Electrochemical and spectroscopic studies of the oxidation mechanism of the herbicide propanil

Electrochemical oxidation of propanil in deuterated solutions was studied by cyclic, differential pulse, and square wave voltammetry using a glassy carbon microelectrode. The oxidation of propanil in deuterated acid solutions occurs at the nitrogen atom of the amide at a potential of +1.15 V vs Ag/ AgCl. It was also found that, under the experimental conditions used, protonation at the oxygen atom of propanil occurs, leading to the appearance of another species in solution which oxidizes at +0.60 V. The anodic peak found at +0.79 V vs Ag/AgCl in deuterated basic solutions is related to the presence of an anionic species in which a negative charge is on the nitrogen atom. The electrochemical data were confirmed by the identification of all the species formed in acidic and basic deuterated solutions by means of NMR spectroscopy. The results are supported by electrochemical and spectroscopic studies of acetanilide in deuterated solutions.

One-step preparation of optically transparent Ni-Fe oxide film electrocatalyst for oxygen evolution reaction

Optically transparent cocatalyst film materials is very desirable for improved photoelectrochemical (PEC)oxygen evolution reaction (OER) over light harvesting photoelectrodes which require the exciting light to irradiate through the cocatalyst side, i.e., front-side illumination. In view of the reaction overpotential at electrode/electrolyte interface, the OER electrocatalysts have been extensively used as cocatalysts for PEC water oxidation on photoanode. In this work, the feasibility of a one-step fabrication of the transparent thin film catalyst for efficient electrochemical OER is investigated. The Ni-Fe bimetal oxide films, 200 nm in thickness, are used for study. Using a reactive magnetron co-sputtering technique, transparent(> 50% in wavelength range 500-2000 nm) Ni-Fe oxide films with high electrocatalytic activities were successfully prepared at room temperature. Upon optimization, the as-prepared bimetal oxide film with atomic ratio of Fe/Ni = 3:7 demonstrates the lowest overpotential for the OER in aqueous KOH solution, as low as 329 mV at current density of 2 mA cm 2, which is 135 and 108 mV lower than that of as-sputtered FeOx and NiOx thin films, respectively. It appears that this fabrication strategy is very promising to deposit optically transparent cocatalyst films on photoabsorbers for efficient PEC water splitting.

Caracterização de antioxidantes com potencial interesse industrial

Mestrado em Engenharia Química

Eficiência de antioxidantes em biodiesel

Mestrado em Engenharia Química.Ramo optimização energética na indústria química

Optimização do tratamento de um efluente aquoso resultante da utilização de cola nas máquinas de produção de placas de madeira

