Dinâmica interfacial da transferência de massa de oxigênio: uma avaliação mecanicista entre surfactantes químicos e biossurfactantes em um canal hidráulico

dc.contributor.advisor1Formiga, Klebber Teodomiro Martins
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0787413754235970
dc.contributor.advisor1Orcidhttps://orcid.org/0000-0003-1094-362X
dc.contributor.referee1Oliveira, Sérgio Botelho de
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/3447406257464639
dc.contributor.referee2Ferreira, Murilo de Souza
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/8611175932228788
dc.contributor.referee3Reis, Guilherme da Cruz dos
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/0145327947923417
dc.contributor.referee3Orcidhttps://orcid.org/0000-0003-0034-0745
dc.contributor.referee4Basso, Raviel Eurico
dc.contributor.referee4Latteshttp://lattes.cnpq.br/2827247646651873
dc.contributor.referee4Orcidhttps://orcid.org/0000-0002-5055-8470
dc.creatorOliveira, Luciano de
dc.creator.Latteshttps://lattes.cnpq.br/8720308421464238
dc.date.accessioned2026-09-17T18:54:33Z
dc.date.available2026-09-17T18:54:33Z
dc.date.issued2026-06-25
dc.description.abstractOxygen mass transfer at the air-water interface, quantified by the k2, is the fundamental mechanism for the self-purification of aquatic ecosystems and the efficiency of sewage treatment processes. Historically, traditional k2 predictive models assume unrealistic hydrodynamic homogeneity and rely almost exclusively on macroscopic parameters, neglecting the physicochemical interactions imposed by surface contaminants. To bridge this gap, this research investigates the mechanistic influence of surfactants on the interfacial dynamics of oxygen transfer, comprehensively evaluating the interactive effect between the nature of the surfactant (chemical versus biological), its concentration, and the modulation driven by the liquid phase temperature. The study was structured along three main axes: initially, a systematic literature mapping highlighted the significant deficit of studies addressing biosurfactants under environmental conditions. Next, a full factorial experimental design was carried out in a recirculating hydraulic flume, evaluating chemical surfactants (SDS and LABSA) and ecological biosurfactants (RHEANCE® One and REWOFERM® SL ONE) at submicellar concentrations of 1 and 2 mg L-1, under isotherms of 20°C and 27°C. Finally, a physicochemical modeling approach supported by a zonal analysis was developed, challenging the use of hydrodynamic averages to assess the spatial decay of the flow. The results proved that adopting global averages masks the true interfacial physics. Through an analysis of covariance (ANCOVA), a highly significant interaction between temperature and concentration was found, revealing that temperature operates in the system as a “thermal switch”. It was observed that, at 20°C, increasing the surfactant concentration promoted an increase in k2, a phenomenon driven by the stabilization of “Marangoni Convection” cells that act as micro-stirrers in low-turbulence zones. In contrast, heating the fluid to 27°C triggered a drop in viscosity and accelerated the adsorption of a stagnant cap, activating the “Barrier Effect” and drastically collapsing k2 for all tested surfactants. Despite the general inhibition at high temperatures, biosurfactants demonstrated a significantly lower negative impact on oxygen transfer than chemical surfactants ones. This structural advantage stems from their “steric porosity”: the bulky hydrophilic heads of biological macromolecules undergo steric hindrance and prevent the dense packing of the monolayer at the interface, ensuring a superior residual permeability to oxygen that does not occur in the rigid films formed by the linear chains of chemical compounds. It is concluded, therefore, that the presence of surfactants, actively modulated by the thermal temperature of the medium, compromises the water reoxygenation capacity. The refinement of water quality models requires the immediate incorporation of rheological and spatial corrections to avoid the dangerous overestimation of self-purification and prevent the formation of hypoxic zones. In this scenario, biosurfactants emerge as a viable and strategic green chemistry technology, mitigating asphyxiation in water bodies and reducing the energy penalty in industrial aeration systems.eng
