Conditional equilibrium constants in multicomponent heterogeneous adsorption: The conditional affinity spectrum

The concept of conditional stability constant is extended to the competitive binding of small molecules to heterogeneous surfaces or macromolecules via the introduction of the conditional affinity spectrum (CAS). The CAS describes the distribution of effective binding energies experienced by one complexing agent at a fixed concentration of the rest. We show that, when the multicomponent system can be described in terms of an underlying affinity spectrum [integral equation (IE) approach], the system can always be characterized by means of a CAS. The thermodynamic properties of the CAS and its dependence on the concentration of the rest of components are discussed. In the context of metal/proton competition, analytical expressions for the mean (conditional average affinity) and the variance (conditional heterogeneity) of the CAS as functions of pH are reported and their physical interpretation discussed. Furthermore, we show that the dependence of the CAS variance on pH allows for the analytical determination of the correlation coefficient between the binding energies of the metal and the proton. Nonideal competitive adsorption isotherm and Frumkin isotherms are used to illustrate the results of this work. Finally, the possibility of using CAS when the IE approach does not apply (for instance, when multidentate binding is present) is explored. © 2006 American Institute of Physics.

Affinity distribution functions in multicomponent heterogeneous adsorption. Analytical inversion of isotherms to obtain affinity spectra

An analytical approach for the interpretation of multicomponent heterogeneous adsorption or complexation isotherms in terms of multidimensional affinity spectra is presented. Fourier transform, applied to analyze the corresponding integral equation, leads to an inversion formula which allows the computation of the multicomponent affinity spectrum underlying a given competitive isotherm. Although a different mathematical methodology is used, this procedure can be seen as the extension to multicomponent systems of the classical Sips’s work devoted to monocomponent systems. Furthermore, a methodology which yields analytical expressions for the main statistical properties (mean free energies of binding and covariance matrix) of multidimensional affinity spectra is reported. Thus, the level of binding correlation between the different components can be quantified. It has to be highlighted that the reported methodology does not require the knowledge of the affinity spectrum to calculate the means, variances, and covariance of the binding energies of the different components. Nonideal competitive consistent adsorption isotherm, widely used in metal/proton competitive complexation to environmental macromolecules, and Frumkin competitive isotherms are selected to illustrate the application of the reported results. Explicit analytical expressions for the affinity spectrum as well as for the matrix correlation are obtained for the NICCA case. © 2004 American Institute of Physics.

Balanç de nitrogen i anàlisi del consum d'aigua al Baix Empordà

El present treball pretén avaluar l’impacte de les activitats agràries sobre les aigües subterrànies, al Baix Empordà. La ramaderia intensiva genera uns residus que l’agricultura no és capaç d’assumir. Els excedents generats s’infiltren al subsòl, generalment en forma de nitrats (NO3-), provocant la contaminació de les aigües subterrànies. Aquesta pot provocar greus problemes ecològics en els sistemes aquàtics, i afectar a la salut humana. S’ha realitzat un balanç de nitrogen per a les zones agrícoles de l’àrea d’estudi, avaluant els diversos processos que incorporen o extreuen nitrogen al sòl. Paral·lelament, s’ha estudiat el consum d’aigua provocat pel diversos sectors presents a la zona d’estudi, per tal d’avaluar quantitativament la pressió que provoquen sobre els aqüífers. Els resultats obtinguts mostren que la majoria de municipis estudiats generen excedents de nitrogen, justificant la presència de nitrats al subsòl.

Eliminació simultània de fòsfor i nitrogen en aigües residuals, utilitzant microorganismes DPAO en un reactor discontinu seqüencial (SBR)

