Heterogeneous kinetics of the reduction of chromium (VI) by elemental iron

Zero valent iron (ZVI) has been extensively used as a reactive medium for the reduction of Cr(VI) to Cr(III) in reactive permeable barriers. The kinetic rate depends strongly on the superficial oxidation of the iron particles used and the preliminary washing of ZVI increases the rate. The reaction has been primarily modelled using a pseudo-first-order kinetics which is inappropriate for a heterogeneous reaction. We assumed a shrinking particle type model where the kinetic rate is proportional to the available iron surface area, to the initial volume of solution and to the chromium concentration raised to a power ˛ which is the order of the chemical reaction occurring at surface. We assumed α= 2/3 based on the likeness to the shrinking particle models with spherical symmetry. Kinetics studies were performed in order to evaluate the suitability of this approach. The influence of the following parameters was experimentally studied: initial available surface area, chromium concentration, temperature and pH. The assumed order for the reaction was confirmed. In addition, the rate constant was calculated from data obtained in different operating conditions. Digital pictures of iron balls were periodically taken and the image treatment allowed for establishing the time evolution of their size distribution.

Efficient implementation of a dominance protocol for wireless medium access

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

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.

Auditoria e optimização energética à secção de impregnação de uma indústria têxtil

Mestrado em Engenharia Química

Estudo da eficiência de sistemas fotovoltaicos

Mestrado em Engenharia Química. Ramo optimização energética na indústria química

Auditoria energética à indústria têxtil do Ave

A Indústria Têxtil do Ave S.A. (ITA) dedica-se, desde 1948, à produção de componentes têxteis para pneus em forma de fio torcido (corda) e tela. Estes componentes são quimicamente activados e impregnados em estufas, possibilitando assim a posterior adesão ao pneu. A máquina de impregnar corda Single End é composta pelos grupos de estiragem, por um recipiente contendo a solução química e por 4 estufas em série. A máquina de impregnar tela Zell é composta pelos grupos de estiragem, pelos acumuladores de saída e entrada, pelos recipientes com as soluções químicas e por um grupo de 7 estufas em série. O aquecimento das estufas é feito através da queima de gás natural. O presente trabalho teve como objectivo a realização de uma auditoria energética à ITA com um especial destaque às máquinas de impregnar corda (Single End) e tela (Zell). As correntes de entrada que contribuem para a potência térmica de impregnação são a combustão do gás natural, o ar de combustão, o ar fresco, o artigo em verde e as soluções químicas. As correntes de saída correspondem aos gases de combustão e exaustão, ao artigo impregnado e às perdas térmicas. A auditoria à máquina Single End mostrou que a potência térmica de impregnação é de 413,1 kW. Dessa potência térmica, 77,2% correspondem à combustão do gás natural, 6,7% ao ar de combustão, 15% ao ar fresco, 0,7% às cordas em verde e 0,4% à solução química. Da potência térmica de saída, 88,4% correspondem aos gases de combustão e exaustão, 3,2% às cordas impregnadas e 8,4% às perdas térmicas. Da auditoria à máquina Zell observou-se que a potência térmica de impregnação é de 5630,7 kW. Dessa potência, 73,3% corresponde à combustão do gás natural, 1,6% ao ar de combustão, 24,5% ao ar fresco, 0,3% à tela em verde e 0,3% às soluções químicas. Da potência térmica de saída, 65,2% correspondem aos gases de combustão e exaustão, 3,1% à tela impregnada e 31,7% às perdas térmicas. Foram sugeridas como medidas de optimização a redução dos caudais de exaustão das estufas e o aumento de temperatura do ar fresco. O aumento da temperatura do ar fresco da máquina de impregnar Single End para 50 ºC, usando ar quente dos torcedores, leva a uma poupança de 0,22 €/h, com um período de retorno do investimento de 13 anos e 4 meses enquanto o aumento para 120 ºC, usando o calor dos gases de combustão e exaustão, reduz os custos em 0,88 €/h, sendo o período de retorno para esse investimento de 2 anos e 6 meses. Na máquina de impregnar Zell, uma redução de 15% no caudal de exaustão numa das estufas leva a ganhos de 3,43 €/h. O aumento de temperatura do ar fresco para 45 ºC, usando o calor de gases de combustão e exaustão, leva a uma poupança de 9,93 €/h sendo o período de retorno para cada uma das duas sugestões de investimento de 5 meses e 9 meses.

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.

