Recovery of acid and base from brackish water by bipolar membrane electrodialysis

Nesta dissertação pretendeu-se estudar a viabilidade do uso de eletrodiálise com membranas bipolares (BM) na recuperação de ácido clorídrico e de hidróxido de sódio a partir de um efluente industrial que contém 1.4 mol/L de cloreto de sódio. Estas membranas mostraram ser uma ferramenta eficiente para a produção de ácidos e bases a partir do respetivo sal. Foi feita uma seleção de diferentes membranas bipolares (Neosepta, Fumatech e PCA) e aniónicas (PC-SA e PC-ACID 60) na tentativa de encontrar a combinação mais adequada para o tratamento do efluente. Dependendo do critério, o melhor arranjo de membranas é o uso de PC-ACID 60 (membrana aniónica), PC-SK (membrana catiónica) e membranas bipolares do tipo Neosepta para maior pureza dos produtos; membranas bipolares Fumatech para maior eficiência de dessalinização e membranas bipolares PCA para um maior grau de dessalinização. Tecnologicamente foi possível obter uma dessalinização de 99.8% em quatro horas de funcionamento em modo batch com recirculação de todas as correntes. Independentemente da combinação usada é recomendável que o processo seja parado quando a densidade de corrente deixa de ser máxima, 781 A/m2. Assim é possível evitar o aumento de impurezas nos produtos, contra difusão, descida instantânea do pH e uma dessalinização pouco eficiente. A nível piloto o principal fornecedor de membranas e unidade de tratamento “stack” é a marca alemã PCA. Sendo assim realizaram-se ensaios de repetibilidade, contra difusão, avaliação económica e upscaling utilizando as membranas bipolares PCA. A nível económico estudou-se o uso de dois tipos de unidades de tratamento; EDQ 380 e EDQ 1600, para diferentes níveis de dessalinização (50, 75 e 80%). Tendo em conta a otimização económica, é recomendável uma dessalinização máxima de 80%, uma vez que a eficiência de processo a este ponto é de 40%. A aplicação do método com a unidade EDQ 1600 para uma dessalinização de 50% é a mais vantajosa economicamente, com custos de 16 €/m3 de efluente tratado ou 0,78 €/kg Cl- removido. O número de unidades necessárias é 4 posicionados em série.

Electrospun Polyaniline-Reduced Graphene Oxide Composite Nanofibers Based High Sensitive Ammonia Gas Sensor

Ammonia is an important gas in many power plants and industrial processes so its detection is of extreme importance in environmental monitoring and process control due to its high toxicity. Ammonia’s threshold limit is 25 ppm and the exposure time limit is 8 h, however exposure to 35 ppm is only secure for 10 min. In this work a brief introduction to ammonia aspects are presented, like its physical and chemical properties, the dangers in its manipulation, its ways of production and its sources. The application areas in which ammonia gas detection is important and needed are also referred: environmental gas analysis (e.g. intense farming), automotive-, chemical- and medical industries. In order to monitor ammonia gas in these different areas there are some requirements that must be attended. These requirements determine the choice of sensor and, therefore, several types of sensors with different characteristics were developed, like metal oxides, surface acoustic wave-, catalytic-, and optical sensors, indirect gas analyzers, and conducting polymers. All the sensors types are described, but more attention will be given to polyaniline (PANI), particularly to its characteristics, syntheses, chemical doping processes, deposition methods, transduction modes, and its adhesion to inorganic materials. Besides this, short descriptions of PANI nanostructures, the use of electrospinning in the formation of nanofibers/microfibers, and graphene and its characteristics are included. The created sensor is an instrument that tries to achieve a goal of the medical community in the control of the breath’s ammonia levels being an easy and non-invasive method for diagnostic of kidney malfunction and/or gastric ulcers. For that the device should be capable to detect different levels of ammonia gas concentrations. So, in the present work an ammonia gas sensor was developed using a conductive polymer composite which was immobilized on a carbon transducer surface. The experiments were targeted to ammonia measurements at ppb level. Ammonia gas measurements were carried out in the concentration range from 1 ppb to 500 ppb. A commercial substrate was used; screen-printed carbon electrodes. After adequate surface pre-treatment of the substrate, its electrodes were covered by a nanofibrous polymeric composite. The conducting polyaniline doped with sulfuric acid (H2SO4) was blended with reduced graphene oxide (RGO) obtained by wet chemical synthesis. This composite formed the basis for the formation of nanofibers by electrospinning. Nanofibers will increase the sensitivity of the sensing material. The electrospun PANI-RGO fibers were placed on the substrate and then dried at ambient temperature. Amperometric measurements were performed at different ammonia gas concentrations (1 to 500 ppb). The I-V characteristics were registered and some interfering gases were studied (NO2, ethanol, and acetone). The gas samples were prepared in a custom setup and were diluted with dry nitrogen gas. Electrospun nanofibers of PANI-RGO composite demonstrated an enhancement in NH3 gas detection when comparing with only electrospun PANI nanofibers. Was visible higher range of resistance at concentrations from 1 to 500 ppb. It was also observed that the sensor had stable, reproducible and recoverable properties. Moreover, it had better response and recovery times. The new sensing material of the developed sensor demonstrated to be a good candidate for ammonia gas determination.

