Equação de Poisson-Boltzmann e teoria do funcional da densidade clássica aplicadas a sistemas eletrolíticos: desde sistemas biológicos até recuperação avançada de petróleo

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2019
Autor(a) principal: Barbosa, Nathalia Salles Vernin lattes
Orientador(a): Lima, Eduardo Rocha de Almeida lattes
Banca de defesa: Pedroni, Lucas Gomes lattes, Costa, Luciano Tavares lattes, Pereira Junior, Amaro Olímpio lattes, Alijó, Pedro Henrique Rodrigues lattes, Paredes, Marcio Luis Lyra lattes
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
Departamento: Centro de Tecnologia e Ciências::Instituto de Química
País: BR
Palavras-chave em Português:
Palavras-chave em Inglês:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/11879
Resumo: Electrostatic interactions play an indispensable role in physical, biological, and chemical processes. Therefore, the study of such interactions provides a better understanding of counterintuitive phenomena, as well as guiding the development of new solutions and strategies at the industrial level. The techniques used for modeling electrolyte systems can be classified as implicit methods, integral equations and classical density functional theory, explicit methods, and hybrid methods. In this thesis, the Poisson-Boltzmann equation (PBE) and the classical density functional theory (DFT) were used. At PBE level, (i) the transmembrane ion partition of an erythrocyte was evaluated through the inclusion of the non-electrostatic interactions and Bohr term, being possible to take into account the effects of the change in the dielectric constant between intra and extracellular environments; (ii) the electrical behavior of the Bacillus brevis cell wall was investigated with the charge-regulated volume bounded-charge density approach; and (iii) the contact angle and wetting of a three-phase system (two liquids and a solid surface) was determined. Unlike the former two systems, which have biological appeal, the latter was investigated aiming at the application in the enhanced oil recovery through the injection of an aqueous electrolyte solution. Furthermore, the DFT was developed in three-dimensional coordinates with convolutions calculated by the fast Fourier transform, and applied to the analysis of the wettability and contact angle of a system characterized by brine/ hydrocarbon/ rock. Understanding the effects of engineered water injection is of paramount importance to the oil recovery as it allows the rational selection of the composition of this water. It is worth mentioning that the application of DFT to study liquid/liquid/solid substrate system as well as the inclusion of the Bohr term in the PBE and the volumetric charge-regulated approach, as far as we could track, have not been performed in the literature. Finally, the balancing of the intrinsic approximations of the PBE might cancel them out, promoting an excellent reproduction of experimental data, depending on the system to be studied, as demonstrated in the prediction of the ionic partition of the Cl‒ ion that occurs passively in the erythrocyte and zeta potential of B. brevis cell wall. On the other hand, the DFT is important to study complex systems, such as confined systems with high ionic concentrations, since it has a higher level of detail.
