Applicability of pebble matrix filtration for the pre-treatment of surface waters containing high turbidity and NOM

Purification of drinking water is routinely achieved by use of conventional coagulants and disinfection procedures. However, there are instances such as flood events when the level of turbidity reaches extreme levels while NOM may be an issue throughout the year. Consequently, there is a need to develop technologies which can effectively treat water of high turbidity during flood events and natural organic matter (NOM) content year round. It was our hypothesis that pebble matrix filtration potentially offered a relatively cheap, simple and reliable means to clarify such challenging water samples. Therefore, a laboratory scale pebble matrix filter (PMF) column was used to evaluate the turbidity and natural organic matter (NOM) pre-treatment performance in relation to 2013 Brisbane River flood water. Since the high turbidity was only a seasonal and short term problem, the general applicability of pebble matrix filters for NOM removal was also investigated. A 1.0 m deep bed of pebbles (the matrix) partly in-filled with either sand or crushed glass was tested, upon which was situated a layer of granular activated carbon (GAC). Turbidity was measured as a surrogate for suspended solids (SS), whereas, total organic carbon (TOC) and UV Absorbance at 254 nm were measured as surrogate parameters for NOM. Experiments using natural flood water showed that without the addition of any chemical coagulants, PMF columns achieved at least 50% turbidity reduction when the source water contained moderate hardness levels. For harder water samples, above 85% turbidity reduction was obtained. The ability to remove 50% turbidity without chemical coagulants may represent significant cost savings to water treatment plants and added environmental benefits accrue due to less sludge formation. A TOC reduction of 35-47% and UV-254 nm reduction of 24-38% was also observed. In addition to turbidity removal during flood periods, the ability to remove NOM using the pebble matrix filter throughout the year may have the benefit of reducing disinfection by-products (DBP) formation potential and coagulant demand at water treatment plants. Final head losses were remarkably low, reaching only 11 cm at a filtration velocity of 0.70 m/h.

Performance studies on mechanical + adsorption hybrid compression refrigeration cycles with HFC 134a

This paper presents the results of an investigation on the efficacy of hybrid compression process for refrigerant HFC 134a in cooling applications. The conventional mechanical compression is supplemented by thermal compression using a string of adsorption compressors. Activated carbon is the adsorbent for the thermal compression segment. The alternatives of bottoming either mechanical or thermal compression stages are investigated. It is shown that almost 40% energy saving is realizable by carrying out a part of the compression in a thermal compressor compared to the case when the entire compression is carried out in a single-stage mechanical compressor. The hybrid compression is feasible even when low grade heat is available. Some performance indictors are defined and evaluated for various configurations.

Rapid Synthesis of Ultrahigh Adsorption Capacity Zirconia by a Solution Combustion Technique

Tetragonal ZrO2 was synthesized by the solution combustion technique using glycine as the fuel. The compound was characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, infrared spectroscopy, and BET surface area analysis. The ability of this compound to adsorb dyes was investigated, and the compound had a higher adsorption capacity than commercially activated carbon. Infrared spectroscopic observations were used to determine the various interactions and the groups responsible for the adsorption activity of the compound. The effects of the initial concentration of the dye, temperature, adsorbent concentration, and pH of the solution were studied. The kinetics of adsorption was described as a first-order process, and the relative magnitudes of internal and external mass transfer processes were determined. The equilibrium adsorption was also determined and modeled by a composite Langmuir-Freundlich isotherm.

Boron nitride nanotubes and nanowires

Simple methods of preparing boron nitride nanotubes and nanowires have been investigated. The methods involve heating boric acid with activated carbon, multi-walled carbon nanotubes, catalytic iron particles or a mixture of activated carbon and iron particles, in the presence of NH3. While with activated carbon, boron nitride nanowires constitute the primary product, high yields of clean boron nitride nanotubes are obtained with multi-walled carbon nanotubes. Aligned boron nitride nanotubes are produced when aligned multi-walled carbon nanotubes are employed as the starting material suggesting the templating role of the nanotubes. Boron nitride nanotubes with different structures have been obtained by reacting boric acid with NH3 in the presence of a mixture of activated carbon and Fe particles. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Effect of packing density and adsorption parameters on the throughput of a thermal compressor

