Surface diffusion of adsorbed molecules in porous media: Monolayer, multilayer, and capillary condensation regimes

This review provides an overview of surface diffusion and capillary condensate flow in porous media. Emphasis has been placed on the distinction between purely surface diffusion, multilayer surface diffusion, and, capillary condensate flow.

Percolation Phenomena in Micropore Adsorption: Influence on Single and Multicomponent Adsorption Equilibria

A novel and simple method for determination of micropore network connectivity of activated carbon using liquid phase adsorption is presented in this paper. The method is applied to three different commercial carbons with eight different liquid phase adsorptives as probes. The effect of the pore network connectivity on the prediction of multicomponent adsorption equilibria was also studied. For this purpose, the Ideal Adsorbed Solution Theory (IAST) was used in conjuction with the modified DR single component isotherm. The results of comparison with experimental data show that incorporation of the connectivity, and consideration of percolation processes associated with the different molecular sizes of the adsorptives in the mixture, can improve the performance of the IAST in predicting multicomponent adsorption equilibria.

Density functional theory analysis of the influence of pore wall heterogeneity on adsorption in carbons

Density functional theory for adsorption in carbons is adapted here to incorporate a random distribution of pore wall thickness in the solid, and it is shown that the mean pore wall thickness is intimately related to the pore size distribution characteristics. For typical carbons the pore walls are estimated to comprise only about two graphene layers, and application of the modified density functional theory approach shows that the commonly used assumption of infinitely thick walls can severely affect the results for adsorption in small pores under both supercritical and subcritical conditions. Under supercritical conditions the Henry's law coefficient is overpredicted by as much as a factor of 2, while under subcritical conditions pore wall heterogeneity appears to modify transitions in small pores into a sequence of smaller ones corresponding to pores with different wall thicknesses. The results suggest the need to improve current pore size distrubution analysis methods to allow for pore wall heterogeneity. The density functional theory is further extended here to allow for interpore adsorbate interactions, and it appears that these interaction are negligible for small molecules such as nitrogen but significant for more strongly interacting heavier molecules such as butane, for which the traditional independent pore model may not be adequate.

Modeling of gas adsorption equilibrium over a wide range of pressure: A thermodynamic approach based on equation of state

A thermodynamic approach based on the Bender equation of state is suggested for the analysis of supercritical gas adsorption on activated carbons at high pressure. The approach accounts for the equality of the chemical potential in the adsorbed phase and that in the corresponding bulk phase and the distribution of elements of the adsorption volume (EAV) over the potential energy for gas-solid interaction. This scheme is extended to subcritical fluid adsorption and takes into account the phase transition in EAV The method is adapted to gravimetric measurements of mass excess adsorption and has been applied to the adsorption of argon, nitrogen, methane, ethane, carbon dioxide, and helium on activated carbon Norit R I in the temperature range from 25 to 70 C. The distribution function of adsorption volume elements over potentials exhibits overlapping peaks and is consistently reproduced for different gases. It was found that the distribution function changes weakly with temperature, which was confirmed by its comparison with the distribution function obtained by the same method using nitrogen adsorption isotherm at 77 K. It was shown that parameters such as pore volume and skeleton density can be determined directly from adsorption measurements, while the conventional approach of helium expansion at room temperature can lead to erroneous results due to the adsorption of helium in small pores of activated carbon. The approach is a convenient tool for analysis and correlation of excess adsorption isotherms over a wide range of pressure and temperature. This approach can be readily extended to the analysis of multicomponent adsorption systems. (C) 2002 Elsevier Science (USA).

