Surface geochemistry of the clay minerals

Clay minerals are layer type aluminosilicates that figure in terrestrial biogeochemical cycles, in the buffering capacity of the oceans, and in the containment of toxic waste materials. They are also used as lubricants in petroleum extraction and as industrial catalysts for the synthesis of many organic compounds. These applications derive fundamentally from the colloidal size and permanent structural charge of clay mineral particles, which endow them with significant surface reactivity. Unraveling the surface geochemistry of hydrated clay minerals is an abiding, if difficult, topic in earth sciences research. Recent experimental and computational studies that take advantage of new methodologies and basic insights derived from the study of concentrated ionic solutions have begun to clarify the structure of electrical double layers formed on hydrated clay mineral surfaces, particularly those in the interlayer region of swelling 2:1 layer type clay minerals. One emerging trend is that the coordination of interlayer cations with water molecules and clay mineral surface oxygens is governed largely by cation size and charge, similarly to a concentrated ionic solution, but the location of structural charge within a clay layer and the existence of hydrophobic patches on its surface provide important modulations. The larger the interlayer cation, the greater the influence of clay mineral structure and hydrophobicity on the configurations of adsorbed water molecules. This picture extends readily to hydrophobic molecules adsorbed within an interlayer region, with important implications for clay–hydrocarbon interactions and the design of catalysts for organic synthesis.

Health impacts of domestic coal use in China

Domestic coal combustion has had profound adverse effects on the health of millions of people worldwide. In China alone several hundred million people commonly burn raw coal in unvented stoves that permeate their homes with high levels of toxic metals and organic compounds. At least 3,000 people in Guizhou Province in southwest China are suffering from severe arsenic poisoning. The primary source of the arsenic appears to be consumption of chili peppers dried over fires fueled with high-arsenic coal. Coal samples in the region were found to contain up to 35,000 ppm arsenic. Chili peppers dried over high-arsenic coal fires adsorb 500 ppm arsenic on average. More than 10 million people in Guizhou Province and surrounding areas suffer from dental and skeletal fluorosis. The excess fluorine is caused by eating corn dried over burning briquettes made from high-fluorine coals and high-fluorine clay binders. Polycyclic aromatic hydrocarbons formed during coal combustion are believed to cause or contribute to the high incidence of esophageal and lung cancers in parts of China. Domestic coal combustion also has caused selenium poisoning and possibly mercury poisoning. Better knowledge of coal quality parameters may help to reduce some of these health problems. For example, information on concentrations and distributions of potentially toxic elements in coal may help delineate areas of a coal deposit to be avoided. Information on the modes of occurrence of these elements and the textural relations of the minerals and macerals in coal may help predict the behavior of the potentially toxic components during coal combustion.

Cloning the expression of a mammalian gene involved in the reduction of methionine sulfoxide residues in proteins.

An enzyme that reduces methionine sulfoxide [Met(O)] residues in proteins [peptide Met(O) reductase (MsrA), EC 1.8.4.6; originally identified in Escherichia coli] was purified from bovine liver, and the cDNA encoding this enzyme was cloned and sequenced. The mammalian homologue of E. coli msrA (also called pmsR) cDNA encodes a protein of 255 amino acids with a calculated molecular mass of 25,846 Da. This protein has 61% identity with the E. coli MsrA throughout a region encompassing a 199-amino acid overlap. The protein has been overexpressed in E. coli and purified to homogeneity. The mammalian recombinant MsrA can use as substrate, proteins containing Met(O) as well as other organic compounds that contain an alkyl sulfoxide group such as N-acetylMet(O), Met(O), and dimethyl sulfoxide. Northern analysis of rat tissue extracts showed that rat msrA mRNA is present in a variety of organs with the highest level found in kidney. This is consistent with the observation that kidney extracts also contained the highest level of enzyme activity.