En aquest estudi es realitzà eliminació biològica simultània de fòsfor i nitrogen en un Reactor Discontinu Seqüencial (SBR), el qual conté una biomassa enriquida amb Organismes Desnitrificadors Acumuladors de Fòsfor (DPAO) que utilitzen com a única font de carboni l’àcid propiònic i com acceptors d’electrons: nitrit en la fase anòxica i oxigen en l’aeròbica. L’SBR opera amb cicle de 8 h alternant fase anaeròbica, anòxica i aeròbica. El seguiment del sistema es realitzà mitjançant mesures on-line (titrimetria) i off-line (quantificació d’àcid propiònic, nitrit i fòsfor), utilitzant l’HPLC per quantificar l’àcid propiònic i cromatografia iònica per les mesures de nitrit i fòsfor. Amb aquest sistema es pretén augmentar la captació de fòsfor en la fase anòxica fet que s’aconseguí realitzant diferents canvis al reactor per tal de maximitzar el consum de nitrit en aquesta fase, ja fos allargant el temps de fase o augmentant la concentració de biomassa. Aquest experiment ha suposat un augment de la captació de fòsfor (33 mg P-PO4 3-/L), de l’eliminació neta de fòsfor (17 mg P-PO4 3-/L) i de consum de nitrit (27 mg N-NO2-). Per altra banda, es pretenia veure els efectes a curt termini de l’eliminació de la fase aeròbica a partir del seguiment de 2 cicle puntuals i d’un cicle de 32 h sense fase aeròbica. En ambdós casos s’aconseguí una eliminació neta de fòsfor.

Eliminació autotròfica de nitrogen en una pila biològica (microbial fuel cells )

L’aigua i l’energia formen un binomi indissociable. En relació al cicle de l’aigua, des de fa varies dècades s’han desenvolupat diferents formes per recuperar part de l’energia relacionada amb l’aigua, per exemple a partir de centrals hidroelèctriques. No obstant, l’ús d’aquesta aigua també porta associat un gran consum energètic, relacionat sobretot amb el transport, la distribució, la depuració, etc... La depuració d’aigües residuals porta associada una elevada demanda energètica (Obis et al.,2009). En termes energètics, tot i que la despesa elèctrica d’una EDAR varia en funció de diferents paràmetres com la configuració i la capacitat de la planta, la càrrega a tractar, etc... es podria considerar que el rati mig seria d’ aproximadament 0.5 KWh•m-3.Els principals costos d’explotació estan relacionats tant amb la gestió de fangs (28%) com amb el consum elèctric (25%) (50% tractament biològic). Tot i que moltes investigacions relacionades amb el tractament d’aigua residual estan encaminades en disminuir els costos d’operació, des de fa poques dècades s’està investigant la viabilitat de que l’aigua residual fins i tot sigui una font d’energia, canviant la perspectiva, i començant a veure l’aigua residual no com a una problemàtica sinó com a un recurs. Concretament s’estima que l’aigua domèstica conté 9.3 vegades més energia que la necessària per el seu tractament mitjançant processos aerobis (Shizas et al., 2004). Un dels processos més desenvolupats relacionats amb el tractament d’aigües residuals i la producció energètica és la digestió anaeròbia. No obstant, aquesta tecnologia permet el tractament d’altes càrregues de matèria orgànica generant un efluent ric en nitrogen que s’haurà de tractar amb altres tecnologies. Per altre banda, recentment s’està investigant una nova tecnologia relacionada amb el tractament d’aigües residuals i la producció energètica: les piles biològiques (microbial fuel cells, MFC). Aquesta tecnologia permet obtenir directament energia elèctrica a partir de la degradació de substrats biodegradables (Rabaey et al., 2005). Les piles biològiques, més conegudes com a Microbial Fuel Cells (acrònim en anglès, MFC), són una emergent tecnologia que està centrant moltes mirades en el camp de l’ investigació, i que es basa en la producció d’energia elèctrica a partir de substrats biodegradables presents en l’aigua residual (Logan., 2008). Els fonaments de les piles biològiques és molt semblant al funcionament d’una pila Daniell, en la qual es separa en dos compartiments la reacció d’oxidació (compartiment anòdic) i la de reducció (compartiment catòdic) amb l’objectiu de generar un determinat corrent elèctric. En aquest estudi, bàsicament es mostra la posada en marxa d'una pila biològica per a l'eliminació de matèria orgànica i nitrogen de les aigües residuals.

Anàlisi comparativa dels processos emergents sharon i anammox per al tractament d’aigües amb una alta càrrega de nitrogen

Estudi de tractaments innovadors en aigües residuals amb elevada concentració de nitrogen mitjançant la tecnologia ANAMMOX (Anaerobic Ammonium Oxidation) i SHARON i posterior anàlisi teòrica de la gestió dels fangs residuals d’una EDAR

Ab initio study of NOx compounds adsorption on SnO2 surface

An ab initio study of the adsorption processes on NOx compounds on (1 1 0) SnO2 surface is presented with the aim of providing theoretical hints for the development of improved NOx gas sensors. From first principles calculations (DFT¿GGA approximation), the most relevant NO and NO2 adsorption processes are analyzed by means of the estimation of their adsorption energies. The resulting values and the developed model are also corroborated with experimental desorption temperatures for NO and NO2, allowing us to explain the temperature-programmed desorption experiments. The interference of the SO2 poisoning agent on the studied processes is discussed and the adsorption site blocking consequences on sensing response are analyzed.

