Catalysing sustainable fuel and chemical synthesis

Concerns over the economics of proven fossil fuel reserves, in concert with government and public acceptance of the anthropogenic origin of rising CO2 emissions and associated climate change from such combustible carbon, are driving academic and commercial research into new sustainable routes to fuel and chemicals. The quest for such sustainable resources to meet the demands of a rapidly rising global population represents one of this century’s grand challenges. Here, we discuss catalytic solutions to the clean synthesis of biodiesel, the most readily implemented and low cost, alternative source of transportation fuels, and oxygenated organic molecules for the manufacture of fine and speciality chemicals to meet future societal demands.

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.

Historical carbon emissions and uptake from the agricultural frontier of the Brazilian Amazon

Tropical ecosystems play a large and complex role in the global carbon cycle. Clearing of natural ecosystems for agriculture leads to large pulses of CO(2) to the atmosphere from terrestrial biomass. Concurrently, the remaining intact ecosystems, especially tropical forests, may be sequestering a large amount of carbon from the atmosphere in response to global environmental changes including climate changes and an increase in atmospheric CO(2). Here we use an approach that integrates census-based historical land use reconstructions, remote-sensing-based contemporary land use change analyses, and simulation modeling of terrestrial biogeochemistry to estimate the net carbon balance over the period 1901-2006 for the state of Mato Grosso, Brazil, which is one of the most rapidly changing agricultural frontiers in the world. By the end of this period, we estimate that of the state`s 925 225 km(2), 221 092 km(2) have been converted to pastures and 89 533 km(2) have been converted to croplands, with forest-to-pasture conversions being the dominant land use trajectory but with recent transitions to croplands increasing rapidly in the last decade. These conversions have led to a cumulative release of 4.8 Pg C to the atmosphere, with similar to 80% from forest clearing and 20% from the clearing of cerrado. Over the same period, we estimate that the residual undisturbed ecosystems accumulated 0.3 Pg C in response to CO2 fertilization. Therefore, the net emissions of carbon from Mato Grosso over this period were 4.5 Pg C. Net carbon emissions from Mato Grosso since 2000 averaged 146 Tg C/yr, on the order of Brazil`s fossil fuel emissions during this period. These emissions were associated with the expansion of croplands to grow soybeans. While alternative management regimes in croplands, including tillage, fertilization, and cropping patterns promote carbon storage in ecosystems, they remain a small portion of the net carbon balance for the region. This detailed accounting of a region`s carbon balance is the type of foundation analysis needed by the new United Nations Collaborative Programmme for Reducing Emissions from Deforestation and Forest Degradation (REDD).

The Amazon Frontier of Land-Use Change: Croplands and Consequences for Greenhouse Gas Emissions

The Brazilian Amazon is one of the most rapidly developing agricultural frontiers in the world. The authors assess changes in cropland area and the intensification of cropping in the Brazilian agricultural frontier state of Mato Grosso using remote sensing and develop a greenhouse gas emissions budget. The most common type of intensification in this region is a shift from single-to double-cropping patterns and associated changes in management, including increased fertilization. Using the enhanced vegetation index (EVI) from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) sensor, the authors created a green-leaf phenology for 2001-06 that was temporally smoothed with a wavelet filter. The wavelet-smoothed green-leaf phenology was analyzed to detect cropland areas and their cropping patterns. The authors document cropland extensification and double-cropping intensification validated with field data with 85% accuracy for detecting croplands and 64% and 89% accuracy for detecting single-and double-cropping patterns, respectively. The results show that croplands more than doubled from 2001 to 2006 to cover about 100 000 km(2) and that new double-cropping intensification occurred on over 20% of croplands. Variations are seen in the annual rates of extensification and double-cropping intensification. Greenhouse gas emissions are estimated for the period 2001-06 due to conversion of natural vegetation and pastures to row-crop agriculture in Mato Grosso averaged 179 Tg CO(2)-e yr(-1),over half the typical fossil fuel emissions for the country in recent years.

