Optimum conditions for adsorptive storage

The storage of gases in porous adsorbents, such as activated carbon and carbon nanotubes, is examined here thermodynamically from a systems viewpoint, considering the entire adsorption-desorption cycle. The results provide concrete objective criteria to guide the search for the Holy Grail adsorbent, for which the adsorptive delivery is maximized. It is shown that, for ambient temperature storage of hydrogen and delivery between 30 and 1.5 bar pressure, for the optimum adsorbent the adsorption enthalpy change is 15.1 kJ/mol. For carbons, for which the average enthalpy change is typically 5.8 kJ/mol, an optimum operating temperature of about 115 K is predicted. For methane, an optimum enthalpy change of 18.8 kJ/mol is found, with the optimum temperature for carbons being 254 K. It is also demonstrated that for maximum delivery of the gas the optimum adsorbent must be homogeneous, and that introduction of heterogeneity, such as by ball milling, irradiation, and other means, can only provide small increases in physisorption-related delivery for hydrogen. For methane, heterogeneity is always detrimental, at any value of average adsorption enthalpy change. These results are confirmed with the help of experimental data from the literature, as well as extensive Monte Carlo simulations conducted here using slit pore models of activated carbons as well as atomistic models of carbon nanotubes. The simulations also demonstrate that carbon nanotubes offer little or no advantage over activated carbons in terms of enhanced delivery, when used as storage media for either hydrogen or methane.

Correct procedures for the calculation of heats of adsorption for heterogeneous adsorbents from molecular simulation

Several procedures for calculating the heat of adsorption from Monte Carlo simulations for a heterogeneous adsorbent are presented. Simulations have been performed to generate isotherms for nitrogen at 77 K and methane at 273.15 K in graphitic slit pores of various widths. The procedures were then applied to calculate the heat of adsorption of an activated carbon with an arbitrary pore size distribution. The consistency of the different procedures shows them to be correct in calculating interaction energy contributions to the heat of adsorption. The currently favored procedure for this type of calculation, from the literature, is shown to be incorrect and in serious error when calculating the heat of adsorption of activated carbon.

Adsorption dynamics measured by permeation and batch adsorption methods

We have measured the adsorption equilibrium and kinetics of carbon dioxide on a commercially available activated carbon by two methods; permeation and batch adsorption. The two methods are compared and found to yield consistent results. All experiments are performed at low pressure (

Development of micro immunosensors to study genomic and proteomic biomarkers related to cancer and Alzheimer's disease

A report from the National Institutes of Health defines a disease biomarker as a “characteristic that is objectively measured and evaluated as an indicator of normal biologic processes, pathogenic processes, or pharmacologic responses to a therapeutic intervention.” Early diagnosis is a crucial factor for incurable disease such as cancer and Alzheimer’s disease (AD). During the last decade researchers have discovered that biochemical changes caused by a disease can be detected considerably earlier as compared to physical manifestations/symptoms. In this dissertation electrochemical detection was utilized as the detection strategy as it offers high sensitivity/specificity, ease of operation, and capability of miniaturization and multiplexed detection. Electrochemical detection of biological analytes is an established field, and has matured at a rapid pace during the last 50 years and adapted itself to advances in micro/nanofabrication procedures. Carbon fiber microelectrodes were utilized as the platform sensor due to their high signal to noise ratio, ease and low-cost of fabrication, biocompatibility, and active carbon surface which allows conjugation with biorecognition moieties. This dissertation specifically focuses on the detection of 3 extensively validated biomarkers for cancer and AD. Firstly, vascular endothelial growth factor (VEGF) a cancer biomarker was detected using a one-step, reagentless immunosensing strategy. The immunosensing strategy allowed a rapid and sensitive means of VEGF detection with a detection limit of about 38 pg/mL with a linear dynamic range of 0–100 pg/mL. Direct detection of AD-related biomarker amyloid beta (Aβ) was achieved by exploiting its inherent electroactivity. The quantification of the ratio of Aβ1-40/42 (or Aβ ratio) has been established as a reliable test to diagnose AD through human clinical trials. Triple barrel carbon fiber microelectrodes were used to simultaneously detect Aβ1-40 and Aβ1-42 in cerebrospinal fluid from rats within a detection range of 100nM to 1.2μM and 400nM to 1μM respectively. In addition, the release of DNA damage/repair biomarker 8-hydroxydeoxyguanine (8-OHdG) under the influence of reactive oxidative stress from single lung endothelial cell was monitored using an activated carbon fiber microelectrode. The sensor was used to test the influence of nicotine, which is one of the most biologically active chemicals present in cigarette smoke and smokeless tobacco.

