Self-potentials in partially saturated media: the importance of explicit modeling of electrode effects

Self-potential (SP) data are of interest to vadose zone hydrology because of their direct sensitivity to water flow and ionic transport. There is unfortunately little consensus in the literature about how to best model SP data under partially saturated conditions, and different approaches (often supported by one laboratory data set alone) have been proposed. We argue that this lack of agreement can largely be traced to electrode effects that have not been properly taken into account. A series of drainage and imbibition experiments were considered in which we found that previously proposed approaches to remove electrode effects were unlikely to provide adequate corrections. Instead, we explicitly modeled the electrode effects together with classical SP contributions using a flow and transport model. The simulated data agreed overall with the observed SP signals and allowed decomposing the different signal contributions to analyze them separately. After reviewing other published experimental data, we suggest that most of them include electrode effects that have not been properly taken into account. Our results suggest that previously presented SP theory works well when considering the modeling uncertainties presently associated with electrode effects. Additional work is warranted to not only develop suitable electrodes for laboratory experiments but also to assure that associated electrode effects that appear inevitable in longer term experiments are predictable, so that they can be incorporated into the modeling framework.

Evaluation of a computer model to simulate water table response to subirrigation

The objective of this work was to evaluate the water flow computer model, WATABLE, using experimental field observations on water table management plots from a site located near Hastings, FL, USA. The experimental field had scale drainage systems with provisions for subirrigation with buried microirrigation and conventional seepage irrigation systems. Potato (Solanum tuberosum L.) growing seasons from years 1996 and 1997 were used to simulate the hydrology of the area. Water table levels, precipitation, irrigation and runoff volumes were continuously monitored. The model simulated the water movement from a buried microirrigation line source and the response of the water table to irrigation, precipitation, evapotranspiration, and deep percolation. The model was calibrated and verified by comparing simulated results with experimental field observations. The model performed very well in simulating seasonal runoff, irrigation volumes, and water table levels during crop growth. The two-dimensional model can be used to investigate different irrigation strategies involving water table management control. Applications of the model include optimization of the water table depth for each growth stage, and duration, frequency, and rate of irrigation.

