CARACTERIZAÇÃO REOLÓGICA DE ÁGUA RESIDUÁRIA DE GALINHAS POEDEIRAS

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1 CARACTERIZAÇÃO REOLÓGICA DE ÁGUA RESIDUÁRIA DE GALINHAS POEDEIRAS Cristiano Egnaldo Zinato 1 ; Wilson Denículi 2 ; José Antonio Rodrigues de Souza 3 ; Rafael Oliveira Batista 3 ; Antonio Teixeira de Matos 4 ;Rubens Alves de Oliveira 4 ; Daniel Coelho Ferreira 5 ; Eduardo Caldas Soares 6 RESUMO Neste trabalho, objetivou-se analisar as características reológicas da água residuária de galinhas poedeiras (ARA - P), com distintas concentrações de sólidos totais (,26,,46,,73,,94, 1,63 e 2,89 dag L -1 ). A ARA - P foi obtida, mediante adição e mistura de esterco de galinhas poedeiras em um reservatório de 1 m 3 contendo água. As características reológicas da ARA - P foram obtidas por meio de um reômetro. De acordo com os resultados obtidos a ARA - P nas concentrações de,26,,46,,73,,94 e 1,63 dag L -1 foi classificada, reologicamente, como plástico de Bingham, apresentou tensão mínima de escoamento não nula e relação linear entre a tensão de cisalhamento e a taxa de deformação. Palavras-chave: viscosidade, efluente, sólidos totais. ABSTRACT Rheological Characterization of the Laying Hen Wastewater This study was done to analyze the rheological characteristics of the laying hens wastewater (ARA - P) at the total solid concentrations of.26,.46,.73,.94, 1.63 and 2.89 dag L -1. The ARA - P was obtained, by mixing the hens droppings in a 1m 3 reservoir containing water, and the rheological characteristics were obtained, by using a rehometer. According to the results, ARA - P at the concentrations.26,.46,.73,.94 and 1.63 dag L -1 was rehologically classified as Bingham plastic, since it showed minimum no-null flowing tension and linear relationship between shear stress and the shear rate. Keywords: viscosity, effluent, total solids. 1 Eng. Agrícola, Mestre em Eng. Agrícola, Depto de Eng. Agrícola, Universidade Federal de Viçosa - UFV 2 Prof. Associado, Doutor, Depto de Eng. Agrícola, Universidade Federal de Viçosa - UFV 3 Eng. Agrícola, Doutorando em Eng. Agrícola, Depto de Eng. Agrícola, Universidade Federal de Viçosa - UFV 4 Prof. Adjunto, Doutor, Depto de Eng. Agrícola, Universidade Federal de Viçosa - UFV 5 Agrônomo, Mestrando em Eng. Agrícola, Depto de Eng. Agrícola, Universidade Federal de Viçosa - UFV 6 Est. Eng. Agrícola e Ambiental, Depto de Eng. Agrícola, Universidade Federal de Viçosa - UFV Engenharia na Agricultura, Viçosa, MG, v.15, n.2, , Abr./Jun.,

