A unified model of flames as gasdynamic discontinuities

Viewed on a hydrodynamic scale, flames in experiments are often thin so that they may be described as gasdynamic discontinuities separating the dense cold fresh mixture from the light hot burned products. The original model of a flame as a gasdynamic discontinuity was due to Darrieus and to Landau. In addition to the fluid dynamical equations, the model consists of a flame speed relation describing the evolution of the discontinuity surface, and jump conditions across the surface which relate the fluid variables on the two sides of the surface. The Darrieus-Landau model predicts, in contrast to observations, that a uniformly propagating planar flame is absolutely unstable and that the strength of the instability grows with increasing perturbation wavenumber so that there is no high-wavenumber cutoff of the instability. The model was modified by Markstein to exhibit a high-wavenumber cutoff if a phenomenological constant in the model has an appropriate sign. Both models are postulated, rather than derived from first principles, and both ignore the flame structure, which depends on chemical kinetics and transport processes within the flame. At present, there are two models which have been derived, rather than postulated, and which are valid in two non-overlapping regions of parameter space. Sivashinsky derived a generalization of the Darrieus-Landau model which is valid for Lewis numbers (ratio of thermal diffusivity to mass diffusivity of the deficient reaction component) bounded away from unity. Matalon & Matkowsky derived a model valid for Lewis numbers close to unity. Each model has its own advantages and disadvantages. Under appropriate conditions the Matalon-Matkowsky model exhibits a high-wavenumber cutoff of the Darrieus-Landau instability. However, since the Lewis numbers considered lie too close to unity, the Matalon-Matkowsky model does not capture the pulsating instability. The Sivashinsky model does capture the pulsating instability, but does not exhibit its high-wavenumber cutoff. In this paper, we derive a model consisting of a new flame speed relation and new jump conditions, which is valid for arbitrary Lewis numbers. It captures the pulsating instability and exhibits the high-wavenumber cutoff of all instabilities. The flame speed relation includes the effect of short wavelengths, not previously considered, which leads to stabilizing transverse surface diffusion terms.

Stability of planar flames as gasdynamic discontinuities

The stability of a steadily propagating planar premixed flame has been the subject of numerous studies since Darrieus and Landau showed that in their model flames are unstable to perturbations of any wavelength. Moreover, the instability was shown to persist even for very small wavelengths, i.e. there was no high-wavenumber cutoff of the instability. In addition to the Darrieus-Landau instability, which results from thermal expansion, analysis of the diffusional thermal model indicates that premixed flames may exhibit cellular and pulsating instabilities as a consequence of preferential diffusion. However, no previous theory captured all the instabilities including a high-wavenumber cutoff for each. In Class, Matkowsky & Klimenko (2003) a unified theory is proposed which, in appropriate limits and under appropriate assumptions, recovers all the relevant previous theories. It also includes additional new terms, not present in previous theories. In the present paper we consider the stability of a uniformly propagating planar flame as a solution of the unified model. The results are then compared to those based on the models of Darrieus-Landau, Sivashinsky and Matalon-Matkowsky. In particular, it is shown that the unified model is the only model to capture the Darrieus-Landau, cellular and pulsating instabilities including a high-wavenumber cutoff for each.

Ash deposition during the co-firing of bituminous coal with pine sawdust and olive stones in a laboratory furnace

This article describes an experimental study on ash deposition during the co-firing of bituminous coal with pine sawdust and olive stones in a laboratory furnace. The main objective of this study was to relate the ash deposit rates with the type of biomass burned and its thermal percentage in the blend. The thermal percentage of biomass in the blend was varied between 10% and 50% for both sawdust and olive stones. For comparison purposes, tests have also been performed using only coal or only biomass. During the tests, deposits were collected with the aid of an air-cooled deposition probe placed far from the flame region, where the mean gas temperature was around 640 degrees C. A number of deposit samples were subsequently analyzed on a scanning electron microscope equipped with an energy dispersive X-ray detector. Results indicate that blending sawdust with coal decreases the deposition rate as compared with the firing of unblended coal due to both the sawdust low ash content and its low alkalis content. The co-firing of coal and sawdust yields deposits with high levels of silicon and aluminium which indicates the presence of ashes with high fusion temperature and, thus, with less capacity to adhere to the surfaces. In contrast, in the co-firing of coal with olive stones the deposition rate increases as compared with the firing of unblended coal and the deposits produced present high levels of potassium, which tend to increase their stickiness.

