Contribuição para a caracterização da emissão de nanopartículas em processos de soldadura e avaliação de riscos decorrentes do processo

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química e Biológica Ramo de processos químicos

Caracterização de águas do processo e optimização dos consumos de água nos vários circuitos da Petibol, S.A. – Embalagens de Plástico

A empresa Petibol, S.A. – Embalagens de plástico centra-se na produção de embalagens de plástico a partir da matéria-prima Poliestireno Expandido (EPS) e Polipropileno Expandido (EPP). A empresa possui uma preocupação ao nível da qualidade da água e do aproveitamento energético, tendo desta forma surgido a realização do estudo na unidade industrial, com o objectivo de anular e/ou diminuir as possíveis lacunas existentes na unidade industrial. Numa primeira etapa foi realizada uma caracterização global à qualidade da água e à empresa, actualizando-se os esquemas já existentes, contabilizando-se os custos actuais relativamente aos processos no circuito da água (arrefecimento, aquecimento e pressurização), e por fim, efectuou-se um levantamento in loco do circuito de água, relativamente à pressão, temperatura e caudal. Numa fase posterior, foram propostos equipamentos e processos, tendo em vista a colmatação dos problemas identificados, realizando-se um subsequente estudo relativamente aos custos inerentes a esses novos processos. A caracterização à água foi avaliada em diferentes pontos do circuito industrial, tendo-se determinado na Sala de Bombagem que o filtro de areia não possuía as dimensões mais apropriadas, existindo também um problema a nível mecânico associado ao processo de contra-lavagem. Tais factos podem ser a causa da ocorrência de um aumento do teor de sólidos após a passagem na camada filtrante. Relativamente ao amaciador, este deveria amaciar de forma completa a água para alimentação à caldeira, embora se tenha registado à saída do amaciador uma dureza de 21,3 mg/L, denunciando problemas na troca iónica. No que toca à água de alimentação à caldeira, verifica-se a existência de parâmetros que não se encontram de acordo com os critérios enunciados para uma óptima qualidade, sendo eles o pH (10,14), condutividade (363 μS/cm), teor de ferro (1,21 mg/L) e a dureza (16 mg/L). De salientar que somente o teor de cobre, que se encontra em quantidades vestigiais, apresenta-se de acordo com os valores impostos. No que respeita à água da caldeira, esta apresenta parâmetros incompatíveis com os recomendados, sendo eles a condutividade (7350 μS/cm), teor de sólidos dissolvidos (5248 mg/L) e alcalinidade total (780 mg/L). De referir que o valor de pH (11,8) não se encontra de acordo com a aplicação do tratamento “fosfato-pH coordenado”. Em relação aos parâmetros com valores que se encontram dentro dos limites, estes correspondem à dureza (0 mg/L), ao teor de fosfatos (45 mg/L) e teor de sílica (0 mg/L). A água do circuito de arrefecimento foi sujeita a uma análise microbiológica, que corroborou a presença de um biofilme. Um dos problemas enunciados pela empresa, prendia-se com a impossibilidade de descarga, no colector municipal, dos condensados dos compressores, visto apresentarem uma quantidade de óleo de cerca de 43,3 mg/L, equivalente a quatro vezes o valor limite de emissão, de acordo com a legislação municipal. Por fim, o efluente de descarga industrial apresenta um valor de pH (10,3) acima do intervalo permitido por lei (6,0 – 9,0), sendo que a corrente que mais contribui para este acréscimo de pH corresponde à corrente proveniente da água de purga, visto esta apresentar um valor de pH de 12,22. De maneira a contornar os parâmetros enunciados, é proposto a substituição do filtro de areia da Sala de Bombagem, assim como a inserção de um conjunto de medidas de remoção de ferro e desinfecção, sendo a conjugação de arejamento, coagulação, filtração e desinfecção, por parte do hipoclorito, a proposta apresentada. Aos condensados dos compressores é apresentado um sistema de separação, que possibilita a remoção do óleo da água, e uma consequente descarga da mesma. Actualmente, não existe qualquer filtro de areia no circuito de arrefecimento da água, sendo proposto assim esse equipamento, de forma a minorar o desenvolvimento da população microbiana, bem como a permitir uma maior eficiência na transferência de calor na torre de arrefecimento. Relativamente à descarga industrial, é recomendável a colocação de um sistema de regularização automática de pH. A inserção de uma válvula de três vias permite um aproveitamento energético e de água, a partir da confluência da água oriunda dos furos com a água do tanque de água fria, sendo posteriormente alimentada à central de vácuo. No estudo da recuperação energética, um outro equipamento avaliado correspondeu à serpentina, no entanto, verificou-se que a poupança no consumo de gás natural era de apenas 0,005%, o que não se mostrou uma proposta viável. O orçamento de todos os equipamentos é de 11.720,76 €, possibilitando não só um melhor funcionamento industrial, como um menor impacto a nível ambiental. Os custos futuros de funcionamento aumentam em 3,36%, tendo a pressurização um aumento do seu custo em 3,4% em relação ao custo actual, verificando-se um custo anual de 10.781,21€, em relação aos processos de arejamento, coagulação e desinfecção.