Influência da configuração da célula combustível microbiana na geração de energia elétrica a partir da degradação de compostos orgânicos

Nessa pesquisa foram testadas tanto CCM com membranas e sem membranas que tinham por característica reproduzir sistemas de tratamento de esgoto sanitário. A etapa experimental desse trabalho foi dividida entre o Brasil (ensaios com CCM sem a MTP e utilizando esgoto sanitário) e Portugal (ensaios com CCM tradicionais de uma e duas câmaras, utilizando água residuária sintética e a bactéria Lactobacillus pentosus). A execução em dois locais diferentes resultou em um maior aprofundamento e desenvolvimento da pesquisa. As CCM foram avaliadas principalmente quanto ao potencial elétrico e eficiência da degradação de compostos orgânicos (esgoto sanitário e água residuária sintética). Para os dados obtidos no Brasil, as três configurações apresentaram maior diferença na potência em função do modo de operação. A operação intermitente apresentou a maior potência (11 mW/m2) para a CCM cilíndrica de fluxo ascendente, enquanto que operação continua a maior potência (4,2 mW/m2) foi obtida para a CCM retangular de fluxo horizontal, a qual também apresentava uma maior facilidade na manutenção quanto aos eletrodos (adição/remoção). A CCM cúbica de fluxo ascendente devido a sua concepção simples demandava um sistema complementar para o aumento da remoção de DQO. Apesar da baixa potência mensurada para os ensaios realizados no Brasil há de se pontuar que os mesmos foram obtidos para reatores sem membranas e utilizando o esgoto sanitário, o qual apresentou grande sazonalidade. Para a etapa realizada em Portugal, foi possível realizar quinze diferentes ensaios e mais um ensaio específico de crescimento. A maior potência (10,37 mW/m2) foi obtida para CCM de câmara dupla operada de modo contínuo para um tempo de detenção hidráulico (TDH) de 20 horas. A maior potência obtida para a CCM de câmara única foi de 5,53 mW/m2 quando houve a adição do extrato de levedura (função teórica de mediador). A potência da CCM, na maioria das vezes, esteve relacionada à proporção de sólidos voláteis e totais, SV/ST, quantidade de bactérias, pH, características de operação e por fim a configuração da CCM. O ensaio de crescimento revelou a correlação da potência em função da quantidade de bactérias inseridas da massa do biofilme (SV) e mostra-se como uma ferramenta na avaliação da potência das CCM.

Remoção de atividade estrogênica do hormônio 17β-Estradiol em processos de oxidação de águas para abastecimento

Muitos oxidantes químicos reativos acarretam na ruptura de estruturas moleculares complexas de vários tipos de compostos orgânicos decompondo-as em estruturas mais simples e propiciando condições melhores para uma efetiva ação de micro-organismos na degradação biológica. A presença de hormônios, entre eles o 17β-estradiol, em estações de tratamento de esgoto e em águas subterrâneas e superficiais mostra a necessidade de uma avaliação dos processos de tratamento convencionais. O objetivo deste trabalho foi a análise e remoção de hormônios através de técnicas de cloração e ozonização de amostras reais de águas de saída de filtro de estações de tratamento de água (ETAs), operadas pelo Serviço Autônomo de Água e Esgoto (SAAE) de São Carlos (ETA Centro), que capta águas dos ribeirão Feijão e córrego Espraiado e pela Sociedade de Abastecimento de Água e Saneamento S/A (SANASA) de Campinas (ETAs 3 e 4), que capta águas do rio Atibaia. Foram realizados ensaios contaminando-se as amostras com 17β-estradiol, que é o hormônio natural mais presente no meio ambiente, em concentração de 6.000 ng L-1, submetendo-se tratamento com dosagens em torno de 0,5 e 2,0 mg L-1 desses oxidantes, em tempos de contato de, respectivamente, 10 e 30 min. As amostras submetidas à contaminação e tratamento e as de controle (sem contaminação e tratamento) foram analisadas através da remoção do 17β-estradiol com a verificação da atividade estrogênica das amostras por ensaios de Sistema de Expressão de Estrogênio Induzida por Levedura Bioluminescente (BLYES), que apresentou-se como uma ferramenta simples. Os resultados apresentados neste trabalho demonstram que a oxidação por ozônio se mostrou mais eficiente do que aquela por cloro para a remoção da atividade estrogênica causada, única e exclusivamente, pelo 17β-estradiol para uma dosagem inicial desse hormônio relativamente alta (6.000 ng L-1). Todavia, em todos os ensaios a concentração final da atividade estrogênica permaneceu acima do limite de quantificação desses hormônio, indicando que a remoção não foi completa, mesmo em condições favoráveis, isto é, matriz limpa, com padrões de potabilidade para os parâmetros físico-químicos.

