Síntese, caracterização e modificação de superfícies de sílicas mesoporosas ordenadas para captura de CO2

Processos como a purificação do metano (CH4) e a produção de hidrogênio gasoso (H2) envolvem etapas de separação de CO2. Atualmente, etanolaminas como monoetanolamina (MEA), dietanolamina (DEA), metildietanolamina (MDEA) e trietanolamina (TEA) são as substâncias mais utilizadas no processo de separação/captura de CO2 em processos industriais. Entretanto, o uso destas substâncias apresenta alguns inconvenientes devido à alta volatilidade, dificuldade de se trabalhar com material líquido, também ao alto gasto energético envolvido das etapas de regeneração e à baixa estabilidade térmica e química. Com base nessa problemática, esse trabalho teve por objetivo a síntese de um tipo de sílica mesoporosa altamente ordenada (SBA-15) de modo a utilizá-la no processo de captura de CO2. O trabalho foi dividido em quatro etapas experimentais que envolveram a síntese da SBA-15, o estudo do comportamento térmico de algumas etanolaminas livres, síntese e caracterização de materiais adsorventes preparados a partir de incorporação de etanolaminas à SBA-15 e estudo da eficiência de captura de CO2 por esses materiais. Novas alternativas de síntese da SBA-15 foram estudadas neste trabalho, visando aperfeiçoar as propriedades texturais do material produzido. Tais alternativas são baseadas na remoção do surfatante, utilizado como molde na síntese da sílica mesoporosa, por meio da extração por Soxhlet, utilizando diferentes solventes. O processo contribuiu para melhorar as propriedades do material obtido, evitando o encolhimento da estrutura que pode ser ocasionado durante a etapa de calcinação. Por meio de técnicas como TG/DTG, DSC, FTIR e Análise Elementar de C, H e N foi realizada a caracterização físico-química e termoanalítica da MEA, DEA, MDEA e TEA, visando melhor conhecer as características destas substâncias. Estudos cinéticos baseados nos métodos termogravimétricos isotérmicos e não isotérmicos (Método de Ozawa) foram realizados, permitindo a determinação de parâmetros cinéticos envolvidos nas etapas de volatilização/decomposição térmica das etanolaminas. Além das técnicas acima mencionadas, MEV, MET, SAXS e Medidas de Adsorção de N2 foram utilizadas na caraterização da SBA-15 antes e após a incorporação das etanolaminas. Dentre as etanolaminas estudadas, a TEA apresentou maior estabilidade térmica, entretanto, devido ao seu maior impedimento estérico, é a etanolamina que apresenta menor afinidade com o CO2. Diferentemente das demais etanolaminas estudadas, a decomposição térmica da DEA envolve uma reação intramolecular, levando a formação de MEA e óxido de etileno. A incorporação destes materiais à SBA-15 aumentou a estabilidade térmica das etanolaminas, uma vez que parte do material permanece dentro dos poros da sílica. Os ensaios de adsorção de CO2 mostraram que a incorporação da MEA à SBA-15 catalisou o processo de decomposição térmica da mesma. A MDEA foi a etanolamina que apresentou maior poder de captura de CO2 e sua estabilidade térmica foi consideravelmente aumentada quando a mesma foi incorporada à SBA-15, aumentando também seu potencial de captura de CO2.

Synergistic action of actinoporin isoforms from the same sea anemone species assembled into functionally active heteropores

Among the toxic polypeptides secreted in the venom of sea anemones, actinoporins are pore forming toxins whose toxic activity relies on the formation of oligomeric pores within biological membranes. Intriguingly, actinoporins appear as multigene families which give rise to many protein isoforms in the same individual displaying high sequence identities but large functional differences. However, the evolutionary advantage of producing such similar isotoxins is not fully understood. Here, using sticholysins I and II (StnI and StnII) from the sea anemone Stichodactyla helianthus, it is shown that actinoporin isoforms can potentiate each other’s activity. Through hemolysis and calcein releasing assays, it is revealed that mixtures of StnI and StnII are more lytic than equivalent preparations of the corresponding isolated isoforms. It is then proposed that this synergy is due to the assembly of heteropores since (i) StnI and StnII can be chemically cross-linked at the membrane and (ii) the affinity of sticholysin mixtures for the membrane is increased with respect to any of them acting in isolation, as revealed by isothermal titration calorimetry experiments. These results help to understand the multigene nature of actinoporins and may be extended to other families of toxins that require oligomerization to exert toxicity.

