Studies on the use of Nanokaolin, MWCNT and Graphene in NBR and SBR

The current research investigates the possibility of using unmodified and modified nanokaolin, multiwalled carbon nanotube (MWCNT) and graphene as fillers to impart enhancement in mechanical, thermal, and electrical properties to the elastomers. Taking advantage of latex blending method, nanoclay, MWCNT and graphene dispersions, prepared by ultra sound sonication are dispersed in polymer latices. The improvement in material properties indicated better interaction between filler and the polymer.MWCNT and graphene imparted electrical conductivity with simultaneous improvement in mechanical properties. Layered silicates prepared by microwave method also significantly improve the mechanical properties of the nanocomposites. The thesis entitled ‘Studies on the use of Nanokaolin, MWCNT and Graphene in NBR and SBR’ consists of ten chapters. The first chapter is a concise introduction of nanocomposites, nanofillers, elastomeric matrices and applications of polymer nanocomposites. The state-of-art research in elastomer based nanocomposites is also presented. At the end of this chapter the main objectives of the work are mentioned. Chapter 2 outlines the specifications of various materials used, details of experimental techniques employed for preparing and characterizing nanocomposites. Chapter3 includes characterization of the nanofillers, optimsation of cure time of latex based composites and the methods used for the preparation of latex based and dry rubber based nanocomposites. Chapter4 presents the reinforcing effect of the nanofillers in XNBR latex and the characterization of the nanocomposites. Chapter5 comprises the effect of nanofillers on the properties of SBR latex and their characterization Chapter 6 deals with the study of cure characteristics, mechanical and thermal properties and the characterization of NBR based nanocomposites. Chapter7 is the microwave studies of MWCNT and graphene filled elastomeric nanocomposites. Chapter 8 gives details of the preparation of layered silicates, their characterization and use in different elastomeric matrices. Chapter 9 is the study of mechanical properties of nanoclay incorporated nitrile gloves .Chapter 10 presents the summary and conclusions of the investigation.

Biological nutrient removal in SBR technology: from floccular to granular sludge

Biological nutrient removal has been studied and applied for decades in order to remove nitrogen and phosphorus from wastewater. However, more anthropogenic uses and the continued demand for water have forced the facilities to operate at their maximum capacity. Therefore, the goal of this thesis is to obtain more compact systems for nutrient removal from domestic wastewater. In this sense, optimization and long-term stabilization of high volume exchange ratios reactors, treating higher volumes of wastewater, have been investigated. With the same target, aerobic granular sludge was proposed as a reliable alternative to reduce space and increase loading rates in treatment plants. However, the low organic loading rate from low-strength influents (less than 1 Kg COD•m-3d-1) results in slower granular formation and a longer time to reach a steady state. Because of that, different methodologies and operational conditions were investigated in order to enhance granulation and nutrient removal from domestic wastewater.

Operation and control of SBR processes for enhanced biological nutrient removal from wastewater

In the last decades, the awareness of environmental issues has increased in society considerably. There is an increasing need to improve the effluent quality of domestic wastewater treatment processes. This thesis describes the application of the Sequencing Batch Reactor (SBR) technology for Biological Nutrient Removal (BNR) from the wastewater. In particular, the work presented evolves from the nitrogen removal to the biological nutrient removal (i.e. nitrogen plus phosphorous removal) with special attention to the operational strategy design, the identification of possible reactor cycle controls or the influent composition related to the process efficiency. In such sense, also the use of ethanol as an external carbon (when low influent Carbon:Phosphorus (C:P) or Carbon:Nitrogen (C:N) ratios are presented) are studied as an alternative to maintain the BNR efficiency.

Partial nitritation of landfill leachate in a SBR prior to an anammox reactor : operation and modelling

Els lixiviats d'abocadors urbans són aigües residuals altament contaminades, que es caracteritzen per les elevades concentracions d'amoni i el baix contingut de matèria orgànica biodegradable. El tractament dels lixiviats a través dels processos de nitrificació-desnitrificació convencionals és costós a causa de la seva elevada demanda d'oxigen i la necessitat d'addició d'una font de carboni externa. En els darrers anys, la viabilitat del tractament d'aquest tipus d'afluents per un procés combinat de nitritació parcial-anammox ha estat demostrada. Aquesta tesi es centra en el tractament de lixiviats d'abocador a través d'un procés de nitritació parcial en SBR, com un pas preparatori per a un reactor anammox. Els resultats de l'estudi han demostrat la viabilitat d'aquesta tecnologia per al tractament de lixiviats d'abocador. El treball va evolucionar des d'una escala inicial de laboratori, on el procés va ser testat inicialment, a uns exitosos experiments d'operació a llarg termini a escala pilot. Finalment, la tesi també inclou el desenvolupament, calibració i validació d'un model matemàtic del procés, que té com a objectiu augmentar el coneixement del procés.