O presente trabalho teve como principais objectivos, estudar e optimizar o processo de tratamento do efluente proveniente das máquinas da unidade Cold-press da linha de produção da Empresa Swedwood, caracterizar a solução límpida obtida no tratamento e estudar a sua integração no processo, e por fim caracterizar o resíduo de pasta de cola obtido no tratamento e estudar a possível valorização energética deste resíduo. Após caracterização inicial do efluente e de acordo com os resultados de um estudo prévio solicitado pela Empresa Swedwood a uma empresa externa, decidiu-se iniciar o estudo de tratabilidade do efluente pelo processo físico-químico a coagulação/floculação. No processo de coagulação/floculação estudou-se a aplicabilidade, através de ensaios Jar-test, dos diferentes agentes de coagulação/floculação: a soda cáustica, a cal, o cloreto férrico e o sulfato de alumínio. Os melhores resultados neste processo foram obtidos com a adição de uma dose de cal de 500 mg/Lefluente, seguida da adição de 400 mg/Lefluente de sulfato de alumínio. Contudo, após este tratamento o clarificado obtido não possuía as características necessárias para a sua reintrodução no processo fabril nem para a sua descarga em meio hídrico. Deste modo procedeu-se ao estudo de tratamentos complementares. Nesta segunda fases de estudo testaram-se os seguintes os tratamentos: a oxidação química por Reagente de Fenton, o tratamento biológico por SBR (sequencing batch reactor) e o leito percolador. Da análise dos resultados obtidos nos diferentes tratamentos conclui-se que o tratamento mais eficaz foi o tratamento biológico por SBR com adição de carvão activado. Prevê-se que no final do processo de tratamento o clarificado obtido possa ser descarregado em meio hídrico ou reintroduzido no processo. Como o estudo apenas foi desenvolvido à escala laboratorial, seria útil poder validar os resultados numa escala piloto antes da sua implementação industrial. A partir dos resultados do estudo experimental, procedeu-se ao dimensionamento de uma unidade de tratamento físico-químico e biológico à escala industrial para o tratamento de 20 m3 de efluente produzido na fábrica, numa semana. Dimensionou-se ainda a unidade (leito de secagem) para tratamento das lamas produzidas. Na unidade de tratamento físico-químico (coagulação/floculação) os decantadores estáticos devem possuir o volume útil de 4,8 m3. Sendo necessários semanalmente 36 L da suspensão de cal (Neutrolac 300) e 12,3 L da solução de sulfato de alumínio a 8,3%. Os tanques de armazenamento destes compostos devem possuir 43,2 litros e 96 litros, respectivamente. Nesta unidade estimou-se que são produzidos diariamente 1,4 m3 de lamas. Na unidade de tratamento biológico o reactor biológico deve possuir um volume útil de 6 m3. Para que este processo seja eficaz é necessário fornecer diariamente 2,1 kg de oxigénio. Estima-se que neste processo será necessário efectuar a purga de 325 litros de lamas semanalmente. No final da purga repõe-se o carvão activado, que poderá ser arrastado juntamente com as lamas, adicionando-se 100 mg de carvão por litro de licor misto. De acordo com o volume de lamas produzidos em ambos os tratamentos a área mínima necessária para o leito de secagem é de cerca de 27 m2. A análise económica efectuada mostra que a aquisição do equipamento tem o custo de 22.079,50 euros, o custo dos reagentes necessários neste processo para um ano de funcionamento tem um custo total de 508,50 euros e as necessidades energéticas de 2.008,45 euros.

Produção de hidrogénio através da gasificação da biomassa

A procura de uma forma limpa de combustível, aliada à crescente instabilidade de preços dos combustíveis fósseis verificada nos mercados faz com que o hidrogénio se torne num combustível a considerar devido a não resultar qualquer produto poluente da sua queima e de se poder utilizar, por exemplo, desperdícios florestais cujo valor de mercado não está inflacionado por não pertencer à cadeia alimentar humana. Este trabalho tem como objetivo simular o processo de gasificação de biomassa para produção de hidrogénio utilizando um gasificador de leito fluidizado circulante. O oxigénio e vapor de água funcionam como agentes gasificantes. Para o efeito usou-se o simulador de processos químicos ASPEN Plus. A simulação desenvolvida compreende três etapas que ocorrem no interior do gasificador: pirólise, que foi simulada por um bloco RYIELD, combustão de parte dos compostos voláteis, simulada por um bloco RSTOIC e, por fim, as reações de oxidação e gasificação do carbonizado “char”, simuladas por um bloco RPLUG. Os valores de rendimento dos compostos após a pirólise, obtidos por uma correlação proposta por Gomez-Barea, et al. (2010), foram os seguintes: 20,33% “char”, 22,59% alcatrão, 36,90% monóxido de carbono, 16,05%m/m dióxido de carbono, 3,33% metano e 0,79% hidrogénio (% em massa). Como não foi possível encontrar valores da variação da composição do gás à saída do gasificador com a variação da temperatura, para o caso de vapor de água e oxigénio, optou-se por utilizar apenas vapor na simulação de forma a comparar os seus valores com os da literatura. Às temperaturas de 700, 770 e 820ºC, para um “steam-to-biomass ratio”, (SBR) igual a 0,5, os valores da percentagem molar de monóxido de carbono foram, respetivamente, 56,60%, 55,84% e 53,85%, os valores de hidrogénio foram, respetivamente, 17,83%, 18,25% e 19,31%, os valores de dióxido de carbono foram, respetivamente, 16,40%, 16,85% e 17,93% e os valores de metano foram, respetivamente, 9,00%, 8,95% e 8,83%. Os valores da composição à saída do gasificador, à temperatura de 820ºC, para um SBR de 0,5 foram: 53,85% de monóxido de carbono, 19,31% de hidrogénio, 17,93% de dióxido de carbono e 8,83% de metano (% em moles). Para um SBR de 0,7 a composição à saída foi de 54,45% de monóxido de carbono, 19,01% de hidrogénio, 17,59% de dióxido de carbono e 8,87% de metano. Por fim, quando SBR foi igual a 1 a composição do gás à saída foi de 55,08% de monóxido de carbono, 18,69% de hidrogénio, 17,24% de dióxido de carbono e 8,90% de metano. Os valores da composição obtidos através da simulação, para uma mistura de ar e vapor de água, ER igual a 0,26 e SBR igual a 1, foram: 34,00% de monóxido de carbono, 14,65% de hidrogénio, 45,81% de dióxido de carbono e 5,41% de metano. A simulação permitiu-nos ainda dimensionar o gasificador e determinar alguns parâmetros hidrodinâmicos do gasificador, considerando que a reação “water-gas shift” era a limitante, e que se pretendia obter uma conversão de 95%. A velocidade de operação do gasificador foi de 4,7m/s e a sua altura igual a 0,73m, para um diâmetro de 0,20m.