Net greenhouse gas fluxes in Brazilian ethanol production systems

Biofuels are both a promising solution to global warming mitigation and a potential contributor to the problem. Several life cycle assessments of bioethanol have been conducted to address these questions. We performed a synthesis of the available data on Brazilian ethanol production focusing on greenhouse gas (GHG) emissions and carbon (C) sinks in the agricultural and industrial phases. Emissions of carbon dioxide (CO(2)) from fossil fuels, methane (CH(4)) and nitrous oxide (N(2)O) from sources commonly included in C footprints, such as fossil fuel usage, biomass burning, nitrogen fertilizer application, liming and litter decomposition were accounted for. In addition, black carbon (BC) emissions from burning biomass and soil C sequestration were included in the balance. Most of the annual emissions per hectare are in the agricultural phase, both in the burned system (2209 out of a total of 2398 kg C(eq)), and in the unburned system (559 out of 748 kg C(eq)). Although nitrogen fertilizer emissions are large, 111 kg C(eq) ha-1 yr-1, the largest single source of emissions is biomass burning in the manual harvest system, with a large amount of both GHG (196 kg C(eq) ha-1 yr-1). and BC (1536 kg C(eq) ha-1 yr-1). Besides avoiding emissions from biomass burning, harvesting sugarcane mechanically without burning tends to increase soil C stocks, providing a C sink of 1500 kg C ha-1 yr-1 in the 30 cm layer. The data show a C output: input ratio of 1.4 for ethanol produced under the conventionally burned and manual harvest compared with 6.5 for the mechanized harvest without burning, signifying the importance of conservation agricultural systems in bioethanol feedstock production.

Desalination of water by reverse osmosis using gravitational potential energy and wind energy

This paper proposes ail alternative configuration to conventional reverse osmosis (RO) desalination systems by incorporating the use of gravitational potential energy. The proposal suggests a model that can be viewed as the energy station of a RO desalination plant. Conventionally, RO plants use a high-pressure pump, powered by electricity or fossil fuel. The function of the pump is to send a flux of saline water to a group of semi-permeable membrane modules, capable of ""filtering"" the dissolved salts. In this proposed model, we intend to achieve a flux at the inlet of the membrane modules with a pressure high enough for the desalination process, without using, either electricity or fossil fuels. To do this we divised a hybrid system that uses both gravitational potential energy and wind energy. The technical viability of the alternative was theoretically proven by deductions based on physics and mathematics.

Sequestration of carbon by soil

Soil carbon is a major component of the terrestrial carbon cycle. The soils of the world contain more carbon than the combined total amounts occurring in vegetation and the atmosphere. Consequently, soils are a major reservoir of carbon and an important sink. Because of the relatively long period of time that carbon spends within the soil and is thereby withheld from the atmosphere, it is often referred to as being sequestered. Increasing the capacity of soils to sequester C provides a partial, medium-term countermeasure to help ameliorate the increasing CO2 levels in the atmosphere arising from fossil fuel burning and land clearing. Such action will also help to alleviate the environmental impacts arising from increasing levels of atmospheric CO2. The C sequestration potential of any soil depends on its capacity to store resistant plant components in the medium term and to protect and accumulate the humic substances (HS) formed from the transformations or organic materials in the soil environment. The sequestration potential of a soil depends on the vegetation it supports, its mineralogical composition, the depth of the solum, soil drainage, the availability of water and air, and the temperature of the soil environment. The sequestration potential also depends on the chemical characteristics of the soil organic matter and its ability to resist microbial decomposition. When accurate information for these features is incorporated in model systems, the potentials of different soils to sequester C can be reliably predicted. It is encouraging to know that improved soil and crop management systems now allow field yields to be maintained and soil C reserves to be increased, even for soils with depleted levels of soil C. Estimates of the soil C sequestration potential are discussed. Inevitably HS are the major components of the additionally sequestered C. It will be important to know more about the compositions and associations of these substances in the soil if we are able to predict reasonably accurately the ability of any soil type to sequester C in different cropping and soil management systems.

