Utilização de metanol, etanol e metano como doadores de elétrons para a desnitrificação

Esta tese apresenta e discute os dados obtidos a partir de trabalho experimental projetado para avaliar comparativamente o desempenho de reatores desnitrificantes em batelada, tendo etanol, metanol e gás metano como doadores de elétrons. Os experimentos foram realizados em reatores em escala de bancada. Os ensaios com gás metano objetivaram verificar a efetividade deste sub-produto de reatores anaeróbios em substituir os doadores exógenos de elétrons comumente utilizados, tais como metanol e etanol. Para alcançar o objetivo principal deste trabalho, os parâmetros cinéticos de desnitrificação, para os doadores de elétrons ensaiados, foram determinados nas diferentes condições operacionais. Além disso, as alterações ocorridas na população microbiana, ao longo do período experimental, foram avaliadas em relação à diversidade microbiana, por meio de análises microscópicas (óptica, de fluorescência e eletrônica de varredura) e da técnica de Biologia Molecular de PCR/DGGE. A completa desnitrificação foi alcançada para todos os compostos testados, e o etanol foi o doador de elétrons mais eficiente para a desnitrificação. A melhor razão carbono-nitrogênio para a desnitrificação foi igual a 1,0. Contudo, este parâmetro foi encontrado ser inadequado para utilização no processo de desnitrificação, uma vez que não expressa a capacidade real do composto usado em doar elétrons. A desnitrificação com metano ocorreu tanto na presença como na ausência de oxigênio, embora a baixas velocidades quando comparado com os outros compostos. No entanto, a configuração do reator utilizado neste estudo não foi adequada para promover a efetiva dissolução do gás metano na fase líquida. Por essa razão, sugere-se o desenvolvimento de configurações de reatores apropriadas para minimizar as resistências à transferência de massa da fase gasosa para a líquida e também desta para a biomassa.

Tratamento de água residuária parcialmente solúvel em reator anaeróbio em batelada seqüencial contendo biomassa imobilizada e agitação mecânica: análise da influência da intensidade de agitação e do tamanho de biopartícula

Neste trabalho de doutorado utilizou-se um reator anaeróbio em batelada seqüencial contendo biomassa imobilizada em matrizes cúbicas de espuma de poliuretano e agitação mecânica, com volume total de 5.5 L e volume útil de 4.5 L. A agitação do meio líquido foi realizada com quatro tipos de impelidores (turbina tipo hélice, lâminas planas, lâminas planas inclinadas e lâminas curvas, testados individualmente, sempre em número de 3), com 6 cm de diâmetro. A pesquisa foi realizada em quatro etapas experimentais. A etapa 1 objetivou determinar o tempo de mistura no reator para cada tipo de impelidor, ou seja, o tempo necessário para que o meio líquido ficasse totalmente homogêneo. A etapa 2 objetivou selecionar o tipo de impelidor e a respectiva intensidade de agitação que garantisse a minimização da resistência à transferência de massa externa no sistema. As intensidades de agitação testadas variaram de 200 a 1100 rpm, dependendo do tipo de impelidor. A etapa 3 foi realizada com tipo de impelidor e intensidade de agitação definidos na etapa 2, mas variando-se o tamanho da biopartícula (0,5, 1,0, 2,0 e 3,0 cm de aresta). O objetivo desta etapa foi selecionar o tamanho de biopartícula que minimizasse a resistência à transferência de massa interna. De posse das condições operacionais otimizadas (tipo de impelidor, intensidade de agitação e tamanho de partícula de suporte), a etapa 4 constituiu na aplicação das mesmas para o tratamento de um resíduo real, sendo escolhida água residuária de suinocultura. Na etapa 1, os resultados mostraram que os tempos de mistura para todos os tipos de impelidores foram desprezíveis em relação ao tempo total de ciclo. A etapa 2 revelou tempos de partida muito curtos (cerca de 20 dias), em todas as condições testadas, sendo atingidas remoções de DQO próximas de 70%. Além disso, o tipo de impelidor exerceu grande influência na qualidade final do efluente, fato este claramente constatado quando as frações de DQO foram consideradas separadamente (filtrada e suspensa). De acordo com os resultados obtidos na etapa 3, o tamanho da biopartícula teve influência decisiva no desempenho do sistema, nas condições testadas. As velocidades de dissolução foram aparentemente influenciadas pelo empacotamento do leito de espuma, enquanto que o consumo da fração de DQO correspondente às amostras filtradas foi provavelmente influenciado por fatores mais complexos. Finalmente, o teste realizado com resíduo diluído de suinocultura demonstrou que a operação do reator em estudo para o tratamento deste tipo de água residuária é possível. Os dados operacionais mostraram que o reator permaneceu estável durante o período testado. A agitação mecânica provou ser eficiente para melhorar a degradação da DQO suspensa, um dos maiores problemas no tratamento deste tipo de água residuária. Sendo assim, de acordo com os dados experimentais obtidos ao longo do trabalho, pode-se afirmar que a agitação em reatores em batelada mostrou-se importante não somente para proporcionar boas condições de mistura ou melhorar a transferência de massa na fase líquida, mas também para melhorar a solubilização da matéria orgânica particulada, melhorando as velocidades de consumo de matéria orgânica.

