Carbon dioxide adsorption in chemically activated carbon from sewage sludge

In this work, sewage sludge was used as precursor in the production of activated carbon by means of chemical activation with KOH and NaOH. The sludge-based activated carbons were investigated for their gaseous adsorption characteristics using CO2 as adsorbate. Although both chemicals were effective in the development of the adsorption capacity, the best results were obtained with solid NaOH (SBAT16). Adsorption results were modeled according to the Langmuir and Freundlich models, with resulting CO2 adsorption capacities about 56 mg/g. The SBAT16 was characterized for its surface and pore characteristics using continuous volumetric nitrogen gas adsorption and mercury porosimetry. The results informed about the mesoporous character of the SBAT16 (average pore diameter of 56.5 Å). The Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area of the SBAT16 was low (179 m2/g) in comparison with a commercial activated carbon (Airpel 10; 1020 m2/g) and was mainly composed of mesopores and macropores. On the other hand, the SBAT16 adsorption capacity was higher than that of Airpel 10, which can be explained by the formation of basic surface sites in the SBAT16 where CO2 experienced chemisorption. According to these results, it can be concluded that the use of sewage-sludge-based activated carbons is a promising option for the capture of CO2. Implications: Adsorption methods are one of the current ways to reduce CO2 emissions. Taking this into account, sewage-sludge-based activated carbons were produced to study their CO2 adsorption capacity. Specifically, chemical activation with KOH and NaOH of previously pyrolyzed sewage sludge was carried out. The results obtained show that even with a low BET surface area, the adsorption capacity of these materials was comparable to that of a commercial activated carbon. As a consequence, the use of sewage-sludge-based activated carbons is a promising option for the capture of CO2 and an interesting application for this waste.

Evaluación del comportamiento mecánico de estructuras de hormigón armado utilizadas como elementos termoactivos

El objetivo de este trabajo es conocer las posibles modificaciones que puede producir en el comportamiento de las estructuras de hormigón armado (EHA) el hecho de que sean utilizadas como estructuras termoactivas, ya sea como intercambiadores en contacto con el terreno, o como sistema de distribución de calor utilizando la inercia térmica de los elementos de hormigón del edificio, basándose en el uso de energías renovables. Las EHA termoactivas se caracterizan por la incorporación en su interior de tubos de polietileno por los que circulan fluidos a temperaturas medias, que pueden incidir en el comportamiento mecánico de los elementos estructurales debido a dos efectos fundamentales: el incremento de temperatura que se produce en el interior de la EHA y la perturbación provocada por la incorporación de los tubos de polietileno. Con este fin, se ha realizado una campaña experimental de probetas de hormigón, estudiando los dos efectos por separado, por un lado se ha evaluado el comportamiento de probetas de hormigón tipo H-25 y tipo H-30 sometidas a cuatro temperaturas diferentes: 20ºC, 40ºC, 70ºC y 100ºC, ensayando la resistencia a compresión y la resistencia a anclaje/adherencia mediante ensayo “pull-out”; y, por otro lado, se ha evaluado el comportamiento de probetas de hormigón tipo H-25 y tipo H-30, elaboradas con dos tipos de molde (cilíndrico y cúbico), en las que se ha colocado tubos de polietileno en su interior en distintas posiciones, ensayando su resistencia a compresión. Los resultados de los ensayos han puesto de manifiesto que aunque se produce una disminución en la resistencia a compresión, y a arrancamiento, del hormigón, al ser sometido a aumentos de temperatura, esta disminución de la propiedades mecánicas es inferior al 20% al no superar esta tecnología los 70ºC; y respecto a la variación de la resistencia a compresión de probetas cilíndricas y cúbicas, debidas a la incorporación de los tubos de polietileno, se observa que si la posición de los mismos es paralela a la dirección de la carga tampoco se ven comprometidas las propiedad mecánicas del hormigón en valores superiores al 20%. ABSTRACT The aim of this project is to study the effects of using concrete structures as thermo-active constructions, either as energy foundations or other kind of thermo-active ground structures, or as a thermally activated building structure utilizing its own thermal mass conductivity and storage capacity to heat and cool buildings, based on renewable or “free” energy sources. The pipes, filled with a heat carrier fluid, that are embedded into the building´s concrete elements may bring on two different adverse effects on concrete structures. In one hand, the consequence of thermal variations and, on the other hand, because of the fact that the pipes are inside of the concrete mortar and in direct contact with the reinforcing steel bars. For this reason, different types of specimens and testing procedures have been proposed to discuss the effects of temperature (20º, 40ºC, 70ºC y 100ºC) on the performance of two different hardened concrete: H-25 and H-30, and the effects of having the pipes embedded in different positions inside of specimens made of two types of concrete, H-25 and H-30, and with two kind of cast, cylindrical and cubical. The experimental program includes the use of compressive strength test and also pull-out test, in order to investigate the interfacial adhesion quality and interfacial properties between steel bar and concrete. The results of the mechanical test showed that the increase of temperature in hardened concrete specimens lower than 70ºC, and the introduction of embedded pipes placed in parallel to the load, in cylindrical or cubic specimens, does not jeopardize the mechanical properties of concrete with strength decreases higher than 20%.

