Produção de hidrogénio por fotoeletrólise da água – aproveitamento do subproduto oxigénio

A noção de Economia relativa ao Hidrogénio no vocabulário dos líderes políticos e empresariais tem vindo a mudar sobretudo pela preocupação da poluição global, segurança energética e mudanças climáticas, para além do crescente domínio técnico dos cientistas e engenheiros. O interesse neste composto, que é o elemento mais simples e abundante no universo, está a crescer, devido aos avanços tecnológicos das células de combustível – as potenciais sucessoras das baterias dos aparelhos portáteis eletrónicos, centrais elétricas e motores de combustão interna. Existem métodos já bem desenvolvidos para produzir o hidrogénio. Contudo, destacase a eletrólise da água, não só por ser um método simples mas porque pode utilizar recursos energéticos renováveis, tais como, o vento ou os painéis fotovoltaicos, e aumentar a sua eficiência. Os desafios para melhorar a utilização deste método consistem em reduzir o consumo, a manutenção e os custos energéticos e aumentar a confiança, a durabilidade e a segurança. Mais ainda, consistem em rentabilizar o subproduto oxigénio pois é um gás industrial e medicinal muito importante. Neste trabalho, estudou-se a viabilidade económica da instalação de uma unidade de produção de hidrogénio e oxigénio puros por eletrólise da água, utilizando como fonte energética a energia solar, na empresa Gasoxmed – Gases Medicinais S.A., pretendendo num futuro próximo, comercializar o hidrogénio como fonte de energia, e por outro lado, aproveitar o subproduto oxigénio para utilização industrial. Projetou-se assim uma unidade utilizando um eletrolisador da marca Proton, modelo C30, com capacidade de produção gasosa de 3 kg/h (30 m3/h) de hidrogénio e 20 kg/h (15 m3/h) de oxigénio. Os gases produzidos são comprimidos num compressor da marca RIX a 200 bares para posterior armazenamento em cilindros pressurizados. Dimensionou-se ainda um sistema de miniprodução fotovoltaico com potência 250 kW para alimentar eletricamente a instalação. A realização do projeto na nova área de produção necessitará de 1.713.963€, os quais serão adquiridos por empréstimo bancário. Definiram-se todos os custos fixos associados ao projeto que perfazem um total de 62.554€/mês para os primeiros 5 anos (duração do crédito bancário) findo o qual diminuirão para 21.204€/mês. Da comercialização do hidrogénio, do oxigénio industrial e da eletricidade produzida no sistema de miniprodução de 250 kW, prevê-se um lucro mensal de 117.925€, perfazendo assim um total líquido mensal positivo de 55.371€ durante os primeiros 5 anos e a partir daí de 96.721€/mês, resultando uma amortização do investimento inicial no final do 3º ano.

Modelação de células de combustível

Neste trabalho serão apresentados e discutidos vários aspectos relacionados com células de combustível, com particular enfoque na modelação de células de combustível de membrana de permuta protónica. Este trabalho está dividido em vários capítulos. No Capítunlo 1 são apresentadas as motivações e os objectivos da tese. No Capítulo 2 serão apresentadas as células de combustível em geral, a sua origem, os diversos tipos, o que as diferencia das restantes tecnologias de geração de energia e as suas vantagens e desvantagens. No Capítulo 3 discute-se a modelação de células de combustível. Serão expostos e explicados os diferentes tipos de modelos, seguindo-se uma apresentação do modelo selecionado para estudo, com referência aos fundamentos teóricos exposição detalhada da fórmulação matemática e os parâmetros que caracterizam o modelo. É também apresentado a implementação do modelo em Matlab/Simulink. No Capítulo 4 será discutida e apresentada a abordagem utilizada para a identificação dos parâmetros do modelo da célula de combustível. Propõe-se e prova-se que uma abordagem baseada num algoritmo de optimização inteligente proporciona um método eficaz e preciso para a identificação dos parâmetros. Esta abordagem requer a existência de alguns dados experimentais que são também apresentados. O algoritmo utilizado designa-se por Optimização por Enxame de Partículas – Particle Swarm Optimization (PSO). São apresentados os seus fundamentos, características, implementação em Matlab/Simulink e a estratégia de optimização, isto é, a configuração do algoritmo, a definição da função objectivo e limites de variação dos parâmetros. São apresentados os resultados do processo de optimização, resultados adicionais de validação do modelo, uma análise de robustez do conjunto óptimo de parâmetros e uma análise de sensibilidade dos mesmos. O trabalho termina apresentando, no último capítulo, algumas conclusões, das quais se destacam: - O bom desempenho do algoritmo PSO para a identificação dos parâmetros do modelo da célula de combsutível; - Uma robustez interessante do algoritmo PSO, no sentido em que, para várias execuções do método resultam valores do parâmetros e da função objectivo com variabilidade bastante reduzidas; - Um bom modelo da célula de combustível, que quando caracterizado pelo conjunto óptimo de parâmetros, apresenta, sistematicamente, erros relativos médios inferiores a 2,5% para um conjunto alargado de condições de funcionamento.