Degradação de atrazina por processo foto-Fenton monitorado por injeção seqüencial e cromatografia a líquido de alta eficiência

Processos de fotodegradação de compostos orgânicos tóxicos têm sido bastante estudados. Este trabalho trata da aplicação do processo foto-Fenton para a degradação de atrazina em água (composto modelo). O efeito das concentrações dos seguintes compostos foi avaliado: peróxido de hidrogênio (2 a 6 mmol L-1) e ferrioxalato de potássio (0,2 a 1 mmol L-1). Os experimentos foram realizados em um reator com lâmpada UV - 8W (254nm). O processo de fotodegradação foi monitorado por medidas de espectrofotometria de absorção molecular automatizada por injeção seqüencial (SIA) para determinação de peróxido de hidrogênio e por cromatografia a líquido de alta eficiência (CLAE) para determinação de atrazina e metabólitos. Os experimentos demonstram que o processo de foto-Fenton é viável para o tratamento de atrazina em água.

Análise Conformacional e estudo das interações eletrônicas de algumas α-fenilseleno-α-dietóxifosforilacetofenonas para-substituídas

A presente Dissertação relata a síntese e o estudo conformacional das α-fenilseleno-α-dietóxifosforilacetofenonas para-substituídas p-X-Φ-C(O)CH[SeΦ][P(O)(OEt2] (X=OMe 1, Me 2, H 3, F 4, Cl 5, Br 6 e NO2 7) através da banda de estiramento da carbonila no infravermelho, em solventes de polaridade crescente apoiado por cálculos ab initio HF/6-3IG**. A comparação entre a freqüência e a intensidade relativa dos componentes do dubleto, para os derivados 6 e 7, e do singleto para os derivados 1-5, no solvente apolar tetracloreto de carbono, e dos componentes do dubleto, nos solventes de polaridade crescente (clorofórmio, diclorometano e acetonitrila), para os derivados 1-7, com os dados do cálculo ab initio de 3 (composto de referência), indicou que ambas as conformações estáveis (g1 e g2) apresentam a ligação C-Se na geometria anti-clinal (gauche) em relação à carbonila (C=O), enquanto que a ligação C-P assume uma geometria sin-periplanar (cis) em relação à carbonila. A análise dos contatos interatômicos de átomos relevante em comparação com a soma de seus raios de van der Waals, indicou que ambas as conformações g1 e g2 são fortemente estabilizadas pelo sinergismo das interações orbitalares e eletrostáticas π*(CO) / nSe e Oδ-[CO].....Pδ+[PO]. Analogamente, as interações mais fracas Oδ-[OR]..... Cδ+[CO], 0-Hδ+[SeΦ]....Oδ-[PO] e 0-Hδ+[ΦC(O)]....Oδ-[CO] estabilizam as conformações g1 e g2, aproximadamente na mesma extensão. No entanto, somente a conformação g1 é estabilizada pela interação eletrostática (ligação de hidrogênio) Hδ+[α-CH].....Oδ-[OR], enquanto que sómente a conformação g2 é desestabilizada pelo Efeito de Campo Repulsivo entre os dipolos Cδ+=.Oδ- e Pδ+-ORδ- Assim sendo, pode-se concluir que no dubleto de VCO no IV, o componente de maior freqüência e de menor intensidade corresponde à conformação menos estável g2 (do cálculo) enquanto que o componente de menor freqüência e mais intenso corresponde à conformação mais estável g1 (do cálculo). Estes dados estão de pleno acordo com os deslocamentos de freqüência mais negativos da carbonila (ΔVCO) do confôrmero mais estável g1 em relação ao menos estável g2.

Caracterização de valores de referência de qualidade de sedimentos para compostos orgânicos no sistema estuarino da baixada santista, São Paulo

