[pt] A injeção de emulsão é um método comum para melhorar o varrido do reservatório e manter-lo pressurizado. A eficiência de recuperação de óleo no caso de óleos pesados é limitada pela alta razão de mobilidade entre a água injetada e o óleo. Um método de reduzir o problema relativo µa alta razão de viscosidade é por injeção de soluções poliméricas. Porem, a interação líquido- rocha, os grandes volumes e o preço associado dos polímeros podem fazer esta técnica não aplicável em caso de campos gigantes. Diferentes métodos de recuperação avançada de óleo estão sendo desenvolvidos como alternativas µa injeção de polímeros. A injeção de dispersões, em particular a injeção de emulsões, têm sido tratadas com relativo sucesso como um método de recuperação avançada de óleo, mas as técnicas não são totalmente desenvolvidas ou compreendidas. O uso de cada método requer uma completa análise dos diferentes regimes de fluxo de emulsões dentro do espaço poroso de um reservatório. A maioria das análises de fluxo de emulsões em um meio poroso utiliza uma descrição macroscópica. Esta aproximãção é só valida para emulsões com o tamanho da fase dispersa muito menor do que o tamanho do poro. Se o tamanho de gota da fase dispersa é da mesma ordem de magnitude do tamanho de poro, as gotas podem aglomera-se e particularmente podem bloquear o fluxo através dos poros. Este regime de fluxo pode ser utilizado para controlar a mobilidade do líquido injetado, conduzindo a um fator de recuperação maior. Neste trabalho, experimentos de deslocamento de óleo foram executados em um corpo de prova de arenito. Os resultados mostram que a injeção de uma emulsão mudou o fator de recuperação de óleo, elevando este desde 40%, obtido só por injeção de água, ate um valor aproximado de 75%, seja em modo primario ou depois do influxo da água. / [en] Water injection is a common method to improve the reservoir sweep and maintain its pressure. The e±ciency of oil recovery in the case of heavy oils is limited by the high mobility ratio between the injected water and oil. A method of reducing the problem related to the high viscosity ratio is by polymer solution injection. However, the liquid-rock interaction, the large volume and the associated cost of polymer may make this technique not applicable in the case of giant fields. Different enhanced oil recovery methods are being developed and studied as alternatives to polymer injection. Dispersion injection, in particular oil-water emulsion injection, has been tried with relative success as an enhanced oil recovery method, but the techniques are not fully developed or understood. The use of such methods requires a complete analysis of the different flow regimes of emulsions inside the porous space of a reservoir. Most analyses of flow of emulsion in a porous media use a macroscopic description. This approach is only valid for dilute emulsion which the size of the disperse phase is much smaller of the pore throat. If the drop size of the disperse phase is of the same order of magnitude of the pore size, the drops may agglomerate and partially block the flow through pores. This flow regime may be used to control the mobility of the injected liquid, leading to higher recovery factor. In this work, experiments of oil displacement were performed in a sandstone plug. The results show that injection of an emulsion changed the oil recovery factor, raising it from approximately 40%, obtained with water injection alone, to approximately 75%, whether in primary mode or after water flooding.

[pt] O conhecimento da concentração dos elementos traço em óleo lubrificante usado é útil para a avaliação de desgastes de componentes específicos de motores.Em óleo combustível, este monitoramento permite avaliar a qualidade do combustível e prever o potencial das emissões de metais no meio ambiente. Neste trabalho, utilizou-se a espectrometria de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado (ICP OES) para a determinação de elementos refratários em amostras de óleo. Desenvolveram-se metodologias para introdução dessas amostras orgânicas no ICP na forma de emulsões (com detergente e sem detergente). Diversos sistemas de nebulização de amostra foram testados, constatando flagrante vantagem do nebulizador do tipo Meinhard K3 acoplado a uma câmara de nebulização ciclônica. A deposição de carbono na extremidade superior do injetor e o sinal de fundo foram minimizados através da cuidadosa otimização da proporção das vazões de argônio e oxigênio no plasma. A otimização dos parâmetros experimentais e instrumentais permitiu a quantificação com curvas de calibração preparadas com padrões inorgânicos dos analitos em meio aquoso. Um padrão interno (Sc) foi usado para correção de efeitos da matriz de óleo lubrificante. Para as emulsões com Triton X-100, limites de detecção (LD- 3ó/m) na ordem de ng g-1 foram calculados para os elementos Ni, Mo, Cr, V e Ti. A metodologia foi validada com materiais de referência certificados do NIST (SRM 1084a, 1085a, 1085b e 1634b) e amostras de óleo diesel enriquecidas com os analitos. Recuperações entre 90 e 107 por cento foram obtidas. O desempenho analítico do método, em termos de parâmetros de mérito, foi comparável ao de metodologias de ICP OES já estabelecidas (decomposição ácida da amostra ou diluição direta com solvente orgânico), porém constatou- se, para o método otimizado, clara vantagem em termos de praticidade. / [en] The quantification of trace elements in used lubricating oil is useful for evaluating wearing of specific components of engines. In fuel oil, such monitoring allows the evaluation of the fuel quality and its potential for metal emissions in the environment. In the present work, inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP OES) was used for the determination of refractory elements in oil samples. Methodologies were developed aiming the introduction of such organic samples into the ICP as emulsions (with detergent and detergentless). Several nebulization systems were tested with clear advantage for the Meinhard K3 coupled with a cyclonic chamber. The carbon deposition on the injector tip as well as the plasma background was minimized through a careful optimization of the argon and oxygen flows into the plasma. The optimization of experimental parameters allowed quantification using the calibration curve prepared with analyte inorganic standards. An internal standard (Sc) was used for correction of matrix effects for lubricating oil samples.For emulsions prepared with Triton X-100, limits of detection (LD-3ó/m)in the ng g-1 range were calculated for Ni, Mo, Cr, V e Ti. The methodology was validated through the analysis of certified materials from NIST (SRM 1084a, 1085a e 1085b, 1634b) and with analyte spiked diesel oil. Good recoveries were achieved. The performance of the analytical method, in terms of parameters of merit, were comparable with those of established ICP OES methodologies (sample acid decomposition or sample direct dilution in an organic solvent), however, clear advantages in practical terms were found for this developed methodology.

