Characterization of aluminium single-lap joints for high temperature applications

In this study, an experimental investigation into the shear strength behaviour of aluminium alloy single-lap adhesive joints was carried out in order to understand the effect of temperature on the strength of adhesively bonding joints. Single lap joints (SLJs) were fabricated and tested at RT and high temperatures (100ºC, 125ºC, 150ºC, 175ºC and 200ºC). Results showed that the failure loads of the single-lap joint test specimens vary with temperature and this needs to be considered in any design procedure. It is shown that, although the tensile stress decreased with temperature, the lap-shear strength of the adhesive increased with increasing of temperature up to the glass transition of the adhesive (Tg) and decreased for tests above the Tg.

Shear strength of adhesively bonded polyolefins with minimal surface preparation

Interest in polyethylene and polypropylene bonding has increased in the last years. However, adhesive joints with adherends which are of low surface energy and which are chemically inert present several difficulties. Generally, their high degree of chemical resistance to solvents and dissimilar solubility parameters limit the usefulness of solvent bonding as a viable assembly technique. One successful approach to adhesive bonding of these materials involves proper selection of surface pre-treatment prior to bonding. With the correct pre-treatment it is possible to glue these materials with one or more of several adhesives required by the applications involved. A second approach is the use of adhesives without surface pre-treatment, such as hot melts, high tack pressure-sensitive adhesives, solvent-based specialty adhesives and, more recently, structural acrylic adhesives as such 3M DP-8005® and Loctite 3030®. In this paper, the shear strengths of two acrylic adhesives were evaluated using the lap shear test method ASTM D3163 and the block shear test method ASTM D4501. Two different industrial polyolefins (polyethylene and polypropylene) were used for adherends. However, the focus of this study was to measure the shear strength of polyethylene joints with acrylic adhesives. The effect of abrasion was also studied. Some test specimens were manually abraded using 180 and 320 grade abrasive paper. An additional goal of this work was to examine the effect of temperature and moisture on mechanical strength of adhesive joints.

Cutting forces and wear analysis of Si3N4 diamond coated tools in high speed machining

Si3N4 tools were coated with a thin diamond film using a Hot-Filament Chemical Vapour Deposition (HFCVD) reactor, in order to machining a grey cast iron. Wear behaviour of these tools in high speed machining was the main subject of this work. Turning tests were performed with a combination of cutting speeds of 500, 700 and 900 m min−1, and feed rates of 0.1, 0.25 and 0.4 mm rot−1, remaining constant the depth of cut of 1 mm. In order to evaluate the tool behaviour during the turning tests, cutting forces were analyzed being verified a significant increase with feed rate. Diamond film removal occurred for the most severe set of cutting parameters. It was also observed the adhesion of iron and manganese from the workpiece to the tool. Tests were performed on a CNC lathe provided with a 3-axis dynamometer. Results were collected and registered by homemade software. Tool wear analysis was achieved by a Scanning Electron Microscope (SEM) provided with an X-ray Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) system. Surface analysis was performed by a profilometer.

Functional role of macrobenthos in estuarine sediment dynamics

Thesis submitted to the Universidade Nova de Lisboa,Faculdade de Ciências e Tecnologia for the degree of Doctor of Philosophy in Environmental Engineering

Estudo do óxido de cálcio como catalisador para a transesterificação de óleos alimentares usados

