Biological and chemical strategies for the recovery of precious and rare metals as nanoparticles

Tese de Doutoramento, Ciências do Mar da Terra e do Ambiente, Ramo: Ciências e Tecnologias do Ambiente, Especialidade em Biotecnologia, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2016

Compósitos de matriz metálica à base níquel com adição de TaC e NbC produzidos via metalurgia do pó

Carbide reinforced metallic alloys potentially improve some important mechanical properties required for the overall use of important engineering materials such as steel and nickel. Nevertheless, improved performance is achieved not only by composition enhancement but also by adequate processing techniques, such as novel sintering methods in the case of powder metallurgy. The method minimizes energy losses in addition to providing uniform heating during sintering. Thus, the general objective of this study was to evaluate the density, hardness, flexural strength, dilatometric behavior and to analyze the microstructure of metal matrix composites based nickel with addition of carbides of tantalum and / or niobium when sintered in a conventional furnace and Plasma assisted debinding and sintering (PADS). Initially, were defineds best parameters of granulation, screening and mixing procedure. After, mixtures of carbonyl Ni and 5%, 10% and 15 wt.% NbC and TaC were prepared in a Y-type mixer under wet conditions during 60 minutes. The mixtures were then dried and granulated using 1.5 wt. % paraffin diluted in hexane. Granulates were cold pressed under 600 MPa. Paraffin was then removed from the pressed pellets during a pre-sintering process carried out in a tubular furnace at 500 °C during 30 min. The heating rate was 3 ºC/min. The pellets were then sintered using either a plasma assisted reactor or a conventional resistive tubular furnace. For both methods, the heating rate was set to 8 ºC/min up to 1150 °C. The holding time was 60 minutes. The microstructure of the sintered samples was evaluated by SEM. Brinell hardness tests were also carried out. The results revealed that higher density and higher hardness values were observed in the plasma-assisted sintered samples. Hardness increased with the concentration of carbides in the Ni-matrix. The flexural strength also increased by adding the carbides. The decline was larger for the sample with addition of 5% 5% TaC and NbC. In general, compositions containing added carbide 10% showed less porous and more uniform distribution of carbides in the nickel matrix microstructural appearance. Thus, both added carbide and plasma sintering improved density, hardness, flexural strength and microstructural appearance of the composites

Obtenção de pós de tântalo metálico a partir da redução aluminotérmica com ignição a plasma

Metallic tantalum has a high commercial value due to intrinsic properties like excellent ductility, corrosion resistance, high melt and boiling points and good electrical and thermal conductivities. Nowadays, it is mostly used in the manufacture of capacitors, due to excellent dielectric properties of its oxides. In the nature, tantalum occurs in the form of oxide and it is extracted mainly from tantalite-columbite ores. The tantalum is usually produced by the reduction of its oxide, using reductants like carbon, silicon, calcium, magnesium and aluminum. Among these techniques, the aluminothermic reduction has been used as the industrial method to produce niobium, tantalum and their alloys, due to the easy removal of the Al and Al2O3 of the system, easing further refining. In conventional aluminothermic reduction an electrical resistance is used to trigger the reaction. This reaction self-propagates for all the volume of material. In this work, we have developed a novel technique of aluminothermic reduction that uses the hydrogen plasma to trigger the reaction. The results obtained by XRD, SEM and EDS show that is possible to obtain a compound rich in tantalum through this technique of aluminothermic reduction in the plasma reactor

Uso de agentes inteligentes no controle simultâneo da largura e do reforço dos cordões de solda no processo GMAW-S

Tese (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2016.

Synthesis and characterization of low-cost materials for aqueous Na-ion batteries

136 p.

