An operator-splitting finite element method for the efficient parallel solution of multidimensional population balance systems

A finite element method for solving multidimensional population balance systems is proposed where the balance of fluid velocity, temperature and solute partial density is considered as a two-dimensional system and the balance of particle size distribution as a three-dimensional one. The method is based on a dimensional splitting into physical space and internal property variables. In addition, the operator splitting allows to decouple the equations for temperature, solute partial density and particle size distribution. Further, a nodal point based parallel finite element algorithm for multi-dimensional population balance systems is presented. The method is applied to study a crystallization process assuming, for simplicity, a size independent growth rate and neglecting agglomeration and breakage of particles. Simulations for different wall temperatures are performed to show the effect of cooling on the crystal growth. Although the method is described in detail only for the case of d=2 space and s=1 internal property variables it has the potential to be extendable to d+s variables, d=2, 3 and s >= 1. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Digestive ripening facilitated atomic diffusion at nanosize regime: Case of AuIn2 and Ag3In intermetallic nanoparticles

Monodisperse colloidal gold-indium (AuIn2) intermetallic nanoparticles have been synthesized from Au and In colloids using the digestive ripening process. Formation of the intermetallic proceeds via digestive ripening facilitated atomic diffusion of Au and In atoms from the Au and In nanoparticles followed simultaneously by their growth in the solution. Optimization of the reaction temperature was found to be crucial for the formation of AuIn2 intermetallic from gold and indium nanoparticles. Transmission electron microscopy revealed the presence of nearly monodisperse nanoparticles of Au and AuIn2 with particle size distribution of 3.7 +/- 1.0 nm and 5.0 +/- 1.6 nm, respectively. UV-visible spectral studies brought out the absence of SPR band in pure AuIn2 intermetallic nanoparticles. Optical study and electron microscopy, in combination with powder X-ray diffraction established phase pure AuIn2 intermetallic nanoparticles unambiguously. The potential of such an unprecedented approach has been further exploited in the synthesis of Ag3In intermetallic nanoparticles with the dimension of less than 10 nm. (C) 2014 Elsevier B.V. All rights reserved.

Formulation of nanotized curcumin and demonstration of its antimalarial efficacy

Aim: The present study was conducted to overcome the disadvantages associated with the poor water solubility and low bioavailability of curcumin by synthesizing nanotized curcumin and demonstrating its efficacy in treating malaria. Materials and methods: Nanotized curcumin was prepared by a modified emulsion-diffusion-evaporation method and was characterized by means of transmission electron microscopy, atomic force microscopy, dynamic light scattering, Zetasizer, Fourier transform infrared spectroscopy, and differential thermal analysis. The novelty of the prepared nanoformulation lies in the fact that it was devoid of any polymeric matrices used in conventional carriers. The antimalarial efficacy of the prepared nanotized curcumin was then checked both in vitro and in vivo. Results: The nanopreparation was found to be non-toxic and had a particle size distribution of 20-50 nm along with improved aqueous dispersibility and an entrapment efficiency of 45%. Nanotized curcumin (half maximal inhibitory concentration IC50]: 0.5 mu M) was also found to be ten-fold more effective for growth inhibition of Plasmodium falciparum in vitro as compared to its native counterpart (IC50: 5 mu M). Oral bioavailability of nanotized curcumin was found to be superior to that of its native counterpart. Moreover, when Plasmodium berghei-infected mice were orally treated with nanotized curcumin, it prolonged their survival by more than 2 months with complete clearance of parasites in comparison to the untreated animals, which survived for 8 days only. Conclusion: Nanotized curcumin holds a considerable promise in therapeutics as demonstrated here for treating malaria as a test system.

System reliability analysis of granular filter for protection against piping in dams

Granular filters are provided for the safety of water retaining structure for protection against piping failure. The phenomenon of piping triggers when the base soil to be protected starts migrating in the direction of seepage flow under the influence of seepage force. To protect base soil from migration, the voids in the filter media should be small enough but it should not also be too small to block smooth passage of seeping water. Fulfilling these two contradictory design requirements at the same time is a major concern for the successful performance of granular filter media. Since Terzaghi era, conventionally, particle size distribution (PSD) of granular filters is designed based on particle size distribution characteristics of the base soil to be protected. The design approach provides a range of D15f value in which the PSD of granular filter media should fall and there exist infinite possibilities. Further, safety against the two critical design requirements cannot be ensured. Although used successfully for many decades, the existing filter design guidelines are purely empirical in nature accompanied with experience and good engineering judgment. In the present study, analytical solutions for obtaining the factor of safety with respect to base soil particle migration and soil permeability consideration as proposed by the authors are first discussed. The solution takes into consideration the basic geotechnical properties of base soil and filter media as well as existing hydraulic conditions and provides a comprehensive solution to the granular filter design with ability to assess the stability in terms of factor of safety. Considering the fact that geotechnical properties are variable in nature, probabilistic analysis is further suggested to evaluate the system reliability of the filter media that may help in risk assessment and risk management for decision making.

