Novos modelos para cálculo de energia livre de solvatação em simulações de dinâmica molecular

Combinando métodos computacionais da eletrostática e dinâmica molecular, este trabalho teve como objetivo descrever processos de solvatação em sistemas quimicamente importantes. Foram obtidas propriedades termodinâmicas necessárias para o entendimento do processo de solvatação. Estão descritos e testados modelos para descrever a interação soluto-solvente, possibilitando, assim, aprimorar a descrição físico-química dos processos de solvatação. Utilizaram-se programas desenvolvidos em nosso grupo e programas comerciais que permitem os cálculos de dinâmica molecular e química quântica. Uma nova abordagem para o cálculo de energia livre de solvatação foi desenvolvida proporcionando a obtenção acurada e eficiente dessa propriedade, dentro do enfoque da dinâmica molecular. Nessa nova abordagem, novas metodologias para a geração de cavidades moleculares foram propostas e avaliadas. As energias livres de solvatação obtidas estão em boa concordância com os valores experimentais.

Análise global da estabilidade termodinâmica de misturas: um estudo com o método do conjunto gerador

O cálculo do equilíbrio de fases é um problema de grande importância em processos da engenharia, como, por exemplo, na separação por destilação, em processos de extração e simulação da recuperação terciária de petróleo, entre outros. Mas para resolvê-lo é aconselhável que se estude a priori a estabilidade termodinâmica do sistema, a qual consiste em determinar se uma dada mistura se apresenta em uma ou mais fases. Tal problema pode ser abordado como um problema de otimização, conhecido como a minimização da função distância do plano tangente à energia livre de Gibbs molar, onde modelos termodinâmicos, de natureza não convexa e não linear, são utilizados para descrevê-lo. Esse fato tem motivado um grande interesse em técnicas de otimização robustas e eficientes para a resolução de problemas relacionados com a termodinâmica do equilíbrio de fases. Como tem sido ressaltado na literatura, para proporcionar uma completa predição do equilíbrio de fases, faz-se necessário não apenas a determinação do minimizador global da função objetivo do teste de estabilidade, mas também a obtenção de todos os seus pontos estacionários. Assim, o desenvolvimento de metodologias para essa tarefa desafiadora tem se tornado uma nova área de pesquisa da otimização global aplicada à termodinâmica do equilíbrio, com interesses comuns na engenharia química e na engenharia do petróleo. O foco do presente trabalho é uma nova metodologia para resolver o problema do teste de estabilidade. Para isso, usa-se o chamado método do conjunto gerador para realizar buscas do tipo local em uma rede de pontos previamente gerada por buscas globais efetuadas com uma metaheurística populacional, no caso o método do enxame de partículas.Para se obter mais de um ponto estacionário, minimizam-se funções de mérito polarizadas, cujos pólos são os pontos previamente encontrados. A metodologia proposta foi testada na análise de quatorze misturas polares previamente consideradas na literatura. Os resultados mostraram que o método proposto é robusto e eficiente a ponto de encontrar, além do minimizador global, todos os pontos estacionários apontados previamente na literatura, sendo também capaz de detectar, em duas misturas ternárias estudadas, pontos estacionários não obtidos pelo chamado método de análise intervalar, uma técnica confiável e muito difundida na literatura. A análise do teste de estabilidade pela simples utilização do método do enxame de partículas associado à técnica de polarização mencionada acima, para a obtenção de mais de um ponto estacionário (sem a busca local feita pelo método do conjunto gerador em uma dada rede de pontos), constitui outra metodologia para a resolução do problema de interesse. Essa utilização é uma novidade secundária deste trabalho. Tal metodologia simplificada exibiu também uma grande robustez, sendo capaz de encontrar todos os pontos estacionários pesquisados. No entanto, quando comparada com a abordagem mais geral proposta aqui, observou-se que tal simplificação pode, em alguns casos onde a função de mérito apresenta uma geometria mais complexa, consumir um tempo de máquina relativamente grande, dessa forma é menos eficiente.

