Evaluation of thermochemical biomass conversion in fluidized bed

Dado o aumento acelerado dos preços dos combustíveis fósseis e as incertezas quanto à sua disponibilidade futura, tem surgido um novo interesse nas tecnologias da biomassa aplicadas à produção de calor, eletricidade ou combustíveis sintéticos. Não obstante, para a conversão termoquímica de uma partícula de biomassa sólida concorrem fenómenos bastante complexos que levam, em primeiro lugar, à secagem do combustível, depois à pirólise e finalmente à combustão ou gasificação propriamente ditas. Uma descrição relativamente incompleta de alguns desses estágios de conversão constitui ainda um obstáculo ao desenvolvimento das tecnologias que importa ultrapassar. Em particular, a presença de elevados conteúdos de matéria volátil na biomassa põe em evidência o interesse prático do estudo da pirólise. A importância da pirólise durante a combustão de biomassa foi evidenciada neste trabalho através de ensaios realizados num reator piloto de leito fluidizado borbulhante. Verificou-se que o processo ocorre em grande parte à superfície do leito com chamas de difusão devido à libertação de voláteis, o que dificulta o controlo da temperatura do reator acima do leito. No caso da gasificação de biomassa a pirólise pode inclusivamente determinar a eficiência química do processo. Isso foi mostrado neste trabalho durante ensaios de gasificação num reator de leito fluidizado de 2MWth, onde um novo método de medição permitiu fechar o balanço de massa ao gasificador e monitorizar o grau de conversão da biomassa. A partir destes resultados tornou-se clara a necessidade de descrever adequadamente a pirólise de biomassa com vista ao projeto e controlo dos processos. Em aplicações de engenharia há particular interesse na estequiometria e propriedades dos principais produtos pirolíticos. Neste trabalho procurou-se responder a esta necessidade, inicialmente através da estruturação de dados bibliográficos sobre rendimentos de carbonizado, líquidos pirolíticos e gases, assim como composições elementares e poderes caloríficos. O resultado traduziu-se num conjunto de parâmetros empíricos de interesse prático que permitiram elucidar o comportamento geral da pirólise de biomassa numa gama ampla de condições operatórias. Para além disso, propôs-se um modelo empírico para a composição dos voláteis que pode ser integrado em modelos compreensivos de reatores desde que os parâmetros usados sejam adequados ao combustível ensaiado. Esta abordagem despoletou um conjunto de ensaios de pirólise com várias biomassas, lenhina e celulose, e temperaturas entre os 600 e 975ºC. Elevadas taxas de aquecimento do combustível foram alcançadas em reatores laboratoriais de leito fluidizado borbulhante e leito fixo, ao passo que um sistema termo-gravimétrico permitiu estudar o efeito de taxas de aquecimento mais baixas. Os resultados mostram que, em condições típicas de processos de combustão e gasificação, a quantidade de voláteis libertada da biomassa é pouco influenciada pela temperatura do reator mas varia bastante entre combustíveis. Uma análise mais aprofundada deste assunto permitiu mostrar que o rendimento de carbonizado está intimamente relacionado com o rácio O/C do combustível original, sendo proposto um modelo simples para descrever esta relação. Embora a quantidade total de voláteis libertada seja estabelecida pela composição da biomassa, a respetiva composição química depende bastante da temperatura do reator. Rendimentos de espécies condensáveis (água e espécies orgânicas), CO2 e hidrocarbonetos leves descrevem um máximo relativamente à temperatura para dar lugar a CO e H2 às temperaturas mais altas. Não obstante, em certas gamas de temperatura, os rendimentos de algumas das principais espécies gasosas (e.g. CO, H2, CH4) estão bem correlacionados entre si, o que permitiu desenvolver modelos empíricos que minimizam o efeito das condições operatórias e, ao mesmo tempo, realçam o efeito do combustível na composição do gás. Em suma, os ensaios de pirólise realizados neste trabalho permitiram constatar que a estequiometria da pirólise de biomassa se relaciona de várias formas com a composição elementar do combustível original o que levanta várias possibilidades para a avaliação e projeto de processos de combustão e gasificação de biomassa.

