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http://www.tede2.ufrpe.br:8080/tede2/handle/tede2/8583
Tipo do documento: | Dissertação |
Título: | Nanopartículas plasmônicas aplicadas para processos de destilação solar |
Autor: | VIEIRA, Aline de Melo ![]() |
Primeiro orientador: | OCAS, Albert Stevens Reyna |
Primeiro membro da banca: | MILLÁN, Diego José Rátiva |
Segundo membro da banca: | GARCIA, Ramón Raudel Peña |
Resumo: | Nanopartículas metálicas (NPs), em especial as de metais nobres como ouro e prata, tem atraído grande atenção da comunidade científica devido a possibilidade de sintonizar e otimizar suas propriedades ópticas, como absorção e refração da luz, em uma ampla região espectral, através do fenômeno de ressonância de plásmon localizado na superfície. Tal procedimento de sintonização pode ser alcançado por controlar a forma e tamanho das NPs metálicas, bem como as condições do meio hospedeiro, permitindo assim, suas aplicações em diversas áreas que vão desde a medicina, energia até o desenvolvimento de novas tecnologias baseadas em dispositivos plasmônicos. Nesta dissertação, nanofluídos plasmônicos constituídos por NPs de ouro, com morfologias e tamanhos variados, foram projetados, fabricados, caracterizados e aplicados em experimentos voltados à absorção e aproveitamento de energia solar. Para avaliar a eficiência das diferentes configurações de NPs, morfologias do tipo nanoesferas e nanobastões de ouro recobertos com casca de sílica, bem como nanocascas de ouro com núcleo de sílica foram sintetizadas. As simulações mostram que a banda de plásmon longitudinal, presente em NPs anisotrópicas com formato de nanobastões, favorecem a sintonização entre o espectro de absorção e irradiância solar, resultando em coletores solares mais eficientes. Contudo, o espectro de absorção de banda larga das nanocascas de ouro permite alcançar uma eficiência de absorção solar de ~98%, mesmo usando coletores solares finos. Os nanofluídos foram aplicados em experimentos de captação de radiação solar, em laboratório (usando um simulador solar) e em campo, para monitorar a influência da morfologia e tamanho das NPs no incremento da temperatura dos fluídos e na geração de vapor devido à absorção de radiação. Os resultados mostram que em baixa irradiância solar, as NPs plasmônicas se comportam como bons nanoaquecedores para coletores solares de absorção direta, aumentando a temperatura dos nanofluídos em 5 vezes se comparado aos fluidos de base típicos. Por outro lado, em altas irradiâncias solares, o controle sobre a geometria das NPs plasmônicas permite a geração de grandes quantidades de vapor, tornando os nanofluidos plasmônicos atrativos para aplicações em destilação solar direta. As NPs plasmônicas foram testadas para otimizar a eficiência de um sistema de destilação de etanol, movido a energia solar, realizando experiências com uma mistura de água e etanol, bem como usando o caldo de cana-de-açúcar fermentado (vinho), cedido por uma usina localizada no município de Cabo de Santo Agostinho – Pernambuco. Os experimentos realizados nesta dissertação favorecem o desenvolvimento de uma nova tecnologia sustentável, reduzindo a emissão de gases poluentes produzidos no processo convencional de produção de biocombustíveis e bebidas alcoólicas. |
Abstract: | Metal nanoparticles (NPs), especially those of noble metals such as gold and silver, have attracted great attention from the scientific community due to the possibility of tuning and optimizing their optical properties, such as absorption and refraction, in a wide spectral region, through the localized surface plasmon (LSP) phenomenon. Such a tuning procedure can be achieved by controlling the shape and size of the metal NPs, as well as the conditions of the host medium, thus allowing their applications in various areas ranging from medicine, energy to the development of new technologies based on plasmonic devices. In this dissertation, plasmonic nanofluids constituted of gold NPs, with variable morphologies and sizes, were designed, synthesized, characterized and applied solar energy harvesting and harnessing systems. To analyze the solar thermal conversion efficiency, gold nanospheres and nanorods, coated with a silica shell, as well as silica-gold core-shell NPs were synthesized. Theoretical results show that the presence of the longitudinal LSP band, present in the rod-shaped anisotropic NPs, favors the matching with the solar irradiance spectrum, giving rise to more efficient solar collectors. However, the broadband absorption spectrum of the gold nanoshells allows DASC efficiencies of 98% to be achieved, even using thin solar collectors. The nanofluids were applied experimental studies on solar energy harvesting (using a solar simulator) and in real conditions, to monitor the influence of the NP´s morphology and size on the efficiency to heat fluids and generate steam. It was demonstrated that at low solar irradiance, plasmonic NPs behave as good nanoheaters for direct absorption solar collectors, reaching nanofluid temperature increases of 5 times higher than in typical base fluids. On the other hand, at high solar irradiances, control over the plasmonic NP geometry allows the generation of large steam amounts, making plasmonic nanofluids attractive for applications in direct solar distillation. Plasmonic NPs were tested to optimize the efficiency of an ethanol solar distillation system, carrying out experiments with a mixture of water and ethanol, as well as using fermented sugarcane juice (wine), donated by a plant located in the city of Cabo de Santo Agostinho - Pernambuco.The experiments carried out in this dissertation support the development of a new sustainable technology, with great potential to reduce the greenhouse gases emission, produced in the conventional distillation process of biofuels and alcoholic beverages. |
Palavras-chave: | Nanopartícula Energia solar Nanofluído Plasmônica Bioetanol |
Área(s) do CNPq: | ENGENHARIAS |
Idioma: | por |
País: | Brasil |
Instituição: | Universidade Federal Rural de Pernambuco |
Sigla da instituição: | UFRPE |
Departamento: | Unidade Acadêmica do Cabo de Santo Agostinho |
Programa: | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Física |
Citação: | VIEIRA, Aline de Melo. Nanopartículas plasmônicas aplicadas para processos de destilação solar. 2021. 106 f. Dissertação (Programa de Pós-Graduação em Engenharia Física) - Universidade Federal Rural de Pernambuco, Cabo de Santo Agostinho. |
Tipo de acesso: | Acesso Aberto |
URI: | http://www.tede2.ufrpe.br:8080/tede2/handle/tede2/8583 |
Data de defesa: | 26-Fev-2021 |
Aparece nas coleções: | Mestrado em Engenharia Física |
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