Engineered zeolitic materials: synthesis and application

Les zéolithes étant des matériaux cristallins microporeux ont démontré leurs potentiels et leur polyvalence dans un nombre très important d’applications. Les propriétés uniques des zéolithes ont poussé les chercheurs à leur trouver constamment de nouvelles utilités pour tirer le meilleur parti de ces matériaux extraordinaires. Modifier les caractéristiques des zéolithes classiques ou les combiner en synergie avec d’autres matériaux se trouvent être deux approches viables pour trouver encore de nouvelles applications. Dans ce travail de doctorat, ces deux approches ont été utilisées séparément, premièrement avec la modification morphologique de la ZSM-12 et deuxièmement lors de la formation des matériaux de type coeur/coquille (silice mésoporeuses@silicalite-1). La ZSM-12 est une zéolithe à haute teneur en silice qui a récemment attiré beaucoup l’attention par ses performances supérieures dans les domaines de l’adsorption et de la catalyse. Afin de synthétiser la ZSM-12 avec une pureté élevée et une morphologie contrôlée, la cristallisation de la zéolithe ZSM-12 a été étudiée en détail en fonction des différents réactifs chimiques disponibles (agent directeur de structure, types de silicium et source d’aluminium) et des paramètres réactionnels (l’alcalinité, ratio entre Na, Al et eau). Les résultats présentés dans cette étude ont montré que, contrairement à l’utilisation du structurant organique TEAOH, en utilisant un autre structurant, le MTEAOH, ainsi que le Al(o-i-Pr)3, cela a permis la formation de monocristaux ZSM-12 monodisperses dans un temps plus court. L’alcalinité et la teneur en Na jouent également des rôles déterminants lors de ces synthèses. Les structures de types coeur/coquille avec une zéolithe polycristalline silicalite-1 en tant que coquille, entourant un coeur formé par une microsphère de silice mésoporeuse (tailles de particules de 1,5, 3 et 20-45 μm) ont été synthétisés soit sous forme pure ou chargée avec des espèces hôtes métalliques. Des techniques de nucléations de la zéolithe sur le noyau ont été utilisées pour faire croitre la coquille de façon fiable et arriver à former ces matériaux. C’est la qualité des produits finaux en termes de connectivité des réseaux poreux et d’intégrité de la coquille, qui permet d’obtenir une stéréosélectivité. Ceci a été étudié en faisant varier les paramètres de synthèse, par exemple, lors de prétraitements qui comprennent ; la modification de surface, la nucléation, la calcination et le nombre d’étapes secondaires de cristallisation hydrothermale. En fonction de la taille du noyau mésoporeux et des espèces hôtes incorporées, l’efficacité de la nucléation se révèle être influencée par la technique de modification de surface choisie. En effet, les microsphères de silice mésoporeuses contenant des espèces métalliques nécessitent un traitement supplémentaire de fonctionnalisation chimique sur leur surface externe avec des précurseurs tels que le (3-aminopropyl) triéthoxysilane (APTES), plutôt que d’utiliser une modification de surface avec des polymères ioniques. Nous avons également montré que, selon la taille du noyau, de deux à quatre traitements hydrothermaux rapides sont nécessaires pour envelopper totalement le noyau sans aucune agrégation et sans dissoudre le noyau. De tels matériaux avec une enveloppe de tamis moléculaire cristallin peuvent être utilisés dans une grande variété d’applications, en particulier pour de l’adsorption et de la catalyse stéréo-sélective. Ce type de matériaux a été étudié lors d’une série d’expériences sur l’adsorption sélective du glycérol provenant de biodiesel brut avec des compositions différentes et à des températures différentes. Les résultats obtenus ont été comparés à ceux utilisant des adsorbants classiques comme par exemple du gel de sphères de silice mésoporeux, des zéolithes classiques, silicalite-1, Si-BEA et ZSM-5(H+), sous forment de cristaux, ainsi que le mélange physique de ces matériaux références, à savoir un mélange silicalite-1 et le gel de silice sphères. Bien que le gel de sphères de silice mésoporeux ait montré une capacité d’adsorption de glycérol un peu plus élevée, l’étude a révélé que les adsorbants mésoporeux ont tendance à piéger une quantité importante de molécules plus volumineuses, telles que les « fatty acid methyl ester » (FAME), dans leur vaste réseau de pores. Cependant, dans l’adsorbant à porosité hiérarchisée, la fine couche de zéolite silicalite-1 microporeuse joue un rôle de membrane empêchant la diffusion des molécules de FAME dans les mésopores composant le noyau/coeur de l’adsorbant composite, tandis que le volume des mésopores du noyau permet l’adsorption du glycérol sous forme de multicouches. Finalement, cette caractéristique du matériau coeur/coquille a sensiblement amélioré les performances en termes de rendement de purification et de capacité d’adsorption, par rapport à d’autres adsorbants classiques, y compris le gel de silice mésoporeuse et les zéolithes.

