Estudo da tratabilidade laboratorial e optimização experimental do tratamento de águas residuais de indústrias lácteas

O presente trabalho experimental teve como objectivos estudar a tratabilidade dum efluente lácteo utilizando a técnica de coagulação/floculação e avaliar a possibilidade de utilização do carvão activado granulado (CAG) Aquasorb 2000 como adsorvente para a remoção de compostos orgânicos presentes nos efluentes lácteos pré–tratados por coagulação/floculação, funcionando como um tratamento de polimento. No estudo da tratabilidade do efluente por coagulação/floculação investigou-se a influência de determinadas variáveis como o tipo e dose de coagulante e pH, a fim de encontrar as melhores condições operatórias. A utilização da referida técnica visou a redução do valor de concentração de alguns parâmetros: carência química de oxigénio (CQO); fósforo total e turvação, tendo sido utilizados efluentes desta indústria recolhidos em diferentes datas e após tratamento biológico, designados por A, B, C e D apresentando características diferentes. Sendo que o efluente A apresentava valores de CQO, fósforo total e turvação de 500 mg O2/L;32 mg P/L e 40 NTU respectivamente, o efluente B 1400 mg O2/L; 120 mg P/L e 80 NTU respectivamente, o efluente C 12300 mg O2/L; 87 mg P/L e 350 NTU respectivamente e o efluente D 340 mg O2/L; 33 mg P/L e 42 NTU respectivamente. Os coagulantes estudados foram hidróxido de cálcio (HC), sulfato de alumínio (SA) e tricloreto de ferro (TF). Verificou-se que o coagulante com maior eficácia nos efluentes estudados foi o TF. As maiores remoções de CQO, fósforo total e turvação, 89%, 99,9% e 99%, respectivamente, foram obtidas para o efluente C, com uma dosagem de TF de 4 g/L e com um pH entre 6 e 7. Entre os efluentes estudados este era o que apresentava valores iniciais mais elevados para qualquer um destes parâmetros. As melhores percentagens de remoção obtidas com o HC, para a CQO, fósforo total e turvação foram de 59%, 99% e 91%, respectivamente, com uma dosagem de HC de 1 g/L e com um pH entre 10 e 11,5 foram conseguidas no tratamento do efluente D, com o qual se alcançaram também as melhores remoções de CQO, fósforo total e turvação de 65%, 99% e 87%, respectivamente, quando se utilizou o coagulante SA, com uma dosagem de 2 g/L e com um pH entre 7 e 7,5. Relativamente ao volume de lamas produzido neste processo pela utilização dos diferentes coagulantes no tratamento dos efluentes referidos concluiu-se que o coagulante que gera menor volume de lamas é o HC, sendo o SA aquele que origina um maior volume. Submeteu-se posteriormente o efluente D, pré-tratado por coagulação/floculação, a um processo de adsorção em batch utilizando o CAG Aquasorb 2000, onde se conseguiu uma remoção de CQO de 48%, alcançando para este parâmetro o valor de 63 mg O2/L, nas condições operatórias que correspondem a uma massa de CAG de 12,5 g/L e um tempo de contacto de 3 horas. Quanto aos custos associados com os coagulantes, o que menores custos apresenta é o HC (150 €/ton), seguido pelo TF (250 €/ton) e por ultimo o SA (340 €/ton). Sendo que o efluente quando tratado com TF e SA é necessário uma correcção do pH do meio para que estes coagulantes actuem eficazmente, em que essa correcção de pH é realizada com hidróxido de sódio (540 €/ton). Realizaram-se ainda estudos de equilíbrio de adsorção com o carvão activado referido e o azul-de-metileno usando diferentes concentrações deste (50 mg/L; 100 mg/L e 200 mg/L) e diferentes massas de CAG (0,1g; 0,2g; 0,3g; 0,4g e 0,5g). A temperatura a que se realizaram estes ensaios foi de 28,7ºC e o volume de azul-de-metileno foi de 200 mL. Verificou-se que os melhores resultados obtidos foram para uma concentração de adsorvato de 100 mg/L. Ajustaram-se os modelos de Langmuir e Freundlich às isotérmicas obtidas tendo correlações mais elevadas para a concentração de 100 mg/L de corante (azul de metileno), sendo o modelo de Freundlich aquele que melhor se ajustou apresentando uma correlação quadrática de 0,9744 e os seguintes parâmetros Kf = 6,59 e n = 5,33, enquanto que o de Langmuir apresentou uma correlação quadrática de 0,9583 e os seguintes parâmetros qmáx = 83,3 mg/g de adsorvente e K = 20 L/mg de adsorvato.. Verificou-se que a capacidade de adsorção promovida pelo CAG, em relação ao azul-demetileno, obtida experimentalmente, 83,3 mg/g, é muito inferior à capacidade de adsorção teoricamente prevista pela ficha técnica deste carvão, 280 mg/g a uma temperatura de 25ºC, o que pode indiciar que o carvão utilizado não estaria nas melhores condições.