Análise e optimização global de uma linha de extrusão

Os objectivos principais deste estudo são a caracterização de uma das linhas de extrusão existentes na Cabelte, nomeadamente a linha de extrusão de referência EP5, composta por duas extrusoras. Pretende-se fazer a determinação de indicadores energéticos e de processo e a optimização do consumo energético, no que diz respeito à energia consumida e às perdas térmicas relativas a esta linha. Para fazer a monitorização da linha de extrusão EP5 foi colocado no quadro geral dessa linha um equipamento central de medida de forma a ser possível a sua monitorização. No entanto, para a extrusora auxiliar as medições foram efectuadas com uma pinça amperimétrica e um fasímetro. Foram também efectuados ensaios onde foi avaliada a quantidade de material transformada, para isso foi utilizado um equipamento de pesagem, doseador gravimétrico aplicado nas extrusoras. As medições de temperatura para os cálculos das perdas térmicas da extrusora principal e para a caracterização dos materiais plásticos, foram efectuadas utilizando um termómetro digital. Foram efectuados ensaios de débito às extrusoras auxiliar e principal e foi estudada a variação do factor de potência em função da rotação do fuso. Na perspectiva do utilizador final a optimização para a utilização racional de energia está na redução de encargos da factura de energia eléctrica. Essa factura não depende só da quantidade mas também do modo temporal como se utiliza essa energia, principalmente a energia eléctrica, bastante dependente do período em que é consumida. Uma metodologia diferente no planeamento da produção, contemplando o fabrico dos cabos com maior custo específico nas horas de menor custo energético, implicaria uma redução dos custos específicos de 18,7% para o horário de verão e de 20,4% para o horário de inverno. Os materiais de revestimento utilizados (PE e PVC), influenciam directamente os custos energéticos, uma vez que o polietileno (PE) apresenta sempre valores de entalpia superiores (0,317 kWh/kg e 0,281 kWh/kg)) e necessita de temperaturas de trabalho mais elevadas do que o policloreto de vinilo (PVC) (0,141 kWh/kg e 0,124 kWh/kg). O consumo específico tendencialmente diminui à medida que aumenta a rotação do fuso, até se atingir o valor de rotação óptimo, a partir do qual esta tendência se inverte. O cosφ para as duas extrusoras em estudo, aumenta sempre com o aumento de rotação do fuso. Este estudo permitiu avaliar as condições óptimas no processo de revestimento dos cabos, de forma a minimizarmos os consumos energéticos. A redução de toda a espécie de desperdícios (sobre consumos, desperdício em purgas) é uma prioridade de gestão que alia também a eficácia à eficiência, e constitui uma ferramenta fundamental para assegurar o futuro da empresa. O valor médio lido para o factor de potência (0,38) da linha EP5, valor extremamente baixo e que vem associado à energia reactiva, além do factor económico que lhe está inerente, condiciona futuras ampliações. A forma de se corrigir o factor de potência é instalando uma bateria de condensadores de 500 kVAr. Considerando o novo sistema tarifário aplicado à energia reactiva, vamos ter um ganho de 36167,4 Euro/ano e o período de retorno de investimento é de 0,37 ano (4,5 meses). Esta medida implica também uma redução anual na quantidade de CO2 emitida de 6,5%. A quantificação das perdas térmicas é importante, pois só desta forma se podem definir modos de actuação de forma a aumentar a eficiência energética. Se não existir conhecimento profundo dos processos e metodologias correctas, não podem existir soluções eficientes, logo é importante medir antes de avançar com qualquer medida de gestão.

