The dynamic behavior of a pilot flotation column has been studied using the tracer technique. Radioactive tracers emitting gamma radiation have been used for this purpose. Since this is a three-phase system (air, water, and solid particles), having one entrance port and two exit flows, the residence time distribution (RTD) has been determined for both the liquid and solid phases. Moreover, the solids RTD has also been separately measured for four distinct size fractions, i.e. four determinations in all. Instantaneous pulse injections were performed in the feed flow and detected by scintillation probes with sodium iodide crystals doped with thallium, NaI(Tl), adequately collimated and placed at the tails and concentrate exit sections. The detector signals were duly counted, processed, and stored by a computer. This setup allowed the RTD identification at the concentration and washing sections of the column to be directly obtained from the detector responses, without any interference whatsoever with the column operation regime. All the plant operational parameters were duly logged. An injection device was designed to introduce the tracer as close as possible to the column entrance and as instantaneously as feasible, thus simulating a Dirac delta impulse. A probe placed immediately downstream the injection position has been used to check its performance. The Peclet number (Pe) and the average residence time ( t ) were the system parameters determined by fitting the axial dispersion model to the experimental data. The model boundary conditions tested corresponded to the closed-closed, and open-closed B.C.s simulating the entrance-exit boundaries. It was demonstrated that recovery decreases with increasing the collect zone degree of mixing. By labeling both phases, the influence of the particle size distribution on the hydrodynamic behavior of the solids, as well as on the divergent behavior of the solid and liquid phases, has also checked. The closed-closed and open-closed boundary parameters obtained with experimental data allowed the collect zone rate constant determination. Wash water influence in solids hydrodynamic behavior was also checked. Industrial tests allowed confirming the steady state operation conditions of the studied systems and observing stagnant zones inside them. The solid and liquid phase tracers were produced by irradiation under a neutron flux inside the IPR-R1 TRIGA MARK II nuclear reactor at CDTN/CNEN. For labeling the liquid phase, 56Mn has been chosen for pilot scale, and 82Br for industrial scale. For the solid phase the irradiated ore itself has been used. 140La and 153Sm were the two main gamma emitter radioisotopes detected in the activated ore. / Nesse trabalho foi realizado um estudo do comportamento dinâmico de uma coluna de flotação piloto através do uso da técnica de traçadores radioativos emissores gama. Também foi avaliada a aplicação da técnica em um condicionador e uma coluna de flotação em escala industrial. Como a flotação em coluna é um sistema trifásico (ar, água e partículas minerais), foi determinada a distribuição dos tempos de residência (DTR) tanto para a fase líquida quanto para a sólida, sendo as medições nesta última realizadas em quatro diferentes frações granulométricas. Foram feitas injeções pulsadas do traçador no fluxo de alimentação e registradas suas respostas usando detectores de cintilação de iodeto de sódio ativados com tálio, NaI (Tl), devidamente colimados posicionados às saídas do rejeito e do concentrado da coluna. Isto possibilitou a identificação direta da DTR dessas regiões sem nenhuma interferência sobre o seu regime de operação. Todas as informações sobre as condições operacionais da coluna durante os experimentos foram devidamente registradas. Para a injeção do traçador foi desenvolvido um sistema injetor na tubulação da alimentação, imediatamente antes da entrada na coluna, garantindo um pulso instantâneo o mais próximo possível do ideal (função Delta de Dirac). Este desempenho foi comprovado posicionando um terceiro detector de NaI (Tl) logo após o sistema de injeção. Alguns parâmetros como o número de Peclet (Pe) e o tempo médio de residência ( t ) foram determinados através de ajustes dos dados experimentais aos modelos de dispersão axial, com as condições de contorno descritas na literatura: aberto-aberto, fechado-fechado, abertofechado. Esses parâmetros permitiram demonstrar a influência das condições de mistura da zona de coleta da coluna sobre a recuperação metalúrgica do processo. Foi quantificada a influência da granulometria no comportamento hidrodinâmico do minério e as diferenças entre o comportamento deste e o da fase líquida. Os parâmetros determinados na marcação da fase sólida permitiram