11 estudo da anodização da liga de alumínio 6063

VOL. 03, N° 03 - DEZEMBRO, 2015
http://dx.doi.org/10.18010/sp.v3i3.2
ARTIGO CIENTÍFICO
ESTUDO DA ANODIZAÇÃO DA LIGA DE ALUMÍNIO
6063 UTILIZANDO A BACTÉRIA BACILLUS CEREUS
Josué Hoffmeister de Azevedo, Matheus Luís da Cruz, Wagner Scheeren Brum, William Lopes e Carla Kereski Ruschel
Fundação Escola Técnica Liberato Salzano Vieira da Cunha. Rua Inconfidentes nº 395.
Novo Hamburgo - RS, Brasil.
Resumo: A anodização do alumínio é um processo realizado com o propósito de tornar o material mais resistente
à abrasão e à corrosão, através da formação de uma camada de óxido de alumínio sobre o metal. Esse processo
gera uma grande quantidade de resíduo na forma de lodo, composto principalmente por água, hidróxido de alumínio e ácido sulfúrico degradado, que deve ser tratado e depositado em aterros industriais controlados, o que
torna o descarte dispendioso e poluente. O objetivo do projeto é diminuir a quantidade de resíduo de anodização
utilizando um método alternativo de anodização da liga de alumínio 6063, através da utilização da bactéria Bacillus
cereus, uma vez que foi relatada como agente estimulante da corrosão de ligas de alumínio 2024. O ensaio foi
realizado aplicando corrente elétrica de 5 mA em microplacas que continham meio nutritivo, B. cereus, ânodo e
cátodo em diferentes tempos. Após o término dos ensaios com a aplicação de corrente, os corpos de prova foram
analisados em microscópio óptico com magnificação de 100x e com microscópio eletrônico de varredura. A análise
com microscópio óptico apresentou alteração no aspecto das peças similar à alteração promovida pelo método
padrão de anodização. As peças analisadas com microscópio eletrônico de varredura apresentaram a formação de
uma camada de óxido de alumínio similar à camada formada em decorrência do método de anodização padrão
documentado na literatura, indicando o potencial de desenvolvimento de um processo biotecnológico alternativo
de anodização de ligas de alumínio, a partir do método proposto neste trabalho.
Palavras-chaves: Alumínio; Anodização; Liga 6063; Bacillus cereus.
Abstract: Aluminum anodization is a process used to make this material more resistant to corrosion and abrasion,
forming an uniform oxide layer on the metal surface. This process generates a large amount of waste in the form
of sludge, composed mainly by water, aluminium oxide and degraded sulphuric acid, that must be treated and
deposited in controlled landfills, which turns its disposal expensive. This study aims to decrease the amount of
anodization sludge applying an alternative method of anodizing aluminum alloy 6063 by using Bacillus cereus bacteria, since it was reported as an aluminium alloy 2024 enhancing agent. The experiment was conducted applying 5
mA electrical current to microtiter plates contining nutrient medium, B. cereus, anode and cathode in different time
periods. After the experiment, the specimens were analysed with an optical microscope with a 100x magnification
and with scanning electron microscope. The optical microscope analysis pointed surface changes to the specimen
similar to those promoted by the conventional anodizing method. The scanning electron microscope analysis revealed the formation of an aluminium oxide layer similar to the one observed on surfaces anodized with the conventional method as referred in the literature, confirming the potential development of an alternative anodizing
biotechnological process based on the technique proposed in this work.
Keywords: Aluminium; Anodization; Alloy 6063; Bacillus cereus.
11
Estudo da anodização da liga de alumínio 6063 utilizando a bactéria Bacillus cereus
1 INTRODUÇÃO
A anodização do alumínio é um processo de formação
de camada de óxido na superfície do metal, que objetiva
protegê-lo contra a abrasão e corrosão. O processo realizado pelas empresas utiliza ácido sulfúrico e hidróxido
de sódio, além de uma quantidade significativa de água,
para que, através de uma reação de eletrólise, uma camada de óxido de alumínio uniforme seja depositada sobre
o metal [5]. No entanto, esse método resulta na geração
de uma grande quantidade de lodo de anodização, que é
constituído por óxidos metálicos e tem alto potencial poluidor.
