Specific Filters Applied in Nuclear Medicine Services

In Nuclear Medicine, radioiodine, in various chemical forms, is a key tracer used in diagnostic practices and/or therapy. Due to its high volatility, medical professionals may incorporate radioactive iodine during the preparation of the dose to be administered to the patient. In radioactive iodine therapy doses ranging from 3.7 to 7.4GBq per patient are employed. Thus, aiming at reducing the risk of occupational contamination, we developed a low cost filter to be installed at the exit of the exhaust system where doses of radioactive iodine are fractionated, using domestic technology. The effectiveness of radioactive iodine retention by silver impregnated silica [10%] crystals and natural activated carbon was verified using radiotracer techniques. The results showed that natural activated carbon is effective for I2 capture for a large or small amount of substrate but its use is restricted due to its low flash point (150º C). Besides, when poisoned by organic solvents, this flash point may become lower, causing explosions if absorbing large amounts of nitrates. To hold the CH3I gas, it was necessary to increase the volume of natural activated carbon since it was not absorbed by SiO2 + Ag crystals. We concluded that, for an exhaust flow range of (306 4) m3/h, a double stage filter using SiO2 + Ag in the first stage and natural activated carbon in the second is sufficient to meet radiological safety requirements.

Estudo cinético do branqueamento do óleo da carpa (Cyprinus carpio L)

O óleo de pescado é caracterizado por ser uma fonte rica de ácidos graxos poliinsaturados ω-3, desde modo a sua oxidação lipídica se torna mais favorável quando comparado com outros óleos de origem vegetal. O objetivo do presente trabalho foi a otimização da etapa de branqueamento através da metodologia de superfície de resposta, sendo utilizado misturas de carvão ativado e terra ativada (Tonsil) para a remoção da cor e dos produtos de oxidação, procurando-se preservar o conteúdo total de carotenóides no óleo de carpa. O óleo bruto de carpa (Cyprinus carpio L.) para a realização do trabalho foi obtido a partir da realização de ensilagem ácida, passando posteriormente pelas etapas de refino: degomagem, neutralização, lavagem, secagem e branqueamento. A otimização da etapa de branqueamento foi realizada através de um planejamento fatorial composto central, com os fatores de estudo: a quantidade de adsorvente (Ads) e a quantidade de carvão ativado (Ca), sendo consideradas como respostas o conteúdo total de carotenóides e o valor de TBA. Na melhor condição do branqueamento do óleo de carpa foi realizado um estudo cinético, e para o cálculo das constantes cinéticas foram utilizados os modelos de Brimberg modificado e de Langmuir-Hinshelwood, A condição ótima do branqueamento foi com 2% de adsorvente e 10% de carvão ativado, onde ocorreram menores perdas de carotenóides (44,40%), com redução da cor escura presente no óleo de (85,62%) e redução do valor de TBA (73,10%), obtendo-se um óleo branqueado de carpa com qualidade oxidativa e melhor aspecto em relação à cor. Os dois modelos cinéticos representaram de forma satisfatória os dados experimentais do branqueamento do óleo de carpa, pelos altos coeficientes de determinação e baixos erros médios relativos apresentados. Foi possível observar que ocorreu uma rápida adsorção dos pigmentos carotenóides, e após 30 min a adsorção foi menos eficiente. Nos óleos bruto e branqueado de vísceras de carpa não foi identificada diferença significativa entre as concentrações de ácidos graxos, demonstrando que as etapas de refino utilizadas não alteraram o perfil de ácidos graxos do óleo bruto.

Avaliação de Impacto Ambiental, Valorização do Efluente e dos Resíduos Sólidos da Indústria Corticeira

