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UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA UNIDAD IZTAPAiAPA

DIVISION DE CIENCIAS BASICAS E INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA DE PROCESOS E HlDRAULlCA

REPORTE DE SERVICIO SOCIAL

I# "REO-LOG IA INTERFACIAL Pe POLlNcwtOS U ATURALES

ALUMNO: EDUARDO SANCHU V U A I Q U U ASES

Vo. Bo. Dr. RICHARD S. RUiZ MARiiNU COORDINADOR DE LA LIC. EN ING. QUlMlCA

Vo. Bo. JAIME E. VERNON CARTER kOF. TITULAR "C' TC.

MEXICO D. F., ENERO DE I995

L

REPORTE DE SERVICIO SOCIAL

-DATOS GENJJRALES NOMBRE: EDUARDO SANCHEZ VELAZQUEZ DIRECCION. MADERO # 2, SN BERNARDINO TEX., EDO. DE MEXICO

C.P. 56230 TELEFONO: (595) 4 99 18 NACIONALIDAD: MEXICANO E D D 25 AÑOS MATRICULA: 87226102

-LUGAR Y PERloDo DE REALIZACION EL TRABAJO E X P E " T A L SE REALIZO EN LOS LABORATORIOS DE INciENIERIA QUIMICA (PLANTA PILOTO) DE LA UAM , DURANTE LOS MESES MARZO DE 1994/ SEPTIEMBRE DE 1994

-UNIDAD IZTAPALAPA

-DIVISION CIENCIAS BASICAS E I N G m i ü A

-LICENCIATURA INGENIERIA QUIMICA

-PROYECTO R E O W i A INTERFACIAL DE POLIMEROS NATURALES

-ASESOR Dr. E. JAIME VERNON CARTER

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L.

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L

P

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-RESUMEN

La reología es la ciencia del flujo y la deformación. Estudia las propiedades mecanicas de los gases, Uquidos, plásticos, substancias asfiilticas y materiales cristalinos. Por tanto, el campo de la reología se extiende desde la mecanica de fluidos newtonianos por una parte, heSta la elasticidad de hooke por otra. La región comprendida entre ellas corresponde a la d&rmación y flujo de todos los tipos de materiales pastosos y suspensiones.

El comporiamicnto reoiógico, en estado estaciomio, de la mayor parte puede establecerse mediante la forma g e n e d d a de la siguiente ec.

en la que n puede expresarse a su vez en función de dVx/dy o Tyx indistintamente.

En regiones en donde T,J disminuye ai aumentar el @ente de velocidad (-dvxídy), el comportamiento se denomina pseudoplhtico; y dilatante en las que T,J aumenta con dicho gradiente. Si T,J resulta independiente del gradiente de velocidad, el fluido se comporta como ncwtoniano y entonces 11 = ,D

r- L

i

P

L

c

Para caracterizar el comportamiento de un sólido se utiliza el parámeiro denominado módulo eiástico y representa la región del esfueno (r) aplicado ai cuerpo par la deformación relativa (6) que este s&e. Si el esfuerzo se aplica como se muestra en la siguiente figura, el módulo se conoce como módulo elástico de corte (4s ) y es igual a:

donde 6 = D/L = tan a.

DEFORh4ACION ELASTICA DE UN CUERPO

Por otro lado, si el esfueno se apiica como el mostrado en la figura siguiente, que es el esfumo que se apiica a un resorte, el módulo se conoce como módulo de young y este se deñne como:

F

.... c

L

INCREMENT \1 lENL 1 F

DEFORMACION DE UN RESORTE

Cuando a un cuerpo se le somete una presión hidrostática, el módulo es llamado eiástico voluméhico y este esta dado por:

zv @=- AV

donde r es la presión hidrostática

i

Como se puede ver, los m6dulos anteriores difieren entre sí, pero se pueden interrciacionar por medio de la relaci6n de Poisson. la cual esta definida como la rsz6n de la c o W 6 n lataal a la deforman 'ón io&dinai relativa que s ~ f r e un cuerpo. A apiicar un esfuen~ a un &ido, este puede canictenuuge ' según su comportamiento hsico, de aquí la wibdivisión de newtonianos y no newtonianos. Los primeros se caracterizan tan solo con un parámetro (viscosidad newtoniana):

donde: r = esfüem cortante y = tasa de corte ( dV/dx) V = velocidad del thido

de aquí que q se obtiene de la pendiente de la recta que resulta de evaiuar i%y.