PM and material decay: analysis of dry depositions on horizontal and vertical surrogate surfaces through a Deposition Box system

Airborne Particulate Matter (PM), can get removed from the atmosphere through wet and dry mechanisms, and physically/chemically interact with materials and induce premature decay. The effect of dry depositions is a complex issue, especially for outdoor materials, because of the difficulties to collect atmospheric deposits repeatable in terms of mass and homogeneously distributed on the entire investigated substrate. In this work, to overcome these problems by eliminating the variability induced by outdoor removal mechanisms (e.g. winds and rainfalls), a new sampling system called ‘Deposition Box’, was used for PM sampling. Four surrogate materials (Cellulose Acetate, Regenerated Cellulose, Cellulose Nitrate and Aluminum) with different surfaces features were exposed in the urban-marine site of Rimini (Italy), in vertical and horizontal orientations. Homogeneous and reproducible PM deposits were obtained and different analytical techniques (IC, AAS, TOC, VP-SEM-EDX, Vis-Spectrophotometry) were employed to characterize their mass, dimension and composition. Results allowed to discriminate the mechanisms responsible of the dry deposition of atmospheric particles on surfaces with different nature and orientation and to determine which chemical species, and in which amount, tend to preferentially deposit on them. This work demonstrated that “Deposition Box” can represent an affordable tool to study dry deposition fluxes on materials and results obtained will be fundamental in order to extend this kind of exposure to actual building and heritage materials, to investigate the PM contribution in their decay.

Modeling the optical constants of solids using acceptance-probability-controlled simulated annealing with an adaptive move generation procedure

The acceptance-probability-controlled simulated annealing with an adaptive move generation procedure, an optimization technique derived from the simulated annealing algorithm, is presented. The adaptive move generation procedure was compared against the random move generation procedure on seven multiminima test functions, as well as on the synthetic data, resembling the optical constants of a metal. In all cases the algorithm proved to have faster convergence and superior escaping from local minima. This algorithm was then applied to fit the model dielectric function to data for platinum and aluminum.

Simulated-annealing-based genetic algorithm for modeling the optical constants of solids

We propose a simulated-annealing-based genetic algorithm for solving model parameter estimation problems. The algorithm incorporates advantages of both genetic algorithms and simulated annealing. Tests on computer-generated synthetic data that closely resemble optical constants of a metal were performed to compare the efficiency of plain genetic algorithms against the simulated-annealing-based genetic algorithms. These tests assess the ability of the algorithms to and the global minimum and the accuracy of values obtained for model parameters. Finally, the algorithm with the best performance is used to fit the model dielectric function to data for platinum and aluminum. (C) 1997 Optical Society of America.

A role for pectin in the control of cell expansion

Uptake of nutrients and water depends on the growth of roots through elongation of individual cells near the. root tip. Many of the numerous components of Type I primary cell walls, those of dicotyledons and monocotyledons other than grasses (Poaceae), have been determined, and many hypotheses have been proposed for the control of cell expansion. This important aspect of plant growth still needs elucidation, however. A model is proposed in which pectin, which occurs as a calcium (Ca) pectate gel between the load-bearing cellulose microfibrils and xyloglucan (XG) chains, controls the rate at which cells expand. It is considered that the increasing tension generated by the expanding cell is transmitted to interlocked XG chains and cellulose microfibrils. The resulting deformation of the embedded Ca pectate gel elicits the excretion of protons from the cytoplasm, possibly via compounds such as cell wall-associated kinases, that weakens the Ca pectate gel, permitting slippage of XG molecules through the action of expansin. Further slippage is prevented by deformation of the pectic gel, proton diffusion, and the transfer of residual tension to adjacent XG chains. Evidence for this model is based on the effects of pH, Ca, and aluminum (Al) on root elongation and on the reactions of these cations with Ca pectate. This model allows for genetic selection of plants and adaptation of individual plants to root environmental conditions.