que a constante cinética da zona de coleta fosse determinada através da solução da equação da dispersão axial para o sistema fechado-fechado e aberto-fechado. Ficou demonstrada também a influência da água de lavagem no comportamento das distintas frações granulométricas marcadas. Em escala industrial foi possível diagnosticar informações importantes a cerca dos sistemas em estudo como a presença de regiões de fluxo estagnado e a confirmação das operações em estado estacionário. Os traçadores da fase líquida e sólida foram produzidos através da exposição destes a um fluxo de nêutrons no reator nuclear TRIGA do CDTN/CNENPara marcação da fase líquida foi utilizado o radioisótopo 56Mn na forma de um sal (MnCl2) diluído em água. Para a fase sólida, uma alíquota do próprio minério processado foi irradiada no reator. Os radioisótopos 140La e 153Sm foram os principais emissores gama detectados no minério ativado.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The present study aims at developing a partition radiotracer potentially useful for estimating the amount of oil present in the matrix rock, aiming at the evaluation of the Residual Oil Saturation (SOR) in oilfields, provided that the partition coefficient has been previously measured. The radon isotope 222Rn has been chosen as the partition tracer due to two main reasons: 1. it is generated at somewhat different rates in all oil reservoirs since the rocks into which they are imbedded contain some amount of its parents, uranium and thorium; 2. the methods for measuring its concentration in water, using different detection procedures, radon isotope 222Rn are well established since long. Measurement of 222Rn in water matrices have been carried in several samples from different origins: drinking water, underground water, and production water. The sampling sites were distributed between the Belo Horizonte and Nova Lima municipalities, and the assarongongo oilfield in the State of Bahia. For the specific activity measurement the Lucas cell (a radon detection system based on the scintillation caused by the emitted alpha particles) has been utilized. Tests have been carried with the isotope 222Rn, as a radiotracer. Hence, the partition coefficient (Kp) has been determined in laboratory tests, both with petroleum and other organic species such as toluene, benzene, and octanol. In order to carry these measurements a system based on an instrumental methodology has been developed and implemented; the Flow Injection Analysis (FIA). The testes have been run at a constant flowrate but the residence time and temperature has been varied. The results show that such variations in the residence time and temperature can significantly alter the partition coefficient values, and consequently the SOR. The results thus obtained point to the feasibility of the natural partition radiotracer method, based on the 222Rn isotope, for the measurement of the remaining in the reservoir would require a larger number of samples than the one used in this work. Some recommendations are advanced for future work, dealing with both analytical and field work 222Rn methodologies. / Neste trabalho foram realizados testes utilizando o radioisótopo 222Rn do radônio, como traçador radioativo potencialmente capaz de quantificar o óleo presente na rocha, com vistas a estimar a Saturação de Óleo Residual (SOR) em campos de produção de petróleo, quando já determinados o seu coeficiente de partição. Optou-se pelo uso do radioisótopo 222Rn do radônio, para ser usado como traçador de partição por duas razões principais: 1. é gerado em maiores ou menores taxas em todos os reservatórios, posto que as rochas do mesmo sempre contêm alguma quantidade de seus precursores: o urânio e o tório; 2. os métodos para a medição de sua concentração em água já estão bem desenvolvidos desde há muito tempo para diferentes tipos de detectores. As análises de 222Rn em água foram efetuadas em diferentes matrizes, tais como água de abastecimento, águas subterrâneas e águas de poços de produção. As áreas de estudo se concentraram nas cidades de Belo Horizonte, Nova Lima e no campo de produção de petróleo de Cassarongongo (estado da Bahia). Para determinação da sua Atividade Específica utilizou-se a célula de Lucas (sistema de detecção de radônio por cintilação de partículas alfa emitidas). O coeficiente de partição (Kp) foi determinado através de testes de laboratório e foram realizados tanto em fases água e petróleo, como água e outros compostos orgânicos específicos tais como tolueno, benzeno e octanol. Para tais medições foi desenvolvido e implementado um sistema baseado em um método de análise química instrumental: a Análise por Injeção em Fluxo (FIA). Os testes foram realizados à vazão fixa e com diferentes tempos de residência e temperaturas. Os resultados mostraram que variações no tempo de residência e na temperatura podem afetar significativamente os valores de coeficiente de partição e como conseqüência a SOR. Através deste trabalho foi possível indicar a viabilidade do método do traçador de partição natural, o 222Rn, para a quantificação da SOR, embora o número de amostras medidas neste trabalho não tenha sido suficientes para uma determinação precisa da quantidade de óleo em reservatórios. Algumas recomendações tanto sobre as metodologias analíticas como de campo foram também apresentadas.