Copper, nickel and zinc removal by peanut hulls: batch and column studies in mono, tri-component systems and with real effluent

The main goal of this research study was the removal of Cu(II), Ni(II) and Zn(II) from aqueous solutions using peanut hulls. This work was mainly focused on the following aspects: chemical characterization of the biosorbent, kinetic studies, study of the pH influence in mono-component systems, equilibrium isotherms and column studies, both in mono and tri-component systems, and with a real industrial effluent from the electroplating industry. The chemical characterization of peanut hulls showed a high cellulose (44.8%) and lignin (36.1%) content, which favours biosorption of metal cations. The kinetic studies performed indicate that most of the sorption occurs in the first 30 min for all systems. In general, a pseudo-second order kinetics was followed, both in mono and tri-component systems. The equilibrium isotherms were better described by Freundlich model in all systems. Peanut hulls showed higher affinity for copper than for nickel and zinc when they are both present. The pH value between 5 and 6 was the most favourable for all systems. The sorbent capacity in column was 0.028 and 0.025 mmol g-1 for copper, respectively in mono and tri-component systems. A decrease of capacity for copper (50%) was observed when dealing with the real effluent. The Yoon-Nelson, Thomas and Yan’s models were fitted to the experimental data, being the latter the best fit.

Self-mated tribological systems based on multilayer micro/nanocrystalline CVD diamond coatings

The tribological response of multilayer micro/nanocrystalline diamond coatings grown by the hot filament CVD technique is investigated. These multigrade systems were tailored to comprise a starting microcrystalline diamond (MCD) layer with high adhesion to a silicon nitride (Si3N4) ceramic substrate, and a top nanocrystalline diamond (NCD) layer with reduced surface roughness. Tribological tests were carried out with a reciprocating sliding configuration without lubrication. Such composite coatings exhibit a superior critical load before delamination (130–200 N), when compared to the mono- (60–100 N) and bilayer coatings (110 N), considering ∼10 µm thick films. Regarding the friction behaviour, a short-lived initial high friction coefficient was followed by low friction regimes (friction coefficients between 0.02 and 0.09) as a result of the polished surfaces tailored by the tribological solicitation. Very mild to mild wear regimes (wear coefficient values between 4.1×10−8 and 7.7×10−7 mm3 N−1 m−1) governed the wear performance of the self-mated multilayer coatings when subjected to high-load short-term tests (60–200 N; 2 h; 86 m) and medium-load endurance tests (60 N; 16 h; 691 m).

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.

Adhesion and wear behaviour of NCD coatings on Si3N4 by micro-abrasion tests

Nanocrystalline diamond (NCD) coatings offer an excellent alternative for tribological applications, preserving most of the intrinsic mechanical properties of polycrystalline CVD diamond and adding to it an extreme surface smoothness. Silicon nitride (Si3N4) ceramics are reported to guarantee high adhesion levels to CVD microcrystalline diamond coatings, but the NCD adhesion to Si3N4 is not yet well established. Micro-abrasion tests are appropriate for evaluating the abrasive wear resistance of a given surface, but they also provide information on thin film/substrate interfacial resistance, i.e., film adhesion. In this study, a comparison is made between the behaviour of NCD films deposited by hot-filament chemical vapour deposition (HFCVD) and microwave plasma assisted chemical vapour deposition (MPCVD) techniques. Silicon nitride (Si3N4) ceramic discs were selected as substrates. The NCD depositions by HFCVD and MPCVD were carried out using H2–CH4 and H2–CH4–N2 gas mixtures, respectively. An adequate set of growth parameters was chosen for each CVD technique, resulting in NCD films having a final thickness of 5 m. A micro-abrasion tribometer was used, with 3 m diamond grit as the abrasive slurry element. Experiments were carried out at a constant rotational speed (80 r.p.m.) and by varying the applied load in the range of 0.25–0.75 N. The wear rate for MPCVD NCD (3.7±0.8 × 10−5 m3N−1m−1) is compatible with those reported for microcrystalline CVD diamond. The HFCVD films displayed poorer adhesion to the Si3N4 ceramic substrates than the MPCVD ones. However, the HFCVD films show better wear resistance as a result of their higher crystallinity according to the UV Raman data, despite evidencing premature adhesion failure.