dc.description.resumoA transferência de massa de oxigênio na interface ar-água, quantificada por k2, é o mecanismo fundamental para a autodepuração de ecossistemas aquáticos e para a eficiência de processos de tratamento de esgoto. Historicamente, os modelos preditivos de k2 tradicionais assumem uma homogeneidade hidrodinâmica irreal e dependem quase exclusivamente de parâmetros macroscópicos, negligenciando as interações físico-químicas impostas por contaminantes na superfície. Para preencher essa lacuna, esta pesquisa investiga a influência mecanística de surfactantes na dinâmica interfacial da transferência de oxigênio, avaliando de forma integrada o efeito interativo entre a natureza do surfactante (química versus biológica), a sua concentração e a modulação impulsionada pela temperatura da fase líquida. O estudo foi estruturado em três eixos principais: inicialmente, um mapeamento sistemático da literatura evidenciou o expressivo déficit de estudos abordando biossurfactantes em condições ambientais. Em seguida, realizou-se um delineamento experimental fatorial completo em canal hidráulico de recirculação, onde foram avaliados surfactantes químicos (SDS e LABSA) e biossurfactantes ecológicos (RHEANCE® One e REWOFERM® SL ONE) em concentrações submicelares de 1 e 2 mg L-1, sob isotermas de 20°C e 27°C. Por fim, desenvolveu-se uma modelagem físico-química apoiada em uma análise zonal, contrapondo-se ao uso de médias hidrodinâmicas para avaliar o decaimento espacial do escoamento. Os resultados comprovaram que a adoção de médias globais mascara a verdadeira física interfacial. Por meio de uma análise de covariância (ANCOVA), constatou-se uma interação altamente significativa entre temperatura e concentração, evidenciando que a temperatura atua no sistema como um fator de transição crítica. Observou-se que, a 20°C, a elevação da concentração dos surfactantes promoveu um aumento no k2, um fenômeno impulsionado pela estabilização das células de convecção de Marangoni que atuam como micro-agitadores em zonas de baixa turbulência. Em contraste, o aquecimento do fluido a 27°C desencadeou uma queda na viscosidade e acelerou a adsorção de uma capa estagnada (“stagnant cap”), ativando o “Efeito Barreira” e atenuando de forma acentuada o k2 para todos os surfactantes testados. Apesar da inibição geral em altas temperaturas, os biossurfactantes demonstraram um impacto negativo expressivamente menor sobre a transferência de oxigênio do que os surfactantes químicos. Essa vantagem estrutural decorre da sua “porosidade estérica”: as cabeças hidrofílicas volumosas das macromoléculas biológicas sofrem impedimento estérico e previnem o empacotamento denso da monocamada na interface, garantindo uma permeabilidade residual superior ao oxigênio que não ocorre nas películas rígidas formadas pelas cadeias lineares dos compostos químicos. Conclui-se, portanto, que a presença de surfactantes, modulada de forma ativa pela temperatura térmica do meio, compromete a capacidade de reoxigenação hídrica. O refinamento dos modelos de qualidade da água exige a incorporação imediata de correções reológicas e espaciais para evitar a perigosa superestimação da autodepuração e prevenir a formação de zonas de hipóxia. Neste cenário, os biossurfactantes despontam como uma tecnologia viável e estratégica de química verde, atenuando a depleção de oxigênio em corpos hídricos e reduzindo a penalidade energética em sistemas de aeração industriais.por
dc.identifier.citationOLIVEIRA, Luciano de. Dinâmica interfacial da transferência de massa de oxigênio: uma avaliação mecanicista entre surfactantes químicos e biossurfactantes em um canal hidráulico. 2026. 242 f. Tese (Doutorado em Ciências Ambientais) - Pró-Reitoria de Pós-graduação (PRPG), Universidade Federal de Goiás, Goiânia, 2026.
dc.identifier.urihttps://repositorio.bc.ufg.br/tede/handle/tede/15702
dc.languagePortuguêspor
dc.publisherUniversidade Federal de Goiáspor
dc.publisher.countryBrasilpor
dc.publisher.departmentPró-Reitoria de Pós-graduação (PRPG)
dc.publisher.initialsUFGpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-graduação em Ciências Ambientais (PRPG)
dc.rightsAcesso Aberto
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subjectTransferência de massa de oxigêniopor
dc.subjectCoeficiente de reaeraçãopor
dc.subjectSurfactantespor
dc.subjectBiossurfactantespor
dc.subjectQualidade da águapor
dc.subjectOxygen mass transfereng
dc.subjectReaeration coefficienteng
dc.subjectSurfactantseng
dc.subjectBiosurfactantseng
dc.subjectWater qualityeng
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA SANITARIA::SANEAMENTO AMBIENTAL
dc.titleDinâmica interfacial da transferência de massa de oxigênio: uma avaliação mecanicista entre surfactantes químicos e biossurfactantes em um canal hidráulico
dc.typedoctoral thesis

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