Heat Transfer Analysis of the EPR Core Catcher Test Facility Volley

Uusi EPR-reaktorikonsepti on suunniteltu selviytymään tapauksista, joissa reaktorinsydän sulaa ja sula puhkaisee paineastian. Suojarakennuksen sisälle on suunniteltu alue, jolle sula passiivisesti kerätään, pidätetään ja jäähdytetään. Alueelle laaditaan valurautaelementeistä ns.sydänsieppari, joka tulvitetaan vedellä. Sydänsulan tuottama jälkilämpö siirtyyveteen, mistä se poistetaan suojarakennuksen jälkilämmönpoistojärjestelmän kautta. Suuri osa lämmöstä poistuu sydänsulasta sen yläpuolella olevaan veteen, mutta lämmönsiirron tehostamiseksi myös sydänsiepparin alapuolelle on sijoitettu vedellä täytettävät jäähdytyskanavat. Jotta sydänsiepparin toiminta voitaisiin todentaa, on Lappeenrannan Teknillisellä Yliopistolla rakennettu Volley-koelaitteisto tätä tarkoitusta varten. Koelaitteisto koostuu kahdesta täysimittaisesta valuraudasta tehdystä jäähdytyskanavasta. Sydänsulan tuottamaa jälkilämpöä simuloidaan koelaitteistossa sähkövastuksilla. Tässä työssä kuvataan simulaatioiden suorittaminen ja vertaillaan saatuja arvoja mittaustuloksiin. Työ keskittyy sydänsiepparista jäähdytyskanaviin tapahtuvan lämmönsiirron teoriaan jamekanismeihin. Työssä esitetään kolme erilaista korrelaatiota lämmönsiirtokertoimille allaskiehumisen tapauksessa. Nämä korrelaatiot soveltuvat erityisesti tapauksiin, joissa vain muutamia mittausparametreja on tiedossa. Työn toinen osa onVolley 04 -kokeiden simulointi. Ensin käytettyä simulointitapaa on kelpoistettuvertaamalla tuloksia Volley 04 ja 05 -kokeisiin, joissa koetta voitiin jatkaa tasapainotilaan ja joissa jäähdytteen käyttäytyminen jäähdytyskanavassa on tallennettu myös videokameralla. Näiden simulaatioiden tulokset ovat hyvin samanlaisiakuin mittaustulokset. Korkeammilla lämmitystehoilla kokeissa esiintyi vesi-iskuja, jotka rikkoivat videoinnin mahdollistavia ikkunoita. Tämän johdosta osassa Volley 04 -kokeita ikkunat peitettiin metallilevyillä. Joitakin kokeita jouduttiin keskeyttämään laitteiston suurten lämpöjännitysten johdosta. Tällaisten testien simulaatiot eivät ole yksinkertaisia suorittaa. Veden pinnan korkeudesta ei ole visuaalista havaintoa. Myöskään jäähdytteen tasapainotilanlämpötiloista ei ole tarkkaa tietoa, mutta joitakin oletuksia voidaan tehdä samoilla parametreilla tehtyjen Volley 05 -kokeiden perusteella. Mittaustulokset Volley 04 ja 05 -kokeista, jotka on videoitu ja voitu ajaa tasapainotilaan saakka, antoivat simulaatioiden kanssa hyvin samankaltaisia lämpötilojen arvoja. Keskeytettyjen kokeiden ekstrapolointi tasapainotilaan ei onnistunut kovin hyvin. Kokeet jouduttiin keskeyttämään niin paljon ennen termohydraulista tasapainoa, ettei tasapainotilan reunaehtoja voitu ennustaa. Videonauhoituksen puuttuessa ei veden pinnan korkeudesta saatu lisätietoa. Tuloksista voidaan lähinnä esittää arvioita siitä, mitä suuruusluokkaa mittapisteiden lämpötilat tulevat olemaan. Nämä lämpötilat ovat kuitenkin selvästi alle sydänsiepparissa käytettävän valuraudan sulamislämpötilan. Joten simulaatioiden perusteella voidaan sanoa, etteivät jäähdytyskanavien rakenteet sula, mikäli niissä on pienikin jäähdytevirtaus, eikä useampia kuin muutama vierekkäinen kanava ole täysin kuivana.

Morphological and functional variability in the root system of Quercus ilex L. subject to confinement: consequences for afforestation

We examined root morphological and functional differences caused by restrictions imposed to vertical growth in the root system of holm oak (Quercus ilex L.) seedlings to assess the consequences of using nursery containers in the development of a confined root system for this species. Thus, root morphological, topological and functional parameters, including hydraulic conductance per leaf unit surface area (K $_{\rm RL})$, were investigated in one-year seedlings cultivated in three PVC tubes differing in length (20, 60 and 100 cm). Longer tubes showed greater projected root area, root volume, total and fine root lengths, specific root length (SRL) and K$_{\rm RL}$ values than did shorter tubes. On the other hand, the length of coarse roots (diameter > 4.5 mm) and the average root diameter were greater in shorter tubes. The strong positive correlation found between K$_{\rm RL}$ and SRL (r=+0.69; P<0.001) indicated that root thickness was inversely related to water flow through the root system. We concluded that root systems developed in longer tubes are more efficient for plant water uptake and, therefore, changes in root pattern produced in standard forest containers (i.e. about 20 cm length) may in fact prevent a proper establishment of the holm oak in the field, particularly in xeric environments.