Intra- and interspecific mineral composition variability of commercial instant coffees and coffee substitutes: contribution to mineral intake

The present paper reports the amount and estimated daily mineral intake of nine elements (Ca, Mg, K, Na, P, Fe, Mn, Cr and Ni) in commercial instant coffees and coffee substitutes (n = 49). Elements were quantified by high-resolution continuum source flame (HR-CS-FAAS) and graphite furnace (HR-CS-GFAAS) atomic absorption spectrometry, while phosphorous was evaluated by a standard vanadomolybdophosphoric acid colorimetric method. Instant coffees and coffee substitutes are rich in K, Mg and P (>100 mg/100 g dw), contain Na, Ca and Fe in moderate amounts (>1 mg/100 g), and trace levels of Cr and Ni. Among the samples analysed, plain instant coffees are richer in minerals (p < 0.001), except for Na and Cr. Blends of coffee substitutes (barley, malt, chicory and rye) with coffee (20–66%) present intermediate amounts, while lower quantities are found in substitutes without coffee, particularly in barley. From a nutritional point of view the results indicate that the mean ingestion of two instant beverages per day (total of 4 g instant powder), either with or without coffee, cannot be regarded as important sources of minerals to the human diet, although providing a supplementation of some minerals, particularly Mg and Mn in instant coffees. Additionally, and for authentication purposes, the correlations observed between some elements and the coffee percentage in the blends, with particular significance for Mg amounts, provides a potential tool for the estimation of coffee in substitute blends.

Quantificação de metais potencialmente tóxicos em mexilhão dourado (Limnoperna fortunei) por espectrometria de absorção atômica com fonte contínua e alta resolução empregando amostragem direta de sólidos

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Argumentos para uma humanização do ensino das ciências

Identificando a rutura no desenvolvimento da ciência entre o contexto de descoberta e o contexto de justificação, julgamos poder entender melhor a dominação do ensino transmissivo da ciência em contexto escolar e melhor argumentar para a sua superação. Por outro lado, o argumento que aqui defendemos para recuperar, para o contexto de sala de aula, a fortíssima chama cultural que a ciência transporta nos seus conceitos, leis e teorias, bem como no seu próprio processo de desenvolvimento, tem uma tradição enraizada na cultura portuguesa que exploramos.

Estudo do tratamento de águas contaminadas com tricloroetileno, usando ferro zerovalente

A tecnologia de barreiras reactivas é uma alternativa possível de ser implementada para tratamento de águas contaminadas com compostos organoclorados, nomeadamente o tricloroetileno (TCE). O recurso a ferro zerovalente (Fe0) como meio reactivo tem na actualidade inúmeras aplicações, tratando-se de uma reacção de desalogenação por mecanismo de oxidação-redução. Neste trabalho fizeram-se estudos em batch da reacção entre o Fe0 e o TCE de forma a conhecer os parâmetros cinéticos. A natureza e a área da superfície do ferro provaram ser determinantes na velocidade da reacção. Foi possível verificar que para o sistema ferro comercial / TCE a ordem da reacção é inferior a um, e a constante cinética da ordem de 10-2 Lm-2h-1. Para simular uma barreira reactiva, projectaram-se e construíram-se colunas, as quais foram cheias com areia e ferro depois de devidamente misturados, uma vez que se tratou da disposição a que corresponderam melhores eficiências de redução do TCE. Não foi possível estabelecer o mecanismo da reacção, nem conhecer os parâmetros cinéticos, pelas dificuldades experimentais encontradas na análise do TCE e pelo facto de se tratar de uma reacção muito lenta. A cromatografia gasosa com detector de ionização de chama provou ser o método mais apropriado para doseamento do TCE em águas contaminadas, nas condições usadas neste estudo. A elevada volatilização do TCE e a baixa solubilidade em água contribuíram para as dificuldades operacionais encontradas.