Em regiões altamente contaminadas como a região da Baixada Santista, é importante estabelecer metas para a recuperação do ambiente. Apesar da ausência da contaminação ser a meta ideal, as implicações e os custos associados a esse objetivo, demanda o estabelecimento de metas de recuperação realistas em relação aos contaminantes presentes na região. Com o objetivo de caracterizar valores de referência de qualidade de sedimentos para compostos orgânicos na região da Baixada Santista, o Canal de Bertioga foi escolhido como local de referência por ser uma região sem fontes industrais ou outras fontes pontuais relativas aos compostos analisados. Amostras de água, sedimento e ostras foram coletadas e os hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (PAHs), bifenilos policlorados (PCBs) e pesticidas organoclorados (OCPs) foram determinados por técnicas cromatográficas. A avaliação dos resultados de análises de PAHs, permite afirmar com alguma segurança, que os valores da somatória de PAHs das amostras sedimentos são, na sua grande maioria, inferiores a 1.000 µg/kg, não superando 1.600 µg/kg, concentrações abaixo dos limites estabelecidos na Resolução CONAMA 344/04 e abaixo dos valores que possam causar algum efeito adverso à biota, conforme valores descritos na literatura. Resultados de análise de PCBs, OCPs, compostos fenólicos e compostos orgânicos voláteis (VOCs) em amostras de sedimento, indicaram concentrações destes compostos abaixo dos limites de quantificação, exceto DDE (5,30 g/kg) e HCB (2,34 g/kg), que foram detectados em apenas um ii sítio de amostragem. Não houve evidências de possíveis fontes de emissão próximas à região de referência para PCBs, OCPs, compostos fenólicos e VOCs. Finalizando, espera-se que os resultados obtidos neste estudo possam fornecer subsídios para futuramente estabelecer uma área de referência para qualidade de sedimento na região da Baixada Santista, ou ainda serem utilizados em conjunto com as avaliações de contaminantes inorgânicos, testes ecotoxicológicos e indicadores biológicos, como ferramenta para avaliação da qualidade de sedimento e/ou para a classificação de material a ser dragado na região da Baixada Santista.

Biotransformações na obtenção de hidróxi-selenetos e hidróxi-teluretos quirais

Neste trabalho foi estudado o comportamento de hidróxi-calcogenetos (Se e Te) frente a biotransformações, empregando enzimas isoladas em meio orgânico ou aquoso e empregando microorganismos (fungos). Estudos comparativos sobre a influência de diversas variáveis, como solvente, temperatura, imobilização enzimática e estrutura do hidróxi-calcogeneto, foram realizados. Inicialmente os compostos foram sintetizados utilizando métodos descritos na literatura, em seguida foi estudada a resolução de hidróxiselenetos em meio orgânico empregando lipases isoladas (Esquema 1), (ver arquivo), incluindo um estudo de imobilização da PSL em diversos suportes, além do estudo da influência da variação do solvente, da temperatura, da lipase, etc. Na resolução em meio aquoso empregando enzimas isoladas, primeiramente os hidróxi-selenetos foram acetilados quimicamente e depois realizado uma triagem (com dez enzimas de diferentes fontes) empregando indicador de pH colori métrico. Posteriormente os acetatos dos hidróxi-selenetos (Esquema 2) (ver arquivo) foram submetidos à resolução enzimática em meio aquoso empregando as enzimas que foram selecionadas na triagem enzimática. As biotransformações utilizando fungos foram realizadas empregando células inteiras de algumas linhagens de Aspergillus terreus. Na seqüência foi realizada a resolução de hidróxi-teluretos em meio orgânico utilizando lipases isoladas (Esquema 3)(ver arquivo). Nessas resoluções também foi estudada a influência da variação do solvente, da lipase, do tempo, etc. De forma a demonstrar a importância dos compostos resolvidos, um hidróxi-seleneto quiral e dois hidróxi-teluretos quirais foram usados para preparar compostos pertencentes a classes de unidades estruturais de vasta ocorrência em produtos naturais: um álcool alílico e duas lactonas (Esquema 4)(ver arquivo).

Otimização da inativação fotodinâmica de E. coli por fotossensibilizadores veiculados por nanopartículas de sílica

