The use of a novel compact fluorosensor for in situ monitoring of the photocatalytic destruction of methylene blue dye effluents

The use of TiO 2 photocatalysis for the destruction of dyes such as methylene blue has been extensively reported. One of the challenges faced in both the laboratory and large scale water treatment plants is the fact that the samples have to be removed from the reactor vessel and the catalyst separated prior to analysis being undertaken. In this paper we report the development of a simple fluorimeter instrument and its use in monitoring the photocatalytic destruction of methylene blue dyes in the presence of catalyst suspensions. The results reported show that the instrument provides an effective method for in situ monitoring of the photocatalytic destruction of fluorescent dyes hence allowing more accurate measurement due to the minimisation of sample loss and cross contamination. Furthermore it also provides a method for real time monitoring of the dye pollutant destruction in large scale photocatalytic reactors.

Evolution of microstructure and changes of mechanical properties of CLAM steel after long-term aging

The China Low Activation Martensitic (CLAM) steel has been developed as a candidate structural material for future fusion reactors. It is essential to investigate the evolution of microstructure and changes of mechanical properties of CLAM steel during thermal exposure. In this study, the long-term thermal aging of the CLAM steel has been carried out in air at 600 °C and 650 °C for 1100 h, 3000 h and 5000 h. The microstructural evolution with aging time was studied, including characteristics of the growth of M23C6 carbides and the formation of Laves-phase precipitates as well as the evolved subgrains. The microstructural evolution leads to the changes of mechanical properties of the CLAM steel. The Ductile–Brittle Transition Temperature (DBTT) increases significantly during the thermal aging, which is related to the formation of Laves-phase in the steel matrix. The possible mechanism of stabilizing microstructure during the thermal exposure has been analyzed based on the interaction between M23C6 carbides and subgrain boundaries.

Hydrogen-permeation characteristics of a SrCeO3-based ceramic separation membrane:Thermal, ageing and surface-modification effects

Dense ceramics with mixed protonic-electronic conductivity are of considerable interest for the separation and purification of hydrogen and as electrochemical reactors. In this work, the hydrogen permeability of a Sr_0.97Ce_0.9Yb_0.1O_{3 - δ} (SCYb) membrane with a porous Pt catalytic layer on the hydrogen feed-exposed side has been studied over the temperature range 500-804 °C employing Ar as the permeate sweep gas. A SiO₂-B₂O₃-BaO-MgO-ZnO-based glass-ceramic sealant was successfully employed to seal the membrane to the dual-chamber reactor. After 14 h of exposure to 10% H₂:90% N₂ at 804 °C, the H₂ flux reached a maximum of 33 nmol cm^{- 2} s^{- 1}, over an order of magnitude higher than that obtained on membranes of similar thickness without surface modification. The permeation rate then decreased slowly and moderately on annealing at 804 °C over a further 130 h. Thereafter, the flux was both reproducible and stable on thermal cycling in the range 600-804 °C. The results indicate an important role of superficial activation processes in the flux rate and suggest that hydrogen fluxes can be further optimised in cerate-based perovskites. © 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

In situ catalyst activity control in a novel membrane reactor-Reaction driven wireless electrochemical promotion of catalysis

A dual chamber membrane reactor was used in order to study the effect of macroscopically applied oxygen chemical potential differences to a platinum catalyst supported on a mixed oxygen ion and electronic conducting membrane. It is believed that the oxygen chemical potential difference imposed by the use of an oxygen sweep in one of the reactor chambers causes the back-spillover of oxygen species from the support onto the catalyst surface, resulting in the modification of the catalytic activity. The use of different sweep gases, such as ethylene and hydrogen was investigated as the means to reverse the rate modification by removing the spilt over species from the catalyst surface and returning the system to its initial state. Oxygen sweep in general had a positive effect on the reaction rate with rate increases up to 20% measured. Experimental results showed that hydrogen is a more potent sweep gas than ethylene in terms of the ability to reverse rate modification. A 10% rate loss was observed when using an ethylene sweep as compared with an almost 60% rate decrease when hydrogen was used as the sweep gas. © 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

