Applied biomaterials from sustainable sources

If we look back in time at the history of humanity, we can state that our generation is living an era of outstanding efficiency and progress because of globalization and global competition, even if this is resulting in the rapid depletion of energy sources and raw materials. The environmental impact of non-biodegradable plastic wastes is of increasing global concern: nowadays, imagining a world without synthetic plastics seems impossible, though their large-scale production and their extensive use have only spread since the end of the World War II. In recent years, the demand for sustainable materials has increased significantly and, with a view to circular economy, research has also focused on the enhancement and subsequent reuse of waste materials produced by industrial processing, intensive farming and the agricultural sector. Plastic polymers have been the most practical and economical solution for decades due to their low cost, prompt availability and excellent optical, mechanical and barrier properties. Biodegradable polymers could replace them in many applications, thus reducing the problems of traditional plastics disposability and the dependence on petroleum. Natural biopolymers are in fact characterized by a high biocompatibility and biodegradability and have already prompted research in the field of regenerative medicine. During my PhD, my goal was to use natural polymers from sustainable sources as raw materials to produce biomaterials, which are materials designed to interface with biological systems to evaluate, support or replace any tissue, organ, or function of the body. I focused on the use of the most abundant biopolymers in nature to produce biomaterials in the form of films, scaffolds and cements. After a complete characterization, the materials were proposed for suitable applications in different fields, from tissue engineering to cosmetics and food packaging. Some of the obtained results were published on international scientific and peer-reviewed journals.

Metocean Climate Impact on the Fatigue Assessment of a Jacket-Type Offshore Platform

When the offshore oil and gas supplies exhaust, most offshore platforms are decommissioned and removed. The purpose of this paper is to evaluate the fatigue damage that will occur during the service life of a jacket-type offshore platform using different fatigue approaches in particular locations. The locations considered for this metocean climate impact study were Norway (North Sea), Portugal (Atlantic Ocean - Leixões) and Italy (Adriatic Sea). A finite element model was created by the means of Sesam and two different fatigue analysis, deterministic and spectral, were applied. For the fatigue assessment, an appropriate description of the site-specific wave environment, during the jacket platform service life, must be accomplished. This description is usually provided by a wave scatter diagram. Wave scatter diagrams usually represent the long-term wave environment during a (typical) year and are based on several years of site-specific data to ensure that they adequately represent the wave environment at the location of the structure. In this thesis, the comparison between these fatigue approaches will serve as a pilot study for planned reliability analysis in decommissioned offshore platforms in order to maximize the reuse of these platforms for future wind generation systems.

Valorization and recycling of waste biomass and bioplastics into molecules, polymers and catalysts

The enormous amount of goods that world societies consume every day, derives from an immense consumption of energy and raw materials, and leads to an unthinkable amount of wastes. The abuse of fossil-based resources and the mismanaged waste is leading to big environmental pollution and climate change, with consequences on all living beings. To solve this issue and start living in equilibrium with nature, modern societies must stop using fossil fuels massively in favor to clean renewable energies, recycling, and biomass and waste utilization for materials and chemical production. Moreover, bioplastic recycling must be prioritized over their biodegrading and composting. This work is dedicated to the study of new synthetic strategies that fall into these fields.

Optimization and characterization of a wheat-based biocomposite for additive manufacturing

In recent years plastic is a key material, fundamental for a large variety of implications. But its large utilization has the direct consequence of the disposal of tons of wastes, that in the major amount cannot be recycled. To pose a solution to the issue of the increasing amount of plastics that are rapidly accumulating all over the world, it is necessary to switch to biodegradable materials. This dissertation is focused on a biodegradable and biobased plastic (polylactic acid, PLA), in order to set free the material from the market and issues of oil, but the PLA is very expensive. For this reason it was added a part of natural component derived from wastes (wheat middling), that acts as reinforcement and decreases the cost of the final material forming a biocomposite. Since their interaction is difficult, the purpose of this dissertation is to improve the affinity between the PLA and the wheat middling.

Biomass Refinery as a Renewable Complement to the Petroleum Refinery

Biomass Refinery is a sequential of eleven thermochemical processes and one biological process with two initial basic treatments: prehydrolysis for lignocellulosics and low temperature conversion for biomass with medium-to-high content of lipids and proteins. The other ten processes are: effluent treatment plant, furfural plant, biodiesel plant, cellulignin dryer, calcination, fluidized bed boiler, authotermal reforming of cellulignin for syngas production, combined cycle of two-stroke low-speed engine or syngas turbine with fluidized bed boiler heat recovery, GTL technologies and ethanol from cellulose, prehydrolysate and syngas. Any kind of biomass such as wood, agricultural residues, municipal solid waste, seeds, cakes, sludges, excrements and used tires can be processed at the Biomass Refinery. Twelve basic products are generated such as cellulignin, animal feed, electric energy, fuels (ethanol, crude oil, biodiesel, char), petrochemical substitutes, some materials (ash, gypsum, fertilizers, silica, carbon black) and hydrogen. The technology is clean with recovery of energy and reuse of water, acid and effluents. Based on a holistic integration of various disciplines Biomass Refinery maximizes the simultaneous production of food, electric energy, liquid fuels and chemical products and some materials, achieving a competitive position with conventional and fossil fuel technologies, as well as payment capacity for biomass production. Biomass Refinery has a technical economical capability to complement the depletion of the conventional petroleum sources and to capture its GHGs resulting a biomass + petroleum ""green"" combination.