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The purpose of the present work is to develop an analytical methodology for the determination of 222Rn in surface water and in groundwater that will make possible the use of this radionuclide as a natural tracer in oil reservoirs. In secondary (or attended) oil recovery processes in oil fields, there is a necessity of developing new methods for labeling compounds that can act as tracers that can be used to obtain information on the performance of those procedures, aiming at their optimization. One other option that requires further tests is the utilization of naturally occurring radionuclides as radiotracers for this same purpose. The radioisotope 222Rn has been chosen for use as a tracer because it is an alpha emitter that is naturally produced in the reservoir rocks system and becomes partitioned in a well-defined proportion between the water and oil phases of the reservoir. The methodology that will be used for the quantification of the radon is based on the Liquid Scintillation Spectrometry (LSC) technique. This technique is one of the most sensitive methods of radiation counting, and the most used one for determining and quantifying alpha and beta radiation. The analyses of the standards and samples were carried using two distinct cocktail types: water miscible and immiscible, namely Ultima GoldTM AB and OptiscintTM cocktails, respectively. The efficiencies for each cocktail has been calculated, and this pointed to which cocktail performed better (in terms of better a/b separation and less interference). In this investigation a Liquid Scintillation Spectrometer Quantulus 1220 (Perkin Elmer) is used, provided with a pulse shape analyzer (PSA) that allows separate counting of a and b emissions. Care was taken during sample collection in order to minimize radon losses. For calibration of the Quantulus 1220 spectrometer, a 226Ra standard solution (SRM 4967A - NIST) with an activity of 2482 Bq g−1 was used. The effect of quenching and the interferences due to other radionuclides in the measurement have also been studied. Radon analyses were been performed both in surface water and groundwater. The samples were collected at the CDTN/CNEN premises, sited within the urban region in Belo Horizonte. / A proposta deste trabalho foi desenvolver uma metodologia analítica para determinação de 222Rn em água de abastecimento público e subterrânea, visando futuramente sua utilização em campos de produção de petróleo. Na produção secundária (ou assistida) do petróleo há a necessidade do desenvolvimento de novas técnicas e compostos que possam atuar como traçadores, visando maximizar a produção. O radioisótopo 222Rn foi escolhido para ser utilizado como traçador, por ser um emissor a natural, estar presente no sistema e particionar em proporções bem definidas entre as fases aquosa e oleosa. A metodologia empregada para a quantificação do radônio baseou-se na técnica de Espectrometria de Cintilação em Líquido (LSC ). Esta técnica é um dos métodos de contagem mais sensíveis, amplamente utilizado para detecção e quantificação das radiações alfa e beta. As análises dos padrões e amostras foram realizadas utilizando dois coquetéis distintos: Ultima GoldTM AB, miscível em água e OptiscintTM, imiscível em água. As eficiências para cada coquetel foram calculadas, determinando qual coquetel apresenta melhor performance (melhor separação a/b e menor interferência). O desenvolvimento deste trabalho utilizou o Espectrômetro Quantulus 1220 (Perkin Elmer), o qual possui um analisador de forma de pulso (PSA) que permite a separação de emissões alfa e beta. As coletas das amostras foram otimizadas visando minimizar a perda de 222Rn. Para calibração do espectrômetro Quantulus 1220, foi utilizado um padrão de 226Ra (SRM 4967A - NIST) com atividade de 2482 Bq g−1. Os efeitos de "quench"e possíveis interferências devido à outros radionuclídeos, no processo de extração, foram estudados. As análises de radônio foram realizadas em águas de abastecimento público e subterrânea. As coletas foram realizadas em Belo Horizonte, nas dependências do CDTN/CNEN.