Tratamientos avanzados de agua potable para eliminación de materia orgánica disuelta : aplicación del BAC

Los procesos de biofiltración por carbón activo biológico se han utilizado desde hace décadas, primeramente en Europa y después en Norte América, sin embargo no hay parámetros de diseño y operación específicos que se puedan utilizar de guía para la biofiltración. Además, el factor coste a la hora de elegir el carbón activo como medio de filtración impacta en el presupuesto, debido al elevado coste de inversión y de regeneración. A la hora de diseñar y operar filtros de carbón activo los requisitos que comúnmente se buscan son eliminar materia orgánica, olor, y sabor de agua. Dentro de la eliminación de materia orgánica se precisa la eliminación necesaria para evitar subproductos en la desinfección no deseados, y reducir los niveles de carbono orgánico disuelto biodegradable y asimilable a valores que consigan la bioestabilidad del agua producto, a fin de evitar recrecimiento de biofilm en las redes de distribución. El ozono se ha utilizado durante años como un oxidante previo a la biofiltración para reducir el olor, sabor, y color del agua, oxidando la materia orgánica convirtiendo los compuestos no biodegradables y lentamente biodegradables en biodegradables, consiguiendo que puedan ser posteriormente eliminados biológicamente en los filtros de carbón activo. Sin embargo la inestabilidad del ozono en el agua hace que se produzcan ácidos carboxilos, alcoholes y aldehídos, conocidos como subproductos de la desinfección. Con esta tesis se pretende dar respuesta principalmente a los siguientes objetivos: análisis de parámetros requeridos para el diseño de los filtros de carbón activo biológicos, necesidades de ozonización previa a la filtración, y comportamiento de la biofiltración en un sistema compuesto de coagulación sobre un filtro de carbón activo biológico. Los resultados obtenidos muestran que la biofiltración es un proceso que encaja perfectamente con los parámetros de diseño de plantas con filtración convencional. Aunque la capacidad de eliminación de materia orgánica se reduce a medida que el filtro se satura y entra en la fase biológica, la biodegradación en esta fase se mantienen estable y perdura a lo lago de los meses sin preocupaciones por la regeneración del carbón. Los valores de carbono orgánico disuelto biodegradable se mantienen por debajo de los marcados en la literatura existente para agua bioestable, lo que hace innecesaria la dosificación de ozono previa a la biofiltración. La adición de la coagulación con la corrección de pH sobre el carbón activo consigue una mejora en la reducción de la materia orgánica, sin afectar a la biodegradación del carbón activo, cumpliendo también con los requerimientos de turbidez a la salida de filtración. Lo que plantea importantes ventajas para el proceso. Granular activated carbon filters have been used for many years to treat and produce drinking water using the adsorption capacity of carbon, replacing it once the carbon lost its adsorption capacity and became saturated. On the other hand, biological activated carbon filters have been studied for decades, firstly in Europe and subsequently in North America, nevertheless are no generally accepted design and operational parameters documented to be used as design guidance for biofiltration. Perhaps this is because of the cost factor; to choose activated carbon as a filtration media requires a significant investment due to the high capital and regeneration costs. When activated carbon filters are typically required it is for the reduction of an organic load, removal of colour, taste and / or odour. In terms of organic matter reduction, the primary aim is to achieve as much removal as possible to reduce or avoid the introduction of disinfection by products, the required removal in biodegradable dissolved organic carbon and assimilable organic carbon to produce a biologically stable potable water which prohibits the regrowth of biofilm in the distribution systems. The ozone has historically been used as an oxidant to reduce colour, taste and odour by oxidizing the organic matter and increasing the biodegradability of the organic matter, enhancing the effectiveness of organic removal in downstream biological activated carbon filters. Unfortunately, ozone is unstable in water and reacts with organic matter producing carboxylic acids, alcohols, and aldehydes, known as disinfection by products. This thesis has the following objectives: determination of the required parameters for the design of the biological activated filters, the requirement of ozonization as a pre-treatment for the biological activated filters, and a performance assessment of biofiltration when coagulation is applied as a pretreatment for biological activated carbon filters. The results show that the process design parameters of biofiltration are compatible with those of conventional filtration. The organic matter removal reduces its effectiveness as soon as the filter is saturated and the biological stage starts, but the biodegradation continues steadily and lasts for a long period of time without the need of carbon regeneration. The removal of the biodegradable dissolved organic carbon is enough to produce a biostable water according to the values shown on the existing literature; therefore ozone is not required prior to the filtration. Furthermore, the addition of coagulant and pH control before the biological activated carbon filter achieves a additional removal of organic matter, without affecting the biodegradation that occurs in the activated carbon whilst also complying with the required turbidity removal.