Preparação de materiais de carbono para a adsorção de compostos orgânicos voláteis (COV).

A presente dissertação estudou a produção de carvão ativado a partir de resíduo de wet-blue, proveniente da indústria de curtumes, para a adsorção de compostos orgânicos voláteis, nomeadamente o acetato de etilo. Este estudo teve como principais objetivos: a otimização das condições de preparação de carvões ativados a partir deste tipo de resíduo; a avaliação do seu desempenho na adsorção do acetato de etilo e a correlação das propriedades texturais dos adsorventes com o seu desempenho na adsorção do COV. O método de ativação para a preparação dos carvões ativados foi a ativação química com hidróxido de potássio. Nesta etapa foi estudado o efeito da temperatura de ativação e da razão de impregnação KOH:precursor nas propriedades texturais. Nestes ensaios observou-se uma diminuição do rendimento de carbonizado com o aumento da temperatura de ativação e da razão KOH:precursor. Para a caracterização dos carvões ativados foram determinados os seus parâmetros texturais a partir das isotérmicas de adsorção/dessorção de N2 a 77 K. O carvão ativado com melhores propriedades texturais foi o ativado a 900ºC e com razão de impregnação de 3:1, m ca_900 3:1, com área superficial específica de 1902 m2/g, seguindo-se o carvão preparado a 800 ºC e com a mesma razão de impregnação, m ca_800 3:1, com área superficial específica de 1830 m2/g. Por fim, foi avaliado o desempenho do carvão ativado selecionado, m ca_800 3:1, na remoção de acetato de etilo de uma corrente gasosa. Foram efetuados ensaios de adsorção/ dessorção de acetato de etilo e o modelo de Langmuir foi ajustado aos resultados experimentais obtidos, tendo-se determinado uma capacidade de saturação de 500 mgCOV/ gadsorvente.

Gold electrode modified by self-assembled monolayers of thiols to determine DNA sequences hybridization

The process of immobilization of biological molecules is one of the most important steps in the construction of a biosensor. In the case of DNA, the way it exposes its bases can result in electrochemical signals to acceptable levels. The use of self-assembled monolayer that allows a connection to the gold thiol group and DNA binding to an aldehydic ligand resulted in the possibility of determining DNA hybridization. Immobilized single strand of DNA (ssDNA) from calf thymus pre-formed from alkanethiol film was formed by incubating a solution of 2-aminoethanothiol (Cys) followed by glutaraldehyde (Glu). Cyclic voltammetry (CV) was used to characterize the self-assembled monolayer on the gold electrode and, also, to study the immobilization of ssDNA probe and hybridization with the complementary sequence (target ssDNA). The ssDNA probe presents a well-defined oxidation peak at +0.158 V. When the hybridization occurs, this peak disappears which confirms the efficacy of the annealing and the DNA double helix performing without the presence of electroactive indicators. The use of SAM resulted in a stable immobilization of the ssDNA probe, enabling the hybridization detection without labels. This study represents a promising approach for molecular biosensor with sensible and reproducible results.

