Kinetic and thermodynamic investigations on arsenic adsorption onto dolomitic sorbents

Arsenic and its compounds are toxic pollutants for the environment and all living organisms. At present, there is considerable interest in studying new sorbent materials for the removal of arsenic from aqueous solutions. This work discusses the feasibility of arsenic uptake onto dolomite which is considered to be a potential inexpensive adsorbent. Thermodynamic and kinetic experiments were undertaken to assess the capacity and rate of As uptake onto dolomite. Experimental data were mathematically described using adsorption kinetic models, namely pseudo-first-order and pseudo-second-order models. The arsenic removal was found to be dependent on the dosage of dolomite, adsorbent particle size and the presence of various anions. Thermodynamic results indicate that the adsorption follows an exothermic chemisorption process. The experimental data indicate successful removal of As(V) ion from aqueous solution indicating that dolomite be used as an inexpensive treatment process. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Modelling road traffic accidents using macroscopic second-order models of traffic flow

In this paper, we introduce a macroscopic model for road traffic accidents along highway sections. We discuss the motivation and the derivation of such a model, and we present its mathematical properties. The results are presented by means of examples where a section of a crowded one-way highway contains in the middle a cluster of drivers whose dynamics are prone to road traffic accidents. We discuss the coupling conditions and present some existence results of weak solutions to the associated Riemann Problems. Furthermore, we illustrate some features of the proposed model through some numerical simulations. © The authors 2012.

A Lagrangian approach for modeling road collisions using second-order models of traffic flow

In [M. Herty, A. Klein, S. Moutari, V. Schleper, and G. Steinaur, IMA J. Appl. Math., 78(5), 1087–1108, 2013] and [M. Herty and V. Schleper, ZAMM J. Appl. Math. Mech., 91, 763–776, 2011], a macroscopic approach, derived from fluid-dynamics models, has been introduced to infer traffic conditions prone to road traffic collisions along highways’ sections. In these studies, the governing equations are coupled within an Eulerian framework, which assumes fixed interfaces between the models. A coupling in Lagrangian coordinates would enable us to get rid of this (not very realistic) assumption. In this paper, we investigate the well-posedness and the suitability of the coupling of the governing equations within the Lagrangian framework. Further, we illustrate some features of the proposed approach through some numerical simulations.

Kinetic and Thermodynamic Studies on the Adsorption of Reactive Red 239 by Carra Sawdust Treated with Formaldehyde

In this study, carra sawdust pre-treated with formaldehyde was used to adsorb reactive red 239 (RR239). The effects of several experimental conditions, including the concentration of dye, sorbent dosage, temperature, ionic strength, stirring speed and solution pH, on the kinetics of the adsorption process have been studied, and the experimental data were fitted to pseudo-second-order model. A study of the intra-particle diffusion model indicates that the mechanism of dye adsorption using carra sawdust is rather complex and is most likely a combination of external mass transfer and intra-particle diffusion. The experimental data obtained at equilibrium were analyzed using the Langmuir and Freundlich isotherm models, and the results indicated that at this concentration range, both models can be applied for obtaining the equilibrium parameters. The maximum dye uptake obtained at 298 K was found to be 15.1 mg g(-1). In contrast to the usual systems, the reactive dye studied in the present work is strongly attached to the sawdust even after several washes with water, allowing it to be discarded as a solid waste.

Kinetic analysis of metal uptake by dry and gel alginate particles

The kinetics of metal uptake by gel and dry calcium alginate beads was analysed using solutions of copper or lead ions. Gel beads sorbed metal ions faster than the dry ones and larger diffusivities of metal ions were calculated for gel beads: approximately 10−4 cm2/min vs. 10−6 cm2/min for dry beads. In accordance, scanning electron microscopy and nitrogen adsorption data revealed a low porosity of dry alginate particles. However, dry beads showed higher sorption capacities and a mechanical stability more suitable for large-scale use. Two sorption models were fitted to the kinetic results: the Lagergren pseudo-first order and the Ho and McKay pseudo-second order equations. The former was found to be the most adequate to model metal uptake by dry alginate beads and kinetic constants in the orders of 10−3 and 10−2 min−1 were obtained for lead solutions with concentrations up to 100 g/m3. The pseudo-first order model was also found to be valid to describe biosorbent operation with a real wastewater indicating that it can be used to design processes of metal sorption with alginate-based materials.