Critical behavior of the specific heat in glass formers

We show numeric evidence that, at low enough temperatures, the potential energy density of a glass-forming liquid fluctuates over length scales much larger than the interaction range. We focus on the behavior of translationally invariant quantities. The growing correlation length is unveiled by studying the finite-size effects. In the thermodynamic limit, the specific heat and the relaxation time diverge as a power law. Both features point towards the existence of a critical point in the metastable supercooled liquid phase.

Estudo da substituição da fluorita por alumina ou sodalita e de cal por resíduo de mármore em escórias sintéticas dessulfurantes.

A siderurgia vem sofrendo transformações que buscam inovação e matérias-primas alternativas. Dentro deste contexto, o uso de resíduos industriais para a formação de escórias sintéticas é tido como alternativa na busca de novos materiais e rotas de reaproveitamento de resíduos. Portanto, este trabalho teve como objetivo estudar o uso de escórias sintéticas na etapa de dessulfuração do ferro-gusa, aço e ferro fundido. Assim como, propor a utilização da sodalita e da alumina em substituição à fluorita e o resíduo de mármore em substituição à cal convencional. Inicialmente, o resíduo foi caracterizado utilizando as seguintes técnicas: análise química, análise granulométrica, área de superfície específica, difração de raios-X, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e análise de espectroscopia por energia dispersiva (EDS). Os resultados da caracterização mostraram que aproximadamente 90% das partículas do resíduo de mármore estão abaixo de 100m e sua área superficial foi de 0,24m²/g. Através da difração de raios-X foi observado que o resíduo é composto por CaCO3, MgCO3 e SiO2. Na sequência, foram feitas simulações com o software Thermo-Calc para obter dados termodinâmicos das fases presentes nas misturas e compará-los com os resultados experimentais. Além disso, também foram calculados dados de capacidade de sulfeto (Cs), partição de enxofre (Ls) e basicidade ótica () das misturas iniciais. Posteriormente, foram realizados os ensaios experimentais em escala laboratorial para ferro-gusa, ferro fundido e aço, respectivamente nas temperaturas de 1400°C, 1550°C e 1600°C. Nos ensaios de dessulfuração do aço e do ferro-gusa, utilizou-se um rotor de alumina com o objetivo de favorecer a agitação no metal e aumentar a remoção de enxofre. Na etapa de dessulfuração do ferro-gusa, constatou-se que a fase sólida de CaO é a responsável pela remoção de enxofre e que a presença das fases silicato tricálcio e aluminato tricálcio (3CaO.SiO2 e 3CaO.Al2O3) limitam a reação, sendo maiores suas concentrações nas escórias que utilizaram o resíduo de mármore e sodalita, devido a presença de SiO2 e Al2O3 nestas matérias-primas. Já para o aço e o ferro fundido, que foram estudados com escórias à base de CaO e Al2O3, observou-se que o aumento da fase líquida favoreceu a dessulfuração. Verificou-se que a dessulfuração no ferro fundido foi por escória de topo e no aço por um processo misto, onde a fase líquida e fase sólida participaram da dessulfuração.