Caracterização físico-química e analítica de fibras capilares e ingredientes cosméticos para proteção

Com o aumento dos tratamentos químicos e/ou físicos nos cabelos aos quais são realizados mediante o uso de dispositivos térmicos, há uma maior preocupação a respeito dos danos causados aos cabelos por estes tipos de tratamentos. O conhecimento dos efeitos, benefícios e/ou malefícios, de ingredientes cosméticos em cabelos torna-se necessário, pois facilita a busca por produtos baseada no tipo de cabelo. O principal objetivo do trabalho foi a caracterização físico-química, analítica e térmica de mechas de cabelo de diferentes etnias (caucasiano, oriental e afro-étnico virgem e brasileiro virgem e descolorido) antes e após o uso de ingredientes cosméticos seguido de um tratamento térmico (utilizando piastra) e intercalando com lavagens. O estudo das amostras de cabelo e de uma amostra de queratina animal envolveu a utilização das técnicas de TG/DTG, DSC, análise elementar, FTIR, MEV e técnicas de avaliação de eficácia, como tensão/deformação, penteabilidade e quebra por escovação. A partir da TG/DTG, foi possível avaliar as etapas de decomposição térmica das amostras de cabelo virgem e de queratina animal e estas apresentaram um comportamento térmico semelhante entre si. O estudo cinético não isotérmico por TG mostrou que, dos diferentes tipos de amostras de cabelo virgem, o afro-étnico apresentou menor estabilidade térmica e o oriental foi o mais estável termicamente. Os resultados de DSC corroboraram os obtidos por TG, demonstrando que a amostra de cabelo afro-étnico apresentou temperatura de desnaturação térmica das cadeias de α-queratina menor (TD = 223°C) do que as amostras dos outros tipos de cabelo (TD = 236°C). As mechas de cabelo virgem e clareadas foram tratadas com formulações cosméticas contendo silicones e avaliadas quanto a eficiência destes na proteção térmica dos cabelos. Algumas delas mostraram eficiência na proteção térmica das cadeias de α-queratina, diminuindo o seu grau de desnaturação. Foi possível observar que a associação do calor da piastra com as lavagens sucessivas causou danos tanto à cutícula (conforme resultados de FTIR e MEV), como também, ao córtex dos cabelos (conforme resultados de DSC). Em alguns casos, os danos causados foram tão graves que as camadas mais superficiais da cutícula sofreram descamações. O estudo mostrou, também, que a eficiência da proteção térmica nos cabelos depende do tipo da formulação cosmética em que estes protetores estão incorporados e do estado em que os cabelos se encontram. A DSC permitiu a avaliação da modificação termicamente induzida das cadeias de α-queratina e sua posterior desnaturação. O estudo envolvendo a associação das diferentes técnicas apresentou-se viável na avaliação tanto dos danos causados aos cabelos quanto na eficiência dos ingredientes cosméticos na proteção térmica dos mesmos.

Cristalização assistida por destilação por membranas aplicada ao reuso de água: comparação com outros métodos de reuso, análise do processo e projeto hierárquico de processo.