A nanotecnologia tem sido aplicada para o desenvolvimento de materiais para diversas aplicações inclusive na inativação de patógenos. As nanopartículas de sílica (npSi) destacam-se pela alta área superficial, facilidade na alteração da superfície para aumento da eficiência adsortiva, penetrabilidade e toxicidade para bactérias gram-negativas sendo biocompatíveis para células de mamíferos e mais foto-estáveis que a maioria dos compostos orgânicos. Devido as suas vantagens, as npSi podem ser usadas para veicular fotossensibilizadores (FSs) uma vez que permitem sua utilização em solução aquosa em que os FSs geralmente são insolúveis. Além disso, o uso de FSs em vez de antibióticos, permite a inativação microbiológica pela Terapia Fotodinâmica sem que as bactérias adquiram resistência por mecanismos genéticos. Esse processo ocorre pela interação entre um FS, luz e oxigênio molecular produzindo oxigênio singleto que é extremamente reativo danificando estruturas celulares. O objetivo desse estudo foi otimizar a fotoinativação dinâmica de E .coli utilizando Azul de Metileno (AM) e Azul de Toluidina O (ATO) veiculados por npSi. As npSi foram preparadas pela metodologia sol-gel, caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e submetidas à adsorção de AM e ATO em sua superfície. A presença de AM e ATO na superfície das npSi foram analisadas por espectroscopia no infravermelho; espectroscopia de fluorescência por raio-X e análise termogravimétrica. O planejamento experimental, iniciado pelo fatorial 23 e modelado ao composto central em busca das condições ótimas foi adotado pela primeira vez nessa aplicabilidade, visando a fotoinativação de E. coli empregando AM e ATO em solução e em seguida com npSi. AM e ATO veiculados por npSi permitem a fotoinativação em concentrações mais baixas de FS (20 e 51% respectivamente), causando desestruturação da integridade bacteriana demonstrada por MEV. Os resultados sugerem que a veiculação de AM e ATO por npSi é extremamente efetiva para a fotoinativação dinâmica de E. coli e que o planejamento composto central pode levar à completa inativação das bactérias.

Avaliação da interação entre o persulfato de potássio com solos brasileiros para a utilização da tecnologia de remediação por oxidação química in situ.

Recentemente, o uso de persulfato em processo de oxidação química in situ em áreas contaminadas por compostos orgânicos ganhou notoriedade. Contudo, a matriz sólida do solo pode interagir com o persulfato, favorecendo a formação de radicais livres, evitando o acesso do oxidante até o contaminante devido a oxidação de compostos reduzidos presentes no solo ou ainda pela alteração das propriedades hidráulicas do solo. Essa pesquisa teve como objetivos avaliar se as interações entre a solução de persulfato com três solos brasileiros poderiam eventualmente interferir sua capacidade de oxidação bem como se a interação entre eles poderia alterar as propriedades hidráulicas do solo. Para isso, foram realizados ensaios de oxidação do Latossolo Vermelho (LV), Latossolo Vermelho Amarelo (LVA) e Neossolo Quartzarênico (NQ) com solução de persulfato (1g/L e 14g/L) por meio de ensaios de batelada, bem como a oxidação do LV por solução de persulfato (9g/L e 14g/L) em colunas indeformadas. Os resultados mostraram que o decaimento do persulfato seguiu modelo de primeira ordem e o consumo do oxidante não foi finito. A maior constante da taxa de reação (kobs) foi observada para o reator com LV. Essa maior interação foi decorrente da diferença na composição mineralógica e área específica. A caulinita, a gibbsita e os óxidos de ferro apresentaram maior interação com o persulfato. A redução do pH da solução dos reatores causou a lixiviação do alumínio e do ferro devido a dissolução dos minerais. O ferro mobilizado pode ter participado como catalisador da reação, favorecendo a formação de radicais livres, mas foi o principal responsável pelo consumo do oxidante. Parte do ferro oxidado pode ter sido precipitado como óxido cristalino favorecendo a obstrução dos poros. Devido à maior relação entre massa de persulfato e massa de solo, a constante kobs obtida no ensaio com coluna foi 23 vezes maior do que a obtida no ensaio de batelada, mesmo utilizando concentração 1,5 vezes menor no ensaio com coluna. Houve redução na condutividade hidráulica do solo e o fluxo da água mostrou-se heterogêneo após a oxidação devido a mudanças na estrutura dos minerais. Para a remediação de áreas com predomínio de solos tropicais, especialmente do LV, pode ocorrer a formação de radicais livres, mas pode haver um consumo acentuado e não finito do oxidante. Verifica-se que o pH da solução não deve ser inferior a 5 afim de evitar a mobilização de metais para a água subterrânea e eventual obstrução dos poros por meio da desagregação dos grãos de argila.