Dispersões coloidais estão presentes em muitas aplicações industriais e biológicas, tais como indústria de alimentos, cosméticos, produtos farmacêuticos e nanoestruturas. Devido a efeitos entrópicos, macromoléculas, quando imersas em uma solução de partículas pequenas, tendem a se aglomerar. Para evitar este fenômeno, cargas são adicionadas à superfície do colóide. Conseqüentemente, para manter o sistema neutro, a solução contém uma série de pequenos contraíons que neutralizam a carga do colóide. A inclusão de cargas pode evitar a aglomeração dos colóides, mas incorpora ao problema uma série de novos efeitos de natureza eletrostática. Todos estes efeitos, bem como o comportamento termodinâmico do sistema, no entanto, podem ser compreendidos analisando-se a distribuição de contraíons ao redor do colóide. Uma teoria muito simples que fornece esta distribuição de contraíons é a teoria de Poisson Boltzmann, na qual os contraíons são partículas pontuais e as interações eletrostáticas entre os íons são obtidas via potencial médio criado por todos os íons sobre um determinado contraíon, desconsiderando, desta forma, as correlações. Nesta tese respondemos à pergunta: quando correlações eletrostáticas e de tamanho são relevantes? Propusemos que correlações eletrostáticas são relevantes quando as interações eletrostáticas entre íos superam os efeitos entrópicos, ou seja, quando o parâmetro de plasma está acima de um certo limiar, G2d > 2. Sugerimos, também, que o tamanho dos íons torna-se relevante quando a fração de volume dos contraíons na superfície do colóide está acima de um limiar, ou seja, fs > 0,2. As duas propostas são testadas comparando-se os resultados obtidos via teoria de Poisson Boltzmann com os resultados provenientes de simulações. Em seguida, empregamos a teoria de Debye-Hückel Buraco Cavidade para incorporar correlações eletrostáticas. Comparamos os resultados obtidos via esta teoria com os resultados de simulações. Mostramos que a incorporação dos efeitos de correlações eletrostáticas resultam em um maior número de contraíos próximos à superfície do macroíon do que o observado via teoria de Poisson Boltzmann. Depois, introduzimos duas teorias de funcionais de densidade ponderada que incluem efeitos de correlações de tamanho: funcional de densidade ponderada com um peso baseado na teoria Debye-Hückel Buraco Cavidade e uma funcional de densidade ponderada com um peso constante. Comparamos os resultados obtidos através destas duas teorias com simulações, e observamos que a segunda teoria apresenta uma melhor concordância com as simulações. De maneira geral, as correlações de tamanho deixam os íons mais afastados do colóide do que o predito via teoria de Poisson Boltzmann. Finalmente, propusemos uma combinação da teoria Debye-Hückel-Buraco-Cavidade e funcional de densidade ponderada com um peso constante para tratar de problemas onde tanto correlações eletrostáticas como de tamanho se façam presentes. Observamos que para G2d < 2 e fs < 0,2 a teoria mista fornece os mesmos resultados que a teoria de Poisson Boltzmann; para G2d > 2 e fs < 0,2 a teoria mista fornece os mesmos resultados que a teoria Debye-Hückel-Buraco-Cavidade, pois somente correlações eletrostáticas são relevantes; para G2d < 2 e fs > 0,2 a teoria mista oferece o mesmo resultado que a teoria funcional de densidade ponderada com um peso constante; para G2d ≈ 2 e fs ≈ 0,2 ocorre uma compensação entre efeitos e a teoria mista fornece o mesmo resultado que a teoria de Poisson Boltzmann. Para G2d > 2 and fs > 0,2 efeitos de tamanho dominam e a teoria mista oferece os mesmos resultados que a teoria da funcional de densidade ponderada com umpeso constante. / Colloidal dispersions are present in many industrial and biological applications going from food, cosmetics, pharmaceutical and nanostructures. Due to entropic effects the large macromolecules in a solvent made of small particles, agglomerate. In order to avoid this effect, charged groups are added to the colloidal surface. Consequently in order to keep the charge neutrality the solution is full of counterions. The addition of charges might stop agglomeration but adds a number of new phenomena that are deeply related to the distribution of the counterions around the macroion. One simple theory that describes this distribution is the Poisson Boltzmann approach in which the counterions are assumed to be point ions and where the electrostatic interactions between the counterions are taken into account as the average field on a singel ions, ignoring correlations. In this thesis we address the question; when does electrostatic correlations and the size of the counterions are relevant? We propose that electrostatic correlations are relevant when the electrostatic interactions between the ions are bigger than the entropic effects. This assumption can be expressed by the plasma parameter being above a certain threshold, G2d > 2. We also propose that the size of the counterions become relevant when the volume fraction of ions at the surface of the colloid is above a certain threshold fs > 0.2. This two propositions are tested comparing results obtained with the PB theory with simulations. We then propose a theory to take into account the electrostatic correlations, the Debye-Hückel-Hole-Cavity and test this approach with simulations. The electrostatic correlation leads