Por su parte los no newtonianos, tienen la característica que los diferencia de los newtonianos, de que la viscosidad cambia conforme cambia la tasa de corte y y de aquí que r y r no están relacionados lineaimente.

-INTRODUCCION

La goma d i g a es el hidrocoloide natural más extensamente usado en el mundo por SUS

propiedades como agente emulsificante, protector de coloides, agente microencspkhte, esposente, etc., encontrando aplicación en la industria alimentana, cosmética, famadutica, textil ypetroquímica secundaria.

F'nícticamente toda la goma d i g a comercial proviene de la Acacia Senegal que crece principdmente en el Sudan, por lo que la mayoría de esta tiene que ser importada.

L.

Por otro lado, el Mezquite ( Prosopis jUiitiora ) ha sido considerado como una maleza indeseable debido a que se le atribuye una gran agresividad y competencia con &es forrajeras. Además es una exceienie fuente de carbón vegetal.

Anáüsis químicos practicados a la goma d i g a y a la goma de Mazquite, han d d o que están constituidas por los mismos grupos, pero en una relaci6n molar distinta.

El prop6sito de este trabajo es el de comparar las propiedtides redbgicas de ambas gomas en intafaaea, con la W d a d de ver las posibilidades de sustituir la goma ar6biga por la de Mezquite.

-OBJETIVOS

Dekmhu las propiedades reológicas de películas de goma d i g a y de. Mezquite en la intgfasc aceiteagw mediante el empleo de un re6metro interfacial construido y diseñado en la U N - I .

-METODOLOGIA

MATWIA PRIMA.- Goma Arébiga y goma de Mezquite EQUIPO EMPLEADO.- -Medidor & pH -Homogemidor de pistón Bn50 de tempmtwa constante -Agitadorelectromecánico -MicroJcopio -Reómatroint&d

P

*

Mezquite Mezquite Arbbiga m i g a m i g a

L-

7 9 4 7 9

Se procede a la limpieza de la goma de Mezquite, separando tierra, corteza así como cuerpos extraños que se incorporaron durante la recolección, quedando soio goma en forma lobular o de Ibgrinui. La goma obtenida se clasifica después en función de su color, que para nue6tros k se preñere la más clara. El papo siguiente es pulverizar a la misma con la finJidad de facilitai la disobci6ny por último se reaíiza un fíítrado a vació para asl remover las impinzaS restantea y a$ poder secar el producto. Para el c890 de la goma Mi se utiliza goma comercial tipo BAYER.

EMULSIONES ACEITE-AGUA L-

Se pnpararon d s i o n e s AceiteAgua con las gomas purüicadas a una razón del 5% pesoívolumea, para vaiores de 4,7 y 9 de pii, obtenicndose así las s i e n t e s ónuiestnis:

L

c

c P

c

F

L

r L-

i-

L.

r I-

- L-

c

El pH se ajusta con NaOH lM, posterior al ajuste se coloca la solución en el re6metro. a partir de este momento comienza la formación de la película y el tiempo de añejamiento de la mima.

F

L".

c

L

P

L

F

c

L

c

c

L

L

L

F-

....

F-

L

FUNCIONAMIENTO DEL REOMETRO

El dispositivo utüizado para el análisis re6logico de películas interfaciaes presente las

El equipo (reómstro bicónico) consiste de un disco bicónico de redio R, el disco se enouentra mapendido de un alambre de torsión con una constante de torsión Kw. El alambre esta unido a una cabeza de torsión que gira por medio de poleas. El grado de torsión de la cabeza se predetermina por medio de una barrera.

SijjuieIlteS caracterlsticas:

Al introducir la fase acuosa en un recipiente de vidrio de radio r se forma una interfape. El disco de metal se pone en contacto con la Uise continua mediante una mesa móvil. Así la fase olaosa se aaade cuidadosemate. Desde este momento comienza la f o d 6 n de la peiídn, e x t e s e esta desde la periferia del disco suspendido hasta la plwd interna del recipiente. Una rotación p en radianes produce un desplazamiento angular en el disco de &I ntdianeq io cual es medido por medio de un transductor de desplazamiento.