Estudo da remediação de um aquífero contaminado com sulfato e metais através de barreira reativa permeável orgânica.

Este trabalho teve como objetivo geral estudar a viabilidade técnica de utilizar bagaço de cana como meio reativo de barreiras reativas permeáveis (BRP) para remoção de sulfato e metais de águas subterrâneas contaminadas. O estudo baseou-se em investigação experimental, por meio de ensaios laboratoriais de coluna, e em modelagem matemática, para a qual utilizaram-se também alguns dados obtidos em um estudo de caso de uma unidade industrial contaminada com sulfato e metais. Neste local contaminado, as características hidrogeológicas e topográficas propiciam a utilização de uma barreira reativa permeável como técnica de remediação. Barreiras reativas permeáveis são uma alternativa para remediação de águas subterrâneas que vem progredindo rapidamente na última década, a partir de ensaios de bancada e coluna em laboratório para implementação em escala real em campo. Três colunas bióticas foram montadas utilizando bagaço de cana como meio reativo e um material de base poroso constituído de areia e cascalho para fornecer adequada condutividade hidráulica, com a proporção de 1:28 em massa seca. Também foi adicionado ao meio reativo um inóculo bacteriano composto por esterco bovino dissolvido. Uma quarta coluna, sem inóculo e contendo um agente biocida, compôs o experimento branco (abiótico). Uma solução sintética foi introduzida nas colunas simulando condições da água subterrânea do estudo de caso, com velocidade de Darcy em torno de 2,0x10-7 m/s composta por sulfato e metais (zinco e níquel) com concentrações de 6.000 mg/L e 15 mg/L, respectivamente. Os resultados das análises da fase líquida das colunas bióticas apresentaram: (i) média da taxa de remoção de sulfato durante todo o tempo do experimento de 49 mg/L/dia; (ii) as concentrações de Zn e Ni diminuíram de 15 mg/L para valores não detectáveis pela técnica analítica utilizada (< 0,01 mg/L); (iii) aumento do pH de 5.5-5.8 para valores entre 6,8-8,0; (iv) redução do valor do potencial de óxido redução (Eh) para valores de até -200mV. Não foram observadas reduções das concentrações de metais e sulfato na fase líquida da coluna abiótica e os valores de pH e Eh permaneceram dentro das faixas iniciais. Análises nas fases sólidas das colunas bióticas por MEV e EDS após o término do experimento identificaram a presença de Ni, Zn, S e Mn, indicando a precipitação desses metais em forma de sulfetos. Estes elementos não foram detectados na fase sólida da coluna abiótica. Assim, pôde-se inferir que toda a remoção de sulfato verificada nas colunas bióticas pode ser atribuída a redução bacteriana de sulfato. A partir das condições experimentais dos ensaios, foi realizada a modelagem e o dimensionamento da BRP. Para a estimativa da cinética de redução de sulfato, aplicou-se a solução analítica de Van Genuchten para transporte de contaminantes com degradação, obtendo-se uma taxa de decaimento de primeira ordem de 0,01 dia-1. A determinação da espessura e tempo de residência da barreira foi realizada considerando que a concentração de sulfato na saída da barreira fosse menor ou igual a 250 mg/L. O resultado do dimensionamento de uma BRP preenchida com bagaço de cana e areia nas proporções de 1:28 em massa seca resultaria em uma BRP de 7,1 m de espessura, com tempo de residência de 950 dias, no local de estudo de caso. Caso fosse utilizado o dobro da proporção de bagaço de cana e areia em massa seca (1:14), a implantação da BRP apresentar-se-ia viável, com espessura aproximada de 4 m. Através destes resultados, pôde ser comprovada a hipótese de que bagaço de cana como substrato e esterco bovino como inóculo compõem um meio reativo viável para a redução de sulfato e precipitação de metais em uma BRP.

Estudo do processo de absorção e dessorção de CO2 na solução aquosa de metildietanolamina e piperazina.