Detection and Characterization of Long-Pulse Low-Velocity Impact Damage in Plastic Bonded Explosives

Damage not only degrades the mechanical properties of explosives, but also influences the shock sensitivity, combustion and even detonation behavior of explosives. The study of impact damage is crucial in the vulnerability evaluation of explosives. A long-pulse low-velocity gas gun with a gas buffer was developed and used to induce impact damage in a hot pressed plastic bonded explosive. Various methods were used to detect and characterize the impact damage of the explosive. The microstructure was examined by use of polarized light microscopy. Fractal analysis of the micrographs was conducted by use of box counting method. The correlation between the fractal dimensions and microstructures was analyzed. Ultrasonic testing was conducted using a pulse through-transmission method to obtain the ultrasonic velocity and ultrasonic attenuation. Spectra analyses were carried out for recorded ultrasonic signals using fast Fourier transform. The correlations between the impact damage and ultrasonic parameters including ultrasonic velocities and attenuation coefficients were also analyzed. To quantitatively assess the impact induced explosive crystal fractures, particle size distribution analyses of explosive crystals were conducted by using a thorough etching technique, in which the explosives samples were soaked in a solution for enough time that the binder was totally removed. Impact induces a large extent of explosive crystal fractures and a large number of microcracks. The ultrasonic velocity decreases and attenuation coefficients increase with the presence of impact damage. Both ultrasonic parameters and fractal dimension can be used to quantitatively assess the impact damage of plastic bonded explosives.

A Synoptic View of a Coastal Plain Estuary.

During October, 1972 the Patuxent River Estuary was monitored intensively and synoptically over two tidal cycles to determine the spatial and temporal patterns of various hydrodynamic, chemical and biological features. Forty-one depths at eleven stations along nine transects were sampled simultaneously at hourly intervals for salinity, temperature, dissolved oxygen, chlorohyll a, particulate nitrogen, nitrate, nitrite, total kjeldahl nitrogen, ammonia, particulate carbohydrate, dissolved organic carbon, total hydrolizable phosphorous, dissolved inorganic phosphorous, suspended sediment, particle size distribution, and zooplankton. Tidal velocity was continuously monitored at each depth by recording current meters. Riverine input and meteorological conditions were relatively stable for two weeks preceeding the deployment. This communication describes the calculation of the intrinsic rates of change of the observed variables from their measured distributions in the Estuary. The steady-state, one-dimensional equation of species continuity is employed to separate the advection and tidal dispersion of a hydrodynamically passive substance frbm its intrinsic rate of change at point. A new spatial transform is introduced for the purpose of interpolation and extrapolation of data.The intrinsic rate of change profiles reveal a region of heavy bloom activity in the upper estuary and a secondary bloom near the point in the River that most of the suspended material settles out. The changes in ammonia and nitrates are highly correlated to the productivity patterns. Phosphorous rates are less closely correlated to productivity. The perturbations that the Chalk Point steam electric power plant have on the heat and oxygen balances are easily discernible.

Evaluating approaches and technologies for monitoring organic contaminants in the aquatic environment, Ann Arbor, MI, July 21-23, 2006: workshop proceedings