to more ions close to the colloid than the Poisson Boltzmann predicts. Next, we present two different approaches to account for size effects, the Weight Density Approximation based in the Debye-Hückel-Hole-Cavity theory and the Weight Density Approximation based in a constant weight. Comparison with simulations show that the second approach gives a better agreement. The size correlations leads to less ions close to the colloid than the Poisson Boltzmann approach predicts. Finally we propose a combination of the Debye-Hückel-Hole-Cavity and the Weight Density Approximation based in a constant weight to be the theory able to take into account both electrostatic and size correlations. Our result shows that for G2d <2 and fs <0.2 electrostatic and size correlations are irrelevant so Poisson Boltzmann is a good approach; for G2d > 2 and fs < 0.2 electrostatic correlations dominates and Debye-Hückel-Hole-Cavity gives a good approach; G2d < 2 and fs > 0.2 the Weight Density Approximation based in a constant weight gives the correct behavior; for G2d ≈ 2 and fs ≈ 0.2 the electrostatic correlation effects cancel the size effects and Poisson Boltzmann gives a good approximation. For G2d > 2 and fs > 0.2 size effects dominate.

[pt] O processo de recuperação de óleo pelo deslocamento com água é o método mais utilizado na indústria de petróleo. No entanto, as altas razões de mobilidade e baixas eficiências de varrido tornam o processo menos eficiente. Uma alternativa usada para minimizar este efeito é a aplicação de tecnologias que atuam como agentes de controle de mobilidade. Dentre eles, e em particular a injeção de emulsões de óleo em água tem sido estudada com relativo sucesso como um método de recuperação avançada de óleo. Alguns estudos indicam melhor varredura do reservatório devido a uma redução da mobilidade da água em regiões do reservatório já varridas por água, mediante a aglomeração e bloqueio parcial dos poros mais permeáveis com gotas da fase dispersa da emulsão. Contudo, ainda não há compreensão plena dos mecanismos associados ao escoamento de emulsões em meios porosos, assim, uma análise e visualização na escala microscópica dos fenômenos envolvidos se faz essencial para a melhora do entendimento do escoamento de emulsões em um reservatório. Neste trabalho, experimentos de escoamento de emulsões foram conduzidos em um micromodelo de vidro, estrutura artificial que busca representar alguns aspectos principais de um meio poroso e proporciona uma adequada visualização do comportamento das faces ao longo do escoamento. Nos experimentos foram realizadas alterações na molhabilidade e variou-se a vazão volumétrica a fim de avaliar diferentes números de capilaridade no meio poroso. Dentro dos resultados mais significativos, foi evidenciado como a fase dispersa da emulsão é capaz de bloquear os poros e gargantas de poro alterando a distribuição dos fluidos no meio poroso, melhorando a eficiência de deslocamento na escala de poro e com isso o fator de recuperação final. Os resultados mostram que, a altos números de capilaridade as forças interfaciais são menos importantes ao reduzir o efeito de bloqueio pelas gotas da fase dispersa nos poros do micromodelo. Estes resultados fornecem um grande aprendizado ao permitir conhecer características do escoamento de emulsões no meio poroso para uma futura aplicação no campo. / [en] The oil recovery process by water-flooding is the most used method in the oil industry. However, the high mobility ratios and low sweep efficiencies make the process less effective. A common alternative to minimize this effect is the application of technologies that act as mobility control agents. Among them and in particular the injection of oil in water emulsions has been studied with relative success as an Enhanced Oil Recovery (EOR) method. Several studies indicate a better reservoir sweep due to the water mobility reduction in regions already swept by water. This reduction can be associated with partial blockage of porous media throats by droplets of emulsion dispersed phase. Nevertheless, there is still no full understanding of the mechanisms associated to the flow of emulsions in porous media, thus, an analysis and visualization at the microscopic scale of the involved phenomena is essential for the improvement of the comprehension of the flow of emulsions in a reservoir. In this work, experimental tests related to the flow of emulsions in a glass micro-model were performed, artificial device that represents some principal features of a porous medium and provides a proper visualization of the phase behavior. In the experiments, the effect of the capillary number on the oil recovery factor and the relative influence of the wettability of the porous medium on the oil displacement process were studied. The results evidence how the oil droplets in the emulsion are capable of block the pores and the pore throats modifying the fluids distribution in the porous medium, improving the displacement efficiency at pore scale and consequently the final oil recovery factor. It was also observed that at high capillary numbers, the blocking caused by the capillary pressure needed to deform the droplet becomes less intense. These results provide a great learning by allowing to know the characteristics of the flow of emulsions in porous media for a future field application.

