Pozzolanic activity of oil-refining catalyst: evaluation by electron and atomic microscopy

The reuse of waste fluid catalytic cracking (FCC) catalyst as partial surrogate for cement can reduce the environmental impact of both the oil-refinery and cement production industries [1,2]. FCC catalysts can be considered as pozzolanic materials since in the presence of water they tend to chemically react with calcium hydroxide to produce compounds possessing cementitious properties [3,4]. In addition, partial replacement of cement with FCC catalysts can enhance the performance of pastes and mortars, namely by improving their compressive strength [5,6]. In the present work the reaction of waste FCC catalyst with Ca(OH)2 has been investigated after a curing time of 28 days by scanning electron microscopy (SEM) with electron backscattered signal (BSE) combined with X-ray energy dispersive spectroscopy (EDS) carried out with a JEOL JSM 7001F instrument operated at 15 kV coupled to an INCA pentaFetx3 Oxford spectrometer. The polished cross-sections of FCC particles embedded in resin have also been evaluated by atomic force microscopy (AFM) in contact mode (CM) using a NanoSurf EasyScan 2 instrument. The SEM/EDS results revealed that an inward migration of Ca occurred during the reaction. A weaker outward migration of Si and Al was also apparent (Fig. 1). The migration of Ca was not homogeneous and tended to follow high-diffusivity paths within the porous waste FCC catalyst particles. The present study suggests that the porosity of waste FCC catalysts is key for the migration/reaction of Ca from the surrounding matrix, playing an important role in the pozzolanic activity of the system. The topography images and surface roughness parameters obtained by atomic force microscopy can be used to infer the local porosity in waste FCC catalyst particles (Fig. 2).

Processing and characterization of 3D dense chitosan pieces, for orthopedic applications, by adding plasticizers

In this work, plasticizer agents were incorporated in a chitosan based formulation, as a strategy to improve the fragile structure of chitosan based-materials. Three different plasticizers: ethylene glycol, glycerol and sorbitol, were blended with chitosan to prepare 3D dense chitosan specimens. The properties of the obtained structures were assessed for mechanical, microstructural, physical and biocompatibility behavior. The results obtained revealed that from the different specimens prepared, the blend of chitosan with glycerol has superior mechanical properties and good biological behavior, making this chitosan based formulation a good candidate to improve robust chitosan structures for the construction of bioabsorbable orthopedic implants.

Desenvolvimento do Filme Plástico Paper Like

A indústria de transformação de material plástico contribui de forma relevante para o desenvolvimento da economia mundial. Com o objetivo de desenvolvimento dessa indústria, a empresa Pentaplast S. A., situada em Água Longa, Santo Tirso, desenvolve a conceção de novos produtos para novas aplicações. Esta empresa para continuar na posição de destaque que possui, tem que conduzir a sua existência na melhoria contínua e atualização fase ao mercado. Na indústria termoformadora existe uma procura constante de novos materiais, visto ser um mercado muito competitivo. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo desenvolver um filme plástico com o aspeto de papel para a indústria termoformadora, criando desta forma um impacto no consumidor para a preocupação ambiental. De forma a encontrar soluções para o problema mencionado, conduziu-se ao estudo e desenvolvimento de um novo produto – Paper Like, sendo este, um produto reciclável e adotado às necessidades da termoformação. Para isso, desenvolveu-se o projeto utilizando o processo de termolaminação, com a adição de um aditivo na camada externa, permitindo incorporar ao filme plástico, o aspeto e textura de papel. Foram testados, separadamente, dois aditivos, X e Y, base PET e PE, respetivamente, com diferentes percentagens de incorporação. O aditivo X foi desenvolvido especialmente para este projeto, tendo como base politereftalato de etileno, no entanto com a sua incorporação não se obteve os resultados esperados, somente dava um aspeto mate ao filme extrudidos. O aditivo Y, já existe no mercado mas nunca utilizado em extrusão plana, tem como base polietileno e a sua incorporação permitiu obter um filme com aspeto de papel, comprovando-se a sua compatibilidade com pigmentos, os quais dão diversas cores aos filmes, permitindo assim competir com os filmes tradicionais. Infelizmente a termolaminação do filme com o aditivo Y não foi possível, o que inviabiliza a selagem da embalagem.

