Ingeniero Civil Químico / Actualmente existen graves problemas debido a deficiencias de acceso del agua tanto para la población como su uso industrial. Asegurar la disponibilidad de agua de buena calidad es menester, por lo que se deben generar nuevas opciones para el tratamiento de efluentes y recuperación de agua. Recientemente se ha entregado relevancia al uso de óxidos de grafeno (GO) en procesos de tratamiento de agua, debido a su capacidad de modificar fácilmente las propiedades estructurales y fisicoquímicas de éste. Este trabajo de título tiene como principal objetivo comparar la capacidad de dos óxidos de grafeno con diferente grado de oxidación sobre la remoción de contaminantes solubles y particulados con diferente carga. Para llevar a cabo el trabajo se sintetizan dos GO y se caracterizaron mediante XRD, FTIR y potencial Z. Se obtienen GO con diferente presencia de grupos funcionales y valores de potencial Z, lo que se traduce como diferentes grados de oxidación. Se define GOA como GO de alto grado de oxidación y GOB como GO de bajo grado de oxidación. La capacidad máxima de adsorción azul de metileno (catiónico) es de 476,2 mg/g para GOA y 312,5 mg/g para GOB, lo que se traduce en un incremento de 52% entre GOA y GOB. En cuanto al naranjo de metilo (aniónico) la capacidad de adsorción es de 105,3 mg/g para GOA mientras que para GOB fue de 263,2 mg/g, siendo en este caso la capacidad de GOB un 150% mayor que GOA. Se realiza la remoción de goethita (carga positiva a pH 4,5) obteniéndose transmitancias de hasta 81% al utilizar GOA, mientras que para GOB el valor es de 33%. En ambos casos la floculación se genera mediante neutralización de carga. En cuanto a la arcilla caolín (carga negativa a pH 7,0) se realiza la floculación con GOA aumentándose la transmitancia hasta un 17% con respecto al sistema original mediante puentes de hidrógeno. Al utilizar GOB no se generan interacciones entre arcilla y óxido de grafeno, por lo que no se promueve la sedimentación. Como principal conclusión se obtiene que un aumento del grado de oxidación del óxido de grafeno significa en un incremento en la capacidad de remoción de contaminantes catiónicos solubles y particulados. Por otra parte, el aumento posee un efecto negativo con respecto a los contaminantes aniónicos solubles, mientras que para los contaminantes particulados el efecto es positivo debido a la mayor presencia de grupos carboxilo.

[pt] A escassez de recursos de água doce está ameaçando nossa sociedade. A urbanização, a industrialização, o crescimento populacional e as alterações climáticas estão a representar um grande desafio para a segurança dos recursos hídricos humanos. Com base nessa situação crítica, os cientistas estão prestando cada vez mais atenção à dessalinização. Os métodos tradicionais de dessalinização empregam o processo de destilação. Esses métodos desempenham um papel importante no serviço de abastecimento de água em alguns locais carentes de água. No entanto, devido ao alto consumo de energia desses métodos, o preço da água produzida é elevado. Portanto, desenvolver novas tecnologias de dessalinização com baixo consumo de energia é de grande interesse e uma delas tem atraído a atenção dos pesquisadores, que é a osmose reversa (OR). O RO utiliza a membrana semipermeável como filtro, o que permite que a água ou moléculas relativamente pequenas passem por si mesmas, mas impede que as grandes moléculas ou íons penetrem. Esta tecnologia reduziu significativamente o consumo de energia em comparação com os métodos de destilação e rapidamente ocupa mais de 60 por cento da capacidade total de dessalinização instalada. O desempenho da tecnologia RO depende fortemente do material