Estudo geológico e geotécnico de taludes rochosos em S. Pedro da Afurada (Vila Nova de Gaia): contributos para a avaliação da estabilidade estrutural

Mestrado em Engenharia Geotécnica e Geoambiente

Estudo de esmalte estufa aquoso definitivo

Mestrado em Engenharia Química

Análise e optimização dos consumos de utilidades (vapor e energia eléctrica) na Petibol – Embalagens de Plásticos, S.A.

Mestrado em Engenharia Química. Ramo optimização energética na indústria química.

Reutilização das águas de tingimento utilizando a Nanofiltração

Este trabalho na área dos processos físicos de separação por membranas, nomeadamente, a nanofiltração (NF), tem como objectivo principal a recuperação dos efluentes resultantes das águas da 3ª lavagem utilizadas na operação de tingimento de fibras de algodão, com corantes reactivos. Estão inerentes as problemáticas: da escassez da água como matéria-prima na vertente de água potável; da diminuição de efluentes que necessitam de tratamentos devido à sua carga poluente; da recuperação sempre que seja viável dos produtos químicos adicionados nesta fase de tratamento das fibras de algodão e por último e não menos importante, da energia contida nestes efluentes que vão para o esgoto a temperaturas na ordem dos 50 ºC. A metodologia adoptada na realização deste trabalho consistiu, inicialmente num estudo sobre os trabalhos realizados até hoje nesta área, seguindo-se a recolha dos efluentes na empresa ―Estamparia Têxtil Adalberto Pinto da Silva, S.A.‖ (ETAPS) e posterior estudo da recuperação dos efluentes em causa pelo processo de NF utilizando a membrana NF270-2540 da empresa FILMTEC. Os efluentes estudados no presente trabalho continham corantes reactivos sendo um corante azul-claro (CAC) de composição (Amarelo Bril Remazol GL 150% + Azul Brilhante Remazol BB 133% + Azul Turqueza Remazol G) e o outro corante azul-marinho (CAM) de composição (Preto Remazol B 133% + Vermelho Remazol RGB + Amarelo Ouro Remazol RGB). Estes estudos de recuperação compreenderam basicamente 3 fases: caracterização do efluente recolhido na empresa; tratamento desse efluente utilizando uma instalação piloto de NF de fluxo cruzado ou também conhecido por membrana de fluxo tangencial instalado no Laboratório de Tecnologia (LT) do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP), e caracterização dos permeados e dos rejeitados obtidos. A análise de resultados do presente trabalho permitiu concluir ser possível a recuperação e reutilização das 3ª águas de lavagem do processo de tingimento quando tratadas pelo processo de NF a pressões de operação de 6 bar. Nestas circunstâncias os permeados obtidos (tanto no efluente com corante azul-claro como no efluente com corante azul-marinho) apresentam valores, em todos os parâmetros estudados, significativamente abaixo dos valores limites recomendáveis para uma água de abastecimento na Industria Têxtil (IT). Salienta-se reduções mais expressivas nos permeados do corante CAM, com vários parâmetros a sofrerem reduções no intervalo de 98 a 100%, nomeadamente, na cor, turvação, CQO, dureza total, alumínio e manganês. Os resultados obtidos para as pressões de operação de 4 e 8 bar mostram alguns parâmetros com valores acima dos recomendados para uma água de abastecimento na Indústria Têxtil, nomeadamente a cor no corante CAC quando se opera a 4 bar e no corante CAM quando se opera a 8 bar e os sulfatos e ferro no CAM à pressão de 4 bar. Estes resultados mostram ser possível a reutilização da água na própria instalação industrial, trazendo um benefício económico e ambiental, pela redução no consumo de água fresca e energia, além da redução do volume de efluentes que necessitam ser tratados, estando na mesma linha de pensamento de Gross et al (1999), que refere que o uso de membranas para o tratamento de efluentes do processo de tingimento tem como principal objectivo a viabilidade económica, a redução no consumo de água, de sais, de corantes e energia, bem como, a redução do volume de efluentes a ser tratado.

