The separation of atomic and molecular gases from helium by cataphoresis

The cataphoretic purification of helium was investigated for binary mixtures of He with Ar, Ne, N₂, O₂, CO, and CO₂ in DC glow discharge. An experimental technique was developed to continuously measure the composition in the anode end-bulb without sample withdrawal. Discharge currents ranged from 10 ma to 100 ma. Total gas pressure ranged from 2 torr to 9 torr. Initial compositions of the minority component in He ranged from 1.2 mole percent to 7.5 mole percent.

The cataphoretic separation of Ar and Ne from He was found to be in agreement with previous investigators. The cataphoretic separation of N₂, O₂, and CO from He was found to be similar to noble gas systems in that the steady-state separation improved with (1) increasing discharge current, (2) increasing gas pressure, and (3) decreasing initial composition of the minority component. In the He-CO₂ mixture, the CO₂ dissociated to CO plus O₂. The fraction of CO₂ dissociated was directly proportional to the current and pressure and independent of initial composition.

The experimental results for the separation of Ar, Ne, N₂, O₂, and CO from He were interpreted in the framework of a recently proposed theoretical model involving an electrostatic Peclet number. In the model the electric field was assumed to be constant. This assumption was checked experimentally and the maximum variation in electric field was 35% in time and 30% in position. Consequently, the assumption of constant electric field introduced no more than 55% variation in the electrostatic Peclet number during a separation.

To aid in the design of new cataphoretic systems, the following design criteria were developed and tested in detail: (1) electric field independent of discharge current, (2) electric field directly proportional to total pressure, (3) ion fraction of impurity directly proportional to discharge current, and (4) ion fraction of impurity independent of total pressure. Although these assumptions are approximate, they enabled the steady-state concentration profile to be predicted to within 25% for 75% of the data. The theoretical model was also tested with respect to the characteristic time associated with transient cataphoresis. Over 80% of the data was within a factor of two of the calculated characteristic times.

The electrostatic Peclet number ranged in value from 0.13 to 4.33. Back-calculated ion fractions of the impurity component ranged in value from 4.8x10^-6 to 178x10^-6.

Part I. Electric birefringence studies of deoxyribonucleic acids. Part II. Selective dissociation of nucleohistone complexes

Part I

The electric birefringence of dilute DNA solutions has been studied in considerable detail and on a large number of samples, but no new and reliable information was discovered concerning the tertiary structure of DNA. The large number of variables which effect the birefringence results is discussed and suggestions are made for further work on the subject.

The DNA molecules have been aligned in a rapidly alternating (10 to 20 kc/sec) square wave field confirming that the orientation mechanism is that of counterion polarization. A simple empirical relation between the steady state birefringence, Δn_st, and the square of the electric field, E, has been found: Δn_st = E²/(a E² + b), where a = 1/Δn_s and b = (E²/Δn_st)_E→o. Δn_s is the birefringence extrapolated to infinite field strength.

The molecules show a distribution of relaxation times from 10^-4 to 0.2 sec, which is consistent with expectations for flexible coil molecules. The birefringence and the relaxation times decrease with increasing salt concentrations. They also depend on the field strength and pulse duration in a rather non-reproducible manner, which may be due in part to changes in the composition of the solution or in the molecular structure of the DNA (other than denaturation). Further progress depends on the development of some control over these effects.

Part II

The specificity of the dissociation of reconstituted and native deoxyribonucleohistones (DNH) by monovalent salt solutions has been investigated. A novel zone ultracentrifugation method is used in which the DNH is sedimented as a zone through a preformed salt gradient, superimposed on a stabilizing D₂O (sucrose) density gradient. The results, obtained by scanning the quartz sedimentation tubes in a spectrophotometer, were verified by the conventional, preparative sedimentation technique. Procedures are discussed for the detection of microgram quantities of histones, since low concentrations must be used to prevent excessive aggregation of the DNH.

The data show that major histone fractions are selectively dissociated from DNH by increasing salt concentrations: Lysine rich histone (H I) dissociates gradually between 0.1 and 0.3 F, slightly lysine rich histone (H II) dissociates as a narrow band between 0.35 and 0.5 F, and arginine rich histone (H III, H IV) dissociates gradually above 0.5 F NaClO₄.

The activity of the partially dissociated, native DNH in sustaining RNA synthesis, their mobility and their unusual heat denaturation and renaturation behavior are described. The two-step melting behavior of the material indicates that the histones are non-randomly distributed along the DNA, but the implications are that the uncovered regions are not of gene-size length.