The application of a novel fluidised photo reactor under UV-Visible and natural solar irradiation in the photocatalytic generation of hydrogen

With advancements in the development of visible light responsive catalysts for H2 production frequently being reported, photocatalytic water splitting has become an attractive method as a potential ‘solar fuel generator’. The development of novel photo reactors which can enhance the potential of such catalyst, however, is rarely reported. This is particularly important as many reactor configurations are mass transport limited, which in term limits the efficiency of more effective photocatalysts in larger scale applications. This paper describes the performance of a novel fluidised photo reactor for the production of H2 over two catalysts under UV-Visible light and natural solar illumination. Catalysts Pt-C3N4 and NaTaO3.La were dispersed in the reactor and the rate of H2 was determined by GC-TCD analysis of the gas headspace. The unit was an annular reactor constructed from stainless steel 316 and quartz glass with a propeller located in the base to control fluidisation of powder catalysts. Reactor properties such as propeller rotational speed were found to enhance the photo activity of the system through the elimination of mass transport limitations and increasing light penetration. The optimum conditions for H2 evolution were found to be a propeller rotational speed of 1035 rpm and 144 W of UV-Visible irradiation, which produced a rate of 89 µmol h-1 g-1 over Pt-C3N4. Solar irradiation was provided by the George Ellery Hale Solar Telescope, located at the California Institute of Technology.

 Graphitization of Small Carbonate Samples for Paleoceanographic Research at the Godwin Radiocarbon Laboratory, University of Cambridge

A new radiocarbon preparation facility was set up in 2010 at the Godwin Laboratory for Palaeoclimate Research, at the University of Cambridge. Samples are graphitized via hydrogen reduction on an iron powder catalyst before being sent to the Chrono Centre, Belfast, or the Australian National University for accelerator mass spectrometry (AMS) analysis. The experimental setup and procedure have recently been developed to investigate the potential for running small samples of foraminiferal carbonate. By analyzing background values of samples ranging from 0.04 to 0.6 mg C along with similar sized secondary standards, the setup and experimental procedures were optimized for small samples. “Background” modern 14C contamination has been minimized through careful selection of iron powder, and graphitization has been optimized through the use of “small volume” reactors, allowing samples containing as little as 0.08 mg C to be graphitized and accurately dated. Graphitization efficiency/fractionation is found not to be the main limitation on the analysis of samples smaller than 0.07 mg C, which rather depends primarily on AMS ion beam optics, suggesting further improvements in small sample analysis might yet be achieved with our methodology.

Electron-impact excitation and ionization of W 3+ for the determination of tungsten influx in a fusion plasma

Tungsten will be employed as a plasma facing material in the ITER fusion reactor under construction in Cadarache, France; therefore, there is a significant need for accurate electron-impact excitation and ionization data for the ions of tungsten. We report on the results of extensive calculations of ionization and excitation for W 3+ that are intended to provide the atomic data needed for the determination of impurity influx diagnostics of tungsten in several existing tokamak reactors. The electron-impact excitation rate coefficients for this study were determined using the relativistic R -matrix method. The contribution to direct electron-impact ionization was determined using the distorted-wave approximation, the accuracy of which was verified by an R -matrix with pseudo states calculation. Contributions to total ionization from excitation autoionization were also generated from the relativistic R -matrix method. These results were then employed to calculate values of ionization per emitted photon, or SXB ratios, for four carefully selected spectral lines; these data will allow the determination of impurity influx from tungsten facing surfaces. For the range of densities of importance in the edge region of a tokamak reactor, these SXB ratios are found to be nearly independent of electron density but vary significantly with electron temperature.

Materials in extreme environments for energy, accelerators and space applications at ELI-NP.