Challenges in mercury speciation and fractionation in soil and sediment

This investigation focused on the development, test and validation of methodologies for mercury fractionation and speciation in soil and sediment. After an exhaustive review of the literature, several methods were chosen and tested in well characterised soil and sediment samples. Sequential extraction procedures that divide mercury fractions according to their mobility and potential availability in the environment were investigated. The efficiency of different solvents for fractionation of mercury was evaluated, as well as the adequacy of different analytical instruments for quantification of mercury in the extracts. Kinetic experiments to establish the equilibrium time for mercury release from soil or sediment were also performed. It was found that in the studied areas, only a very small percentage of mercury is present as mobile species and that mobility is associated to higher aluminium and manganese contents, and that high contents of organic matter and sulfur result in mercury tightly bound to the matrix. Sandy soils tend to release mercury faster that clayey soils, and therefore, texture of soil or sediment has a strong influence on the mobility of mercury. It was also understood that analytical techniques for quantification of mercury need to be further developed, with lower quantification limits, particularly for mercury quantification of less concentrated fractions: water-soluble e exchangeable. Although the results provided a better understanding of the distribution of mercury in the sample, the complexity of the procedure limits its applicability and robustness. A proficiency-testing scheme targeting total mercury determination in soil, sediment, fish and human hair was organised in order to evaluate the consistency of results obtained by different laboratories, applying their routine methods to the same test samples. Additionally, single extractions by 1 mol L-1 ammonium acetate solution, 0.1 mol L-1 HCl and 0.1 mol L-1 CaCl2, as well as extraction of the organometallic fraction were proposed for soil; the last was also suggested for sediment and fish. This study was important to update the knowledge on analytical techniques that are being used for mercury quantification, the associated problems and sources of error, and to improve and standardize mercury extraction techniques, as well as to implement effective strategies for quality control in mercury determination. A different, “non chemical-like” method for mercury species identification was developed, optimised and validated, based on the thermo-desorption of the different mercury species. Compared to conventional extraction procedures, this method has advantages: it requires little to no sample treatment; a complete identification of species present is obtained in less than two hours; mercury losses are almost neglectable; can be considered “clean”, as no residues are produced; the worldwide comparison of results obtained is easier and reliable, an important step towards the validation of the method. Therefore, the main deliverables of this PhD thesis are an improved knowledge on analytical procedures for identification and quantification of mercury species in soils and sediments, as well as a better understanding of the factors controlling the behaviour of mercury in these matrices.

Folgazões do mogi-abaixo : música, caipiridade e paisagens cantadas

Esta investigação tem por objetivo perceber os protagonismos associados à música raiz na região do Sul de Minas, estado brasileiro de Minas Gerais. Desenvolvido no âmbito da etnomusicologia, trata-se de um estudo etnográfico realizado entre os anos de 2009 e 2012 no município de Jacutinga, localizado no Vale do Sapucaí. Como música raiz entende-se nesse contexto um universo musical que engloba vários “ritmos”, “formas” ou “estilos”, como a moda-de-viola, o pagode-de-viola, a querumana, a guarânia, dentre outros, performado por uma dupla cantando em dueto com acompanhamento da viola caipira. O termo engloba os segmentos música caipira e música sertaneja no sentido em que, para os protagonistas, as classificações convergem. O conceito de paisagem cantada é adotado como principal ferramenta de análise uma vez que no romance – gênero cantado e central da música raiz - a poética-narrativa atua como testemunha da história de um universo associado ao modo de vida rural do centro-sudeste brasileiro. A memória é portanto entextualizada na moda – unidade mínima musical de análise – que ao ser performada evoca um catálogo de elementos identificadores de uma cartografia humana, territorial e sonora, associadas a um universo designado por caipira. O sentido de pertencimento e de identificação com este paradigma promove uma recontextualização destes elementos fazendo emergir novas paisagens e novas práticas onde eles são ressignificados, adquirindo, em alguns casos, o valor de marcos sonoros (ex: o carro-de-boi, o berrante e o monjolo). Paralelamente, o processo de materialização da música que conduziu à sua fixação em disco e ao aparente desaparecimento da situação de performance participativa, transformou a própria música raiz num marco sonoro através do qual a caipiridade é representada.