Preparação de catalisadores heterogéneos para a produção de biodiesel

A produção de biodiesel como combustível para motores diesel, aumentou fortemente nos últimos anos e espera-se que cresça mais e mais num futuro próximo. O aumento do consumo de biodiesel exige processos de produção optimizados que permitam grandes capacidades de produção, operações simplificadas, rendimentos altos, bem como a utilização de matérias-primas mais económicas. Por isso, o desenvolvimento de processos de produção de baixo custo exige a especificação de catalisadores heterogéneos eficientes na promoção da reacção de transesterificação, permitindo a imediata separação da glicerina pura, não necessitando de uma purificação dispendiosa deste subproduto. Os xerogéis de carbono surgem então como materiais promissores para aplicação como catalisadores heterogéneos para a produção de biodiesel, devido às suas excelentes propriedades ao nível da sua textura e superfície química. Neste trabalho o principal objectivo foi a preparação de um xerogel de carbono, com o intuito de posteriormente ser aplicado na produção de biodiesel por catálise heterogénea. Amostras de xerogel de carbono foram preparadas pelo método sol-gel e oxidadas em fase líquida sendo posteriormente caracterizados os seus grupos funcionais e a sua área específica. Os resultados obtidos mostram que é possivel obter um xerogel de carbono com área superficial alta, tendo sido atingido um valor máximo para a amostra número dois (803 m2/g). Os resultados atingidos ao nível da preparação do catalisador permitem concluir que as condições de operação influenciam a estrutura final do xerogel de carbono. Quanto à caracterização da química superficial do xerogel, foi possível verificar que a diferença do número de acidez entre as amostras oxidadas e não oxidadas do mesmo lote é alta, o que permite afirmar que a oxidação do material de carbono incrementa a concentração de grupos oxigénio à superfície do xerogel. O valor máximo para o número de acidez foi obtido com a amostra número três (Amostra oxidada - 916 μmol/g, Amostra não oxidada - 207 μmol/g). Apesar de terem sido realizados ensaios para a produção de biodiesel os resultados obtidos foram nulos. A escolha das condições de reacção para a catálise heterogénea com este tipo de material poderá não ter sido a mais indicada, assim como a quantidade e o tipo de grupos funcionais introduzidos no catalisador não terem acidez suficiente para permitir uma catálise efectiva.