Supercapattery based on binder-free Co3 (PO4)2·8H2O multilayer nano/microflakes on nickel foam

A binder-free cobalt phosphate hydrate (Co3(PO4)2·8H2O) multilayer nano/microflake structure is synthesized on nickel foam (NF) via a facile hydrothermal process. Four different concentrations (2.5, 5, 10, and 20 mM) of Co2+ and PO4–3 were used to obtain different mass loading of cobalt phosphate on the nickel foam. The Co3(PO4)2·8H2O modified NF electrode (2.5 mM) shows a maximum specific capacity of 868.3 C g–1 (capacitance of 1578.7 F g–1) at a current density of 5 mA cm–2 and remains as high as 566.3 C g–1 (1029.5 F g–1) at 50 mA cm–2 in 1 M NaOH. A supercapattery assembled using Co3(PO4)2·8H2O/NF as the positive electrode and activated carbon/NF as the negative electrode delivers a gravimetric capacitance of 111.2 F g–1 (volumetric capacitance of 4.44 F cm–3). Furthermore, the device offers a high specific energy of 29.29 Wh kg–1 (energy density of 1.17 mWh cm–3) and a specific power of 4687 W kg–1 (power density of 187.5 mW cm–3).

An ether-functionalised cyclic sulfonium based ionic liquid as an electrolyte for electrochemical double layer capacitors

A novel cyclic sulfonium cation-based ionic liquid (IL) with an ether-group appendage and the bis{(trifluoromethyl)sulfonyl}imide anion was synthesised and developed for electrochemical double layer capacitor (EDLC) testing. The synthesis and chemical-physical characterisation of the ether-group containing IL is reported in parallel with a similarly sized alkyl-functionalised sulfonium IL. Results of the chemical-physical measurements demonstrate how important transport properties, i.e. viscosity and conductivity, can be promoted through the introduction of the ether-functionality without impeding thermal, chemical or electrochemical stability of the IL. Although the apparent transport properties are improved relative to the alkyl-functionalised analogue, the ether-functionalised sulfonium cation-based IL exhibits moderately high viscosity, and poorer conductivity, when compared to traditional EDLC electrolytes based on organic solvents (propylene carbonate and acetonitrile). Electrochemical testing of the ether-functionalised sulfonium IL was conducted using activated carbon composite electrodes to inspect the performance of the IL as a solvent-free electrolyte for EDLC application. Good cycling stability was achieved over the studied range and the performance was comparable to other solvent free,
IL-based EDLC systems. Nevertheless, limitations of the attainable performance are primarily the result of sluggish transport properties and a restricted operative voltage of the IL, thus highlighting key aspects of this field which require further attention.

Specific Filters Applied in Nuclear Medicine Services

In Nuclear Medicine, radioiodine, in various chemical forms, is a key tracer used in diagnostic practices and/or therapy. Due to its high volatility, medical professionals may incorporate radioactive iodine during the preparation of the dose to be administered to the patient. In radioactive iodine therapy doses ranging from 3.7 to 7.4GBq per patient are employed. Thus, aiming at reducing the risk of occupational contamination, we developed a low cost filter to be installed at the exit of the exhaust system where doses of radioactive iodine are fractionated, using domestic technology. The effectiveness of radioactive iodine retention by silver impregnated silica [10%] crystals and natural activated carbon was verified using radiotracer techniques. The results showed that natural activated carbon is effective for I2 capture for a large or small amount of substrate but its use is restricted due to its low flash point (150º C). Besides, when poisoned by organic solvents, this flash point may become lower, causing explosions if absorbing large amounts of nitrates. To hold the CH3I gas, it was necessary to increase the volume of natural activated carbon since it was not absorbed by SiO2 + Ag crystals. We concluded that, for an exhaust flow range of (306 4) m3/h, a double stage filter using SiO2 + Ag in the first stage and natural activated carbon in the second is sufficient to meet radiological safety requirements.