das membranas desempenha um papel importante. Nas últimas décadas, polímeros, por exemplo, poliamida e acetato de celulose, dominaram a indústria de RO de membrana semipermeável por sua boa eficiência de rejeição de sal e baixo custo de consumo de energia. No entanto, mesmo com as vantagens das membranas poliméricas, o custo final da água produzida ainda é alto. É por isso que os recursos de água doce ainda continuam sendo a preocupação. Desde a primeira vez que o grafeno foi produzido a partir do grafite, chamou a atenção de pesquisadores em todo o mundo por sua estrutura 2D ultrafina, excelente condutividade e transparência etc. Logo depois, o grafeno e seus derivados, como óxido de grafeno e óxido de grafeno reduzido, exibem potencial na dessalinização devido à sua estrutura 2D fina e expansibilidade. Este trabalho explora a possibilidade de aplicação de derivados de grafeno em um processo de dessalinização relativamente prático. No prsente projeto foram produzidos tanto GO (pelo método de Hammer) e RGO (a partir de aquecimento em atmosfera inerte) e de membranas a partir de acetato de celulose com GO e RGO. Ensaios de dessalinação também foram realizados para amostras produzidas variando de modo sistemático diferentes parâmetros de síntese de GO e RGO e de fabricação das membranas de acetato de celulose. / [en] Fresh-water resource scarcity is threatening our society. Urbanization, industrialization, population growth and climate change are making big challenge to human s water resource security. Based on this critical situation, scientists are paying more and more attention to desalination. Traditional desalination methods employ distillation process. These methods play an important role in water supply service in some water-lacked places. However, due to high energy consumption of these methods, the price of produced water is very high. Therefore, developing new desalination technologies with low energy consumption is of high interest and one of them has attracted researchers attention, which is reverse osmosis (RO).(1) RO utilizes the semi-permeable membrane as a filter, which allows the water or relatively small molecules pass through itself, but prevents the large molecules or ions from penetrate. This technology significantly reduced the energy consumption compared to the distillation methods and quickly takes more than 60 percent of the total installed desalination capacity.(2) The performance of RO technology strongly depends on the material of membranes plays an important role. In the past decades, polymers, for instance polyamide and cellulose acetate, dominate the semi-permeable membrane RO industry for their good salt rejection efficiency and low cost of energy consumption. However, even with the advantages of polymer membranes, the final cost of produced water is still high. That s why fresh-water resource still remain the concern. Since the first time that graphene was produced from graphite, it caught researcher’s attention all over the world for its ultra-thin 2D structure, excellent conductivity and transparency, etc. Soon after, graphene and its derivatives, such as graphene oxide and reduced graphene oxide, exhibit potential in desalination due to their thin 2D structure and expandability.(3) This work explores the possibility of application of graphene derivatives in a relatively practical desalination process. In the present project, GO (by the Hammer method), RGO (from heating in air atmosphere) and cellulose acetate membranes with GO and RGO were produced. Desalination tests were also performed for samples produced by systematically varying different parameters of GO, RGO and fabrication of cellulose acetate membranes.