As a leading facility in laser-driven nuclear physics, ELI-NP will develop innovative research in the fields of materials behavior in extreme environments and radiobiology, with applications in the development of accelerator components, new materials for next generation fusion and fission reactors, shielding solutions for equipment and human crew in long term space missions and new biomedical technologies. The specific properties of the laser-driven radiation produced with two lasers of 1 PW at a pulse repetition rate of 1 Hz each are an ultra-short time scale, a relatively broadband spectrum and the possibility to provide simultaneously several types of radiation. Complex, cosmic-like radiation will be produced in a ground-based laboratory allowing comprehensive investigations of their effects on materials and biological systems. The expected maximum energy and intensity of the radiation beams are 19 MeV with 10^9 photon/pulse for photon radiation, 2 GeV with 108 electron/pulse for electron beams, 60 MeV with 10^12 proton/pulse for proton and ion beams and 60 MeV with 107 neutron/pulse for a neutron source. Research efforts will be directed also towards measurements for radioprotection of the prompt and activated dose, as a function of laser and target characteristics and to the development and testing of various dosimetric methods and equipment.

Weathering resistance of thin plasma polymer films on pre-coated steel

O trabalho apresentado teve origem no projecto de investigação “Tailored Thin Plasma Polymers Films for Surface Engineering of Coil Coated Steel”, financiado pelo Programa Europeu ECSC Steel Research. Sistemas de aço galvanizado pré-pintado em banda à base de poliéster e poliuretano foram submetidos a um processo de polimerização por plasma onde um filme fino foi depositado de modo a modificar as propriedades de superfície. Foram usados reactores de cátodo oco, microondas e rádio frequência para a deposição do polímero fino. Os sistemas preparados foram analisados de modo a verificar a influência do processo de polimerização por plasma na alteração das propriedades barreira dos sistemas pré-pintados em banda. Foi estudado o efeito dos diferentes passos do processo de polimerização por plasma, bem como o efeito de diferentes variáveis operatórias. A mistura precursora foi variada de modo a modificar as propriedades da superfície de modo a poder vir a obter maior hidrofobicidade, maior resistência a marcas digitais, bem como maior facilidade de limpeza. Os testes foram conduzidos em solução de NaCl 0,5 M. Para o trabalho foram usadas técnicas de análise da morfologia da superfície como Microscopia de Força Atómica e Microscopia Electrónica de Varrimento. As propriedades electroquímicas dos sistemas foram estudadas por Espectroscopia de Impedância Electroquímica. A estrutura dos filmes gerados no processo de polimerização por plasma foi caracterizada por Microscopia de Transmissão Electrónica. A modificação das propriedades ópticas devido ao processo de polimerização por plasma foi também obtida.