Microbial Metabolic Potential Affected by Surplus Wastewater Irrigation in Tropical Soil Cultivated with Tifton 85 Bermuda Grass (Cynodon dactylon Pers. X C. niemfuensis Vanderyst)

Agricultural reuse of treated sewage effluent (TSE) is an environmental and economic practice; however, little is known about its effects on the characteristics and microbial function in tropical soils. The effect of surplus irrigation of a pasture with TSE, in a period of 18 months, was investigated, considering the effect of 0% surplus irrigation with TSE as a control. In addition, the experiment consisted of three surplus treatments (25%, 50%, and 100% excess) and a nonirrigated pasture area (SE) to compare the soil microbial community level physiological profiles, using the Biolog method. The TSE application increased the average substrate consumption of the soil microbial community, based on the kinetic parameters of the average well color development curve fitting. There were no significant differences between the levels of surplus irrigation treatments. Surplus TSE pasture irrigation caused minor increases in the physiological status of the soil microbial community but no detectable damage to the pasture or soil.

Eco-efficiency for the Dairy Processing Industry

This manual has been developed to help the Australian dairy processing industry increase its competitiveness through increased awareness and uptake of eco-efficiency. The manual seeks to consolidate and build on existing knowledge, accumulated through projects and initiatives that the industry has previously undertaken to improve its use of raw materials and resources and reduce the generation of wastes. Where there is an existing comprehensive report or publication, the manual refers to this for further information. Eco-efficiency is about improving environmental performance to become more efficient and profitable. It is about producing more with less. It involves applying strategies that will not only ensure efficient use of resources and reduction in waste, but will also reduce costs. This chapter outlines the environmental challenges faced by Australian dairy processors. The manual explores opportunities for reducing environmental impacts in relation to water, energy, product yield, solid and liquid waste reduction and chemical use.

Desenvolvimento de metodologia para determinação de Co, Cr, Fe, Mn, Ni, Se e V em amostras de água produzida da indústria do petróleo através da técnica ICP OES utilizando digestão por micro-ondas

O descarte ou reutilização da água produzida da indústria do petróleo é difícil por causa dos impactos ambientais causados devido à presença de alta salinidade e componentes tóxicos, ou pelo risco de obstrução nas colunas de produção devido à formação de incrustações que causam redução na produção de petróleo e enormes perdas no processo de extração. Assim, o conhecimento da composição química da água produzida é muito importante. O método proposto por este trabalho visa a determinação de elementos traço (Co, Cr, Fe, Mn, Ni, Se e V) em amostras de água produzida de petróleo por espectrometria de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado (ICP OES) utilizando a digestão ácida assistida por micro-ondas para o preparo das amostras (15 g de amostra e 2 mL de HNO3 concentrado). A curva analítica construída em HNO3 2% v v-1 foi adotada para o método após verificar que não é necessário o uso de salinidade para equiparação de matriz. Para o elemento Ni, não há necessidade do uso de padrão interno, para os elementos Co, Cr, Fe, Mn e V os melhores resultados foram obtidos usando Sc como padrão interno. Para o elemento Se é recomendado o uso de Y como padrão interno. Os limites de detecção obtidos foram Co 0,67, Cr 1,2, Fe 2,3, Mn 0,49, Ni 1,9, Se 3,7 e V 5,5 μg L-1; e os limites de quantificação foram Co 2,2, Cr 4,0, Fe 7,7, Mn 1,6, Ni 6,5, Se 12,4 e V 18,3 μg L-1. A exatidão do procedimento foi verificada através de testes de recuperação em dois níveis de concentração (40 e 80 μg L-1) e análise dos materiais certificados de referência de água estuarina SLEW-2 e de água do mar NASS-5. Bons valores de recuperação foram obtidos e não houve diferença significativa (95% de confiança) entre os resultados obtidos e os valores certificados dos materiais de referência.