Impacto das medidas de conservação de energia em projeto na redução da intensidade de utilização de matérias-primas na construção de um edifício

O presente trabalho pretende mostrar que a aplicação de medidas de conservação de energia (MCE) pode representar uma redução da intensidade de utilização de matérias-primas na construção de um edifício. Mais concretamente, pode representar uma redução da utilização de materiais e equipamentos, e como consequência, uma redução no esforço económico ao primeiro investimento. Podendo posteriormente representar uma redução na utilização de energia durante o período de funcionamento do edifício. A aplicação de MCE no sector da construção tem vindo a ser uma prática corrente nos novos edifícios e edifícios sujeitos a grandes intervenções de reabilitação. Esta prática deve-se à obrigatoriedade de cumprimento de requisitos regulamentares aplicados à otimização do desempenho energético dos edifícios e dos seus sistemas técnicos, nomeadamente, o RCCTE e o RSECE, entretanto revogados pelo REH e pelo RECS, respetivamente. A implementação de MCE apresenta, na maioria dos casos, benefícios económicos para o promotor do edifício, uma vez que se traduz muitas vezes, na otimização do dimensionamento dos sistemas de Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado (AVAC). Esta otimização permite reduzir os custos associados ao primeiro investimento, bem como na utilização de energia por parte do utilizador, logo na redução dos custos de exploração. No entanto, a falta de quantificação dos impactos do dimensionamento dos sistemas AVAC, da redução de utilização de energia e da análise do custo-benefício da sua aplicação pode condicionar o interesse na sua implementação. Neste contexto, surge a presente dissertação, por iniciativa do Instituto Soldadura e Qualidade (ISQ), aplicado a um caso prático de um edifício já construído e propriedade daquela empresa. Com este trabalho pretende-se avaliar o contributo efetivo das MCE implementadas na fase de projeto e na fase de construção, quer na otimização da dimensão de sistemas e equipamentos AVAC, por via da redução das necessidades energéticas, quer na redução de utilização de energia, permitindo, de seguida, uma avaliação custo-benefício.Na base do caso de estudo está o ECOTERMOLAB, o edifício acima referido, adquirido pelo ISQ para instalação de um laboratório de formação, investigação e desenvolvimento na área da energia. Após aquisição pelo ISQ, o edifício sofreu várias alterações/beneficiações, entre as quais a implementação de MCE, tais como, a aplicação de isolamento térmico na envolvente opaca (paredes, pavimentos e coberturas), duplicação dos vãos envidraçados simples, conferindo-lhes melhores caraterísticas térmicas, e pela aplicação de proteções solar. Foram ainda adotadas MCE aos sistemas AVAC, designadamente, pela adoção de recuperadores de calor nas Unidades de Tratamento de Ar Novo (UTAN’s) e de variadores de velocidade nas bombas de circulação de água e nos ventiladores de ar das UTAN’s. Pretendia o ISQ concluir se a aplicação de todas as MCE contribuiu de forma efetiva para o dimensionamento de sistemas e equipamentos AVAC de menor capacidade e, consequentemente, numa redução de utilização de energia. Em sequência, pretendia avaliar a viabilidade económica da aplicação de todas as MCE, estimando o sobrecusto inicial e o tempo necessário para o retorno financeiro daquele investimento. Para alcançar os objetivos propostos, procedeu-se à simulação energética dinâmica do ECOTERMOLAB, utilizando o programa EnergyPlus. Primeiro foi simulada uma situação base do edifício, sem quaisquer MCE. Posteriormente foi caraterizada cada uma das situações de aplicação das MCE, com o objetivo de avaliar o respetivo impacto individual na utilização de energia pelos sistemas AVAC. Por último foram assumidas todas as soluções em conjunto para avaliar o impacto final de todas as MCE na utilização de energia dos sistemas AVAC, bem como no seu dimensionamento. Das simulações dinâmicas foram obtidos os valores das necessidades de aquecimento e arrefecimento, de energia utilizada pelos sistemas AVAC e de caudais de água aquecida e arrefecida circulada. Com estes valores foi feita uma estimativa de dimensionamento dos equipamentos e componentes AVAC para as situações da aplicação de todas as MCE no ECOTERMOLAB e a sua ausência. A partir da diferença dos custos de aquisição dos respetivos equipamentos e dos valores de poupança em energia foi realizado o estudo da viabilidade económica da implementação das MCE neste edifício. Este estudo permitiu concluir que a aplicação das MCE no ECOTERMOLAB levou à redução da dimensão na generalidade dos equipamentos e componentes AVAC. Permitiu, ainda, concluir que houve uma diminuição de utilização de energia por parte destes sistemas e equipamentos para o aquecimento e arrefecimento. Conclui-se ainda que o período de retorno (Payback) do sobrecusto inicial, estimado em 37.822€ é de, aproximadamente, onze anos e meio, para um valor atual líquido (VAL) de 8.061€ e à taxa interna de rentabilidade (TIR) de 7,03%.