Control and optimization of an SBR for nitrogen removal: from model calibration to plant operation

En aquesta tesis s'ha desenvolupat un sistema de control capaç d'optimitzar el funcionament dels Reactors Discontinus Seqüencials dins el camp de l'eliminació de matèria orgànica i nitrogen de les aigües residuals. El sistema de control permet ajustar en línia la durada de les etapes de reacció a partir de mesures directes o indirectes de sondes. En una primera etapa de la tesis s'ha estudiat la calibració de models matemàtics que permeten realitzar fàcilment provatures de diferents estratègies de control. A partir de l'anàlisis de dades històriques s'han plantejat diferents opcions per controlar l'SBR i les més convenients s'han provat mitjançant simulació. Després d'assegurar l'èxit de l'estratègia de control mitjançant simulacions s'ha implementat en una planta semi-industrial. Finalment es planteja l'estructura d'uns sistema supervisor encarregat de controlar el funcionament de l'SBR no només a nivell de fases sinó també a nivell cicle.

SBR technology for wastewater treatment: suitable operational conditions for a nutrient removal

Actualment, la legislació ambiental ha esdevingut més restrictiva pel que fa a la descàrrega d'aigües residuals amb nutrients, especialment en les anomenades àrees sensibles o zones vulnerables. Arran d'aquest fet, s'ha estimulat el coneixement, desenvolupament i millora dels processos d'eliminació de nutrients. El Reactor Discontinu Seqüencial (RDS) o Sequencing Batch Reactor (SBR) en anglès, és un sistema de tractament de fangs actius que opera mitjançant un procediment d'omplerta-buidat. En aquest tipus de reactors, l'aigua residual és addicionada en un sol reactor que treballa per càrregues repetint un cicle (seqüència) al llarg del temps. Una de les característiques dels SBR és que totes les diferents operacions (omplerta, reacció, sedimentació i buidat) es donen en un mateix reactor. La tecnologia SBR no és nova d'ara. El fet, és que va aparèixer abans que els sistema de tractament continu de fangs actius. El precursor dels SBR va ser un sistema d'omplerta-buidat que operava en discontinu. Entre els anys 1914 i 1920, varen sorgir certes dificultats moltes d'elles a nivell d'operació (vàlvules, canvis el cabal d'un reactor a un altre, elevat temps d'atenció per l'operari...) per aquests reactors. Però no va ser fins a finals de la dècada dels '50 principis del '60, amb el desenvolupament de nous equipaments i noves tecnologies, quan va tornar a ressorgir l'interès pels SBRs. Importants millores en el camp del subministrament d'aire (vàlvules motoritzades o d'acció pneumàtica) i en el de control (sondes de nivell, mesuradors de cabal, temporitzadors automàtics, microprocessadors) han permès que avui en dia els SBRs competeixin amb els sistemes convencional de fangs actius. L'objectiu de la present tesi és la identificació de les condicions d'operació adequades per un cicle segons el tipus d'aigua residual a l'entrada, les necessitats del tractament i la qualitat desitjada de la sortida utilitzant la tecnologia SBR. Aquestes tres característiques, l'aigua a tractar, les necessitats del tractament i la qualitat final desitjada determinen en gran mesura el tractament a realitzar. Així doncs, per tal d'adequar el tractament a cada tipus d'aigua residual i les seves necessitats, han estat estudiats diferents estratègies d'alimentació. El seguiment del procés es realitza mitjançant mesures on-line de pH, OD i RedOx, els canvis de les quals donen informació sobre l'estat del procés. Alhora un altre paràmetre que es pot calcular a partir de l'oxigen dissolt és la OUR que és una dada complementària als paràmetres esmentats. S'han avaluat les condicions d'operació per eliminar nitrogen d'una aigua residual sintètica utilitzant una estratègia d'alimentació esglaonada, a través de l'estudi de l'efecte del nombre d'alimentacions, la definició de la llargada i el número de fases per cicle, i la identificació dels punts crítics seguint les sondes de pH, OD i RedOx. S'ha aplicat l'estratègia d'alimentació esglaonada a dues aigües residuals diferents: una procedent d'una indústria tèxtil i l'altra, dels lixiviats d'un abocador. En ambdues aigües residuals es va estudiar l'eficiència del procés a partir de les condicions d'operació i de la velocitat del consum d'oxigen. Mentre que en l'aigua residual tèxtil el principal objectiu era eliminar matèria orgànica, en l'aigua procedent dels lixiviats d'abocador era eliminar matèria orgànica i nitrogen. S'han avaluat les condicions d'operació per eliminar nitrogen i fòsfor d'una aigua residual urbana utilitzant una estratègia d'alimentació esglaonada, a través de la definició del número i la llargada de les fases per cicle, i la identificació dels punts crítics seguint les sondes de pH, OD i RedOx. S'ha analitzat la influència del pH i la font de carboni per tal d'eliminar fòsfor d'una aigua sintètica a partir de l'estudi de l'increment de pH a dos reactors amb diferents fonts de carboni i l'estudi de l'efecte de canviar la font de carboni. Tal i com es pot veure al llarg de la tesi, on s'han tractat diferents aigües residuals per a diferents necessitats, un dels avantatges més importants d'un SBR és la seva flexibilitat.