Investigación sobre tratamientos de aguas seguros en emergencias

Esta Tesis Doctoral tiene como principal objetivo el obtener una cadena de tratamientos seguros de aguas seriados que nos permita asegurar la calidad de las aguas para consumo humano en caso de emergencias, de tal forma que se minimicen los efectos de acciones hostiles, como sabotajes o actos terroristas, desastres naturales, etc y buscar soluciones adecuadas para garantizar en este caso la salud. Las plantas de tratamientos de aguas existentes comercialmente no aseguran dicha calidad y la documentación sobre el tema presenta vacíos de conocimiento, contradicciones entre resultados de investigaciones o insostenibilidad de conclusiones de las mismas. Estas carencias nos permiten determinar los aspectos a tratar durante la investigación. Por ello, este objetivo se concretó en tres acciones: Investigar sobre rendimientos de plantas convencionales en eliminación de microorganismos y productos tóxicos y peligrosos. Introducir mejoras que garanticen el rendimiento de las plantas convencionales. Investigar sobre la conveniencia de complementar las instalaciones existentes buscando seguridad y garantía sanitaria. Y se desarrollaron tres líneas de investigación: LI 1 “Inorgánicos”: Investigación sobre la eliminación de los metales boro, cobre y molibdeno mediante procesos de intercambio iónico y de coagulaciónfloculación- decantación. LI 2 “Compuestos Orgánicos Volátiles”: Investigación sobre la eliminación de los compuestos orgánicos 1,1 dicloroetano, 1,2 dicloroetano, clorobenceno, 1,3 dicloropropeno y hexacloro 1,3 butadieno mediante procesos de carbón activo granular y de oxidación avanzada. LI 3 “Plantas portátiles”: Investigación sobre plantas existentes portátiles para verificar su rendimiento teórico y proponer mejoras. Estas líneas de investigación se desarrollaron tanto en el nivel teórico como en el empírico, bien sea en laboratorio como en campo. A lo largo del documento se demuestra que las principales fuentes de contaminación, salvo la degradación de yacimientos naturales, proceden de la actividad humana (efluentes industriales y agrícolas, aguas residuales y actividades beligerantes) que provocan un amplio espectro de enfermedades por lo que dificultan tanto la definición de la fuente como la anticipada detección de la enfermedad. Las principales conclusiones que se obtuvieron están relacionadas con el rendimiento de eliminación de los parámetros tras la aplicación de los procesos y plantas de tratamiento de aguas anteriormente reseñadas. Sin embargo, el verdadero elemento designador de originalidad de esta Tesis Doctoral, tal como se ha reseñado arriba, radica en la definición de un sistema seriado de procesos de tratamiento de aguas que asegura la calidad en caso de emergencia. Éste se define en el siguiente orden: pretratamiento, oxidación, coagulación-floculación-decantación, filtración por arena, intercambio iónico, carbón activo granular, microfiltración, radiación UV, ósmosis inversa, radiación UV y cloración final. The main objective of this Thesis is to obtain a chain of stepwise safe water treatments that allow us to ensure the quality of water for human consumption in case of emergencies, so that the effects of hostile actions, such as sabotage or terrorism, natural disasters, etc. and seek appropriate solutions in this case to ensure health. The existing commercial water treatment plants do not ensure quality, and the documentation on the subject presents knowledge gaps or contradictions. These gaps allow us to determine the issues to be discussed during the investigation. Therefore, this objective was manifested in three actions: Researching yields in commercial plants and microorganisms, or toxic and dangerous products removal. Improvements to ensure the performance of conventional plants. Inquire about the advisability of implementing existing facilities for safety and health guarantee. And three lines of research are developed: LI 1 “Inorganic elements”: Research removing metals iron, copper and molybdenum by ion exchange processes and coagulation-flocculation-decantation. LI 2 “Volatile Organic Compounds”: Research removing organic compounds 1,1 dichloroethane, 1,2 dichloroethane, chlorobenzene, 1,3-dichloropropene and 1,3-butadiene hexachloro through processes of granular activated carbon and advanced oxidation. LI 3 “Compact Water Treatment Plants”: Research on existing packaged plants to verify theoretical performance and suggest improvements. These lines of research are developed both theoretically and empirically, both in the laboratory and in the field. Throughout the document, it is evident that the main sources of pollution, other than the degradation of natural deposits, come from human activity (industrial and agricultural effluents, sewage and belligerent activities) which cause a broad spectrum of diseases which hamper both the definition of the source and the early detection of the disease. The main conclusions drawn are related to both the removal efficiency parameters after application of processes and treatment plants outlined above water. However, the real designator of originality of this thesis, such as outlined above, lies in the definition of a serial system water treatment processes assuring quality in case of emergency. This is defined in the following order: pretreatment, oxidation, coagulation-flocculation-sedimentation, sand filtration, ion exchange, granular activated carbon, microfiltration, UV radiation, reverse osmosis, UV radiation and final chlorination.

Unearthing the roots of degradation of Quercus pyrenaica coppices: an integrative perspective from clonal structure to carbon budgets