O instável mas tendencialmente crescente preço dos combustíveis associado a preocupações ambientais cada vez mais enraizadas nas sociedades, têm vindo a despoletar uma maior atenção à procura de combustíveis alternativos. Por outro lado, várias projecções indicam um aumento muito acentuado do consumo energético global no curto prazo, fruto do aumento da população e do nível de industrialização das sociedades. Neste contexto, o biodiesel (ésteres de ácidos gordos) obtido através da transesterificação de triglicerídeos de origem vegetal ou animal, surge como a alternativa “verde” mais viável para utilização em equipamentos de combustão. A reacção de transesterificação é catalisada, por norma com recurso a catalisadores homogéneos alcalinos (NaOH ou KOH). Este tipo de processo, o único actualmente com expressão a nível industrial, apresenta algumas desvantagens que, para além de aumentarem o custo do produto final, contribuem para reduzir a benignidade do mesmo: a impossibilidade de reutilização do catalisador, o aumento do número e complexidade das etapas de separação e a produção de efluentes resultantes das referidas etapas. Com o intuito de minimizar ou eliminar estes problemas, vários catalisadores heterogéneos têm vindo a ser estudados para esta reacção. Apesar de muitos apresentarem resultados promissores, a grande maioria não tem viabilidade para aplicação industrial seja devido ao seu próprio custo, seja devido aos pré-tratamentos necessários à sua utilização. Entre estes catalisadores, o óxido de cálcio é talvez o que apresenta resultados mais promissores. O crescente número de estudos envolvendo este catalisador em detrimento de outros, é por si mesmo prova do potencial do CaO. A realização deste trabalho pretendia atingir os seguintes objectivos principais: • Avaliar a elegibilidade do óxido de cálcio enquanto catalisador da reacção de transesterificação de óleos alimentares usados com metanol; • Avaliar qual a sua influência nas características dos produtos finais; • Avaliar as diferenças de performance entre o óxido de cálcio activado em atmosfera inerte (N2) e em ar, enquanto catalisadores da reacção de transesterificação de óleos alimentares usados com metanol; • Optimizar as condições da reacção com recurso às ferramentas matemáticas disponibilizadas pelo planeamento factorial, através da variação de quatro factores chave de influência: temperatura, tempo, relação metanol / óleo e massa de catalisador utilizado. O CaO utlizado foi obtido a partir de carbonato de cálcio calcinado numa mufla a 750 °C durante 3 h. Foi posteriormente activado a 900 °C durante 2h, em atmosferas diferentes: azoto (CaO-N2) e ar (CaO-Ar). Avaliaram-se algumas propriedades dos catalisadores assim preparados, força básica, concentração de centros activos e áreas específicas, tendo-se obtido uma força básica situada entre 12 e 14 para ambos os catalisadores, uma concentração de centros activos de 0,0698 mmol/g e 0,0629 mmol/g e áreas específicas de 10 m2/g e 11 m2/g respectivamente para o CaO-N2 e CaO-Ar. Efectuou-se a transesterificação, com catálise homogénea, da mistura de óleos usados utilizada neste trabalho com o objectivo de determinar os limites para o teor de FAME’s (abreviatura do Inglês de Fatty Acid Methyl Esters’) que se poderiam obter. Foi este o parâmetro avaliado em cada uma das amostras obtidas por catálise heterogénea. Os planos factoriais realizados tiveram como objectivo maximizar a sua quantidade recorrendo à relação ideal entre tempo de reacção, temperatura, massa de catalisador e quantidade de metanol. Verificou-se que o valor máximo de FAME’s obtidos a partir deste óleo estava situado ligeiramente acima dos 95 % (m/m). Realizaram-se três planos factoriais com cada um dos catalisadores de CaO até à obtenção das condições óptimas para a reacção. Não se verificou influência significativa da relação entre a quantidade de metanol e a massa de óleo na gama de valores estudada, pelo que se fixou o valor deste factor em 35 ml de metanol / 85g de óleo (relação molar aproximada de 8:1). Verificou-se a elegibilidade do CaO enquanto catalisador para a reacção estudada, não se tendo observado diferenças significativas entre a performance do CaO-N2 e do CaO-Ar. Identificaram-se as condições óptimas para a reacção como sendo os valores de 59 °C para a temperatura, 3h para o tempo e 1,4 % de massa de catalisador relativamente à massa de óleo. Nas referidas condições, obtiveram-se produtos com um teor de FAME’s de 95,7 % na catálise com CaO-N2 e 95,3 % na catálise com CaO-Ar. Alguns autores de estudos consultados no desenvolvimento do presente trabalho, referiam como principal problema da utilização do CaO, a lixiviação de cálcio para os produtos obtidos. Este facto foi confirmado no presente trabalho e na tentativa de o contornar, tentou-se promover a carbonatação do cálcio com a passagem de ar comprimido através dos produtos e subsequente filtração. Após a realização deste tratamento, não mais se observaram alterações nas suas propriedades (aparecimento de turvação ou precipitados), no entanto, nos produtos obtidos nas condições óptimas, a concentração de cálcio determinada foi de 527 mg/kg no produto da reacção catalisada com CaO-N2 e 475 mg/kg com CaO-A. O óxido de cálcio apresentou-se como um excelente catalisador na transesterificação da mistura de óleos alimentares usados utilizada no presente trabalho, apresentando uma performance ao nível da obtida por catálise homogénea básica. Não se observaram diferenças significativas de performance entre o CaO-N2 e o CaO-Ar, sendo possível obter nas mesmas condições reaccionais produtos com teores de FAME’s superiores a 95 % utilizando qualquer um deles como catalisador. O elevado teor de cálcio lixiviado observado nos produtos, apresenta-se como o principal obstáculo à aplicação a nível industrial do óxido de cálcio como catalisador para a transesterificação de óleos.