Synthesis and properties of Co-doped titanate nanotubes and their optical sensitization with methylene blue

Agência Financiadora - Fundação para a Ciência e Tecnologia - PTDC/CTM NAN/113021/2009

Sorption behaviour of bifenthrin on cork

Biphentrin, a known pyrethroid, was studied, aiming its removal from aqueous solutions by granulated cork sorption. Batch experiments, either for equilibrium or for kinetics, with two granulated cork sizes were performed and results were compared with those obtained with of activated carbon sorption. Langmuir and Freundlich adsorption isotherms were obtained both showing high linear correlations. Bifenthrin desorption was evaluated for cork and results varied with the granule size of sorbent. The results obtained in this work indicate that cork wastes may be used as a cheap natural sorbent for bifenthrin or similar compounds removal from wastewaters.

Copper and lead removal by peanut hulls: equilibrium and kinetic studies

This research work aims to study the use of peanut hulls, an agricultural and food industry waste, for copper and lead removal through equilibrium and kinetic parameters evaluation. Equilibrium batch studies were performed in a batch adsorber. The influence of initial pH was evaluated (3–5) and it was selected between 4.0 and 4.5. The maximum sorption capacities obtained for the Langmuir model were 0.21 ± 0.03 and 0.18 ± 0.02 mmol/g, respectively for copper and lead. In bi-component systems, competitive sorption of copper and lead was verified, the total amount adsorbed being around 0.21 mmol of metal per gram of material in both mono and bi-component systems. In the kinetic studies equilibrium was reached after 200 min contact time using a 400 rpm stirring rate, achieving 78% and 58% removal, in mono-component system, for copper and lead respectively. Their removal follows a pseudo-second-order kinetics. These studies show that most of the metals removal occurred in the first 20 min of contact, which shows a good uptake rate in all systems.

Adsorption behavior of α-cypermethrin on cork and activated carbon

Studies were undertaken to determine the adsorption behavior of α-cypermethrin [R)-α-cyano-3-phenoxybenzyl(1S)-cis- 3-(2,2-dichlorovinyl)-2,2-dimethylcyclopropanecarboxylate, and (S)-α-cyano-3-phenoxybenzyl (1R)-cis-3-(2,2-dichlorovinyl)-2,2- dimethylcyclopropanecarboxylate] in solutions on granules of cork and activated carbon (GAC). The adsorption studies were carried out using a batch equilibrium technique. A gas chromatograph with an electron capture detector (GC-ECD) was used to analyze α-cypermethrin after solid phase extraction with C18 disks. Physical properties including real density, pore volume, surface area and pore diameter of cork were evaluated by mercury porosimetry. Characterization of cork particles showed variations thereby indicating the highly heterogeneous structure of the material. The average surface area of cork particles was lower than that of GAC. Kinetics adsorption studies allowed the determination of the equilibrium time—24 hours for both cork (1–2 mm and 3–4 mm) and GAC. For the studied α-cypermethrin concentration range, GAC revealed to be a better sorbent. However, adsorption parameters for equilibrium concentrations, obtained through the Langmuir and Freundlich models, showed that granulated cork 1–2 mm have the maximum amount of adsorbed α-cypermethrin (qm) (303 μg/g); followed by GAC (186 μg/g) and cork 3-4 mm (136 μg/g). The standard deviation (SD) values, demonstrate that Freundlich model better describes the α-cypermethrin adsorption phenomena on GAC, while α-cypermethrin adsorption on cork (1-2 mm and 3-4 mm) is better described by the Langmuir. In view of the adsorption results obtained in this study it appears that granulated cork may be a better and a cheaper alternative to GAC for removing α-cypermethrin from water.

Soil remediation time to achieve clean-up goals II: influence of natural organic matter and water contents