O lodo é composto principalmente por água, hidróxido
de alumínio e alumínio dissolvido, além de outras substâncias como sódio, sulfato, sílica, níquel e cálcio, decorrentes
de impurezas e outras etapas do processo. Quando esse
é descartado de forma inapropriada, se torna um grande
problema ambiental, visto que os íons metálicos em alta
concentração representam uma ameaça não só ao ecossistema aquático e ao solo, como também, se consumidos de forma indireta, aos seres humanos. O tratamento
ideal deste resíduo é constituído pela neutralização do
pH do lodo, seguida pela floculação, sedimentação, que
gera o efluente líquido tratado, e, por fim, da filtração, que
gera o lodo concentrado. A execução destas etapas demanda a implementação de uma estação de tratamento
de efluente nas empresas de anodização, para minimizar
o impacto ambiental [3].
Para atingir as metas de um desenvolvimento sustentável, é indispensável o manejo racional dos recursos
naturais, utilizando diferentes tecnologias. Entre essas
tecnologias está a biotecnologia, que vem sendo um dos
melhores mecanismos para o tratamento de resíduos
(biorremediação), produção de alimentos, geração de
energia e prevenção de poluição ambiental [9].
Atualmente verifica-se uma quantidade muito grande
de pesquisas relacionadas à inibição biocorrosão associadas a biofilmes – colônia de células aderidas a uma superfície, geralmente metálica, e revestidas por uma matriz
exopolissacarídica (em maturação) [8]. Além disso, a espécie de bactéria Bacillus cereus foi documentada como um
fator do processo oxidativo do alumínio em ligas 2024 em
tanques de aviões [7].
Dado o exposto, neste projeto busca-se não a inibição
da oxidação metálica influenciada por microrganismos,
mas o estudo da utilização desse mecanismo como um
método alternativo de anodização do alumínio em ligas
6063 utilizando a bactéria Bacillus cereus a fim de promover uma redução da produção de lodo de anodização.
dências da Fundação Escola Técnica Liberato Salzano
Vieira da Cunha, com exceção da análise de microscopia
eletrônica de varredura (MEV), que foi realizada na Universidade Federal do Rio Grande do Sul. As peças de liga de
alumínio 6063 foram adquiridas junto à AlCOA - Tubarão/
SC.
2 MATERIAIS E MÉTODOS
2.6 Ensaio microbiológico com corrente elétrica
Em microplacas estéreis de 12 poços, foram distribui-
A metodologia da pesquisa foi executada nas depen-
12
2.1 Cultivo do microrganismo
A bactéria Bacillus cereus foi adquirida em forma de endósporos, contidos no medicamento Biovicerin. A suspensão
foi cultivada em placas de Petri contendo meio triptona
de soja (TSB) e realizou-se um teste de coloração de Gram
para confirmar o isolamento do microrganismo.
2.2 Preparo dos corpos de prova
Antes dos ensaios de anodização realizou-se um pré-tratamento dos corpos de prova através das etapas de
decapagem com lixa, desengraxe com acetona e fosqueamento com NaOH 10% p/v.
2.3 Ensaio padrão de anodização
Primeiramente, foi realizado um ensaio padrão de anodização, utilizando as mesmas condições verificadas na
indústria - eletrólito de H2SO4 3,5 mol.L-1 e densidade de
corrente de 1,6 A.dm-2 -, para obter-se um parâmetro das
modificações superficiais das peças de alumínio após a
anodização.
2.4 Preparo do microrganismo
A preparação dos microrganismos para os ensaios
de anodização microbiológica consistiu em preparação
de um inóculo overnight em caldo TSB a partir de uma
colônia pura. O inóculo foi diluído com água estéril até a
densidade óptica (OD) da diluição a 625 nm estar na faixa
de 0,08 e 0,10, mesma faixa do padrão McFarland 0,5, que
indica concentração de células de 1,5.108 UFC/mL [1]. Este
processo foi realizado individualmente para o preparo de
cada ensaio de anodização.