Estudou-se o processo de absorção e dessorção de CO2 em solução aquosa da mistura de metildietanolamina (MDEA) e piperazina (PZ). Os ensaios de absorção foram realizados numa coluna de parede molhada com promotor de película, e, os ensaios de dessorção num sistema de semibatelada, ambos em escala de laboratório. Os testes experimentais de absorção foram realizados a 298 K e pressão atmosférica, com vazão de gás (CO2 e ar atmosférico) de 2,2.10-4 m3 s-1 e as seguintes vazões de líquido: 1,0.10-6; 1,3.10-6 e 1,7.10-6 m3 s-1. O sistema de absorção foi caracterizado através da determinação da área interfacial, a, o coeficiente volumétrico de transferência de massa, kGa, e o coeficiente volumétrico global médio de transferência de massa, KGa. No caso dos ensaios de dessorção, estes foram realizados nas temperaturas de 353, 363 e 368 K, onde empregou-se uma solução carbonatada de 10% PZ-20% MDEA e uma corrente de ar atmosférico nas vazões de 1,1.10-5 m3 s-1 e 2,7.10-5 m3 s-1. Este sistema foi caracterizado através da determinação do coeficiente volumétrico global de transferência de massa, KLa. Os resultados experimentais da área interfacial mostram que este é função da vazão do líquido, sugerindo uma maior área de irrigação como o aumento desta, onde teve-se uma maior área de transferência de massa. O resultado do parâmetro, KGa, indica uma dependência da vazão de líquido, a qual está associada à variação da área interfacial e à dependência do parâmetro KG com o perfil das concentrações da MDEA e PZ ao longo da coluna. A partir da teoria do duplo filme e pelo conhecimento dos parâmetros KGa, a e kGa, estimou-se um parâmetro cinético-difusivo associado à fase líquida, (( ) ) . Os resultados experimentais mostram que esse parâmetro varia pouco com a vazão de líquido, indicando tratar-se de um processo independente da hidrodinâmica do líquido, característico de sistemas com reação rápida. A concentração das aminas e carbamatos, nos ensaios de absorção e dessorção, foi determinada através dos modelos de calibração obtidas pela técnica de espectroscopia no infravermelho. Nos ensaios de absorção, foram observados que a concentração de PZ teve uma variação considerável (4 a 5% massa massa-1), entanto que a de MDEA variou pouco (0,3 a 0,5% massa massa-1), sugerindo que o processo de absorção de CO2 na mistura MDEA-PZ é controlado principalmente pela PZ, e supõe-se que a MDEA tem um papel de receptor de prótons procedentes da reação entre a PZ e o CO2. Nos ensaios de dessorção, observou-se que esse processo é afetado pela temperatura, sendo que, em temperaturas perto da ebulição (372 K), a taxa de dessorção de CO2 é maior do que em temperaturas menores, em certa forma é devido à dependência da velocidade de reação química com a temperatura. Os resultados do parâmetro KLa indicam que este diminui em função da concentração de carbamato de PZ (por exemplo, na temperatura de 368 K, de 7,5.10-4 a 1,0.10-4 s-1), devido a que este componente é decomposto em altas temperaturas gerando o CO2 e as aminas, sugerindo uma diminuição na velocidade de dessorção de CO2. Assim também, os resultados experimentais do parâmetro KLa indicam que este aumenta ligeiramente com a vazão do gás.

Solubility, Density, Refractive Index, and Viscosity for the Polyhydric Alcohol + CsBr + H2O Ternary Systems at Different Temperatures

The solubility, density, refractive index, and viscosity data for the ethylene glycol + CsBr + H2O, 1,2-propanediol + CsBr + H2O, and glycerin + CsBr + H2O ternary systems have been determined at (288.15, 298.15, and 308.15) K. In all cases, the solubility of CsBr in aqueous solutions was decreased significantly due to the presence of polyhydric alcohol. The liquid–solid equilibrium experimental data were correlated using the NRTL (nonrandom two-liquid) activity coefficient model, considering nondissociation of the dissolved salt in the liquid phase, and new interaction parameters were estimated. The mean deviations between calculated and experimental compositions were low, showing the good descriptive quality and applicability of the NRTL model. The refractive indices, densities, and viscosities for the unsaturated solutions of the three ternary systems have also been measured at three temperatures. Values for all of the properties were correlated with the salt concentrations and proportions of polyhydric alcohol in the solutions.

