Nas últimas décadas, o desenvolvimento das técnicas de ionização à pressão atmosférica impulsionou a espectrometria de massas, na caracterização e elucidação estrutural de compostos de grande massa molecular. O surgimento dessas técnicas foi o responsável pela amplitude nas aplicações e estudos de espectrometria de massas, sendo a ionização por electrospray a mais versátil dentre essas fontes de ionização. O caráter eletrolítico da fonte de ionização por electrospray permite-se obter íons provenientes de três processos químicos: i) ácido-base; ii) redox e iii) complexação. A extensão com que cada um desses processos ocorrerá dependerá de fatores relacionados à operação da fonte de ionização e grandezas termoquímicas do analito. O notável progresso em técnicas experimentais, processamento de dados e integração entre as mais diversas áreas de aplicação da química, tem estimulado e beneficiado a aplicação da química teórica em estudos de reações em fase gasosa. A aplicação da química computacional fornece uma compreensão quantitativa das variações estruturais e energéticas dos possíveis íons formados durante a ionização da amostra, permitindo também a compreensão das possíveis vias de dissociação. É neste sentido, que o sinergismo entre a aplicação de conceitos derivados da química quântica pode auxiliar nas análises de espectrometria de massas. O objetivo desta tese foi o de se aplicar os modelos fundamentados na mecânica quântica para obtenção de grandezas termoquímicas relacionadas aos fenômenos que ocorrem durante as análises de espectrometria de massas por electrospray. Inicialmente, a comparação entre métodos ab initio, modelos compostos e aqueles embasados na teoria do funcional de densidade foram empregados nos cálculos das grandezas termoquímicas para a -butirolactona e 2-pirrolidinona, com a finalidade de se obter parâmetros termoquímicos de alta qualidade. Os modelos compostos G2, G2(MP2), CBS-Q, CBS-QB3 e os métodos B3LYP, B3P86, B98, PW91PW91 e MP2 foram testados. Os valores obtidos para a entalpia de formação, afinidade protônica e basicidade em fase gasosa para essas duas moléculas foram comparados aos dados experimentais disponíveis na literatura. Os melhores resultados para os valores de entalpia de formação foram obtidos ao se empregar o modelo B3LYP/6-31+G(d,p). A afinidade protônica e basicidade em fase gasosa foram mais bem descritas por B3LYP e G2(MP2). Posteriormente, foram estudadas a 1,4-benzoquinona, 1,4-naftoquinona, bem como seus derivados (2-acetilamina-1,4-naftoquinona; 2-propionilamina-1,4-naftoquinona; 2-butirilamina-1,4-naftoquinona, 2-benzoilamina-1,4-naftoquinona, 2-succinilamina-1,4-naftoquinona e lapachol). A escolha do modelo teórico empregado foi realizada por se comparar as geometrias, afinidade protônica, basicidade em fase gasosa, energia de ionização e afinidade eletrônica obtidos para a 1,4-benzoquinona com aqueles disponíveis na literatura. O modelo B3LYP/6-31+G(d,p) foi o mais exato com relação as grandezas termoquímicas supracitadas, assim, este modelo foi empregado no cálculo dessas mesmas grandezas para a 1,4-naftoquinona e seus derivados. A influência do substituinte na estrutura eletrônica dessas moléculas protonadas, desprotonadas, oxidadas, reduzidas e cationizadas foi estudada utilizando-se análises energéticas, geométricas, eletrônicas e topológicas. O desenvolvimento desses estudos compreendeu as análises das grandezas termoquímicas e análises da densidade eletrônica pelos métodos NBO (Natural Bond Orbital), NSA (Natural Steric Analysis), NRT (Natural Resonance Theory) e AIM (Atoms in molecules). A ionização por electrospray e a dissociação induzida por colisão foram realizadas para os derivados da 1,4-naftoquinona, sendo analisados suas moléculas protonadas, desprotonadas, reduzidas, oxidadas e cationizadas com Na+. As vias mecanísticas de dissociação foram embasadas nas análises da superfície de energia obtidas pelo cálculo das energias de Gibbs e entalpias. / In recent decades, the development of atmospheric ionization techniques improved mass spectrometry, principally for characterization and structural elucidation of high-molecular weight compounds. The development of spray ionization was responsible for the spread of applications and studies of mass spectrometry, where the electrospray ionization is the most versatile among the ionization sources. The electrolytic character of electrospray source allows obtaining