The development of a new method for the determination of concentrations of carbonaceous gases using a non-dispersive infrared sensor

An analytical method for the detection of carbonaceous gases by a non-dispersive infrared sensor (NDIR) has been developed. The calibration plots of six carbonaceous gases including CO2, CH4, CO, C2H2, C2H4 and C2H6 were obtained and the reproducibility determined to verify the feasibility of this gas monitoring method. The results prove that squared correlation coefficients for the six gas measurements are greater than 0.999. The reproducibility is excellent, thus indicating that this analytical method is useful to determinate the concentrations of carbonaceous gases.

Eletrólise da água para produção de gás de síntese

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química e Biológica Ramo de Processos Químicos

Characterisation of gas and particle emissions from wildfires

Os incêndios florestais são uma importante fonte de emissão de compostos gasosos e de aerossóis. Em Portugal, onde a maioria dos incêndios ocorre no norte e centro do país, os incêndios destroem todos os anos milhares de hectares, com importantes perdas em termos económicos, de vidas humanas e qualidade ambiental. As emissões podem alterar consideravelmente a química da atmosfera, degradar a qualidade do ar e alterar o clima. Contudo, a informação sobre as caraterísticas das emissões dos incêndios florestais nos países do Mediterrâneo é limitada. Tanto a nível nacional como internacional, existe um interesse crescente na elaboração de inventários de emissões e de regulamentos sobre as emissões de carbono para a atmosfera. Do ponto de vista atmosférico da monitorização atmosférica, os incêndios são considerados um desafio, dada a sua variabilidade temporal e espacial, sendo de esperar um aumento da sua frequência, dimensão e severidade, e também porque as estimativas de emissões dependem das caraterísticas dos biocombustíveis e da fase de combustão. O objetivo deste estudo foi quantificar e caraterizar as emissões de gases e aerossóis de alguns dos mais representativos incêndios florestais que ocorreram no centro de Portugal nos verões de 2009 e de 2010. Efetuou-se a colheita de amostras de gases e de duas frações de partículas (PM2.5 e PM2.5-10) nas plumas de fumo em sacos Tedlar e em filtros de quartzo acoplados a um amostrador de elevado volume, respetivamente. Os hidrocarbonetos totais (THC) e óxidos de carbono (CO e CO2) nas amostras gasosas foram analisados em instrumentos automáticos de ionização de chama e detetores não dispersivos de infravermelhos, respetivamente. Para algumas amostras, foram também quantificados alguns compostos de carbonilo após reamostragem do gás dos sacos Tedlar em cartuchos de sílica gel revestidos com 2,4-dinitrofenilhidrazina (DNPH), seguida de análise por cromatografia líquida de alta resolução. Nas partículas, analisou-se o carbono orgânico e elementar (técnica termo-óptica), iões solúveis em água (cromatografia iónica) e elementos (espectrometria de massa com plasma acoplado por indução ou análise instrumental por ativação com neutrões). A especiação orgânica foi obtida por cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massa após extração com recurso a vários solventes e separação dos extratos orgânicos em diversas classes de diferentes polaridades através do fracionamento com sílica gel. Os fatores de emissão do CO e do CO2 situaram-se nas gamas 52-482 e 822-1690 g kg-1 (base seca), mostrando, respetivamente, correlação negativa e positiva com a eficiência de combustão. Os fatores de emissão dos THC apresentaram valores mais elevados durante