Vapour adsorption refrigeration systems (VAdS) have the advantage of scalability over a wide range of capacities ranging from a few watts to several kilowatts. In the first instance, the design of a system requires the characteristics of the adsorbate-adsorbent pair. Invariably, the void volume in the adsorbent reduces the throughput of the thermal compressor in a manner similar to the clearance volume in a reciprocating compressor. This paper presents a study of the activated carbon +HFC-134a (1,1,1,2-tetrafluoroethane) system as a possible pair for a typical refrigeration application. The aim of this study is to unfold the nexus between the adsorption parameters, achievable packing densities of charcoal and throughput of a thermal compressor. It is shown that for a thermal compressor, the adsorbent should not only have a high surface area, but should also be able to provide a high packing density. Given the adsorption characteristics of an adsorbent-adsorbate pair and the operating conditions, this paper discloses a method for the calculation of the minimum packing density necessary for an effective throughput of a thermal compressor. (C) 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Dispersed ZrO2 nanoparticles in MCM-48 with high adsorption activity

A new two-step synthesis of ZrO2-MCM nanocomposites using the gel combustion technique was accomplished; the resulting material had a high-surface area and showed very high adsorption activity. The deposition of 25 nm ZrO2 particles over MCM was achieved using gel combustion technique with glycine as a fuel, and the formation of nanocomposites was confirmed using transmission electron microscopy. The composites were also characterized by XRD, SEM, FTIR and N2 adsorption-desorption analysis. The nanocomposites were tested for the adsorption of cationic dyes. High rates of adsorption and large dye uptake were observed over the nanocomposites. The rate of adsorption over the nanocomposites was higher than that observed for physical ZrO2-MCM mixtures and commercial activated carbon. The nanocomposite with 10 wt % ZrO2 showed the highest rate of adsorption owing to the synergistic effects of ZrO2 surface groups, smaller particle size, fine dispersion and high-surface area of the composite. (c) 2012 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 58: 29872996, 2012

Development of experimental setup for study of adsorption characteristics of porous materials down to 4.2 K

The knowledge of adsorption characteristics of activated carbon (porous material) in the temperature range from 5 to 20 K is essential when used in cryosorption pumps for nuclear fusion applications. However, such experimental data are very scarce in the literature, especially below 77 K. So, an experimental system is designed and fabricated to measure the adsorption characteristics of porous materials under variable cryogenic temperatures (from 5 K to 100 K). This is based on the commercially available micropore-analyser coupled to a closed helium cycle two-stage Gifford McMahon (GM) Cryocooler, which allows the sample to be cooled to 4.2 K. The sample port is coupled to the Cryocooler through a heat switch, which isolates this port from the cold head of the Cryocooler. By this, the sample temperature can now be varied without affecting the Cryocooler. The setup enables adsorption studies in the pressure range from atmospheric down to 10(-4) Pa. The paper describes the details of the experimental setup and presents the results of adsorption studies at 77 K for activated carbon with nitrogen as adsorbate. The system integration is now completed to enable adsorption studies at 4.2 K.

Is chemically synthesized Graphene `really' a unique substrate for SERS and fluorescence quenching?

We demonstrate observation of Raman signals of different analytes adsorbed on carbonaceous materials, such as, chemically reduced graphene, graphene oxide (GO), multi-walled carbon nanotube (MWCNT), graphite and activated carbon. The analytes selected for the study were Rhodamine 6G (R6G) (in resonant conditions), Rhodamine B (RB), Nile blue (NBA), Crystal Violet (CV) and acetaminophen (paracetamol). All the analytes except paracetamol absorb and fluoresce in the visible region. In this article we provide experimental evidence of the fact that observation of Raman signals of analytes on such carbonaceous materials are more due to resonance effect, suppression of fluorescence and efficient adsorption and that this property in not unique to graphene or nanotubes but prevalent for various type of carbon materials.