Trace metals in size-fractionated particulate matter in a Portuguese hospital: exposure risks assessment and comparisons with other countries

Hospitals are considered as a special and important type of indoor public place where air quality has significant impacts on potential health outcomes. Information on indoor air quality of these environments, concerning exposures to particulate matter (PM) and related toxicity, is limited though. This work aims to evaluate risks associated with inhalation exposure to ten toxic metals and chlorine (As, Ni, Cr, Cd, Pb, Mn, Se, Ba, Al, Si, and Cl) in coarse (PM2.5–10) and fine (PM2.5) particles in a Portuguese hospital in comparison with studies representative of other countries. Samples were collected during 1 month in one urban hospital; elemental PM characterization was determined by proton-induced X-ray emission. Noncarcinogenic and carcinogenic risks were assessed according to the methodology provided by the United States Environmental Protection Agency (USEPA; Region III Risk-Based Concentration Table) for three different age categories of hospital personnel (adults, >20, and <65 years) and patients (considering nine different age groups, i.e., children of 1–3 years to seniors of >65 years). The estimated noncarcinogenic risks due to occupational inhalation exposure to PM2.5-bound metals ranged from 5.88×10−6 for Se (adults, 55–64 years) to 9.35×10−1 for As (adults, 20–24 years) with total noncarcinogenic risks (sum of all metals) above the safe level for all three age categories. As and Cl (the latter due to its high abundances) were the most important contributors (approximately 90 %) to noncarcinogenic risks. For PM2.5–10, noncarcinogenic risks of all metals were acceptable to all age groups. Concerning carcinogenic risks, for Ni and Pb, they were negligible (<1×10−6) in both PM fractions for all age groups of hospital personnel; potential risks were observed for As and Cr with values in PM2.5 exceeding (up to 62 and 5 times, respectively) USEPA guideline across all age groups; for PM2.5–10, increased excess risks of As and Cr were observed particularly for long-term exposures (adults, 55–64 years). Total carcinogenic risks highly (up to 67 times) exceeded the recommended level for all age groups, thus clearly showing that occupational exposure to metals in fine particles pose significant risks. If the extensive working hours of hospital medical staff were considered, the respective noncarcinogenic and carcinogenic risks were increased, the latter for PM2.5 exceeding the USEPA cumulative guideline of 10−4. For adult patients, the estimated noncarcinogenic and carcinogenic risks were approximately three times higher than for personnel, with particular concerns observed for children and adolescents.

Microencapsulation of herbicide MCPA with native beta-cyclodextrin and its methyl and hydroxypropyl derivatives: An experimental and theoretical investigation