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.

Avaliação da qualidade química e microbiológica de tintas didácticas do ensino pré-escolar

As tintas utilizadas nas actividades didácticas possuem na sua composição ingredientes que dada a sua natureza, modo de fabrico e de utilização, podem representar um risco para a saúde das crianças. Neste âmbito, procurou-se com este estudo avaliar a qualidade química e microbiológica das tintas utilizadas pelas crianças no ensino pré-escolar. Vinte e nove amostras de tintas, incluindo guaches, tintas de águas, digitintas e tintas para pinturas faciais foram recolhidas em oito estabelecimentos de ensino, nomeadamente, Jardins de Infância, do conselho de Vila Nova de Gaia. A avaliação microbiológica envolveu não só a determinação da concentração microbiana presente nas amostras, como também, a avaliação da estabilidade microbiana nas tintas das espécies S.aureus e E.coli. Na avaliação química procedeu-se à determinação da concentração dos metais chumbo (Pb), cádmio (Cd), crómio (Cr), cobalto (Co), níquel (Nq), manganês (Mn), cobre (Cu) e zinco (Zn) quer em algumas das amostras recolhidas nos estabelecimentos de ensino, quer em tintas adquiridas em três estabelecimentos comerciais. Os resultados obtidos da avaliação microbiológica revelam uma contaminação estática na generalidade das tintas. Três amostras de tintas apresentaram ainda elevada contaminação por fungos, nomeadamente Aspergillus spp. e Trichophyton spp. Da avaliação da estabilidade microbiana das espécies S.aureus e E.coli observou-se uma sensibilidade das mesmas às tintas, sendo evidenciado, em alguns casos, um decrescimento da concentração ao longo do tempo de exposição, e noutros, uma sensibilidade imediata. A espécie S.aureus revelou, contudo, maior capacidade de resistência que a E.coli. Os resultados obtidos da avaliação química revelaram a presença de Cr em todas as amostras, registando as tintas adquiridas em estabelecimentos comerciais concentrações mais elevadas para este metal. Os metais Cu e Zn foram detectados, em algumas amostras de tintas artísticas, em concentrações acima dos valores limites. Nas tintas para a cara foram encontrados os metais Pb, Cd, Cr e Nq, cuja utilização é interdita nestes produtos. O conhecimento das características químicas e microbiológicas das tintas utilizadas por crianças do ensino pré-escolar revelou-se de grande importância, nomeadamente, para a determinação dos riscos a que este grupo de indivíduos pode estar exposto no seu dia-a-dia quando utilizam estes produtos.

Remoção de metais usando casca de amendoim

Mestrado em Engenharia Química

Influence of the pre-treatments on the properties of biodegradable films from bovine hair

The replacement of conventional synthetic films and coatings by biodegradable alternatives reduces the use of non-renewable resources and waste disposal problems. Considering that Portugal is a major producer of leather, and consequently a large producer of related wastes, in this research, bovine hair was tested for the production of biodegradable films directly by thermo-compression, allowing waste valorisation and reduction of environmental pollution. The aim of this study was to determine the influence of the different pre-treatments performed by two processes (removal by mechanical action and removal by chemical process), applied to bovine hair, in order to obtain a biodegradable film with appropriate properties. Mechanical properties for these films were evaluated, namely strain at break, stress at break and Young modulus. Additionally colour, solubility and swelling in water were also studied. The mechanical removal hair only produced films with Na2S treatment. Chemical removed hair (immunization) depends of the pre-treatment and the degreasing with petroleum ether or sodium sulphide pre-treatment leads better mechanical properties. The results obtained indicated that the pre-treatments have an important role in the final properties of biodegradable films.