Sistema de instrumentação mecanizada Hyflex EDM

A Endodontia é uma área em constante evolução. Consideráveis desenvolvimentos nos materiais e técnicas têm sido essenciais para o melhoramento dos resultados nos tratamentos realizados. É exemplo disso mesmo a constituição dos instrumentos Endodônticos primordiais, construídos em cordas de piano, com evolução para aço de carbono, material este que sofria corrosão provocado pelo cloro presente no hipoclorito de sódio. O aço de carbono evoluiu para aço inoxidável e deste as limas endodônticas passaram a ser feitas em níquel-titânio, conferindo-lhes melhor flexibilidade e efeito de memória de forma. Mesmo com todas estas melhorias significativas, fraturas de instrumentos e erros durante a instrumentação continuam a acontecer e com eles veio a necessidade da pesquisa de possíveis melhorias da constituição das limas em NiTi. Como resultado surgiram ligas como o M-wire, fase-R e CM-wire, criadas a partir de tratamentos térmicos, que trouxeram às limas Endodônticas maior flexibilidade e resistência à fratura que os instrumentos feitos em NiTi convencional. A mais recente evolução das limas Ni-Ti, desenvolvida pela Coltene Whaldent (Allstätten, Suiça), são as limas Hyflex EDM, limas para canais radiculares de 5ª geração. O seu processo de fabrico por eletroerosão cria uma superfície única fazendo com que estas limas sejam mais duras e resistam mais à quebra, aliado à sua alta flexibilidade. É possível assim reduzir o número de limas para a limpeza e modelagem dos canais durante os tratamentos endodônticos sem comprometer a preservação da anatomia dos canais. As limas Hyflex EDM possuem, tal como as limas Hyflex CM, o efeito de controle de memória (CM), o que confere propriedades muito similares entre os dois sistemas.

Additive manufacturing e ottimizzazione topologica: massimizzare le prestazioni di una pinza freno per applicazioni motorsport

I veicoli ad alte prestazioni sono soggetti ad elevati carichi per piccoli intervalli di tempo. Questo comporta diverse criticità sulle componenti che costituiscono la vettura: una di queste è la pinza freno. Al fine di renderla performante è necessario il possesso di due proprietà. In primo luogo, la pinza freno deve essere il più leggera possibile poiché essa conferisce un'inerzia nella risposta della sospensione del veicolo, procurando il distacco dello pneumatico dal suolo e causando perdita di aderenza. In secondo luogo, è necessario contenere le deformazioni della pinza freno garantendo un determinato feeling per il pilota. Il compito del progettista è ottimizzare questi due parametri che hanno effetti antitetici. Questa difficoltà porta il progettista a creare design molto complessi per raggiungere l’ottimale e non sempre le geometrie ottenute sono realizzabili con tecnologie convenzionali. Questo studio riguarda il miglioramento prestazionale di una pinza freno costruita con una lega di alluminio 7075-T6 e lavorato dal pieno. Gli obbiettivi sono quello di produrre il nuovo corpo in titanio TI6Al4V, dal momento che le temperature di esercizio portano a grandi decadute di caratteristiche meccaniche dell’alluminio, contenere il più possibile la massa a fronte dell’aumento di densità di materiale e ovviamente limitare le deformazioni. Al fine di ottenere gli obbiettivi prefissati sono utilizzati metodi agli elementi finiti in diverse fasi della progettazione: per acquisire una geometria di partenza (ottimizzazione topologica) e per la validazione delle geometrie ottenute. Le geometrie ricavate tramite l’ottimizzazione topologica devono essere ricostruite tramite software CAD affinché possano essere ingegnerizzate. Durante la modellazione è necessario valutare quale tecnologia è più vantaggiosa per produrre il componente. In questo caso studio si utilizza un processo di addizione di materiale, più specificatamente una tecnica Selective Laser Melting (SLM).

Sviluppo di sistemi fotocatalitici per l'ossidazione selettiva di 5-idrossimetilfurfurale

Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato lo studio dell’attività fotocatalitica nella reazione di ossidazione selettiva della 5-idrossimetilfurfurale (HMF) di diversi sistemi a base di diossido di titanio. Il lavoro ha comportato la preparazione di una polvere di ossido di titanio nanoparticellare tramite microemulsione. La polvere ottenuta è stata caratterizzata e confrontata con due polveri commerciali (Evonik P25 e Millenium DT51). Successivamente, la titania prepata tramite microemulsione è stata sottoposta a spray-freeze drying per aumentarne l’area superficiale e ridurne la densità. La tecnica di spray-freeze drying è stata poi utilizzata per sviluppare nanocompositi a base di titania, silice e ceria, e per decorare alcune polveri con nanoparticelle di oro e di oro/rame preformate. Le nanoparticelle sono state sintetizzate tramite un processo in acqua a basso impatto ambientale, usando un sistema glucosio-sodio idrossido come riducente e PVP come stabilizzante. Le polveri preparate sono state caratterizzate tramite analisi BET, DRS, XRD, SEM e TEM. Tutti i materiali sviluppati sono stati testati nella reazione di fotoossidazione selettiva dell’HMF utilizzando un simulatore solare. Sono inoltre state svolte prove fotocatalitiche utilizzando scavenger di specie attive, volte ad indagare il meccanismo promosso da alcune delle polveri preparate e le differenze fra questi.

Sintesi e caratterizzazione di batterie tipo rocking chair basate sugli analoghi del blu di Prussia

La rapida espansione del mercato delle batterie incalza lo sviluppo di materiali elettrodici basati su elementi largamente disponibili sulla crosta terrestre, rispettosi dell'ambiente ed economicamente sostenibili. Nel presente elaborato si effettua lo studio di elettrodi basati sugli analoghi del blu di Prussia (PBA) come una classe di composti inorganici che presenta diverse proprietà elettrochimiche adatte per applicazioni legate all’energy storage. A tal riguardo, la sintesi del PBA ferro esacianocobaltato (FeHCC) è stata effettuata mediante un metodo di coprecipitazione semplice e poco costoso. L’utilizzo di tecniche analitiche quali XAS, PXRD, MP-AES e TGA ha permesso di ricavare la composizione del ferro esacianocobaltato, dell'esacianoferrato di titanio e del manganese esacianoferrato nonché diverse informazioni di carattere strutturale. In seguito, le prestazioni elettrochimiche degli elettrodi sono state valutate mediante voltammetria ciclica, utilizzando come agenti intercalanti gli ioni K+ e Na+ contenuti nel relativo elettrolita acquoso.Infine, grazie ai dati così ottenuti, è stato possibile assemblare e testare diversi layout di coin cell in configurazione rocking chair completamente basate su elettrodi PBA; anche in questo caso, la voltammetria ciclica e le tecniche galvanostatiche sono state utilizzate per valutare le prestazioni elettrochimiche e raccogliere informazioni sulla capacità gravimetrica ottenibile da questi dispositivi.

Sintesi di compositi nanostrutturati a base di TiO2 per la depurazione delle acque

Lo scopo di questo lavoro di tesi consiste nella realizzazione di fotocatalizzatori a base di nano-TiO2 per potenziali applicazioni nel campo della depurazione delle acque reflue. Nello specifico sono stati sintetizzati nanocompositi accoppiando nano-TiO2 a due materiali grafitici: ossido di grafene (GO), tramite ultrasonicazione (TGO) e nitruro di carbonio grafitico (g-C3N4), attraverso due tecniche: ultrasonicazione e polimerizzazione termica in situ. Per i compositi TGO lo studio relativo alla sintesi è stato rivolto all’ottimizzazione della percentuale in peso di GO. Per i compositi a base di g-C3N4 lo scopo è stato quello di valutare quale dei due metodi di sintesi fosse il più efficace. I materiali ottenuti sono stati caratterizzati dal punto di vista chimico-fisico (DLS-ELS, XRD, Band Gap, BET, SEM, FT-IR, TGA-DSC) e funzionale. La caratterizzazione funzionale è stata eseguita per valutare le prestazioni fotocatalitiche dei fotocatalizzatori nanocompositi utilizzando, come reazione modello, la fotodegradazione di Rodamina B, sotto luce UV e solare. I risultati hanno messo in luce che la percentuale ottimale di GO, nei compositi TGO, è pari al 16%. Inoltre, è stato osservato un effetto sinergico tra TiO2 e GO dove i nanocompositi TGO hanno mostrato maggiore attività fotocatalitiche rispetto alla singola TiO2. I dati fotocatalitici hanno evidenziato che il metodo ottimale per la preparazione dei compositi a base di g-C3N4 e TiO2, è la polimerizzazione termica in situ a 500°C.