Avaliação ecotoxicológica de lixiviados de lamas provenientes de estações de tratamento de águas. Capacidade de germinação de sementes de alface (lactuca sativa)

A água superficial para posterior consumo humano, tem de passar por diversas etapas de tratamento, de forma a dar cumprimento aos requisitos da legislação vigente, decreto-Lei n.º 306/2007 de 27 de Agosto. Como resultado do referido tratamento produzem-se resíduos, nomeadamente, as lamas de clarificação de água. De acordo com a estratégia da União Europeia, a deposição em aterro destas lamas apenas deverá ser efectuada em situações excepcionais ou temporárias. A procura de uma solução ambientalmente mais aceitável para o destino final a atribuir a estas lamas de clarificação de água deverá ser, um dos objectivos das empresas abastecedoras de água para consumo humano. Com o intuito de verificar a possibilidade de utilização das lamas produzidas nas Estações de Tratamento de Água (ETA) em solos agrícolas, realizaram-se testes ecotoxicológicos para avaliar a capacidade de germinação de sementes de alface (Lactuca sativa). Foram igualmente realizadas determinações de alguns metais nos lixiviados, por espectrofotometria de absorção atómica com atomização por chama e por Câmara de grafite. O cádmio e o chumbo por imposição da legislação aplicável aos géneros alimentícios, Regulamento (CE) 1881/2006 de 19 de Dezembro e o alumínio e o ferro por estarem presentes nos tratamentos de algumas das águas superficiais em estudo. As lamas estudadas eram provenientes de ETA com captação de água superficial em rios e albufeiras distintos do norte de Portugal, com utilização de tratamentos também diferentes. Os resultados obtidos com os lixiviados das lamas provenientes das ETA com captações dos rios Ferreira, Ferro e Vizela e Tâmega, evidenciaram inibição da germinação para algumas das diluições testadas. No entanto, não se observou qualquer efeito tóxico para as lamas das ETA com captações da albufeira do Alto Rabagão e dos rios Rabaçal, Douro e Paiva. Dos metais alumínio, cádmio, ferro e chumbo determinados nos lixiviados, apenas o alumínio estava acima do limite de detecção. No entanto, não foi possível estabelecer qualquer correlação entre o tratamento aplicado à água superficial nas várias ETA com a concentração do alumínio nem com os resultados dos ensaios ecotoxicológicos. Não obstante, parece haver relação entre a proximidade geográfica do local de captação de água e os resultados dos bioensaios.

Análise de metais em infusões de chás e ervas aromáticas por espectrofotometria de absorção atómica de alta resolução com fonte contínua