ANALISIS MATEMATIC0

El equipo puede ser utilizado para el estudio de la relación Defomeci6n-Wm con el Tiempo, pero solo Si se satisface la siguiente relación:

Lo antenor porque solo bajo esas condiciones se puede suponer un esfuao constante que obedece d siguiente modelo:

r

............. (A) Kw@- a)

2 d 2 r =

La deEonnaci6n esta dada por el modelo:

............. (B) (2(1/ Rz - 1 / rZ)-l @(t)

RZ Y(f) =

Donde:

@,A =dcsplazammo * angulardeldisco a t=O &(t) = dsrpluamimt . o angular del disco en función del tiempo pr=desplaZranmto ' angtilat de la caóeza de torsión r =raáiodelrccipiie R=radiodeidisco Kw = ccwtmte de torsi6n del alambre

En la fisura 1 se puede apreciar el esquema del reómetro interhid.

Debido a que las propiedades de las d o n e s se ven &%.adas por el método de prepami6n empleado, se sigui6 un procedimiento estandarizado, el cual ha sido estududo m & m e y e n d d la ttoriamatenatica solo es aplicable a compue%tos qua preaaaan untxmqmam 'ento viecoetPistico . lineal. En la figura 2 se rrmcstra la h m ClVBotgfRl 'ca de UM curva de r.e.d. contra el tiempo, en donde se puede observar que al @car un Cauerp, m A y retiriido en D, el intavalo A-D de la r.d.e. se divide entreshes diferentes.

FIG. 2.- ANAJJSIS DE LA RELACION DE DEFORMACION-ESFUERZO EN FUNCION DEL TIEMPO.

La relación deformación-esfueno en función del tiempo se define mediante la siguiente relsCión:

donde:

Jo = es ladistanciaAi3 de la figura 2 = 1/Eo Eo = es el módulo de elasticidad instantáneo JN = esta -do como Jn = -t / y. tpv = es la viscosidad newtoniana y se obtiene de la pendiente de la zona CD

La rcgi6n BC tiene mayor diñcultad para su análisis y esta deñnida como:

se observa que 5 es la r.d.e. elástico intrúlseco y una viscosidad asociada en este punto.

. . La Obteasción de los valores auteriores se realizo bajo el siguiente procedument O. A un tiempo dado, se miden las diferencias entre la curva de la zona BC y la línea proyectada de la zona CD.

J , - JR = Q

si se apiica la deñniU611 de JR se tiene que:

LnJ, - t I 7, = LnQ

de la ec. anterior se puede @car LnQ Vs t, en donde la pendiente de la recta repnssntara -1 / q y la ordenada ai origen será Ln 4.

RESULTADOS

Se obtuvieron los datos restantes de la calibración, los cuiiles se reportan en la siguiente tabla.

CALCULO DE Kw

Dado que de la respuesta del gráñcador al girar el disco para su calibritción es un moviniicmto arm&nico amortiguado, se parte de este modelo:

d Z e de dt’ di

z -+c -+Kwe= o

en donde los parámctros de esta ecuación diferencial son:

I - momgito inemiaí del cuerpo suspendido C = Coeñcisnte de fricción Kw = cte. de torsión del alambre B = desplazamiento angular

d'9 CdO Kw9 -+- +-=O a?= Ia? I

aiya solución de la última ec. esta dada por la siguiente expresión:

B P

9=perp(-At)(-senfl-cosfl)

Donde:

A=C12I

1

B=7=---== 21 4KwI -C' V=cte. B = cte.

A la parte exponenciai de la ec. se le conoce como envolvente, donde se incluye la cte. de ficción del ñuido. Al termino del seno y coseno se le üama el temiino de honda, donde se aigloba la ampütud de honda, impulso onghd, la cte. de torsión y perdidas por ficción. Los vaiores de i, L, P y V pueden obtenerse experimentahmte para evaluar Kw, que en este capo resulto ser de 294.63 dina-cm.

EVALUACION DE LAS DEMAS VARIABLES DE LAS ECS. AY B.

Se utilizo un disco bidrico de acero inoxidable de radio Ra = 7 cm.. El radio del recipiente donde se formen las int&s Aceite-Agua es Rb = 4.5038 cm.

Para calcuiar la relación deformación-esfuerzo se dividen las ecs. A y B de donde se tiene:

el módulo instantáneo de esfueno superficial Eo esta dado mediante la ec

y el csfum enla odiadel disco a t = Os. esta dado por:

A las curvas obtenidas en el grañcador se les midió la ordenada y la abscisa por medio de una @a gaduada en medios nnlimetncos, la ordenada corresponde ai ángulo de giro y la abscisa ai tiempo que dura el esheno, así los datos son alimeniados a un programa compttacional que involucra las emnciones antes escritas. En el apéndice se resumen los datos obtenidos de los @CQS del registrador para las variables Js(t), E, y Ts a difumtes tiempos de afiejunitnto así como pH.

