T5- Aplicações dos coloides na industria quimica - G1

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Universidade de São Paulo
Escola de Engenharia de Lorena - EEL
Aplicações dos coloides na indústria química
Professora: Marivone Nunho Sousa
Grupo 1:
Aldo Luis Gama de Lima - 7966000
Allexia Giovanna Passos Souza – 7965076
Isabela Sant Anna Silva – 8060127
Jaqueline Tuono Balidas - 8121368
Jessica Yumi Ferreira Murakami de Jesus – 7657916
Lorena, 20 de setembro de 2016
1) Aplicações de coloides em indústria cosmética:
Os cosméticos são uma das mais importantes categorias de produtos de uso pessoal, segmento que tem um mercado consumidor em alta em função da demanda por produtos cada vez mais bem elaborados, eficazes e inovadores.
        Segundo a Agência Nacional de Vigilância Sanitária (Anvisa), por definição, cosméticos são preparados usando-se substâncias naturais ou sintéticas, de uso externo nas diversas partes do corpo humano, como pele, sistema capilar, unhas, lábios, órgãos genitais externos, dentes e membranas mucosas da cavidade oral, com o objetivo principal de limpá-los, perfumá-los, alterar sua aparência e/ou corrigir odores corporais e/ou protegê-los ou mantê-los em bom estado. Os produtos cosméticos apresentam-se em várias formas cosméticas.
        Atualmente, a variedade de ingredientes de nova geração possibilita o desenvolvimento de formulações de uso tópico com mais especificidade e que tragam vantagens ao consumidor. Nesse contexto, utilizam-se, de maneira apropriada, diferentes formas cosméticas disponíveis para atender ao consumidor, que está cada vez mais exigente e a espera de inovações. A escolha da forma cosmética é realizada no início da concepção do produto. Nessa etapa, é avaliado o custo-benefício de cada forma. 
        De acordo com a concepção do produto, a escolha da forma cosmética pode ter como objetivo a funcionalidade, a percepção sensorial, a estabilidade, a segurança e a eficácia do produto. Vale ressaltar que todos esses fatores devem ser considerados em conjunto para que se obtenha o produto desejado e ainda agregar valor ao produto e aumentar a aceitação deste pelo consumidor.
        Entre as formas cosméticas mais utilizadas, podem ser mencionadas: emulsões (cremes e loções cremosas), géis, suspensões, soluções, pomadas, pós, aerossóis e bastões (sticks).
1.1) Emulsões:
As emulsões são sistemas heterogêneos constituídos de duas fases imiscíveis – uma aquosa e uma oleosa – e de um terceiro componente, o emulsificante. Emulsificantes são moléculas que possuem tanto uma porção polar quanto uma porção apolar. Quando são adicionados em sistemas que contém o óleo e a água, eles podem emulsificar o óleo em pequenas gotículas e dispersá-la no sistema como um todo. As emulsões se caracterizam quanto à natureza iônica do sistema emulsificante empregado, podendo ser classificadas como aniônicas, não iônicas e catiônicas.
As emulsões de maior viscosidade são denominadas cremes e as de menos viscosidade são as loções ou loções cremosas. Por terem a capacidade de incorporar/veicular substâncias de diferentes características físico-químicas, ou seja, de caráter lipofílico ou hidrofílico, são uma forma cosmética versátil e de grande aceitação.
Os géis-cremes são emulsões estabilizadas por coloide hidrofílico, contendo alta porcentagem de fase aquosa e baixíssimo conteúdo oleoso. Essas emulsões, em geral, não contém material graxo como agente de consistência. Contêm um polímero hidrofílico. São também conhecidas como cremes e loções “oil free”. Esses produtos constituem uma forma cosmética que tem sido largamente utilizada na cosmetologia, pois no sistema “oil free” é possível veicular substâncias lipossolúveis, como filtros solares, óleos emolientes não comedogênicos e princípios ativos oleosos, em um balanço adequado sem que a formulação final deixe sensação oleosa na pele.
1.2) Géis:
A forma cosmética gel é composta de dispersões coloidais constituídas por um sistema semissólido que tem aspecto gelatinoso, formado por uma dispersão de partículas pequenas, coloidais, que estão em um diluente líquido. Geralmente, as substâncias formadoras de géis são polímeros que, quando dispersos em um meio aquoso, assumem conformação doadora de viscosidade à preparação.