Actualmente tem-se verificado um grande aumento na procura e a utilização de produtos naturais contendo extractos de algas, com fins medicinais, sendo cada vez maior a diversidade de oferta desses produtos, vendidos em ervanária e afins. A bibliografia tem mostrado que as algas têm capacidade de acumulação de metais pesados. As algas, sendo organismos aquáticos, estão sujeitas a contaminações dos locais (não identificados) de onde provêm. O controlo e fiscalização para estes produtos é praticamente inexistente. O objectivo deste projecto foi o desenvolvimento de metodologias analíticas com vista à quantificação de metais em infusões de chás e ervas aromáticas. Foram analisadas 9 amostras: uma de chá verde, uma de chá preto, uma infusão de lima, uma de camomila, uma mistura de chá com ervas e quatro misturas contendo algas. A espectrofotometria de absorção atómica é o método de referência para a análise de metais. Neste trabalho foi utilizado um espectrofotómetro de absorção atómica com fonte de radiação contínua e monocromador de alta resolução. Sendo esta uma tecnologia inovadora foi necessário desenvolver metodologias para os métodos de análise. A atomização em chama foi a técnica utilizada para a quantificação do cálcio, potássio, magnésio, manganês e sódio. A atomização electrotérmica foi usada para o cádmio, cobalto, crómio, cobre, níquel e chumbo. Tendo em conta os limites legislados (Decreto-Lei Nº306/2007 de 27 de Agosto) obtiveram-se teores preocupantes para o níquel (iguais ou superiores ao limite legislado) em todas as amostras analisadas e para o manganês em duas das amostras (chá verde e chá preto). Todas as amostras contendo algas apresentaram teores de Ca, Mg e Na superiores aos das restantes. Para os restantes elementos não foi possível relacionar as concentrações com a composição das infusões, em particular a presença de algas.

Implementação e validação de um método de avaliação do perfil de ácidos gordos e do teor de gordura em alimentos por cromatografia gasosa

Nos dias de hoje é necessário criar hábitos de vida mais saudáveis que contribuam para o bem-estar da população. Adoptar medidas e práticas de modo regular e disciplinado, pode diminuir o risco do aparecimento de determinadas doenças, como a obesidade, as doenças cardiovasculares, a hipertensão, a diabetes, alguns tipos de cancro e tantas outras. É também importante salientar que, uma alimentação cuidada dá saúde e aumenta a esperança média de vida. Em Portugal, nos últimos anos, os costumes alimentares da população têm vindo a alterar-se significativamente. As refeições caseiras confeccionadas com produtos frescos dão lugar à designada “cultura do fast food”. Em contrapartida, os consumidores são cada vez mais exigentes, estando em permanente alerta no que se refere ao estado dos alimentos. A rotulagem de um produto, para além da função publicitária, tem vindo a ser objecto de legislação específica de forma a fornecer informação simples e clara, correspondente à composição, qualidade, quantidade, validade ou outras características do produto. Estas informações devem ser acessíveis a qualquer tipo de público, com mais ou menos formação e de qualquer estrato social. A qualidade e segurança dos produtos deve basear-se na garantia de que todos os ingredientes, materiais de embalagem e processos produtivos são adequados à produção de produtos seguros, saudáveis e saborosos. A Silliker Portugal, S.A. é uma empresa independente de prestação de serviços para o sector agro-alimentar, líder mundial na prestação de serviços para a melhoria da qualidade e segurança alimentar. A Silliker dedica-se a ajudar as empresas a encontrar soluções para os desafios actuais do sector, oferecendo uma ampla gama de serviços, onde se inclui o serviço de análises microbiológicas, químicas e sensorial; consultadoria em segurança alimentar e desenvolvimento; auditorias; rotulagem e legislação. A actualização permanente de procedimentos na procura de uma melhoria contínua é um dos objectivos da empresa. Para responder a um dos desafios colocados à Silliker, surgiu este trabalho, que consistiu no desenvolvimento de um novo método para determinação de ácidos gordos e da gordura total em diferentes tipos de alimentos e comparação dos resultados, com os obtidos com o método analítico até então adoptado. Se a gordura é um elemento de grande importância na alimentação, devido às suas propriedades nutricionais e organoléticas, recentemente, os investigadores têm focado a sua atenção nos mais diversos ácidos gordos (saturados, monoinsaturados e polinsaturados), em particular nos ácidos gordos essenciais e nos isómeros do ácido linoleico conjugado (CLA), uma mistura de isómeros posicionais e geométricos do ácido linoleico com actividade biológica importante. A técnica usada nas determinações foi a cromatografia gasosa com ionização de chama, GC-FID, tendo as amostras sido previamente tratadas e extraídas de acordo com o tipo de matriz. A metodologia analítica desenvolvida permitiu a correcta avaliação do perfil em ácidos gordos, tendo-se para isso usado uma mistura de 37 ésteres metílicos, em que o ácido gordo C13:0 foi usado como padrão interno. A identificação baseou-se nos tempos de retenção de cada ácido gordo da mistura e para a quantificação usaram-se os factores de resposta. A validação do método implementado foi baseada nos resultados obtidos no estudo de três matrizes relativas a materiais certificados pela BIPEA (Bureau Interprofessionnel des Etudes Analytiques), para o que foram efectuadas doze réplicas de cada matriz. Para cada réplica efectuada foi calculado o teor de matéria gorda, sendo posteriormente o resultado comparado com o emitido pela entidade certificada. Após análise de cada constituinte foi também possível calcular o teor em ácidos gordos saturados, monoinsaturados e polinsaturados. A determinação do perfil em ácidos gordos dos materiais certificados foi aceitável atendendo aos valores obtidos, os quais se encontravam no intervalo de valores admissíveis indicados nos relatórios. A quantificação da matéria gorda no que se refere à matriz de “Paté à Tartinier” apresentou um z-score de 4,3, o que de acordo com as exigências internas da Silliker, não é válido. Para as outras duas matrizes (“Mélange Nutritif” e “Plat cuisiné à base de viande”) os valores de z-score foram, respectivamente, 0,7 e -1,0, o que permite concluir a validade do método. Para que o método possa vir a ser adoptado como método alternativo é necessário um estudo mais alargado relativamente a amostras com diferentes composições. O método foi aplicado na análise de amostras de fiambre, leite gordo, queijo, ovo com ómega 3, amendoim e óleo de girassol, e os resultados foram comparados com os obtidos pelo método até então adoptado.