Characterization of micro-mesoporous carbonaceous materials. Calculations of adsorption isotherm of hydrocarbons

In this paper we apply a method recently developed by Do and co-workers(1) for the prediction of adsorption isotherms of pure vapors on carbonaceous materials. The information required for the prediction is the pore size distribution and the BET constant, C, of a corresponding nonporous surface (graphite). The dispersive adsorption force is assumed to be the dominant force in adsorption mechanism. This applies to nonpolar and weakly polar hydrocarbons. We test this predictive model against the adsorption data of benzene, toluene, n-pentane, n-hexane, and ethanol on a commercial activated carbon. It is found that the predictions are excellent for all adsorbates tested with the exception of ethanol where the predicted values are about 10% less than the experimental data, and this is probably attributed to the electrostatic interaction between ethanol molecules and the functional groups on the carbon surfaces.

Effects of adsorbate-adsorbate interaction in the description of adsorption isotherm of hydrocarbons in micro-mesoporous carbonaceous materials

In this paper, we present a model accounting for the adsorbate-adsorbate interaction in the adsorbed phase in the description of adsorption of pure vapors on carbonaceous materials. The details of the adsorbate-adsorbate interaction of a particular species are obtained from the analysis of its adsorption data on non-porous carbon black. The predictability of the model is tested against the adsorption isotherm data for benzene, toluene, n-pentane, n-hexane, carbon tetrachloride, methanol and ethanol on microporous activated carbon. It was found that the model prediction for non-polar adsorbates are satisfactory while it under-predicts for polar adsorbates, which is attributed to their additional interaction with functional groups. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Adsorption of supercritical fluids in non-porous and porous carbons: analysis of adsorbed phase volume and density

In this paper, we revisit the surface mass excess in adsorption studies and investigate the role of the volume of the adsorbed phase and its density in the analysis of supercritical gas adsorption in non-porous as well as microporous solids. For many supercritical fluids tested (krypton, argon, nitrogen, methane) on many different carbonaceous solids, it is found that the volume of the adsorbed phase is confined mostly to a geometrical volume having a thickness of up to a few molecular diameters. At high pressure the adsorbed phase density is also found to be very close to but never equal or greater than the liquid phase density. (C) 2003 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Toxicological aspects of treatment to remove cyanobacterial toxins from drinking water determined using the heterozygous P53 transgenic mouse model

The presence of toxic cyanobacteria in drinking water reservoirs renders the need to develop treatment methods for the 'safe' removal of their associated toxins. Chlorine has been shown to successfully remove a range of cyanotoxins including microcystins, cylindrospermopsin and saxitoxins. Each cyanotoxin requires specific treatment parameters, particularly solution pH and free chlorine residual. However, currently there has not been any investigation into the toxicological effect of solutions treated for the removal of these cyanotoxins by chlorine. Using the P53(def) transgenic mouse model mate and female C57BL/6J hybrid mice were used to investigate potential cancer inducing effects from such oral dosing solutions. Both purified cyanotoxins and toxic cell-free extract cyanobacterial solutions were chlorinated and administered over 90 and 170 days (respectively) in drinking water. No increase in cancer was found in any treatment. The parent cyanotoxins, microcystins, cylindrospermopsin and saxitoxins were readily removed by chlorine. There was no significant increase in the disinfection byproducts trihalomethanes or haloacetic acids, levels found were well below guideline values. Histological examination identified no effect of treatment solutions except male mice treated with chlorinated cylindrospermopsin (as a cell free extract). In this instance 40% of males were found to have fatty vacuolation in their livers, cause unknown. It is recommended that further toxicology be undertaken on chlorinated cyanobacterial solutions, particularly for non-genotoxic carcinogenic compounds, for example the Tg. AC transgenic mouse model. (C) 2003 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Preparação e caracterização de carvão ativado quimicamente a partir da casca de arroz

This work consists in a study about the chemical activation of charred rice hulls using NaOH as the activation agent. The influence of the naturally-occurring silica was particularly evidenced. X-ray diffraction patterns showed the formation of sodium carbonate and silicates in the activated samples, whereas thermogravimetric curves revealed a strong reduction in the ash content of these samples after washing with water. Nitrogen adsorption data indicated a microporosity development only in the washed samples, with BET surface area values of 450 and 1380 m2/g achieved for the samples activated at 800 °C starting from the precursor with or without silica, respectively.

Remoção do herbicida 2,4-D por meio do tratamento convencional da água e adsorção em carvão ativado granular em instalação piloto

O crescimento populacional empurra a produção agrícola em direção ao uso intensivo dos agrotóxicos que aumentam a produtividade. Porém, seu uso incorreto pode resultar em grave problema para as estações de tratamento da água e impactar negativamente na saúde pública. Segundo estudos em escala laboratorial, o tratamento convencional, um dos mais utilizados no Brasil, apresenta remoção insignificante do 2,4-D. A adsorção em carvão ativado tem se demonstrado como tecnologia eficiente na remoção de diversos contaminantes, dentre eles os agrotóxicos. Assim, foi avaliada a remoção dos herbicidas 2,4-D e 2,4,5-T e metabólito 2,4-DCP, utilizando o tratamento convencional e a adsorção em coluna de carvão ativado granular em instalação piloto. O carvão ativado granular empregado foi o derivado da casca de coco. A concentração dos herbicidas foi analisada por cromatografia líquida de alta eficiência com detector por arranjo de diodos e extração em fase sólida. A associação do tratamento convencional com a adsorção em carvão ativado granular apresentou elevada remoção do 2,4-D (99%) atingindo concentrações finais abaixo do limite da Portaria MS n° 2914/2011. O tratamento convencional, no entanto, também apresentou remoção do 2,4-D (35 a 59%), sendo o maior percentual obtido na decantação (30 a 52%), indicando que houve interação entre a matéria orgânica natural e o 2,4-D, contribuindo para sua remoção nessa etapa. O 2,4-DCP e 2,4,5-T apresentaram concentrações abaixo do limite de detecção.

Avaliação da adsorção do herbicida 2,4-D em carvão ativado em pó utilizando água com diferentes qualidades

O 2,4-diclorofenoxiacético (2,4-D) é um dos herbicidas mais consumidos no Brasil e é preferencialmente usado devido a sua boa seletividade e baixo custo. Possui alta toxidade e baixa biodegradabilidade, oferecendo risco à saúde humana e ao meio ambiente, podendo ser encontrado em solos, águas superficiais e subterrâneas. Estudos mostram que o tratamento convencional da água possui baixa eficácia na remoção de microcontaminantes, com isso várias técnicas têm sido utilizadas na remoção de compostos em água, como a adsorção por carvão ativado. Apresenta-se a adsorção em carvão ativado tem se demonstrado como tecnologia eficiente na remoção de diversos contaminantes, dentre eles os agrotóxicos. Assim, o presente trabalho objetivou avaliar a adsorção do 2,4-D por três carvões ativados em pó (CAP) em água ultrapura e em água bruta do Rio Santa Maria da Vitória. A quantificação do herbicida foi analisada por cromatografia líquida de alta eficiência, após concentração da amostra pelo método de extração em fase sólida. Os ensaios de adsorção foram realizados com carvões ativados derivados da casca de coco (CAP-01), pinus (CAP-02) e palha de café (CAP-03), que foram caracterizados e avaliados na sua capacidade de remoção do 2,4-D nas duas matrizes de água. Dois modelos de isoterma de adsorção, Langmuir e Freundlich, foram aplicados para descrever os dados de adsorção, que indicaram o CAP-02 como o carvão que apresentou a melhor capacidade de adsorção do 2,4-D entre os carvões estudados, tanto em água ultrapura quanto em água bruta. Nos ensaios realizados em água bruta, houve redução da adsorção do 2,4-D para as três amostras de CAP, quando comparado com os ensaios realizados em água ultrapura, indicando interferência de compostos, como a matéria orgânica, no processo de adsorção.

