Cleanup of industrial effluents containing heavy metals: a new opportunity of valorising the biomass produced by brewing industry

Heavy metal pollution is a matter of concern in industrialised countries. Contrary to organic pollutants, heavy metals are not metabolically degraded. This fact has two main consequences: its bioremediation requires another strategy and heavy metals can be indefinitely recycled. Yeast cells of Saccharomyces cerevisiae are produced at high amounts as a by-product of brewing industry constituting a cheap raw material. In the present work, the possibility of valorising this type of biomass in the bioremediation of real industrial effluents containing heavy metals is reviewed. Given the autoaggregation capacity (flocculation) of brewing yeast cells, a fast and off-cost yeast separation is achieved after the treatment of metal-laden effluent, which reduces the costs associated with the process. This is a critical issue when we are looking for an effective, eco-friendly, and low-cost technology. The possibility of the bioremediation of industrial effluents linked with the selective recovery of metals, in a strategy of simultaneous minimisation of environmental hazard of industrial wastes with financial benefits from reselling or recycling the metals, is discussed.

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.

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.

Tecnologia de revestimentos em zinco e cobre na envolvente exterior de edifícios

Mestrado em Engenharia Civil – ramo Tecnologia e Gestão das Construções

Assessment of heavy metals in the surroundings of coal-fired power plant

This paper aims to survey metal concentrations in soils in the vicinity of a coal-firedpower plant located in southwest of Portugal. Two annual sampling campaigns were carried out to measure a hypothetical soil contamination around the coal plant. The sampling area was divided into two subareas, both centered in the emission source, delimited by two concentric circles with radius of 6 km and 20 km. About 40 samplings points were defined in the influence area. Metals measurements were performed with a portable analytical X-ray dispersive energy fluorescence spectrometer identifying about 20 different elements in each sampling point. The most relevant elements measured included As, Cu, Fe, Hg, Pb, Ti and Zn in both sampling areas. Considering the results obtained in the first sampling campaign, arsenic is predominantly higher within the 6-20 km sampling area. The second sampling campaign showed that both sampling areas presented relatively similar metal concentrations except for Fe, Mn, Sr and Zn which concentration is higher within the 6-20 km sampling area. Also, As, Fe, Mn and Ti concentrations decreased significantly from the first to the second sampling campaign and their concentration were predominately higher in the NE-E and E-SE directions.

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

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

Recovery of acid and base from brackish water by bipolar membrane electrodialysis

Nesta dissertação pretendeu-se estudar a viabilidade do uso de eletrodiálise com membranas bipolares (BM) na recuperação de ácido clorídrico e de hidróxido de sódio a partir de um efluente industrial que contém 1.4 mol/L de cloreto de sódio. Estas membranas mostraram ser uma ferramenta eficiente para a produção de ácidos e bases a partir do respetivo sal. Foi feita uma seleção de diferentes membranas bipolares (Neosepta, Fumatech e PCA) e aniónicas (PC-SA e PC-ACID 60) na tentativa de encontrar a combinação mais adequada para o tratamento do efluente. Dependendo do critério, o melhor arranjo de membranas é o uso de PC-ACID 60 (membrana aniónica), PC-SK (membrana catiónica) e membranas bipolares do tipo Neosepta para maior pureza dos produtos; membranas bipolares Fumatech para maior eficiência de dessalinização e membranas bipolares PCA para um maior grau de dessalinização. Tecnologicamente foi possível obter uma dessalinização de 99.8% em quatro horas de funcionamento em modo batch com recirculação de todas as correntes. Independentemente da combinação usada é recomendável que o processo seja parado quando a densidade de corrente deixa de ser máxima, 781 A/m2. Assim é possível evitar o aumento de impurezas nos produtos, contra difusão, descida instantânea do pH e uma dessalinização pouco eficiente. A nível piloto o principal fornecedor de membranas e unidade de tratamento “stack” é a marca alemã PCA. Sendo assim realizaram-se ensaios de repetibilidade, contra difusão, avaliação económica e upscaling utilizando as membranas bipolares PCA. A nível económico estudou-se o uso de dois tipos de unidades de tratamento; EDQ 380 e EDQ 1600, para diferentes níveis de dessalinização (50, 75 e 80%). Tendo em conta a otimização económica, é recomendável uma dessalinização máxima de 80%, uma vez que a eficiência de processo a este ponto é de 40%. A aplicação do método com a unidade EDQ 1600 para uma dessalinização de 50% é a mais vantajosa economicamente, com custos de 16 €/m3 de efluente tratado ou 0,78 €/kg Cl- removido. O número de unidades necessárias é 4 posicionados em série.

