Modelagem do fenômeno de ascensão capilar em leitos de partículas parcialmente solúveis

Abstract

Uma das técnicas mais utilizadas para avaliação da molhabilidade de sólidos em pó é a técnica de ascensão capilar, na qual o ângulo de contato é estimado de forma indireta pelo modelo clássico de Washburn. No entanto, este modelo não leva em consideração o efeito da dissolução do leito de partículas para o caso de sólidos solúveis no líquido molhante, o qual constitui uma limitação importante na sua aplicação para diversos materiais. Assim, o presente trabalho tem como objetivo principal a elaboração de um novo modelo matemático para a análise de dados de ascensão capilar considerando a dissolução parcial do leito de partículas durante as medidas. Paralelamente, como consequência da necessidade de especificar adequadamente as condições de teste para o estudo de adequação do modelo, definiu-se como objetivo adicional a avaliação do efeito da atividade de água (aw) do material particulado e da umidade do ambiente sobre o valor de ângulo de contato obtido pela técnica de Washburn. Esta parte do estudo foi realizada utilizando celulose microcristalina (CMC) como material de referencia. Observou-se que o ângulo de contato CMC-água diminui linearmente com aw, enquanto a dependência com a umidade foi não linear, sendo mais pronunciada abaixo da umidade da monocamada. Embora tenha sido observado que a umidade relativa do ambiente durante o período de realização de um teste de ascensão capilar não afeta os resultados obtidos, mostrou-se que este parâmetro é relevante na determinação do ângulo de contato pela técnica de Washburn, porque afeta o conteúdo de umidade do material ao final da etapa de preparação das amostras para análise Com relação ao desenvolvimento do modelo matemático para a análise de dados de ascensão capilar em leitos com dissolução parcial, o modelo proposto, designado modelo DM-Washburn, foi obtido a partir da integração da equação de Navier-Stokes (assim como o modelo de Washburn), porém introduzindo uma dependência do diâmetro do capilar (i.e. poro no leito de partículas) em função da posição vertical e do tempo como estratégia para quantificar os efeitos da dissolução. A comparação entre os modelos DM-Washburn e clássico Washburn em termos de qualidade de ajuste foi realizada utilizando dados experimentais de ascensão capilar em leitos de D-(+)-glicose e lactose, utilizando como líquidos molhantes água pura e soluções aquosas desses dois materiais com concentrações até saturação. O modelo DM-Washburn possibilitou obter estimativas do ângulo de contato independentes da concentração do carboidrato do líquido molhante, com valores de desvio relativo médio inferiores a 5% para todas as condições testadas, representando uma melhoria efetiva na modelagem da ascensão capilar para sistemas nos quais ocorre a dissolução parcial do leito no líquido molhante. Além disso, os testes realizados com celulose microcristalina (CMC), um material insolúvel em água, mostraram a consistência do modelo DM-Washburn em experimentos tradicionais de ascensão capilar, isto é, sem dissolução significativa do leito de partículas. Os resultados obtidos neste estudo indicam que o modelo DMWashburn tem um grande potencial para avaliar a molhabilidade de materiais solúveis.