Síntese e aplicação de nanopartículas superparamagnéticas no processo de magnetoforese em microcanal: estudo experimental e modelagem fluidodinâmica

• Autor(a) principal: Silva, Maxwell Gomes da
• Data de Publicação: 2023
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UFRN
• Texto Completo: https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/55107
• topic: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA; Nanopartículas magnéticas; Coprecipitação reversa; Oxidação parcial; Decomposição térmica; Magnetoforese; Fluidodinâmica computacional; Magnetic nanoparticles; Reverse coprecipitation; Partial oxidation; Thermal decomposition; Magnetophoresis; Computational fluid dynamics

Nanopartículas magnéticas de óxido de ferro têm atraído grande interesse dos pesquisadores por causa de seu vasto potencial de aplicação que vai desde gravação magnética, imagem por ressonância magnética e administração de medicamentos guiados magneticamente até ferrofluidos, catálise e processos de separação. A magnetita (Fe3O4) é uma das fases do óxido de ferro com maior magnetismo, sendo composta por cátions Fe2+ e Fe3+ em uma razão molar de 2:1. As nanopartículas de magnetita podem ser sintetizadas por diversos métodos os quais devem ser selecionados de acordo com o tipo de aplicação. Neste trabalho, nanopartículas superparamagnéticas de Fe3O4 foram sintetizadas por coprecipitação reversa e por oxidação parcial de íons Fe2+. Os precipitados magnéticos foram caracterizados por espectroscopia de infravermelho, espectroscopia Raman, difração de raios-X, magnetometria de amostra vibrante, espalhamento dinâmico de luz, microscopia eletrônica de varredura e análise térmica. A estabilidade térmica das partículas em ar foi avaliadas e um estudo da cinética de decomposição térmica foi realizado através da abordagem baseada em modelos. Os resultados mostraram que as nanopartículas produzidas exibiram propriedades superparamagnéticas à temperatura ambiente com diâmetros médios de 10 e 30 nm e magnetizações de saturação de 35 e 64 emu/g para as amostras produzidas por coprecipitação reversa e oxidação parcial de íons íons Fe2+, respectivamente. As nanopartículas obtidas por coprecipitação reversa apresentaram maior estabilidade térmica em relação às nanopartículas produzidas por oxidação parcial de íons íons Fe2+. Os parâmetros cinéticos de decomposição térmica foram estimados e o ajuste do modelo cinético apresentou boa correlacão com os dados experimentais (R2 = 0,988). Para avaliar o potencial de aplicação das partículas sintetizadas, experimentos de magnetoforese foram realizados em um microcanal do tipo Y-Y fabricado a partir da tecnologia de impressão 3D. Diferentes perfis de separação foram obtidos para diferentes condições de gradiente de campo magnético no interior do dispositivo. Um modelo fluidodinâmico acoplado com um modelo de elementos discretos foi implementado em MATLAB® utilizando a abordagem Euleriana-Lagrangeana para descrever o processo de magnetoforese. A força magnética atuante no sistema foi simulada a partir de um modelo de campo magnético baseado no modelo de cargas. Os dados experimentais de magnetização e distribuição de tamanho de partículas foram utilizados como parâmetros das simulações. Os resultados demonstraram que o modelo foi capaz de prever os diversos cenários de mudança de trajetória das partículas de acordo com as mudanças de gradiente magnético no interior do canal. Além disso, o modelo fluidodinâmico foi validado com os dados experimentais e apresentou resultados coerentes, podendo ser empregado para entendimento das características do processo, bem como na otimização de condições de operação e no projeto de microseparadores.