Electrospun Polyaniline-Reduced Graphene Oxide Composite Nanofibers Based High Sensitive Ammonia Gas Sensor

Ammonia is an important gas in many power plants and industrial processes so its detection is of extreme importance in environmental monitoring and process control due to its high toxicity. Ammonia’s threshold limit is 25 ppm and the exposure time limit is 8 h, however exposure to 35 ppm is only secure for 10 min. In this work a brief introduction to ammonia aspects are presented, like its physical and chemical properties, the dangers in its manipulation, its ways of production and its sources. The application areas in which ammonia gas detection is important and needed are also referred: environmental gas analysis (e.g. intense farming), automotive-, chemical- and medical industries. In order to monitor ammonia gas in these different areas there are some requirements that must be attended. These requirements determine the choice of sensor and, therefore, several types of sensors with different characteristics were developed, like metal oxides, surface acoustic wave-, catalytic-, and optical sensors, indirect gas analyzers, and conducting polymers. All the sensors types are described, but more attention will be given to polyaniline (PANI), particularly to its characteristics, syntheses, chemical doping processes, deposition methods, transduction modes, and its adhesion to inorganic materials. Besides this, short descriptions of PANI nanostructures, the use of electrospinning in the formation of nanofibers/microfibers, and graphene and its characteristics are included. The created sensor is an instrument that tries to achieve a goal of the medical community in the control of the breath’s ammonia levels being an easy and non-invasive method for diagnostic of kidney malfunction and/or gastric ulcers. For that the device should be capable to detect different levels of ammonia gas concentrations. So, in the present work an ammonia gas sensor was developed using a conductive polymer composite which was immobilized on a carbon transducer surface. The experiments were targeted to ammonia measurements at ppb level. Ammonia gas measurements were carried out in the concentration range from 1 ppb to 500 ppb. A commercial substrate was used; screen-printed carbon electrodes. After adequate surface pre-treatment of the substrate, its electrodes were covered by a nanofibrous polymeric composite. The conducting polyaniline doped with sulfuric acid (H2SO4) was blended with reduced graphene oxide (RGO) obtained by wet chemical synthesis. This composite formed the basis for the formation of nanofibers by electrospinning. Nanofibers will increase the sensitivity of the sensing material. The electrospun PANI-RGO fibers were placed on the substrate and then dried at ambient temperature. Amperometric measurements were performed at different ammonia gas concentrations (1 to 500 ppb). The I-V characteristics were registered and some interfering gases were studied (NO2, ethanol, and acetone). The gas samples were prepared in a custom setup and were diluted with dry nitrogen gas. Electrospun nanofibers of PANI-RGO composite demonstrated an enhancement in NH3 gas detection when comparing with only electrospun PANI nanofibers. Was visible higher range of resistance at concentrations from 1 to 500 ppb. It was also observed that the sensor had stable, reproducible and recoverable properties. Moreover, it had better response and recovery times. The new sensing material of the developed sensor demonstrated to be a good candidate for ammonia gas determination.