Nenhuma / O decaimento radioativo beta (ß-) do 87Rb para o 87Sr é um importante sistema isotópico que tem sido amplamente aplicado para propostas geocronológicas, em identificação de sistemas de água subterrânea, interação entre aquíferos e como traçador para os processos de recuperação secundária em plataforma de petróleo via injeção da água do mar. A razão 87Sr/86Sr presente na água do mar é constante no mundo, enquanto águas de formação em reservatórios de hidrocarbonetos tem vários valores e em muitos casos é maior que a água do mar atual. Isto pode ser a base para um traçador natural apontando para a avaliação do desempenho dos processos de injeção da água do mar pela avaliação da razão 87Sr/86Sr e o conteúdo total de Sr da água de formação no reservatório antes da injeção, seguido pelo monitoramento desse valores na água de produção via espectrometria de massa. Este estudo propôs avaliar a utilização de um espectrômetro de massa com plasma indutivamente acoplado (ICP-MS) e sistema de quadrupolo, em função de sua mais disseminada disponibilidade. Para tanto foram coletadas amostras de água de reservatório de petróleo e de água subterrânea para medir seus conteúdos de Sr e a suas respectivas razões 87Sr/86Sr. Após o pré-tratamento das amostras, as soluções foram submetidas a uma etapa de separação do Rb e Sr por troca iônica para evitar interferência isobárica na determinação da razão isotópica do estrôncio. Para avaliar o método de separação, foram usadas a resina convencional Dowex AG50WX8-400 e colunas comercias pré-empacotadas com a resina Sr-spec. O espectrômetro de massa utilizado foi um equipamento Perkin-Elmer ELAN DRC-e. A precisão requerida para esse propósito de utilização da razão 87Sr/86Sr como traçador natural para a detecção do breakthrough da água de injeção nos poços de produção de reservatórios de petróleo uma informação tão somente qualitativa, conquanto altamente valiosa para a gerência da produção do reservatório - não requer necessariamente uma alta precisão. Desta maneira, o estudo verificou a capacidade do ICP-MS com sistema de quadrupolo para medir a razão 87Sr/86Sr nas águas de reservatórios e subterrâneas com menores desvios padrões possíveis. Os resultados deste trabalho sugerem que a razão 87Sr/86Sr é uma promissora ferramenta como traçador natural em reservatórios de petróleo e sistemas de água subterrânea. / The radioactive beta (ß-) decay of 87Rb to 87Sr is an important isotope system that has been widely applied for geochronological purposes and in identifying ground water sources, aquifer interactions and as a tracer for a secondary recovery process in offshore oilfields via seawater injection. The 87Sr/86Sr ratio of present-day seawater is constant worldwide, while formation waters in hydrocarbon reservoirs have diverse values that are in most cases higher than those of modern seawater. This can be the basis for a natural tracer technique aiming at evaluating the performance of seawater injection processes in enhanced oil recovery by evaluating the 87Sr/86Sr ratio and the total Sr content of formation waters in the reservoir prior to injection, followed by monitoring these values in the produced water as injection proceeds. The objective of this study was to evaluate the feasibility of using a inductively coupled plasma mass spectrometer (ICP-MS) with a quadrupole system for this purpose, due to the widespread availability of this class of MS equipment. Accordingly samples of water from oilfield reservoirs and from groundwater were collected for measurement of the Sr content and of the 87Sr/86Sr ratio. Following sample pre-treatment and prior to isotope ratio mesurements, the solutions were submitted to Rb and Sr separation via cation-exchange to overcome isobaric interferences in the determination of strontium isotope ratios. Aiming at evaluating this method of separation, both the conventional Dowex AG50WX8-400 cation-exchange resin and commercial pre-packed columns filled with Sr resin were chosen. A Perkin-Elmer ELAN DRC-e spectrometer has been used for the measurements. The tests were performed using the Sr isotopic standard reference material NIST SRM 987 and external correction for mass discrimination. This work describes the methodology that was be used for the determination of variations in the isotopic composition of Sr in the water of reservoir and groundwater and presents the results obtained by determination of the 87Sr/86Sr. The precision required for using this ratio as a natural tracer for the detection of the injection water breakthrough at the production wells in oil reservoirs a fundamentally qualitative information, although a quite valuable one in oil reservoir management does not necessarily require high precision. Hence the study checked the applicability of the quadrupole based ICP-MS measurement the 87Sr/86Sr ratio in the water of reservoir and groundwater with the lowest achievable standards deviations. The results this study suggest that the 87Sr/86Sr ratio is a promising tool in oilfield reservoir and groundwater systems.