ions by three different chemical processes: i) acid-base; ii) redox and, iii) metal complexation. These processes will occur through several factors which can be related to the ionization source and thermochemical parameters of analyte. The notable progress of experimental analyses, computational data and the integration between several areas of chemical application have stimulated the use of theoretical chemistry at gas-phase studies. Computational chemistry can furnish a quantitative understanding of the structure and energy of possible ions during the ionization process. For this reason, the synergism between the concepts from quantum chemistry and gas-phase chemistry can help mass spectrometry analysis. The main purpose of this thesis was the application of several quantum mechanical models to obtain thermochemical parameters which can be related to mass spectrometry phenomena. Firstly, the comparison between ab initio, composite model and DFT methods were employed to obtain the thermochemical parameters to -butyrolactone e 2-pyrrolidinona, in order to obtain high performance of thermochemical parameters. The composite G2, G2(MP2), CBS-Q and, the B3LYP, B3P86, B98, PW91PW91 and MP2 methods were tested. The calculated values were compared to experimental values reported in the literature. The best results for enthalpies of formation were obtained when B3LYP/6-31+G(d,p) model was employed. The proton affinity and gas-phase basicity were better described by using of B3LYP and G2(MP2). Secondly, the studies with quinones were performed, where the 1,4-benzoquinone, 1,4-naphthoquinone and its derivatives (2-acylamino-1,4-naphthoquinone; 2-propyonilamino-1,4-naphthoquinone; 2-butyrilamino-1,4-naphthoquinone; 2-benzoylamino-1,4-naphthoquinone; 2-succynilamino-1,4-naphtoquinone and, lapachol) were studied. A search for a theoretical model was made to compare the geometries, proton affinity, gas-phase basicity, ionization energy and electron affinity to 1,4-benzoquinone with those reported in the literature. The most accurate results were obtained by using of B3LYP/6-31+G(d,p). Thus, this model was applied in all studies with 1,4-naphthoquinone derivatives. The influence of substituent groups on electronic structure of protonated, deprotonated, reduced, oxidized and cationized molecules were studied by energetic, geometrics, electronics and topological analyses. The development of these studies and the determination of the thermochemical parameters and wave function analysis was achieved by means of Natural Bond Orbitals, Natural Steric Analysis, Natural Resonance Theory and Atoms in Molecules The electrospray ionization and gas-phase collision-induced dissociation were made for the 1,4-naphtoquinone derivatives by analyzing their protonated, deprotonated species, the radicalar and sodiated ones. The main fragmentation pathways were elucidated on the basis of the energy surface by using Gibbs energies and enthalpies.

La Tesis Doctoral, desarrollada en el grupo de investigación “Residuos, Energía, Medio Ambiente y Nanotecnología (REMAN)” del Instituto Universitario de Ingeniería de Procesos Químicos de la Universidad de Alicante, comprende las mejoras sostenibles aplicadas a procesos con potencial para mitigar la contaminación originada al valorizar residuos de aparatos eléctricos y electrónicos (RAEE). Estas mejoras significativas les confiere la viabilidad industrial y la posibilidad de figurar como futuras oportunidades de negocio. Dichas mejoras se presentan siguiendo un plan estratégico que permita la futura implantación a escala industrial de diversos sistemas de valorización a lo largo de toda la cadena de suministros residuales de tipo RAEE. Por un lado, mediante la implantación de un sistema de inhibición térmica que permita asumir rápidamente la actual acumulación mundial de RAEE no metálicos aprovechando las instalaciones de valorización ya existentes, a la vez que permita la recuperación de energía necesaria para reducir la demanda de combustibles fósiles y las emisiones de gases de efecto invernadero. Por otro, mediante la implantación de sistemas alternativos de deshalogenación tanto mecanoquímica como termoquímica, con mayor disposición sostenible e innovadora, dirigidos a las generaciones futuras de RAEE no metálicos que están por llegar y con capacidad para acondicionar eficientemente dichos residuos al reducir su carga contaminante antes de ser valorizados.

