Online titrimetric and off-gas analysis for examining nitrification processes in wastewater treatment

The two steps of nitrification, namely the oxidation of ammonia to nitrite and nitrite to nitrate, often need to be considered separately in process studies. For a detailed examination, it is desirable to monitor the two-step sequence using online measurements. In this paper, the use of online titrimetric and off-gas analysis (TOGA) methods for the examination of the process is presented. Using the known reaction stoichiometry, combination of the measured signals (rates of hydrogen ion production, oxygen uptake and carbon dioxide transfer) allows the determination of the three key process rates, namely the ammonia consumption rate, the nitrite accumulation rate and the nitrate production rate. Individual reaction rates determined with the TOGA sensor under a number of operation conditions are presented. The rates calculated directly from the measured signals are compared with those obtained from offline liquid sample analysis. Statistical analysis confirms that the results from the two approaches match well. This result could not have been guaranteed using alternative online methods. As a case study, the influences of pH and dissolved oxygen (DO) on nitrite accumulation are tested using the proposed method. It is shown that nitrite accumulation decreased with increasing DO and pH. Possible reasons for these observations are discussed. (C) 2003 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Estudo da Influencia de antioxidantes na avaliacao da estabilidade oxidativa de biodiesel pelo metodo petroOXY

O uso do biodiesel como um substituto total ou parcial do diesel de petróleo é significativo, entretanto a sua baixa estabilidade oxidativa é um ponto desfavorável. Portanto o uso de antioxidantes é viável desde que diminuam a velocidade de degradação promovido pela oxidação. Mas a ação de um antioxidante está relacionada com a composição química do biodiesel ao qual é adicionado. Considerando a importância e o crescimento da indústria de biodiesel, a necessidade de utilização de antioxidantes, e a busca por novas fontes como matérias primas, faz-se necessário estudar a eficiência de antioxidantes para o aumento da vida útil do biodiesel, além de avaliar novas culturas com potencial de produção como o pinhão manso (Jatropha curcas L.) e nabo forrageiro (Raphanus sativus L.). O objetivo deste trabalho foi avaliar os antioxidantes BHT (butilhidroxitolueno), PA (ácido pirogálico) e PG (galato de propila), em concentrações de 50, 200, 500, 1000 e 2000 mg/kg, nos biodiesel de pinhão manso, nabo forrageiro e soja, empregando a metodologia PetroOXY, ensaio acelerado de oxidação, para a determinação do seu período de indução. Os biodieseis foram obtidos através de reações de transesterificação, utilizando rota metílica, com rendimentos superiores a 80% e foram caracterizados através de alguns parâmetros físico-químicos. Foi observada a eficiência do uso de antioxidantes no aumento da vida útil do biodiesel. E com o aumento da concentração houve um aumento do período de indução. A eficiência do BHT foi sempre crescente com o aumento da concentração para todos os biodieseis enquanto que para o PG e PA houve uma diminuição da eficiência na maior concentração. A metodologia usada para avaliação da estabilidade oxidativa, PetroOXY, mostrou-se eficaz, de boa repetibilidade e reprodutibilidade, além de ser mais rápida e completa que o método Rancimat. Na concentração mais elevada, 2000 mg/kg, o melhor desempenho foi para o BHT, nas concentrações inferiores a 2000 mg/kg, a melhor eficiência foi para o PA ~ PG, nos três biodieseis estudados, soja, nabo forrageiro e pinhão manso.

Etanol e biodiesel como recursos energéticos alternativos: perspectivas da América Latina e da Ásia

Este trabalho apresenta as perspectivas latino-americanas e asiáticas na emergente indústria dos biocombustiveis. As possibilidades brasileiras de participação na indústria e no comércio internacional de etanol e de biodiesel são discutidas. Uma questão sobre os possíveis parceiros "estratégicos" do Brasil neste setor é levantada: os enormes mercados consumidores de países desenvolvidos ou os emergentes e também famintos consumidores asiáticos de energia?