Pregnancy and newborns disorders followed by urine metabolomics

Chapter 1 introduces the scope of the work by identifying the clinically relevant prenatal disorders and presently available diagnostic methods. The methodology followed in this work is presented, along with a brief account of the principles of the analytical and statistical tools employed. A thorough description of the state of the art of metabolomics in prenatal research concludes the chapter, highlighting the merit of this novel strategy to identify robust disease biomarkers. The scarce use of maternal and newborn urine in previous reports enlightens the relevance of this work. Chapter 2 presents a description of all the experimental details involved in the work performed, comprising sampling, sample collection and preparation issues, data acquisition protocols and data analysis procedures. The proton Nuclear Magnetic Resonance (NMR) characterization of maternal urine composition in healthy pregnancies is presented in Chapter 3. The urinary metabolic profile characteristic of each pregnancy trimester was defined and a 21-metabolite signature found descriptive of the metabolic adaptations occurring throughout pregnancy. 8 metabolites were found, for the first time to our knowledge, to vary in connection to pregnancy, while known metabolic effects were confirmed. This chapter includes a study of the effects of non-fasting (used in this work) as a possible confounder. Chapter 4 describes the metabolomic study of 2nd trimester maternal urine for the diagnosis of fetal disorders and prediction of later-developing complications. This was achieved by applying a novel variable selection method developed in the context of this work. It was found that fetal malformations (FM) (and, specifically those of the central nervous system, CNS) and chromosomal disorders (CD) (and, specifically, trisomy 21, T21) are accompanied by changes in energy, amino acids, lipids and nucleotides metabolic pathways, with CD causing a further deregulation in sugars metabolism, urea cycle and/or creatinine biosynthesis. Multivariate analysis models´ validation revealed classification rates (CR) of 84% for FM (87%, CNS) and 85% for CD (94%, T21). For later-diagnosed preterm delivery (PTD), preeclampsia (PE) and intrauterine growth restriction (IUGR), it is found that urinary NMR profiles have early predictive value, with CRs ranging from 84% for PTD (11-20 gestational weeks, g.w., prior to diagnosis), 94% for PE (18-24 g.w. pre-diagnosis) and 94% for IUGR (2-22 g.w. pre-diagnosis). This chapter includes results obtained for an ultraperformance liquid chromatography-mass spectrometry (UPLC-MS) study of pre-PTD samples and correlation with NMR data. One possible marker was detected, although its identification was not possible. Chapter 5 relates to the NMR metabolomic study of gestational diabetes mellitus (GDM), establishing a potentially predictive urinary metabolic profile for GDM, 2-21 g.w. prior to diagnosis (CR 83%). Furthermore, the NMR spectrum was shown to carry information on individual phenotypes, able to predict future insulin treatment requirement (CR 94%). Chapter 6 describes results that demonstrate the impact of delivery mode (CR 88%) and gender (CR 76%) on newborn urinary profile. It was also found that newborn prematurity, respiratory depression, large for gestational age growth and malformations induce relevant metabolic perturbations (CR 82-92%), as well as maternal conditions, namely GDM (CR 82%) and maternal psychiatric disorders (CR 91%). Finally, the main conclusions of this thesis are presented in Chapter 7, highlighting the value of maternal or newborn urine metabolomics for pregnancy monitoring and disease prediction, towards the development of new early and non-invasive diagnostic methods.

