https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/16310
File | Description | Size | Format | |
---|---|---|---|---|
brunoluizmendesfernandes.pdf | 4.66 MB | Adobe PDF | View/Open |
Type: | Tese |
Title: | Emprego da dissolução eletrolítica no monitoramento eletroquímico imediato de cromo, níquel e manganês em aços inoxidáveis |
Author: | Fernandes, Bruno Luiz Mendes |
First Advisor: | Lowinsohn, Denise |
Referee Member: | Silva, Tiago Almeida |
Referee Member: | Araujo, William Reis de |
Referee Member: | Garcia, Eric Marsalha |
Referee Member: | Felix, Fabiana da Silva |
Resumo: | As análises químicas dos aços inoxidáveis são normalmente executadas por técnicas espectrométricas após preparo de amostras usando a digestão ácida. Essa abordagem além de possuir elevado custo operacional, não é considerada ambientalmente amigável, haja vista o excessivo uso de reagentes. Neste contexto, novas abordagens analíticas usando a dissolução eletrolítica com monitoramento eletroquímico imediato de cromo, níquel e manganês em amostras de aços inoxidáveis foram desenvolvidas e aplicadas com sucesso em sete amostras distintas fornecidas pela empresa Aperam. Primeiramente, um eletrodo de ouro não modificado e uma solução composta por HNO3 0,6 mol L-1 e H2O2 180,0 mmol L-1 foram usados na dissolução eletrolítica dos aços inoxidáveis e na quantificação de cromo por meio da Voltametria de Varredura Linear (VVL). As otimizações das condições experimentais retornaram um método sensível, com limites de detecção e quantificação (LD e LQ) iguais a 0,08 e 0,25 µmol L-1 respectivamente. Além disso, a aplicação de uma carga elétrica igual a 30 mC e densidade de corrente anódica igual a 0,8 mA cm-2 foram as que forneceram maior eficiência de dissolução para as amostras de aço, resultando em um processo repetível, com desvio padrão relativo (DPR) igual a 3% executado em apenas 75 s. De modo análogo, a quantificação dos teores de níquel nos aços inoxidáveis usando a dissolução eletrolítica e a Voltametria de Onda Quadrada com Redissolução Adsortiva (VOQRA) foi realizada empregando um novo sensor baseado em um material compósito composto por grafite e dimetilglioxima (80:20% m/m) imobilizado em suportes impressos em 3D (3Ds-MC/DMG). O eletrodo foi devidamente caracterizado e todas as condições voltamétricas foram avaliadas, obtendo-se LD igual a 0,03 e LQ igual a 0,09 µmol L-1 em solução de tampão amônio 0,1 mol L -1 , pH = 9. Devido o caráter alcalino do eletrólito suporte, as dissoluções eletrolíticas dos aços inoxidáveis foram executadas em pequenos reatores descartáveis, onde uma solução de HCl 0,2 mol L-1 , uma carga elétrica igual a 2,0 C e densidade de corrente anódica 15,4 mA cm-2 forneceram maiores eficiências e maior repetibilidade (DPR = 3,3%). Por fim, um sensor totalmente impresso em 3D usando o termoplástico acrilonitrila butadieno estireno (ABS) como suporte e um filamento condutivo à base de Ácido Polilático (PLA) e grafite (3Ds-PLA/GRA) foi usado na determinação dos teores de manganês nas amostras de aços inoxidáveis por meio da Voltametria de Pulso Diferencial com Redissolução catódica (VPDRC) em solução tampão Britton–Robinson (tampão BR) 0,1 mol L-1 , pH = 4. O sensor foi devidamente caracterizado e as condições voltamétricas otimizadas, conferindo ao método LD e LQ iguais a 0,028 e 0,084 µmol L-1 respectivamente. A dissolução eletrolítica foi realizada diretamente na célula . voltamétrica, sendo as condições de maior eficiência iguais a 1,1 C de carga elétrica e 15,4 mA cm-2 de densidade de corrente anódica, conferindo repetibilidade com DPR de apenas 3,3%. De modo geral, os teores de cromo, níquel e manganês obtidos para as sete amostras de aços inoxidáveis analisadas são estatisticamente iguais aos valores de referência (95% de confiabilidade), sendo um indicativo da adequada exatidão dos métodos desenvolvidos. Ademais, esses métodos apresentaram-se sustentáveis, podendo ser facilmente implementados nos laboratórios siderúrgicos. |