Revisão do plano de segurança da água do sistema regional do Carvoeiro

Os Planos de Segurança da Água surgem com a necessidade de aumentar a segurança da água de abastecimento, superando a monitorização de conformidade de “fim de linha”, permitindo aumentar a confiança do consumidor na qualidade da água que lhe é fornecida. Esta nova abordagem recorre a uma metodologia de gestão baseada na identificação e no controlo de riscos em pontos críticos de um sistema de abastecimento, em complemento do controlo realizado através da monitorização da conformidade da água entregue aos consumidores. O Plano de Segurança da Água (PSA) encontra-se implementado no Sistema Regional do Carvoeiro (SRC) desde o ano de 2009. O SRC é um sistema de abastecimento de água em alta, sendo constituído por conjunto de infraestruturas de captação, tratamento, transporte e armazenamento de água desde a sua origem, localizada no rio Vouga, em Carvoeiro, até aos municípios integrados na Associação de Municípios do Carvoeiro-Vouga. Atendendo à obra de expansão do SRC, tornou-se imperativo efetuar uma revisão ao PSA, sendo este o objetivo primordial do trabalho de estágio desenvolvido na empresa Águas do Vouga S.A, concessionária responsável pela gestão do SRC. Para a prossecução deste objetivo, o trabalho desenvolvido envolveu os seguintes passos metodológicos: identificação das operações aplicadas no SRC; identificação de perigos e eventos perigosos em todos os órgãos constituintes do sistema; avaliação de riscos; identificação de pontos críticos de controlo; identificação de pontos de monitorização e medidas preventivas; elaboração do plano de monitorização, incluindo, procedimentos de controlo operacional em condições normais de funcionamento e em caso de desvio; validação deste plano. Deste trabalho resultou a identificação de 166 eventos perigosos, 17 tipologias de perigos, 3 pontos de controlo crítico e 17 pontos de monitorização. Os pontos de controlo crítico foram identificados nos processos de tratamento da ETA do Carvoeiro. O primeiro foi localizado na etapa de filtração com areia, antracite e zeólitos correspondendo aos perigos com metais (Fe e Mn), outros compostos químicos perigosos, partículas, turvação, matéria orgânica e alumínio. O segundo ponto foi identificado na etapa de filtração com filtros de carvão ativado granular relativo ao aparecimento de sabor e cianotoxinas. O terceiro ponto de controlo crítico foi encontrado na etapa de desinfeção referente aos microrganismos patogénicos. Os pontos de monitorização foram localizados ao longo do sistema em situações onde não se dispõem de nenhuma medida de controlo para eliminar o perigo e antes e após os pontos de controlo crítico. O plano de monitorização foi desenvolvido para estes pontos, embora os limites e procedimentos definidos devam ser alvo de revisão após a conclusão da obra de expansão do sistema. A validação da revisão do plano foi iniciada, mas cingiu-se apenas na avaliação preliminar de riscos, prévia ao início de operação da ETA do Carvoeiro. Para além da revisão deste plano, foram realizadas outras tarefas, nomeadamente uma análise à qualidade da água fornecida e distribuída pelo sistema, a elaboração do plano PCQA para o ano de 2016, a configuração da plataforma de gestão operacional NAVIATM e a revisão do Manual de Gestão da Águas do Vouga relativo ao processo de qualidade na captação, tratamento e distribuição e ao processo de qualidade na gestão do PSA.

Estudo cinético do branqueamento do óleo da carpa (Cyprinus carpio L)

