Anodes for protonic ceramic fuel cells (PCFCs)

One of the more promising possibilities for future “green” electrical energy generation is the protonic ceramic fuel cell (PCFC). PCFCs offer a low-pollution technology to generate electricity electrochemically with high efficiency. Reducing the operating temperature of solid oxide fuel cells (SOFCs) to the 500-700°C range is desirable to reduce fabrication costs and improve overall longevity. This aim can be achieved by using protonic ceramic fuel cells (PCFCs) due to their higher electrolyte conductivity at these temperatures than traditional ceramic oxide-ion conducting membranes. This thesis deals with the state of the art Ni-BaZr0.85Y0.15O3-δ cermet anodes for PCFCs. The study of PCFCs is in its initial stage and currently only a few methods have been developed to prepare suitable anodes via solid state mechanical mixing of the relevant oxides or by combustion routes using nitrate precursors. This thesis aims to highlight the disadvantages of these traditional methods of anode preparation and to, instead, offer a novel, efficient and low cost nitrate free combustion route to prepare Ni-BaZr0.85Y0.15O3-δ cermet anodes for PCFCs. A wide range of techniques mainly X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), environmental scanning electron microscopy, (ESEM) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) were employed in the cermet anode study. The work also offers a fundamental examination of the effect of porosity, redox cycling behaviour, involvement of proton conducting oxide phase in PCFC cermet anodes and finally progresses to study the electrochemical performance of a state of the art anode supported PCFC. The polarisation behaviour of anodes has been assessed as a function of temperature (T), water vapour (pH2O), hydrogen partial pressures (pH2) and phase purity for electrodes of comparable microstructure. The impedance spectra generally show two arcs at high frequency R2 and low frequency R3 at 600 °C, which correspond to the electrode polarisation resistance. Work shows that the R2 and R3 terms correspond to proton transport and dissociative H2 adsorption on electrode surface, respectively. The polarization resistance of the cermet anode (Rp) was shown to be significantly affected by porosity, with the PCFC cermet anode with the lowest porosity exhibiting the lowest Rp under standard operating conditions. This result highlights that porogens are not required for peak performance in PCFC anodes, a result contrary to that of their oxide-ion conducting anode counterparts. In-situ redox cycling studies demonstrate that polarisation behaviour was drastically impaired by redox cycling. In-situ measurements using an environmental scanning electron microscopy (ESEM) reveal that degradation proceeds due to volume expansion of the Ni-phase during the re-oxidation stage of redox cycling.The anode supported thin BCZY44 based protonic ceramic fuel cell, formed using a peak performing Ni-BaZr0.85Y0.15O3-δ cermet anode with no porogen, shows promising results in fuel cell testing conditions at intermediate temperatures with good durability and an overall performance that exceeds current literature data.

Treatment of aqueous effluents contaminated with ionic liquids

Ionic liquids are a class of solvents that, due to their unique properties, have been proposed in the past few years as alternatives to some hazardous volatile organic compounds. They are already used by industry, where it was possible to improve different processes by the incorporation of this kind of non-volatile and often liquid solvents. However, even if ionic liquids cannot contribute to air pollution, due to their negligible vapour pressures, they can be dispersed thorough aquatic streams thus contaminating the environment. Therefore, the main goals of this work are to study the mutual solubilities between water and different ionic liquids in order to infer on their environmental impact, and to propose effective methods to remove and, whenever possible, recover ionic liquids from aqueous media. The liquid-liquid phase behaviour of different ionic liquids and water was evaluated in the temperature range between (288.15 and 318.15) K. For higher melting temperature ionic liquids a narrower temperature range was studied. The gathered data allowed a deep understanding on the structural effects of the ionic liquid, namely the cation core, isomerism, symmetry, cation alkyl chain length and the anion nature through their mutual solubilities (saturation values) with water. The experimental data were also supported by the COnductor-like Screening MOdel for Real Solvents (COSMO-RS), and for some more specific systems, molecular dynamics simulations were also employed for a better comprehension of these systems at a molecular level. On the other hand, in order to remove and recover ionic liquids from aqueous solutions, two different methods were studied: one based on aqueous biphasic systems, that allowed an almost complete recovery of hydrophilic ionic liquids (those completely miscible with water at temperatures close to room temperature) by the addition of strong salting-out agents (Al2(SO4)3 or AlK(SO4)2); and the other based on the adsorption of several ionic liquids onto commercial activated carbon. The first approach, in addition to allowing the removal of ionic liquids from aqueous solutions, also makes possible to recover the ionic liquid and to recycle the remaining solution. In the adsorption process, only the removal of the ionic liquid from aqueous solutions was attempted. Nevertheless, a broad understanding of the structural effects of the ionic liquid on the adsorption process was attained, and a final improvement on the adsorption of hydrophilic ionic liquids by the addition of an inorganic salt (Na2SO4) was also achieved. Yet, the development of a recovery process that allows the reuse of the ionic liquid is still required for the development of sustainable processes.