2.5 Ensaio microbiológico sem corrente elétrica
Foi realizado um ensaio utilizando uma concentração
celular de 106 UFC.mL-1 de B. cereus em dois meios nutritivos diferentes, contendo glicose para estimular a produção da enzima desidrogenase - fator contribuinte para a
anodização, pois polariza o ânodo, por catalizar a reação
de evolução do hidrogênio [6] -, e um corpo de prova de
alumínio, sob agitação de 120 rpm, em períodos de 4, 6, 9
e 13 dias, com o propósito de verificar a ação bacteriana
sobre o metal.
Estudo da anodização da liga de alumínio 6063 utilizando a bactéria Bacillus cereus
dos, individualmente, o meio nutriente, concentração celular de 3,5.106 UFC.mL-1 de B. cereus e os corpos de prova,
conectados num circuito elétrico sob corrente de 5 mA.
A presença de eletricidade foi utilizada para favorecer a
atração dos microrganismos ao corpo de prova (polo positivo), uma vez que bactérias Gram positivas possuem
caráter majoritariamente negativo, devido à presença de
ácido teicóico na parede celular [11]. Neste ensaio variou-se os tempos de aplicação de corrente em 30 min, 1 e 2
h, conforme indica a figura 1.
absorvância média dos três poços contendo o meio estéril (controle negativo).
3 RESULTADOS E DISCUSSÕES
3.1 Isolamento do microrganismo
A análise de coloração de Gram de uma colônia isolada
obtida a partir da inoculação de uma suspensão de endósporos do medicamento Biovicerin indicou células isoladas, Gram positivas e em forma de bacilo, carctéristicas
da espécie Bacillus cereus.
Figura 1: Esquema de anodização em microplaca
Após a finalização deste ensaio foi realizada a verificação da viabilidade celular dos microrganismos nas suspensões em que se aplicou corrente elétrica.
Figura 2: Coloração de Gram
2.7 Análise dos corpos de prova
Após a realização dos ensaios, os corpos de prova foram submetidos a uma temperatura de 100 °C durante
15 min, processo denomidado selagem, pelo qual ocorre
o fechamento dos poros da estrutura hexagonal de óxido
de alumínio superficial.
Em seguida, os corpos de prova foram analisados em
microscópio óptico e de varredura eletrônica (MEV), pelo
qual pôde-se observar as modificações superficiais dos
metais após a anodização.
2.8 Ensaio de formação e quantificação de biofilme
Com o objetivo de verificar se a linhagem de B. cereus
utilizada é formadora de biofilme, realizou-se um ensaio
utilizando uma suspensão de B. cereus de 0,15 OD (600
nm), distribuidos numa microplaca e cultivados overnight,
assim como o caldo estéril para controle negativo. Após
isso, a placa foi incubada a 35ºC por 24h. Então se realizou
a lavagem salina dos poços e a coloração com cristal-violeta. Em seguida removeu-se o sobrenadante e os poços
foram lavados novamente. Após isso adicionou-se uma
solução de dimetilsulfóxido, solubilizando o cristal-violeta
retido no biofilme. Finalmente, o conteúdo dos poços foi
analisado em espectrofotômetro em 570 nm.
Para a classificação da intensidade de formação de
biofilme da linhagem de B. cereus utilizada neste trabalho,
utilizou-se o critério de Stepanovic [10], no qual a ODBC foi
calculada a partir da média das absorvâncias de três poços, e este valor foi comparado à ODCN, obtida através da
3.2 Ensaio microbiológico sem corrente elétrica
Os corpos de prova tiveram sua massa medida antes e
após a finalização de cada período de ensaio. A variação,
em percentual, é indicada na tabela 1, que possui os números 1 e 2 sendo os ensaios com o meio TSB e 3 e 4 com
o meio B, sendo 1 e 3 os controles negativos do ensaio.
