Orientador: Dirceu Noriler

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: A aplicação de nanomateriais inorgânicos vem atraindo cada vez mais a atenção de pesquisadores por possuírem características desejáveis em áreas consideradas estratégicas, como a catálise, medicina, pigmentos, tratamentos de superfícies, alimentos, entre outros. Na área da engenharia...

Resumo: A aplicação de nanomateriais inorgânicos vem atraindo cada vez mais a atenção de pesquisadores por possuírem características desejáveis em áreas consideradas estratégicas, como a catálise, medicina, pigmentos, tratamentos de superfícies, alimentos, entre outros. Na área da engenharia química, os nanomateriais têm aplicações fundamentais como, por exemplo, no desenvolvimento de catalisadores nanoestruturados. A produção de nanopartículas de alta pureza com faixas estreitas de distribuição de tamanhos pode ser feita de forma econômica e eficiente em reatores de pirólise em sprays flamejantes (FSP). Esse processo pode produzir, a partir de precursores de baixo custo, misturas de pós de óxidos metálicos com granulometria na faixa de 1 a 200 nm. Grande parte dos estudos sobre o processo FSP é focada apenas na síntese das nanopartículas e discussão qualitativa dos parâmetros de processo sobre o produto final. No entanto, a compreensão abrangente desse processo é fundamental para sua ampliação de escala e adaptação para manufatura direta e por isso, estudos foram feitos acerca da influência de parâmetros do processo sobre as dinâmicas envolvidas no crescimento das nanopartículas, principalmente os fenômenos de nucleação, aglomeração e sinterização. Para isso, o escoamento gás-líquido foi representado por uma abordagem Euleriana-Lagrangiana e resolvido em CFD para um esquema bidimensional, em que perfis fluidodinâmicos de variáveis importantes do processo foram extraídos e utilizados como base na modelagem da formação das nanopartículas por meio de uma abordagem Euleriana unidimensional utilizando uma Equação de Balanço Populacional resolvida pelo DQMOM. Diferenças no perfil morfológico do spray da chama foram observados para variações de perdas de carga no bico atomizador e na concentração de precursor utilizado, em que os casos com 1,5 bar e 0,5 M para os respectivos parâmetros se mostraram os mais estáveis para representação do processo. Em relação a solução da Equação de Balanço Populacional, os estudos realizados mostraram a influência da dimensão fractal sobre os aglomerados formados, de forma que o valor de 1,8 se mostrou o mais adequado dentre os casos. Além disso, não foram observadas diferenças quanto a utilização do momento bivariado de ordem (3,1) para a representação do diâmetro médio da partícula primária. De forma geral, um bom desempenho foi observado para a representação do diâmetro médio das partículas primárias com a utilização de 3 pontos de quadraturas, em que erros de 7,1% e 13,57% foram obtidos em relação ao diâmetro experimental pelos métodos BET e MET

Abstract: The applications of inorganic nanomaterials have been under the spotlight worldwide given the fact that they present desirable characteristics in many fields such as catalysis, medicine, food, and others. In Chemical Engineering, the nanomaterials have essential application, for instance,...

Abstract: The applications of inorganic nanomaterials have been under the spotlight worldwide given the fact that they present desirable characteristics in many fields such as catalysis, medicine, food, and others. In Chemical Engineering, the nanomaterials have essential application, for instance, in the design of catalysts. High purity nanoparticles with narrow size distribution can be efficiently and economically manufactured in reactors of flame spray pyrolysis (FSP). This process is able to produce mixtures of powders of metallic oxides with sizes between 1 and 200 nm from low cost precursors. The majority of previous studies regarding the FSP process have focused only on the synthesis of the nanoparticles and on the qualitative discussion of the process parameters on the final product. However, the broad understanding of the FSP process is fundamental for scale-up studies and adaptation for direct manufacturing and therefore, studies have been made about the influence of process parameters on the dynamics involved in the growth of nanoparticles, especially the phenomena of nucleation, agglomeration and sintering. Thereunto, the gas-liquid flow was represented by an Eulerian-Lagrangian approach and solved in CFD for a two-dimensional scheme, in which fluid dynamics profiles of important process variables were extracted and used as a basis in the modeling of nanoparticle formation by means of a one-dimensional Eulerian approach using a Population Balance Equation solved by the DQMOM. Differences in the flame spray's morphological profile were observed for variations in the head loss in the spray nozzle and the precursor concentration, where the 1.5 bar and 0.5 M cases for the respective parameters were the most stable for process representation. Regarding the solution of the Population Balance Equation, the studies carried out showed the influence of the fractal dimension on the formed clusters, where the value of 1.8 was the most adequate among the cases. In addition, no differences were observed regarding the use of the bivariate moment of order (3,1) for the representation of the mean diameter of the primary particle. In general, good performance was observed for the representation of the mean diameter of the primary particles with the use of 3 quadrature points, where errors of 7.1% and 13.57% were obtained in relation to the experimental diameter by BET and MET methods

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