Wastewater Electrolysis Cell for Environmental Pollutants Degradation and Molecular Hydrogen Generation

This study proposes a wastewater electrolysis cell (WEC) for on-site treatment of human waste coupled with decentralized molecular H₂ production. The core of the WEC includes mixed metal oxides anodes functionalized with bismuth doped TiO₂ (BiO_x/TiO₂). The BiO_x/TiO₂ anode shows reliable electro-catalytic activity to oxidize Cl- to reactive chlorine species (RCS), which degrades environmental pollutants including chemical oxygen demand (COD), protein, NH4⁺, urea, and total coliforms. The WEC experiments for treatment of various kinds of synthetic and real wastewater demonstrate sufficient water quality of effluent for reuse for toilet flushing and environmental purposes. Cathodic reduction of water and proton on stainless steel cathodes produced molecular H2 with moderate levels of current and energy efficiency. This thesis presents a comprehensive environmental analysis together with kinetic models to provide an in-depth understanding of reaction pathways mediated by the RCS and the effects of key operating parameters. The latter part of this thesis is dedicated to bilayer hetero-junction anodes which show enhanced generation efficiency of RCS and long-term stability.

Chapter 2 describes the reaction pathway and kinetics of urea degradation mediated by electrochemically generated RCS. The urea oxidation involves chloramines and chlorinated urea as reaction intermediates, for which the mass/charge balance analysis reveals that N₂ and CO₂ are the primary products. Chapter 3 investigates direct-current and photovoltaic powered WEC for domestic wastewater treatment, while Chapter 4 demonstrates the feasibility of the WEC to treat model septic tank effluents. The results in Chapter 2 and 3 corroborate the active roles of chlorine radicals (Cl•/Cl₂^-•) based on iR-compensated anodic potential (thermodynamic basis) and enhanced pseudo-first-order rate constants (kinetic basis). The effects of operating parameters (anodic potential and [Cl^-] in Chapter 3; influent dilution and anaerobic pretreatment in Chapter 4) on the rate and current/energy efficiency of pollutants degradation and H₂ production are thoroughly discussed based on robust kinetic models. Chapter 5 reports the generation of RCS on Ir_0.7Ta_0.3O_y/Bi_xTi_1-xO_z hetero-junction anodes with enhanced rate, current efficiency, and long-term stability compared to the Ir_0.7Ta_0.3O_y anode. The effects of surficial Bi concentration are interrogated, focusing on relative distributions between surface-bound hydroxyl radical and higher oxide.

Comparative limnology of waters in a coniferous forest: is a generalisation possible?

The high density of meres and mosses in the Delamere area comes from numerous moraine-hollows formed after the melting of stranded ice-blocks following last glaciation. The main vegetation is of conifers along with some deciduous species and the area was designated as a National Forest Park in 1987. It has been managed since the beginning of the 19th century and is a popular tourist area with walking, orienteering, cycling and educational activities. In recent years this forest park has been attracting over half a million people per year. This paper studies the limnology of different aquatic habitats in the Delamere Forest area in order to give some insight into the waters of a coniferous, temperate forest area, which has so far been largely unexplored. The authors assume therefore, thought that despite apparent large variability in origin, age, surface area, morphometry, catchment size and hydraulic regime, the waters of Delamere Forest might share some revealing chemical and biological features. Seven water-bodies in the Delamere Forest Park area, namely, Black Lake, Blakemere Moss, Delamere Lake, Delamere Quarry, Hatchmere, Windyhowe Farm Spring and Fir Brook were sampled, their water chemistry and dissolved organic carbon and the occurrence of phytoplankton and zooplankton species examined. In a final chapter the authors analyse their findings for patterns.

Study and comparison of four forest structures on Mt. Chortiatis (northern Greece)

EL proyecto estudia y analiza la estructura de cuatro bosques en el monte Chortiatis, Grecia.

Development of trophic state and phytoplankton in an oligo-mesotrophic reservoir (Kleine Kinzig) in Black Forest, Germany

Since 1989, intensive studies have been made on a relatively new (1983-84) oligotrophic reservoir and its pre-reservoir in the Black Forest. This paper briefly reports on the hydrochemistry, especially annual variations in phosphorus loadings, and the seasonal development of phytoplankton in 1989 and 1990.

Analysis of beam-quality degradation in nonlinear frequency conversion

Based on the ripple transfers of electric-field amplitude and phase in frequency tripling, simple formulas are derived for the harmonic laser's beam-quality factor M-3omega(2), with an arbitrary fundamental incidence to ideal nonlinear crystals. Whereas the harmonic beam's quality is generally degraded, the beam's divergence is similar to that of the fundamental after nonlinear frequency conversion. For practical crystals with periodic surface ripples that are caused by their machining, a multiorder diffractive model is presented with which the focusing properties of harmonic beams can be studied. Predictions of the theories are shown to be in excellent agreement with full numerical simulations. (C) 2002 Optical Society of America.

Avaliação do cenário para utilização dos recursos florísticos nativos de restingas para inclusão socioeconômica em Caravelas, Bahia.

