NA CAPACIDADE DE REDUÇÃO DE ARRASTO ... 35
5.4 CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA ... 40
5.5 RELAÇÃO ENTRE OS RESULTADOS OBTIDOS DO REÔMETRO E DA CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA ... 43
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 45
1 INTRODUÇÃO
A força de arrasto é uma componente de força paralela e oposta ao sentido do escoamento, que age de maneira a dificultar o transporte de um fluido (ÇENGEL E CIMBALA, 2015). Diminuir essa resistência ao escoamento implica em uma maior eficiência dos processos.
A primeira descoberta sobre redução de arrasto foi feita por Forrest e Grierson (1931). Entretanto, naquela época, não obtiveram o devido reconhecimento do estudo. Em seguida, Toms (1948) observou que a adição de polímeros em escoamentos turbulentos favorecia a redução do fator de atrito, o que impulsionou o desenvolvimento de pesquisas a fim de compreender este fenômeno.
Os polímeros são macromoléculas constituídas por cadeias de moléculas menores, denominadas monômeros, que são unidas através de uma reação química conhecida como polimerização (AZEVEDO, BURROWS E COSTA, 2013).
Uma das aplicações mais conhecidas relacionadas à redução de arrasto é o caso do óleoduto Trans-Alaska pipeline, o qual possui 48 polegadas de diâmetro e 1300 quilômetros de extensão. Segundo Burger e Chorn (1980), a adição de polímeros à uma concentração na ordem de 1 ppm (parte por milhão) a jusante das estações de bombeamento, resultou em um aumento de vazão de aproximadamente 30% no transporte do fluido no oleoduto.
Outras aplicações que se referem ao uso de aditivos poliméricos para reduzir o atrito são: em sistemas de combate a incêndio (FABULA, 1971; FIGUEREDO E SABADINI, 2003), para permitir um maior alcance dos jatos de água; e na engenharia naval (LARSON, 2003), com a finalidade de aumentar a velocidade de navegação. Contudo, os polímeros utilizados na maior parte das aplicações são sintéticos e tóxicos, não podendo ser utilizados em áreas médicas e que envolvam o meio ambiente.
Na área da saúde, a redução de arrasto tem aplicação no combate ao derrame e ataque cardíaco, causados por aterosclerose (MOSTARDI et al., 1978; UNTHANK et al., 1992; CHEN et al., 2011) e no controle do choque hemorrágico (KAMENEVA et
al., 2004; MACIAS et al., 2004). Em relação a aplicações ambientais, a redução de arrasto tem sido aplicada com êxito em sistemas de irrigação (SINGH et al., 1985), para proporcionar uma melhoria na capacidade do sistema ou economia de energia no processo.
Em se tratando especificamente da babosa como agente redutor de arrasto, Abdulbari, Letchmanan e Yunus (2011) e Barbosa (2017) comprovaram o potencial deste produto na diminuição da resistência ao escoamento em tubulações.
A maior parte dos estudos relativos a redução de arrasto realizados até o momento com a mucilagem da babosa envolvem a espécie Aloe barbadensis, conhecida como Aloe vera. No entanto, existem muitas espécies de Aloe, como reportado por Grace (2011), e são encontradas disparidades entre as mesmas nas propriedades das folhas e composição química das mucilagens.
Dentre as espécies de babosa existentes, a Aloe arborescens e Aloe barbadensis são as mais cultivadas no mundo inteiro (CARDARELLI et al., 2013). Diante desse cenário, o conhecimento das diferenças entre estas duas espécies pode ser promissor para o desenvolvimento da área de redução de arrasto. Portanto, o objetivo deste trabalho é identificar dentre estas duas espécies de babosa, qual é a mais eficiente como agente redutor de arrasto em escoamentos turbulentos. Assim, a caracterização química destas amostras é de suma importância, pois pode-se descobrir se a composição química é semelhante e correlacionar esses resultados com as eficiências obtidas de DR. Por se tratar de um produto natural, pode-se potencializar o uso deste produto em áreas médicas e que envolvam o meio ambiente, além de reduzir custos no transporte de fluidos.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Neste capítulo são abordados os principais conceitos necessários para o entendimento do trabalho.
2.1 TIPOS DE ESCOAMENTO
Na mecânica dos fluidos, os escoamentos estão relacionados à fluidos que se encontram em movimento. Dessa forma, o regime de um escoamento pode ser classificado como laminar ou turbulento.
O escoamento que é denominado como laminar, é caracterizado por um movimento suave e sem ruídos. Se houver perturbações no escoamento, as mesmas serão amortecidas (POTTER E WIGGERT, 2018). Já um escoamento turbulento, de acordo com Tennekes e Lumley (2010), está vinculado as condições de irregularidade, difusividade, tridimensionalidade, alto número de Reynolds e dissipação de energia.
O número de Reynolds está vinculado ao regime de escoamento. Este parâmetro relaciona as forças inerciais e viscosas do fluido. Para Reynolds baixos, as forças viscosas têm maiores efeitos sobre as forças de inércia. Quando um escoamento é predominantemente turbulento, o número de Reynolds é elevado, o que indica que as forças inerciais são relativamente grandes quando comparadas às forças viscosas. Com isto, flutuações aleatórias e rápidas nos valores de velocidade, temperatura, pressão e densidade são reveladas. Estas flutuações, conhecidas também como vórtices, são responsáveis pelo transporte de energia, massa e momento em um escoamento (ÇENGEL E CIMBALA, 2015).
Um ponto importante no escoamento turbulento está relacionado as características peculiares de quatro regiões distintas, próximas a parede. A camada mais próxima a parede, é a subcamada viscosa. Nesta região, a espessura da camada é muito pequena e os efeitos viscosos dominam. Acima da camada viscosa existe a camada amortecedora, onde os efeitos turbulentos começam a se tornar significativos. Posteriormente, encontra-se a camada de superposição, ou também chamada de
subcamada inercial, nos quais os efeitos turbulentos ainda não são dominantes, porém são mais significativos do que a camada amortecedora. E a quarta região, situada acima da subcamada de superposição, é a camada externa ou turbulenta. Nesta região, os efeitos turbulentos dominam e se sobressaem em relação aos efeitos viscosos (ÇENGEL E CIMBALA, 2015).
A turbulência também pode ser definida como um sistema dissipativo, pois ocorre transferência de energia de vórtices maiores para vórtices menores, e estes para outros menores, assim sucessivamente, até que a energia passe a ser dissipada pelas tensões viscosas, atingindo um estado de equilíbrio. Este fenômeno foi defendido por Kolmogorov em 1941 e é conhecido como cascata de energia ou cascata de Kolmogorov (SOUZA et al., 2011). Neste sistema, para que aconteça a dissipação de energia, é necessário que se tenha uma fonte externa que forneça energia para os vórtices maiores para compensar as perdas viscosas do escoamento.