The Alliance for Coastal Technologies (ACT) convened a workshop on Evaluating Approaches and Technologies for Monitoring Organic Contaminants in the Aquatic Environment in Ann Arbor, MI on July 21-23, 2006. The primary objectives of this workshop were to: 1) identify the priority management information needs relative to organic contaminant loading; 2) explore the most appropriate approaches to estimating mass loading; and 3) evaluate the current status of the sensor technology. To meet these objectives, a mixture of leading research scientists, resource managers, and industry representatives were brought together for a focused two-day workshop. The workshop featured four plenary talks followed by breakout sessions in which arranged groups of participants where charged to respond to a series of focused discussion questions. At present, there are major concerns about the inadequacies in approaches and technologies for quantifying mass emissions and detection of organic contaminants for protecting municipal water supplies and receiving waters. Managers use estimates of land-based contaminant loadings to rivers, lakes, and oceans to assess relative risk among various contaminant sources, determine compliance with regulatory standards, and define progress in source reduction. However, accurately quantifying contaminant loading remains a major challenge. Loading occurs over a range of hydrologic conditions, requiring measurement technologies that can accommodate a broad range of ambient conditions. In addition, in situ chemical sensors that provide a means for acquiring continuous concentration measurements are still under development, particularly for organic contaminants that typically occur at low concentrations. Better approaches and strategies for estimating contaminant loading, including evaluations of both sampling design and sensor technologies, need to be identified. The following general recommendations were made in an effort to advance future organic contaminant monitoring: 1. Improve the understanding of material balance in aquatic systems and the relationship between potential surrogate measures (e.g., DOC, chlorophyll, particle size distribution) and target constituents. 2. Develop continuous real-time sensors to be used by managers as screening measures and triggers for more intensive monitoring. 3. Pursue surrogate measures and indicators of organic pollutant contamination, such as CDOM, turbidity, or non-equilibrium partitioning. 4. Develop continuous field-deployable sensors for PCBs, PAHs, pyrethroids, and emerging contaminants of concern and develop strategies that couple sampling approaches with tools that incorporate sensor synergy (i.e., measure appropriate surrogates along with the dissolved organics to allow full mass emission estimation).[PDF contains 20 pages]

Síntese e caracterização de copolímeros à base de poli(metacrilato de metila) e divinilbenzeno com propriedades magnéticas

Nesta dissertação, foram sintetizados copolímeros à base de poli(metacrilato de metila) (PMMA), divinilbenzeno (DVB) com propriedades magnéticas pela técnica de polimerização em suspensão. O material utilizado para conferir propriedade magnética foi o ferro. Foi estudada a influência das variáveis reacionais para a formação de microesferas (ordem de adição das fases orgânica e aquosa e a dispersão do ferro antes e após a pré-polimerização), o efeito da concentração de ferro adicionado na polimerização, a influência da razão molar MMA/DVB na formação do copolímero, o efeito do tipo de agente de suspensão e a velocidade de agitação para a síntese dos copolímeros. Os copolímeros foram caracterizados quanto à morfologia, estabilidade térmica, teor de ferro incorporado, distribuição de tamanho de partículas, propriedades magnéticas, área superficial, volume e tamanho de poros. As análises de propriedades magnéticas mostraram que os materiais obtidos não apresentaram ciclos de histerese, estando assim próximos de um material com propriedades superparamagnéticas, com magnetização de saturação entre 8,0 e 13,0 emu/g. Os copolímeros sintetizados com velocidade de agitação 500 RPM, temperaturade 90 C, tempo de polimerização de 24h, monômeros MMA/DVB 50/50 (% molar); razão volumétrica fase orgânica/fase aquosa 1/3, diluente heptano, grau de diluição 100% apresentaram melhor controle morfológico, melhor magnetização de saturação, tamanho de partículas menores e maior tamanho de poros

Preparação e caracterização de bionanocompósitos à base de gelatina e magnetita reticulados com sacarose

Nesta dissertação, foram estudadas a preparação e a caracterização debionanocompósitos à base de gelatina e magnetita. Sacarose foi empregada comoagente de reticulação e gelatina tipo A e gelatina tipo B foram comparadas nautilização para a preparação das microesferas por meio de emulsão água-em-óleo.As microesferas foram caracterizadas por VSM, DSC, TGA, FTIR, testes deinchamento, espectroscopia de absorção atômica, microscopia ótica e microscopiaeletrônica de varredura. Um planejamento de experimentos variando-se aconcentração de gelatina e de sacarose, a temperatura e a velocidade de agitaçãofoi realizado a fim de encontrar quais parâmetros influenciam o diâmetro dasmicroesferas. A concentração de gelatina e velocidade de agitação foram osparâmetros diretamente associados com os tamanhos de partículas. A distribuiçãode tamanho das partículas revelou que o diâmetro das microesferas variou de 5 a 60micrômetros, com predominância na faixa de 11 a 30 micrômetros. A extensão dareticulação foi aumentada com o aumento do tempo de aquecimento na etapa depreparação das microesferas. Todos os bionanocompósitos apresentaramsuperparamagnetismo. Os resultados mostraram que não há diferença significativa entre a utilização de gelatina do tipo A e gelatina do tipo B. Além disso, o estudo de reticulação degelatina revelou que, ao contrário do que diz a literatura, a sacarose não é umagente de reticulação para as cadeias proteicas, pois não foram encontradasevidências de uma reação química entre a sacarose e gelatina