Existem diversas matérias-primas que podem formar géis, como polioses como alquil celulose, alginatos, pectinas, amidos, polímeros carboxivinílicos e acrilatos, argilas como a bentonita e Veegun e polietilenoglicóis. Os polímeros carboxivinílicos são amplamente utilizados na área cosmética. Nesses polímeros, os grupos acídicos, ao serem neutralizados por bases alcalinas (hidróxido de sódio, trietanolamina), formam a rede polimérica e são estáveis entre pH 6,5 e 7,5.
        Existem atualmente no mercado polímeros aniônicos pré-neutralizados que são extensamente versáteis na aplicação de produtos cosméticos. O copolímero do ácido sulfônico acriloil-dimetil-taurato e do ácido vinil-pirrolidona neutralizado é um polímero formador de gel aniônico, estável em pH de 4,0 a 9,0, forma géis transparentes com sensorial agradável, tem ampla aplicação na indústria cosmética e é uma escolha versátil para ser aplicado em formulações cosméticas.
	Os géis têm sido muito utilizados em produtos cosméticos e como base dermatológica, pois possuem boa espalhabilidade, não são gordurosos e podem veicular princípios ativos hidrossolúveis e lipossomas. Destaca-se sua aplicação em formulações direcionadas à pele oleosa. Em produtos para os cabelos, eles são utilizados como géis modeladores. Também são muito comuns como géis de banho e géis para barbear e pós-barba. Além disso, alguns cremes dentais são apresentados na forma gel.
2) Aplicações de coloides no tratamento de efluentes	
	Uma das etapas do processo de tratamento de água nas ETAs envolve a coagulação e a floculação. Nessas águas que serão tratadas existem impurezas cujas partículas são coloidais, isto é, possuem diâmetro médio entre 1 e 1000 nm. Por serem pequenas, elas não se sedimentam (não se depositam no fundo do recipiente) sob a ação da gravidade.
	Por isso, é necessário acrescentar à água coagulantes químicos. Geralmente, aqui no Brasil, o coagulante utilizado é o sulfato de alumínio (Al2(SO4)3). Mas há outros agentes químicos que podem ser utilizados com essa mesma função, como os sais de ferro (III) ou ainda polímeros orgânicos. Esses coagulantes são insolúveis na água e geram íons positivos (cátions) que atraem as impurezas carregadas negativamente nas águas.
	Quimicamente, podemos explicar assim: o sulfato de alumínio gera os seguintes íons na água:
Al2(SO4)3 → 2 Al3+ + 3 SO42-
	Uma menor parte dos cátions Al3+ neutraliza as cargas negativas das impurezas presentes na água, e a maior parte deles interage com os íons hidroxila (OH-) da água, formando o hidróxido de alumínio:
Al2(SO4)3 + 6 H2O → 2 Al(OH)3 +6 H+ + 3 SO42-
	Esse hidróxido de alumínio é um coloide carregado positivamente que neutraliza as impurezas coloidais carregadas negativamente que estiverem na água. Observe que há um excesso de H+, o que torna o meio ácido e pode impedir a formação do hidróxido de alumínio. 
	Assim, as partículas poluidoras desestabilizam-se e sofrem uma aglutinação, o que facilita a sua deposição ou aglomeração em flóculos. Podemos dizer então que a coagulação é um processo químico usado para desestabilizar partículas coloidais.
Na parte seguinte e complementar, chamada de floculação, a água é agitada fortemente por cerca de 30 segundos por um agitador mecânico, como o mostrado na figura a seguir, com a finalidade de aumentar a dispersão do coagulante. Depois o sistema é agitado lentamente, permitindo o contato entre as partículas.
	Esses flóculos formados são então encaminhados para outra etapa do tratamento, que é a sedimentação e a decantação, onde eles depositam-se no fundo dos tanques e são coletados. O processo coagulação/floculação é considerado um tipo de tratamento terciário de efluentes, pois emprega técnicas físico-químicas para a remoção de poluentes específicos. Infelizmente,essa é uma tecnologia de transferência do poluente da água para outro lugar, pois eles são transformados em resíduos sólidos, mas a poluição não é destruída.
3) Aplicação de coloides na indústria de tintas e vernizes
3.1) Tintas 
Tinta é uma composição líquida, geralmente viscosa, constituída de um ou mais pigmentos dispersos em um aglomerado líquido que, ao sofrer um processo de cura quando estendida em película fina, forma um filme opaco e aderente ao substrato. Esse filme tem a finalidade de proteger e embelezar as superfícies (FAZENDA, 1995).