Simulação numérica aplicada ao tratamento de efluentes

A existência de estações de tratamentos de águas residuais (ETAR) é, nos dias de hoje, fundamental na medida em que permite, reduzir a poluição ambiental associada às águas e, também, a reutilização da água tratada para diversos fins. A constante necessidade de cumprir os limites de descargas nos meios recetores conduziu a um melhoramento nas técnicas e processos de tratamento de efluentes, nomeadamente, nos processos biológicos. O processo por lamas ativadas é um processo amplamente utilizado para a remoção de poluentes orgânicos presentes nas águas residuais, pelo que um estudo mais intensivo sobre estes tratamentos resultou na publicação de uma série de conceitos e pressupostos, através de modelos numéricos. A modelação numérica de processos de tratamento de águas residuais e a utilização de ferramentas de simulação numérica têm sido largamente utilizadas, a nível mundial, por exemplo em investigação, desenvolvimento de processos, atividade de consultoria e igualmente por entidades reguladoras, na medida em que os auxiliam no planeamento, dimensionamento e análise do comportamento de infraestruturas de tratamento. No presente trabalho, recorreu-se ao software de simulação GPS-X (versão 6.0) para implementar o esquema de tratamento da ETAR de Beirolas. O objetivo deste trabalho é verificar a aplicabilidade de modelos numéricos na simulação de unidades de tratamento de efluentes e avaliar a resposta dos diferentes modelos, assim como a influência na alteração de características das águas afluentes no comportamento dos modelos. Os resultados obtidos permitiram concluir que os modelos numéricos podem ser utilizados para prever a resposta dos sistemas biológicos e as suas perturbações. Conclui-se ainda que o comportamento, dos modelos estudados (ASM1, ASM2d, ASM3 e mantis), é semelhante, contudo deve-se referir que devido à complexidade do modelo e a falta de informação experimental sobre as características do efluente, não permitiram efetuar uma completa caracterização e calibração do caso de estudo, e toda a informação disponível sobre as características físico-químicas da água foram baseadas em estimativas de concentrações de carências de oxigénio e sólidos suspensos.

Auditoria e optimização energética à secção de impregnação de uma indústria têxtil

Mestrado em Engenharia Química

Avaliação de desempenho ambiental da Câmara Municipal da Ribeira Grande (São Miguel, Açores) : água e resíduos

Dissertação de Mestrado em Ambiente, Saúde e Segurança.

Incorporação de resíduos cerâmicos em argamassas de cal aérea sujeitas a condições severas de humidade e salinidade

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Edificações

Produção de carvão activado a partir de resíduos da indústria de curtumes

As aparas de wet-blue e de wet-white constituem um resíduo sólido da indústria de curtumes com um elevado teor em carbono, tornando relevante a sua utilização na preparação de materiais de interesse tecnológico. Este trabalho teve como objectivo a preparação de carvões activados a partir de resíduos da indústria de curtumes. Os métodos de activação utilizados para a preparação dos carvões activados foram a activação física com dióxido de carbono e activação química com hidróxido de potássio. A carbonização dos resíduos foi estudada na gama de temperaturas de 500 ºC a 800 ºC, verificando-se que a sua carbonização se pode considerar completa para a temperatura de 800 ºC. Na activação física os precursores foram previamente carbonizados sob uma atmosfera inerte a 800 ºC e posteriormente activados a 940 ºC usando o CO2 como agente activante. Na etapa de activação variou-se o tempo de activação (20, 40 e 60 minutos) de modo a estudar a influência do grau de queima nas propriedades texturais dos carvões activados. O carvão activado obtido pelo método de activação física com maior área superficial específica foi o carvão preparado a partir do resíduo de wet-blue para um tempo de activação de 40 minutos e grau de queima de 23 % (SBET = 152 m2/g). Para a activação química, procedeu-se à impregnação dos precursores com KOH usando razões mássicas de impregnação KOH:precursor de 0,5:1, 1:1 e 3:1. A impregnação foi efectuada directamente nos resíduos de wet-blue e de wet-white e nos resíduos de wet-blue e de wet-white carbonizados. A activação foi efectuada a 940 ºC sob uma atmosfera inerte, com uma velocidade de aquecimento de 5 ºC/min, e um tempo de activação de 1 hora. No caso da série de carvões activados obtidos por impregnação do precursor, o carvão que exibe melhores propriedades texturais é o carvão activado preparado por impregnação na razão de 1:1 a partir do resíduo de wet-blue (SBET = 1696 m2/g). Na série de carvões activados preparados por impregnação do precursor carbonizado, o carvão com melhores propriedades texturais é o carvão proveniente da impregnação do carbonizado do resíduo de wet-blue na razão de 3:1 (SBET = 1507 m2/g). Os carvões activados obtidos por este método de activação são essencialmente microporosos e com elevada área superficial específica. Testes de adsorção preliminares mostram que estes carvões activados têm um bom desempenho para a remoção de cor de efluentes da indústria de curtumes. Concluiu-se que por activação química com KOH dos resíduos de wet-blue e wet-white se obtêm carvões activados com boas propriedades texturais, elevadas áreas superficiais específicas e elevado volume de microporos, quando comparadas com as dos carvões activados resultantes da activação física. Deste modo, chegou-se à conclusão que ambos os resíduos são bons precursores para a produção de carvão activado, mais propriamente recorrendo à activação química, reduzindo assim o volume de resíduos da indústria de curtumes destinados ao aterro.

Projecto de pré-dimensionamento de uma ETAR em Luanda - Angola

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Hidráulica

Valorização de lamas de tratamento de águas residuais urbanas para utilização agrícola

Trabalho de Dissertação de Natureza Científica para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização em Hidráulica