Dispersões coloidais estão presentes em muitas aplicações industriais e biológicas, tais como indústria de alimentos, cosméticos, produtos farmacêuticos e nanoestruturas. Devido a efeitos entrópicos, macromoléculas, quando imersas em uma solução de partículas pequenas, tendem a se aglomerar. Para evitar este fenômeno, cargas são adicionadas à superfície do colóide. Conseqüentemente, para manter o sistema neutro, a solução contém uma série de pequenos contraíons que neutralizam a carga do colóide. A inclusão de cargas pode evitar a aglomeração dos colóides, mas incorpora ao problema uma série de novos efeitos de natureza eletrostática. Todos estes efeitos, bem como o comportamento termodinâmico do sistema, no entanto, podem ser compreendidos analisando-se a distribuição de contraíons ao redor do colóide. Uma teoria muito simples que fornece esta distribuição de contraíons é a teoria de Poisson Boltzmann, na qual os contraíons são partículas pontuais e as interações eletrostáticas entre os íons são obtidas via potencial médio criado por todos os íons sobre um determinado contraíon, desconsiderando, desta forma, as correlações. Nesta tese respondemos à pergunta: quando correlações eletrostáticas e de tamanho são relevantes? Propusemos que correlações eletrostáticas são relevantes quando as interações eletrostáticas entre íos superam os efeitos entrópicos, ou seja, quando o parâmetro de plasma está acima de um certo limiar, G2d > 2. Sugerimos, também, que o tamanho dos íons torna-se relevante quando a fração de volume dos contraíons na superfície do colóide está acima de um limiar, ou seja, fs > 0,2. As duas propostas são testadas comparando-se os resultados obtidos via teoria de Poisson Boltzmann com os resultados provenientes de simulações. Em seguida, empregamos a teoria de Debye-Hückel Buraco Cavidade para incorporar correlações eletrostáticas. Comparamos os resultados obtidos via esta teoria com os resultados de simulações. Mostramos que a incorporação dos efeitos de correlações eletrostáticas resultam em um maior número de contraíos próximos à superfície do macroíon do que o observado via teoria de Poisson Boltzmann. Depois, introduzimos duas teorias de funcionais de densidade ponderada que incluem efeitos de correlações de tamanho: funcional de densidade ponderada com um peso baseado na teoria Debye-Hückel Buraco Cavidade e uma funcional de densidade ponderada com um peso constante. Comparamos os resultados obtidos através destas duas teorias com simulações, e observamos que a segunda teoria apresenta uma melhor concordância com as simulações. De maneira geral, as correlações de tamanho deixam os íons mais afastados do colóide do que o predito via teoria de Poisson Boltzmann. Finalmente, propusemos uma combinação da teoria Debye-Hückel-Buraco-Cavidade e funcional de densidade ponderada com um peso constante para tratar de problemas onde tanto correlações eletrostáticas como de tamanho se façam presentes. Observamos que para G2d < 2 e fs < 0,2 a teoria mista fornece os mesmos resultados que a teoria de Poisson Boltzmann; para G2d > 2 e fs < 0,2 a teoria mista fornece os mesmos resultados que a teoria Debye-Hückel-Buraco-Cavidade, pois somente correlações eletrostáticas são relevantes; para G2d < 2 e fs > 0,2 a teoria mista oferece o mesmo resultado que a teoria funcional de densidade ponderada com um peso constante; para G2d ≈ 2 e fs ≈ 0,2 ocorre uma compensação entre efeitos e a teoria mista fornece o mesmo resultado que a teoria de Poisson Boltzmann. Para G2d > 2 and fs > 0,2 efeitos de tamanho dominam e a teoria mista oferece os mesmos resultados que a teoria da funcional de densidade ponderada com umpeso constante. / Colloidal dispersions are present in many industrial and biological applications going from food, cosmetics, pharmaceutical and nanostructures. Due to entropic effects the large macromolecules in a solvent made of small particles, agglomerate. In order to avoid this effect, charged groups are added to the colloidal surface. Consequently in order to keep the charge neutrality the solution is full of counterions. The addition of charges might stop agglomeration but adds a number of new phenomena that are deeply related to the distribution of the counterions around the macroion. One simple theory that describes this distribution is the Poisson Boltzmann approach in which the counterions are assumed to be point ions and where the electrostatic interactions between the counterions are taken into account as the average field on a singel ions, ignoring correlations. In this thesis we address the question; when does electrostatic correlations and the size of the counterions are relevant? We propose that electrostatic correlations are relevant when the electrostatic interactions between the ions are bigger than the entropic effects. This assumption can be expressed by the plasma parameter being above a certain threshold, G2d > 2. We also propose that the size of the counterions become relevant when the volume fraction of ions at the surface of the colloid is above a certain threshold fs > 0.2. This two propositions are tested comparing results obtained with the PB theory with simulations. We then propose a theory to take into account the electrostatic correlations, the Debye-Hückel-Hole-Cavity and test this approach with simulations. The electrostatic correlation leads to more ions close to the colloid than the Poisson Boltzmann predicts. Next, we present two different approaches to account for size effects, the Weight Density Approximation based in the Debye-Hückel-Hole-Cavity theory and the Weight Density Approximation based in a constant weight. Comparison with simulations show that the second approach gives a better agreement. The size correlations leads to less ions close to the colloid than the Poisson Boltzmann approach predicts. Finally we propose a combination of the Debye-Hückel-Hole-Cavity and the Weight Density Approximation based in a constant weight to be the theory able to take into account both electrostatic and size correlations. Our result shows that for G2d <2 and fs <0.2 electrostatic and size correlations are irrelevant so Poisson Boltzmann is a good approach; for G2d > 2 and fs < 0.2 electrostatic correlations dominates and Debye-Hückel-Hole-Cavity gives a good approach; G2d < 2 and fs > 0.2 the Weight Density Approximation based in a constant weight gives the correct behavior; for G2d ≈ 2 and fs ≈ 0.2 the electrostatic correlation effects cancel the size effects and Poisson Boltzmann gives a good approximation. For G2d > 2 and fs > 0.2 size effects dominate.