Testing second order cyclostationarity in the squared envelope spectrum of non-white vibration signals

Cyclostationary models for the diagnostic signals measured on faulty rotating machineries have proved to be successful in many laboratory tests and industrial applications. The squared envelope spectrum has been pointed out as the most efficient indicator for the assessment of second order cyclostationary symptoms of damages, which are typical, for instance, of rolling element bearing faults. In an attempt to foster the spread of rotating machinery diagnostics, the current trend in the field is to reach higher levels of automation of the condition monitoring systems. For this purpose, statistical tests for the presence of cyclostationarity have been proposed during the last years. The statistical thresholds proposed in the past for the identification of cyclostationary components have been obtained under the hypothesis of having a white noise signal when the component is healthy. This need, coupled with the non-white nature of the real signals implies the necessity of pre-whitening or filtering the signal in optimal narrow-bands, increasing the complexity of the algorithm and the risk of losing diagnostic information or introducing biases on the result. In this paper, the authors introduce an original analytical derivation of the statistical tests for cyclostationarity in the squared envelope spectrum, dropping the hypothesis of white noise from the beginning. The effect of first order and second order cyclostationary components on the distribution of the squared envelope spectrum will be quantified and the effectiveness of the newly proposed threshold verified, providing a sound theoretical basis and a practical starting point for efficient automated diagnostics of machine components such as rolling element bearings. The analytical results will be verified by means of numerical simulations and by using experimental vibration data of rolling element bearings.

Second-order inelastic analysis of composite framed structures based on the refined plastic hinge method

Composite steel-concrete structures experience non-linear effects which arise from both instability-related geometric non-linearity and from material non-linearity in all of their component members. Because of this, conventional design procedures cannot capture the true behaviour of a composite frame throughout its full loading range, and so a procedure to account for those non-linearities is much needed. This paper therefore presents a numerical procedure capable of addressing geometric and material non-linearities at the strength limit state based on the refined plastic hinge method. Different material non-linearity for different composite structural components such as T-beams, concrete-filled tubular (CFT) and steel-encased reinforced concrete (SRC) sections can be treated using a routine numerical procedure for their section properties in this plastic hinge approach. Simple and conservative initial and full yield surfaces for general composite sections are proposed in this paper. The refined plastic hinge approach models springs at the ends of the element which are activated when the surface defining the interaction of bending and axial force at first yield is reached; a transition from the first yield interaction surface to the fully plastic interaction surface is postulated based on a proposed refined spring stiffness, which formulates the load-displacement relation for material non-linearity under the interaction of bending and axial actions. This produces a benign method for a beam-column composite element under general loading cases. Another main feature of this paper is that, for members containing a point of contraflexure, its location is determined with a simple application of the method herein and a node is then located at this position to reproduce the real flexural behaviour and associated material non-linearity of the member. Recourse is made to an updated Lagrangian formulation to consider geometric non-linear behaviour and to develop a non-linear solution strategy. The formulation with the refined plastic hinge approach is efficacious and robust, and so a full frame analysis incorporating geometric and material non-linearity is tractable. By way of contrast, the plastic zone approach possesses the drawback of strain-based procedures which rely on determining plastic zones within a cross-section and which require lengthwise integration. Following development of the theory, its application is illustrated with a number of varied examples.