Indicadores de qualidade do solo e determinação de níveis de degradação de pastagens

A utilização do solo no Brasil foi realizada de forma exploratória, com a conversão de sistemas naturais em sistemas agrícolas extrativistas. Grande parte das áreas de sistemas naturais deu lugar às áreas de cultivo, posteriormente sucedidas por pastagens, encontrando-se boa parte em elevado estágio de degradação. Diante do exposto, o presente trabalho tem como objetivo avaliar a sensibilidade de alguns atributos físicos, químicos, compartimentos da matéria orgânica e determinações de campo como indicadores de qualidade do solo estabelecendo relações entre os mesmos. O estudo foi desenvolvido no município de Governador Valadares-MG, para tal foram escolhidos níveis de pastagens progressivamente degradadas observadas visualmente (pastagem 1, pastagem 2, pastagem 3 e pastagem 4), duas áreas de capoeira em estágios de regeneração natural (capoeira 1 e capoeira 2) e mata (referência). O solo em estudo foi um Argissolo Vermelho, textura argilosa. As determinações dos indicadores físicos, químicos e compartimentos da matéria orgânica foram realizadas em quatro profundidades (0-5, 5-10, 10-20 e 20-40 cm). Foram realizadas também determinações de campo, todos os atributos foram determinados no terço médio de uma pedoforma convexa, em dois períodos, chuvoso e seco. Através dos atributos do solo utilizados como indicadores do solo, foi possível separar dois níveis de pastagens degradadas, baixa degradação (pastagem 1 e pastagem 2) e elevada degradação (pastagem 3 e pastagem 4). A melhor qualidade do solo foi observada na área de mata. Entre os atributos do solo utilizados como indicadores de qualidade do solo os mais sensíveis aos níveis de pastagens degradadas são os atributos químicos pH, Ca2+, Mg2+, Al3+, H+Al, saturação por bases (V), saturação por alumínio (m), seguidos pelos atributos físicos macroporosidade e porosidade total. Os compartimentos da matéria orgânica do solo, matéria orgânica particulada (MOP), matéria orgânica leve (MOL) e carbono solúvel em água (CSA) utilizados como indicadores de qualidade do solo são eficientes em diferenciar a qualidade do solo nas conversões de sistema, mata/pastagens e pastagens/capoeiras, não sendo sensível aos níveis de pastagens degradadas, o que sugere estudos futuros utilizado compartimentos mais sensíveis a pequenas variações. As determinações de campo espessura do horizonte “A”, profundidade do sistema radicular e taxa de cobertura do solo são sensíveis aos níveis de pastagens degradadas, e apresentam uma boa correlação com os indicadores de laboratório macroporosidade (Ma), matéria orgânica particulada (MOP), saturação por bases (V), saturação por alumínio (m) sugerindo assim a utilização dessas determinações como indicadores de qualidade do solo em pastagens degradadas, para o solo e a região estudados.

Optimização do tratamento de um efluente aquoso resultante da utilização de cola nas máquinas de produção de placas de madeira