Application of wetland systems in the treatment of acid rock mine drainage

The presented work was conducted within the Dissertation / Internship, branch of Environmental Protection Technology, associated to the Master thesis in Chemical Engineering by the Instituto Superior de Engenharia do Porto and it was developed in the Aquatest a.s, headquartered in Prague, in Czech Republic. The ore mining exploitation in the Czech Republic began in the thirteenth century, and has been extended until the twentieth century, being now evident the consequences of the intensive extraction which includes contamination of soil and sub-soil by high concentrations of heavy metals. The mountain region of Zlaté Hory was chosen for the implementation of the remediation project, which consisted in the construction of three cells (tanks), the first to raise the pH, the second for the sedimentation of the formed precipitates and a third to increase the process efficiency in order to reduce high concentrations of metals, with special emphasis on iron, manganese and sulfates. This project was initiated in 2005, being pioneer in this country and is still ongoing due to the complex chemical and biological phenomenon’s inherent to the system. At the site where the project was implemented, there is a natural lagoon, thereby enabling a comparative study of the two systems (natural and artificial) regarding the efficiency of both in the reduction/ removal of the referred pollutants. The study aimed to assist and cooperate in the ongoing investigation at the company Aquatest, in terms of field work conducted in Zlaté Hory and in terms of research methodologies used in it. Thereby, it was carried out a survey and analysis of available data from 2005 to 2008, being complemented by the treatment of new data from 2009 to 2010. Moreover, a theoretical study of the chemical and biological processes that occurs in both systems was performed. Regarding the field work, an active participation in the collection and in situ sample analyzing of water and soil from the natural pond has been attained, with the supervision of Engineer, Irena Šupiková. Laboratory analysis of water and soil were carried out by laboratory technicians. It was found that the natural lagoon is more efficient in reducing iron and manganese, being obtained removal percentages of 100%. The artificial lagoon had a removal percentage of 90% and 33% for iron and manganese respectively. Despite the minor efficiency of the constructed wetland, it must be pointed out that this system was designed for the treatment and consequent reduction of iron. In this context, it can conclude that the main goal has been achieved. In the case of sulphates, the removal optimization is yet a goal to be achieved not only in the Czech Republic but also in other places where this type of contamination persists. In fact, in the natural lagoon and in the constructed wetland, removal efficiencies of 45% and 7% were obtained respectively. It has been speculated that the water at the entrance of both systems has different sources. The analysis of the collected data shows at the entrance of the natural pond, a concentration of 4.6 mg/L of total iron, 14.6 mg/L of manganese and 951 mg/L of sulphates. In the artificial pond, the concentrations are 27.7 mg/L, 8.1 mg/L and 382 mg/L respectively for iron, manganese and sulphates. During 2010 the investigation has been expanded. The study of soil samples has started in order to observe and evaluate the contribution of bacteria in the removal of heavy metals being in its early phase. Summarizing, this technology has revealed to be an interesting solution, since in addition to substantially reduce the mentioned contaminants, mostly iron, it combines the low cost of implementation with an reduced maintenance, and it can also be installed in recreation parks, providing habitats for plants and birds.

Optimização energética da olaria de uma cerâmica

Na indústria cerâmica o consumo de energia é elevado, fazendo com que este custo represente uma parte significativa dos custos totais de produção das peças. De forma a diminuir esta dependência, a energia deve ser gerida de forma contínua e eficazmente. O presente trabalho consistiu na análise da situação energética e na elaboração de propostas de optimização da etapa de conformação que ocorre na Olaria número quatro da Fábrica Cerâmica de Valadares, S.A. Determinou-se o rendimento efectivo da Olaria, tendo-se obtido um valor de 24,7%. As perdas térmicas ocorrem na Olaria, a nível da envolvente, da ventilação, da exaustão de gases e da inércia térmica, representando, respectivamente, 18122 MJ, 50222 MJ, 39228 MJ e 4338 MJ por semana de trabalho. Numa última fase sugeriram-se algumas medidas de optimização energética. A primeira medida visa uma melhoria na manutenção dos geradores, um aumento na gama de temperaturas de funcionamento dos geradores e uma minimização dos tempos de abertura dos portões. Na segunda medida propõe-se a diminuição da percentagem de excesso de ar para 10%, equivalendo a uma poupança de 8839 €/ano. Na terceira medida avaliou-se a possibilidade da aplicação de um permutador de calor de modo a aproveitar os gases de combustão. Esta permitiria uma poupança de 119 €/ano, no entanto, devido ao elevado tempo de retorno do investimento (12,6 anos) considerou-se que esta medida não era viável. A quarta proposta relaciona-se com a optimização da ventilação da Olaria por aumento do ciclo de renovação de ar para 5 h, promovendo uma poupança de 8583 € anuais. Como última sugestão de optimização, aconselhou-se a diminuição do volume da olaria em 6935 m3. Com esta proposta é possível obter uma poupança de 4993 €/ano. Esta medida envolve um investimento de 12000 €, sendo o tempo de retorno do investimento de 2,4 anos. Das cinco propostas estudadas concluiu-se que quatro são viáveis permitindo uma melhoria do funcionamento da Olaria e uma poupança significativa na factura energética.