Diagnóstico energético e reengenharia do processo de secagem na fábrica de revestimentos

Este trabalho surgiu no âmbito da Tese de Mestrado em Engenharia Química - Ramo Optimização Energética na Indústria Química, aliando a necessidade da Empresa Monteiro Ribas – Indústrias, S.A. em resolver alguns problemas relacionados com as estufas da unidade J da fábrica de revestimentos. Outro dos objectivos era propor melhorias de eficiência energética neste sector da empresa. Para tal, foi necessário fazer um levantamento energético de toda a unidade, o que permitiu verificar que as estufas de secagem (Recobrimento 1 e 2) seriam o principal objecto de estudo. O levantamento energético da empresa permitiu conhecer o seu consumo anual de energia de 697,9 tep, o que a classifica, segundo o Decreto-lei nº 71 de 15 de Abril de 2008, como Consumidora Intensiva de Energia (CIE). Além disso, as situações que devem ser alvo de melhoria são: a rede de termofluido, que apresenta válvulas sem isolamento, o sistema de iluminação, que não é o mais eficiente e a rede de distribuição de ar comprimido, que não tem a estrutura mais adequada. Desta forma sugere-se que a rede de distribuição de termofluido passe a ter válvulas isoladas com lã de rocha, o investimento total é de 2.481,56 €, mas a poupança pode ser de 21.145,14 €/ano, com o período de retorno de 0,12 anos. No sistema de iluminação propõe-se a substituição dos balastros normais por electrónicos, o investimento total é de 13.873,74 €, mas a poupança é de 2.620,26 €/ano, com período de retorno de 5 anos. No processo de secagem das linhas de recobrimento mediram-se temperaturas de todos os seus componentes, velocidades de ar o que permitiu conhecer a distribuição do calor fornecido pelo termofluido. No Recobrimento 1, o ar recebe entre 39 a 51% do calor total, a tela recebe cerca de 25% e na terceira estufa este é apenas de 6%. Nesta linha as perdas de calor por radiação oscilam entre 6 e 11% enquanto as perdas por convecção representam cerca de 17 a 44%. Como o calor que a tela recebe é muito inferior ao calor recebido pelo ar no Recobrimento 1, propõe-se uma redução do caudal de ar que entra na estufa, o que conduzirá certamente à poupança de energia térmica. No Recobrimento 2 o calor fornecido ao ar representa cerca de 51 a 77% do calor total e o cedido à tela oscila entre 2 e 3%. As perdas de calor por convecção oscilam entre 12 e 26%, enquanto que as perdas por radiação têm valores entre 4 e 8%. No que diz respeito ao calor necessário para evaporar os solventes este oscila entre os 4 e 13%. Os balanços de massa e energia realizados ao processo de secagem permitiram ainda determinar o rendimento das 3 estufas do Recobrimento 1, com 36, 47 e 24% paras as estufa 1, 2 e 3, respectivamente. No Recobrimento 2 os valores de rendimento foram superiores, tendo-se obtido valores próximos dos 41, 81 e 88%, para as estufas 1, 2 e 3, respectivamente. Face aos resultados obtidos propõem-se a reengenharia do processo introduzindo permutadores compactos para aquecer o ar antes de este entrar nas estufas. O estudo desta alteração foi apenas realizado para a estufa 1 do Recobrimento 1, tendo-se obtido uma área de transferência de calor de 6,80 m2, um investimento associado de 8.867,81 €. e uma poupança de 708,88 €/ano, com um período de retorno do investimento de 13 anos. Outra sugestão consiste na recirculação de parte do ar de saída (5%), que conduz à poupança de 158,02 €/ano. Estes valores, pouco significativos, não estimulam a adopção das referidas sugestões.