Os componentes básicos das tintas são:
Resina: é a parte não volátil da tinta, que serve para aglomerar as partículas de pigmentos. Também é conhecida como veículo. A resina atribui à tinta o maior número de características e propriedades, tais como brilho, dureza, flexibilidade, adesão resistência mecânica e química. Atualmente são obtidas por meio de reações complexas, originando polímeros que conferem às tintas propriedades de resistência e durabilidade muito superiores às resinas antigas, que eram a base de compostos naturais, vegetais ou animais.
Pigmento: material sólido finamente dividido e insolúvel no meio. Tem a função de conferir cor, opacidade, algumas características de resistência e outros efeitos. 
Aditivos: ingredientes que adicionados às tintas, proporciona características especiais ou melhorias nas propriedades. Exemplos: secantes, niveladores, espessantes, surfactantes ou tensoativos.
Solventes: líquido volátil, geralmente de baixo ponto de ebulição, utilizado para dissolver a resina e conferir viscosidade adequada ou produto. São classificados em solventes ativos, latentes e inativos. 
Cargas: são pós de natureza inorgânica que servem para melhorar algumas características do revestimento, porém, sem conferir cor nem opacidade. Em sua maioria são quimicamente inertes, e têm função de baratear a tinta, ajustar o brilho, aumentar sólidos e dureza, entre outras funções. Exemplos: carbonato de cálcio, talco, mica, quartzo. 
3.2) Vernizes
Um verniz é uma solução ou dispersão sem pigmento, de resinas sintéticas e/ou naturais em óleos ou em outros meios dispersores, usado como revestimento protetor e/ou decorativo de diversas superfícies e que seca por evaporação, oxidação e polimerização de partes dos seus constituintes. 
Não tendo pigmentos, os vernizes são menos resistentes à luz que as tintas, os esmaltes e as lacas pigmentadas. Formam, entretanto, uma película transparente, que acentua a textura da superfície revestida. 
3.3) Tintas e vernizes como coloides
	
	Tintas ou revestimentos superficiais são complexos, multifásicos, sistemas coloidais que são aplicados como uma camada contínua de uma superfície. Uma tinta contém geralmente materiais pigmentados para distingui-lo dos vernizes. O principal objetivo da tinta ou revestimento de superfície é proporcionar estética e para proteger a superfície. 
	Ao considerar a formulação da tinta, é preciso conhecer a interação específica entre seus componentes e seus substratos. Esse assunto é de particular importância quando se considera a deposição dos componentes sobre o substrato e a sua adesão a ele. O substrato pode ser de madeira, plástico, metal, vidro, etc. As forças de interação entre os componentes da tinta e o substrato deve ser considerado ao formular qualquer tipo de tinta. Além disso, o método de aplicação pode variar de um substrato ao outro.
	Para muitas aplicações, sabe-se que para obter uma propriedade necessária, como durabilidade, adesão ao substrato, opacidade, cor, brilho, resistência mecânica e química e proteção contra a corrosão, requer a aplicação de mais de uma camada. As primeiras duas ou três camadas são aplicadas para selar o substrato e fornecer a adesão forte. O acabamento proporciona a estética como brilho, cor e suavidade. Isto explica claramente a complexidade dos sistemas de tinta, que requerem uma compreensão fundamental dos processos envolvidos, como a adesão da partícula-superfície, interação coloidal entre vários componentes e a resistência mecânica de cada revestimento.
	A maioria das formulações de tintas consiste em sistemas dispersos (sólidos em dispersões líquidas). A fase dispersa consiste em partículas do pigmento primário (inorgânicos ou orgânicos), que fornecem a opacidade, cor e outros efeitos ópticos. Outras partículas grosseiras (principalmente inorgânicas) são utilizadas no revestimento primário e no revestimento interno para selar o substrato e aumentar a adesao do revestimento de topo. A fase contínua consiste de uma solução de polímeros (resina) que fornece a base de uma pelicula contínua que sela a superfície e a protege do ambiente exterior. A maioria das tintas modernar contém látexes, que são utilizados como formadores de película. Estes látexes (com uma temperatura de transição principalmente abaixo da temperatura ambiente) se unem fortemente a superfície e formam uma película forte e durável. Outros componentes podem estar presentes na formulação de tintas, tais como inibidores de corrosao, secantes, etc.
4) Aplicações de coloides na indústria alimentícia
4.1) Alimentos coloidais 
Como explorado em detalhe no trabalho anterior, sistemas coloidais são misturas em que pelo menos um dos componentes presente possui dimensões entre 1 nanômetro e 1 micrometro. Essa definição é de fácil compreendimento, porém é seguro dizer que muitas pessoas se surpreenderiam com a quantidade de alimentos que são industrializados que podem ser categorizados como sistemas coloidais.
