https://hdl.handle.net/1884/39733 2026-04-25T11:25:30Z 2026-04-25T11:25:30Z https://hdl.handle.net/1884/98207 2026-04-09T16:13:55Z 2025-01-01T00:00:00Z

Estudo de celulose microfibrilada incorporada com cloreto de potássio aplicada como matriz sólida dopante em transistores orgânicos eletroquímicos Resumo: Este trabalho investigou o uso potencial de celulose microfibrilada (MFC) incorporada com cloreto de potássio (MFC:KCl) como matriz sólida dopante em transistores orgânicos de porta eletrolítica. Para tal, construíram-se transistores compostos por eletrodos interdigitados de ouro como fonte e dreno, com um filme fino de poli(3-hexiltiofeno) (P3HT) como canal semicondutor, uma placa de tungstênio como eletrodo de porta e a MFC:KCl umedecida em água deionizada como eletrólito. Para comparar com um dispositivo de referência, um transistor similar, mas com eletrólito de KCl solubilizado em água e retido em polidimetilsiloxano (PDMS) foi caracterizado sob as mesmas condições. Com o objetivo de estudar o efeito de outros materiais como eletrodos fonte e dreno, o mesmo experimento foi realizado usando eletrodos interdigitados de óxido de estanho dopado com índio (ITO) como eletrodo para a fonte e o dreno. Acaracterização elétrica envolveu medidas de corrente por tensão simples, curva de transferência e voltametria cíclica. Além disso, também foram realizadas medidas de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Espectroscopia de Raios-X por Dispersão de Energia (EDS) para caracterizar a morfologia ecomposiçãodasmembranasdeMFCeMFC:KCl. Osresultadosobtidosmostraram que a membrana de MFC serve como material de contenção, sem afetar significativamente o desempenho do transistor. Em relação às medidas com MFC:KCl e KCl solubilizado em água, os resultados indicaram que a amostra composta por MFC:KCl umedecida em água como eletrólito exibiu maior estabilidade no desempenho do transistor, quando comparado à amostra de referência. A resposta para esse ganho de estabilidade foi revelada ao se analisar as medidas de voltametria cíclica, que mostraram que a membrana é capaz de reduzir a janela de potencial para operar o dispositivo e atenua os efeitos de hidrólise no eletrólito. Outro detalhe que mostra a melhora na estabilidade dos dispositivos contendo MFC:KCl é que a membrana propicia uma barreira física capaz de retardar reações químicas entre o eletrodo de porta e o eletrólito, ao contrário do que foi observado nas amostras contendo KCl solubilizado em água. Assim, essa pesquisa demonstra a viabilidade de MFC com sais incorporados aplicados como matriz sólida dopante para transistores orgânicos eletroquímicos; Abstract: This work investigates the potential use of microfibrillated cellulose (MFC) incorporated with potassium chloride (MFC:KCl) as a solid doping matrix in electrolyte-gated transistors. To this end, transistors were constructed composed of interdigitated gold electrodes as source and drain electrodes, a thin film of poly(3-hexylthiophene) (P3HT) as the semiconductor channel, a tungsten plate as the gate electrode, and MFC:KCl hydrated with deionized water as the electrolyte. To compare with a reference device, a similar transistor was fabricated, but with KCl dissolved in water as the electrolyte and retained within polydimethylsiloxane (PDMS), and characterized under the same conditions. To study the effect on another material, the same experiment was performed using interdigitated indium tin oxide (ITO) as source and drain electrodes. The electrical characterization involved measurements of current-voltage sweeps, transfer curves, and cyclic voltammetry. Furthermore, Scanning Electron Microscopy (SEM) and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) were used to characterize the morphology and composition of the MFCandMFC:KCl membranes. The results obtained showed that MFC membrane serves as a contention material, without affecting significantly the transistor’s performance. In relation to MFC:KCl moistened in water and KCl solubilized in water measurements, the results indicated that the sample with MFC:KCl moistened in water as electrolyte had bigger stability and performance on the transistor, when compared with the reference sample. The answer for this gain of stability was revealed analying the cyclic voltammetry measurements, that showed that the membrane is capable of reducing the device’s potential of the necessary operating window and mitigates hydrolysis on the electrolyte. Another detail that shows the improvement of the device’s stability is that MFC:KCl membrane has a physical barrier capable of delay chemical reactions between the gate electrode and the electrolyte, in reverse of what it was seen in KCl solubilized in water samples. Thus, this research demonstrates the viability of MFC incorporated with salts applied as solid doping matrix in electrolyte-gated transistors Orientador: José Pedro Mansueto Serbena; Coorientadora: Keli Fabiana Seidel; Banca: José Pedro Mansueto Serbena (Presidente da Banca), César Augusto Dartora, Carlos César Bof Bufon e Keli Fabiana Seidel; Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais. Defesa : Curitiba, 30/07/2025; Inclui referências; Área de concentração: Física da Matéria Condensada