Potencialidade de produção de biodiesel por óleos e gorduras residuais na cidade de Itabira-MG

Grande parte da energia produzida no Brasil provém de fontes renováveis. Porém, as energias não-renováveis são mais utilizadas, em especial o petróleo, cujas reservas são finitas. Uma alternativa para substituição do diesel é o biodiesel, biocombustível produzido por fontes renováveis ou recicladas, como óleos e gorduras residuais, OGRs, que geram menos poluentes que os combustíveis derivados do petróleo. O objetivo deste trabalho foi verificar, por meio de questionário, a geração de OGRs pelos estabelecimentos comerciais da cidade de Itabira-MG, de forma a avaliar e discutir a potencialidade de produção de biodiesel na localidade em função da oferta de OGRs, retorno financeiro e fatores logísticos. Para isso, na Prefeitura de Itabira foram levantados dados de todos os estabelecimentos que possuem alvará de funcionamento, escolhendo-se os que estão localizados em áreas centrais da cidade. Verificou-se a geração de quantidades insuficientes de óleo de soja e de gordura hidrogenada residuais, inviabilizando no momento a produção de biodiesel em grande escala. Contudo, em relação à simulação feita com os custos de produção do biocombustível, os valores encontrados são compatíveis aos do mercado consumidor. Além disso, um dado preocupante levantado foi a doação dos óleos de soja residuais para a reutilização por pessoas carentes da cidade, um destino perigoso à saúde dessas pessoas.

Catalizadores heterogéneos básicos para a produção de biodiesel

O consumo de energia é um requisito fundamental para a existência humana. Grande parte da energia é gerada a partir de combustíveis fósseis. Os problemas ambientais e a instabilidade dos mercados de crude, agravados pela conscencialização de que as reservas de crude são finitas, motivaram a procura de combustíveis alternativos. Entre os vários estudados, o biodiesel é apontado como uma alternativa viável ao diesel de origem fóssil por apresentar propriedades de combustão similares. O biodiesel apresenta um balanço de carbono praticamente nulo sendo por isso visto como uma arma na batalha contra o aquecimento global. O biodiesel compreende uma mistura de mono-ésteres alquílicos de ácidos gordos de cadeia longa. A transesterificação ou esterificação de óleos vegetais ou gorduras animais, com um álcool de baixo peso molecular (metanol ou etanol) é o principal processo usado para produzir biodiesel. Presentemente os processos industriais usam catalisadores homogéneos em processos. No entanto, os catalisadores heterogéneos têm surgido como promissores para a produção de biodiesel, já que são ambientalmente benignos e podem ser regenerados e reutilizados. Deste modo, a catálise heterogénea torna a produção de biodiesel potencialmente mais barata, permitindo a utilização em processos contínuos. Neste contexto, foram preparados e testados, na metanólise de óleo de soja, vários catalisadores heterogéneos básicos. Os melhores desempenhos catalíticos foram obtidos utilizando catalisadores sólidos preparados por deposição de SrO sobre MgO (razão atómica Sr/Mg entre 0.05 e 0.35). Os catalisadores com razão atómica Sr/Mg superior a 0.10 permitem obter um rendimento em ésteres metílicos superior a 90%, para a temperatura de refluxo do metanol. Os resultados das diferentes técnicas de caracterização mostraram que a temperatura de calcinação tem uma forte influência sobre o comportamento catalítico. Para temperaturas de calcinação inferiores a 625 ºC o carbonato de estrôncio permanece na superfície dos catalisadores. A solubilidade desta espécie no meio reaccional, principalmente no metanol, promove a rápida lixiviação do estrôncio e assim a desactivação do catalisador. A fim de optimizar a produção de biodiesel, foi estudado o efeito de vários parametros do processo tais como a temperatura da reacção, a razão molar metanol/óleo, razão mássica catalisador/óleo e o tempo de reação. Este estudo incluiu igualmente a estabilidade dos catalisadores.

Advances on the development of novel heterogeneous catalysts for transesterification of triglycerides in biodiesel

This paper describes experimental work done towards the search for more profitable and sustainable alternatives regarding biodiesel production, using heterogeneous catalysts instead of the conventional homogenous alkaline catalysts, such as NaOH, KOH or sodium methoxide, for the methanolysis reaction. This experimental work is a first stage on the development and optimization of new solid catalysts, able to produce biodiesel from vegetable oils. The heterogeneous catalytic process has many differences from the currently used in industry homogeneous process. The main advantage is that, it requires lower investment costs, since no need for separation steps of methanol/catalyst, biodiesel/catalyst and glycerine/catalyst. This work resulted in the selection of CaO and CaO modified with Li catalysts, which showed very good catalytic performances with high activity and stability. In fact FAME yields higher than 92% were observed in two consecutive reaction batches without expensive intermediate reactivation procedures. Therefore, those catalysts appear to be suitable for biodiesel production.