Dispersões coloidais estão presentes em muitas aplicações industriais e biológicas, tais como indústria de alimentos, cosméticos, produtos farmacêuticos e nanoestruturas. Devido a efeitos entrópicos, macromoléculas, quando imersas em uma solução de partículas pequenas, tendem a se aglomerar. Para evitar este fenômeno, cargas são adicionadas à superfície do colóide. Conseqüentemente, para manter o sistema neutro, a solução contém uma série de pequenos contraíons que neutralizam a carga do colóide. A inclusão de cargas pode evitar a aglomeração dos colóides, mas incorpora ao problema uma série de novos efeitos de natureza eletrostática. Todos estes efeitos, bem como o comportamento termodinâmico do sistema, no entanto, podem ser compreendidos analisando-se a distribuição de contraíons ao redor do colóide. Uma teoria muito simples que fornece esta distribuição de contraíons é a teoria de Poisson Boltzmann, na qual os contraíons são partículas pontuais e as interações eletrostáticas entre os íons são obtidas via potencial médio criado por todos os íons sobre um determinado contraíon, desconsiderando, desta forma, as correlações. Nesta tese respondemos à pergunta: quando correlações eletrostáticas e de tamanho são relevantes? Propusemos que correlações eletrostáticas são relevantes quando as interações eletrostáticas entre íos superam os efeitos entrópicos, ou seja, quando o parâmetro de plasma está acima de um certo limiar, G2d > 2. Sugerimos, também, que o tamanho dos íons torna-se relevante quando a fração de volume dos contraíons na superfície do colóide está acima de um limiar, ou seja, fs > 0,2. As duas propostas são testadas comparando-se os resultados obtidos via teoria de Poisson Boltzmann com os resultados provenientes de simulações. Em seguida, empregamos a teoria de Debye-Hückel Buraco Cavidade para incorporar correlações eletrostáticas. Comparamos os resultados obtidos via esta teoria com os resultados de simulações. Mostramos que a incorporação dos efeitos de correlações eletrostáticas resultam em um maior número de contraíos próximos à superfície do macroíon do que o observado via teoria de Poisson Boltzmann. Depois, introduzimos duas teorias de funcionais de densidade ponderada que incluem efeitos de correlações de tamanho: funcional de densidade ponderada com um peso baseado na teoria Debye-Hückel Buraco Cavidade e uma funcional de densidade ponderada com um peso constante. Comparamos os resultados obtidos através destas duas teorias com simulações, e observamos que a segunda teoria apresenta uma melhor concordância com as simulações. De maneira geral, as correlações de tamanho deixam os íons mais afastados do colóide do que o predito via teoria de Poisson Boltzmann. Finalmente, propusemos uma combinação da teoria Debye-Hückel-Buraco-Cavidade e funcional de densidade ponderada com um peso constante para tratar de problemas onde tanto correlações eletrostáticas como de tamanho se façam presentes. Observamos que para G2d < 2 e fs < 0,2 a teoria mista fornece os mesmos resultados que a teoria de Poisson Boltzmann; para G2d > 2 e fs < 0,2 a teoria mista fornece os mesmos resultados que a teoria Debye-Hückel-Buraco-Cavidade, pois somente correlações eletrostáticas são relevantes; para G2d < 2 e fs > 0,2 a teoria mista oferece o mesmo resultado que a teoria funcional de densidade ponderada com um peso constante; para G2d ≈ 2 e fs ≈ 0,2 ocorre uma compensação entre efeitos e a teoria mista fornece o mesmo resultado que a teoria de Poisson Boltzmann. Para G2d > 2 and fs > 0,2 efeitos de tamanho dominam e a teoria mista oferece os mesmos resultados que a teoria da funcional de densidade ponderada com umpeso constante. / Colloidal dispersions are present in many industrial and biological applications going from food, cosmetics, pharmaceutical and nanostructures. Due to entropic effects the large macromolecules in a solvent made of small particles, agglomerate. In order to avoid this effect, charged groups are added to the colloidal surface. Consequently in order to keep the charge neutrality the solution is full of counterions. The addition of charges might stop agglomeration but adds a number of new phenomena that are deeply related to the distribution of the counterions around the macroion. One simple theory that describes this distribution is the Poisson Boltzmann approach in which the counterions are assumed to be point ions and where the electrostatic interactions between the counterions are taken into account as the average field on a singel ions, ignoring correlations. In this thesis we address the question; when does electrostatic correlations and the size of the counterions are relevant? We propose that electrostatic correlations are relevant when the electrostatic interactions between the ions are bigger than the entropic effects. This assumption can be expressed by the plasma parameter being above a certain threshold, G2d > 2. We also propose that the