Uso Sustentável de Vapor

Em 2006, a IEA (Agência Internacional de Energia), publicou alguns estudos de consumos mundiais de energia. Naquela altura, apontava na fabricação de produtos, um consumo mundial de energia elétrica, de origem fóssil de cerca 86,16 EJ/ano (86,16×018 J) e um consumo de energia nos sistemas de vapor de 32,75 EJ/ano. Evidenciou também nesses estudos que o potencial de poupança de energia nos sistemas de vapor era de 3,27 EJ/ano. Ou seja, quase tanto como a energia consumida nos sistemas de vapor da U.E. Não se encontraram números relativamente a Portugal, mas comparativamente com outros Países publicitados com alguma similaridade, o consumo de energia em vapor rondará 0,2 EJ/ano e por conseguinte um potencial de poupança de cerca 0,02 EJ/ano, ou 5,6 × 106 MWh/ano ou uma potência de 646 MW, mais do que a potência de cinco barragens Crestuma/Lever! Trata-se efetivamente de muita energia; interessa por isso perceber o onde e o porquê deste desperdício. De um modo muito modesto, pretende-se com este trabalho dar algum contributo neste sentido. Procurou-se evidenciar as possibilidades reais de os utilizadores de vapor de água na indústria reduzirem os consumos de energia associados à sua produção. Não estão em causa as diferentes formas de energia para a geração de vapor, sejam de origem fóssil ou renovável; interessou neste trabalho estudar o modo de como é manuseado o vapor na sua função de transporte de energia térmica, e de como este poderá ser melhorado na sua eficiência de cedência de calor, idealmente com menor consumo de energia. Com efeito, de que servirá se se optou por substituir o tipo de queima para uma mais sustentável se a jusante se continuarem a verificarem desperdícios, descarga exagerada nas purgas das caldeiras com perda de calor associada, emissões permanentes de vapor para a atmosfera em tanques de condensado, perdas por válvulas nos vedantes, purgadores avariados abertos, pressão de vapor exageradamente alta atendendo às temperaturas necessárias, “layouts” do sistema de distribuição mal desenhados, inexistência de registos de produção e consumos de vapor, etc. A base de organização deste estudo foi o ciclo de vapor: produção, distribuição, consumo e recuperação de condensado. Pareceu importante incluir também o tratamento de água, atendendo às implicações na transferência de calor das superfícies com incrustações. Na produção de vapor, verifica-se que os maiores problemas de perda de energia têm a ver com a falta de controlo, no excesso de ar e purgas das caldeiras em exagero. Na distribuição de vapor aborda-se o dimensionamento das tubagens, necessidade de purgas a v montante das válvulas de controlo, a redução de pressão com válvulas redutoras tradicionais; será de destacar a experiência americana no uso de micro turbinas para a redução de pressão com produção simultânea de eletricidade. Em Portugal não se conhecem instalações com esta opção. Fabricantes da República Checa e Áustria, têm tido sucesso em algumas dezenas de instalações de redução de pressão em diversos países europeus (UK, Alemanha, R. Checa, França, etc.). Para determinação de consumos de vapor, para projeto ou mesmo para estimativa em máquinas existentes, disponibiliza-se uma série de equações para os casos mais comuns. Dá-se especial relevo ao problema que se verifica numa grande percentagem de permutadores de calor, que é a estagnação de condensado - “stalled conditions”. Tenta-se também evidenciar as vantagens da recuperação de vapor de flash (infelizmente de pouca tradição em Portugal), e a aplicação de termocompressores. Finalmente aborda-se o benchmarking e monitorização, quer dos custos de vapor quer dos consumos específicos dos produtos. Esta abordagem é algo ligeira, por manifesta falta de estudos publicados. Como trabalhos práticos, foram efetuados levantamentos a instalações de vapor em diversos sectores de atividades; 1. ISEP - Laboratório de Química. Porto, 2. Prio Energy - Fábrica de Biocombustíveis. Porto de Aveiro. 3. Inapal Plásticos. Componentes de Automóvel. Leça do Balio, 4. Malhas Sonix. Tinturaria Têxtil. Barcelos, 5. Uma instalação de cartão canelado e uma instalação de alimentos derivados de soja. Também se inclui um estudo comparativo de custos de vapor usado nos hospitais: quando produzido por geradores de vapor com queima de combustível e quando é produzido por pequenos geradores elétricos. Os resultados estão resumidos em tabelas e conclui-se que se o potencial de poupança se aproxima do referido no início deste trabalho.