Reagenssin pinta-aktiivisuuden hyödyntäminen sinkin uutossa

Työssä tutkittiin sinkin uutossa käytettävän di(2-etyyliheksyyli)fosforihappo (D2EHPA) -uuttoreagenssin faasikäyttäytymistä ja miten laimentimen koostumus, lämpötila ja orgaanisen faasin sinkkipitoisuus vaikuttavat faasitasapainoon. Laimentimen vaikutuksen havaittiin olevan pientä, kun taas lämpötilan nostaminen yli huoneenlämpötilan leventää faasidiagrammin yksifaasialuetta. Pienet orgaanisen faasin sinkkipitoisuudet eivät juuri vaikuta faasitasapainoon. Sinkin ja D2EHPA:n moolisuhteen ollessa välillä 0,1–0,2 kompleksin rakenne ilmeisesti muuttuu. Sinkkipitoisuuden kasvaessa yksifaasialue muodostuu pienemmillä ammoniakkimäärillä. Suurilla orgaanisen faasin sinkkipitoisuuksilla ja ammoniakkimäärillä muodostuu orgaanisen faasin ja vesifaasin välille kolmas nestefaasi. D2EHPA:n (40 p %) vesipitoisuuden ja viskositeetin pH riippuvuutta tutkittiin, kun laimentimena oli alifaattinen hiilivetyliuotin. Nostettaessa pH yli 3,5:n uuttoreagenssi alkoi muodostaa käänteismisellejä, jolloin orgaanisen faasin vesipitoisuus ja viskositeetti kasvoivat eksponentiaalisesti. Sinkin mukana uuttautuu epäpuhtauksia kuten Al3+, Co2+, Cu2+, Na+, Ni2+, Cl- ja F-. Takaisinuuton kautta epäpuhtaudet joutuvat talteenottoelektrolyysiin, jossa ne voivat vaikuttaa tuotteen laatuun ja laskea virtahyötysuhdetta. Tarkoituksena oli tutkia väheneekö epäpuhtauksien myötäuuttautuminen jollakin tietyllä sinkin latausasteella. Fluoridin ja kuparin uuttautumisen havaittiin vähenevän vasta, kun sinkin pitoisuus orgaanisessa faasissa oli yli 20 g/L lämpötilasta riippumatta. Fluoridi uuttautuu mahdollisesti alumiinikompleksina ja/tai fluorihappona. Koboltin ja nikkelin myötäuuttautumisen havaittiin vähenevän, kun sinkin latausaste oli yli 10 g/L. Natrium ja kloridi eivät myötäuuttautuneet.

Happaman hydrometallurgisen PLS-liuoksen puhdistaminen kiintoaineesta kalvosuodatustekniikalla

Tässä diplomityössä tutkittiin keraamisten mikrosuodatuskalvojen soveltuvuutta kiintoaineen erottamiseen happamasta PLS-liuoksesta eri huokoskoon omaavilla mikrosuodatuskalvoilla. Koelaitteistolla suodatettiin puhdasta vettä, kaoliinipitoista vesiliuosta sekä hapanta kuparia, kalsiumia ja kaoliinia sisältävää malliliuosta. Koeajojen tavoitteena oli saada tietoa permeaattivuon maksimimäärästä eri mikrosuodatuskalvoilla sekä tuotteen puhtaudesta. Näiden lisäksi saatiin tietoa kalvojen likaantumisesta ajon aikana. Teoriaosassa käsiteltiin yleisesti kalvosuodatusta, esitettiin yleiset kalvotekniset menetelmät ja sovellukset sekä käytiin läpi tutkimuksia samankaltaisiin kalvoihin ja sovelluksiin liittyen. Lisäksi teoriaosuudessa pohdittiin mahdollisuutta käyttää myös muita, kuin putkimoduulisia mikrosuodatuskalvoja. Myös työhön oleellisena taustana kuuluvaa hydrometallurgiaa tarkasteltiin teoreettiselta kannalta. Puhtaan veden suodatuskoetuloksista havaittiin, että kaikki kalvot jäivät selvästi valmistajan ilmoittamista arvoista. 1,0 µm CoMetas CoMem® kalvon teoreettinen vesivuo on 10 m3/(h bar) ja 3,0 µm CoMetas CoMem® teoreettinen vesivuo on yli 50 m3/(h bar). Näistä parhaimman vuon arvon sai 1,0 µm CoMetas CoMem® mikrosuodatuskalvo. Tämä kalvo oli paras sekä veden suodatuksissa että malliliuoksella tehdyillä suodatuksilla. Malliliuoksella saavutettiin n. 2000 L/(m2 h) paineen ollessa 2,0 bar ja virtausnopeuden ollessa 4,4 m/s. Vastaavat vesiajon tulokset olivat n. 1100 L/(m2 h) paineen ollessa 1,0 bar ja virtausnopeuden 2,9 m/s. Kaikki kolme käytettyä kalvoa pidättivät kaoliiniliuoksen 81–100 %:sesti. Kuparipitoista malliliuosta suodatettaessa pystyttiin vastaavasti erottamaan 77–99 % kiintoaineesta. Koeajoissa kuitenkin havaittiin huomattava vuon arvojen putoaminen, joka johtui kalvon likaantumisesta. Huomioitavaa oli kuitenkin, että hapanta malliliuosta suodatettaessa permeaattivuon arvot olivat kaoliiniliuoksen suodatuksessa saatuja vastaavia arvoja korkeammat.