Simulação interactiva do mercado de energia eléctrica

A área de comercialização de energia eléctrica conheceu uma profunda mudança após a liberalização do sector eléctrico, que levou à criação de algumas entidades, as quais gerem os mercados de electricidade europeus. Relativamente a Portugal e Espanha, durante esse processo de liberalização, deu-se também um acordo que os levou à criação de um mercado conjunto, um mercado Ibérico (MIBEL). Dentro deste mercado estão contemplados dois operadores, sendo que um deles representa o pólo Português (OMIP) e o outro representa o pólo Espanhol (OMEL). O OMIP contempla os mercados a prazo, ou futuros, normalmente apresenta contratos de energia comercializada com durabilidade de semanas, meses, trimestres, semestres ou mesmo anos. Diariamente estes contratos poderão vencer no OMEL, que engloba os mercados, diário e intradiário. Este, ao contrário do OMIP negoceia para o dia seguinte (mercado diário) ou para uma determinada altura do dia (mercado intra diário). O mercado diário será o exemplo usado para a criação do simulador interactivo do mercado de energia eléctrica. Este será composto por diversos utilizadores (jogadores), que através de uma plataforma HTML irão investir em centrais de energia eléctrica, negociar licitações e analisar o funcionamento e resultados deste mercado. Este jogo subdividir-se-á então em 3 fases: 1. Fase de investimento; 2. Fase de venda (licitações); 3. Fase de mercado. Na fase do investimento, o jogador terá a possibilidade de adquirir unidades de geração de energia eléctrica de seis tipos de tecnologia: 1. Central a Carvão; 2. Central de Ciclo Combinado; 3. Central Hídrica; 4. Central Eólica; 5. Central Solar; 6. Central Nuclear. Com o decorrer das jogadas o jogador poderá aumentar a sua capacidade de investimento, com a venda de energia, sendo o vencedor aquele que mais saldo tiver no fim do número de jogadas previamente definidos, ou aquele que mais depressa atingir o saldo definido como limite pelo administrador do jogo. A nível pedagógico este simulador é muito interessante pois para além de o utilizador ficar a conhecer as tecnologias em causa e as vantagens e desvantagens das centrais de energia renovável e das centrais a combustíveis fósseis, este ganha igualmente uma sensibilidade para questões de nível ambiental, tais como o aumento dos gases de estufa e o degelo resultante do aquecimento global provocado por esses gases. Para além do conhecimento adquirido na parte de energia eléctrica este jogo dará a conhecer ao utilizador o funcionamento do mercado da energia eléctrica, bem como as tácticas que este poderá usar a seu favor neste tipo de mercado.

A simulation study on the abatement of CO2 emissions by de-absorption with monoethanolamine

Because of the adverse effect of CO2 from fossil fuel combustion on the earth's ecosystems, the most cost-effective method for CO2 capture is an important area of research. The predominant process for CO2 capture currently employed by industry is chemical absorption in amine solutions. A dynamic model for the de-absorption process was developed with monoethanolamine (MEA) solution. Henry's law was used for modelling the vapour phase equilibrium of the CO2, and fugacity ratios calculated by the Peng-Robinson equation of state (EOS) were used for H2O, MEA, N-2 and O-2. Chemical reactions between CO2 and MEA were included in the model along with the enhancement factor for chemical absorption. Liquid and vapour energy balances were developed to calculate the liquid and vapour temperature, respectively.

OC/EC ratio observations in Europe: Re-thinking the approach for apportionment between primary and secondary organic carbon