Há uma grande extensão de produtos alimentícios coloidais, tamanho é esse número que podemos classifica-los pelos diferentes tipos de colóides que são:
Espuma: Tipo de colóide cujo dispersante se encontra na fase líquida ou sólida, e o disperso se encontra na fase gasosa. Como exemplo, temos o chantilly cujo o dispersante se encontra na fase líquida, e a maria-mole cujo dispersante encontra-se na fase sólida. O chantilly é feito ao se bater vigorosamente o creme de leite, fazendo com que o dispersante líquido se misture gradualmente com o ar, que é o disperso gasoso, formando o sistema coloidal.
Gel: Esse colóide é composto por um dispersante sólido e um disperso líquido. Nesse caso temos o queijo, as geleias, e as gelatinas como exemplo. A gelatina é um sistema coloidal que possui uma configuração um tanto que curiosa. Na sua produção, em que consiste de misturar o pó de gelatina, que consiste majoritariamente de colágeno e outras proteínas, com a água quente, a gelatina se configura como um coloide de tipo Sol, em que o dispersante é líquido e o disperso é sólido. Porém durante o seu resfriamento, as proteínas contidas nesse sistema formarão uma malha que sustenta as moléculas de água, tendo agora configuração de colóide gel.
Emulsão: A Emulsão é um colóide o qual ambas as fases, disperso e dispersante, se encontram no estado líquido. Alimentos industrializados que se encaixam nessa categoria são a maionese e a manteiga. O processo de produção da maionese envolve a misturação vigorosa da gema de ovo com o óleo, o que formará uma emulsão estável. Nesse caso em particular, as proteínas contidas na gema do ovo são responsáveis por dar estabilidade para esse colóide, tendo em vista de que a gema do ovo constitui-se em parte de água, e sabemos que a mistura de água e óleo(após agitação) é um colóide instável. Essas proteínas exercem a função de emulsificantes, e irão envolver as partículas de óleo criando uma película hidrofílica para estabilizar o sistema coloidal. 
4.2) Celulose Microcristalina Coloidal
A celulose microcristalina é um derivado da celulose natural, e possui diversos usos na indústria alimentícia; o CMC pode atuar como modificador de textura, estabilizador de suspensão, controlador de viscosidade, absorvente de água, emulsificante, inibidor de formação de cristais de gelo, dentre outras funções. Essas características são extremamente úteis na produção de diversos alimentos, como sorvete, bebidas lácteas, dentre outras.O CMC coloidal é produzido a partir da celulose hidrolisada, que então será quebrada em micro fragmentos, que em seguida serão cisalhados para que as microfibrilas celulósicas e as partículas de CMC primárias sejam liberadas. O CMC é então coprocessado juntamente à hidrocolóides, que revestirão as moléculas de CMC em polímeros hidrossolúveis, formando assim o CMC coloidal. Quando essa substância tem água adicionada a si, garantindo-se que haja agitação adequada, terão esses polímeros dilatados, o que vai fazer com que eles se misturem facilmente, e serão cruciais para cumprir importantes funções em sua dispersão aquosa. 
Devido a essa configuração, as suspensões aquosas de CMC coloidal apresentarão uma característica um tanto que incomum e incrivelmente útil, que é um estabilizador de viscosidade que irá ser eficiente em uma faixa ampla de temperatura. Essa característica é extremamente útil na produção de alimentos de diferentes tipos, que poderão requerer também diferentes temperaturas de processo.
5) Aplicações de coloides na indústria farmacêutica
Uma das aplicações dos coloides se encontra na indústria farmacêutica, ramo de extrema importância. A indústria farmacêutica é responsável pela produção de medicamentos, embora seja também uma atividade de desenvolvimento, pesquisa, comercialização e distribuição de medicamentos. Essa produção de medicamentos está altamente vinculada com os coloides, uma vez que esse tipo de substancia atua em células cancerígenas, sistema de distribuição do medicamento no corpo humano, dosagem de medicamentos através de suspensão coloidal, aerogel, microemussão, lipossomas, entre outras formas.
Uma suspensão coloidal pode ser instável e exibir separação de partículas dentro de um pequeno espaço de tempo ou ele pode ser estável por um longo tempo, como um ano ou mais. Em aplicações farmacêuticas, um importante exemplo é o uso de suspensão de insulina em injeções de caneta. A suspensão de insulina é estável por um tempo justo para sua aplicação, o que leva uma dosagem precisa para o paciente. Além disso, há outras variedades de produtos farmacêuticos que estão baseados em suspensão de moléculas. 