Alternativas verdes para o preparo de amostra e determinação de poluentes fenólicos em água

The restricted availability of water sources suitable for consumption and high costs for obtaining potable water has caused an increase of the conscience concerning the use. Thus, there is a high demand for "environmentally safe methods" which are according to the principles of Green Chemistry. Moreover, these methods should be able to provide reliable results for the analysis of water quality for various pollutants, such as phenol. In this work, greener alternatives for sample preparation for phenol determination in aqueous matrices are presented, which include: liquid phase microextraction, solid phase microextraction, flow analysis, cloud point extraction and aqueous two-phase systems.

Flow injection visible diffuse reflectance quantitative analysis of total sulfur in biodiesel, in plant leaves and in natural waters

Flow injection (FI) methodology, using diffuse reflectance in the visible region of the spectrum, for the analysis of total sulfur in the form of sulfate, precipitated in the form of barium sulfate, is presented. The method was applied to biodiesel, to plant leaves and to natural waters analysis. The analytical signal (S) correlates linearly with sulfate concentration (C) between 20 and 120 ppm, through the equation S=-1.138+0.0934 C (r = 0.9993). The experimentally observed limit of detection is about 10 ppm. The mean R.S.D. is about 3.0 %. Real samples containing sulfate were analyzed and the results obtained by the FI and by the reference batch turbidimetric method using the statistical Student's t-test and F-test were compared.

Simulation of moisture profiles in a Latossol in Dourados region, in the State of Mato Grosso do Sul, Brazil

The understanding of unsaturated soil water flow at process-level is essential to develop proper management actions for environmental protection in agricultural systems. One important tool for simulation of soil water flow that has been used worldwide is the SWAP model. The aim of this work was to test and to calibrate the SWAP model by inverse modeling to describe moisture profiles in a Brazilian very clayey Latossol in Dourados, State of Mato Grosso do Sul, Brazil. The SWAP model was tested in an experimental field of 0.09 ha cultivated with soybean and soil profiles were sampled eight times between December 2006 and October 2007. The SWAP input values (i.e. soil water retention curves and meteorological data) were based on in-situ measurements. Simulations with uncalibrated soil water retention curves resulted in moisture profiles that were too wet for almost all sampling dates, in particular between 0-10 cm depth. After calibration of soil water retention curves, there was a good improvement in the simulated moisture profiles, which were within the range of measured values for almost all depths and sampling dates.

Anaerobic co-digestion of crude glycerin and starch industry effluent

The Brazil's Biodiesel Production and Use Program introduces biodiesel in the Brazilian energy matrix, bringing along the perspective of a growth of the glycerin offer, co-product generated in the proportion of 10 kg for each 100 L of biodiesel. The aim of this study was to evaluate the addition of crude glycerin in the anaerobic digestion of cassava starch industry effluent (cassava wastewater), in a horizontal semi-continuous flow reactor of one phase in laboratory scale. It was used a reactor with a 8.77 L of useful volume, a medium support for corrugated conduit of polyvinyl chloride (PVC), temperature of 261 ºC, fed with cassava wastewater and glycerin, with hydraulic detention times of 4 and 5 days and increasing volumetric organic load of 3.05; 9.32; 14.83 and 13.59 g COD L-1 d-1, obtained with the addition of glycerin at 0; 2; 3 and 2% (v/v), respectively. The average removal efficiencies of TS and TVS were decreasing from the addition of glycerin to the cassava wastewater, averaging 81.19 to 55.58% for TS and 90.21 to 61.45% for TVS. The addition of glycerin at 2% increased the biogas production compared to the control treatment, reaching 1.979 L L-1 d-1. The biogas production as a function of the consumed COD was higher for the control treatment than for the treatments with addition of glycerin, which indicates lower conversion of organic matter into biogas.