Análise de viabilidade técnica e econômica da geração de energia através do biogás de lixo em aterros sanitários.

A geração de energia a partir do biogás do lixo em aterros sanitários é uma maneira de produzir energia elétrica renovável e limpa, reduzindo os impactos globais provocados pela queima dos resíduos sólidos urbanos. A contribuição ambiental mais relevante é a redução de emissões dos gases de efeito estufa (GEE), por meio da conversão do metano em dióxido de carbono, visto que o metano possui um potencial de aquecimento global cerca de 21 vezes maior, quando comparado ao dióxido de carbono (através da combustão do mesmo). De acordo com o Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL), os países ricos podem comprar créditos de carbono (CERs) dos países em desenvolvimento (que possuam projetos sustentáveis) para cumprir suas metas ambientais. O objetivo é transformar um passivo ambiental (destinação final dos resíduos sólidos urbanos) em um recurso energético, além do estudo da alternativa de obtenção de recursos financeiros através dos CERs. São analisadas as tecnologias de conversão energética (tecnologia de gás de lixo, incineração, entre outras), com a seleção da melhor alternativa para a geração de energia através do biogás de lixo em aterros sanitários. A metodologia utilizada é a recomendada pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos - USEPA (2005). Serão apresentadas outras duas metodologias de cálculo da geração de metano: a do Banco Mundial e a do IPCC (Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas). São apresentados estudos comparativos demonstrando quando as turbinas a gás, motores de combustão interna (ciclos Otto ou Diesel) ou outras tecnologias de conversão energética serão viáveis na área técnica e econômica para implantação de Unidades Termoelétricas a biogás. No caso do Aterro de Gramacho, o projeto é viável com a utilização de motores a combustão interna e a obtenção de receitas com a venda da produção de energia e créditos de carbono. Por fim, será apresentada a alternativa do uso do biogás como substituto do gás natural para fins energéticos ou outros fins industriais.

Desenvolvimento de membranas de poli(éter imida) sultonada para a permeacão de gases

A busca por membranas com propriedades adequadas a separação de gases em escala industrial tem levado a modificação e sIntese de polImeros de engenharia, com objetivo de obter membranas com propriedades adequadas. Uma das modificaçoes que tem se apresentado promissora é a inserção de grupos sulfônicos em polImeros comerciais. Espera-se que o polImero sulfonado apresente um aumento na permeação de gases polares, em relação a gases apolares, devido a sua estrutura mais polar e flexIvel. Neste contexto, o objetivo do presente trabalho é a sIntese e caracterização de membranas de poli(éter imida) sulfonada para a permeação de gases. Um planejamento experimental foi desenvolvido, em diferentes condiçoes reacionais de temperatura, tempo e excesso de um dos reagentes (ácido acético), para a sIntese de poli(éter imida) sulfonada (SPEI). Através deste planejamento, constatou-se que as variáveis que mais influenciam o grau de sulfonação são a temperatura e o tempo. O polImero com o maior grau de sulfonação, determinado por capacidade de troca iônica (IEC= 92 mEq H+/g), foi utilizado para o preparo da membrana de SPEI, obtida pela técnica de inversão de fase por evaporação do solvente, utilizando-se clorofórmio como solvente. Este filme foi caracterizado a partir das seguintes análises: espectroscopia de infravermelho (FTIR), calorimetria diferencial de varredura (DSC), análise termogravimétrica (TGA) e microscopia eletrônica de varredura (MEV), a fim de avaliar a influência da inserção do grupo sulfônico na matriz polimérica. O espectro de infravermelho de SPEI apresentou bandas relacionadas as vibraçoes assimétricas em 1240 cm-1 (ligação O=S=O), ligação simétrica em 1171 cm-1 (O=S=O) e ligação S-O entre 1010-1024 cm-1. Isto indica a presença de grupos sulfônicos. A análise de DSC foi realizada entre 150-250C. Nesta faixa, não foram observadas alteraçoes na temperatura de transição vItrea (Tg) do polImero modificado (217C). Acredita-se que a decomposição do grupo sulfona aconteça antes da temperatura atingir o Tg do polImero. Esta suposição é confirmada na análise de TGA. As imagens de MEV mostraram que foram obtidos filmes livres de poros e defeitos. A membrana da SPEI foi utilizada no ensaio de permeaçao dos gases 02, N2 e C02, a fim de determinar a permeabilidade e seletividade da membrana. As permeabilidades encontradas para o gas oxigênio foram de 0,76 barrer para a PEI e 0,46 barrer para a SPEI. A seletividade do dióxido de carbono em relaçao ao oxigênio aumentou de 3,5, na membrana de PEI, para 4,83, na membrana de SPEI. Em relaçao ao nitrogênio, as permeabilidades medidas foram 0,064 barrer e 0,043 barrer, para a PEI e para a SPEI, respectivamente, enquanto a seletividade em relaçao ao C02 aumentou de 41,1 para 55,5. Estes resultados indicam que o efeito de sorçao predominou devido ao aumento das interaçöes moleculares, reduzindo assim o volume livre, o que tornou a membrana sulfonada mais compacta, com permeabilidade menor e maior seletividade. Estes resultados corroboram com a premissa de que a sulfonaçao é um processo promissor para o desenvolvimento de membranas mais eficientes.