Análise Económica da Produção de Óleo a Partir de Microalgas

Os biocombustíveis apresentam um interessante potencial de redução da dependência energética relativamente aos combustíveis fósseis. A produção de microalgas apresenta vários benefícios ambientais como sejam a utilização mais efetiva de terrenos, a captura de dióxido de carbono, a purificação de águas quando associada a um processo de tratamento de águas residuais e não provoca a disputa entre a produção de matéria-prima para alimentação e combustíveis. A cultura de microalgas para a produção de biodiesel tem recebido uma grande atenção nos últimos anos devido ao seu potencial. Neste trabalho pretende-se criar as etapas de processamento das microalgas em biodiesel onde são implementadas medidas de eficiência energética e aproveitamento de fontes poluidoras como o CO2. Para isso, formulou-se um modelo no programa Aspen Plus para simulação do processo desde a produção, colheita até à extração de óleo das microalgas e posterior avaliação económica do mesmo. Concluiu-se que para o projeto fosse pago no tempo de vida útil seria preciso vender o óleo a 13 $/kg. Aos preços atuais do óleo o projeto não é economicamente viável.

Gestão de Afluências Indevidas em Redes de Águas Residuais Urbanas

As afluências indevidas resultantes direta ou indiretamente da precipitação são um dos principais fatores que provocam graves problemas de carácter ambiental, estrutural e económico, no âmbito de um bom funcionamento dos sistemas separativos de saneamento e tratamento de águas residuais urbanas. Ao longo dos anos, com a expansão do serviço de saneamento à população, tem sido reconhecido que os caudais excedentes às redes de drenagem de águas residuais e estações de tratamento são um problema grave e para isso estão a ser criados critérios cada vez mais exigentes no domínio da gestão e operação destes sistemas de saneamento. Para uma melhor compreensão sobre a incidência das afluências indevidas nos sistemas de saneamento e nas estações de tratamento de águas residuais, é necessário realizar estudos de quantificação e caracterização no sistema de esgotos. Com a necessidade de compreender a plenitude e natureza deste problema, tornou-se necessário desenvolver metodologias com o objetivo de melhorar a eficiência e eficácia hidráulica dos sistemas de drenagem e de tratamento. Este trabalho tem como objetivo a análise quantitativa das afluências indevidas, recorrendo a um caso de estudo de uma bacia de drenagem de águas residuais. Para adquirir mais conhecimento sobre o tema foi necessário recolher várias metodologias existentes de maneira a selecionar, estudar e aplicar o método mais vantajoso. Nesta dissertação, foram utilizados dados disponibilizados pela SIMRIA, no que respeita aos caudais de bombagem da estação elevatória a que afluiu a rede em estudo, e pela INDAQUA Feira, no que respeita aos dados de precipitação.

Validation of plant dynamic model by online and laboratory measurements – a tool to predict online COD loads out of production of mechanical printing papers