Projetos de estabilidade e fundações

O presente relatório final refere-se ao trabalho desenvolvido durante o período de estágio curricular enquadrado no ciclo de estudos do segundo ano do Mestrado em Engenharia Civil do Instituto Superior de Engenharia do Porto. O estágio decorreu ao longo de seis meses, desde Fevereiro até Julho de 2014, na empresa CCAD em ambiente de gabinete, para a obtenção do grau de mestre em Engenharia Civil. A abordagem do documento passará por enquadrar o estágio e a sua importância e apresentar a empresa onde teve lugar. Durante os seis meses foram desenvolvidos projetos de estabilidade de estruturas em betão armado, sendo possível analisar e dimensionar os elementos através de programas de cálculo que serão apresentados a seguir. Estabelecem-se recomendações gerais de forma a garantir a durabilidade e o bom comportamento das estruturas. Aborda-se o dimensionamento dos elementos de betão armado, onde se salienta uma atenção especial dada ao controlo da fendilhação. Ao longo do documento serão descritos os projetos elaborados e a área em que estão inseridos. Neste relatório apresentam-se as metodologias para a determinação de armaduras tendo em conta os diversos fatores intervenientes. Finalmente, enunciam-se algumas conclusões de carácter geral decorrentes do trabalho desenvolvido.

Robustness of corroded reinforced concrete structures. A structural performance approach

Structure and Infrastructure Engineering, 1-17

Estudo da delaminação em compósitos

As excelentes propriedades mecânicas, associadas ao seu baixo peso, fazem com que os materiais compósitos sejam atualmente dos mais interessantes da nossa sociedade tecnológica. A crescente utilização destes materiais e a excelência dos resultados daí provenientes faz com que estes materiais sejam utilizados em estruturas complexas de responsabilidade, pelo que a sua maquinagem se torna necessária de forma a possibilitar a ligação entre peças. O processo de furação é o mais frequente. O processo de maquinagem de compósitos terá como base os métodos convencionais utilizados nos materiais metálicos. O processo deverá, no entanto, ser convenientemente adaptado, quer a nível de parâmetros, quer a nível de ferramentas a utilizar. As características dos materiais compósitos são bastante particulares pelo que, quando são sujeitos a maquinagem poderão apresentar defeitos tais como delaminação, fissuras intralaminares, arrancamento de fibras ou dano por sobreaquecimento. Para a detecção destes danos, por vezes a inspeção visual não é suficiente, sendo necessário recorrer a processos específicos de análise de danos. Existem já, alguns estudos, cujo âmbito foi a obtenção de furos de qualidade em compósitos, com minimização do dano, não se podendo comparar ainda com a informação existente, no que se refere à maquinagem de materiais metálicos ou ligas metálicas. Desta forma, existe ainda um longo caminho a percorrer, de forma a que o grau de confiança na utilização destes materiais se aproxime aos materiais metálicos. Este trabalho experimental desenvolvido nesta tese assentou essencialmente na furação de placas laminadas e posterior análise dos danos provocados por esta operação. Foi dada especial atenção à medição da delaminação causada pela furação e à resistência mecânica do material após ser maquinado. Os materiais utilizados, para desenvolver este trabalho experimental, foram placas compósitas de carbono/epóxido com duas orientações de fibras diferentes: unidireccionais e em “cross-ply”. Não se conseguiu muita informação, junto do fornecedor, das suas características pelo que se levaram a cabo ensaios que permitiram determinar o seu módulo de elasticidade. Relativamente á sua resistência â tração, como já foi referido, a grande resistência oferecida pelo material, associada às limitações da máquina de ensaios não permitiu chegar a valores conclusivos. Foram usadas três geometrias de ferramenta diferentes: helicoidal, Brad e Step. Os materiais utilizados nas ferramentas, foram o aço rápido (HSS) e o carboneto de tungsténio para as brocas helicoidais de 118º de ângulo de ponta e apenas o carboneto de tungsténio para as brocas Brad e Step. As ferramentas em diamante não foram consideradas neste trabalho, pois, embora sejam reconhecidas as suas boas características para a maquinagem de compósitos, o seu elevado custo não justifica a sua escolha, pelo menos num trabalho académico, como é o caso. As vantagens e desvantagens de cada geometria ou material utilizado foram avaliadas, tanto no que diz respeito à delaminação como á resistência mecânica dos provetes ensaiados. Para a determinação dos valores de delaminação, foi usada a técnica de Raio X. Algum conhecimento já existente relativamente a este processo permitiu definir alguns parâmetros (por exemplo: tempo de exposição das placas ao liquido contrastante), que tornaram acessível o procedimento de obtenção de imagens das placas furadas. Importando estas imagens para um software de desenho (no caso – AutoCad), foi possível medir as áreas delaminadas e chegar a valores para o fator de delaminação de cada furo efetuado. Terminado este processo, todas as placas foram sujeitas a ensaios de esmagamento, de forma a avaliar a forma como os parâmetros de maquinagem afectaram a resistência mecânica do material. De forma resumida, são objetivos deste trabalho: - Caracterizar as condições de corte em materiais compósitos, mais especificamente em fibras de carbono reforçado com matriz epóxida (PRFC); - Caracterização dos danos típicos provocados pela furação destes materiais; - Desenvolvimento de análise não destrutiva (RX) para avaliação dos danos provocados pela furação; - Conhecer modelos existentes com base na mecânica da fratura linear elástica (LEFM); - Definição de conjunto de parâmetros ideais de maquinagem com o fim de minimizar os danos resultantes da mesma, tendo em conta os resultados provenientes dos ensaios de força, da análise não destrutiva e da comparação com modelos de danos existentes e conhecidos.