Análise de metais em infusões de chás e ervas aromáticas por espectrofotometria de absorção atómica de alta resolução com fonte contínua

Actualmente tem-se verificado um grande aumento na procura e a utilização de produtos naturais contendo extractos de algas, com fins medicinais, sendo cada vez maior a diversidade de oferta desses produtos, vendidos em ervanária e afins. A bibliografia tem mostrado que as algas têm capacidade de acumulação de metais pesados. As algas, sendo organismos aquáticos, estão sujeitas a contaminações dos locais (não identificados) de onde provêm. O controlo e fiscalização para estes produtos é praticamente inexistente. O objectivo deste projecto foi o desenvolvimento de metodologias analíticas com vista à quantificação de metais em infusões de chás e ervas aromáticas. Foram analisadas 9 amostras: uma de chá verde, uma de chá preto, uma infusão de lima, uma de camomila, uma mistura de chá com ervas e quatro misturas contendo algas. A espectrofotometria de absorção atómica é o método de referência para a análise de metais. Neste trabalho foi utilizado um espectrofotómetro de absorção atómica com fonte de radiação contínua e monocromador de alta resolução. Sendo esta uma tecnologia inovadora foi necessário desenvolver metodologias para os métodos de análise. A atomização em chama foi a técnica utilizada para a quantificação do cálcio, potássio, magnésio, manganês e sódio. A atomização electrotérmica foi usada para o cádmio, cobalto, crómio, cobre, níquel e chumbo. Tendo em conta os limites legislados (Decreto-Lei Nº306/2007 de 27 de Agosto) obtiveram-se teores preocupantes para o níquel (iguais ou superiores ao limite legislado) em todas as amostras analisadas e para o manganês em duas das amostras (chá verde e chá preto). Todas as amostras contendo algas apresentaram teores de Ca, Mg e Na superiores aos das restantes. Para os restantes elementos não foi possível relacionar as concentrações com a composição das infusões, em particular a presença de algas.

Análise quantitativa da saturação de gordura em ressonância magnética mamária: comparação das técnicas SPAIR e DIXON

Introdução – A ressonância magnética (RM) mamária com injeção de contraste é uma ferramenta indispensável para a caracterização de lesões mamárias. Para tal, é fulcral uma boa capacidade de saturação de gordura de forma a delimitar as lesões observadas. Este trabalho tem como objetivo analisar quantitativa e qualitativamente as técnicas de saturação de gordura em RM mamária, nomeadamente as técnicas SPAIR e Dixon. Metodologia – Utilizou-se um equipamento de RM de 1,5T com bobina específica para a mama. Aplicou-se, durante o exame, uma sequência adicional em que a técnica de saturação de gordura utilizada foi a Dixon. Posteriormente foram analisadas as imagens obtidas com as técnicas SPAIR e Dixon e colocadas regiões de interesse (ROI) na lesão, na glândula mamária, no tecido adiposo e no ar. Estes valores de sinal obtidos foram registados e calcularam-se as relações sinal-ruído (SNR), contraste-ruído (CNR) e uniformidade de saturação de gordura para as mesmas estruturas a analisar e nas distintas sequências. Resultados – Verificou-se que a técnica de supressão de gordura Dixon apresenta resultados quantitativos e qualitativos superiores à técnica SPAIR. Conclusões – Recomenda-se a utilização da técnica Dixon para saturação de gordura nas sequências de estudo dinâmico com agente de contraste, especificamente nos estudos de RM mamária.