Estudos de novos sistemas de tratamento de águas residuais vêm crescendo mundialmente. Os esforços para avançar e aprofundar os conhecimentos sobre os processos de eliminação de impurezas da água em seu estado bruto natural, bem como para otimizar tecnológica e economicamente as operações envolvidas, são uma resposta ao desafio, cada vez mais premente, de proporcionar às populações urbanas e rurais a utilização em quantidades e qualidade adequadas deste recurso fundamental para a vida no planeta. Dentre os vários tipos de processos para a depuração das águas servidas, este estudo enfoca aspectos físicos dos sistemas conhecidos como wetlands e de uma determinada modalidade de reator biológico anaeróbio. Os sistemas conhecidos como wetlands, que são um aperfeiçoamento mais controlado de processos que existem na natureza, têm um papel de destaque na eliminação de impurezas transportadas por efluentes. Os reatores biológicos contemplados neste estudo são do tipo anaeróbio de fluxo ascendente, mais conhecidos pela sigla UASB correspondente às iniciais de sua designação em inglês (upflow anaerobic sludge blanket), que estão sendo cada vez mais utilizados para tratamento de efluentes urbanos. Eventualmente seus efluentes necessitam de tratamento posterior que será realizado nas wetlands. Todo processo tecnológico demanda constante aperfeiçoamento de seu desempenho. As melhorias são propostas com base na observação e avaliação do desempenho, dos sistemas de tratamento de água, que têm componentes físicoquímicas, biológicas e hidráulicas. O desempenho hidrodinâmico do reator (UASB) e da wetland plantada foram o objeto desse estudo. O objetivo foi utilizar a metodologia dos traçadores conjugada com as técnicas de análise de respostas a impulsos em sistemas. Foram empregados traçadores radioativos (bromo, tecnécio e trítio) e ativáveis (DOTAIn, DOTA-Eu, DTPA-In, DTPA-La, DTPA-Sm e DTPA-Eu) e seus resultados tratados e analisados por softwares apropriados. Os resultados indicaram que os traçadores ativáveis testados têm potencial para serem utilizados nos sistemas hidráulicos naturais ou artificiais. Palavras-chave: tratamento de águas residuárias, wetland, reator UASB, traçadores ativáveis. / Research and development of novel spent water treatment processes are increasing worldwide. A large amount of effort is directed towards the advancement and deepening of the knowledge concerning elimination of water contaminants, as well as optimization of the processes required to that end, both from the technological and the economic viewpoints. Such activities aim to meet the increasingly challenging need of providing water in large quantities and adequate qualities to urban and rural communities. Among the several processes presently available for the treatment of natural water resources, and especially for treatment of wastewater, the present study focused on systems known as wetlands and a special concept of biological reactor. It focuses in the selection of tracer techniques aiming at the observation and evaluation of the performances of such systems. Treatment in wetland systems constitute a reproduction at a more controlled level, of processes occurring in nature. They play an outstanding role in eliminating effluent-borne impurities and contaminants. The biological reactors assessed in this study are of the anaerobic type with upward internal flow. These are better known as UASB reactors, an acronym for upflow anaerobic sludge blanket, and are being increasingly employed in processing urban wastewater. Nonetheless, their effluent may eventually require a further polishing, which can achieved by flushing them through a wetland system. The performance of any technological process requires a continuous improvement. This improvement is based on the observation, measurement and evaluation of the state of art of the process. In the present study tracer techniques have been coupled with system impulse-response analysis methods. A novel kind of tracer, the activable tracer, was tested and assessed by comparison with radiotracer performance. The results obtained with both activable and radioactive tracers have been processed and analyzed by appropriate software.