Compósitos de polímeros de polietileno linear de baixa densidade (LLDPE) possuem baixo desempenho mecânico devido principalmente à sua fraca interação, intermolecular, entre a cadeia polimérica e a carga. Uma maneira de minimizar esse baixo desempenho mecânico se faz com a mudança da estrutura química da poliolefina com a inserção de um grupo polar a sua cadeia, ou seja, faz-se a funcionalização das poliolefinas. O sistema de funcionalização adotado foi o processamento reativo, no qual foi utilizado para este sistema de processamento o misturador de dupla rosca acoplado a um reâmetro de torque. Neste trabalho, os grupos polares inseridos à cadeia dos polímeros de LLDPE\'s de copolímeros 1-buteno e 1-octeno (LLDPE-but e LLDPE-oct) foram o anidrido maléico (AM) e o anidrido tetrahidroftálico (ATF). Para a confecção dos compósitos foram utilizadas as cargas de microesferas de sílica modificada, no qual foi inserido compostos silanados em sua superfície (3-aminopropilsilano - APS - e trimetoxiclorosilano TMCISi) para estudo de interação com as poliolefinas funcionalizadas. Neste trabalho foram realizados ensaios de caracterização térmica, vibracional além de análises de torque do polímero fundido, análises do grau de reticulação e ensaios mecânicos de tração por elongação. Na caracterização térmica foram utilizadas as técnicas: termogravimetria (TG) e calorimetria exploratória diferencial (DSC). Na caracterização vibracional utilizou-se a espectroscopia fotoacústica no infravermelho (PAS-IR) e a espectroscopia de espalhamento Raman. Pela técnica PAS-IR foi possível comprovar a inserção dos anidridos à cadeia das poliolefinas assim como foi possível verificar a interação entre o polímero funcionalizado e a carga. Pelas técnicas térmicas de DSC e TG foi possível verificar mudanças das propriedades do compósito frente aos polímeros originais ou funcionalizados. Os ensaios mecânicos comprovaram que os compósitos de polímeros funcionalizados possuem maior elongação e tensão à ruptura comparada aos compósitos dos LLDPE\'s não funcionalizados / Linear low density composites have a weak mechanical behavior due mainly to the weak interactions - intermolecular - between the polymeric back bone and the charge. The anchoring a polar group in polymeric back bone is a strategy to increase the interactions between the polymer and the charge, as mean, the polyolefin is functionalized. The functionalization process used is the reactive process by a Mixer coupled with torque rheometer. In this work the polar groups used to functionalize the LLDPE\'s with comonomer 1-buten and 1-octen are maleic anhydride and tetrahydrophtalic anhydride. The composites were maked adding in to graft LLDPE\'s the charge of modified surface silicate micro-spheres whith 3aminepropylsilane or trimethoxyclorinesilane. This work to composites characterization was used thermal and vibrational characterization, and torque, crystalinity degree and mechanical tests. In thermal characterizations were used: termogravimetry (TG) and differential scanning calorimetry (DSC). In the vibrational characterization, the photoacoustic spectroscopy (PAS-IR) and Raman spectroscopy were used. Using the PAS-IR technique it was possible to prove the anhydride bonding in the polyolefin back bones, and also was possible verify the interactions between the functionalized polymer and the charge. With DSC and TG techniques was possible verify changes in composites properties in comparison to originais or functionalized polymers. The mechanical tests show that the functionalized polymer composites have bigger values of elongation and tensile strength in comparison to non functionalized LLDPE composites.

Novas espécies moleculares HSeI e HISe presentes na superfície de energia potencial (SEP) singleto 1[H, Se, I], como também a molécula diatômica monoiodeto de selênio (SeI), foram investigadas teoricamente em alto nível de teoria, CCSD(T)/CBS e SACASSCF/ MRCI, respectivamente, pela primeira vez na literatura. Todos estados eletrônicos dupletos e quartetos (Λ+S) que se correlacionam com os três primeiros canais de dissociação da molécula SeI, assim como os estados Ω associados, fornecem resultados conáveis para ajudar a entender a falta de dados experimentais de transições eletrônicas e no planejamento experimental para a determinação de parâmetros espectroscópicos. Ainda sobre este sistema, as probabilidades de transições foram calculadas para as transições X2 - X1, A1 - X1, A2 - X1, e A2 - X2, originadas pela transição proibida por spin 14Σ- X 2II, e os correspondentes tempos de vida radiativa obtidos. Os aspectos energéticos, estruturais e espectroscópicos associados aos estados estacion ários na SEP 1[H, Se, I] também foram caracterizados, assim como determinados os calores de formação dos isômeros. Os cálculos foram realizados com uma série de conjuntos de funções de base atômicas consistentes na correlação (aug-cc-pVnZ-PP, n = D, T, Q e 5) e os resultados extrapolados no limite de base completa (CBS). Contribuições de efeitos de correlação caroço-valência na função de onda e de anarmonicidade nas frequências vibracionais também foram explorados, fornecendo uma fonte de dados bastante confiáveis para estas espécies químicas ainda desconhecidas. O isômero HSeI é mais estável em relação ao HISe em 42; 04 kcal mol-1. Estes dois isômeros estão separados por uma barreira (ΔG#) de 52; 35 kcal mol-1. Correções devido aos efeitos de acoplamento spin- órbita e de relativísticos escalares também foram considerados na obtenção das energias de atomizações. Para o SeI, estimamos valores de calores de formação (ΔfH) de 36; 87 e 35; 16 kcal mol-1 a 0 K e a 298; 15 K; para o HSeI, obtivemos 18; 25 e 16; 72 kcal mol-1, respectivamente. De modo geral, esperamos que a conabilidade dos resultados presentes neste trabalho possa servir como um excelente guia para espectroscopistas na busca e caracterização dessas espécies químicas ainda desconhecidas experimentalmente. / New molecular species HSeI and HISe lying on the 1[H, Se, I] potencial energy surface (PES) as well as the diatomic molecule selenium monoiodide (SeI) were investigated theoretically for the rst time at a high level of theory, CCSD(T)/CBS