Purifying water containing both anionic and cationic species using a (Zn, Cu)O, ZnO, and Cobalt Ferrite based multiphase adsorbent system

For the purpose of water purification, novel and low-cost adsorbents which are promising replacements for activated carbon are being actively pursued. However, a single-phase material that adsorbs both cationic and anionic species remains elusive. Hence, a low-cost, multiphase adsorbent bed that purifies water containing both anionic and cationic pollutants is a desirable alternative. We choose anionic (Congo red, Orange G) and cationic (methylene blue, malachite green) dyes as model pollutants. These dyes are chosen since they are widely found in effluents from textile, leather, fishery, and pharmaceutical industries, and their carcinogenic, mutagenic, genotoxic, and cytotoxic impact on mammalian cells is well-established. We show that ZnO, (Zn0.24Cu0.76)O and cobalt ferrite based multiphase fixed adsorbent bed efficiently adsorbs model anionic (Congo red, Orange G) and cationic (methylene blue and malachite green) pollutants, and their complex mixtures. All adsorbent phases are synthesized using room-temperature, high-yield (similar to 96-100%), green chemical processes. The nanoadsorbents are characterized by using X-ray powder diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area analysis, and zeta potential measurements. The constituent nanophases are deliberately chosen to be beyond 50 nm, in order to avoid the nanotoxic size regime of oxides. Adsorption characteristics of each of the phases are examined. Isotherm based analysis shows that adsorption is both spontaneous and highly favorable. zeta potential measurements indicate that electrostatic interactions are the primary driving force for the observed adsorption behavior. The isotherms obtained are best described using a composite Langmuir-Freundlich model. Pseudo-first-order, rapid kinetics is observed (with adsorption rate constants as high as 0.1-0.2 min(-1) in some cases). Film diffusion is shown to be the primary mechanism of adsorption.

A 1 V supercapacitor device with nanostructured graphene oxide/polyaniline composite materials

Polyaniline and graphene oxide composite on activated carbon cum reduced graphene oxide-supported supercapacitor electrodes are fabricated and electrochemically characterized in a three-electrode cell assembly. Attractive supercapacitor performance, namely high-power capability and cycling stability for graphene oxide/polyaniline composite, is observed owing to the layered and porous-polymeric-structured electrodes. Based on the materials characterization data in a three-electrode cell assembly, 1 V supercapacitor devices are developed and performance tested. A comparative study has also been conducted for polyaniline and graphene oxide/polyaniline composite-based 1 V supercapacitors for comprehending the synergic effect of graphene oxide and polyaniline. Graphene oxide/polyaniline composite-based capacitor that exhibits about 100 F g(-1) specific capacitance with faradaic efficiency in excess of 90% has its energy and power density values of 14 Wh kg(-1) and 72 kW kg(-1), respectively. Cycle-life data for over 1000 cycles reflect 10% capacitance degradation for graphene oxide/polyaniline composite supercapacitor.

Tastes and odours in potable water:perception versus reality

Tastes and odours are amongst the few water quality standards immediately apparent to a consumer and, as a result, account for most consumer complaints about water quality. Although taste and odour problems can arise from a great many sources, from an operational point of view they are either ”predictable” or ”unpredictable”. The former - which include problems related to actinomycete and algal growth - have a tendency to occur in certain types of water under certain combinations of conditions, whereas the latter - typically chemical spills - can occur anywhere. Long-term control is one option for predictable problems, although biomanipulation on a large scale has had utile success. Detection and avoidance is a more practicable option for both predictable and unpredictable problems, particularly if the distribution network can be serviced from other sources. Where these are not feasible, then water treatment, typically using activated carbon, is possible. In general there is a reasonable understanding of what compounds cause taste and odour problems, and how to treat these. An efficient taste and odour control programme therefore relies ultimately on good management of existing resources. However, a number of problems lie outside the remit of water supply companies and will require more fundamental regulation of activities in the catchment.