No presente trabalho foram avaliados processos alternativos de dessalinização visando a recuperação e reuso da água contida em salmouras concentradas, sendo o processo de cristalização assistida por destilação por membranas (MDC) investigado com profundidade. Foi desenvolvido um modelo diferencial para o processo de destilação por membranas por contato direto (DCMD), contemplando métodos termodinâmicos rigorosos para sistemas aquosos de eletrólitos fortes, bem como mecanismos de transferência de calor e massa e efeitos de polarização de temperatura e concentração característicos deste processo de separação. Com base em simulações realizadas a partir do modelo matemático assim desenvolvido, foram investigados os principais parâmetros que influenciam o projeto de um módulo de membranas para DCMD. O modelo foi posteriormente estendido com equações de balanço de massa e energia adicionais para incluir a operação de cristalização e desta forma representar o processo de MDC. De posse dos resultados das simulações e do modelo estendido, foi desenvolvido um método hierárquico para o projeto de processos de MDC, com o objetivo de conferir características de rastreabilidade e repetibilidade a esta atividade. Ainda a partir do modelo MDC foram discutidos aspectos importantes em MDC como a possibilidade de nucleação e crescimento de cristais sobre a superfície das membranas, bem como o comportamento do processo com sais com diferentes características de solubilidade e largura da zona metaestável. Verificou-se que para sais cuja solubilidade varia muito pouco com a temperatura e que possuem zona metaestável com pequena largura, caso do NaCl, a operação com resfriamento no cristalizador não é viável pois aumenta excessivamente o consumo energético do processo, sendo nesses casos preferível a operação \"isotérmica\" - sem resfriamento no cristalizador - e o convívio com a possibilidade de nucleação no interior do módulo. No extremo oposto, observou-se que para sais com grande variabilidade da solubilidade com a temperatura, um pequeno resfriamento no cristalizador é suficiente para garantir condições de subsaturação no interior do módulo, sem grande ônus energético para o processo. No caso de sais com pequena variabilidade da solubilidade com a temperatura, mas com largura da zona metaestável elevada, existe certo ônus energético para a operação com resfriamento do cristalizador, porém não tão acentuado como no caso de sais com zona metaestável estreita. Foi proposto um fluxograma alternativo para o processo de MDC, onde foi introduzido um circuito de pré-concentração da alimentação antes do circuito de cristalização, para o caso de alimentação com soluções muito diluídas. Este esquema proporcionou um aumento do fluxo permeado global do processo e consequentemente uma redução na área total de membrana requerida. Verificou-se que através do processo com préconcentração da alimentação de 5% até 10% em massa - no caso de dessalinização de uma solução de NaCl - foi possível reduzir-se a área total da membrana em 27,1% e o consumo energético específico do processo em 10,6%, quando comparado ao processo sem pré-concentração. Foram desenvolvidas ferramentas úteis para o projeto de processos de dessalinização por MDC em escala industrial.

Gaseificação de microalgas: estudo termogravimétrico e modelagem matemática do processo em reator solar.

Devido ao esgotamento de recursos não renováveis e o aumento das preocupações sobre as alterações climáticas, a produção de combustível renovável a partir de microalgas continua a atrair muita a atenção devido ao seu potencial para taxas rápidas de crescimento, alto teor de óleo, capacidade de crescer em cenários não convencionais e a neutralidade de carbono, além de eliminar a preocupação da disputa com as culturas alimentares. Em virtude disso, torna-se importante o desenvolvimento de um processo de conversão das microalgas em gás combustível, em destaque o gás de síntese. Visando essa importância, estudou-se a reação de gaseificação da microalga Chlorella vulgaris através de experimentos de análise termogravimétrica para estimar os parâmetros cinéticos das reações e através da simulação de um modelo matemático dinâmico termoquímico do processo usando equações de conservação de massa e energia acoplados a cinética de reação. Análises termogravimétricas isotérmicas e dinâmicas foram realizadas usando dois diferentes tipos de modelos cinéticos: isoconversionais e reações paralelas independentes (RPI). Em ambos os modelos, os valores dos parâmetros cinéticos estimados apresentaram bons ajustes e permaneceram dentro daqueles encontrados na literatura. Também foram analisados os efeitos dos parâmetros cinéticos do modelo RPI sobre a conversão da microalga no intuito de observar quais mais se pronunciavam diante a variação de valores. Na etapa de simulação do sistema controlado pelo reator solar, o modelo matemático desenvolvido foi validado por meio da comparação dos valores de temperatura e concentrações de produtos obtidos medidos experimentalmente pela literatura, apresentando boa aproximação nos valores e viabilizando, juntamente com a etapa experimental de termogravimetria, a produção de gás de síntese através da gaseificação da microalga Chlorella vulgaris.