2.2 REDUÇÃO DE ARRASTO
O estudo de redução de arrasto se iniciou desde a descoberta de Forrest e Grierson (1931). Os autores perceberam que fibras de polpa de madeira diluída em água reduziam consideravelmente o arrasto. Porém, somente quando Toms (1948) observou que a injeção de pequenas quantidades de polímeros de alto peso molecular em escoamentos turbulentos permitia um melhor desempenho dos sistemas, este fenômeno passou a ser reconhecido e investigado pela comunidade científica.
O termo “redução de arrasto” foi definido por Savins (1964) que também descreveu este termo como sendo a razão dos gradientes de pressão da solução polimérica e do solvente, como representado na Equação 1.
DR
=
∆𝑃
∆𝑃
0Onde ∆𝑃 é a queda de pressão da solução contendo o agente redutor de arrasto e ∆𝑃0 a queda de pressão do solvente. Dessa maneira, se uma solução é caracterizada como redutora de arrasto, significa que o valor de DR é menor que 1. O valor de DR pode ser dado em termos percentuais, para tanto a equação é definida por:
% DR = (1 − DR) ∗ 100 (2)
Outra forma de representação da equação, relaciona DR com os fatores de atrito da solução e do solvente e é descrita pela Equação 3.
% DR =𝑓0− 𝑓 𝑓0
∗ 100 (3)
Em que 𝑓 é o fator de atrito da solução polimérica e 𝑓0 o fator de atrito do solvente. Neste caso, há a redução de arrasto quando o fator de atrito da solução é menor do que o coeficiente de atrito do solvente, para o mesmo número de Reynolds.
O mecanismo de como acontece a redução de arrasto pelos aditivos poliméricos não é consolidado por uma teoria universal. Existem duas teorias que explicam satisfatoriamente o mecanismo de redução de arrasto por adição de polímeros e são classificadas de acordo com o efeito do estiramento do polímero. Estas teorias são: a viscosa, defendida por Lumley (1973) e a elástica, proposta por Tabor e De Gennes (1986).
A teoria viscosa afirma que quando um polímero é estirado em certa escala de turbulência, há um aumento da viscosidade extensional do fluido na subcamada de transição. Desta forma, acontece a supressão das flutuações turbulentas, o que acarreta uma espessura maior da subcamada de transição e, consequentemente, a retração do domínio turbulento, reduzindo o atrito na parede.
A teoria elástica postula que o polímero atua quando a energia elástica armazenada por um polímero esticado se torna comparável à energia cinética turbulenta. Neste processo de estiramento do polímero, a cascata de Kolmogorov é interrompida, ou
seja, a transferência de energia entre os vórtices é cessada, resultando na retração do domínio turbulento e, de modo consequente, na redução de arrasto.
Além dos fatos reportados de como ocorre a redução de arrasto, outro aspecto importante diz respeito ao comportamento do polímero. Através de experimentos, Virk, Mickley e Smith (1967) comprovaram que o aumento da concentração de polímero ou do número de Reynolds do escoamento resulta em um aumento da redução de arrasto até um valor máximo. Ao atingir este valor, se a concentração ou o número de Reynolds forem aumentados, não é observado variação na redução do fator de atrito. Este fato também foi constatado para o incremento da massa molecular. A evidência é conhecida como máxima redução de arrasto (MDR - Maximum Drag Reduction) ou Lei de Virk. A Figura 1 ilustra a redução de arrasto a medida que se aumenta estes parâmetros até atingir os valores de MDR em coordenadas de Prandtl-von Kármán.
Figura 1 - Trajetória da redução por adição de polímeros.
Fonte: White e Mungal (2008).
A forma como acontece a MDR é compreendida com base na teoria viscosa e na teoria elástica. Aqueles que se baseiam na teoria viscosa, como Virk (1975) e Sreenivasan e White (2000), dizem que a MDR acontece quando toda camada de transição é estendida pela camada limite. Neste momento, o efeito do polímero foi
sentido em todas escalas do escoamento. Em contrapartida, aqueles que se fundamentam na teoria elástica, como Warholic, Massah e Hanratty (1999), Ptasinski e outros (2001) e Min e outros (2004), segerem que a MDR ocorre quando a turbulência do escoamento é sustentada pelas flutuações das tensões poliméricas, na ocasião em que os tensores de Reynolds estão reduzidos.
Pela Figura 1, pode ser analisado também o início da redução de arrasto. Neste caso, é necessário um certo valor de Reynolds para que ocorra este fenômeno. Os pesquisadores que defendem a teoria viscosa acreditam que o início da redução de arrasto ocorre quando se tem um aumento da viscosidade extensional, devido ao estiramento das moléculas pelos vórtices da subcamada de transição (LUMLEY, 1969; RYSKIN, 1987; L’VOV et al., 2004). Já os pesquisadores que acreditam na teoria elástica sugerem que há o início da redução no tempo em que a cascata de Kolmogorov é interrompida. Isso acontece quando a energia armazenada pelas moléculas parcialmente esticadas é comparável à energia cinética turbulenta da região da subcamada de transição (TABOR E DE GENNES, 1986; JOSEPH, 1990).
Um ponto a ser observado na área de estudo diz respeito a degradação polimérica. Segundo White e Mungal (2008), quando se tem o rompimento das macromoléculas do aditivo, há a degradação do polímero, devido as tensões do próprio escoamento. Diante disso, essas macromoléculas se tornam moléculas menores, o que implica na perda de eficiência do aditivo. Merrill e Horn (1984) descobriram que o rompimento das moléculas acontece próximo ao ponto médio das mesmas. Esta cisão ocorre no momento em que as moléculas estão estendidas e alinhadas com o escoamento turbulento. O processo de degradação do polímero é representado na Figura 2.
Figura 2 - Processo de cisão molecular.
Fonte: Soares e outros (2015).
No que diz respeito a eficiência do polímero como agente redutor de arrasto, Choi e outros (2000), Elbing e outros (2011) e Pereira e Soares (2012) avaliaram esse parâmetro em um intervalo de tempo, para um valor de Reynolds constante. A Figura 3 ilustra os resultados obtidos.
Figura 3 - Eficiência do polímero em função do tempo.
Pela Figura 3, os autores verificaram que no momento em que o polímero é injetado no escoamento turbulento, nota-se que há um aumento da redução de arrasto. Conforme Dimitropoulos e outros (2005), este aumento acontece devido a uma retirada rápida de energia, pois as moléculas sofrem um estiramento abrupto nos instantes iniciais. Assim, a viscosidade extensional se torna maior, implicando em um aumento do fator de atrito. Além disso, foi constatado que ocorre a deformação média máxima das moléculas. Os estudos verificaram que o intervalo de tempo para que a solução polimérica atinja a máxima redução de arrasto, 𝐷𝑅𝑚𝑎𝑥, conhecido também de tempo de desenvolvimento, 𝑡𝑑, é maior do que o tempo de estiramento
das macromoléculas. Neste caso, a interação que existe entre polímero e estrutura turbulenta demanda certo tempo para se sincronizar depois do estiramento das moléculas. O tempo de resistência, 𝑡𝑟, como indicado na Figura 3, trata-se do período no qual a máxima redução de arrasto se mantém constante. Após este tempo, ocorre redução da eficiência do polímero, 𝐷𝑅, causado pela degradação mecânica das macromoléculas, e posteriormente a redução de arrasto assume um valor assintótico, 𝐷𝑅𝑎𝑠𝑠𝑛𝑡, no momento em que não se observa mais degradação, conhecido como tempo de assíntota, 𝑡𝑎.