Properties of nitrogen doped silicon films deposited by low-pressure chemical vapor deposition from silane and ammonia

Nitrogen doped silicon (NIDOS) films have been deposited by low-pressure chemical vapor deposition from silane SiH4 and ammonia NH3 at high temperature (750°C) and the influences of the NH3/SiH4 gas ratio on the films deposition rate, refractive index, stoichiometry, microstructure, electrical conductivity, and thermomechanical stress are studied. The chemical species derived from silylene SiH2 into the gaseous phase are shown to be responsible for the deposition of NIDOS and/or (silicon rich) silicon nitride. The competition between these two deposition phenomena leads finally to very high deposition rates (100 nm/min) for low NH3/SiH4 gas ratio (R¿0.1). Moreover, complex variations of NIDOS film properties are evidenced and related to the dual behavior of the nitrogen atom into silicon, either n-type substitutional impurity or insulative intersticial impurity, according to the Si¿N atomic bound. Finally, the use of NIDOS deposition for the realization of microelectromechanical systems is investigated.

Nitrogen incorporation effects in Fe(001) thin films

Nitrogen incorporates into Fe thin films during reactively sputtered TiN capping layer deposition. The influence that this nitrogen incorporation has both on the structure and magnetic properties is discussed for a series of Fe~001! thin films grown at different temperatures. A higher nitrogen content is accompanied by distortion in the Fe lattice and by reduction in the Fe magnetization saturation as well as in the effective anisotropy constant, K. The reduction of K brings as a consequence lowering in the coercive field with respect to equivalent Fe films with no nitrogen present.

Adsorption potentials for nonplanar geometries

We present a method to compute, assuming a continuous distribution of sources, the elementary potential created by a differential element of volume of matter, whose integral generates a known adsorption field V(z) for a planar surface. We show that this elementary potential is univocally determined by the original field and can be used to generate adsorption potentials for other nontrivial geometries. We illustrate the method for the Chizmeshya-Cole-Zaremba physisorption potential and discuss several examples and applications.

Adsorption of colloidal particles in the presence of external fields

We present a new class of sequential adsorption models in which the adsorbing particles reach the surface following an inclined direction (shadow models). Capillary electrophoresis, adsorption in the presence of a shear, and adsorption on an inclined substrate are physical manifestations of these models. Numerical simulations are carried out to show how the new adsorption mechanisms are responsible for the formation of more ordered adsorbed layers and have important implications in the kinetics, in particular, modifying the jamming limit.

Adsorption kinetics in the presence of external fields

In this article we present a detailed analysis of the kinetics of a class of sequential adsorption models that take into account the effect of externally applied fields (as an electric field, or a shear rate) on the adsorption. The excluded volume interactions related to the finite size of the adsorbing particles are modified by the external fields. As a result, new adsorption mechanisms appear with respect to the ones used to describe the kinetics in a quiescent fluid. In particular, if the adsorbing particles are allowed to roll over preadsorbed ones, adsorption becomes non local even in the simplest geometry. An exact analytic theory cannot be developed, but we introduce a self-consistent theory that turns out to agree with the simulation results over all the range of the parameters.

Adsorption kinetics in the presence of external fields

In this article we present a detailed analysis of the kinetics of a class of sequential adsorption models that take into account the effect of externally applied fields (as an electric field, or a shear rate) on the adsorption. The excluded volume interactions related to the finite size of the adsorbing particles are modified by the external fields. As a result, new adsorption mechanisms appear with respect to the ones used to describe the kinetics in a quiescent fluid. In particular, if the adsorbing particles are allowed to roll over preadsorbed ones, adsorption becomes non local even in the simplest geometry. An exact analytic theory cannot be developed, but we introduce a self-consistent theory that turns out to agree with the simulation results over all the range of the parameters.