O presente trabalho teve como principais objectivos, estudar e optimizar o processo de tratamento do efluente proveniente das máquinas da unidade Cold-press da linha de produção da Empresa Swedwood, caracterizar a solução límpida obtida no tratamento e estudar a sua integração no processo, e por fim caracterizar o resíduo de pasta de cola obtido no tratamento e estudar a possível valorização energética deste resíduo. Após caracterização inicial do efluente e de acordo com os resultados de um estudo prévio solicitado pela Empresa Swedwood a uma empresa externa, decidiu-se iniciar o estudo de tratabilidade do efluente pelo processo físico-químico a coagulação/floculação. No processo de coagulação/floculação estudou-se a aplicabilidade, através de ensaios Jar-test, dos diferentes agentes de coagulação/floculação: a soda cáustica, a cal, o cloreto férrico e o sulfato de alumínio. Os melhores resultados neste processo foram obtidos com a adição de uma dose de cal de 500 mg/Lefluente, seguida da adição de 400 mg/Lefluente de sulfato de alumínio. Contudo, após este tratamento o clarificado obtido não possuía as características necessárias para a sua reintrodução no processo fabril nem para a sua descarga em meio hídrico. Deste modo procedeu-se ao estudo de tratamentos complementares. Nesta segunda fases de estudo testaram-se os seguintes os tratamentos: a oxidação química por Reagente de Fenton, o tratamento biológico por SBR (sequencing batch reactor) e o leito percolador. Da análise dos resultados obtidos nos diferentes tratamentos conclui-se que o tratamento mais eficaz foi o tratamento biológico por SBR com adição de carvão activado. Prevê-se que no final do processo de tratamento o clarificado obtido possa ser descarregado em meio hídrico ou reintroduzido no processo. Como o estudo apenas foi desenvolvido à escala laboratorial, seria útil poder validar os resultados numa escala piloto antes da sua implementação industrial. A partir dos resultados do estudo experimental, procedeu-se ao dimensionamento de uma unidade de tratamento físico-químico e biológico à escala industrial para o tratamento de 20 m3 de efluente produzido na fábrica, numa semana. Dimensionou-se ainda a unidade (leito de secagem) para tratamento das lamas produzidas. Na unidade de tratamento físico-químico (coagulação/floculação) os decantadores estáticos devem possuir o volume útil de 4,8 m3. Sendo necessários semanalmente 36 L da suspensão de cal (Neutrolac 300) e 12,3 L da solução de sulfato de alumínio a 8,3%. Os tanques de armazenamento destes compostos devem possuir 43,2 litros e 96 litros, respectivamente. Nesta unidade estimou-se que são produzidos diariamente 1,4 m3 de lamas. Na unidade de tratamento biológico o reactor biológico deve possuir um volume útil de 6 m3. Para que este processo seja eficaz é necessário fornecer diariamente 2,1 kg de oxigénio. Estima-se que neste processo será necessário efectuar a purga de 325 litros de lamas semanalmente. No final da purga repõe-se o carvão activado, que poderá ser arrastado juntamente com as lamas, adicionando-se 100 mg de carvão por litro de licor misto. De acordo com o volume de lamas produzidos em ambos os tratamentos a área mínima necessária para o leito de secagem é de cerca de 27 m2. A análise económica efectuada mostra que a aquisição do equipamento tem o custo de 22.079,50 euros, o custo dos reagentes necessários neste processo para um ano de funcionamento tem um custo total de 508,50 euros e as necessidades energéticas de 2.008,45 euros.

Fluência de materiais

A presente dissertação apresenta uma abordagem ao tema Fluência, com um desenvolvimento geral para quatro materiais: madeira, alumínio, betão e aço. No entanto, particularizou-se este estudo apenas para dois destes materiais, a madeira e o alumínio. A madeira é um material viscoelástico, logo fortemente influenciado quando submetido a uma ação constante (Fluência) sendo agravada com alterações do teor em água. Iniciou-se o estudo, com uma introdução aos objetivos principais e a revisão teórica do conhecimento da propriedade mecânica (Fluência). Efetuou-se o estudo inicial para os quatro materiais indicados. Posteriormente, fez-se avaliação do efeito mecânico sortivo durante 60 dias com sete ciclos, em provetes de dimensões 20 x 20 x 400 mm3 (escala 1:10) de madeira de Eucalyptus globulus Labill. Recorrendo ao levantamento de um conjunto de modelos numéricos, procedeu-se ao ajuste e extrapolação do comportamento, em Fluência, para distintos períodos de tempo (1, 10 e 50 anos). Os resultados obtidos demonstraram que a madeira de Eucalipto não apresenta um limite no seu comportamento em Fluência, logo instável para os 60 dias de duração de ensaio. Os diferentes modelos de Fluência (x6) apresentaram uma variabilidade crescente de resultados, de acordo com o aumento de extrapolação dos resultados. Para a espécie de madeira de Eucalipto constatou-se ainda, que o ajuste e extrapolação de deformação para 50 anos ultrapassaram os valores sugeridos pelo Eurocódigo 5. A última parte deste trabalho, incidiu sobre o desenvolvimento da metodologia do ensaio em flexão de 3 provetes de alumínio similares, cujas dimensões eram de 20 x 20 x 400mm3. O objetivo desta metodologia foi avaliar o seu comportamento em Fluência. Numa primeira fase, foi aplicada uma carga contante de 160 kN. E numa segunda fase, foi aplicada o dobro dessa carga sujeita adicionalmente a uma temperatura bastante superior à temperatura ambiente (a rondar os 50 oC). Conclusivamente verificou-se que o alumínio não apresenta deformação por Fluência, para as condições de ensaio apresentadas.