New insights into the oxidation pathways of apomorphine

A detailed study of the oxidative behaviour of apomorphine in aqueous media is reported. Resorting to the synthesis of apomorphine derivatives it was possible to identify all the anodic oxidation peaks of apomorphine, which are related to the oxidation of the catechol and tertiary amine groups. These findings were revealed to be important since they could lead to a better understanding of the biological interactions of apomorphine and gain insight into its metabolic pathways. During the voltammetric studies, it was also found that apomorphine forms a complex with borate through the catechol group leading to an increase of its oxidation potential. This property could be very useful with regard to the stabilization of apomorphine solutions since it could drastically reduce its autoxidation.

Voltammetric oxidation of drugs of abuse I. Morphine and metabolites

A detailed study of the electrochemical oxidative behavior of morphine in aqueous solution is reported. Through the synthesis of several metabolites and derivatives, pseudomorphine, morphine N-oxide, normorphine, dihydromorphine and 2-(N,N-dimethylaminomethyl)morphine, and their voltammetric study it was possible to identify the oxidation peaks for morphine. The anodic waves are related with the oxidation of phenolic and tertiary amine groups. It is also possible to verify that a poorly defined peak observable during morphine oxidation is not a consequence of further oxidation of pseudomorphine but due to formation of a dimer during phenolic group oxidation. The results obtained and especially those regarding the formation of a new polymer based on a C O coupling could be useful for clarifying the discoloration phenomenon occurring during storage of morphine solutions as well as leading to a better understanding of its oxidative metabolic pathways.

Voltammetric oxidation of drugs of abuse II. Codeine and metabolites

The oxidation of codeine on glassy carbon electrodes has been studied in detail using differential pulse voltammetry. The results obtained using a glassy carbon electrode clearly show a much more complex oxidation mechanism than that previously reported when platinum and gold electrodes were used. To clarify the codeine oxidative profile, several metabolites and analogues of this alkaloid, codeine N-oxide, norcodeine, dihydrocodeine, acetylcodeine and 6- chlorodesoxycodeine, were synthesized and studied. It was deduced that the anodic waves observed in codeine oxidation are related to the presence of methoxy, hydroxy and tertiary amine groups. Due to the similarity of potentials at which these oxidative processes take place, at some pHs an overlap of peaks occurs and only one anodic wave is observed.

Voltammetric oxidation of drugs of abuse III. Heroin and metabolites

The oxidative behavior of heroin in aqueous solution is reported. In order to identify its oxidation peaks, several metabolites, 6-monoacetylmorphine, 3-monoacetylmorphine and norheroin, were synthesized and their electrochemical behavior studied using differential pulse voltammetry. The anodic waves observed for heroin correspond to the oxidation of the tertiary amine group and its follow-up product (secondary amine), and to the oxidation of the phenolic group obtained from hydrolysis, at alkaline pHs, of the 3-acetyl group. The results enabled a new oxidative mechanism for heroin to be proposed in which a secondary amine, norheroin, and an aldehyde are obtained. The voltammetric behavior of 6-monoacetylmorphine and morphine was found to be similar demonstrating that the presence of an acetyl substituent on the 6-hydroxy group does not have a relevant influence on the peak potential of the wave resulting from oxidation of the 3-phenolic group.

Static and hydrodynamic monitoring of citalopram based on its electro-oxidation behavior at a glassy-carbon surface

The electrooxidative behavior of citalopram (CTL) in aqueous media was studied by cyclic voltammetry (CV) and square-wave voltammetry (SWV) at a glassy-carbon electrode. The electrochemical behaviour of CTL involves two electrons and two protons in the irreversible and diffusion controlled oxidation of the tertiary amine group. The maximum analytical signal was obtained in a phosphate buffer (pH ¼ 8.2). For analytical purposes, an SWV method and a flow-injection analysis (FIA) system with amperometric detection were developed. The optimised SWV method showed a linear range between 1.10 10 5–1.20 10 4 molL 1, with a limit of detection (LOD) of 9.5 10 6 molL 1. Using the FIA method, a linear range between 2.00 10 6–9.00 10 5 molL 1 and an LODof 1.9 10 6 molL 1 were obtained. The validation of both methods revealed good performance characteristics confirming applicability for the quantification of CTL in several pharmaceutical products.