A maior parte das teorias anteriormente citadas, utilizam o aditivo Óxido de Polietileno (PEO), que é um polímero sintético, obtido da polimerização do óxido de etileno (éter cíclico - 𝐶2𝐻4𝑂). Este polímero é classificado como flexível, porém,
existe os polímeros caracterizados como rígidos, que possuem a mesma função dos aditivos flexíveis, que é reduzir o fator de atrito (KENIS, 1971; BEWERSDORFF E SINGH, 1988; PEREIRA, ANDRADE E SOARES, 2013; SOARES et al., 2015).
Os polímeros rígidos e flexíveis possuem comportamentos diferentes em reduzir o arrasto. Conforme Virk (1975), os dois comportamentos são: o Tipo A e o Tipo B. O comportamento do Tipo A se refere aos polímeros flexíveis, que por sua vez se encontram encolhidos quando estão em repouso. A redução da resistência ao escoamento só acontece quando estes polímeros estão esticados, e para isso, é necessária aplicação de uma taxa de cisalhamento mínima. Os aditivos do tipo B, são relacionados com os polímeros rígidos, pois no estado de repouso se encontram esticados, e se submetidos as taxas de cisalhamento, permanecem nesse mesmo estado.
Os aditivos classificados como rígidos, são naturais e possuem alta resistência a degradação mecânica, ou seja, possuem maior estabilidade das cadeias poliméricas, entretanto, sofrem degradação biológica (KENIS, 1971; SOHN et al., 2001). Outro aspecto importante é em relação a cisão molecular. Conforme Pereira, Andrade e Soares (2013) a cisão molecular não interfere nos polímeros rígidos, como a Goma Xantana (XG). Os autores acreditam que agregados são formados na solução polimérica no momento em que as moléculas são interligadas. Assim, a desagregação acontece devido ao rompimento das ligações moleculares causadas pelas tensões do escoamento turbulento. Então, o comprimento médio das moléculas é reduzido e há uma redução da eficiência do polímero em diminuir o arrasto, mecanismo ilustrado na Figura 4.
Figura 4 - Processo de desagregação molecular.
Fonte: Soares e outros (2015).
2.3 REOMETRIA
No equipamento reômetro, o regime de escoamento pode ser analisado por várias geometrias de teste, uma delas é a geometria rotativa constituída por cilindros concêntricos de dupla folga (Standard Double Gap), como apresentado na Figura 5. Esta geometria possui como vantagem uma área de contato grande, o que permite serem obtidos bons resultados para uma ampla faixa do número de Reynolds (PEREIRA, 2012).
Figura 5 - Geometria rotativa de cilindros concêntricos de dupla folga.
Fonte: Barbosa (2017).
Com base no equacionamento utilizado por Pereira (2012) e com os valores da geometria dos cilindros (𝑅1, 𝑅2, 𝑅3, 𝑅4) definidos é possível calcular o fator geométrico K, pela Equação 4.
𝐾 =
2𝑅
4 2𝑅
42− 𝑅
32=
2𝑅
22𝑅
22− 𝑅
12 (4)Através do valor do fator geométrico encontrado na Equação 4 e a velocidade angular do rotor (⍵), pode ser determinada a taxa de deformação média (𝛾̇), como definido pela Equação 5.
𝛾̇ = 𝐾⍵ =
𝐾
2π
60
𝑛
(5)
Em que 𝑛 é a rotação do rotor dada em rpm.
O torque do rotor (𝑇𝑑𝑔) é medido durante os testes, e através deste é possível definir
=
𝑇
𝑑𝑔(1 + 𝛿
2)
4 𝜋𝐿 (𝛿
2𝑅
32+ 𝑅
22)
(6) No qual 𝛿 =𝑅4 𝑅3=
𝑅2𝑅1 corresponde razão de raios.
Uma vez definidas a taxa de deformação média (𝛾̇) e tensão de cisalhamento nominal (), a viscosidade dinâmica da solução polimérica pode ser obtida conforme a Equação 7.
µ =
𝛾̇
(7)
Com o valor da viscosidade, o regime do escoamento pode ser determinado pelo número de Reynolds, como apresentado na Equação 8.
𝑅𝑒 =
𝜌ℎ̅𝑢
µ
=
𝜌ℎ̅(⍵𝑅̅)
µ
(8)
Sendo ⍵𝑅̅ a velocidade linear média, µ a viscosidade dinâmica da solução
polimérica e ℎ̅ é o espaço médio entre as superfícies do copo e do rotor (ℎ̅ =(𝑅2−𝑅1)+(𝑅4−𝑅3)
2 ). Pela Equação 8, é possível obter também a velocidade
angular necessária para execução do teste, uma vez que o Reynolds é um parâmetro definido.
Com a tensão de cisalhamento nominal (), também é possível determinar o fator de atrito de Fanning (f), este parâmetro é necessário para o cálculo da redução de arrasto. A Equação 9 mostra como pode ser calculado este parâmetro.
𝑓 =
2
𝜌𝑢
2=
2
𝜌(⍵𝑅̅)
2Onde 𝑅̅ =𝑅2+𝑅3
2 e 𝑢 representa a velocidade linear média.
2.4 CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA PELA TÉCNICA NO INFRAVERMELHO
A Espectrofotometria no Infravermelho com Transformada de Fourier ou FTIR é uma das técnicas qualitativas de investigação da composição química de uma amostra, pois, segundo Souza e Poppi (2012), com o infravermelho é possível fazer uma análise de compostos orgânicos, de acordo com as bandas de frequências peculiares provocadas pelo modo de vibração.
O equipamento, basicamente, utiliza de métodos matemáticos (Transformada de Fourier) para efetuar a conversão dos dados recolhidos no espectro de radiação. Primeiramente, é feito uma varredura chamada de background, que consiste em uma leitura de referência sem a inserção das amostras. Em seguida a amostra é adicionada no equipamento e uma radiação eletromagnética é emitida por um espectrofotômetro com diversos comprimentos de onda. A amostra absorve a radiação em um comprimento de onda específico, modificando assim a intensidade desse feixe de luz, o qual origina um conjunto de dados. A radiação absorvida provoca o estiramento das ligações químicas. Este processo é repetido em um intervalo de tempo, e é obtido o espectro de absorção da amostra contendo picos com número de ondas e intensidades distintas (BARBOSA, 2007). A intensidade de um pico, normalmente, pode ser correlacionada a quantidade de um determinado grupo funcional, porém, esta comparação deve se ter cautela, pois como a técnica é qualitativa, podem haver fatores que influenciam na absorbância, tais como a sobreposição de bandas de absorção no espectro ou ruídos (STUART, 2004).