When a pesticide is released into the environment, most of it is lost before it reaches its target. An effective way to reduce environmental losses of pesticides is by using controlled release technology. Microencapsulation becomes a promising technique for the production of controlled release agricultural formulations. In this work, the microencapsulation of chlorophenoxy herbicide MCPA with native b-cyclodextrin and its methyl and hydroxypropyl derivatives was investigated. The phase solubility study showed that both native and b-CD derivatives increased the water solubility of the herbicide and inclusion complexes are formed in a stoichiometric ratio of 1:1. The stability constants describing the extent of formation of the complexes have been determined by phase solubility studies. 1H NMR experiments were also accomplished for the prepared solid systems and the data gathered confirm the formation of the inclusion complexes. 1H NMR data obtained for the MCPA/CDs complexes disclosed noticeable proton shift displacements for OCH2 group and H6 aromatic proton of MCPA provided clear evidence of inclusion complexation process, suggesting that the phenyl moiety of the herbicide was included in the hydrophobic cavity of CDs. Free energy molecular mechanics calculations confirm all these findings. The gathered results can be regarded as an essential step to the development of controlled release agricultural formulations containing herbicide MCPA.

Influence of Hydroxypropyl- β -Cyclodextrin on the Photostability of Fungicide Pyrimethanil

Pesticides continue to play an important role in pest management. However, the intensive pesticide application has triggered several environment negative effects that cannot be disregarded. In this study, the inclusion complex of pyrimethanil with HP- β -CD has been prepared and characterized by proton nuclear magnetic resonance spectroscopy. The formation of the pyrimethanil/HP- β -CD inclusion complex increased the aqueous solubility of this fungicide around five times. To assess the influence of microencapsulation on the environmental photostability of the fungicide, the photochemical degradation of pyrimethanil and pyrimethanil/HP- β -CD inclusion complex has been investigated in different aqueous media such as ultrapure and river water under simulated solar irradiation. The studies allow concluding that pyrimethanil/HP- β -CD inclusion complex increases significantly the photostability of the fungicide in aqueous solutions, especially in natural water. Actually, the half-life of pyrimethanil/HP- β -CD inclusion complex was increased approximately by a factor of four when compared to the free fungicide. The overall results point out that pyrimethanil can be successfully encapsulated by HP- β -CD, a process that can improve its solubility and photostability properties.

Desenvolvimento de um fantoma cerebral para ressonância magnética

O controlo da qualidade em ressonância magnética (RM) passa pela realização de diversos testes ao equipamento e calibrações diárias, onde os fantomas desempenham um papel fundamental. Este trabalho teve como objetivo principal o desenvolvimento de um fantoma cerebral para um sistema de RM de intensidade 3.0 Tesla. Com base na literatura existente, escolheram-se como reagentes o cloreto de gadolínio (III) (GdCl3), a agarose, e o gelificante carragena, tendo sido ainda acrescentado o conservante químico azida de sódio (NaN3) de forma a inibir a degradação da solução. Realizaram-se vários testes com diferentes concentrações dos materiais selecionados até obter as misturas adequadas a suscetibilidade magnética das substâncias branca e cinzenta cerebrais. Os tempos de relaxação T1 das diversas substâncias desenvolvidas foram medidos, apresentando o fantoma final uns tempos de T1 de 702±10 ms, quando a concentração de GdCl3 foi de 100 µmol (substância branca) e 1179±23 ms quando a concentração foi de 15 µmol (substância cinzenta). Os valores de T1 do fantoma foram comparados estatisticamente com os tempos de relaxação conseguidos a partir de um cérebro humano, obtendo-se uma correlação de 0.867 com significância estatística. No intuito de demonstrar a aplicabilidade do fantoma, este foi sujeito a um protocolo de RM, do qual constaram as sequências habitualmente usadas no estudo cerebral. Como principais resultados constatou-se que, nas sequências ponderadas em T1, o fantoma apresenta uma forte associação positiva (rs > 0.700 p = 0.072) com o cérebro de referência, ainda que não sejam estatisticamente significativos. As sequências ponderadas em T2 demonstraram uma correlação positiva moderada e fraca, sendo a ponderação densidade protónica a única a apresentar uma associação negativa. Desta forma, o fantoma revelou-se um ótimo substituto do cérebro humano. Este trabalho culminou na criação de um modelo cerebral tridimensional onde foram individualizadas as regiões das substâncias branca e cinzenta, de forma a posteriormente serem preenchidas pelas correspondentes substâncias desenvolvidas, obtendo-se um fantoma cerebral antropomórfico.