Equação de Poisson-Boltzmann e teoria do funcional da densidade clássica aplicadas a sistemas eletrolíticos: desde sistemas biológicos até recuperação avançada de petróleo
Ano de defesa: | 2019 |
---|---|
Autor(a) principal: | |
Orientador(a): | |
Banca de defesa: | , , , , |
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. |
id |
UERJ_be6303cc5e2e32c98ceb631178d16f0f |
---|---|
oai_identifier_str |
oai:www.bdtd.uerj.br:1/11879 |
network_acronym_str |
UERJ |
network_name_str |
Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ |
repository_id_str |
|
spelling |
Lima, Eduardo Rocha de Almeidahttp://lattes.cnpq.br/3438617323078694Tavares, Frederico Wanderleyhttp://lattes.cnpq.br/7493008178841307Pedroni, Lucas Gomeshttp://lattes.cnpq.br/6984452344451669Costa, Luciano Tavareshttp://lattes.cnpq.br/4530528894939472Pereira Junior, Amaro Olímpiohttp://lattes.cnpq.br/2040156874891038Alijó, Pedro Henrique Rodrigueshttp://lattes.cnpq.br/2018724054910025Paredes, Marcio Luis Lyrahttp://lattes.cnpq.br/3351408490818921http://lattes.cnpq.br/2037042523024345Barbosa, Nathalia Salles Vernin2021-01-06T19:26:05Z2019-04-252019-02-18BARBOSA, Nathalia Salles Vernin. Equação de Poisson-Boltzmann e teoria do funcional da densidade clássica aplicadas a sistemas eletrolíticos: desde sistemas biológicos até recuperação avançada de petróleo. 2019. 206 f. 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). No. of bitstreams: 1 Tese Engenharia Quimica Nathalia Salles Vernin Barbosa.pdf: 11214308 bytes, checksum: cec2f730a47f476e76b7e219cf797511 (MD5) Previous issue date: 2019-02-18Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superiorapplication/pdfporUniversidade do Estado do Rio de JaneiroPrograma de Pós-Graduação em Engenharia QuímicaUERJBRCentro de Tecnologia e Ciências::Instituto de QuímicaElectrolytePoisson-Boltzmann EquationDensity Functional TheoryNon-electrostatic interactionsLifshitz TheoryEletrólitosEquação de Poisson-BoltzmannTeoria do Funcional da DensidadeInterações não eletrostáticasTeoria de LifshitzCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICAEquação de Poisson-Boltzmann e teoria do funcional da densidade clássica aplicadas a sistemas eletrolíticos: desde sistemas biológicos até recuperação avançada de petróleoPoisson-Boltzmann equation and classical Density Functional Theory applied to electrolyte solutions: from biological systems to enhanced oil recoveryinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJinstname:Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)instacron:UERJORIGINALTese Engenharia Quimica Nathalia Salles Vernin Barbosa.pdfapplication/pdf11214308http://www.bdtd.uerj.br/bitstream/1/11879/1/Tese+Engenharia+Quimica+Nathalia+Salles+Vernin+Barbosa.pdfcec2f730a47f476e76b7e219cf797511MD511/118792024-02-27 15:35:55.401oai:www.bdtd.uerj.br:1/11879Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.bdtd.uerj.br/PUBhttps://www.bdtd.uerj.br:8443/oai/requestbdtd.suporte@uerj.bropendoar:29032024-02-27T18:35:55Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ - Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)false |
dc.title.por.fl_str_mv |
Equação de Poisson-Boltzmann e teoria do funcional da densidade clássica aplicadas a sistemas eletrolíticos: desde sistemas biológicos até recuperação avançada de petróleo |
dc.title.alternative.eng.fl_str_mv |
Poisson-Boltzmann equation and classical Density Functional Theory applied to electrolyte solutions: from biological systems to enhanced oil recovery |
title |
Equação de Poisson-Boltzmann e teoria do funcional da densidade clássica aplicadas a sistemas eletrolíticos: desde sistemas biológicos até recuperação avançada de petróleo |
spellingShingle |
Equação de Poisson-Boltzmann e teoria do funcional da densidade clássica aplicadas a sistemas eletrolíticos: desde sistemas biológicos até recuperação avançada de petróleo Barbosa, Nathalia Salles Vernin Electrolyte Poisson-Boltzmann Equation Density Functional Theory Non-electrostatic interactions Lifshitz Theory Eletrólitos Equação de Poisson-Boltzmann Teoria do Funcional da Densidade Interações não eletrostáticas Teoria de Lifshitz CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA |
title_short |
Equação de Poisson-Boltzmann e teoria do funcional da densidade clássica aplicadas a sistemas eletrolíticos: desde sistemas biológicos até recuperação avançada de petróleo |
title_full |
Equação de Poisson-Boltzmann e teoria do funcional da densidade clássica aplicadas a sistemas eletrolíticos: desde sistemas biológicos até recuperação avançada de petróleo |
title_fullStr |
Equação de Poisson-Boltzmann e teoria do funcional da densidade clássica aplicadas a sistemas eletrolíticos: desde sistemas biológicos até recuperação avançada de petróleo |
title_full_unstemmed |
Equação de Poisson-Boltzmann e teoria do funcional da densidade clássica aplicadas a sistemas eletrolíticos: desde sistemas biológicos até recuperação avançada de petróleo |
title_sort |
Equação de Poisson-Boltzmann e teoria do funcional da densidade clássica aplicadas a sistemas eletrolíticos: desde sistemas biológicos até recuperação avançada de petróleo |
