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Authors: Silva, Thiago Soares
metadata.dc.contributor.advisor: Pereira, Douglas Henrique
Title: Estudo teórico da energia de combustão de moléculas potencialmente energéticas
Keywords: Biocombustíveis;Combustível Sustentável de Aviação;Métodos G4;Termodinâmica;Biofuels;Sustainable Aviation Fuels;DFT;G4 Methods;Thermochemistry
Issue Date: 6-Aug-2021
Citation: SILVA, Thiago Soares. Estudo teórico da energia de combustão de moléculas potencialmente energéticas. 2021. 54f. Dissertação (Mestrado em Química Ambiental) – Universidade Federal do Tocantins, Programa de Pós-Graduação em Química Ambiental, Gurupi, 2021.
metadata.dc.description.resumo: A crescente demanda por combustíveis aeronáuticos e o esgotamento progressivo das fontes petrolíferas são desafios associados à logística de transporte, poluição e tecnologia o que torna necessário o desenvolvimento de Combustíveis Sustentáveis de Aviação (SAFs). Nesse contexto, as pesquisas surgem como ferramentas fundamentais para otimizar metodologias de produção e regulamentação de compostos com propriedades físico-químicas semelhantes às do querosene convencional. Neste contexto o presente estudo avalia o uso dos métodos B3LYP, M06-2X, M08-HX, G4 e G4-MP2, com o intuito de obter propriedades energéticas como a Entalpia de combustão de diferentes moléculas orgânicas com alto potencial para SAFs. Inicialmente foram analisadas estruturas de moléculas orgânicas contendo carbono, hidrogênio e oxigênio com valores da Entalpia de combustão experimental conhecida. Os resultados são complementados com cicloparafinas sintetizadas a partir de fonte vegetal, assim sendo candidatas promissoras a componentes de SAFs devido ao seu alto poder energético, níveis adequados de ponto de fulgor e congelamento. Os resultados demonstraram que os Erros Relativos Percentuais (ERP) tendem a se estabilizar em moléculas que liberam mais energia na combustão e quando aplicadas correções empíricas baseadas em dados experimentais e que o Erro Relativo Percentual Médio (ERPM) reduz-se em todas as teorias testadas. Observou-se também que a entalpia de combustão calculada com a método M08-HX apresenta ERPM comparável aos métodos G4-MP2, e quando aplicado a correção empírica obtido de dados experimentais de moléculas semelhante, o ERPM se aproxima do método composto G4. Os métodos B3LYP e M06-2X também apresentaram vantagem ao utilizar a correção empírica, isso indica a viabilidade dos métodos DFT para analisar estruturas complexas com um custo computacional significativamente menor que o exigido por métodos compostos. Portanto o estudo aprofundado desses métodos teóricos aplicados a moléculas de SAFs e querosene de aviação permite uma determinação mais exata das propriedades físico-químicas, resultando em análises mais confiáveis para a formulação de novos combustíveis.
Abstract: The growing demand for aviation fuels and the progressive depletion of petroleum resources pose challenges related to transport logistics, pollution, and technological development, making the advancement of Sustainable Aviation Fuels (SAFs) essential. In this context, research emerges as a fundamental tool for optimizing production methodologies and evaluating compounds with physicochemical properties similar to those of conventional kerosene. This study assesses the use of the B3LYP, M06-2X, M08-HX, G4, and G4-MP2 methods to determine energy-related properties, such as the enthalpy of combustion, of different organic molecules with high potential for SAF applications. Initially, the structures of organic molecules composed of carbon, hydrogen, and oxygen with known experimental enthalpy of combustion values were analyzed. The results are complemented by cycloparaffins synthesized from plant sources, which are promising candidates for SAF components due to their high energy content and suitable flash and freezing points. The results demonstrate that Percentage Relative Errors (PRE) tend to stabilize for molecules that release greater amounts of energy during combustion, and that the application of empirical corrections based on experimental data leads to a reduction in the Average Percentage Relative Error (APRE) across all tested theoretical methods. Additionally, the combustion enthalpy calculated using the M08-HX method shows an APRE comparable to that obtained with the G4-MP2 method, and when empirical corrections derived from experimental data of similar molecules are applied, the APRE approaches that of the composite G4 method. The B3LYP and M06-2X methods also show improved performance when empirical corrections are employed, indicating the viability of Density Functional Theory (DFT) methods for analyzing complex molecular structures at a significantly lower computational cost than that required by composite methods. Therefore, an in-depth investigation of these theoretical approaches applied to SAF molecules and aviation kerosene enables a more accurate determination of physicochemical properties, leading to more reliable analyses for the formulation of new fuels.
URI: http://hdl.handle.net/11612/8702
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