O óleo de pescado é caracterizado por ser uma fonte rica de ácidos graxos poliinsaturados ω-3, desde modo a sua oxidação lipídica se torna mais favorável quando comparado com outros óleos de origem vegetal. O objetivo do presente trabalho foi a otimização da etapa de branqueamento através da metodologia de superfície de resposta, sendo utilizado misturas de carvão ativado e terra ativada (Tonsil) para a remoção da cor e dos produtos de oxidação, procurando-se preservar o conteúdo total de carotenóides no óleo de carpa. O óleo bruto de carpa (Cyprinus carpio L.) para a realização do trabalho foi obtido a partir da realização de ensilagem ácida, passando posteriormente pelas etapas de refino: degomagem, neutralização, lavagem, secagem e branqueamento. A otimização da etapa de branqueamento foi realizada através de um planejamento fatorial composto central, com os fatores de estudo: a quantidade de adsorvente (Ads) e a quantidade de carvão ativado (Ca), sendo consideradas como respostas o conteúdo total de carotenóides e o valor de TBA. Na melhor condição do branqueamento do óleo de carpa foi realizado um estudo cinético, e para o cálculo das constantes cinéticas foram utilizados os modelos de Brimberg modificado e de Langmuir-Hinshelwood, A condição ótima do branqueamento foi com 2% de adsorvente e 10% de carvão ativado, onde ocorreram menores perdas de carotenóides (44,40%), com redução da cor escura presente no óleo de (85,62%) e redução do valor de TBA (73,10%), obtendo-se um óleo branqueado de carpa com qualidade oxidativa e melhor aspecto em relação à cor. Os dois modelos cinéticos representaram de forma satisfatória os dados experimentais do branqueamento do óleo de carpa, pelos altos coeficientes de determinação e baixos erros médios relativos apresentados. Foi possível observar que ocorreu uma rápida adsorção dos pigmentos carotenóides, e após 30 min a adsorção foi menos eficiente. Nos óleos bruto e branqueado de vísceras de carpa não foi identificada diferença significativa entre as concentrações de ácidos graxos, demonstrando que as etapas de refino utilizadas não alteraram o perfil de ácidos graxos do óleo bruto.

Avaliação de Impacto Ambiental, Valorização do Efluente e dos Resíduos Sólidos da Indústria Corticeira

A preocupação com o meio ambiente, nomeadamente na descarga de águas residuais, consumo de água excessivo e produção de resíduos industriais, está cada vez mais presente no quotidiano. Devido a estas problemáticas, efetuou-se a avaliação de impacte ambiental (AIA) do processo produtivo das rolhas de cortiça naturais, tratamento das águas de cozedura da cortiça (estudo da possível reutilização do efluente tratado) e valorização de subprodutos – resíduo sólido (raspa de cortiça), sendo estes os objetivos propostos para a realização da presente dissertação. Na AIA, efetuada no decorrer das fases da Análise do Ciclo de Vida (ACV), foram selecionadas 8 categorias de impacte – aquecimento global, acidificação, dessecação, toxicidade e ecotoxicidade, eutrofização, consumo de recursos não renováveis e oxidação foto-química. A água de cozedura caracterizou-se por uma elevada carga poluente, apresentando elevada concentração de cor, Carência Química de Oxigénio (CQO), taninos e lenhina e Sólidos Suspensos Totais (SST). O processo de tratamento proposto consistiu num pré-tratamento por ultrafiltração (UF), com membranas de 30.000 e 20.000 MWCO, seguido de adsorção por carvão ativado (comercial e produzido a partir de raspa de cortiça). No tratamento por UF, utilizando uma membrana de 30.000 MWCO, foram obtidas percentagens de remoção para a primeira amostra de água de cozedura de 74,8 % para a cor, 33,1 % para a CQO e para a segunda amostra de 85,2 % para a cor e 41,8 % para a CQO. Posteriormente, apenas para a segunda amostra de água de cozedura e com uma membrana de 20.000 MWCO, as percentagens de remoção obtidas foram superiores, de 93% para a cor, 68,9 % para a CQO, 88,4 % para taninos e lenhina e 43,0 % para azoto total. No tratamento por adsorção com carvão ativado estudou-se o tempo de equilíbrio do carvão ativado comercial e do carvão ativado produzido a partir de aparas de cortiça, seguindo-se o estudo das isotérmicas de adsorção, no qual foram analisados os parâmetros da cor e CQO para cada solução. Os ajustes dos modelos teóricos aos pontos experimentais demonstraram que ambos os modelos (Langmuir e Freundlich) poderiam ser considerados, uma vez que apresentaram ajustes idênticos. Relativamente ao tratamento de adsorção em contínuo do permeado, obtido por UF com membrana de 20.000 MWCO, constatou-se que ambos os carvões ativados (comercial e produzido) não ficaram saturados, tendo em consideração os tempos de saturação estimados pela capacidade máxima de adsorção (determinada para a isotérmica de Langmuir) e as representações gráficas dos valores experimentais obtidos para cada ensaio. No ensaio de adsorção com carvão ativado comercial verificou-se que o efluente tratado poderia ser descarregado no meio hídrico ou reutilizado no processo industrial (considerando os parâmetros analisados), uma vez que até aos 11 minutos de ensaio a concentração da solução à saída foi de 111,50 mg/L O2, para a CQO, e incolor, numa diluição de 1:20. Em relação à adsorção em contínuo com carvão ativado produzido verificou-se no ensaio 4 que o efluente resultante apresentou uma concentração de CQO de 134,5 mg/L O2 e cor não visível, numa diluição de 1:20, ao fim de 1h22 min de ensaio. Assim, concluiu-se que os valores obtidos são inferiores aos valores limite de emissão (VLE) presentes no Decreto-Lei n.º 236/98 de 1 de Agosto. O carvão ativado produzido apresentou elevada área superficial específica, com 870 m2/g, comparativamente ao carvão comercial que foi de 661 m2/g. O processo de extração da suberina a partir de raspa de cortiça isenta de extraíveis, efetuado através da metanólise alcalina, apresentou percentagens de extração superiores aos restantes métodos. No processo efetuado em scale-up, por hidrólise alcalina, obteve-se uma extração de 3,76 % de suberina. A aplicação da suberina no couro demonstrou que esta cera apresenta enormes potencialidades, uma vez que a sua aplicação confere ao couro um aspeto sedoso, com mais brilho e um efeito de “pull-up”.