Quercus pyrenaica es una especie rebrotadora de raíz intensa e históricamente aprovechada en monte bajo para la obtención de leñas, carbón y pastos. Debido al éxodo rural y a la aparición de nuevas fuentes energéticas, este aprovechamiento fue abandonado en la década de 1970. Desde entonces, las bajas producciones de madera y bellota y el puntisecado de los pies evidencian el generalizado estancamiento de estas masas. Uno de los mayores retos actuales de la selvicultura en el ámbito mediterráneo es encontrar usos alternativos para estos montes abandonados, siendo la conversión a monte alto una de las alternativas preferidas. Se han realizado resalveos de conversión, sin embrago, éstos se aplican sin un conocimiento integral de las causas de la degradación. En esta tesis doctoral, estudiamos un hipotético desequilibrio entre la parte radical y la parte aérea (R:S) de las cepas de rebollo como causa subyacente de su decaimiento. En una parcela experimental, aprovechada al menos desde el siglo XII, se realizaron análisis genéticos a priori para elucidar la estructura genética del rodal, y así estudiar la influencia del tamaño clonal en el funcionamiento de las cepas. Las cepas de mayor tamaño presentaron un menor crecimiento diametral de sus pies, así como mayores tasas de respiración radical, estimadas a partir de flujos internos de CO2 a través del xilema (FT) y de los flujos de CO2 del suelo. Estos resultados sugieren que el desequilibrio R:S aumenta con el tamaño clonal, dado que la eliminación periódica de órganos aéreos, al mismo tiempo que las raíces permanecen intactas, da lugar a un gran desarrollo del sistema radical que consume gran parte de los carbohidratos no estructurales (NSC) en respiración de mantenimiento, comprometiendo así el desarrollo de órganos aéreos. Se excavaron y pesaron dos cepas compuestas por cuatro y ocho pies, las cuales mostraron ratios R:S (0.5 y 1, respectivamente) superiores a los registrados en pies de origen sexual. Al igual que en otras especies rebrotadoras de raíz, se observaron altas concentraciones de NSC en las raíces (> 20% en primavera) y una gran proporción de albura en el sistema radical (52%) que alberga una notable reserva de NSC (87 kg en la cepa de mayor tamaño). En el sistema radical de dicha cepa, estimada mediante dataciones radiocarbónicas en 550 años de edad, se contaron 248 uniones radicales. La persistencia de sistemas radicales grandes, viejos, y altamente interconectados sugiere que la gran cantidad de recursos almacenados y consumidos en las raíces compensan un pobre desarrollo aéreo con una alta resiliencia vegetativa. Para un mejor entendimiento de los balances de carbono y del agotamiento de NSC en las cepas de rebollo, se midieron los flujos internos y externos de CO2 en troncos y los flujos de CO2 del suelo, y se estimó la respiración de órganos aéreos (RS) y subterráneos (RR). Estacionalmente, RS y RR reflejaron las dinámicas de flujo de savia y de crecimiento del tronco, y estuvieron determinadas principalmente por los flujos externos de CO2, dada la escasa contribución de FT a RS y RR (< 10% y < 2%, respectivamente). En una escala circadiana, la contribución de FT a RS aumentó hasta un 25% en momentos de alta transpiración. Las bajas concentraciones de CO2 en el xilema ([CO2] hasta un 0.11%) determinaron comparativamente unos bajos FT, probablemente causados por una limitada respiración del xilema y una baja resistencia a la difusión radial del CO2 impuestos por la sequía estival. Los pulsos de [CO2] observados tras las primeras lluvias de otoño apoyan esta idea. A lo largo del periodo vegetativo, el flujo medio de CO2 procedente del suelo (39 mol CO2 day-1) fue el mayor flujo respiratorio, tres y cuatro veces superior a RS (12 mol CO2 day-1) y RR (8-9 mol CO2 day-1), respectivamente. Ratios RR/RS menores que la unidad evidencian un importante peso de la respiración aérea como sumidero de carbono adicional. Finalmente, se ensayó el zanjado de raíces y el anillamiento de troncos como tratamientos selvícolas alternativos con el objetivo de aumentar las reservas de NSC en los troncos de las cepas. Los resultados preliminares desaconsejan el zanjado de raíces por el alto coste derivado posiblemente de la cicatrización de las heridas. El anillado de troncos imposibilitó el transporte de NSC a las raíces y aumentó la concentración de almidón por encima de la zona anillada, mientras que sistema radical se mantiene por los pies no anillados de la cepa. Son necesarias más mediciones y datos adicionales para comprobar el mantenimiento de esta respuesta positiva a largo plazo. Para concluir, destacamos la necesidad de estudios multidisciplinares que permitan una comprensión integral de la degradación de los rebollares ibéricos para poder aplicar a posteriori una gestión adecuada en estos montes bajos abandonados. ABSTRACT Quercus pyrenaica is a vigorous root-resprouting species intensively and historically coppiced for firewood, charcoal and woody pastures. Due to the rural exodus and the appearance of new energy sources, coppicing was abandoned towards 1970. Since then, tree overaging has resulted in stand stagnation displayed by slow stem growth, branch dieback, and scarce acorn production. The urgent need to find new alternative uses for abandoned coppices is recognized as one of the biggest challenges which currently faces Mediterranean silviculture; conversion into high forest by thinning is one of the preferred alternatives. For this aim, thinning has been broadly applied and seldom tested, although without a comprehensive understanding of the causes of stand stagnation. In this PhD study, we test the hypothesis of an imbalance between above- and below-ground organs, result of long term coppicing, as the underlying cause of Q. pyrenaica decay. In an experimental plot coppiced since at least the 12th century, genetic analyses were performed a priori to elucidate inconspicuous clonal structure of Q. pyrenaica to evaluate how clonal size affects the functioning of these multi-stemmed trees. Clonal size negatively affected diametric stem growth, whereas root respiration rates, measured by internal fluxes of CO2 through xylem (FT) and soil CO2 efflux, increased with clonal size. These results suggest root-to-shoot (R:S) imbalance intensifying with clonal size: periodic removal of aboveground organs whilst belowground organs remain undisturbed may have led to massive root systems which consume a great proportion of non-structural carbohydrates (NSC) for maintenance respiration, thus constraining aboveground performance. Furthermore, excavation of two multi-stemmed trees, composed by four and eight stems, revealed R:S ratios (0.5 and 1, respectively) greater than those reported for sexually regenerated trees. Moreover, as similarly observed in several root-resprouting species, NSC allocation to roots was favored ([NSC] > 20% in spring): a large proportion of sapwood maintained throughout the root system (52%) stored a remarkable NSC pool of 87 kg in the case of the largest clone. In this root system of the eight-stemmed tree, 248 root connections were counted and, by radiocarbon dating, its age was estimated to be 550-years-old. Persistence of massive, old and highly interconnected root systems suggests that enhanced belowground NSC storage and consumption reflects a trade-off between vegetative resilience and aboveground development. For a better understanding of tree carbon budget and the potential role of carbon starvation in Q. pyrenaica decay, internal and external stem CO2 fluxes and soil CO2 effluxes were monitored to evaluate respiratory costs above- and below-ground. On a seasonal scale, stem and root respiration (RS and RR) mirrored sap flow and stem growth dynamics. Respiration was determined to the greatest extent by external fluxes of CO2 to the atmosphere or soil, since FT accounted for a low proportion of RS and RR (< 10% and < 2%, respectively). On a diel scale, the contribution of FT to RS increased up to 25% at high transpiration rates. Comparatively low FT was determined by the low concentration of xylem CO2 registered ([CO2] as low as 0.11%), likely as a consequence of constrained xylem respiration and reduced resistance to CO2 radial diffusion imposed by summer drought. Xylem [CO2] pulses following first autumn rains support this idea. Averaged over the growing season, soil CO2 efflux was the greatest respiratory flux (39 mol CO2 day-1), three and four times greater than RS (12 mol CO2 day-1) and RR (8-9 mol CO2 day-1), respectively. Ratios of RR/RS below one evidence an additional and important weight of aboveground respiration as a tree carbon sink. Finally, root trenching and stem girdling were tested as complimentary treatments to thinning as a means to improve carbon reserves in stems of clonal trees. Preliminary results discouraged root trenching due to the high cost likely incurred for wound closure. Stem girdling successfully blocked NSC translocation downward, increasing starch concentrations above the girdled zone whilst the root system is fed by non-girdled stems within the clone. Further measurements and ancillary data are necessary to verify that this positive effect hold over time. To conclude, the need of multidisciplinary approaches for an integrative understanding on the functioning of abandoned Q pyrenaica coppices is highlighted for an appropriate management of these stands.