Discrete time second order sliding mode observer for uncertain linear multi-output system

This paper presents a second order sliding mode observer (SOSMO) design for discrete time uncertain linear multi-output system. The design procedure is effective for both matched and unmatched bounded uncertainties and/or disturbances. A second order sliding function and corresponding sliding manifold for discrete time system are defined similar to the lines of continuous time counterpart. A boundary layer concept is employed to avoid switching across the defined sliding manifold and the sliding trajectory is confined to a boundary layer once it converges to it. The condition for existence of convergent quasi-sliding mode (QSM) is derived. The observer estimation errors satisfying given stability conditions converge to an ultimate finite bound (within the specified boundary layer) with thickness O(T-2) where T is the sampling period. A relation between sliding mode gain and boundary layer is established for the existence of second order discrete sliding motion. The design strategy is very simple to apply and is demonstrated for three examples with different class of disturbances (matched and unmatched) to show the effectiveness of the design. Simulation results to show the robustness with respect to the measurement noise are given for SOSMO and the performance is compared with pseudo-linear Kalman filter (PLKF). (C) 2013 Published by Elsevier Ltd. on behalf of The Franklin Institute

Micro-satellite angular rate estimation using second-order sliding mode observer

Development of computationally efficient and accurate attitude rate estimation algorithm using low-cost commercially available star sensor arrays and processing unit for micro-satellite mission is presented. Our design reduces the computational load of least square (LS)-based rate estimation method while maintaining the same accuracy compared to other rate estimation approaches. Furthermore, rate estimation accuracy is improved by using recently developed fast and accurate second-order sliding mode observer (SOSMO) scheme. It also gives robust estimation in the presence of modeling uncertainties, unknown disturbances, and measurement noise. Simulation study shows that rate estimation accuracy achieved by our LS-based method is comparable with other methods for a typical commercially available star sensor array. The robustness analysis of SOSMO with respect to measurement noise is also presented in this paper. Simulation test bench for a practical scenario of satellite rate estimation uses moment-of-inertia variation and environmental disturbances affecting a typical micro-satellite at 500km circular orbit. Comparison studies of SOSMO with 1-SMO and pseudo-linear Kalman filter show that satisfactory estimation accuracy is achieved by SOSMO.

A second-order dynamic subgrid-scale stress model

A second-order dynamic model based on the general relation between the subgrid-scale stress and the velocity gradient tensors was proposed. A priori test of the second-order model was made using moderate resolution direct numerical simulation date at high Reynolds number ( Taylor microscale Reynolds number R-lambda = 102 similar to 216) for homogeneous, isotropic forced flow, decaying flow, and homogeneous rotating flow. Numerical testing shows that the second-order dynamic model significantly improves the correlation coefficient when compared to the first-order dynamic models.

Biossorção de tório e urânio pela macroalga marinha sargassum filipendula

Por ser um material de baixo custo e apresentar propriedades ligantes, a macroalga marinha Sargassum filipendula vem sendo utilizada como material biossorvente no processo de biossorção de metais. No presente trabalho a alga marrom foi utilizada no estudo cinético e de equilíbrio dos íons de tório e urânio individuais e os resultados comparados à biossorção desses metais em sistema binário. Os testes foram realizados nas concentrações 1 e 10 mg/L e pH= 1,0 e 4,0 na temperatura de 25 1C. A melhor condição para biossorção de tório foi encontrada para 1 mg/L e pH= 1,0, enquanto que para urânio foi em 1 mg/L e pH= 4,0. O estudo cinético de biossorção de tório mostrou que o modelo de segunda ordem descreve melhor os dados experimentais em 1 mg/L (R2= 0,9987) e 10 mg/L (R2= 0,9919) em pH= 1,0 e 1 mg/L (R2= 0,9976) em pH= 4,0, enquanto em 10 mg/L (R2= 0,9787) pH= 4,0 a curva encontrada representou uma cinética de primeira ordem. Para a cinética de urânio os dois modelos se adequaram bem aos dados em ambas as condições experimentais. O estudo de equilíbrio mostrou um perfil crescente de captação de tório, com uma remoção de 96% e 54% do metal em pH= 1,0 e 4,0, respectivamente, a partir da Co= 1 mg/L. A melhor eficiência de captação dos íons de urânio foi de 33% para Co= 100 mg/L em pH= 1,0 e 71% para Co= 1 mg/L em pH= 4,0. Os dados experimentais da isoterma de tório mostraram-se mais adequados ao modelo de Freundlich para pH= 1,0, enquanto que para o pH= 4,0 esses foram melhor representados pelo modelo de Langmuir, com valores de coeficiente de determinação superiores. Em relação à isoterma do urânio, o modelo de Freundlich representou bem os dados experimentais. Os parâmetros de equilíbrio calculados a partir do modelo de Langmuir (kL, qmax ) e Freundlich (kF, n) indicaram uma maior afinidade da biomassa pelos íons de tório em ambas as condições experimentais. O estudo de equilíbrio do sistema binário mostrou que a biossorção dos íons de tório não é afetada pela presença do urânio em solução. Por outro lado, a sorção do urânio foi fortemente afetada pela coexistência com os íons de tório.