[pt] O grafeno é formado por uma monocamada de átomos de cabono ligados entre si formando uma rede hexagonal. Ele tem sido bastante estudado por pesquisadores e atraído investimentos de vários setores da economia por apresentar excelentes propriedades mecânicas, térmicas, elétricas e ópticas. O presente trabalho tem como objetivo principal a caracterização reológica das suspensões de óxido de grafeno (GO) dispersas em polietileno glicol (PEG 400), com diferentes tempos de oxidação (2 e 96 horas), através do uso da reometria rotacional. O óxido de grafeno foi obtido pelo método de Hummers e caracterizado por várias técnicas. Este método é baseado na esfoliação química do grafite através de ácidos fortes, como o ácido sulfúrico. Uma vez que o óxido de grafite (GrO) é obtido, ele é esfoliado em um banho ultrassônico em PEG para a formação da suspensão com óxido de grafeno. A caracterização reológica foi realizada através de medições em escoamento de cisalhamento em regime permanente, transiente e oscilatório. A caracterização do GO foi realizada utilizando técnicas como: Difração de Raios-X (DRX), Espectroscopia Raman, Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR), Microscopia de Força Atômica (AFM) e Análise Termogravimétrica (TGA). Os resultados servirão de base para a compreensão da interação entre o GO e o polímero, e o comportamento reológico dos nanofluidos de polímeros à base de GO. / [en] Graphene is formed by a monolayer of cabon atoms linked together forming a hexagonal network. It has been extensively studied by researchers and attracted investment from various sectors of the economy, because it presents excellent mechanical, thermal, electrical and optical properties. The present work has as main objective the rheological characterization of the suspensions of graphene oxide (GO) dispersed in poly(ethylene) glycol (PEG 400), with different oxidation times (2 and 96 hours), through the use of rotational rheometry. Graphene oxide was obtained by Hummers method and characterized by various techniques. This method is based on the chemical exfoliation of graphite using strong acids such as sulfuric acid. Once the graphite oxide (GrO) is obtained, it is exfoliated in an ultrasonic bath in PEG to form the suspension with graphene oxide. The rheological characterization is fulfilled through measurements in steady shear flow, transient shear flow and oscillatory shear flow. The characterization of GO was performed using techniques such as: X-Ray Diffraction (XRD), Raman Spectroscopy, Fourier Transform Infrared (FTIR), Atomic Force Microscopy (AFM) and Thermogravimetric Analysis (TGA). The results will serve as a basis for understanding the interaction between the GO and the polymer, and the rheological behavior of GO-based polymer nanofluids.

[pt] Estruturas baseadas em grafeno como óxido de grafeno (OG) e óxido de grafeno reduzido (OGr) vêm sendo amplamente utilizadas em aplicações de sensoriamento resistivo de gás. Entretanto, poucos projetos são efetuados utilizando métodos pervasivos e não intrusivos, que são importantes para aplicações onde intervenções podem ser problemáticas. Este trabalho apresenta a implementação de protótipos de sensores sem fio de baixo custo baseados na tecnologia de RFID sem chip, para sensoriamento de vapor de álcool, utilizando uma topologia de antena miniaturizada baseada em Metamateriais (MTMs) carregada com OGr. Simulações utilizando o método dos elementos finitos são efetuadas de forma a encontrar o melhor local para deposição das estruturas sensíveis ao vapor de álcool. É observado que a estrutura responde a variações de resistividade de OGr apenas para uma determinada faixa de valores. O tempo de redução térmica de OG necessário para atingir este espectro de valores é experimentalmente determinado, estando entre 60 e 90 min à 200 Graus Celsius. Amostras de GO são fabricadas utilizando o método de Hummer modificado, e são depositadas nos gaps das antenas. Posteriormente, são reduzidas por 60, 75 e 90 minutos. O setup de medição consistiu em medições do coeficiente de reflexão em banda X. Após um determinado tempo para estabilização, álcool isopropílico e também etanol são colocados em contato com a amostra em um recipiente fechado por 1h30, e a resposta foi observada. Resultados com sensibilidade de até 11,5 por cento foram obtidos. / [en] Graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (rGO) based structures have been widely applied for resistive gas sensing applications. However, few projects are developed using pervasive and non-intrusive methods, which are important for applications where intervention can be an issue. This work presents the implementation of low-cost wireless sensor prototypes based on chipless RFID technology, for alcohol vapor sensing, by using a metamaterial (MTM) based miniaturized antenna loaded with rGO. Simulations are performed using finite element method in order to find the best place to deposit the alcohol vapor sensitive structures. It is observed that the structure responds to resistivity variations only for a determined range of values. The GO reduction time necessary to reach this spectrum of values is experimentally determined, and it is found to be between 60 and 90 min at 200 Celsius degrees. GO samples are synthesized using a modified Hummer s method, and deposited in the gaps of the antenna structures. Later, they are reduced for 60, 75 and 90 min. The measurement setup consists in reflection coefficient characterization at X band frequencies. After a stabilization time, isopropyl alcohol and ethanol are put in contact with the samples in a closed container for 1h30, and the response is observed. Sensitivities up to 11,5 percent are obtained.