author |
Barbosa, Nathalia Salles Vernin |
author_facet |
Barbosa, Nathalia Salles Vernin |
author_role |
author |
dc.contributor.advisor1.fl_str_mv |
Lima, Eduardo Rocha de Almeida |
dc.contributor.advisor1Lattes.fl_str_mv |
http://lattes.cnpq.br/3438617323078694 |
dc.contributor.advisor-co1.fl_str_mv |
Tavares, Frederico Wanderley |
dc.contributor.advisor-co1Lattes.fl_str_mv |
http://lattes.cnpq.br/7493008178841307 |
dc.contributor.referee1.fl_str_mv |
Pedroni, Lucas Gomes |
dc.contributor.referee1Lattes.fl_str_mv |
http://lattes.cnpq.br/6984452344451669 |
dc.contributor.referee2.fl_str_mv |
Costa, Luciano Tavares |
dc.contributor.referee2Lattes.fl_str_mv |
http://lattes.cnpq.br/4530528894939472 |
dc.contributor.referee3.fl_str_mv |
Pereira Junior, Amaro Olímpio |
dc.contributor.referee3Lattes.fl_str_mv |
http://lattes.cnpq.br/2040156874891038 |
dc.contributor.referee4.fl_str_mv |
Alijó, Pedro Henrique Rodrigues |
dc.contributor.referee4Lattes.fl_str_mv |
http://lattes.cnpq.br/2018724054910025 |
dc.contributor.referee5.fl_str_mv |
Paredes, Marcio Luis Lyra |
dc.contributor.referee5Lattes.fl_str_mv |
http://lattes.cnpq.br/3351408490818921 |
dc.contributor.authorLattes.fl_str_mv |
http://lattes.cnpq.br/2037042523024345 |
dc.contributor.author.fl_str_mv |
Barbosa, Nathalia Salles Vernin |
contributor_str_mv |
Lima, Eduardo Rocha de Almeida Tavares, Frederico Wanderley Pedroni, Lucas Gomes Costa, Luciano Tavares Pereira Junior, Amaro Olímpio Alijó, Pedro Henrique Rodrigues Paredes, Marcio Luis Lyra |
dc.subject.eng.fl_str_mv |
Electrolyte Poisson-Boltzmann Equation Density Functional Theory Non-electrostatic interactions Lifshitz Theory |
topic |
Electrolyte Poisson-Boltzmann Equation Density Functional Theory Non-electrostatic interactions Lifshitz Theory Eletrólitos Equação de Poisson-Boltzmann Teoria do Funcional da Densidade Interações não eletrostáticas Teoria de Lifshitz CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA |
dc.subject.por.fl_str_mv |
Eletrólitos Equação de Poisson-Boltzmann Teoria do Funcional da Densidade Interações não eletrostáticas Teoria de Lifshitz |
dc.subject.cnpq.fl_str_mv |
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA |
description |
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. |
publishDate |
2019 |
dc.date.available.fl_str_mv |
2019-04-25 |
dc.date.issued.fl_str_mv |
2019-02-18 |
dc.date.accessioned.fl_str_mv |
2021-01-06T19:26:05Z |
dc.type.status.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
dc.type.driver.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
format |
doctoralThesis |
status_str |
publishedVersion |
dc.identifier.citation.fl_str_mv |
BARBOSA, Nathalia Salles Vernin. Equação de Poisson-Boltzmann e teoria do funcional da densidade clássica aplicadas a sistemas eletrolíticos: desde sistemas biológicos até recuperação avançada de petróleo. 2019. 206 f. Tese (Doutorado em Processos Químicos e Meio Ambiente) - Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2019. |
dc.identifier.uri.fl_str_mv |
http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/11879 |
identifier_str_mv |
BARBOSA, Nathalia Salles Vernin. Equação de Poisson-Boltzmann e teoria do funcional da densidade clássica aplicadas a sistemas eletrolíticos: desde sistemas biológicos até recuperação avançada de petróleo. 2019. 206 f. Tese (Doutorado em Processos Químicos e Meio Ambiente) - Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2019. |
url |
http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/11879 |
dc.language.iso.fl_str_mv |
por |
language |
por |
dc.rights.driver.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/openAccess |
eu_rights_str_mv |
openAccess |
dc.format.none.fl_str_mv |
application/pdf |
dc.publisher.none.fl_str_mv |
Universidade do Estado do Rio de Janeiro |
dc.publisher.program.fl_str_mv |
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química |
dc.publisher.initials.fl_str_mv |
UERJ |
dc.publisher.country.fl_str_mv |
BR |
dc.publisher.department.fl_str_mv |
Centro de Tecnologia e Ciências::Instituto de Química |
publisher.none.fl_str_mv |
Universidade do Estado do Rio de Janeiro |
dc.source.none.fl_str_mv |
reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ instname:Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) instacron:UERJ |
instname_str |
Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) |
instacron_str |
UERJ |
institution |
UERJ |
reponame_str |
Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ |
collection |
Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ |
bitstream.url.fl_str_mv |
http://www.bdtd.uerj.br/bitstream/1/11879/1/Tese+Engenharia+Quimica+Nathalia+Salles+Vernin+Barbosa.pdf |
bitstream.checksum.fl_str_mv |
cec2f730a47f476e76b7e219cf797511 |
bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv |
MD5 |
repository.name.fl_str_mv |
Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ - Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) |
repository.mail.fl_str_mv |
bdtd.suporte@uerj.br |
_version_ |
1792352162701901824 |