Biossorção de tório com emprego de Sargassum filipendula

Com o aumento do rigor para descarte de efluentes contaminado com metais pesados, as pesquisas têm se intensificado na busca de métodos de remoção, que tragam bons resultados de captação dos metais, aliado a um baixo custo. O uso de biomassas como bactérias, fungos e algas marinhas como material adsorvente, tem se apresentado como uma alternativa, principalmente para soluções com baixo teor de metais. Neste trabalho, a alga marinha Sargassum filipendula foi avaliada na sua capacidade de remoção do metal tório de uma solução sintética e do efluente dos laboratórios de análises ambientais do IRD. A cinética desta biossorção foi estudada em regime de batelada e o equilíbrio foi alcançado com 180 min de reação. Dois modelos cinéticos foram utilizados nesta avaliação, um de primeira ordem e um modelo de pseudo segunda ordem, tendo o modelo de segunda ordem apresentado um melhor ajuste dos dados. Na avaliação da capacidade máxima de captação do tório pela biomassa marinha em regime de batelada, foi construída a isoterma que apresentou um perfil crescente na captação alcançando um máximo de 2,59 mol/g. Os modelos de Langmuir e Freundlich foram utilizados para ajustar os dados da isoterma, tendo apresentado maior correlação com os dados o modelo de Langmuir, resultando num valor de captação máxima calculado pelo modelo de 2,92 mol/g. A capacidade de remoção do metal tório da alga Sargassum filipendula também foi avaliada em regime contínuo. Um estudo de altura crítica de leito foi realizado preenchendo-se uma coluna com diferentes massas de alga correspondendo a diferentes alturas de leito. A concentração de tório residual foi quantificada na solução de saída e a menor concentração na saída foi alcançada com 40 cm de leito ou 96 g de biomassa. Após este estudo um sistema contínuo com duas colunas, com 96 g de biomassa cada, e uma bomba peristáltica foi utilizado para o tratamento do efluente real do IRD, contendo não apenas o metal tório, mas outros metais como urânio, cálcio, cromo, ferro, chumbo, etc. Cento e cinco litros de efluente foram tratados numa concentração de 6 mg/L, a concentração do efluente de saída foi de 3,75 mg/L. A caracterização do efluente quanto aos metais presentes foi realizada em ICP-MS, os resultados demonstraram que não houve competição pelos sítios ligantes da biomassa entre o tório e os demais metais. Além disso, alguns metais como cálcio, ferro e magnésio, tiveram um aumento na concentração de saída indicando a presença do mecanismo de troca iônica na biossorção do tório por Sargassum filipendula

Biossorção de cobre (II) e cálcio (II) pela biomassa da macroalga marrom Sargassum filipendula