Graphene-based biomimetic materials targeting urine metabolite as potential cancer biomarker: Application over different conductive materials for potentiometric transduction

This work presents a novel surface Smart Polymer Antibody Material (SPAM) for Carnitine (CRT, a potential biomarker of ovarian cancer), tested for the first time as ionophore in potentiometric electrodes of unconventional configuration. The SPAM material consisted of a 3D polymeric network created by surface imprinting on graphene layers. The polymer was obtained by radical polymerization of (vinylbenzyl) trimethylammonium chloride and 4-styrenesulfonic acid (signaling the binding sites), and vinyl pivalate and ethylene glycol dimethacrylate (surroundings). Non-imprinted material (NIM) was prepared as control, by excluding the template from the procedure. These materials were then used to produce several plasticized PVC membranes, testing the relevance of including the SPAM as ionophore, and the need for a charged lipophilic additive. The membranes were casted over solid conductive supports of graphite or ITO/FTO. The effect of pH upon the potentiometric response was evaluated for different pHs (2-9) with different buffer compositions. Overall, the best performance was achieved for membranes with SPAM ionophore, having a cationic lipophilic additive and tested in HEPES (4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid) buffer, pH 5.1. Better slopes were achieved when the membrane was casted on conductive glass (-57.4 mV/decade), while the best detection limits were obtained for graphite-based conductive supports (3.6 × 10−5mol/L). Good selectivity was observed against BSA, ascorbic acid, glucose, creatinine and urea, tested for concentrations up to their normal physiologic levels in urine. The application of the devices to the analysis of spiked samples showed recoveries ranging from 91% (± 6.8%) to 118% (± 11.2%). Overall, the combination of the SPAM sensory material with a suitable selective membrane composition and electrode design has lead to a promising tool for point-of-care applications.

New modified electrochemical conductive paper support for BSA detection

Chemical sensors and biosensors are widely used to detect various kinds of protein target biomolecules. Molecularly Imprinted Polymers (MIPs) have raised great interest in this area, because these act as antibody-like recognition materials, with high affinity to the template molecule. Compared to natural antibodies, these are also of lower cost and higher stability. There are different types of supports used to carry MIP materials, mostly of these made of gold, favourably assembled on a Screen Printed Electrode (SPE) strategy. For this work a new kind of support for the sensing layer was developed: conductive paper. This support was made by modifying first cellulose paper with paraffin wax (to make it waterproof), and casting a carbon-ink on it afterwards, to turn it conductive. The SPAM approach previously reported in1 was employed herein to assemble to MIP sensing material on the conductive paper. The selected charged monomers were (vinylbenzyl) trimethlammonium chloride (positive charge) or vinylbenzoic acid (negative charge), used to generate binding positions with single-type charge (positive or negative). The non-specific binding area of the MIP layer was assembled by chronoamperometry-assisted polymerization (at 1 V, for 60, 120 or 180 seconds) of vinylbenzoate, cross-linked with ethylene glycol vinyl ether. The BSA biomolecules lying within the polymeric matrix were removed by Proteinase K action. All preparation stages of the MIP assembly were followed by FTIR, Raman spectroscopy and, electrochemical analysis. In general, the best results were obtained for longer polymerization times and positively charged binding sites (which was consistent with a negatively-charged protein under physiological pH, as BSA). Linear responses against BSA concentration ranged from 0.005 to 100 mg/mL, in PBS buffer standard solutions. The sensor was further calibrated in standard solutions that were prepared in synthetic or real urine, and the analytical response became more sensitive and stable. Compared to the literature, the detection capability of the developed device is better than most of the reported electrodes. Overall, the simplicity, low cost and good analytical performance of the BSA SPE device, prepared with positively charged binding positions, seems a suitable approach for practical application in clinical context. Further studies with real samples are required, as well as gathering with electronic-supporting devices to allow on-site readings.