and SACASSCF/MRCI, respectively. The overall picture of all doublet and quartet (Λ+S) states correlating with the three lowest dissociation channels of the SeI and the associated states provide reliable results to help understand the lack of experimental data on its transitions and to plan the investigation and determination of spectroscopic parameters. Transition probabilities were computed for the transitions X2 - X1, A1 - X1, A2 - X1, and A2 - X2, originated from the spin-forbidden 14Σ- - X 2II system, and the orresponding radiative lifetimes evaluated. The energetic, structural and spectroscopic aspects associated with the stationary points and transition state in the PES 1[H, Se, I] were also characterized, as well as the heat of formation of the isomers. Computations were carried out with the series correlation consistent basis sets (aug-cc-pVnZ-PP) and the results extrapolated to the complete basis set limit. Accounting for core-valence correlation into the wavefunction, and of anharmonic eects on the vibrational frequencies were also explored, making the results of the structural, energetic, and vibrational properties a very reliable source of data for these yet unknown species. The isomer HSeI turned out to be more stable by 42:04 kcal mol-1 than HSeI. These two isomers are separated by a barrier (ΔG#) of 52:35 kcal mol-1. Corrections arising from spin-orbit and scalar relativistic eects were also considered in the evaluation of atomization energies. For SeI, we estimate ΔfH values of 36:87 and 35:16 kcal mol-1 at 0 K and 298:15 K; for HSeI, we had 18:25 and 16:72 kcal mol-1, respectively. In general, we hope that the reliability of the results present in this work can serve as an excellent guide for spectroscopists in the search and characterization of these chemical species still unknown experimentally.

Novas espécies moleculares HSeI e HISe presentes na superfície de energia potencial (SEP) singleto 1[H, Se, I], como também a molécula diatômica monoiodeto de selênio (SeI), foram investigadas teoricamente em alto nível de teoria, CCSD(T)/CBS e SACASSCF/ MRCI, respectivamente, pela primeira vez na literatura. Todos estados eletrônicos dupletos e quartetos (Λ+S) que se correlacionam com os três primeiros canais de dissociação da molécula SeI, assim como os estados Ω associados, fornecem resultados conáveis para ajudar a entender a falta de dados experimentais de transições eletrônicas e no planejamento experimental para a determinação de parâmetros espectroscópicos. Ainda sobre este sistema, as probabilidades de transições foram calculadas para as transições X2 - X1, A1 - X1, A2 - X1, e A2 - X2, originadas pela transição proibida por spin 14Σ- X 2II, e os correspondentes tempos de vida radiativa obtidos. Os aspectos energéticos, estruturais e espectroscópicos associados aos estados estacion ários na SEP 1[H, Se, I] também foram caracterizados, assim como determinados os calores de formação dos isômeros. Os cálculos foram realizados com uma série de conjuntos de funções de base atômicas consistentes na correlação (aug-cc-pVnZ-PP, n = D, T, Q e 5) e os resultados extrapolados no limite de base completa (CBS). Contribuições de efeitos de correlação caroço-valência na função de onda e de anarmonicidade nas frequências vibracionais também foram explorados, fornecendo uma fonte de dados bastante confiáveis para estas espécies químicas ainda desconhecidas. O isômero HSeI é mais estável em relação ao HISe em 42; 04 kcal mol-1. Estes dois isômeros estão separados por uma barreira (ΔG#) de 52; 35 kcal mol-1. Correções devido aos efeitos de acoplamento spin- órbita e de relativísticos escalares também foram considerados na obtenção das energias de atomizações. Para o SeI, estimamos valores de calores de formação (ΔfH) de 36; 87 e 35; 16 kcal mol-1 a 0 K e a 298; 15 K; para o HSeI, obtivemos 18; 25 e 16; 72 kcal mol-1, respectivamente. De modo geral, esperamos que a conabilidade dos resultados presentes neste trabalho possa servir como um excelente guia para espectroscopistas na busca e caracterização dessas espécies químicas ainda desconhecidas experimentalmente. / New molecular species HSeI and HISe lying on the 1[H, Se, I] potencial energy surface (PES) as well as the diatomic molecule selenium monoiodide (SeI) were investigated theoretically for the rst time at a high level of theory, CCSD(T)/CBS and SACASSCF/MRCI, respectively. The overall picture of all doublet and quartet (Λ+S) states correlating with the three lowest dissociation channels of the SeI and the associated states provide reliable results to help understand the lack of experimental data on its transitions and to plan the investigation and determination of spectroscopic parameters. Transition probabilities were computed for the transitions X2 - X1, A1 - X1, A2 - X1, and A2 - X2, originated from the spin-forbidden 14Σ- - X 2II system, and the orresponding radiative lifetimes evaluated. The energetic, structural and spectroscopic aspects associated with the stationary points and transition state in the PES 1[H, Se, I] were also characterized, as well as the heat of formation of the isomers. Computations were carried out with the series correlation consistent basis sets (aug-cc-pVnZ-PP) and the results extrapolated to the complete basis set limit. Accounting for core-valence correlation into the wavefunction, and of anharmonic eects on the vibrational frequencies were also explored, making the results of the structural, energetic, and vibrational properties a very reliable source of data for these yet unknown species. The isomer HSeI turned out to be more stable by 42:04 kcal mol-1 than HSeI. These two isomers are separated by a barrier (ΔG#) of 52:35 kcal mol-1. Corrections arising from spin-orbit and scalar relativistic eects were also considered in the evaluation of atomization energies. For SeI, we estimate ΔfH values of 36:87 and 35:16 kcal mol-1 at 0 K and 298:15 K; for HSeI, we had 18:25 and 16:72 kcal mol-1, respectively. In general, we hope that the reliability of the results present in this work can serve as an excellent guide for spectroscopists in the search and characterization of these chemical species still unknown experimentally.