size of the counterions become relevant when the volume fraction of ions at the surface of the colloid is above a certain threshold fs > 0.2. This two propositions are tested comparing results obtained with the PB theory with simulations. We then propose a theory to take into account the electrostatic correlations, the Debye-Hückel-Hole-Cavity and test this approach with simulations. The electrostatic correlation leads to more ions close to the colloid than the Poisson Boltzmann predicts. Next, we present two different approaches to account for size effects, the Weight Density Approximation based in the Debye-Hückel-Hole-Cavity theory and the Weight Density Approximation based in a constant weight. Comparison with simulations show that the second approach gives a better agreement. The size correlations leads to less ions close to the colloid than the Poisson Boltzmann approach predicts. Finally we propose a combination of the Debye-Hückel-Hole-Cavity and the Weight Density Approximation based in a constant weight to be the theory able to take into account both electrostatic and size correlations. Our result shows that for G2d <2 and fs <0.2 electrostatic and size correlations are irrelevant so Poisson Boltzmann is a good approach; for G2d > 2 and fs < 0.2 electrostatic correlations dominates and Debye-Hückel-Hole-Cavity gives a good approach; G2d < 2 and fs > 0.2 the Weight Density Approximation based in a constant weight gives the correct behavior; for G2d ≈ 2 and fs ≈ 0.2 the electrostatic correlation effects cancel the size effects and Poisson Boltzmann gives a good approximation. For G2d > 2 and fs > 0.2 size effects dominate.

[pt] A injeção de emulsão em meio poroso como método de recuperação avançada pode se tornar realidade na operação de campos de petróleo devido à maior rigidez no descarte de água produzida e aos potenciais ganhos na produção de óleo. Para entender o comportamento macroscópico desta técnica de EOR, é necessário compreender o fenômeno microscópico. Com este objetivo, fez-se a modelagem numérica do escoamento de uma gota imersa em fase contínua escoando em capilar restrito utilizando o método de Lattice-Boltzmann. Este método foi escolhido devido à sua facilidade de ser aplicado em geometrias complexas de rocha e fluido e ao bom compromisso na representação dos fenômenos de microescala. Para entender a influência de cada parâmetro, foram realizadas diversas simulações em domínio tridimensional, alterando a velocidade do fluxo, a razão de viscosidades dos fluidos, a relação entre os diâmetros da gota e do tubo e a magnitude da tensão interfacial. Observou-se que a passagem da gota pela restrição causa uma redução na mobilidade do escoamento, representada por um aumento na perda de carga, pela conjunção dos efeitos viscosos e capilares. Obteve-se correlação negativa do fator redutor de mobilidade 𝑓 com a razão de viscosidade e com o tamanho da gota, assim como fora determinado numericamente por Roca-Reyes (2011) com o método level-set. Foi notada uma pequena sensibilidade de 𝑓 ao número de capilaridade, assim como estabelecido experimentalmente por Robles-Castillo (2011). Verificou-se a importância de se determinar o conjunto adequado de parâmetros do sistema para ter sucesso na implantação de injeção de emulsões. / [en] Emulsion injection in porous medium as an Enhanced Oil Recovery method can turn out to be reality in the operation of onshore and offshore fields, due to increasing rigidity in the disposal of produced water and also due to the potential additional oil production. In order to understand macroscopic behavior of this EOR method, it is necessary to understand the microscopic phenomenon. With this objective, it was performed the numerical modeling of the flow of a droplet immerse in continuous phase through a constricted capillary using the Lattice-Boltzmann method. This method was chosen due to its simplicity on being applied to complex rock geometries and multiphasic flow and due to its good commitment in representing microscopic phenomena. Focusing on understanding the influence of each parameter on flow behavior, several simulation studies were performed altering flow velocity, viscosity ratio, ratio between droplet s and pipe s diameter and interfacial tension. A reduction in mobility is observed as the droplet passes through the restriction caused by the conjunction of viscous and capillary effects. A negative correlation of mobility reduction factor 𝑓 in relation to the viscosity ratio and to droplet size was noticed, as it had been observed before by Roca-Reyes (2011) in a numerical implementation of level-set method. Weak correlation between 𝑓 and capillary number was determined, as in previous experimental essay performed by Robles-Castillo (2011). In this study, it was verified the importance of determining the appropriate set of system parameters, in order to achieve success in the implementation of emulsion injection.