Cálculo do inventário de emissões de gases efeito estufa, estudo de caso em uma indústria química

O Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas da ONU (IPCC) tem comprovado com nível de confiança cada vez maior, ao longo dos últimos anos, a forte relação entre o aumento da temperatura média global e o aumento dos gases de efeito estufa (GEEs) principalmente quanto ao gás que mais contribui para a composição desses gases: o gás carbônico ou CO2. O Brasil se insere no rol dos emissores desse gás, principalmente devido ao desmatamento das reservas florestais que possui. Assim, assumiu o compromisso na Convenção Quadro das Nações Unidas sobre Mudanças Climáticas (United Nations Framework Convention on Climate Change UNFCCC) de estabilizar suas emissões e inventariar periodicamente os seus GEEs. Dentro deste contexto, cabe também à indústria levantar sua parcela de responsabilidade significativa neste processo ameaçador para a vida no planeta terra. Desta forma, o principal objetivo do presente trabalho foi o de levantar e contabilizar o Inventário dos GEEs emitidos em 2006 por uma empresa que produz importantes insumos para a indústria de petróleo. A pesquisa bibliográfica sobre a metodologia mais adequada e sua aplicação para a empresa em estudo foram os principais objetivos específicos. A autora não encontrou fatores de emissão de CO2 (kg CO2/TJ do combustível, detalhado no decorrer deste trabalho) desenvolvidos no Brasil para levantar o inventário, com um nível razoável de confiança, que reflita a situação real e local. Toda a pesquisa bibliográfica feita mostrou que os trabalhos realizados mesmo por órgãos governamentais brasileiros usaram a metodologia do IPCC (versão anterior à usada neste trabalho) que foi elaborada por países desenvolvidos, que não é o nosso caso ou realidade. Foram feitas diversas visitas à empresa, levantadas todas as fontes potenciais de emissão, consumos e características de todos os combustíveis usados, bem como o levantamento do trabalho desenvolvido sobre geração de mudas de plantas no seu horto. Através de cálculos por essa metodologia reconhecida mundialmente (IPCC) a autora encontrou um valor em torno de 76.000 toneladas de CO2 emitidos pela empresa em 2006. A empresa neutralizou cerca de 80 toneladas de CO2, através da produção de mudas (para doação e plantio em torno de uma área que é um passivo ambiental) em seu horto e o que plantou na área desse passivo em 2006. Isso significou cerca de 0,1% do que emitiu

Síntese e caracterização de filmes de nanopartículas de prata dispersas em poli(uretano-ureia) para separação de gases petroquímicos

A utilização de novos materiais aplicados aos processos de separação por membranas tem sido objeto de constante pesquisa acadêmica e tecnológica. Na permeação de gases petroquímicos, a modificação de estruturas poliméricas e o uso de membranas de transporte facilitado por adição de sais contendo metais ou nanopartículas destacam-se dentre as opções disponíveis. Os objetivos deste trabalho foram avaliar alterações químicas, estruturais e térmicas na matriz polimérica de poli(uretano-ureia) (PUU) provocadas pela adição de nanopartículas de prata (AgNps) e obter dados de pemeabilidade de gases petroquímicos (C2H4, C2H6, CO2 e N2) para avaliar a influência das AgNps no transporte desses gases através do filme polimérico. Alterações nos espectros de FTIR nas bandas de estiramento das ligações C-O-C e C=O (uretânica e ureica), e deslocamentos nos picos de difração, demonstram que houve interação entre as AgNps e o oxigênio éter do PUU. A interação com as AgNps diminuiu a estabilidade térmica dos domínios flexíveis do polímero, região onde são encontrados os grupos éteres. As imagens de TEM mostraram que houve baixa dispersão das Nps na matriz polimérica. A interação das AgNps com o grupo éter diminuiu a permeabilidade de todos os gases, porém a redução da permeabilidade do CO2 e do C2H4 foi muito mais significativa, mostrando a interferência das AgNps na sorção desses dois gases. O transporte facilitado de olefinas através dos filmes poliméricos não foi observado, em parte, causado pela baixa dispersão das AgNps na matriz polimérica. Apesar da interação, não foi possível responder se a superfície das Nps estava ativada para o transporte facilitado. Contudo, através dos resultados do trabalho foi possível propor um mecanismo de interação entre as AgNps e o PUU, e verificar como a presença das Nps pode alterar a interação da matriz polimérica com gases petroquímicos

Estudo Experimental de Gases em Camadas de Cobertura no Aterro de Nova Iguaçu - RJ.