Evaluation of thermochemical biomass conversion in fluidized bed

Dado o aumento acelerado dos preços dos combustíveis fósseis e as incertezas quanto à sua disponibilidade futura, tem surgido um novo interesse nas tecnologias da biomassa aplicadas à produção de calor, eletricidade ou combustíveis sintéticos. Não obstante, para a conversão termoquímica de uma partícula de biomassa sólida concorrem fenómenos bastante complexos que levam, em primeiro lugar, à secagem do combustível, depois à pirólise e finalmente à combustão ou gasificação propriamente ditas. Uma descrição relativamente incompleta de alguns desses estágios de conversão constitui ainda um obstáculo ao desenvolvimento das tecnologias que importa ultrapassar. Em particular, a presença de elevados conteúdos de matéria volátil na biomassa põe em evidência o interesse prático do estudo da pirólise. A importância da pirólise durante a combustão de biomassa foi evidenciada neste trabalho através de ensaios realizados num reator piloto de leito fluidizado borbulhante. Verificou-se que o processo ocorre em grande parte à superfície do leito com chamas de difusão devido à libertação de voláteis, o que dificulta o controlo da temperatura do reator acima do leito. No caso da gasificação de biomassa a pirólise pode inclusivamente determinar a eficiência química do processo. Isso foi mostrado neste trabalho durante ensaios de gasificação num reator de leito fluidizado de 2MWth, onde um novo método de medição permitiu fechar o balanço de massa ao gasificador e monitorizar o grau de conversão da biomassa. A partir destes resultados tornou-se clara a necessidade de descrever adequadamente a pirólise de biomassa com vista ao projeto e controlo dos processos. Em aplicações de engenharia há particular interesse na estequiometria e propriedades dos principais produtos pirolíticos. Neste trabalho procurou-se responder a esta necessidade, inicialmente através da estruturação de dados bibliográficos sobre rendimentos de carbonizado, líquidos pirolíticos e gases, assim como composições elementares e poderes caloríficos. O resultado traduziu-se num conjunto de parâmetros empíricos de interesse prático que permitiram elucidar o comportamento geral da pirólise de biomassa numa gama ampla de condições operatórias. Para além disso, propôs-se um modelo empírico para a composição dos voláteis que pode ser integrado em modelos compreensivos de reatores desde que os parâmetros usados sejam adequados ao combustível ensaiado. Esta abordagem despoletou um conjunto de ensaios de pirólise com várias biomassas, lenhina e celulose, e temperaturas entre os 600 e 975ºC. Elevadas taxas de aquecimento do combustível foram alcançadas em reatores laboratoriais de leito fluidizado borbulhante e leito fixo, ao passo que um sistema termo-gravimétrico permitiu estudar o efeito de taxas de aquecimento mais baixas. Os resultados mostram que, em condições típicas de processos de combustão e gasificação, a quantidade de voláteis libertada da biomassa é pouco influenciada pela temperatura do reator mas varia bastante entre combustíveis. Uma análise mais aprofundada deste assunto permitiu mostrar que o rendimento de carbonizado está intimamente relacionado com o rácio O/C do combustível original, sendo proposto um modelo simples para descrever esta relação. Embora a quantidade total de voláteis libertada seja estabelecida pela composição da biomassa, a respetiva composição química depende bastante da temperatura do reator. Rendimentos de espécies condensáveis (água e espécies orgânicas), CO2 e hidrocarbonetos leves descrevem um máximo relativamente à temperatura para dar lugar a CO e H2 às temperaturas mais altas. Não obstante, em certas gamas de temperatura, os rendimentos de algumas das principais espécies gasosas (e.g. CO, H2, CH4) estão bem correlacionados entre si, o que permitiu desenvolver modelos empíricos que minimizam o efeito das condições operatórias e, ao mesmo tempo, realçam o efeito do combustível na composição do gás. Em suma, os ensaios de pirólise realizados neste trabalho permitiram constatar que a estequiometria da pirólise de biomassa se relaciona de várias formas com a composição elementar do combustível original o que levanta várias possibilidades para a avaliação e projeto de processos de combustão e gasificação de biomassa.

Aplicação de cortiça em dois tipos de reatores para tratamento de água

A qualidade da água degradou-se de forma relevante nas últimas décadas e os processos de sorção têm vindo a ser investigados como métodos promissores para o tratamento de águas contaminadas. Neste trabalho avaliou-se a capacidade de dois tipos de cortiça para a remoção de diversos contaminantes, em reatores de vaso fechado e de leito fixo. Os ensaios realizados em reatores de vaso fechado permitiram (i) avaliar o efeito do pH e da granulometria na eficiência dos sorventes na remoção de mercúrio e (ii) avaliar a afinidade dos sorventes para outros contaminantes, nomeadamente arsénio, cádmio, níquel e chumbo. Estruturalmente as duas cortiças estudadas aparentam ser semelhantes, com uma pequena diferença de comportamento ácido-base e não apresentam diferenças estatisticamente significativas na remoção de mercúrio. Os resultados obtidos permitiram constatar que o processo de remoção é independente do pH, tendo-se obtido percentagens de remoção da ordem dos 80% e de concentrações de mercúrio na cortiça na ordem dos 117 μg/g. As cortiças estudadas revelaram-se menos eficazes no tratamento de água com os restantes contaminantes, atingindo percentagens de remoção máximas de 0% para As, 11% para Cd, 35% para Ni e 69% para Pb. Os ensaios em leito fixo, mesmo sem terem sido otimizados, revelam que é possível obter uma eficácia de remoção de mercúrio superior a 90% nas primeiras 40 horas de trabalho, sendo a concentração de mercúrio no leito de 680 μg/g. Relativamente aos mecanismos de sorção, os resultados experimentais indicam que estes são possivelmente de natureza química e que as interações eletrostáticas têm pouca importância.