Compósitos de polímeros de polietileno linear de baixa densidade (LLDPE) possuem baixo desempenho mecânico devido principalmente à sua fraca interação, intermolecular, entre a cadeia polimérica e a carga. Uma maneira de minimizar esse baixo desempenho mecânico se faz com a mudança da estrutura química da poliolefina com a inserção de um grupo polar a sua cadeia, ou seja, faz-se a funcionalização das poliolefinas. O sistema de funcionalização adotado foi o processamento reativo, no qual foi utilizado para este sistema de processamento o misturador de dupla rosca acoplado a um reâmetro de torque. Neste trabalho, os grupos polares inseridos à cadeia dos polímeros de LLDPE\'s de copolímeros 1-buteno e 1-octeno (LLDPE-but e LLDPE-oct) foram o anidrido maléico (AM) e o anidrido tetrahidroftálico (ATF). Para a confecção dos compósitos foram utilizadas as cargas de microesferas de sílica modificada, no qual foi inserido compostos silanados em sua superfície (3-aminopropilsilano - APS - e trimetoxiclorosilano TMCISi) para estudo de interação com as poliolefinas funcionalizadas. Neste trabalho foram realizados ensaios de caracterização térmica, vibracional além de análises de torque do polímero fundido, análises do grau de reticulação e ensaios mecânicos de tração por elongação. Na caracterização térmica foram utilizadas as técnicas: termogravimetria (TG) e calorimetria exploratória diferencial (DSC). Na caracterização vibracional utilizou-se a espectroscopia fotoacústica no infravermelho (PAS-IR) e a espectroscopia de espalhamento Raman. Pela técnica PAS-IR foi possível comprovar a inserção dos anidridos à cadeia das poliolefinas assim como foi possível verificar a interação entre o polímero funcionalizado e a carga. Pelas técnicas térmicas de DSC e TG foi possível verificar mudanças das propriedades do compósito frente aos polímeros originais ou funcionalizados. Os ensaios mecânicos comprovaram que os compósitos de polímeros funcionalizados possuem maior elongação e tensão à ruptura comparada aos compósitos dos LLDPE\'s não funcionalizados / Linear low density composites have a weak mechanical behavior due mainly to the weak interactions - intermolecular - between the polymeric back bone and the charge. The anchoring a polar group in polymeric back bone is a strategy to increase the interactions between the polymer and the charge, as mean, the polyolefin is functionalized. The functionalization process used is the reactive process by a Mixer coupled with torque rheometer. In this work the polar groups used to functionalize the LLDPE\'s with comonomer 1-buten and 1-octen are maleic anhydride and tetrahydrophtalic anhydride. The composites were maked adding in to graft LLDPE\'s the charge of modified surface silicate micro-spheres whith 3aminepropylsilane or trimethoxyclorinesilane. This work to composites characterization was used thermal and vibrational characterization, and torque, crystalinity degree and mechanical tests. In thermal characterizations were used: termogravimetry (TG) and differential scanning calorimetry (DSC). In the vibrational characterization, the photoacoustic spectroscopy (PAS-IR) and Raman spectroscopy were used. Using the PAS-IR technique it was possible to prove the anhydride bonding in the polyolefin back bones, and also was possible verify the interactions between the functionalized polymer and the charge. With DSC and TG techniques was possible verify changes in composites properties in comparison to originais or functionalized polymers. The mechanical tests show that the functionalized polymer composites have bigger values of elongation and tensile strength in comparison to non functionalized LLDPE composites.

