Modelagem Computacional de Sistemas Coloidais

Transcrição

1 Universidade Federal do Rio de Janeiro Programa de Engenharia Química / COPPE Modelagem Computacional de Sistemas Coloidais Eduardo Rocha de Almeida Lima Evaristo Chalbaud Biscaia Jr. Frederico Wanderley Tavares

2 Introdução

3 Colóides e Proteínas Soluções verdadeiras Soluções Coloidais Suspensões 0 1 nm 1000 nm Tamanho das partículas 1 nm = 10 Å = 10 9 m

4 Colóides e Proteínas Thomas Graham (1860) substâncias que se difundem lentamente em água colóides (do grego kolla). Sistemas e fenômenos coloidais estão presentes em grande quantidade: na natureza; nos processos de produção de bens de consumo; no cotidiano.

5 Proteínas Papel essencial nos processos biológicos. Diferentes funções em um organismo. Formadas por cerca de 40 a 4000 aminoácidos massa molar = 4 a mais de 440 kda. Ex: lisozima massa molar = 14 kda 1 mol = 14 kg!

6 Proteínas Proteínas solúveis (globulares): forma aproximadamente esférica. Estrutura tridimensional função biológica. ligeiramente estáveis: desnaturação proteínas 40 kj/mol. aquecimento mudança abrupta de propriedades conformacionais perda de função biológica desnaturação.

7 Efeitos relacionados à solubilidade de proteínas: força iônica tipo de sal (efeitos de Hofmeister) ph Temperatura Solubilidade de Proteínas presença de solventes orgânicos.

8 Colóides e Proteínas na Ciência e Tecnologia Indústrias petroquímicas diversas emulsões em escala coloidal: água em óleo, óleo em água, ar em óleo. Processos de separação de proteínas: uso de técnicas de separação não convencionais para manter a integridade das moléculas. Microscópio de Força Atômica: imagens em resolução < 1nm. Coagulação de proteínas: relacionada a doenças como cataratas e algumas necroses (mortes de órgãos, tecidos e células); Técnica de controle de crescimento microbiano;

9 Visão Geral do Processamento Primário do Petróleo P19, P26, P27, P31, P33, P35, P37, P40,P51,P52,P55 Gás Poços PréAquecimento/ Aquecimento Separação Trifásica Óleo BSW = 1% SAL = 570 mg/l Água Tratador Eletrostático Água

10 EMULSÕES DE ÓLEO/ÁGUA ÓLEOemÁGUA ÁGUAemÓLEO

11 Coagulação das gotas

12 INFLUÊNCIA DO CAMPO ELÉTRICO.

13 Modelo DLVO: Interações entre partículas coloidais Interações Eletrostáticas e nãoeletrostáticas calculadas separadamente e de forma independente. Não prevê especificidade iônica (efeitos de Hofmeister).

14 Efeitos de Hofmeister Efeitos de especificidade iônica: biologia, bioquímica, química e engenharia química. Hofmeister et al. (1887): interações entre proteínas são mais afetadas por alguns sais do que por outros série liotrópica ou série de Hofmeister. cátions monovalentes Li < Na <K <Rb <Cs cátions divalentes Mg 2 <Ca 2 <Sr 2 <Ba 2 ânions monovalentes Cl <Br <NO 3 <I <SCN

15 Efeitos de Hofmeister Depois de um século o tema volta à tona: (Carbonnaux et al., 1995; RiesKautt e Ducruix, 1989): ph > pi ordem direta da série de Hofmeister ph < pi ordem inversa Jungwirth e Tobias (2001): efeitos de Hofmeister na tensão superficial.

16 Teoria de GouyChapman Campo elétrico da fase sólida atrai uma quantidade equivalente de contraíons. Agitação térmica tende a manter os íons dispersos. Efeitos combinados = distribuição não linear de potencial (Voyutsky, 1978).

17 Equação de PoissonBoltzmann Distribuição de Boltzmann modificada: eziψ exp kbt Equação de Poisson: c i = c i,0 ( x) U ( x) kbt Ludwig Boltzmann ( ) ( ) ρ ε 0 ε ψ =, onde ρ = e Equação de PoissonBoltzmann modificada: i z i c i 2 e ψ = εε 0 z i c io exp z eψ i j k B T U ij ( x)

18 Coordenadas Biesféricas

19 Interações entre monocamadas autoestruturadas entre bolhas de ar

20 Interações entre monocamadas autoestruturadas (Superfícies Hidrofóbicas SH).

21 Pressão: SHÁgua ArÁgua Perfis de Concentração: Água SH Água

22 Colaboração: Dr. Mathias Boström (Linköping, Suécia) Dr. Dominik Horinek (Munique, Alemanha) Prof. Roland Netz (Munique, Alemanha) Prof. Werner Kunz (Regensburg, Alemanha)

23 Interações entre partículas coloidais esféricas

24 Perfil de Concentração de cátions não polarizáveis 0 0 ψ =ψ 2.0 κr s 1 = κr s 2 = κh = =

25 Perfil de Concentração de íons iodeto 2 2 σ 2 = 0.01C / m σ 1 = 0.03C / m r s κr i = 7. 0 κ κh = 0. 5

26 Interações entre uma sonda coloidal (esférica) e uma superfície (plana) carregada Microscópio de Força Atômica: imagens com resolução quaseatômica (< 1nm)

27 Perfil de Concentração de íons Iodeto 2 2 σ esf = 0.03C / m σ p = 0.01C / m κr esf κr ion = 7.0 κh = 0. 5

28 Força entre uma placa e uma partícula esférica em função da densidade de carga da placa σ esf = 0.03C / m 2 h = 2nm r esf = 100nm

29 Interações entre proteínas globulares Comparação com resultados experimentais: segundo coeficiente de virial para a Lisozima em NaCl aq. 0.1M e ph = 4.5

30 Colaboração: Dr. Mathias Boström (Linköping, Suécia) Prof. John M. Prausnitz (Berkeley, USA)