Compóstos poliméricos

7/22/2019 Compstos polimricos...

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354Cermica 53(2007) 354-360

INTRODUO

A bentonita uma argila largamente utilizada emmuitos setores da indstria, tais como perfurao de poosde petrleo e de gua, operaes de sondagem, fundiesdiversas, pelotizao de minrio de ferro, indstriaqumica e farmacutica, entre outros [1]. caracterizada

pela predominncia dos argilominerais do grupo daesmectita, ilita e caulinita [1], sendo constituda por duasfolhas tetradrica de silicatos separadas por uma folhaoctadrica de alumina, unidas por oxignios comuns sfolhas (Fig. 1) [2]. No espao entre as camadas encontram-se as molculas de gua adsorvidas e os chamados ctionstrocveis, que podem ser Ca2+, Mg2+ e Na+. Nas argilas

Compostos polimricos como aditivos de argilas bentonticas

(Polymeric compounds as additives for bentonite clays)

M. I. R. Barbosa1, L. V. Amorim2, H. C. Ferreira

Unidade Acadmica de Engenharia de Materiais, Laboratrio de Referncia em Dessalinizao - LABDES

Universidade Federal de Campina Grande - UFCG

Av. Aprgio Veloso 882, Bodocong, Campina Grande, PB 58109-970

[email protected]

Resumo

Este trabalho tem por objetivo avaliar o efeito da utilizao de compostos polimricos na aditivao de bentonitas de Boa Vista, PB,

de poliacrilamida parcialmente hidrolisada e duas de carboximetilcelulose de diferentes graus de viscosidade. O dimensionamento Petrobrs. Os resultados mostram que a aditivao da argila bentontica com o composto polimrico melhora as suas propriedades, Palavras-chave

Abstract

The aim of this work is to evaluate the effect of polymeric compound on the treatment of bentonite clays for using in water and

Keywords:

bentonticas policatinicas, esto presentes os trs ctionscitados acima [3].

As argilas bentonticas policatinicas, quandotransformadas em sdicas pelo tratamento com carbonatode sdio (Na

2CO

3), incham na presena de gua,

aumentando vrias vezes seu volume inicial. Isto possvel porque a presena do Na+como ction trocvelpredominante permite a adsoro de vrias molculasde gua, aumentando a distncia interplanar entre ascamadas, separando as partculas de argilas umas dasoutras. Essa distncia interplanar pode atingir valoressuperiores a 40,0 . Nas argilas policatinicas, h umalimitao na quantidade de gua adsorvida, fazendo comque as partculas permaneam unidas umas s outras porinteraes eltricas e de massa [2, 3].

Quando transformadas em sdicas, as argilas perfurao devido as excelentes propriedades coloidais

1Programa de Ps-Graduao em Cincia e Engenharia de Materiais

Bolsista ANP/PRH-252Pesquisadora Visitante ANP/PRH-25


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e tixotrpicas que apresentam, contribuindo para um

perfurao desempenham importantes funes no processode perfurao, como: suspenso dos detritos geradosdurante a operao de perfurao, controle de presso, da broca [6].

No Brasil, as argilas comumente utilizadas no preparode fluidos de perfurao so as argilas bentonticas

provenientes dos depsitos localizados no Municpiode Boa Vista, PB. Segundo os ltimos dados doDepartamento Nacional de Produo Mineral - DNPM[7], o volume desses depsitos corresponde a 25,3% dasreservas medidas nacionais, sendo considerado o terceiromaior jazimento do pas. As argilas de Boa Vista, PB,foram descobertas no incio da dcada de 60 e tornaram-se conhecidas por suas cores caractersticas (chocolate,

verde-claro, verde-lodo, vermelha e creme) e por suacapacidade de transformar-se em sdica quando tratadascom Na

2CO

3, iniciando-se, portanto, o seu processo de

industrializao [2]. Essas argilas ocorrem em forma depequenos depsitos espalhados ao longo de uma distnciade aproximadamente 10 km [1]. As empresas mineradorase beneficiadoras locais de bentonita utilizam as corescomo guia para lavra, estocagem e beneficiamento.Alm disso, as propriedades tecnolgicas dessas argilasdemonstram certa dependncia s cores existentes e atratamentos com agentes qumicos, como Na

2CO

3 [8].

Os depsitos de bentonitas da Paraba so exploradosh mais de 40 anos e, com isso, algumas variedades de

argila no so mais encontradas, a exemplo das argilas decores vermelha e verde-claro. Nos dias atuais, podem serencontradas em grandes quantidades as variedades das

cores chocolate, verde-lodo e creme.Atualmente, as argilas utilizadas como agente

viscosificante e tixotrpico em fluidos para perfurao

rotativa de poos so originadas a partir da misturade duas ou trs variedades de argila, sendo a de corchocolate utilizada em maior quantidade por apresentarmelhor resposta ao tratamento com Na

2CO

3. Por esse

motivo, essa argila classificada como uma argila de boaqualidade [2], enquanto que as demais so classificadascomo argilas de qualidade inferior.