Synergistic Action of Actinoporin Isoforms from the Same Sea Anemone Species Assembled into Functionally Active Heteropores

Among the toxic polypeptides secreted in the venom of sea anemones, actinoporins are the pore-forming toxins whose toxic activity relies on the formation of oligomeric pores within biological membranes. Intriguingly, actinoporins appear as multigene families that give rise to many protein isoforms in the same individual displaying high sequence identities but large functional differences. However, the evolutionary advantage of producing such similar isotoxins is not fully understood. Here,using sticholysins I and II (StnI and StnII) from the sea anemone Stichodactyla helianthus, it is shown that actinoporin isoforms can potentiate each other’s activity. Through hemolysis and calcein releasing assays, it is revealed that mixtures of StnI and StnII are more lytic than equivalent preparations of the corresponding isolated isoforms. It is then proposed that this synergy is due to the assembly of heteropores because (i) StnI and StnII can be chemically cross-linked at the membrane and (ii) the affinity of sticholysin mixtures for the membrane is increased with respect to any of them acting in isolation, as revealed by isothermal titration calorimetry experiments. These results help us understand the multigene nature of actinoporins and may be extended to other families of toxins that require oligomerization to exert toxicity.

Formación tardía de etringita en fibrocemento.

La temperatura de curado, utilizada por la industria de fibrocemento como catalizador en la hidratación del cemento para lograr alta resistencia inicial en sus productos, genera la hipótesis de expansión causada por formación tardía de etringita. Para el planteamiento de dicha hipótesis, el siguiente estudio contempló dos grupos de muestras con el objetivo de estudiar aisladamente su comportamiento químico y físico: uno de los grupos conformado por pasta cementicia con 35% de sustitución de calcario, y el otro conformado por fibrocemento con incorporación de PVA y celulosa. Por calorimetría isotérmica se observó la cinética de reacción de dos pastas, una de ellas curada a 23 ºC y la otra a 85 ºC donde esta última experimentó un efecto catalizador en sus reacciones. Ensayos de DRX y DTG/TG mostraron la presencia de etringita a 23 °C durante todas las edades de hidratación exhibiendo una tendencia de aumento en la intensidad de los picos y en la cantidad, respectivamente, en función del tiempo; sin embargo, a 85 ºC la presencia de esta fase fue inconstante durante las primeras edades de hidratación, a partir de mes de hidratación mostró aumento en cada una de las siguientes medidas realizadas mensualmente; a 85 °C hubo una menor formación de portlandita en comparación con los resultados obtenidos a 23 °C. Utilizando el método Rietveld y análisis químico fueron determinadas las cantidades y las composiciones químicas, respectivamente, de las fases del cemento anhidro y del calcario para alimentar el programa GEMS y simular la hidratación de la pasta estudiada en laboratorio para un tiempo infinito bajo la influencia de la temperatura. Simulaciones de la hidratación de la pasta se aproximaron a los resultados reportados por la revisión bibliográfica permitiendo predecir la presencia de fases en función de la estabilidad termodinámica. Resultados de porosimetría por inyección de mercurio mostraron una mayor concentración de poros, asociados a defectos, en muestras curadas a 85°C con respecto a las de 23 °C. Finalmente, medidas de variación longitudinal para muestras de fibrocemento elaboradas en laboratorio y en fábrica presentaron dispersión en los resultados de expansión para cada uno de los escenarios sin poder correlacionar todos los datos con el aumento de masa exhibido por cada una de las muestras; no obstante, se resalta el riesgo de deterioro del fibrocemento por el aumento de defectos causado por la temperatura así como la creación de todas las condiciones necesarias que favorecen la formación tardía de etringita a partir del proceso de fabricación empleado para este producto.

On the development of advanced techniques for mixed-elastohydrodynamic lubrification modelling of journal and sliding bearing systems.