Acompanhamento do Processo de Compostagem e Identificação de Hipóteses de Melhoria, Tendo em Vista a Valorização do Produto Comercializado

A compostagem tem-se revelado uma boa alternativa na gestão, tratamento e valorização de resíduos sólidos urbanos. Dependendo das matérias-primas usadas no processo, os produtos podem ser considerados fertilizantes/corretivos orgânicos com utilidade agrícola. A Suldouro, Valorização e Tratamento de Resíduos Sólidos Urbanos, S.A., é responsável pela gestão, valorização, recuperação e destino final dos Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) produzidos em Vila Nova de Gaia e Santa Maria da Feira. Um dos processos do sistema de gestão é a valorização orgânica, que através da compostagem dos resíduos biodegradáveis origina um corretivo orgânico, denominado comercialmente de Agrovida. O objetivo deste trabalho foi caracterizar o composto produzido na Suldouro através da análise de alguns metais, nomeadamente cobre, zinco e chumbo, pois o seu teor condiciona a classe em que o composto está inserido, e da avaliação da razão C/N, visto ser um parâmetro importante para o desenvolvimento dos microrganismos. Um outro objetivo foi a determinação do tempo ótimo de compostagem, através da avaliação da temperatura máxima, recorrendo ao teste de auto-aquecimento usando vasos de Dewar. O estudo da presença de chumbo não chegou a ser realizado, pois a sua concentração era muito baixa (da ordem dos ppb), ou seja, não era limitativa para a utilização do composto. Quanto à análise de cobre e zinco no composto verificou-se que era necessário fazer alterações no processo, no sentido de reduzir estes valores, tanto a nível da qualidade dos resíduos usados como matéria-prima como a nível da limpeza, essencial depois das operações de manutenção aos pulpers. Em relação à razão C/N esta apresenta valores muito elevados, ou seja, uma quantidade de azoto total muito baixa, indicativa de que seria necessário acrescentar, no início do processo, resíduos mais ricos em azoto. A análise do teste de auto-aquecimento indica que o tempo necessário para a estabilização e maturação das pilhas de compostagem é superior a 3 meses. Assim, sugerem-se melhorias a nível da qualidade do resíduo, tentando incluir resíduos mais facilmente biodegradáveis, uma redução da altura da pilha proporcionando um melhor arejamento ou em alternativa proceder periodicamente ao seu revolvimento como complemento à insuflação de ar. Para concluir, neste trabalho foi realizada uma pesquisa sobre processos de valorização energética, alternativas potenciais à valorização orgânica, tendo sido dado especial relevo a um dos processos, a carbonização hidrotérmica (HTC).

Impact of multi-metals (Cd, Pb and Zn) exposure on the physiology of the yeast Pichia kudriavzevii

Metal contamination of the environment is frequently associated to the presence of two or more metals. This work aimed to study the impact of a mixture of metals (Cd, Pb and Zn) on the physiology of the non-conventional yeast Pichia kudriavzevii. The incubation of yeast cells with 5 mg/l Cd, 10 mg/l Pb and 5 mg/l Zn, for 6 h, induced a loss of metabolic activity (assessed by FUN-1 staining) and proliferation capacity (evaluated by a clonogenic assay), with a small loss of membrane integrity (measured by trypan blue exclusion assay). The staining of yeast cells with calcofluor white revealed that no modification of chitin deposition pattern occurred during the exposure to metal mixture. Extending for 24 h, the exposure of yeast cells to metal mixture provoked a loss of membrane integrity, which was accompanied by the leakage of intracellular components. A marked loss of the metabolic activity and the loss of proliferation capacity were also observed. The analysis of the impact of a single metal has shown that, under the conditions studied, Pb was the metal responsible for the toxic effect observed in the metal mixture. Intracellular accumulation of Pb seems to be correlated with the metals' toxic effects observed.