COD discharges out of processes have increased in line with elevating brightness demands for mechanical pulp and papers. The share of lignin-like substances in COD discharges is on average 75%. In this thesis, a plant dynamic model was created and validated as a means to predict COD loading and discharges out of a mill. The assays were carried out in one paper mill integrate producing mechanical printing papers. The objective in the modeling of plant dynamics was to predict day averages of COD load and discharges out of mills. This means that online data, like 1) the level of large storage towers of pulp and white water 2) pulp dosages, 3) production rates and 4) internal white water flows and discharges were used to create transients into the balances of solids and white water, referred to as “plant dynamics”. A conversion coefficient was verified between TOC and COD. The conversion coefficient was used for predicting the flows from TOC to COD to the waste water treatment plant. The COD load was modeled with similar uncertainty as in reference TOC sampling. The water balance of waste water treatment was validated by the reference concentration of COD. The difference of COD predictions against references was within the same deviation of TOC-predictions. The modeled yield losses and retention values of TOC in pulping and bleaching processes and the modeled fixing of colloidal TOC to solids between the pulping plant and the aeration basin in the waste water treatment plant were similar to references presented in literature. The valid water balances of the waste water treatment plant and the reduction model of lignin-like substances produced a valid prediction of COD discharges out of the mill. A 30% increase in the release of lignin-like substances in the form of production problems was observed in pulping and bleaching processes. The same increase was observed in COD discharges out of waste water treatment. In the prediction of annual COD discharge, it was noticed that the reduction of lignin has a wide deviation from year to year and from one mill to another. This made it difficult to compare the parameters of COD discharges validated in plant dynamic simulation with another mill producing mechanical printing papers. However, a trend of moving from unbleached towards high-brightness TMP in COD discharges was valid.

Développement d’une méthode d’extraction des contaminants émergents dans les solides particulaires par LDTD-APCI-MS/MS

Douze contaminants émergents (composés pharmaceutiques, pesticides et hormones) ont été quantifiés et extraits de l'eau de rivières et d’échantillons d'eaux usées municipales. La séparation des solides en suspension est effectuée par filtration des échantillons d'eau. L'effet de filtration sur les concentrations de contaminants dissous a été évaluée afin de minimiser les pertes de composés cibles. Les échantillons ont été lyophilisés et ont été extraits en deux cycles par ultrasons combinés avec une étape de nettoyage sur cartouche d’extraction de type C18. La quantification a été réalisée en utilisant la spectrométrie de masse. Les recouvrements de la méthode pour tous les composés ont varié de 68 à 112% dans toutes les matrices étudiées, sauf pour le sulfaméthoxazole et le diclofénac où des recouvrements plus modestes ont été obtenus (38 à 85%). Les limites de détection pour les 12 analytes dans les sédiments et particules en suspension (SPM) de la rivière variaient de 0,7 à 9,4 ng g-1 et de 21 à 92 ng g-1, pour les échantillons SPM de station d'épuration. Tous les contaminants émergents cibles ont été détectés à des concentrations variant de 3 à 5440 ng g-1 dans les matrices étudiées, les concentrations les plus élevées ont été observées dans les échantillons SPM de stations d'épuration. Une partie importante de certains de ces contaminants est clairement associée aux sédiments de rivière ou aux particules en suspension. L’optimisation des processus de traitement de l'eau et le devenir environnemental doit absolument tenir compte de la fraction de contaminants qui liée à des particules si on espère avoir un bilan de masse raisonnable.

Analyse par spectrométrie de masse d’hormones stéroïdiennes dans les eaux usées et abattement par oxydation chimique

Thèse réalisée en cotutelle avec Michèle Prévost (Ph.D), Professeure titulaire au département des génies civil, géologique et des mines de l'École Polytechnique de Montréal.

Studies on Magnetic Iron Oxide Loaded Activated Carbon

The current water treatment technology is oriented towards the removal of contaminants, mostly organic compounds, by activated carbon. Activated carbons are classified as Granular Activated Carbons (GAC) and Powdered Activated Carbons (PAC) on the basis of the particle size of the carbon granules. Powdered carbons are generally less expensive than granular carbon, operating costs with powdered carbon could be lower. Though powdered activated carbon has many advantages over granular carbon, its application in large-scale separation process is limited by difficulty in recovery and regeneration. Deposition of magnetic iron oxide on carbon particles provides a convenient way of recovering the spent carbon from process water. The study deals with the preparation and physico-chemical characterization of magnetic iron oxide loaded activated carbons. The evaluation of absorption properties of magnetic iron oxide loaded activated carbon composites. The target molecules studied were phenol, p-nitro phenol and methylene blue. The feasibility of magnetic separation of iron oxide loaded activated carbons were studied and described in this thesis.