Electrochemical study of butylate: application to the analysis of water

The electroactivity of butylate (BTL) is studied by cyclic voltammetry (CV) and square wave voltammetry (SWV) at a glassy carbon electrode (GCE) and a hanging mercury drop electrode (HMDE). Britton–Robinson buffer solutions of pH 1.9–11.5 are used as supporting electrolyte. CV voltammograms using GCE show a single anodic peak regarding the oxidation of BTL at +1.7V versus AgCl/ Ag, an irreversible process controlled by diffusion. Using a HMDE, a single cathodic peak is observed, at 1.0V versus AgCl/Ag. The reduction of BTL is irreversible and controlled by adsorption. Mechanism proposals are presented for these redox transformations. Optimisation is carried out univaryingly. Linearity ranges were 0.10–0.50 mmol L-1 and 2.0–9.0 µmolL-1 for anodic and cathodic peaks, respectively. The proposed method is applied to the determination of BTL in waters. Analytical results compare well with those obtained by an HPLC method.

Direct electroanalytical determination of fluvastatin in a pharmaceutical dosage form: batch and flow analysis

The reduction of luvastatin (FLV) at a hanging mercury-drop electrode (HMDE) was studied by square-wave adsorptive-stripping voltammetry (SWAdSV). FLV can be accumulated and reduced at the electrode, with a maximum peak current intensity at a potential of approximately 1.26V vs. AgCl=Ag, in an aqueous electrolyte solution of pH 5.25. The method shows linearity between peak current intensity and FLV concentration between 1.0 10 8 and 2.7 10 6 mol L 1. Limits of detection (LOD) and quantification (LOQ) were found to be 9.9 10 9 mol L 1 and 3.3 10 8 mol L 1, respectively. Furthermore, FLV oxidation at a glassy carbon electrode surface was used for its hydrodynamic monitoring by amperometric detection in a flow-injection system. The amperometric signal was linear with FLV concentration over the range 1.0 10 6 to 1.0 10 5 mol L 1, with an LOD of 2.4 10 7 mol L 1 and an LOQ of 8.0 10 7 mol L 1. A sample rate of 50 injections per hour was achieved. Both methods were validated and showed to be precise and accurate, being satisfactorily applied to the determination of FLV in a commercial pharmaceutical.

Square-wave adsorptive-stripping voltammetric detection in the quality control of fluoxetine

Electroanalytical methods based on square-wave adsorptive-stripping voltammetry (SWAdSV) and flow-injection analysis with square-wave adsorptive-stripping voltammetric detection (FIA-SWAdSV) were developed for the determination of fluoxetine (FXT). The methods were based on the reduction of FXT at a mercury drop electrode at -1.2 V versus Ag/AgCl, in a phosphate buffer of pH 12.0, and on the possibility of accumulating the compound at the electrode surface. The SWAdSV method was successfully applied in the quantification of FXT in pharmaceutical products, human serum samples, and in drug dissolution studies. Because the presence of dissolved oxygen did not interfere significantly with the analysis, it was possible to quantify FXT in several pharmaceutical products using FIA-SWAdSV. This method enables analysis of up to 120 samples per hour at reduced costs.

Electroanalytical determination of paroxetine in pharmaceuticals

Electroanalytical methods based on square-wave adsorptive-stripping voltammetry (SWAdSV) and flow-injection analysis with SWAdSV detection (FIA-SWAdSV) were developed for the determination of paroxetine (PRX). The methods were based on the reduction of PRX at a mercury drop electrode at −1.55V versus Ag/AgCl, in a borate buffer of pH 8.8, and the possibility of accumulating the compound at the electrode surface. Because the presence of dissolved oxygen did not interfere significantly with the analysis, it was also possible to determine PRX using FIASWAdSV. This method enables analysis of up to 120 samples per hour at reduced costs. Both methods developed were validated and successfully applied to the quantification of PRX in pharmaceutical products.

Adding value [valorization] to tannery fleshings: part II – effect of protein hydrolysates on leather dyeing

The tanning industry generates a high quantity of solid wastes. Therefore, there is a need to create valorization [added value] options for these wastes. The main objective of the present work was to study the effect of protein hydrolysates (HP) prepared from fleshings on leather dyeing. During previous studies it was found that the application of HP products, obtained from fleshings, in leather retannage intensified the colour of crust leather. In this work the CIELAB colour system was used to evaluate the effect of HP on retannage processes. The main conclusions of this study were: (i) HP can be used instead of a dicyanodiamide resin (Fortan DC) if the colour parameters of the standard procedure are to be maintained, and (ii) the replacement of an acrylic resin (Fortan A40) by glutaraldehyde-modified HP (GHP) results in a darker skin, and can therefore be interesting for the reduction of the quantity of dye used.