Interfacial interactions in concretes with silica fume and SBR latex

This paper deals with the effect of silica fume and styrene-butadiene latex (SBR) on the microstructure of the interfacial transition zone (ITZ) between Portland cement paste and aggregates (basalt). Scanning electron microscope (SEM) equipped with energy dispersive X-ray analysis system (EDX) was used to determine the ITZ thickness. In the plain concrete a marked ITZ around the aggregate particles (55 mu m) was observed, while in concretes with silica fume or latex SBR the ITZ was less pronounced (35-40 mu m). However, better results were observed in concretes with silica fume and latex SBR (20-25 mu m). (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Estudo da influência das resinas poliéster isoftálica e ortoftálica e do teor de cinza volante nas propriedades mecânicas e durabilidade do concreto polímero

Os compostos de concreto polímero vem se tornando, em países desenvolvidos, uma boa opção para a construção civil, especialmente onde se necessita resistência elevada, cura rápida e boa durabilidade. Grande parte destes compostos são produzidos com as resinas epóxi e poliéster, em especial, a isoftálica. No Brasil, entretanto, não se tem conhecimento da aplicação e nem mesmo de grupos de pesquisa e desenvolvimento sistematizados, atuando na área, possivelmente devido ao desconhecimento das propriedades, da metodologia de produção e do alto custo do concreto polímero. Diante deste panorama, o presente trabalho tem como objetivo produzir e analisar composições de concreto polímero de custos reduzidos, utilizando como aglomerante a resina poliéster ortoftálica, em função de seu custo, e a resina poliéster isoftálica, que tem sido tradicionalmente utilizada. Inicialmente foram determinadas a resistência à compressão axial e absorção de água em composições de concreto polímero, com variados teores de resina, visando a escolha de um teor de aglomerante mínimo. Na segunda parte do programa experimental foi analisada a influência do teor de cinza volante (fíler) e do tipo de resina na resistência à compressão axial, na resistência à tração na flexão, no comportamento frente ao ataque químico, no módulo de elasticidade e no desgaste por abrasão. A microestrutura das amostras que sofreram ataque químico foi analisada em microscópio eletrônico de varredura. Os resultados mostraram que os concretos polímeros de resina poliéster isoftálica e ortoftálica exibiram bom comportamento mecânico e químico. A cinza volante contribui tanto no aspecto mecânico, quanto no químico. Constatou-se que a resina ortoftálica, quando utilizada simultaneamente com areia e cinza volante, exibe comportamento semelhante à resina isoftálica no concreto polímero, apesar das propriedades da resina poliéster ortoftálica serem inferiores as da isoftálica.

Método de otimização experimental da qualidade e durabilidade de produtos : um estudo de caso em produto fabricado por injeção de plástico

A melhoria de produtos e processos industriais pode ser realizada utilizando-se métodos de otimização experimental. Este trabalho apresenta um método estruturado para otimização envolvendo variáveis relacionadas com qualidade, comumente utilizadas, e variáveis que descrevem a confiabilidade do produto. O interesse em particular, está em sistematizar uma forma apropriada de determinar o prazo de garantia de produtos, baseado em testes de degradação acelerados. Para atingir este propósito utiliza-se projeto de experimentos conjuntamente com técnicas de avaliação sensorial, utilizada para medir o grau de degradação das amostras provindas dos testes de confiabilidade acelerados. O método é ilustrado com um estudo de caso realizado num produto fabricado em injeção de plástico. No exemplo do estudo de caso, deseja-se modelar a garantia de um piso plástico utilizado, na maternidade, para criação de suínos. Até o momento da realização da análise ocorriam reclamações de problemas com o produto dentro do prazo e garantia. O principal problema era a delaminação do produto devida a intensa fucção entre os cascos do animal e o piso. Um número elevado de reclamações durante o prazo de garantia levou ao desenvolvimento de uma nova composição do piso; o método proposto aqui é utilizado para determinar um prazo de garantia apropriado para produtos novos.