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Muitas pesquisas estão sendo realizadas sobre os agentes redutores naturais, também conhecidos como biopolímeros, pois são atóxicos e possuem boa resistência as tensões do escoamento turbulento, ao contrário dos polímeros classificados como sintéticos. O aditivo natural mais utilizado é a Goma Xantana, obtida pela fermentação das bactérias Xanthomonas Campestris (MORRIS, 1977; MULLER et al., 1986; BEWERSDORFF E SINGH, 1988).
Outro DRA natural é a Goma Guar, obtida das sementes da Cyamopsis tetragonolobus ou da Cyamopsis psoraloides. Phukan e outros (2001) analisaram a Goma Guar comercial e a versão purificada a fim de verificar qual apresenta melhor desempenho na irrigação por aspersão e percolação no solo. Dessa forma, descobriu-se que a versão purificada da Goma Guar é melhor, pois houve um aumento na área de cobertura no processo de irrigação e uma redução da taxa de infiltração.
Os polissacarídeos produzidos por microalgas marinhas são outros exemplos de DRA. Gasljevic e outros (2008) avaliaram a capacidade de reduzir o fator de atrito por diferentes espécies do biopolímero. O autor concluiu que várias espécies foram eficientes neste ponto.
A quitosana presente no exoesqueleto de crustáceos é outro produto que pode ser usado com resultados satisfatórios de redução do fator de atrito. Segundo Abdulbari e outros (2011) e Abdulbari, Kamarulizam e Nour (2012) obtiveram 81% de redução de arrasto com a inserção de 300 ppm (parte por milhão) deste biopolímero com ácidos cloridrato.
O biopolímero proveniente da casca de banana foi estudado por Singh, Jaafar e Yusup (2014). O objeto de estudo dos autores é sintetizado e convertido em Carboximetilcelulose. Como resultado, eles descobriram que o produto apresenta bom desempenho como redutor de arrasto.
Estudos conduzidos por Ogata e Warashina (2014) avaliaram a Nata de Coco em suspensão como agente redutor de atrito de escoamentos em dutos. Pela pesquisa, foi percebido que é possível reduzir o atrito acima de 25% para uma concentração de cerca de 50 ppm. Nesta situação, foi constatado que é necessário de fato ter uma rede em suspensão do biopolímero e quanto maior o tamanho das fibras, maior é a redução de arrasto alcançada.
O aditivo polimérico proveniente da mucilagem extraída do quiabo possui boa capacidade de redução de arrasto. Investigações a respeito desse material foram realizadas por Abdulbari e colaboradores avaliando parâmetros que podem influenciar na diminuição do arrasto e a influência do tipo de solvente (ABDULBARI et al., 2010; 2012; 2014). Além desses autores, Coelho e outros (2016) em seus experimentos avaliaram a eficiência da fibra misturada a mucilagem do quiabo e obtiveram uma redução de arrasto de aproximadamente de 76% para 1600 ppm.
Em estudo feito recentemente por Abdulbari e Ling (2017), foi descoberto que a mucilagem extraída das folhas Hibiscus Rosa-Sinensis (planta conhecida como hibisco) pode aumentar o fluxo sanguíneo em 24,6% para uma concentração de 100 ppm deste biopolímero, podendo ser uma boa alternativa para o combate de doenças cardiovasculares.
A mucilagem de babosa como agente redutor de arrasto foi estudada por Abdulbari, Letchmanan e Yunus (2011). Nos testes, os autores obtiveram 63% de redução de arrasto no escoamento, comprovando o potencial deste produto na diminuição da resistência ao escoamento em tubulações.
Mais recentemente, Barbosa (2017) descobriu que a babosa pode diminuir em até 71% o atrito, para uma concentração 1600 ppm de mucilagem. O autor também avaliou a eficiência da casca da folha de Aloe vera em forma de pó em termos de redução de arrasto. Este mesmo autor comparou este biopolímero com diferentes polímeros naturais e sintéticos, tais como a XG e PEO, que são redutores de arrasto muito aplicados em sistemas de transporte de fluidos. O autor observou que os resultados obtidos com babosa apresentaram a metade da eficiência alcançada pela XG. Porém, a mucilagem da babosa apresenta vantagens como ser um produto
extraído de planta e ser uma matéria prima abundante. Nos testes com o PEO, os valores obtidos foram apenas no início do experimento, o que comprova que, pela babosa ser um polímero natural (polímero rígido), esta não sofre degradação mecânica significativa como acontece com os polímeros sintéticos que são flexíveis.
Outro ponto que foi investigado se trata dos principais constituintes presentes nas estruturas das mucilagens da Aloe vera. Em sua composição química, a água é o constituinte mais abundante, representando aproximadamente 94 a 99,5% de sua composição (GRINDLAY E REYNOLDS, 1986; FEMENIA et al., 1999; PANDHAIR et al., 2011). O restante, refere-se a grupos funcionais de carboidratos, lipídios, minerais, vitaminas, proteínas, compostos fenólicos, ácidos, entre outros (ROBOZ E SMIT, 1948; SCALA et al., 2013). Os carboidratos são constituídos por monossacarídeos e polissacarídeos. Esse componente pode ser responsável por proporcionar a viscoelasticidade às mucilagens dependendo do tamanho da cadeia (BOURBON et al., 2010; PANDLEY E SINGH, 2016). Dentre os carboidratos, os polissacarídeos fazem parte deste grupo que é composto principalmente por manose e glicose podendo ter ligação com galactose, que são açúcares (CHOW et
al., 2005).
A técnica de caracterização química pelo FTIR foi utilizada por Ray e Gupta (2013) na identificação da composição química da Aloe barbadensis. Os autores perceberam que os principais picos na amostra correspondiam: de CH por volta de 647,62 cm-1, em torno de 3400,10 cm-1 representando o grupo fenólico, em 1637,72
cm-1 indicando a presença dos compostos carbonílicos (=CO). Além desses, os
picos em 1608 cm-1 e em torno de 1080,20 cm-1 estão associados às unidades as
4 METODOLOGIA
Nesta seção, será detalhada a metodologia adotada para a realização deste trabalho, como a forma de plantio e cultivo das plantas, extração e armazenamento do polímero, equipamentos utilizados e os testes que foram executados.