Modelação molecular de associações entre aniões e receptores sintéticos

A aplicação de simulações de mecânica e dinâmica molecular ao estudo de sistemas supramoleculares tem adquirido, ao longo dos últimos anos, enorme relevância. A sua utilização não só tem levado a uma melhor compreensão dos mecanismos de formação desses mesmos sistemas, como também tem fornecido um meio para o desenvolvimento de novas arquitecturas supramoleculares. Nesta tese são descritos os trabalhos de mecânica e dinâmica molecular desenvolvidos no âmbito do estudo de associações supramoleculares entre aniões e receptores sintéticos do tipo [2]catenano, [2]rotaxano e pseudorotaxano. São ainda estudados complexos supramoleculares envolvendo receptores heteroditópicos do tipo calix[4]diquinona e pares iónicos formados por aniões halogeneto e catiões alcalinos e amónio. Os estudos aqui apresentados assentam essencialmente em duas vertentes: no estudo das propriedades dinâmicas em solução dos vários complexos supramoleculares considerados e no cálculo das energias livres de Gibbs de associação relativas dos vários iões aos receptores sintéticos. As metodologias utilizadas passaram por dinâmica molecular convencional e REMD (Replica Exchange Molecular Dynamics), para o estudo das propriedades em solução, e por cálculos de integração termodinâmica e MMPBSA (Molecular Mechanics – Poisson Boltzmann Surface Area), para a computação das energias livres de associação relativas. Os resultados obtidos, além de terem permitido uma visão mais detalhada dos mecanismos envolvidos no reconhecimento e associação dos vários receptores aos aniões e pares iónicos abordados, encontram-se, globalmente, de acordo com os análogos determinados experimentalmente, validando assim as metodologias empregadas. Em jeito de conclusão, investigou-se ainda a capacidade de um dos receptores heteroditópicos estudados para assistir favoravelmente na migração do par iónico KCl através da interface água-clorofórmio. Para tal, foram utilizadas simulações SMD (Steered Molecular Dynamics) para a computação do perfil de energia livre de Gibbs associada à migração do par iónico através da interface.

Reação de estado sólido em multicamadas de Fe-Zr

Filmes finos de Fe-Zr na geometria de multicamadas foram tratados termicamente variando-se a temperatura (350ºC e 500ºC) e o tempo de tratamento (10min a 72h). As fases formadas por Reação de Estado Sólido (RES) em multicamadas com três composições totais diferentes (Fe0.67Zr0.33, Fe0.50Zr0.50, Fe0.33Zr0.67) foram analisadas por espectroscopia de retroespalhamento de Rutherford, difratometria de raios-X e espectroscopia Mössbauer. Verificou-se que a primeira fase formada é sempre uma fase amorfa de composição aproximada 50%at Fe. A fração Mössbauer desta fase, em função do tempo de tratamento térmico a 350ºC, foi traçada para as três composições. Também foram identificadas as fases cristalinas Fe2Zr e FeZr3. A seqüência de fases formadas revelou depender da composição da multicamada como-depositada e também da temperatura de tratamento. O diagrama esquemático de Energia Livre de Gibbs foi proposto de forma a comportar os resultados experimentais. Um modelo de crescimento planar de fases reagidas na interface de pares de reação foi aplicado às condições do crescimento multifásico observadas no presente trabalho.

Dispersões sólidas de sinvastatina: preparação, caracterização, no estado sólido utilizando técnicas emergentes e estudo de estabilidade

This thesis aimed to assess the increase in solubility of simvastatin (SINV) with solid dispersions using techniques such as kneading (MA), co-solvent evaporation (ES), melting carrier (FC) and spray dryer (SD). Soluplus (SOL), PEG 6000 (PEG), PVP K-30 (PVP) e sodium lauryl sulphate (LSS) were used as carriers. The solid dispersions containing PEG [PEG-2(SD)], Soluplus [SOL-2(MA)] and sodium lauryl sulphate [LSS-2(ES)] were presented with a greater increase in solubility (5.02, 5.60 and 5.43 times respectively); analyses by ANOVA between the three groups did not present significant difference (p<0.05). In the phase solubility study, the calculation of the Gibbs free energy (ΔG) revealed that the spontaneity of solubilisation of SINV occurred in the order SOL>PEG >PVP 75%>LSS, always 80%. The phase diagrams of PEG and LSS presented solubilization stoichiometry of type 1:1 (type AL). The diagrams with PVP and SOL tend to 1:2 stoichiometry (type AL + AP). The stability coefficients (Ks) of the phase diagrams revealed that the most stable reactions occurred with LSS and PVP. The solid dispersions were characterized by Fourier transform infrared (FTIR), differential scanning calorimetry (DSC), scanning electron microscopy (SEM), particle size distribution (PSD), near-infrared spectroscopy imaging (NIR-CI) and X-ray diffraction of the powder using the Topas software (PDRX-TOPAS). The solid dispersion PEG-2(SD) presented the greatest homogeneity and the lowest degree of crystallinity (18.2%). The accelerated stability study revealed that the solid dispersions are less stable than SINV, with PEG-2(SD) being the least stable, confirmed by FTIR and DSC. The analyses by PDRX-TOPAS revealed the amorphous character of the dispersions and the mechanism of increasing solubility