A preocupação com o meio ambiente, nomeadamente na descarga de águas residuais, consumo de água excessivo e produção de resíduos industriais, está cada vez mais presente no quotidiano. Devido a estas problemáticas, efetuou-se a avaliação de impacte ambiental (AIA) do processo produtivo das rolhas de cortiça naturais, tratamento das águas de cozedura da cortiça (estudo da possível reutilização do efluente tratado) e valorização de subprodutos – resíduo sólido (raspa de cortiça), sendo estes os objetivos propostos para a realização da presente dissertação. Na AIA, efetuada no decorrer das fases da Análise do Ciclo de Vida (ACV), foram selecionadas 8 categorias de impacte – aquecimento global, acidificação, dessecação, toxicidade e ecotoxicidade, eutrofização, consumo de recursos não renováveis e oxidação foto-química. A água de cozedura caracterizou-se por uma elevada carga poluente, apresentando elevada concentração de cor, Carência Química de Oxigénio (CQO), taninos e lenhina e Sólidos Suspensos Totais (SST). O processo de tratamento proposto consistiu num pré-tratamento por ultrafiltração (UF), com membranas de 30.000 e 20.000 MWCO, seguido de adsorção por carvão ativado (comercial e produzido a partir de raspa de cortiça). No tratamento por UF, utilizando uma membrana de 30.000 MWCO, foram obtidas percentagens de remoção para a primeira amostra de água de cozedura de 74,8 % para a cor, 33,1 % para a CQO e para a segunda amostra de 85,2 % para a cor e 41,8 % para a CQO. Posteriormente, apenas para a segunda amostra de água de cozedura e com uma membrana de 20.000 MWCO, as percentagens de remoção obtidas foram superiores, de 93% para a cor, 68,9 % para a CQO, 88,4 % para taninos e lenhina e 43,0 % para azoto total. No tratamento por adsorção com carvão ativado estudou-se o tempo de equilíbrio do carvão ativado comercial e do carvão ativado produzido a partir de aparas de cortiça, seguindo-se o estudo das isotérmicas de adsorção, no qual foram analisados os parâmetros da cor e CQO para cada solução. Os ajustes dos modelos teóricos aos pontos experimentais demonstraram que ambos os modelos (Langmuir e Freundlich) poderiam ser considerados, uma vez que apresentaram ajustes idênticos. Relativamente ao tratamento de adsorção em contínuo do permeado, obtido por UF com membrana de 20.000 MWCO, constatou-se que ambos os carvões ativados (comercial e produzido) não ficaram saturados, tendo em consideração os tempos de saturação estimados pela capacidade máxima de adsorção (determinada para a isotérmica de Langmuir) e as representações gráficas dos valores experimentais obtidos para cada ensaio. No ensaio de adsorção com carvão ativado comercial verificou-se que o efluente tratado poderia ser descarregado no meio hídrico ou reutilizado no processo industrial (considerando os parâmetros analisados), uma vez que até aos 11 minutos de ensaio a concentração da solução à saída foi de 111,50 mg/L O2, para a CQO, e incolor, numa diluição de 1:20. Em relação à adsorção em contínuo com carvão ativado produzido verificou-se no ensaio 4 que o efluente resultante apresentou uma concentração de CQO de 134,5 mg/L O2 e cor não visível, numa diluição de 1:20, ao fim de 1h22 min de ensaio. Assim, concluiu-se que os valores obtidos são inferiores aos valores limite de emissão (VLE) presentes no Decreto-Lei n.º 236/98 de 1 de Agosto. O carvão ativado produzido apresentou elevada área superficial específica, com 870 m2/g, comparativamente ao carvão comercial que foi de 661 m2/g. O processo de extração da suberina a partir de raspa de cortiça isenta de extraíveis, efetuado através da metanólise alcalina, apresentou percentagens de extração superiores aos restantes métodos. No processo efetuado em scale-up, por hidrólise alcalina, obteve-se uma extração de 3,76 % de suberina. A aplicação da suberina no couro demonstrou que esta cera apresenta enormes potencialidades, uma vez que a sua aplicação confere ao couro um aspeto sedoso, com mais brilho e um efeito de “pull-up”.

Amphiphilic catalysts for the treatment of oily wastewaters

The main objective of this study was to obtain an effective catalyst for removal of diazo dye - Sudan IV by Catalytic Wet Peroxide Oxidation (CWPO). For this purpose liquid phase treatment was used to increase the basicity of activated carbon surface favoring the adsorption of organic pollutants. Modified activated carbon catalysts were used in different types of experiments: 1) decomposition of H2O2 in aquatic media, 2) decomposition of H2O2 in organic media, 3) adsorption of Sudan IV, 4) Sudan IV removal by CWPO. As the result of all of these experiments the most effective catalyst was obtained and discussed. It was not observed removal of Sudan IV from biphasic system by CWPO. The obtained results in some cases show a slight increase in concentration of Sudan IV, which may be ascribed to experimental errors. Different factors could be the reason of those errors. For example, the high volatility properties of organic media used in experiments should be taken into account during experiments. Under settled reaction temperature the decrease of cyclohexane volume during experiment could give rise in Sudan IV concentration. The initial concentration of model diazo dye also should be reviewed more detailed for CWPO experiments. Despite of these experimental errors the behavior of our catalysts in different media was observed.