Produção de biodiesel a partir de matérias-primas ácidas e de gorduras animais

A produção de energia a partir de fontes renováveis tornou-se num objectivo essencial para a sustentabilidade económica, social e ambiental do mundo actual. O biodiesel é uma dessas fontes renováveis que pode substituir o diesel fóssil. A principal via de produção do biodiesel é através de uma reacção de transesterificação de óleos vegetais, óleos alimentares usados ou gorduras animais por reacção com um álcool na presença de um catalisador alcalino. Contudo, a utilização de matérias-primas com um teor em ácidos gordos livres superior a cerca de 4% (8mg KOH/g óleo) inviabiliza a possibilidade de efectuar directamente a reacção de transesterificação básica das gorduras e obriga à realização de um pré-tratamento para redução da acidez inicial da amostra. Assim, este trabalho teve como principal objectivo estudar a possibilidade de produzir diesel a partir de matérias-primas alternativas como as gorduras vegetais com elevados teores em ácidos gordos livres após esterificação com glicerina e uma gordura animal de baixa acidez, conseguindo-se assim a valorização de um resíduo e ao mesmo tempo a diminuição do custo de produção do biodiesel. Após ensaios preliminares, a esterificação com glicerina foi estudada aplicando a metodologia do planeamento factorial dos ensaios. Nos ensaios preliminares foi analisado o efeito da temperatura, da percentagem de catalisador, da velocidade de agitação, da percentagem de excesso de glicerina e do tipo de catalisador na acidez da amostra. Os resultados obtidos mostraram que é possível reduzir o índice de acidez de 30% (60 mg KOH/g gordura) para 8% (4 mg KOH/g gordura) trabalhando a 220° C, 10% de excesso de glicerina e 0,2% de catalisador (zinco) em apenas 90 minutos de reacção. A transesterificação básica do produto obtido na esterificação com glicerina não permitiu produzir um biodiesel que cumprisse a Norma Europeia de qualidade do biodiesel no que diz respeito à pureza, acidez e teor em água. De facto, nas condições mais favoráveis, que corresponderam à utilização da razão molar de metanol/gordura de 12:1 e 1% de catalisador, foi possível produzir um biodiesel com um teor em ésteres metílicos de 94.7% e 1.1% de ácidos gordos livres. Por último, os ensaios de transesterificação com a gordura animal mostraram que estas gorduras são uma matéria-prima com grandes potencialidades para serem utilizadas na produção de biodiesel. Assim, utilizando condições operatórias idênticas às utilizadas para os óleos virgens (0.6% de metóxido de sódio catalisador e uma razão molar de metanol de 6:1) foi possível produzir em apenas 30 minutos de reacção um biodiesel com um teor em ésteres superior a 98%.

Implementação e validação do método de determinação de metais e fósforo por ICP-OES (inductively coupled plasma-optical emission spectometry) em biodiesel

O objectivo do presente trabalho foi desenvolver, implementar e validar métodos de determinação de teor de cálcio (Ca), magnésio (Mg), sódio (Na), potássio (K) e fósforo (P) em biodiesel, por ICP-OES. Este método permitiu efectuar o controlo de qualidade do biodiesel, com a vantagem de proporcionar uma análise multi-elementar, reflectindo-se numa diminuição do tempo de análise. Uma vez que o biodiesel é uma das principais fontes de energia renovável e alternativa ao diesel convencional, este tipo de análises revela-se extremamente útil para a sua caracterização. De acordo com a análise quantitativa e qualitativa e após a validação dos respectivos ensaios, apresentam-se, na Tabela 1 as condições optimizadas para cada elemento em estudo. As condições de trabalho do ICP-OES foram escolhidas tendo em conta as características do elemento em estudo, o tipo de equipamento utilizado para a sua análise, e de modo a obter a melhor razão sinal/intensidade de fundo. Para a validação dos ensaios foram efectuados ensaios de recuperação, determinados limites de detecção e quantificação, ensaios de repetibilidade e reprodutibilidade, e verificação das curvas de calibração. Na tabela 2 apresentam-se os comprimentos de onda escolhidos (livres de interferências) e respectivos limites de detecção e quantificação dos elementos analisados por ICP-OES, na posição radial e radial atenuado.