The effect of water inorganic matrix in ibuprofen adsorption onto activated carbon for water and wastewater treatment

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

Avaliação e Otimização do Consumo de Água no Processo e do Sistema de Tratamento de Efluentes

O elevado consumo de água associado à escassez deste recurso contribuiu para que alternativas de reutilização/reciclagem de água fossem estudadas que permitam diminuir o seu consumo e minimizar a dependência das indústrias. Monitorizar e avaliar os consumos de água, a nível industrial, é imprescindível para assegurar uma gestão sustentável dos recursos hídricos, sendo este o objetivo da presente dissertação. As alternativas encontradas na unidade industrial em estudo foram a substituição do equipamento sanitário e o aproveitamento do efluente tratado para operações de lavagem e/ou arrefecimento por contacto direto. A maioria do equipamento sanitário não é eficiente, tendo-se proposto a substituição desse sistema por um de menor consumo que permitirá uma poupança de 30 % no consumo de água, que corresponderá a 12 149,37 €/ano, sendo o retorno do investimento estimado em 3 meses. O efluente industrial na entrada da ETAR e nas diferentes etapas - tratamento primário de coagulação/floculação; tratamento secundário ou biológico em SBR; tratamento terciário de coagulação/floculação - foi caracterizado através da medição da temperatura, pH, oxigénio dissolvido e pela determinação da cor, turvação, sólidos suspensos totais (SST), azoto total, carência química de oxigénio (CQO), Carência Bioquímica de Oxigénio ao fim de 5 dias (CBO5) e razão CBO5/CQO. Esta caracterização permitiu avaliar o efluente industrial bruto que se caracteriza por um pH alcalino (8,3 ± 1,7); condutividade baixa (451 ± 200,2 μS/cm); elevada turvação (11 255 ± 8812,8 FTU); cor aparente (63 670 ± 42293,4 PtCo) e cor verdadeira (33 621 ± 19547,9 PtCo) elevadas; teores elevados de CQO (24 753 ± 11806,7 mg/L O2) SST (5 164 ± 3845,5 mg/L) e azoto total (718 mg/L) e um índice de biodegradabilidade baixo (razão CBO5/CQO de 1,4). Este estudo permitiu verificar que a eficiência global do tratamento do efluente foi 82 % na remoção da turvação, 83 % na remoção da cor aparente, 96 % na remoção da cor verdadeira, 85 % na remoção da CQO e 30 % na remoção dos SST. Quanto às eficiências de remoção associadas ao tratamento primário no que diz respeito à turvação, cor aparente, CQO e SST, apresentam valores inferiores aos referidos na literatura para o mesmo tipo de tratamento em efluentes similares. As eficiências de remoção obtidas no tratamento secundário são inferiores às do tratamento primário: turvação, cor aparente, CQO e SST, pelo que procurou-se otimizar a primeira etapa do processo de tratamento Neste estudo de otimização estudou-se a influência de cinco coagulantes – Sulfato de Alumínio, PAX XL – 10, PAX 18, cloreto de ferro e a conjugação de PAX 18 com sulfato de ferro - e seis floculantes – Superfloc A 150, Superfloc A 130, PA 1020, Ambifloc 560, Ambifloc C58 e Rifloc 54 - no tratamento físico-químico do efluente. O PAX 18 e o Ambifloc 560 UUJ foram os que apresentaram as mais elevadas eficiências de remoção (99,85 % na cor, 99,87 % na turvação, 90,12 % na CQO e 99,87 % nos SST). O custo associado a este tratamento é de 1,03 €/m3. Pela comparação com os critérios de qualidade no guia técnico ERSAR, apenas o parâmetro da CQO excede o valor, contudo o valor obtido permite diminuir os custos associados a um tratamento posterior para remoção da CQO remanescente no efluente residual tratado.

Strength and damage analysis of composite-aluminium adhesively-bonded single-lap joints