Highly conductive coatings of carbon black/silica composites obtained by a sol-gel process

Conductive submicronic coatings of carbon black (CB)/silica composites have been prepared by a sol-gel process and deposited by spray-coating on glazed porcelain tiles. Stable CB dispersions with surfactant were rheologically characterized to determine the optimum CB-surfactant ratio. The composites were analyzed by Differential Thermal and Thermogravimetric Analysis and Hg-Porosimetry. Thin coatings were thermally treated in the temperature range of 300-500degC in air atmosphere. The microstructure of the coatings was determined by scanning electron microscopy and the structure evaluated by confocal Raman spectroscopy. The electrical characterization of the samples was carried out using dc intensity-voltage curves. The coatings exhibit good adhesion, high density and homogeneous distribution of the conductive filler (CB) in the insulate matrix (silica) that protects against the thermal degradation of the CB nanoparticles during the sintering process. As consequence, the composite coatings show the lowest resistivity values for CB-based films reported in the literature, with values of ~7times10 -5Omegam.

Multiscale-fiber-reinforced thermoplastic composites incorporating carbon nanotubes: A review

This article reviews recent literature on hierarchical thermoplastic-based composites that simultaneously incorporate carbon nanotubes (CNTs) and conventional microscale fibers, and discusses the structure?property relationships of the resulting hybrids. The mixing of multiple and multiscale constituents enables the preparation of materials with new or improved properties due to synergistic effects. By exploiting the outstanding mechanical, thermal and electrical properties of CNTs, a new generation of multifunctional high-performance composites suitable for a wide variety of applications can be developed.