This study explores a large set of OC and EC measurements in PM(10) and PM(2.5) aerosol samples, undertaken with a long term constant analytical methodology, to evaluate the capability of the OC/EC minimum ratio to represent the ratio between the OC and EC aerosol components resulting from fossil fuel combustion (OC(ff)/EC(ff)). The data set covers a wide geographical area in Europe, but with a particular focus upon Portugal, Spain and the United Kingdom, and includes a great variety of sites: urban (background, kerbside and tunnel), industrial, rural and remote. The highest minimum ratios were found in samples from remote and rural sites. Urban background sites have shown spatially and temporally consistent minimum ratios, of around 1.0 for PM(10) and 0.7 for PM(2.5).The consistency of results has suggested that the method could be used as a tool to derive the ratio between OC and EC from fossil fuel combustion and consequently to differentiate OC from primary and secondary sources. To explore this capability, OC and EC measurements were performed in a busy roadway tunnel in central Lisbon. The OC/EC ratio, which reflected the composition of vehicle combustion emissions, was in the range of 03-0.4. Ratios of OC/EC in roadside increment air (roadside minus urban background) in Birmingham, UK also lie within the range 03-0.4. Additional measurements were performed under heavy traffic conditions at two double kerbside sites located in the centre of Lisbon and Madrid. The OC/EC minimum ratios observed at both sites were found to be between those of the tunnel and those of urban background air, suggesting that minimum values commonly obtained for this parameter in open urban atmospheres over-predict the direct emissions of OC(ff) from road transport. Possible reasons for this discrepancy are explored. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

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

Mestrado em Engenharia Química

Autoxidação de ácidos gordos na presença de antioxidantes naturais e sintéticos

Nas últimas décadas, devido ao desenvolvimento económico, e a uma necessidade constante de gerir os recursos energéticos, existe uma necessidade de procurar novas fontes de energia, em particular fontes de energia renováveis. O biodiesel surge assim como uma energia alternativa ao combustível fóssil. Este biocombustível tem ganho uma importância significativa na sociedade moderna. Quimicamente o biodiesel é constituído por ésteres metílicos de ácidos gordos de cadeia longa, derivados de óleos vegetais ou gorduras animais. O principal problema que este enfrenta é a sua susceptibilidade à oxidação, devido ao seu conteúdo de ácidos gordos insaturados, logo existe uma procura constante de soluções que possam solucionar este problema. É necessária a identificação de técnicas e métodos para retardar a seu envelhecimento ao longo do tempo. O objectivo deste trabalho consiste no estudo da estabilidade do biodiesel ao longo do tempo, quando armazenado a diferentes condições de temperatura, superiores às normalmente suportadas pelo biodiesel durante o armazenamento, de modo a acelerar o processo de degradação. As amostras de biodiesel foram sujeitas a duas temperaturas. Uma amostra de biodiesel não estabilizado foi colocada a uma temperatura entre 40 e 50ºC ao longo de 203 dias, e uma outra amostra foi colocada a uma temperatura entre 95º e 105ºC ao longo de 146 dias. Realizaram-se ensaios semanais de modo registar a evolução do envelhecimento do biodiesel. As análises foram efectuadas por espectrofotometria de ultravioleta e visível (UV-VIS) e por espectroscopia de absorção na região do infravermelho (FTIR). No UV-VIS foi possível observar que o aumento de temperatura foi responsável pela aceleração da oxidação do biodiesel que resulta num aumento generalizado da absorvância do biodiesel. Através das análises efectuadas no FTIR verificou-se a formação e aumento da banda dos hidroperóxidos (grupo ROOH) localizada entre 3000 e 3600 cm-1 nos espectros, e igualmente um alargamento na banda dos carbonilos (grupo C=O) entre 1500 e 1900 cm-1. Numa fase posterior testaram-se antioxidantes para retardar o envelhecimento do biodiesel. Os ensaios foram efectuados a uma temperatura entre 95º e 105ºC. Os antioxidantes utilizados foram o galhato de propilo (PG), o galhato de etilo (EG) e o ácido gálhico (AG). Recorreu-se a técnicas como o UV-VIS e o FTIR para o registo dos espectros do biodiesel ao longo do tempo. Através destas técnicas foi possível verificar a influência de antioxidantes na estabilidade oxidativa do biodiesel. O PG foi o antioxidante que melhor desempenho mostrou no retardamento da oxidação do biodiesel e a técnica que melhor permitiu analisar a acção dos antioxidantes foi o UVVIS. Os resultados obtidos por FTIR não se mostraram tão conclusivos. Para caracterizar o envelhecimento do biodiesel não estabilizado e estabilizado utilizou-se também a cromatografia gasosa (CG) para quantificar a percentagem de ésteres metílicos presentes nas diferentes amostras no inicio e no fim do processo de oxidação. O biodiesel envelheceu mais rapidamente para temperaturas mais elevadas e comprovou-se que o antioxidante que melhor estabiliza o biodiesel é o PG.