Tabela 1: Variação mássica após 4, 6, 9 e 13 dias
Amostra
após
m
4 dias
(%)
após
m
6 dias
(%)
após
m
9 dias
(%)
após
m
13 dias
(%)
1A
0.29
-0.22
-0.11
-0.06
1B
0.23
0.16
0.06
0.27
2A
0.056
0.11
0.27
0.06
2B
0.11
0
0.11
0.23
3A
-0.45
-0.16
0.17
0
3B
-0.16
0
-0.11
0.16
4A
0.33
0.43
0.34
-0.11
4B
0.11
0.11
0
0.06
A variação de massa observada nos diferentes tempos de ensaios foi de magnitude muito pequena e heterogênea quanto ao sinal. Os corpos de prova dos tubos
que continham microrganismo (tubos 2 e 4) não tiveram
13
Estudo da anodização da liga de alumínio 6063 utilizando a bactéria Bacillus cereus
uma variação de massa de magnitude significante, o que
indica, uma vez que foi confirmado por Rajasekar [7] a
capacidade da bactéria Bacillus cereus oxidar superfícies
de alumínio, que o microrganismo não teve ação corrosiva destrutiva sobre a peça nos períodos de 4, 6, 9 e 13
dias. Tendo em vista que a alteração visada no processo
de anodização é superficial, uma perda de massa elevada
poderia estar associada à degradação da peça.
3.3 Ensaio microbiológico com corrente elétrica
Os corpos de prova foram analisados antes e depois
(Figura 4) dos ensaios microbiológicos com aplicação de
corrente elétrica em microscópio óptico com magnificação de 100x. As imagens foram obtidas a partir de análises do corpo de prova considerado com melhor aspecto
visual, este que passou pelo ensaio microbiológico com B.
cereus com corrente elétrica por 1 h em meio TSB.
Figura 5: MEV
Na análise de microscopia eletrônica de varredura observou-se uma estrutura aderida à superfície metálica
(Figura 5). A formação de óxido de alumínio sobre superfícies anodizadas em estruturas como a observada na figura 5 foi documentada na literatura por Banu [2], como
evidenciado na figura 6.
Figura 3: Micrografia de antes e após o ensaio microbiológico
Analisando a micrografia do corpo de prova antes e
depois do ensaio microbiológico, pode-se observar que a
peça escureceu e que houve uma diminuição no padrão
de ranhuras observadas na superfície, possivelmente justificada pela formação de óxido de alumínio.
Comparando as micrografias obtidas através do método padrão às obtidas com o método microbiológico, observa-se, conforme demonstra a figura 4, que houve uma
diminuição nas ranhuras e que a superfície também escureceu, de modo que a alteração observada na superfície
anodizada com o método padrão é similar à alteração observada após o ensaio microbiológico com aplicação de
corrente elétrica (Figura 3), sugerindo a possibilidade do
revestimento com óxido de alumínio.
Figura 4: Micrografia antes e após a anodização
14
Figura 6: MEV de alumínio anodizado convencionalmente (esquerda) e alumínio anodizado microbiologicamente (direita)
Quanto à verificação da viabilidade celular, foi observado que as células permanceream viáveis, indicando uma
possibilidade da reutilização dos microrganismos no preparo e execução de novos ensaios em etapas cíclicas.
3.4 Ensaio de formação e quantificação do biofilme
Os valores obtidos para ODBC foi de 0,527 e para ODCN
foi de 0,039. Verificou-se que, de acordo com o critério de
Stepanovic et al [10], a linhagem de Bacillus cereus utilizada neste trabalho é altamente formadora de biofilme,
classificação estabelecida pela relação 4.ODCN<ODBC. Esta
análise permite um melhor entendimento da interação
entre bactéria e superfície metálica. Já que se trata de
uma bactéria formadora de biofilme, é possível que essa
estrutura tenha se formado na superfície dos corpos de
prova de alumínio, induzindo a oxidação do metal, uma
vez que a produção da matriz exopolissacarídica foi documentada como fator contribuinte para a polarização
formada devido ao gradiente de oxigênio entre o meio
interno e externo desse biopolímero [4].
Estudo da anodização da liga de alumínio 6063 utilizando a bactéria Bacillus cereus
4 CONCLUSÃO
A busca por tecnologias limpas e que minimizem o impacto gerado pelas indústrias é uma tendência mundial e
necessária para redução das contaminações ambientais
e prevenção dos perigosos descartes residuais industriais
recorrentes. Dessa maneira, investir nessa área nova e
inexplorada pode significar o início de uma revolução no
segmento de anodização metálica.