Efeito fisiológico da cafeína em estudos neurológicos com base na ponderação em susceptibilidade ferromagnética (SWI)

Introdução – O presente estudo avaliou o efeito da cafeína no valor da razão contraste ruído (CNR) em imagens SWI. Objetivos – Avaliar o efeito da cafeína qualitativamente e quantificado pelo cálculo do valor CNR em imagens de magnitude e MIP para as estruturas: veia cerebral interna, seio sagital superior, tórcula e artéria cerebral média. Metodologia – A população do estudo incluiu 24 voluntários saudáveis que estiveram pelo menos 24h privados da ingestão de cafeína. Adquiriram-se imagens SWI antes e após a ingestão de 100ml de café. Os voluntários foram subdivididos em quatro grupos de seis indivíduos/grupo e avaliados separadamente após decorrido um intervalo de tempo diferente para cada grupo (15, 25, 30 ou 45min pós-cafeína). Utilizou-se um scanner Siemens Avanto 1,5 T com bobine standard de crânio e os parâmetros: T2* GRE 3D de alta resolução no plano axial, TR=49; TE=40; FA=15; FOV=187x230; matriz=221x320. O processamento de imagem foi efetuado no software OsiriX® e a análise estatística no GraphPadPrism®. Resultados e Discussão – As alterações de sinal e diferenças de contraste predominaram nas estruturas venosas e não foram significantes na substância branca, LCR e artéria cerebral média. Os valores CNR pré-cafeína diferiram significativamente do pós-cafeína nas imagens de magnitude e MIP na veia cerebral interna e nas imagens de magnitude do seio sagital superior e da tórcula (p<0,0001). Não se verificaram diferenças significativas entre os grupos avaliados nos diferentes tempos pós-cafeína. Conclusões – Especulamos que a cafeína possa vir a ser usada como agente de contraste nas imagens SWI barato, eficaz e de fácil administração.

The influence of the blood pressure on the venous cerebral flow measured by magnetic susceptibility (SWI) technique

Susceptibility Weighted Image (SWI) is a Magnetic Resonance Imaging (MRI) technique that combines high spatial resolution and sensitivity to provide magnetic susceptibility differences between tissues. It is extremely sensitive to venous blood due to its iron content of deoxyhemoglobin. The aim of this study was to evaluate, through the SWI technique, the differences in cerebral venous vasculature according to the variation of blood pressure values. 20 subjects divided in two groups (10 hypertensive and 10 normotensive patients) underwent a MRI system with a Siemens® scanner model Avanto of 1.5T using a synergy head coil (4 channels). The obtained sequences were T1w, T2w-FLAIR, T2* and SWI. The value of Contrast-to-Noise Ratio (CNR) was assessed in MinIP (Minimum Intensity Projection) and Magnitude images, through drawing free hand ROIs in venous structures: Superior Sagittal Sinus (SSS) Internal Cerebral Vein (ICV) and Sinus Confluence (SC). The obtained values were presented in descriptive statistics-quartiles and extremes diagrams. The results were compared between groups. CNR shown higher values for normotensive group in MinIP (108.89 ± 6.907) to ICV; (238.73 ± 18.556) to SC and (239.384 ± 52.303) to SSS. These values are bigger than images from Hypertensive group about 46 a.u. in average. Comparing the results of Magnitude and MinIP images, there were obtained lower CNR values for the hypertensive group. There were differences in the CNR values between both groups, being these values more expressive in the large vessels-SSS and SC. The SWI is a potential technique to evaluate and characterize the blood pressure variation in the studied vessels adding a physiological perspective to MRI and giving a new approach to the radiological vascular studies.