4.1 FORMA DE PLANTIO E CULTIVO DAS ESPÉCIES DE BABOSA
Foram compradas, em comércio da região, quatro mudas das duas espécies de babosa, que foram plantadas em um sítio localizado no interior da cidade de Linhares no Espírito Santo. A espécie Aloe arborescens não é uma planta comum na região de estudo, logo a quantidade de mudas obtidas foi bem restrita. As mudas foram dispostas em duas fileiras, cada uma contendo quatro mudas de uma única espécie, com espaçamento de 60 centímetros entre as mudas e de 1,3 metros entre as fileiras, seguindo recomendações de Bach e Lopes (2007). A babosa é uma planta que se desenvolve melhor com pouca água. Logo, as mudas foram irrigadas a cada 15 dias. A colheita foi feita após um período de 2 meses.
Após a colheita, as folhas foram selecionadas de acordo com o comprimento, largura, espessura para verificação da idade da planta, segundo a metodologia definida com base na literatura (Paleari e Dos Santos, 1998; Monteiro et al., 2005; Lima et al., 2011). Para tanto, foram selecionadas apenas folhas que foram classificadas como jovens. Os valores contidos na Tabela 1, correspondem aos valores das folhas coletadas. As medidas foram feitas por meio de uma fita métrica.
Tabela 1 - Parâmetros utilizados para comparação entre as espécies de babosa. Idade Comprimento (cm) Espessura máx. (cm) Largura máx. (cm) Jovem 25,6 1,1 2,9
4.2 EXTRAÇÃO E ARMAZENAMENTO DO POLÍMERO
Para obtenção da mucilagem concentrada da planta foi seguida a metodologia adotada por Barbosa (2017). Primeiramente, as folhas retiradas das plantas foram lavadas e suas cascas removidas, obtendo como resultado um gel que é composto pela mucilagem e fibras. Desta forma, como o objetivo foi a obtenção da mucilagem concentrada, o produto obtido na etapa anterior passou por um processo de moagem, para facilitar a filtragem da mucilagem. Em seguida, o produto foi conduzido para três filtros de malhas diferentes: o tecido do primeiro filtro foi um tule 100% poliéster, o segundo e terceiro filtro apresentavam aberturas de 1,80 milímetros e 106 micrômetros, respectivamente. O segundo e terceiro filtros estão de acordo com a norma NBR NM-ISSO 3310/1. Dessa maneira, após o material ser filtrado, é obtido como resultado a mucilagem concentrada na sua forma final. Assim, a mucilagem foi homogeneizada, envazada em recipientes e transferida a um congelador, para evitar qualquer tipo de degradação da solução. As etapas feitas para obtenção da mucilagem concentrada são apresentadas na Figura 6.
Figura 6 - Etapas do processamento do biopolímero.
a) Folhas de Aloe b) Gel extraído das folhas
c) Processo de moagem
d) Filtração pelo Tule e) Filtro de 1.8 mm f) Filtro de 106 m g) Mucilagem concentrada Fonte: Autora.
Para efetuar os experimentos foi necessário conhecer a concentração da mucilagem de cada espécie. Logo, uma pequena parte da mucilagem antes de ser levada para
o congelador foi separada. A concentração da solução foi estabelecida mediante as pesagens das massas inicial e final da mucilagem. Sendo assim, a amostra coletada foi dividida em dois recipientes e a massa inicial, de cada recipiente com solução, foi determinada através de uma balança.
A medição da massa da mucilagem foi feita na balança analítica eletrônica, modelo ABT 302-4M do fabricante KERN & SOHN GmnH, que possui capacidade de 320 g e precisão de 0,0001 g.
Em seguida, as amostras foram encaminhadas à uma estufa, onde permaneceram à uma temperatura de 55 ºC por um período de 24 horas, até a obtenção de um produto seco, cuja massa é constante. Dessa maneira, a massa do produto completamente seco foi medida e a concentração pôde ser especificada. A concentração para cada espécie é apresentada nas Tabelas 2 e 3, em que os valores de massa descritos são a média de três pesagens realizadas.
Tabela 2 - Massas e concentração obtida da espécie Aloe arborescens. Amostras Massa da mucilagem (g) Massa do polímero (g) Concentração (ppm) 1 42,5368 0,3511 8255 2 38,5433 0,3168 8219 Média: 8237
Fonte: Elaborado pela autora.
Tabela 3 - Massas e concentração obtida da espécie Aloe barbadensis. Amostras Massa da mucilagem (g) Massa do polímero (g) Concentração (ppm) 1 14,4098 0,1200 8328 2 14,5715 0,1196 8210 Média: 8269
Fonte: Elaborado pela autora.
4.3 REÔMETRO
Em virtude da pequena quantidade de amostra da espécie Aloe arborescens disponível para os testes, pois esta espécie não é muito comum na região, a
metodologia escolhida para os experimentos de DR foi a utilização do reômetro. Além de utilizar um volume menor de amostra, este equipamento demanda menor tempo para realização dos experimentos e apresenta resultados satisfatórios, como descrito por Choi e Jhon (1996), Sohn e outros (2001), Nakken, Tande e Elgsaeter (2001) e Pereira e Soares (2012). O reômetro que foi usado, está disponível no laboratório de Reologia da Universidade Federal do Espírito Santo, cujo modelo é HaakeMars II da ThermoScientific, que também foi aplicado em estudos de Pereira e Soares (2012), Pereira, Andrade e Soares (2013), Coelho e outros (2016) e Barbosa (2017).
Para que todos os testes fossem realizados à mesma temperatura, o controle deste parâmetro foi feito por um banho termostático, que é vinculado ao reômetro, do tipo ThermoHaake Phoenix II, cujo modelo é P1-C50P. Um compressor odontológico modelo MC6 BPV RV 60L do fabricante Chiaperini Industrial foi responsável por fornecer ar comprimido ao reômetro. Após o compressor, existe um sistema de filtragem e secagem da Bel Air. Um computador, conectado ao reômetro, foi responsável pelo controle automático dos experimentos, bem como, a aquisição dos dados. O reômetro e o banho termostático são ilustrados na Figura 7 - a).
Figura 7 - Reômetro e geometria utilizada para os testes.
a) Reômetro Haake Mars II. b) Geometria rotativa de cilindros concêntricos de dupla folga. Fonte: Barbosa (2017).
Os testes foram conduzidos na geometria rotativa de cilindros concêntricos com dupla folga (Standard Double Gap), como ilustrado na Figura 7 - b). A amostra a ser
testada é depositada entre duas superfícies cilíndricas (copo). As dimensões do copo utilizado para este trabalho são: R1 = 17,75 mm, R2 = 18,00 mm, R3 = 21,40
mm e R4 = 21,70 mm. O rotor possui comprimento L0 = 55 mm, e a distância do rotor
ao fundo do copo adg = 5,1 mm. O volume de amostra que é possível ser inserido no
copo é de 6,3 ml.