Simultaneous distillation–extraction of high-value volatile compounds from Cistus ladanifer L.

The present paper describes a procedure to isolate volatiles from rock-rose (Cistus ladanifer L.) using simultaneous distillation–extraction (SDE). High-value volatile compounds (HVVC) were selected and the influence of the extraction conditions investigated. The effect of the solvent nature and extraction time on SDE efficiency was studied. The best performance was achieved with pentane in 1 h operation. The extraction efficiencies ranged from 65% to 85% and the repeatability varied between 4% and 6% (as a CV%). The C. ladanifer SDE extracts were analysed by headspace solid phase microextraction (HS-SPME) followed by gas chromatography with flame ionization detection (GC-FID). The HS-SPME sampling conditions such as fiber coating, temperature, ionic strength and exposure time were optimized. The best results were achieved with an 85 µm polyacrylate fiber for a 60 min headspace extraction at 40ºC with 20% (w/v) of NaCl. For optimized conditions the recovery was in average higher than 90% for all compounds and the intermediate precision ranged from 4 to 9% (as CV %). The volatiles α-pinene (22.2 mg g−1 of extract), 2,2,6-trimethylcyclohexanone (6.1 mg g−1 of extract), borneol (3.0 mg g−1 of extract) and bornyl acetate (3.9 mg g−1 of extract) were identified in the SDE extracts obtained from the fresh plant material.

Flavoured versus natural waters: macromineral (Ca, Mg, K, Na) and micromineral (Fe, Cu, Zn) contents

Macro (Ca, Mg, K, Na) and micromineral (Fe, Zn, Cu) composition of 39 waters was analysed. Determinations were made by atomic flame spectrophotometry for macrominerals and electrothermic atomisation in graphite furnace for microminerals. Mineral contents of still or sparkling natural waters (without flavours) changed from brand to brand. Mann–Whitney test was used to search for significant differences between flavoured and natural waters. For that, the concentration of each mineral was compared to the presence of flavours, preservatives, acidifying agents, fruit juice and/or sweeteners, according to the labelled composition. The statistical study demonstrated that flavoured waters generally have increased contents of K, Na, Fe and Cu. The added preservatives also led to significant differences in the mineral composition. Acidifying agents and fruit juice can also be correlated to the increase of Mg, K, Na, Fe and Cu. Sweeteners do not provide any significant difference in Ca, Mg, Fe and Zn contents.