Solar energy use for water pre-heating in boilers of agro-industries

Energy consumption in the world has been growing every year. The industrial sector represents 27.32% of the world energy demand. Heating systems that use solar energy may contribute with a percentage of the total energy required by industries. This work aimed to study the use of vacuum solar collectors for water pre-heating in boilers. We used four collectors installed according to NBR 15,569; water flow through the tubes was 0.058 L/s, and temperature in the inlet and outlet pipes was measured. Results showed that instantaneous radiation, and inlet fluid and room temperatures are variables that influence the process, reaching water maximum temperature in the solar collector outlet of 97.9 °C, and efficiency of approximately 65% for most experiments. For the financial viability evaluation, the payback study was applied, which resulted in 4; 7 and 5 years, for the respective sources: firewood, LPG (liquefied petroleum gas), and electricity. Regarding the calculation of the annual contribution to the reduction of greenhouse gases, it was, respectively, 2.162 and 356 kg of CO2 per m² of collector tubes, in comparison with firewood and LPG.

Pressure compensating microsprinklers using microtube as a flow controller

ABSTRACT Microsprinkler non-pressure compensating nozzles usually show water flow variation along the lateral line. This study aimed at adapting microtubes into non-compensating system of microsprinklers previous installed in the field, as a self-compensated nozzle, to improve the flow uniformity along the lateral line. Microtubes were adapted to three types of commercial microsprinklers. Tests were conducted, both in the laboratory and in field, to evaluate the microsprinkler performance at four different flows (40, 50, 60 and 70 L h-1) under pressure head range from 75 to 245 kPa. Nozzles presented coefficient of flow-rate variation (CVq) lower than 5.5% and distribution uniformity (DU) greater than 95%, which are classified as excellent. The original spatial water distribution of the microsprinkler did not change by using microtube as a nozzle. This device adapted to non-pressure compensating microsprinklers are functional and operate effectively with flows ranging up to 70 L h-1. Small variations at microsprinkler flows along the lateral line can occur, however, at random manner, which is common for pressure-compensating nozzles. Therefore, the microtube technique is able to control pressure variation in microsprinklers.

Vesihöyrypiirin kiertolaskenta kuplapetikattilassa

Työssä selvitetään kiertolaskennan periaatteita kuplapetikattilassa, esitetään lyhyesti kattilan toimintaperiaate ja paneudutaan alan laskentaohjelmistoihin. Luonnonkierto kattilan vesihöyrypiirissä on seurausta hydrostaattisesta paineesta, joka aiheutuu tiheyserosta nousu- ja laskuputkien välillä. Kiertolaskennassa on huomioitava kaksifaasivirtauksen ominaispiirteet. Höyry ja neste virtaavat putkistossa eri nopeuksilla, jolloin esimerkiksi painehäviön määrityksessä käytetään erilaisia korrelaatioita ja käyrästöjä. Kaksifaasivirtauksen laskennassa tarvitaan kolmea eri taseyhtälöä: energiatasetta, massatasetta ja liikemäärätasetta. Luonnonkiertokattiloissa höyrykierron suunnittelussa on kaksi pääasiallista ehtoa. Ensimmäiseksi tulee varmistaa riittävä kiertoveden massavirta, jotta vältetään höyrystinputkien puhki palaminen. Toiseksi tulee välttää höyrystinputken pinnan lämpötilavaihteluita ja värähtelyitä. Alustavassa luonnonkierron mitoituksessa turvaudutaan kokemusperäiseen tietoon. Myöhemmässä tarkemmassa mitoituksessa käytettäviä ohjelmistoja ovat NOWA sekä kaupalliset PPSD ja Apros. Laskenta lähtee liikkeelle siitä, että lasketaan ensin vesihöyrykierron massavirrat erilaisilla lämpökuormilla ja höyryntuotanto määritellään painehäviöiden perusteella. NOWA- ja PPSD- ohjelmistoilla tehtyjen esimerkkilaskelmien perusteella voidaan sanoa, että tulokset riippuvat käytetystä laskentamallista.