A utilização de cinza de casca de arroz com vistas a durabilidade de concretos : estudo do ataque por sulfatos

A falta de durabilidade de concretos frente a ambientes agressivos é um assunto que tem motivado muitos estudos na busca de materiais alternativos que incrementem as propriedades do concreto, tornando-o menos sucetível à ação de agentes deletérios. O emprego de adições minerais tem influência benéftca na durabilidade dos concretos, pois causam alterações significativas na sua microestrutura, diminuindo a sua permeabilidade e tornando-o menos vulnerável a ação de agentes agressivos, principalmente os de origem química.Entre as diversas adições existentes tem se destacado a cinza da casca de arroz. No presente trabalho, a partir de um programa experimental que incluiu ensaios de resistência à compressão simples, ensaios de resistência à tração na flexão, e microscopia eletrônica de varredura, concretos e argamassas com adição de cinza de casca de arroz tiveram as suas resistências à ação de agentes deletérios do tipo sulfatos investigadas. As variáveis investiga das foram a relação água/aglomerante e o teor de adição (0%, 5% e 10%). Os resultados mostraram que o comportamento dos concretos e das argamassas investigadas, frente a ação agressiva, foi influenciado por ambas as variáveis investigadas. No entanto, para os teores de adição estudados a resistência à agressão causada por sulfatos foi basicamente comandada pela relação água/aglomerante. Utilizando-se do ensaio de resistência potencial de adições minerais em mícro-prismas de argamassa, um modelo de comportamento é proposto para a determinação da resistência ao ataque de sulfatos para cimentos com adição de cinza de casca de arroz e sílíca ativa.

Avaliação da eficácia de sistemas de reparo no combate à iniciação e à propagação da corrosão do aço induzida por cloretos

o presente trabalho avaliou a eficiência de cinco sistemas de reparo no combate à iniciação e à propagação da corrosão do aço por cloretos, os quais são: sistemas de reparo formados com argamassa e barras de aço sem pintura e um sistema de reparo formado com argamassa 1:3 a/c=O,5 com pintura de zinco nas barras de aço. A avaliação se deu através de ensaios de corrosão acelerada, usando ciclos de umedecimento e secagem, em corpos de prova prismáticos (45x80x90mm) confeccionados com as argamassas dos sistemas de reparo a serem testados, possuindo no seu interior duas séries de duas barras de 5mm de diâmetro distantes 5mm e 10mm das faces. Foram efetuados também ensaios complementares nas argamassas, classificados em ensaios de durabilidade: absorção por imersão (NBR 9778/87), absorção por capilaridade (NBR 9779/95), difusão de cloretos (usando fatias de 10mm de espessura de corpos de prova cilíndricos de 5mm de diâmetro) e determinação do teor de cloretos na argamassa, e ensaios mecânicos: módulo de elasticidade (NBR 8522/84) e resistência à compressão (NBR 5739/93). Além dos ensaios supracitados, elaborou-se uma análise do custo/beneficio da utilização dos sistemas de reparo em estudo. Todos os corpos de prova (cilíndricos e prismáticos) foram curados em câmara úmida por 7 dias e posteriormente em ambiente de laboratório até completarem 28 dias, idade onde se iniciou todos os ensaios. Os resultados apontam uma superioridade, no ensaio de corrosão acelerada e nos ensaios complementares de durabilidade, do sistema de reparo com adição de estireno-butadieno (SBR) seguido em ordem decrescente, do sistema com adição de sílica ativa, do sistema com adição de nitrito de sódio e do sistema com pintura de zinco nas barras. Nos ensaios complementares mecânicos, o sistema de reparo com adição de sílica ativa apresentou os melhores resultados, seguido do sistema de reparo com adição do inibidor de corrosão. A análise custo/beneficio aponta o sistema de reparo com adição de sílica ativa como o mais viável economicamente, seguido, em ordem decrescente de desempenho, dos sistemas com adição de nitrito de sódio, com adição de estireno-butadieno e com pintura de zinco nas barras.