Electrochemical oxidation of propanil and related N-substituted amides

The electrochemical behaviour of propanil and related N-substituted amides (acetanilide and N,N-diphenylacetamide) was studied by cyclic and square wave voltammetry using a glassy carbon electrode. Propanil has been found to have chemical stability under the established analytical conditions and showed an oxidation peak at +1.27V versus Ag/AgCl at pH 7.5. N,N-diphenylacetamide has a higher oxidation potential than the other compounds of +1.49V versus Ag/AgCl. Acetanilide oxidation occurred at a potential similar to that of propanil, +1.24V versus Ag/AgCl. These results are in agreement with the substitution pattern of the nitrogen atom of the amide. A degradation product of propanil, 3,4-dichloroaniline (DCA), was also studied, and showed an oxidation peak at +0.66V versus Ag/AgCl. A simple and specific quantitative electroanalytical method is described for the analysis of propanil in commercial products that contain propanil as the active ingredient, used in the treatment of rice crops in Portugal.

Ecotoxicity tests using the green algae chlorella vulgaris — a useful tool in hazardous effluents management

The treatment efficiency of laboratory wastewaters was evaluated and ecotoxicity tests with Chlorella vulgaris were performed on them to assess the safety of their environmental discharge. For chemical oxygen demand wastewaters, chromium (VI), mercury (II) and silver were efficiently removedby chemical treatments.Areduction of ecotoxicitywas achieved; nevertheless, an EC50 (effective concentration that causes a 50% inhibition in the algae growth) of 1.5% (v/v) indicated still high level of ecotoxicity. For chloride determination wastewaters, an efficient reduction of chromium and silver was achieved after treatment. Regarding the reduction of ecotoxicity observed, EC50 increased from 0.059% to 0.5%, only a 0.02% concentration in the aquatic environment would guarantee no effects. Wastewaters containing phenanthroline/iron (II) complex were treated by chemical oxidation. Treatmentwas satisfactory concerning chemical parameters, although an increase in ecotoxicitywas observed (EC50 reduced from 0.31% to 0.21%). The wastes from the kinetic study of persulphate and iodide reaction were treated with sodium bisulphite until colour was removed. Although they did not reveal significant ecotoxicity, only over 1% of the untreated waste produced observable effects over algae. Therefore, ecotoxicity tests could be considered a useful tool not only in laboratory effluents treatment, as shown, but also in hazardous wastewaters management.

DNA-based biosensor for the electrocatalytic determination of antioxidant capacity in beverages

Reactive oxygen species (ROS) are produced as a consequence of normal aerobic metabolism and are able to induce DNA oxidative damage. At the cellular level, the evaluation of the protective effect of antioxidants can be achieved by examining the integrity of the DNA nucleobases using electrochemical techniques. Herein, the use of an adenine-rich oligonucleotide (dA21) adsorbed on carbon paste electrodes for the assessment of the antioxidant capacity is proposed. The method was based on the partial damage of a DNA layer adsorbed on the electrode surface by OH• radicals generated by Fenton reaction and the subsequent electrochemical oxidation of the intact adenine bases to generate an oxidation product that was able to catalyze the oxidation of NADH. The presence of antioxidant compounds scavenged hydroxyl radicals leaving more adenines unoxidized, and thus, increasing the electrocatalytic current of NADHmeasured by differential pulse voltammetry (DPV). Using ascorbic acid (AA) as a model antioxidant species, the detection of as low as 50nMof AA in aqueous solution was possible. The protection efficiency was evaluated for several antioxidant compounds. The biosensor was applied to the determination of the total antioxidant capacity (TAC) in beverages.