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Type: Dissertação
Title: Adsorção de moléculas de glicerol e água em MgO(001)
Author: Lourenço, Isabelle Cristine Ramos
First Advisor: Leitão, Alexandre Amaral
Referee Member: Dias, Luís Gustavo
Referee Member: Oliveira, Luiz FernandoCappa de
Resumo: O óxido de magnésio é um material inorgânico que possui diversas aplicações, até mesmo como constituinte de materiais refratários. Esses materiais são capazes de manter as características físico-químicas a elevadas temperaturas, podendo ser empregados em conversores, fornos de refino e navios siderúrgicos. Tijolos de magnésia são um exemplo de material refratário. As indústrias desse ramo relatam que o processo de hidratação dos materiais representa um problema, uma vez que, há o aumento de massa e de volume que provoca a diminuição do prazo de validade do material. Existem estudos experimentais e teóricos sobre o processo de hidratação do MgO, contudo há poucos que buscam a proteção da superfície, alguns agentes anti-hidratação investigados incluem ácido cítrico e ácido tartárico. No mercado brasileiro há um excesso de glicerol devido às reações de transesterificação de óleos vegetais que produzem biodiesel e glicerina. Não é desejável o acúmulo de subproduto, o que justifica a aplicação da matéria-prima em novos processos. Visto isso, no presente trabalho é verificado se a adsorção da molécula de glicerol na superfície MgO (001) é capaz de inibir o processo de hidratação, como foi observado para outras moléculas. O estudo foi realizado por cálculos ab initio baseado na Teoria do Funcional da Densidade (DFT). Na primeira parte foi construído o modelo de superfície MgO (001) e realizadas adsorções de moléculas de glicerol e água, para fins comparativos, sendo calculadas as energias de adsorção, diferença de densidade de cargas ligantes e cargas de Bader. Esses cálculos foram repetidos após adição de uma nova molécula de água aos sistemas iniciais. Por fim, foram realizados cálculos termodinâmicos e CI-NEB para os sistemas de coadsorção. Concluiu-se que a adsorção de uma molécula de glicerol é favorecida em detrimento da adsorção de molécula água. Durante o processo de coadsorção foi observada a migração de próton das moléculas para a superfície. Nesses sistemas, há o predomínio de interações íon-dipolo favoráveis ao abaixamento energético, sendo as energias de adsorção menores do que poderia ser previsto. Na coadsorção de moléculas de água e glicerol foram gerados dois sistemas, em um há a formação do ânion orgânico 2,3- dihidroxipropan-1-olato, MgO (001)−H2O−H + gli− e no segundo, formação de hidróxido, MgO (001)−gli−H + OH− . A protonação do MgO(001) acontece de forma espontânea até 134 K, 240 K e 281 K para MgO (001)−H2O−H + OH− , MgO(001)−H2O−H + gli− e MgO(001)−gli−H + OH− , respectivamente. A cinética evidenciou que só há barreira de ativação considerável para a protonação no sistema MgO (001)−H2O−H + OH− . De forma geral, não é possível afirmar que a presença do glicerol inibe a formação de brucita, entretanto pode ser considerada uma diminuição da taxa de formação de hidróxido.
Abstract: Magnesium oxide is an inorganic material that has several applications, even as a constituent of refractory materials. These materials are able to maintain their physicochemical characteristics at high temperatures and can be used in converters, refining furnaces and steelworks ships, magnesia bricks are an example of refractory material. The industries in this branch report that the process of hydration of the materials represents a problem, since there is an increase in mass and volume that causes a decrease in the shelf life of the material. There are experimental and theoretical studies on the MgO hydration process, however there are few that seek surface protection, some investigated antihydration agents include citric acid and tartaric acid. In the Brazilian market there is an excess of glycerol due to the transesterification reactions of vegetable oils that produce biodiesel and glycerin. The accumulation of by-products is not desirable, which justifies the use of raw materials in new processes. In the present work it is verified whether the adsorption of the glycerol molecule on the MgO(001) surface is capable of inhibiting the hydration process, as observed for other molecules. The study was carried out by ab initio calculations based on the DFT. In the first part, the MgO(001) surface model was constructed and adsorption of glycerol and water molecules was carried out, for comparative purposes, and adsorption energy, charge density difference plots and Bader charges were calculated. These calculations were repeated after adding a new water molecule to the initial systems. Finally, thermodynamic and CI-NEB calculations were performed for the coadsorption systems. It was concluded that the adsorption of a glycerol molecule is favored over the adsorption of a water molecule. During the coadsorption process, proton migration from molecules to the surface was observed. In these systems, there is a predominance of ion-dipole interactions favorable to energy lowering, with adsorption energies lower than could be predicted. In the coadsorption of water and glycerol molecules, two systems were generated, in one there is the formation of the organic anion 2,3-dihydroxypropan-1-olate, MgO (001)−H2O−H + gli− and in the second, formation of hydroxide, MgO(001)−gli−H + OH− . The protonation of MgO(001) happens spontaneously up to 134 K, 240 K and 281 K for MgO (001)−H2 O−H + OH− , MgO(001)−H2 O−H + gli− and MgO (001)−gli−H + OH− , respectively. The kinetics showed that there is only considerable activation barrier to protonation in the system. In general, it is not possible to state that the presence of glycerol inhibits the formation of brucite, however it can be considered a decrease in the rate of hydroxide formation.
Keywords: MgO
DFT
Adsorção
Glicerol
Adsorption
Glycerol
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Program: Programa de Pós-graduação em Química
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-ShareAlike 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/15140
Issue Date: 17-Feb-2023
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