Assessing the effectiveness of chemical treatment with nanomaterials in improving the quality of different industrial effluents

Industrial activities are the major sources of pollution in all environments. Depending on the type of industry, various levels of organic and inorganic pollutants are being continuously discharged into the environment. Although, several kinds of physical, chemical, biological or the combination of methods have been proposed and applied to minimize the impact of industrial effluents, few have proved to be totally effective in terms of removal rates of several contaminants, toxicity reduction or amelioration of physical and chemical properties. Hence, it is imperative to develop new and innovative methodologies for industrial wastewater treatment. In this context nanotechnology arises announcing the offer of new possibilities for the treatment of wastewaters mainly based on the enhanced physical and chemical proprieties of nanomaterials (NMs), which can remarkably increase their adsorption and oxidation potential. Although applications of NMs may bring benefits, their widespread use will also contribute for their introduction into the environment and concerns have been raised about the intentional use of these materials. Further, the same properties that make NMs so appealing can also be responsible for producing ecotoxicological effects. In a first stage, with the objective of selecting NMs for the treatment of organic and inorganic effluents we first assessed the potential toxicity of nanoparticles of nickel oxide (NiO) with two different sizes (100 and 10-20 nm), titanium dioxide (TiO2, < 25 nm) and iron oxide (Fe2O3, ≈ 85x425 nm). The ecotoxicological assessment was performed with a battery of assays using aquatic organisms from different trophic levels. Since TiO2 and Fe2O3 were the NMs that presented lower risks to the aquatic systems, they were selected for the second stage of this work. Thus, the two NMs pre-selected were tested for the treatment of olive mill wastewater (OMW). They were used as catalyst in photodegradation systems (TiO2/UV, Fe2O3/UV, TiO2/H2O2/UV and Fe2O3/H2O2/UV). The treatments with TiO2 or Fe2O3 combined with H2O2 were the most efficient in ameliorating some chemical properties of the effluent. Regarding the toxicity to V. fischeri the highest reduction was recorded for the H2O2/UV system, without NMs. Afterwards a sequential treatment using photocatalytic oxidation with NMs and degradation with white-rot fungi was applied to OMW. This new approach increased the reduction of chemical oxygen demand, phenolic content and ecotoxicity to V. fischeri. However, no reduction in color and aromatic compounds was achieved after 21 days of biological treatment. The photodegradation systems were also applied to treat the kraft pulp mill and mining effluents. For the organic effluent the combination NMs and H2O2 had the best performances in reduction the chemical parameters as well in terms of toxicity reduction. However, for the mine effluent the best (TiO2/UV and Fe2O3/UV) were only able to significantly remove three metals (Zn, Al and Cd). Nonetheless the treatments were able of reducing the toxicity of the effluent. As a final stage, the toxicity of solid wastes formed during wastewater treatment with NMs was assessed with Chironomus riparius larvae, a representative species of the sediment compartment. Certain solid wastes showed the potential to negatively affect C. riparius survival and growth, depending on the type of effluent treated. This work also brings new insights to the use of NMs for the treatment of industrial wastewaters. Although some potential applications have been announced, many evaluations have to be performed before the upscaling of the chemical treatments with NMs.