4.3.1 Preparo das soluções para o teste
Para execução dos testes no reômetro foi seguido a mesma metodologia para todas as amostras. Primeiramente, a amostra de Aloe foi descongelada até alcançar temperatura ambiente, de aproximadamente 25 ºC. Após esta etapa, a amostra foi diluída em água deionizada até atingir a concentração definida para o teste. Em seguida, as soluções foram misturadas através de um agitador eletromagnético Nalgon HOTLAB II em um intervalo de tempo de 2 horas para assegurar a homogeneidade da mucilagem concentrada.
4.3.2 Caracterização reológica
Um volume de 6,3 ml de amostra de cada espécie foi usado para determinação da viscosidade utilizando o reômetro. A temperatura na qual ocorreu a medição foi mantida em 25 °C. Estes testes foram feitos para as concentrações de 50, 100 e 200 ppm de cada espécie de Aloe. A viscosidade foi medida dentro da faixa 0 a 2400 rpm de velocidade angular do rotor, durante um intervalo de tempo de 480 segundos, sendo obtidas medições a cada segundo. O valor da viscosidade da solução necessário para os cálculos da rotação do rotor para os testes de DR, é obtido na faixa de rotação do rotor onde o escoamento está em regime laminar, especificamente no ponto de mínimo da curva. A partir dessa faixa de rotação, acontece as primeiras instabilidades e o escoamento passa a ter um regime turbulento. Segundo Pereira e Soares (2012), essa faixa de rotação proporciona valores de viscosidades correspondentes com os obtidos em viscosímetros capilares. A medição de viscosidade foi realizada três vezes, para que fosse alcançada a repetibilidade das curvas.
4.3.3 Testes de redução de arrasto
No reômetro, foram utilizadas soluções em diferentes concentrações e avaliados os efeitos da concentração e a capacidade de redução de arrasto alcançada ao longo do tempo para cada espécie. Até que fosse obtido um regime assintótico das curvas, foi mantida uma rotação fixa para um número de Reynolds de 1360. Os valores de rotação para cada solução em teste foram distintos, uma vez que as viscosidades foram diferentes. Logo, nesta etapa, os cálculos abordados na sessão 2.3 são utilizados para a definição da rotação a ser aplicada no sistema. Com este valor determinado, um volume de 6,3 ml da amostra foi inserido entre os copos e os testes foram iniciados sendo o banho termostático ligado para garantir o controle da temperatura durante todo o experimento de DR. Em seguida, o rotor começa a girar em torno do copo na rotação estabelecida e é medido o torque do rotor. São obtidas 2000 medições durante a execução do teste.
4.4 CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA DAS SOLUÇÕES
A composição das amostras foi determinada pelo Espectrofotômetro no Infravermelho com Transformada de Fourier ou FTIR (Fourier Transform Infrared). Logo, uma amostra de cada espécie de Aloe foi separada para esta etapa do trabalho e foi feita a diluição de algumas amostras de solução em água de forma que todas ficassem com a mesma concentração de polímero. Parte da amostra foi inserida sobre a superfície do cristal do ATR (reflexão total atenuada), acessório do dispositivo, e posteriormente, foi obtido o espectro correspondente a amostra analisada. Esta técnica de investigação dos constituintes é importante, pois estes resultados podem ser relacionados com a resposta obtida dos testes de redução de arrasto. Com este experimento, foram obtidos gráficos com picos que apresentam magnitudes distintas, conhecida como absorbância, e bandas de número de onda que correspondem aos grupos funcionais de cada solução.
O Espectrofotômetro utilizado, disponível na Universidade Federal do Espírito Santo - campus São Mateus, é da marca Cary 630 FTIR Agilent Technologies e opera em uma faixa espectral de 4000 a 400 cm-1 com 100 scans e 2 cm-1 de precisão.
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os resultados obtidos com os testes no reômetro e espectrofotômetro são discutidos nesta seção. Primeiro, são apresentados a medição da viscosidade das amostras. Logo após, são exibidos os testes de repetibilidade, a fim de verificar a confiabilidade dos mesmos e, em seguida, os resultados de redução de arrasto para as espécies Aloe arborescens e Aloe barbadensis. Posteriormente, é exposta a caracterização química efetuada pela técnica de infravermelho e, por fim, são relacionados os resultados obtidos da reologia com a caracterização química.
5.1 CARACTERIZAÇÃO REOLÓGICA
Como mencionado, foi separada uma quantidade de Aloe arborescens para três concentrações diferentes (50, 100 e 200 ppm) e foi avaliado o comportamento reológico, neste caso, a viscosidade, variando-se a velocidade angular do rotor do reômetro, como ilustrado na Figura 8.
Figura 8 - Valores de viscosidade da Aloe arborescens.
Na Figura 8, nota-se que as viscosidades para esta espécie possuem comportamentos semelhantes para as três concentrações. No início da curva, até rotações próximas a 500 rpm, região em que o fluxo é caracterizado como laminar, há um decaimento da viscosidade. A partir desta rotação, ocorre um aumento na viscosidade do escoamento, sendo caracterizado por um regime turbulento. Para o cálculo da rotação que será utilizada em cada teste de redução de arrasto, é usado o ponto de mínimo de cada curva de viscosidade.
O mesmo procedimento foi aplicado para a Aloe barbadensis, sendo preparado amostras na mesma faixa de concentrações para verificar o comportamento reológico da solução, como pode ser observado na Figura 9.
Figura 9 - Valores de viscosidade da Aloe barbadensis.
Fonte: Elaborado pela autora.
Percebe-se, pela Figura 9, que as viscosidades encontradas para as três concentrações apresentaram comportamentos iguais. A mesma analogia discutida anteriormente é aplicada neste caso, sendo o valor de viscosidade obtido no ponto de mínimo da curva e utilizado no cálculo da rotação nos testes de redução de arrasto.
5.2 REPETIBILIDADE DOS TESTES
Foram feitos testes para verificar a reprodutibilidade dos resultados obtidos pelo reômetro. Neste caso, o teste foi realizado com a espécie Aloe arborescens à uma concentração equivalente a 50 ppm, como ilustrado na Figura 10.
Figura 10 - Teste de repetibilidade da solução de Aloe barbadensis no reômetro.
Fonte: Elaborado pela autora.
Nota-se, pela Figura 10, que as duas curvas obtidas nos testes no reômetro apresentaram o mesmo comportamento. Dessa maneira, a máxima diferença entre essas curvas foi de aproximadamente 0,73% que foi na região próxima a 4 segundos. Logo, este valor mostra que o equipamento é preciso, pois a diferença que se teve entre as curvas foi muito pequena.
5.3 DESEMPENHO DAS ESPÉCIES NA CAPACIDADE DE REDUÇÃO DE ARRASTO
Os testes de redução de arrasto para avaliar a eficiência das espécies de Aloe foram feitos para três concentrações e em uma rotação fixa suficiente para manter um escoamento turbulento. Neste teste, o rotor é acelerado até atingir a velocidade
angular determinada e posteriormente é mantida fixa até o final do experimento. Primeiro, é avaliado o efeito da concentração na redução de arrasto para a espécie Aloe arborescens, sendo os testes feitos com um número de Reynolds fixo em 1360 e temperatura de 25 ºC, como representado na Figura 11.
