Effect of cation structure on the oxygen solubility and diffusivity in a range of bis{(trifluoromethyl)sulfonyl}imide anion based ionic liquids for lithium-air battery electrolytes

This paper reports on the solubility and diffusivity of dissolved oxygen in a series of ionic liquids (ILs) based on the bis{(trifluoromethyl)sulfonyl}imide anion with a range of related alkyl and ether functionalised cyclic alkylammonium cations. Cyclic voltammetry has been used to observe the reduction of oxygen in ILs at a microdisk electrode and chronoamperometric measurements have then been applied to simultaneously determine both the concentration and the diffusion coefficient of oxygen in the different ILs. The viscosity of the ILs and the calculated molar volume and free volume is also reported. It is found that, within this class of ILs, the oxygen diffusivity generally increases with decreasing viscosity of the neat IL. An inverse relationship between oxygen solubility and IL free volume is reported for the two IL families implying oxygen is not simply occupying the available empty space. In addition, it is reported that the introduction of ether-group into the IL cation structure promotes the diffusivity of dissolved oxygen but reduces the solubility of the gas.

Living to the range limit: consumer isotopic variation increases with environmental stress

Background: Theoretically, each species’ ecological niche is phylogenetically-determined and expressed spatially as the species’ range. However, environmental stress gradients may directly or indirectly decrease individual performance, such that the precise process delimiting a species range may not be revealed simply by studying abundance patterns. In the intertidal habitat the vertical ranges of marine species may be constrained by their abilities to tolerate thermal and desiccation stress, which may act directly or indirectly, the latter by limiting the availability of preferred trophic resources. Therefore, we expected individuals at greater shore heights to show greater variation in diet alongside lower indices of physiological condition.

Methods: We sampled the grazing gastropod Echinolittorina peruviana from the desert coastline of northern Chile at three shore heights, across eighteen regionally-representative shores. Stable isotope values (δ13C and δ15N) were extracted from E. peruviana and its putative food resources to estimate Bayesian ellipse area, carbon and nitrogen ranges and diet. Individual physiological condition was tracked by muscle % C and % N.

Results: There was an increase in isotopic variation at high shore levels, where E. peruviana’s preferred resource, tide-deposited particulate organic matter (POM), appeared to decrease in dietary contribution, and was expected to be less abundant. Both muscle % C and % N of individuals decreased with height on the shore.

Discussion: Individuals at higher stress levels appear to be less discriminating in diet, likely because of abiotic forcing, which decreases both consumer mobility and the availability of a preferred resource. Abiotic stress might be expected to increase trophic variation in other selective dietary generalist species. Where this coincides with a lower physiological condition, this may be a direct factor in setting their range limit.

Limited range coverage problems

Tal como o título indica, esta tese estuda problemas de cobertura com alcance limitado. Dado um conjunto de antenas (ou qualquer outro dispositivo sem fios capaz de receber ou transmitir sinais), o objectivo deste trabalho é calcular o alcance mínimo das antenas de modo a que estas cubram completamente um caminho entre dois pontos numa região. Um caminho que apresente estas características é um itinerário seguro. A definição de cobertura é variável e depende da aplicação a que se destina. No caso de situações críticas como o controlo de fogos ou cenários militares, a definição de cobertura recorre à utilização de mais do que uma antena para aumentar a eficácia deste tipo de vigilância. No entanto, o alcance das antenas deverá ser minimizado de modo a manter a vigilância activa o maior tempo possível. Consequentemente, esta tese está centrada na resolução deste problema de optimização e na obtenção de uma solução particular para cada caso. Embora este problema de optimização tenha sido investigado como um problema de cobertura, é possível estabelecer um paralelismo entre problemas de cobertura e problemas de iluminação e vigilância, que são habitualmente designados como problemas da Galeria de Arte. Para converter um problema de cobertura num de iluminação basta considerar um conjunto de luzes em vez de um conjunto de antenas e submetê-lo a restrições idênticas. O principal tema do conjunto de problemas da Galeria de Arte abordado nesta tese é a 1-boa iluminação. Diz-se que um objecto está 1-bem iluminado por um conjunto de luzes se o invólucro convexo destas contém o objecto, tornando assim este conceito num tipo de iluminação de qualidade. O objectivo desta parte do trabalho é então minimizar o alcance das luzes de modo a manter uma iluminação de qualidade. São também apresentadas duas variantes da 1-boa iluminação: a iluminação ortogonal e a boa !-iluminação. Esta última tem aplicações em problemas de profundidade e visualização de dados, temas que são frequentemente abordados em estatística. A resolução destes problemas usando o diagrama de Voronoi Envolvente (uma variante do diagrama de Voronoi adaptada a problemas de boa iluminação) é também proposta nesta tese.