Foraminíferos como indicadores paleoecológicos do Holoceno no Manguezal de Guaratiba, Baía de Sepetiba, Rio de Janeiro

Os manguezais são ecossistemas estuarinos, representando a transição entre os ambientes continentais e marinhos, e tendo sua formação relacionada com as flutuações do nível do mar no Quaternário. No Manguezal de Guaratiba, diversos estudos sobre as variações do nível do mar, mais precisamente no Holoceno, têm sido realizados, sob os enfoques sedimentológicos, geoquímicos, palinológicos e micropaleontológicos. Entre os estudos micropaleontológicos, destacam-se os que utilizam os foraminíferos bentônicos, micro-organismos amplamente utilizados como indicadores paleoecológicos e paleoambientais do Holoceno. No presente trabalho, foi coletado, através de um amostrador do tipo trado russo, um testemunho (T1) no Manguezal de Guaratiba, no qual foram realizadas análises de parâmetros como granulometria, teores de matéria orgânica (MO), carbonato, carbono orgânico total (COT) e enxofre (S) (abióticos) e da fauna de foraminíferos bentônicos (bióticos). Foram utilizadas também índices ecológicos e análises de agrupamento, através das quais foi possível estabelecer quatro associações faunísticas (I,II,III e IV), assim como os fatores ambientais que mais influenciaram a distribuição da fauna. A correlação com assembleias de foraminíferos de outros testemunhos que possuem datação por Carbono 14 (C14), assim como outros trabalhos que versam sobre a evolução da Baía de Sepetiba, permitiu o estabelecimento de três ciclos de emersão-submersão para a área da planície de maré estudada: 1)Fase transgressiva: nível de concentração de conchas em depósitos lagunares formados por sedimentos finos, sem foraminíferos; provavelmente posterior a uma regressão; 2) Fase transgressiva: formação de uma baía, com presença exclusiva de espécies de foraminíferos calcários (Associação III) com maiores valores de riqueza e queda nos valores de COT; ocorrida há cerca de 3.800 anos A.P 3) Fase transgressiva: período de submersão, presença de espécies de foraminíferos tipicamente estuarinos (Associação IV), com duração entre 3.500 anos A.P. e 2.700 anos A.P.; 4)Fase transgressiva: caracterizada pela alternância entre a formação de baías rasas e lagunas marinhas (maiores índices de riqueza nas associações faunísticas), menores valores de MO e COT e aumento na proporção de sedimentos finos; evento iniciado há cerca de 2.700 anos A.P.; e 5)Fase regressiva: fauna de foraminíferos aglutinantes, resistente às condições de salinidade e acidez características de ambientes confinados como os manguezais, além do incremento nos teores de areia, evidenciando a fase final de confinamento da Baía de Sepetiba pela Restinga da Marambaia; evento iniciado por volta de 2.400 anos A.P., estendendo-se até o presente. Os resultados obtidos mostram a importância da correlação lateral entre testemunhos na interpretação paleoambiental da Baía de Sepetiba, além da identificação de estágios de transgressão e regressão que se aproximam da curva de variação do nível do mar proposta por SUGUIO et al.(1985) para o litoral do Estado do Rio de Janeiro

Avaliação da influência do manejo agrícola no uso e cobertura das terras através de ferramentas de geoprocessamento e indicadores de qualidade dos solos na bacia hidrográfica do Córrego da Caçada - Paraty/RJ