B

FIG 3.- COMPORTAMIENTO VISCOELASTIC0 EN FUNCION DEL TIEMPO DE UNA PELICULA DE GOMA ARABIGA A pH 4 Y DEERENTES TIEMPOS DE m A M I E N T 0 . (A) 20.6 HRS., (B) 26 HRS., (C) 48 HRS., @) 71.5 HRS.

Cabe mencionar el hecho de que la película no se forma hsimtheamente, pero es de verse que pera pH bajos el tiempo de formación es menor que para pH altos.

PRESENTASION Y DISCUSION DE RESULTADOS

El comportamiento reológico complejo mosirado por todas las películas se puede explicar en tcrminos de su estructura mol& en solución y en la confornincón adoptada cuando se adsorbcai en la intafase. Se observan valores altos de Eo, lo cual es debido al grado de ramificrci6n y a la fwma geométrica de las moléculas de ambas gomas, ya que cuando se adsorbem en la iatafuse no pueden otras moléculas deslizarse a lo iargo de ellas por un impsdimsnto estúim. Como consccuw solo aquellas que se adsorbieron en el inicio tienden a brindar un empaquetamiento molecular en la intaíbe, en mayor o menor grado determinado por las condiciones del medio ( principalmente tempemtm y pH ).

c

L - L

r-

L

24 48 72 96 144

1.45 1.72 1.75 1.86

168 Mesquite (pH+) 2 2 6

24 3.21 48 72 96 168

24 48 12 96

24 48 96 144

24 96 120 144

M&qafte (PH=9) 2

Mbim W4) 2

Mbb @E=? 2

3.6 4.01

4.08 1.1 1.16

-

- -

1.4 0.86 0.9

0.95 0.95 2.4 2.6 2.8 2.9

-

-

7.62 6.23

- 7.47 7.38 7.29 7.1 7.11 7.19 8.9 9.45 9.00 1.4 - 8.79 9.36 8.24 4.65 6.3 7.08 7.2 aos 7.48 7.55

8.20 10.59 11.54

-

En sohición, las moléculas de ambas gomas se ven infiuenciadas por el pH, determinsnd . o así las propiedades de las peU& interfaciaes. Se observo también que cuando el pH es neutro, las moléculas de los dos tipos de goma de encuentran en su cm@raci6n más extendida. por otra parte, cuando el pH aumenta hasta 9 o disminuye a 4, las moléculas tiaidai a mntmexse, se me que esto es debido a una faita de i+6n de las moléculas o a un exceso de contraiones en los diferentes valores del pH. En las figuras 4 3 y 6 del anexo, se obr#rvan los valores más altos de Eo, lo cual se atribuye a que pnaantan una co&+6n compacta, por lo que las fuerzas de repulsión son mínimas y así las moléculas adyacmtes tienen la capacidad de acercarse, propiciándose así la f0miaCión de nuevos enlaces en la formación de una película cada vez más resistente. Sin embargo parece ser que las moléculas de la goma arábiga tienen una estnictura más rígida, limitando las intaacaones y formando así peií& más debdes.

Aaalizamlo los datos de la tabla así como de las gráñcas 4,5 Y 6 del apéndice, se observa que las pdfcufkp de la goma arábiga tienden a exhibr valores en edo. estacionario de Eo ralativsmate más rápido que las películas de goma de Mezquite, lo que sugiere que los cambios conñgumionái~ en función del pH son más grandes para las moléculas de goma de Mequite que para los de goma arábiga.

Los resuitados anteriores maniñestan que existe una cercana intmeiaci6n entre la @dad de las eanilsiones contra la coalescencia y la estabilidad superficial instantanea de las pelfailas inter&ciaies formadas alrededor de las gotas de aceite por las gomas de Mezqu¡te y d i g a .

CONCLUSIONES

Es clriro que las propiedades reológicas de las emulsiones así como las p&das intcrFacial+s están fuerkmenk intluenciados por el pH y el tiempo de aaejarmeia0 de las mi-.

El aumento dd módulo Eo esta dado también por el tiempo de a5cjamiento y se cree que esdebidoaiasintemu 'ones adyacentes de las moléculas, dando así la estructura parecida a ladeungel.

Lss películas de goma de MezqUte son más resistentes que las de goma arsbiga. Lo anterior parece ser debido a la estructura más rígida de esta ultima, así como a sus segmentos mleculares más cortos.