Impacto Ambiental do Processo de Tingimento de uma Indústria de Curtumes e Avaliação do Desempenho da ETAR

Um dos objetivos desta dissertação de mestrado foi avaliar o impacto ambiental do processo de tingimento usado na indústria de curtumes, em termos de volume de efluente produzido e sua carga poluente. Pretendeu-se também encontrar alternativas ao nível do processo de tingimento que levem a uma melhoria na qualidade do efluente produzido. Outro objetivo deste trabalho foi avaliar o funcionamento da ETAR existente na empresa JR Fontes, no que diz respeito aos parâmetros em estudo (carência química de oxigénio - CQO, pH, crómio e teor de sólidos suspensos totais - SST), propondo alterações que permitam respeitar os valores de emissão exigidos na licença de descarga da empresa. Verificou-se que o processo de tingimento aplicado pela empresa JR Fontes é muito poluente, em termos de carga orgânica e matéria em suspensão. Este facto é comprovado pelos resultados obtidos para os três processos estudados: Montana, Galáctico e Navak. Todos os processos apresentam um efluente com pH ácido (aproximado a 3) e valores de CQO superiores a 3550 mg O2/L, sendo o processo Navak aquele que apresenta o valor mais alto para o banho composto, 8362 mg O2/L. Relativamente ao teor de crómio, o banho de recurtume com concentração mais elevada de crómio total é o banho 1 do processo Navak, com 2297 mg/L, sendo que a concentração destes banhos é sempre elevada, igual ou superior a 746 mg/L. No que diz respeito à matéria em suspensão, o processo Navak é novamente o mais poluente, com um valor de 3842 mg SST/L, não sendo obtidos nos outros processos, valores inferiores a 1205 mg SST/L. Na realização de um processo alternativo de tingimento verificou-se que é possível diminuir a carga orgânica do efluente originado. A aplicação de recurtumes sintéticos deu origem a efluentes menos poluentes. O melhor valor obtido para a CQO foi de 1113 mg O2/L, sendo obtidos valores não superiores a 7185 mg O2/L para processos de características semelhantes aos aplicados nesta indústria. Relativamente à ETAR, apesar das restrições ao funcionamento que esta apresenta, no geral pode ser considerada eficiente, embora não consiga atingir o objetivo pretendido de remoção para a CQO, ou seja o valor de 1100 mg O2/L. Nos restantes parâmetros é cumprido o limite de emissão (350 mg SST/L, pH entre 6 e 9 e 2 mg Cr/L para o crómio total): os SST apresentam o valor de 98 mg SST/L, o crómio total de 1,2 mg Cr/L e o pH encontra-se entre 8 e 9. São aqui feitas duas abordagens para solucionar os problemas existentes na ETAR. A primeira considera um ajuste no tratamento e equipamentos existentes, através da reconstrução do tanque de equalização, da substituição do coagulante por sulfato ferroso e da reconstrução do sedimentador, assim como a substituição das tubagens por umas de maior diâmetro, solucionando assim problemas de manutenção de toda a instalação e do incumprimento da legislação. A outra abordagem implica a substituição do sistema de afinação existente, os filtros de areia e carvão ativados, por um sistema de membranas de ultrafiltração ou por dois filtros de carvão ativado. Para tratar um efluente com um valor de CQO de 3000 mg O2/L com o carvão estudado, seriam necessários 132 kg de carvão por coluna, aproveitando-se os equipamentos existentes. No caso das membranas filtrantes, estas são eficazes, reduzindo a CQO em cerca de 70%. Ao contrário do carvão, a aplicação deste sistema implicaria a aquisição de novos equipamentos. Futuramente propõe-se a avaliação dos vários tipos de reagentes usados no tingimento de couro de forma a aplicar no tratamento aqueles que produzam as características desejadas no produto final e a que apresentem um menor resultado de CQO. Propõe-se também o estudo de viabilidade da remoção de crómio dos banhos de recurtume e consequente avaliação da aplicabilidade de um tratamento biológico em substituição ou como complemento do tratamento existente.