a fase de combustão latente sem chama, oscilando entre 0.33 e 334 g kg-1 (base seca). O composto orgânico volátil oxigenado mais abundante foi o acetaldeído com fatores de emissão que variaram desde 1.0 até 3.2 g kg-1 (base seca), seguido pelo formaldeído e o propionaldeído. Observou-se que as emissões destes compostos são promovidas durante a fase de combustão latente sem chama. Os fatores de emissão de PM2.5 e PM10 registaram valores entre 0.50-68 e 0.86-72 g kg-1 (base seca), respetivamente. A emissão de partículas finas e grosseiras é também promovida em condições de combustão lenta. As PM2.5 representaram cerca de 90% da massa de partículas PM10. A fração carbonosa das partículas amostradas em qualquer dos incêndios foi claramente dominada pelo carbono orgânico. Foi obtida uma ampla gama de rácios entre o carbono orgânico e o carbono elementar, dependendo das condições de combustão. Contudo, todos os rácios refletiram uma maior proporção de carbono orgânico em relação ao carbono elementar, típica das emissões de queima de biomassa. Os iões solúveis em água obtidos nas partículas da pluma de fumo contribuíram com valores até 3.9% da massa de partículas PM2.5 e 2.8% da massa de partículas de PM2.5-10. O potássio contribuiu com valores até 15 g mg-1 PM2.5 e 22 g mg-1 PM2.5-10, embora em massa absoluta estivesse maioritariamente presente nas partículas finas. Os rácios entre potássio e carbono elementar e entre potássio e carbono orgânico obtidos nas partículas da pluma de fumo enquadram-se na gama de valores relatados na literatura para emissões de queima de biomassa. Os elementos detetados nas amostras representaram, em média, valores até 1.2% e 12% da massa de PM2.5 e PM2.5-10, respetivamente. Partículas resultantes de uma combustão mais completa (valores elevados de CO2 e baixos de CO) foram caraterizadas por um elevado teor de constituintes inorgânicos e um menor conteúdo de matéria orgânica. Observou-se que a matéria orgânica particulada é composta principalmente por componentes fenólicos e produtos derivados, séries de compostos homólogos (alcanos, alcenos, ácidos alcanóicos e alcanóis), açúcares, biomarcadores esteróides e terpenóides, e hidrocarbonetos aromáticos policíclicos. O reteno, um biomarcador das emissões da queima de coníferas, foi o hidrocarboneto aromático dominante nas amostras das plumas de fumo amostradas durante a campanha que decorreu em 2009, devido ao predomínio de amostras colhidas em incêndios em florestas de pinheiros. O principal açúcar anidro, e sempre um dos compostos mais abundantes, foi o levoglucosano. O rácio levoglucosano/OC obtido nas partículas das plumas de fumo, em média, registaram valores desde 5.8 a 23 mg g-1 OC. Os rácios levoglucosano/manosano e levoglucosano/(manosano+galactosano) revelaram o predomínio de amostras provenientes da queima de coníferas. Tendo em conta que a estimativa das emissões dos incêndios florestais requer um conhecimento de fatores de emissão apropriados para cada biocombustível, a base de dados abrangente obtida neste estudo é potencialmente útil para atualizar os inventários de emissões. Tem vindo a ser observado que a fase de combustão latente sem chama, a qual pode ocorrer simultaneamente com a fase de chama e durar várias horas ou dias, pode contribuir para uma quantidade considerável de poluentes atmosféricos, pelo que os fatores de emissão correspondentes devem ser considerados no cálculo das emissões globais de incêndios florestais. Devido à falta de informação detalhada sobre perfis químicos de emissão, a base de dados obtida neste estudo pode também ser útil para a aplicação de modelos no recetor no sul da Europa.