Detection of cardiac biomarker proteins using a disposable based on a molecularly imprinted polymer grafted onto graphite

A low-cost disposable was developed for rapid detection of the protein biomarker myoglobin (Myo) as a model analyte. A screen printed electrode was modified with a molecularly imprinted material grafted on a graphite support and incorporated in a matrix composed of poly(vinyl chloride) and the plasticizer o-nitrophenyloctyl ether. The protein-imprinted material (PIM) was produced by growing a reticulated polymer around a protein template. This is followed by radical polymerization of 4-styrenesulfonic acid, 2-aminoethyl methacrylate hydrochloride, and ethylene glycol dimethacrylate. The polymeric layer was then covalently bound to the graphitic support, and Myo was added during the imprinting stage to act as a template. Non-imprinted control materials (CM) were also prepared by omitting the Myo template. Morphological and structural analysis of PIM and CM by FTIR, Raman, and SEM/EDC microscopies confirmed the modification of the graphite support. The analytical performance of the SPE was assessed by square wave voltammetry. The average limit of detection is 0.79 μg of Myo per mL, and the slope is −0.193 ± 0.006 μA per decade. The SPE-CM cannot detect such low levels of Myo but gives a linear response at above 7.2 μg · mL−1, with a slope of −0.719 ± 0.02 μA per decade. Interference studies with hemoglobin, bovine serum albumin, creatinine, and sodium chloride demonstrated good selectivity for Myo. The method was successfully applied to the determination of Myo urine and is conceived to be a promising tool for screening Myo in point-of-care patients with ischemia.

Biomimetic Sensor Potentiometric System for Doxycycline Antibiotic Using a Molecularly Imprinted Polymer as an Artificial Recognition Element

Molecular imprinting is a useful technique for the preparation of functional materials with molecular recognition properties. A Biomimetic Sensor Potentiometric System was developed for assessment of doxycycline (DOX) antibiotic. The molecularly imprinted polymer (MIP) was synthesized by using doxycycline as a template molecule, methacrylic acid (MAA) and/or acrylamide (AA) as a functional monomer and ethylene glycol dimethacrylat (EGDMA) as a cross-linking agent. The sensing elements were fabricated by the inclusion of DOX imprinted polymers in polyvinyl chloride (PVC) matrix. The sensors showed a high selectivity and a sensitive response to the template in aqueous system. Electrochemical evaluation of these sensors under static (batch) mode of operation reveals near-Nernstian response. MIP/MAA membrane sensor was incorporated in flow-through cells and used as detectors for flow injection analysis (FIA) of DOX. The method has the requisite accuracy, sensitivity and precision to assay DOX in tablets and biological fluids.

A novel antibody-like material for breast cancer antigen CA15-3, used to track breast cancer by potentiometric transduction

This work presents the development of a low cost sensor device for the diagnosis of breast cancer in point-of-care, made with new synthetic biomimetic materials inside plasticized poly(vinyl chloride), PVC, membranes, for subsequent potentiometric detection. This concept was applied to target a conventional biomarker in breast cancer: Breast Cancer Antigen (CA15-3). The new biomimetic material was obtained by molecularly-imprinted technology. In this, a plastic antibody was obtained by polymerizing around the biomarker that acted as an obstacle to the growth of the polymeric matrix. The imprinted polymer was specifically synthetized by electropolymerization on an FTO conductive glass, by using cyclic voltammetry, including 40 cycles within -0.2 and 1.0 V. The reaction used for the polymerization included monomer (pyrrol, 5.0×10-3 mol/L) and protein (CA15-3, 100U/mL), all prepared in phosphate buffer saline (PBS), with a pH of 7.2 and 1% of ethylene glycol. The biomarker was removed from the imprinted sites by proteolytic action of proteinase K. The biomimetic material was employed in the construction of potentiometric sensors and tested with regard to its affinity and selectivity for binding CA15-3, by checking the analytical performance of the obtained electrodes. For this purpose, the biomimetic material was dispersed in plasticized PVC membranes, including or not a lipophilic ionic additive, and applied on a solid conductive support of graphite. The analytical behaviour was evaluated in buffer and in synthetic serum, with regard to linear range, limit of detection, repeatability, and reproducibility. This antibody-like material was tested in synthetic serum, and good results were obtained. The best devices were able to detect 5 times less CA15-3 than that required in clinical use. Selectivity assays were also performed, showing that the various serum components did not interfere with this biomarker. Overall, the potentiometric-based methods showed several advantages compared to other methods reported in the literature. The analytical process was simple, providing fast responses for a reduced amount of analyte, with low cost and feasible miniaturization. It also allowed the detection of a wide range of concentrations, diminishing the required efforts in previous sample pre-treating stages.

