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Produção escalonada de óxido de grafeno: avanços na síntese, purificação automatizada e desenvolvimento de membranas para tratamento de água

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Dias, Matheus Santos
Orientador(a): Maroneze, Camila Marchetti
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
eng
Instituição de defesa: Universidade Presbiteriana Mackenzie
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
óxido de grafeno
purificação automatizada
membranas de filtração
Link de acesso: https://dspace.mackenzie.br/handle/10899/41353
Resumo: A transição do óxido de grafeno (GO) de uma curiosidade laboratorial para um material tecnológico estratégico depende da capacidade de produzi-lo e purificá-lo de maneira efi ciente, reprodutível e em larga escala. Esta tese apresenta o desenvolvimento de uma rota tecnológica integrada para a produção de GO em escala pré-piloto, abrangendo desde a síntese química otimizada e o escalonamento controlado até a purificação automatizada e a aplicação do material em membranas avançadas para tratamento de água. Inicialmente, é abordada a ampliação do método de Hummers, partindo de protocolos de bancada para reatores controlados, com análise detalhada dos desafios de engenharia e das questões de qualidade associadas ao aumento de escala do processo. Em seguida, foi projetado um sistema de purificação totalmente automatizado e escalável, integrando módulos híbridos de diálise e filtração por fluxo tangencial, monitoramento em tempo real por sensores e controle avançado de processos. Este sistema permitiu uma redução significativa do tempo de processamento, do consumo de água e da intervenção do operador, garantindo alta reprodutibilidade e pureza superior do material, comprovada por análises de condu tividade, ICP-OES e Cromatografia Iônica. Por fim, o GO purificado é empregado na fabricação de membranas lamelares para purificação de água, demonstrando elevado fluxo de permeado, rejeição iônica e estabilidade estrutural nos testes de filtração. A plata forma modular desenvolvida neste trabalho oferece uma solução tecnológica viável para a produção e aplicação industrial de GO, abordando desafios críticos de síntese, purificação e validação do nanomaterial. Os resultados destacam o potencial do GO como material estratégico para o desenvolvimento de tecnologias avançadas de separação, contribuindo para a escalabilidade e maturidade tecnológica dos derivados de grafeno.
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spelling Dias, Matheus SantosMaroneze, Camila Marchetti2025-09-29T18:34:13Z2025-08-07https://dspace.mackenzie.br/handle/10899/41353A transição do óxido de grafeno (GO) de uma curiosidade laboratorial para um material tecnológico estratégico depende da capacidade de produzi-lo e purificá-lo de maneira efi ciente, reprodutível e em larga escala. Esta tese apresenta o desenvolvimento de uma rota tecnológica integrada para a produção de GO em escala pré-piloto, abrangendo desde a síntese química otimizada e o escalonamento controlado até a purificação automatizada e a aplicação do material em membranas avançadas para tratamento de água. Inicialmente, é abordada a ampliação do método de Hummers, partindo de protocolos de bancada para reatores controlados, com análise detalhada dos desafios de engenharia e das questões de qualidade associadas ao aumento de escala do processo. Em seguida, foi projetado um sistema de purificação totalmente automatizado e escalável, integrando módulos híbridos de diálise e filtração por fluxo tangencial, monitoramento em tempo real por sensores e controle avançado de processos. Este sistema permitiu uma redução significativa do tempo de processamento, do consumo de água e da intervenção do operador, garantindo alta reprodutibilidade e pureza superior do material, comprovada por análises de condu tividade, ICP-OES e Cromatografia Iônica. Por fim, o GO purificado é empregado na fabricação de membranas lamelares para purificação de água, demonstrando elevado fluxo de permeado, rejeição iônica e estabilidade estrutural nos testes de filtração. A plata forma modular desenvolvida neste trabalho oferece uma solução tecnológica viável para a produção e aplicação industrial de GO, abordando desafios críticos de síntese, purificação e validação do nanomaterial. Os resultados destacam o potencial do GO como material estratégico para o desenvolvimento de tecnologias avançadas de separação, contribuindo para a escalabilidade e maturidade tecnológica dos derivados de grafeno.