Abstract: | Chemical analysis of the stainless steels is usually carried out using spectrometric techniques after sample preparation using acid digestion. This approach, in addition to having a high cost, is not considered eco-friendly, given the excessive use of reagents. In this context, new analytical approaches using electrolytic dissolution with immediate electrochemical monitoring of chromium, nickel and manganese in stainless steel samples were developed and successfully applied to seven different samples supplied by the Aperam company. Firstly, an unmodified gold electrode and a solution composed of HNO3 0.6 mol L-1 and H2O2 180.0 mmol L -1 were used for the electrolytic dissolution of the stainless steels and the quantification of chromium using Linear Scanning Voltammetry (LSV). Optimizations of the experimental conditions returned a sensitive method, with detection and quantification limits (LoD and LoQ) equal to 0.08 and 0.25 µmol L-1 respectively. In addition, the application of an electrical charge equal to 30 mC and an anodic current density equal to 0.8 mA cm-2 provided the highest dissolution efficiency for the steel samples, resulting in a repeatable process with relative standard deviation (RPD) equal to 3% performed in just 75 s. Similarly, the quantification of nickel content in stainless steels using the electrolytic dissolution and Square Wave Voltammetry with Adsorptive Redissolution (SWVAR) was carried out employing a new sensor based on a composite material made up of graphite and dimethylglyoxime (80:20 % m/m) immobilized on 3D printed supports (3Ds-MC/DMG). The electrode was properly characterized and all the voltammetric conditions were evaluated, obtaining LoD equal to 0.03 and LoQ equal to 0.09 µmol L-1 in a 0.1 mol L-1 ammonium buffer solution, pH = 9. Due to the alkaline nature of the electrolyte support, the electrolytic dissolutions of the stainless steels were carried out in small disposable reactors, where a 0.2 mol L-1 HCl solution, an electrical charge equal to 2.0 C and an anodic current density of 15.4 mA cm-2 provided higher efficiencies and greater repeatability (RSD = 3.3%). Finally, a fully 3D-printed sensor using acrylonitrile butadiene styrene thermoplastic (ABS) as a support and a conductive filament based on polylactic acid (PLA) and graphite (3Ds-PLA/GRA) was used to determine the manganese content in stainless steel samples by Differential Pulse Voltammetry with Cathodic Redissolution (DPVCR) in 0.1 mol L-1 BR buffer solution, pH = 4. The sensor was properly characterized and the voltammetric conditions were optimized, giving the method LoD and LoQ equal to 0.028 and 0.084 µmol L-1 respectively. Electrolytic dissolution was carried out directly in the voltammetric cell, with the most efficient conditions equal to 1.1 C of electrical charge and 15.4 mA cm-2 of anodic current density, giving repeatability with a RSD of just . 3.3%. In general, the chromium, nickel and manganese contents obtained for the seven stainless steel samples analyzed are statistically equal to the reference values (95% reliability), indicating the adequate accuracy of the methods developed. Furthermore, these methods proved to be sustainable and could easily be implemented in steelmaking laboratories. |
Keywords: | Dissolução eletrolítica Aços inoxidáveis Voltametria Eletrodo de ouro Eletrodos impressos em 3D Electrolytic dissolution Stainless steels Voltammetry Gold electrode 3D printed electrodes |
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-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil |
Creative Commons License: | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/ |
DOI: | https://doi.org/10.34019/ufjf/te/2023/00168 |
URI: | https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/16310 |
Issue Date: | 9-Nov-2023 |
Appears in Collections: | Doutorado em Química (Teses) |
This item is licensed under a Creative Commons License