To what extent can mutual shifting of folded carbonaceous walls in slit-like pores affect their adsorption properties?

We have performed systematic Monte Carlo studies on the influence of shifting the walls in slit-like systems constructed from folded graphene sheets on their adsorption properties. Specifically, we have analysed the effect on the mechanism of argon adsorption (T = 87 K) and on adsorption and separation of three binary gas mixtures: CO2/N2, CO2/CH4 and CH4/N2 (T = 298 K). The effects of the changes in interlayer distance were also determined. We show that folding of the walls significantly improves the adsorption and separation properties in comparison to ideal slit-like systems. Moreover, we demonstrate that mutual shift of sheets (for small interlayer distances) causes the appearance of small pores between opposite bulges. This causes an increase in vapour adsorption at low pressures. Due to overlapping of interactions with opposite walls causing an increase in adsorption energy, the mutual shift of sheets is also connected with the rise in efficiency of mixtures separation. The effects connected with sheet orientation vanish as the interlayer distance increases.

Simulating short lived carbonaceous compounds with an atmospheric chemistry general circulation model

Ein neu entwickeltes globales Atmosphärenchemie- und Zirkulationsmodell (ECHAM5/MESSy1) wurde verwendet um die Chemie und den Transport von Ozonvorläufersubstanzen zu untersuchen, mit dem Schwerpunkt auf Nichtmethankohlenwasserstoffen. Zu diesem Zweck wurde das Modell durch den Vergleich der Ergebnisse mit Messungen verschiedenen Ursprungs umfangreich evaluiert. Die Analyse zeigt, daß das Modell die Verteilung von Ozon realistisch vorhersagt, und zwar sowohl die Menge als auch den Jahresgang. An der Tropopause gibt das Modell den Austausch zwischen Stratosphäre und Troposphäre ohne vorgeschriebene Flüsse oder Konzentrationen richtig wieder. Das Modell simuliert die Ozonvorläufersubstanzen mit verschiedener Qualität im Vergleich zu den Messungen. Obwohl die Alkane vom Modell gut wiedergeben werden, ergibt sich einige Abweichungen für die Alkene. Von den oxidierten Substanzen wird Formaldehyd (HCHO) richtig wiedergegeben, während die Korrelationen zwischen Beobachtungen und Modellergebnissen für Methanol (CH3OH) und Aceton (CH3COCH3) weitaus schlechter ausfallen. Um die Qualität des Modells im Bezug auf oxidierte Substanzen zu verbessern, wurden einige Sensitivitätsstudien durchgeführt. Diese Substanzen werden durch Emissionen/Deposition von/in den Ozean beeinflußt, und die Kenntnis über den Gasaustausch mit dem Ozean ist mit großen Unsicherheiten behaftet. Um die Ergebnisse des Modells ECHAM5/MESSy1 zu verbessern wurde das neue Submodell AIRSEA entwickelt und in die MESSy-Struktur integriert. Dieses Submodell berücksichtigt den Gasaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre einschließlich der oxidierten Substanzen. AIRSEA, welches Informationen über die Flüssigphasenkonzentration des Gases im Oberflächenwasser des Ozeans benötigt wurde ausgiebig getestet. Die Anwendung des neuen Submodells verbessert geringfügig die Modellergebnisse für Aceton und Methanol, obwohl die Verwendung einer vorgeschriebenen Flüssigphasenkonzentration stark den Erfolg der Methode einschränkt, da Meßergebnisse nicht in ausreichendem Maße zu Verfügung stehen. Diese Arbeit vermittelt neue Einsichten über organische Substanzen. Sie stellt die Wichtigkeit der Kopplung zwischen Ozean und Atmosphäre für die Budgets vieler Gase heraus.

Particle and gaseous emissions from compressed natural gas and ultralow sulphur diesel-fuelled buses at four steady engine loads

Exhaust emissions from thirteen compressed natural gas (CNG) and nine ultralow sulphur diesel in-service transport buses were monitored on a chassis dynamometer. Measurements were carried out at idle and at three steady engine loads of 25%, 50% and 100% of maximum power at a fixed speed of 60 kmph. Emission factors were estimated for particle mass and number, carbon dioxide and oxides of nitrogen for two types of CNG buses (Scania and MAN, compatible with Euro 2 and 3 emission standards, respectively) and two types of diesel buses (Volvo Pre-Euro/Euro1 and Mercedez OC500 Euro3). All emission factors increased with load. The median particle mass emission factor for the CNG buses was less than 1% of that from the diesel buses at all loads. However, the particle number emission factors did not show a statistically significant difference between buses operating on the two types of fuel. In this paper, for the very first time, particle number emission factors are presented at four steady state engine loads for CNG buses. Median values ranged from the order of 1012 particles min-1 at idle to 1015 particles km-1 at full power. Most of the particles observed in the CNG emissions were in the nanoparticle size range and likely to be composed of volatile organic compounds The CO2 emission factors were about 20% to 30% greater for the diesel buses over the CNG buses, while the oxides of nitrogen emission factors did not show any difference due to the large variation between buses.

