https://hdl.handle.net/1884/39734 2026-04-22T22:23:12Z https://hdl.handle.net/1884/98322 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 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 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 https://hdl.handle.net/1884/99577 Additive manufacturing of AISI 316L with copper additions Resumo: Aços inoxidáveis austeníticos são ligas metálicas à base de Ferro, que se destacam por sua elevada resistência a corrosão, atribuída à da presença de Cromo e Níquel em sua composição. Estas ligas são empregadas em uma gama diversificada de aplicações, desde implantes médicos e instrumentos cirúrgicos, componentes automotivos, navais e aeroespaciais, até equipamentos para exploração de petróleo offshore. Entretanto, os aços inoxidáveis mais comumente empregados na fabricação de componentes diversos utilizados em ambientes públicos, não inibem o crescimento e proliferação de microrganismos em sua superfície. Impulsionado pela pandemia da Covid-19, o desenvolvimento de materiais com propriedades antimicrobianas tornou-se imperativo, respondendo à urgência de conter a propagação de vírus em superfícies de uso comum, como maçanetas de porta, botões de elevador e corrimãos. O Cobre (Cu), reconhecido por sua propriedade antimicrobiana, pode ser incorporado em pequenas quantidades aos aços inoxidáveis austeníticos para promover a ação antimicrobiana, entretanto, permanece como desafio o equilíbrio com as demais propriedades destes aços. Neste contexto, a Manufatura Aditiva (MA) destaca-se pela capacidade de fabricar peças metálicas com geometrias diversas, desde válvulas a próteses customizadas. Além disso, permite a customização da composição química dos materiais recorrendo a síntese in-situ de ligas através de fusão de misturas de pós metálicos, abrangendo partículas micrométricas e nanométricas. Esta pesquisa concentra-se na modificação do aço inoxidável AISI 316L com Cu, utilizando dois processos de MA, a Deposição por Energia Direcionada com Plasma de Arco Transferido (PTADED) e a Fusão em Leito de Pó a Laser (L-PBF). De maneira inovadora, micropartículas de Cu (Cu MP), nanopartículas de Cu (Cu NP) e nanopartículas de Óxido de Cobre (CuO NP) foram incorporadas individualmente ao aço inoxidável atomizado a gás. São explorados os efeitos da adição de Cu na processabilidade, características metalúrgicas e propriedades do aço inoxidável 316L. As peças sólidas resultantes foram caracterizadas quanto à composição química, microestrutura, propriedades mecânicas, resistência ao desgaste, resistência à corrosão e propriedades antimicrobianas. Com objetivo de estabelecer o tripé processamento-microestrutura-propriedades, abrangendo as diferentes quantidades de Cu adicionadas (1 e 5 % em massa), forma de adição (Cu MP, Cu NP e CuO NP) e técnicas de processamento (PTA-DED e L-PBF). Nesta pesquisa demonstrou-se a viabilidade do uso de pós modificados com Cu, incorporando micropartículas e nanopartículas, ao aço inoxidável 316L atomizado, para o processamento de multicamadas por PTA-DED e L-PBF, possibilitando a produção de componentes densos e livre de defeitos, com composição química personalizada. Os resultados revelam que as adições de Cu influenciam diretamente na interação entre o arco de plasma e o material de adição, especialmente nos processamentos contendo nanopartículas. As adições de Cu também alteram a geometria da poça de fusão e promovem o refino da microestrutura, embora reduzam a dureza devido a presença de Cu em solução sólida. O desempenho ao desgaste foi influenciado pela adição de Cu, com maiores teores favorecendo a formação de tribocamadas de óxido e resultando na redução dos coeficientes de atrito e de desgaste; Abstract: Austenitic stainless steels are iron-based metallic alloys known for their high corrosion resistance, attributed to the presence of Chromium and Nickel in their composition. These alloys find applications in a diverse range of uses, from medical implants and surgical instruments, automotive, naval, and aerospace components to equipment for offshore oil exploration. However, the most commonly employed stainless steels do not inhibit the growth and proliferation of microorganisms on their surface. Driven by the Covid-19 pandemic, the development of materials with antimicrobial properties has become imperative, responding to the urgency to contain the virus spread on common use surfaces, such as door handles, elevator buttons and handrails. Copper (Cu), recognized for its antimicrobial property, can be incorporated in small quantities into austenitic stainless steels to enhance antimicrobial action, however, balancing it with the other properties of these steels remains a challenge. In this context, Additive Manufacturing (AM) stands out for its ability to manufacture metallic parts with diverse geometries, from valves to customized prostheses. Additionally, it allows for the customization of the chemical composition of materials through the in-situ synthesis of alloys by melting mixtures of metallic powders, encompassing micrometer and nanometer-sized particles. This research focuses on the modification of AISI 316L stainless steel with Cu, using two AM processes: Directed Energy Deposition with Plasma Transferred Arc (PTA-DED) and Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). Innovatively, microparticles of Cu (Cu MP), nanoparticles of Cu (Cu NP), and nanoparticles of Copper Oxide (CuO NP) were individually incorporated into gas-atomized stainless steel. The effects of Cu addition on processability, metallurgical characteristics, and properties of 316L stainless steel are explored. The resulting solid parts were characterized by chemical composition, microstructure, mechanical properties, wear resistance, corrosion resistance, and antimicrobial properties. With the objective of establishing the tripod of processingmicrostructure-properties, covering different quantities of added Cu (1 and 5 wt%), forms of addition (Cu MP, Cu NP, and CuO NP), and processing techniques (PTADED and L-PBF). This research demonstrated the feasibility of using Cu-modified powders, incorporating microparticles and nanoparticles, in atomized 316L stainless steel for processing of multilayers via PTA-DED and L-PBF, enabling the production of dense, defect-free components with customized chemical composition. The results show that Cu additions directly affect the interaction between the plasma arc and the feedstock material, especially in processing involving nanoparticles. Cu additions also altered the melt pool geometry and promoted microstructural refinement, although Cu additions reduced hardness due to the presence of Cu in solid solution. Wear performance was influenced by the Cu content, with higher levels promoting the formation of oxide tribolayers and leading to reduced friction and wear coefficients Orientadora: Profa. Ana Sofia C.M. d’Oliveira, PhD; Coorientador: Prof. Moataz M. Attallah, PhD; Banca: Ana Sofia Clímaco Monteiro d’Oliveira (Presidente da Banca), Osvaldo Mitsuyuki Cintho, Dante Homero Mosca Júnior, Rodrigo Perito Cardoso, Haroldo de Araújo Ponte; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciências dos Materiais (PIPE). Defesa : Curitiba, 06/08/2025; Inclui referências 2025-01-01T00:00:00Z