Fabbricazione di fotocatodi a base di semiconduttori per la conversione di energia solare

La conversione di energia solare in energia elettrica può avvenire in diversi modi. Un problema dell’energia ottenuta tramite questa conversione è la difficoltà di immagazzinarla efficientemente per poterla utilizzare in un momento successivo. Un modo per ovviare questo problema è convertire l’energia solare in energia chimica, tramite la creazione di combustibili fotoprodotti. Alcuni combustibili di questo tipo sono l’idrogeno e gli idrocarburi ad alta densità energetica, il primo ottenuto tramite l’elettrolisi dell’acqua e i secondi tramite l’elettrolisi dell’anidride carbonica. Un metodo per compiere tali elettrolisi è l’utilizzo di celle fotoelettrochimiche, ovvero dei dispositivi che tramite l’energia solare assorbita avviano l’elettrolisi della soluzione acquosa che si decompone in due regioni separate della cella. L’efficienza di una cella fotoelettrochimica dipende fortemente dall’efficienza dei fotoelettrodi che la compongono, per questo si indagano nuovi materiali che possano garantire prestazioni migliori a costi bassi. Questa tesi nello specifico ha lo scopo di illustrare il processo di fabbricazione di fotocatodi a base di semiconduttori tramite sputtering magnetico. In particolare vengono analizzati 4 campioni strutturati con diversi materiali. I materiali utilizzati sono: Seleniuro di Rame Indio Gallio CIGS, Solfuro di Cadmio CdS, Ossido di Zinco drogato con Alluminio AZO ed Ossido di Titanio TiO2.

Proprietà meccaniche ottenibili tramite Additive Manufacturing

Da anni è iniziata la quarta rivoluzione industriale che ha portato all’industria 4.0 e che, a differenza delle precedenti, è trainata da diverse tecnologie, tra cui l’Additive Manufacturing (AM). Lo scopo della tesi è quello di analizzare i prodotti ottenuti tramite AM e le loro proprietà meccaniche (resistenza a trazione, durezza, vita a fatica…) per paragonarli con quelli ottenuti tramite metodi convenzionali (fonderia, lavorazione alle macchine utensili…). Il primo capitolo introduttivo presenta le principali caratteristiche del processo, tra cui: i materiali utilizzati, i parametri, i vantaggi e gli svantaggi rispetto ai tradizionali metodi produttivi e l’evoluzione della tecnologia. Il secondo capitolo tratta più in particolare degli acciai, delle leghe di alluminio e di titanio, illustrando le principali tecnologie utilizzate e l’influenza dei parametri di processo e mette, poi, in relazione la microstruttura che si crea in seguito ad AM con le proprietà meccaniche ottenibili, anche in virtù di post-trattamenti. Nel terzo capitolo sono esaminati i materiali polimerici. Vengono illustrate le principali tecnologie utilizzate e le proprietà meccaniche ottenibili in relazione alla materia prima utilizzata e ai parametri di processo. Infine, sono valutati gli effetti del rinforzo in fibra sulle proprietà meccaniche. Nel capitolo finale, si traggono le conclusioni sull’utilità dell’AM per capirne l’importante ruolo all’interno della fabbricazione. Si analizza brevemente il mercato italiano relativo alle tecnologie additive e si fa un accenno a quelli che potrebbero essere gli sviluppi nei prossimi anni.

Sviluppo ed ingegnerizzazione di nuovi sistemi ibridi a base di nanoparticelle inorganiche e bio-tensioattivi

In questo lavoro di tesi è stata investigata la sintesi di compositi a base di nano particelle di biossido di titanio rivestite da un bio-tensioattivo naturale. Il noto fotocatalizzatore (Nano-TiO2) è stato accoppiato ad un bio-tensioattivo dalle riconosciute proprietà antibatteriche, antivirali e anti-tumorali per ottenere un materiale composito multifunzionale. Diverse opzioni di design sono state investigate e la sintesi ottimizzata attraverso una caratterizzazione sistematica dei materiali prodotti, sia sulle sospensioni (DLS, ELS, TEM) sia sui prodotti granulati e calcinati (XRD, FT-IR, SEM, UV-Vis., BET). Per comprendere il ruolo del bio-tensioattivo e i potenziali effetti sinergici che il materiale composito potesse generare, si sono effettuate diverse caratterizzazioni funzionali testando il materiale per la realizzazione di nano-fasi fotocatalitiche da impiegare in processi di adsorbimento/degradazione di inquinanti acquosi, per la realizzazione di rivestimenti tessili antibatterici e come composito utile per l’assorbimento di metalli pesanti.