Avaliação temporal da poluição por antiincrustantes organoestânicos no litoral do Estado do Rio de Janeiro: antes e após o banimento nacional e internacional

Tintas antifoulings são utilizadas para evitar a incrustação de organismos em estruturas submersas, especialmente casco de embarcações. Os compostos organoestânicos (OTs), utilizados nessas tintas, entre eles o tributilestanho, são desreguladores endócrinos e causaram diversos danos aos ecossistemas marinhos. No caso dos moluscos gastrópodes, esse tipo de poluição faz com que as fêmeas adquiram características masculinas, como vaso deferente e pênis, fenômeno esse conhecido como imposex. A Organização Marítima Internacional (IMO) estabeleceu o banimento de tintas à base de COEs nas embarcações, em 2008. No Brasil, a NORMAM 23, proibiu o uso em 2007, contudo a Marinha já havia suspendido seu uso desde 2003. Entretanto, efeitos deletérios destes compostos ainda são detectados em vários países, inclusive ao longo do litoral brasileiro. Esse trabalho teve como objetivo principal fazer uma avaliação temporal (1997-2012) da poluição por organestânicos na costa do Estado do Rio de Janeiro utilizando como bioindicador a espécie Stramonita haemastoma. A área de estudo abrangeu cinco regiões: Paraty, Ilha Grande, Baia de Ilha Grande, Baia de Guanabara e Arraial do Cabo. Análises químicas de butilestânicos foram feitas em sedimentos superficiais de mangues de Paraty (Mangue do Estaleiro e mangue do Saco do Mamanguá) e Ilha Grande (Mangue do Aventureiro) sendo os dois últimos considerados áreas de referência. Em cada estação de biomonitoramento foram coletados 30 indivíduos sexualmente adultos da espécie S. haemastoma, através de mergulho livre em apnéia e analisados através do método não destrutivo proposto por nosso grupo de pesquisa. Em todas as cinco áreas analisadas ao longo da costa do Estado do Rio de Janeiro foram registradas estações com altos índices de imposex. Apesar de muitas estações apresentarem diminuição nos índices, na maioria ocorreu um aumento ou conservação alta na porcentagem de imposex depois do banimento. As concentrações médias de butilestânicos no mangue (S1), perto de fontes locais, foram 205,7 16,8 ng (Sn) g-1 de TBT, 16,4 1,3 ng (Sn) g-1 de DBT e 10,0 2,9 ng (Sn) g-1 de MBT. Nas áreas de referência: mangue do Saco do Mamanguá (S2) foram 16,0 0,8 ng (Sn) g-1 de TBT, 10,1 1,4 ng (Sn) g-1 de DBT e 10,1 2,2 ng (Sn) g-1 de MBT e mangue do Aventureiro (S3) com 18,1 4,2 ng (Sn) g-1 de TBT, 15,3 0,5 ng (Sn) g-1 de DBT e 10,2 1,5 ng (Sn). g-1 de MBT. As taxas de degradação foram de 01, 1,3 e 1,4 respectivamente indicando inputs recentes desses compostos. Os resultados deste estudo indicam que carbono orgânico dissolvido e particulado, bem como xenoestrógenos podem estar interferindo no desenvolvimento da síndrome, levando a subestimação de avaliação do imposex. As concentrações de butilestânicos, além do aumento ou continuidade alta na incidência de imposex após o banimento na maioria das estações indicam que, apesar da proibição do uso do TBT em tintas antiiincrustantes no Brasil, elas ainda estão sendo utilizadas de forma ilegal, especialmente em pequenos barcos. Esse estudo é fundamental para se propor medidas de mitigação e controle dos compostos organoestânicos, até mesmo dos novos antifoulings TBT- free, que também possuem efeitos prejudiciais ao ambiente. Além disso, as áreas onde se registrou altos índices de imposex serão essenciais para o monitoramento dos efeitos desses novos antifoulings.