Optical and Thermal Characterization of Dye Intercalated Montmorillonites and Rare Earth Doped Materials

Nondestructive photothermal methods as well as optical absorption and fluorescence spectroscopy are utilized to characterise three different materials, both thermally and optically. The possibility of using montmorillonite clay minerals, after textile waste-water treatment, is investigated for further applications. The laser induced luminescence studies and thermal characterisation of certain rare earth titanates prepared by self propagating high temperature synthesis method are also presented. Moreover, effort is made to characterise rare earth doped sol gel silica glasses with the help of these nondestructive techniques.

Procesos secuenciales de adsorción/oxidación con H2O2 para la eliminación de compuestos orgánicos volátiles

Volatile Organic Compounds (VOCs) are one of the main groups of odour causing compounds in Waste Water Treatment Plants (WWTP). Adsorption technology is already established, in recent years the interest for the optimization of the costs associated with this technique has grown significantly. In particular, there are different options, from the use of low cost adsorbents, to reducing costs associated with carbon regeneration process. In this thesis, the adsorption of the three VOCs on sewage sludge based adsorbents was studied. It was proved that adsorbents obtained by chemical activation of sewage sludge with alkaline hydroxides are comparable to commercial activated carbons (ACs). Likewise, the adsorption of multicomponent gaseous streams was also studied. Related to the ACs regeneration, it was proposed a regeneration treatment of VOC saturated ACs with H2O2 based on advanced oxidation processes (AOP). The influence of the surface chemistry of ACs in this regeneration process was also studied.

Eliminación de compuestos causantes de olores mediante adsorbentes/catalizadores obtenidos a partir de lodos de depuradora