Caracterização de águas do processo e optimização dos consumos de água nos vários circuitos da Petibol, S.A. – Embalagens de Plástico

A empresa Petibol, S.A. – Embalagens de plástico centra-se na produção de embalagens de plástico a partir da matéria-prima Poliestireno Expandido (EPS) e Polipropileno Expandido (EPP). A empresa possui uma preocupação ao nível da qualidade da água e do aproveitamento energético, tendo desta forma surgido a realização do estudo na unidade industrial, com o objectivo de anular e/ou diminuir as possíveis lacunas existentes na unidade industrial. Numa primeira etapa foi realizada uma caracterização global à qualidade da água e à empresa, actualizando-se os esquemas já existentes, contabilizando-se os custos actuais relativamente aos processos no circuito da água (arrefecimento, aquecimento e pressurização), e por fim, efectuou-se um levantamento in loco do circuito de água, relativamente à pressão, temperatura e caudal. Numa fase posterior, foram propostos equipamentos e processos, tendo em vista a colmatação dos problemas identificados, realizando-se um subsequente estudo relativamente aos custos inerentes a esses novos processos. A caracterização à água foi avaliada em diferentes pontos do circuito industrial, tendo-se determinado na Sala de Bombagem que o filtro de areia não possuía as dimensões mais apropriadas, existindo também um problema a nível mecânico associado ao processo de contra-lavagem. Tais factos podem ser a causa da ocorrência de um aumento do teor de sólidos após a passagem na camada filtrante. Relativamente ao amaciador, este deveria amaciar de forma completa a água para alimentação à caldeira, embora se tenha registado à saída do amaciador uma dureza de 21,3 mg/L, denunciando problemas na troca iónica. No que toca à água de alimentação à caldeira, verifica-se a existência de parâmetros que não se encontram de acordo com os critérios enunciados para uma óptima qualidade, sendo eles o pH (10,14), condutividade (363 μS/cm), teor de ferro (1,21 mg/L) e a dureza (16 mg/L). De salientar que somente o teor de cobre, que se encontra em quantidades vestigiais, apresenta-se de acordo com os valores impostos. No que respeita à água da caldeira, esta apresenta parâmetros incompatíveis com os recomendados, sendo eles a condutividade (7350 μS/cm), teor de sólidos dissolvidos (5248 mg/L) e alcalinidade total (780 mg/L). De referir que o valor de pH (11,8) não se encontra de acordo com a aplicação do tratamento “fosfato-pH coordenado”. Em relação aos parâmetros com valores que se encontram dentro dos limites, estes correspondem à dureza (0 mg/L), ao teor de fosfatos (45 mg/L) e teor de sílica (0 mg/L). A água do circuito de arrefecimento foi sujeita a uma análise microbiológica, que corroborou a presença de um biofilme. Um dos problemas enunciados pela empresa, prendia-se com a impossibilidade de descarga, no colector municipal, dos condensados dos compressores, visto apresentarem uma quantidade de óleo de cerca de 43,3 mg/L, equivalente a quatro vezes o valor limite de emissão, de acordo com a legislação municipal. Por fim, o efluente de descarga industrial apresenta um valor de pH (10,3) acima do intervalo permitido por lei (6,0 – 9,0), sendo que a corrente que mais contribui para este acréscimo de pH corresponde à corrente proveniente da água de purga, visto esta apresentar um valor de pH de 12,22. De maneira a contornar os parâmetros enunciados, é proposto a substituição do filtro de areia da Sala de Bombagem, assim como a inserção de um conjunto de medidas de remoção de ferro e desinfecção, sendo a conjugação de arejamento, coagulação, filtração e desinfecção, por parte do hipoclorito, a proposta apresentada. Aos condensados dos compressores é apresentado um sistema de separação, que possibilita a remoção do óleo da água, e uma consequente descarga da mesma. Actualmente, não existe qualquer filtro de areia no circuito de arrefecimento da água, sendo proposto assim esse equipamento, de forma a minorar o desenvolvimento da população microbiana, bem como a permitir uma maior eficiência na transferência de calor na torre de arrefecimento. Relativamente à descarga industrial, é recomendável a colocação de um sistema de regularização automática de pH. A inserção de uma válvula de três vias permite um aproveitamento energético e de água, a partir da confluência da água oriunda dos furos com a água do tanque de água fria, sendo posteriormente alimentada à central de vácuo. No estudo da recuperação energética, um outro equipamento avaliado correspondeu à serpentina, no entanto, verificou-se que a poupança no consumo de gás natural era de apenas 0,005%, o que não se mostrou uma proposta viável. O orçamento de todos os equipamentos é de 11.720,76 €, possibilitando não só um melhor funcionamento industrial, como um menor impacto a nível ambiental. Os custos futuros de funcionamento aumentam em 3,36%, tendo a pressurização um aumento do seu custo em 3,4% em relação ao custo actual, verificando-se um custo anual de 10.781,21€, em relação aos processos de arejamento, coagulação e desinfecção.