Microstructural characterization of electron beam evaporated tungsten oxide films for gas sensing applications

Tungsten trioxide is one of the potential semiconducting materials used for sensing NH3, CO, CH4 and acetaldehyde gases. The current research aims at development, microstructural characterization and gas sensing properties of thin films of Tungsten trioxide (WO3). In this paper, we intend to present the microstructural characterization of these films as a function of post annealing heat treatment. Microstructural and elemental analysis of electron beam evaporated WO3 thin films and iron doped WO3 films (WO3:Fe) have been carried out using analytical techniques such as Transmission electron microscopy, Rutherford Backscattered Spectroscopy and XPS analysis. TEM analysis revealed that annealing at 300oC for 1 hour improves cyrstallinity of WO3 film. Both WO3 and WO3:Fe films had uniform thickness and the values corresponded to those measured during deposition. RBS results show a fairly high concentration of oxygen at the film surface as well as in the bulk for both films, which might be due to adsorption of oxygen from atmosphere or lattice oxygen vacancy inherent in WO3 structure. XPS results indicate that tungsten exists in 4d electronic state on the surface but at a depth of 10 nm, both 4d and 4f electronic states were observed. Atomic force microscopy reveals nanosize particles and porous structure of the film. This study shows e-beam evaporation technique produces nanoaparticles and porous WO3 films suitable for gas sensing applications and doping with iron decreases the porosity and particle size which can help improve the gas selectivity.

Electron beam evaporation of tungsten oxide films for gas sensors

Pure and Iron incorporated nanostructured Tungsten Oxide (WO3) thin films were investigated for gas sensing applications using noise spectroscopy. The WO3 sensor was able to detect lower concentrations (1 ppm-10 ppm) of NH3, CO, CH4 and Acetaldehyde gases at higher operating temperatures between 100oC to 250oC. The response of the WO3 sensor to NH3, CH4 and Acetaldehyde at lower temperatures (50oC-100oC) was significant when the sensor was photo-activated using blue-light emitting diode (Blue-LED). The WO3 with Fe (WO3:Fe) was found to show some response to Acetaldehyde gas only at relatively higher operating temperature (250oC) and gas concentration of 10 ppm.

Thin film deposition and characterization of pure and iron-doped electron-beam evaporated tungsten oxide for gas sensors

Pure Tungsten Oxide (WO3) and Iron-doped (10 at%) Tungsten Oxide (WO3:Fe) nanostructured thin films were prepared using a dual crucible Electron Beam Evaporation techniques. The films were deposited at room temperature in high vacuum condition on glass substrate and post-heat treated at 300 oC for 1 hour. From the study of X-ray diffraction and Raman the characteristics of the as-deposited WO3 and WO3:Fe films indicated non-crystalline nature. The surface roughness of all the films showed in the order of 2.5 nm as observed using Atomic Force Microscopy (AFM). X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) analysis revealed tungsten oxide films with stoichiometry close to WO3. The addition of Fe to WO3 produced a smaller particle size and lower porosity as observed using Transmission Electron Microscopy (TEM). A slight difference in optical band gap energies of 3.22 eV and 3.12 eV were found between the as-deposited WO3 and WO3:Fe films, respectively. However, the difference in the band gap energies of the annealed films were significantly higher having values of 3.12 eV and 2.61 eV for the WO3 and WO3:Fe films, respectively. The heat treated samples were investigated for gas sensing applications using noise spectroscopy and doping of Fe to WO3 reduced the sensitivity to certain gasses. Detailed study of the WO3 and WO3:Fe films gas sensing properties is the subject of another paper.