Effetto del trattamento Steady-Wine sulla Shelf life dei vini

Il trattamento “Steady Wine” rappresenta una possibile risorsa per combattere l’insorgenza di fenomeni di casse proteica nei vini. Per il trattamento viene utilizzato un materiale adsorbente ottenuto funzionalizzando sfere inerti in vetro con nanopolveri di TiO2 sinterizzate a formare uno strato sottile. Lo scopo di questo elaborato è di analizzare gli eventuali effetti dell’impiego di biossido di titanio sulla shelf-life dei vini. Il TiO2 è infatti un materiale catalizzatore in grado di velocizzare le reazioni di ossidazione chimica che avvengono all’interno del vino. Per le analisi sono analizzati vini commerciali e soluzioni similvino. Tutti i vini e le soluzioni modello sono stati suddivisi e classificati in tre tesi che includevano il vino ottenuto dal trattamento e i relativi controlli. I campioni sono stati conservati in diverse condizioni di invecchiamento, aspetto fondamentale, specialmente l’eventuale esposizione a raggi luminosi, poiché capace di influenzare l’attività foto-catalizzante del TiO2. Sono stati monitorati nel tempo vari parametri relativi alle cinetiche di ossidazione come DO440nm e DO420nm (indice di imbrunimento) per verificare un eventuale effetto catalitico del TiO2. Sono stati osservati anche i livelli di SO2 e della speciazione del Fe per verificare il consumo di O2 da parte del materiale. Utilizzando l’ICP-AES sono stata analizzate le concentrazioni di metalli, per evidenziare eventuali cessioni all’interno del vino; particolare attenzione è stata data all’analisi ai metalli catalizzatori presenti (Cu e Fe), per verificare un possibile effetto di rimozione. Infine, una breve parte della sperimentazione è stata dedicata allo studio della capacità del materiale adsorbente di rimuovere riboflavina e metionina, come premessa per una futura sperimentazione volta a studiare il potenziale effetto del trattamento nella prevenzione del difetto di luce.

Studio e design di una molla elicoidale in materiale composito utilizzando tecnologie FDM

Al giorno d'oggi le molle in commercio più utilizzate sono sicuramente quelle in acciaio, ciò è dovuto al fatto che la loro realizzazione è sicuramente la più semplice, in quanto si può automatizzare, ed economica. In applicazioni speciali però non ci si limita al solo utilizzo di molle in acciaio ma da tempo si sono trovate soluzioni alternative quali per esempio le molle in titanio che permettono di avere una riduzione di peso notevole a parità di caratteristiche meccaniche con il particolare svantaggio del costo molto elevato che richiedono per la loro realizzazione. Negli ultimi anni però, sopratutto nell'ambito dei veicoli leggeri, si è cercato di creare molle ancora più leggere utilizzando materiali composito: ciò si è reso necessario, ad esempio nel caso dell'automotive, in quanto la riduzione di peso dei componenti utilizzati genera un effetto benefico sui consumi delle vetture e quindi anche sulle loro emissioni, fattore che sta diventando sempre più importante in virtù delle politiche addottate atte alla riduzione di inquinanti emessi in atmosfera. Le molle in composito più utilizzate sono sicuramente quelle in fibra di vetro, più semplici da realizzare ma diversi studi dimostrano come la fibra di carbonio sia più efficiente dal punto di vista delle proprietà meccaniche. In questo elaborato quindi si va a studiare una soluzione alternativa alle molle in acciaio tradizionali e alle molle in titanio andando a studiare una molla in composito con fibra di carbonio, partendo dal dimensionamento della stessa fino a proporre un metodo di realizzazione della stessa.