[pt] Esta pesquisa focou-se no estudo da reologia de emulsões A O preparadas com diferentes óleos crus, dando atenção especial ao seu comportamento quando sujeitas a forças brownianas e hidrodinâmicas. Em uma microescala, as interações partícula-partícula e partícula-meio, ambas envolvidas no fenômeno de agregação, definem o comportamento reológico da emulsão devido às complexas estruturas criadas pelas gotículas quando sua concentração aumenta. Um estudo experimental foi realizado para visualizar as características da emulsão de acordo com sua concentração de fase dispersa e a taxa de cisalhamento aplicada, verificando-se a existência de tanto o fenômeno de coalescência quanto o de floculação durante o cisalhamento. A modelagem das interações entre as gotículas permitiu a previsão do comportamento da emulsão a partir da termodinâmica de coloides. Com isso, uma metodologia que ajustasse os dados experimentais incluindo parâmetros da taxa de cisalhamento e da concentração da fase dispersa foi proposto. Essa metodologia foi então aplicada a algumas equações reológicas comuns, encontradas na literatura. Este trabalho enfatiza a importância do estudo de emulsões em escala micro a fim de obter uma melhor compreensão dos processos de formação e quebra das complexas estruturas randômicas de agregados. Isso permite prever seu comportamento reológico e propor um modelo fenomenológico que o descreva. / [en] This research focused on studying the rheology of W O emulsions formed by different crude oils, with special attention to their behavior when subjected to Brownian and hydrodynamic forces. At a microscale level, particle-particle and particle-medium interactions, both of which are involved in the phenomenon of aggregation, define the emulsion s rheological behavior due to the complex structures created by the droplets as their concentration rises. An experimental study was performed in order to visualize the emulsions characteristics according to its disperse phase concentration and the shear rate applied, verifying the existence of both coalescence and flocculation phenomena during shearing. The modeling of interactions between droplets allowed the prediction of the emulsion s behavior by colloidal thermodynamics. With it, a methodology to fit the experimental data that included both the shear rate and disperse phase concentration parameters was proposed. This work emphasizes the importance of studying emulsion systems at a micro-scale level in order to obtain a better comprehension of the formation and breakage processes of complex and random aggregate structures. This allows the prediction of the emulsion s rheological behavior, and the proposition of a phenomenological model to best describe it.

[pt] Muitas indústrias, como as de petróleo, cosméticos e farmacêuticos, buscam estabilizar emulsões de forma efetiva e com menor custo. O uso de partículas sólidas como agentes emulsificantes (emulsões Pickering) tem apresentado grandes benefícios, como custo e estabilidade das emulsões, quando comparados aos surfactantes, que são utilizados na emulsão clássica. A eficácia de uma determinada partícula na estabilização de uma emulsão depende das suas propriedades e da sua interação com as fases oleosa e aquosa da emulsão. Essas partículas sólidas adsorvem-se na interface óleo-água criando uma fina camada entre as fases, evitando a coalescência das gotas. Uma forma de estudar a estabilidade de emulsões Pickering é analisar o experimento de coalescência de duas interfaces óleo-água que são forçadas uma contra a outra. A metodologia deste trabalho baseou-se em medições do tempo de coalescência de uma gota de óleo, presente em uma dispersão aquosa de nanopartículas, quando a mesma é forçada contra uma interface óleoágua. Para a correta visualização e registro do momento da coalescência da gota utilizou-se uma câmera de alta velocidade (Photron FastCam SA3). As nanopartículas utilizadas foram: Laponita RD, dióxido de titânio HAc e Aerosil R972. Observou-se tempos de coalescência maiores para testes com dispersões aquosas de Laponita RD 1,0 porcento (m/m) e de Aerosil R972 0,0024 porcento (m/m) do que para testes com água pura (Milli-Q). / [en] Several industries, such as oil and gas, cosmetics, and pharmaceutical, seek to stabilize emulsions more effectively and at a lower cost. As compared to surfactants, which are used in classic emulsions, the use of solid particles as emulsifying agents (Pickering emulsions) has presented great benefits, including lower costs and better emulsion stability. A particle s effectiveness on stabilizing an emulsion is related to its properties, as well as its interaction with the oil and water phases of the emulsion. These solid particles adsorb at the oil-water interface, creating a thin layer between the phases, and thus avoiding the coalescence of the droplets. One method to study the stability of Pickering emulsions is to analyze the coalescence experiment of two oil-water interfaces that are forced against each other. The methodology of this work was based on measurements of the coalescence time of an oil droplet in an aqueous dispersion of nanoparticles, when it is forced against an oil-water interface. A high speed camera (Photron FastCam SA3) was used for the proper visualization and recording of the moment of drop coalescence. The three types of nanoparticles used were: Laponite RD, titanium dioxide HAc, and Aerosil R972. Longer coalescence times were observed for tests with aqueous dispersions of Laponite RD 1.0 percent (w/w) and Aerosil R972 0.0024 percent (w/w) versus tests with plain water (Milli-Q).