Pore size distributions derived from adsorption isotherms, immersion calorimetry, and isosteric heats: A comparative study

We compare the pore size distribution of a well-characterized activated carbon derived from model-dependent, adsorption integral equation (AIE) methods with those from model-independent, immersion calorimetry and isosteric heat analyses. The AIE approach applied to nitrogen gave a mean pore width of 0.57 nm; the CO2 distribution exhibited wider dispersion. Spherical model application to CO2 and diffusion limitations for nitrogen and argon were proposed as primary reasons for inconsistency. Immersion enthalpy revealed a sharp decrease in available area equivalent to a cut-off due to molecular exclusion when the accessible surface was assessed against probe kinetic diameter. Mean pore width was identified as 0.58 ± 0.02 nm, endorsing the underlying assumptions for the nitrogen-based AIE approach. A comparison of the zero-coverage isosteric heat of adsorption for various non-polar adsorptives by the porous test sample was compared with the same adsorptives in contact with a non-porous reference adsorbent, leading to an energy ratio or adsorption enhancement factor. A linear relationship between the energy ratio and probe kinetic diameter indicated a primary pore size at 0.59 nm. The advantage of this enthalpy, model-independent methods over AIE were due to no assumptions regarding probe molecular shape, and no assumptions for pore shape and/or connectivity.

Immobilized Microalgae for Nutrient Recovery from Source Separated Urine

Shortages in supply of nutrients and freshwater for a growing human population are critical global issues. Traditional centralized sewage treatment can prevent eutrophication and provide sanitation, but is neither efficient nor sustainable in terms of water and resources. Source separation of household wastes, combined with decentralized resource recovery, presents a novel approach to solve these issues. Urine contains within 1 % of household waste water up to 80 % of the nitrogen (N) and 50 % of the phosphorus (P). Since microalgae are efficient at nutrient uptake, growing these organisms in urine might be a promising technology to concomitantly clean urine and produce valuable biomass containing the major plant nutrients. While state-of-the-art suspension systems for algal cultivation have mayor shortcomings in their application, immobilized cultivation on Porous Substrate Photobioreactors (PSBRs) might be a feasible alternative. The aim of this study was to develop a robust process for nutrient recovery from minimally diluted human urine using microalgae on PSBRs. The green alga Desmodesmus abundans strain CCAC 3496 was chosen for its good growth, after screening 96 algal strains derived from urine-specific isolations and culture collections. Treatment of urine, 1:1 diluted with tap water and without addition of nutrients, was performed at a light intensity of 600 μmol photons m-2 s-1 with 2.5 % CO2 and at pH 6.5. A growth rate of 7.2 g dry weight m-² day-1 and removal efficiencies for N and P of 13.1 % and 94.1 %, respectively, were determined. Pre-treatment of urine with activated carbon was found to eliminate possible detrimental effects of pharmaceuticals. These results provide a basis for further development of the technology at pilot-scale. If found to be safe in terms human and environmental health, the biomass produced from three persons could provide the P for annual production of 31 kg wheat grain and 16 kg soybean, covering the caloric demand in food for almost one month of the year for such a household. In combination with other technologies, PSBRs could thus be applied in a decentralized resource recovery system, contributing to locally close the link between sanitation and food production.

Preparação, caracterização e modificação de adsorventes para remoção de pesticidas de águas