Figura 11 - Efeito da concentração na redução de arrasto para a solução de Aloe arborescens.
Fonte: Elaborado pela autora.
Os resultados obtidos e representados na Figura 11 mostram o comportamento do biopolímero em relação ao tempo. No início das curvas, é observado o tempo de desenvolvimento do polímero (𝑡𝑑), momento em que 𝐷𝑅 aumenta conforme as estruturas turbulentas são desenvolvidas. Após ser alcançado 𝐷𝑅𝑚𝑎𝑥, há um decaimento da curva até aproximadamente 100 segundos. Posteriormente, para essa mesma espécie, verifica-se que a curva possui um comportamento assintótico.
O efeito da concentração na redução de arrasto também foi avaliado para a espécie Aloe barbadensis, como ilustrado na Figura 12.
Figura 12 - Efeito da concentração na redução de arrasto para a solução de Aloe barbadensis.
Fonte: Elaborado pela autora.
Na Figura 12, é percebido o mesmo comportamento inicial da Aloe barbadensis em relação à Aloe arborescens, sendo constatado um aumento de 𝐷𝑅 no momento em que há um desenvolvimento das estruturas turbulentas. Posteriormente, com o valor de 𝐷𝑅𝑚𝑎𝑥 atingido, percebe-se o tempo de resistência (𝑡𝑟), que é caracterizado como o tempo em que o valor se mantém constante.
Comparando o comportamento dos dois biopolímeros investigados, observa-se que o tempo de resistência da Aloe arborescens ocorre em momento diferente da espécie Aloe barbadensis. Antes disso acontecer, ou seja, do valor se manter constante, a Aloe arborescens sofre um decaimento na capacidade de redução de arrasto. Acredita-se que isso acontece por alguma desagregação à qual o polímero esteja sujeito. Neste caso, há o rompimento das ligações moleculares provocadas pelas tensões do escoamento, o que implica na redução da eficiência do polímero (PEREIRA, ANDRADE E SOARES, 2013).
Outra análise que também pode ser feita das mesmas Figuras, é em relação ao efeito da concentração na capacidade de redução de arrasto. É percebido que 𝐷𝑅 é
maior para soluções mais concentradas. Este fato acontece, pois, já que existem mais macromoléculas nas soluções mais concentradas, maior é a energia retirada do escoamento para que as mesmas sejam esticadas. Assim, maiores são os distúrbios e consequentemente, mais tempo é levado para que as estruturas turbulentas se acomodem, assim como relatado na literatura (HERSHEY E ZAKIN, 1967; VIRK et al., 1967; BURGER E CHORN, 1980; MOUSSA E TIU, 1994; VANAPALLI et al., 2005; PEREIRA E SOARES, 2012).
Para facilitar a comparação entre as eficiências dos agentes redutores de arrasto obtidos pelas espécies Aloe arborescens e Aloe barbadensis, é apresentada a Figura 13, com os resultados obtidos anteriormente para três concentrações diferentes.
Figura 13 - Comparação da capacidade de redução de arrasto entre as espécies Aloe barbadensis e Aloe arborescens.
Fonte: Elaborado pela autora.
Nota-se, analisando o comportamento assintótico no tempo de 200 s, que para concentração de 50 ppm, a Aloe arborescens apresentou 𝐷𝑅 de 6,7% e a Aloe
barbadensis de 4,8%, logo, a diferença das eficiências foi de aproximadamente 1,9%. Para a concentração de 100 ppm, os resultados alcançados de redução de arrasto para as duas espécies foram de 7,7% para Aloe arborescens e para Aloe barbadensis de 6,8%, sendo a diferença de 0,9%. E por último, para 200 ppm, a Aloe arborescens apresentou um 𝐷𝑅 igual a 10,0% e para a Aloe barbadensis este valor foi de 9,5%, obtendo uma distinção de 0,5%. Portanto, na região que o polímero possui comportamento assintótico, como a diferença de redução de arrasto entre as duas espécies foi maior do que o erro máximo do instrumento para as concentrações de 50 e 100 ppm, pode ser aferido que a Aloe arborescens é mais eficiente que a Aloe barbadensis, entretanto esta mesma análise não pode ser aplicada para a concentração de 200 ppm, uma vez que a diferença obtida entre as espécies foi menor do que o erro máximo associado a precisão do reômetro.
Outra análise que pode ser feita pela Figura 13, é relativa à diferença de 𝐷𝑅𝑚𝑎𝑥 entre as duas espécies. Para concentrações de 50 ppm, o valor máximo atingido pela Aloe arborescens foi de 9,3% e para a Aloe barbadensis foi de 4,3%, sendo a diferença equivalente a 5%. Para 100 ppm, este valor ficou próximo a 9,0% para Aloe arborescens e 7,8% para a Aloe barbadensis, obtendo 1,2% como diferença entre as espécies. E finalmente, para 200 ppm, foi obtido um valor máximo de 13,1% para Aloe arborescens e 9,3% para a Aloe barbadensis, sendo 3,8% de distinção. Logo, analisando 𝐷𝑅𝑚𝑎𝑥 percebe-se que a espécie Aloe arborescens se mostrou mais eficiente como agente redutor de arrasto do que a Aloe barbadensis, de modo que esta diferença de redução de arrasto foi mais expressiva nas concentrações de 50 ppm e 200 ppm. Em todas as concentrações os valores obtidos de diferença de eficiência foram maiores do que o erro associado ao equipamento, mostrando que há diferenças na redução de arrasto para os casos analisados. Pressupõe-se que a composição química de cada espécie esclareça estes resultados obtidos no reômetro. Dessa maneira, foi feita a análise de cada espécie para averiguar quais constituintes estão presentes em cada solução estudada e se existe diferença na quantidade desses constituintes comparando essas espécies.
5.4 CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA
Como mencionado no tópico 4.4, a partir de uma amostra de cada solução da espécie de babosa, realizou-se os testes por espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier com o objetivo de detectar os grupos funcionais.
Primeiramente, foi executado o experimento verificando o tempo de secagem de cada amostra de babosa em cima do próprio equipamento. Este teste foi necessário, pois como as amostras estudadas são líquidas, no instante em que foram adicionadas no equipamento, a leitura feita da composição da babosa só detectava água como constituinte. Logo, este parâmetro foi avaliado para saber o tempo de espera para se iniciar o teste com a espécie Aloe arborescens, apresentado na Figura 14.
Figura 14 - Caracterização química para avaliar o tempo de secagem com a Aloe arborescens.
Fonte: Elaborado pela autora.
Foi verificado pela Figura 14, que para a Aloe arborescens, o tempo necessário para que parte da água volatize e seja constatado outros grupos funcionais foi de 5
minutos, uma vez que após esse tempo começa a se notar repetibilidade nas leituras.
