Publicação

Desenvolvimento de um sensor de oxigénio dissolvido para meio aquático

Detalhes bibliográficos
Resumo:	Apesar do planeta Terra ser conhecido como planeta azul, em virtude das enormes massas de água que sustenta (cerca de 70%), apenas 3% deste volume é água doce e desta pequena parcela somente 0,06% está disponível para consumo humano. Dessa forma, ao longo da última década, os avanços científicos têm vindo a acentuar a elevada relevância de conservação, proteção e monitorização das massas de água disponíveis de forma a viabilizar a vida na Terra de uma forma sustentável. No entanto, os meios aquáticos não são estáticos e imutáveis, as suas características biológicas, químicas e físicas alteram-se não só pela ação antrópica (descargas, poluição atmosférica, agricultura, desflorestamento) mas também pelo curso natural das condições que influenciam o ciclo da água (erosão, solubilidade de minerais e químicos naturalmente presentes nas formações rochosas). Nos últimos anos tem-se tornado evidente uma crescente procura por meios eficientes e autónomos de monitorização de qualidade da água, nomeadamente, plataformas de gestão de recursos hídricos rigorosas e precisas que permitam avaliar as diversas propriedades de um determinado volume de água de forma a criar bases estatísticas e meios de prevenção com o objetivo de corrigir eventuais anomalias. Todavia, os desafios políticos, económicos e sociais constituem ainda um obstáculo aos avanços tecnológicos. Esta é uma área que envolve diversas adversidades eletrónicas, tais como desenvolvimento de sistemas real time, com baixo consumo elétrico, exigência de elevada precisão e exatidão, mas também dificuldades relacionadas com biofouling, interveniência de espécies químicas nas medições, entre outras. Em suma é uma temática que desafia a área da engenharia eletrónica e informática, química, biologia e física (hidráulica). O oxigénio dissolvido (OD) é um dos principais parâmetros de análise de qualidade de água, o seu estudo permite deduzir a taxa fotossintética aquática, a taxa de stress animal em tanques de aquacultura, processos aeróbicos e anaeróbicos, taxas DBO (demanda bioquímica de oxigénio) e DQO (demanda química de oxigénio) e consequentemente possíveis descargas. Ambos os sensores óticos e eletroquímicos foram propostos anteriormente, mas várias limitações ainda existem, principalmente na manutenção de uma estabilidade de longo prazo devido à degradação do sensor, bio-incrustação e custo. Filmes de polidimetilsiloxano (PDMS), dopado com Platina octaetilporfirina (PtOEP) são propostos nesta dissertação para a fabricação de um sensor ótico de oxigénio dissolvido. O PDMS tem ampla utilização na fabricação de dispositivos lab-on-chip e aplicações médicas. Possui um processo de fabricação simples, resultando em moldes confiáveis e facilmente replicáveis, utilizando técnicas de baixo custo. As suas excelentes propriedades mecânicas e químicas (alta permeabilidade ao oxigénio, características antibiofouling) resultam em membranas com sensibilidade superior em comparação com outros materiais de matriz. A PtOEP é amplamente utilizada em diversas aplicações tanto como sensor de oxigénio quanto como sensor de pressão, assim, o PtOEP é facilmente encontrado já sintetizado, sem a necessidade de procedimentos complicados. O fabrico nas membranas consiste na mistura de PtOEP num solvente adequado e posterior incorporação em PDMS resultando na formação de membranas luminescentes sensíveis ao oxigénio. É apresentada a influência da espessura do filme PDMS (0,1 − 2,5 mm) e da concentração (181, 363, 545, 727 ppm) nas propriedades luminescentes. No sensor proposto, a membrana é excitada por luz LED ultravioleta modulada de 385 nm, e a luminescência capturada por um fotodíodo filtrado de 647 nm e posteriormente processada por um amplificador de transimpedância. Dessa forma, é possível atingir baixos níveis de deteção, nomeadamente em meio gasoso é possível analisar numa gama de 0,5 − 20% de concentração e em meio líquido de 0,5 − 3,3 mg / L a 1 atm, 25 C. O presente documento propõe um sistema simples e de baixo custo baseado num sistema fotodíodo/LED para detetar baixas concentrações de oxigénio em aplicações situ.
Autores principais:	Penso, Camila Maria Ramos Aires Moreira
Assunto:	Monitorização marítima Oxigénio dissolvido PDMS PtOEP Sensor ótico Dissolved oxygen Marine monitoring Optical sensor Engenharia e Tecnologia::Engenharia Eletrotécnica, Eletrónica e Informática
Ano:	2021
País:	Portugal
Tipo de documento:	dissertação de mestrado
Tipo de acesso:	acesso aberto
Instituição associada:	Universidade do Minho
Idioma:	português
Origem:	RepositóriUM - Universidade do Minho