Serviços de interesse geral e coesão territorial: o caso da saúde

De uma forma simples, esta é uma tese que associa a dimensão territorial à formulação de políticas públicas no âmbito dos Serviços de Interesse Geral, expressão atualmente utilizada no seio da Comissão Europeia em substituição do termo Serviços Públicos. O ponto de partida é o de que, particularmente nas últimas duas décadas, estes serviços tiveram de se adaptar a um mundo em mudança, quer ao nível das tendências políticas, quer do ponto de vista dos constrangimentos financeiros. A decisão sobre a afetação e distribuição de recursos tem, por isso, obtido uma atenção crescente no domínio das políticas públicas. Contudo, as decisões sobre a natureza, a abrangência e a distribuição dos recursos a prestar são complexas, envolvendo, não só critérios técnicos, mas também julgamentos de valor e a criação de consensos políticos. Esta questão é ainda mais premente numa conjuntura, por um lado, de contenção de gastos, no qual a procura de eficiência ganha maior preponderância, e, por outro, de incremento das próprias expectativas dos cidadãos, em que a ideia de equidade é valorada. Atendendo a este contexto, é natural que em diversos processos de tomada de decisão haja alguma tensão entre estes dois princípios, questionando-se sobre quanto é que se deve sacrificar da equidade a favor da eficiência e vice-versa. A presente investigação filia nestas inquietações. O argumento subjacente é o de que o princípio de Coesão Territorial, enquanto novo paradigma de desenvolvimento do território europeu e um dos mais recentes objetivos políticos da Comissão e dos estados-membros, contribui para ajudar a ponderar a relação equidade/eficiência em processos de decisão política sobre provisão de Serviços de Interesse Geral. A linha condutora de investigação centra-se na saúde (em geral) e nos cuidados de saúde (em particular) como exemplo de um serviço que, dada a sua importância na sociedade, justifica uma atenção especial das políticas públicas, mas que tem sido alvo de debate político e académico e de reorganização da sua estrutura na tentativa de diminuição dos custos associados, com repercussões do ponto de vista territorial. A esta questão acresce o facto de que pouco se conhece sobre quais os princípios e os critérios que estão na base de decisões políticas no campo da saúde e qual o papel que o território aqui ocupa. Para compreender se e como a dimensão territorial é considerada na formulação de políticas de saúde, bem como de que forma a adoção do princípio de coesão territorial na formulação de políticas públicas introduz um outro tipo de racionalidade aos processos de tomada de decisão, optou-se por uma metodologia de abordagem essencialmente qualitativa, baseada i) na realização de entrevistas semiestruturadas conduzidas presencialmente a atores-chave da esfera da decisão pública, ii) na análise dos principais instrumentos programáticos das políticas de saúde e iii) na análise de dois estudos de caso (sub-regiões do Baixo Vouga e da Beira Interior Sul). Os resultados alcançados permitem, por um lado, compreender, discutir e clarificar os processos de tomada de decisão em saúde, por outro, justificar o propósito da adoção do princípio de Coesão Territorial na formulação de políticas e, por fim, avançar com linhas de investigação futura sobre Serviços de Interesse Geral e Coesão Territorial.

Design normal: memória e invisibilidade dos objectos

As últimas décadas têm sido caracterizadas por uma crescente indefinição do design, que refletindo um dia-a-dia cada vez mais complexo, não pode mais ser encarado como actividade fechada no projecto e acabada no produto. O seu universo aumentou e dispersou-se em mercados menores, alargando o seu alcance e sua importância, transformando-o em termo quantitativo e inflacionário. A crescente atenção de que é alvo dramatizou a sua relação com o consumo, o ruído nas prateleiras e a superficialidade da generalização de uma perspectiva do projecto focada nos new media, validando uma abordagem narcisista e de dispensa do diálogo com a indústria, tornaram-no sinónimo de especial. Este trabalho procura confirmar e refletir sobre a existência de um universo de produtos concretos e abordagens que de forma consciente partilham esta noção do contexto actual, em primeiro lugar, sugerindo caminhos alternativos e reacções resultantes da prática e discurso. Em segundo lugar procura analisar se tal reacção pode ser considerada como um movimento. Partindo de uma revisão bibliográfica, e de uma reflexão sobre um universo de produtos do dia-a-dia, procura-se, em terceiro lugar, interpretar e organizar as diversas formas e estratégias de rejeição da noção de design especial. Da procura de abordagens opostas a especial resulta uma ideia base de normal, normal sem ser banal, expressa na exposição Super Normal. Da extensão a um universo maior de produtos, reacções e autores, resulta a ideia de normal como um conceito mais abrangente, mas composto por conceitos menores, mais específicos, mais concretos e fáceis de identificar nos objectos. A organização e interpretação dessas abordagens resulta num triângulo de conceitos que constroem a noção de normal pela procura da evolução por recurso à memória e ao conhecimento, da invisibilidade pela integração e diluição do produto e projecto, e da liberdade como meio de adequação ao contexto actual. O livro resultante reflete uma abordagem definida de uma época, e não todo o panorama. A sistematização do conceito de normal a partir da segmentação em ideias menores, mais concretas e identificáveis nos produtos, procura proporcionar a consulta organizada de reacções ao contexto dominante actual, à ideia de especial, mas mais do que regras, procura fornecer um documento de reflexão a visitar no acto de projectar, seja como um todo, ou em partes.