Geotecnia urbana da zona ribeirinha de Vila Nova de Gaia (Cais de Gaia, Santa Marinha – Lavadores, Canidelo): uma avaliação preliminar

Mestrado em Engenharia Geotécnica e Geoambiente

Microtunelação. Aplicação a um caso de obra

Um túnel é uma obra subterrânea dimensionada com o objetivo de satisfazer diversas necessidades num mundo onde o planeamento urbano e a gestão de espaços ganha cada vez mais importância. A execução de este género de obras de engenharia pode ter várias finalidades, que podem ir desde a construção/reabilitação de redes de saneamento, abastecimento de água ou gás (túneis de pequeno diâmetro) até à construção/modernização de redes pedonais, rodoviárias ou ferroviárias, galerias mineiras, tuneis para barragens, etc. (túneis de grande diâmetro). As tuneladoras são uma das ferramentas de desmonte mais utilizadas na execução de obras subterrâneas. Existem no mercado vários tipos de máquinas tuneladoras, a sua escolha e dimensionamento depende de diversos fatores que devem ser cuidadosamente analisados, nomeadamente tipo de terreno a escavar, presença ou não de água na zona de escavação, dureza e/ou abrasividade das formações a atravessar, etc. Será feita uma abordagem aos princípios de funcionamento de este tipo de equipamentos, indicando o seu campo de aplicação dentro da respetiva tecnologia de escavação onde se inserem. Finalmente será desenvolvido o caso da empreitada: “Execução da Travessia do Rio Ave, da Estação Elevatória de Vila do Conde e dos Sistemas Elevatória da Aguçadoura e da Apúlia 4 - AR 44.0.08”, onde em alternativa ao desvio provisório do Rio Ave em Vila do Conde foi projetada a execução de duas travessias no diâmetro 1200 mm, uma delas escavadas maioritariamente em terreno aluvionar brando e a outra em terreno rochoso duro e abrasivo com recurso, em ambos casos, à utilização de máquina tuneladora. Através da avaliação do desempenho do equipamento escolhido para execução de este trabalho será estudada a eficiência da utilização deste tipo de equipamento. Com o objetivo de mostrar os custos associados à execução de obras de escavação subterrânea com recurso a utilização de máquinas tuneladoras, será feita uma análise económica e comparativa relativa aos dois casos de obra apresentados.

Wear resistance of TiAlSiN thin coatings

In the last decades TiAlN coatings deposited by PVD techniques have been extensively investigated but, nowadays, their potential development for tribological applications is relatively low. However, new coatings are emerging based on them, trying to improve wear behavior. TiAlSiN thin coatings are now investigated, analyzing if Si introduction increases the wear resistance of PVD films. Attending to the application, several wear test configurations has been recently used by some researchers. In this work, TiAlSiN thin coatings were produced by PVD Unbalanced Magnetron Sputtering technique and they were conveniently characterized using Scanning Electron Microscopy (SEM) provided with Energy Dispersive Spectroscopy (EDS), Atomic Force Microscopy (AFM), Electron Probe Micro-Analyzer (EPMA), Micro Hardness (MH) and Scratch Test Analysis. Properties as morphology, thickness, roughness, chemical composition and structure, hardness and film adhesion to the substrate were investigated. Concerning to wear characterization, two very different ways were chosen: micro-abrasion with ball-on-flat configuration and industrial non-standardized tests based on samples inserted in a feed channel of a selected plastic injection mould working with 30% (wt.) glass fiber reinforced polypropylene. TiAlSiN coatings with a small amount of about 5% (wt.) Si showed a similar wear behavior when compared with TiAlN reported performances, denoting that Si addition does not improve the wear performance of the TiAlN coatings in these wear test conditions.

Mechanical and tribological characterization of TiB2 thin films

Titanium Diboride (TiB2) presents high mechanical and physical properties. Some wear studies were also carried out in order to evaluate its tribological properties. One of the most popular wear tests for thin films is the ball-cratering configuration. This work was focused on the study of the tribological properties of TiB2 thin films using micro-abrasion tests and following the BS EN 1071-6: 2007 standard. Due to high hardness usually patented by these films, diamond was selected as abrasive on micro-abrasion tests. Micro-abrasion wear tests were performed under five different durations, using the same normal load, speed rotation and ball. Films were deposited by unbalanced magnetron sputtering Physical Vapour Deposition (PVD) technique using TiB2 targets. TiB2 films were characterized using different methods as Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS), Atomic Force Microscopy (AFM), X-ray Diffraction (XRD), Electron Probe Micro-Analyser (EPMA), Ultra Micro Hardness and Scratch-test Analysis, allowing to confirm that TiB2 presents adequate mechanical and physical properties. Ratio between hardness (coating and abrasive particles), wear resistance and wear coefficient were studied, showing that TiB2 films shows excellent properties for tribological applications.

