Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/32505
ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-1652-2984
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Sensores eletroquímicos e dispositivo analítico combinado a smartphone fabricados por impressão 3D para o controle de qualidade de combustíveis
Alternate title (s): Electrochemical sensors and analytical device combined with smartphone manufactured by 3D printing for fuel quality control
Author: João, Afonso Filipe
First Advisor: Munoz, Rodrigo Alejandro Abarza
First member of the Committee: Silva, Sidnei Gonçalves
Second member of the Committee: Santos, WallansTorres Pio dos
Third member of the Committee: Silva, Iranaldo Santos da
Fourth member of the Committee: Dornellas, Rafael Machado
Summary: O desenvolvimento de métodos analíticos, sensíveis e acessíveis, exequíveis em locais desprovidos de alta tecnologia, que forneçam resultados equiparados aos obtidos pelos métodos convencionais de análise é o propósito fundamental da realização deste trabalho. Portanto, foi usado um celular smartphone dispondo do aplicativo color grab previamente instalado, fornecedor de uma interface do modelo RGB de cor, para leitura das amostras de etanol combustível na determinação de Fe (III). Para este propósito, uma câmara auxiliar (câmara escura) foi construída usando a impressão 3D em Estireno-butadieno-acrilonitrilo (ABS), com o objetivo de garantir uma iluminação constante no momento de aquisição da imagem fornecida pelo flash do celular. A correlação entre a concentração do Fe (III) e a intensidade de cor foi obtida depois da transformação dos componentes RGB em modelo de escala cinza (grayscale model). Seus resultados foram comparados aos obtidos por espectrofotometria e não tiveram diferenças estatisticamente significativas, com resposta linear de 0,5 até 10 mg L-1 (R2 = 0,998) e limite de detecção de 0,1 mg L-1. Em seguida, foram desenvolvidos eletrodos de trabalho usando a impressora 3D (eletrodo planar de trabalho) e usando uma caneta 3D (eletrodo cilíndrico de trabalho), ambos produzidos com filamento polimérico contendo negro de fumo e ácido polilático (CB/PLA), do inglês, Carbon Black/Polylactic acid. Os eletrodos foram submetidos ao tratamento eletroquímico de superfície, o que conferiu grande aumento de resposta analítica, e usados para determinação de metais em etanol combustível, após simples diluição das amostras em eletrólito suporte (0,1 mol L-1 HCl). Por último, um sensor eletroquímico foi produzido usando caneta 3D (eletrodo cilíndrico) e filamentos de grafeno e ácido polilático (G/PLA) para o monitoramento do antioxidante tert-butilhidroquinona (TBHQ) em biodiesel e em bioquerosene. O tratamento eletroquímico da superfície do eletrodo impresso facilitou a oxidação eletroquímica do TBHQ em +0,1 V em eletrólito tampão Britton–Robinson (BR) 0,12 mol L−1 (pH= 4,05) com surfactante sulfato dodecil de sódio (SDS) para formação da emulsão com biodiesel ou bioquerosene. O sensor voltamétrico proposto apresentou uma larga faixa linear (até 0,3-400 μmol L−1, r > 0,99). O limite de detecção (LD) foi estimado a 0,1 μmol L−1 e o limite de quantificação (LQ) de 0,3 μmol L−1. Os cátions Fe3+, Pb2+, Cu2+, Mn2+ e Cr2+ não apresentaram interferência no sinal do TBHQ em biodiesel e bioquerosene. Todos os eletrodos produzidos por impressão 3D (impressora ou caneta 3D) apresentaram alta precisão (Inter-eletrodo, n=3, DPR < 5%). Todos os métodos propostos nesta tese com auxílio da impressão 3D são portáteis e podem ser aplicados em campo no controle de qualidade de combustíveis.
Abstract: The analytical development of sensitive and accessible methods, feasible in places without high technology, which provide equivalent results to those obtained using conven-tional methods of analysis is the fundamental purpose of carrying out this work. Firstly, a smartphone was used with the previously installed color grab application that had an RGB color model interface, to read samples of fuel ethanol in determination of iron (III). For this purpose, an auxiliary camera “dark chamber” was built using 3D printing in Styrene-butadiene-acrylonitrile (ABS), to guarantee constant lighting when acquiring the image pro-vided by the cell phone flash. The correlation between the concentration of Fe (III) and the color intensity was obtained after the transformation of the RGB components into a gray scale model (grayscale model). Its results were compared to those obtained by spectrophotometry and the results had no statistically significant differences, with a linear response of 0.5 and 10 mg L-1 (R2 = 0.998) and limit of detection 0.1 mg L-1. Then, electrochemical electrodes were developed using a 3D printer (planar working electrode) and using a 3D pen (cylindrical working electrode), both manufactured with polymeric filament containing carbon black and polylactic acid (CB / PLA). After the CB / PLA electrodes were subjected to the electrochemical surface treatment, which gave a great increase in the response of the analytes, the electrodes were used to determine metals in fuel ethanol, after simple dilution of the samples in support electrolyte (0.1 mol L-1 HCl). Finally, an electrochemical sensor was manufactured using a 3D pen (cylindrical electrode) and filaments of graphene and polylactic acid (G / PLA) for moni-toring the antioxidant tert-butylhydroquinone (TBHQ) in biodiesel and biokerosene. The elec-trochemical treatment of the printed electrode surface facilitated the electrochemical oxidation of TBHQ in Britton – Robinson buffer electrolyte (BR) 0.12 mol L − 1 (pH = 4.05) with the sodium dodecyl sulfate surfactant to form the emulsion with biodiesel or biokerosene. The proposed voltammetric sensor had a wide linear range (0.3 - 400 μmol L − 1, r > 0.99). The limit of detection (LOD) was estimated at 0.1 μmol L − 1 and the limit of quantification (LOQ) was 0.3 μmol L−1. The Fe3+, Pb2+, Cu2+, Mn2+ and Cr2+ cations did not interfere with the TBHQ signal in biodiesel or biokerosene. All electrodes manufactured by 3D printing (3D printer or pen) showed high precision (Inter-electrode, n = 3, DPR <5%). All analytical meth-ods proposed in this thesis with the aid of 3D printing are portable and can be applied in field for the quality control of fuels.
Keywords: Impressão 3D
Metais
Colorimetria
SWASV
biocombustíveis
antioxidantes
3D printing
Biofuels
Antioxidants
Metals
Colorimetry
SWASV
Area (s) of CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA ANALITICA::ELETROANALITICA
Subject: Química
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Química
Quote: JOÃO, Afonso Filipe. Sensores eletroquímicos e dispositivo analítico combinado a smartphone fabricados por impressão 3D para o controle de qualidade de combustíveis. 2021. 159 f. Tese (Doutorado em Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2021. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2021.334.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2021.334
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/32505
Date of defense: 2-Jul-2021
Appears in Collections:TESE - Química

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
SensoresEletroquímicosDispositivo.pdfTese5.83 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons