Desenvolvimento de dispersões sólidas e nanopartículas poliméricas mucoadesivas de Zidovudina e avaliação da interação biológica com a mucosa intestinal

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Crecimiento y caracterización de Nitruro de Indio por epitaxia de haces moleculares para aplicaciones en el infrarrojo cercano

Los nitruros del grupo III (InN, GaN y AlN) se han asentado como semiconductores importantes para la fabricación de dispositivos optoelectrónicos gracias al amplio rango de la banda prohibida ("bandgap") de estos materiales (0.7-6.2 eV) y a que dicho bandgap sea directo. Asimismo, el marcado carácter iónico de los enlaces en estos materiales les confiere una gran estabilidad química y térmica, haciéndoles así buenos candidatos para trabajar en entornos agresivos. La técnica de crecimiento epitaxial más extendida para los nitruros del grupo III es la epitaxia en fase vapor mediante precursores metalorgánicos (MOVPE) y mediante ésta se han obtenido dispositivos optoelectrónicos de alta eficiencia como los comercializados por Nichia, Sony y Toshiba entre otros. Esta técnica necesita de alta temperatura para la pirólisis de los gases reactivos, lo que a su vez incrementa la calidad cristalina de los materiales obtenidos. Sin embargo, tiene como inconvenientes la existencia de niveles altos de carbono, hidrógeno y otros compuestos orgánicos, procedentes de los precursores, que puede provocar efectos negativos de pasivación sobre los dopantes. Otra técnica de crecimiento utilizada para la obtención de nitruros del grupo III es por medio de epitaxia de haces moleculares (MBE) la cual presenta algunas ventajas sobre el MOVPE, por ejemplo: (i) el entorno de ultra alto vacío requerido (presiones base del orden de 10-11 Torr) minimiza la concentración de impurezas incorporadas al material, (ii) la pureza de los materiales empleados en las fuentes de efusión siempre superan el 99,9999%, (iii) la posibilidad de interrumpir el flujo de cualquiera de los elementos (Ga, In, Al, Si, Mg, etc.) de una manera abrupta (mediante el uso de obturadores mecánicos) dando lugar a intercaras planas a nivel atómico, y (iv) la posibilidad de reducir la velocidad de crecimiento (1 nm/min) permitiendo un control preciso del espesor crecido, y por tanto, fabricar estructuras semiconductoras complejas como las basadas en pozos cuánticos. Desde 1986 hasta la actualidad se ha mejorado mucho la calidad cristalina de las capas de InN, obteniéndose actualmente mediante estas técnicas de crecimiento, capas de InN con un valor de bandgap en torno 0.7 eV. Gracias a los numerosos trabajos presentados sobre las propiedades ópticas de este material, el intervalo de operación de los nitruros del grupo III dentro del espectro electromagnético se ha extendido hasta el infrarrojo cercano. Este hecho ha despertado un gran interés en nuevas aplicaciones, como en el campo fotovoltáico con la fabricación de células solares de multi-unión de alta eficiencia cubriendo todo el espectro solar. Se ha detectado también en este material una importante acumulación de carga eléctrica en la superficie, del orden de 1013 e-cm-2. Esta cantidad de electrones parecen acumularse en una capa de unos 4 a 6 nanómetros, incrementando la conductividad de las capas de InN. Si bien esta alta carga superficial podría utilizarse para la fabricación de sensores, ésta no es la única característica que apoya el uso del InN para la fabricación de este tipo de dispositivos. El principal objetivo de esta tesis es el estudio y optimización del crecimiento mediante la técnica de MBE de capas de nitruro de indio para aplicaciones en el rango del infrarrojo cercano. La optimización conlleva el control de la morfología y el estudio de las propiedades ópticas y eléctricas de las capas crecidas. Este objetivo principal se puede concretar en varios puntos relacionados con (i) el crecimiento de capas de nitruro de indio (InN) y sus aleaciones con galio (InGaN) y aluminio (AlInN), (ii) la caracterización de dichas capas, y (iii) el diseño, crecimiento y caracterización de heteroestructuras para aplicaciones en el rango del infrarrojo cercano. El crecimiento de capas de InN utilizando diferentes sustratos se ve afectado fundamentalmente por la temperatura de crecimiento pudiéndose afirmar que es el parámetro más crítico. El otro parámetro importante que gobierna la morfología y la calidad cristalina de las capas es la razón III/V que ha de ser precisamente controlado. Con razones III/V<<1 y a una temperatura lo suficientemente baja, se obtiene un material formado por nanocristales columnares de muy alta calidad, libres de defectos extendidos y completamente relajados, con una emisión muy intensa. Para la misma temperatura que en el caso anterior y razones III/V ligeramente por encima de estequiometría (III/V > 1), las capas obtenidas presentan una morfología compacta. Aunque también es posible obtener capas compactas en condiciones nominalmente ricas en nitrógeno (III/V <1) a temperaturas superiores.

Análisis y simulación numérica de problemas electrohidrodinámicos relacionados con el electrospray

La presente tesis es un estudio analítico y numérico del electrospray. En la configuración más sencilla, un caudal constante del líquido a atomizar, que debe tener una cierta conductividad eléctrica, se inyecta en un medio dieléctrico (un gas u otro líquido inmiscible con el primero) a través de un tubo capilar metálico. Entre este tubo y un electrodo lejano se aplica un voltaje continuo que origina un campo eléctrico en el líquido conductor y en el espacio que lo rodea. El campo eléctrico induce una corriente eléctrica en el líquido, que acumula carga en su superficie, y da lugar a un esfuerzo eléctrico sobre la superficie, que tiende a alargarla en la dirección del campo eléctrico. El líquido forma un menisco en el extremo del tubo capilar cuando el campo eléctrico es suficientemente intenso y el caudal suficientemente pequeño. Las variaciones de presión y los esfuerzos viscosos asociados al movimiento del líquido son despreciables en la mayor parte de este menisco, siendo dominantes los esfuerzos eléctrico y de tensión superficial que actúan sobre la superficie del líquido. En el modo de funcionamiento llamado de conochorro, el balance de estos esfuerzos hace que el menisco adopte una forma cónica (el cono de Taylor) en una región intermedia entre el extremo del tubo y la punta del menisco. La velocidad del líquido aumenta al acercarse al vértice del cono, lo cual propicia que las variaciones de la presión en el líquido generadas por la inercia o por la viscosidad entren en juego, desequilibrando el balance de esfuerzos mencionado antes. Como consecuencia, del vértice del cono sale un delgado chorro de líquido, que transporta la carga eléctrica que se acumula en la superficie. La acción del campo eléctrico tangente a la superficie sobre esta carga origina una tracción eléctrica que tiende a alargar el chorro. Esta tracción no es relevante en el menisco, donde el campo eléctrico tangente a la superficie es muy pequeño, pero se hace importante en el chorro, donde es la causa del movimiento del líquido. Lejos del cono, el chorro puede o bien desarrollar una inestabilidad asimétrica que lo transforma en una espiral (whipping) o bien romperse en un spray de gotas prácticamente monodispersas cargadas eléctricamente. La corriente eléctrica transportada por el líquido es la suma de la corriente de conducción en el interior del líquido y la corriente debida a la convección de la carga acumulada en su superficie. La primera domina en el menisco y la segunda en el chorro lejano, mientras que las dos son comparables en una región intermedia de transferencia de corriente situada al comienzo del chorro aunque aguas abajo de la región de transición cono-chorro, en la que el menisco deja de ser un cono de Taylor. Para un campo exterior dado, la acumulación de carga eléctrica en la superficie del líquido reduce el campo eléctrico en el interior del mismo, que llega a anularse cuando la carga alcanza un estado final de equilibrio. El tiempo característico de este proceso es el tiempo de relajación dieléctrica, que es una propiedad del líquido. Cuando el tiempo de residencia del líquido en la región de transición cono-chorro (o en otra región del campo fluido) es grande frente al tiempo de relajación dieléctrica, la carga superficial sigue una sucesión de estados de equilibrio y apantalla al líquido del campo exterior. Cuando esta condición deja de cumplirse, aparecen efectos de relajación de carga, que se traducen en que el campo exterior penetra en el líquido, a no ser que su constante dieléctrica sea muy alta, en cuyo caso el campo inducido por la carga de polarización evita la entrada del campo exterior en el menisco y en una cierta región del chorro. La carga eléctrica en equilibrio en la superficie de un menisco cónico intensifica el campo eléctrico y determina su variación espacial hasta distancias aguas abajo del menisco del orden de su tamaño. Este campo, calculado por Taylor, es independiente del voltaje aplicado, por lo que las condiciones locales del flujo y el valor de la corriente eléctrica son también independientes del voltaje en tanto los tamaños de las regiones que determinan estas propiedades sean pequeños frente al tamaño del menisco. Los resultados experimentales publicados en la literatura muestran que existe un caudal mínimo para el que el modo cono-chorro que acabamos de describir deja de existir. El valor medio y la desviación típica de la distribución de tamaños de las gotas generadas por un electrospray son mínimos cuando se opera cerca del caudal mínimo. A pesar de que los mecanismos responsables del caudal mínimo han sido muy estudiados, no hay aún una teoría completa del mismo, si bien su existencia parece estar ligada a la aparición de efectos de relajación de carga en la región de transición cono-chorro. En esta tesis, se presentan estimaciones de orden de magnitud, algunas existentes y otras nuevas, que muestran los balances dominantes responsables de las distintas regiones de la estructura asintótica de la solución en varios casos de interés. Cuando la inercia del líquido juega un papel en la transición cono-chorro, los resultados muestran que la región de transferencia de corriente, donde la mayor parte de la corriente pasa a la superficie, está en el chorro aguas abajo de la región de transición cono-chorro. Los efectos de relajación de carga aparecen de forma simultánea en el chorro y la región de transición cuando el caudal se disminuye hasta valores de un cierto orden. Para caudales aún menores, los efectos de relajación de carga se notan en el menisco, en una región grande comparada con la de transición cono-chorro. Cuando el efecto de las fuerzas de viscosidad es dominante en la región de transición, la región de transferencia de corriente está en el chorro pero muy próxima a la región de transición cono-chorro. Al ir disminuyendo el caudal, los efectos de relajación de carga aparecen progresivamente en el chorro, en la región de transición y por último en el menisco. Cuando el caudal es mucho mayor que el mínimo del modo cono-chorro, el menisco deja de ser cónico. El campo eléctrico debido al voltaje aplicado domina en la región de transferencia de corriente, y tanto la corriente eléctrica como el tamaño de las diferentes regiones del problema pasan a depender del voltaje aplicado. Como resultado de esta dependencia, el plano caudal-voltaje se divide en diferentes regiones que se analizan separadamente. Para caudales suficientemente grandes, la inercia del líquido termina dominando frente a las fuerzas de la viscosidad. Estos resultados teóricos se han validado con simulaciones numéricas. Para ello se ha formulado un modelo simplificado del flujo, el campo eléctrico y el transporte de carga en el menisco y el chorro del electrospray. El movimiento del líquido se supone casi unidireccional y se describe usando la aproximación de Cosserat para un chorro esbelto. Esta aproximación, ampliamente usada en la literatura, permite simular con relativa facilidad múltiples casos y cubrir amplios rangos de valores de los parámetros reteniendo los efectos de la viscosidad y la inercia del líquido. Los campos eléctricos dentro y fuera del liquido están acoplados y se calculan sin simplificación alguna usando un método de elementos de contorno. La solución estacionaria del problema se calcula mediante un método iterativo. Para explorar el espacio de los parámetros, se comienza calculando una solución para valores fijos de las propiedades del líquido, el voltaje aplicado y el caudal. A continuación, se usa un método de continuación que permite delinear la frontera del dominio de existencia del modo cono-chorro, donde el método iterativo deja de converger. Cuando el efecto de la inercia del líquido domina en la región de transición cono-chorro, el caudal mínimo para el cual el método iterativo deja de converger es del orden del valor estimado del caudal para el que comienza a haber efectos de relajación de carga en el chorro y el cono. Aunque las simulaciones no convergen por debajo de dicho caudal, el valor de la corriente eléctrica para valores del caudal ligeramente mayores parece ajustarse a las estimaciones para caudales menores, reflejando un posible cambio en los balances aplicables. Por el contrario, cuando las fuerzas viscosas dominan en la región de transición, se pueden obtener soluciones estacionarias para caudales bastante menores que aquel para el que aparecen efectos de relajación de carga en la región de transición cono-chorro. Los resultados numéricos obtenidos para estos pequeños caudales se ajustan perfectamente a las estimaciones de orden de magnitud que se describen en la memoria. Por último, se incluyen como anexos dos estudios teóricos que han surgido de forma natural durante el desarrollo de la tesis. El primero hace referencia a la singularidad en el campo eléctrico que aparece en la línea de contacto entre el líquido y el tubo capilar en la mayoría de las simulaciones. Primero se estudia en qué situaciones el campo eléctrico tiende a infinito en la línea de contacto. Después, se comprueba que dicha singularidad no supone un fallo en la descripción del problema y que además no afecta a la solución lejos de la línea de contacto. También se analiza si los esfuerzos eléctricos infinitamente grandes a los que da lugar dicha singularidad pueden ser compensados por el resto de esfuerzos que actúan en la superficie del líquido. El segundo estudio busca determinar el tamaño de la región de apantallamiento en un chorro de líquido dieléctrico sin carga superficial. En esta región, el campo exterior es compensado parcialmente por el campo que induce la carga de polarización en la superficie del líquido, de forma que en el interior del líquido el campo eléctrico es mucho menor que en el exterior. Una región como ésta aparece en las estimaciones cuando los efectos de relajación de carga son importantes en la región de transferencia de corriente en el chorro. ABSTRACT This aim of this dissertation is a theoretical and numerical analysis of an electrospray. In its most simple configuration, a constant flow rate of the liquid to be atomized, which has to be an electrical conductor, is injected into a dielectric medium (a gas or another inmiscible fluid) through a metallic capillary tube. A constant voltage is applied between this tube and a distant electrode that produces an electric field in the liquid and the surrounding medium. This electric field induces an electric current in the liquid that accumulates charge at its surface and leads to electric stresses that stretch the surface in the direction of the electric field. A meniscus appears on the end of the capillary tube when the electric field is sufficiently high and the flow rate is small. Pressure variations and viscous stresses due to the motion of the liquid are negligible in most of the meniscus, where normal electric and surface tension stresses acting on the surface are dominant. In the so-called cone-jet mode, the balance of these stresses forces the surface to adopt a conical shape -Taylor cone- in a intermediate region between the end of the tube and the tip of the meniscus. When approaching the cone apex, the velocity of the liquid increases and leads to pressure variations that eventually disturb the balance of surfaces tension and electric stresses. A thin jet emerges then from the tip of the meniscus that transports the charge accumulated at its surface. The electric field tangent to the surface of the jet acts on this charge and continuously stretches the jet. This electric force is negligible in the meniscus, where the component of the electric field tangent to the surface is small, but becomes very important in the jet. Far from the cone, the jet can either develop an asymmetrical instability named “whipping”, whereby the jet winds into a spiral, or break into a spray of small, nearly monodisperse, charged droplets. The electric current transported by the liquid has two components, the conduction current in the bulk of the liquid and the convection current due to the transport of the surface charge by the flow. The first component dominates in the meniscus, the second one in the far jet, and both are comparable in a current transfer region located in the jet downstream of the cone-jet transition region where the meniscus ceases to be a Taylor cone. Given an external electric field, the charge that accumulates at the surface of the liquid reduces the electric field inside the liquid, until an equilibrium is reached in which the electric field induced by the surface charge counters the external electric field and shields the liquid from this field. The characteristic time of this process is the electric relaxation time, which is a property of the liquid. When the residence time of the liquid in the cone-jet transition region (or in other region of the flow) is greater than the electric relaxation time, the surface charge follows a succession of equilibrium states and continuously shield the liquid from the external field. When this condition is not satisfied, charge relaxation effects appear and the external field penetrates into the liquid unless the liquid permittivity is large. For very polar liquids, the field due to the polarization charge at the surface prevents the external field from entering the liquid in the cone and in certain region of the jet. The charge at the surface of a conical meniscus intensifies the electric field around the cone, determining its spatial variation up to distances downstream of the apex of the order of the size of the meniscus. This electric field, first computed by Taylor, is independent of the applied voltage. Therefore local flow characteristics and the electric current carried by the jet are also independent of the applied voltage provided the size of the regions that determine these magnitudes are small compared with the size of the meniscus. Many experiments in the literature show the existence of a minimum flow rate below which the cone-jet mode cannot be established. The mean value and the standard deviation of the electrospray droplet size distribution are minimum when the device is operated near the minimum flow rate. There is no complete explanation of the minimum flow rate, even though possible mechanisms have been extensively studied. The existence of a minimum flow rate seems to be connected with the appearance of charge relaxation effects in the transition region. In this dissertation, order of magnitude estimations are worked out that show the dominant balances in the different regions of the asymptotic structure of the solution for different conditions of interest. When the inertia of the liquid plays a role in the cone-jet transition region, the region where most of the electric current is transfered to the surface lies in the jet downstream the cone-jet transition region. When the flow rate decreases to a certain value, charge relaxation effects appear simultaneously in the jet and in the transition region. For smaller values of the flow rate, charge relaxation effects are important in a region of the meniscus larger than the transition region. When viscous forces dominate in the flow in the cone-jet transition region, the current transfer region is located in the jet immediately after the transition region. When flow rate is decreased, charge relaxation effects appears gradually, first in the jet, then in the transition region, and finally in the meniscus. When flow rate is much larger than the cone-jet mode minimum, the meniscus ceases to be a cone. The electric current and the structure of the solution begin to depend on the applied voltage. The flow rate-voltage plane splits into different regions that are analyzed separately. For sufficiently large flow rates, the effect of the inertia of the liquid always becomes greater than the effect of the viscous forces. A set of numerical simulations have been carried out in order to validate the theoretical results. A simplified model of the problem has been devised to compute the flow, the electric field and the surface charge in the meniscus and the jet of an electrospray. The motion of the liquid is assumed to be quasi-unidirectional and described by Cosserat’s approximation for a slender jet. This widely used approximation allows to easily compute multiple configurations and to explore wide ranges of values of the governing parameters, retaining the effects of the viscosity and the inertia of the liquid. Electric fields inside and outside the liquid are coupled and are computed without any simplification using a boundary elements method. The stationary solution of the problem is obtained by means of an iterative method. To explore the parameter space, a solution is first computed for a set of values of the liquid properties, the flow rate and the applied voltage, an then a continuation method is used to find the boundaries of the cone-jet mode domain of existence, where the iterative method ceases to converge. When the inertia of the liquid dominates in the cone-jet transition region, the iterative method ceases to converge for values of the flow rate for which order-of-magnitude estimates first predict charge relaxation effects to be important in the cone and the jet. The electric current computed for values of the flow rate slightly above the minimum for which convergence is obtained seems to agree with estimates worked out for lower flow rates. When viscous forces dominate in the transition region, stationary solutions can be obtained for flow rates significantly smaller than the one for which charge relaxation effects first appear in the transition region. Numerical results obtained for those small values of the flow rate agree with our order of magnitude estimates. Theoretical analyses of two issues that have arisen naturally during the thesis are summarized in two appendices. The first appendix contains a study of the singularity of the electric field that most of the simulations show at the contact line between the liquid and the capillary tube. The electric field near the contact line is analyzed to determine the ranges of geometrical configurations and liquid permittivity where a singularity appears. Further estimates show that this singularity does not entail a failure in the description of the problem and does not affect the solution far from the contact line. The infinite electric stresses that appear at the contact line can be effectively balanced by surface tension. The second appendix contains an analysis of the size and slenderness of the shielded region of a dielectric liquid in the absence of free surface charge. In this region, the external electric field is partially offset by the polarization charge so that the inner electric field is much lower than the outer one. A similar region appears in the estimates when charge relaxation effects are important in the current transfer region.

Optimización de operaciones unitarias utilizando líquidos iónicos como agentes materiales de separación

En este trabajo se estudia la modelización y optimización de procesos industriales de separación mediante el empleo de mezclas de líquidos iónicos como disolventes. Los disolventes habitualmente empleados en procesos de absorción o extracción suelen ser componentes orgánicos muy volátiles y dañinos para la salud humana. Las innovadoras propiedades que presentan los líquidos iónicos, los convierten en alternativas adecuadas para solucionar estos problemas. La presión de vapor de estos compuestos es muy baja y apenas varía con la temperatura. Por tanto, estos compuestos apenas se evaporan incluso a temperaturas altas. Esto supone una gran ventaja en cuanto al empleo de estos compuestos como disolventes industriales ya que permite el reciclaje continuo del disolvente al final del proceso sin necesidad de introducir disolvente fresco debido a la evaporación del mismo. Además, al no evaporarse, estos compuestos no suponen un peligro para la salud humana por inhalación; al contrario que otros disolventes como el benceno. El único peligro para la salud que tienen estos compuestos es por tanto el de contacto directo o ingesta, aunque de hecho muchos Líquidos Iónicos son inocuos con lo cual no existe peligro para la salud ni siquiera a través de estas vías. Los procesos de separación estudiados en este trabajo, se rigen por la termodinámica de fases, concretamente el equilibrio líquido-vapor. Para la predicción de los equilibrios se ha optado por el empleo de modelos COSMO (COnductor-like Screening MOdel). Estos modelos tienen su origen en el empleo de la termodinámica de solvatación y en la mecánica cuántica. En el desarrollo de procesos y productos, químicos e ingenieros frecuentemente precisan de la realización de cálculos de predicción de equilibrios de fase. Previamente al desarrollo de los modelos COSMO, se usaban métodos de contribución de grupos como UNIFAC o modelos de coeficientes de actividad como NRTL.La desventaja de estos métodos, es que requieren parámetros de interacción binaria que únicamente pueden obtenerse mediante ajustes por regresión a partir de resultados experimentales. Debido a esto, estos métodos apenas tienen aplicabilidad para compuestos con grupos funcionales novedosos debido a que no se dispone de datos experimentales para llevar a cabo los ajustes por regresión correspondientes. Una alternativa a estos métodos, es el empleo de modelos de solvatación basados en la química cuántica para caracterizar las interacciones moleculares y tener en cuenta la no idealidad de la fase líquida. Los modelos COSMO, permiten la predicción de equilibrios sin la necesidad de ajustes por regresión a partir de resultados experimentales. Debido a la falta de resultados experimentales de equilibrios líquido-vapor de mezclas en las que se ven involucrados los líquidos iónicos, el empleo de modelos COSMO es una buena alternativa para la predicción de equilibrios de mezclas con este tipo de materiales. Los modelos COSMO emplean las distribuciones superficiales de carga polarizada (sigma profiles) de los compuestos involucrados en la mezcla estudiada para la predicción de los coeficientes de actividad de la misma, definiéndose el sigma profile de una molécula como la distribución de probabilidad de densidad de carga superficial de dicha molécula. Dos de estos modelos son COSMO-RS (Realistic Solvation) y COSMO-SAC (Segment Activity Coefficient). El modelo COSMO-RS fue la primera extensión de los modelos de solvatación basados en continuos dieléctricos a la termodinámica de fases líquidas mientras que el modelo COSMO-SAC es una variación de este modelo, tal y como se explicará posteriormente. Concretamente en este trabajo se ha empleado el modelo COSMO-SAC para el cálculo de los coeficientes de actividad de las mezclas estudiadas. Los sigma profiles de los líquidos iónicos se han obtenido mediante el empleo del software de química computacional Turbomole y el paquete químico-cuántico COSMOtherm. El software Turbomole permite optimizar la geometría de la molécula para hallar la configuración más estable mientras que el paquete COSMOtherm permite la obtención del perfil sigma del compuesto mediante el empleo de los datos proporcionados por Turbomole. Por otra parte, los sigma profiles del resto de componentes se han obtenido de la base de datos Virginia Tech-2005 Sigma Profile Database. Para la predicción del equilibrio a partir de los coeficientes de actividad se ha empleado la Ley de Raoult modificada. Se ha supuesto por tanto que la fracción de cada componente en el vapor es proporcional a la fracción del mismo componente en el líquido, dónde la constante de proporcionalidad es el coeficiente de actividad del componente en la mezcla multiplicado por la presión de vapor del componente y dividido por la presión del sistema. Las presiones de vapor de los componentes se han obtenido aplicando la Ley de Antoine. Esta ecuación describe la relación entre la temperatura y la presión de vapor y se deduce a partir de la ecuación de Clausius-Clapeyron. Todos estos datos se han empleado para la modelización de una separación flash usando el algoritmo de Rachford-Rice. El valor de este modelo reside en la deducción de una función que relaciona las constantes de equilibrio, composición total y fracción de vapor. Para llevar a cabo la implementación del modelado matemático descrito, se ha programado un código empleando el software MATLAB de análisis numérico. Para comprobar la fiabilidad del código programado, se compararon los resultados obtenidos en la predicción de equilibrios de mezclas mediante el código con los resultados obtenidos mediante el simulador ASPEN PLUS de procesos químicos. Debido a la falta de datos relativos a líquidos iónicos en la base de datos de ASPEN PLUS, se han introducido estos componentes como pseudocomponentes, de manera que se han introducido únicamente los datos necesarios de estos componentes para realizar las simulaciones. El modelo COSMO-SAC se encuentra implementado en ASPEN PLUS, de manera que introduciendo los sigma profiles, los volúmenes de la cavidad y las presiones de vapor de los líquidos iónicos, es posible predecir equilibrios líquido-vapor en los que se ven implicados este tipo de materiales. De esta manera pueden compararse los resultados obtenidos con ASPEN PLUS y como el código programado en MATLAB y comprobar la fiabilidad del mismo. El objetivo principal del presente Trabajo Fin de Máster es la optimización de mezclas multicomponente de líquidos iónicos para maximizar la eficiencia de procesos de separación y minimizar los costes de los mismos. La estructura de este problema es la de un problema de optimización no lineal con variables discretas y continuas, es decir, un problema de optimización MINLP (Mixed Integer Non-Linear Programming). Tal y como se verá posteriormente, el modelo matemático de este problema es no lineal. Por otra parte, las variables del mismo son tanto continuas como binarias. Las variables continuas se corresponden con las fracciones molares de los líquidos iónicos presentes en las mezclas y con el caudal de la mezcla de líquidos iónicos. Por otra parte, también se ha introducido un número de variables binarias igual al número de líquidos iónicos presentes en la mezcla. Cada una de estas variables multiplican a las fracciones molares de sus correspondientes líquidos iónicos, de manera que cuando dicha variable es igual a 1, el líquido se encuentra en la mezcla mientras que cuando dicha variable es igual a 0, el líquido iónico no se encuentra presente en dicha mezcla. El empleo de este tipo de variables obliga por tanto a emplear algoritmos para la resolución de problemas de optimización MINLP ya que si todas las variables fueran continuas, bastaría con el empleo de algoritmos para la resolución de problemas de optimización NLP (Non-Linear Programming). Se han probado por tanto diversos algoritmos presentes en el paquete OPTI Toolbox de MATLAB para comprobar cuál es el más adecuado para abordar este problema. Finalmente, una vez validado el código programado, se han optimizado diversas mezclas de líquidos iónicos para lograr la máxima recuperación de compuestos aromáticos en un proceso de absorción de mezclas orgánicas. También se ha usado este código para la minimización del coste correspondiente a la compra de los líquidos iónicos de la mezcla de disolventes empleada en la operación de absorción. En este caso ha sido necesaria la introducción de restricciones relativas a la recuperación de aromáticos en la fase líquida o a la pureza de la mezcla obtenida una vez separada la mezcla de líquidos iónicos. Se han modelizado los dos problemas descritos previamente (maximización de la recuperación de Benceno y minimización del coste de operación) empleando tanto únicamente variables continuas (correspondientes a las fracciones o cantidades molares de los líquidos iónicos) como variables continuas y binarias (correspondientes a cada uno de los líquidos iónicos implicados en las mezclas).

Contributo e caracterização de PM da ressuspensão rodoviária

Nos últimos anos, tem-se assistido a um crescimento no interesse do estudo da ressuspensão de pó de estrada, dado o reconhecimento da importância que esta fração representa para os níveis de partículas atmosféricas em ambiente urbano. Dada a prematuridade deste tema e, de forma a compreender e conhecer a sua contribuição e caracterização, realizou-se um estudo sobre a ressuspensão de pó de estrada urbano para as cidades do Porto e Braga. No âmbito do projeto AIRUSE e URBE, realizaram-se amostragens de PM10 no terreno com um dispositivo de amostragem móvel e em ambiente laboratorial com uma câmara de ressuspensão, sendo posteriormente analisado o seu conteúdo carbonoso por um sistema de análise termo-ótico de transmitância e, os elementos por ICP-MS e ICP-AES. Da campanha in situ resultaram cargas de PM10 compreendidas entre 0.190 e 49.5 mg.m-2 para a cidade do Porto e 0.577 mg.m-2 para o túnel rodoviário em Braga. As amostras caracterizam-se por serem dominadas pelos elementos Al, Fe, K, e Ca e conterem enriquecimentos de Sb, Fe, Cu, Sn e Zn, fruto da contaminação antropogénica da atividade rodoviária. No que respeita às amostragens em laboratório, utilizou-se uma câmara de ressuspensão e o dispositivo móvel aplicado na campanha anteriormente descrita para estudar e caracterizar a fração PM10 do pó de estrada urbano proveniente do Túnel Avenida da Liberdade (Braga). Os resultados obtidos para as duas metodologias foram de um modo geral similares, com o carbono total a representar cerca de 6% da massa total de PM10. Esta última é composta maioritariamente por Al, Fe, Ca e K, elementos característicos da crosta terrestre. Quanto ao fatores de enriquecimento calculados, denotou-se a presença de Sb, Zn, Cu e Sn, tendo-se associando ao desgaste dos travões e pneus.

Adsorção de corantes têxteis aniônicos e catiônicos em resíduos do processamento de fios de algodão modificados quimicamente

The textile industry generates a large volume of high organic effluent loading whoseintense color arises from residual dyes. Due to the environmental implications caused by this category of contaminant there is a permanent search for methods to remove these compounds from industrial waste waters. The adsorption alternative is one of the most efficient ways for such a purpose of sequestering/remediation and the use of inexpensive materials such as agricultural residues (e.g., sugarcane bagasse) and cotton dust waste (CDW) from weaving in their natural or chemically modified forms. The inclusion of quaternary amino groups (DEAE+) and methylcarboxylic (CM-) in the CDW cellulosic structure generates an ion exchange capacity in these formerly inert matrix and, consequently, consolidates its ability for electrovalent adsorption of residual textile dyes. The obtained ionic matrices were evaluated for pHpcz, the retention efficiency for various textile dyes in different experimental conditions, such as initial concentration , temperature, contact time in order to determine the kinetic and thermodynamic parameters of adsorption in batch, turning comprehensive how does occur the process, then understood from the respective isotherms. It was observed a change in the pHpcz for CM--CDW (6.07) and DEAE+-CDW (9.66) as compared to the native CDW (6.46), confirming changes in the total surface charge. The ionized matrices were effective for removing all evaluated pure or residual textile dyes under various tested experimental conditions. The kinetics of the adsorption process data had best fitted to the model a pseudosecond order and an intraparticle diffusion model suggested that the process takes place in more than one step. The time required for the system to reach equilibrium varied according to the initial concentration of dye, being faster in diluted solutions. The isotherm model of Langmuir was the best fit to the experimental data. The maximum adsorption capacity varied differently for each tested dye and it is closely related to the interaction adsorbent/adsorbate and dye chemical structure. Few dyes obtained a linear variation of the balance ka constant due to the inversion of temperature and might have influence form their thermodynamic behavior. Dyes that could be evaluated such as BR 18: 1 and AzL, showed features of an endothermic adsorption process (ΔH° positive) and the dye VmL presented exothermic process characteristics (ΔH° negative). ΔG° values suggested that adsorption occurred spontaneously, except for the BY 28 dye, and the values of ΔH° indicated that adsorption occurred by a chemisorption process. The reduction of 31 to 51% in the biodegradability of the matrix after the dye adsorption means that they must go through a cleaning process before being discarded or recycled, and the regeneration test indicates that matrices can be reused up to five times without loss of performance. The DEAE+-CDW matrix was efficient for the removal of color from a real textile effluent reaching an UV-Visible spectral area decrease of 93% when applied in a proportion of 15 g ion exchanger matrix L-1 of colored wastewater, even in the case of the parallel presence of 50 g L-1 of mordant salts in the waste water. The wide range of colored matter removal by the synthesized matrices varied from 40.27 to 98.65 mg g-1 of ionized matrix, obviously depending in each particular chemical structure of the dye upon adsorption.

Multibiomarker assessment of cadmium-based quantum dots effects in the marine mussel Mytilus galloprovincialis

Tese de Doutoramento, Ciências do Mar, da Terra e do Ambiente, Ramo: Ciências e Tecnologias do Ambiente, Especialização em Ecotoxicologia, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2016

Diseño de un vector no viral basado en nanopartículas lipídicas para el tratamiento de la hepatitis C mediante ARN de interferencia

199 p.

Avaliação da carga poluente afluente a uma massa de água – rio de S. Domingos

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia do Ambiente – Perfil de Engenharia Sanitária

Optimização do factor de cobertura de condensadores de tântalo produzidos com pós de elevada carga específica

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Nanotecnologias e Nanociências

Análisis de la aplicabilidad de la técnica de disco-menisco rotante en el estudio de reacciones de transferencia de carga con reacciones químicas acopladas

El electrodo de disco rotante es una de las técnicas más útiles y más ampliamente empleada en el estudio de la cinética de reacciones de electrodo. Sin embargo, la construcción de electrodos de disco rotante convencionales, que involucra la inclusión del material de electrodo de una vaina de material aislante, no siempre es posible o conveniente. Por ejemplo, cuando es necesario utilizar materiales monocristalinos, se presentan numerosas dificultades debidas principalmente a su extrema fragilidad. (...) Objetivos generales * Se intenta establecer la aplicabilidad de la técnica del electrodo de disco-menisco rotante en el estudio de la cinética de reacciones de transferencia de carga con reacciones químicas acopladas. En particular, se estudiarán los mecanismos de reacción que involucran procesos catalíticos y ECE (electroquímico-químico-electroquímico). Objetivos específicos * Determinar las desviaciones que produce la presencia del menisco de electrolito en las curvas experimentales de corriente límite vs. raíz cuadrada de la velocidad de rotación, para cada uno de los dos mecanismos mencionados a partir de la comparación de datos obtenidos para meniscos de diferentes alturas y sobre electrodos convencionales. * Simular la respuesta electroquímica introduciendo los términos de corrección adecuados para tener en cuenta las variaciones en las condiciones hidrodinámicas que introduce la modificación de la geometría del sistema. * Establecer la metodología apropiada para el tratamiento de los datos experimentales a fin de posibilitar la obtención de los parámetros cinéticos de las reacciones. El plan de trabajo que se propone permitirá profundizar la caracterización del comportamiento hidrodinámico del disco-menisco rotante, incrementando las posibilidades de la utilización de esta técnica que es sumamente adecuada para estudios sobre electrodos monocristalinos, siendo estos últimos la clave para dilucidar la influencia que la estructura superficial del electrodo tiene sobre la cinética y los mecanismos de reacciones de transferencia de carga de interés práctico, como el desprendimiento de hidrógeno y la reducción de oxígeno. Las ventajas asociadas a la omisión de la vaina de material aislante posibilitan, a su vez, que el uso del DMR pueda extenderse a otros tipos de sistemas en los cuales el uso de electrodos rotantes convencionales presenta dificultades.

Alterações do solo influenciadas pelo tráfego e carga de um "forwarder" nas entrelinhas de uma floresta de eucalipto

Durante a retirada de madeira de povoamentos florestais as máquinas trafegam numa mesma linha várias vezes, o que pode causar a compactação do solo. O grau de compactação, além do número de passadas da máquina, pode também ser afetado pelo peso de madeira transportado. Este trabalho teve como objetivo avaliar a compactação do solo de acordo com a intensidade de tráfego e a carga de madeira de um "forwarder". O estudo foi realizado no município de Santana do Paraíso, MG, em um Latossolo Amarelo caulinítico. Um povoamento de eucalipto de seis anos de idade com espaçamento de 3 x 2 m foi cortado por motosserra, sendo a madeira retirada da área manualmente. Em seguida, demarcaram-se parcelas experimentais compostas por quatro entrelinhas de árvores com 12 m de comprimento, com área de 144 m² cada. Dois experimentos foram realizados. No primeiro, testou-se o efeito da intensidade de tráfego, no qual um "forwarder" (modelo Valmet 636 S), com tara de 11,9 t, foi carregado com 8 m³ de madeira (densidade de 480 kg m-3) e trafegou sobre a mesma entrelinha por 0, 4, 8 e 12 vezes. No segundo, o "forwarder" recebeu cargas correspondentes a 0, 4, 8 e 12 m³ de madeira e trafegou quatro vezes sobre a mesma entrelinha. Em cada parcela, quatro entrelinhas foram compactadas pelas rodas. O teor de C orgânico era de 2,68 e 2,40 dag kg-1, e a umidade atual do solo, de 15,6 e 17,1 dag kg-1, nas camadas de 0-10 e 10-20 cm de profundidade, respectivamente, correspondendo a 78 e 86 % do equivalente de umidade. O teor de argila era de 510 g kg-1 e o de areia, 450 g kg-1. As avaliações realizadas após a aplicação dos tratamentos, nas camadas de 0-10 e 10-20 cm de profundidade, foram: densidade do solo e agregados estáveis em água. Determinou-se, ainda, a resistência à penetração até à profundidade de 60 cm, com o uso de um penetrômetro de impacto, e a percentagem da área superficial coberta com resíduos florestais, pelo método da corda. Verificou-se que o tráfego do "forwarder" aumentou a densidade e a resistência do solo à penetração, reduziu a estabilidade de agregados em água e a cobertura do solo. A maior parte dos efeitos da compactação foi manifestada por apenas quatro passadas do "forwarder", mesmo quando vazio.

Capacidade de suporte de carga e umidade crítica de um Latossolo induzida por diferentes manejos

Os diferentes manejos de plantas invasoras em lavouras cafeeiras têm promovido alterações estruturais aos solos, comprometendo a sua qualidade física. Assim, o conhecimento da capacidade de suporte de carga do solo sob diferentes sistemas de manejo de plantas invasoras é essencial para o manejo sustentável do solo de lavouras cafeeiras. Os objetivos deste estudo foram: (a) avaliar a influência da adoção, durante 30 anos, de diferentes sistemas de manejo de plantas invasoras na capacidade de suporte de carga de um Latossolo Vermelho distroférrico (LVdf) cultivado com cafeeiros e localizado na Fazenda da Epamig em São Sebastião do Paraíso, MG (Latitude de 20 º 55 ' 00 " S e Longitude 47 º 07 ' 10 " W ); b) determinar a tensão máxima (σmax) aplicada ao solo por um trator; e c) estabelecer as umidades volumétricas críticas (θcrítica) para o tráfego de um trator. Os manejos de plantas invasoras avaliados foram: sem capina (SCAP); capina manual (CAPM); herbicida de pós-emergência (HPOS); roçadora (ROÇA); enxada rotativa (ENRT); grade (GRAD); e herbicida de pré-emergência (HPRE). Em cada sistema de manejo, 15 amostras indeformadas de solo foram coletadas aleatoriamente no centro das entrelinhas dos cafeeiros, nas profundidades de 0-3, 10-13 e 25-28 cm, totalizando 315 amostras. Em uma mata nativa (MATA) sob LVdf, adjacente à área de estudo, foram coletadas 15 amostras adicionais por profundidade, as quais serviram de referência dos atributos avaliados. Os equipamentos utilizados no manejo da lavoura cafeeira foram tracionados por um trator cafeeiro Valmet® modelo 68. Para determinar a θcrítica para o tráfego do trator, foram consideradas apenas aquelas tensões que não excedem a resistência interna do solo expressa pela pressão de preconsolidação. As amostras indeformadas foram utilizadas para determinar a pressão de preconsolidação (σp) em diferentes umidades volumétricas (θ) e obtenção da densidade do solo (Ds). A partir do excedente das amostras indeformadas, foram determinados distribuição granulométrica de partículas, C orgânico do solo (COS) e teor de óxidos. Modelos de capacidade de suporte de carga (CSC) do tipo σp = 10(a+bq) entre pressão de preconsolidação e umidade volumétrica foram obtidos para verificar os possíveis efeitos dos diferentes sistemas de manejo de plantas invasoras na estrutura do solo. A tensão máxima aplicada pelo trator cafeeiro foi de 220 kPa para o pneu dianteiro 6-16 na pressão de inflação de 172 kPa. O menor valor de umidade crítica foi de 0,27 cm³ cm-3 para o LVdf sob o manejo SCAP na profundidade de 0-3 cm, e o maior valor, de 0,48 cm³ cm-3 para o solo sob o manejo HPRE na profundidade de 0-3 cm. O manejo de plantas invasoras utilizando GRAD e HPRE favorece a formação do encrostamento superficial e os incrementos dos valores de densidade do solo e capacidade de suporte de carga na profundidade de 0-3 cm. O solo sob MATA apresenta menor capacidade de suporte de cargas nas três profundidades estudadas, em relação ao solo cultivado com cafeeiros e submetido a diferentes manejos de plantas invasoras. Os diferentes manejos de plantas invasoras utilizadas no centro das entrelinhas da lavoura cafeeira não influenciaram a densidade do solo e o teor de C orgânico do Latossolo, na profundidade de 25-28 cm, em relação ao solo sob mata nativa.

Capacidade de Suporte de Carga do Solo em Sistemas de Produção de Laranja Conservacionistas

Sistemas conservacionistas em pomares de laranja podem aumentar a capacidade de suporte de carga do solo minimizando os seus riscos de compactação. O objetivo deste trabalho foi avaliar a capacidade de suporte de carga por meio da pressão de preconsolidação e sua dependência a conteúdo de água, densidade e carbono orgânico de um Argissolo Vermelho distrófico latossólico, após 18 anos de implantação de plantas de cobertura permanentes nas entrelinhas de um pomar de laranja. O delineamento experimental foi de blocos ao acaso, com três repetições. Foram estudados três tratamentos de manejo por meio de roçadas nas entrelinhas do pomar, desde o plantio do pomar em 1993: gramínea Paspalum notatum, leguminosa Arachis pintoi e vegetação espontânea. Cento e oito amostras indeformadas de solo foram coletadas em 2011 sob o rodado e entrerrodado das máquinas nas estrelinhas do pomar com textura arenosa nas camadas de 0,00-0,10 m (87 g kg-1 de argila) e 0,10-0,20 m (122 g kg-1 de argila). Determinaram-se as pressões de preconsolidação das curvas de compressão do solo (25, 50, 100, 200, 400, 800 e 1.600 kPa) em conteúdos de água sob três potenciais (-80, -330 e -1.000 hPa), a densidade do solo e o teor de carbono orgânico do solo. A pressão de preconsolidação não foi dependente do conteúdo de água, da densidade do solo e do teor de carbono orgânico do solo. A pressão de preconsolidação sob o rodado na camada de 0,00-0,10 m foi menor nos tratamentos leguminosa e vegetação espontânea. A manutenção permanente da gramínea manejada com roçadas nas entrelinhas do pomar de laranja proporcionou maior capacidade de suporte de carga do solo sob o rodado na camada superficial arenosa.

Unidades combinadas RAFA-SAC para tratamento de água residuária de suinocultura – parte I carga orgânica removida

RESUMO Na pecuária brasileira, tem-se destacado a suinocultura, cuja produção de carne foi apontada como a terceira maior do mundo, e como contrapartida os sistemas produtivos são, potencialmente, poluidores do ambiente. Os sistemas anaeróbios têm sido utilizados para tratamento de água residuária suinícola, necessitando de complementação para diminuir as cargas de nutrientes e reúso agrícola. Neste trabalho, avaliou-se o efeito combinado de duas unidades de tratamento na remoção de matéria orgânica, na forma de demanda química de oxigênio (DQO), sendo um reator anaeróbio de manta de lodo e fluxo ascendente tipo RAFA com volume útil de 96 L, seguido de um sistema alagado construído (SAC) com capacidade para 237 L. O experimento foi conduzido em três fases, variando-se o tempo de detenção hidráulica (TDH) no reator anaeróbio, de 59 h, 19,5 h e 5 h, e no SAC, 146 h, 48 h e 13 h, respectivamente, nas fases 1, 2 e 3. A carga orgânica volumétrica (COV) aplicada foi de 1,2; 1,3 e 13,0 kg m-3d-1 de DQO, e as taxas de aplicação superficial (TAS) no SAC foram de 850; 656 e 6335 kg ha-1 d-1 de DQO. As unidades combinadas removeram 0,07; 0,07 e 0,96 kg d-1 de DQO total e 0,03; 0,07 e 0,14 kg d-1 de DQO solúvel. As características apresentadas pelo efluente do sistema, nas diferentes fases, não alcançaram os padrões ambientais para lançamento em cursos de água, dentre as variáveis avaliadas.