Esta pesquisa apresenta uma revisão bibliográfica sobre as emissões de metano em aterros sanitários, os conceitos de geração de gases em aterros sanitários, movimentações de gases em aterro, apresenta os métodos de medição de gases in situ, tipos de cobertura finais para aterros e a oxidação do metano na camada de cobertura. A pesquisa também tem como objetivo medir as emissões de gases e avaliar a infiltração das águas pluviais através da camada de cobertura do aterro sanitário da CTR Nova Iguaçu. As medições foram realizadas nos meses de julho a novembro de 2010, na camada de cobertura monolítica existente e em outra construída sobre uma barreira capilar. Sensores para medir temperatura e umidade foram instalados em profundidade nas duas camadas. Foram realizados ensaios de placa de fluxo para medir a composição dos gases e o fluxo através dos dois tipos de camadas, e avaliadas duas situações: com os poços de extração de gás ativos e desligados. Os sensores indicaram que em período de baixa pluviosidade, a barreira capilar apresenta uma eficácia superior à camada monolítica, e com a intensificação das chuvas, as umidades medidas nos dois tipos de camadas aumentam, e na barreira capilar o gradiente estabelecido entre os sensores diminui, indicando uma possível tendência à saturação desta barreira capilar. Porém, com a paralisação das chuvas, recupera e retoma sua condição inicial. Os resultados de medidas dos gases demostraram a eficiência do sistema de extração de gás quando ativado, resultando em emissões quase nulas de metano e gás carbônico nos dois tipos de camadas. No entanto, quando o sistema está desativado, as emissões através da camada monolítica são cerca de 3 vezes maiores do que através da barreira capilar.

Neogene through Pleistocene paleoclimate of the Great Salt Lake region, northeastern Great Basin, USA

In a cooperative agreement between Amoco Production Company and the University of Arizona Geosciences Department, extensive data and resources associated with 15 deep wells drilled in the Great Salt Lake are currently on loan at the University of Arizona. Seismic data, electric and lithologic logs, cuttings and previously-prepared pollen slides will eventually permit a thorough study of both the tectonic and climatic history of the Great Salt Lake region. The preliminary study presented here concentrates on the Late Tertiary and Pleistocene climatic reconstruction of the eastern Great Basin through examination of fossil pollen.

High-frequency acousto-electric single-photon source

We propose a single optical photon source for quantum cryptography based on the acoustoelectric effect. Surface acoustic waves (SAWs) propagating through a quasi-one-dimensional channel have been shown to produce packets of electrons that reside in the SAW minima and travel at the velocity of sound. In our scheme, the electron packets are injected into a p-type region, resulting in photon emission. Since the number of electrons in each packet can be controlled down to a single electron, a stream of single- (or N-) photon states, with a creation time strongly correlated with the driving acoustic field, should be generated. ©2000 The American Physical Society.

Channel selective tunnelling through a nanographene assembly.

We report selective tunnelling through a nanographene intermolecular tunnel junction achieved via scanning tunnelling microscope tip functionalization with hexa-peri-hexabenzocoronene (HBC) molecules. This leads to an offset in the alignment between the energy levels of the tip and the molecular assembly, resulting in the imaging of a variety of distinct charge density patterns in the HBC assembly, not attainable using a bare metallic tip. Different tunnelling channels can be selected by the application of an electric field in the tunnelling junction, which changes the condition of the HBC on the tip. Density functional theory-based calculations relate the imaged HBC patterns to the calculated molecular orbitals at certain energy levels. These patterns bear a close resemblance to the π-orbital states of the HBC molecule calculated at the relevant energy levels, mainly below the Fermi energy of HBC. This correlation demonstrates the ability of an HBC functionalized tip as regards accessing an energy range that is restricted to the usual operating bias range around the Fermi energy with a normal metallic tip at room temperature. Apart from relating to molecular orbitals, some patterns could also be described in association with the Clar aromatic sextet formula. Our observations may help pave the way towards the possibility of controlling charge transport between organic interfaces.