Ensaios dinâmicos de biossorção de cobre com macroalgas em leitos-fixos contendo materiais adsorventes de natureza não-biológica

A biossorção é o termo aplicado à tecnologia de adsorção de íons metálicos em solução, por meio de materiais de natureza biológica inativa, comparável à adsorção utilizando-se adsorventes convencionais. A biossorção depende da temperatura, pH, concentração inicial do íon metálico, e tipo de biosorvente. O objetivo principal dessa dissertação é estudar e comparar os processos de adsorção de cobre iônico a partir de soluções aquosas utilizando Sargassum sp., alginato de cálcio úmido e desidratado e carvão ativo em pó e granular, em regime de batelada e contínuo. O alginato de cálcio foi preparado através de uma solução 4% (m/v) de alginato de sódio gotejada em solução 37% (m/v) de cloreto de cálcio dihidratado. O alginato de cálcio apresentou uma umidade de 89% após secagem em estufa a 100C por 24 horas. Os parâmetros da biossorção foram fixados em: a dose de adsorventes de 2 g/L; a temperatura em 30C; pH da solução em 5,0; e velocidade de rotação da chapa rotatória em 150 rpm. Para os estudos de cinética e equilíbrio, os ensaios foram feitos em regime de batelada. Nos ensaios cinéticos para duas concentrações medias (0,16 e 3,15 mmol/L) variou-se o tempo de contato (1 a 120 min) para se atingir o equilíbrio. Nos ensaios de equilíbrio variou-se as concentrações (0,16 a 15,72 mmol/L) utilizando o tempo de equilíbrio determinado nos ensaios cinéticos. Foram utilizadas duas modelagens cinéticas (a de pseudo-primeira ordem e a de segunda ordem) e duas modelagens do equilíbrio (Langmuir e Freundlich). O modelo cinético de segunda ordem ajustou melhor os resultados. O tempo de equilíbrio para adsorção do cobre foi de 60 minutos para Sargassum sp. e pellets de alginatos de cálcio úmido e desidratado. Para os carvões ativos os tempos de equilíbrio para a adsorção do cobre foram mais rápidos, mas a capacidade de remoção do cobre foram muito baixas. Com base nos resultados desfavoráveis obtidos para os carvões ativos eles foram descartados para se prosseguir com os ensaios de equilíbrio. A isoterma de Freundlich melhor ajusta os dados experimentais para Sargassum sp. e alginato de cálcio úmido. A capacidade de adsorção máxima calculada pelo modelo de Freundlich: na concentração de equilíbrio de 11,66 0,06 mmol/L foi de 1,97 0,07 mmol/g para Sargassum sp.; e na concentração de equilíbrio de 12,12 0,03 mmol/L foi de 1,69 0,04 mmol/g para alginato de cálcio úmido. O processo de biossorção em regime contínuo, com alturas de leito variável de 10 a 40 cm, teve melhor desempenho com a altura de 40 cm. Em regime de batelada, o desempenho da Sargassum sp. foi superior ao dos alginatos de cálcio (úmido melhor que o desidratado), que por sua vez foram superiores ao desempenho dos carvões ativos em pó e granular (em pó melhor que o granular). O sistema contínuo com concentração inicial de cobre de 8,5 mmol/L deve ser operado com altura de leito igual ou superior a 40 cm, ou com sistemas multicolunas para soluções mais concentradas

Biofiltração de compostos orgânicos voláteis e gás sulfídrico em estações de despejos industriais de processamento de hidrocarbonetos.