El aumento de la cantidad de lodos y las dificultades inherentes a su aplicación agrícola y/o disposición en vertederos, hace necesario encontrar nuevas alternativas para su gestión. A nivel europeo, hoy en día se tiende hacia la aplicación de tratamientos térmicos (incineración, pirólisis y gasificación) que permiten una valoración energética de los lodos, si bien generan un residuo sólido que sigue siendo necesario gestionar. El problema medioambiental provocado por (malos) olores resulta difícil de abordar de una manera genérica, teniendo en consideración la propia naturaleza del olor y sus posibles causas. Los olores en las EDARs son provocados básicamente por la degradación de la materia orgánica en condiciones anaeróbicas y se detectan en todas las operaciones unitarias en diferentes niveles de concentración. Esta tesis incidiendo en ambos aspectos, tiene por objeto investigar la valorización de lodos como materiales precursores de adsorbentes/ catalizadores para la eliminación de olores en el entorno de las EDARs, maximizando la reutilización de los lodos. Para la realización de los experimentos se han seleccionado lodos procedentes de tres EDARs situadas en la región de Girona (SC, SB, SL) que difieren en cuanto al tratamiento de los lodos. Ambas muestras han sido caracterizadas con el fin de determinar las diferencias más importantes en los lodos de partida. Los parámetros de caracterización incluyen el análisis de composición química (análisis elemental e inmediato, determinación contenido en cenizas, medida pH, DRX, FT-IR, SEM / EDX) así como análisis de superficie (adsorción de N2 y CO2). En primer lugar los lodos caracterizados han sido sometidos a diferentes tratamientos térmicos de gasificación y pirólisis y los adsorbentes/ catalizadores obtenidos se han probado como adsorbentes para la eliminación de H2S. Como consecuencia de este estudio, se ha desechado el uso de uno de lodos (SC) puesto que se obtenían resultados muy similares a (SB), a continuación el estudio se centró en el lodo de SL. Con este objetivo se han preparado 12 muestras 6 de ellas pirolizadas y 6 gasificadas en el rango de temperaturas que comprende 600-1100 ºC. Posteriormente las muestras han sido caracterizadas y se ha determinado la capacidad de eliminación (x/M) del H2S. Los resultados muestran que hemos sido capaces de obtener unos materiales que si bien, presentan un bajo desarrollo de porosidad dan lugar a valores de capacidades de eliminación elevados y comparables a carbones y materiales adsorbentes comerciales (Centaur, Sorbalit). Las elevadas eficiencias de eliminación se atribuyen básicamente a la presencia de especies catalíticamente activas tales como los óxidos mixtos de calcio y hierro determinados por DRX en las muestras tratadas térmicamente. El segundo bloque de resultados se centra la mejora de las propiedades texturales de estos materiales adsorbentes. Con este objetivo se llevaron acabo procesos de activación física con CO2 y química con H3PO4 e hidróxidos alcalinos (NaOH y KOH), que hasta el momento no se había probado con este tipo de precursores. Los resultados indican que la activación física (CO2) y química (H3PO4) no son unos buenos métodos para la obtención de adsorbentes altamente porosos con este tipo de materia prima bajo las condiciones probadas, sin embargo la activación con hidróxidos alcalinos da lugar a materiales adsorbentes con superficies específicas de hasta 1600 m2g-1. En el caso de la activación con hidróxidos, tanto el incremento de la relación agente activante/ precursor como el incremento de la temperatura producen un descenso del rendimiento, al mismo tiempo que incrementan el valor de SBET. Los materiales resultantes de la activación con hidróxidos alcalinos se han probado como adsorbentes/ catalizadores para la eliminación de H2S. Los resultados indican que un incremento del área superficial no es indicativo de un aumento de la capacidad de eliminación dada la naturaleza ácida de estos materiales obtenidos. Con el fin de contrarrestar el efecto ácido de estos materiales se han realizado los mismos ensayos añadiendo NaOH al lecho de reacción llegando a valores de x/M de hasta 450 mgg-1. Posteriormente también se han realizado ensayos de eliminación de NH3 con algunas de estas muestras, y los resultados obtenidos de x/M son del orden de carbones activados comerciales. Los materiales adsorbentes obtenidos tras la activación con hidróxidos alcalinos se convierten en materiales muy atractivos para ser utilizados como adsorbentes/ catalizadores de múltiples contaminantes (COVs, Hg...).

Characterising North Atlantic weather patterns for climate-optimal aircraft routing

Daily weather patterns over the North Atlantic are classified into relevant types: typical weather patterns that may characterize the range of climate impacts from aviation in this region, for both summer and winter. The motivation is to provide a set of weather types to facilitate an investigation of climate-optimal aircraft routing of trans-Atlantic flights (minimizing the climate impact on a flight-by-flight basis). Using the New York to London route as an example, the time-optimal route times are shown to vary by over 60 min, to take advantage of strong tailwinds or avoid headwinds, and for eastbound routes latitude correlates well with the latitude of the jet stream. The weather patterns are classified by their similarity to the North Atlantic Oscillation and East Atlantic teleconnection patterns. For winter, five types are defined; in summer, when there is less variation in jet latitude, only three types are defined. The types can be characterized by the jet strength and position, and therefore the location of the time-optimal routes varies by type. Simple proxies for the climate impact of carbon dioxide, ozone, water vapour and contrails are defined, which depend on parameters such as the route time, latitude and season, the time spent flying in the stratosphere, and the distance over which the air is supersaturated with respect to ice. These proxies are then shown to vary between weather types and between eastbound and westbound routes.