Utilização de co-solventes na produção de biodiesel a partir de óleo residual e etanol por catálise enzimática

A constante e sistemática subida de preço dos combustíveis fósseis e as contínuas preocupações com o meio ambiente determinaram a procura de soluções ambientalmente sustentáveis. O biodiesel surge, então, como uma alternativa para essa problemática, bem como uma solução para resíduos líquidos e gordurosos produzidos pelo ser humano. A produção de biodiesel tem sido alvo de extensa atenção nos últimos anos, pois trata-se de um combustível biodegradável e não poluente. A produção de biodiesel pelo processo de transesterificação usando álcoois de cadeia curta e catalisadores químicos, nomeadamente alcalinos, tem sido aceite industrialmente devido à sua elevada conversão. Recentemente, a transesterificação enzimática tem ganho adeptos. No entanto, o custo da enzima permanece uma barreira para a sua aplicação em grande escala. O presente trabalho visa a produção de biodiesel por transesterificação enzimática a partir de óleo residual de origem vegetal. O álcool usado foi o etanol, em substituição do metanol usado convencionalmente na catálise homogénea, pois a atividade da enzima é inibida pela presença deste último. As maiores dificuldades apresentadas na etanólise residem na separação das fases (Glicerol e Biodiesel) após a reação bem como na menor velocidade de reação. Para ajudar a colmatar esta desvantagem foi estudada a influência de dois cosolventes: o hexano e o hexanol, na proporção de 20% (v/v). Após a escolha do co-solvente que permite obter melhor rendimento (o hexano), foi elaborado um planeamento fatorial no qual se estudou a influência de três variáveis na produção de biodiesel por catálise enzimática com etanol e co-solventes: a razão molar óleo/álcool (1:8, 1:6 e 1:4), a quantidade de co-solvente adicionado (30, 20 e 10%, v/v) e o tempo de reação (48, 36 e 24h). A avaliação do processo foi inicialmente seguida pelo rendimento da reação, a fim de identificar as melhores condições, sendo substituída posteriormente pela quantificação do teor de ésteres por cromatografia em fase gasosa. O biodiesel com teor de ésteres mais elevado foi produzido nas condições correspondentes a uma razão molar óleo:álcool de 1:4, com 5g de Lipozyme TL IM como catalisador, 10% co-solvente (hexano, v/v), à temperatura de 35 ºC durante 24h. O rendimento do biodiesel produzido sob estas condições foi de 73,3%, traduzido em 64,7% de teor de ésteres etílicos. Contudo o rendimento mais elevado que se obteve foi de 99,7%, para uma razão óleo/álcool de 1:8, 30% de co-solvente (hexano, v/v), reação durante 48h a 35 ºC, obtendo-se apenas 46,1% de ésteres. Por fim, a qualidade do biodiesel foi ainda avaliada, de acordo com as especificações da norma EN 14214, através das determinações de densidade, viscosidade, ponto de inflamação, teor de água, corrosão ao cobre, índice de acidez, índice de iodo, teor de sódio (Na+) e potássio (K+), CFPP e poder calorífico. Na Europa, os ésteres etílicos não têm, neste momento, norma que os regule quanto à classificação da qualidade de biodiesel. Contudo, o biodiesel produzido foi analisado de acordo com a norma europeia EN14214, norma esta que regula a qualidade dos ésteres metílicos, sendo possível concluir que nenhum dos parâmetros avaliados se encontra em conformidade com a mesma.

Modelação do aquecimento de água de uma indústria local por meio de energias renováveis e estudo da sua viabilidade económica

Dissertação de Mestrado, Engenharia e Gestão de Sistemas de Água, 12 de Outubro de 2015, Universidade dos Açores.

Conversão de veículos diesel para tração elétrica

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