A partir dos resultados obtidos pôde concluir-se que a
hipótese de formação de uma camada de óxido promovida pela aplicação de corrente elétrica juntamente com
B. cereus é possível, uma vez que a formação de óxido de
alumínio em estrutura como a observada na análise do
corpo de prova submetido ao ensaio microbiológico está
descrita na literatura. As análises em microscópio óptico e
microscópio eletrônico de varredura indicaram a possibilidade de que a bactéria Bacillus cereus, sob aplicação de
corrente elétrica de 5 mA em meio TSB durante 1h, foi capaz de promover a anodização em liga de alumínio 6063.
Desta forma, diminui-se a quantidade de energia elétrica
necessária para a anodização, assim como a quantidade
do lodo de anodização gerado. Verificou-se também que
este processo possui a vantagem de ser renovável, visto
que as células dos microrganismos se mantiveram viáveis
após a aplicação da corrente elétrica de 5 mA.
A análise da formação e quantificação de biofilme da
linhagem de Bacillus cereus utilizada indica que essa bactéria possui a capacidade de gerar uma matriz exopolissacarídica, que provavelmente influencia no processo
oxidativo na superfície do alumínio no processo de anodização alternativo.
Considerando etapas posteriores, ainda se tornam necessárias pesquisas posteriores que visem a ampliação
das variáveis, a fim de aperfeiçoar o processo de anodização utilizando células bacterianas.
strucute, function, and antimicrobial resistance. Endodontic
Topics, Nova Jérsei, NJ, 2012, v. 22, pág. 2-16.
[5] GENTIL, Vicente. Corrosão. 4ª edição. Rio de Janeiro: LTC,
2003. p. 239-240.
[6] LIENGEN, T.; BEECH, I.; BASSEGUY, R.; FERON, D. Understanding Biocorrosion. 1ª edição. Cambridge: Woodhead Publishing, 2014. 446 p.
[7] RAJASEKAR, A.; TING, Y. Inhibition of biocorrosion aluminum 2024 aeronautical alloy by conductive ladder polymer
poly(o-phenylenediamine). I&EC Research, v. 50, p. 2040-2046,
2011.
[8] SAUER, K. Pseudomonas aeruginosa displays multiple
phenotypes during development as a biofilm. Journal of Bacteriology, American Society for Microbiology, Washington DC,
EUA, v. 184, p. 1140-1154, 2002.
[9] SCHENBERG, A. Biotecnologia e desenvolvimento sustentável. Revista Estudos Avançados, São Paulo, SP, v. 70, 2010.
[10] STEPANOVIC, S.; VUKOVIC, D.; HOLA, V.; DI BONAVENTURA,
G.; DJUKIC, S.; CIRKOVIC, I.; RUZICKA, F. Quantification of biofilm in microtiter plates: an overview of testing conditions
and practical recommendations for assessment of biofilm
production by staphylococci. Acta Pathologica, Microbiologica et Immunologica Scandinavica, Nova Jérsei, NJ, EUA, v.
387, pág. 399-408, 2007.
[11] SILHAVY, T.; KAHNE, D.; WALKER, S. The bacterial cell envelope. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, Cold Spring
Harbor, EUA, 2010
REFERÊNCIAS
[1] ANVISA, Agência Nacional de Vigilância Sanitária. Controle
Interno da Qualidade para Testes de Sensibilidade e Antimicrobianos, 2006.
[2] BANU, M. S. Studies on corrosion behaviour of various
surface treated aluminium. Periyar University, Tamil Nadu, India, 2012.
[3] CARVALHO, M. Estudo de reaproveitamento dos resíduos da indústria de anodização do alumínio para fabricação
de isoladores elétricos de alta tensão. Universidade Federal
de Pernambuco, Recife, PE, 2010.
[4] DUFOUR, D.; LEUNG, V., LÉVESQUE, C. Bacterial biofilm:
15