Amphiphilic catalysts for the treatment of oily wastewaters

The main objective of this study was to obtain an effective catalyst for removal of diazo dye - Sudan IV by Catalytic Wet Peroxide Oxidation (CWPO). For this purpose liquid phase treatment was used to increase the basicity of activated carbon surface favoring the adsorption of organic pollutants. Modified activated carbon catalysts were used in different types of experiments: 1) decomposition of H2O2 in aquatic media, 2) decomposition of H2O2 in organic media, 3) adsorption of Sudan IV, 4) Sudan IV removal by CWPO. As the result of all of these experiments the most effective catalyst was obtained and discussed. It was not observed removal of Sudan IV from biphasic system by CWPO. The obtained results in some cases show a slight increase in concentration of Sudan IV, which may be ascribed to experimental errors. Different factors could be the reason of those errors. For example, the high volatility properties of organic media used in experiments should be taken into account during experiments. Under settled reaction temperature the decrease of cyclohexane volume during experiment could give rise in Sudan IV concentration. The initial concentration of model diazo dye also should be reviewed more detailed for CWPO experiments. Despite of these experimental errors the behavior of our catalysts in different media was observed.

Pore size distributions derived from adsorption isotherms, immersion calorimetry, and isosteric heats: A comparative study

We compare the pore size distribution of a well-characterized activated carbon derived from model-dependent, adsorption integral equation (AIE) methods with those from model-independent, immersion calorimetry and isosteric heat analyses. The AIE approach applied to nitrogen gave a mean pore width of 0.57 nm; the CO2 distribution exhibited wider dispersion. Spherical model application to CO2 and diffusion limitations for nitrogen and argon were proposed as primary reasons for inconsistency. Immersion enthalpy revealed a sharp decrease in available area equivalent to a cut-off due to molecular exclusion when the accessible surface was assessed against probe kinetic diameter. Mean pore width was identified as 0.58 ± 0.02 nm, endorsing the underlying assumptions for the nitrogen-based AIE approach. A comparison of the zero-coverage isosteric heat of adsorption for various non-polar adsorptives by the porous test sample was compared with the same adsorptives in contact with a non-porous reference adsorbent, leading to an energy ratio or adsorption enhancement factor. A linear relationship between the energy ratio and probe kinetic diameter indicated a primary pore size at 0.59 nm. The advantage of this enthalpy, model-independent methods over AIE were due to no assumptions regarding probe molecular shape, and no assumptions for pore shape and/or connectivity.