Síntese e caracterização de aluminofosfato impregnado com molibdênio/zinco visando a dessulfurização por adsorção

Discussions about pollution caused by vehicles emission are old and have been developed along the years. The search for cleaner technologies and frequent weather alterations have been inducing industries and government organizations to impose limits much more rigorous to the contaminant content in fuels, which have an direct impact in atmospheric emissions. Nowadays, the quality of fuels, in relation to the sulfur content, is carried out through the process of hydrodesulfurization. Adsorption processes also represent an interesting alternative route to the removal of sulfur content. Both processes are simpler and operate to atmospheric temperatures and pressures. This work studies the synthesis and characterization of aluminophosphate impregnate with zinc, molybdenum or both, and its application in the sulfur removal from the gasoline through the adsorption process, using a pattern gasoline containing isooctane and thiophene. The adsorbents were characterized by x-ray diffraction, differential thermal analysis (DTG), x-ray fluorescence and scanning electron microscopy (SEM). The specific area, volume and pore diameter were determined by BET (Brunauer- Emmet-Teller) and the t-plot method. The sulfur was quantified by elementary analysis using ANTEK 9000 NS. The adsorption process was evaluated as function of the temperature variation and initial sulfur content through the adsorption isotherm and its thermodynamic parameters. The parameters of entropy (ΔS), enthalpy variation (ΔH) and free Gibbs energy (ΔG) were calculated through the graph ln(Kd) versus 1/T. Langmuir, Freundlich and Langmuir-Freundlich models were adjusted to the experimental data, and the last one had presented better results. The thermodynamic tests were accomplished in different temperatures, such as 30, 40 and 50ºC, where it was concluded the adsorption process is spontaneous and exothermic. The kinetic of adsorption was studied by 24 h and it showed that the capability adsorption to the adsorbents studied respect the following order: MoZnPO > MoPO > ZnPO > AlPO. The maximum adsorption capacity was 4.91 mg/g for MoZnPO with an adsorption efficiency of 49%.

Síntese e caracterização de tensoativos e estudo de equilíbrio de fase dos sistemas CnH2n+2/H2O/CnH2n+1COONa/But-OH

The growing utilization of surfactants in several different areas of industry has led to an increase on the studies involving solutions containing this type of molecules. Due to its amphiphilic nature, its molecule presents one polar part and one nonpolar end, which easily interacts with other molecules, being able to modify the media properties. When the concentration in which its monomers are saturated, the airliquid system interface is reached, causing a decrease in interfacial tension. The surfactants from pure fatty acids containing C8, C12 and C16 carbonic chains were synthesized in an alcoholic media using sodium hydroxide. They were characterized via thermal analysis (DTA and DTG) and via infrared spectroscopy, with the intention of observing their purity. Physical and chemical properties such as superficial tension, critical micelle concentration (c.m.c), surfactant excess on surface and Gibbs free energy of micellization were determined in order to understand the behaviour of these molecules with an aqueous media. Pseudo-ternary phase diagrams were obtained aiming to limit the Windsor equilibria conditions so it could be possible to understand how the surfactants carbonic chain size contributes to the microemulsion region. Solutions with known concentrations were prepared to study how the surfactants can influence the dynamic light scattering spectroscopy (DLS) and how the diffusion coefficient is influenced when the media concentration is altered. The results showed the variation on the chain size of the studied surfactant lipophilic part allows the conception of surfactants with similar interfacial properties, but dependent on the size of the lipophilic part of the surfactant. This variation causes the surfactant to have less tendency of microemulsionate oil in water. Another observed result is that the n-alcanes molecule size promoted a decrease on the microemulsion region on the obtained phase diagrams

Aplicação de sabões de ácidos graxos epoxidados como inibidores de corrosão em oleoduto