2 INTRODUÇÃO A equação geral da viscosidade, que descreve o comportamento reológico da grande maioria dos fluidos, é: n τ = k γ + τ (1) em que, τ = tensão de cisalhamento, ML -1 T -2 ; k = índice de consistência (constante reológica), ML -1 T -1 ; γ - taxa de deformação, T -1 ; n = índice de comportamento (constante reológica), adimensional; e τ = tensão mínima que promove o escoamento (constante reológica), ML -1 T -2. Os líquidos podem ser classificados, quanto à sua resistência ao escoamento, em: os fluidos newtonianos e os nãonewtonianos. Nos fluidos newtonianos, a relação entre a tensão de cisalhamento e a taxa de deformação constitui-se em uma linha reta, passando pela origem (Figura 1). Desse modo, os parâmetros da Equação 1 assumem os seguintes valores: k = constante de proporcionalidade, representando a viscosidade dinâmica do fluido (µ - ML -1 T -1 ); n = 1; e τ =. Nesta classe, destacam-se os óleos, gasolina, leite, água e bebidas aquosas, como chá, café e cerveja (Herum et al., 1966; Hughes e Brighton, 1974; Bourne, 1982; Fox e McDonald, 1995). Os fluidos não-newtonianos, em que a relação da tensão de cisalhamento não é linear, dividem-se em: Pseudoplásticos - a curva do fluido é côncava para o eixo da taxa de deformação; para isso τ = e n < 1. Segundo Fox e McDonald (1995), a maioria dos fluidos nãonewtonianos enquadra-se nesta categoria, tais como os polímeros, as suspensões coloidais e quase todas as polpas e sucos de frutas (Bourne, 1982), bem como as águas residuárias da bovinocultura (ARB), suinocultura (ARS) e avicultura (ARA) (Chen e Hashimoto, 1976a,b). Dilatantes - a curva do fluido é convexa para o eixo da taxa de deformação; para isso, τ = e n > 1. São fluidos cujo volume aumenta quando ocorre escoamento, sendo uma característica de líquidos que contêm alta concentração de partículas sólidas e insolúveis em suspensão, da ordem de 4 a 7%, como no caso de areia e amido. Plástico - a curva do fluido pode ser côncava, convexa e retilínea (plástico de Bigham); no entanto, não passa pela origem. Neste tipo de fluido, τ. Na prática, isto significa que o fluido não escoa logo que a força é aplicada, sendo necessária uma força de certa magnitude para que o fluido comece a escoar. Exemplos clássicos são o creme dental, a maionese, as suspensões de argila e a mistura de óleo com água (Arney et al., 1993). A equação do plástico de Bingham é a seguinte: τ = τ + ηγ (2) em que, η é a viscosidade aparente ou plástica, ML -1 T Engenharia na Agricultura, Viçosa, MG, v.15, n.2, , Abr./Jun., 27

3 Fonte: Matos (24). Figura 1. Diagrama reológico para fluídos newtonianos e não-newtonianos. Segundo Schramm (2), muitos fluidos cujo comportamento é pseudoplástico, sob certas condições de tensão e taxa de deformação angular, apresentam diminuições drásticas de viscosidade quando a taxa de deformação angular é aumentada. As propriedades reológicas das águas residuárias de bovinocultura (ARB), suinocultura (ARS) e avicultura (ARA) demonstram que esses fluidos também são do tipo pseudoplástico, conforme trabalhos desenvolvidos por Kumar et al. (1972), Chen e Hashimoto (1976a, 1976b), Hashimoto e Chen (1976) e Bashford et al. (1977). Diante do que foi exposto o presente trabalho teve por objetivo analisar as propriedades reológicas da água residuária de galinhas poedeiras (ARA - P), com distintas concentrações de sólidos totais. MATERIAL E MÉTODOS O experimento foi conduzido na Área Experimental de Hidráulica, Irrigação e Drenagem do Departamento de Engenharia Agrícola (DEA), Universidade Federal de Viçosa (UFV), Viçosa - MG. Analisou-se a água residuária de galinhas poedeiras (ARA - P) em seis diferentes concentrações de sólidos totais (,26;,46;,73;,94; 1,63 e 2,89 dag L -1 ), obtidas mediante adição e mistura de esterco de galinhas poedeiras em reservatório de 1 m 3 contendo água. Primeiramente, o esterco foi moído e passado em peneira com abertura de 6 mm para a retirada de penas e outros materiais indesejáveis, sendo, posteriormente, adicionado ao reservatório com o fluido em circulação, para evitar sedimentação e facilitar a homogeneização. Após a adição de esterco correspondente a cada concentração, o efluente circulou durante cinco horas, pelo menos, depois de ficar 12 horas, pelo menos, em repouso para absorção de água. A ração das galinhas poedeiras do galpão, onde foi obtido o esterco, continha cerca de 6% de milho, 25% de farelo de soja, 7% de calcário e 2% de fosfato bicálcico, além de suplementos minerais, óleos e aditivos, totalizando 6%. Engenharia na Agricultura, Viçosa, MG, v.15, n.2, , Abr./Jun.,