A avaliação da qualidade dos solos e a redução da Mata Atlântica tem sido alvo de diversas pesquisas no Brasil e no mundo, principalmente quando estes estão atrelados ao recorte espacial de Unidades de Conservação. No entanto, tem sido difícil para os gestores dessas unidades a avaliação dos impactos ambientais gerados ao longo dos anos nas bacias hidrográficas, principalmente pela falta de investimentos. Esta dissertação teve por objetivo geral avaliar o atual estágio de degradação da bacia hidrográfica do Córrego da Caçada pertencente à Área de Proteção Ambiental Federal de Cairuçu, no município de Paraty RJ, analisando quantitativamente e qualitativamente a redução dos fragmentos de Mata Atlântica e estabelecendo relações com a degradação física e química dos solos dentro e fora dos fragmentos florestais. A metodologia utilizada para a redução ou avanço dos fragmentos de Mata Atlântica baseou-se no uso de fotografias aéreas do ano de 1956 e imagens de satélite de 2012, onde possibilitou a avaliação espaço-temporal do uso e cobertura das terras, através da produção de um mapa temático final. Além disso, foram elaborados mapas temáticos de reconhecimento da área de estudo, como o de hipsometria, de declividade, de orientação e forma das encostas, além da geração de perfis topográficos. Para a avaliação da qualidade física, química e biológica dos solos foram determinadas as curvas de distribuição granulométrica, a densidade relativa dos grãos sólidos e a densidade aparente, porosidade total, os limites de liquidez e plasticidade, a estabilidade dos agregados em água, análises morfológicas, a saturação de bases, a capacidade de troca catiônica (CTC), a saturação por alumínio, fósforo, pH e o carbono orgânico. Para tal, foi realizada a abertura de três perfis, sendo um em área de fragmento florestal e dois em áreas de pasto. O resultado das análises permitiu, segundo a Sociedade Brasileira de Ciência do solo, a classificação de dois tipos de solos na bacia, sendo: Cambissolo Háplico Tb Distrófico Típico em área fragmento florestal e em área de pasto, e um Latossolo Amarelo Tb Distrófico Típico em área de pasto. Os resultados de laboratório mostraram que os solos avaliados têm baixa fertilidade e valores variados nos resultados de física do solo. No entanto, além do histórico de uso do solo caracterizado pelas práticas rudimentares do manejo empregado pelos Caiçaras, o clima predominante na região possibilita um regime pluviométrico anual que passa dos 2.000mm de chuva/ano, caracterizando solos muito lixiviados e pobres quimicamente. Portanto, conclui-se que a relação das propriedades físicas e químicas avaliadas junto ao manejo inadequado ao longo dos anos tem apresentado um cenário de grandes dificuldades para a recuperação florestal na bacia hidrográfica do Córrego da Caçada, o que mostra a importância da avaliação dos impactos ambientais não só pelo recorte de bacias hidrográficas, como contextualizar seu posicionamento dentro de Unidades de Conservação, com legislações e objetivos específicos.

Influence of 5A-Type Zeolite Powder on Tetrahydrofuran Hydrate Formation and Dissociation Process

Visual observations of tetrahydrofuran (THF) hydrate formation and dissociation processes with 5A-type zeolite powder were made at normal atmospheric conditions and below zero temperature by microscope. Results indicate that 5A-type zeolite powder can promote THF hydrate growth. At the same time, in the presence of 5A-type zeolite, agglomerated crystals and vein-like crystals of THF hydrate were also formed. SA-type zeolite powder increases the crystallization temperature and decreases the dissociation temperature. The particle size distribution of 5A-type zeolite powder influences THF hydrate formation and its dissociation characteristics significantly.

激光衍射法与吸管法对东北黑土区土壤粒径分布测定的差异性研究

目前激光衍射法(laser diffraction method,LD)逐步被用于土壤颗粒粒径分布(particle size distribution, PSD)的分析,为了对比LD法和吸管法测定东北黑土区土壤PSD的差异性,采用LD法和吸管法分别对东北黑土区宾州河流域36个土壤剖面不同层次178个土壤样品的PSD值进行了测定与分析。结果表明,同吸管法相比,LD法低估了土壤的黏粒含量,平均低估幅度19.69%,而高估了土壤的粉粒和砂粒含量,平均高估幅度分别为14.66%和5.13%。LD法所得PSD结果依据美国土壤质地分类制判定的土壤质地,相对于吸管法总体由粉黏质偏向粉砂质方向。建立了LD法与吸管法测定PSD结果的转换模型,将LD法测定的PSD结果利用转换模型校正后,其测定的各土壤粒级同吸管法相比,准确度达96.97%～98.71%,判定土壤质地的准确率也达83.15%。

两种土壤水分特征曲线间接推求方法对黄土的适应性评价

土壤水分特征曲线(SWCC)是模拟土壤水分运动和溶质运移的一个重要参数,利用土壤的基本物理性质来间接推求SWCC的方法已经成为当今土壤物理学领域的研究热点。为了比较两种SWCC间接推求方法——Arya-Paris物理经验方法(简称AP方法)和Tyler-Wheatcraft分形几何方法(简称TW方法)对黄土的适应性,该文分析了黄土高原296组土壤颗粒分布、容重和水分特征曲线等资料,利用简化的Fredlund(Fred3P)模型模拟得到连续的土壤颗粒分布曲线,然后应用AP和TW方法预测出相应吸力下的土壤含水量。研究结果表明,对于黄土性土壤,AP和TW两种方法的预测结果均达到了一定的精度,相比较而言AP方法的预测效果明显优于TW方法,且受质地影响小。