Descrição
Resumo:	Apesar do planeta Terra ser conhecido como planeta azul, em virtude das enormes massas de água que sustenta (cerca de 70%), apenas 3% deste volume é água doce e desta pequena parcela somente 0,06% está disponível para consumo humano. Dessa forma, ao longo da última década, os avanços científicos têm vindo a acentuar a elevada relevância de conservação, proteção e monitorização das massas de água disponíveis de forma a viabilizar a vida na Terra de uma forma sustentável. No entanto, os meios aquáticos não são estáticos e imutáveis, as suas características biológicas, químicas e físicas alteram-se não só pela ação antrópica (descargas, poluição atmosférica, agricultura, desflorestamento) mas também pelo curso natural das condições que influenciam o ciclo da água (erosão, solubilidade de minerais e químicos naturalmente presentes nas formações rochosas). Nos últimos anos tem-se tornado evidente uma crescente procura por meios eficientes e autónomos de monitorização de qualidade da água, nomeadamente, plataformas de gestão de recursos hídricos rigorosas e precisas que permitam avaliar as diversas propriedades de um determinado volume de água de forma a criar bases estatísticas e meios de prevenção com o objetivo de corrigir eventuais anomalias. Todavia, os desafios políticos, económicos e sociais constituem ainda um obstáculo aos avanços tecnológicos. Esta é uma área que envolve diversas adversidades eletrónicas, tais como desenvolvimento de sistemas real time, com baixo consumo elétrico, exigência de elevada precisão e exatidão, mas também dificuldades relacionadas com biofouling, interveniência de espécies químicas nas medições, entre outras. Em suma é uma temática que desafia a área da engenharia eletrónica e informática, química, biologia e física (hidráulica). O oxigénio dissolvido (OD) é um dos principais parâmetros de análise de qualidade de água, o seu estudo permite deduzir a taxa fotossintética aquática, a taxa de stress animal em tanques de aquacultura, processos aeróbicos e anaeróbicos, taxas DBO (demanda bioquímica de oxigénio) e DQO (demanda química de oxigénio) e consequentemente possíveis descargas. Ambos os sensores óticos e eletroquímicos foram propostos anteriormente, mas várias limitações ainda existem, principalmente na manutenção de uma estabilidade de longo prazo devido à degradação do sensor, bio-incrustação e custo. Filmes de polidimetilsiloxano (PDMS), dopado com Platina octaetilporfirina (PtOEP) são propostos nesta dissertação para a fabricação de um sensor ótico de oxigénio dissolvido. O PDMS tem ampla utilização na fabricação de dispositivos lab-on-chip e aplicações médicas. Possui um processo de fabricação simples, resultando em moldes confiáveis e facilmente replicáveis, utilizando técnicas de baixo custo. As suas excelentes propriedades mecânicas e químicas (alta permeabilidade ao oxigénio, características antibiofouling) resultam em membranas com sensibilidade superior em comparação com outros materiais de matriz. A PtOEP é amplamente utilizada em diversas aplicações tanto como sensor de oxigénio quanto como sensor de pressão, assim, o PtOEP é facilmente encontrado já sintetizado, sem a necessidade de procedimentos complicados. O fabrico nas membranas consiste na mistura de PtOEP num solvente adequado e posterior incorporação em PDMS resultando na formação de membranas luminescentes sensíveis ao oxigénio. É apresentada a influência da espessura do filme PDMS (0,1 − 2,5 mm) e da concentração (181, 363, 545, 727 ppm) nas propriedades luminescentes. No sensor proposto, a membrana é excitada por luz LED ultravioleta modulada de 385 nm, e a luminescência capturada por um fotodíodo filtrado de 647 nm e posteriormente processada por um amplificador de transimpedância. Dessa forma, é possível atingir baixos níveis de deteção, nomeadamente em meio gasoso é possível analisar numa gama de 0,5 − 20% de concentração e em meio líquido de 0,5 − 3,3 mg / L a 1 atm, 25 C. O presente documento propõe um sistema simples e de baixo custo baseado num sistema fotodíodo/LED para detetar baixas concentrações de oxigénio em aplicações situ.