Polymer interaction with macroscopic carbon nanotube fibres and fabrication of nanostructured composites

El ensamblado de nanotubos de carbono (CNT) como una fibra macroscópica en la cual están orientados preferentemente paralelos entre sí y al eje de la fibra, ha dado como resultado un nuevo tipo de fibra de altas prestaciones derivadas de la explotación eficiente de las propiedades axiales de los CNTs, y que tiene un gran número de aplicaciones potenciales. Fibras continuas de CNTs se produjeron en el Instituto IMDEA Materiales mediante el proceso de hilado directo durante la reacción de síntesis por deposición química de vapores. Uno de los objetivos de esta tesis es el estudio de la estructura de estas fibras mediante técnicas del estado del arte de difracción de rayos X de sincrotrón y la elaboración de un modelo estructural de dicho material. Mediciones texturales de adsorción de gases, análisis de micrografías de electrones y dispersión de rayos X de ángulo alto y bajo (WAXS/SAXS) indican que el material tiene una estructura mesoporosa con una distribución de tamaño de poros ancha derivada del amplio rango de separaciones entre manojos de CNTs, así como una superficie específica de 170m2/g. Los valores de dimensión fractal obtenidos mediante SAXS y análisis Barrett-Joyner-Halenda (BJH) de mediciones texturales coinciden en 2.4 y 2.5, respectivamente, resaltando el carácter de red de la estructura de dichas fibras. La estructura mesoporosa y tipo hilo de las fibra de CNT es accesible a la infiltración de moléculas externas (líquidos o polímeros). En este trabajo se estudian los cambios en la estructura multiescala de las fibras de CNTs al interactuar con líquidos y polímeros. Los efectos de la densificación en la estructura de fibras secas de CNT son estudiados mediante WAXS/SAXS. El tratamiento de densificación junta los manojos de la fibra (los poros disminuyen de tamaño), resultando en un incremento de la densidad de la fibra. Sin embargo, los dominios estructurales correspondientes a la transferencia de esfuerzo mecánica y carga eléctrica en los nanotubos no son afectados durante este proceso de densificación; como consecuencia no se produce un efecto sustancial en las propiedades mecánicas y eléctricas. Mediciones de SAXS and fibra de CNT antes y después de infiltración de líquidos confirman la penetración de una gran cantidad de líquidos que llena los poros internos de la fibra pero no se intercalan entre capas de nanotubos adyacentes. La infiltración de cadenas poliméricas de bajo peso molecular tiende a expandir los manojos en la fibra e incrementar el ángulo de apertura de los poros. Los resultados de SAXS indican que la estructura interna de la fibra en términos de la organización de las capas de tubos y su orientación no es afectada cuando las muestras consisten en fibras infiltradas con polímeros de alto peso molecular. La cristalización de varios polímeros semicristalinos es acelerada por la presencia de fibras de CNTs alineados y produce el crecimiento de una capa transcristalina normal a la superficie de la fibra. Esto es observado directamente mediante microscopía óptica polarizada, y detectado mediante calorimetría DSC. Las lamelas en la capa transcristalina tienen orientación de la cadena polimérica paralela a la fibra y por lo tanto a los nanotubos, de acuerdo con los patrones de WAXS. Esta orientación preferencial se sugiere como parte de la fuerza impulsora en la nucleación. La nucleación del dominio cristalino polimérico en la superficie de los CNT no es epitaxial. Ocurre sin haber correspondencia entre las estructuras cristalinas del polímero y los nanotubos. Estas observaciones contribuyen a la compresión del fenómeno de nucleación en CNTs y otros nanocarbonos, y sientan las bases para el desarrollo de composites poliméricos de gran escala basados en fibra larga de CNTs alineados. ABSTRACT The assembly of carbon nanotubes into a macroscopic fibre material where they are preferentially aligned parallel to each other and to the fibre axis has resulted in a new class of high-performance fibres, which efficiently exploits the axial properties of the building blocks and has numerous applications. Long, continuous CNT fibres were produced in IMDEA Materials Institute by direct fibre spinning from a chemical vapour deposition reaction. These fibres have a complex hierarchical structure covering multiple length scales. One objective of this thesis is to reveal this structure by means of state-of-the-art techniques such as synchrotron X-ray diffraction, and to build a model to link the fibre structural elements. Texture and gas absorption measurements, using electron microscopy, wide angle and small angle X-ray scattering (WAXS/SAXS), and pore size distribution analysis by Barrett-Joyner-Halenda (BJH), indicate that the material has a mesoporous structure with a wide pore size distribution arising from the range of fibre bundle separation, and a high surface area _170m2/g. Fractal dimension values of 2.4_2.5 obtained from the SAXS and BJH measurements highlight the network structure of the fibre. Mesoporous and yarn-like structure of CNT fibres make them accessible to the infiltration of foreign molecules (liquid or polymer). This work studies multiscale structural changes when CNT fibres interact with liquids and polymers. The effects of densification on the structure of dry CNT fibres were measured by WAXS/SAXS. The densification treatment brings the fibre bundles closer (pores become smaller), leading to an increase in fibre density. However, structural domains made of the load and charge carrying nanotubes are not affected; consequently, it has no substantial effect on mechanical and electrical properties. SAXS measurements on the CNT fibres before and after liquid infiltration imply that most liquids are able to fill the internal pores but not to intercalate between nanotubes. Successful infiltration of low molecular weight polymer chains tends to expand the fibre bundles and increases the pore-opening angle. SAXS results indicate that the inner structure of the fibre, in terms of the nanotube layer arrangement and the fibre alignment, are not largely affected when infiltrated with polymers of relatively high molecular weight. The crystallisation of a variety of semicrystalline polymers is accelerated by the presence of aligned fibres of CNTs and results in the growth of a transcrystalline layer perpendicular to the fibre surface. This can be observed directly under polarised optical microscope, and detected by the exothermic peaks during differential scanning calorimetry. The discussion on the driving forces for the enhanced nucleation points out the preferential chain orientation of polymer lamella with the chain axis parallel to the fibre and thus to the nanotubes, which is confirmed by two-dimensional WAXS patterns. A non-epitaxial polymer crystal growth habit at the CNT-polymer interface is proposed, which is independent of lattice matching between the polymer and nanotubes. These findings contribute to the discussion on polymer nucleation on CNTs and other nanocarbons, and their implication for the development of large polymer composites based on long and aligned fibres of CNTs.