Extracção supercrítica de óleo de grainha de uva combinada com pré-tratamentos enzimáticos

Neste trabalho estudou-se a extracção supercrítica do óleo de grainha de uva, usando dióxido de carbono, e combinou-se este processo com um prétratamento enzimático da semente para aumentar o rendimento global da extracção. A qualidade dos extractos obtidos foi avaliada pelo seu conteúdo em triacilglicerídeos, perfil de ácidos gordos e capacidade antioxidante. Realizaram-se também alguns estudos exploratórios sobre a aplicação de um pré-tratamento de alta pressão (HPP) à grainha da uva. Adicionalmente, efectuou-se o estudo da extracção, fraccionamento e caracterização estrutural das procianidinas da grainha da uva, bem como a avaliação da sua capacidade antioxidante. A extracção de procianidinas da grainha da uva foi efectuada sequencialmente com metanol e acetona/água, tendo sido posteriormente fraccionadas por adição sucessiva de misturas metanol/clorofórmio progressivamente mais concentradas em clorofórmio. A caracterização das procianidinas foi feita por HPLC-UV e LC–MS, antes e depois de sujeitar as amostras a uma tiólise, e também por ESI-MS e ESI-MS/MS. Este estudo permitiu reportar, pela primeira vez, a ocorrência de procianidinas do tipo-A galoiladas na grainha da uva. Os resultados de HPLC-UV permitiram determinar o grau médio de polimerização das procianidinas e a sua composição monomérica em (+)- catequina, (-)-epicatequina e (-)-epicatequina-O-galato. Mostrou-se que a (+)- catequina é o flavan-3-ol terminal mais abundante e a (-)-epicatequina predomina largamente como unidade de extensão. No caso de procianidinas do tipo A, a ligação interflavânica C2-C7 encontra-se essencialmente nas unidades terminais. O grau médio de polimerização das diversas fracções varia entre 1.0 e 10.8. A sua capacidade antioxidante, medida pelo método espectrofotométrico de DPPH•, mostrou-se ser equivalente à de uma amostra comercial de (+)-catequina usada como referência. A partir dos graus médios de polimerização experimentais e das análises de FTIR das fracções correspondentes foi possível obter um modelo preditivo O-PLS com apenas uma variável latente. O pré-tratamento enzimático justificou-se pelo conhecimento existente acerca do uso de enzimas específicas que destroem parcialmente as paredes celulares. Atendendo à composição das paredes celulares da grainha da uva preparou-se uma suspensão contendo protease, xilanase, pectinase e celulase. Para determinar as condições experimentais do pré-tratamento que maximizam o rendimento da extracção, estudou-se o efeito do tempo de reacção, temperatura, pH, diâmetro médio das partículas de grainha moída e a concentração das enzimas. Os incrementos do rendimento da extracção de óleo observados atingiram 163.2%. O estudo da extracção supercrítica (SFE) do óleo da grainha de uva tratada e não-tratada permitiu obter as curvas de extracção correspondentes, bem com analisar a influência das condições operatórias sobre o seu andamento. Montou-se uma instalação laboratorial onde se realizaram experiências com dióxido de carbono a 160, 180, 200 e 220 bar e temperaturas de 313.15 e 323.15 K. Os rendimentos obtidos por SFE foram semelhantes aos de Soxhlet com n-hexano. As curvas de extracção medidas compreendem um primeiro período de extracção, onde se remove cerca de 92-97% do óleo disponível, e um segundo período, essencialmente difusional, com pouco impacto no rendimento final. Os vários extractos recolhidos e o óleo global obtido foram caracterizados para avaliar a sua qualidade e relacioná-la com as condições operatórias de SFE. Determinaram-se o conteúdo total em triacilglicerídeos, o seu perfil de ácidos gordos e a capacidade antioxidante (AOC). Os resultados mostraram que a AOC aumenta com a elevação da pressão e, acentuadamente, com o acréscimo da temperatura. Ao longo da curva de extracção, a AOC é mais pronunciada nos extractos iniciais, nomeadamente nos primeiros 30 a 40% da extracção. A modelação efectuada considerou que o óleo extractável se reparte entre células rompidas, predominantes na periferia da semente, e células intactas, mais interiores. Admitiu-se que o transporte de massa ocorre em série, i.e. das células intactas para as rompidas e destas para o solvente; mostrou-se que a dispersão axial era desprezável. Os balanços materiais à fase fluida e aos volumes de células rompidas e intactas, combinados com os fluxos interno, externo e a relação de equilíbrio foram resolvidos numericamente pelo método das linhas combinado com diferenças finitas atrasadas. O modelo reproduziu bem as curvas experimentais e permitiu simular curvas de eluição e os três perfis de concentração no leito.