[pt] Este trabalho investiga o impacto de suspensões de grafeno funcionalizado sobre reologia de uma dispersão aquosa de Carbopol. Os derivados de grafeno usados foram óxido de grafeno (GO) e óxido de grafeno amino funcionalizado (AFGO). A variação da concentração e do grau de oxidação do grafeno funcionalizado foram avaliadas e relacionadas à reologia das suspensões. O GO foi produzido a partir da síntese de óxido de grafite pelo método de Hummers modificado, e caracterizado pelas técnicas de DRX, Raman, TGA, FTIR, XPS, TEM e AFM. O GO foi funcionalizado com trietilenotetramina por reação assistida por microondas para produzir AFGO, caracterizado por TGA e XPS. As suspensões foram caracterizadas por experimentos de potencial zeta e testes reológicos de escoamento em estado estacionário e oscilatório. A caracterização do GO mostra que grupos funcionais oxigenados foram incorporados em sua superfície grafítica. O GO oxidado por 96 horas (GO 96 h) apresentou maior distância interplanar e também apresentou menos camadas quando comparado com GO oxidado por 2 horas (GO 2 h). A caracterização do AFGO aponta que grupos aminados foram covalentemente ligados às nanofolhas GO e o GO com maior grau de oxidação produziu AFGO com maior nível de aminação. Todas as nanofolhas sintetizadas são coloidalmente estáveis quando suspensas em meio neutro. Todas as suspensões foram bem modeladas pela equação de Hershel-Bulkley. O aumento da concentração de nanofolhas nas suspensões prejudica a microestrutura do fluido e leva a uma diminuição da viscosidade, tensão de escoamento e elasticidade. O GO 96 h promoveu menor decréscimo na viscosidade, tensão de escoamento e elasticidade do que a suspensão GO 2 h. No caso do AFGO, o maior grau de aminação pode levar a uma queda mais pronunciada nas propriedades reológicas da suspensão. Para a suspensão com maior concentração de GO 96 h, observou-se o aparecimento de histerese em baixas taxas de cisalhamento. Esses resultados mostram que pequenas mudanças na superfície das nanofolhas de grafeno funcionalizado podem influenciar as respostas reológicas de um fluido não newtoniano. / [en] This work investigates the impact of functionalized graphene suspensions on the rheology of a Carbopol aqueous dispersion. The graphene derivatives used were graphene oxide (GO) and amino-functionalized graphene oxide (AFGO). The variation of the functionalized graphene concentration and oxidation was evaluated and related with the suspensions rheology. GO nanosheets were produced from synthesis of graphite oxide by modified Hummers method, and they were characterized by XRD, Raman,TGA, FTIR, XPS, TEM and AFM techniques. The GO was functionalized with triethylenetetramine by microwave assisted reaction to produce the AFGO, which was characterized by TGA and XPS techiniques. The suspensions were characterized by zeta potential experiments and rheological tests through steady-state and oscillatory flow. The GO characterization shows that oxygenated functional groups were incorporated in its graphitical surface. GO oxidized for 96 hours (GO 96 h) showed higher interplanar distance and also presented fewer layers when compared with GO oxidized for 2 hours (GO 2 h). The AFGO characterization points out that aminated groups were covalently attached to the GO nanosheets and the GO with a higher oxidation degree produced an AFGO with higher amination level. All synthesized nanosheets are colloidally stable when suspended at neutral media. All suspensions were well modeled by the Hershel-Bulkley equation. The increase of the nanosheets concentration in the suspensions impairs the level of fluid structure and leads to a decrease in viscosity, yield stress, and elasticity. The GO 96 h promoted a lower decrease in viscosity, yield stress and elasticity than the GO 2 h suspension. In the case of AFGO, the greater amination degree can lead to a more pronounced drop in the suspension rheological properties. For the suspension with a higher concentration of GO 96 h, it was observed the appearance of hysteresis at low shear rates. These results show that small changes in the graphene functionalized nanosheets surface can influence the rheological responses of a non-Newtonian fluid.