Understanding and modelling hydrological and soil erosion processes in burnt forest catchments

Forest fires implications in overland flow and soil erosion have been researched for several years. Therefore, is widely known that fires enhance hydrological and geomorphological activity worldwide as also in Mediterranean areas. Soil burn severity has been widely used to describe the impacts of fire on soils, and has being recognized as a decisive factor controlling post-fire erosion rates. However, there is no unique definition of the term and the relationship between soil burn severity and post-fire hydrological and erosion response has not yet been fully established. Few studies have assessed post-fire erosion over multiple years, and the authors are aware of none which assess runoff. Small amount of studies concerning pre-fire management practices were also found. In the case of soil erosion models, the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) and the revised Morgan–Morgan–Finney (MMF) are well-known models, but not much information is available as regards their suitability in predicting post-fire soil erosion in forest soils. The lack of information is even more pronounced as regards post-fire rehabilitation treatments. The aim of the thesis was to perform an extensive research under the post fire hydrologic and erosive response subject. By understanding the effect of burn severity in ecosystems and its implications regarding post fire hydrological and erosive responses worldwide. Test the effect of different pre-fire land management practices (unplowed, downslope plowed and contour plowed) and time-since-fire, in the post fire hydrological and erosive response, between the two most common land uses in Portugal (pine and eucalypt). Assess the performance of two widely-known erosion models (RUSLE and Revised MMF), to predict soil erosion rates during first year following two wildfires of distinctive burn severity. Furthermore, to apply these two models considering different post-fire rehabilitation treatments in an area severely affected by fire. Improve model estimations of post-fire runoff and erosion rates in two different land uses (pine and eucalypt) using the revised MMF. To assess these improvements by comparing estimations and measurements of runoff and erosion, in two recently burned sites, as also with their post fire rehabilitation treatments. Model modifications involved: (1) focusing on intra-annual changes in parameters to incorporate seasonal differences in runoff and erosion; and (2) inclusion of soil water repellency in runoff predictions. Additionally, validate these improvements with the application of the model to other pine and eucalypt sites in Central Portugal. The review and meta-analysis showed that fire occurrence had a significant effect on the hydrological and erosive response. However, this effect was only significantly higher with increasing soil burn severity for inter-rill erosion, and not for runoff. This study furthermore highlighted the incoherencies between existing burn severity classifications, and proposed an unambiguous classification. In the case of the erosion plots with natural rainfall, land use factor affected annual runoff while land management affected both annual runoff and erosion amounts significantly. Time-since-fire had an important effect in erosion amounts among unplowed sites, while for eucalypt sites time affected both annual runoff and erosion amounts. At all studied sites runoff coefficients increase over the four years of monitoring. In the other hand, sediment concentration in the runoff, recorded a decrease during the same period. Reasons for divergence from the classic post-fire recovery model were also explored. Short fire recurrence intervals and forest management practices are viewed as the main reasons for the observed severe and continuing soil degradation. The revised MMF model presented reasonable accuracy in the predictions while the RUSLE clearly overestimated the observed erosion rates. After improvements: the revised model was able to predict first-year post-fire plot-scale runoff and erosion rates for both forest types, these predictions were improved both by the seasonal changes in the model parameters; and by considering the effect of soil water repellency on the runoff, individual seasonal predictions were considered accurate, and the inclusion of the soil water repellency in the model also improved the model at this base. The revised MMF model proved capable of providing a simple set of criteria for management decisions about runoff and erosion mitigation measures in burned areas. The erosion predictions at the validation sites attested both to the robustness of the model and of the calibration parameters, suggesting a potential wider application.