DPSIR framework application supported by integrated watershed modeling for irrigation from Alqueva dam (Portugal) on Guadiana river estuary

Dissertação de mest., Gestão da Água e da Costa, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2009

Application of DPSIR framework integrated with multiple regression model to simulate Guadiana catchment - estuary continuum, south eastern Iberia

Dissertação de Mestrado, Gestão da Água e da Costa, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2010

Estudo da aplicabilidade de biossensores piezoelécticos para a detecção de lipopolissacáridos bacterianos

Dissertação de Mestrado, Engenharia Biológica, Faculdade de Engenharia de Recursos Naturais, Universidade do Algarve, 2009

Activated carbon adsorption of cyanotoxins from natural waters

Tese de dout., Ciências e Tecnologias do Ambiente (Tecnologias do Ambiente), Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2010

Caractérisation des mécanismes d’action du microARN 169 chez Arabidopsis thaliana

Dissertação de mest., Engenharia Biológica, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2011

Tolerância à amónia e grau de ureotelia no xarroco, Halobatrachus didactylus (Bloch & Schneider, 1801)

Tese mest., Biologia Marinha, Universidade do Algarve, Faculdade de Ciências do Mar e do Ambiente, 2008

Estudo da reversão das alteracções funcionais da actina após processo de oxidação/redução

Relatório de estágio da licenciatura, Bioquímica, Faculdade de Ciência e Tecnologia da Universidade do Algarve, 2007

Remoção de cianotoxinas da água para consumo humano em filtros de carvão activado com actividade biológica

A contaminação das águas superficiais com cianotoxinas é um problema em Portugal e no mundo, com tendência crescente em consequência das alterações climáticas. O tratamento convencional da água para consumo humano tem eficácia limitada na remoção de cianotoxinas. Os filtros de carvão activado são uma alternativa promissora se, além da adsorção, se favorecer a biodegradação destes microcontaminantes, fenómenos todavia insuficientemente conhecidos.

Engineering new strategies to improve pharmacokinetics of therapeutic proteins

Tese de doutoramento, Farmácia (Biotecnologia Farmacêutica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2014

Nanoporous carbons from sisal residues and their application in hybrid TiO2/carbon photocatalysts for the removal and degradation of phenol in solution

Tese de doutoramento, Química (Química Tecnológica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2016