Como conseqncia do processo de minerao, osprodutos industrializados apresentam queda nas suaspropriedades e a maioria no atende as especificaes daPetrobrs [9] para uso em fluidos de perfurao base degua. Segundo as especificaes vigentes [9], a bentonita,

para ser util izada no preparo de fluidos de perfurao

base de gua, deve atender a valores mnimos dosparmetros reolgicos (propriedades reolgicas) e de

Para tentar melhorar a qualidade dos fluidos deperfurao preparados com essas argilas bentonticas freqente a prtica de aditivao do fluido, sendocomumente utilizados aditivos polimricos. A etapa deaditivao do fluido ocorre durante a sua preparaonos tanques de lama ou mesmo durante a operaode perfurao quando detectada a necessidade deadequao das suas propriedades [10]. Dentre os inmerosaditivos utilizados, destacam-se os aditivos orgnicoscelulsicos e sintticos, comercialmente conhecidos

por carboximetilcelulose (CMC) e poliacrilamidaparcialmente hidrolisada de alto peso molecular (PAM)que atuam, dependendo das suas caractersticas, comoviscosificante e/ou redutor de filtrado, lubrificante,inibidor e encapsulador de argilas hidratveis. O CMC decadeia longa atua aumentando a viscosidade do fluido,enquanto que o CMC de cadeia curta age, principalmente,como redutor de perda por filtrao [2, 11, 12]. A PAM,

por sua vez, um excelente viscosificante, inibidore encapsulador de argilas hidratveis, mas no formareboco, podendo facilitar a invaso de slidos na formao

permevel se o fluido perder a homogeneidade e flocular[13]. Dificilmente, a incorporao de um nico tipo deaditivo atende s necessidades corretivas do fluido, o quetorna necessrio o uso de mais de um tipo de aditivo. Essa

prtica de aditivao demanda tempo, pois os aditivos soincorporados ao fluido um a um, e poderia ser otimizada

pela adio de um composto polimrico constitudo pormistura de dois ou mais polmeros. A principal razo

para util izao de compostos polimricos (composiesbinrias e ternrias de polmeros) a possibilidade decombinar as propriedades de duas ou mais matrias-

primas com caractersticas diferentes, visando obterum produto com propriedades adequadas, ou seja,

usufruir os benefcios da mistura de polmeros, obtendoum composto que possibilite, por exemplo, o aumentodas viscosidades aparente e plstica e a diminuio do

Figura 1: Estrutura qumica da argila bentontica [4].

Na+

Si (Al)

Al, Mg

o

OH

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volume de filtrado [14].Outro ponto de grande importncia a possibilidade

de melhorar, por meio da aditivao polimrica, as

propriedades das argilas bentonticas da Parabaconsideradas de qualidade inferior para utilizao

como agente viscosificante e tixotrpico em fluidos de

perfurao e que, por este motivo, ainda so encontradas

em grande quantidade [10].

Desta forma, este trabalho tem como objetivo avaliaro efeito da utilizao de compostos polimricos naaditivao de bentonitas de Boa Vista, PB, consideradasde qualidade inferior, para utilizao em fluidos de

perfurao base de gua, visando melhoria das suaspropriedades reolgicas e de fi ltrao.

MATERIAIS

Argilas bentonticas

Foi estudada uma amostra de argila bentonticasdica, composta pela mistura das argilas de cor creme respectivamente, provenientes das jazidas de Boa Vista,PB.

Composto polimrico

Para a composio do composto polimrico foramselecionadas trs amostras de aditivos polimricos: duasamostras de carboximetilcelulose de diferentes grausde viscosidade, sendo uma amostra de alta viscosidade,denominada de CMC AV, e uma amostra de baixaviscosidade, denominada CMC BV e uma amostra de

poliacrilamida parcialmente hidrolisada de alto pesomolecular, escolhidos a partir de estudos preliminares[15]. As amostras de CMC foram fornecidas pela EmpresaDenver-Cotia Indstria e Comrcio de Produtos Qumicos Itaja, SC. A Tabela I apresenta os dados tcnicos dos

polmeros.

METODOLOGIA

Dimensionamento de composies do composto

polimrico

As composies foram formuladas com os polmerosPAM, CMC BV e CMC AV empregando a metodologiade modelagem de misturas do planejamento experimental

planejamento em rede simplex {3,2}, aumentado com pontosno interior, totalizando dez composies. As composiesesto apresentadas na Tabela II. No texto, as composiessero citadas por CP1, CP2, CP3, CP4, CP5, CP6, CP7,CP8, CP9 e CP10.

seguintes etapas: i) a argila bentontica foi misturadamanualmente com o composto polimrico em p, nascomposies estudadas (Tabela II); ii) essa mistura foiadicionada gua sob agitao a velocidade de 10.000 rpm;

Amostras Funo Aplicao Composio Tamanho de cadeia Viscosidade (cP)

e salgada acrilato de sdio

e acrilamida

Tabela I - Dados tcnicos dos polmeros.