2025-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/98322 2026-04-09T12:37:55Z 2025-01-01T00:00:00Z

Síntese e caracterização de pontos de carbono de lignina kraft e lignina pirolítica Resumo: A valorização de subprodutos lignocelulósicos em biorrefinarias impulsiona o desenvolvimento de pontos de carbono (CDs), nanomateriais sustentáveis com fotoluminescência ajustável e biocompatibilidade. Esta tese foca na lignina kraft como precursor estratégico, abordando desafios de padronização e eficiência. Inicialmente, revisa-se criticamente a lignina como fonte de CDs, discutindo avanços, dopagem e influência da origem botânica. Experimentalmente, otimizou-se a síntese hidrotérmica de CDs dopados com etilenodiamina via planejamento composto central e análise de superfície de resposta, identificando temperatura, massa de lignina e dopante como fatores-chave para rendimento quântico. A simulação de uma planta industrial confirmou viabilidade técnica e econômica em escala comercial, com redução de 88% nos custos em capacidade =10 t/ano. Estratégias integradas hidrotérmica-sonoquímica aumentaram a sustentabilidade ao aproveitar resíduos. Os CDs de lignina kraft destacaram-se na detecção óptica de Fe2?/Cu²? e apresentaram baixa citotoxicidade, enquanto a lignina pirolítica mostrou se precursor alternativo viável. Conclui-se que a padronização metodológica, otimização de rotas e valorização de ligninas técnicas são essenciais para produção sustentável e escalável de CDs, fortalecendo a bioeconomia e a nanotecnologia verde; Abstract: The valorization of lignocellulosic byproducts in biorefineries drives the development of carbon dots (CDs), sustainable nanomaterials with tunable photoluminescence and biocompatibility. This thesis focuses on kraft lignin as a strategic precursor, addressing challenges in standardization and efficiency. It begins with a critical review of lignin as a CD source, discussing advances, doping strategies, and the influence of botanical origin. Experimentally, the hydrothermal synthesis of ethylenediamine-doped CDs was optimized using central composite design and response surface methodology, identifying temperature, lignin mass, and dopant proportion as key factors for quantum yield. Simulation of an industrial plant confirmed technical and economic viability at commercial scale, demonstrating an 88% cost reduction for capacities =10 t/year. Integrated hydrothermal-sonochemical strategies enhanced sustainability by utilizing process residues. Kraft lignin-derived CDs exhibited high selectivity for optical detection of Fe2?/Cu²? and low cytotoxicity, while pyrolytic lignin proved viable as an alternative precursor. The results demonstrate that methodological standardization, route optimization, and valorization of technical lignins are essential for sustainable and scalable CD production, strengthening the bioeconomy and green nanotechnology Orientador: Prof. Dr. Pedro Henrique Gonzalez de Cademartori; Coorientador: Prof. Dr. Washington Luís Esteves Magalhães e Prof(a).Dr(a) Graciela Ines Bolzon Muniz; Banca: Pedro Henrique Gonzalez de Cademartori (Presidente da Banca), Marco Antonio Schiavon, Rilton Alves de Freitas, Andrey Pereira Acosta, Maiara de Jesus Bassi, Graciela Ines Bolzon de Muniz e Washington Luiz Esteves Magalhães; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais. Defesa : Curitiba, 15/07/2025; Inclui referências; Área de concentração: Engenharias

2025-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/98009 2026-04-06T17:33:10Z 2025-01-01T00:00:00Z