TiB2 nanostructured coating for GFRP injection moulds

In the injection moulding of polypropylene reinforced with hard glass fibres, die materials are commonly subjected to severe abrasive wear. In order to improve its wear resistance, an unbalanced magnetron sputtering PVD compositional monolayered coating has been produced. The film was composed by a nanostructured TiB2 monolayer. Microstructure characterization and thickness evaluation were conducted by scanning electron microscopy (SEM). Film topography and roughness were accessed by SEM and Atomic Force Microscopy (AFM). The phase analyse was investigated by X-ray diffraction (XRD), using Cu Kalpha radiation. Scratch tests were conducted in order to study the film adhesion to the substrate. Load-Displacement curves (nanoindentation analysis) allowed measuring the film hardness and Young's modulus. A ball-cratering tribometer was used to determine the micro-abrasion laboratorial wear resistance, under different tests conditions, using SiC particles in distilled water slurry. At the end of these tests, the worn surfaces were analyzed by SEM and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) in order to compare these results with some other coatings already tested in the same conditions. To test the practical wear resistance, 135000 injection cycles were done in a plastic injection industrial mould. Coated samples were put on the plastic feed canal, after a turbulent zone. In these tests, a 30% (wt) glass fibres reinforced polypropylene was used. Worn sample surfaces were analyzed by SEM after 45.000 and 90.000 cycles. Image analyses were made in order to evaluate the damage increases and to observe the wear mechanisms involved.

Increasing the wear resistance of molds for injection of glass fiber reinforced plastics

Abrasion by glass fibers during injection molding of fiber reinforced plastics raises new challenges to the wear performance of the molds. In the last few decades, a large number of PVD and CVD coatings have been developed with the aim of minimizing abrasion problems. In this work, two different coatings were tested in order to increase the wear resistance of the surface of a mold used for glass fiber reinforced plastics: TiAlSiN and CrN/CrCN/DLC. TiAlSiN was deposited as a graded monolayer coating while CrN/CrCN/DLC was a nanostructured coating consisting of three distinct layers. Both coatings were produced by PVD unbalanced magnetron sputtering and were characterized using scanning electron microscopy (SEM) provided with energy dispersive spectroscopy (EDS), atomic force microscopy (AFM), micro hardness (MH) and scratch test analysis. Coating morphology, thickness, roughness, chemical composition and structure, hardness and adhesion to the substrate were investigated. Wear resistance was characterized through industrial tests with coated samples and an uncoated reference sample inserted in a feed channel of a plastic injection mold working with 30 wt.% glass fiber reinforced polypropylene. Results after 45,000 injection cycles indicate that the wear resistance of the mold was increased by a factor of 25 and 58, by the TiAlSiN and CrN/CrCN/DLC coatings, respectively, over the uncoated mold steel.

Caracterização mecânica e análise da resistência à corrosão em diferentes solos, de aços inoxidáveis duplex

O aço inoxidável é um material de alta durabilidade e resistência, utilizado nos mais diversos setores comerciais. O conhecimento das suas características e propriedades é essencial para uma escolha mais seletiva e vantajosa. Pretende‐se com este trabalho, estudar as propriedades mecânicas, a resistência ao desgaste e o comportamento, em ambientes mais agressivos de três tipos de aços inoxidáveis duplex, produzidos pela OUTOKUMPU e comercialmente conhecidos pelas designações LDX 2101, SAF 2507 e o SAF 2205. Para tal efeito foram realizados ensaios de Dureza Vickers, antes e após dobragem; ensaios de tracção em duas diferentes situações: seguindo a norma NP EN 10002‐ 1:2006 e após a realização de alguns ciclos de carga e descarga; ensaio de Impacto à temperatura ambiente e após arrefecimento criogénico; ensaio de resistência à corrosão. Também foi feito o estudo de resistência ao desgaste com base na técnica de micro‐abrasão por esfera rotativa e o estudo metalográfico. Foi também objetivo deste trabalho, relacionar o uso dos referidos aços duplex e as consequências que esse uso tem para o meio ambiente, bem como o seu comportamento quando exposto a condições extremas. Para tal, foram colocadas amostras dos referidos aços, em dois tipos de solos com condições de humidade e acidez diferentes analisando o seu estado após imersão em solo com condições controladas durante 272 dias.