Breakdown voltage for superjunction power devices with charge imbalance: An analytical model valid for both punch through and non punch through devices

An analytical model for the electric field and the breakdown voltage (BV) of an unbalanced superjunction (SJ) device is presented in this paper. The analytical technique uses a superposition approach treating the asymmetric charge in the pillars as an excess charge component superimposed on a balanced charge component. The proposed double-exponentialmodel is able to accurately predict the electric field and the BV for unbalanced SJ devices in both punch through and non punch through conditions. The model is also reasonably accurate at extremely high levels of charge imbalance when the devices behave similarly to a PiN diode or to a high-conductance layer. The analytical model is compared against numerical simulations of charge unbalanced SJ devices and against experimental results. © 2009 IEEE.

Low voltage ride-through of DFIG and brushless DFIG: Similarities and differences

The brushless doubly fed induction generator (BDFIG) has been proposed as a viable alternative in wind turbines to the commonly used doubly fed induction generator (DFIG). The BDFIG retains the benefits of the DFIG, i.e. variable speed operation with a partially rated converter, but without the use of brush gear and slip rings, thereby conferring enhanced reliability. As low voltage ride-through (LVRT) performance of the DFIG-based wind turbine is well understood, this paper aims to analyze LVRT behavior of the BDFIG-based wind turbine in a similar way. In order to achieve this goal, the equivalence between their two-axis model parameters is investigated. The variation of flux linkages, back-EMFs and currents of both types of generator are elaborated during three phase voltage dips. Moreover, the structural differences between the two generators, which lead to different equivalent parameters and hence different LVRT capabilities, are investigated. The analytical results are verified via time-domain simulations for medium size wind turbine generators as well as experimental results of a voltage dip on a prototype 250 kVA BDFIG. © 2014 Elsevier B.V.

Tuning of the two electron states in quantum rings through the spin-orbit interaction

The effect of the Coulomb interaction on the energy spectrum and anisotropic distribution of two electron states in a quantum ring in the presence of Rashba spin-orbit interaction (RSOI) and Dresselhaus SOI (DSOI) is investigated in the presence of a perpendicular magnetic field. We find that the interplay between the RSOI and DSOI makes the single quantum ring behaves like a laterally coupled quantum dot and the interdot coupling can be tuned by changing the strengths of the SOIs. The interplay can lead to singlet-triplet state mixing and anticrossing behavior when the singlet and triplet states meet with increasing magnetic field. The two electron ground state displays a bar-bell-like spatial anisotropic distribution in a quantum ring at a specific crystallographic direction, i.e., [110] or [1 (1) over bar0], which can be switched by reversing the direction of the perpendicular electric field. The ground state exhibits a singlet-triplet state transition with increasing magnetic field and strengths of RSOI and DSOI. An anisotropic electron distribution is predicted which can be detected through the measurement of its optical properties.

Electronic transport through self-assembled quantum disks

In this paper we study a single electron tunneling through a vertically stacked self-assembled quantum disks structure using a transfer matrix technique in the framework of effective mass approximation. In the disks, the electron is confined both laterally and vertically; we separate the motion in the vertical and lateral directions within the adiabatic approximation and treat the energy levels of the latter as an effective confining potential. The influence of a constant applied electric field is taken into account using an exact Airy-function formalism and the current density is calculated at zero temperature. By increasing the widths of the barriers, we find the peaks of the current density shift toward lower voltage region; meanwhile, they can become even sharper. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Spin-dependent transport through Cd1-xMnxTe diluted magnetic semiconductor quantum dots

We theoretically investigate the spin-dependent transport through Cd1-xMnxTe diluted magnetic semiconductor (DMS) quantum dots (QD's) under the influence of both the external electric field and magnetic field using the recursion method. Our results show that (1) it can get a 100% polarized electric current by using suitable structure parameters; (2) for a fixed Cd1-xMnxTe DMS QD, the wider the system is, the more quickly the transmission coefficient increases; (3) for a fixed system length, the transmission peaks of the spin-up electrons move to lower Fermi energy with increasing Cd1-xMnxTe DMS QD radius, while the transmission of the spin-down electrons is almost unchanged; (4) the spin-polarized effect is slightly increased for larger magnetic fields; (5) the external static electric field moves the transmission peaks to higher or lower Fermi energy depending on the direction of the applied field; and (6) the spin-polarized effect decreases as the band offset increases. Our calculated results may be useful for the application of Cd1-xMnxTe DMS QD's to the spin-dependent microelectronic and optoelectronic devices.