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Title: Síntese e aplicação de nanopartículas superparamagnéticas no processo de magnetoforese em microcanal: estudo experimental e modelagem fluidodinâmica
Authors: Silva, Maxwell Gomes da
Advisor: Souza, Domingos Fabiano de Santana
Keywords: Nanopartículas magnéticas;Coprecipitação reversa;Oxidação parcial;Decomposição térmica;Magnetoforese;Fluidodinâmica computacional;Magnetic nanoparticles;Reverse coprecipitation;Partial oxidation;Thermal decomposition;Magnetophoresis;Computational fluid dynamics
Issue Date: 11-Aug-2023
Publisher: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Citation: SILVA, Maxwell Gomes da. Síntese e aplicação de nanopartículas superparamagnéticas no processo de magnetoforese em microcanal: estudo experimental e modelagem fluidodinâmica. 2023. 158f. Orientador: Domingos Fabiano de Santana Souza. Tese (doutorado em Engenharia Química) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-graduação em Engenharia Química. Natal, RN, 2023.
Portuguese Abstract: 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.
Abstract: Magnetic iron oxide nanoparticles have attracted great interest from researchers because of their vast application potential that ranges from magnetic recording, magnetic resonance imaging, and drug delivery to ferrofluids, catalysis, and separation processes. Magnetite (Fe3O4) is one of the phases of iron oxide with the greatest magnetism, which is composed of cations Fe2+ and Fe3+ in a 2:1 molar ratio. Magnetite nanoparticles can be synthesized by several methods which must be selected according to the type of application. In this work, superparamagnetic Fe3O4 nanoparticles were synthesized by reverse coprecipitation and partial oxidation of Feions2+. The magnetic precipitates were characterized by infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, X-ray diffraction, vibrating sample magnetometry, dynamic light scattering, scanning electron microscopy, and thermal analysis. The thermal stability of the particles in air was evaluated and a study of thermal decomposition kinetics was carried out using the model-based approach. The results showed that the nanoparticles produced exhibited superparamagnetic properties at room temperature with mean diameters of 10 and 30 nm and saturation magnetizations of 35 and 64 emu/g for the samples synthesized by reverse coprecipitation and partial oxidation of Fe2+ ions, respectively. The magnetic nanoparticles obtained by reverse coprecipitation presented higher thermal stability than the nanoparticles synthesized by partial oxidation of Fe2+ions. The kinetic parameters of thermal decomposition were estimated and the kinetic model fit showed a good correlation with the experimental data (R2 = 0.988). To evaluate the application potential of the synthesized particles, magnethophoresys experiments were carried out in a Y-Y type microchannel fabricated by 3D printing technology. Different separation profiles were obtained at different conditions of magnetic field gradient inside the device. a computational fluid dynamics model coupled with a discrete element model was implemented using the Eulerian-Lagrangian approach to simulate the magnetophoresis process. The magnetic force acting on the system was simulated from a magnetic field model based on the charge model. The experimental saturation magnetization and particle size distribution data were used as model parameters for simulations. The results demonstrated that the model is capable of predicting different scenarios of particle trajectory changes according to variations in the magnetic field gradient inside the channel. In addition, the fluid dynamics model was validated with the experimental data and presented coherent results, which make it useful for understanding the characteristics of the process, as well as in the optimization of operating conditions and design of new microdevices
URI: https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/55107
Appears in Collections:PPGEQ - Doutorado em Engenharia Química

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