Cork processing wastewater treatment/valorisation by nanofiltration

Nanofiltration process for the treatment/valorisation of cork processing wastewaters was studied. A DS-5 DK 20/40 (GE Water Technologies) nanofiltration membrane/module was used, having 2.09 m(2) of surface area. Hydraulic permeability was determined with pure water and the result was 5.2 L.h(-1).m(-2).bar(-1). The membrane presents a rejection of 51% and 99% for NaCl and MgSO4 salts, respectively. Two different types of regimes were used in the wastewaters filtration process, total recycling mode and concentration mode. The first filtration regime showed that the most favourable working transmembrane pressure was 7 bar working at 25 degrees C. For the concentration mode experiments it was observed a 30% decline of the permeate fluxes when a volumetric concentration factor of 5 was reached. The permeate COD, BOD5, colour and TOC rejection values remained well above the 90% value, which allows, therefore, the concentration of organic matter (namely the tannin fraction) in the concentrate stream that can be further used by other industries. The permeate characterization showed that it cannot be directly discharged to the environment as it does not fulfil the values of the Portuguese discharge legislation. However, the permeate stream can be recycled to the process (boiling tanks) as it presents no colour and low TOC (< 60 ppm) or if wastewater discharge is envisaged we have observed that the permeate biodegradability is higher than 0.5, which renders conventional wastewater treatments feasible.

Estudo do uso de hidrotalcites de Mg-Al como catalisadores heterogéneos para produção de biodiesel

A transesterificação de óleos vegetais ou gorduras animais com um álcool de baixo peso molecular é o principal processo utilizado na produção de biodiesel. Actualmente os processos industriais utilizam catalisadores homogéneos para acelerar a reacção. No entanto a utilização de catalisadores heterogéneos, no processo de transesterificação, tem sido sugerido por vários investigadores pois, são amigos do ambiente e podem ser regenerados e reutilizados portanto possibilitam a utilização de processos contínuos. Neste contexto, a utilização de hidrotalcites Mg-Al, como catalisadores heterogéneos para produção de biodiesel foi investigada neste trabalho experimental. As hidrotalcites com diferentes razões molares Mg/Al (Mg/Al=1, 2, 3 e 4) foram preparadas pelo método de co-precipitação. As diversas matrizes catalíticas obtidas, calcinadas a diferentes temperaturas, foram caracterizadas por difracção de raios X (DRX), análise térmica (TG-DSC), espectroscopia de infravermelhos (MIR), microscopia electrónica de varrimento (SEM) e isotérmicas de adsorção com azoto (BET). Estes catalisadores foram testados na metanólise de óleos vegetais para produzir biodiesel. As hidrotalcites Mg/Al=2, HT2A e HT2B (preparada com metade da quantidade de NaOH) calcinadas a 507 ºC e 700 ºC, respectivamente, foram as que apresentaram melhores resultados ao catalisar a reacção com um rendimento em éster superior a 97%, utilizando 2.5% da massa de catalisador, em relação à massa do óleo, razão molar metanol/óleo igual a 12, temperatura reaccional de 65 ºC durante 4h. Foi também investigada a reutilização do catalisador e o efeito da temperatura de calcinação. Constatou-se que o catalisador hidrotalcite HT2B apresentou melhor comportamento catalítico pois permitiu catalisar a reacção de transesterificação até três ciclos reaccionais, convertendo em ésteres 97%, 92% e 34% no primeiro, segundo e terceiro ciclos reaccionais, respectivamente. A análise de, algumas propriedades do biodiesel obtido como, o índice de acidez, a viscosidade e o índice de iodo mostraram que os resultados obtidos estão dentro dos valores limite recomendados pela norma EN 14214. Em anexo apresenta-se uma comunicação à First International Conference on Materials for Energy, Karlsruhe, 2010.