Carnitine tailored Sensors on Surface Molecular Imprinting based on Graphene layers

III Jornadas de Electroquímica e Inovação (Electroquímica e Nanomateriais), na Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro, Vila Real, 16 a 17 de Setembro de 2013

Host-Tailored Sensors for Carnitine Potentiometric Measurements based on Surface Molecular Imprinting

Graduate Student Symposium on Molecular Imprinting 2013, na Queen’s University, Belfast, United Kingdom, 15 a 17 de Agosto de 2013

A reliability-based measure of robustness for concrete structures subjected to corrosion

This work is a contribution to the definition and assessment of structural robustness. Special emphasis is given to reliability of reinforced concrete structures under corrosion of longitudinal reinforcement. On this communication several authors’ proposals in order to define and measure structural robustness are analyzed and discussed. The probabilistic based robustness index is defined, considering the reliability index decreasing for all possible damage levels. Damage is considered as the corrosion level of the longitudinal reinforcement in terms of rebar weight loss. Damage produces changes in both cross sectional area of rebar and bond strength. The proposed methodology is illustrated by means of an application example. In order to consider the impact of reinforcement corrosion on failure probability growth, an advanced methodology based on the strong discontinuities approach and an isotropic continuum damage model for concrete is adopted. The methodology consist on a two-step analysis: on the first step an analysis of the cross section is performed in order to capture phenomena such as expansion of the reinforcement due to the corrosion products accumulation and damage and cracking in the reinforcement surrounding concrete; on the second step a 2D deteriorated structural model is built with the results obtained on the first step of the analysis. The referred methodology combined with a Monte Carlo simulation is then used to compute the failure probability and the reliability index of the structure for different corrosion levels. Finally, structural robustness is assessed using the proposed probabilistic index.

Ensaio para a implementação de procedimentos de um plano de manutenção das juntas de dilatação do estádio do Dragão

No Estádio do Dragão existem doze juntas de dilatação localizadas simetricamente, que separam o estádio em doze corpos independentes, com o objetivo de minimizar a fendilhação provocada pelas movimentações da estrutura resultantes da solicitação de ações diretas e, principalmente, indiretas nessa mesma estrutura. Neste relatório explicar-se-á a importância, causas e objetivos que levam à necessidade de utilização destas juntas de dilatação em geral nas edificações, e no caso particular do estádio referido. Este elemento estrutural é considerado pela empresa responsável pela manutenção do Estádio do Dragão como a causa de um dos principais problemas recorrentes no estádio que necessitam de uma exigente atenção. Esta consideração deve-se ao fato das intervenções nas juntas de dilatação terem um custo de manutenção bastante oneroso e também pelo frequente aparecimento de novas patologias associadas a este elemento, tais como infiltrações de água, que necessitam de uma reparação urgente. Portanto, no sentido de resolver estas patologias decorrentes do mau funcionamento dos sistemas de juntas existentes no Estádio do Dragão, foi proposto pela PortoEstádio a elaboração de procedimentos de um plano de manutenção das juntas de dilatação que permitisse planear as intervenções e mitigar o aparecimento dessas patologias, com o objetivo principal de minimizar os custos inerentes à manutenção das juntas de dilatação. Estes procedimentos solicitados e demais elementos complementares são apresentados no presente trabalho, com a classificação dos sistemas de juntas do Estádio do Dragão, identificação das principais patologias nos diversos sistemas de juntas, escolha de novos sistemas para substituição dos existentes no estádio e finalmente, a criação de uma calendarização de intervenções nas juntas para a implementação de um plano de manutenção preventiva neste elemento de grande importância estrutural.