Minimização de odores em contentores de resíduos sólidos

Mestrado em Engenharia Química

Homogeneous and heterogenised new gold C-scorpionate complexes as catalysts for cyclohexane oxidation

Gold(III) complexes of type [AuCl2{eta(2)-RC(R'pz)(3)}]Cl [R = R' = H (1), R = CH2OH, R' = H (2) and R = H, R' = 3,5-Me-2(3), pz = pyrazol-1-yl] were supported on carbon materials (activated carbon, carbon xerogel and carbon nanotubes) and used for the oxidation of cyclohexane to cyclohexanol and cyclohexanone, with aqueous H2O2, under mild conditions.

Optimização do tratamento de um efluente aquoso resultante da utilização de cola nas máquinas de produção de placas de madeira

O presente trabalho teve como principais objectivos, estudar e optimizar o processo de tratamento do efluente proveniente das máquinas da unidade Cold-press da linha de produção da Empresa Swedwood, caracterizar a solução límpida obtida no tratamento e estudar a sua integração no processo, e por fim caracterizar o resíduo de pasta de cola obtido no tratamento e estudar a possível valorização energética deste resíduo. Após caracterização inicial do efluente e de acordo com os resultados de um estudo prévio solicitado pela Empresa Swedwood a uma empresa externa, decidiu-se iniciar o estudo de tratabilidade do efluente pelo processo físico-químico a coagulação/floculação. No processo de coagulação/floculação estudou-se a aplicabilidade, através de ensaios Jar-test, dos diferentes agentes de coagulação/floculação: a soda cáustica, a cal, o cloreto férrico e o sulfato de alumínio. Os melhores resultados neste processo foram obtidos com a adição de uma dose de cal de 500 mg/Lefluente, seguida da adição de 400 mg/Lefluente de sulfato de alumínio. Contudo, após este tratamento o clarificado obtido não possuía as características necessárias para a sua reintrodução no processo fabril nem para a sua descarga em meio hídrico. Deste modo procedeu-se ao estudo de tratamentos complementares. Nesta segunda fases de estudo testaram-se os seguintes os tratamentos: a oxidação química por Reagente de Fenton, o tratamento biológico por SBR (sequencing batch reactor) e o leito percolador. Da análise dos resultados obtidos nos diferentes tratamentos conclui-se que o tratamento mais eficaz foi o tratamento biológico por SBR com adição de carvão activado. Prevê-se que no final do processo de tratamento o clarificado obtido possa ser descarregado em meio hídrico ou reintroduzido no processo. Como o estudo apenas foi desenvolvido à escala laboratorial, seria útil poder validar os resultados numa escala piloto antes da sua implementação industrial. A partir dos resultados do estudo experimental, procedeu-se ao dimensionamento de uma unidade de tratamento físico-químico e biológico à escala industrial para o tratamento de 20 m3 de efluente produzido na fábrica, numa semana. Dimensionou-se ainda a unidade (leito de secagem) para tratamento das lamas produzidas. Na unidade de tratamento físico-químico (coagulação/floculação) os decantadores estáticos devem possuir o volume útil de 4,8 m3. Sendo necessários semanalmente 36 L da suspensão de cal (Neutrolac 300) e 12,3 L da solução de sulfato de alumínio a 8,3%. Os tanques de armazenamento destes compostos devem possuir 43,2 litros e 96 litros, respectivamente. Nesta unidade estimou-se que são produzidos diariamente 1,4 m3 de lamas. Na unidade de tratamento biológico o reactor biológico deve possuir um volume útil de 6 m3. Para que este processo seja eficaz é necessário fornecer diariamente 2,1 kg de oxigénio. Estima-se que neste processo será necessário efectuar a purga de 325 litros de lamas semanalmente. No final da purga repõe-se o carvão activado, que poderá ser arrastado juntamente com as lamas, adicionando-se 100 mg de carvão por litro de licor misto. De acordo com o volume de lamas produzidos em ambos os tratamentos a área mínima necessária para o leito de secagem é de cerca de 27 m2. A análise económica efectuada mostra que a aquisição do equipamento tem o custo de 22.079,50 euros, o custo dos reagentes necessários neste processo para um ano de funcionamento tem um custo total de 508,50 euros e as necessidades energéticas de 2.008,45 euros.

