Síntese de nanopartículas de cobre para aplicação em nanofluidos industriais

Abstract

A utilização de fluidos refrigerantes é amplamente utilizada em processos químicos tanto em laboratórios quanto nas indústrias, se mostrando de extrema importância nos processos em que são necessários trocas de calor para obtenção de determinados produtos. Esses fluidos podem ser água, hidrocarbonetos, ar, dentre outros. Entretanto, realizando uma dispersão, tipo sol, de partículas sólidas nesses fluidos é possível obter os denominados nanofluidos (NF), os quais são capazes de realizar trocas de calor mais eficientes. Para que esses NF tornem-se viáveis é interessante que o material nanoparticulado se mantenha estável na dispersão. Para isso são utilizados agentes de superfície que são responsáveis pela modificação da superfície da NP ou moléculas multifuncionais responsáveis pela diminuição da energia livre de superfície dos nanomateriais (NM) impedindo o crescimento ou agregação dos nanomateriais. As nanopartículas quando dispersas em meio fluido, estão sujeitas a um conjunto de forças atrativas, que são responsáveis pela agregação e repulsivas favorecendo a formação de aglomerados e a desestabilização da dispersão. Para favorecer o balanço de forças em favor da estabilização dos NF é necessário a modificação dos NM utilizando diferentes estratégias de química de superfícies, como por exemplo, através da geração de uma força eletrostática repulsiva no NM. Essa maneira de estabilização é denominada “Estabilização Eletrostática”, que consiste em promover cargas na superfície dos NM, e como consequência a repulsão entre as partículas por conta da sobreposição da dupla camada elétrica mantendo as partículas dispersas no meio. No presente estudo foi possível obter nanopartículas de cobre contendo 36,58, 38,15 e 2,34 nm utilizando difração de raios X. O revestimento com glicina pode ser comprovado com base na espectroscopia na região do infravermelho no qual NH3+, COO-, e CH2 são grupos funcionais presentes na glicina e possui banda cacterística em 3179, 1607 e 1415 cm-1, respectivamente. Utilizando a espectroscopia na região do ultravioleta-visível foi possível identificar um pico característico de nanopartículas de cobre na região de 560 nm. Por fim, foi realizado um estudo de estabilidade coloidal por meio da técnica de espalhamento de luz dinâmico, no qual foi possível obter uma estabilidade coloidal em torno de 3 dias.

The use of refrigerant fluids is widely used in chemical processes both in laboratories and industries, proving to be extremely important in processes in which heat exchanges are necessary to obtain certain products. These fluids can be water, hydrocarbons, air, among others. However, by carrying out a sol-like dispersion of solid particles in these fluids, it is possible to obtain so-called nanofluids (NF), which are capable of carrying out more efficient heat exchange. For these NF to become viable, it is important that the nanoparticle material remains stable during dispersion. For this purpose, surface agents are used that are responsible for modifying the surface of the NP or multifunctional molecules responsible for decreasing the surface free energy of the nanomaterials (NM), preventing the growth or aggregation of nanomaterials. Nanoparticles, when dispersed in a fluid medium, are subject to a set of attractive forces, which are responsible for aggregation, favoring the formation of agglomerates and destabilizing dispersion and repulsive. To favor the balance of forces in favor of the stabilization of the NF, it is necessary to modify the NM using different surface chemistry strategies, for example, through the generation of a repulsive electrostatic force on the NM. This method of stabilization is called “Electrostatic Stabilization”, which consists of promoting charges on the surface of the NM, and as a consequence the repulsion between the particles due to the overlap of the electrical double layer, keeping the particles dispersed in the medium. In the present study, copper nanoparticles with sizes of 36,58, 38,15, and 2,34 nm were obtained using X-ray diffraction. The coating with glycine was confirmed based on infrared spectroscopy, where NH₃⁺, COO⁻, and CH₂ are functional groups present in glycine, exhibiting characteristic bands at 3179, 1607, and 1415 cm⁻¹, respectively. Additionally, ultraviolet-visible spectroscopy revealed a distinctive peak for copper nanoparticles at 560 nm. Finally, a colloidal stability study was conducted using dynamic light scattering, resulting in colloidal stability lasting approximately 3 days.