Orientadores: Maria Regina Wolf Maciel, Betânia Hoss Lunelli / Tese (doutorado) ¿ Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-26T13:48:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ardila_YuranyCamacho_D.pdf: 7705979 bytes, checksum: 19a2840a168991456944a44d857667ee (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: A produção de biocombustíveis a partir da biomassa apresenta-se como uma alternativa para suprir as limitadas reservas de petróleo. A biomassa, atualmente, está sendo usada para diferentes processos termoquímicos, entre os quais a gaseificação é o de maior destaque. A gaseificação produz gás de síntese que é uma mistura, principalmente, de CO, H2 e CO2. Este gás serve para produzir energia, diferentes produtos químicos e biocombustíveis, como por exemplo, o bioetanol. A partir do gás de síntese, a produção de bioetanol pode ser realizada usando catalisadores químicos ou biocatalisadores, sendo este último processo conhecido como fermentação do gás de síntese. Para o processo integrado de gaseificação da biomassa e posterior fermentação para produção de bioetanol, as informações na literatura são escassas, o que dificulta avaliar a viabilidade desta nova tecnologia, em termos de condições operacionais. O uso de modelos matemáticos e sua simulação computacional podem auxiliar neste estudo. A literatura dispõe de vários estudos envolvendo simulações computacionais aplicadas à gaseificação de diferentes biomassas. Porém, poucos abordam a caracterização real do processo e as propriedades da biomassa utilizada, considerando apenas as propriedades para o carvão mineral, o que acaba gerando divergência nos resultados. Além disso, a maioria fundamenta suas simulações em modelos simples com base na caracterização elementar-imediata, que acaba limitando o desenvolvimento de plantas virtuais, que são baseadas na análise composicional da biomassa quando focadas na produção de bioetanol como etapa final ou como integração do processo. Assim, este trabalho tem como objetivos estudar o processo completo de gaseificação e realizar um estudo preliminar da fermentação do gás de síntese, mediante simulações computacionais, para definir as melhores condições e variáveis que afetam o processo global quando o bagaço de cana-de-açúcar é utilizado como matéria-prima. As simulações foram desenvolvidas utilizando o simulador comercial Aspen Plus¿ e os resultados validados com dados experimentais da literatura e dados obtidos nos Laboratórios LDPS/LOPCA/BIOEN/FEQ/UNICAMP. Para a completa simulação do processo, várias etapas foram estudadas e divididas para melhor entendimento. Foram desenvolvidos modelos matemáticos para predizer propriedades necessárias para o desenvolvimento de processos termoquímicos. Simulações baseadas nas análises elementar-imediata e composicional da biomassa foram realizadas para definir a decomposição inicial da biomassa, demonstrando os diferentes rendimentos e produtos que são gerados e que são a base da etapa inicial da gaseificação. Simulações completas da gaseificação foram desenvolvidas para estudar a gaseificação em diferentes tipos de reatores. A influência das condições de operação na gaseificação como temperatura, razão de equivalência (ER), injeção de vapor e temperatura do pré-aquecedor do ar no desempenho do gaseificador foram avaliadas. Com as condições operacionais da gaseificação definidas foi proposta uma simulação para representar a fermentação do gás de síntese. A partir dos resultados obtidos foi constatado que a composição do gás de síntese é alterada pelo aumento do ER e pela injeção de vapor no processo, e diferentes concentrações de bioetanol são obtidas quando a pressão de entrada do gás de síntese é alterada / Abstract: The production of biofuels from biomass is presented as an alternative to save the limited oil reserves. Currently, biomass is being used for different thermochemical processes, including gasification which is the most prominent. Gasification produces synthesis gas which is a mixture mainly of CO, H2 and CO2. This gas is used to produce energy, several chemicals and biofuels, such as ethanol. The ethanol from synthesis gas may be produced using chemical catalysts or biocatalysts, this latter process is known as fermentation of syngas. The information in the literature is scarce for the integrated gasification of biomass and subsequent fermentation to produce ethanol, making it difficult to see the feasibility of this new technology, in terms of operating conditions. The use of mathematical models and their computer simulation can help this study. Typically, numerous studies involving computer simulations, applied to different biomass gasification, are found in the literature. However, few of them approach the real characterization of process and properties for used biomass, considering only the properties for coal, which ends up generating divergence in the results. Moreover, most of the simulations are grounded on simple models based on proximate-ultimate characteristics, which end up limiting the development of virtual plants, which are based on biomass compositional analysis when focused on the production of ethanol as the final step or as integration process. Thus, the aims of this work are to study the complete gasification process and to carry out a preliminary study of synthesis gas fermentation, through computer simulations, in order to define the best conditions and variables that affect this global process when sugarcane bagasse is used as raw material. The simulations were developed using Aspen Plus ¿ simulator and the results validated with experimental data from literature and data obtained in the laboratories LDPS / LOPCA / BIOEN / FEQ / UNICAMP. For the full simulation of the process, several steps were studied and divided for a better understanding. Mathematical models were developed to predict properties required for the development of thermochemical processes. Simulations based on biomass analysis as proximate-ultimate and compositional were done to define the initial decomposition of biomass, demonstrating the different yields and products that are generated and which are the basis of the initial stage of the gasification. Complete simulations of gasification were carried out to study different types of gasification reactors. The influence of operating conditions at gasification performance was investigated; variables such as temperature, equivalence ratio (ER), steam injection and preheater temperature were evaluated. With the set conditions of gasification was proposed a simulation to represent the fermentation of syngas. It was demonstrated that the synthesis gas composition is changed when increased the ER and steam injection; and different ethanol concentrations are obtained when the input pressure of the synthesis gas is changed / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutora em Engenharia Quimica