Analysis of polydicyclopentadiene-metal hybrid adhesive joints for automotive exterior body applications

An exterior body panel solution containing a polydicyclopentadiene skin attached to an interior metallic reinforcement through adhesive bonding is being studied to be applied in the MobiCar bonnet. With this solution is expected to achieve lightness, adequate structural integrity and cost-efficiency. However, there is uncertainty regarding to the bonnet adhesiveness since different metallic materials and adhesive types are being considered for its development. Thus, in this paper, several samples are tested through shear loading with the aim of understanding the loading magnitude expected by using polydicyclopentadiene, steel DC04+ZE and aluminum alloy AW5754-H111 as substrates adhesively bonded by an epoxy or a methacrylate. Methacrylate adhesive have shown greater shear strength in all types of adhesive joints. PDCPD joints presented the highest displacements. Surface degradation was considered adequate over abrading once none strength difference was seen between the different surface treatments. Steel treated by cataphoresis has shown the highest joint interface strength.

Simulação numérica do comportamento ao impacto de componentes para calçado de segurança

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica

High-aspect-ratio tridimensional electrode arrays for neural applications

Tese de Doutoramento em Engenharia Biomédica.

Avaliação da capacidade de fixação de fósforo pelo solo

Phosphate "fixation" is the convertion of soluble into insoluble phosphate in the soil. There are many factors conditioning phosphate fixation by soil such as reactions originating less soluble compounds (phosphates of iron, aluminum, calcium, magnesium, etc.), PO4-3 adsorption by the colloidal fraction of soils, PO4-3 absorption by the soil microflora, etc. Certain soils of the state of São Paulo (Brazil) are relatively rich in both iron and aluminum oxides. PO4-3 fixation, using P31 and P32 has been verified by researchers, specially with "Terra Roxa". The known methods for fixation evaluation are conventional as this depends on phosphate solution concentration, pH, time of contact between soil and solution, relation of sample weight to solution volume, shaking time, etc. In this experiment, the following conventional method was used: 4 g of soil were shaken for 15 minutes at 30-40 rpm, in 300 ml Erlenmeyer flask in a Wagner shaking machine, together with 100 ml of 0,03 normal phosphate solution (being 0,01 normal as PO4-3 contributed by H8PO4 and 0,02 normal as PO4-3 from KH2PO4). After shaking it was set aside for 24 hours and then filtered. Phosphate was determined in a suitable aliquot of both the original solution (blank) and the soil extract, by the vanadomolibidic-phosphoric acid method. From phosphate concentration in the blank minus phosphate concentration in the soil stract the rate of fixation by 100 g of soil was calculated. The data obtained show that "Terra Roxa" and "Terra Roxa Misturada" have a fairly high PO4-3 fixation capacity, varying from 10 to 24 milliequivalents of PO4-3 per 100 g of soil.

Muntatge i automatització d'un ascensor de 4 plantes

Treball de recerca realitzat per alumnes d'ensenyament secundari i guardonat amb un Premi CIRIT per fomentar l'esperit cientí­fic del Jovent l'any 2009. Les primera intenció d'aquesta recerca és unificar dues grans branques de la tecnologia com són la mecànica i l'elèctronica. Així va sorgir el projecte de construir un ascensor i provar un nou sistema de transmissió com és el vis sense fi juntament amb la introducció d'un microcontrolador del tipus PIC com a unitat central de processament. El primer pas d'aquest treball va ser el disseny d'aquest ascensor utilitzant diversos programes. Posteriorment es van encarregar aquestes peces abans dissenyades per tal de començar-ne la construcció. Aquestes peces van ser unides totalment mitjançant rebladures i altres suports mecànics. A continuació es va desenvolupar la programació del microcontrolador. El pas més important va ser l'acoblament del grup motor i el poliment dels aspectes més difícils de corregir com és el cas dels molts fregaments que patia al ser una estructura purament metàl·lica. Corregits aquests problemes i el nivell sonor, es va donar per conclòs el treball.