Blistering of W-Ta composites at different irradiation energies

Pure tungsten and tantalum plates and tungsten-tantalum composites produced via mechanical alloying and spark plasma sintering were bombarded with He+ and D+ energetic ion beams and deuterium plasmas. The aim of this experiment is to study the effects caused by individual helium and deuterium exposures and to evidence that the modifications induced in the composites at different irradiation energies could be followed by irradiating the pristine constituent elements under the same experimental conditions, which is relevant considering the development of tailored composites for fusion applications. Higher D retentions, especially in tungsten, and superficial blistering are observed in both components after helium exposure. The blistering is magnified in the tantalum phase of composites due to its higher ductility and to water vapour production under deuterium irradiation. At lower irradiation energies the induced effects are minor. After plasma exposure, the presence of tantalum does not increase the D content in the composites. (C) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Determination of polyphenols in wines by reaction with 4-aminoantipyrine and photometric flow-injection analysis

A new flow-injection analytical procedure is proposed for the determination of the total amount of polyphenols in wines; the method is based on the formation of a colored complex between 4-aminoantipyrine and phenols, in the presence of an oxidizing reagent. The oxidizing agents hexacyanoferrate(III), peroxodisulfate, and tetroxoiodate(VII) were tested. Batch trials were first performed to select appropriate oxidizing agents, pH, and concentration ratios of reagents, on the basis of their effect on the stability of the colored complex. Conditions selected as a result of these trials were implemented in a flow-injection analytical system in which the influence of injection volume, flow rate, and reaction- coil length, was evaluated. Under the optimum conditions the total amount of polyphenols, expressed as gallic acid, could be determined within a concentration range of 36 to 544 mg L–1, and with a sensitivity of 344 L mol–1 cm–1 and an RSD <1.1%. The reproducibility of analytical readings was indicative of standard deviations <2%. Interference from sugars, tartaric acid, ascorbic acid, methanol, ammonium sulfate, and potassium chloride was negligible. The proposed system was applied to the determination of total polyphenols in red wines, and enabled analysis of approximately 55 samples h–1. Results were usually precise and accurate; the RSD was <3.9% and relative errors, by the Folin–Ciocalteu method, <5.1%.

FIA potentiometric system based on periodate polymeric membrane sensors for the assessment of ascorbic acid in commercial drinks

Ascorbic acid is found in many food samples. Its clinical and technological importance demands an easyto- use, rapid, robust and inexpensive method of analysis. For this purpose, this work proposes a new flow procedure based on the oxidation of ascorbic acid by periodate. A new potentiometric periodate sensor was constructed to monitor this reaction. The selective membranes were of PVC with porphyrin-based sensing systems and a lipophilic cation as additive. The sensor displayed a near-Nernstian response for periodate over 1.0x10-2–6.0x10-6 M, with an anionic slope of 73.9 ± 0.9 mV decade-1. It was pH independent in acidic media and presented good selectivity features towards several inorganic anions. The flow set-up operated in double-channel, carrying a 5.0x10-4 M IO- 4 solution and a suitable buffer; these were mixed in a 50-cm reaction coil. The overall flow rate was 7 ml min-1 and the injection volume 70 µl. Under these conditions, a linear behaviour against concentration was observed for 17.7–194.0 µg ml-1, presenting slopes of 0.169 mV (mg/l)-1, a reproducibility of ±1.1 mV (n = 5), and a sampling rate of ~96 samples h-1. The proposed method was applied to the analysis of beverages and pharmaceuticals.

Análise quantitativa da saturação de gordura em ressonância magnética mamária: comparação das técnicas SPAIR e DIXON

Mestrado em Radiações Aplicadas às Tecnologias da Saúde - Ramo de especialização: Ressonância Magnética

Regimes de neutro em média tensão em subestações de distribuição de energia elétrica

A existência do regime de neutro em subestações de distribuição de energia elétrica é essencial para o bom funcionamento de toda a rede. Existe um vasto leque de opções no que diz respeito aos regimes de neutro. Cada opção tem as suas vantagens e desvantagens, e cabe às empresas do setor elétrico a escolha do regime de neutro mais adequado em função das caraterísticas da rede. A escolha do regime de neutro tem influência direta no desempenho global de toda a rede de média tensão. O principal objetivo desta dissertação é o estudo e a análise das vantagens e inconvenientes dos vários regimes de neutro: neutro isolado, neutro impedante, ligado diretamente à terra, neutro ressonante, analisando as suas vantagens e inconvenientes. É feito um estudo aprofundado do regime de neutro ressonante, também designado por regime de neutro com a Bobine de Petersen. Este trabalho descreve, ainda, de forma sucinta a situação de Portugal relativamente aos regimes de neutro que utiliza e a sua perspetiva futura. Por fim é apresentado um caso de estudo, que diz respeito a uma rede de média tensão (30 kV) alimentada pela subestação de Serpa. Foram estudados os regimes de neutro como a bobine de Petersen, reatância de neutro e neutro isolado. Foi também estudada a influência na ocorrência de um defeito fase-terra e a influência na ocorrência de defeitos francos e resistivos em vários pontos da rede.