O objectivo principal deste trabalho de mestrado consistiu em avaliar a potencial utilização de materiais adsorventes, nomeadamente, de carvões activados (AC) preparados por activação química com KOH, a partir de PET reciclado, e de materiais com estrutura mesoporosa ordenada, do tipo MCM-41 e SBA-15, na remoção de ácido 4 - cloro - 2 - metilfenoxiacético (MCPA) e de azul de metileno (MB), presentes nas águas. Nesta tese apresentam-se estudos de preparação e caracterização de materiais micro e mesoporosos e também estudos de avaliação da capacidade adsortiva em fase líquida. Prepararam-se três materiais microporosos, nomeadamente, PET-2-700, PET-2-700ox (AC oxidado) e PET-2-700red (AC reduzido), dois materiais constituídos exclusivamente por mesoporos, Si-MCM-41 e Ti-MCM-41-50 e dois materiais contendo maioritariamente mesoporos, mas que também possuem alguma microporosidade, tais corno, Si-SBA-15 e Ti-SBA-15-50. A caracterização textural dos adsorventes foi inferida por adsorção de azoto a 77K e por de difracção de raios X. Recorreu-se a três métodos de análise das isotérmicas, nomeadamente, Dubinin-Radushkevich, Brunauer-Ernrnett-Teller e alfa-s (as). A caracterização química dos AC foi realizada recorrendo-se a técnicas de análise elementar (AE) e espectroscopia de infravermelho com transformadas de Fourier (FTIR) e à determinação do ponto de carga zero. Os três carvões activados possuem valores de área superficial externa idênticos, o PET-2-700 possui o maior volume microporoso e o PET-2-700ox exibe o maior diâmetro de poros. Por outro lado, o PET-2-700ox possui um carácter fortemente ácido, o PET-2-700 exibe carácter ligeiramente ácido e o PET-2-700red apresenta propriedades ligeiramente alcalinas. Com base na AE, todas as amostras possuem percentagens de carbono elevadas, sendo que o PET-2-700red apresenta o valor mais elevado. Os resultados obtidos para a caracterização estrutural dos revelaram a obtenção de materiais mesoporosos de alta qualidade, definida pela elevada regularidade e uniformidade da estrutura porosa. A análise dos parâmetros de caracterização textura! permitiu inferir que os quatro materiais mesoporosos possuem valores de área superficial elevados, e que os materiais SBA-15 apresentam valores de volume poroso total e de tamanho de poros superiores aos manifestados pelos MCM-41. A incorporação de titânio não conduziu a uma perda significativa de qualidade dos materiais substituídos em relação às correspondentes amostras de sílica. Efectuaram-se estudos de adsorção em fase líquida de forma a avaliar a possível aplicação dos vários adsorventes na remoção de MCPA e de MB de efluentes líquidos. concluiu-se que o tempo de equilíbrio de 72 horas seria adequado e que a capacidade de adsorção dos vários AC era superior em meio ácido. Com base nas isotérmicas de adsorção do MCPA e do MB e na aplicação da representação de Langmuir e de Freundlich, foi possível concluir que o PET-2-700 possui a maior capacidade de adsorção do MCPA, 1.42 mmol/g, enquanto que o PET-2-700ox revelou a maior capacidade de adsorção do MB, 1.43 mmol/g. Na realidade, os materiais microporosos estudados apresentaram percentagens de remoção elevadas, tanto do MCPA como do MB. Relativamente aos materiais mesoporosos ordenados preparados neste trabalho, a percentagem de remoção de para os poluentes em estudo foi relativamente baixa, constatando-se que nesta fase dos estudos não constituem uma alternativa viável à utilização dos AC. No entanto, uma funcionalização criteriosa dos mesmos pode eventualmente proporcionar um aumento da capacidade adsortiva. ABSTRACT: The work presented in this master thesis, consisted of evaluating the potential use of different adsorbents materials, like activated carbon (AC) prepared by chemical activation with KOH, from recycled poly (ethylene terephthalate) (PET) and materials with ordered mesoporous structure such as MCM-41 and SBA-15, for removing acid 4-chlorine-2-metilfenoxiacétic and methylene blue from aqueous phase. We had prepared three microporous materials, PET-200-700, PET-2-700ox (AC oxidized) and PET-2-700red (reduced AC), two materials consisting exclusively of mesopores, Si-MCM-41 and Ti-MCM-41-50 and two materials containing mainly mesopores, but also having some microporosity, such as Si-SBA-15 and Ti-SBA-15-50. The textural characterization of the adsorbents was inferred by nitrogen adsorption at 77K and X-ray diffraction. Three methods were used to analyse the isotherms, namely, Dubinin-Radushkevich, Brunauer-Emmett-Teller and alpha-s (as). The chemical characterization of AC was performed using the elementary analysis, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and determination of the point of zero charge. Concerning the AC, the three present almost the same externa! surface area, PET-2-700 has a high micropore volume and PET-2-700ox shows the largest pore size diameter. On the other hand, PET-2-700ox had a strong acid character, PET-2-700 exhibits just a slightly acid character and PET-2-700red presents alkaline properties. The AE analysis allows confirming the high carbon content of theses AC, with PET-2-700red exhibiting the highest carbon proportion. The results from the structural characterization of the mesoporous materials, had disclosed the attainment of materials with high quality, defined by the raised regularity and uniformity of the porous structure. The analysis of the textural parameters allowed inferring that the four studied mesoporous materials possess high superficial area. The SBA-15 type materials present higher values of total porous volume and pores size diameter as the MCM-41. Also, the titanium incorporation did not lead to a significant loss of quality of the materials substituted in relation to the corresponding silica samples. The adsorption studies in liquid phase allow evaluating the possibility of using the different adsorbents for the MCPA and the MB removal. The kinetic studies had allowed to state the equilibrium time as 72 hours and a higher adsorption capacity was achieved in an acid medium. The influence of the pH of the medium, on the MCPA adsorption was evaluated. The MCPA and MB isotherms were analysed based on the Langmuir and Freundlich equation, the representations presented an excellent linearity, indicating the applicability of these equations to these systems. Also, it allows concluded that PET-2-700 had a higher adsorption capacity for MCPA, 1.42 mmol/g, and PET-2-700ox had a higher adsorption capacity for MB, 1.43 mmol/g. The AC used presented high removal percentages for MCPA and MB. Concerning the mesoporous materials prepared in this work, the percentage removal for the pollutants in study was relatively low, and evidencing that at the moment these mesoporous materials do not constitute a viable alternative to the AC. However, an astute funcionalisation of the same ones can, eventually provide an increase of the adsorption capacity.