Biovalorização de soro de queijo por processos anaeróbios/aeróbios

Este trabalho abordou a valorização de um subproduto da indústria de lacticínios (soro de queijo) através da alteração do funcionamento de processos habitualmente utilizados no contexto do tratamento biológico. Foi avaliada a fermentação acidogénica deste subproduto para maximizar a conversão do seu elevado teor de matéria orgânica em ácidos orgânicos voláteis (AOV) que actualmente são produtos com elevada procura, nomeadamente para produção de polihidroxialcanoatos (PHA). Em ensaios descontínuos e semi-contínuos foi caracterizada a produção e composição de AOV a partir de soro de queijo variando a razão food-to-microorganism (F/M) e a concentração de alcalinidade. Recorrendo à modelação dos resultados através de superfícies de resposta, demonstrou-se que condições de F/M = 4 gCQO g-1SSV combinadas com uma adição elevada de alcalinidade (8 g L-1 expresso como CaCO3) resultaram na conversão de 72% da CQO alimentada em AOV. O acetato e o butirato foram os AOV predominantes (60%), mas elevadas razões F/M combinadas com elevadas alcalinidades promoveram o alongamento da cadeia carboxílica, tendo sido produzidos AOV de maior massa molecular (iso-valerato e n-caproato). O processo de fermentação acidogénica foi posteriormente desenvolvido em modo contínuo num reactor MBBR acidogénico operado a longo prazo. Cargas orgânicas entre 30 e 50 gCQO L-1d-1 permitiram obter um grau de acidificação máximo de 68% no efluente fermentado. Foi ainda demonstrado que uma adição dinâmica de alcalinidade (0 – 4,8 g CaCO3 L-1) nestas condições estimulou a produção de AOV de cadeia ímpar (propionato e n-valerato) até 42%. O efluente acidificado no processo anaeróbio foi usado como substrato em reactores SBR operados para selecção de culturas microbianas mistas acumuladoras de PHA, nos quais foi aplicado um regime de alimentação dinâmica em condições aeróbias (“fartura-fome”). Estes sistemas operaram também a longo prazo, e demonstraram ser capazes de remover mais de 96% da CQO alimentada e simultaneamente convertê-la em PHA, até 36% do peso celular seco. A velocidade de remoção de substrato (valor máximo de 1,33 gCQO g-1SSV h-1) foi proporcional ao teor de polímero acumulado, evidenciando o estabelecimento de uma fase de “fome” prolongada que estimulou a selecção de microrganismos com elevada capacidade de acumulação de PHA. Além disso, o teor molar de hidroxivalerato (HV) no copolímero produzido [P(HB-co-HV)] foi directamente proporcional ao teor de AOV de cadeia ímpar (propionato e n-valerato) presente no soro fermentado que serviu de substrato. Uma estratégia de operação do reactor SBR com variação da carga orgânica, aliada ao regime “fartura-fome” estabelecido, permitiu ainda simular a realidade dos processos de tratamento biológico de efluentes, nos quais a composição e concentração inicial de matéria orgânica variam frequentemente. Este modo de operação do sistema estimulou notavelmente o processo de selecção de culturas acumuladoras de PHA tendo resultado num aumento da acumulação de PHA de 7% para 36%. Os resultados demonstraram com sucesso a possibilidade de valorização do soro de queijo através de eco-biotecnologia, contribuindo para uma mudança de paradigma no tratamento convencional de efluentes: ao invés de serem eliminados enquanto poluentes, os componentes orgânicos presentes neste subproduto industrial podem assim ser convertidos em materiais de valor acrescentado.

Economical and operational optimization of CALB immobilization on MP1000 for amidation of olein fatty acids with ethanolamine

Dissertação de Mestrado , Engenharia Biológica, Faculdade de Engenharia de Recursos Naturais, Universidade do Algarve, 2008

Estudo da variabilidade genética de marcadores moleculares ligados ao gene da MGP e sua aplicação para paternidades em Sparus aurata

Dissertação de Mestrado, Biologia Marinha, Especialização em Biotecnologia Marinha, Faculdade de Ciências do Mar e do Ambiente, Universidade do Algarve, 2008