Mixed extractant systems for metal recovery

Hoje em dia, a prevenção dos resíduos de metais é uma questão muito importante para um grande número de empresas, pois necessitam optimizar o seu sistema de tratamento de águas residuais a fim de alcançarem os limites legais dos teores em iões metálicos e poderem efectuar a descarga das águas residuais no domínio hídrico público. Devido a esta problemática foram efectuados estudos inovadores relacionados com a remoção de iões metálicos de águas residuais, verificando-se que as tecnologias de membrana oferecem uma série de vantagens para o efeito. Uma dessas tecnologias, referida como Membrana Líquida de Suporte (SLM), é baseada num mecanismo de extracção. A membrana hidrofóbica, impregnada com uma solução extractora, funciona como barreira entre a água residual e uma solução, geralmente ácida. A diferença de pH entre a água residual e a solução actua como força motriz para o transporte de iões metálicos da água residual para a referida solução. Poderá ocorrer um problema de falta de estabilidade, resultante da possível fuga da solução extractora para fora dos poros das membranas. Estudos anteriores mostraram que os ácidos alquilfosfóricos ou ácidos fosfónicos, como os reagentes D2EHPA e CYANEX e hidroxioximas como o LIX 860-I podem ser muito úteis para a extração de iões metálicos como ferro, cobre, níquel, zinco e outros. A clássica extracção líquido-líquido também tem mostrado que a mistura de diferentes extractores pode ter um efeito sinergético. No entanto, não é claro que haja um efeito óptimo da razão de extractor ou que tipo de complexo é formado durante o processo de extracção. O objectivo deste projecto é investigar este comportamento sinergético e as complexas formações por meio de um método espectrofotométrico, o “Job’s method” e “Mole-ratio method”. Estes métodos são utilizados para estimar a estequiometria dos vários complexos entre dois solutos, a partir da variação de absorvância dos complexos quando comparado com a absorvância do soluto. Com este projecto, o Job’s method e mole-ratio method serão aplicados a um sistema de três componentes, para conseguir mais informações sobre a complexação de níquel (II) e a fim de determinar a razão extractor: metal dos complexos formados durante a aplicação de mistura de extractores D2EHPA e LIX 860-I. Segundo Job’s method a elavada absorvância situa-se na região de 0,015-0,040 M de LIX 860-I e uma baixa concentração de D2EHPA. Quando as diferentes experiências são encontradas num conjunto experimental foram avaliadas de acordo com o método de trabalho, o valor máximo do gráfico foi encontrado para uma baixa fração molar do ião metálico e uma maior concentração de D2EHPA. Esta mudança foi encontrado de 0,50 até 0,30, que poderia apontar para a direção da formação de diferentes complexos. Para o Mole-Ratio method, a estequiometria dos complexos metal pode ser determinada a partir do ponto de intersecção das linhas tangente do gráfico da absorbância versus a concentração do ligante. Em todos os casos, o máximo foi obtido em torno de uma concentração total de 0,010 M. Quando D2EHPA foi aplicado sozinho, absorvâncias muito baixos foram obtidas.

Análise de metais em infusões de chás e ervas aromáticas por espectrofotometria de absorção atómica de alta resolução com fonte contínua

Actualmente tem-se verificado um grande aumento na procura e a utilização de produtos naturais contendo extractos de algas, com fins medicinais, sendo cada vez maior a diversidade de oferta desses produtos, vendidos em ervanária e afins. A bibliografia tem mostrado que as algas têm capacidade de acumulação de metais pesados. As algas, sendo organismos aquáticos, estão sujeitas a contaminações dos locais (não identificados) de onde provêm. O controlo e fiscalização para estes produtos é praticamente inexistente. O objectivo deste projecto foi o desenvolvimento de metodologias analíticas com vista à quantificação de metais em infusões de chás e ervas aromáticas. Foram analisadas 9 amostras: uma de chá verde, uma de chá preto, uma infusão de lima, uma de camomila, uma mistura de chá com ervas e quatro misturas contendo algas. A espectrofotometria de absorção atómica é o método de referência para a análise de metais. Neste trabalho foi utilizado um espectrofotómetro de absorção atómica com fonte de radiação contínua e monocromador de alta resolução. Sendo esta uma tecnologia inovadora foi necessário desenvolver metodologias para os métodos de análise. A atomização em chama foi a técnica utilizada para a quantificação do cálcio, potássio, magnésio, manganês e sódio. A atomização electrotérmica foi usada para o cádmio, cobalto, crómio, cobre, níquel e chumbo. Tendo em conta os limites legislados (Decreto-Lei Nº306/2007 de 27 de Agosto) obtiveram-se teores preocupantes para o níquel (iguais ou superiores ao limite legislado) em todas as amostras analisadas e para o manganês em duas das amostras (chá verde e chá preto). Todas as amostras contendo algas apresentaram teores de Ca, Mg e Na superiores aos das restantes. Para os restantes elementos não foi possível relacionar as concentrações com a composição das infusões, em particular a presença de algas.