The loss of carbon dioxide from activated perbenzoate anions in the gas phase : Unimolecular rearrangement via epoxidation of the benzene ring

The unimolecular reactivities of a range of perbenzoate anions (X-C6H5CO3-), including the perbenzoate anion itself (X=H), nitroperbenzoates (X=para-, meta-, ortho-NO2), and methoxyperbenzoates (X=para-, meta-OCH3) were investigated in the gas phase by electrospray ionization tandem mass spectrometry. The collision-induced dissociation mass spectra of these compounds reveal product ions consistent with a major loss of carbon dioxide requiring unimolecular rearrangement of the perbenzoate anion prior to fragmentation. Isotopic labeling of the perbenzoate anion supports rearrangement via an initial nucleophilic aromatic substitution at the ortho carbon of the benzene ring, while data from substituted perbenzoates indicate that nucleophilic attack at the ipso carbon can be induced in the presence of electron-withdrawing moieties at the ortho and para positions. Electronic structure calculations carried out at the B3LYP/6311++G(d,p) level of theory reveal two competing reaction pathways for decarboxylation of perbenzoate anions via initial nucleophilic substitution at the ortho and ipso positions, respectively. Somewhat surprisingly, however, the computational data indicate that the reaction proceeds in both instances via epoxidation of the benzene ring with decarboxylation resulting-at least initially-in the formation of oxepin or benzene oxide anions rather than the energetically favored phenoxide anion. As such, this novel rearrangement of perbenzoate anions provides an intriguing new pathway for epoxidation of the usually inert benzene ring.

In-situ deposition of sparse vertically aligned carbon nanofibres on catalytically activated stainless steel mesh for field emission applications

We report on an inexpensive, facile and industry viable carbon nanofibre catalyst activation process achieved by exposing stainless steel mesh to an electrolyzed metal etchant. The surface evolution of the catalyst islands combines low-rate electroplating and substrate dissolution. The plasma enhanced chemical vapour deposited carbon nanofibres had aspect-ratios > 150 and demonstrated excellent height and crystallographic uniformity with localised coverage. The nanofibres were well-aligned with spacing consistent with the field emission nearest neighbour electrostatic shielding criteria, without the need of any post-growth processing. Nanofibre inclusion significantly reduced the emission threshold field from 4.5 V/μm (native mesh) to 2.5 V/μm and increased the field enhancement factor to approximately 7000. © 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Isotropic petroleum pitch as a carbon precursor for the preparation of activated carbons by KOH activation

Results show that it is possible to activate a low softening point isotropic petroleum pitch, without intermediate pre-treatments, by chemical activation with KOH. The chemical activation is carried out by direct heat treatment of a mixture of the isotropic pitch and KOH. It produces activated carbons (ACs) with micropore volumes as high as 1.12 cm3/g, and BET surface areas around 3000 m2/g. The activating agent/precursor ratios studied (from 1/1 to 4/1; wt./wt.) show, as expected, that increasing the ratio enhances the adsorption characteristics of the resulting AC.

Self-sensing properties of alkali activated blast furnace slag (BFS) composites reinforced with carbon fibers

In recent years, several researchers have shown the good performance of alkali activated slag cement and concretes. Besides their good mechanical properties and durability, this type of cement is a good alternative to Portland cements if sustainability is considered. Moreover, multifunctional cement composites have been developed in the last decades for their functional applications (self-sensing, EMI shielding, self-heating, etc.). In this study, the strain and damage sensing possible application of carbon fiber reinforced alkali activated slag pastes has been evaluated. Cement pastes with 0, 0.29 and 0.58 vol % carbon fiber addition were prepared. Both carbon fiber dosages showed sensing properties. For strain sensing, function gage factors of up to 661 were calculated for compressive cycles. Furthermore, all composites with carbon fibers suffered a sudden increase in their resistivity when internal damages began, prior to any external signal of damage. Hence, this material may be suitable as strain or damage sensor.