Study on the glycerolysis reaction of high free fatty acid oils for use as biodiesel feedstock

Biodiesel is the main alternative to fossil diesel and it may be produced from different feedstocks such as semi-refined vegetable oils, waste frying oils or animal fats. However, these feedstocks usually contain significant amounts of free fatty acids (FFA) that make them inadequate for the direct base catalyzed transesterification reaction (where the FFA content should be lower than 4%). The present work describes a possible method for the pre-treatment of oils with a high content of FFA (20 to 50%) by esterification with glycerol. In order to reduce the FFA content, the reaction between these FFA and an esterification agent is carried out before the transesterification reaction. The reaction kinetics was studied in terms of its main factors such astemperature, % of glycerin excess, % of catalyst used, stirring velocity and type of catalyst used. The results showed that glycerolysis is a promising pretreatment to acidic oils or fats (> 20%) as they led to the production of an intermediary material with a low content of FFA that can be used directly in thetransesterification reaction for the production of biodiesel. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Study on the use of MgAl hydrotalcites as solid heterogeneous catalysts for biodiesel production

This paper, reports experimental work on the use of new heterogeneous solid basic catalysts for biodiesel production: double oxides of Mg and Al, produced by calcination, at high temperature, of MgAl lamellar structures, the hydrotalcites (HT). The most suitable catalyst system studied are hydrotalcite Mg:Al 2:1 calcinated at 507 degrees C and 700 degrees C, leading to higher values of FAME also in the second reaction stage. One of the prepared catalysts resulted in 97.1% Fatty acids methyl esters (FAME) in the 1st reaction step, 92.2% FAME in the 2nd reaction step and 34% FAME in the 3rd reaction step. The biodiesel obtained in the transesterification reaction showed composition and quality parameters within the limits specified by the European Standard EN 14214. 2.5% wt catalyst/oil and a molar ratio methanol:oil of 9:1 or 12:1 at 60 -65 degrees C and 4 h of reaction time are the best operating conditions achieved in this study. This study showed the potential of Mg/Al hydrotalcites as heterogeneous catalysts for biodiesel production. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Cork industry wastewater partition by ultra/nanofiltration: A biodegradation and valorisation study

Wastewater from cork processing industry present high levels of organic and phenolic compounds, such as tannins, with a low biodegradability and a significant toxicity. These compounds are not readily removed by conventional municipal wastewater treatment, which is largely based on primary sedimentation followed by biological treatment. The purpose of this work is to study the biodegradability of different cork wastewater fractions, obtained through membrane separation, in order to assess its potential for biological treatment and having in view its valorisation through tannins recovery, which could be applied in other industries. Various ultrafiltration and nanofiltration membranes where used, with molecular weight cut-offs (MWCO) ranging from 0.125 to 91 kDa. The wastewater and the different permeated fractions were analyzed in terms of Total Organic Carbon (TOC), Chemical Oxygen Demand (COD), Biochemical Oxygen Demand (BOD), Total Phenols (TP), Tannins, Color, pH and Conductivity. Results for the wastewater shown that it is characterized by a high organic content (670.5-1056.8 mg TOC/L, 2285-2604 mg COD/L, 1000-1225 mg BOD/L), a relatively low biodegradability (0.35-0.38 for BODs/COD and 0.44-0.47 for BOD20/COD) and a high content of phenols (360-410 mg tannic acid/L) and tannins (250-270 mg tannic acid/L). The results for the wastewater fractions shown a general decrease on the pollutant content of permeates, and an increase of its biodegradability, with the decrease of the membrane MWCO applied. Particularly, the permeated fraction from the membrane MWCO of 3.8 kDa, presented a favourable index of biodegradability (0.8) and a minimized phenols toxicity that enables it to undergo a biological treatment and so, to be treated in a municipal wastewater treatment plant. Also, within the perspective of valorisation, the rejected fraction obtained through this membrane MWCO may have a significant potential for tannins recovery. Permeated fractions from membranes with MWCO lower than 3.8 kDa, presented a particularly significant decline of organic matter and phenols, enabling this permeates to be reused in the cork processing and so, representing an interesting perspective of zero discharge for the cork industry, with evident environmental and economic advantages. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.