Corrosion usually occurs in pipelines, so that it is necessary to develop new surface treatments to control it. Surfactants have played an outstanding role in this field due to its capacity of adsorbing on metal surfaces, resulting in interfaces with structures that protect the metal at low surfactant concentrations. The appearance of new surfactants is a contribution to the area, as they increase the possibility of corrosion control at specific conditions that a particular oil field presents. The aim of this work is to synthesize the surfactants sodium 12 hydroxyocadecenoate (SAR), sodium 9,10-epoxy-12 hydroxyocadecanoate (SEAR), and sodium 9,10:12,13-diepoxy-octadecanoate (SEAL) and apply them as corrosion inhibitors, studying their action in environments with different salinities and at different temperatures. The conditions used in this work were chosen in order to reproduce oil field reality. The study of the micellization of these surfactants in the liquid-gas interface was carried out using surface tensiometry. It was observed that cmc increased as salt concentration was increased, and temperature and pH were decreased, while cmc decreased with the addition of two epoxy groups in the molecule. Using the values of cmc and the Gibbs equation, the values of Gibbs free energy of adsorption, area per adsorbed molecule, and surface excess were calculated. The surface excess increases as salt concentration and temperature decreases, increasing as pH is increased. The area per adsorbed molecule and the free energy of adsorption decrease with salt concentration, temperature, and pH increase. SAXS results showed that the addition of epoxy group in surfactant structure results in a decrease in the repulsion between the micelles, favoring the formation of more oblong micellar structures, ensuring a better efficiency of metal coverage. The increase in salt and surfactant concentrations provides an increase in micellar diameter. It was shown that the increase in temperature does not influence micellar structure, indicating thermal stability that is advantageous for use as corrosion inhibitor. The results of inhibition efficiency for the surfactants SEAR and SEAL were considered the best ones. Above cmc, adsorption occurred by the migration of micelles from the bulk of the solution to the metal surface, while at concentrations below cmc film formation must be due to the adsorption of semi-micellar and monomeric structures, certainly due to the presence of the epoxy group, which allows side interactions of the molecule with the metal surface. The metal resistance to corrosion presented values of 90% of efficiency. The application of Langmuir and Frumkin isotherms showed that the later gives a better description of adsorption because the model takes into account side interactions from the adsorbing molecules. Wettability results showed that micelle formation on the solid surface occurs at concentrations in the magnitude of 10-3 M, which isthe value found in the cmc study. This value also justifies the maximum efficiencies obtained for the measurements of corrosion resistance at this concentration. The values of contact angle as a function of time suggest that adsorption increases with time, due to the formation of micellar structures on metal surface

Estudos de sorção de um corante aniônico modelo em partículas de quitosana reticulada

Textile activity results in effluents with a variety of dyes. Among the several processes for dye-uptaking from these wastewaters, sorption is one of the most effective methods, chitosan being a very promising alternative for this end. The sorption of Methyl Orange by chitosan crosslinked particles was approached using equilibrium and kinetic analyses at different pH s. Besides the standard pseudo-order analysis normally effectuated (i.e. pseudo-first-order and pseudo-second-order), a novel approach involving a pseudo-nth-order kinetics was used, nbeing determined via non-linear regression, using the Levenberg-Marquardt method. Zeta potential measurements indicated that electrostatic interactions were important for the sorption process. Regarding equilibrium experiments, data were well fitted to a hybrid Langmuir-Freundlich isotherm, and estimated Gibbs free energy of adsorption as a function of mass of dye per area of chitosan showed that the process of adsorption becomes more homogeneous as the pH of the continuous phase decreased. Considering the kinetics of sorption, although a pseudo-nth-order description yielded good fits, a kinetic equation involving diffusion adsorption phenomena was found to be more consistent in terms of a physicochemical description of the sorption process

Thermodynamic properties of water sorption of jackfruit (Artocarpus heterophyllus Lam.) as a function of moisture content

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Study of the enthalpy-entropy mechanism from water sorption of orange seeds (C. sinensis cv. Brazilian) for the use of agro-industrial residues as a possible source of vegetable oil production

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Aplicações de secagem para o aproveitamento de resíduos da banana, visando sua aplicação na indústria

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Estudo da solubilidade de apatitas em meios de interesse biológico

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Predição do desempenho de gasificadores de biomassa utilizando equilíbrio químico

A tecnologia de gasificação tem sido objeto de estudo de vários pesquisadores ao redor do planeta, principalmente para aplicações na geração de eletricidade a partir de biomassa. Neste trabalho é apresentado um modelo simplificado para gasificação de biomassa baseado nas considerações de equilíbrio químico. O modelo consiste da aplicação das leis de conservação de massa e energia acompanhadas da aplicação da minimização da energia livre de Gibbs no gás produzido. Apesar da simplicidade do modelo seus resultados são confiáveis ao predizer os parâmetros de trabalho de sistemas de gasificação. A composição da biomassa, temperatura do ar, teor de umidade e perdas de calor são parâmetros que podem ser variados para se fazer a análise dos diferentes pontos de operação do gasificador. Os resultados obtidos foram comparados com resultados experimentais e apresentaram boa concordância com mos mesmos.