Pitfalls in the Evaluation of the Thermodynamic Consistency of Experimental VLE Data Sets

The thermodynamic consistency of almost 90 VLE data series, including isothermal and isobaric conditions for systems of both total and partial miscibility in the liquid phase, has been examined by means of the area and point-to-point tests. In addition, the Gibbs energy of mixing function calculated from these experimental data has been inspected, with some rather surprising results: certain data sets exhibiting high dispersion or leading to Gibbs energy of mixing curves inconsistent with the total or partial miscibility of the liquid phase, surprisingly, pass the tests. Several possible inconsistencies in the tests themselves or in their application are discussed. Related to this is a very interesting and ambitious initiative that arose within the NIST organization: the development of an algorithm to assess the quality of experimental VLE data. The present paper questions the applicability of two of the five tests that are combined in the algorithm. It further shows that the deviation of the experimental VLE data from the correlation obtained by a given model, the basis of some point-to-point tests, should not be used to evaluate the quality of these data.

Insight into the immobilization of ionic liquids on porous carbons

Very different carbon materials have been used as support in the preparation of supported ionic liquid phase samples (SILP). Some of them have been oxidized, either strongly (with ammonium persulfate solution) or weakly (with air at 300 °C, 2 h). The purpose is to establish which properties of the supports (e.g., porosity -volume and type-, surface area, oxygen surface chemistry and morphology) determine the IL adsorption capacity and the stability (immobilization) of the supported IL phase. The ionic liquid used in this work is 1-butyl-3-methyl-imidazolium hexafluorophosphate ([bmim][PF6]). For each support, samples with different amounts of ionic liquid have been prepared. The maximum IL that can be loaded depends mainly on the total pore volume of the supports. For comparable pore volumes, the porosity type and the oxygen surface content have no influence on the IL loading. The supported IL fills most of the pores, leaving some blocked porosity. The stability of the supported IL phase (especially important for its subsequent use in catalysis) has been tested in water under general hydrogenation conditions (60 °C and 10 bar H2). In general, leaching is low but it increases with the amount of IL loaded and with the oxidation treatments of the supports.

Spectroscopic, calorimetric, and catalytic evidences of hydrophobicity on Ti-MCM-41 silylated materials for olefin epoxidations

Hydrophobic Ti-MCM-41 samples prepared by post-synthesis silylation treatment demonstrate to be highly active and selective catalysts in olefins epoxidation by using organic hydroperoxides as oxidizing agents in liquid phase reaction systems. Epoxide yields show important enhancements with increased silylation degrees of the Ti-mesoporous samples. Catalytic studies are combined and correlated with spectroscopic techniques (e.g. XRD, XANES, UV-Visible, 29Si MAS-NMR) and calorimetric measurements to better understand the changes in the surface chemistry of Ti-MCM-41 samples due to the post-synthesis silylation treatment and to ascertain the role of these trimethylsilyl groups incorporated in olefin epoxidation. In such manner, the effect of the organic moieties on solids, and both water and glycol molecules contents on the catalytic activity and selectivity are analyzed in detail. Results show that the hydrophobicity level of the samples is responsible for the decrease in water adsorption and, consequently, the negligible formation of the non-desired glycol during the catalytic process. Thus, catalyst deactivation by glycol poisoning of Ti active sites is greatly diminished, this increasing catalyst stability and leading to practically quantitative production of the corresponding epoxide. The extended use of these hydrophobic Ti-MCM-41 catalysts together with organic hydroperoxides for the highly efficient and selective epoxidation of natural terpenes is also exemplified.