Coupled Nonlinear Ginzburg-Landau and Mechanics Model for Martensitic Transformations in Polycrystals

Las transformaciones martensíticas (MT) se definen como un cambio en la estructura del cristal para formar una fase coherente o estructuras de dominio multivariante, a partir de la fase inicial con la misma composición, debido a pequeños intercambios o movimientos atómicos cooperativos. En el siglo pasado se han descubierto MT en diferentes materiales partiendo desde los aceros hasta las aleaciones con memoria de forma, materiales cerámicos y materiales inteligentes. Todos muestran propiedades destacables como alta resistencia mecánica, memoria de forma, efectos de superelasticidad o funcionalidades ferroicas como la piezoelectricidad, electro y magneto-estricción etc. Varios modelos/teorías se han desarrollado en sinergia con el desarrollo de la física del estado sólido para entender por qué las MT generan microstructuras muy variadas y ricas que muestran propiedades muy interesantes. Entre las teorías mejor aceptadas se encuentra la Teoría Fenomenológica de la Cristalografía Martensítica (PTMC, por sus siglas en inglés) que predice el plano de hábito y las relaciones de orientación entre la austenita y la martensita. La reinterpretación de la teoría PTMC en un entorno de mecánica del continuo (CM-PTMC) explica la formación de los dominios de estructuras multivariantes, mientras que la teoría de Landau con dinámica de inercia desentraña los mecanismos físicos de los precursores y otros comportamientos dinámicos. La dinámica de red cristalina desvela la reducción de la dureza acústica de las ondas de tensión de red que da lugar a transformaciones débiles de primer orden en el desplazamiento. A pesar de las diferencias entre las teorías estáticas y dinámicas dado su origen en diversas ramas de la física (por ejemplo mecánica continua o dinámica de la red cristalina), estas teorías deben estar inherentemente conectadas entre sí y mostrar ciertos elementos en común en una perspectiva unificada de la física. No obstante las conexiones físicas y diferencias entre las teorías/modelos no se han tratado hasta la fecha, aun siendo de importancia crítica para la mejora de modelos de MT y para el desarrollo integrado de modelos de transformaciones acopladas de desplazamiento-difusión. Por lo tanto, esta tesis comenzó con dos objetivos claros. El primero fue encontrar las conexiones físicas y las diferencias entre los modelos de MT mediante un análisis teórico detallado y simulaciones numéricas. El segundo objetivo fue expandir el modelo de Landau para ser capaz de estudiar MT en policristales, en el caso de transformaciones acopladas de desplazamiento-difusión, y en presencia de dislocaciones. Comenzando con un resumen de los antecedente, en este trabajo se presentan las bases físicas de los modelos actuales de MT. Su capacidad para predecir MT se clarifica mediante el ansis teórico y las simulaciones de la evolución microstructural de MT de cúbicoatetragonal y cúbicoatrigonal en 3D. Este análisis revela que el modelo de Landau con representación irreducible de la deformación transformada es equivalente a la teoría CM-PTMC y al modelo de microelasticidad para predecir los rasgos estáticos durante la MT, pero proporciona una mejor interpretación de los comportamientos dinámicos. Sin embargo, las aplicaciones del modelo de Landau en materiales estructurales están limitadas por su complejidad. Por tanto, el primer resultado de esta tesis es el desarrollo del modelo de Landau nolineal con representación irreducible de deformaciones y de la dinámica de inercia para policristales. La simulación demuestra que el modelo propuesto es consistente fcamente con el CM-PTMC en la descripción estática, y también permite una predicción del diagrama de fases con la clásica forma ’en C’ de los modos de nucleación martensítica activados por la combinación de temperaturas de enfriamiento y las condiciones de tensión aplicada correlacionadas con la transformación de energía de Landau. Posteriomente, el modelo de Landau de MT es integrado con un modelo de transformación de difusión cuantitativa para elucidar la relajación atómica y la difusión de corto alcance de los elementos durante la MT en acero. El modelo de transformaciones de desplazamiento y difusión incluye los efectos de la relajación en borde de grano para la nucleación heterogenea y la evolución espacio-temporal de potenciales de difusión y movilidades químicas mediante el acoplamiento de herramientas de cálculo y bases de datos termo-cinéticos de tipo CALPHAD. El modelo se aplica para estudiar la evolución microstructural de aceros al carbono policristalinos procesados por enfriamiento y partición (Q&P) en 2D. La microstructura y la composición obtenida mediante la simulación se comparan con los datos experimentales disponibles. Los resultados muestran el importante papel jugado por las diferencias en movilidad de difusión entre la fase austenita y martensita en la distibución de carbono en las aceros. Finalmente, un modelo multi-campo es propuesto mediante la incorporación del modelo de dislocación en grano-grueso al modelo desarrollado de Landau para incluir las diferencias morfológicas entre aceros y aleaciones con memoria de forma con la misma ruptura de simetría. La nucleación de dislocaciones, la formación de la martensita ’butterfly’, y la redistribución del carbono después del revenido son bien representadas en las simulaciones 2D del estudio de la evolución de la microstructura en aceros representativos. Con dicha simulación demostramos que incluyendo las dislocaciones obtenemos para dichos aceros, una buena comparación frente a los datos experimentales de la morfología de los bordes de macla, la existencia de austenita retenida dentro de la martensita, etc. Por tanto, basado en un modelo integral y en el desarrollo de códigos durante