Oxidative Leaching of metals from electronic waste with solutions based on quaternary ammonium salts

The treatment of electric and electronic waste (WEEE) is a problem which receives ever more attention. An inadequate treatment results in harmful products ending up in the environment. This project intends to investigate the possibilities of an alternative route for recycling of metals from printed circuit boards (PCBs) obtained from rejected computers. The process is based on aqueous solutions composed of an etchant, either 0.2 M CuCl2.2H2O or 0.2 M FeCl3.6H2O, and a quaternary ammonium salt (quat) such as choline chloride or chlormequat. These solutions are reminiscent of deep eutectic solvents (DES) based on quats. DES are quite similar to ionic liquids (ILs) and are used as well as alternative solvents with a great diversity of physical properties, making them attractive for replacement of hazardous, volatile solvents (e.g. VOCs). A remarkable difference between genuine DES and ILs with the solutions used in this project is the addition of rather large quantities of water. It is shown the presence of water has a lot of advantages on the leaching of metals, while the properties typical for DES still remain. The oxidizing capacities of Cu(II) stem from the existence of a stable Cu(I) component in quat based DES and thus the leaching stems from the activity of the Cu(II)/Cu(I) redox couple. The advantage of Fe(III) in combination with DES is the fact that the Fe(III)/Fe(II) redox couple becomes reversible, which is not true in pure water. This opens perspectives for regeneration of the etching solution. In this project the leaching of copper was studied as a function of gradual increasing water content from 0 - 100w% with the same concentration of copper chloride or iron(III) chloride at room temperature and 80ºC. The solutions were also tested on real PCBs. At room temperature a maximum leaching effect for copper was obtained with 30w% choline chloride with 0.2 M CuCl2.2H2O. The leaching effect is still stronger at 80°C, b ut of course these solutions are more energy consuming. For aluminium, tin, zinc and lead, the leaching was faster at 80ºC. Iron and nickel dissolved easily at room temperature. The solutions were not able to dissolve gold, silver, rhodium and platinum.

Metodologia de análise da patologia de fachadas de edifícios recentes com sistema ETICS

Ao percorrermos as cidades portuguesas, deparámo-nos frequentemente com fachadas de edifícios muito degradadas, não só de edifícios antigos, mas também de edifícios recentes (construção edificada a partir do início da década de 70). A presença de anomalias nas fachadas, para além de ser esteticamente desagradável na paisagem urbana, pode também potenciar a degradação prematura da envolvente vertical dos edifícios, deixando estas de desempenhar satisfatoriamente as funções de impermeabilidade e eficiência térmica. Tem-se assistido nas últimas décadas em Portugal, não só a uma evolução das técnicas construtivas das fachadas face à crescente exigência da qualidade dos edifícios, mas também a uma crescente utilização de novos revestimentos, nomeadamente, o sistema de isolamento térmico pelo exterior, conhecido pela sigla inglesa ETICS (External Thermal Insulation Composite System) e designado por “revestimento delgado armado sobre isolante”. O principal objectivo da presente dissertação consiste no desenvolvimento e aplicação de uma proposta de metodologia para análise da patologia de fachadas de edifícios recentes com sistema ETICS, que gradualmente tem vindo a implantar-se em Portugal como uma das soluções de carácter inovador de isolamento térmico e de protecção higrométrica da envolvente vertical opaca dos edifícios.

Trimethoprim-selective electrodes with molecularly imprinted polymers acting as ionophores and potentiometric transduction on graphite solid-contact

This work proposes a new biomimetic sensor material for trimethoprim. It is prepared by means of radical polymerization, having trimethylolpropane trimethacrylate as cross-linker, benzoyl peroxide as radicalar iniciator, chloroform as porogenic solvent, and methacrylic acid and 2-vinyl pyridine as monomers. Different percentages of sensor in a range between 1 and 6% were studied. Their behavior was compared to that obtained with ion-exchanger quaternary ammonium salt (additive tetrakis(p-chlorophenyl)borate or tetraphenylborate). The effect of an anionic additive in the sensing membrane was also tested. Trimethoprim sensors with 1% of imprinted particles from methacrylic acid monomers showed the best response in terms of slope (59.7 mV/decade) and detection limit (4.01×10−7 mol/L). These electrodes displayed also a good selectivity towards nickel, manganese aluminium, ammonium, lead, potassium, sodium, iron, chromium, sulfadiazine, alanine, cysteine, tryptophan, valine and glycine. The sensors were not affected by pH changes from 2 to 6. They were successfully applied to the analysis of water from aquaculture.