This work reports a relatively rapid procedure for the forecasting of the remediation time (RT) of sandy soils contaminated with cyclohexane using vapour extraction. The RT estimated through the mathematical fitting of experimental results was compared with that of real soils. The main objectives were: (i) to predict the RT of soils with natural organic matter (NOM) and water contents different from those used in experiments; and (ii) to analyse the time and efficiency of remediation, and the distribution of contaminants into the soil matrix after the remediation process, according to the soil contents of: (ii1) NOM; and (ii2) water. For sandy soils with negligible clay contents, artificially contaminated with cyclohexane before vapour extraction, it was concluded that: (i) if the NOM and water contents belonged to the range of the prepared soils, the RT of real soils could be predicted with relative differences not higher than 12%; (ii1) the increase of NOM content from 0% to 7.5% increased the RT (1.8–13 h) and decreased the remediation efficiency (RE) (99–90%) and (ii2) the increase of soil water content from 0% to 6% increased the RT (1.8–4.9 h) and decreased the RE (99–97%). NOM increases the monolayer capacity leading to a higher sorption into the solid phase. Increasing of soil water content reduces the mass transfer coefficient between phases. Concluding, NOM and water contents influence negatively the remediation process, turning it less efficient and more time consuming, and consequently more expensive.

Preparação de adsorventes mesoporosos para a adsorção de poluentes em águas

Mestrado Engenharia Química. Ramo Tecnologias de Protecção Ambiental

TiB2 nanostructured coating for GFRP injection moulds

In the injection moulding of polypropylene reinforced with hard glass fibres, die materials are commonly subjected to severe abrasive wear. In order to improve its wear resistance, an unbalanced magnetron sputtering PVD compositional monolayered coating has been produced. The film was composed by a nanostructured TiB2 monolayer. Microstructure characterization and thickness evaluation were conducted by scanning electron microscopy (SEM). Film topography and roughness were accessed by SEM and Atomic Force Microscopy (AFM). The phase analyse was investigated by X-ray diffraction (XRD), using Cu Kalpha radiation. Scratch tests were conducted in order to study the film adhesion to the substrate. Load-Displacement curves (nanoindentation analysis) allowed measuring the film hardness and Young's modulus. A ball-cratering tribometer was used to determine the micro-abrasion laboratorial wear resistance, under different tests conditions, using SiC particles in distilled water slurry. At the end of these tests, the worn surfaces were analyzed by SEM and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) in order to compare these results with some other coatings already tested in the same conditions. To test the practical wear resistance, 135000 injection cycles were done in a plastic injection industrial mould. Coated samples were put on the plastic feed canal, after a turbulent zone. In these tests, a 30% (wt) glass fibres reinforced polypropylene was used. Worn sample surfaces were analyzed by SEM after 45.000 and 90.000 cycles. Image analyses were made in order to evaluate the damage increases and to observe the wear mechanisms involved.

Increasing the wear resistance of molds for injection of glass fiber reinforced plastics

Abrasion by glass fibers during injection molding of fiber reinforced plastics raises new challenges to the wear performance of the molds. In the last few decades, a large number of PVD and CVD coatings have been developed with the aim of minimizing abrasion problems. In this work, two different coatings were tested in order to increase the wear resistance of the surface of a mold used for glass fiber reinforced plastics: TiAlSiN and CrN/CrCN/DLC. TiAlSiN was deposited as a graded monolayer coating while CrN/CrCN/DLC was a nanostructured coating consisting of three distinct layers. Both coatings were produced by PVD unbalanced magnetron sputtering and were characterized using scanning electron microscopy (SEM) provided with energy dispersive spectroscopy (EDS), atomic force microscopy (AFM), micro hardness (MH) and scratch test analysis. Coating morphology, thickness, roughness, chemical composition and structure, hardness and adhesion to the substrate were investigated. Wear resistance was characterized through industrial tests with coated samples and an uncoated reference sample inserted in a feed channel of a plastic injection mold working with 30 wt.% glass fiber reinforced polypropylene. Results after 45,000 injection cycles indicate that the wear resistance of the mold was increased by a factor of 25 and 58, by the TiAlSiN and CrN/CrCN/DLC coatings, respectively, over the uncoated mold steel.