Neste trabalho foi estudado o tratamento simultâneo por biofiltração de emissões de compostos orgânicos voláteis, COV e gás sulfídrico, H2S, em estações de tratamento de despejos industriais, de refinaria de petróleo, ETDI. A biofiltração dos gases emanados da EDTI mostrou ser uma técnica de alta eficiência, atingindo valores de 95 a 99 % para tratamento simultâneo de COV e H2S em concentrações de 1000 e 100 ppmv, respectivamente. Foram realizados testes em 95 dias consecutivos de operação, em uma planta piloto instalada na Superintendência da Industrialização do Xisto, SIX, em São Mateus do Sul, Paraná, de março a agosto de 2006. O biofiltro foi do tipo fluxo ascendente, com 3,77 m3 de leito orgânico, composto de turfa, carvão ativado, lascas de madeira, serragem brita fina além de outros componentes menores. Foi realizada inoculação biológica com lodo filtrado de estação de tratamento de esgoto sanitário. As vazões de gás aplicadas variaram de 85 a 407 m3/h, resultando em taxas de carga de massa de 11,86 a 193,03 g de COV/h.m3 de leito e tempos de residência de 24 segundos a 6,5 minutos, com tempo ótimo de 1,6 minutos. A capacidade máxima de remoção do sistema encontrada, nas condições testadas, foi de 15 g de COV/h. m3, compatível com os valores encontrados na literatura para depuração biológica de COV na escala praticada. Também foi verificada a redução de componentes específicos de BTX, demonstrando boa degradabilidade dos compostos orgânicos. Finalmente o biofiltro demonstrou boa robustez biológica diante dos desvios operacionais intencionalmente provocados, tais como falta de umidade do leito, baixa temperatura, alta vazão, falta de carga de COV e baixo pH do leito. Depois de retomada a condição de operação estável, a biofiltração rapidamente atingiu o estado de equilíbrio, assegurando o uso eficiente e confiável da técnica no tratamento de gases de EDTI na indústria do hidrocarbonetos ou em refinarias de petróleo.

Fluxo de carbono orgânico particulado e dissolvido no estuário do rio Barra Grande em Vila Dois Rios, Ilha Grande, RJ.

Os estuários são ambientes costeiros semifechados, que atuam como um sítio de troca de água e de matéria. De acordo com suas características, estuários podem exportar ou importar matéria orgânica (MO). A MO é um complexo bioquímico formado por diversos compostos orgânicos, e sua quantificação é normalmente traduzida pela quantidade de carbono orgânico total (COT), seu elemento mais abundante, tanto na forma de carbono orgânico dissolvido (COD), quanto carbono orgânico particulado (COP). Determinar a origem do carbono orgânico pode auxiliar na compreensão da dinâmica da MO, podendo ser feita com auxílio de isótopos estáveis de carbono (13C) e de nitrogênio (15N). Vila Dois Rios, é um vilarejo localizado ao sul da Ilha Grande, onde se localiza o rio Barra Grande, que possui pouca intervenção antrópica. Esse é um rio de porte pequeno, com uma mata ciliar bem preservada, representada por espécies de Mata Atlântica, com presença de manguezal, ao lado está localizado o Centro de Estudos Ambientais e Desenvolvimento Sustentável (CEADS). Foram realizadas amostragens sazonais, todas em maré de sizígia, ao longo do ano de 2012, totalizando quatro coletas trimestrais. Todas as campanhas ocorreram em uma estação fixa, na foz do rio Barra Grande. A amostragem de água foi realizada em duas profundidades, superfície e fundo, coletadas em intervalos de 30 minutos, ao longo de 25 horas, para as seguintes determinações: carbono orgânico particulado (COP), carbono orgânico dissolvido (COD) e isótopos estáveis de carbono (13C) e de nitrogênio (15N). Concomitantemente, foram medidos in situ: pH, salinidade, temperatura, oxigênio dissolvido (OD), profundidade do Disco de Secchi e medidas de fluxo. Ao fim da amostragem na Ilha Grande, o material coletado foi transportado para o Laboratório de Geoquímica Orgânica Marinha (LaGOM), na UERJ, onde foi analisado posteriormente. Durante todas as campanhas, foi observada uma maré mista, predominantemente semidiurna com desigualdade. Os resultados de temperatura e salinidade evidenciaram uma estratificação vertical em todas as campanhas. Os valores medianos de MPS foram sempre maiores no fundo em relação às amostras coletadas na superfície. O carbono orgânico apresentou maiores concentrações sob a forma dissolvida do que na particulada, variando entre as profundidades e as campanhas, sendo observadas maiores concentrações medianas, tanto de COD quanto de COP, em superfície e no fundo, na campanha de verão. As concentrações medianas de Nt observadas ao longo das três campanhas foram baixas, estando relacionadas às baixas concentrações de COP. A razão molar C/N e as isotópicas indicaram que o manguezal demonstrou ser a fonte mais abundante de COP nesse estuário. Os cálculos de fluxo indicaram que o estuário tanto importou, quanto exportou material, e apenas o COD foi importado em todas as campanhas.