Management of Trihalomethanes in Finished Drinking Water Through Source Water Precursor Monitoring

Trihalomethanes are organic compounds formed in drinking water distribution systems as a result of disinfection. This capstone project researched and evaluated the statistical correlation of trihalomethanes in finished drinking water and total organic carbon in source water using data generated by Denver area utilities. Results of the study conclude that some drinking water supply systems show a slight correlation between source water total organic carbon levels and trihalomethane levels in finished water. Results of the study also verify the assertion that changes to treatment for the reduction of trihalomethanes, for the protection of human health under the Safe Drinking Water Act should be determined by each utility, using information from gathered data, seasonal trends, and small scale batch testing.

Novel Ti/Ta2O5-SnO2 electrodes for water electrolysis and electrocatalytic oxidation of organics

Mixed metal oxide (MMO) electrodes have been applied to different technologies including chlorine production, organic compounds oxidation, water electrolysis, electroplating, etc. due to their catalytic, optical and electronic properties. Most of the existing MMO electrodes contain either toxic metals or precious metals of the platinum group. The aim of this study was to develop environmentally friendly and cost-effective MMO electrodes for water and organic compounds oxidation. Ti/Ta2O5-SnO2 electrodes of different nominal composition were prepared, and electrochemically and physically characterized. For water oxidation, Ti/SnO2 electrode with 5 at.% of Ta produced the highest electroactivity. Ti/SnO2 electrode with 7.5 at.% of Ta showed the best performance for the oxidation of methylene blue (MB). The electrocatalytic activity of the Ti/Ta2O5-SnO2 electrodes increased with the number of active layers. The maximum current of water oxidation reached 3.5 mA at 2.5 V when the electrode was covered with ten layers of Ta2O5. In case of the oxidation of 0.1 mM MB, eight and ten active layers of Ta2O5 significantly increased the electrode activity. The prepared electrodes have been found applicable for both water electrolysis and organic compounds oxidation.

Spherical activated carbon as an enhanced support for TiO2/AC photocatalysts

Titanium dioxide nanoparticles prepared in situ by sol–gel method were supported on a spherical activated carbon to prepare TiO2/AC hybrid photocatalysts for the oxidation of gaseous organic compounds. Additionally, a granular activated carbon was studied for comparison purposes. In both types of TiO2/AC composites the effect of different variables (i.e., the thermal treatment conditions used during the preparation of these materials) and the UV-light wavelength used during photocatalytic oxidation were analyzed. The prepared materials were deeply characterized (by gas adsorption, TGA, XRD, SEM and photocatalytic propene oxidation). The obtained results show that the carbon support has an important effect on the properties of the deposited TiO2 and, therefore, on the photocatalytic activity of the resulting TiO2/AC composites. Thus, the hybrid materials prepared over the spherical activated carbon show better results than those prepared over the granular one; a good TiO2 coverage with a high crystallinity of the deposited titanium dioxide, which just needs an air oxidation treatment at low-moderate temperature (350–375 °C) to present high photoactivity, without the need of additional inert atmosphere treatments. Additionally, these materials are more active at 365 nm than at 257.7 nm UV radiation, opening the possibility of using solar light for this application.

Biogas from MSW landfill: Composition and determination of chlorine content with the AOX (adsorbable organically bound halogens) technique

An exhaustive characterization of the biogas from some waste disposal facilities has been carried out. The analysis includes the main components (methane, carbon dioxide, nitrogen and oxygen) as well as trace components such as hydrogen sulphide, ammonia and VOCs (volatile organic compounds) including siloxanes and halogenated compounds. VOCs were measured by GC/MS (Gas Chromatography/Mass Spectrometry) using two different procedures: thermal desorption of the Tenax TA and Carbotrap 349 tubes and SPME (Solid Phase Micro-Extraction). A method has been established to measure the total halogen content of the biogas with the AOX (adsorbable organically bound halogens) technique. The equipment used to analyze the samples was a Total Organic Halogen Analyzer (TOX-100). Similar results were obtained when comparing the TOX (Total Organic Halogen) values with those obtained by GC/MS. The halogen content in all the samples was under 22 mg Cl/Nm3 which is below the limit of 150 mg/Nm3 proposed in the Spanish Regulations for any use of the biogas. The low chlorine content in the biogas studied, as well as the low content of other trace compounds, makes it suitable for use as a fuel for electricity generating engines.