Outdoor and indoor benzene evaluation by GC-FID and GC-MS/MS

The evaluation of benzene in different environments such as indoor (with and without tobacco smoke), a city area, countryside, gas stations and near exhaust pipes from cars running on different types of fuels was performed. The samples were analyzed using gas chromatography (GC) with flame ionization detection (FID) and tandem mass spectrometric detection (MS/MS) (to confirm the identification of benzene in the air samples). Operating conditions for the GC-MS analysis were optimized as well as the sampling and sample preparation. The results obtained in this work indicate that i) the type of fuel directly influences the benzene concentration in the air. Gasoline with additives provided the highest amount of benzene followed by unleaded gasoline and diesel; ii) the benzene concentration in the gas station was always higher than the advisable limit established by law (5 μg m−3) and during the unloading of gasoline the achieved concentration was 8371 μg m−3; iii) the data from the countryside (Taliscas) and the urban city (Matosinhos) were below 5 μg m−3 except 5 days after a fire on a petroleum refinery plant located near the city; iv) it was proven that in coffee shops where smoking is allowed the benzene concentration is higher (6 μg m−3) than in coffee shops where this is forbidden (4 μg m−3). This method may also be helpful for environmental analytical chemists who use GC-MS/MS for the confirmation or/and quantification of benzene.

Chromatographic techniques for the determination of free phenol in foundry resins

Phenol is a toxic compound present in a wide variety of foundry resins. Its quantification is important for the characterization of the resins as well as for the evaluation of free contaminants present in foundry wastes. Two chromatographic methods, liquid chromatography with ultraviolet detection (LC-UV) and gas chromatography with flame ionization detection (GC-FID), for the analysis of free phenol in several foundry resins, after a simple extraction procedure (30 min), were developed. Both chromatographic methods were suitable for the determination of phenol in the studied furanic and phenolic resins, showing good selectivity, accuracy (recovery 99–100%; relative deviations <5%), and precision (coefficients of variation <6%). The used ASTM reference method was only found to be useful in the analysis of phenolic resins, while the LC and GC methods were applicable for all the studied resins. The developed methods reduce the time of analysis from 3.5 hours to about 30 min and can readily be used in routine quality control laboratories.

Characterization of the volatile fraction emitted by phloems of four pinus species by solid-phase microextraction and gas chromatography–mass spectrometry

Pine forests constitute some of the most important renewable resources supplying timber, paper and chemical industries, among other functions. Characterization of the volatiles emitted by different Pinus species has proven to be an important tool to decode the process of host tree selection by herbivore insects, some of which cause serious economic damage to pines. Variations in the relative composition of the bouquet of semiochemicals are responsible for the outcome of different biological processes, such as mate finding, egg-laying site recognition and host selection. The volatiles present in phloem samples of four pine species, P. halepensis, P. sylvestris, P. pinaster and P. pinea, were identified and characterized with the aim of finding possible host-plant attractants for native pests, such as the bark beetle Tomicus piniperda. The volatile compounds emitted by phloem samples of pines were extracted by headspace solid-phase micro extraction, using a 2 cm 50/30 mm divinylbenzene/carboxen/polydimethylsiloxane table flex solid-phase microextraction fiber and its contents analyzed by high-resolution gas chromatography, using flame ionization and a non polar and chiral column phases. The components of the volatile fraction emitted by the phloem samples were identified by mass spectrometry using time-of-flight and quadrupole mass analyzers. The estimated relative composition was used to perform a discriminant analysis among pine species, by means of cluster and principal component analysis. It can be concluded that it is possible to discriminate pine species based on the monoterpenes emissions of phloem samples.