* *

*

Composies PAM CMC BV CMC AV (%) (%) (%)

CP1 100 0 0CP2 0 100 0CP3 0 0 100CP4 50 50 0CP5 50 0 50CP6 0 50 50CP7 33,33 33,33 33,33CP8 66,66 16,66 16,66CP9 16,66 66,66 16,66

CP10 16,66 16,66 66,66

Tabela II - Composies do composto polimrico.



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e iii) aps a adio da bentonita aditivada com o composto durante 20 min. Foi utilizado um agitador de alta rotao

preparados com concentrao de 2,5% em massa de argila, velocidades de agitao, o tempo de agitao e o agitadorso os recomendados pela norma N-2605 [19].

preparados com a argila bentontica sem aditivao.

O composto polimrico, nas composies estudadas,foi adicionado argila bentontica nas concentraes de0,4 g, 0,6 g e 0,8 g/12,5 g de argila seca. No texto estasconcentraes sero tratadas por 0,4, 0,6 e 0,8 g.

polimrica, foi realizado determinando as viscosidades

prensa Fann, de acordo com a norma N-2605 [19].

RESULTADOS E DISCUSSO

Na Tabela III e nas Figs. 2 a 5 esto apresentados os estabelecidas e apresentadas na Tabela II. Os resultadosmostram que, de modo geral, a aditivao polimrica daargila bentontica melhora as propriedades reolgicas e de

polimrica. A aditivao da argila bentontica com ascomposies CP1 (100% de PAM) e CP3 (100% de CMCAV) eleva consideravelmente as viscosidades aparente(VA) e plstica (VP), desempenhando de maneira adequadaa funo para a qual estes polmeros so indicados. Os aditivada com a composio CP2 (100% de CMC BV)apresentam pequeno incremento nos valores de VA e

os resultados da argila bentontica sem aditivo polimrico, tipo de aditivo. Observa-se que, para a concentrao de 0,4 g de VA (inferiores a 15 cP) que apresentam. Estes valoresresultam da baixa quantidade de argila utilizada no preparo de composto polimrico para adequao das propriedades.Para a concentrao de 0,6 g do composto polimrico, osmelhores resultados so obtidos quando a argila aditivada

com as composies CP5, CP7, CP8 e CP10, satisfazendo [9], e, para 0,8 g de composto polimrico, as composies

CP1, CP3, CP4, CP5, CP7, CP8, CP9 e CP10 atendem as O teor de slidos, cujo valor deve ser mantido no mnimo

possvel, uma propriedade que deve ser controlada comrigor porque o seu aumento implica no aumento de vrias

outras propriedades, tais como densidade, viscosidade eforas gis, alm de aumentar a probabilidade de ocorrnciade problemas como desgaste dos equipamentos de circulao,

polimrico (g)

--- --- 1,9 1,5 26,3 0,4

0,4 CP1 12,3 7,5 17,0 4,8 CP2 5,0 4,0 17,4 1,0 CP3 10,3 6 17,8 4,3

CP4 11,4 7,5 16,7 3,8 CP5 13,8 8,2 18,6 5,6 CP6 7,9 5,3 17,8 2,6 CP7 12,0 8,0 16,1 4,0 CP8 12,2 7,3 18,7 4,9 CP9 9,7 6,8 17,2 2,9 CP10 12,5 7,2 16,6 5,3

0,6 CP1 13,9 8,3 16,6 5,6 CP2 6,8 5,5 15,9 1,3 CP3 14,2 8,8 17,3 5,4 CP4 13,4 8,8 17,3 4,6 CP5 16,7 10 17,8 6,7

CP6 10,4 6,8 16,7 3,6 CP7 15,3 9,5 16,9 5,8 CP8 15,0 9,5 16,2 5,5

CP9 12,5 8,5 17,5 4,0 CP10 16,8 10,0 16,3 6,8

0,8 CP1 15,5 9,0 16,3 6,5 CP2 8,8 6,5 16,8 2,3 CP3 17,7 10 16,4 7,8

CP4 16,0 10,2 15,7 5,8

CP5 20,4 11,5 16,5 8,9

CP6 13,8 9,0 16,3 4,8 CP7 17,8 10,7 17,1 7,1

CP8 16,9 10,3 16,4 6,6

CP9 15,3 10,0 17,4 5,3

CP10 19,9 11,5 16,6 8,4

(Petrobrs, 1998) VP

preparados com 2,5% em massa de argila bentontica, aditivada

com as composies estabelecidas pelo delineamento de misturas.