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de NívelCNPQ - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoIPM - Instituto Presbiteriano MackenzieMackPesquisa - Fundo Mackenzie de PesquisaporengUniversidade Presbiteriana Mackenzieóxido de grafenopurificação automatizadamembranas de filtraçãoProdução escalonada de óxido de grafeno: avanços na síntese, purificação automatizada e desenvolvimento de membranas para tratamento de águainfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Digital do Mackenzieinstname:Universidade Presbiteriana Mackenzie (MACKENZIE)instacron:MACKENZIEinfo:eu-repo/semantics/openAccesshttp://lattes.cnpq.br/2414168927233444https://orcid.org/0000-0002-6835-4476http://lattes.cnpq.br/0068719291437559Ribeiro, Héliohttp://lattes.cnpq.br/0766240077339002Simões, Paulo José de Aguiarhttp://lattes.cnpq.br/9281522944369099http://orcid.org/0000-0002-4819-1884Angelo, Edvaldohttp://lattes.cnpq.br/3051029504172940https://orcid.org/0000-0001-7840-285XSilva Filho, Edson Cavalcanti daMarangoni, Valéria Spolonhttp://lattes.cnpq.br/7892423373858047http://lattes.cnpq.br/2367731800019171https://orcid.org/0000-0003-0988-2970https://orcid.org/0000-0002-3732-504XThe transition of graphene oxide (GO) from a laboratory curiosity to a strategic technolo gical material depends on the ability to produce and purify it efficiently, reproducibly, and on a large scale. This thesis presents the development of an integrated technological route for the pre-pilot scale production of GO, encompassing optimized chemical synthesis and controlled scaling, as well as automated purification and the application of the material in advanced membranes for water treatment. Initially, the work addresses the upscaling of the Hummers method, moving from benchtop protocols to controlled reactors, with a detailed analysis of engineering challenges and quality issues associated with scaling up the process. Next, a fully automated and scalable purification system was designed, inte grating hybrid dialysis and tangential flow filtration modules, real-time monitoring with sensors, and advanced process control. This system enabled a significant reduction in pro cessing time, water consumption, and operator intervention, ensuring high reproducibility and superior material purity, as demonstrated by conductivity measurements, ICP-OES, and ion chromatography analyses. Finally, the purified GO is used to fabricate lamellar membranes for water purification, demonstrating high permeate flux, ionic rejection, and structural stability in filtration tests. The modular platform developed in this work of fers a viable technological solution for the industrial production and application of GO, addressing critical challenges in synthesis, purification, and nanomaterial validation. The results highlight the potential of GO as a strategic material for the development of ad vanced separation technologies, contributing to the scalability and technological maturity of graphene derivatives.Empresa/Indústria: Petrobrasgraphene oxideautomated purificationfiltration membranesBrasilEscola de Engenharia Mackenzie (EE)UPMEngenharia de Materiais e NanotecnologiaENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICAORIGINALMATHEUS SANTOS DIAS - protegido.pdfMATHEUS SANTOS DIAS - protegido.pdfapplication/pdf104674032https://dspace.mackenzie.br/bitstreams/8c471df0-7a82-4e80-947d-f34cd0b4e9a5/download10c294b4d7a97a6eb56b7392b8843fefMD51trueAnonymousREADLICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-82207https://dspace.mackenzie.br/bitstreams/65f9e4ea-0cf0-4e76-b3f9-de4cfe57d53c/downloada092685f5fe02015fe6064807ee8feefMD52falseAnonymousREADTEXTMATHEUS SANTOS DIAS - protegido.pdf.txtMATHEUS SANTOS DIAS - protegido.pdf.txtExtracted texttext/plain103146https://dspace.mackenzie.br/bitstreams/e7ba20f4-d5ba-4b83-a9a5-404311dd012d/downloadc65a6989f832e62ed5ffcc4b0e18474dMD53falseAnonymousREADTHUMBNAILMATHEUS SANTOS DIAS - protegido.pdf.jpgMATHEUS SANTOS DIAS - protegido.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg3585https://dspace.mackenzie.br/bitstreams/5ee3e354-3790-402a-9bfa-f74dc28bf1e9/download6975827f041552db1215c4396f83492cMD54falseAnonymousREAD10899/413532025-09-30T06:03:19.865864Zopen.accessoai:dspace.mackenzie.br:10899/41353https://dspace.mackenzie.brBiblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://tede.mackenzie.br/jspui/PRIhttps://adelpha-api.mackenzie.br/server/oai/repositorio@mackenzie.br||paola.damato@mackenzie.bropendoar:102772025-09-30T06:03:19Repositório Digital do Mackenzie - Universidade Presbiteriana Mackenzie (MACKENZIE)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