The present thesis is focused on the development of a thorough mathematical modelling and computational solution framework aimed at the numerical simulation of journal and sliding bearing systems operating under a wide range of lubrication regimes (mixed, elastohydrodynamic and full film lubrication regimes) and working conditions (static, quasi-static and transient conditions). The fluid flow effects have been considered in terms of the Isothermal Generalized Equation of the Mechanics of the Viscous Thin Films (Reynolds equation), along with the massconserving p-Ø Elrod-Adams cavitation model that accordingly ensures the so-called JFO complementary boundary conditions for fluid film rupture. The variation of the lubricant rheological properties due to the viscous-pressure (Barus and Roelands equations), viscous-shear-thinning (Eyring and Carreau-Yasuda equations) and density-pressure (Dowson-Higginson equation) relationships have also been taken into account in the overall modelling. Generic models have been derived for the aforementioned bearing components in order to enable their applications in general multibody dynamic systems (MDS), and by including the effects of angular misalignments, superficial geometric defects (form/waviness deviations, EHL deformations, etc.) and axial motion. The bearing exibility (conformal EHL) has been incorporated by means of FEM model reduction (or condensation) techniques. The macroscopic in fluence of the mixedlubrication phenomena have been included into the modelling by the stochastic Patir and Cheng average ow model and the Greenwood-Williamson/Greenwood-Tripp formulations for rough contacts. Furthermore, a deterministic mixed-lubrication model with inter-asperity cavitation has also been proposed for full-scale simulations in the microscopic (roughness) level. According to the extensive mathematical modelling background established, three significant contributions have been accomplished. Firstly, a general numerical solution for the Reynolds lubrication equation with the mass-conserving p - Ø cavitation model has been developed based on the hybridtype Element-Based Finite Volume Method (EbFVM). This new solution scheme allows solving lubrication problems with complex geometries to be discretized by unstructured grids. The numerical method was validated in agreement with several example cases from the literature, and further used in numerical experiments to explore its exibility in coping with irregular meshes for reducing the number of nodes required in the solution of textured sliding bearings. Secondly, novel robust partitioned techniques, namely: Fixed Point Gauss-Seidel Method (PGMF), Point Gauss-Seidel Method with Aitken Acceleration (PGMA) and Interface Quasi-Newton Method with Inverse Jacobian from Least-Squares approximation (IQN-ILS), commonly adopted for solving uid-structure interaction problems have been introduced in the context of tribological simulations, particularly for the coupled calculation of dynamic conformal EHL contacts. The performance of such partitioned methods was evaluated according to simulations of dynamically loaded connecting-rod big-end bearings of both heavy-duty and high-speed engines. Finally, the proposed deterministic mixed-lubrication modelling was applied to investigate the in fluence of the cylinder liner wear after a 100h dynamometer engine test on the hydrodynamic pressure generation and friction of Twin-Land Oil Control Rings.

Hydrogen storage in CO2-activated amorphous nanofibers and their monoliths

Amorphous carbon nanofibers (CNFs), produced by the polymer blend technique, are activated by CO2 (ACNFs). Monoliths are synthesized from the precursor and from some ACNFs. Morphology and textural properties of these materials are studied. When compared with other activating agents (steam and alkaline hydroxides), CO2 activation renders suitable yields and, contrarily to most other precursors, turns out to be advantageous for developing and controlling their narrow microporosity (< 0.7 nm), VDR(CO2). The obtained ACNFs have a high compressibility and, consequently, a high packing density under mechanical pressure which can also be maintained upon monolith synthesis. H2 adsorption is measured at two different conditions (77 K / 0.11 MPa, and 298 K / 20 MPa) and compared with other activated carbons. Under both conditions, H2 uptake depends on the narrow microporosity of the prepared ACNFs. Interestingly, at room temperature these ACNFs perform better than other activated carbons, despite their lower porosity developments. At 298 K they reach a H2 adsorption capacity as high as 1.3 wt.%, and a remarkable value of 1 wt.% in its mechanically resistant monolith form.

Kinetic study of thermal 1,3-dipolar cycloaddition of azomethine ylides using differential scanning calorimetry as monitoring window

Kinetics of 1,3-dipolar cycloaddition involving azomethine ylides, generated from thermal [1,2]-prototropy of the corresponding imino ester, employing differential scanning calorimetry (DSC), is surveyed. Glycine and phenylalanine derived imino esters have different behavior. The first one prefers reacting with itself at 75 ºC, rather than with the dipolarophile. However, the α-substituted imino ester gives the cycloadduct at higher temperatures. The thermal dynamic analysis by 1H NMR of the neat reaction mixture of the glycine derivative reveals the presence of signals corresponding to the dipole in very small proportion. The non-isothermal and isothermal DSC curves of the cycloaddition of phenylalaninate and diisobutyl fumarate are obtained from freshly prepared samples. The application of known kinetic models and mathematical multiple non-linear regressions (NLR) allow to determine and to compare Ea, lnA, reaction orders, and reaction enthalpy. Finally a rate equation for each different temperature can be established for this particular thermal cycloaddition.