[Table III - Rheological and water loss properties of the drilling

design.]



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fratura das formaes devido elevao das presses debombeio ou hidrosttica, priso da coluna e reduo da taxade penetrao [20].

Quando os aditivos polimricos so adicionados emmeio aquoso, estes so dispersos fazendo com que a cadeia que pode ser alongada ou enovelada, dependendo dascaractersticas do polmero. Essa hidratao do polmero, portanto, responsvel pelo aumento da viscosidade dosistema e reduo no VF. Quando se tm argilas bentonticas,ocorre a formao de uma camada de solvatao entre as

cargas negativas do polmero e as cargas positivas presentesnas arestas das partculas de argila, neutralizando-as efazendo com que ocorra uma repulso mtua entre elas,

Esse comportamento tambm pode ser explicado atravs dosmecanismos de estabilizao eletrosttica e eletroestrica.A estabilizao eletrosttica ocorre como conseqncia darepulso entre as cadeias do polmero ligadas s partculasde argila, enquanto que, a estabilizao eletroestrica ocorrecomo conseqncia do aumento da distncia mnima deseparao entre as partculas de argila que esto envolvidas

pelas cadeias polimricas e pelas interaes de cartereltrico repulsivo entre as cadeias do polmero [21].

O CMC, quando em soluo aquosa, libera o on Na +,

presente no grupo carboximetil (-CH2COO-Na+) tornando-seaninico e livre para hidratar-se [13]. Desta forma, molculasde gua so adsorvidas s cadeias do polmero, que adquirem

bentontica aditivada com o composto polimrico nas composies

estudadas.

bentonite clay treated with the polymeric compound in the studied

bentontica aditivada com o composto polimrico nas composiesestudadas.


a argila bentontica aditivada com o composto polimrico nascomposies estudadas.]


bentontica aditivada com o composto polimrico nas composiesestudadas.



Teor de composto polimrico (g)




Viscosidadeaparent

e(cP)

Limitedeescoamento

(N/m2)

Viscosidad

eplstica(cP)


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sistema. Esse comportamento apresenta-se diferenciadode acordo com o tamanho da cadeia do polmero. Estudosrealizados mostram que polmeros de pequeno tamanho decadeia atuam como dispersantes, enquanto que polmeros decadeia muito longa formam estruturas tridimensionais comas partculas de argila, evidenciado pelo forte efeito exercidosobre a VA das suspenses argilosas [22].

Estudo sobre o efeito de diferentes concentraes dePAM nas propriedades reolgicas de sistemas bentonita-gua, apresenta trs possibilidades para as interaes entreas molculas de PAM e as partculas de argila: (i) a trocaaninica entre as hidroxilas (OH) presentes nas superfciesdas partculas de argila e os nions carboxlicos (COO) do

polmero, (ii) a formao de ligaes hidrognio entre ashidroxilas da superfcie da partcula e o grupo C = O do

polmero e (iii) o estabelecimento de pontes envolvendoons divalentes a partir de foras eletrostticas [23].

cadeias de um polmero podem assumir quando em contato

com partculas slidas: estirada (trains), ala (loops) e cauda

uma srie de segmentos consecutivos em contato com a

em contato apenas com o meio lquido, delimitada pelas

do tipo ala e com movimentao livre na soluo [25].

A Fig. 6 apresenta uma ilustrao da hidratao da cadeia

partcula de argila.

a argila bentontica aditivada com os polmeros isolados,CP 1 (100% de PAM), CP 2 (100% de CMC BV) e CP 3(100% de CMC AV), com os resultados obtidos com os

as composies CP 4 (50% de PAM + 50% de CMC BV),CP 7 (33,33% de PAM + 33,33% de CMC BV + 33,33%de CMC AV) e CP 10 (16,66% de PAM + 16,66% de CMC

BV + 16,66% de CMC AV) (Tabela II, Figs. 2, 3, 4 e 5), ou seja, que o CMC BV atua diminuindo o VF, enquanto tamanho de cadeia dos polmeros. A anlise conjunta dos massa de argila aditivada com 0,8 g das composies CP1, CP 3, CP 4, CP 5, CP 7, CP 8, CP 9 e CP 10 apresentammelhor desempenho na correo/melhoria das propriedades

CONCLUSO

Os resultados deste trabalho evidenciam o benefcio dese fazer uso de misturas de polmeros para obteno de umcomposto com propriedades adequadas para aditivao de argilas de qualidade inferior, encontradas nos depsitos deBoa Vista, PB, atualmente empregadas, por exemplo, comoaglomerantes para areias de fundio, podem ser utilizadas

poos de petrleo.

AGRADECIMENTOS

Agncia Nacional do Petrleo - ANP, ao MCT,

pesquisa.

REFERNCIAS

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