Influence of the abrasive particles size in the micro-abrasion wear tests of TiAlSiN thin coatings

Ball rotating micro-abrasion tribometers are commonly used to carry out wear tests on thin hard coatings. In these tests, different kinds of abrasives were used, as alumina (Al2O3), silicon carbide (SiC) or diamond. In each kind of abrasive, several particle sizes can be used. Some studies were developed in order to evaluate the influence of the abrasive particle shape in the micro-abrasion process. Nevertheless, the particle size was not well correlated with the material removed amount and wear mechanisms. In this work, slurry of SiC abrasive in distilled water was used, with three different particles size. Initial surface topography was accessed by atomic force microscopy (AFM). Coating hardness measurements were performed with a micro-hardness tester. In order to evaluate the wear behaviour, a TiAlSiN thin hard film was used. The micro-abrasion tests were carried out with some different durations. The abrasive effect of the SiC particles was observed by scanning electron microscopy (SEM) both in the films (hard material) as in the substrate (soft material), after coating perforation. Wear grooves and removed material rate were compared and discussed.

Micro-abrasion wear behaviour of TiAlCrSiN nanostructured coatings

The injection process of glass fibres reinforced plastics promotes the moulds surface degradation by erosion. In order to improve its wear resistance, several kinds of PVD thin hard coatings were used. It is well-known that nanostructures present a better compromise between hardness and toughness. Indeed, when the coating is constituted by a large number of ultra-thin different layers, cracks and interface troubles tend to decrease. However, it is not clear that these nanostructures present a better wear behaviour in erosion processes. In order to study its wear behaviour, a sputtered PVD nanostructured TiAlCrSiN coating was used. The substrate and film surfaces topography were analyzed by profilometry and atomic force microscopy techniques. Film adhesion to the substrate was evaluated by scratch tests. The surface hardness was measured with a Vickers micro-hardness tester. The wear resistance was evaluated by micro-abrasion with a rotating ball tribometer tests. Slurry of SiC particles in distilled water was used in order to provoke the surface abrasion. Different duration tests were performed in order to analyze the wear evolution. After these tests, the wear mechanisms developed were analyzed by scanning electron microscopy. Wear craters were measured and the wear rate was calculated and discussed. With the same purpose, coated inserts were mounted in an injection mould working with a 30% glass fibres reinforced polypropylene. After 45 000 cycles no relevant wear was registered.

Desenvolvimento de ferramentas e provetes para o ensaio Thick Adherend Shear Test (TAST).

As estruturas coladas são geralmente projetadas para que o adesivo seja essencialmente sujeito a esforços de corte, pois neste tipo de solicitação o adesivo apresenta melhores caraterísticas mecânicas. A avaliação do comportamento ao corte pode ser realizada com o adesivo no estado maciço ou como camada fina em juntas adesivas. Os métodos que permitem avaliar o comportamento ao corte, quer para o adesivo, quer para as juntas, são: o ensaio Iosipescu ou V-Notched beam shear method, o ensaio de borboleta ou Notched plate shear method (Arcan), o ensaio de torsão, o ensaio de tração numa junta de sobreposição simples e o ensaio Thick Adherend Shear Test (TAST). Os ensaios Arcan e Iosipescu, tal como o ensaio de torção, podem ser realizados em provetes de adesivo maciço ou em juntas. O ensaio de torção é pouco utilizado, porque a aplicação do esforço de corte exige dispositivos e equipamentos de ensaios complexos. Os ensaios Arcan e Iosipescu utilizam provetes com entalhes e podem introduzir alguma dificuldade na medição precisa das deformações. O ensaio de tração numa junta de sobreposição simples é um dos métodos mais usados para caraterizar uma junta adesiva, porque é um método simples, as juntas são de fácil fabrico e pode ser realizado em máquinas universais de ensaios mecânicos. Neste ensaio os aderentes estão sujeitos a uma solicitação de tração, enquanto a camada de adesivo está sujeita a esforços de corte combinados com esforços de arrancamento. Os esforços de arrancamento resultam da própria geometria da junta na qual existe um desalinhamento das forças de tração, mesmo quando são colocados calços (reguladores de espessura) nos locais de amarração. O ensaio TAST é dos mais populares para obtenção das propriedades ao corte, uma vez que tanto as ferramentas de ensaio como o fabrico dos provetes são relativamente simples. Este ensaio é realizado em junta sendo os substratos espessos e de aço que, devido à sua elevada rigidez, contribuem para um esforço de corte praticamente puro no adesivo. Neste trabalho realizou-se o projeto e a fabricação das ferramentas, gabarit e substratos necessários para a execução de provetes TAST e ensaios utilizando diferentes adesivos.