4 O peso específico médio do fluido (γ ) foi determinado por meio da pesagem de 1. ml da amostra contida numa proveta, fazendo-se três repetições. A concentração de sólidos totais (ST) e sólidos sedimentáveis (SD) também foi determinada com três repetições. Todas as análises foram realizadas no Laboratório de Qualidade da Água do DEA/UFV. Para determinar as propriedades reológicas da ARA - P e definir o tipo de fluido em questão, utilizou-se um reômetro, modelo RheoStress RS 15, de fabricação da Haake. Para as determinações, utilizouse um sensor DG41 Ti (doble gap 41 titânio), com fatores geométricos A igual a 371. Pa/Nm e M igual a (s - 1 )/(rad s -1 ) e fenda de 5.1 mm. O volume da amostra de ARA - P foi de 4,5 cm 3. Com o auxílio do software Rheowin versão 2.94, foram obtidos dados de tensão de cisalhamento (τ ), taxa de cisalhamento ( γ ) e viscosidade aparente (η ) a cada segundo, durante três minutos, totalizando 18 dados para cada concentração de ARA - P, com temperatura de ensaio de 25 ºC ±,5. Utilizou-se o método de teste CS (deformação constante). A amplitude das medidas de viscosidades foi de,5 a 1 4 mpas, com uma faixa de taxa de deformação de,5 a 4. s -1, com incerteza de ± 6%. RESULTADOS E DISCUSSÃO No Quadro 1, são apresentados os resultados da análise física e os valores de ph da água residuária de galinhas poedeiras. Neste quadro, observa-se que os valores de sólidos sedimentáveis e de peso específico aumentaram com a concentração de sólidos totais. Quadro 1. Valores das características física e química da água residuária de galinhas poedeiras (ARA - P) - sólidos totais (ST), sólidos sedimentáveis (SD), e potencial hidrogeniônico (ph) ARA - P ST (dag L -1 ),26,46,73,94 1,63 2,89 SD (ml L -1 ) γ (kgf m -3 ) ph 7,47 7,19 7,28 7,33 7,12 7,17 ST = sólidos totais; SD = sólidos sedimentáveis; γ = peso específico; e ph = potencial hidrogeniônico. Quadro 2. Caracterização reológica da água residuária de galinhas poedeiras (ARA - P) à temperatura de 25 ºC ±,5 para distintas concentrações de sólidos totais (ST), de acordo com a Equação 2. ARA P ST (dag L -1 ),26,46,73,94 1,63 2,89 η (Pa s),836,7822,8554,2796,7191,276 τ (Pa),1555,196,1925,5283,2741,5517 r 2,997,993,985,97,985,23 η = viscosidade aparente; τ = tensão de escoamento; e r 2 = coeficiente de determinação. 182 Engenharia na Agricultura, Viçosa, MG, v.15, n.2, , Abr./Jun., 27

