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Tipo do documento: Tese
Título: Aplicação de métodos de calibração multivariada na previsão de propriedades de combustíveis fósseis e biocombustíveis usando dados da espectroscopia por infravermelho, médio e próximo, e espectroscopia Raman
Título(s) alternativo(s): Application of multivariate calibration methods to predict properties of fossil fuels and biofuels using middle and near infrared spectroscopy and Raman spectroscopy data
Autor: Cunha, Camilla Lima 
Primeiro orientador: Luna, Aderval Severino
Segundo orientador: Tôrres, Alexandre Rodrigues
Primeiro membro da banca: Luna, Aderval Severino
Segundo membro da banca: Tôrres, Alexandre Rodrigues
Terceiro membro da banca: Lima, Kassio Michell Gomes de
Quarto membro da banca: Gomes, Adriano de Araújo
Quinto membro da banca: Chrisman, Erika Christina Ashton Nunes
Resumo: Com o desenvolvimento e o aumento do uso de combustíveis renováveis, surge também a necessidade de garantir sua produção e distribuição com a qualidade especificada. Desta forma, tornou-se imprescindível o estudo de metodologias eficazes para determinar as propriedades físico-químicas de forma rápida e não destrutiva, possibilitando a sua aplicação ao controle de qualidade no monitoramento on/in/at-line dos combustíveis em ambiente industrial. Na literatura, as espectroscopias de infravermelho, próximo (NIR) e médio (mid-IR), têm sido exaustivamente combinadas as ferramentas quimiométricas para determinação de propriedades de misturas diesel-biodiesel. Contudo, a inclusão da aplicação da espectroscopia Raman pode oferecer praticidade aos ensaios e contribuir na construção de instrumentos de baixo custo para controle de qualidade de combustíveis e biocombustíveis. Neste cenário, o presente estudo tem como objetivo apresentar modelos de previsão das propriedades de combustíveis (diesel) e biocombustíveis (biodiesel), puros e de suas misturas, baseados em técnicas espectroscópicas (NIR, mid-IR e Raman) acopladas com ferramentas quimiométricas, as quais se inclui a utilização de técnicas de seleção de variáveis combinadas com mínimos quadrados parciais (PLS) e a aplicação de florestas aleatórias (RF) e máquina de vetores de suporte (SVM) para as propriedades não lineares. Na primeira parte do estudo (banco 1), o índice de refração e a massa específica de 148 amostras de biodiesel foram determinados usando dados espectroscópicos. Na segunda parte do estudo (banco 2), o ponto de entupimento de filtro de frio (PEFF) e a viscosidade cinemática a 40˚C de 333 amostras de biodiesel, diesel, diesel-biodiesel e misturas de diesel-biodiesel-etanol foram determinados usando dados espectroscópicos. Para ambos os estudos, 80 % das amostras formaram o conjunto de calibração e 20% formaram o conjunto de validação. Os resultados mostraram que o modelo PLS obtido com os espectros mid-IR e intervalos selecionados pelo algoritmo UVE forneceu a melhor previsão para o índice de refração, com 5 variáveis latentes, raiz quadrada do erro médio quadrático (RMSEP) igual a 1,0∙10-4 e coeficiente de determinação da previsão (R2pred) igual a 0,95. O melhor modelo de previsão para a massa específica foi obtido pelo método RF com os espectros de mid-IR, com RMSEP igual 1,16∙10-4 g∙cm-3 e R2pred igual a 0,98. Para a previsão do PEFF, o melhor modelo foi obtido com SVM em espectros mid-IR e intervalos selecionados pelo algoritmo RC, com RMSEP igual a 0,7˚C e R2pred igual a 0,94. O melhor modelo de previsão da viscosidade cinemática a 40˚C foi obtido pelo método RF com os espectros de mid-IR, com RMSEP igual a 0,0184 mm2∙s-1 e R2pred igual a 0,98. Os resultados deste estudo mostraram que os espectros de mid-IR foram os mais adequados na previsão das propriedades estudadas. A figura de mérito Soma das probabilidades do teste de Wilcoxon (SWTP) desenvolvida neste estudo foi imprescindível para a escolha do melhor modelo.
Abstract: With the development and increase in the use of renewable fuels, there is also need to guarantee its production and distribution with the specified quality. In this way, it became necessary to study effective methodologies to determine physicochemical properties in a fast and non-destructible way, allowing its application to the quality control on / in / at-line monitoring of fuels in an industrial environment. In literature, near and middle infrared spectroscopy have been exhaustively coupled with chemometric tools to determine the properties of diesel-biodiesel blends. However, the inclusion of Raman spectroscopy application can make testing easier and contribute to building of low-cost instruments for quality control of fuels and biofuels. In this scenario, the present study aims to present models for prediction of the properties of fuels (diesel) and biofuels (biodiesel), pure and its blends, based on spectroscopic techniques (NIR, mid-IR, and Raman) coupled with chemometric tools, which include the use of variable selection techniques combined with PLS and the application of random forests (RF) and support vector machine (SVM) for nonlinear properties.In the first part of the study (case 1), the refractive index and density of 148 biodiesel samples were determined using spectroscopic data. In the second part of the study (case 2), the cold filter plugging point (CFPP) and the kinematic viscosity at 40˚C from 333 samples of biodiesel, diesel, diesel-biodiesel and blends diesel-biodiesel-ethanol were determined using spectroscopic data. In both cases, 80% of samples were used for the calibration set, and the remaining 20% was used as an external validation set. The results showed that PLS model with mid-IR spectra with intervals selected by UVE algorithm provided the best prediction for the refractive index with five latent variables, root-mean-square of error (RMSEP) equal to 1.0∙10-4 and prediction coefficient (R2pred) equal to 0.95. The best prediction model for density was obtained by RF method with mid-IR spectra, with RMSEP equal to 1.16∙10-4 g.cm-3 and R2pred equal to 0.98. For CFPP prediction model, the best model was obtained using SVM with mid-IR spectra and intervals selected by the RC algorithm, with RMSEP equal to 0.7˚C and R2pred equal to 0.94. The best prediction model for kinematic viscosity at 40˚C was obtained by RF method with mid-IR spectra, with RMSEP equal to 0.0184 mm2.s-1 and R2pred equal to 0.98. The results in this work showed that mid-IR spectra were the most adequate in predicting the studied properties. The figure of merit sum of Wilcoxon test probability (SWTP) developed in this study was indispensable to choose the best model.
Palavras-chave: PLS
SVM
Florestas aleatórias
Seleção de variáveis
NIR
mid-IR
Raman
Massa específica
Índice de refração
Ponto de entupimento de filtro a frio
Viscosidade
Random forest
Variable selection
Density
Refractive index
Cold filter plugging point
Viscosity
Calibração multivariada
Combustíveis fósseis
Espectroscopia de infravermelho
Área(s) do CNPq: ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::TECNOLOGIA QUIMICA
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Sigla da instituição: UERJ
Departamento: Centro de Tecnologia e Ciências::Instituto de Química
Programa: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
Citação: CUNHA, Camilla Lima. Aplicação de métodos de calibração multivariada na previsão de propriedades de combustíveis fósseis e biocombustíveis usando dados da espectroscopia por infravermelho, médio e próximo, e espectroscopia Raman. 2019. 222 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Faculdade de Química, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2019 .
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/16525
Data de defesa: 31-Out-2019
Aparece nas coleções:Doutorado em Engenharia Química

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