Effects of the climatic factors and anthropogenic actions in the Ria de Aveiro

A compreensão dos impactes das alterações climáticas é fundamental para a gestão a longo do prazo dos ecossistemas estuarinos. Esta compreensão só poderá ser efectiva considerando a variabilidade climática natural e o papel relativo das intervenções antropogénicas nestes ecossistemas. Assim, a presente dissertação analisa a influência das alterações climáticas e pressões antropogénicas na qualidade da água e dinâmica ecológica da Ria de Aveiro com base numa abordagem integrada, que combinou a análise de séries temporais dos últimos 25 anos e a modelação numérica de elevada resolução de cenários futuros de alterações climáticas e intervenções antropogénicas. A componente de modelação de qualidade da água e ecológica foi melhorada a vários níveis. A análise de sensibilidade do modelo 3D hidrodinâmicoecológico ECO-SELFE aplicado à Ria de Aveiro e a revisão das constantes de semi-saturação para absorção de nutrientes pelo fitoplâncton contribuíram para a precisão e robustez das aplicações. A concentração do fitoplâncton foi significativamente influenciada pelas taxas de crescimento do fitoplâncton e de mortalidade e excreção do zooplâncton, e apresentou uma sensibilidade reduzida à variação das constantes de semi-saturação na gama identificada para as diatomáceas. O acoplamento do ECO-SELFE a um modelo de campo próximo e a integração do ciclo do oxigénio aumentaram a sua capacidade de representação dos processos e das escalas espaciais relevantes. A validação do ECO-SELFE foi realizada com base num conjunto de campanhas específicas realizadas no canal de Mira. Os padrões espaciais e temporais observados para as várias variáveis (clorofila a, nutrientes, oxigénio dissolvido, salinidade, temperatura da água, correntes e níveis) foram simulados com erros menores ou semelhantes aos obtidos neste tipo de aplicações. A análise dos padrões de variabilidade espacial e temporal da qualidade da água e ecológica na Ria de Aveiro a diferentes escalas, efectuada com base nos dados históricos de 1985 a 2010 complementados pelas campanhas realizadas, sugeriu uma influência combinada da variabilidade climática e das acções antropogénicas. Os cenários futuros de alterações climáticas e intervenções antropogénicas simulados evidenciaram uma influência mais significativa das alterações climáticas quando comparadas com os efeitos das acções antropogénicas analisadas. As variações mais significativas são previstas para os cenários de subida do nível do mar, seguidos dos cenários de alterações dos regimes hidrológicos, evidenciando o papel da circulação (maré e caudal fluvial) no estabelecimento da qualidade da água e dinâmica ecológica na laguna. Para os cenários de subida do nível do mar são previstos decréscimos significativos da clorofila a e dos nutrientes a jusante e nas zonas intermédias do canal, e um aumento significativo da salinidade a montante. Estas alterações poderão favorecer modificações da composição e distribuição das comunidades, afectando a cadeia alimentar e causando uma progressão para montante de espécies marinhas. Os resultados sugerem ainda que os efeitos poderão ser mais significativos em estuários pouco profundos.