Recuperação energética de resíduos florestais para produção de biomassa de microalgas em fotobiorreatores (FBR) industriais Resumo: As mudanças climáticas representam um dos maiores desafios globais contemporâneos, impulsionadas pelas emissões de gases de efeito estufa (GEE) decorrentes principalmente da queima de combustíveis fósseis. Para mitigar esses efeitos, é essencial a utilização de fontes alternativas de energia que sejam sustentáveis e de baixo carbono. A utilização de biomassa florestal como combustível sólido surge como uma alternativa para contribuir na redução de emissões de GEE e promover o aproveitamento energético sustentável. A Universidade Federal do Paraná (UFPR) gera resíduos florestais provenientes da poda e manutenção arbórea dos campi, comparáveis a centros urbanos. Atualmente, quando o volume é considerado alto, os resíduos são triturados para incorporação natural ao solo ou direcionados para a Fazenda Canguiri, em Pinhais PR. Com a finalidade de maximizar o espaço físico e agregar valor aos resíduos florestais, este trabalho propõe uma destinação alternativa de incineração e reaproveitamento desses resíduos florestais em um sistema patenteado que integra a produção simultânea de microalgas e tratamentos de emissões gasosas. Inicialmente, um estudo detalhado sobre a gestão dos resíduos florestais foi realizado por meio de questionários e coletas sistemáticas. Os resíduos foram coletados em três etapas: amostras individuais de troncos (15 amostras); compartimentos isolados (galhos; folhas; galhos com folhas); e três blends compostos por misturas desses compartimentos. Todas as amostras foram submetidas a análises físico-químicas completas, incluindo análise química imediata, determinação de umidade, análise elementar, poder calorífico superior (PCS) e inferior (PCI), e microscopia eletrônica de varredura com espectroscopia de energia dispersiva (MEV-EDS). Os resultados demonstraram uma alta heterogeneidade dos resíduos, impossibilitando a separação por espécies vegetais específicas ou compartimentos definidos. Contudo, os valores obtidos de PCS e PCI revelaram alto potencial energético, sendo as melhores performances verificadas nas amostras de troncos (PCS 23,68 MJ kg ¹; PCI 22,44 MJ kg ¹) e blends com desempenho energético igualmente significativo. A biomassa microalgal produzida nos fotobiorreatores (FBR’s), utilizando os gases de combustão como fonte de carbono, foi também caracterizada utilizando as mesmas técnicas físico-químicas, complementadas por avaliação antioxidante pelo método DPPH, determinação proteica pelo método Kjeldahl e por análise elementar. Não houve detecção de atividade antioxidante significativa nas condições avaliadas. No entanto, os valores médios do teor proteico determinados pelos métodos de Kjeldahl e de análise elementar (Dumas) foram de 40,0 % e 36,7 %, respectivamente. As análises de MEV-EDS e elementar confirmaram a predominância dos mesmos elementos majoritários nas biomassas vegetal e microalgal, indicando uma eficiente transferência de elementos e confirmando a viabilidade técnica do processo integrado. Todos os materiais analisados nesta pesquisa apresentaram resultados compatíveis ou superiores aos relatados na literatura como combustíveis sólidos renováveis, ressaltando o potencial dos resíduos florestais e da biomassa microalgal como alternativas viáveis à utilização de combustíveis fósseis. Destaca-se que a abordagem em escala de engenharia aplicada nesta tese configura uma contribuição científica inédita, alinhada às estratégias globais de sustentabilidade energética e ambiental, promovendo simultaneamente a valorização energética de resíduos e a redução das emissões de GEE; Abstract: Climate change represents one of the greatest contemporary global challenges, driven mainly by greenhouse gas (GHG) emissions resulting from the combustion of fossil fuels. To mitigate these effects, it is essential to adopt alternative energy sources that are both sustainable and low-carbon. The use of forest biomass as a solid fuel emerges as a viable alternative to contribute to GHG emissions reduction and to promote sustainable energy recovery. Federal University of Paraná (UFPR) generates forest residues from pruning and tree maintenance across its campuses, comparable to the practices seen in urban centres. Currently, when the volume is considered significant, these residues are either shredded for natural incorporation into the soil or transported to Canguiri Farm in Pinhais- PR. In order to optimise physical space and add value to this forest residues, this study proposes an alternative disposal route involving incineration and reuse of within a patented system that integrates simultaneous production of microalgae with the treatment of gaseous emission. Initially, a detailed study of forest waste management was carried out through questionnaires and systematic samplings. The residues were collected in three stages: individual trunk samples (15 samples); isolated compartments (branches; leaves; branches with leaves); and three blends comprising mixtures of these compartments. All samples underwent comprehensive physicochemical analyses, including proximate analysis, moisture content determination, ultimate analysis, higher heating value (HHV), lower heating value (LHV), and scanning electron microscopy with energy dispersive spectroscopy (SEM-EDS). The results demonstrated high heterogeneity among residues, preventing separation by specific plant species or defined compartments. Nevertheless, the HHV and LHV results revealed high energy potential, with the best performance observed in trunk samples (maximum HHV of 23.68 MJ kg ¹; LHV of 22.44 MJ kg ¹) and in blends which also exhibited significant energy performance. The microalgal biomass produced in photobioreactors (PBRs), using combustion gases as a carbon source, was also characterised using the same physicochemical techniques, complemented by antioxidant evaluation via the DPPH method and protein quantification using the Kjeldahl method, and ultimate analysis. No significant antioxidant activity was detected under the evaluated conditions. However, the mean protein content determined by the Kjeldahl and elemental analysis (Dumas) methods were 40.0 % and 36.7 %, respectively. Highlighting the biomass’s relevance for industrial and biotechnological applications. SEM-EDS and ultimate analyses confirmed the predominance of similar major elements in both vegetal and microalgal biomasses, indicating efficient elemental transfer and confirming the technical feasibility of the integrated process. All materials analysed in this research presented results comparable or superior to those reported in the literature for renewable solid fuels, highlighting the potential of forest residues and microalgal biomass as viable alternatives to fossil fuels. It is worth noting that the engineering-scale approach adopted in this thesis represents a novel scientific contribution, aligning with global strategies for energy and environmental sustainability, by simultaneously promoting energy recovery from waste and reduction of GHG emissions. Orientador: Profº. Dr. André Bellin Mariano; Coorientadores: Dr. Dhyogo Miléo Taher e Dr. Marcelo Langer; Banca: André Bellin Mariano (Presidente da Banca), Luiz Alberto Oliveira Rocha, Pedro Augusto Arroyo, Rilton Alves de Freitas, Jose Viriato Coelho Vargas, Dhyogo Miléo Taher e Marcelo Langer; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Engenharia e Ciência dos Materiais. Defesa : Curitiba, 10/04/2025; Inclui referências; Área de concentração: Engenharia e Ciências dos Materiais