No presente trabalho, pretendeu-se avaliar a alga marinha Sargassum filipendula na sua capacidade de remoção do metal cobre na presença do metal cálcio, de modo a verificar o efeito da presença do cálcio, proveniente do hidróxido de cálcio (cal hidratada), utilizado no tratamento primário de efluentes por precipitação química. Para tanto, foi realizado primeiramente o estudo da cinética de biossorção de cobre e cálcio em regime de batelada, nas concentrações de 50 e 200 g/mL, e em seguida foi estudado o equilíbrio da biossorção de cobre e cálcio, também em regime de batelada, utilizando soluções isoladas e combinadas de cobre e cálcio, em concentrações variadas, com biomassa lavada com água corrente e com HCl 0,1 mol/L, de modo a verificar se houve melhora na biossorção com a protonação da biomassa. Os resultados do estudo cinético da biossorção do cobre e do cálcio mostraram, em todos os casos, que o equilíbrio ocorreu até os 30 minutos iniciais e que os resultados do cobre se ajustaram melhor a um modelo cinético de segunda ordem, enquanto que os resultados do cálcio não se ajustaram a nenhum dos dois modelos propostos. Foi possível verificar ainda uma relação direta entre biossorção de cobre e liberação de elementos alcalinos e alcalino-terrosos, sugerindo o envolvimento de troca-iônica durante o processo. Já com os resultados de estudo do equilíbrio da biossorção dos metais cobre e cálcio, foi possível obter algumas conclusões, dentre as quais podemos destacar a predileção pelo modelo de isotermas de Langmuir e a interferência na biosorção do cobre causada pela presença do cálcio na solução. Nesta etapa, foi possível ainda estabelecer novamente a correlação de permuta entre os metais cobre e alcalinos/alcalino terrosos. Os modelos de pseudo-primeira ordem e segunda ordem foram utilizados para avaliar a cinética de adsorção dos íons metálicos pela biomassa, enquanto que os modelos das isotermas de Langmuir e de Freundlich, foram utilizados para a representação do equilíbrio da biossorção

Interações do lantânio com células livres e imobilizadas em alginato em regimes de batelada e contínuo

Este trabalho teve como objetivo descrever o potencial de biossorção de lantânio pelas microalgas Ankistrodesmus sp. e Golenkinia sp. livres e pellets de alginato de cálcio, com e sem as microalgas imobilizadas, a partir de soluções aquosas. Para isso foram realizados estudos em regime batelada e em coluna de leito fixo. Modelos cinéticos de pseudo-primeira ordem e de segunda ordem e isotermas de equilíbrio de Langmuir e de Freundlich foram utilizados para a descrição quantitativa e a previsão do comportamento de adsorção do metal pelas biomassas livres e imobilizadas no sistema descontínuo. Os dados foram mais bem ajustados pelo modelo cinético de segunda ordem, com coeficientes de determinação (r2) maiores que 0,98. Foram obtidos tempos de equilibrio muito curtos, na faixa de 1-30 minutos. A isoterma de Langmuir foi a que melhor se ajustou aos dados experimentais, com valores de r2 maiores que 0,94. Foram observados valores de qmáx, isto é, a quantidade máxima de metal captado pelo biossorvente, entre 0,96 e 10,43 mmol/g. As células livres mostraram-se mais eficientes do que os pellets caracterizados com e sem os micro-organismos. Os pellets mostraram melhor potencial quando contendo microalgas imobilizadas, em comparação com eles puros. No estudo dinâmico, 12 L de solução contendo uma concentração de La (III) de 150 mmol/L ascenderam pela coluna contendo Ankistrodesmus sp. e Golenkinia sp. imobilizadas e pellets de alginato de cálcio puros durante 8 horas. No último minuto, os três biossorventes ainda apresentaram cerca de 80% de eficiência de remoção. Desta forma, o ponto de satuação não foi atingido. A rápida e alta capacidade de adsorção das microalgas revelou que sua aplicação em escala superior é possível em ambos os processos estudados, uma vez que a imobilização desses biomateriais não mudou a sua capacidade de sorção e nem o rápido contato entre o adsorvente e o soluto no processo de biossorção de lantânio