With the need to find an alternative way to mechanical and welding joints, and at the same time to overcome some limitations linked to these traditional techniques, adhesive bonds can be used. Adhesive bonding is a permanent joining process that uses an adhesive to bond the components of a structure. Composite materials reinforced with fibres are becoming increasingly popular in many applications as a result of a number of competitive advantages. In the manufacture of composite structures, although the fabrication techniques reduce to the minimum by means of advanced manufacturing techniques, the use of connections is still required due to the typical size limitations and design, technological and logistical aspects. Moreover, it is known that in many high performance structures, unions between composite materials with other light metals such as aluminium are required, for purposes of structural optimization. This work deals with the experimental and numerical study of single lap joints (SLJ), bonded with a brittle (Nagase Chemtex Denatite XNRH6823) and a ductile adhesive (Nagase Chemtex Denatite XNR6852). These are applied to hybrid joints between aluminium (AL6082-T651) and carbon fibre reinforced plastic (CFRP; Texipreg HS 160 RM) adherends in joints with different overlap lengths (LO) under a tensile loading. The Finite Element (FE) Method is used to perform detailed stress and damage analyses allowing to explain the joints’ behaviour and the use of cohesive zone models (CZM) enables predicting the joint strength and creating a simple and rapid design methodology. The use of numerical methods to simulate the behaviour of the joints can lead to savings of time and resources by optimizing the geometry and material parameters of the joints. The joints’ strength and failure modes were highly dependent on the adhesive, and this behaviour was successfully modelled numerically. Using a brittle adhesive resulted in a negligible maximum load (Pm) improvement with LO. The joints bonded with the ductile adhesive showed a nearly linear improvement of Pm with LO.

Impacts of climate change scenarios on terrestrial productivity and biomass for energy in the Iberian Peninsula: assessment through the JSBACH model

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia do Ambiente, Perfil de Gestão e Sistemas Ambientais

Experimental high-throughput adsorption unit for multi-evaluation of adsorbents for gas capture, storage and separation applications

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

Understanding the microbial ecology and ecophysiology of enhanced biological phosphorus removal processes through metabolic modelling and experimental studies

Dissertation to obtain the degree of Master in Chemical and Biochemical Engineering

Bioinspired polyethersulfone-based hollow fiber membranes as the scaffolds in renal assist device for protein-bound toxins removal from blood

Dissertation for obtaining the Master degree in Membrane Engineering

Modelling of a wastewater treatment plant using GPS-X

Dissertation to obtain the degree of Master in Chemical and Biochemical Engineering

The effect of key process operational conditions on enhanced biological phosphorus removal from wastewater

Enhanced biological phosphorus removal (EBPR) is the most economic and sustainable option used in wastewater treatment plants (WWTPs) for phosphorus removal. In this process it is important to control the competition between polyphosphate accumulating organisms (PAOs) and glycogen accumulating organisms (GAOs), since EBPR deterioration or failure can be related with the proliferation of GAOs over PAOs. This thesis is focused on the effect of operational conditions (volatile fatty acid (VFA) composition, dissolved oxygen (DO) concentration and organic carbon loading) on PAO and GAO metabolism. The knowledge about the effect of these operational conditions on EBPR metabolism is very important, since they represent key factors that impact WWTPs performance and sustainability. Substrate competition between the anaerobic uptake of acetate and propionate (the main VFAs present in WWTPs) was shown in this work to be a relevant factor affecting PAO metabolism, and a metabolic model was developed that successfully describes this effect. Interestingly, the aerobic metabolism of PAOs was not affected by different VFA compositions, since the aerobic kinetic parameters for phosphorus uptake, polyhydroxyalkanoates (PHAs) degradation and glycogen production were relatively independent of acetate or propionate concentration. This is very relevant for WWTPs, since it will simplify the calibration procedure for metabolic models, facilitating their use for full-scale systems. The DO concentration and aerobic hydraulic retention time (HRT) affected the PAO-GAO competition, where low DO levels or lower aerobic HRT was more favourable for PAOs than GAOs. Indeed, the oxygen affinity coefficient was significantly higher for GAOs than PAOs, showing that PAOs were far superior at scavenging for the often limited oxygen levels in WWTPs. The operation of WWTPs with low aeration is of high importance for full-scale systems, since it decreases the energetic costs and can potentially improve WWTP sustainability. Extended periods of low organic carbon load, which are the most common conditions that exist in full-scale WWTPs, also had an impact on PAO and GAO activity. GAOs exhibited a substantially higher biomass decay rate as compared to PAOs under these conditions, which revealed a higher survival capacity for PAOs, representing an advantage for PAOs in EBPR processes. This superior survival capacity of PAOs under conditions more closely resembling a full-scale environment was linked with their ability to maintain a residual level of PHA reserves for longer than GAOs, providing them with an effective energy source for aerobic maintenance processes. Overall, this work shows that each of these key operational conditions play an important role in the PAO-GAO competition and should be considered in WWTP models in order to improve EBPR processes.