Acidity controls on dissolved organic carbon mobility in organic soils

Dissolved organic carbon (DOC) concentrations in surface waters have increased across much of Europe and North America, with implications for the terrestrial carbon balance, aquatic ecosystem functioning, water treatment costs and human health. Over the past decade, many hypotheses have been put forward to explain this phenomenon, from changing climate and land-management to eutrophication and acid deposition. Resolution of this debate has been hindered by a reliance on correlative analyses of time-series data, and a lack of robust experimental testing of proposed mechanisms. In a four-year, four-site replicated field experiment involving both acidifying and de-acidifying treatments, we tested the hypothesis that DOC leaching was previously suppressed by high levels of soil acidity in peat and organo-mineral soils, and therefore that observed DOC increases a consequence of decreasing soil acidity. We observed a consistent, positive relationship between DOC and acidity change at all sites. Responses were described by similar hyperbolic relationships between standardised changes in DOC and hydrogen ion concentrations at all sites, suggesting potentially general applicability. These relationships explained a substantial proportion of observed changes in peak DOC concentrations in nearby monitoring streams, and application to a UK-wide upland soil pH dataset suggests that recovery from acidification alone could have led to soil solution DOC increases in the range 46-126% by habitat type since 1978. Our findings raise the possibility that changing soil acidity may have wider impacts on ecosystem carbon balances. Decreasing sulphur deposition may be accelerating terrestrial carbon loss, and returning surface waters to a natural, high-DOC condition.

Nitrogen speciation and phosphorus fractionation dynamics in a lowland chalk catchment

A detailed analysis of temporal and spatial trends in nitrogen (N) speciation and phosphorus (P) fractionation in the Wylye, a lowland Chalk sub-catchment of the Hampshire Avon, UK is presented, identifying the sources contributing to nutrient enrichment, and temporal variability in the fractionation of nutrients in transit from headwaters to lower reaches of the river. Samples were collected weekly from ten monitoring stations with daily sampling at three further sites over one year, and monthly inorganic N and total reactive P (TRP) concentrations at three of the ten weekly monitoring stations over a ten year period are also presented. The data indicate significant daily and seasonal variation in nutrient fractionation in the water column, resulting from plant uptake of dissolved organic and inorganic nutrient fractions in the summer months, increased delivery of both N and P from diffuse sources in the autumn to winter period and during high flow events, and lack of dilution of point source discharges to the Wylye from septic tank, small package Sewage Treatment Works (STW) and urban Waste Water Treatment Works (WwTW) during the summer low flow period. Weekly data show that contributing source areas vary along the river with headwater N and P strongly influenced by diffuse inorganic N and particulate P fluxes, and SRP and organic-rich point source contributions from STW and WwTW having a greater influence in the lower reaches. Long-term data show a decrease in TRP concentrations at all three monitoring stations, with the most pronounced decrease occurring downstream from Warminster WwTW, following the introduction of P stripping at the works in 2001. Inorganic N demonstrates no statistically significant change over the ten year period of record in the rural headwaters, but an increase in the lower reaches downstream from the WwTW which may be due to urban expansion in the lower catchment.

In-situ comparison of the NOy instruments flown in MOZAIC and SPURT

Two aircraft instruments for the measurement of total odd nitrogen (NOy) were compared side by side aboard a Learjet A35 in April 2003 during a campaign of the AFO2000 project SPURT (Spurengastransport in der Tropopausenregion). The instruments albeit employing the same measurement principle (gold converter and chemiluminescence) had different inlet configurations. The ECO-Physics instrument operated by ETH-Zürich in SPURT had the gold converter mounted outside the aircraft, whereas the instrument operated by FZ-Jülich in the European project MOZAIC III (Measurements of ozone, water vapour, carbon monoxide and nitrogen oxides aboard Airbus A340 in-service aircraft) employed a Rosemount probe with 80 cm of FEP-tubing connecting the inlet to the gold converter. The NOy concentrations during the flight ranged between 0.3 and 3 ppb. The two data sets were compared in a blind fashion and each team followed its normal operating procedures. On average, the measurements agreed within 7%, i.e. within the combined uncertainty of the two instruments. This puts an upper limit on potential losses of HNO3 in the Rosemount inlet of the MOZAIC instrument. Larger transient deviations were observed during periods after calibrations and when the aircraft entered the stratosphere. The time lag of the MOZAIC instrument observed in these instances is in accordance with the time constant of the MOZAIC inlet line determined in the laboratory for HNO3.