Por Último, parece ser una muy buena alternativ4 el hecho de que la goma de Mezquite sea un sustituto de la goma d i g a ( como agente emuisificante ) , favoreciendo aspectos como el de crear más fbeutes de empleo y minimizando la importación de goma d i g a .

, .

ABENDICE

P

L

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L

P

i

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L

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L

c

i

c

L

c

I

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c

E m 1 I d h 4 w MaQUm A pH-4

ARABIGA A pH=4

2SQ.

200,

O 20 40 60 80 TIEMPO DE AÑEJAMIEMO [hiJ

FIG. 4.- VARlAClON DE EO (S] CON EL TIEMPO DE A%IAMENTO PARA PEUCULAS DE GOMA M I G A Y DE MEZQUITE A pH = 4

P

Li

P

L

P

L

P

Li

c

c

L

L

L

e

Eo@] [dinalcml

O 25 50 75 100 125 150 TIEMPO DE AÑEJAMIENTO íhrl

FIG. 5.-VARIACION DE EolS) CON EL TIEM- PO DE ANEJAMIENTO PARA PELI- CULAC DE GOMA ARABIGA Y DE MEZQUITE A pH = 7

L

r i L..

r i-

c

L

c

r t L

F

L

c r L

Edsl [dlnslcm]

60

50

40

30

20

10

O 20 40 60 80 100 120 TIEMPO DE AÑEJAMIENTO [hr]

FIG. 6.- VARlAClON DE Eú[S) CON EL TIEMPO DE AÑEJAMIENTO PARA PELICULAS DE GOMA DE MEZQUITE Y ARABIGA ApH-9

RESUMEN DE LOS VALORES OBTENIDOS DE J(t) Y t PARA DIFERENTES SOLUCIONES DE AMBAS GOMAS

0.194 214

0.247 293 0.294 394

0.331 492

0.374 592

0.402 673

~

.- I%-’

._.

0.8457

0.8845 0.9123

0.9356

180

220

260 280

~

~

Jo (addha) = 0.0178 0.471 123 0.512 163 0.581 223 0.594 243 0.601 263 0.614 283 0.623 303

0.532

0.562 0.574 209

pA-9

Eo @adcm) = 41.135 'r, (clidau) = 577.147 Jo fepldia) = 0.0035

TA @) - 95.3 0.141 13 0.215 18 0.235 38 0.254 58

0.274 7a 0.284 9n ~ ~~

0.325 0.345 0.365 0.374 0.379

0.415 9 TA (iu) = 0.40 0.621 29 Eo(ddau)= 51.104 0.748 49 r, (didan) s? 589.235 0.812 52

Jo (ad<iin) = 0.0198 0.958 173 1.147 423 1.198 523

_ _ 118 178

238 298 318

1.235 623 1.247 n 8 I

0 . m 0.795 0.803

T A W = 1.38 I 0.358 I 40 Eo (diaJcrn) = 75.001 0.425 60

580

740 980

0.512 80 z, (dilmlan) = 602.235 lo (addim) = 0.0124 0.658 240

0.748 460

I 4.754 I 210 I 5.032 5.336

230 250

24

EO(didan)-45.124 0.847 62 0.953 92 T (dilldml) = 578.124

TA (bi) = 45 0.702 44

[Jo(an/¿úm)-O.o235 1.112 132

1.362 222 1.374 242 1.412 263 1.432 284

1.265 im

1.957 310

2.025 350

0.145 10 TA (hr) = 47 0.325 30 Eo (Wan) = 35.478 0.423 50

0.558 70 ?, (didan) = 568.147 Jo (cO(0Iy) = 0.0241 0.602 130

1.078 230

1.103 250

1.114 270

1.135 290

I 0.1748 I 20 0.3562 40

I 0.5024 ! 60 - _._. 0.6124 80 Z, (didan) = 603.258

Jo (9Jaar) = 0.0036 0.832 120 0.102 220 1.102 260 1.478 300

1.- VERNON Carter E. l.1981, "Rheological properties and appiications of Mezquite Tree gum in emulsion stabilization". Ph. D. thesis, University of London.

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3.- OVERBEK J. Th. G. 1976. "Colloids and Surface Chemistry", Massachusetts Innst. of Tech.

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5.- NAFALE, Theoretical and Appiied development in Rheology; Sociedad Mexicana de Reolo& México 1986.

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