A conservação dos ecossistemas e dos recursos ambientais neles inclusos é uma condição básica e essencial para o desenvolvimento sustentado de uma dada região. A degradação faz com que a possibilidade dele retornar ao seu estado original seja ínfima pois, sua dinâmica de restauração não seria a mesma do que antes foi sua colonização. A recuperação de áreas degradadas é dificultada devido à complexidade estrutural dos ecossistemas, exemplo das restingas ambientes sujeitos as condições bastante adversas (altas temperaturas, períodos de seca, vento constante, alta salinidade e escassez de nutrientes), por isso demandam de alta tecnologia para o desenvolvimento e produção de mudas, além de alto custo associado. O objetivo deste estudo é a criação de uma proposta para uso socioeconômico das áreas degradadas por plantios de cocos, em formações vegetais de restinga, município de Caravelas, e criar um modelo para que essas áreas sejam mais produtivas economicamente, a médio e longo prazo, a partir da geração de trabalho e renda e, conseqüentemente, inclusão social voltada para o uso sustentável de espécies nativas de restinga, através do extrativismo, considerando-se o potencial e a vocação natural do ecossistema de restinga. Nesse contexto, as categorias de análise desta tese basearam-se nos conflitos e vulnerabilidade socioambiental, etnobotânica, fitofisionomias, bens e serviços associados, tecnologia social, desenvolvimento local, gestão costeira, sustentabilidade ambiental e democrática, produtos florestais não madeiráveis e inclusão social. Os procedimentos metodológicos utilizados neste estudo foram apresentados em cada capítulo desta tese, estando inserido em pesquisas qualitativas (técnicas de observação participante e análise do discurso coletivo) associada aos levantamentos bibliográficos (dados secundários) e as pesquisas quantitativas, por entrevistas semiestruturadas. Os resultados deste estudo subsidiaram a formação de uma rede interativa para implantação de empreendimentos sustentáveis no processo produtivo local, no que se refere à utilização de espécies nativas de restingas com reflorestamento de áreas degradadas por plantios de coco, para fins de geração de trabalho e renda com base no movimento de tecnologia social.

Os anfíbios da restinga de Grumari, RJ, Brasil, e a comunidade de folhiço em duas zonas arbóreas

Apesar dos habitats de restinga representarem aproximadamente 5.000 km da costa brasileira, o conhecimento disponível sobre a composição da fauna de anuros nestes habitats ainda é restrito a poucas áreas. Estes habitats encontram-se sob intensa pressão imobiliária, com uma densidade demográfica cinco vezes maior do que a média do país, levando a uma ocupação descomedida, degradação e eventual perda destes importantes habitats. Isso é especialmente preocupante para as populações de vertebrados terrestres endêmicos e ameaçados de extinção, devido à dificuldade de recuperação da vegetação das restingas. Atualmente, os remanescentes de restinga ao longo da costa brasileira são representados por fragmentos completamente isolados. Esta é a primeira aproximação da lista de anfíbios da restinga de Grumari, inserida no Parque Natural Municipal de Grumari (PNMG), município do Rio de Janeiro, sudeste do Brasil. É também a primeira pesquisa a analisar a comunidade de anuros de folhiço, e a obter dados de densidade, para as restingas brasileiras. A área está situada no Domínio da Mata Atlântica. O estudo foi conduzido de maio de 2009 a dezembro de 2010 utilizando dois métodos de amostragem: parcelas grandes ou plots de 16 m (4x4 m) e transecções visuais/acústicas. Registramos 22 espécies de anfíbios anuros distribuídas em seis famílias: Leptodactylidae (3), Craugastoridae (1), Bufonidae (1), Strabomantidae (1), Microhylidae (2) e Hylidae (14). Ocorreram dez espécies de anuros de folhiço em 2560 m de chão de floresta amostrados com a metodologia de parcelas grandes durante o estudo. Na zona fechada de pós-praia ocorreram apenas sete espécies de anuros de folhiço, enquanto na mata de restinga ocorreram as dez espécies registradas para a restinga. A densidade geral estimada de anuros de folhiço para a restinga de Grumari foi de 13,1 indivíduos por 100m, superior a cinco de seis estudos publicados com dados de densidade de anuros de folhiço na Mata Atlântica. A biomassa total estimada foi de 13131 g/ha, podendo ser considerada a maior biomassa de anurofauna de folhiço globalmente. Não houve diferença estatisticamente significativa entre as zonas quanto aos parâmetros da comunidade (riqueza, densidade e biomassa), mesmo havendo diferença entre os parâmetros ambientais mensurados nas duas zonas. Os fatores que melhor explicaram a riqueza, a densidade e a biomassa na restinga de Grumari durante a estação chuvosa foram, respectivamente, a temperatura, o diâmetro das árvores/arbustos e o número de árvores/arbustos. A presença de espécies ameaçadas de extinção e endêmicas para o estado do Rio de Janeiro e Mata Atlântica evidencia que a restinga de Grumari é uma área essencial para a conservação da anurofauna dos remanescentes deste habitat no Brasil. Além disso, Grumari é a restinga com maior riqueza de espécies do estado e a segunda maior entre todas as áreas de restinga estudadas até o momento, quanto à anurofauna.