Desenvolvimento de métodos rápidos para deteção de drogas no meio aquático

A vasta aplicação de antibióticos em sistemas de aquacultura tem conduzido ao aparecimento de espécies microbianas resistentes, devendo ser evitada ou, se possível, minimizada. A minimização implica um controlo muito rigoroso das doses aplicadas, algo que só pode ser realizado se todo o processo analítico for simples, barato e puder ser implementado no local. O presente trabalho descreve para este efeito um sistema sensor constituído por papel quimicamente modificado, cujo procedimento analítico foi semelhante à monitorização de pH através das conhecidas tiras indicadoras de pH universal. O papel foi modificado com base em reacções de monocamadas e assumiu uma coloração típica após contacto com o antibiótico. A intensidade da coloração estava também relacionada com a concentração desse antibiótico. Como prova deste conceito, o sensor proposto foi desenhado tendo em vista a monitorização de oxitetraciclina, um dos antibióticos utilizados neste contexto com elevada frequência. A modificação do papel foi baseada na alteração química das unidades de glucose na matriz sólida por reacção covalente com reagentes apropriados. Foram utilizadas duas estratégias diferentes para este efeito: uma foi baseada em reacções de tipo sol-gel e a outra em reacção de adição nucleófila. Posteriormente, o papel foi modificado com espécies metálicas capazes de mudar de cor na presença da oxitetraciclina. Estas modificações químicas foram avaliadas e optimizadas relativamente a vários parâmetros, no sentido de promover uma variação de cor intensa face à concentração de antibiótico. Procedeu-se ainda ao controlo desta modificação por técnicas de espectroscopia de infravermelho. A variação de cor foi avaliada por comparação visual, mas registada por imagem digital. Os materiais sensores preparados foram ainda caracterizados do ponto de vista do seu desempenho analítico. Incluíram-se aqui a identificação de uma relação linear entre coordenadas de cor e concentração, a atribuição de uma gama de concentrações capaz de fornecer uma resposta previsível e resposta cruzada face a outros antibióticos. Procedeu-se ainda à aplicação dos sensores numa amostra de água ambiental dopada com antibiótico. De uma forma geral, foi possível estabelecer um processo simples de modificação de papel capaz de aferir a presença e a quantidade de tetraciclinas, mais concretamente a oxitetraciclina. O processo aqui estabelecido é promissor, antevendo a concretização de uma metodologia simples, barata e local para a monitorização de anitbióticos em águas.

What is the shape of an air bubble on a liquid surface?

We have calculated the equilibrium shape of the axially symmetric meniscus along which a spherical bubble contacts a flat liquid surface by analytically integrating the Young-Laplace equation in the presence of gravity, in the limit of large Bond numbers. This method has the advantage that it provides semianalytical expressions for key geometrical properties of the bubble in terms of the Bond number. Results are in good overall agreement with experimental data and are consistent with fully numerical (Surface Evolver) calculations. In particular, we are able to describe how the bubble shape changes from hemispherical, with a flat, shallow bottom, to lenticular, with a deeper, curved bottom, as the Bond number is decreased.

Novel coordination polymers with (Pyrazolato)-based tectons: catalytic activity in the peroxidative oxidation of alcohols and cyclohexane

Coupling five rigid or flexible bis(pyrazolato)based tectons with late transition metal ions allowed us to isolate 18 coordination polymers (CPs). As assessed by thermal analysis, all of them possess a remarkable thermal stability, their decomposition temperatures lying in the range of 340-500 degrees C. As demonstrated by N-2 adsorption measurements at 77 K, their Langmuir specific surface areas span the rather vast range of 135-1758 m(2)/g, in agreement with the porous or dense polymeric architectures retrieved by powder X-ray diffraction structure solution methods. Two representative families of CPs, built up with either rigid or flexible spacers, were tested as catalysts in (0 the microwave-assisted solvent-free peroxidative oxidation of alcohols by t-BuOOH, and (ii) the peroxidative oxidation of cydohexane to cydohexanol and cydohexanone by H2O2 in acetonitrile. Those CPs bearing the rigid spacer, concurrently possessing higher specific surface areas, are more active than the corresponding ones with the flexible spacer. Moreover, the two copper(I)-containing CPs investigated exhibit the highest efficiency in both reactions, leading selectively to a maximum product yield of 92% (and TON up to 1.5 x 10(3)) in the oxidation of 1-phenylethanol and of 11% in the oxidation of cydohexane, the latter value being higher than that granted by the current industrial process.

In vitro studies of gum arabic-coated magnetic nanoparticles with mammalian cell cultures

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Biotecnologia