5 No Quadro 2, são apresentadas as características reológicas da água residuária de galinhas poedeiras (ARA - P), cujas determinações foram decisivas para a classificação do fluido quanto a seu comportamento reológico. Observase que os valores da viscosidade aparente (η ), da ARA - P na temperatura de 25 ºC ±,5 foram,836,,7822,,8554,,2796,,7191 e,276 Pa s nas concentrações de,26,,46,,73,,94, 1,63 e 2,89 dag L -1, respectivamente. Estudos realizados por El - Mashad et al. (25) com água residuária de bovinocultura (ARB), entretanto, comprovaram que a viscosidade aparente do efluente pode aumentar com a concentração de sólidos totais. Nas figuras 2, 3 e 4, são apresentadas as curvas da taxa de deformação angular versus tensão de cisalhamento (curva de fluxo) e da taxa de deformação angular versus viscosidade (curva de viscosidade), construídas ao longo do teste, para caracterização reológica da ARA - P nas diversas concentrações de sólidos totais avaliadas. Nestas figuras, nota-se que as equações de regressão foram retilíneas (n = 1) com τ, caracterizando o fluido como plástico de Bingham. Com exceção da concentração de sólidos totais de 2,89 dag L -1, conforme se observa no Quadro 2, o coeficiente de determinação foi alto para o modelo ajustado. Possivelmente, durante a determinação, ocorreu sedimentação de parte dos sólidos no cilindro do reômetro e as características levantadas podem representar apenas a solução sobrenadante, explicando os valores mais baixos para as viscosidades aparentes das concentrações de sólidos totais de,94 e 2,89 dag L -1. Para esta última concentração não houve ajuste de modelo. Segundo Hughes e Brighton (1974), os plásticos de Bingham exibem uma tensão de escoamento com taxa de deformação nula, seguida por uma relação linear entre tensão e taxa de deformação. Forças de ligação moleculares ou interpartículas possibilitam às partículas sólidas dispersas e em suspensão a formação de estrutura em forma de flocos. Quando submetidas a um esforço externo, estas forças internas conferem, ao fluido, uma resistência ao escoamento relativamente alta, dificultando, num primeiro instante, o fluxo do fluido. A partir de certa magnitude, a força externa supera as forças internas, rompendo a estrutura inicial, sendo que o fluido comporta-se como um líquido. Baseado neste comportamento, o fluido é caracterizado como plástico de Bingham, modelo reológico descrito pela Equação 2, que melhor se ajustou entre todos os modelos reológicos contidos no software Rheowin para a ARA - P. O limite a partir do qual o líquido começa a fluir após a resistência inicial é chamado ponto de escoamento. A tensão de cisalhamento, correspondente a este limite, é representada graficamente pelo ponto do eixo das ordenadas, interceptado pela reta da Equação 2, que descreve o fluxo. É chamada de tensão de escoamento que, na Figura 2A, corresponde a,1555 Pa. Até então, a taxa de deformação é nula. A partir daí, à medida que aumenta, a tensão de cisalhamento cresce proporcionalmente à taxa de deformação angular. Esta relação de proporcionalidade é definida pelo coeficiente angular da reta e corresponde à viscosidade aparente do fluido, neste caso,,836 Pa s. Referências indicam a ARA como fluido pseudoplástico. Duas possibilidades podem justificar o resultado diferente, encontrado neste trabalho. A primeira é que a ARA - P em questão foi produzida com a adição de esterco curtido à água, depois de seco, moído e peneirado, enquanto, nos trabalhos de Chen e Hashimoto (1976a,b), a ARA de esterco fresco foi reutilizada para lavar o galpão das poedeiras. As características químicas, físicas e biológicas podem ser diferentes para cada processo de geração da ARA, podendo variar de acordo com a dieta dos animais, forma de coleta, armazenamento, manejo e utilização, podendo ainda apresentar características diferentes nas diferentes fases do tratamento, ao qual a ARA é submetida. Outro fato é que os reômetros e viscosímetros, nos quais foram testados os fluidos há décadas, eram experimentais e não havia equipamentos automatizados, que garantissem a repetitibilidade e as condições de controle para realização dessas determinações, como nos equipamentos atuais, dificultando qualquer comparação conclusiva. Engenharia na Agricultura, Viçosa, MG, v.15, n.2, , Abr./Jun.,

6 A 2 τ=,1555 +,836 γ r =,997,3 25,2, , B 2,196,7822 r,993 τ= + γ =,3 25,2, , Taxa de deformação versus tensão de cisalhamento _ Taxa de deformação versus viscosidade aparente Equação linear ajustada da tensão de cisalhamento versus taxa de cisalhamento Figura 2. Curva de taxa de deformação versus tensão de cisalhamento e curva de taxa de deformação versus viscosidade aparente para ARA - P com (A),26 dag L -1 e (B),46 dag L Engenharia na Agricultura, Viçosa, MG, v.15, n.2, , Abr./Jun., 27