Numerical Modelling of Hydrodynamic Changes Induced by a Jetty Extension: the Case of Ria de Aveiro (Portugal)

Tidally induced currents in estuarine flows are usually modulated by the tidal regime and respond differently to changes imposed to its natural propagation due to geomorphologic alterations. Some of these changes are due to the implementation of heavy engineering works, most of the times imposed by navigation needs associated with harbours growth. The main purpose of this study is to evaluate the hydrodynamic response of Ria de Aveiro to an alteration on the present geometry of its inlet, which was artificially delimited in 1808 through the construction of two jetties. In order to provide access to deeper draft vessels to the Aveiro harbour, its Administration intends to create better conditions for navigation through the extension by 200 m of the north jetty. A bidimensional hydrodynamic model SIMSYS2D was used in this study to simulate two distinct situations: the actual Ria de Aveiro configuration (2009), which is used as reference, and other including the future inlet configuration with the jetty extension. Several simulations were performed, using both bathymetries and considering extreme tidal conditions as forcing on the model oceanic open boundary. The tidal prism at the lagoon mouth and at the main lagoon channels was determined. Values of sea surface elevation and horizontal current velocity were comparatively analyzed as well as harmonic analysis results. The results for the projected inlet increase comparatively to those for the present configuration, although the differences found are not significant for most of the cases analyzed. More studies should be performed in order to clarify the long term impact of these works on the lagoon hydrodynamics.

Extension of electrochemically active sites in SOFCs and SOECs

Solid oxide fuel (SOFCs) and electrolyzer (SOECs) cells have been promoted as promising technologies for the stabilization of fuel supply and usage in future green energy systems. SOFCs are devices that produce electricity by the oxidation of hydrogen or hydrocarbon fuels with high efficiency. Conversely, SOECs can offer the reverse reaction, where synthetic fuels can be generated by the input of renewable electricity. Due to this similar but inverse nature of SOFCs and SOECs, these devices have traditionally been constructed from comparable materials. Nonetheless, several limitations have hindered the entry of SOFCs and SOECs into the marketplace. One of the most debilitating is associated with chemical interreactions between cell components that can lead to poor longevities at high working temperatures and/or depleted electrochemcial performance. Normally such interreactions are countered by the introduction of thin, purely ionic conducting, buffer layers between the electrode and electrolyte interface. The objective of this thesis is to assess if possible improvements in electrode kinetics can also be obtained by modifying the transport properties of these buffer layers by the introduction of multivalent cations. The introduction of minor electronic conductivity in the surface of the electrolyte material has previously been shown to radically enhance the electrochemically active area for oxygen exchange, reducing polarization resistance losses. Hence, the current thesis aims to extend this knowledge to tailor a bi-functional buffer layer that can prevent chemical interreaction while also enhancing electrode kinetics.The thesis selects a typical scenario of an yttria stabilized zirconia electrolyte combined with a lanthanide containing oxygen electrode. Gadolinium, terbium and praseodymium doped cerium oxide materials have been investigated as potential buffer layers. The mixed ionic electronic conducting (MIEC) properties of the doped-cerium materials have been analyzed and collated. A detailed analysis is further presented of the impact of the buffer layers on the kinetics of the oxygen electrode in SOFC and SOEC devices. Special focus is made to assess for potential links between the transport properties of the buffer layer and subsequent electrode performance. The work also evaluates the electrochemical performance of different K2NiF4 structure cathodes deposited onto a peak performing Pr doped-cerium buffer layer, the influence of buffer layer thickness and the Pr content of the ceria buffer layer. It is shown that dramatic increases in electrode performance can be obtained by the introduction of MIEC buffer layers, where the best performances are shown to be offered by buffer layers of highest ambipolar conductivity. These buffer layers are also shown to continue to offer the bifunctional role to protect from unwanted chemical interactions at the electrode/electrolyte interface.