[pt] A alta viscosidade dos óleos pesados e o elevado teor de asfaltenos contribuem para a formação de emulsões água-em-óleo (A/O) altamente estáveis, dificultando a separação óleo/água e aumentando os custos de produção e transporte. Para reduzir a viscosidade, técnicas de diluição são comuns com solventes simples. Portanto, pouca pesquisa foi realizada sobre o impacto dos compostos aromáticos nas propriedades interfaciais e na estabilidade das emulsões, de solventes complexos, como o querosene. Neste estudo, investigou-se o efeito da segregação dos compostos aromáticos do querosene nas propriedades bulk e interfaciais e na estabilidade dos asfaltenos e das emulsões A/O. Além disso, foram analisadas as correlações desses efeitos com a desemulsificação química. Inicialmente, foram avaliadas as propriedades interfaciais de frações de surfactantes naturais, extraídas de um óleo pesado brasileiro, em relação à sua capacidade de estabilizar emulsões água-querosene. Os resultados indicaram que a estabilidade dessas emulsões decorre do efeito sinérgico entre as resinas e os asfaltenos, resultando na formação de filmes interfaciais mais flexíveis, que evitam ou retardam a coalescência das gotas. Entretanto, quando o querosene foi utilizado como diluente do óleo pesado (HO) na fase oleosa, observou-se a floculação e precipitação dos asfaltenos. Esses resultados foram correlacionados com a composição química de dois tipos de querosene: um composto apenas por saturados (KeS) e outro contendo 30 por cento massa de compostos aromáticos (KeSA). Verificou-se que a composição química dos querosenes afeta a estabilidade coloidal dos asfaltenos, a estabilidade da emulsão e as propriedades interfaciais. KeSA apresentou maior solubilização e dispersão dos asfaltenos em comparação ao KeS. Além disso, a viscoelasticidade interfacial diminuiu quando o teor de querosene foi maior ou igual a 30 por cento massa, indicando a formação de filmes interfaciais menos rígidos. Porém, o módulo de elasticidade nos sistemas contendo KeSA aumentou gradualmente com o tempo, sugerindo uma melhor solubilidade dos asfaltenos e uma adsorção controlada pela difusão facilitada na interface. A concentração de aromáticos do solvente (KeSA) mantém a estabilidade do filme interfacial durante a diluição de HO, compensando assim a perda de asfaltenos com o aumento do teor de querosene na fase óleo. Os resultados também destacaram o papel crucial da aromaticidade do querosene na quebra das emulsões A/O contendo 20 por cento massa de Ke na fase oleosa. Diferentes desemulsificantes químicos, comumente utilizados como bases para desemulsificantes comerciais, bem como compostos modelo, foram testados. KeSA apresentou maior robustez e resistência à quebra das emulsões. Esse efeito decorre da segregação interfacial dos compostos aromáticos do querosene. Esses resultados enfatizam a importância da composição química do querosene quando é usado na diluição de óleos pesados, o qual tem efeito significativo na estabilidade e quebra das emulsões A/O. / [en] The high viscosity of heavy oils and the high content of asphaltenes contribute to the formation of highly stable water-in-heavy oil (W/O) emulsions, making oil/water separation difficult and increasing production and transportation costs. To reduce viscosity, dilution techniques with simple solvents are common. Therefore, slight research has been conducted on the impact of aromatic compounds on interfacial properties and emulsion stability from complex solvents, such as kerosene. In this study, we investigated the effect of segregation of aromatic compounds in kerosene on the bulk and interfacial properties and stability of asphaltenes and W/O emulsions. Furthermore, we analyzed the correlations of these effects with chemical demulsification. Initially, we evaluated the interfacial properties of natural surfactants fractions extracted from Brazilian heavy oil regarding their ability to stabilize water-kerosene emulsions. The results indicated that the stability of these emulsions was related to the synergistic effect between resins and asphaltenes, resulting in the formation of more flexible interfacial films that prevent or delay the coalescence of the droplets. However, when kerosene was used as diluent of heavy oil (HO) in the oil phase, flocculation and precipitation of asphaltenes were observed. These results were correlated with the chemical composition of two kerosene types: one composed only of saturates (KeS) and another containing saturates and 30 percent wt. of aromatic compounds (KeSA). It was found that the chemical composition of the kerosene affects the colloidal asphaltenes stability, emulsion stability, and interfacial properties. KeSA showed greater solubilization and dispersion of asphaltenes compared to KeS. Additionally, interfacial viscoelasticity decreased when the kerosene content was bigger or equal 30 wt. percent, indicating the formation of less rigid interfacial films. However, the interfacial elastic modulus in systems containing KeSA gradually increased over time, suggesting better solubility of asphaltenes and diffusion-controlled adsorption at the interface. The concentration of solvent aromatics (KeSA) maintains interfacial film stability during HO dilution, thus compensating for the loss of asphaltenes with increasing kerosene content in the oil phase. The results also revealed the crucial role of kerosene s aromaticity in the breaking of W/O emulsions containing 20 wt. percent of kerosene in the oil phase. Various chemical demulsifiers commonly used as bases for commercial demulsifiers, as well as model compounds, were tested. The presence of KeSA exhibited greater robustness and resistance to emulsion breaking. This effect was attributed to interfacial segregation of aromatic compounds from kerosene. These results emphasize the importance of kerosene s chemical composition when used for diluting heavy oils, as it has a significant effect on the stability and breaking of W/O emulsions, particularly in the case of the Brazilian heavy oil used in this study.