7 A τ =,1925 +,8554 γ r 2 =,985,3,2,1, B τ =,5283 +,2796 γ r 2 =,97,2, , Taxa de deformação versus tensão de cisalhamento _ Taxa de deformação versus viscosidade aparente Equação linear ajustada da tensão de cisalhamento versus taxa de cisalhamento Figura 3. Curva de taxa de deformação versus tensão de cisalhamento e curva de taxa de deformação versus viscosidade aparente para ARA - P com (A),73 dag L -1 e (B),94 dag L -1. Engenharia na Agricultura, Viçosa, MG, v.15, n.2, , Abr./Jun.,

8 A 2,2741,7191 r,985 τ= + γ =,3,2,1, B 2,5517,276 r,23 τ= + γ = 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4,2, Taxa de deformação versus tensão de cisalhamento _ Taxa de deformação versus viscosidade aparente Equação linear ajustada da tensão de cisalhamento versus taxa de cisalhamento Figura 4. Curva de taxa de deformação versus tensão de cisalhamento e curva de taxa de deformação versus viscosidade aparente para ARA - P com (A) 1,64 dag L -1 e (B) 2,89 dag L Engenharia na Agricultura, Viçosa, MG, v.15, n.2, , Abr./Jun., 27

9 CONCLUSÕES De acordo com os resultados, e as condições específicas do experimento, conclui-se que a água residuária de galinhas poedeiras (ARA - P) nas concentrações de,26,,46,,73,,94 e 1,63 dag L -1 foi classificada, reologicamente, como plástico de Bingham, pois, apresentou tensão mínima de escoamento não nula e relação linear entre a tensão de cisalhamento e a taxa de deformação. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ARNEY, M. S.; BAI, R.; GUEVARA, E.; JOSEPH, D. D.; LIV, K. Friction factor and holdup studies for lubricated pipelining experiments and correlations. Journal Multiphase Flow, Great Britain, v. 19, n. 6, p , BASHFORD, L. L.; GILBERTSON, C. B.; NIENABER, J. A.; TIETZ, D. Effects of rations roughage content on viscosity and theoretical head losses in pipe flow for bef cattle slurry. Transaction of ASAE, St. Joseph, v. 2, n. 6, p , BOURNE, M. C. Food texture and viscosity (Concept and management). New York: Academic Press, p. CHEN, Y. R.; HASHIMOTO, A. G. Rheological properties of aerated laying hens waste slurries. Transaction of ASAE, St. Joseph, v. 19, n. 5, p , 1976a. CHEN, Y. R.; HASHIMOTO, A. G. Pipeline transport of livestock waste slurries. Transaction of ASAE, St. Joseph, v. 19, n. 5, p , 1976b. EL MASHAD, H. M.; van loon, W. K. P.; ZEEMAN, G.; BOT, G. P. A. Rheological properties of dairy cattle manure. Bioresource Technology, Oxford, v. 96, n. 5, p , 25. FOX, R. W.; McDONALD, A. T. Introdução à mecânica dos fluidos. 4ª ed. Rio de Janeiro: Guanabara-Koogan, p. HASHIMOTO, A. G.; CHEN, Y. R. Rheology of livestock waste slurries. Transaction of ASAE, St. Joseph, v. 19, n. 5, p , HERUM, F. L.; ISAACS, G. W.; PEART, R. M. Flow properties of highly viscous organic pastes and slurries. Transaction of ASAE, St. Joseph, v. 3, n. 2, p , HUGHES, W. F.; BRIGHTON, J. A. Dinâmica dos fluidos. São Paulo: Mc Graw Hill, p. KUMAR, M.; BARTLETT, H. D.; MOHSENIN, N. N. Flow properties of animal waste slurries. Transactions of the ASAE, St. Joseph, v. 15, n. 4, p , MATOS, A. T. Manejo e tratamento de resíduos agroindustriais. Viçosa: DEA/UFV, p. (Caderno didático n. 31). SCHRAMM, G. A practical approach to rheology and rheometry. 2ª ed. Karlsruhe: Gebrueder HAAKE CmbH, 2, 291 p. Engenharia na Agricultura, Viçosa, MG, v.15, n.2, , Abr./Jun.,