Cálculos usando métodos de estrutura eletrônica (Hartree-Fock, Mõller-Plesset de segunda ordem e DFT, B3LYP) foram efetuados pelo programa Gaussian98 em microcomputadores e estações de trabalho, com o objetivo de elucidar os canais de decomposição unimolecular de éter dietílico em fase gasosa e foram comparados com valores obtidos através de aproximações baseadas na mecânica estatística pela metodologia de Benson. O éter dietílico vem sendo usado como um aditivo para o óleo diesel e combustível alternativo e o conhecimento de suas vias vias de decomposição é fundamental nestas investigações. Dezesseis modos primários, do qual, quatro ocorrem através de cisão de ligações simples C-O, C-C,C(1)-H e C(2)-H e doze ocorrendo através de estados de transição cíclicos, os quais eliminam produtos como hidrogênio etano, acetaldeído, etano, álcool etílico, metil etil éter, metano, alguns carbenos e também di-radicais, foram considerados para a determinação das barreiras de ativação, entalpias de reação, entropias de reação e energia livre de Gibbs de reação. Vias primárias ocorrendo através de cisão de ligação, não reproduziram os valores experimentais para as barreiras de ativação, mas reproduziram de modo significante, valores da entalpia da reação. Eliminação de eteno e álcool etílico, ocorrendo através de um estado de transição de quatro centros, apresentou a barreira de ativação mais baixa. Acetaldeído e eliminação de etano, ocorrendo através de quatro centros, apresentou barreira significativamente alta, mas por outro lado, a menor entalpia, ligeiramente exotérmica por -0,8 kcal.mol-1. Eliminações 1,2 de metano e carbeno ocorrendo através de três centros, junto com a eliminação 1, 1 de hidrogênio e carbeno por três centros, eliminação 2,2 hidrogênio e carbeno por três centros e eliminação 1,4 de hidrogênio, acetaldeído e eteno por seis centros, apresentaram barreiras de ativação relativamente próximas mostrando que elas são competitivas entre si. Os valores computados dos canais que ocorrem por estados de transição cíclicos foram comparados com os resultados experimentais disponíveis e discutida a validade desta abordagem computacional para o estudo de reações unimoleculares de multi-canais. Determinação de parâmetros termoquímicos, como calor de formação para espécies radicalares dos canais de decomposição primário e alguns radicais alcóxidos, junto com a estimativa de afinidade eletrônica e protônica (com a abordagem ab initio Gaussian 2 a qual estima energias eletrônicas muito precisas) foram efetuados e seus resultados foram comparados com os valores experimentais disponíveis e valores obtidos através de energias de ligação e da regra de aditividade de Benson. / Calculations using methods of electronic structure(Hartree-Fock, second order Moller-Plesset and DFT: B3LYP) had been effected through the Gaussian98 program in microcomputers and workstations, with the objective to elucidate the unimolecular decomposition channels of diethyl ether in gaseous phase. These results also had been compared to those obtained by the methodology based in statistical mechanics through Benson\'s approach. Sixteen primary ways, which, four occur through the break of simple bonds C-O, C-C,C(1)-H, C(2)-H, and twelve occur through cyclical transistion states, which eliminate products as hydrogen, ethene, acetaldehyde, ethane, ethyl alcohol, methyl ethyl ether, methane, some carbenes and also diradicals. These products had been considered to the determination of the activation barriers, enthalpies of reaction, entropies of reaction and free energy of Gibbs of reaction. Primary ways occurring through the break of bonds, had not reproduced experimental values for the activation barriers, however they had reproduced in a significant way, values of the enthalpy of the reaction. Elimination of ethene and ethyl alcohol, occurring by a transition state of four centers, presented the lowest activation barrier. Acetaldehyde and ethane elimination occurring through four centers, presented a high significantly barrier, but on the other hand it presented the smallest enthalpy, lightly exothermic above -0,8 kcal.mol-1. Eliminations 1,2 of methane and carbene occurring through three centers, together with the elimination 1,1 of hydrogen and carbene through three centers, elimination 2,2 of hydrogen and carbene through three centers and elimination 1,4 of hydrogen, acetaldehyde and ethene through six centers, had presented relatively next activation barriers, showing that they are competitive among themselves. The computed values of the channels that occur through cyclical transition states had been compared with the available experimental results and the trustworthiness of this computational boarding for the study of unimolecular reactions in multi-channel had been dicussed. Determination of thermochemical parameters, as heat of formation for radicalar species of the primary channel of decomposition and some alcoxyde radicais, together with the estimative of the electronic and protonic affinities,( with the ab initio Gaussian 2 boarding which estimate very precise eletronic energies ) and their results had been compared with the available experimental values and with values gotten through energies of bond and Benson\'s additivity rule.