Pressure Drop in Vertical Core-Annular Flow

An experimental apparatus for the study of core annular flows of heavy oil and water at room temperature has been set up and tested at laboratory scale. The test section consists of a 2.75 cm ID galvanized steel pipe. Tap water and a heavy oil (17.6 Pa.s; 963 kg/m³) were used. Pressure drop in a vertical upward test section was accurately measured for oil flow rates in the range 0.297 - 1.045 l/s and water flow rates ranging from 0.063 to 0.315 l/s. The oil-water input ratio was in the range 1-14. The measured pressure drop comprises gravitational and frictional parts. The gravitational pressure drop was expressed in terms of the volumetric fraction of the core, which was determined from a correlation developed by Bannwart (1998b). The existence of an optimum water-oil input ratio for each oil flow rate was observed in the range 0.07 - 0.5. The frictional pressure drop was modeled to account for both hydrodynamic and net buoyancy effects on the core. The model was adjusted to fit our data and shows excellent agreement with data from another source (Bai, 1995).

UV-LED -lamppujen soveltuminen laivojen painolastivesien käsittelyyn

Painolastivesien mukana kulkeutuvien lajien leviäminen on yksi vakavimmista globaaleista ympäristöuhkista. Kansainvälinen merenkulkujärjestö IMO määritteli vuonna 2004 kansainvälisen painolastivesiyleissopimuksen, jonka tarkoituksena on ehkäistä laivojen painolastivesien mukana kulkeutuvien lajien leviämistä. Sopimus velvoittaa aluksia käsittelemään niiden painolastivedet ja se sisältää myös käsittelyjärjestelmiltä edellytetyt vaatimukset. Vaikka sopimus ei ole vielä astunut voimaan, painolastivesien käsittelyyn löytyy markkinoilta jo useita kymmeniä IMO:n hyväksymiä käsittelyjärjestelmiä, jotka hyödyntävät erilaisia mekaanisia, fysikaalisia ja kemiallisia menetelmiä. Yksi yleisimmin käytetyistä menetelmistä on UV-säteilytys. UV-säteily tuotetaan elohopealampuilla, jotka kuitenkin kuluttavat paljon energiaa ja sisältävät myrkyllistä elohopeaa. Tämän työn tarkoituksena oli selvittää, voisiko elohopealamput korvata lähitulevaisuudessa UV-LED -lampuilla. UV-LED –lamppujen etuja ovat muun muassa energiatehokkuus, kestävä rakenne ja myrkyttömyys. Työn tärkeimpänä tavoitteena oli tutkia laboratoriomittausten avulla, millainen UV-annosmäärä 10-50 µm kokoisten kasviplanktonien inaktivoimiseen tarvitaan. Mittausjärjestelyt vastasivat suurelta osin IMO:n vaatimuksia. Laboratoriomittauksissa käytettiin 265 nm:n aallonpituudella toimivia UV-LED -lamppuja. Näytteiden analysoinnissa käytettiin sekä PAM-fluorometriä että virtaussytometriä. Saatujen tulosten perusteella tutkimuksessa käytettyjen lajien Asterionellopsis glacialis ja Thalassiosira sp. täydelliseen inaktivoitumiseen tarvittiin noin 600 mJ/cm2 suuruinen UV-annos. Tulos vastasi ennakko-odotuksia ja se oli vertailukelpoinen muiden aiheesta tehtyjen tutkimusten kanssa. Koska nykyisten UV-LED –lamppujen teho on hyvin alhainen, ne eivät vielä sovellu painolastivesien käsittelyyn. UV-LED –lamppujen kehitystyö on kuitenkin käynnissä ja on arvioitu, että niitä voitaisiin käyttää suurten virtaamien käsittelyssä 5-10 vuoden kuluttua.