A mesma análise foi aplicada a espécie Aloe barbadensis, como representado na Figura 15.
Figura 15 - Caracterização química para avaliar o tempo de secagem com a Aloe barbadensis.
Fonte: Elaborado pela autora.
Nota-se, pela Figura 15, que o tempo de espera para que seja observado outros grupos funcionais além da água foi de 10 minutos para a Aloe barbadensis. Para ambas as espécies, a secagem propriamente dita foi parcial, não sendo suficiente para retirar toda a água de dentro das amostras. Esta etapa teve de ser executada dessa maneira, pois o material analisado é natural e em contato com o ar, sofre degradação biológica. Com este parâmetro definido, foram feitas as caracterizações químicas de cada espécie, sendo que na Figura 16, se encontram a média de cinco testes executados.
Figura 16 - Caracterização química da Aloe arborescens e Aloe barbadensis.
Fonte: Elaborado pela autora.
Pela Figura 16, foram analisados os picos em formatos largos para identificação dos compostos químicos presentes na espécie Aloe barbadensis. Comparando os picos obtidos com o que foi apresentado por Ray e Gupta (2013), percebe-se que a intensidade do pico em torno de 3328 cm-1 foi alta, e este pico é constituído em
maior parte pela água. Além disso, nesta região pode ser considerado a presença de compostos fenólicos OH. Em 1713 cm-1, foram identificados os compostos
carbonílicos que constituem os carboidratos e lipídios. O pico encontrado em torno de 598 cm-1 corresponde aos constituintes CH, indicando a presença de carboidratos
polimerizados e compostos fenólicos, apresentando baixa intensidade de pico. Nas bandas de número de onda por volta de 1606 cm-1 e 1082 cm−1, o grupo acetila
inserido em outra molécula é identificado no composto orgânico, podendo essa molécula ser alguma proteína ou carboidrato. Assim, os principais constituintes são água, compostos fenólicos (como a lignina um dos principais constituintes da parede celular vegetal), carboidratos, lipídios e proteínas.
Verifica-se, na Figura 16, que os picos detectados para Aloe arborescens possuem mesma faixa de número de onda dos picos da Aloe barbadensis, comprovando
assim que os grupos funcionais são semelhantes. Porém, ainda não pode ser afirmado se as quantidades são iguais ou diferentes entre as espécies, uma vez que pode ser observado que a Aloe barbadensis possui valores de absorbância mais elevados do que a Aloe arborescens, pois as concentrações das espécies não foram as mesmas devido ao tempo de secagem e condições do próprio ambiente. Entretanto, uma análise que ainda pode ser desempenhada é em relação a altura relativa dos picos. Dessa forma, a Tabela 4, apresenta as proporções dos constituintes em referência ao pico de maior amplitude de cada espécie.
Tabela 4 - Proporção dos constituintes em relação ao pico mais intenso da Aloe arborescens e Aloe barbadensis.
Número de onda (cm-1) Proporção dos constituintes da Aloe arborescens (%)
Proporção dos constituintes da Aloe barbadensis (%) 3328 57 62 2926 17 12 1725 15 29 1601 100 66 1390 31 42 1246 1 40 1082 45 81 1029 39 100 598 25 23
Fonte: Elaborado pela autora.
A Tabela 4 retrata claramente que as proporções dos constituintes foram bem diferentes comparando-se as espécies.
5.5 RELAÇÃO ENTRE OS RESULTADOS OBTIDOS DO REÔMETRO E DA CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA
Como mencionado nas seções anteriores, as proporções dos constituintes presentes em cada espécie de Aloe foram distintas o que corrobora para os resultados obtidos na reologia de que há diferença no desempenho das espécies como DRA. Apesar da técnica empregada de caracterização química ser qualitativa, dentre os constituintes detectados na análise, acredita-se que os compostos químicos responsáveis pela redução de arrasto são: os carboidratos e proteínas, que são
polímeros, formados por macromoléculas constituídas por monômeros (COELHO, 2016). Para confirmar essa hipótese é necessário que seja aplicada outra técnica de caracterização química de maneira que possa ser quantificado a quantidade de cada constituinte presente na mucilagem da babosa.
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Neste estudo, foi avaliado o comportamento como agente redutor de arrasto de biopolímeros extraídos de duas espécies diferentes de babosa, Aloe arborescens e Aloe barbadensis. No reômetro, foi constatado que as espécies possuem diferença na redução de arrasto em escoamentos turbulentos. Pelos resultados obtidos, foi observado que soluções mais concentradas proporcionam maior redução do fator de atrito. E relacionando as duas espécies, dada uma mesma concentração, notou-se que a Aloe arborescens é mais eficiente na redução de arrasto do que a espécie Aloe barbadensis.
Na caracterização química, observou-se que as bandas mais importantes do espectro obtido pelo infravermelho, eram as mesmas para as duas espécies estudadas. Logo, a análise consistiu em identificar os compostos presentes, que foram: água, compostos fenólicos, carboidratos, lipídios e proteínas. Porém, pela análise de proporção dos constituintes foi verificado que há discrepâncias entre as espécies, o que está de acordo com o resultado obtido no reômetro, de que há diferença nas eficiências de redução de arrasto entre as espécies Aloe barbadensis e Aloe arborescens. Acredita-se que os componentes químicos responsáveis pela redução de arrasto são os carboidratos e proteínas. Este método de caracterização é um método qualitativo, logo, já está sendo desenvolvido uma investigação quantitativa dos compostos químicos existentes em cada amostra pela técnica de ressonância magnética com a finalidade de descobrir os possíveis constituintes responsáveis pela redução de arrasto.
Já foi investigado por outros autores que a Aloe barbadensis é um biopolímero com bons resultados de redução de arrasto em relação a outros polímeros naturais, além de ser obtido de planta e possuir matéria prima em abundância. Logo, pelos resultados dos testes, a espécie Aloe arborescens por apresentar resultados melhores de diminuição da resistência de escoamentos, deveria ser mais investigada e potencializada em aplicações que envolvem meio ambiente e medicina.
Este estudo mostra apenas uma parte da comparação entre as espécies de babosa. A necessidade de se explorar mais esta área é extremamente relevante, pois as descobertas podem contribuir em transportes eficientes de fluidos. Como trabalho futuro, sugere-se que se obtenha uma maior quantidade de mudas das duas espécies de babosa a fim de comparar os resultados obtidos no reômetro com os que são feitos em escoamentos turbulentos em dutos, uma vez que nestes podem ser alcançados resultados de escoamento similares às aplicações práticas. Além disso, acredita-se que utilizando apenas os constituintes responsáveis pela redução de arrasto pode ser alcançado resultados mais satisfatórios nesta área. Logo, sugere-se também extrair esses possíveis constituintes e verificar o desempenho dos mesmos na capacidade de redução de arrasto.