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Tese (Doutorado em Processos Químicos e Meio Ambiente) - Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2019.http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/11879Electrostatic interactions play an indispensable role in physical, biological, and chemical processes. Therefore, the study of such interactions provides a better understanding of counterintuitive phenomena, as well as guiding the development of new solutions and strategies at the industrial level. The techniques used for modeling electrolyte systems can be classified as implicit methods, integral equations and classical density functional theory, explicit methods, and hybrid methods. In this thesis, the Poisson-Boltzmann equation (PBE) and the classical density functional theory (DFT) were used. At PBE level, (i) the transmembrane ion partition of an erythrocyte was evaluated through the inclusion of the non-electrostatic interactions and Bohr term, being possible to take into account the effects of the change in the dielectric constant between intra and extracellular environments; (ii) the electrical behavior of the Bacillus brevis cell wall was investigated with the charge-regulated volume bounded-charge density approach; and (iii) the contact angle and wetting of a three-phase system (two liquids and a solid surface) was determined. Unlike the former two systems, which have biological appeal, the latter was investigated aiming at the application in the enhanced oil recovery through the injection of an aqueous electrolyte solution. Furthermore, the DFT was developed in three-dimensional coordinates with convolutions calculated by the fast Fourier transform, and applied to the analysis of the wettability and contact angle of a system characterized by brine/ hydrocarbon/ rock. Understanding the effects of engineered water injection is of paramount importance to the oil recovery as it allows the rational selection of the composition of this water. It is worth mentioning that the application of DFT to study liquid/liquid/solid substrate system as well as the inclusion of the Bohr term in the PBE and the volumetric charge-regulated approach, as far as we could track, have not been performed in the literature. Finally, the balancing of the intrinsic approximations of the PBE might cancel them out, promoting an excellent reproduction of experimental data, depending on the system to be studied, as demonstrated in the prediction of the ionic partition of the Cl‒ ion that occurs passively in the erythrocyte and zeta potential of B. brevis cell wall. On the other hand, the DFT is important to study complex systems, such as confined systems with high ionic concentrations, since it has a higher level of detail.As interações eletrostáticas desempenham um papel fundamental nos processos físicos, biológicos e químicos. Logo, o estudo de tais interações propicia um melhor entendimento de fenômenos contraintuitivos, além de nortear o desenvolvimento de novas soluções e estratégias em nível industrial. As técnicas utilizadas na modelagem de sistemas contendo eletrólitos podem ser classificadas em métodos implícitos, equações integrais e teoria do funcional da densidade clássica, métodos explícitos, e métodos híbridos. Nesta tese, utilizou-se a equação de Poisson-Boltzmann (PBE) e teoria do funcional da densidade clássica (DFT). Por meio da PBE, (i) avaliou-se a partição iônica transmembrana em um eritrócito com a inclusão das interações não eletrostáticas e do termo de Bohr, sendo possível contabilizar o efeito da mudança da constante dielétrica entre os meios intracelular e extracelular; (ii) investigou-se o comportamento elétrico da parede celular da bactéria Bacillus brevis, com a abordagem de regulação de carga no perfil de densidade volumétrica de carga fixa; e (iii) determinou-se o ângulo de contato e molhabilidade de um sistema constituído por três fases (dois líquidos e uma superfície sólida). Diferentemente dos dois primeiros sistemas, que possuem apelo biológico, o último foi desenvolvido visando a aplicação na recuperação avançada de petróleo por meio da injeção de uma solução eletrolítica aquosa. Além disso, um modelo baseado na DFT foi desenvolvido em domínio tridimensional com convoluções calculadas através da transformada de Fourier rápida e aplicado na análise da molhabilidade e ângulo de contato de um sistema caracterizado por salmoura/ hidrocarboneto/ rocha. A compreensão dos efeitos da injeção de água projetada é de suma importância para a recuperação de petróleo, uma vez que permite a seleção racional da composição desta água. Vale ressaltar, que essa aplicação da DFT para sistema líquido/ líquido/ sólido, assim como a inclusão do termo de Bohr na PBE e a abordagem volumétrica da regulação de carga são inovações na literatura, até onde se pôde rastrear. Conclui-se que o balanceamento das aproximações intrínsecas da PBE pode fazer com que as mesmas se anulem, promovendo uma excelente reprodução de dados experimentais, dependendo do sistema a ser estudado, como demonstrado na predição da partição iônica do íon Cl‒, que ocorre passivamente, no eritrócito e do potencial zeta da parede celular da bactéria B. brevis. Por outro lado, a DFT é primordial para sistemas complexos, tais como: sistemas confinados e com altas concentrações iônicas, uma vez que possui um maior nível de detalhamento.Submitted by Boris Flegr (boris@uerj.br) on 2021-01-06T19:26:05Z No. of bitstreams: 1 Tese Engenharia Quimica Nathalia Salles Vernin Barbosa.pdf: 11214308 bytes, checksum: cec2f730a47f476e76b7e219cf797511 (MD5)Made available in DSpace on 2021-01-06T19:26:05Z (GMT). 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