Avaliação das propriedades físico-químicas de sistemas a base de carboximetilcelulose e poli (N-isopropilacrilamida) em soluções aquosas para aplicação na indústria do petróleo

Sustainable development is a major challenge in the oil industry and has aroused growing interest in research to obtain materials from renewable sources. Carboxymethylcellulose (CMC) is a polysaccharide derived from cellulose and becomes attractive because it is water-soluble, renewable, biodegradab...

Nível de Acesso:openAccess
Publication Date:2014
Main Author: Lima, Bruna Vital de
Orientador/a: Balaban, Rosângela de Carvalho
Format: Tese
Language:por
Published: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Programa: Programa de Pós-Graduação em Química
Department: Físico-Química; Química
Assuntos em Português:
Assuntos em Inglês:
Áreas de Conhecimento:
Online Access:http://repositorio.ufrn.br:8080/jspui/handle/123456789/17797
Citação:LIMA, Bruna Vital de. Avaliação das propriedades físico-químicas de sistemas a base de carboximetilcelulose e poli (N-isopropilacrilamida) em soluções aquosas para aplicação na indústria do petróleo. 2014. 186 f. Tese (Doutorado em Físico-Química; Química) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2014.
Resumo Português:O desenvolvimento sustentável é um dos principais desafios da indústria do petróleo, que tem despertado crescente interesse por pesquisas para obtenção de novos materiais provenientes de fontes renováveis. A carboximetilcelulose (CMC) é um polissacarídeo derivado da celulose, que se destaca por ser solúvel em água, renovável, biodegradável, de baixo custo e por apresentar possibilidades de modificações em sua estrutura química. Dentre os derivados de carboximetilcelulose, alguns sistemas têm sido desenvolvidos para induzir propriedades estímulos-responsivos e ampliar a aplicabilidade desses materiais multirresponsivos. Embora esses novos materiais sejam atualmente objeto de estudo, a compreensão de suas propriedades físico-químicas, tais como viscosidade, solubilidade e tamanho de partículas em função do pH e temperatura ainda é muito limitada. Esta tese descreve sistemas de misturas físicas e copolímeros à base de carboximetilcelulose e poli (Nisopropilacrilamida) (PNIPAM) com diferentes composições percentuais de alimentação reacional (25CMC, 50CMC e 75CMC), em solução aquosa. A estrutura química dos polímeros foi investigada por infravermelho e análise elementar CHN. As misturas físicas foram analisadas por reologia e os copolímeros foram analisados por UV-visível, espalhamento de raios-X a baixos ângulos (SAXS), espalhamento de luz dinâmico (DLS) e potencial zeta. CMC e copolímero foram avaliados como inibidores de incrustação de carbonato de cálcio (CaCO3) usando os testes de compatibilidade química e precipitação dinâmica em capilar, assim como a microscopia eletrônica de varredura (MEV). As misturas físicas 50% CMC_50% PNIPAM e 25% CMC_75% PNIPAM em solução aquosa, nas concentrações de 6 e 2 g/L, respectivamente, apresentaram comportamento termoviscosificante dependente da concentração de polímero e da composição. Para os copolímeros, o aumento da quantidade de PNIPAM e da temperatura favoreceu as interações polímero-polímero através dos grupos hidrofóbicos, resultando no aumento da turbidez das soluções poliméricas. O tamanho das partículas diminuiu com o aumento do teor de PNIPAM na composição dos copolímeros em função do pH (3-12), a 25 °C. Maiores quantidades de CMC resultaram em um efeito mais forte do pH nos tamanhos das partículas, exibindo um comportamento pH-responsivo. Assim, 25CMC não foi afetada pela mudança de pH, apresentando comportamento similar a PNIPAM. Além disso, a presença de aditivos de caráter ácido ou básico influenciou no tamanho das partículas, que foram menores na presença desses aditivos do que em água destilada. Os resultados de potencial zeta também sofreram maior variação para os polímeros em água destilada do que na presença de ácidos e bases. A temperatura consoluta inferior (LCST) da PNIPAM determinada por DLS foi concordante com o valor obtido por UV-visible. Os dados de SAXS mostraram para PNIPAM e 50CMC uma transição de fase quando a temperatura aumentou de 32 para 34 °C. Um aumento do caráter polieletrolítico foi observado em função do aumento da CMC na composição dos copolímeros. A avaliação das amostras como inibidores de incrustação mostrou que a CMC apresenta um melhor desempenho do que o copolímero. Isto foi atribuído a maior densidade de cargas presente na CMC. As micrografias do MEV confirmaram mudanças morfológicas dos cristais de CaCO3, indicando o potencial desses polímeros para inibição de incrustação
Resumo inglês:Sustainable development is a major challenge in the oil industry and has aroused growing interest in research to obtain materials from renewable sources. Carboxymethylcellulose (CMC) is a polysaccharide derived from cellulose and becomes attractive because it is water-soluble, renewable, biodegradable and inexpensive, as well as may be chemically modified to gain new properties. Among the derivatives of carboxymethylcellulose, systems have been developed to induce stimuli-responsive properties and extend the applicability of multiple-responsive materials. Although these new materials have been the subject of study, understanding of their physicochemical properties, such as viscosity, solubility and particle size as a function of pH and temperature, is still very limited. This study describes systems of physical blends and copolymers based on carboxymethylcellulose and poly (N-isopropylacrylamide) (PNIPAM), with different feed percentage compositions of the reaction (25CMC, 50CMC e 75CMC), in aqueous solution. The chemical structure of the polymers was investigated by infrared and CHN elementary analysis. The physical blends were analyzed by rheology and the copolymers by UV-visible spectroscopy, small-angle X-ray scattering (SAXS), dynamic light scattering (DLS) and zeta potential. CMC and copolymer were assessed as scale inhibitors of calcium carbonate (CaCO3) using dynamic tube blocking tests and chemical compatibility tests, as well as scanning electron microscopy (SEM). Thermothickening behavior was observed for the 50 % CMC_50 % PNIPAM and 25 % CMC_75 % PNIPAM physical blends in aqueous solution at concentrations of 6 and 2 g/L, respectively, depending on polymer concentration and composition. For the copolymers, the increase in temperature and amount of PNIPAM favored polymer-polymer interactions through hydrophobic groups, resulting in increased turbidity of polymer solutions. Particle size decreased with the rise in copolymer PNIPAM content as a function of pH (3-12), at 25 °C. Larger amounts of CMC result in a stronger effect of pH on particle size, indicating pH-responsive behavior. Thus, 25CMC was not affected by the change in pH, exhibiting similar behavior to PNIPAM. In addition, the presence of acidic or basic additives influenced particle size, which was smaller in the presence of the additives than in distilled water. The results of zeta potential also showed greater variation for polymers in distilled water than in the presence of acids and bases. The lower critical solution temperature (LCST) of PNIPAM determined by DLS corroborated the value obtained by UV-visible spectroscopy. SAXS data for PNIPAM and 50CMC indicated phase transition when the temperature increased from 32 to 34 °C. A reduction in or absence of electrostatic properties was observed as a function of increased PNIPAM in copolymer composition. Assessment of samples as scale inhibitors showed that CMC performed better than the copolymers. This was attributed to the higher charge density present in CMC. The SEM micrographs confirmed morphological changes in the CaCO3 crystals, demonstrating the scale inhibiting potential of these polymers