Outra aplicabilidade dos coloides está no ramo das drogas farmacêuticas. As drogas são conhecidas por solubilizar-se na interface de gotas de microemulsões ou micelas. Desse modo, microemulsões estão sendo usadas cada vez mais como veículos para drogas lipofílicas, podendo ser aplicadas em sistemas de distribuição de medicamentos no corpo humano ou ser encapsuladas em capsulas de softgel. A propriedade de solubilização das drogas é altamente dependente das propriedades físicas do surfactante, co-surfactante e da droga, por exemplo, as interações entre a droga e surfactante, e a capacidade hidrofóbica do surfactante.
Em relação a distribuição de droga e encapsulação, a primeira formação de microemulsão comercializada de óleo em água é para droga imunossupressora ciclosporina, que é comercializada como Neoral. O sucesso da Neoral aponta para um futuro papel das microemulsões na área de nanomedicina.
Durante as décadas passadas, lipossomas (Figura 1) têm sido usadas para a distribuição de drogas devido às suas características únicas de solubilização para substâncias orgânicas insolúveis em água. Uma lipossoma é uma estrutura coloidal esférica com uma membrana composta de fosfolipídio e colesterol. Essa vesícula pode ser composta por derivados naturais de fosfolipídios com cadeias de lipídios ou por surfactantes.
Uma lipossoma encapsula uma região solução aquosa dentro de uma membrana hidrofóbica; solutos hidrofílicos dissolvidos não podem passar imediatamente através dos lipídios. Substancias químicas hidrofóbicas podem ser dissolvidas na membrana, e desse modo, os lipossomos podem carregar tanto moléculas hidrofóbicas como hidrofílicas. Lipossomos podem também ser designados para entrega de drogas farmacêuticas em diferentes jeitos específicos. Essa vesícula pode ser construída de forma que drogas dissolvidas em forma aquosa obterão cargas na solução através do pH. Como o pH se neutraliza naturalmente dentro do lipossomo, a droga também vai se neutralizar, permitindo o passe livre através da membrana. Figura 1: Representação estrutural de uma lipossoma
Outra importância das lipossomas é a sua propriedade natural de mirar em células de câncer. As paredes endoteliais de todos os vasos sanguíneos de um ser humano saudável são encapsuladas pelas células endoteliais que são unidas por junções apertadas. Estas junções bloqueiam partícula grande no sangue de vazar para fora do recipiente. Sabe-se que os vasos tumorais não contêm o mesmo nível de vedação entre as células e são diagnosticamente porosas. O tamanho dos lipossomas pode ser usado para reproduzir uma aplicação específica. Por exemplo, lipossomas de determinados tamanhos, a (tipicamente 400 nm), podem rapidamente entrar em locais de tumores do sangue, mas são mantidas na corrente sanguínea através da parede endotelial na vasculatura do tecido saudável.
6) Referências bibliográficas:
BIRDI, K.S. Handbook of Surface and Colloid Chemistry. 4° ed. CRC Press, 2016.
COSGROVE, T. Colloid Science: Principles, Methods and Applications. 2 ° ed. Wiley, 2010
ECKENFELDER, J. W. W.; Industrial Water Pollution Control, 2th ed., McgrawHill: New York, 2007.
FAZENDA, J.M.R., Tintas e Vernizes: Ciência e Tecnologia. 3ª ed. São Paulo: Edgard Blücher, p. 8-9, 2005.
PILZ, C.F., Influência das propriedades da resina nas propriedades de uma tinta base água, Dissertação em Engenharia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, p. 3-4, 2004.
VON SPERLING, M.; Introdução à qualidade da água e ao tratamento de esgotos - Princípio do tratamento biológico de águas residuais, 2a ed., Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental: Belo Horizonte,1996. 
http://www.mundovestibular.com.br/articles/9425/1/Coloides/Paacutegina1.htmlacesso em 19 de setembro de 2016.
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http://pt.slideshare.net/AdaLbertoJaneiro/quimica-coloidal-na-industria-de-tintas-e-vernizes acesso em 20 de setembro de 2016.
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http://docente.ifrn.edu.br/albinonunes/disciplinas/quimica-experimental/industria-quimica/cap-6 acesso em 20 de setembro de 2016.
http://slideplayer.com.br/slide/296435/ acesso em 20 de setembro de 2016.