Cálculos usando métodos de estrutura eletrônica (Hartree-Fock, Mõller-Plesset de segunda ordem e DFT, B3LYP) foram efetuados pelo programa Gaussian98 em microcomputadores e estações de trabalho, com o objetivo de elucidar os canais de decomposição unimolecular de éter dietílico em fase gasosa e foram comparados com valores obtidos através de aproximações baseadas na mecânica estatística pela metodologia de Benson. O éter dietílico vem sendo usado como um aditivo para o óleo diesel e combustível alternativo e o conhecimento de suas vias vias de decomposição é fundamental nestas investigações. Dezesseis modos primários, do qual, quatro ocorrem através de cisão de ligações simples C-O, C-C,C(1)-H e C(2)-H e doze ocorrendo através de estados de transição cíclicos, os quais eliminam produtos como hidrogênio etano, acetaldeído, etano, álcool etílico, metil etil éter, metano, alguns carbenos e também di-radicais, foram considerados para a determinação das barreiras de ativação, entalpias de reação, entropias de reação e energia livre de Gibbs de reação. Vias primárias ocorrendo através de cisão de ligação, não reproduziram os valores experimentais para as barreiras de ativação, mas reproduziram de modo significante, valores da entalpia da reação. Eliminação de eteno e álcool etílico, ocorrendo através de um estado de transição de quatro centros, apresentou a barreira de ativação mais baixa. Acetaldeído e eliminação de etano, ocorrendo através de quatro centros, apresentou barreira significativamente alta, mas por outro lado, a menor entalpia, ligeiramente exotérmica por -0,8 kcal.mol-1. Eliminações 1,2 de metano e carbeno ocorrendo através de três centros, junto com a eliminação 1, 1 de hidrogênio e carbeno por três centros, eliminação 2,2 hidrogênio e carbeno por três centros e eliminação 1,4 de hidrogênio, acetaldeído e eteno por seis centros, apresentaram barreiras de ativação relativamente próximas mostrando que elas são competitivas entre si. Os valores computados dos canais que ocorrem por estados de transição cíclicos foram comparados com os resultados experimentais disponíveis e discutida a validade desta abordagem computacional para o estudo de reações unimoleculares de multi-canais. Determinação de parâmetros termoquímicos, como calor de formação para espécies radicalares dos canais de decomposição primário e alguns radicais alcóxidos, junto com a estimativa de afinidade eletrônica e protônica (com a abordagem ab initio Gaussian 2 a qual estima energias eletrônicas muito precisas) foram efetuados e seus resultados foram comparados com os valores experimentais disponíveis e valores obtidos através de energias de ligação e da regra de aditividade de Benson. / Calculations using methods of electronic structure(Hartree-Fock, second order Moller-Plesset and DFT: B3LYP) had been effected through the Gaussian98 program in microcomputers and workstations, with the objective to elucidate the unimolecular decomposition channels of diethyl ether in gaseous phase. These results also had been compared to those obtained by the methodology based in statistical mechanics through Benson\'s approach. Sixteen primary ways, which, four occur through the break of simple bonds C-O, C-C,C(1)-H, C(2)-H, and twelve occur through cyclical transistion states, which eliminate products as hydrogen, ethene, acetaldehyde, ethane, ethyl alcohol, methyl ethyl ether, methane, some carbenes and also diradicals. These products had been considered to the determination of the activation barriers, enthalpies of reaction, entropies of reaction and free energy of Gibbs of reaction. Primary ways occurring through the break of bonds, had not reproduced experimental values for the activation barriers, however they had reproduced in a significant way, values of the enthalpy of the reaction. Elimination of ethene and ethyl alcohol, occurring by a transition state of four centers, presented the lowest activation barrier. Acetaldehyde and ethane elimination occurring through four centers, presented a high significantly barrier, but on the other hand it presented the smallest enthalpy, lightly exothermic above -0,8 kcal.mol-1. Eliminations 1,2 of methane and carbene occurring through three centers, together with the elimination 1,1 of hydrogen and carbene through three centers, elimination 2,2 of hydrogen and carbene through three centers and elimination 1,4 of hydrogen, acetaldehyde and ethene through six centers, had presented relatively next activation barriers, showing that they are competitive among themselves. The computed values of the channels that occur through cyclical transition states had been compared with the available experimental results and the trustworthiness of this computational boarding for the study of unimolecular reactions in multi-channel had been dicussed. Determination of thermochemical parameters, as heat of formation for radicalar species of the primary channel of decomposition and some alcoxyde radicais, together with the estimative of the electronic and protonic affinities,( with the ab initio Gaussian 2 boarding which estimate very precise eletronic energies ) and their results had been compared with the available experimental values and with values gotten through energies of bond and Benson\'s additivity rule.