Diagnóstico ambiental de uma queijaria e proposta de melhorias

O presente trabalho tem como objectivo o diagnóstico ambiental da empresa Lacticinios do Paiva, S.A, a avaliação da água do processo e da ETARI e o estudo da fermentação do soro de queijo com o intuito de produção de bioetanol. No diagnóstico ambiental da empresa, observou-se que 18.227.731 litros de leite usados anualmente geram 5.031 ton/ano de queijo, 7.204 ton/ano de soro de queijo, 74.201 m3/ano de efluente liquido, 14 ton/ano de plástico e 20 ton/ano de cartão. Os principais problemas com necessidade de optimização são a recuperação de água das lavagens, avaliação da produção de biogás no digestor anaeróbio, recuperação do volume de leite que é desperdiçado na produção de queijo fresco de longa duração, avaliação da eficiência energética da empresa, valorização das natas e do soro de queijo. Decidiu-se neste trabalho avaliar a possibilidade de reciclagem das águas de lavagem, avaliar o funcionamento da ETARI face à legislação existente e estudar a possibilidade de valorização do soro de queijo. Na avaliação das águas de processo das lavagens para posterior reciclagem, verifica-se que relativamente ao pH e aos sólidos suspensos não existe problema, podendo encarar-se a hipótese de reciclagem directa. No entanto, no que respeita à carga orgânica das águas de lavagem do sistema de ultrafiltração do queijo fresco de longa duração, constata-se que esta não poderia ser utilizada novamente, uma vez que apresenta valores elevados de CQO. Para a sua reutilização, será necessário remover a CQO, hipótese que se estudou com resultados positivos. Verificou-se que, um tratamento por adsorção em carvão activado precedido de microfiltração, reduz a CQO de forma significativa permitindo admitir a hipótese de reciclagem da água, nomeadamente para as 1ª e 3ª águas de lavagem. As outras águas teriam necessidade de mais tempo de contacto com o carvão activado. No sentido de avaliar o funcionamento da ETARI, foram analisadas várias correntes da mesma, em particular a do efluente final, no que respeita a parâmetros como: pH, Sólidos Suspensos Totais, Carência Química de Oxigénio, Carência Bioquímica de Oxigénio, Turvação, Nitratos, Fósforo Total, Azoto Kjeldalh, Azoto Amoniacal e Cloretos. Observou-se que os valores para o efluente final da ETARI são os seguintes: pH compreendido entre [7,21 – 8,69], SST entre [65,3 – 3110] mg/L, CQO entre [92,5 – 711,5] mg/L, CBO5 entre [58 – 161] mg/L, NO3- entre [10,8 – 106,7] mg/L, fósforo total entre [8,3 – 64,3] mg/L, turvação entre [67,7 – 733,3] FTU e cloretos entre [459,9 – 619,81] mg/L; pode-se dizer que os parâmetros analisados se encontram quase sempre dentro da gama de valores impostos pela Câmara Municipal de Lamego pelo que o efluente pode ser lançado no Colector Municipal de Cambres. Relativamente à fermentação alcoólica do soro de queijo, verifica-se que a levedura Kluyveromyces Marxianus consegue degradar praticamente todo o açúcar presente no permeado produzindo assim uma quantidade razoável de etanol. Quando se utilizou a levedura Saccharomyces Cerevisiae, a produção de etanol foi muito reduzida, como esperado, dado que esta levedura apresenta dificuldades na metabolização da lactose. Constatou-se assim que a melhor levedura para a fermentação do permeado do soro de queijo é a Kluyveromyces Marxianus, estimando-se em 150 mg a produção de etanol por L de soro.

Contribuição para o estudo de odores em estações de tratamento de águas residuais urbanas

Os odores emitidos por estações de tratamento de águas residuais urbanas (ETAR) representam um problema potencial para a sua integração urbanística e ambiental. Por outro lado, os odores representam igualmente um perigo potencial para a saúde dos trabalhadores das ETAR, para a conservação das infraestruturas e para a eficiência de tratamento. Deste modo, o conhecimento sobre a sua ocorrência, contenção e tratamento é fundamental para a concepção, projecto e exploração das infraestruturas de saneamento. Com o objectivo de resumir e sistematizar a informação sobre o estado da arte relativo aos odores em ETAR, foi realizada uma revisão detalhada sobre os vários aspectos associados a este problema, nomeadamente formação e controlo de odores. De modo idêntico com o objectivo de procurar contribuir para a caracterização da situação em Portugal foram identificadas as principais ETAR existentes com desodorização, tendo sido organizados inquéritos e visitas a todas elas por forma a apurar a informação considerada mais relevante, nomeadamente no que diz respeito à tecnologia utilizada, bem como aspectos particulares de exploração e custos envolvidos. As principais conclusões do estudo efectuado incluem por um lado a importânica da concepção dos sistemas de contenção e ventilação como partes essenciais no controlo dos odores e, por outro, a baixa representatividade dos custos de investimento e de exploração do controlo de odores no total de uma ETAR. A tecnologia de tratamento mais aplicada é a absorção e oxidação química, seguida pela biofiltração e por adsorção em carvão activado e, aparentemente, a selecção das tecnologias não está relacionada nem com a dimensão da ETAR nem com o caudal de ar a tratar. Por outro lado, a monitorização dos odores e dos compostos odoríficos é poucas vezes efectuada, o que limita, de um modo muito significativo, a correcta avaliação dos processos de tratamento.