Synthesis of palladium nanoparticles on carbon nanotubes and graphene for the chemoselective hydrogenation of para-chloronitrobenzene

We have studied the synthesis of palladium nanoparticles over carbon nanotubes (Pd/CNT) and graphene (Pd/G) and we have tested their catalytic performance in the liquid phase chemoselective hydrogenation of para-chloronitrobenzene at room temperature. The catalysts were characterized by N2 adsorption/desorption isotherms, TEM, X-ray diffraction, infrared and X-ray photoelectron spectroscopy and ICP-OES. The palladium particle size on Pd/G (3.4 nm) and Pd/CNT (2.8 nm) was similar though the deposition was higher on Pd/G. Pd/CNT was more active which can be ascribed to the different surface area and electronic properties of the Pd nanoparticles over CNT, while the selectivity was 100% to the corresponding haloaniline over both catalysts and they were quite stable upon recycling.

(Table 1) Chemical composition of oceanic phosphates and their selenium content

Selenium content of phosphate material from the ocean bottom ranges from 0.2 to 4.7 mg/kg. Phosphorites of various ages from the Atlantic and Pacific Oceans contain 1.0-2.4 mg/kg of selenium, phosphatized coproliths 0.7-1.2 mg/kg, fish bones 0.2-1,4 mg/kg, and bones of marine mammals 0.5-4.7 mg/kg. Recent diatom muds on the shelf of Namibia are considerably enriched in selenium (12.2-13.8 mg/kg) than phosphorites that form within them. Accumulation of selenium in phosphate material on the ocean bottom results from diagenetic reduction, causing it to be precipitated from liquid phase and to concentrate in organic components and sulfides.

Developments in the Theory of X-ray Absorption and Compton Scattering.

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Treatment of naphthalene-2-sulfonic acid from tannery wastewater by a granular activated carbon fixed bed inoculated with bacterial isolates Arthrobacter globiformis and Comamonas testosteroni

The kinetics of naphthalene-2-sulfonic acid (2-NSA) adsorption by granular activated carbon (GAC) were measured and the relationships between adsorption, desorption, bioavailability and biodegradation assessed. The conventional Langmuir model fitted the experimental sorption isotherm data and introduced 2-NSA degrading bacteria, established on the surface of the GAC, did not interfere with adsorption. The potential value of GAC as a microbial support in the aerobic degradation of 2-NSA by Arthrobacter globiformis and Comamonas testosteroni was investigated. Using both virgin and microbially colonised GAC, adsorption removed 2-NSA from the liquid phase up to its saturation capacity of 140 mg/g GAC within 48 h. However, between 83.2% and 93.3% of the adsorbed 2-NSA was bioavailable to both bacterial species as a source of carbon for growth. In comparison to the non-inoculated GAC, the combination of rapid adsorption and biodegradation increased the amount (by 70–93%) of 2-NSA removal from the influent phase as well as the bed-life of the GAC (from 40 to >120 d). A microbially conditioned GAC fixed-bed reactor containing 15 g GAC removed 100% 2-NSA (100 mg/l) from tannery wastewater at an empty bed contact time of 22 min for a minimum of 120 d without the need for GAC reconditioning or replacement. This suggests that small volume GAC bioreactors could be used for tannery wastewater recycling.

Adsorption study for removal of basic red dye using bentonite

Colored wastewater poses a challenge to the conventional wastewater treatment techniques. Solid-liquid phase adsorption has been found to be effective for the removal of dyes from effluent. In this paper, the ability of bentonite as an adsorbent for the removal of a commercial dye, Basic Red 2 (BR2), from an aqueous solution has been investigated under various experimental conditions. The adsorption kinetics was shown to be pseudo-second-order. It was found that bentonite had high adsorption capacity for BR2 due to cation exchange. The adsorption equilibrium data can be fitted well by the Langmuir adsorption isotherm model. The effect of the experimental parameters, such as temperature, salt, and pH was investigated through a number of batch adsorption experiments. It was found that the removal of dye increased with the increase in solution pH. However, the change of temperature (15-45 degrees C) and the addition of sodium chloride were found to have little effect on the adsorption process. The results show that electrostatic interactions are not dominant in the interaction between BR2 and bentonite. It was found that the adsorption was a rapid process with 80-90% of the dye removed within the first 2-3 min. Bentonite as an adsorbent is promising for color removal from wastewater.