Diagnóstico ambiental de uma queijaria e proposta de melhorias

O presente trabalho tem como objectivo o diagnóstico ambiental da empresa Lacticinios do Paiva, S.A, a avaliação da água do processo e da ETARI e o estudo da fermentação do soro de queijo com o intuito de produção de bioetanol. No diagnóstico ambiental da empresa, observou-se que 18.227.731 litros de leite usados anualmente geram 5.031 ton/ano de queijo, 7.204 ton/ano de soro de queijo, 74.201 m3/ano de efluente liquido, 14 ton/ano de plástico e 20 ton/ano de cartão. Os principais problemas com necessidade de optimização são a recuperação de água das lavagens, avaliação da produção de biogás no digestor anaeróbio, recuperação do volume de leite que é desperdiçado na produção de queijo fresco de longa duração, avaliação da eficiência energética da empresa, valorização das natas e do soro de queijo. Decidiu-se neste trabalho avaliar a possibilidade de reciclagem das águas de lavagem, avaliar o funcionamento da ETARI face à legislação existente e estudar a possibilidade de valorização do soro de queijo. Na avaliação das águas de processo das lavagens para posterior reciclagem, verifica-se que relativamente ao pH e aos sólidos suspensos não existe problema, podendo encarar-se a hipótese de reciclagem directa. No entanto, no que respeita à carga orgânica das águas de lavagem do sistema de ultrafiltração do queijo fresco de longa duração, constata-se que esta não poderia ser utilizada novamente, uma vez que apresenta valores elevados de CQO. Para a sua reutilização, será necessário remover a CQO, hipótese que se estudou com resultados positivos. Verificou-se que, um tratamento por adsorção em carvão activado precedido de microfiltração, reduz a CQO de forma significativa permitindo admitir a hipótese de reciclagem da água, nomeadamente para as 1ª e 3ª águas de lavagem. As outras águas teriam necessidade de mais tempo de contacto com o carvão activado. No sentido de avaliar o funcionamento da ETARI, foram analisadas várias correntes da mesma, em particular a do efluente final, no que respeita a parâmetros como: pH, Sólidos Suspensos Totais, Carência Química de Oxigénio, Carência Bioquímica de Oxigénio, Turvação, Nitratos, Fósforo Total, Azoto Kjeldalh, Azoto Amoniacal e Cloretos. Observou-se que os valores para o efluente final da ETARI são os seguintes: pH compreendido entre [7,21 – 8,69], SST entre [65,3 – 3110] mg/L, CQO entre [92,5 – 711,5] mg/L, CBO5 entre [58 – 161] mg/L, NO3- entre [10,8 – 106,7] mg/L, fósforo total entre [8,3 – 64,3] mg/L, turvação entre [67,7 – 733,3] FTU e cloretos entre [459,9 – 619,81] mg/L; pode-se dizer que os parâmetros analisados se encontram quase sempre dentro da gama de valores impostos pela Câmara Municipal de Lamego pelo que o efluente pode ser lançado no Colector Municipal de Cambres. Relativamente à fermentação alcoólica do soro de queijo, verifica-se que a levedura Kluyveromyces Marxianus consegue degradar praticamente todo o açúcar presente no permeado produzindo assim uma quantidade razoável de etanol. Quando se utilizou a levedura Saccharomyces Cerevisiae, a produção de etanol foi muito reduzida, como esperado, dado que esta levedura apresenta dificuldades na metabolização da lactose. Constatou-se assim que a melhor levedura para a fermentação do permeado do soro de queijo é a Kluyveromyces Marxianus, estimando-se em 150 mg a produção de etanol por L de soro.