[pt] Esta pesquisa avaliou a resistência a corrosão de revestimentos de base em resina epóxi, reforçada com 0,1% wt e 0,5% wt de óxido de grafeno reduzido (rGO), aplicado sobre um substrato em aço carbono AISI 1020. Como teste de corrosão foi aplicado testes de imersão em solução com 3,0% wt de NaCl saturadas com CO2, em um vaso de pressão a 70 bar na temperatura de 40 ᵒC, por 528 h. Os revestimentos foram avaliados por teste de aderência (Pull Off), microdureza (Dureza Shore D) e caracterizado por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) quanto a qualidade de ancoragem do revestimento ao substrato, porosidade e espessura, para a análise de existência de pites na superfície do substrato metálicos foi utilizada microscopia ótica (MO). Os resultados obtidos evidenciaram que os revestimentos nas três condições, como recebido, aditivados com 0,1% wt e 0,5% de rGO tiveram a mesma eficiência na proteção do substrato metálico, todos igualmente, evitaram a formação de pites nas condições de testes propostas. Para adição de 0,1% wt de rGO ocorreu refinamento dos poros e a adição de 0,5% wt promoveu drástica redução da densidade de poros. A adição do rGO não influenciou na Dureza Shore D dos revestimentos. Para pré teste de corrosão, o revestimento com 0,1% wt de rGO obteve maior densidade de poros e menor valor de dureza, seguido pelo 0,0% wt e posterior 0,5% wt de rGO. Para pós testes de corrosão a ordem é invertida. Os resultados pós testes de corrosão indicaram que a porosidade possibilitou a permeação da solução nos revestimentos, e está relacionada com as bolhas e empolamentos, que influenciaram na dureza. A adição de 0,1% wt e 0,5% wt de rGO não influenciou na ancoragem dos revestimentos, obtendo boa acomodação nas irregularidades da superfície metálica do substrato. / [en] This research evaluated the corrosion resistance of an epoxy resin-based coat, reinforced with 0.1 and 0.5 wt% of reduced graphene oxide (rGO), applied to AISI 1020 carbon steel. Immersion tests in aqueous solution with 3.0 wt% NaCl saturated with CO2, in a pressurized cell at 70 bar at 40⁰C, for 528 h. The coating was evaluated by Pull-Off Test, microhardness (Shore D hardness), and Scanning Electron Microscopy (SEM). The quality of the coating anchoring to the substrate, porosity, and thickness was evaluated. The presence of pits on the surface of the metallic substrate was assessed by Optical Microscopy (OM). The results obtained indicated that the addition of rGO contributed to greater corrosion resistance and provided better structural integrity to the coating. The results obtained showed that the coatings under the three conditions, as received and 0.1 and 0.5wt% rGO additions had the same efficiency in protecting the metallic substrate, avoiding pitting. Pore refinement occurred for 0.1wt % rGO, and the addition of 0.5wt% promoted a drastic reduction in pore density. The addition of rGO did not influence on the Shore D Hardness of the coatings. For a precorrosion test, the coating with 0.1wt% of rGO obtained higher pore density and lower hardness value, followed by 0 wt% and later 0.5 wt% of rGO. For the post corrosion test, the order is reversed. The results of the post corrosion test indicated that the porosity allowed the permeation of the solution in the coatings and is related to the bubbles and blistering, which influenced the hardness. The addition of 0.1 and 0.5 wt% or rGO did not affect the coating anchoring, obtaining reasonable accommodation in the irregularities of the substrate metallic surface.