An alternative disjunctive optimization model for heat integration with variable temperatures

This paper presents an alternative model to deal with the problem of optimal energy consumption minimization of non-isothermal systems with variable inlet and outlet temperatures. The model is based on an implicit temperature ordering and the “transshipment model” proposed by Papoulias and Grossmann (1983). It is supplemented with a set of logical relationships related to the relative position of the inlet temperatures of process streams and the dynamic temperature intervals. In the extreme situation of fixed inlet and outlet temperatures, the model reduces to the “transshipment model”. Several examples with fixed and variable temperatures are presented to illustrate the model's performance.

An improved procedure for obtaining and maintaining well characterized partial water saturation states on concrete samples to be used for mass transport tests

A conditioning procedure is proposed allowing to install into the concrete specimens any selected value of water saturation degree with homogeneous moisture distribution. This is achieved within the least time and the minimum alteration of the concrete specimens. The protocol has the following steps: obtaining basic drying data at 50 °C (water absorption capacity and drying curves); unidirectional drying of the specimens at 50 °C until reaching the target saturation degree values; redistribution phase in closed containers at 50 °C (with measurement of the quasi-equilibrium relative humidities); storage into controlled environment chambers until and during mass transport tests, if necessary. A water transport model is used to derive transport parameters of the tested materials from the drying data, i.e., relative permeabilities and apparent water diffusion coefficients. The model also allows calculating moisture profiles during isothermal drying and redistribution phases, thus allowing optimization of the redistribution times for obtaining homogeneous moisture distributions.

Thermogravimetric study of the decomposition of printed circuit boards from mobile phones

Thermal decomposition of printed circuits boards (PCB) is studied, using thermogravimetric analysis to compare the thermal behavior of PCB of mobile phones before and after the removal of the metallic fraction by acid washing. Several dynamic and dynamic + isothermal runs have been carried out at different heating rates (5, 10 and 20 K min−1), from room temperature to more than 1100 K. Also runs in the presence and in the absence of oxygen were performed (combustion and pyrolysis runs). Moreover, TG–MS experiments were performed (both in inert and oxidizing atmosphere) in order to better understand the thermal decomposition of these wastes and identify some compounds emitted during the controlled heating of these materials. Different reaction models are proposed, one for pyrolysis and one for combustion of the two kinds of wastes studied, which proved to simulate appropriately the experimental results at all the heating rates simultaneously.

Thermal decomposition of the different particles size fractions of almond shells and olive stones. Thermal behaviour changes due to the milling processes

The aim of this study is to investigate the effect of particle size on the non-isothermal pyrolysis of almond shells (AS) and olive stones (OS) and to show possible differences in the composition of the different fractions obtained after milling and sieving. The results obtained from the study of different particle size of AS and OS samples show significant differences in the solid residue obtained and in the shape and overlapping degree of the peaks, especially with the smaller particle size. These differences can be due to different factors: (a) the amount of inorganic matter, which increases as particle size decreases, (b) heat and mass transfer processes, (c) different sample composition as a consequence of the milling process which may provoke changes in the structure and the segregation of the components (in addition to the ashes) increasingly changes the composition of the sample as the particle size decreases.

Pitfalls in the Evaluation of the Thermodynamic Consistency of Experimental VLE Data Sets

The thermodynamic consistency of almost 90 VLE data series, including isothermal and isobaric conditions for systems of both total and partial miscibility in the liquid phase, has been examined by means of the area and point-to-point tests. In addition, the Gibbs energy of mixing function calculated from these experimental data has been inspected, with some rather surprising results: certain data sets exhibiting high dispersion or leading to Gibbs energy of mixing curves inconsistent with the total or partial miscibility of the liquid phase, surprisingly, pass the tests. Several possible inconsistencies in the tests themselves or in their application are discussed. Related to this is a very interesting and ambitious initiative that arose within the NIST organization: the development of an algorithm to assess the quality of experimental VLE data. The present paper questions the applicability of two of the five tests that are combined in the algorithm. It further shows that the deviation of the experimental VLE data from the correlation obtained by a given model, the basis of some point-to-point tests, should not be used to evaluate the quality of these data.