esta tesis, se ha creado una herramienta de modelización multiescala y multi-campo. Dicha herramienta acopla la termodinámica y la mecánica del continuo en la macroescala con la cinética de difusión y los modelos de campo de fase/Landau en la mesoescala, y también incluye los principios de la cristalografía y de la dinámica de red cristalina en la microescala. ABSTRACT Martensitic transformation (MT), in a narrow sense, is defined as the change of the crystal structure to form a coherent phase, or multi-variant domain structures out from a parent phase with the same composition, by small shuffles or co-operative movements of atoms. Over the past century, MTs have been discovered in different materials from steels to shape memory alloys, ceramics, and smart materials. They lead to remarkable properties such as high strength, shape memory/superelasticity effects or ferroic functionalities including piezoelectricity, electro- and magneto-striction, etc. Various theories/models have been developed, in synergy with development of solid state physics, to understand why MT can generate these rich microstructures and give rise to intriguing properties. Among the well-established theories, the Phenomenological Theory of Martensitic Crystallography (PTMC) is able to predict the habit plane and the orientation relationship between austenite and martensite. The re-interpretation of the PTMC theory within a continuum mechanics framework (CM-PTMC) explains the formation of the multivariant domain structures, while the Landau theory with inertial dynamics unravels the physical origins of precursors and other dynamic behaviors. The crystal lattice dynamics unveils the acoustic softening of the lattice strain waves leading to the weak first-order displacive transformation, etc. Though differing in statics or dynamics due to their origins in different branches of physics (e.g. continuum mechanics or crystal lattice dynamics), these theories should be inherently connected with each other and show certain elements in common within a unified perspective of physics. However, the physical connections and distinctions among the theories/models have not been addressed yet, although they are critical to further improving the models of MTs and to develop integrated models for more complex displacivediffusive coupled transformations. Therefore, this thesis started with two objectives. The first one was to reveal the physical connections and distinctions among the models of MT by means of detailed theoretical analyses and numerical simulations. The second objective was to expand the Landau model to be able to study MTs in polycrystals, in the case of displacive-diffusive coupled transformations, and in the presence of the dislocations. Starting with a comprehensive review, the physical kernels of the current models of MTs are presented. Their ability to predict MTs is clarified by means of theoretical analyses and simulations of the microstructure evolution of cubic-to-tetragonal and cubic-to-trigonal MTs in 3D. This analysis reveals that the Landau model with irreducible representation of the transformed strain is equivalent to the CM-PTMC theory and microelasticity model to predict the static features during MTs but provides better interpretation of the dynamic behaviors. However, the applications of the Landau model in structural materials are limited due its the complexity. Thus, the first result of this thesis is the development of a nonlinear Landau model with irreducible representation of strains and the inertial dynamics for polycrystals. The simulation demonstrates that the updated model is physically consistent with the CM-PTMC in statics, and also permits a prediction of a classical ’C shaped’ phase diagram of martensitic nucleation modes activated by the combination of quenching temperature and applied stress conditions interplaying with Landau transformation energy. Next, the Landau model of MT is further integrated with a quantitative diffusional transformation model to elucidate atomic relaxation and short range diffusion of elements during the MT in steel. The model for displacive-diffusive transformations includes the effects of grain boundary relaxation for heterogeneous nucleation and the spatio-temporal evolution of diffusion potentials and chemical mobility by means of coupling with a CALPHAD-type thermo-kinetic calculation engine and database. The model is applied to study for the microstructure evolution of polycrystalline carbon steels processed by the Quenching and Partitioning (Q&P) process in 2D. The simulated mixed microstructure and composition distribution are compared with available experimental data. The results show that the important role played by the differences in diffusion mobility between austenite and martensite to the partitioning in carbon steels. Finally, a multi-field model is proposed by incorporating the coarse-grained dislocation model to the developed Landau model to account for the morphological difference between steels and shape memory alloys with same symmetry breaking. The dislocation nucleation, the formation of the ’butterfly’ martensite, and the redistribution of carbon after tempering are well represented in the 2D simulations for the microstructure evolution of the representative steels. With the simulation, we demonstrate that the dislocations account for the experimental observation of rough twin boundaries, retained austenite within martensite, etc. in steels. Thus, based on the integrated model and the in-house codes developed in thesis, a preliminary multi-field, multiscale modeling tool is built up. The new tool couples thermodynamics and continuum mechanics at the macroscale with diffusion kinetics and phase field/Landau model at the mesoscale, and also includes the essentials of crystallography and crystal lattice dynamics at microscale.