Genetic structure at range edge: Low diversity and high inbreeding in Southeast Asian mangrove (Avicennia marina) populations

Understanding the genetic composition and mating systems of edge populations provides important insights into the environmental and demographic factors shaping species’ distribution ranges. We analysed samples of the mangrove Avicennia marina from Vietnam, northern Philippines and Australia, with microsatellite markers. We compared genetic diversity and structure in edge (Southeast Asia, and Southern Australia) and core (North and Eastern Australia) populations, and also compared our results with previously published data from core and southern edge populations. Comparisons highlighted significantly reduced gene diversity and higher genetic structure in both margins compared to core populations, which can be attributed to very low effective population size, pollinator scarcity and high environmental pressure at distribution margins. The estimated level of inbreeding was significantly higher in northeastern populations compared to core and southern populations. This suggests that despite the high genetic load usually associated with inbreeding, inbreeding or even selfing may be advantageous in margin habitats due to the possible advantages of reproductive assurance, or local adaptation. The very high level of genetic structure and inbreeding show that populations of A. marina are functioning as independent evolutionary units more than as components of a metapopulation system connected by gene flow. The combinations of those characteristics make these peripheral populations likely to develop local adaptations and therefore to be of particular interest for conservation strategies as well as for adaptation to possible future environmental changes.

The Long Range Transport of Birch (Betula) Pollen from Poland and Germany Causes Significant Pre-season Concentrations in Denmark

Background Birch pollen is highly allergic and has the potential for episodically long range transport. Such episodes will in general occur out of the main pollen season. During that time allergy patients are unprotected and high pollen concentrations will therefore have a full allergenic impact. Objective To show that Denmark obtains significant quantities of birch pollen from Poland or Germany before the local trees start to flower. Methods Simultaneous observations of pollen concentrations and phenology in the potential source area in Poland as well as in Denmark were performed in 2006. The Danish pollen records from 2000-2006 were analysed for possible long range transport episodes and analysed with trajectories in combination with a birch tree source map. Results In 2006 high pollen concentrations were observed in Denmark with bi-hourly concentrations above 500 grains/ m3 before the local trees began to flower. Poland was identified as a source region. The analysis of the historical pollen record from Copenhagen shows significant pre-seasonal pollen episodes almost every year from 2000-2006. In all episodes trajectory analysis identified Germany or Poland as source regions. Conclusion Denmark obtains significant pre-seasonal quantities of birch pollen from either Poland or Germany almost every year. Forecasting of birch pollen quantities relevant to allergy patients must therefore take into account long-range transport. This cannot be based on measured concentrations in Denmark. The most effective way to improve the current Danish pollen forecasts is to extend the current forecasts with atmospheric transport models that take into account pollen emission and transport from countries such as Germany and Poland. Unless long range transport is taken into account pre-seasonal pollen episodes will have a full allergic impact, as the allergy patients in general will be unprotected during that time.

Long-range Transport of Ambrosia Pollen to Poland

The long-range transport of Ambrosia pollen to Poland is intermittent and mainly related to the passage of air masses over the Carpathian and Sudetes mountains. These episodes are associated with hot dry weather, a deep Planetary Boundary Layer (PBL) in the source areas and winds from the south. Such episodes can transport significant amounts of Ambrosia pollen into Poland. The study investigates Ambrosia pollen episodes at eight sites in Poland during the period 7th to 10th September 2005, by examining temporal variations in Ambrosia pollen and back-trajectories. PBL depths in the likely source areas were calculated with the Eta meteorological model and evaluated against the mountain heights. Considerable amounts of Ambrosia pollen were recorded at several monitoring sites during the night or early in the morning of the investigated period. Trajectory analyses shows that the air masses arriving at the Polish sites predominantly came from the south, and were in the Czech Republic, Slovakia and Hungary the previous day indicating these countries as potential source areas. We have shown the progress of Ambrosia plumes into Poland from the south of the country, probably from Slovakia and Hungary, and demonstrated how Lagrangian back-trajectory models and meteorological models can be used to identify possible transport mechanisms of Ambrosia pollen from potential source regions.

Geographic Range Shifts under Climate Warming

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2013

Functional coherence and annotation agreement metrics for enzyme families

Tese de doutoramento, Informática (Bioinformática), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2015