2025-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/98906 2026-03-13T14:22:03Z 2025-01-01T00:00:00Z

Desenvolvimento e avaliação experimental de membranas de polpa de celulose com celulose microfibrilada (MFC) como alternativa sustentável para filtragem de ar Resumo: Diante do crescimento urbano, da poluição atmosférica e do aumento de doenças respiratórias associadas à permanência em ambientes fechados, há uma crescente demanda por sistemas de filtração de ar mais eficientes e ambientalmente sustentáveis. Embora filtros HEPA apresentem alta eficiência, sua produção baseada em fibras de vidro levanta preocupações quanto ao impacto ambiental. Este trabalho propõe o uso de membranas à base de polpa de celulose e celulose microfibrilada (MFC) como alternativa sustentável. Diferentes métodos de processamento e secagem foram aplicados com o objetivo de controlar a morfologia, a permeabilidade e as propriedades das membranas. A amostra tratada com acetona, mesmo utilizando apenas secagem em estufa, apresentou a maior área superficial específica (102 m²/g), sem necessidade de técnicas de secagem refinadas. Já as membranas produzidas com a combinação de acetona e álcool isopropílico apresentaram os melhores resultados de permeabilidade (na ordem de 10-2 m²) e eficiência de retenção de partículas, variando de 80% a 94%. Além disso, a adição de tanino às amostras promoveu modificações estruturais importantes, com aumento da porosidade, da permeabilidade e melhora das propriedades mecânicas. Os resultados demonstram a viabilidade técnica dessas membranas tanto para aplicações em sistemas de filtração de ar quanto como suporte alimentar funcional. O estudo evidencia o potencial dessas membranas como solução sustentável e versátil frente aos desafios atuais da filtração de ar e abre caminho para futuras otimizações na produção e aplicação desses materiais; Abstract: Due to urban growth, air pollution, and the increase in respiratory diseases associated with remaining in closed environments, there is a growing demand for more efficient and environmentally sustainable air filtration systems. Although HEPA filters offer high efficiency, their production based on fiberglass raises concerns regarding environmental impact. This study proposes the use of membranes made from cellulose pulp and microfibrillated cellulose (MFC) as a sustainable alternative. Different processing and drying methods were applied to control the morphology, permeability, and properties of the membranes. The sample treated with acetone, even using only oven drying, exhibited the highest specific surface area (102 m²/g), without the need for refined drying techniques. Membranes produced with a combination of acetone and isopropyl alcohol showed the best permeability results (on the order of 10-2 m²) and particle retention efficiency ranging from 80% to 94%. Additionally, the incorporation of tannin into the samples led to significant structural changes, increasing porosity and permeability while also improving mechanical properties. The results demonstrate the technical feasibility of these membranes for both air filtration systems and functional food packaging applications. The study highlights the potential of these membranes as a sustainable and versatile solution to current air filtration challenges and paves the way for future production and application optimizations Orientador: Prof Dr. José Pedro Mansueto Serbena; Coorientador: Dr. Washington Luiz Esteves Magalhães; Banca: José Pedro Mansueto Serbena (Presidente da Banca), Audrey Pereira Acosta, Marcia Regina Beux, Cristiane Vieira Helm e Keli Fabiana Seidel; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais (PIPE). Defesa : Curitiba, 04/07/2025; Inclui referências

2025-01-01T00:00:00Z