Controlo e optimização de sistemas AVAC recorrendo a técnicas de inteligência artificial

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Determiation of airborne nanoparticles from welding operations

The aim of this study is to assess the levels of airborne ultrafine particles emitted in welding processes (tungsten inert gas [TIG], metal active gas [MAG] of carbon steel, and friction stir welding [FSW] of aluminum) in terms of deposited area in pulmonary alveolar tract using a nanoparticle surface area monitor (NSAM) analyzer. The obtained results showed the dependence of process parameters on emitted ultrafine particles and demonstrated the presence of ultrafine particles compared to background levels. Data indicated that the process that resulted in the lowest levels of alveolar deposited surface area (ADSA) was FSW, followed by TIG and MAG. However, all tested processes resulted in significant concentrations of ultrafine particles being deposited in humans lungs of exposed workers.

Energy evaporation: the new concept of indoor systems for WPT and EH embedded into the floor

This work introduces a novel idea for wireless energy transfer, proposing for the first time the unit-cell of an indoor localization and RF harvesting system embedded into the floor. The unit-cell is composed by a 5.8 GHz patch antenna surrounded by a 13.56 MHz coil. The coil locates a device and activate the patch which, connected to a power grid, radiates to wirelessly charge the localized device. The HF and RF circuits co-existence and functionality are demonstrated in this paper, the novelty of which is also in the adoption of low cost and most of all ecofriendly materials, such as wood and cork, as substrates for electronics.

In Situ Near-Infrared (NIR) Versus High-Throughput Mid- Infrared (MIR) Spectroscopy to Monitor Biopharmaceutical Production

The development of biopharmaceutical manufacturing processes presents critical constraints, with the major constraint being that living cells synthesize these molecules, presenting inherent behavior variability due to their high sensitivity to small fluctuations in the cultivation environment. To speed up the development process and to control this critical manufacturing step, it is relevant to develop high-throughput and in situ monitoring techniques, respectively. Here, high-throughput mid-infrared (MIR) spectral analysis of dehydrated cell pellets and in situ near-infrared (NIR) spectral analysis of the whole culture broth were compared to monitor plasmid production in recombinant Escherichia coil cultures. Good partial least squares (PLS) regression models were built, either based on MIR or NIR spectral data, yielding high coefficients of determination (R-2) and low predictive errors (root mean square error, or RMSE) to estimate host cell growth, plasmid production, carbon source consumption (glucose and glycerol), and by-product acetate production and consumption. The predictive errors for biomass, plasmid, glucose, glycerol, and acetate based on MIR data were 0.7 g/L, 9 mg/L, 0.3 g/L, 0.4 g/L, and 0.4 g/L, respectively, whereas for NIR data the predictive errors obtained were 0.4 g/L, 8 mg/L, 0.3 g/L, 0.2 g/L, and 0.4 g/L, respectively. The models obtained are robust as they are valid for cultivations conducted with different media compositions and with different cultivation strategies (batch and fed-batch). Besides being conducted in situ with a sterilized fiber optic probe, NIR spectroscopy allows building PLS models for estimating plasmid, glucose, and acetate that are as accurate as those obtained from the high-throughput MIR setup, and better models for estimating biomass and glycerol, yielding a decrease in 57 and 50% of the RMSE, respectively, compared to the MIR setup. However, MIR spectroscopy could be a valid alternative in the case of optimization protocols, due to possible space constraints or high costs associated with the use of multi-fiber optic probes for multi-bioreactors. In this case, MIR could be conducted in a high-throughput manner, analyzing hundreds of culture samples in a rapid and automatic mode.