Strength improvement of adhesively-bonded scarf repairs in aluminium structures with external reinforcements

Adhesively bonded techniques are an attractive option to repair aluminium structures, compared to more traditional methods. Actually, as a result of the improvement in the mechanical characteristics of adhesives, adhesive bonding has progressively replaced the traditional joining methods. There are several bonded repair configurations, as single-strap, double-strap and scarf. Compared with strap repairs, scarf repairs have the advantages of a higher efficiency and the absence of aerodynamic disturbance. The higher efficiency is caused by the elimination of the significant joint eccentricities of strap repairs. Moreover, stress distributions along the bond length are more uniform, due to tapering of the scarf edges. The main disadvantages of this technique are the difficult machining of the surfaces, associated costs and requirement of specialised labour. This work reports on an experimental and numerical study of the tensile behaviour of two-dimensional (2D) scarf repairs of aluminium structures bonded with the ductile epoxy adhesive Araldite® 2015. The numerical analysis, by Finite Elements (FE), was performed in Abaqus® and used cohesive zone models (CZM) for the simulation of damage onset and growth in the adhesive layer, thus enabling the strength prediction of the repairs. A parametric study was performed on the scarf angle (α) and different configurations of external reinforcement (applied on one or two sides of the repair, and also different reinforcement lengths). The obtained results allowed the establishment of design guidelines for repairing, showing that the use of external reinforcements enables increasing α for equal strength recovery, which makes the repair procedure easier. The numerical technique was accurate in predicting the repairs’ strength, enabling its use for design and optimisation purposes.

A Study on Microstructure Characteristics of TEPs-modified Adhesives

Thermally expandable particles (TEPs) were developed by Dow Chemical Co in the early 1970´s [1] and were further developed by others [2, 3]. They are particles made up of a thermoplastic shell filled with liquid hydrocarbon. On heating them, two transformations will occur. One is the softening of shell material and the other is the gasification of the hydrocarbon liquid inside it. As a consequence, the shell will expand as the gas inside it will push the softened shell from inside out causing it to grow in size [4]. When fully expanded, the growth in volume of the particle can be from 50 to 100 times [3]. Owing to this unique behaviour, TEPs are used by the industry in a wide variety of applications mainly for weight reduction and appearance improvement for thermoplastics, inks, and coatings. In adhesive bonding, TEPs have been used for recycling purposes. Moreover, TEPs might be used to modify structural adhesives for other new purposes, such as: to increase the joint strength by creating an adhesive functionally modified along the overlap of the joint by gradual heating and/or to heal the adhesive in case of damage.

Diffusion characteristics of ethylene glycol in skeletal muscle

Part of the optical clearing study in biological tissues concerns the determination of the diffusion characteristics of water and optical clearing agents in the subject tissue. Such information is sufficient to characterize the time dependence of the optical clearing mechanisms—tissue dehydration and refractive index (RI) matching. We have used a simple method based on collimated optical transmittance measurements made from muscle samples under treatment with aqueous solutions containing different concentrations of ethylene glycol (EG), to determine the diffusion time values of water and EG in skeletal muscle. By representing the estimated mean diffusion time values from each treatment as a function of agent concentration in solution, we could identify the real diffusion times for water and agent. These values allowed for the calculation of the correspondent diffusion coefficients for those fluids. With these results, we have demonstrated that the dehydration mechanism is the one that dominates optical clearing in the first minute of treatment, while the RI matching takes over the optical clearing operations after that and remains for a longer time of treatment up to about 10 min, as we could see for EG and thin tissue samples of 0.5 mm.

Significance of Biogenic Amines in Cold-Smoked Fish and Their Relation to Microbiological Characteristics of Products Available in Portuguese Retail Markets

Studies on microbial characterization of cold-smoked salmon and salmon trout during cold storage were performed on samples available in the Portuguese market. Samples were also classified microbiologically according to guidelines for ready-to-eat (RTE) products. Further investigations on sample variability and microbial abilities to produce tyramine and histamine were also performed. The coefficient of variation for viable counts of different groups of microorganisms of samples collected at retail market point was high in the first 2 wk of storage, mainly in the Enterobacteriaceae group and aerobic plate count (APC), suggesting that microbiological characteristics of samples were different in numbers, even within the same batch from the same producer. This variation seemed to be decreased when storage and temperature were controlled under lab conditions. The numbers of Enterobacteriaceae were influenced by storage temperature, as indicated by low microbial numbers in samples from controlled refrigeration. Lactic acid bacteria (LAB) and Enterobacteriaceae were predominant in commercial products, a significant percentage of which were tyramine and less histamine producers. These results might be influenced by (1) the technological processes in the early stages of production, (2) contamination during the smoking process, and (3) conditions and temperature fluctuations during cold storage at retail market point of sale.